CN110865431B - 滤光器、滤光器系统、光谱仪及其制造方法 - Google Patents

Abstract

滤光器、滤光器系统、光谱仪及其制造方法根据本发明的实施例，提供了一种纳米结构化光学波长透射过滤器。滤光器包括图案化基底，在所述图案化基底上布置高折射率介质波导。低折射率介电层布置在高折射率介质波导上，在所述低折射率介电层上布置金属纳米结构的阵列。滤光器的各层具有由基底的图案化表面限定的共形形状。本发明还涉及滤光器系统，包括光学透射过滤器和固定到基底的检测器阵列。本发明还涉及包括至少一个光学透射过滤器和/或至少一个所述光学透射过滤器系统的光谱仪，并且对于具有波长在300nm与790nm之间的入射光具有低于30nm的光谱分辨率。本发明还涉及制造滤光器、滤光器系统和光谱仪的方法。

Description

滤光器、滤光器系统、光谱仪及其制造方法

技术领域

本发明涉及透射滤光器、光学检测器以及包括这种过滤器和光学检测器的光谱仪的领域。

更确切地说，本发明涉及高透射滤光器以及这种具有低带宽带通且包括纳米结构化基底和布置在这种结构化基底上的波导的滤光器阵列。本发明还涉及被配置用于消费电子产品的市场的微型光谱仪。本发明还涵盖一种制造具有低带宽的光学透射过滤器的方法。

本发明还涉及制造透射滤光器和光学检测器的方法。

背景技术

滤光器（特别是透射过滤器）的使用在光学组件和光学仪器及系统中是重要的。例如，在诸如例如望远镜的视觉系统或者在分光镜、医疗仪器或工业控制和检查系统的视觉系统中，组合的滤光器通常与光学检测器组合。具有一种仅在宽光谱范围内的窄频率范围中选择性透射光的材料或设备确实是有用的。

光学透射过滤器可以以不同的方式实现。例如，在远IR（红外）光谱中，过滤器可以由金属丝网（wire-mesh）或金属网格制成。在紫外、可见和近红外常规过滤器中可以是吸收过滤器，其通常具有非常宽的透射光谱。为了制造具有小光谱带宽的透射过滤器，可以通过实现配置为干涉过滤器的介电薄膜的堆叠来制造过滤器。这种过滤器由大量例如通过气相沉积技术一层叠一层地沉积的层（通常多于30层）组成。基于干涉的过滤器的问题在于仅能通过倾斜过滤器和/或改变层厚度来改变波长，这不但是复杂且昂贵的工艺流程，而且使得难以在小尺寸内并排地实现不同过滤器的阵列。

滤光器也可以由薄纳米结构化金属层制成，特别是具有亚波长孔的阵列的金属层。这种过滤器在例如T.W.Enessen等人的出版物[参考1]中有所描述。

在文档US2012129269和US2010046077中公开了一种基于纳米结构化滤光器阵列的传感器。它以透射部分光谱的亚波长金属纳米结构（主要是Al）阵列为主要部分。这种方法是有意思的，因为仅阵列中的纳米结构的间距或填充因子的变化即引起透射颜色的改变。它能够以例如压花（embossing）方式实现快速制造，其中一次生成全部过滤器。然而，由于金属结构中的损耗，带宽非常大。

在文档WO2012007147中公开了一种基于互补金属纳米结构的带通过滤器。尽管这种方法有潜力来降低等离子体过滤器的带宽，但带宽仍然大到以致无法与光谱仪或光谱成像应用竞争。

Mazulquim等人在参考[2]中对Al₂O₃波导上的二元Al光栅作了报告，其过滤透射中的光。光栅间距的改变导致过滤器光谱位置的改变，而这是所寻求的。然而，光栅与波导直接接触，这导致了透射带的变宽和相对高的背景透射（20-30%）。相关文档US9081150公开了光栅层，厚度小于200nm的子层。US9081150中公开的结构制造复杂，因为它要求在Al膜中进行显影和蚀刻步骤以生成光栅。

Wang等人在参考[3]中提议在Al光栅与由Si₃N₄制成的波导之间添加低折射率MgF₂包层。然而，该结构是薄膜且不受基底支撑，这使得制造更加复杂。此外，该结构悬浮在空气或真空中的事实大大增加了带宽。相关文档CN106896436呈现了与Wang等人描述的过滤器类似的局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决现有技术光学透射过滤器的局限的光学透射过滤器。

与其中光在金属结构的表面处传播的纯等离子体滤光器相反，本发明的滤光器包括介质波导（dielectric waveguide），其支持由纳米结构化金属层提供的谐振。这大大降低了滤光器的损耗，并且还允许提供具有窄带宽（诸如例如低于20nm）的滤光器。

此外，与现有技术的其他设备相反，滤光器包括波导上的低折射率包层，其能够实现大大降低光在滤光器的波导中传播期间的损耗。在不使用低折射率包层的情况下，不可能降低基于纳米结构化金属层的滤光器的带宽。

与使用二元金属结构的现有技术的光学透射过滤器相反，本发明的过滤器制造起来也容易且廉价，所述二元金属结构制造复杂，这是因为它们需要复杂的蚀刻步骤。

更准确地说，本发明是通过一种光学透射过滤器来实现的，所述滤光器配置成透射入射到所述过滤器上的光束的光谱的一部分，所述过滤器包括具有结构化第一基底表面和与所述第一基底表面相对的第二基底表面的基底，并且还包括纳米结构化金属层和布置在所述基底和所述纳米结构化金属层之间的波导。

第一基底表面是图案化表面，包括由相邻的脊和沟组成的纳米结构的一维或二维阵列。高折射率介质波导布置在所述第一基底表面上，并具有由所述第一基底表面限定的图案化形状，所述介质波导具有介于1.45与3.3之间的折射率n₁。

