CN109564311A - 光学滤波器和利用其的光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种滤波器，包括：第一反射板和第二反射板；电介质区，其介于第一反射板与第二反射板之间，并且其中折射率不同的至少两种物质交替地布置；以及缓冲层，其布置在电介质区与第一反射板和第二反射板中的至少一个之间，其中在至少两个位置存在两种物质的相对体积比不同的区域。

Description

光学滤波器和利用其的光学装置

技术领域

本发明在此公开了一种光学滤波器，更具体地说，公开了一种用于通过相对简单和小的结构控制传输中心波长的光学滤波器以及一种利用该光学滤波器的光学装置。

背景技术

线性可变滤波器(LVF)是一种具有法布里－珀罗谐振器结构的光学滤波器，具有腔体厚度沿长度方向线性变化的结构。在LVF中，设置下镜层和上镜层，其中电介质腔介于它们之间。

由于其中厚度沿长度方向变化的线性结构，这种LVF在工艺再现性方面具有局限性。此外，使用典型LVF的光谱仪的分辨率由LVF的高度-长度比确定，因此难以最小化光谱仪元件。特别地，由于线性结构，这不利于生产率，这是由与二维成像传感器技术的不良工艺兼容性造成的。

由于LVF的每个位置的透射谱是由连续的谱的重叠形成的，并且LVF与光电检测器之间的集成不是单片的，所以LVF与光电检测器阵列间隔开，并且由于因此导致的杂散光效应，滤波器性能降低。

此外，美国专利登记No.5,726,805公开了一种包括电介质层的平面光学滤波器。根据该专利，所述光学滤波器包括反射层和电介质层，并且所述电介质层具有在其中形成的周期结构，并且所述周期结构设有沟槽或凹槽。

然而，根据该方案，衬底彼此连接，因此很难理解制造工艺，并且可能成本很高。中心波长也可能不容易调整。

发明内容

技术问题

本发明提供了一种具有小型化结构的光学滤波器。

本发明还提供了一种能够通过提高工艺再现性来提高生产率的光学滤波器结构。

本发明还提供了一种光学滤波器结构，用于使与光电检测器的单片性和集成变得容易，通过最小化滤波器与检测器之间的距离来防止杂散光效应，以及改进波长可变范围和诸如带外抑制性能的性能。

技术方案

本发明的实施例提供了一种光学滤波器，该光学滤波器包括：彼此分离的第一反射层和第二反射层；电介质区，其介于第一反射层与第二反射层之间，并且其中折射率不同的两种材料交替地布置；以及缓冲层，其布置在电介质区与第一反射层和第二反射层中的至少一个之间，其中存在其中交替地布置的两种材料的相对体积比不同的至少两个滤波器区。

在实施例中，两种材料可交替地布置，并且存在其中两种材料的相对宽度比不同的至少两个滤波器区。一对所述两种材料的宽度可小于通过滤波器的光的波长。

在实施例中，在一个方向上，可允许一对邻近的所述两种材料分别与一对邻近的两种其它材料具有相同宽度，或者其中两种材料的相对体积比彼此不同的滤波器区可在平面内位于两个或更多个方向上。

在实施例中，还可将平行于反射层的中间反射层加至电介质区的中间区。在这种情况下，光学滤波器具有基于中间反射层设有上结构和下结构的两个双谐振腔的结构。在这种情况下，上结构和下结构中的每一个可以或不可包括缓冲层。也就是说，还可在电介质区与第一反射层、第二反射层和中间反射层中的至少一个之间包括缓冲层。

本发明的实施例提供了一种光学装置，该光学装置包括：彼此分离的第一反射层和第二反射层；电介质区，其介于第一反射层与第二反射层之间，并且折射率彼此不同的至少两种材料交替地布置；以及缓冲层，其布置在电介质区与第一反射层和第二反射层中的至少一个之间，其中存在其中交替地布置的两种材料的相对体积比不同的至少两个滤波器区，并且光电检测器分别对应于滤波器区设置。光学装置可为分光镜、CMOS图像传感器或高光谱成像装置。

本发明的实施例提供了一种光学装置，该光学装置包括：透光衬底；以及以上光学滤波器，其设置在透光衬底的上部上，并且按照分离的模块类型集成。

有益效果

本发明的光学滤波器结构可通过包括这种电介质区而被小型化：其允许存在两种材料的相对体积比不同的至少两个区。

另外，本发明的光学滤波器结构可通过提高工艺再现性来提高产率。

另一方面，本发明的光学滤波器结构通过以下步骤允许与光电检测器的一体化和集成变得容易：包括彼此平行的第一反射板和第二反射板和介于它们之间并且包括两种材料的电介质区；以及最小化滤波器与检测器阵列之间的距离，以防止杂散光效应并提高性能。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的光学滤波器的纵向剖视图；

图2是图1的电介质区的平面图；

图3和图7示出了示出根据本发明的实施例的制造光学滤波器的方法的流程图；

图8和图9是根据本发明的实施例的二维光学滤波器的电介质区的平面图；

图10示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图；

图11示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图；

图12至图19示出了一维结构的光学滤波器的仿真结果，图20和图22示出了平面结构为二维的光学滤波器结构；

图24示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图；

图25和图26是用于将单谐振腔结构与本发明的双谐振腔结构比较的仿真文档，并且图27是用于比较包括色散布拉格反射器(DBR)的双谐振腔结构的仿真文档；

图28示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图；

图29和图30是用于比较其中将缓冲器加至本发明的双谐振腔结构的结构的仿真文档；

图31示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图；

图32示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图；

图33是根据本发明的实施例的另一光学滤波器的剖视图；

图34示出了根据本发明的实施例的光学装置的示例；

图35是根据本发明的实施例的一维分光镜的概念图；

图36示出了用于在L曲线分析方法中确定最佳a值的L曲线分析方法的计算示例，图37示出了L曲线函数的L曲线(左)和曲率(右)，图38是示出计算结果的曲线图，计算结果示出了用于降低滤波器系统中的系统噪声的Savitzky-Golay滤波器应用和根据其的信号恢复性能；

