CN110873911B - 包括亚波长反射器的光学滤波器和光谱仪以及电子装置 - Google Patents

包括亚波长反射器的光学滤波器和光谱仪以及电子装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种光学滤波器，包括：第一反射器和第二反射器，第一反射器包括基于第一规则以第一周期二维布置并间隔开的多个第一亚波长结构，第二反射器被设置为与第一反射器分开，第二反射器包括基于第二规则以第二周期二维布置并间隔开的多个第二亚波长结构。

Description

包括亚波长反射器的光学滤波器和光谱仪以及电子装置
相关申请的相交引用
本申请要求于2018年8月31日向美国专利商标局提交的美国临时专利申请No.61/725,850的优先权，并且要求于2019年1月11日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2019-0003948的优先权，该申请的公开通过全文引用合并于此。
技术领域
本公开的示例实施例涉及一种包括亚波长反射器的光学滤波器和光谱仪以及包括光谱仪的电子装置。
背景技术
用于改变入射光的透射/反射、偏振、相位、强度、路径等的光学器件用于各种光学领域。最近，不断地尝试通过使用具有亚波长形状尺寸的结构来实现微型化并具有各种光学特性的光学器件。
亚波长结构也可以用于光谱仪中。通常通过将两个反射器分开一距离来实现谐振波长的谐振结构。作为用于谐振结构的反射器，可以使用分布式布拉格反射器，其中具有不同折射率的材料层被重复地堆叠至1/4波长的厚度，并且在这种情况下，可以增加堆叠的层数以增大折射率，并且通过调节反射器之间的距离来实现谐振波长，因此难以以超小尺寸实现所需谐振波长。
发明内容
一个或多个实例实施例提供了一种光谱仪，所述光谱仪通过使用亚波长图案而具有相对小的体积和较高的光谱性能。
附加方面部分地将在接下来的描述中阐述，且部分地将通过该描述而变得清楚明白，或者可以通过对示例实施例的实践来获知。
根据示例实施例的一个方面，提供了一种光学滤波器，包括：第一反射器，包括基于第一规则以第一周期二维地布置并间隔开的多个第一亚波长结构；以及第二反射器，被设置成与所述第一反射器分开，所述第二反射器包括基于第二规则以第二周期二维地布置并间隔开的多个第二亚波长结构。
每个第一亚波长结构的折射率和每个第二亚波长结构的折射率可以高于围绕每个第一亚波长结构和每个第二亚波长结构的外围材料的折射率，并且其中，每个第一亚波长结构的吸收系数和每个第二亚波长结构的吸收系数可以低于所述外围材料的吸收系数。
每个第一亚波长结构和每个第二亚波长结构可以包括电介质材料或半导体材料。
每个第一亚波长结构和每个第二亚波长结构可以具有圆柱形状或正多棱柱形状。
所述光学滤波器还可以包括基板，所述基板的折射率低于每个第一亚波长结构的折射率，其中，所述第一反射器可以设置在所述基板上。
所述光学滤波器还可以包括第一材料层，所述第一材料层的折射率低于每个第一亚波长结构的折射率，其中，所述第一材料层可以包封所述第一反射器。
所述光学滤波器还可以包括第二材料层，所述第二材料层的折射率低于每个第二亚波长结构的折射率，其中，所述第二材料层可以设置在所述第一材料层上并且包封所述第二反射器。
所述第一材料层和所述第二材料层可以包括相同的材料。
所述第一规则和所述第二规则可以相同。
每个第一亚波长结构和每个第二亚波长结构可以具有相同的形状。
所述多个第一亚波长结构和所述多个第二亚波长结构可以分别被布置为在所述第一反射器和所述第二反射器分开的方向上面向彼此。
所述多个第一亚波长结构和所述多个第二亚波长结构可以以正三角形栅格形式二维地布置。
所述多个第一亚波长结构和所述多个第二亚波长结构可以以方形栅格形式二维地布置。
所述多个第一亚波长结构和所述多个第二亚波长结构中的一种可以以正三角形栅格形式二维地布置，并且所述多个第一亚波长结构和所述多个第二亚波长结构中的另一种可以以方形栅格形式二维地布置。
所述光学滤波器还可以包括：第三反射器，被设置为与所述第二反射器分开，其中，所述第三反射器可以包括基于第三规则以第三周期二维地布置并间隔开的多个第三亚波长结构。
每个第一亚波长结构、每个第二亚波长结构以及每个第三亚波长结构可以具有相同的形状。
所述多个第一亚波长结构、所述多个第二亚波长结构和所述多个第三亚波长结构可以被布置为在所述第一反射器和所述第二反射器分开的方向上面向彼此。
根据示例实施例的方案，提供了一种光谱仪，包括：第一光学滤波器，包括：第一反射器，包括基于第一规则以第一周期二维地布置并间隔开的多个第一亚波长结构；以及第二反射器，包括基于第二规则以第二周期二维地布置并间隔开的多个第二亚波长结构；第二光学滤波器，包括：第三反射器，包括基于第三规则以第三周期二维地布置并间隔开的多个第三亚波长结构，以及第四反射器，包括基于第四规则以第四周期二维地布置并间隔开的多个第四亚波长结构；以及传感器基板，包括多个光检测器，所述多个光检测器被设置为面向所述第一光学滤波器和所述第二光学滤波器。
