CN111465897A - 光刻胶作为多光谱滤光器阵列上的不透明孔掩模 - Google Patents

Abstract

设备(例如，多光谱滤光器阵列、光学晶片、光学部件)具有直接印刷在其上的孔掩模，该孔掩模包含正性或负性光刻胶。该设备包括基底，该基底具有印刷在基底的光入射面或光出射面中的至少一个上的孔掩模，以在基底的一部分上方提供孔。形成孔掩模的光刻胶是可光定义的或不可光定义的，并且被沉积/印刷，以在基底上形成孔掩模。

Description

光刻胶作为多光谱滤光器阵列上的不透明孔掩模

本申请要求于2017年9月13日提交的题目为“PHOTO RESIST AS OPAQUE APERTUREMASK ON MULTISPECTRAL FILTER ARRAY”的美国临时申请No.62/557,909的权益。该于2017年9月13日提交的题目为“PHOTO RESIST AS OPAQUE APERTURE MASK ON MULTISPECTRALFILTER ARRAY”的美国临时申请No.62/557,909在此通过引用将其全部内容并入本申请的说明书中。

背景技术

本公开涉及光学技术、滤光器技术、光谱学技术及其相关技术。

具有高光谱选择性的滤光器可以使用堆叠层制造，该堆叠层具有折射率值不同的两种(或更多种)组成材料的交替层。这样的滤光器有时被称为干扰滤光器，而且可以被设计为提供经过设计的通带、阻带、高通或低通输出。对于带通滤光器，通常来说，可以通过在堆叠层中使用更多的层周期，来使通带的宽度做得如所期望的那样窄，尽管在峰值传输波长处可能会有一些传输损耗。可以通过构造堆叠层以形成阻挡阻带的布拉格反射器，来类似地设计陷波滤光器。该堆叠层被沉积在基底上，基底对于待传输的波长或波长范围是光学透射性的，例如对于在可见光谱中工作的滤光器而言，基底可以是玻璃板。这使得滤光板的结构刚性由基底提供。

在这种滤光器中，给定的滤光板在单一的明确限定的通带或阻带处工作。通常要求堆叠层具有精确的厚度，以满足通带或阻带的指定波长和带宽。

然而，为了在滤光板的不同区域中提供不同的通带或阻带，在层沉积过程中或通过沉积后加工来以可控制方式改变整个基底板的层厚度是困难的，甚至是不可能的。而这样的设置对于光谱仪、光谱分析仪或其他“多光谱(multi spectral)”应用是有用的。

通过制造一组具有不同滤光特性(例如，不同的通带或阻带波长和/或带宽)的滤光板，提供了滤光器阵列来解决这个问题。然后切割滤光板以形成条状滤光元件。随后以期望的图案将这些条状滤光元件结合在一起以形成滤光器阵列。所得的滤光器阵列有时被称为“地板花(butcher block)”，这主要是因为其在粘合结构元件(此处为滤光元件，在实际地板花的情况下为木质元件)时的相似性。这种方法将滤光器阵列的每个滤光元件的光学特性与其他滤光元件的光学特性分离开，从而基本上实现了在单个滤光器阵列中存在滤光元件的任意组合。

在光学技术中，如果要被观看的图像太亮，则杂散光(stray light)会导致亮区域的光渗出到相邻的暗区域中，并模糊或消除亮区域和暗区域之间的边界。当两个亮区域被狭窄的暗区隔开时，这尤其成问题，因为照射可以有效地使分隔的暗区消失。这可导致存在过多的眩光而无法看到某些重要的细节。

为了缓解上述问题，通常使用孔掩模(aperture mask)。通常为深色的掩模被置于滤光器阵列的上方，其中该掩模中包含孔。如果正确地构造和定位，则孔掩模可极大地降低亮度和减少眩光，减少照射，并消除衍射效应，从而提高对比度，并避免不期望的从亮区域到暗区域的渗色。通常，孔掩模通过将大范围的分辨率降低到具有与孔掩模中的孔相同尺寸的无阻碍折射器的分辨率来工作。但是，通常期望具有分辨率降低的清晰、稳定的图像，而不是缺少某些细节的明亮图像。孔掩模的使用可在较大范围内提供所期望的清晰、稳定的图像。