低折射率介电层布置在所述介质波导上方，并具有由所述介质波导限定的图案化形状，所述图案化形状限定相邻的低折射率介电脊和沟，所述介电层具有介于1.15与1.7之间的折射率n₂，n₂低于n₁。

金属纳米结构的阵列布置在所述低折射率介电层的至少一部分上，并且至少部分地具有由所述介质波导限定的图案化形状。在波导上方使用结构化金属层的优点在于，通过衍射从结构化金属层入耦合（incoupled）的光在到波导外传播超过特定长度（通常为5μm）之后被出耦合（outcoupled），并且与入射光干涉从而使得在谐振处获得透射的窗口。

在本发明的实施例中，金属纳米结构的所述阵列包括孔的阵列，所述孔的每一个面向所述低折射率介电层的沟之一。在结构化金属层中使用孔的优点是在保持高峰值透射水平的同时降低过滤器的（一个或多个）透射带的半峰全宽（FWHM）。

在本发明的实施例中，金属纳米结构的所述阵列具有非均匀的厚度，并且在所述低折射率介电层的脊上具有一厚度的金属纳米结构，该厚度大于其在所述低折射率介电层的沟上的厚度。使用具有部分光透射的部分的结构化金属层允许提供制造起来更廉价的滤光器，并且允许提供过滤器的额外的设计灵活性。

在本发明的实施例中，所述阵列包括多个在至少一个维度上具有不同周期性P₁-P_N的N个子阵列，N优选大于10。使用多个子阵列允许提供具有多个预定透射光谱带的过滤器。

在本发明的实施例中，所述金属纳米结构仅覆盖所述低折射率介电层的脊的至少一部分。

在本发明的实施例中，所述金属纳米结构仅覆盖至少一部分所述沟。仅覆盖低折射率介电层的脊和/或沟的一部分允许提供具有不同透射性质的广泛的设计替代方案。透射特性对低折射率介电层的未覆盖区域中的制造缺陷也不太敏感。

在本发明的实施例中，所述介质波导的厚度在20nm与150nm之间，优选在30nm与100nm之间。

在本发明的实施例中，所述低折射率介电层的厚度在80nm与200nm之间，优选在30nm与200nm之间。

在本发明的实施例中，金属纳米结构的所述阵列的周期在20nm与500nm之间。

在本发明的实施例中，金属纳米结构的所述阵列是纳米大小薄片的线性阵列。将薄片用于金属纳米结构的优点是来提供易于制作的简单线性滤光器。线性滤光器的透射光谱取决于入射光的偏振。测量光的偏振态对于某些应用可能是有用的。

在本发明的实施例中，所述第一基底表面是二元图案化表面。二元结构能够实现在制造过程中更好地控制孔的区域。

在本发明的实施例中，所述第一基底表面是正弦图案化表面。正弦图案化表面具有的优点在于它可以源自标准光栅制造技术，诸如激光干涉光刻。

本发明还涉及一种滤光器系统，所述滤光器系统包括如所述的光学透射过滤器，并且包括固定到所述基底的检测器阵列。调整检测器阵列（诸如CMOS检测器阵列）允许证明简单和紧凑的滤光器系统，其可以应用于廉价的光谱仪和/或提供多光谱成像器。

本发明还涉及一种光谱仪，其包括至少一个光学透射过滤器和/或至少一个所述光学透射过滤器系统，对于具有波长在300nm与790nm之间的入射光，所述光谱仪具有低于30nm，优选低于20nm的光谱分辨率。基于本发明的滤光器和过滤器系统的光谱仪允许以非常低的成本提供紧凑、可靠和高性能的光谱仪。滤光器可以直接制造在检测器阵列上，而不会有损其功能性。

本发明还通过如所述的制造光学透射过滤器的方法来实现，并且包括以下步骤a-g：

a）提供具有接触表面的基底；

b）提供包括纳米结构化表面的模具母模；

c）在所述接触表面上施加一层溶胶-凝胶；

d）通过使用光对该层溶胶-凝胶进行照明来实现所述溶胶-凝胶层的纳米压印层；

e）在所述纳米压印层上沉积高折射率薄膜涂层；

f）在所述高折射率薄膜涂层上沉积低折射率薄膜涂层；

g）通过倾斜涂覆在所述低折射率薄膜涂层上沉积金属涂层。

本发明的方法允许提供不要求昂贵设备的简单且廉价的工艺流程。该方法还提供了一种在大面积（诸如，晶片规模或卷到卷生产线上）上容易且精确的可再现工艺流程。

附图说明

通过参考附图阅读以下描述时，本发明的进一步细节将更清楚地显示：

图1图示了本发明的滤光器阵列的横截面视图；

图2a-2d图示了制造本发明的滤光器阵列的方法；

图3-7图示了滤光器阵列的实施例的横截面，其示出了所涉及的主要参数；

图8a-8g、8i和8j图示了沉积在纳米结构化低折射率介电层上的纳米结构化金属层的实施例；

图9a-9b图示了本发明的包括检测器的滤光器系统的实施例，所述检测器中的每一个像素面对多个金属纳米结构；

图10和11图示了本发明的包括检测器的滤光器系统的实施例，所述检测器具有多个面向纳米结构化金属阵列的子集的检测器元件；

图12和13图示了光谱仪的3D视图，所述光谱仪中的每一个包括至少两种不同类型的纳米结构化金属阵列

图14和15示出了现有技术的滤光器的仿真结果；

图16-23示出了本发明的滤光器的实施例的仿真结果。

具体实施方式

将参照具体实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此。所描述的附图仅仅是示意性的，而不是限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的大小可能被放大，并且其没有按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明的实践的实际缩减。