所述传感器基板、所述第一光学滤波器和所述第二光学滤波器可以整体形成。
根据示例实施例的方面，提供了一种电子装置，包括：光源，被配置为辐射光；光谱仪，被设置在从被从所述光源发射的光照射的对象发射的光的路径上，并且被配置为检测从所述对象发射的光，所述光谱仪包括：第一光学滤波器，包括：第一反射器，包括基于第一规则以第一周期二维地布置并间隔开的多个第一亚波长结构；以及第二反射器，包括基于第二规则以第二周期二维地布置并间隔开的多个第二亚波长结构；第二光学滤波器，包括：第三反射器，包括基于第三规则以第三周期二维地布置并间隔开的多个第三亚波长结构，以及第四反射器，包括基于第四规则以第四周期二维地布置并间隔开的多个第四亚波长结构；以及传感器基板，包括多个光检测器，所述多个光检测器分别被设置为面向所述第一光学滤波器和所述第二光学滤波器；以及处理器，被配置为基于由所述光谱仪检测的光来确定所述对象的物理特性、形状、位置和运动中的至少一项。
根据示例实施例的一个方面，提供了一种光学滤波器，包括：第一反射器，包括基于第一规则以第一周期二维地布置并间隔开的多个第一亚波长结构；以及第二反射器，被设置成与所述第一反射器分开，所述第二反射器包括基于第二规则以第二周期二维地布置并间隔开的多个第二亚波长结构，其中，所述多个第一亚波长结构和所述多个第二亚波长结构被布置为在所述第一反射器和所述第二反射器分开的方向上面向彼此。
所述第一规则可以不同于所述第二规则。
附图说明
上述和/或其他方面将从结合附图对示例实施例的以下描述中变得清楚明白并且易于理解，其中：
图1是示出了根据示例实施例的光学滤波器的示意结构的透视图；
图2是示出了图1的光学滤波器的截面图；
图3是示出了图1的光学滤波器的平面图；
图4示出了特定波长的光通过根据示例实施例的光学滤波器中包括的两个反射器；
图5是示出了图1的光学滤波器对横向电场(TE)偏振的光的透射特性的图；
图6是示出了图1的光学滤波器对横向磁场(TM)偏振的光的透射特性的图；
图7是示出了根据比较示例的光学滤波器的示意结构的透视图；
图8是示出了根据比较示例的光学滤波器对TE偏振的光的透射特性的图；
图9是示出了根据比较示例的光学滤波器对TM偏振的光的透射特性的图；
图10是示出了关于与形状相关联的参数变化的图1的光学滤波器的透射特性的图；
图11是示出了根据示例实施例的光学滤波器的示意结构的截面图；
图12是示出了根据示例实施例的光学滤波器的示意结构的透视图；
图13是示出了关于与形状相关联的参数变化的图12的光学滤波器的透射特性的图；
图14是示出了根据示例实施例的光学滤波器的示意结构的截面图；
图15是示出了图14的光学滤波器的平面图；
图16是示出了根据示例实施例的光学滤波器的示意结构的截面图；
图17是示出了图16的光学滤波器的平面图；
图18是示出了关于与形状相关联的参数变化的图16的光学滤波器的透射特性的图；
图19是示出了根据示例实施例的光谱仪的示意结构的截面图；以及
图20是示出了根据示例实施例的电子装置的示意性结构的框图。
具体实施方式
现在详细参考示例实施例，附图中示出了实施例的示例，在整个附图中，相同的附图标记指代相同的元件。在这点上，示例实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述示例实施例，以解释各个方面。如本文所用，术语“和/或”包括关联列出的项目中的一个或多个项目的任意和所有组合。诸如“……中的至少一个”之类的表述在元件列表之前时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应该理解为仅包括a、仅包括b、仅包括c、包括a和b两者、包括a和c两者、包括b和c二者、或包括a、b和c的全部。
下文中，将参考附图来描述示例实施例。在整个附图中，为了清楚起见和便于描述，可以放大每个元件的尺寸。同时，示例实施例仅是说明性的，并且可以根据示例实施例进行各种修改。
诸如“在……上方”或“在……上”之类的表述不仅可以包括“以接触方式直接在……上”的含义，还可以包括“以非接触方式在……上”的含义。
诸如“第一”、“第二”等之类的术语可以用于描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语可以用于将元件彼此区分开的目的。
如果假设某个部件包括某个组件，则术语“包括”意味着对应组件还可以包括其他组件，除非写了与对应组件相反的特定含义。
在实施例中使用的诸如“单元”或“模块”之类的术语指示用于处理至少一个功能或操作的单元，并且可以用硬件、软件或者用硬件和软件的组合来实现。