图39是示出分光镜中的每个滤波器的滤波器函数的重叠情况的概念图，图40示出了根据滤波器函数的半峰全宽(FWHM)计算的重叠函数的仿真曲线图，图41是其中在根据本发明实施例的分光镜中计算根据滤波器函数的重叠的误差值(％)的仿真曲线图；

图42示出了在根据本发明的实施例的分光镜中根据FWHM用于各个波长的原始信号和恢复的信号；

图43是根据本发明的实施例的二维分光镜的概念图；

图44和图45是根据本发明的实施例的图像传感器的概念图；以及

图46是包括根据本发明的实施例的高光谱图像传感器的滤波器阵列的概念图。

具体实施方式

现在将参考附图根据本文公开的示例性实施例详细地给出描述。为了参照附图进行简要描述，可以给相同或相似组件提供相同或相似的参考编号，并且不再重复对其的描述。一般来说，诸如“模块”和“单元”的后缀可以用来指元件或组件。本文使用这种后缀的目的仅仅是为了便于说明书的描述，并且后缀本身不旨在提供任何特殊的含义或功能。在本发明中，为了简洁起见，一般省略了本领域普通技术人员所熟知的内容。附图用于帮助容易地理解各种技术特征，并且应当理解，这里给出的实施例不受附图的限制。因此，除了附图中特别列出的那些之外，本发明应被解释为延伸到任何改变、等同物和替代物。

图1是根据本发明的实施例的一维光学滤波器的纵向剖视图，并且图2是图1的电介质区的平面图。

参照图1和图2，将提供关于根据本发明的实施例的光学滤波器100的结构的描述。

本发明的光学滤波器100包括第一反射层110和第二反射层120、电介质层130和缓冲层140。第一反射层110和第二反射层120可形成光学滤波器100的两个侧表面。例如，第一反射层110和第二反射层120可按照一维类型布置，以平行于一个方向布置，并且可能形成二维光学滤波器100。

缓冲层140布置在电介质层130与第一反射层110和第二反射层120中的至少一个之间。换句话说，缓冲层140布置在电介质区130的上侧和下侧中的至少一个上，并且电介质区130和缓冲层140介于第一反射层110与第二反射层120之间。

缓冲层140以及电介质区130作为光学谐振腔操作。缓冲层140的存在增加了光学谐振腔的有效厚度，因此光学滤波器100的透射带的中心波长被移动到长波长区，而电介质区层130的厚度保持较小。当光学谐振腔仅由电介质区层130构造时，纵横比过量增大以补偿由具有不同折射率和远远小于操作波长的周期的两种材料的组合构成的电介质区层130中的任一种材料，这导致工艺难度大。因此，缓冲层140的存在是有利的，因为电介质区层130的厚度保持较小，并且有效地增大了波长可变范围。

第一反射层110和第二反射层120可分别为具有半透射特性的金属薄膜和由高折射率电介质区层和低折射率电介质区薄层的周期性多层结构形成的分布式布拉格反射器(DBR)。

这里，将描述电介质区130和缓冲层140。

电介质区130布置在第一反射层110与第二反射层120之间，并且布置有具有不同折射率的至少两个材料134和137。具有其中形成电介质区130的两种材料134和137的相对体积比不同的至少两个区。

形成电介质区130的两种材料134和137可交替地布置。另一方面，电介质区130可沿着一个方向形成，以具有其中两种材料134和137的相对宽度比不同的至少两个区。这种结构变为一维光学滤波器结构(见图2)。

参照图1，将其中透射光的中心波长变化的区示为三个区a、b和c。在这种情况下，所述两种不同的材料134和137在等同周期在三个区a、b和c中交替布置，并且两种材料134和137的相对宽度比不同。由于这种结构，三个区a、b和c在第一反射层110与第二反射层120之间具有不同光透射波长。

详细地说，图2的一个方向意指电介质区130的长度方向横向延伸的水平方向。在电介质区130中，折射率不同的至少两种材料134和137在一个方向上布置。

另一方面，可形成电介质区130，以具有其中两种材料134和137的相对体积比不同的至少两个区。例如，在特定区中，两种材料可在预定宽度上交替地布置，并且在另一特定区中，两种材料可在不同的预定宽度交替地布置。即使两种材料在不同区中具有不同宽度，发射相同波长的相同滤波器中的两种邻近的材料的宽度恒定。因此，示出了a至c区，并且在各个区中，两种材料134和137的相对体积比恒定。如附图中示意性地示出的，两种材料134和137的相对体积比在相邻区中不同，并且材料134和137的相邻区的宽度在所有三个区a至c中恒定。

