CN107076899B

CN107076899B - 方向选择性干涉式光学滤波器

Info

Publication number: CN107076899B
Application number: CN201580060620.7A
Authority: CN
Inventors: 迈克·朗纳; 哈特姆特·弗勒布; 瓦迪姆·G·利森科; 马尔卡斯·苏德丘斯; 卡尔·莱奥
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Sinorek Co ltd
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2020-03-03
Anticipated expiration: 2035-10-07
Also published as: WO2016055046A1; EP3204802A1; KR20170069253A; CN107076899A; EP3204802B1; ES2793965T3; US20170276849A1; KR102211661B1; US10036839B2; DE112015004601A5; DE102014014980A1

Abstract

本发明涉及一种用于光谱测量装置的方向选择性干涉式光学滤波器(30)，其至少包括由两个分层地构造的一维的光子结构(36、37；25a、25b)构成的机构，其中，两个结构(36、37；25a、25b)中的每一个都包含缺陷层(32、34)，其中，每个光子结构(36、37；25a、25b)具有能量动量空间(E、k_x、k_y)中的色散函数(f1、f2)，其中，k_x和k_y在能量动量空间(E、k_x、k_y)中针对限定的能量(频率/波长)E表示光子结构(36、37、25a、25b)的透射的光子的动量分量，其中，两个光子结构(36、37；25a、25b)具有对置的边界面(42、43)，这两个边界面彼此间具有平面平行的间距(D_D)。在此，两个光子结构(36、37、25a、25b)的色散函数(f1、f2)在能量动量空间(E、k_x、k_y)中交叉或相交，并且在一定能量(E)下在色散函数(f1、f2)的表面上产生波的光束的交集(A)，其中，波的光束(A)包含在某一角度下穿过滤波器(30)有选择地选定的波(11a、11b)，而在另外的角度下的另外的波(13a、13b)被滤波器(30)反射。

Description

方向选择性干涉式光学滤波器

技术领域

本发明涉及一种用于光谱测量装置的方向选择性干涉式光学滤波器，其随后也被称为定向式干涉仪光学滤波器，即DIOF。

背景技术

限制光传播的角度的材料系统具有许多应用，例如：天然照明、隐私保护(显示器)、自动图像分析、探测器和相应的光源等。

迄今为止的解决方案在结构中是复杂的(例如光子三维结构)或者具有不充分的特性(防窥薄膜：角度范围～30°，光栅结构(Linienstruktur)可见)。

通常，这种光学特性可以通过真实的三维光学结构描绘，其具有针对特定的传播方向的带隙，并且具有至少一个在带隙中的离散的模式(Mode)。通常，在这种系统中，在动量空间中存在若干离散的模式。除了制造这种结构在技术上是非常苛刻的和不经济的之外，动量空间中的模式的离散化也限制了应用可能性。

US 6,130,780 A1公开了一种全方向反射器以及其制造方法，全方向反射器具有如下结构，其具有表面和具有沿相对所提到的表面垂直的方向的折射率改变。

通过所描述的多层结构导致的光学带结构在对材料和具体的层结构进行适当选择的情况下导致存在如下频率范围，在该频率范围中，光子在每个入射角度的情况下与偏振无关地几乎100％反射。

然而，US 6,310,780 A1不利地描述的是，无法实现在反射的频率范围或频带内限定窄的被透过的范围(光的方向以及频率)。

在文献US 6 624 945 B2中描述的电磁式波长滤波器允许了在窄的波长范围内传输电磁能量，而反射其他相邻波长的入射电磁能量，其中，所提到的滤波器包括至少一个空穴区域作为干扰部(在该意义下，是周期性地构建的层堆垛内的层厚变化)，空穴区域嵌入至少两个反射器之间，其中，至少一个反射器可以根据申请US 6,130,780 A1构造。

在该滤波器中不利地没有存在针对固定的、限定的、窄的波长范围的透射来说的方向限制，也就是说，针对每个入射角存在独特的、满足滤波器的色散条件的透射范围。因此，针对相同的作用方式可以发生波长或方向的预过滤。

使用由介电材料构成的层堆垛来过滤不同的波长的另外的可能性在文献US 7,310,454 B2中示出。在此，两个光子晶体作为反射器在所谓的缺陷层(等价于空穴区域/干扰部位)周围放置。光子晶体通过交替地高折射材料和低折射材料制造，它们的光学层厚d_i＝λ/n_i分别相应于设计波长的1/4。在此，d_i表示各个层的物理层厚，并且n_i表示它们的折射率。设计波长限定了设备的期望的工作点，也就是说例如最大的反射或透射范围。

在文献US 7,810,454 B2中介绍的设备中，在一个实施方案中介绍了在通过玻璃纤维垂直耦入的情况下可变的、可切换的滤波器。为此，缺陷层由能电驱控或能类似地操控的材料构造。透射模式，也就是窄的波长范围(其可以在最大反射的光学阻带内几乎无阻碍地通过滤波器结构)，可以由此在一定的边界内在电磁光谱中移动。在(通过玻璃纤维)事先限制可能的波长范围和方向的情况下，因此可以产生能电调控的光学开关。在另一实施方案中，离散地限定的波长的总信号通过不同构建的滤波器的系统被分解为其组成部分。对于所有这些实施方案来说共同的是，必须在方向或波长方面执行对待过滤信号的预先选择。