所呈现的各个附图中示出的连接线或连接器意在表示各个元件之间的示例性功能关系和/或物理或逻辑耦接。
图1是示出了根据示例实施例的光学滤波器的示意结构的透视图，图2是示出了图1的光学滤波器的截面图，并且图3是示出了图1的光学滤波器的平面图。图4示出了特定波长的光通过根据示例实施例的光学滤波器中包括的两个反射器。
光学滤波器100可以包括彼此分开布置的第一反射器130和第二反射器150。第一反射器130可以包括具有亚波长形状尺寸的多个第一亚波长结构135，并且第二反射器150可以包括具有亚波长形状尺寸的多个第二亚波长结构155。多个第一亚波长结构135和多个第二亚波长结构155根据一个或多个特定规则以周期二维地布置并间隔开。
参考图2，多个第一亚波长结构135中的每个第一亚波长结构可以在特定方向上以周期p间隔开。该方向可以是如图2所示的X轴方向。第一亚波长结构135可以例如以正六边形栅格形式或正三角形形式被布置成使得三个相邻的第一亚波长结构135位于正三角形的顶点处。第一亚波长结构135可以具有直径为d且厚度为t的圆柱形状。然而，这仅是示例，实施例不限于此。例如，第一亚波长结构135可以具有厚度为t且对角线长度为d的正多棱柱形状。对角线长度d和厚度t之间的关系没有特别的限制。例如，第一亚波长结构135可以具有厚度t小于对角线长度d的圆盘形状或厚度t大于对角线长度d的柱形状。
多个第二亚波长结构155可以具有与多个第一亚波长结构135相同的形状，并且可以根据相同的规则布置。亦即，多个第二亚波长结构155可以在同一方向上以周期p布置和间隔开，以形成正六边形栅格或正三角形栅格。如图3所示，在与第一反射器130和第二反射器150分开的方向(即，Z轴方向)垂直的平面图中，第一亚波长结构135和第二亚波长结构155可以布置成全部彼此重叠。
第一亚波长结构135和第二亚波长结构155可以包括折射率高于外围材料的材料并具有较低吸收系数的材料，并且可以包括电介质材料或半导体材料。例如，可以使用单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化钛(TiO2)、氮化钛(TiN)、氮化硅(SiN)和氧化铟锡(ITO)中的任何一种。然而，实施例不限于此。例如，可以使用诸如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)等的III-V族半导体化合物，并且可以使用其他金属氧化物来形成第一亚波长结构135和第二亚波长结构155。
光学滤波器100还可以包括：基板110，支撑第一反射器130并且包括折射率低于第一亚波长结构135的折射率的材料；以及外围材料层120，覆盖并包封第一反射器130和第二反射器150。外围材料层120可以包括氧化硅(SiO2)、聚合物基材料(例如，SU-8或PMMA)或氢倍半硅氧烷(HSQ)中的至少一种。
参考图4，第一反射器130和第二反射器150可以形成法布里-珀罗谐振器。
法布里-珀罗谐振器由具有相对高的反射率的第一反射器130和第二反射器150之间的空间的腔体形成。在第一反射器130和第二反射器150之间往返的光可以在彼此面向的第一反射器130和第二反射器150之间在Z轴方向上行进的同时引起相长干涉和相消干涉。与谐振波长λc相对应的波长的光可以通过法布里-珀罗谐振器，这是因为光满足相长干涉的条件。另一波长λan的光不可以通过法布里-珀罗谐振器。法布里-珀罗谐振器可以被认为具有较好的性能，这是因为其透射光谱对于相应的谐振波长λc显示出较窄的带宽。法布里-珀罗谐振器的性能可以定义为质量(Q)因子或半高全宽(FWHM)。
根据示例实施例的光学滤波器100是法布里-珀罗的反射器，并且具有亚波长的形状尺寸，并且采用具有相对高折射率的第一亚波长结构135和第二亚波长结构155。因此，光学滤波器100可以具有相对高的反射率且使得体积最小化。为了避免在特定波长的光的透射中的偏振依赖性，可以采用不具有形状各向异性或形状各向异性最小化的形状。
由光学材料以及第一反射器130和第二反射器150的几何结构来确定通过光学滤波器100的谐振波长λc。例如，谐振波长λc和透射光谱的波形以下来确定：第一亚波长结构135和第二亚波长结构155的折射率n、外围材料的折射率no、基板110的折射率ns、分别与第一反射器130和第二反射器150的几何结构相关的参数d、t和p、以及第一反射器130和第二反射器150之间的在Z轴方向上的分隔距离s。
根据示例实施例的光学滤波器100通过使用第一反射器130和第二反射器150的光学材料和几何形状，示出在实现诸如期望波段和带宽之类的能力方面具有高自由度并且没有偏振依赖性的滤波特性。因此，根据示例实施例的光学滤波器100适于用作窄带通滤波器或用于在宽波段中示出较高的光谱性能的光谱仪中。
