CN108344506A - 限制光的入射角的器件，制造该器件的方法和显微光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及限制光的入射角的器件，制造该器件的方法和显微光谱仪。本发明涉及一种用于限制光的入射角的器件（100），其中所述器件（100）在所述器件（100）的衬底（106）的第一侧面上具有横向于光的入射方向（108）来取向的第一光圈结构（102），而且在所述衬底（106）的与所述第一侧面对置的第二侧面上具有横向于所述入射方向（108）来取向的第二光圈结构（104），其中所述光圈结构（102、104）各具有光圈孔（114）的图案（110、112）。

Description

限制光的入射角的器件，制造该器件的方法和显微光谱仪

技术领域

本发明的出发点是一种根据独立权利要求的前序部分所述的设备或方法。本发明的主题也是一种计算机程序。

背景技术

在显微光谱仪中，斜地入射的光可能导致测量结果的失真。

发明内容

在该背景下，利用这里提出的方案，提出了按照独立权利要求所述的一种用于限制光的入射角的器件，一种具有该器件的显微光谱仪，一种用于制造该器件的方法，此外还介绍了按照独立权利要求所述的一种使用该方法的设备，以及最后介绍了按照独立权利要求所述的一种相对应的计算机程序。通过在从属权利要求中列举的措施，在独立权利要求中说明的设备的有利的扩展方案和改进方案是可能的。

提出了一种用于限制光的入射角的器件，其中所述器件在所述器件的衬底的第一侧面上具有横向于光的入射方向来取向的第一光圈结构，而且在衬底的与第一侧面对置的第二侧面上具有横向于该入射方向来取向的第二光圈结构，其中这些光圈结构各具有光圈孔的图案。

入射方向例如可以被理解为器件的表面的表面法线。入射角可以是环绕着入射方向的角度范围。光圈结构可以是具有透光的光圈孔的不透光的层。

第一光圈结构和/或第二光圈结构的光圈孔可以成形为六边形。通过蜂窝状的图案可以实现高的容积效率。

第一光圈结构和/或第二光圈结构的光圈孔可以成形为环形。环形的光圈孔可具有由光圈结构的材料构成的中央的不透光的岛状物（Insel）。通过该环形，将垂直地入射的光份额滤出并且使斜地入射的光份额透过。

在光圈孔的区域内的衬底可具有由沿入射方向取向的光导体结构构成的矩阵。对于每对光圈孔来说，该矩阵可具有一个光导体。通过在光圈孔之间的光导体，可以滤出非常斜地入射的光。

光导体结构可以被实施为由衬底构成的凹陷部。光导体结构可以从衬底中挖出。

光导体结构可以圆锥形地来构造并且构造第二光圈结构。通过圆锥形的光导体结构，可以省去对第二光圈结构的沉积。

此外，还提出了一种具有如下特征的显微光谱仪：

按照上述权利要求之一所述的器件；

光谱元件；以及

探测器，其中所述器件和所述光谱元件在所述显微光谱仪的光通路中布置在所述探测器前面。

显微光谱仪可以具有光源。所述器件和所述光谱元件可以布置在所述探测器与所述光源之间。

此外，还提出了一种用于制造器件的方法，其中该方法具有如下特征：

使第一光圈结构沉积在所述器件的衬底的第一侧面上，其中所述第一光圈结构具有由光圈孔构成的第一图案；而且

使第二光圈结构沉积在所述衬底的与第一侧面对置的第二侧面上，其中所述第二光圈结构具有由光圈孔构成的第二图案。

该方法例如可以以软件或硬件或者以软件和硬件的混合形式例如实现在控制设备或所述设备中。

这里提出的方案还提供了一种设备，所述设备被构造为用于在相对应的装置中执行、操控或实现这里提出的方法的变型方案的步骤。通过本发明的以设备的形式的所述实施变型方案，也可以快速并且高效地解决本发明所基于的任务。

为此，该设备可具有：至少一个计算单元，用于处理信号或数据；至少一个存储单元，用于存储信号或数据；至少一个与传感器或执行器的接口，用于从传感器读入传感器信号或者用于将数据信号或控制信号输出到执行器上；和/或至少一个通信接口，用于读入或输出如下数据，所述数据被嵌入到通信协议中。计算单元例如可以是信号处理器、微控制器或诸如此类的，其中存储单元可以是闪速存储器、EEPROM或磁存储单元。通信接口可以被构造用于无线地和/或有线地读入或输出数据，其中可以读入或输出有线的数据的通信接口例如可以电地或光地从相对应的数据传输线中读入这些数据或者将这些数据输出到相对应的数据传输线中。