此外存在如下文献，即文献US 5,719,989 A，其描述了光学滤波器的由介电层构成的理想的层结构，该层结构提供了在宽的波长范围内的尽可能均匀的高透射。为此，高数量的层是必需的(直至数百层)，它们必须以高精确度来施装。除了在光谱上宽的透射范围外，根据期望在该结构中没有进行方向限制。

在文献US 6,859,321 B2中描述的设备使用空气层作为两个构造为光子晶体的反射器之间的缺陷层。因为两个反射器分别施装在一种平板电容器的侧，所以其间距可能由于静电吸引发生变化。因为间距是数μm，所以在反射的波长范围内存在一系列的透射模式。附加地，缺少方向限制。

在文献DE 10 2005 042 953 B3中使用一种微谐振器，也就是说由两个反射器和一个缺陷层构成的结构，其用于产生具有THz范围内的频率的辐射的强度调制。介电层堆垛的使用在此允许了廉价的制造，并且一体的结构方式允许了紧凑的和坚固的光学元件。强度调制在此通过缺陷层内的光学各向异性形成。

US 6,115,401 A最后描述了由介电层堆垛构成的滤波器元件的使用，用于过滤外部激光谐振器中的谐振模式。在此，施装到等离子体上的滤波器在射束路径中能以可变地(在横向/角度上)设定的方式使用。在此，微谐振器的通常有利的色散特性也得到充分利用，从而在给定波长的情况下，在反射的波长范围内预定角度，或者在预定角度的情况下，预定透射的波长，然而两者不能组合。

发明内容

本发明的任务是说明一种方向选择性干涉式光学滤波器，该方向选择性干涉式光学滤波器以如下方式匹配地构造，即，使其是紧凑的、能简单地较大批量制造的滤波器，该滤波器根据具体选择的结构在光谱上宽带地(数百纳米)完全反射光信号，并且仅在设定的受限的角度范围(5°至10°)内，在光谱上窄的(2nm至5nm)波长带可以通过该滤波器。在点状的光源的情况下，透射的波长范围根据选择的滤波器结构在空间中描述了一种锥形曲面，其具有准确限定的开口角度，直到临界情况0°的开口角度。

本发明的任务通过方向选择性干涉式光学滤波器解决，其至少包括：

由两个分层地构造的一维的光子结构构成的机构，其中，两个结构中的每一个都包含缺陷层，其中，每个光子结构具有能量动量空间中的色散函数f1、f2，其中，k_x和k_y在能量动量空间E、k_x、k_y中针对限定的能量E表示光子结构的透射的光子的动量分量，其中，两个光子结构具有对置的边界面，它们彼此间具有平面平行(planparallel)的间距，其中，根据本发明，两个光子结构的色散函数f1、f2在能量动量空间E、k_x、k_y中交叉或相交，并且在一定能量E下在色散函数f1、f2的表面上产生波的光束的交集A，其中，波的交集A的光束包含在某一角度下穿过滤波器有选择地选定的波，而在另外的角度下的另外的波被滤波器反射。

可选的有例如空气空间或空气垫形式的介质或间距件可以位于对置的边界面之间的平面平行的间距中，间距件或介质贴靠在光子结构的边界面上。在气态的介质的情况下边界面之间的平面平行的间距例如可以通过间距保持器产生。

根据本发明的滤波器可以包括：

两个分层的一维的光子结构，其中，两个结构分别具有至少两个反射的镜层，并且其中，光子结构的两个镜层通过至少一个缺陷层相互连接；以及

间距件或介质，其将两个光子结构平面平行地以固定的间距连接并相干去耦，

其中，通过两个光子结构导致的针对谐振模式的色散抛物线通常满足

k_x36 ²+k_y36 ²＝常数_1以及k_x37 ²+k_y37 ²＝常数_2，

其中，函数k_x36 ²+k_y36 ²＝常数_1以及k_x37 ²+k_y37 ²＝常数_2针对所选择的能量E得到抛物面区域的交集A，即角度相交区域(等价于常数_1＝常数_2)，其中，射束路径A在波以一个角度入射的情况下具有方向选择性透过滤波器的波。

根据本发明的方向选择性干涉式光学滤波器在本发明的意义中是一种单件式的结构元件/设备，其能够实现的是，从在UV(紫外线)/VIS(可见光)至IR(红外线)范围内的电磁射束的宽带的连续谱中选定数纳米的窄的范围，其在5°至10°的窄角度范围内照射的情况下可以几乎畅通无阻地通过结构元件，而剩余光谱在全方向上几乎完全被反射。

作用原理在此是干涉式的，也就是说，设备的光学特性(透射/反射、相特性)由部分波的多次叠加和它们相互的部分的抵消和增强形成。

根据本发明，光子结构是大多至少区段式均匀的与光子交互作用的材料、超材料或微结构的机构或是具有空间的/几何的周期性的与光子交互作用的材料、超材料或微结构的机构。这些材料、超材料或微结构可以天然存在(例如蝴蝶翅膀)，或者人工产生(例如眼镜中的抗反射层)。典型的特征是特性(例如光学折射率)沿至少一个空间方向在波长的数量级(也就是说数十纳米至数百纳米)内变化。

因为由于均匀性/周期性类似于固体理论中的晶体结构，所以光子结构也被称为光子晶体。在此，维度表示具有光子作用的变化的空间方向的数量，也就是说一维的光子晶体仅在一个空间方向上(例如向上)设有折射率改变，而(平面中的)两个另外的空间方向不具有变化。

