CN112748489A - 具有减少的杂散聚焦光的滤光片阵列 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种具有减少的杂散聚焦光的滤光片阵列。本申请公开了一种设备，该设备包括：包括光学滤光片元件的阵列的光学滤光片阵列(10)；其中每个光学滤光片元件具有由侧壁连接的相对的相互平行的主面，所述侧壁包括至少一对相对的梯形侧壁和至少一对相对的相互不平行的侧壁；并且，其中滤光片元件的相对的相互平行的主面共同限定光学滤光片阵列的光学入射孔和光学出射孔，并包括干涉滤光片。本申请进一步公开了一种照射这种滤光片阵列的方法。

Description

具有减少的杂散聚焦光的滤光片阵列

相关申请的交叉引用

本申请是申请号为201680064153.X的中国专利申请的分案申请。申请号为201680064153.X的中国专利申请是国际申请PCT/US2016/059335的中国国家阶段申请，其要求于2015年11月3日提交的美国临时专利申请序列号62/250,272的优先权。该专利申请的完整公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

以下涉及光学技术、光学滤光片技术、光谱技术、定价信息分配技术以及相关技术。

背景技术

具有较高光谱选择性的光学干涉滤光片包括具有交变折射率值的叠层。这些滤光片可以被设计为提供通带、阻带、高通、低通或陷波滤光片输出。通常，光学层沉积在基板上，对于基于设计的光谱而言，所述基板是光学透明的。因此，滤光片有时被称为滤板，并且在该板的区域上是光学均匀的。

另一方面，对于不同的多光谱应用(诸如光谱仪或光谱分析仪装置)，在板的不同区域中具有不同通带或阻带或截止波长的光学干涉滤光片是有用的。因为在层沉积过程中难以可控地改变整个基板上的层厚度，所以这种多光谱滤光片有时被制造为所谓的“砧板式(butcher block)”滤光片阵列。为了构建砧板式滤光片阵列，通过适当的层沉积以形成具有不同滤光片特性(例如，不同的通带或阻带波长和/或带宽)的一组滤板。每块滤板被设计为在板的区域上是均匀的。然后，切割滤板以形成带状滤光片元件，然后，以所需的模式将这些滤光片元件粘合在一起以形成砧板式滤光片阵列。通过类似的工艺制造二维滤光片阵列，不同之处在于切割滤板以形成滤光片元件之后，将滤光片元件以所需的二维阵列方式粘合在一起。

上述类型的一些说明性多光谱滤光片阵列记载于，例如，2014年10月16日公布的Downing等人的美国公开文本2014/0307309 A1中，所述文献的全部内容通过引用整体并入本文。

本文公开了一些改进。

发明内容

本公开涉及一种设备，该设备包括：光学滤光片阵列，该光学滤光片阵列包括光学滤光片元件阵列；其中每个光学滤光片元件具有由侧壁连接的相对的相互平行的主面，该侧壁包括至少一对相对的梯形侧壁和至少一对相对的相互不平行的侧壁；并且，其中滤光片元件的相对的相互平行的主面共同限定光学滤光片阵列的光学入射孔和光学出射孔，并且包括干涉滤光片。

本公开还涉及一种提供上述滤光片阵列并且利用会聚光或发散光照射光学滤光片阵列的方法，该会聚光或发散光具有与滤光片元件的侧壁的侧壁角度相配的局部角度。

另外，本公开涉及一种设备，该设备包括：光学滤光片阵列，该光学滤光片阵列包括内部光学滤光片元件阵列，该内部光学滤光片元件不同于光学滤光片阵列的最外面的光学滤光片元件；其中每个内部光学滤光片元件具有由侧壁连接的较大和较小的相对的相互平行的主面，该侧壁包括至少一对相对的梯形侧壁和至少一对相对的相互不平行的侧壁；并且，其中内部光学滤光片元件的较大主面包括光学滤光片阵列的发散孔，并且内部光学滤光片元件的较小主面包括光学滤光片阵列的会聚孔。