在本情况下，设备可以被理解为如下电设备，所述电设备处理传感器信号并且根据此来输出控制信号和/或数据信号。该设备可具有接口，所述接口可以按硬件和/或按软件来构造。在按硬件的构造方案中，接口例如可以是所谓的系统ASIC的部分，所述系统ASIC包含该设备的各种各样的功能。然而也可能的是，这些接口是特有的集成电路或者至少部分地由分立式器件组成。在按软件的构造方案中，这些接口可以是软件模块，所述软件模块例如在微控制器上存在于其它软件模块旁边。

具有如下程序代码的计算机程序产品或计算机程序也是有利的，所述程序代码可以存储在机器可读的载体或存储介质（如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器）上，而且尤其是当程序产品或程序在计算机或设备上被实施时，所述程序代码被用于执行、实现和/或操控根据上文描述的实施方式之一的方法的步骤。

附图说明

这里提出的方案的实施例在附图中示出并且在随后的描述中进一步予以阐述。其中：

图1示出了按照一个实施例的器件的截面图；

图2示出了按照一个实施例的器件的滤波函数的图示；

图3示出了按照一个实施例的具有光圈结构的器件的截面图；

图4示出了按照一个实施例的具有圆锥形沟槽的器件的截面图；

图5示出了按照一个实施例的具有光圈结构的蜂窝状器件的图示；

图6示出了按照一个实施例的具有光圈结构的器件的滤波函数的图示；

图7至19示出了按照这里提出的方案的显微光谱仪的不同的实施例的截面图；

图20示出了用于制造按照一个实施例的器件的方法的流程图；而

图21示出了用于制造按照一个实施例的器件的设备的图示。

在随后对本发明的有利的实施例的描述中，相同或者类似的附图标记被用于在不同的附图中示出的并且起类似作用的要素，其中省去了对这些要素的重复的描述。

具体实施方式

图1示出了按照一个实施例的器件100的截面图。器件100是用于显微光谱仪的入射角限制器100。器件100在衬底106的对置的侧面上具有两个光圈结构102、104。光圈结构102、104垂直于光的设计的入射方向108来取向。两个光圈结构102、104各具有光圈孔114的图案110、112。图案110、112彼此对齐。

这里，衬底106是透明的。光圈结构102、104被构造为由不透光材料构成的开孔掩膜。第一光圈结构102的每一个光圈孔114都沿入射方向108与第二光圈结构104的光圈孔114对置地来布置。

在一个实施例中，在衬底106中产生几何轮廓，利用所述几何轮廓，可以使相对光系统的谐振镜面的光轴108或表面法线108的入射角的变化最小。

管阵（Tube Array）角度滤波器100的基本原理基于例如以空气、气体的形式的光透明区域104或超过1100nm波长地基于Si以及光在其中被吸收的区域110。根据吸收光的表面110的设计，可以影响光路以及借此影响辐射角分布。

能呈现管阵100的不同的实施方式。

图2示出了按照一个实施例的器件的滤波函数200的图示。滤波函数200绘制在如下图表中，所述图表从原点202出发以极坐标来呈现光强度。在此，自然透射204在滤波函数200下面。自然透射204在相对进行透射的构件的表面的入射角为90°时具有其最大光强度。随着入射角变得更平坦，光强度变得越小，直至所述光强度平行于进行透射的构件地变为零。同样，滤波函数200在相对器件的表面的入射角为90°时具有其最大光强度。在大约5°的角度之内，滤波函数200对应于自然透射204。从5°开始，滤波函数200的透光性迅速下降，以便在大约10°时已经达到零。

换句话说，在图2中示出了管阵的可能的滤波器设计的目标。确定的辐射体或靶（Target）中，只有确定的辐射方向200被“管阵”透过。根据管阵的设计，不同的角度分布可以被滤出。

图3示出了按照一个实施例的具有光圈结构的器件100的截面图。器件100基本上对应于图1中的器件。不同于此，衬底106这里是不透光的。在光圈孔114的区域内，衬底106具有通孔300，所述通孔用作从器件100的一侧到器件100的另一侧的光导体300。