在本发明的意义中的分层的结构表明相互连接的材料层(例如金属氧化物、金属、聚合物、有机分子等)的序列，材料层分别具有数平方毫米至数百平方厘米的面式的伸展，并且具有在数十纳米至数百纳米的数量级中的恒定的厚度，其中，分别在两个材料之间形成正好一个边界面，其伸展尺寸与它们稍有偏差。在具有多于两个层的光子结构中的连续的边界面彼此间是平面平行的。由于其伸展尺寸的大小比例，层也被称为薄膜。

用于薄膜的制造方法可以是现有技术的各种方法，例如真空升华、喷涂法、离心法、沉浸法。

在本发明的意义中的反射的镜层是高反射的光子结构，其也被称为介电镜，其中，通过干涉效应，在光谱上宽的带(数十纳米到数百纳米)内完全反射大部分的射束(几乎100％)。与金属镜不同地，效率是几乎100％，这是因为通常没有或几乎没有射束被吸收。简单构造的介电镜由交替序列的层构成，这些层由针对所观察的波长范围来说透明的材料构成，这些材料在它们各自的折射率方面彼此不同。在可见光谱中，这例如是二氧化硅(n_SiO2＝1.46)和二氧化钛(n_TiO2＝2.4-2.6)材料，它们分别设定到最大待反射的波长的四分之一的光学厚度n×d。在大约七至九个交替的层对的数量的情况下可以得到＞99％的反射值。对于调整在数百纳米的宽的光谱范围内的具体的反射性能来说，添加的层或堆叠件可以以刚好计算出的层厚差来补充。

在本发明的意义下的缺陷层是光子晶体内的干扰部。理想的晶体具有均匀地、周期性地重复的空间结构。对周期性的干扰被称为缺陷，将其转移到层结构上，也就是说例如存在对均匀的材料布置和/或厚度布置的干扰。干扰部可以例如在像上面描述的介电镜那样通过具有半个波长的光学厚度的层来代替具有波长的四分之一的光学厚度的层。

在本发明的意义中的间距件或介质是具有至少两个面式构造的、彼此间平面平行地取向的侧的固体，这两个侧对于待过滤的波长来说是充分透明的，这可以例如是玻璃板、聚合物层、半导体板或类似物。另一方面，只要两个光子结构彼此间具有平面平行的固定的间距，气态的或液态的介质也可以位于两个光子结构之间。这可以例如通过均匀引入的间距保持器实现。

在本发明的意义中的色散抛物线是对上述的具有缺陷层的光子结构的色散关系的曲线的描述。通常，色散关系描述了能量(频率/波长)和光子动量(也就是其方向)之间的关系。在真空中无交互作用的光子是直线上升的线，而具有缺陷层的光子结构导致抛物线形状。

在本发明的意义中的谐振模式表示了光子结构的自振荡，其由缺陷层导致。谐振模式例如通过窄带的高透射表现出，并且此外可以通过缺陷层的空间伸展和组合在光谱上设定。光子结构可以具有多于一个谐振模式，通常，谐振模式在设计和实现结构时被设定，从而其在光谱上居中地位于介电镜最大反射的区域中。

针对边界层上的全反射条件下的每个观察方向，根据色散关系，谐振模式朝更高的能量移动。

在本发明的意义中的抛物面区域的相交区域以如下方式形成，即，色散函数f2由第二光子结构并且f1由第一光子结构以如下方式构造，即，f2描述了在能量动量空间E-k_x-k_y中的更为敞开的抛物线，其顶点在能量上位于f1的顶点的上方，或者与f1的顶点重合。间距必须以如下方式选择，即，使得光子的动量分量的相交区域仍处于全反射条件下。在顶点f1和顶点f2重合的临界情况下得到的是，两个光子结构使垂直入射的光透射，但倾斜入射的光要么不满足f1，要么不满足f2，并且因此被反射。

在介质构造为层状的间距层的情况下，间距层布置在两个光子结构的对置的边界层之间，这两个光子结构安置在层状的间距件的两个对置的表面侧上。

可以存在至少一个基底，其与至少一个光子结构处于面式接触中。

间距件同样可以是层。

分层地构造的一维的光子结构由至少两个交替布置的且表现为反射的介电镜层的介电材料层构成，其中，材料层在滤波器的整个工作光谱上具有不同的介电特性，其中，材料层的厚度D以如下方式构造，即，使其导致在预定的滤波器模式周围的光学截止区域。

光子晶体形式的分层地构造的一维的光子结构具有至少一个缺陷层，其增强了预定的滤波器模式，其中，缺陷层位于两个介电镜之间，介电镜构造为具有预定的折射率的介电材料层。

缺陷层可以要么具有固定不变的光学厚度d，要么具有可变的光学厚度d。

在两个分层的一维的光子结构内缺陷层可以具有不同的折射率。

在两个分层的一维的光子结构内缺陷层的光学厚度d可以具有相同的光学厚度d，或者区别在于半波长的整数倍或者与这些值有偏差地构造。

作为两个光子结构之间的平面平行的间距的构造件的间距件或介质在方向选择性干涉式光学滤波器的谐振频率状态下是光学透明的，并且具有光学厚度D_D。光学厚度D_D调控两个光子结构的联接机制。针对光学厚度明显小于在光源一侧入射的通过滤波器分析的光射束的相干长度(LED：数十微米，激光器：mm到km)的情况，两个光子结构相干地联接，并且作用为单个复杂光子系统。这通常导致两倍退化的DIOF模式，并且加宽了光谱的且依赖于方向的谐振。由此，系统的过滤效果明显减小。如果光学厚度D_D大于入射的、满足两个光子结构的谐振条件的光束的相干长度，那么两个光子结构彼此去耦，并且作用为两个独立的系统。针对所示的模拟和测量结果采用最后一种情况。