通常，以与光学涂层本身相似的方式沉积孔掩模。将第一层沉积在光学涂层上。然后将化合物按照与所需孔相对应的设计施加于第一层。这在第一层上形成了一个掩模，以掩盖将要保留的那些部分。然后施加蚀刻化合物，以去除第一层的未掩盖部分。继而通过施用合适的化学物质去除该化合物，剩下由第一层形成的孔掩模。该过程需要使用光学深色镜面涂覆(Dark Mirror Coating，DMC)的涂层(在该涂层上印刷孔掩模)，并且还需要某些条件，例如温度和应力，以及长时间化学品剥离工艺。

因此，期望提供一种孔掩模，其消除了对光学DMC涂层的需要并且消除了涂层所需的某些条件，例如温度和应力，以及长时间的化学品剥离工艺。本文公开了一些改进的孔掩模。

发明内容

本公开涉及其上沉积/印刷有孔掩模的设备(例如，多光谱滤光器阵列(multi-spectral optical filter array)、光学晶片(optical wafer)、光学部件)和方法。

在多个实施方案中公开了这样的设备：该设备包括基底，所述基底具有印刷在所述基底的光入射面或光出射面中的至少一个上的孔掩模，以在所述基底的一部分上方提供孔。所述孔掩模包含光刻胶，或者换句话说，所述孔掩模由光刻胶形成。

光刻胶可以是不透明的。在特定实施方案中，基底在孔掩模与该印刷有孔掩模的光入射面或光出射面中的至少一个之间不包含光学涂层。孔掩模可被印刷在基底的光入射面和光出射面二者之上。

涂覆有薄膜的基底可以是多光谱滤光器阵列、光学晶片或其他光学部件。

光刻胶可以是正性的或负性的，并且可以是可光定义的(photo-definable)或不可光定义的(non-photo-definable)。

还公开了方法，该方法包括：提供涂覆有薄膜的基底；在所述涂覆有薄膜的基底的顶部或底部中的至少一个上的光学涂层上印刷孔掩模，以在所述基底的一部分上方提供孔，和沉积光刻胶，所述光刻胶被印刷以在所述基底上形成所述孔掩模。

该方法可进一步包括固化(例如，通过紫外灯)基底上沉积的光刻胶，从而在其上形成孔掩模。

本文还公开了多光谱滤光器阵列，其具有滤光元件基底，所述滤光元件基底具有印刷在其上的不透明孔掩模，所述孔掩模由光刻胶形成。

本公开的这些特征和另一些非限制性特征将在下文更具体地公开。

附图说明

下面是附图的简要说明，其被提供以用于解释说明本文公开的示例性实施方案的目的，而非用于对其进行限制。

图1示意性地示出了具有孔掩模的第一示例性滤光器阵列的侧视图，该孔掩模包含光刻胶或由光刻胶形成，光刻胶可被印刷在该滤光器阵列上。

图2示意性地示出了图1的滤光器阵列的透视图。

图3示意性地示出了制造所述滤光器阵列的方法。

具体实施方式

通过参考附图，可以获得对本文公开的部件、过程和装置的更完整的理解。这些附图仅仅是基于方便和容易地展示本公开的示意性表示，并且因此不旨在指示装置或其部件的相对大小和尺寸和/或限定或限制示例性实施方案的范围。

尽管为了清楚起见，在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语仅旨在指代为了在附图中进行说明而选择的实施方案的特定结构，并且不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和以下描述中，应当理解，相同的数字标号表示具有相似功能的部件。