第二光圈结构104这里对应于图1中的光圈结构。第一光圈结构102具有环形的光圈孔114。在此，在光圈孔114的中间布置有由不透光材料构成的岛状物302。岛状物302通过紧固结构被紧固在通孔300上方。通过岛状物302来屏蔽垂直地入射到器件100上的光。通过第一光圈结构102的环形的光圈孔114和第二光圈结构104的点状的光圈孔114，来自相对垂线倾斜的角度范围的光可以经过器件100。

这里提出的器件100具有光导体矩阵，所述光导体矩阵可以被称作管阵。由此，器件100被构造为限制入射到光学系统中的入射角变化。器件100的特征在于，光导体元件300以矩阵布置彼此平行地布置到衬底106中，所述光导体元件通过宽带地吸收光的壁彼此隔开。

这里，光导体元件300以空气、气体或真空来实现，而所述壁以及对这些壁的必要时存在的涂层机械地支撑该结构。

在一个可替换的实施变型方案中，光导体元件300以固态的介电层、诸如玻璃来实现，或者针对超过1100nm的波长以硅来实现。在此，该介电层理想地是衬底材料。进行吸收的壁被装入或楔入到该衬底材料中。

器件100的两个水平表面或光导体300的端部优选地配备有抗反射涂层。

在使用如下结构时实现了很高的管阵结构容积效率以及借此实现了很高的光强度，在所述结构中，光学管阵光导向装置不是以空气/真空来实现，而是以固态的介电层来实现。同时提高了机械鲁棒性。

换句话说，在图3中列举了一个可能的管阵设计方案，其中例如将中央角度范围屏蔽。借助于这种设计，可以同时在紧凑的结构类型的情况下滤出对光源的直接反射。此外还存在如下可能性：将角度相关的测量参量从光路中过滤出来。

图4示出了按照一个实施例的具有圆锥形沟槽300的器件100的截面图。器件100基本上对应于图3中的器件。不同于此，第二光圈结构104这里由衬底106构造。为此，光导体300朝向第二光圈结构104逐渐变细地来实施。光导体300的孔横截面构造第二光圈结构104的光圈孔114。

在图4中示出了如下设计，所述设计可以满足图3的要求。然而，该设计具有被降低的容积效率。相同的情况适用于图5中的设计。

图5示出了按照一个实施例的具有蜂窝状光圈结构102的器件100的图示。在此，器件100基本上对应于图3和4中的器件。第一光圈结构102的环形的光圈孔114这里被实施为六边形。光圈孔114被布置成蜂窝状图案110。通过该蜂窝状图案110，实现了光圈结构102的高容积效率。

在图3至5中示出的实施例中，所限定的入射角范围被用于消除靶的直接反射或者优化在探测器的位置上的光强度。

各个管114的六边形的实施方案是有利的，因为容积效率与角度滤波器性能保持良好的关系。对两个表面的附加的抗反射涂层进一步提高了光产出。

图6示出了按照一个实施例的具有光圈结构的器件的滤波函数200的图示。滤波函数200例如在如在图3至5中示出的器件的情况下实现。滤波函数200如在图2中那样绘制在图表中，所述图表从原点202出发以极坐标来呈现光强度。在此，自然透射204这里也在滤波函数200下面。滤波函数具有两个对称地布置的最大值，所述最大值由环形的光圈孔引起。

图7至19示出了按照这里提出的方案的显微光谱仪700的不同的实施例的截面图。显微光谱仪各具有用于限制入射角的器件100、光谱元件702和探测器704。此外，显微光谱仪还各具有保护片706。

在图7中，光谱元件702布置在器件100与探测器704之间。器件100与显微光谱仪700的保护片706连接。

在图8中，光谱元件702布置在器件100与探测器704之间。器件100与光谱元件702连接。

在图9中，光谱元件702布置在器件100与探测器704之间。器件100被装入到光谱元件702中。

在图10中，器件100布置在光谱元件702与探测器704之间。器件100被装入到光谱元件702中。

在图11中，器件100布置在光谱元件702与探测器704之间。器件100布置在探测器704上。

在图12中，器件100布置在光谱元件702与探测器704之间。器件100被装入到探测器704中。

在图13中，光谱元件702布置在器件100与探测器704之间。器件100与显微光谱仪700的保护片706连接。附加地，保护片706配备有抗反射涂层1300。

在图14中，光谱元件702布置在器件100与探测器704之间。器件100与光谱元件702连接。在器件100与保护片706之间布置有抗反射涂层1300。

在图15中，器件100布置在光谱元件702与探测器704之间。抗反射涂层1300布置在器件100与光谱元件702之间。器件100与抗反射涂层1300被装入到光谱元件702中。