间距件/介质可以具有如下机械特性，其确保滤波器的预定的工作方式，其中，间距件像用于两个光子结构的透明基底那样被装入，光子结构分别与间距件的两个表面侧紧固。

基底/介质在预定的滤波器模式的谐振频率的状态下是光学透明的，方向选择性干涉式光学滤波器可以针对/遵循该预定的滤波器模式来制造或紧固。

至少一个光源和探测器属于具有根据本发明的方向选择性干涉式光学滤波器的装置，在至少一个光源和探测器之间布置有方向选择性干涉式光学滤波器，其中，方向选择性干涉式光学滤波器以如下方式构造，即，使得存在

在与滤波器交互作用之前在匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波，

在与滤波器交互作用之后在匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波，

在与滤波器交互作用之前在匹配的传播方向上对于滤波器来说非谐振的光子波，

在与滤波器交互作用之后在匹配的传播方向上对于滤波器来说非谐振的光子波，

在与滤波器交互作用之前在不匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波，

在与滤波器交互作用之后在不匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波。

充分利用至少两个通过作为间距件的基底连接的光子结构(形式为光子晶体)的干涉效果是重要的。在此充分利用的是，光子晶体具有带有依赖方向的透射的透明的波长带(模)(色散)，其曲线既依赖于特殊结构，也依赖于所使用的材料和材料的光学特性。如果现在光子晶体与不同的色散关系组合，那么可以通过透射信号在两个色散关系的非协调/缺乏重叠的情况下的相互的抵消实现的是，滤波器仅在窄的角度范围内和在窄在波长范围内是透明的，也就是说在色散曲线的交叉点上是透明的。所有其他的方向和光谱范围朝发射的光源的方向向回反射。

在使用根据本发明的滤波器的情况下，探测器装置可以至少由大面积光子探测器和根据本发明的滤波器构成，其中，滤波器要么直接施装在光子探测器的表面上，要么也紧固在光子探测器上，并且滤波器布置在发射光子的器件和光子探测器之间。

光子结构以如下方式设计，即，使其具有类似的依赖于角度的色散关系，但同时在垂直于滤波器法线的平面中具有不同的传播速度。两个光子结构的临界频率(系统的最低的谐振频率)通过缺陷层的厚度和其折射率确定。在另外的侧上，方向分量在平面中的传播依赖于缺陷层的周围环境中的相位延迟的程度。这可以通过光学层结构的精确控制和材料的选定来调控。

由此，滤波器像真实构造出的三维光子结构那样表现，既不存在平面中的结构，也没有在内部对电磁场进行附加的增强。

附图说明

本发明借助实施例通过多个附图详细阐述。

在附图中：

图1示出根据本发明的方向选择性干涉式光学滤波器的工作原理的示意图；

图2以侧视图示出根据本发明的方向选择性干涉式光学滤波器的示意图；

图3示出在常见的情况下，也就是当在k_x ²+k_y ²＝常数时存在一维的光子结构的色散依赖性(色散函数f1、f2)的情况下的视图，其中，图3a是角色散的不同区域之间的关系，并且图3b是滤波器中的射束路径；

图4示出在特殊情况下，也就是当在k_x ²+k_y ²＝0时存在两个一维的光子结构的色散依赖性的情况下的视图，其中，图4a是角色散的不同区域之间的关系，并且图4b是滤波器中的射束路径；

图5示出方向选择性干涉式光学滤波器的针对偏振光的计算出的透射率作为光子能量和空气中的传播角度的函数，其中，方向选择性干涉式光学滤波器以如下方式构造，即，其谐振模式位于镜的光子截止区域的中间，并且具有受限的12度的检测角度；

图6示出方向选择性干涉式光学滤波器的针对偏振光的计算出的透射率作为光子能量和空气中的传播角度的函数，其中，方向选择性干涉式光学滤波器以如下方式构造，即，其谐振模式位于大约40度，并且具有大约4度的检测角度范围；

图7示出角度分辨的光谱函数，其利用SiO₂/TiO₂结构测量并且以滤波器为基础，其中，滤波器以如下方式构造，即，其在25度时，在接近角为10度时示出谐振透射率最大值，并且在所有其他的角度下强烈地减弱；以及

图8示出角度分辨的光谱函数，其利用SiO₂/TiO₂结构测量并且以滤波器为基础，其中，滤波器以如下方式构造，即，其在0度附近，在接近角为20度时示出谐振透射率最大值，并且在更大的角度下强烈地减弱。

具体实施方式

随后共同考虑图1、图2和图3。

图1以根据本发明的实施例示出例如用于光谱测量装置1的方向选择性干涉式光学滤波器30，其工作原理在图1中示意性地示出。用于光谱测量装置的方向选择性干涉式光学滤波器30至少包括由两个分层地构造的一维的光子结构36、37；25a、25b构成的机构，其中，两个结构36、37；25a、25b中的每一个都包含缺陷层32、34，其中，每个光子结构36、37；25a、25b具有图3所示的能量动量空间E、k_x、k_y中的色散函数f1、f2，其中，k_x和k_y是针对能量动量空间E、k_x、k_y中的一定能量(频率/波长)E来说光子结构36、37、25a、25b的透射的光子的动量分量，其中，两个光子结构36、37；25a、25b具有对置的边界面42、43，边界面具有相互平面平行的间距D_D。