以下更具体地描述了本公开的这些和其它非限制性方面和/或目的。

附图说明

以下是附图的简要说明，其出于说明本文所公开的示例性实施例，而非限制本文所公开的示例性实施例的目的而呈现。

图1示意性地示出了用以过滤会聚光的滤光片阵列的侧面剖视图，并连同示出了会聚光的光线轨迹和光探测器阵列；

图2示意性地示出了图1中的光学滤光片阵列的单独的侧面剖视图；

图3示意性地示出了图1和图2中的滤光片阵列的一个说明性光学滤光片元件的单独的侧面剖视图；

图4、图5、图6和图7分别示意性地示出了图1和图2中的滤光片阵列的前侧、顶部、右侧和透视图。在图4至图7中，示例性光学滤光片元件的数量缩减至4×4阵列，以降低绘图复杂性；以及

图8、图9、图10和图11分别示意性地示出了一种滤光片阵列变体的前侧、顶部、右侧和透视图，以用于仅在一个维度上(例如，由所示的线性光源或圆柱形光源产生)会聚或发散的光。与图4至图7类似，在图8至图11中，示例性光学滤光片元件的数量缩减至4×4阵列，以降低绘图复杂性。

具体实施方式

通过参考附图，可以更全面地理解本文所公开的工艺和设备。这些附图仅是为了方便且容易地说明现有技术和/或本公开而给出的示意性表示，因此，并不旨在表明其组件或部件的相对大小和尺寸。

虽然为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语旨在仅指代在附图中选择用于说明的实施例的特定结构，而不旨在限定或限制本公开的范围。在下面的附图和以下的描述中，应该理解的是，相同的数字标记表示类似功能的部件。

除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。

与量相关使用的修饰词“约”包括所述值并且具有上下文所指示的含义(例如，其至少包括与特定量的测量相关联的误差程度)。当与特定值一起使用时，它也应该被视为公开了该值。例如，术语“约2”还公开了值“2”，范围“从约2到约4”还公开了范围“从2到4”。

参考图1，本文指出的砧板型滤光片阵列的缺点在于，它们不适用于许多具有有限焦平面并且在会聚光束或发散光束上运行的实际光学系统。图1示出了一种在沿着光轴OA的有限(finite)位置处具有焦平面P的系统的光线轨迹。由于焦平面P的有限位置，穿过光学系统的光(由说明性光线L示意性地表示)形成具有如图1所示的锥半角A的锥形光束，该锥形光束在焦平面P处会聚。在示例性图1中，光线L在图中从左向右行进，并且由位于平面中靠近焦平面P的探测器阵列8检测，因此，光线L是会聚光线。可选地，如果光从有限焦平面传播开去，例如从焦平面处的小型光源发出，则光线可能是发散的(可选的，未示出)。无论哪种情况，该光线都会形成一个会聚的(如图所示)或发散的光束。

砧板型滤光片阵列由从滤板上切割的带状(用于一维阵列)或块状(用于二维阵列)的滤光片元件构成。切割机为上述“带”或“块”产生垂直侧壁。Downing等人的美国公开文本2014/0307309A1公开了当光的入射角度不垂直于滤光片阵列的表面时使用的改进。在Downing等人的美国公开文本2014/0307309A1公开的设计中，该“带”或“块”被切割成具有与选择的光的入射角度相匹配的角度的侧壁。这减少了滤光片元件之间的边界处的光散射和光损耗。

在此认识到，在会聚光或发散光的情况下，这种滤光片阵列在相邻的滤光片元件之间的边界处会产生光散射和光损耗。使用Downing等人在美国公开文本2014/0307309A1中的方法不能减少这种光散射和光损耗，因为对于会聚光或发散光没有限定的入射角度。

继续参考图1并且进一步参考图2，改进的光学滤光片阵列10具有带有不平行侧壁的光学滤光片元件12a、12b、12c、12d、12e、12f、12g、12h、12i、12j，对于每个滤光片元件，侧壁(任选地，除了形成滤光片阵列10的周边的最外面的滤光片元件12a、12j的外侧壁之外)的角度被设计为与光线L的局部会聚角度或发散角度相匹配。相邻的滤光片元件的接合侧壁在滤光片阵列10的表面上的相同局部位置处，因此，具有相同的侧壁角度。如本文所认识到的，这种相邻侧壁角度的一致使得滤光片元件可在接合侧壁处被固定在一起，例如，使用粘合剂或其它粘合方式，以形成滤光片阵列10。通过图示，如图2中所标记的，在滤光片元件12b与12c之间的界面14处，滤光片元件12b和12c的接合侧壁具有相同的侧壁角度。