除非另有定义，本文所用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。在冲突的情况下，以包括定义的本文件为准。尽管在本公开的实践或测试中可以使用类似或等同的方法和材料，但下面描述了优选的方法和材料。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献均以其全部通过引入并入本文。本文公开的材料、方法和制品仅是说明性的，而不意图是限制性的。

无数量词修饰的名词包括一个/种或更多个/种所述名词，除非上下文另外明确指出。

如说明书和权利要求书中所用，术语“包含/包括”可包括“由……组成”和“基本上由……组成”的实施方案。如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”、“可”、“含有”及其变体旨在为开放式过渡短语、术语或词语，其需要存在指定成分/步骤并允许存在其它成分/步骤。然而，这样的描述应当被解释为还将组合物或方法描述为“由所列举的成分/步骤组成”和“基本上由所列举的成分/步骤组成”，其允许仅存在指定的成分/步骤，连同可能由此产生的任何不可避免的杂质，并且排除其他成分/步骤。

本申请的说明书和权利要求书中的数值应理解为包括当减少至相同数量的有效数字时相同的数值和与该数值的差值小于本申请中所述类型的确定该数值的常规测量技术的实验误差。

本文公开的所有范围包括所述端点并且可独立地组合(例如，“2克至10克”的范围包括端点2克和10克，以及所有中间值)。

术语“约”和“大约”可以用于包括可以变化而不改变该数值基本功能的任何数值。当与范围一起使用时，“约”和“大约”还公开了由两个端点的绝对值限定的范围，例如“约2至约4”也公开了范围“2至4”。通常，术语“约”和“大约”可以指的是指定数目的正或负10％。

本公开可能涉及用于某些工艺步骤的温度。值得注意的是，这些温度通常是指热源(即，炉、烘箱等)被设定的温度，并且不必要指材料暴露于热所必须达到的温度。

如本文所用，术语“室温”是指20℃至25℃范围内的温度。

需要注意的是，热膨胀系数通常报告为起始温度和报告温度之间的平均值。

还应注意的是，如本文所用，“孔掩模(aperture mask)”、“掩模(mask)”和“不透明涂层(opaque coating)”可互换使用，除非通过下文中使用它们的语境可以理解它们指的是不同的实施方案。例如，除“不透明”涂层之外，“孔掩模”可还包括其它涂层，并且这里的用法仅意图帮助读者，而不意图将本公开的应用仅限制为具有不透明涂层材料的孔掩模。

如下文更详细地解释的，本公开提供了方法和设备的示例性实施方案，包括在多种光学部件(例如，滤光器阵列)上应用包含光刻胶或由光刻胶形成的不透明孔掩模。根据本文阐述的若干实施方案，面上述应用可在滤光器的一个或两个面上进行，从而在入射面和/或出射面上产生孔掩模。应当理解，本公开的非限制性实例描述和图示说明了其中考虑到光线的入射角，孔掩模可相对于入射面和/或出射面偏置的实施方案。

如图1所示，提供了一种预先存在的或预制的滤光器阵列(即，基底)。在特定说明性实施方案中，基底为多光谱滤光器阵列。基底可以包括光学晶片。图1的基底对应于成角度阵列(angled array)。图2的透视图示出了该一维滤光器阵列的滤光元件的“棒状”几何形状。如图1和图2所示，滤光元件具有倾斜的侧壁140(仅在图1中标出)。然而，该滤光器阵列的最外层的滤光元件(用数字“①”和“④”标识的滤光元件)具有直的“外”侧壁141，以形成经组装滤光器阵列的边缘。这在经组装滤光器阵列具有直角平行六面体形状的情况下是有利的。一种替选方案(未示出)是采用两个侧壁均倾斜的滤光元件，并且包括另外的三角形填充元件以提供具有直的最外侧壁的经组装滤光器几何结构。图1所示的滤光器阵列被示出为成角度滤光器阵列。然而，一般来说，本公开的基底/滤光器阵列可具有任何所需的结构，并且仅受施加于其上的孔掩模的限制。