根据本发明，两个光子结构36、37；25a、25b的图3所示的色散函数f1、f2在能量动量空间E、k_x、k_y中交叉或相交，并且在一定能量E下在色散函数f1、f2的表面上产生波的光束的交集A，其中，波的交集A的光束包含在某一角度下穿过滤波器30有选择地选定的波11a、11b，而在另外的角度下的另外的波13a、13b被滤波器30反射。

光源10a和探测器10b属于图1所示的具有方向选择性干涉式光学滤波器30的装置1，在光源和探测器之间至少布置有方向选择性干涉式光学滤波器30。

方向选择性干涉式光学滤波器30以如下方式构造，即，存在

在与滤波器30交互作用之前在匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波11a，

在与滤波器30交互作用之后在匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波11b，

在与滤波器30交互作用之前在匹配的传播方向上对于滤波器来说非谐振的光子波12a，

在与滤波器30交互作用之后在匹配的传播方向上对于滤波器来说非谐振的光子波12b，

在与滤波器30交互作用之前在不匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波13a，

在与滤波器30交互作用之后在不匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波13b。

仅有从光源10a垂直地入射到滤波器30上的负载有比能量的和设有预定的传播方向的光子束11a穿过滤波器30。所有另外的光子束，甚至那些具有和被透过的光子束11a相同能量的、但倾斜于进入面40地沿不同方向传播的光子束13a被滤波器30作为波13b朝光源10a的方向向回反射。

根据本发明的滤波器30的结构示例性地示意性地在图2中示出。

图2中的方向选择性干涉式光学滤波器30至少包括两个分层的一维的光子结构36、37的机构和具有间距D_D的厚度的层状的间距件33，其中，一个结构36包含至少两个反射的镜层31a、31b，而另一结构37包含至少两个反射的镜31c、31d，该间距件用于连接两个光子结构36、37，它们在间距件33的表面侧38、39上以对置连接的方式贴靠。

可选地可以安设有基底35，基底以光子结构37与光子结构的外面41直接接触。

因此，图2示出分层地构造的一维的光子结构36、37，它们至少由两个交替布置且表现为反射的介电镜的层31a、3b；31c、31d构成，其中，在镜层31a和31b之间以及在镜层31c和31d之间分别布置有缺陷层32、34，其中，镜层31a、31b以及31c、31d具有在滤波器30的整个工作光谱上不同折射率的不同介电特性，并且其中，镜层31a、31b以及31c、31d的厚度D以如下方式构造，即，使其导致预定的滤波器模式60周围的截止区域52的扩大。

在图2中分层地构造的一维的光子结构36、37具有缺陷层32；34，其增强了预定的滤波器模式60，其中，缺陷层32、34分别位于两个介电镜层31a与31b之间以及31c与31d之间，其中，镜层31a、31b以及31c、31d分别构造为具有预定的折射率的介电材料层。

缺陷层32、34可以要么具有固定不变的光学厚度d，要么具有可变的光学厚度d。

在两个分层的一维的光子结构36、37内所使用的缺陷层32、34可以具有不同的折射率。

在两个分层的一维的光子结构36、37内缺陷层32、34的光学厚度d可以具有相同的光学厚度，或者区别可以在于半波长的整数倍或与这些值(数百分比)不同地构造。在图2中，缺陷层32和34例如分别具有不同的厚度d₃₂和d₃₄。

两个光子结构36、37之间的间距件33在滤波器30的谐振频率的状态下是光学透明的，并且可以具有比在光源10a侧入射的通过滤波器30分析的光射束11a的相干长度更大的光学厚度D_D。

基底35在预定的滤波器模式60的谐振频率的状态下是光学透明的，方向选择性干涉式光学滤波器30针对/遵循该预定的滤波器模式来制造或紧固。基底35是非强制性地需要，但可以用作滤波器30的稳定保持件。

间距件33具有确保滤波器30的预定的工作方式的机械特性，并且间距件像用于两个光子结构36、37的透明基底那样被装入，两个光子结构分别与间距件33的两个表面侧38、39紧固。

随后详细阐述功能原理：

为了实现滤波器30，使用两个大面积的一维的光子晶体形式的光子结构36、37的机构，其中，两个光子结构包含缺陷层32、34，缺陷层分别可以是空位层。在两个结构36、37中，电磁场E根据图3和4以沿垂直于镜层31a、31b以及31c、31d的空间方向被阻尼的方式构造，并且基本的预定的滤波器模式60是在空位平面中具有色散的光子模式的连续谱的开始。

然而，依赖于一维的光子晶体36、37的特别的机构，相对应的靠内的平面传播向量可以表现与靠外的传播角度的函数不同的情况，并且在基本的预定的滤波器模式60方面导致不同的色散关系。因此，当光传播通过两个这种平行布置的光子结构36、37的机构时，针对所提到的机构的色散关系变得离散，并且将调整限制到特别的角度上。在该意义下，这种机构和真实的、三维受限的光学机构刚好相同地表现，尽管其不具有真实的光学限界内表面，并且没有导致内电磁场E的附加的提高。然而，近似三维受限的、一维的机构相对于真实的三维光子晶体具有非常明显的和可识别的优点。近似三维光子滤波器的大的面以如下方式简单地制造，即，光子结构36、37可以仅在一个维度(机构中的最短的维度)上受到调控。