如在图1和图2中进一步看到的，侧壁角度随着距光轴OA的距离增加而增加，以便随着距光轴OA的距离增加，与会聚光束或发散光束的角度增加相一致。

继续参考图1和2并且进一步参考图3，给定滤光片元件的侧壁是相互不平行的。而且，给定滤光片元件的内侧侧壁具有比外侧侧壁更小的侧壁角度(其中“内侧”和“外侧”分别表示相对更靠近光轴OA和相对更远离光轴OA)。通过图示，图3单独示出了滤光片元件12d。对于滤光片元件12d，与外侧侧壁18的侧壁角度A_O相比，内侧侧壁16具有更小的侧壁角度A_I(在光轴OA的方向上测量)。

继续参考图3，对于每个滤光片元件(例如，示例性滤光片元件12d)，滤光片元件包括由四个侧壁16、18界定的透明基底或主体20(包括除侧壁16、18之外的两个侧壁，图3的侧面剖视图中未示出)，所述侧壁16、18在相对的主面22、24之间延伸。这些主面中的一个或两个包括干涉滤光片，例如，滤光片元件12d的示例性主面22包括干涉滤光片26，干涉滤光片26可以通过例如诸如溅射、真空蒸发、等离子体沉积等技术来沉积。干涉膜26通常由提供光学干涉的经设计的叠层构成，以提供基于设计的通带、阻带、高通、低通或陷波滤光片。该干涉滤光片26的波长、半峰全宽(full-width-at-half-maximum，FWHM)或其它光谱特性被设计用于特定应用。此外，由于滤光片阵列10通常是多光谱滤光片，因此每个滤光片元件12a、12b、12c、12d、12e、12f、12g、12h、12i、12j通常具有不同的干涉滤光片(尽管一些滤光片元件被选择是相同的——例如，如果滤光片阵列10旨在关于光轴OA对称，则用于滤光片元件12a、12j的干涉滤光片是相同的；用于滤光片元件12b、12i的干涉滤光片是相同的；用于滤光片元件12c、12h的干涉滤光片是相同的；用于滤光片元件12d、12g的干涉滤光片是相同的；以及用于滤光片元件12e、12f的干涉滤光片是相同的)。虽然没有示出，但是滤光片元件12d的主面24上可以附加地或替代地包括干涉滤光片。

通常，滤光片元件可以被设计用于紫外波长、可见波长或红外波长范围内的任何通带或阻带。通过说明性实例，滤光片元件(或者更具体地，滤光片元件主体或基底，例如图3的示例性滤光片元件12d的滤光片元件主体或基底20)可以由诸如玻璃、蓝宝石等透光材料或在可操作光学范围内具有合适透明度的其它材料制成。干涉滤光片26可以包括氧化钽(Ta₂O₅)和二氧化硅(SiO₂)的交替层，或者更一般地包括具有不同折射率值的两种(或更多种)材料的交替层。对于可操作光学范围，构成干涉滤光片26的层也优选地是透光的，但是由于它们是薄层，所以在可操作光学范围内的一些光学吸收是可以接受的。例如，作为另一个说明性实例，所述层可以是金属层/金属氧化物层，诸如钛/二氧化钛(Ti/TiO₂)。可以采用用于设计干涉滤光片的已知技术来设计给定通带或陷波滤光片阻带的层厚度，或者提供所需的高通或低通滤光特性。

图1和图2以侧面剖视图描绘了滤光片10。该侧视图没有捕获会聚光L或滤光片阵列10的三维形状。

参考图4至图6，其通过滤光片10的前侧(图4)、顶部(图5)和右侧(图6)视图示意性地描绘了该三维形状，图7示出了滤光片10在其光学环境中的透视图，其包括以透视图示出的会聚光束L和探测器阵列8。在图4至图7中，为了简化图示，所示滤光片元件的数量缩减至4×4个滤光片元件阵列。应理解，滤光片元件的数量是基于所需的滤光片分辨率和滤光片阵列的总面积而适当选择的设计参数。

滤光片元件具有棱锥体形状(具体参考图3的示例性滤光片元件12d)，其具有两个有相同数量顶点(示例性滤光片阵列10的矩形基部22、24的四个顶点)的相互平行的基部22、24(即，基部22、24彼此平行)，以及至少两个并非平行四边形(由于不同的侧壁角度，例如在示例性图3中，滤光片元件12d的不同角度A_I、A_O)的梯形侧壁16、18。在组装的滤光片阵列10中的滤光片元件的两个平行基部22、24共同限定滤光片阵列10的光学入射孔和光学出射孔(或反之亦然)，正如在图1和图7中所示。