要注意的是，说明书和权利要求中的术语“包括”不应被解释为受限于其后列出的部件，即，它不排除其他元件。

贯穿说明书对“一实施例”的引用意味着关于该实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在贯穿说明书的不同位置出现的措辞“在一实施例中”或“在一变型中”不一定都指向相同实施例，而是指向若干实施例。此外，如本领域技术人员根据本公开所显而易见的，在一个或多个实施例中，具体特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。类似地，出于使本公开更易于阅读以及提高对各个发明的方面中的一者或多者的理解的目的，本发明的各种特征有时被组合在单个实施例、附图或描述中。此外，尽管下文描述的一些实施例包括一些但不包括在其他实施例中包括的其他特征，但是如果不同实施例的特征组合意味着在本发明的范围内，并且来自不同的实施例。例如，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。还应当理解的是，本发明可以在没有阐述的许多具体细节中的一些的情况下被实践。在其他实例中，为了不模糊对描述和/或附图的理解，没有详细示出所有结构。术语“光”在此包括可见光以及UV和IR辐射，覆盖介于100nm（深UV）与20μm（红外）之间的波长，且典型地介于250nm与1500nm之间的波长，并且更典型地介于350nm与1100nm之间的波长。

本发明包括下面的实施例。

图1示出了光学透射过滤器1的实施例，其配置成透射入射到所述过滤器1上的光束2000的光谱的一部分。过滤器1包括透明基底10，所述透明基底10具有纳米结构化第一基底表面11和与所述第一基底表面11相对的第二基底表面12，所述过滤器1包括限定平面I的纳米结构化金属层40，以及波导20和布置在所述第一基底表面11和所述纳米结构化金属层40之间的低折射率包层30。在工艺流程变化的限制内，过滤器1的所有层20、30、40具有与第一纳米结构化表面11的形状共形的形状。

纳米结构化金属层40的金属可以是任何金属，并且优选Ag、Au、Cr或Al或其合金。措辞“金属”在此必须被理解为包括至少一部分的导电化合物的任何导电材料。例如，纳米结构化层40可以是合金或掺杂聚合物层，其重掺杂以例如多于30%的金属物质，这被定义为包括至少一种类型的金属的物质。如进一步详细描述的，纳米结构化金属层40的厚度t₃、t₄、t₅优选在大约1nm至200nm的范围内。

与参考[1]和参考[2]中描述的过滤器相反，本发明的过滤器1包括被调制的高折射率波导20（如附图中所图示），从而使得共形涂层的制造更加简单。为了最小化波导20中的损耗并获得低带宽透射过滤器1，波导20结构的调制深度应当低，典型地在10nm与100nm之间。

更准确地说，第一基底表面11是包括纳米结构12a-12n的至少一个阵列10a-N的图案化表面，其由相邻的脊11a-11n和沟13a-13n组成，N是阵列的数量而n是在结构化基底表面11的平面中限定的纳米结构的总数，n在逻辑上总是大于N。光学透射过滤器1可以是包括n个脊11a-11n和n个沟13a-13n的单个阵列。单个阵列中脊和沟的数量n典型地大于10，更典型地大于500。高折射率介质波导20布置在所述第一基底表面11上，并且具有由所述第一基底表面11限定的图案化形状，所述介质波导20具有介于1.45与3.3之间的折射率n1。

低折射率介电层30布置在所述介质波导20的上方，并且具有由所述介质波导20限定的图案化形状，所述图案化形状限定相邻的低折射率介电脊31a-31n和沟33a-33n，所述低折射率介电层30具有介于1.15与1.7之间的折射率n2，n2低于n 1。

金属纳米结构42a-42n的阵列40布置在所述低折射率介电层30的至少一部分上，并且至少部分地具有由所述低折射率介质波导30限定的图案化形状。所述阵列40包括至少一个阵列40a-40N，所述阵列40a-40N包括以预定周期性P布置的金属纳米结构42a-42n。N可以是任何数字，并且优选最小值3，优选大于15，可能大于50，甚至大于100。

单个过滤器F由所述基底10的纳米结构化部分的堆叠（具有固定的预定周期P）限定和形成，并且在其上分别沉积波导20、低折射率介电层30，结果是所有层11、20、30具有基本相同的纳米结构化形状。纳米结构化层10、20、30在所述堆叠的层10、20、30的工艺流程变化和材料性质的限制下具有共形形状。堆叠层10、11、20、30形成包括至少一个滤光器F1-N的光学透射过滤器。光学透射过滤器1优选包括最小3个，优选大于15个，可能大于50个滤光器F1-FN。

应当理解，在优选实施例中，波导层20直接沉积在所述结构化基底层10上，低折射率层30直接沉积在所述波导层20上，并且所述金属层40直接沉积在所述低折射率层30上。在变型中，其他层可以布置成介于过滤器堆叠的连续层10、20、30、40的任意两者之间接触。这种其他层可以是例如具有厚度小于10nm并且具有与所述结构化第一表面层11相同的共形形状的适配层。所述其他层可以包括导电部分，诸如金属部分。

在正常使用中，光学透射过滤器1配置成将入射到所述过滤器1上的光束2000的光谱的一部分透射到所述金属层40侧。但是也可以与位于所述入射光束2000m的相对侧的金属层一起使用。本发明的滤光器1也可以用于光学设备中，在所述光学设备中光以相对方向入射到过滤器上，即一个光束2000入射到金属阵列40侧而另一个光束2000’入射到所述基底10侧。

在本发明的有利变型中，过滤器层20、30、40的至少两个堆叠可以布置在彼此的上方，诸如在图8i的横截面中示意性图示的。图8i的变型包括结构化层10、20、30、40的第一堆叠。在结构化金属层40上布置具有优选低于1. 5的折射率的结构化缓冲层B。缓冲层B具有形成第一过滤器层FA的第一堆叠的层10、20、20、40的共形结构。在所述第一过滤器层Fa上布置第二过滤器层FB，所述第二过滤器层FB包括第二波导层20’、第二低介电层20’和金属纳米结构的第二阵列40’。如在图8i中所图示的，金属纳米结构的所述第二阵列40’可以不同于金属纳米结构的所述第一阵列40。