参照图1，在侧视剖面图中示出了改进的滤光器阵列。在该示意性说明示例中，滤光器阵列包括标记为“①”至“④”的四个滤光元件。(这仅仅是说明性的——一般来说，滤光器阵列可具有几十或几百个滤光元件)。每个滤光元件由滤光板切割而成，滤光板上沉积有不同光学特性(例如，就中心波长和/或带宽而言，不同的通带或阻带)的滤光层堆叠层。因此，如图1所示，每个滤光元件可以包括由滤光元件基底114支撑的滤光层堆叠层112。例如，滤光层堆叠层112被实现为设置在滤光元件基底114上的形成干涉滤光器的多层光学涂层。

通常，每个滤光元件由单个滤光板切割而成。一般来说，滤光元件可以被设计用于紫外、可见或红外波长范围内的任何通带或阻带。作为一个说明性示例，在可见范围内工作的滤光元件可以包括由玻璃、蓝宝石或在光学范围内具有适当透明度的其他材料制成的滤光元件基底114，并且滤光层堆叠层112可以包括交替的氧化钽(Ta₂O₅)层和二氧化硅(SiO₂)层，或更一般地是两种(或更多种)具有不同折射率值的材料的交替层。作为另一个说明性示例，这些层可以是金属/金属氧化物层，例如钛/二氧化钛(Ti/TiO₂)。可以采用用于设计干涉滤光器光学叠堆层的已知技术，来设计给定通带或陷波滤光器阻带的层厚度，或者提供期望的高通或低通滤波特性。使用粘合剂或其他结合剂116将经切割的滤光元件结合在一起。经结合的滤光元件可包括由不同的干涉滤光器定义的多个滤光元件。光学滤光元件的干涉滤光器可以包括(在多个实施方案中)在可见光谱、紫外光谱和/或红外光谱工作的通带滤光器或陷波滤光器。

继续参考图1，该说明性滤光器阵列被设计为被光照射。与上文一致，图1中描绘的滤光器阵列被示出为成角度滤光器阵列，这使得光将以一定角度进入阵列。如上所述，如本领域技术人员将理解的，本公开的基底/滤光器阵列一般来说可以具有任何期望的结构，并且仅由施加于其上的孔掩模限制。

在使用中，光入射在滤光器阵列的光入射面123上。在滤光器阵列的光入射面123

上印刷有入射孔120。入射孔120在滤光器阵列的光入射面123上限定出孔掩模。根据本公开，由入射孔120限定的孔掩模包含光刻胶，其中孔被施加在阵列的预定位置处。入射孔120减少了在滤光器阵列的光入射面123处的光学串扰(optical cross-talk)(例如，阻挡了杂散光)。

随后，光穿过滤光元件的滤光层堆叠层112和滤光元件基底114，并从滤光器阵列的光出射面124射出。在光出射面124上印刷有出射孔122。出射孔122在滤光器阵列的光出射面124上限定出了孔掩模。根据本公开，由出射孔122限定的孔掩模包含光刻胶，其中孔被施加在阵列上的预定位置处。出射孔122减少了在滤光器阵列的光出射面124

处的光学串扰(例如，阻挡了杂散光)。

从每个滤光元件的光出射面射出的光被该滤光元件的滤光层堆叠层112过滤，因此仅包括通带中的入射光光谱分量(或者，如果是陷波滤光器，仅包括阻带外部的光谱分量；或者，如果是高通滤光元件，仅包括截止波长以上的光谱分量；或者，如果是低通滤光元件，仅包括截止波长以下的光谱分量，等等)。如图1所示，每个滤光元件的滤光层堆叠层112设置在滤光元件的光入射面上(或更确切地说，设置在滤光元件基底114的光入射面上)。可替选地，可以将滤光层堆叠层设置在光出射面上，或者将滤光层堆叠层设置在光入射面和光出射面二者上(或者二者类型相同以提供更清晰的光谱带宽或截止，或者二者类型不同以提供更复杂的滤光器特性，例如双频带陷波滤光器(two-band notch filter)中的两个阻带)。