第一亚波长结构135和第二亚波长结构155的形状可以被配置为使得光学滤波器100在对入射光的过滤中不具有偏振依赖性。亦即，第一亚波长结构135和第二亚波长结构155可以是不具有形状各向异性的圆柱形状或圆盘形状。第一亚波长结构135和第二亚波长结构155也可以具有正多棱柱形状或正多边形圆盘形状。因此，光学滤波器100可以具有较高的滤波性能，并且在方向Kz上入射到光学滤波器100的光是TE偏振的示例与入射光是TM偏振的示例之间的差异很小。
图5是示出了图1的光学滤波器100对TE偏振的光的透射特性的图，并且图6是示出了图1的光学滤波器对TM偏振的光的透射特性的图。
从图5和图6的曲线中可以看出，在波段和波形方面，针对TE偏振光和TM偏振光的透射特性之间几乎没有差异。通过两个正交偏振的组合来指示任意偏振的光，因此即使在任意偏振分量的光入射到根据示例实施例的光学滤波器100的情况下，也出现类似于图5和图6中所示的透射光谱的透射光谱。
图7是示出了根据比较示例的光学滤波器的示意结构的透视图，并且图8是示出了根据比较示例的光学滤波器对TE偏振的光的透射特性的图，并且图9是示出了根据比较示例的光学滤波器对TM偏振的光的透射特性的图。
根据比较示例的光学滤波器10可以包括基板11，第一反射器13和第二反射器15，其中第一反射器13和第二反射器15可以包括具有在X轴方向上的纵向方向的光栅。在该结构中，对于在方向Kz上入射的光，光学滤波器10针对TE偏振光(即，偏振平行于图7中的Y轴方向)示出所设计的谐振波长特性，并且针对其他偏振光未示出设计的谐振波长特性。
如图8所示，光学滤波器10可以在中心波长显示出相对高的透射率并且针对TE偏振光显示出具有良好Q值的光谱。针对TM偏振光，光谱可以显示出如图9所示的不同形式，并且针对设计波长的光可能无法执行光谱功能。因为用TE偏振和TM偏振的组合来表示任意偏振的光，即，非偏振光具有TE偏振和TM偏振均匀分布的形式，当光学滤波器10对入射光执行光谱功能时光学滤波器10经受50％的光损耗。
相反，根据示例实施例的光学滤波器100不会遭受依赖于偏振的光损耗。
图10是示出了关于与形状相关联的参数变化的图1的光学滤波器的透射特性的图。
曲线1至曲线12均表示图2中所指示的周期p、厚度t和分隔距离s分别为450nm、300nm和350nm并且直径d改变了恒定距离的结构的透射光谱。下表示出了每个曲线的光谱特性。
[表1]
曲线# 中心波长(nm) 最大T FWHM Q
1 831.7 0.88 1.57 530.14
2 837.3 0.88 1.56 535.12
3 842.8 0.88 1.56 539.19
4 848.2 0.89 1.59 534.87
5 853.4 0.89 1.61 531.58
6 858.5 0.89 1.59 541.17
7 863.6 0.90 1.58 547.09
8 868.5 0.90 1.59 545.83
9 873.3 0.91 1.62 537.76
10 878.1 0.92 1.66 528.58
11 882.7 0.93 1.68 525.74
12 887.4 0.93 1.71 520.22
最大T表示以归一化透射率表示的最大透射率，FWHM表示半高全宽，Q表示质量(Q)因子。
随着直径d增加，光谱倾向于在其中心波段中逐渐增加，并且具有被表示为最大透射率、半高全宽和Q值的类似能力。因此，可以看出，可以以较高性能实现期望波段的传输特性。
发明人还从计算机仿真中发现，透射光谱对光的入射角具有低依赖性。
图11是示出了根据另一实施例的光学滤波器的示意结构的截面图。
作为图1的光学滤波器100的修改示例的光学滤波器100’除了覆盖第一亚波长结构135和第二亚波长结构155的外围材料的结构之外，与图1的光学滤波器100基本相同。
光学滤波器100’可以包括：包括多个第一亚波长结构135的第一反射器130；和包括多个第二亚波长结构155的第二反射器150。光学滤波器100’还可以包括包封第一反射器130的第一材料层121和包封第二反射器150的第二材料层122。
第一材料层121和第二材料层122可以包括折射率相同或折射率小于第一亚波长结构135和第二亚波长结构155的折射率的材料。
在第一材料层121和第二材料层122包括相同材料的情况下，区分第一材料层121和第二材料层122在制造过程中可能是有意义的，并且光学滤波器100’的光学性能可以与图1的光学滤波器100的性能相同。
图12是示出了根据实施例的光学滤波器的示意结构的透视图。
除了第一亚波长结构135和第二亚波长结构155的布置之外，根据示例实施例的光学滤波器101与图1的光学滤波器100基本相同。