例如，可将电介质区130的两种材料134和137命名为第一材料134和第二材料137。第一材料134和第二材料137可为具有不同折射率的电介质。另外，第一材料134可为具有相对低的折射率的电介质材料，并且第二材料137可为具有相对高的折射率的电介质材料，但是本发明不限于此。换句话说，第一材料134可为相对高的折射率的材料，并且第二材料137可为相对低的折射率的材料。例如，低折射率的电介质可为氟紫外线树脂、旋涂玻璃、硅倍半氧烷(HSQ)、氟化镁(MgF₂)、氟化钙(CaF₂)或二氧化硅(SiO₂)。例如，高折射率的电介质可为诸如二氧化钛(TiO₂)的金属氧化物。

换句话说，本发明的电介质区130可为二元电介质区130，其为具有不同折射率的两个电介质区130的组合的有效介质，并且第一材料134和第二材料137的相对比率可在一个方向上变得逐渐不同。

可将本发明的第一材料134与第二材料137之间的相对比率定义为占空比或填充因子。本发明的占空比或填充因子是在第一材料134与第二材料137中的第一材料134的一种组分基于第一材料134所占据的相对体积比。通过逐渐改变电介质区130中的第一材料134与第二材料137之间的相互占空比或填充因子，使得电介质区130的折射率在一个方向上可变。

通过电介质区的光学厚度控制通过光学滤波器100的光的波长。光学厚度可限定为物理厚度乘以折射率的值，并且本发明的滤波器的透射带波长的决定因素是电介质区的光学厚度。因此，除物理厚度之外，也可通过折射率改变来控制中心波长。

另一方面，一对第一材料134和第二材料137的宽度与待发送的滤波器的波长相关。例如，所述一对第一材料134和第二材料137的宽度可足够小，并且在这种情况下，光不将所述两种材料区分为单独的材料，而是将其识别为一种由特定有效介电常数定义的有效介质。在这一点上，有效介质的光学常数由两种材料的几何分布和相对体积分数确定。对于其中介电常数的虚部接近于0的电介质区130，有效介质的光学常数具有处于两个组件的光学常数之间的任意值。

图1示出了其中缓冲层140布置在电介质区130的上部上的示例。然而，本发明不限于此，并且缓冲层140可布置在上部和下部中的任一个中。通过缓冲层140放大滤波器100的操作波长控制能力。例如，缓冲层140可为电介质间隔件。

根据优选实施例，缓冲层140可为第一材料134或第二材料137。例如，当缓冲层140是第二材料137时，有利于制造处理。例如，首先，在其中将第一材料图案化的情况下，将第二材料137分布于第一材料134的整个图案化区上，以填充第一材料134的间隙。例如，当将树脂用作第二材料137时，第一材料134的间隙通过旋涂被树脂填充，并且树脂也可在第二材料137的顶表面上广泛分布。在这种情况下，可分离地执行平面化工作。

图4和图7示出了示出根据本发明的实施例的制造光学滤波器的方法的流程图。

参照图4，第一反射层120形成在衬底101上。如上所述，第一反射层120可由具有半透射特性的诸如Ag、Au、Al、Cr或Mo的薄膜或由高折射率电介质区层和低折射率电介质区层的周期性多层结构形成的DBR形成。作为衬底101，可采用透光衬底，并且透光衬底可为玻璃或聚合物。例如，透射膜可由具有合适粘合力或冲击吸收的透明或半透明聚合物构成。特定示例可为非限制性聚苯乙烯(PS)、可膨胀聚苯乙烯(EPS)、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯丙烯腈共聚物(SAN)、聚氨酯(PU)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、改性聚碳酸酯、聚乙烯丁醛、聚醋酸乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂(ER)、硅树脂、不饱和聚酯(UP)、聚酰亚胺、聚萘酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯等，并且这些可单独使用或者通过混合两种或更多种来使用。

参照图4和图5，第一材料134沉积在第一反射层120的顶表面上，然后图案化。可通过光刻、电子束光刻或纳米压印光刻工艺来实现这些工作。当采用光刻工艺时，如图3B所示，第一材料134完全沉积，光敏光致抗蚀剂沉积于其上，并且光敏光致抗蚀剂通过光选择性地开口。然后，第一材料134通过蚀刻工艺被图案化。当采用纳米压印工艺时，在沉积第一材料134之后，将树脂层散布于其上，并且利用压印装置压印图案，然后执行蚀刻工艺以将第一材料134图案化。另一方面，在不针对第一材料直接执行蚀刻工艺的情况下，第一材料层还可沉积在预图案化的光致抗蚀剂或树脂层上，然后通过剥离工艺将第一材料图案化。

参照图6，第二材料137形成在包括图案化的第一材料134和第一反射层120的整个表面上。可通过旋涂或气相沉积形成第二材料。

在形成第二材料137之后，为了容易形成第二反射层110或提高光学滤波器的特性，还可包括平面化第二材料137的顶表面的工艺。

参照图7，通过在其中形成第二材料137的整个结构上形成第二反射层110来完成光学滤波器。像第一反射层120那样，第二反射层110还可由具有半透射特性的诸如Ag、Au、Al、Cr或Mo的薄膜或者由包括高折射率电介质区和低折射率电介质区的周期性多层结构形成的DBR形成。

图8和图9是根据本发明的实施例的二维光学滤波器的电介质区的平面图。

为了便于解释，将主要描述与图1的差异。图1的光学滤波器结构被构造为在其中形成电介质区130的两种材料134和137交替地布置的状态下，具有其中两种材料134和137的相对宽度比沿着一个方向不同的至少两个位置。作为比较，图8和图9的二维光学滤波器具有其中形成电介质区230和330的两种材料234和237；334和337在二维方向上变化的结构。图8示出了两种材料234与237中的第一材料234具有圆形，并且第二材料237具有包围圆形的形状。图9示出了两种材料334与337中的第一材料334具有矩形，并且第二材料337具有包围矩形的形状。