如上所述，入射孔120和出射孔122分别在滤光器阵列的光入射面123和光出射面124上限定出了孔掩模，并且是在滤光元件组装之后沉积到滤光元件之间的边界上的图案化不透明涂层。特别地，孔掩模包含光刻胶，或者换句话说，由光刻胶形成。由于使用了光刻胶，可以将孔掩模直接印刷在滤光器阵列的光入射面123或光出射面124上(即，在孔与光入射面或光出射面之间不施加光学涂层)。这有利地消除了在孔掩模和基底之间使用光学涂层的需要，并且进一步消除了涂层所需的某些条件，例如温度和应力，以及长时间的化学品剥离工艺。还应当理解，这种实施方式将有助于消除杂散光和光波频带之间的串扰。

与上文一致，孔掩模包含光刻胶或由光刻胶形成，这有利地避免了将光学涂层施加至基底的需要。根据滤光器阵列的期望应用，光刻胶可以是负性或正性的。类似地，再次取决于滤光器阵列的期望应用，光刻胶可以是可光定义的或不可光定义的(例如，非光敏性的聚酰亚胺既不是正性光刻胶，也不是负性光刻胶)。仅出于示例性目的而非对其进行限制，具有上述功能的正性光刻胶的合适示例包括：SK-9010，S-1813或S-1818。仅出于示例性目的而非对其进行限制，具有上述功能的负性光刻胶的合适示例包括：AZ P4620，AZ NLof2020或AZ NLof 2070。仅出于示例性目的而非对其进行限制，具有上述功能的不可光定义的光刻胶的合适示例包括：聚酰亚胺。

如本领域技术人员将理解的，根据本公开，将包含光刻胶的孔掩模施加到基底上可以通过任何合适的方式实现。出于示例目的而非对其进行限制，可以使用添加制造技术以任何期望图案来施加孔掩模，例如通过喷墨型添加制造印刷机印刷，通过挤出型印刷机(即，熔丝打印机)印刷，通过任何其他3-D印刷技术、熔融沉积成型或任何标准光刻技术印刷，包括但不限于接触印刷、喷涂施用或任何其他曝光或显影方法。然后，使用单独的掩模将光刻胶曝光。继而，可以通过施加显影剂来显影光刻胶，这去除了光刻胶层的不需要部分，留下了期望部分作为孔掩模。换句话说，光刻胶是用来形成孔掩模的，而不是用作在光学DMC涂层中形成期望的孔掩模图案然后将该图案从该光学DMC涂层中去除的手段。

因此，在一些实施方案中，光学装置包括：多光谱滤光器阵列，其包括结合在一起以形成该多光谱滤光器阵列的多个滤光元件；和，在该多光谱滤光器阵列的光入射面和/或光出射面上形成的孔掩模，其中该孔掩模包含光刻胶或不可光定义的聚酰亚胺。在一些实施方案中，每个滤光元件包括滤光元件基底和形成具有通带或阻带的干涉滤光器的滤光层堆叠层，该滤光器层堆叠层由滤光元件基底支撑。在一些实施方案中，每个滤光元件具有不同的通带或阻带。

继续参考图1和图2，并进一步参考图3，阐述了一种制造滤光器阵列的孔掩模的说明性方法。在操作S1中，在光学基底的表面上，即在预先存在或预制的滤光器阵列上，沉积光刻胶层。为了制造入射孔120，在滤光器阵列的光入射面123上适当地沉积光刻胶层。为了制造出射孔124，在滤光器阵列的光出射面124上适当地沉积光刻胶层。在操作S2中，将光刻胶层的多个部分曝光。在操作S3中，显影光刻胶层，以在光学基底的表面上形成孔掩模(例如，入射孔120和/或出射孔122)。