光学滤波器101可以包括：包括多个第一亚波长结构135的第一反射器131；和包括多个第二亚波长结构155的第二反射器151。第一亚波长结构135和第二亚波长结构155可以分别在一方向上以特定周期并以方形栅格形式布置并间隔开。亦即，多个第一亚波长结构135和多个第二亚波长结构155可以分别沿着两个方向(X轴方向和Y轴方向)以相同周期布置并间隔开。
图13是示出了关于与形状相关联的参数变化的图12的光学滤波器的透射特性的图。
与图10中所示的曲线类似，曲线1至曲线12均表示图2中所指示的p、t和s分别为450nm、300nm和350nm并且直径d改变了恒定距离的结构的透射光谱。
与图10中所示的曲线相比，在图13中所示的曲线中，与直径d的变化有关的中心波长相似，但FWHM较大。
从图13的曲线中可以看出，可以通过改变第一亚波长结构135和第二亚波长结构155的布置来获得期望带宽的透射光谱。
图14是示出了根据另一实施例的光学滤波器的示意结构的截面图，并且图15是示出了图14的光学滤波器的平面图。
光学滤波器102可以包括第一反射器132和第二反射器152，其中第一反射器132可以包括多个第一亚波长结构136，第二反射器152可以包括多个第二亚波长结构156。
根据示例实施例的光学滤波器102与图1的光学滤波器100的不同之处在于，多个第一亚波长结构136的布置规则和/或形状与多个第二亚波长结构156的布置规则和/或形状不同。
第一亚波长结构136可以在一方向上以周期p1布置并间隔开，并且具有直径为d1且厚度为t1的圆柱形状。
第二亚波长结构156可以在一方向上以周期p2布置并间隔开，并且具有直径为d2且厚度为t2的圆柱形状。
如图15所示，在与第一反射器132和第二反射器152分开的方向垂直的平面图中，第一亚波长结构136和第二亚波长结构156可以布置成彼此重叠。第一亚波长结构136和第二亚波长结构156可以分别以正六边形栅格形式或正三角形形式布置。
这样，与图1的光学滤波器100相比，光学滤波器102在用于设计透射光谱的参数方面可以具有高自由度。可以使用参数p1、p2、d1、d2、t1、t2和s以及每种材料的折射率来实现期望的透射光谱。尽管示出了将正六边形栅格形式或正三角形形式的布置应用于第一反射器132和第二反射器152，但是实施例不限于此。例如，可以以方形形式或其他形式布置第一反射器132和第二反射器152。
图16是示出了根据另一实施例的光学滤波器的示意结构的截面图，并且图17是示出了图16的光学滤波器的平面图。
光学滤波器104可以包括第一反射器134、第二反射器154和第三反射器174。第一反射器134可以包括多个第一亚波长结构137，第二反射器154可以包括多个第二亚波长结构157，并且第三反射器174可以包括多个第三亚波长结构177。
根据示例实施例的光学滤波器104与图14的光学滤波器100的不同之处可以在于光学滤波器104包括三个反射器。
第一亚波长结构137可以在一方向上以周期p1布置并间隔开，并且具有直径为d1且厚度为t1的圆柱形状。第二亚波长结构157可以在一方向上以周期p2布置并间隔开，并且具有直径为d2且厚度为t2的圆柱形状。第三亚波长结构177可以在一方向上以周期p3布置并间隔开，并且具有直径为d3且厚度为t3的圆柱形状。第一反射器134和第二反射器154之间的分隔距离可以是s1，第二反射器154和第三反射器174之间的分隔距离可以是s2。
虽然在附图中示出了第一亚波长结构137、第二亚波长结构157和第三亚波长结构177具有相同的尺寸和形状，但是它们也可以具有不同的尺寸而不限于此。还以正六边形栅格形式或正三角形栅格形式示出了布置，但是也可以以方形形式示出布置，并且第一亚波长结构137、第二亚波长结构157和第三亚波长结构177可以具有两种或更多种不同的布置形式。
图18是示出了关于与形状相关联的参数变化的图16的光学滤波器的透射特性的图。
曲线1至曲线14均表示其中第一亚波长结构137、第二亚波长结构157和第三亚波长结构177具有相同尺寸的圆柱形状、并且周期p、厚度t和分隔距离s分别为450nm、300nm和350nm并且直径d了改变恒定距离的结构的透射光谱。
下表示出了每个曲线的光谱特性。
[表2]
最大T表示以归一化透射率表示的最大透射率，FWHM表示半高全宽，Q表示Q因子。
随着直径d增加，光谱倾向于在其中心波段中逐渐增加，并且具有被表示为半高全宽和Q值的类似能力。
与图10和表1中所示的曲线相比，在图18和表2中所示的曲线中，关于直径d的变化的中心波长相似，最大透射率较小，但Q值较大。
因此，可以看出，通过使用三个或更多个反射器，例如第一反射器134、第二反射器154和第三反射器174，可以实现更锐利的光谱功能。此外，通过组合各个亚波长结构(例如，第一亚波长结构137、第二亚波长结构157和第三亚波长结构177)的形状尺寸和周期，可以获得各种透射光谱。