对于图8和图9的光学滤波器，通过形成其中交替地布置的两种材料的相对体积比不同的至少两个位置来实现用于形成可变滤波器的波长控制。图8和图9示例性地示出了第一材料具有对应的圆形和矩形形状，但是其形状也可为圆形、矩形、六边形或八边形。换句话说，如果仅设置其中第一材料234与第二材料237之间的相对体积比不同的至少两个位置，则不特别限制形状并且可使用各种形状。另外，可采用诸如十字形和多边形的各种形状。

另一方面，按照周期性点阵结构执行第一材料的平面布置，并且可采用除图8所示的六边形点阵或图9所示的矩形点阵之外的各种点阵结构。

图10示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图。

为了便于解释，将主要描述与图1的不同。图1示出了其中形成在电介质区130的顶表面上的缓冲层140由与第一材料或第二材料相同的材料形成的情况，图9示出了其中缓冲层140采用与第一材料或第二材料不同的材料的情况。通过缓冲层140扩大滤波器100的操作波长控制能力。例如，缓冲层140可为电介质间隔件。

另一方面，图10示出了缓冲层140由与第一材料或第二材料完全不同的材料形成，但是在实际应用中，第一材料或第二材料的一部分保持为缓冲层，并且与第一材料或第二材料不同的材料可形成其上的缓冲层140。根据图10的构造，缓冲层140的选择种类很多。

图11示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图。

为了便于解释，将主要描述与图10的不同。图6示出了存在形成在电介质区130的上部上的缓冲层140的情况，但是图11示出了其中在电介质区130的下部以及上部上存在缓冲层140的情况。在上部上存在的缓冲层和在下部上存在的缓冲层可由相同材料或不同材料形成。另外，在上部和下部上存在的缓冲层中的每一个可由与第一材料或第二材料相同的材料或不同的材料形成。当在上部和下部上存在缓冲层140时，扩大了操作波长控制能力。

下文中，将描述示出模拟各个滤波器的操作的结果的曲线图。图12至图19示出了一维结构的光学滤波器的仿真结果，并且图12和图13示出了平面结构是二维的光学滤波器结构。

图12示出了在其上执行当前仿真的光学滤波器的结构，并且图13至图15的曲线图示出了针对线性点阵结构计算的传输带仿真结果，以示出本发明的滤波器操作。

在假设点阵周期为200nm的条件下计算结果，并且在图13中电介质区层的厚度为60nm，在图14中为100nm，并且在图15中为150nm。还假设两种材料中的低折射率材料的折射率为1.38，并且高折射率材料中为2.7。作为上反射层和下反射层，采用具有半透射特性的20nm厚的Ag层。可已知，随着电介质区层的厚度增大，其中形成有传输带的整个波长带朝着长波长区移动。

计算结果示出了在其中周期固定为200nm并且低折射率纳米结构的宽度以20nm的间隔从50nm增大至150nm的状态下的传输带的变化方面。可以知道，随着高折射率纳米结构的填充因子增大，传输带的中心波长朝着长波长区移动。

由于利用具有半透射特性的金属镜层执行这种计算，传输带的半峰全宽(FWHM)较宽，并且透射率还示出了特定极限或更低。但当替代性地采用DBR时，可与其中厚度在长度方向上变化的典型线性可变滤波器技术等同地实现非常窄的FWHM和高透射率。

接着，图16和图17是其中下缓冲层插入图12的基本结构中的结构的仿真结果。图16示出了当在其中在电介质区层的厚度为60nm的图12的结构中将折射率为1.38并且厚度为50nm的缓冲层插入电介质区层的下部中的状态下执行计算时的传输带曲线。图17示出了当在图18的条件下仅下缓冲层的厚度增大至100nm时的传输带曲线的变化。可以知道，随着缓冲层的插入，传输带整体朝着长波长区移动，并且移动程度与缓冲层的厚度成比例。

图18示出了对其中上缓冲层和下缓冲层插入图12的基本结构的结构的仿真结果。图18示出了当分别将折射率为1.38并且厚度为50nm的缓冲器应用于图12的结构时的传输带谱。可知道与其中仅下缓冲层增大至10nm的图17的情况相比，通过对称插入上缓冲层和下缓冲层，传输带的中心波长进一步移动至长波长区，并且实现提高带外抑制特性的效果。

图19示出了对其中上缓冲层插入图12的基本结构的结构的仿真结果。图19示出了当将折射率为2.7并且厚度为50nm的缓冲器应用于图12的结构中的电介质区的上部时的传输带谱。即使插入上缓冲层，整个传输带也发生红移。

图20和图22示出了平面结构为二维的光学装置结构。首先，图20示出了对以下这种滤波器结构的计算结果：其中低折射率纳米结构形成六边形点阵结构并且高折射率材料包围周边。这里，图20示出了当球柱式低折射率纳米结构的直径在其中电介质区130的厚度为100nm并且六边形点阵结构的周期固定为200nm的状态下从50nm增大至150nm时的传输带变化方面。图21示出了在图20的结构中仅当电介质区的厚度增大至150nm时的谱。与一维结构相似，可已知，随着在形成电介质区层的材料中，高折射率材料的体积分数增大，传输带红移，并且其控制范围容易通过缓冲层的插入而扩大。