如本领域技术人员将理解的，本公开的设备(例如，多光谱滤光器阵列、光学晶片、光学部件)可以通过任何合适的方式来制造。例如，图1和图2的滤光器阵列的制造可以包括在块状基底上为每个滤光元件①-④制造滤光板。通常，这需要将基底(例如，用于某些可见范围设计的玻璃基底)放置在沉积系统中，并通过溅射、真空蒸镀、等离子体沉积或其他技术沉积滤光层堆叠层，其中每个滤光板的滤光层堆叠层的组成层的厚度被设计为提供对应滤光类型的滤光特性。该工艺产生一组滤光板，例如对应于滤光元件①、②、③和④的四个滤光板，以用于制造图1和图2的说明性滤光器阵列。然后，可以将期望类型的滤光元件安装在粘合夹具中，并使用粘合剂在侧壁(例如，如图1和图2所示的成角度阵列的倾斜侧壁)处将其粘合在一起，或者以其他方式结合在一起，以形成多光谱滤光器阵列。最后，将诸如入射孔120和/或出射孔122的其他组件以及其他部件(例如，光检测器)添加到滤光器阵列以形成完整的多光谱光学系统。

本说明书已经参考示例性实施方案进行了阐述。在阅读和理解本说明书的基础上，其他人可以想到修改和改变。本公开内容旨在被解释为包括所有这样的修改和改变，只要它们落在所附权利要求或其等同物的范围内。

Claims (22)

1.一种光学设备，包括：

基底，具有印刷在所述基底的光入射面或光出射面中的至少一个上的孔掩模，以在所述基底的一部分上方提供孔；

其中，所述孔掩模包含光刻胶。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光刻胶是不透明的。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的设备，其中，在所述基底与所述孔掩模之间不存在光学涂层。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中，所述孔掩模被印刷在所述基底的所述光入射面和所述光出射面二者上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其中，所述基底选自由多光谱滤光器阵列，光学晶片和光学部件组成的组。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的设备，其中，所述光刻胶是可光定义的。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的设备，其中，所述光刻胶是正性光刻胶。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的设备，其中，所述光刻胶是负性光刻胶。

9.一种形成孔掩模的方法，包括：

在光学基底的表面上沉积光刻胶层；

将所述光刻胶层的多个部分曝光；和

显影所述光刻胶层，以在所述光学基底的所述表面上形成所述孔掩模。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述基底与所述光刻胶层之间不设置光学涂层。

11.根据权利要求9-10中任一项所述的方法，其中，所述光刻胶层沉积在所述光学基底的光入射面和光出射面二者上。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中，所述光学基底选自由多光谱滤光器阵列、光学晶片和光学部件组成的组。

13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其中，所述光刻胶是正性光刻胶。

14.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其中，所述光刻胶是负性光刻胶。

15.根据权利要求9-14中任一项所述的方法，其中，所述光刻胶是可光定义的。

16.一种多光谱滤光器阵列，具有滤光元件基底，所述滤光元件基底上印刷有不透明的孔掩模，所述孔掩模由光刻胶形成。

17.根据权利要求16所述的多光谱滤光器阵列，其中，所述孔掩模被印刷在所述基底的光入射面和光出射面二者上。

18.一种光学装置，包括：

多光谱滤光器阵列，包括结合在一起以形成所述多光谱滤光器阵列的多个滤光元件；和

在所述多光谱滤光器阵列的光入射面和/或光出射面上形成的孔掩模，其中所述孔掩模包含光刻胶或不可光定义的聚酰亚胺。

19.根据权利要求18所述的光学装置，其中，所述孔掩模包括正性光刻胶或负性光刻胶。

20.根据权利要求18所述的光学装置，其中，所述孔掩模包括不可光定义的聚酰亚胺。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的光学装置，其中，每个滤光元件包括滤光元件基底和形成干涉滤光器的滤光层堆叠层，所述干涉滤光器具有通带或阻带，所述滤光层堆叠层由所述滤光元件基底支撑。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的光学装置，其中，各个滤光元件具有不同的通带或阻带。

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