将若干过滤器层Fa、Fb堆于彼此上方提供了进一步的设计灵活性，诸如具有较低的总透射但具有可能小于由单个过滤器堆叠10、20、30、40所能获得的透射带宽的过滤器。如在图8i中所图示的，滤光器1可以包括保护层P，所述保护层P可以是抗反射层。

在本发明的另一个有利变型中，两个过滤器堆叠可以布置到所述基底10的每一侧，并且可以是不同的过滤器层。

图8j图示了本发明的过滤器1的变型，所述过滤器1的变型包括到其侧之一的过滤器FD，所述过滤器FD包括到基底10的一侧的过滤器叠层20”、30”，而没有金属纳米结构。

金属层40在最后的沉积工艺流程步骤中被沉积，即在纳米结构化低折射率介电层30上。至少就其周期性而言，金属层40可以具有与下方层11、20、30相同的共形形状，但是可以具有差异，如进一步详细解释的，诸如其平面I中金属厚度的变化。例如，如在方法部分中进一步解释的，在优选实施例中，金属层40通过倾斜涂覆来沉积，以使得在这样的实施例中，金属层40仅覆盖纳米结构化低折射率介电层30的一部分。

在实施例中，金属纳米结构42a-42n的所述阵列40a-N包括孔50a-50n的阵列，所述孔50a-50n的每一个面向所述低折射率介电层20的沟33a-33n之一。

在实施例中，金属纳米结构42a-42n的所述阵列40具有非均匀的厚度，并且在所述低折射率介电层20的脊31a-n上具有厚度t₃的金属纳米结构42a-42n（图3），大于其在所述脊31a-n侧面上的厚度t₄（图3）和/或大于所述低折射率介电层20的沟33a-n上的厚度t₅（图8c）。在变型中，所述厚度t₅可以大于或小于所述厚度t₄。

在本发明的有利实施例中，滤光器1包括多个如上所述的N个过滤器F₁-F_N。如在实施例中进一步描述的，过滤器F₁-F_N可以是相邻的过滤器，或者可以是其中至少两个被分离结构10”、10'''分离的过滤器。多个N个过滤器F₁-F_N通过配置子阵列10a-10n的多个N个不同堆叠来实现；20a-20n、30a-30n、40a-40n在至少一个维度上具有不同的周期性P₁-P_N，N优选大于10，更优选大于50。在这样的实施例中，构成第m个过滤器Fm的纳米结构化基底的特征在于以给定周期P_m重复调制，m是介于1与N之间的任何数字。纳米结构化第一基底表面11于表面11的平面内在一个维度上或在两个二维上的周期的变化允许在相同平面内提供多个过滤器。对于光谱仪和多光谱成像应用而言，过滤器的数量N通常高于5个，优选10个，更优选高于30个，甚至高于100个。要选取的过滤器的数量N取决于其中要提供频谱的总带宽和每一个单独过滤器F_m的带宽。图1图示了包括彼此相邻的三个不同过滤器F₁、F₂、F₃（N=3）的滤光器1的示例。每个过滤器F_m的金属纳米结构42a-n的数量可以对于滤光器1的不同过滤器F₁-F_N而言是不同的。典型的过滤器F₁-F_N的大小可以是任何大小，并且在至少一个维度上优选小于10毫米，更优选5毫米，甚至更优选2毫米，以便安装在消费电子设备中。典型的过滤器F₁-F_N在一个维度上典型地包括10⁴个金属纳米结构，在2维过滤器1上典型地包括10⁸个金属纳米结构。在包括例如图12中所图示的金属薄片的线性过滤器的情况下，被定义为跨所述薄片的其宽度可以小于100μm，优选小于10μm。被定义为垂直于所述平面I的滤光器1的总厚度通常为1mm，优选小于0.7mm。

在图3-6中所图示的本发明的实施例中，所述金属纳米结构42a-42n覆盖所述低折射率介电层30的脊31a-31n的至少一部分。在图3-6的实施例中，如在方法部分中作为示例进一步描述的，基底层10包括底板10’和纳米结构化层15’（诸如纳米结构化溶胶-凝胶层15’）。应当理解，在变型中，基底层10可以是包括纳米结构化表面的单片层，其可以例如通过直接蚀刻和/或烧蚀技术和/或激光技术来生产，以避免使用附加层（诸如聚合物层15’）。

图3示出了包括纳米结构化金属层40的二元纳米结构化过滤器1的示例性横截面，所述纳米结构化金属层40存在于低折射率纳米结构化层30的脊31a-31n上，并且呈现面向所述低折射率层30的沟33a-33n的通孔50a- 50n。本发明的实施例的层和结构的典型几何参数如下：

-基底层10的脊11a-11n的厚度d： 30nm与150nm之间；

-波导层20的厚度t₁： 20nm与150nm之间，优选30nm与100nm之间；

-低折射率层30的厚度t₂：10nm与300nm之间，优选30nm与200nm之间；

-低折射率层30的脊31a-31n的厚度d’：30nm与150nm之间；

-单个过滤器F_a-N中的脊的周期P_1-N：20nm与200nm之间，对于配置成在可见的范围内操作的变型，典型地在200nm与500nm之间；

-低折射率层30的脊31a-n的宽度W31a-n被表示为f*P，P是周期，并且f典型地在0.1与0.9之间，优选0.2与0.8之间。

如图3中所示，低折射率层30的脊上的金属层40的厚度t₃在脊的上方可以不同于到脊侧面的厚度t₄。例如t₄可以在20nm-100nm之间，而t₃可以在10nm-80nm之间。在变型中，t₃可以大于t₄。