在图3中示出在常见的情况下，也就是当在k_x ²+k_y ²＝常数时存在一维的光子结构的色散依赖性(色散函数f1、f2)的情况下的视图，其中，图3a是射束路径的角色散的不同的抛物面区域25a和25b之间的关系，并且图3b是滤波器30中的射束路径A、B、C。在此，k_x和k_y是平面中的光子的动量分量。

在抛物面区域25a和25b的相交区域A中得到角度相交区域26，其中，在以某一角度入射的波11a的情况下，射束路径A具有透过滤波器30的波11b。

在本发明的意义下的抛物面区域的相交区域A以如下方式形成，即，两个在图3中示出的色散函数f2和f1分别由第二光子结构(晶体)25b和第一光子结构(晶体)25a以如下方式构造，即，f2描述了在能量动量空间E、k_x、k_y中的更为敞开的抛物线，其顶点在能量上位于f1的顶点的上方，或者与f1的顶点重合。间距必须以如下方式选择，使得光子的动量分量的相交区域仍处于全反射的条件下。在顶点f1和顶点2f重合的临界情况下得到的是，两个光子结构(晶体)25a、25b使垂直入射的光透射，但倾斜入射的光要么不满足f1，要么不满足f2，并且因此被反射。

图4示出在特殊情况下，也就是当在k_x ²+k_y ²＝0时存在两个一维的光子结构的色散依赖性的情况下的视图，其中，图4a是角色散的不同区域之间的关系，并且图4b是滤波器30中的射束路径A、B、C。

在抛物面区域25a和25b的相交区域A中得到抛物面区域25a、25b的顶部区域中的角度相交区域26，其中，在垂直入射的波11a的情况下，射束路径A具有透过滤波器30的波11b，并且作为垂直入射的特殊情况下都是适用的。

在图3和图4中，光子结构36和37是晶体，其中，第一光子结构36是大面积的具有第一色散的第一一维光子晶体20a，而第二光子结构是大面积的具有第二色散的第二一维光子晶体20b。

图5示出方向选择性干涉式光学滤波器30针对偏振光的计算出的透射率作为光子能量和空气中的传播角度的函数，其中，方向选择性干涉式光学滤波器30以如下方式构造，即，其谐振模式位于光子截止区域52的中间，并且具有受限的12度的检测角度。为了计算使用转移矩阵法。在该模型中的滤波器仅由在可见光谱中是光学透明的介电材料构成的。所有DIOF结构由不同厚度的二氧化硅(SiO₂)和二氧化钛(TiO₂)层的机构构成。在该模拟中，介电微谐振器在间距件33的两侧成形出一维的光子结构36、37，间距件由厚的SiO₂层构成。所有镜都构造为DBR(分布式布拉格反射镜)，其在设计波长为650nm的情况下分别具有七个层对。谐振层(缺陷层)由具有λ/2或λ的光学层厚(在650nm的情况下)的二氧化硅或二氧化钛构成。

此外，图6示出方向选择性干涉式光学滤波器30针对偏振光的计算出的透射率作为光子能量和空气中的传播角度的函数，其中，方向选择性干涉式光学滤波器30以如下方式构造，即，其谐振模式位于大约40度，并且具有大约4度的检测角度范围71。在该情况下，谐振层的层厚针对二氧化钛是2.07λ/4，或者针对二氧化硅是1.93λ/4。除了两个微谐振器的边界频率的不协调以外，两个结构的明显不同的折射率(在650nm的情况下，针对二氧化钛是～2.2，针对二氧化硅是～1.46)提供了两个色散抛物线在k＞0时的不同的曲率。

图5和图6示出了低能量边带51和高能量边带53。在它们之间存在截止区域52。在截止区域52内存在非检测角度范围72和检测角度范围71。检测角度范围71在图5中是大约12度，而非检测角度范围72在图5中是大约46度，并且在图6中，检测角度范围71是大约4度，而非检测角度范围72在区域形状72a中是大约38度，在区域形状72b中是大约33度。

在图6中，具有大约4度的检测范围71位于两个72c和72b之间。滤波器模式也在检测范围71中。

图7示出角度分辨的光谱函数，其利用SiO₂/TiO₂结构36和37测量，并且以根据本发明的滤波器30为基础，其中，滤波器30以如下方式构造，即，其在25度时，在接近角为10度时示出谐振透射率最大值，并且在所有其他的角度下强烈地减弱。

图8示出角度分辨的光谱函数，其利用SiO₂/TiO₂结构36和37测量，并且以滤波器30为基础，其中，滤波器30以如下方式构造，即，其在0度附近，在接近角为20度时示出谐振透射率最大值，并且在更大的角度下强烈地减弱。

存在很多不同的应用可能性，它们仅以根据本发明的滤波器30的运行方式为基础。例如为了制造具有预定的滤波器模式的很小的接收角的大面积滤波器，根据本发明的滤波器削弱了圆对称，并且根据本发明的滤波器例如用于在大的角度范围上调控大面积滤波器，用以进行保护隐私、用以提高敏感度以及用以识别错误，这些是在大多数情况下设置好的应用。