图19是示出了根据实施例的光谱仪的示意结构的截面图。
光谱仪1000可以包括：多个光检测元件410；以及第一光学滤波器200和第二光学滤波器300，第一光学滤波器200和第二光学滤波器300被布置成面向多个光检测元件410。第一光学滤波器200和第二光学滤波器300可以具有分别通过不同波长的光Lλ1和Lλ2的滤波特性。
多个光检测元件410可以设置在传感器基板400内部，并且第一光学滤波器200和第二光学滤波器300可以分别布置在面向多个光检测元件410的传感器基板400上。间隔层420可以布置在传感器基板400与第一光学滤波器200和第二光学滤波器300之间。间隔层420可以支撑第一光学滤波器200和第二光学滤波器300，并且可以由前述示例实施例中的基板110的材料形成。例如，间隔层420可以包括折射率低于第一光学滤波器200和第二光学滤波器300的折射率的材料。
作为多个光检测元件410，例如可以使用光电二极管、光电晶体管、电荷耦合器件(CCD)等。
第一光学滤波器200可以包括以特定距离彼此分开布置的第一反射器230和第二反射器250。第一反射器230可以包括根据第一规则周期性地且二维地布置的多个第一亚波长结构235，并且第二反射器250可以包括根据第二规则周期性地且二维地布置的多个第二亚波长结构255。
可以将第一规则、第二规则、第一反射器230和第二反射器250之间的距离以及第一亚波长结构233和第二亚波长结构255的形状和尺寸确定为透射具有入射光Li的波长的光Lλ1。
第二光学滤波器300可以包括以特定距离彼此分开布置的第三反射器330和第四反射器350。第三反射器330可以包括根据第三规则周期性地且二维地布置的多个第三亚波长结构335，并且第四反射器350可以包括根据第四规则周期性地且二维地布置的多个第四亚波长结构355。
可以将第三规则、第四规则、第三反射器330和第四反射器350之间的距离以及第三亚波长结构335和第四亚波长结构355的形状和尺寸确定为透射具有入射光Li的波长的光Lλ2。
尽管在图19中示出了通过不同波段的光的第一光学滤波器200和第二光学滤波器300，但是基于光谱仪1000的具体目的，考虑到光中包括的作为光谱功能的目标的波段，光谱仪1000还可以包括通过不同波段的光的附加光学滤波器。光谱仪1000还可以包括另一光学滤波器，用于阻挡不是光谱功能的目标的波段的光。
传感器基板400以及第一光学滤波器200和第二光学滤波器300可以整体形成。在传感器基板400内部形成多个光检测元件410并且在传感器基板400上形成间隔层420之后，可以在间隔层420上形成多个第一亚波长结构235和多个第三亚波长结构335，然后可以形成多个第二亚波长结构255和多个第四亚波长结构355。其中在间隔层420上形成第一光学滤波器200和第二光学滤波器300的结构可以粘附到传感器基板400。
为了处理的容易性，第一反射器230中包括的多个第一亚波长结构235和第三反射器330中包括的多个第三亚波长结构335可以形成为具有相同的厚度；第二反射器250中包括的多个第二亚波长结构255和第四反射器350中包括的多个第四亚波长结构355可以形成为具有相同的厚度；并且第一反射器230和第二反射器250之间的空间可以与第三反射器330和第四反射器350之间的空间相同。
在该结构中，与第一光学滤波器200和第二光学滤波器300的透射特性相关的主要参数可以是圆柱形状的直径和各个反射器(即，第一反射器230、第二反射器250、第三反射器330和第四反射器350)中的布置周期，并且可以考虑要实现的透射波长λ1和λ2以及FWHM来设置这些值的适当组合。
上述光谱仪1000可以用于各种光学装置、传感器等中。例如，光谱仪1000可以用于气体传感器、化学传感器、皮肤传感器、食物传感器等中。传感器可以通过使用光谱仪感测空气中存在的若干种分子的类型并检测分子的密度，并且可以使用透射率由于分子的类型和密度而随波长变化的特征。
光谱仪1000可以用作对象的检查装置。例如，光谱仪1000可以用作分析对象的位置和形状或分析对象的元素或物理性质、食物的新鲜度等的装置。
图20是示出了根据示例实施例的电子装置2000的示意结构的框图。
电子装置2000可以包括：光源2200，将光照射到对象OBJ；光谱仪2500，布置在由于从光源2200照射在OBJ上的光而来自对象OBJ的光的路径上；以及处理器2700，通过根据例如拉曼光谱分析由光谱仪2500检测到的光来分析对象的物理性质、形状、位置或运动中的至少一项。
光谱仪2500可以包括光学滤波器阵列2510和光检测元件阵列2530。光学滤波器阵列2510可以包括多个光学滤波器，这些光学滤波器示出没有偏振依赖性的滤波特性。因此，对于非偏振光，可以获得较高的光谱性能，其中在期望波段中透射率高并且FWHM小。