在实施例中，金属纳米结构42a-42n的所述阵列40是纳米大小的薄片45’的线性阵列45。应当理解，这种线性阵列45不必一定包括线性薄片，而是也可以是弯曲薄片的线性阵列。薄片在纵向上延伸达至少2μm，典型地延伸达至少2mm，同时在横向上具有诸如在图3中所示出的横截面。

图7图示了本发明的变型，在其中过滤器F1-FN被分离结构10”、10'''分离。这允许降低光从一个过滤器到另一个过滤器的交叉耦合。所述分离结构10”、10'''也可以配置成用作本发明的光学系统或光谱仪4中进一步描述的隔板。

图8a-g图示了沉积在纳米结构化低折射率层上的纳米结构化金属层40的不同实施例：

图8a图示了二元结构化低折射率层30，其具有以金属纳米结构42a-42n完全覆盖的脊；

图8b图示了二元结构化低折射率层30，其具有仅部分以金属纳米结构42a-42n覆盖的脊；

图8c图示了二元结构化低折射率层30，其具有以金属纳米结构42a-42n不对称覆盖的脊；

图8d图示了其上沉积非均匀纳米结构层40的二元结构化低折射率层30，包括对入射光部分透明的薄的部分50’；在实施例中，薄的部分50’可以存在于所述低介电层30的脊上，并且厚的部分可以存在于所述低介电层30的沟中；

图8e图示了正弦结构化低折射率层30，其具有覆盖以两种不同金属纳米结构42a-c、42’a-c的脊；

图8f图示了覆盖以纳米结构化层40的正弦结构化低折射率层30，所述纳米结构化层40包括低折射率介电层30的脊上的洞50”和低折射率介电层30的沟中的其他洞50'''；

图8g图示了正弦结构化低折射率层30，其具有至少部分地覆盖以金属纳米结构的沟；

图8i图示了滤光器的一部分，其包括过滤器层FA、FB的两个堆起来的堆叠；

图8j示出了滤光器的一部分，其在基底10的每一侧包括形成两个不同过滤器FC、FD的过滤器层堆叠。

在本发明的所有实施例中，纳米结构化金属层40的至少一部分对于相关过滤器Fn的预定透射光谱的至少一部分是至少部分透明的。应当理解，此部分可以是图8a-c、8e-9中所图示的通孔，或者是图8d中所图示的部分透明部分。在通孔的情况下，孔的形状可以是圆锥形或基本圆柱形或任何其他形状。在不存在通孔的情况下，不同的配置是可能的。例如，图8d示出了包括金属层40的过滤器1的实施例的横截面，其具有沉积在低折射率层4的沟上的薄的部分。在根据图8d的实施例的过滤器F的示例中，过滤器F配置成透射具有500nm的中心波长和40nm的带宽的光，所述薄层对于500nm与520nm之间的波长的透射可以是90%，而对于480nm与500nm之间（不包括500nm）的波长的其透射可以是70%。在图8d的实施例中，所述低折射率介电层的脊上的厚金属层部分对可见光不是透明的。在变型中，可以实现相反的情况，即厚金属层部分可以存在于低折射率介电层30的沟中，并且薄的、部分透明的金属层部分可以存在于低折射率介电层30的沟上。在变型中，金属层40必须不具有均匀的厚度，并且可以在单个过滤器Fn的沟和/或脊上具有不同的厚度。

在本发明的实施例中，所述第一基底表面11是二元图案化表面。

在另一个实施例中，所述第一基底表面11是正弦图案化表面。

基底10由透明材料制成，其通常是折射率在1.5至1.7范围内的玻璃或聚合物。基底10的图案化可以例如用UV纳米压印光刻（这要求对额外的溶胶-凝胶层需求）或者使用热压花来执行。溶胶-凝胶材料具有类似于玻璃的折射率，其具有范围为1.5至1.7的折射率。作为对溶胶-凝胶的替代，可以使用可热成型聚合物或UV可交联聚合物或UV可交联单体或包括聚合物基质的混合物或其组合。包层材料是具有类似于基底折射率的折射率的薄膜，诸如SiO₂，以便最小化波导中的损耗。

在本发明的实施例中，波导材料是高折射率材料，诸如ZnS、Ta₂O₅、TiO₂、Al₂O₃、Si₃N₄、晶体Si、无定形Si、微晶Si、SiO_X、SiO₂、Cr₂O₃、AlN，以便提供比所述基底10和所述低折射率层30的折射率更高的折射率。

在本发明的实施例中，包层材料，即低折射率材料是具有类似于基底10折射率的折射率的薄膜30（诸如SiO₂），以便最小化波导20中的损耗。

在本发明的变型中，波导20可以是与低折射率层20相同的材料，但是具有不同的掺杂。

在本发明的有利实施例中，如在图12和图13的示例性实施例中所图示的，滤光器1可以包括基底10，所述基底10包括至少两个不同结构化表面部分，以使得不同滤光器类型阵列可以配置在单个光学透射过滤器1中。图12示出了示例性单片过滤器1，其包括具有不同类型的薄片阵列的两个过滤器部分，每一个过滤器部分包括至少3个过滤器（F1-F3、F1’-F3’）。图13图示了包括二维结构化过滤器部分1A和线性结构化过滤器部分1B的单片过滤器配置方式。这种配置方式可以配置在单片滤光器系统2和/或光谱仪4中，其包括由线性检测器阵列部分和二维检测器阵列部分组成的检测器阵列3。