在图16中，器件100布置在光谱元件702与探测器704之间。抗反射涂层1300布置在器件100与光谱元件702之间。器件100与抗反射涂层1300被装入到光谱元件702中。

在图17中，器件100布置在光谱元件702与探测器704之间。器件100被装入到光谱元件702中。抗反射涂层1300布置在器件100与探测器704之间。

在图18中，器件100布置在光谱元件702与探测器704之间。器件100布置在探测器704上。抗反射涂层1300布置在器件100与光谱元件702之间。

在图19中，器件100布置在光谱元件702与探测器704之间。器件100被装入到探测器704中。抗反射涂层1300布置在器件100与光谱元件702之间。

换句话说，提出了一种具有通过管阵100引起的入射角限制的小型光谱仪700。

微机械法布里-珀罗干涉仪（FPI）702由两个镜面元件组成，所述两个镜面元件在衬底上必要时布置在通孔上方。干涉仪702也可以由具有通孔的两个衬底来构造。光线垂直地被传导经过具有两个高反射镜面的三明治结构形式，其中谐振波长周围的窄带宽的范围及其和音分别根据两个镜面的间距来传输。通过间距的变化可以设定所希望的谐振波长。利用随后的探测器704，可以测量光功率并且这样可以连续地记录光谱。附加的前置带通滤波器可以滤出所希望的等级的波长，使得由于其它等级的空腔谐振模引起的误差最小。

在例如法布里-珀罗干涉仪（FPI）702作为线性可变滤波器或者可机械调谐FPI702的情况下，光线的入射角的变化引起所要测量的波长的偏移。如果同时有光线以不同的入射角来到FPI滤波器702上，那么降低了可能的波长分辨率，在小的波长范围内具有剧烈的透射变化或吸收变化的光谱由此不再能够良好地被分辨。如果入射角的所述分布还以离开法线的确定的角度对中心，那么这导致整个光谱的偏移、即波长偏移误差。

这里，通过附加的“管阵”滤波器100来减小入射角。

这里示出的小型光谱仪系统700具有至少一个光谱元件702和至少一个光电探测器704。

可替换地，单色器系统具有宽带的光源、带有将入射角/出射角变化限制到光谱元件702上的光导向装置100以及光谱元件702。

在小型光谱仪700或单色器系统中，光导向装置100可以由多个不同的部分组成，以便使在探测器704上的强度最大或者以便实现高长宽比以及借此实现狭窄的接受角度范围。

在小型光谱仪700或单色器系统中，光导向装置100也可以由反射器或透镜几何结构、即连续的表面或菲涅耳透镜组成。

光谱元件702可以是微机械法布里-珀罗干涉仪器件。光谱元件702可具有至少一个衬底和至少两个通过间隙彼此间隔开的、重叠地布置的镜面元件。

在光谱仪系统700中的各种不同的安装位置都是可能的。在单色器系统中的各种不同的安装位置都是可能的。这里提出的光谱仪700可具有偏心的或同中心的照明装置。在靶的位置上反射的光线的入射角或出射角在此通过管阵轮廓100限制在光通路之内。

紧凑的结构形式通过借助于MEMS过程来集成“管阵”几何结构100是可能的。在此，得到具有小的角度范围的薄的构造，这与高长宽比是同等重要的。在薄的元件中的高长宽比可以通过小的管横截面来实现。

器件100可以直接集成到盖子706、探测器704或MEMS衬底702中。

“管阵”结构100可以布置在光通路的不同的位置上，使得更简单的总制造过程是可能的。

通过管阵100、FPI滤波器702和宽带探测器704的按顺序的布置，可以在所测量的波长的小的带宽和良好的分辨率的情况下构造具有良好的测量性能的光谱仪700。在不同的光谱仪构件中，该管阵100可以如在图7至19中那样来放置，即分别放置在这些构件上、放置在这些构件下面或者整体地放置在这些构件之内。