该滤波器具有至少两个大面积的光子结构。该滤波器在许多方面像常规的干涉式光学滤波器那样表现，不同之处在于，除了波长选择性和偏振选择性以外，还添加有方向限制。由此，滤波器可以使针对受限的角度范围满足谐振条件的光子透过，而滤波器有效地抑制了在其他角度下的传播。透射方向相对于滤波器法线是轴对称的，并且可以通过光子结构的构造精确地设定(主动或被动)。这也包含如下特殊情况，即，光子仅在垂直入射的情况下透射。

镜31a、31b；31c、31d对于滤波器30来说非常重要。准确的说，镜必须是光子结构(例如介电镜)，光可以推进到这些光子结构中，直到到达特定的进入深度，并且在此在反射后有相移。在两个结构36、37中，对光相位的影响必须是不同的，这导致色散关系的不同的曲率。镜31a、31b；31c、31d在此不必是完美的光子结构(例如针对精确限定的设计波长的λ/4层)。当两个光子结构36、37彼此不同，并且与其理想值(例如恰好λ/4或λ/2的多倍)稍微不同时，达到滤波器作用的最好结果。

当滤波器(其具有光子结构和光学间距件)30由两个平坦的介电微谐振器构成时，镜31a、31b；31c、31d作为特殊情况使用。

当光在谐振层内振荡时，曲率可以通过光到镜31a、31b；31c、31d中的进入深度和相移的特定交互作用来控制。但由此同时，色散特性严格来说不是抛物线形，因此它们可以交叉。

当间距层33的厚度D_D大于光的相干长度时，两个光子结构36、37“相干去耦”，并且滤波器30仅具有单个谐振。针对例如具有相干长度为数μm的太阳光，例如100μm的间距件33是已经足够的，因此，滤波器30在“相干去耦的”机制下工作。

附图标记列表

1 装置

10a 光子发射器件/光源

10b 光子检测器件/光子探测器

11a 在与滤波器交互作用之前在匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波

11b 在与滤波器交互作用之后在匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波

12a 在与滤波器交互作用之前在匹配的传播方向上对于滤波器来说非谐振的光子波

12b 在与滤波器交互作用之后在匹配的传播方向上对于滤波器来说非谐振的光子波

13a 在与滤波器交互作用之前在不匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波

13b 在与滤波器交互作用之后在不匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波

20a 具有第一色散的大面积的第一一维光子晶体

20b 具有第二色散的大面积的第二一维光子晶体

25a 用于构造滤波器的第一一维晶体的色散关系

25b 用于构造滤波器的第二一维晶体的色散关系

26 滤波器的色散关系

30 方向选择性干涉式光学滤波器

31a 反射的介电镜层/介电材料层

31b 反射的介电镜层/介电材料层

31c 反射的介电镜层/介电材料层

31d 反射的介电镜层/介电材料层

32 第一缺陷层

33 间距件或基底

34 第二缺陷层

35 基底

36 第一光子结构

37 第二光子结构

38 第一表面侧

39 第二表面侧

40 进入面的平面

41 结构的外面

42 第一光子结构的边界面

43 第二光子结构的边界面

51 滤波器的低能量边带

52 截止区域

53 滤波器的高能量边带

60 滤波器的预定的滤波器模式

71 检测角度范围

72 死角范围/非检测角度范围

72a 非检测角度范围

72b 非检测角度范围

90 大面积的光子探测器

91 平行的光射束，其覆盖能量范围内的滤波器模式，并且垂直于滤波器表面地传播

92a 在散射过程前并且在与滤波器交互作用前对于滤波器来说谐振的光子波

92b 在散射过程后并且在与滤波器交互作用前对于滤波器来说谐振的光子波

92c 在与滤波器交互作用后在不匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波

92d 在与滤波器交互作用后在匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波

D 介电镜/介电材料层的厚度

d 缺陷层的厚度

D_D 间距件或基底的厚度/间距

A 第一射束路径

B 第二射束路径

C 第三射束路径

f1 色散函数

f2 色散函数

Claims

1.用于光谱测量装置（1）的方向选择性干涉式光学滤波器（30），所述方向选择性干涉式光学滤波器至少包括：

由两个分层地构造的一维的光子结构（36、37）构成的机构，其中，两个结构（36、37）中的每一个结构都包含缺陷层（32、34），其中，每个光子结构（36、37）具有能量动量空间（E、k_x、k_y）中的色散函数（f1、f2），其中，k_x和k_y在能量动量空间（E、k_x、k_y）中针对限定的能量（频率/波长）E表示光子结构（36、37）的透射的光子的动量分量，

其中，两个光子结构（36、37）具有对置的边界面（42、43），所述边界面彼此间具有平面平行的间距（D_D），

其特征在于，

两个光子结构（36、37）的色散函数（f1、f2）在能量动量空间（E、k_x、k_y）中交叉或相交，并且在一定能量（E）下在色散函数（f1、f2）的表面上产生波的光束的交集（A），

其中，波的交集（A）的光束包含在某一角度下穿过滤波器（30）有选择地选定的波（11a、11b），而在另外的角度下的另外的波（13a、13b）被滤波器（30）反射。

2.根据权利要求1所述的滤波器，

其特征在于，

可选的有形式为空气空间或空气垫的介质或间距件（33）位于对置的边界面（42、43）之间的平面平行的间距（D_D）中，所述间距件或所述介质贴靠在所述边界面上，其中，在气态介质的情况下，光子结构（36、37）的边界面（42、43）之间的平面平行的间距（D_D）通过间距保持器来确定。