在执行本发明的变型中，所述基底层10可以具有不同于板的其他形状，并且可以具有任何形状，诸如具有6个表面的立方体形状。在变型中，过滤器层堆叠20、30、40可以布置在所述六个表面中的至少一个表面上。这在例如在其表面之一上包括至少一个过滤器1的分束器中可能是有用的。也可以考虑基底10的其他形状，诸如棱镜形状。基底10也可以是折射透镜或任何光学元件，其包括诸如镜子之类的至少一个透明部分（所述镜子包括以例如玻璃或聚合物制成的透明底板），并且包括至少一个透明孔，所述透明孔在诸如显微镜或望远镜之类的光学仪器中可能是有用的。

本发明还涉及一种滤光器系统2，如图9a-b中所图示的，所述滤光器系统2包括如所述的光学透射过滤器1，并且包括固定到所述基底10的检测器阵列3。图9a图示了滤光器系统2，所述滤光器系统2布置在与检测器阵列3有一定距离处，例如借助于间隔物。图9b图示了包括滤光器1的滤光器系统2，所述滤光器1通过层17固定到检测器阵列3，所述层17可以是聚合物，或者可以是检测器芯片3的钝化层。在图9a和图9b的实施例中，光学透射过滤器1的每一个过滤器F1-FN面向检测器阵列3的单个像素。在图10中所图示的本发明的变型中，每一个过滤器F1-FN面对多个检测器元件3₁-3_x，其具有最小化过滤器之间串扰的影响同时还增加对准公差的优点，从而提供更可靠和精确的设备。在图10的实施例中，检测器像素的数量x典型地（但不必须）低于金属纳米结构的所述数量n。

本发明还涉及光谱仪4，其包括至少一个光学透射过滤器1和/或至少一个所述光学透射过滤器系统2，对于具有波长在300nm与790nm之间的入射光，所述光谱仪4具有低于30nm（优选低于20nm）的光谱分辨率。在示例中，如图11中所图示的，光谱仪4可以包括微透镜的阵列5。

在示例性实现中，光谱仪配置用于可见光和近红外光应用，以便覆盖硅检测器的吸收范围，并且可以包括20至100个之间的线性或二维过滤器F1-N，每一个过滤器具有最大30nm的带宽。

在示例性实现中，光谱仪4配置用于波长在900nm与3μm之间的近红外光应用，并且可以包括20至50个之间的过滤器，每一个过滤器具有最大100nm的带宽。

在示例性实现中，光谱仪配置用于3μm至10μm之间的短波长红外（SWIR）光的红外光应用，并且可以包括20至50个之间的过滤器，每一个过滤器具有最大150nm的带宽。

在有利的变型中，光谱仪4可以包括若干滤光器1和/或滤光器系统3，每一个过滤器1或系统2配置用于不同的波长范围。在示例中，光谱仪4可以包括配置用于可见光透射的第一过滤器系统和配置用于SWIR光透射的第二过滤器系统。

本发明还涉及一种多光谱成像器5，其包括至少一个光学透射过滤器1和/或至少一个所述光学透射过滤器系统2，对于具有波长在400nm与790nm之间的入射光，所述多光谱成像器可以具有低于30nm（优选低于20nm）的光谱分辨率。检测器能够测量N个不同图像，其中N是光谱通道的数量。给定1024×768个像素和至少16个光谱通道的探测器阵列的分辨率，单个通道中的图像的最大分辨率是256×192个像素。放置在过滤器之前的透镜阵列可以用来生成N个图像。

在光谱仪4或多光谱成像器5的实现中，可以结合光学元件的组合，所述光学元件诸如微透镜、微镜和/或光纤。在变型中，所述光谱仪4可以包括可寻址的微机电系统（mems）结构的阵列，诸如静电可寻址微快门的阵列。这对于校准光谱仪和/或对于校正寄生杂散光和/或定义参考强度可能是有用的。

诸如孔之类的微尺度结构的阵列可以相对于光学透射过滤器1对准，以便降低光入射角的范围。

在实施例中，光学透射过滤器1和滤光器系统2可以包括每一个具有不同取向金属纳米结构（诸如在图12和图13中所图示的）的部分。例如，光学透射过滤器1可以包括第一部分，所述第一部分包括可见范围内的N个过滤器，其产生的光谱取向于第一方向，并且包括第二部分，所述第二部分包括红外范围内的M个滤光器，并且其中所产生的光谱取向于与第一方向成一角度（例如90°的角）的第二方向。还应当理解，过滤器阵列Fa-N可以沿过滤器Fa-N的平面中的预定曲线布置。在变型中，过滤器阵列可以根据至少两条交叉的虚拟线对准。