图22示出了当插入折射率为1.38并且厚度为50nm的电介质层作为图20的结构中的下缓冲层时的传输带谱。另外，图23示出了当插入折射率为2.7并且厚度为50nm的电介质层作为图20的滤波器结构中的上缓冲层时的计算结果。

图24示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图。

参照图24，图24的光学滤波器具有其中将分离的反射层额外插入于电介质区之间的结构。通过此，图12的光学滤波器具有包括反射层和它们之间的电介质区的下结构以及包括反射层和电介质区的上结构。换句话说，图12的光学滤波器具有双谐振腔结构或诱导透射率滤波器结构。由于各层与上述构造相同，因此将省略关于其的描述，以避免重复。例如，各个反射层可由DBR形成。本发明的光学滤波器具有包括第一反射层710和第二反射层620、电介质区730和630以及插入其中的分离的中间反射层610的结构。a、b和c表示滤波器区。

图25和图26是用于将单谐振腔结构与本发明的双谐振腔结构进行比较的仿真文档。在当前仿真中，上反射层和下反射层分别采用30nm厚的Ag层，并且电介质腔形成为具有100nm的厚度。在双谐振腔结构中，上电介质区和下电介质区分别具有100nm的厚度，并且中间反射层由70nm厚的Ag层形成。根据仿真文档，通过引入金属-电介质-金属层的双腔结构，传输带的线宽变小，频带垂直度提高，并且带外抑制特性也提高。

图27示出了在具有DBR的Fabry-Perot滤波器中对于其中金属层插入电介质区的中间部分中的结构的诱导透射率效果的仿真结果。对于特定频带的诱导透射率效果，从其去除了由四分之一波条件的高折射率层和低折射率层构成的上DBR和下DBR的中间部分的电介质-金属-电介质层被设计为具有匹配光阻抗的厚度，以最小化对应频带中的反射。

在图27中，中间反射层由80nm厚的Ag形成，并且两侧反射层由DBR层形成。电介质区层具有上对称结构和下对称结构，并且确定其厚度为100nm。因此，显示了诱导透射率效果，可形成非常尖和窄的传输带，频带垂直度提高，并且可实现优秀的带外抑制特性。因此，可已知传输带的中心波长根据对邻近于中间层的上电介质区层和下电介质区层的折射率的控制连续红移。

图28示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图。

参照图28，图28的光学滤波器具有其中将分离的缓冲层加至图24的光学滤波器结构的结构。可将缓冲层840和940加在反射层与电介质区之间。如上所述，缓冲层在移动波长可变范围方面是有效的。此时，如图16所示在上结构和下结构中的每一个中，为了等同地保持光学厚度(即，折射率乘以物理厚度)，应用缓冲层是有效的。当光学厚度相同时，与图16相似，可将缓冲层等同地布置在上电介质区层和下电介质区层的上阶中，或相反，在上电介质区层和下电介质区层的下阶中。另外，可将缓冲层布置为在中间反射层810位于中间的情况下成镜面对称。例如，缓冲层可布置在上结构中的中间反射层810与电介质区930之间和/或下结构中的电介质区830与反射层820之间。另外，可将缓冲层布置在上结构和下结构的电介质区的上部和下部中。

图29和图30是用于比较其中缓冲层加至本发明的采用上下金属反射层的双谐振腔结构的结构的仿真文档。图29示出了当将折射率为1.5且厚度为50nm的电介质缓冲层对应地插入图26的结构中的上电介质区和下电介质区的上部时的传输带谱。可已知由于缓冲层的介入，传输带的中心波长完全移动至长波长区。另外，随着电介质层的折射率从1.5增大至2.0，传输带的中心波长也连续地红移。

图30示出了其中针对其中插入缓冲层的单谐振腔结构与双谐振腔结构比较传输谱形状的仿真结果。缓冲层的插入具有移动传输带的中心波长的效果，并且与没有缓冲层的情况相似，FWHM极大地变窄，并且垂直度提高。

图31示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图。

当主要描述与图1的差异时，关于图1，描述了形成电介质区130的材料由两种材料134和137形成的情况，但是在图18中，所述材料由三种或更多种材料形成。在图18中，作为其中一种情况，第一材料134由竖直层合的两种材料134a和134b形成。在实际制造中，两种材料134a和134b连续地沉积在反射层120上，并且在后续工艺中，将所述两层选择性地蚀刻，或者连续地沉积在通过预图案化形成的光致抗蚀剂孔结构上，然后执行剥离工艺。这样，当形成三个或更多个电介质区时，可有效地针对操作波长进行更灵活的控制。通过由第一材料134和第二材料137形成的电介质区层的光学厚度控制通过本发明的光学滤波器100的光的波长。在这一点上，通过第一材料134与第二材料137之间的几何分布和相对体积分数确定负责电介质区层的光学厚度的可变控制的有效折射率。这里，当第一材料由不同折射率的材料形成时，有效折射率的控制范围可扩大，因此电介质区层的光学厚度的控制变得更方便。

另一方面，图31示出了其中由两种竖直层合的材料134a和134b构成的第一材料134的情况，但是第一材料134也可与至少两个层竖直层合或者由两种或更多种材料水平地构成。但是在其中形成了多层的情况下，在形成纳米图案时图案可更精细。因此，这种限制最小化可为有效的。

另外，对于第二材料137，可竖直地层合两层或更多层，或者由两种或更多种材料水平地形成。

图32示出了根据本发明的实施例的其它光学滤波器的剖视图。

本发明的光学滤波器可包括防反射涂层153和/或宽带传输带滤波器152。另外，虽然图19中未示出，但是还可在第一反射层110与第二反射层120以及第一材料134与第二材料137之间额外布置粘合层或扩散势垒层。