除了管阵100之外，可以集成抗反射滤波器1300作为ARC、边缘或带通滤波器，以便明确地构建或优化光谱仪700的测量范围。这种滤波器1300可以分别布置在这些构件上、布置在这些构件下面或者整体地布置在这些构件之内。

通过管阵100、FPI滤波器702和宽带光源的按顺序的布置，可以构造具有所测量的波长的小的带宽的窄带宽的单色器。在不同的构件中，该管阵100可以分别放置在这些构件上、放置在这些构件下面或者整体地放置在这些构件之内。

图20示出了用于制造按照一个实施例的器件的方法的流程图。该方法具有沉积的两个步骤2000、2002。在沉积的第一步骤2000中，第一光圈结构被沉积在该器件的衬底的第一侧面上，其中第一光圈结构以由光圈孔构成的第一图案来沉积。在沉积的第二步骤2002中，第二光圈结构被沉积在该衬底的与第一侧面对置的第二侧面上，其中第二光圈结构以由光圈孔构成的第二图案来沉积。

图21示出了用于制造按照一个实施例的器件的设备2100的图示。设备2100具有用于进行沉积的装置2102，所述装置2102被构造为使第一光圈结构以由光圈孔构成的第一图案沉积在该器件的衬底的第一侧面上。此外，用于进行沉积的装置2102还被构造为使第二光圈结构以由光圈孔构成的第二图案沉积在该衬底的与第一侧面对置的第二侧面上。为此，用于进行沉积的装置2102可具有一个转弯装置或两个子沉积装置。

如果一个实施例包括在第一特征与第二特征之间的“和/或”关系，那么这应被解读为使得该实施例按照一个实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征，而按照另一实施方式或者只具有第一特征或者只具有第二特征。

Claims (12)

1.一种用于限制光的入射角的器件（100），其中，所述器件（100）在所述器件（100）的衬底（106）的第一侧面上具有横向于光的入射方向（108）来取向的第一光圈结构（102），而且在所述衬底（106）的与所述第一侧面对置的第二侧面上具有横向于所述入射方向（108）来取向的第二光圈结构（104），其中所述光圈结构（102、104）各具有光圈孔（114）的图案（110、112）。

2.根据权利要求1所述的器件（100），其中，所述第一光圈结构（102）和/或所述第二光圈结构（104）的光圈孔（114）成形为六边形。

3.根据上述权利要求之一所述的器件（100），其中，所述第一光圈结构（102）和/或所述第二光圈结构（104）的光圈孔（114）成形为环形。

4.根据上述权利要求之一所述的器件（100），其中，所述衬底（106）在所述光圈孔（114）的区域内具有由沿所述入射方向（108）取向的光导体结构（300）构成的矩阵。

5.根据权利要求4所述的器件（100），其中，所述光导体结构（300）被实施为由所述衬底（106）构成的凹陷部。

6.根据权利要求4至5之一所述的器件（100），其中，所述光导体结构（300）圆锥形地来构造并且构造所述第二光圈结构（104）。

7.一种显微光谱仪（700），其具有如下特征：

按照上述权利要求之一所述的器件（100）；

光谱元件（702）；以及

探测器（704），其中所述器件（100）和所述光谱元件（702）在所述显微光谱仪（700）的光通路中布置在所述探测器（704）前面。

8.根据权利要求6所述的显微光谱仪（700），其具有光源，其中所述器件（100）和所述光谱元件（702）布置在所述探测器（704）与所述光源之间。

9.一种用于制造器件（100）的方法，其中，所述方法具有如下步骤：

使第一光圈结构（102）沉积（2000）在所述器件（100）的衬底（106）的第一侧面上，其中所述第一光圈结构（102）具有由光圈孔（114）构成的第一图案（110）；而且

使第二光圈结构（104）沉积（2002）在所述衬底（106）的与所述第一侧面对置的第二侧面上，其中所述第二光圈结构（104）具有由光圈孔（114）构成的第二图案（112）。

10.一种设备（2100），所述设备被设立用于在相对应的单元（2102）中实施根据上述权利要求之一所述的方法的步骤。

11.一种计算机程序，所述计算机程序被设立用于实施根据上述权利要求之一所述的方法。

12.一种机器可读的存储介质，在其上存储由根据权利要求11所述的计算机程序。