滤光器1可以包括垂直于彼此的线性金属纳米结构的部分，以便独立地透射两种光偏振。

本发明还通过制造光学透射过滤器的方法来实现，如所描述的图2a-2d中所图示的，并且包括以下步骤a-g：

a）提供具有接触表面10’的基底10；

b）提供包括纳米结构化表面的模具母模200，所述纳米结构化表面包括至少一个微结构的阵列200a-c；

c）在所述接触表面上施加溶胶-凝胶层15；

d）通过使用UV光对所述溶胶-凝胶层进行照明来实现所述溶胶-凝胶层15’的纳米压印层15’；

e）如图2b中所图示的，在所述纳米压印层15’上沉积高折射率薄膜涂层20；

f）如图2c中所图示的，在所述高折射率薄膜涂层20上沉积低折射率薄膜涂层30；

g）如图2d中所图示的，通过倾斜施加涂层300，在所述低折射率薄膜涂层30上沉积金属涂层40；

在替代性实施例中，本发明的方法包括以下步骤（a’-f’）：

a’）提供由热塑性材料制成的基底10；

b’）提供包括纳米结构化表面的模具母模200，所述纳米结构化表面包括微结构的至少一个阵列200a-c；

c’）对基底10施加升高的温度和由模具母模200提供的压力，以便将其形状转移到基底10上，这种技术通常被称为热压花；

d’）在压花基底10上沉积高折射率薄膜涂层20；

e’）在所述高折射率薄膜涂层20上沉积低折射率薄膜涂层30。

f’）通过倾斜施加涂层300，在所述高折射率薄膜涂层20上沉积金属涂层40。

在另一个替代性实施例中，执行以下步骤（a”-f”）：

a”）提供具有接触表面10’的基底10；

b”）提供包括纳米结构化表面的模具母模200，所述纳米结构化表面包括微结构的至少一个阵列200a-c；

c”）在所述接触表面上施加溶胶-凝胶层15；

d”）通过使用UV光对所述溶胶-凝胶层进行照明来实现所述溶胶-凝胶层15’的纳米压印层15’；

e”）在所述纳米压印层15’上沉积高折射率薄膜涂层20

f”）在所述高折射率薄膜涂层20上沉积低折射率薄膜涂层30

g”）在所述低折射率薄膜涂层20上沉积金属涂层40；

h”）机械地或通过化学蚀刻移除存在于结构化低折射率薄膜涂层的脊上的金属涂层的至少一部分，从而创建孔。

本发明的滤光器1可以用纳米压印和薄膜涂层制造，其可以在晶圆尺度或卷到卷（roll-to-roll）生产中以低成本实现。这特别意味着对于所有过滤器而言膜厚度都是相同的。

另一个重要的方面是金属顶部层的部分覆盖，其通过倾斜蒸发和从下方波纹成形（corrugation）的自阴影而获得：所涉及的沉积角度的范围可以从基底10的法线起高至85°。如果光栅的填充因子高，则自阴影甚至更有效。在粒子实现中，厚度t₃与t₄之间的关系取决于沉积角度以及所选取的涂覆技术（例如蒸发或溅射）。特别地，对于大的沉积角度而言t₃预期会减小，而t₄预期会增大。

替代地，金属顶部层的部分覆盖可以通过在低折射率薄膜上施加共形金属涂层并机械地或通过化学蚀刻移除金属涂层的至少一部分来获得，所述金属涂层存在于结构化低折射率薄膜涂层的脊上。替代地，金属材料可以通过湿涂覆技术（诸如喷墨印刷或冲模（slot-die）涂覆）而置于结构化低折射率薄膜涂层的沟中。涂覆后的烧结步骤可用于确保金属顶部层内的导电性。

所实现的滤光器的仿真结果

图14示出了参考[1]中公开的设备的仿真。结果示出，可以用这种设备获得的最低带宽是30nm。残余透射也很重要且至少18%超过400nm至750nm的光谱范围。

图15示出了参考[2]中公开的设备的仿真。结果示出，可以用这种设备获得的最低带宽相当高，且超过50nm FWHM。

图16-23示出了用本发明的实施例获得的仿真结果。过滤器Fa-FN的阵列显示出具有限定峰值的不同透射光谱。透射光的功率水平远大于根据传统理论所预期的功率水平或远大于现有技术的任何滤光器。

仿真表明本发明的滤光器的不寻常的性质可能归因于入射光与纳米结构化波导20、低折射率层30和纳米结构化金属层40的组合的谐振效应。最有可能的其他效应（诸如由阵列几何形状引起的干涉）也有助于波长选择性增强透射。

总的来说，过滤器1允许提供在谐振处实现的透射的窗口（半峰全宽（FWHM）低于30nm，优选低于20nm），其具有典型地高于50%，可能高于70%的透射。除谐振外，过滤器1的透射水平很低，通常低于20%，可能低于10%。

现在讨论一些实现方式示例。

在示例性实现中，金属纳米结构具有二元形状，并且具有如图3的实施例中所图示的涂层。基底和包层材料由SiO₂制成。溶胶-凝胶的折射率以SiO₂之一来建模，其是标准溶胶-凝胶材料的典型值。波导30由ZnS制成。金属涂层40由Al制成。光栅调制深度d为30nm，计及在薄膜涂覆之后轮廓保真度的损耗则降低到d’=20nm。溶胶-凝胶的厚度典型地介于3μm与70μm之间，但是在这个示例中它不影响透射，这是因为溶胶-凝胶和基底的折射率相同。其他厚度为：t₁=30nm、t₂=170nm、t₃=20nm、t₄=20nm、F=0.75。如在垂直入射处使用跨光栅线的电场极化来严格耦合波分析来仿真的，分别为280nm、300nm、320nm、340nm、360nm、380nm、400nm、420nm、440nm、460nm、480nm的间距值分别产生图16中所示的11个透射强度分布。在制作过程中，估计金属涂层与表面法线成85°角，以便根据结构以及F的目标值进行自阴影。

图17示出了相同结构的仿真结果，但是波导厚度增加到40nm，并且间隔物厚度增加到160nm。与图16相比，来自不同过滤器的峰值透射的相对贡献已经被改变。特别地，在最低波长处的过滤器的透射已经降低。

在图18中，示出了类似于图17但具有45纳米的波导厚度的结构的仿真结果。观察到不同过滤器贡献之间的更高平衡。

在图19中，示出了类似于图18但具有F=0.7的较低填充因子的结构的仿真结果。峰值透射增加，但峰值之外的透射也增加10%以上，这可能在检测中引入噪声。

在图20中，与具有图16的特性的过滤器相比，包层的折射率已经增加到1.6，场从波导被拉向金属光栅，并且结果损耗增加且过滤器带宽也增加。

在图21中，当包层是SiO₂时，基底的折射率已经增加到1.6。与具有图14的特性的过滤器相比，带宽降低了，这是因为场被从金属层拉离，从而降低了过程中的损耗。然而，产生透射峰值的干涉过程不再是最佳的，并且针对一些过滤器观察到了低峰值透射。