防反射涂层153是可以用于减少从外部入射到光学滤波器然后被反射到外部消失的光的量的组件。宽带传输带滤波器152是能够调整入射至光学滤波器的光的必要波长带的有效组件。

另一方面，防反射涂层可形成在除以下表面之外的表面上：在其上形成有本发明的光学滤波器的分离的透明衬底上形成光学滤波器的表面。

图33是根据本发明的实施例的另一光学滤波器的剖视图。

图33示出了三个光学滤波器区100e、100f和100g组合的示例，其中光学滤波器区100e的类型是缓冲层140布置在电介质区130的下部中，光学滤波器区100f的类型是缓冲层140分别布置在电介质区130的上部和下部中，并且光学滤波器区100g的类型与光学滤波器区100f的类型相似，缓冲层140分别布置在上部和下部中，并且缓冲层140的一部分可形成为具有不同的厚度。这里，还可以除下缓冲层140以外，仅上缓冲层的厚度不同。在图20中，其中过滤光学滤波器区100e的不同波长区的a区、b区和c区示为在电介质区130的下部中具有缓冲层140，但是像光学滤波器区110e、100f和100g，a区、b区和c区还具有不同缓冲层。

根据图33的构造，可克服可通过单独光学滤波器区覆盖的可变波长带的限制，放大当前光学滤波器的整个操作波长范围，并且使得波长调整变容易。

图34示出了根据本发明的实施例的光学装置的示例。

当前光学装置设有滤波器区a、b和c和分别与其对应的光学检测器PD1、PD2和PD3。虽然图34示出了滤波器区a、b和c与光电检测器PD1、PD2和PD3之间没有插入诸如透光衬底的结构的类型，但可以形成诸如透光衬底的结构。光电检测器中的每一个执行检测对应于来自各个光传输区的波长带的光的功能，并且执行已知功能，诸如将通过各种电路单元和电极等检测到的光的量转换为电信号。

下文中，将描述根据本发明的实施例的另一光学装置。本发明的光学滤波器可形成在透光衬底的顶表面上，以制造为分离的光学滤波器模块(见图7)。只在操作波长下透明的任何材料可用作透光衬底，并且可使用玻璃或聚合物。可按照未集成光学检测器的类型制造这种光学滤波器模块。因此，在实际使用中，可附着光学检测器，或者当制造完整的产品时，可将光学滤波器模块附着于光学检测器。在其中光学滤波器模块实际附着于光学滤波器并且使用的情况下，例如，还可将光学滤波器模块结合至相机透镜的前部。

图35是根据本发明的实施例的一维分光镜的概念图。

图35示出了通过结合在滤波器阵列1000a与光电检测器2000a之间的一维线性阵列构造分光镜装置10000a的示例。在示意图中，示出了分光镜装置10000a，其包括由M个滤波器区100和M个光电检测单元500构成的滤波器阵列1000a。可确定各个光学滤波器的周期与结合的一维线性阵列光电检测器的光电检测单元500的周期匹配，或者与一组多个光电检测单元500的大小匹配。换句话说，滤波器与光电检测器的像素之间的结合可为一对一或一对多。

结合至滤波器阵列的阵列光电检测器通过数学数字信号处理算法作为分光镜装置操作。当假设理想滤波器具有delta函数特性时，分辨率简单地变得等于通过将分光镜装置的操作波长区除以滤波器的数量获得的值。因此，存在高分辨率操作所需的滤波器的数量与之成比例地增加的局限。

根据本发明的光学滤波器是由Lorentzian函数限制的非理想滤波器，并且具有根据下反射层的设计确定传输带的FWHM的特性。利用金属反射层的情况比利用DBR的情况更常见，并且随着金属反射层的反射系数变小或者构成DBR的低折射率层和高折射率层的单元组合的周期数变小，FWHM增大。

可利用图35解释基于非等同滤波器阵列的光谱仪中的信号恢复原理。当待分析的对象频谱为s(λ)时，单个滤波器的传递函数为f_i(λ)，并且光电检测器的灵敏度函数为d_i(λ)，当对象频谱通过滤波器并且到达光电检测器时产生的检测信号r_i表达为以下方程(1)，并且当通过离散模型表达时可在方程(2)的矩阵方程中展开。

由于滤波器的数量M通常小于波长采样的数量N，方程(2)的线性代数方程归结为不适定问题。由于不存在具有M×N(M＜N)大小的D(λ)的显式逆矩阵，所以可以使用伪逆矩阵来恢复频谱信号，但是容易受到小波动或系统噪声的影响，并且结果不稳定。

作为用于获得更有效和数值稳定的解决方案的一种措施，使用正则化方案。最具代表性的方案可以是Tikhonov正则化方案。如方程(3)，此方案通过确定使残差范数和边约束范数之和最小化的解，来恢复分析目标对象的频谱。这里，α是一个正则化因子，用于确定相对于边约束范数最小化的残差范数最小化的权重，并且存在α的最优值以便获得鲁棒解。当使用奇异值分解(SVD)和L-曲线分析时，该方法适合于系统，并为其本身确定光学正则化因子，以实时地实现频谱恢复。