可以如下使用拉曼光谱来描述电子装置2000的操作。
拉曼光谱使用当单波长的光通过与对象OBJ的材料的分子振动的相互作用而被散射时能态的移位形状。
从光源2200照射的光Li可以用作对象OBJ的激发光。光源2200可以提供适于检测波长移位的单波长的光。例如，可以提供脉冲形式的单波长的激光。亦即，光被对象OBJ中的分子结构散射。从对象OBJ发射的光Lr是从光源2200辐射的光Li被对象OBJ中的分子结构进行波长转换的散射光，并且散射光可以包括根据对象OBJ中的分子状态而具有不同波长转换程度的各种光谱。这被称为拉曼信号。
一旦拉曼信号入射到光谱仪2500，光学滤波器阵列2510的每个光学滤波器透射对应波长的光，并且透射光入射到光检测元件阵列2530的光检测元件并且检测透射光的幅度。
检测到的拉曼信号由处理器2700来进行分析。拉曼信号可以包括相对于入射光的波长的波长移位，其中波长移位是能量移位并且可以包括与材料的分子振动相关联的信息，例如关于分子结构、键合形式等的信息、以及关于功能团的信息。取决于对象OBJ的分子元素，拉曼峰可以不同地出现在拉曼光谱上，例如可以分析葡萄糖、尿素、神经酰胺、角蛋白、胶原蛋白等是否包含在对象OBJ的跨细胞液或血液中。这样，处理器2700可以根据来自对象OBJ的光(即，拉曼信号)分析对象OBJ中的材料的分布。
电子装置2000可以用作三维(3D)光学传感器，即用于感测对象OBJ的形状、运动等的装置，如下面将详细描述的。
光源2200可以将包括多个波段的光Li照射到对象OBJ。可以照射光Li以扫描对象OBJ，并且为此，还可以在光源2200和对象OBJ之间布置诸如光束转向器件之类的光学元件。
从对象OBJ反射的光Lr可以由光谱仪2500接收。光谱仪2500可以包括光学滤波器阵列2510，其透射对应波长的光以检测从光源2200照射的多个波段的光。
处理器2700可以根据光谱仪2500检测到的多个波长的光的信号来分析关于对象OBJ的信息。例如，处理器2700可以通过执行根据检测到的光信号来测量飞行时间(ToF)的操作来识别对象OBJ的3D形状。还可以使用直接时间测量或利用相关的操作来识别对象OBJ的形状。
在光源2200照射多束不同波长的光并且光谱仪2500检测来自对象OBJ的反射光Lr的情况下，可以提高扫描对象OBJ的速度并且可以以更高的速度获得关于对象OBJ的位置、形状等的信息。
虽然已经作为示例描述了电子装置2000根据检测由对象OBJ引起的波长移位的拉曼分析来分析对象OBJ的物理特性或者通过对从对象0BJ反射的光的分析来分析对象OBJ的位置或形状，但是实施例不限于此。
处理器2700可以控制电子装置2000的整体操作，并且可以对光源2200执行电源控制、脉冲波(PW)或连续波(CW)生成控制等。
电子装置2000可以包括存储器，其中存储有操作所需的程序和其他数据。
可以向另一单元发送处理器2700中的操作结果，即关于对象OBJ的形状、位置和物理特性的信息。例如，可以向需要关于对象OBJ的3D形状、操作和位置的信息的自动驾驶设备或者使用对象OBJ的物理特性信息(例如，生物信息)的医疗装置发送该信息。向其发送操作结果的另一单元可以是显示设备或打印机。另外，该另一单元也可以是但不限于智能电话、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、笔记本计算机、个人计算机(PC)以及其他移动或非移动计算设备。
上述光学滤波器不具有偏振依赖性，因此可以具有因入射光的偏振引起的光损耗小的滤波特性。
由于实现透射波段和FWHM的高自由度，光学滤波器还可以在各种中心波长中具有较高透射特性。
光学滤波器可以用在光谱仪中，可以具有较高的光谱性能和小型化结构，并且可以有利于应用于各种光学装置。
虽然已经结合示例实施例示出和描述了光学滤波器、光谱仪和光学装置，但是对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的示例实施例的精神和范围的情况下，可以进行修改和变化。对示例实施例的特征或方面的描述应当典型地被看作是可用于其他示例实施例中的其他类似特征或方面。
尽管已参考附图描述了示例实施例，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。

Claims (19)

1.一种光学滤波器，包括：
第一反射器，包括基于第一规则以第一周期二维地布置并间隔开的多个第一亚波长结构；
第二反射器，被设置成在竖直方向上与所述第一反射器分开，所述第二反射器包括基于第二规则以第二周期二维地布置并间隔开的多个第二亚波长结构，所述多个第二亚波长结构在所述竖直方向上与所述多个第一亚波长结构相对应；以及