在另一个示例中，深度d’已经增加了150nm，并且铝厚度t₃=40nm、t₄=40nm。类似的结构例如在参考[3]中被公开，以用于创建等离子体过滤器。结果在图22中示出。在制作中，对于这种情况，估计金属涂层与表面法线成45°角。

从图22中可以看出，金属光栅的纵横比导致等离子体对谐振的强烈的贡献，并且作为结果的，将过滤器频带强烈地变宽。这显示了对具有低调制深度的光栅的需求并且显示了利用倾斜蒸发的目前发展水平的等离子体过滤器（诸如参考[3]中的或来自SVGOptronics的US20140071532中的）在与谐振波导光栅结合时不能给出预期的效果。

用于下方结构的另一种方法是使用正弦轮廓，而不是二元轮廓。这在下面的示例中进行了描述。正弦轮廓可以源自激光干涉光刻。过滤器的制造过程与图2a-2d所图示的制造过程相同，即，使用纳米压印光刻和薄膜涂层。由于下方结构的波纹成形，自阴影效应仍然存在。

图23示出了具有正弦轮廓的针对过滤器的透射率的所生成的仿真。基底、溶胶-凝胶和包层材料由SiO₂的折射率来建模。波导由Si₃N₄制成。金属涂层由Al制成。光栅调制深度d为20nm。层厚度为：t₁=60nm、t₂=120nm、t3=20nm、F=0.80。间距值为：280 nm、300 nm、320nm、340 nm、360 nm、380 nm、400 nm、420 nm、440 nm、460 nm、480nm。与图16相比，过滤器带宽已略有增加，并且背景透射增加了高达20%，但设备的可制作性预期会更容易。

参考

[1] T.W. Ebbesen等，“ Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays”，自然 391，667（1998）；

[2] D. B. Mazulquim等，Efficient band-pass color filters enabled byresonant modes and plasmons near the Rayleigh anomaly，光学快报 30843，第22卷，0843（2014）；

[3] J. Wang等，Ultra-thin plasmonic color filters incorporating free-standing resonant membrane waveguides with high transmission efficiency，应用物理通讯 第110卷，031110（2017）；

[4] F. Lütolf等，Fano-resonant aluminum and gold nanostructurescreated with a tunable, up-scalable process，纳米尺度 第7卷，18179 （2015）。

Claims (19)

1.一种光学透射过滤器，配置成透射入射到所述过滤器上的光束的光谱的一部分，所述光学透射过滤器包括基底，所述基底具有第一基底表面和与所述第一基底表面相对的第二基底表面，并且包括纳米结构化金属层和波导，

其中

-所述第一基底表面是图案化表面，所述图案化表面包括由相邻的脊和沟组成的纳米结构的阵列；

-高折射率介质波导布置在所述第一基底表面上，并且具有由所述第一基底表面限定的图案化形状，所述介质波导具有介于1.45与3.3之间的折射率n1；

-低折射率介电层布置在所述介质波导上方，并且具有由所述介质波导限定的图案化形状，所述图案化形状限定相邻的脊和沟，所述介电层具有介于1.15与1.7之间的折射率n2，n2低于n1；

-金属纳米结构的阵列布置在所述低折射率介电层的至少一部分上，并且至少部分地具有由所述介质波导限定的图案化形状。

2.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，金属纳米结构的所述阵列包括通孔的阵列，所述孔的每一个面向所述低折射率介电层的所述沟之一。

3.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，金属纳米结构的所述阵列具有非均匀的厚度，并且在所述低折射率介电层的所述脊上具有厚度t₃的所述金属纳米结构，所述厚度t₃大于其在所述低折射率介电层的所述沟上的厚度t₅。

4.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，金属纳米结构的所述阵列包括多个在至少一个维度上具有不同周期性P₁-P_N的N个子阵列。

5.根据权利要求4所述的光学透射过滤器，其中，N大于10。

6.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，所述金属纳米结构仅覆盖所述低折射率介电层的所述脊的至少一部分。

7.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，所述金属纳米结构仅覆盖至少一部分所述沟。

8.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，所述介质波导的厚度t₂在20nm与150nm之间。

9.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，所述介质波导的厚度t₂在30nm与100nm之间。

10.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，所述低折射率介电层的厚度t₂在80nm与200nm之间。

11.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，所述低折射率介电层的厚度t₂在30nm与200nm之间。

12.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，金属纳米结构的所述阵列的周期在200nm与500nm之间。

13.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，金属纳米结构的所述阵列是纳米大小薄片的线性阵列。

14.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，所述第一基底表面是二元图案化表面。

15.根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中，所述第一基底表面是正弦图案化表面。

16.一种滤光器系统，包括根据权利要求1所述的光学透射过滤器，其中检测器阵列被固定到所述基底。

17.一种光谱仪，包括根据权利要求1的至少一个所述光学透射过滤器和/或根据权利要求16的至少一个所述滤光器系统，对于具有波长在300nm与790nm之间的入射光，所述光谱仪具有低于30nm的光谱分辨率。

18.根据权利要求17所述的光谱仪，其中，所述光谱仪具有低于20nm的光谱分辨率。

19.一种制造根据权利要求1的光学透射过滤器的方法，所述方法包括以下步骤a-g：

a）提供具有接触表面的基底；

b）提供包括纳米结构化表面的模具母模；

c）在所述接触表面上施加一层溶胶-凝胶；

d）通过使用UV光对所述一层溶胶-凝胶进行照明来实现所述溶胶-凝胶层的纳米压印层；

e）在所述纳米压印层上沉积高折射率薄膜涂层；

f）在所述高折射率薄膜涂层上沉积低折射率薄膜涂层；

g）通过倾斜涂覆在所述低折射率薄膜涂层上沉积金属涂层。

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