当使用这种调节方案时，有利的是在使用具有宽FWHM的非等同滤波器阵列时，可以相对较高的分辨率恢复频谱。信号恢复算法不限于示例性正则化方案，而是可用各种方案。

另一方面，L曲线分析是一种其中当值逐渐增加并被替换时获得Tikhonov正则化方程的解的方法，所得到的解再次被替换为残差范数和解范数并且在对数标度坐标轴上表示所得的值。然后获得L曲线形状的曲线图，并将L曲线的角值作为最优值α采用。获得角值的一种方案是以残差范数和解范数的对数标度值作为变量，确定具有最小曲率半径的α。以这种方式获得的值再次针对Tikhonov正则化被替换以获得S_a并恢复对象频谱。图36示出了对用于使用L曲线分析确定最佳α值的L曲线分析进行计算的实例，图23b示出了L曲线(左)和L曲线函数(右)的曲率。将角值确定为具有最大曲率的α值(这里，λ)。

接着，对于存在系统噪声的情况，存在以下情况：通过正则化的数字信号恢复处理不能正常操作并且输出不稳定的解。为了减少这种问题，将集成有滤波器阵列的光电检测器的每单位单元强度分布曲线应用于在噪声滤波中有效的Savitzky-Golay平滑算法，然后可评估其对信号恢复的影响。Savitzky-Golay滤波器是一种平滑方案，用于形成包括噪声的数据序列的波形以平滑排除噪声的波形，同时原始信号配置没有很大损坏，并且Savitzky-Golay滤波器是用于获得用于通过最小二乘法在单个点最佳拟合环境点并且确定该点的数据值的k阶多项式的滤波器。Savitzky-Golay滤波器通过在数据处理附近的数据加权较多而远离的数据加权较小的方案中应用移动平均，较好地保存了最大值、最小值或峰/谷值。当在从光电检测器阵列测量的每单位单元强度分布曲线中混入噪声时，甚至当应用Tikhonov正则化方案时，也可能不能适当地恢复原始频谱。但是，当应用Savitzky-Golay滤波器时，已经证实通过数字信号处理的信号恢复性能得到了过度的提高。图23c示出了用于降低滤波器系统中的系统噪声的Savitzky-Golay滤波器的应用的曲线图，以及显示根据其信号恢复性能得到改善的计算结果。

另一方面，本发明的发明人发现，对于频谱恢复，当每个滤波器的透射谱(即滤波器函数)形成适当的重叠时，误差比可减小。将提供关于其的描述。

图37是示出根据本发明的实施例的分光镜中的每个滤波器的滤波器函数的重叠情况的概念图，图40是曲线图，其示出在高斯函数作为滤波器函数的假设下，在根据本发明的实施例的分光镜中，计算根据其FWHM的重叠因子，图41是示出在根据本发明的实施例的分光镜中，计算根据滤波器函数的重叠的信号恢复误差值(％)的仿真图。

为了定量发现，重叠因子被定义为通过将在两个邻近的滤波器函数的频谱彼此交叉的点处的透射率或反射率值除以滤波器函数的最大透射率或反射率值而获得的值，并且信号恢复误差值根据其的变化被评估。可以知道，当两个邻近的滤波器的重叠程度降低到一定值或更低时，信号恢复误差值大大增加。

图42示出了当假设在根据本发明的实施例的分光镜中使用高斯滤波器时，根据滤波器函数的FWHM的对象频谱和通过数字信号处理恢复的频谱。在这种情况下，该曲线图示出了以下示例性结果：当在过滤器中心波长之间的距离固定为30nm的状态下，当重叠因子增加而滤波器的FWHM从20nm改变为30nm时，频谱恢复程度提高。

对于图40和图41的仿真的参数，滤波器的数量为20，滤波器之间的距离为30nm，原始频谱的FWHM为100nm，峰-峰值为150nm。另外，在增加滤波器函数的FWHM(1nm至100nm，间距1nm)的同时重叠值改变。重叠值定义为Ip/Imax。Imax表示滤波器函数的最大强度，Ip限定了在两个滤波器函数相互交叉的点处的滤波器函数的强度(参见图39)。误差值ERROR定义为以下方程，其中norm()表示与线性代数中向量的大小有关的函数。

ERROR＝100×(norm(恢复的信号-原始信号)/norm(原始信号))

参照图40和图41，当误差值为10％时，可检查重叠值为约0.4。在这一点上，FWHM为约25nm。参照图25，可检查从FWHM为25nm的点开始，误差值在±5nm附近急剧变化。

另一方面，将提供关于在实现本分光镜的谱时适当的重叠范围的描述。如图40和图41所示，误差值越小越好。根据图41，当重叠增加至约1.0时，误差值接近0。然而，因为重叠太大，而滤波器函数之间的间隔变小，可能需要过多的滤波器函数来覆盖特定波长带。

因此，将讨论重叠的优选下限值。误差值的范围可优选小于约30％，更优选小于10％。因此，当基于重叠进行转换时，优选的重叠为0.2或更大，而更优选的重叠为0.4或更大。接下来，将讨论一个优选的上限值。当邻近的滤波器的频谱超过噪声信号电平时，重叠优选为尽可能高，不重叠并且是可区分的。这样，滤波器的数量可过度增加，邻近的滤波器之间的结构因子差异很小，因此可能存在工艺限制。因此，优选的是，不将邻近滤波器之间的结构因子差设为1nm或更小，并且可根据其存在重叠上限。