第三反射器，被设置为在所述竖直方向上与所述第二反射器分开，其中，所述第三反射器包括基于第三规则以第三周期二维地布置并间隔开的多个第三亚波长结构，
其中，当从平面图观察时，所述第一亚波长结构、所述第二亚波长结构和所述第三亚波长结构的形状不具有形状各向异性，并且
其中，所述第一反射器、所述第二反射器和所述第三反射器中的至少两个关于以下中的至少一项彼此不同：所述第一亚波长结构、所述第二亚波长结构和所述第三亚波长结构的形状，尺寸和布置。
2.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，每个第一亚波长结构的折射率和每个第二亚波长结构的折射率高于围绕每个第一亚波长结构和每个第二亚波长结构的外围材料的折射率，并且
其中，每个第一亚波长结构的吸收系数和每个第二亚波长结构的吸收系数低于所述外围材料的吸收系数。
3.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，每个第一亚波长结构和每个第二亚波长结构包括电介质材料或半导体材料。
4.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，每个第一亚波长结构和每个第二亚波长结构具有圆柱形状或正多棱柱形状。
5.根据权利要求2所述的光学滤波器，还包括基板，所述基板的折射率低于每个第一亚波长结构的折射率，
其中，所述第一反射器设置在所述基板上。
6.根据权利要求5所述的光学滤波器，还包括第一材料层，所述第一材料层的折射率低于每个第二亚波长结构的折射率，
其中，所述第一材料层包封所述第一反射器。
7.根据权利要求6所述的光学滤波器，还包括第二材料层，所述第二材料层的折射率低于每个第一亚波长结构的折射率，
其中，所述第二材料层设置在所述第一材料层上并且包封所述第二反射器。
8.根据权利要求7所述的光学滤波器，其中，所述第一材料层和所述第二材料层包括相同的材料。
9.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述第一规则和所述第二规则相同。
10.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，每个第一亚波长结构和每个第二亚波长结构具有相同的形状。
11.根据权利要求10所述的光学滤波器，其中，所述多个第一亚波长结构和所述多个第二亚波长结构被布置为在所述竖直方向上面向彼此。
12.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述多个第一亚波长结构和所述多个第二亚波长结构分别以正三角形栅格形式二维地布置。
13.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述多个第一亚波长结构和所述多个第二亚波长结构分别以方形栅格形式二维地布置。
14.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述多个第一亚波长结构和所述多个第二亚波长结构中的一种以正三角形栅格形式二维地布置，并且所述多个第一亚波长结构和所述多个第二亚波长结构中的另一种以方形栅格形式二维地布置。
15.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，每个第一亚波长结构、每个第二亚波长结构以及每个第三亚波长结构具有相同的形状。
16.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中，所述多个第一亚波长结构、所述多个第二亚波长结构和所述多个第三亚波长结构被布置为在所述竖直方向上面向彼此。
17.一种光谱仪，包括：
第一光学滤波器，包括根据权利要求1所述的光学滤波器，其中所述光学滤波器被配置为具有第一波长的光的滤波特性；
第二光学滤波器，包括根据权利要求1所述的光学滤波器，其中所述光学滤波器被配置为具有与所述第一波长不同的第二波长的光的滤波特性；以及
传感器基板，包括多个光检测器，所述多个光检测器分别布置成面向所述第一光学滤波器和所述第二光学滤波器。
18.根据权利要求17所述的光谱仪，其中，所述传感器基板、所述第一光学滤波器和所述第二光学滤波器整体形成。
19.一种电子装置，包括：
光源，被配置为发射光；
根据权利要求17所述的光谱仪，所述光谱仪被设置在从被从所述光源发射的光照射的对象发射的光的路径上，并且被配置为检测从所述对象发射的光；以及
处理器，被配置为基于由所述光谱仪检测的光来确定所述对象的物理特性、形状、位置和运动中的至少一项。
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