3.根据权利要求1所述的滤波器，

其特征在于，

所述滤波器包括：

所述一维的光子结构（36、37）分别是至少两个反射的镜层（31a、31b；31c、31d），其中，两个镜层（31a、31b；31c、31d）分别具有缺陷层（32、34）；以及

间距件（33）或介质，所述间距件或介质将两个镜层（31a、31b；31c、31d）平面平行地以固定的间距连接并相干去耦，

其中，通过两个光子结构（36、37）导致的色散抛物线针对谐振模式而言通常满足

k_x36 ²+k_y36 ²=常数_1以及k_x37 ²+k_y37 ²=常数_2，其中，k_x36和k_y36在能量动量空间（E、k_x、k_y）中针对限定的能量E表示第一光子结构的透射的光子的动量分量，而k_x37和k_y37在能量动量空间（E、k_x、k_y）中针对限定的能量E表示第二光子结构的透射的光子的动量分量，

其中，函数k_x36 ²+k_y36 ²=常数_1以及k_x37 ²+k_y37 ²=常数_2针对所选择的能量得到抛物面区域（25a、25b）的交集（A），即角度相交区域（26）（等价于常数_1=常数_2），其中，射束路径（A）在以某一角度入射的波（11a）的情况下具有方向选择性透过所述滤波器（30）的波（11b）。

4.根据权利要求1所述的滤波器，

其特征在于，

存在有至少一个基底（35），所述至少一个基底与光子结构（36、37）中的至少一个光子结构处于面式接触中。

5.根据权利要求1所述的滤波器，

其特征在于，

分层地构造的一维的光子结构（36、37）由至少两个交替布置的且表现为反射的介电镜层（31a、31b；31c、31d）的介电的材料层构成，其中，所述材料层（31a、31b；31c、31d）在所述滤波器（30）的整个工作光谱上具有不同的介电特性，其中，所述材料层（31a、31b；31c、31d）的厚度D被构造成使得所述厚度导致在预定的滤波器模式（60）周围的光学截止区域（52）。

6.根据权利要求1所述的滤波器，

其特征在于，

形式为光子晶体（20a、20b）的分层地构造的一维的光子结构（36、37）具有至少一个缺陷层（32；34），所述至少一个缺陷层增强了预定的滤波器模式（60），其中，所述缺陷层（32、34）位于两个介电镜层（31a、31b；31c、31d）之间，所述介电镜层构造为具有预定的折射率的介电材料层。

7.根据权利要求6所述的滤波器，

其特征在于，

所述缺陷层（32、34）具有固定不变的光学厚度d，或者具有可变的光学厚度d。

8.根据权利要求6或7所述的滤波器，

其特征在于，

在两个分层的一维的光子结构（36、37）内缺陷层（32、34）具有不同的折射率。

9.根据权利要求8所述的滤波器，

其特征在于，

在两个分层的一维的光子结构（36、37）内缺陷层（32、34）的光学厚度d₃₂、d₃₄具有相同的光学厚度d=d₃₂=d₃₄，或者区别在于半波长的整数倍，或者与这些值稍有偏差地构造。

10.根据权利要求6所述的滤波器，

其特征在于，

所述缺陷层（32、34）至少具有空位作为缺陷。

11.根据权利要求2所述的滤波器，

其特征在于，

在两个光子结构（36、37）之间的层状的间距件（33）在方向选择性干涉式光学滤波器（30）的谐振频率的状态下是光学透明的，并且具有比在光源（10a）侧入射的通过所述滤波器（30）来分析的光射束（11a）的相干长度更大或更小的光学厚度D_D。

12.根据权利要求11所述的滤波器，

其特征在于，

所述层状的间距件（33）具有确保所述滤波器（30）的预定的工作方式的机械特性，其中，所述间距件（33）像用于两个光子结构（36、37）的透明基底那样被装入，所述两个光子结构分别与所述间距件（33）的两个表面侧（38、39）紧固。

13.根据权利要求4所述的滤波器，

其特征在于，

所述基底（35）在预定的滤波器模式（60）的谐振频率的状态下是光学透明的，所述方向选择性干涉式光学滤波器（30）针对/遵循所述预定的滤波器模式来制造或紧固。

14.具有根据权利要求1至13中任一项所述的方向选择性干涉式光学滤波器（30）的装置（1），所述装置具有至少一个光源（10a）和探测器（10b），在所述至少一个光源和探测器之间布置有所述方向选择性干涉式光学滤波器（30），其中，所述方向选择性干涉式光学滤波器（30）构造成使得至少存在

在与所述滤波器（30）交互作用之前在匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波（11a），

在与所述滤波器（30）交互作用之后在匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波（11b），

在与所述滤波器（30）交互作用之前在匹配的传播方向上对于滤波器来说非谐振的光子波（12a），

在与所述滤波器（30）交互作用之后在匹配的传播方向上对于滤波器来说非谐振的光子波（12b），

在与所述滤波器（30）交互作用之前在不匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波（13a），

在与所述滤波器（30）交互作用之后在不匹配的传播方向上对于滤波器来说谐振的光子波（13b）。

15.根据权利要求14所述的装置（1），

其特征在于存在

- 大面积的光子探测器（10b），以及

- 根据本发明的滤波器（30），

所述大面积的光子探测器和所述滤波器形成组合的探测器装置，

其中，所述滤波器（30）直接施装在所述光子探测器（10b）的表面上，或者紧固在所述光子探测器（10b）上，并且其中，所述滤波器（30）布置在发射光子的器件与所述光子探测器（10b）之间。