另一方面，当滤波器的滤波函数形成适当的重叠时，可减小误差比。该方面可不同地应用，而不限于滤波器的形状或种类。例如，它可应用于图1或本发明的其它实施例，并且也适用于通常已知的等离子体滤波器等。换句话说，它涉及一种当滤波器的重叠处于一定的范围内以及当引入各个波段的滤波器并且集成滤波器以分析更宽的波段频谱时减少误差比率和确保适当数量的滤波器的技术。

图43是本发明的二维分光镜的概念图。图示了分光镜10000b的示例，该分光镜10000b通过其中滤波器阵列1000b和光电检测器2000b二维布置的组合来配置。与一维组合的分光镜10000a相比，它有利于集成，并有利于与现有的CMOS图像传感器等的组合。分光镜10000a和10000b使光能够通过，并且使强度信息能够从特定波长带的光输出，所述特定波长带的中心波长在滤波器的一个方向上针对每个位置稍微移动。

因此，分光镜作为能够根据光波长转换为强度分布的光谱仪工作，并且可以实现基于滤波器阵列的分光镜。

图44和图45是根据本发明的实施例的图像传感器的概念图。图44和45分别对应于FIS方案和BIS方案中的CMOS图像传感器制造结构。在这些图像传感器结构中，基本上添加了诸如R、G、B的滤色器。本发明的光学滤波器可应用于CMOS图像传感器的R、G、B。

参照图44，分离区405介于光电检测区406之间，在中间电介质区402内形成各种电极线403。并在其上形成R、G、B滤波器区，并在其上分别形成与R、G、B滤波器区相对应的微透镜401。

参照图45，在电介质区507内形成各种电极线508。在这上面，在光电检测区406之间存在分离区405。在光学检测区406上形成R、G、B滤波器区，并且在其上分别与R、G、B滤波器区对应地形成微透镜501。

图46是根据本发明的实施例的包括高光谱图像传感器的的滤波器阵列的概念图。图46是用于提取CMOS图像传感器的单位像素和高光谱图像传感器的单位像素的一部分的图。

高光谱图像传感器是被配置为感测从物体发射或被物体吸收的整个高光谱的几个(相对窄的)波长部分或波长带的元件。

如图46所示，根据一个实施例，高光谱图像传感器可用于结合至CMOS传感器的类型中。详细地说，被称作R、G、B的区表示配置为CMOS图像传感器的滤波器R、G、B的滤色器的区域，并且被称作H的区表示配置为感测高光谱图像的滤波器区。在滤波器区H中，在红外线区中指明局部狭窄的区域，并且在该区中，可以确保不同于R、G、B的高光谱数据。

上述光学滤波器不限于上述实施例中的配置和方法，并且该实施例可具有选择性地组合每个实施例的全部或一部分的配置，使得可以进行各种修改。

在不脱离本发明的精神和基本特征的情况下，本发明可以除了本文中所阐述的那些方式之外的其它具体方式进行。因此，以上实施例应在所有方面解释为说明性的而非限制性的。本发明的范围应由权利要求及其法律等同物确定，并且所有在权利要求的含义和等同范围之内的改变都旨在包含在其中。

Claims (16)

1.一种光学滤波器，包括：

彼此分离的第一反射层和第二反射层；

电介质区，其介于所述第一反射层与所述第二反射层之间，并且在所述电介质区中，折射率不同的两种材料交替地布置；以及

缓冲层，其布置在所述电介质区与所述第一反射层和所述第二反射层中的至少一个之间，其中，存在其中交替地布置的所述两种材料的相对体积比不同的至少两个滤波器区。

2.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述两种材料交替地布置，并且存在其中所述两种材料的相对宽度比不同的至少两个滤波器区。

3.根据权利要求2所述的光学滤波器，其中，在一个方向上，允许一对邻近的所述两种材料分别与一对邻近的两种其它材料具有相同宽度。

4.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述两种材料由第一材料和第二材料构成，所述第一材料包括多个并且按照预定间隔布置，所述第二材料包围所述第一材料。

5.根据权利要求2所述的光学滤波器，其中，一对所述两种材料的宽度小于通过滤波器的光的波长。

6.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，其中所述两种材料的相对体积比彼此不同的所述滤波器区在平面内位于两个或更多个方向上。

7.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述第一反射层和所述第二反射层是金属层或色散布拉格反射器(DBR)。

8.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述电介质区包括三种或更多种材料。

9.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述缓冲层由第一材料或第二材料形成。

10.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述第二反射层的上部包括宽带传输滤波器和/或防反射涂层。

11.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述滤波器区分别包括不同的缓冲层。

12.一种光学滤波器，包括：

彼此分离的第一反射层和第二反射层；

电介质区，其介于所述第一反射层与所述第二反射层之间，并且折射率彼此不同的至少两种材料交替地布置；以及

至少两个滤波器区，其中交替地布置的两种材料的相对体积比彼此不同，

其中，将平行于反射层的中间反射层加至所述电介质区的中心区。

13.根据权利要求12所述的光学滤波器，还包括：

在中间反射层与第一反射层和第二反射层之间其光学厚度相同的缓冲层。

14.一种光学装置，包括：

滤波器区，在所述滤波器区中，根据权利要求1至13中的任一项所述的两种材料的相对体积比彼此不同，并且不同的波长通过所述滤波器区；以及

光电检测器，其分别对应于所述滤波器区。

15.根据权利要求14所述的光学装置，其中，所述光学装置是分光镜、CMOS图像传感器或高光谱成像装置。

16.一种光学装置，包括：

透光衬底；以及

根据权利要求1至14中的任一项所述的光学滤波器，其设置在透光衬底的上部上，并且按照分离的模块类型集成。