继续参考图4至图7并且进一步参考图8至图11，对于二维地发散或会聚的光束，滤光片元件的四个侧壁都是梯形侧壁，正如在图4、图6和图7中所示。在这些实施例中，每一对相对的梯形侧壁(例如，图3的侧壁16、18)相互不平行(即，彼此不平行)。另一方面，如图8至图11所示，对于仅在一个维度上发散或会聚、在正交维度上平行(例如，由圆柱形光源或线性光源30产生)、并且仅在发散或会聚方向上进行多光谱滤光的光束，滤光片阵列变体40具有带状滤光片元件，其中每个滤光片元件具有两个梯形的端部侧壁46_trap和平行四边形的长侧壁46_par。在该实施例中，两个梯形的端部侧壁46_trap是相互平行(即，彼此平行)的相对侧壁，而两个平行四边形的长侧壁46_par是相互不平行的相对侧壁。线性或圆柱形光源30具有与滤光片元件的长侧壁46_par平行且横向于梯形端部侧壁46_trap的长轴32。

返回参考图1和图2，通常，内部滤光片元件(即，不是滤光片阵列10的最外面的滤光片元件12a、12j的滤光片元件12b、12c、12d、12e、12f、12g、12h、12i)具有一个主面(图3的主面22)，这个主面具有比另一个主面(图3的主面24)更大的面积。内部滤光片元件的较大面积的主面共同包括滤光片阵列10的发散孔50(在图2中标出)。内部滤光片元件的较小面积的主面共同包括滤光片阵列10的会聚孔52。在图1和图2中，滤光片阵列10的左侧是发散孔50，而滤光片阵列10的右侧是会聚孔52。如果(如示例性图1中所示)将滤光片应用于会聚光，则发散孔是入射孔(即，会聚光被输入到发散孔50)，而会聚孔是出射孔(即，会聚光通过会聚孔52从滤光片阵列10射出)。相反，如果滤光片应用于发散光(如图11中实例所示)，则会聚孔(如图11所示的滤光片阵列40的顶部孔)是入射孔，而发散孔(在图11所示的透视图中不可见)是出射孔。

最外面的滤光片元件可以是上述几何形状的一个例外，因为它们可以作为整体而任选地被“做成方形”以具有用于滤光片阵列10的非倾斜的周边侧壁(这在最外面的滤光片元件12a和12j中看出，其中左侧主面小于右侧主面)，这会影响主面的面积。

在设计滤光片元件的侧壁角度(例如，图3的示例性滤光片元件12d的角度A_I和A_O)时，考虑侧壁处发散光或会聚光L的局部角度。根据斯涅耳定律，由于光的弯曲，该角度优选地是滤光片元件材料中的角度，而不是空气中的角度。根据斯涅耳定律，滤光片元件材料中的光线角度θ与空气中的光线角度θ有关，即sin(θ)＝n_fesin(θ_fe)，其中n_fe是滤光片元件的折射率，并且假定环境为空气、真空或折射率n＝1的其它环境。例如，如果滤光片元件侧壁处的局部光线角度为θ＝15°，并且n_fe＝1.5，则

并且该位置处的侧壁被适当地选择为10°。(如果环境是n_ambient不统一的油或一些其它材料，那么斯涅耳定律一般化至n_ambientsin(θ)＝n_fesin(θ_fe)))。滤光片元件可以以各种方式制造，诸如通过初始切割平行六面体滤光片元件，然后研磨各个切割的滤光片元件以形成侧壁角度。可选地，所述切割可以采用具有合适角度的切割机或有角度的晶片安装夹具(wafer mounting jig)。

应该理解，上述公开的以及其他各种特征和功能以及其替代方案可以根据需要被组合成许多其它不同的系统或应用。将进一步理解，本领域技术人员随后可以做出其中各种目前未预见到的或未预料到的替代方案、修改、变体或改进，这些替代方案、修改、变体或改进也旨在包含在下列权利要求中。

项目

项目1.一种设备，包括：

光学滤光片阵列，包括光学滤光片元件阵列；

其中每个光学滤光片元件具有由侧壁连接的相对的相互平行的主面，所述侧壁包括至少一对相对的梯形侧壁和至少一对相对的相互不平行的侧壁；

其中所述滤光片元件的上述相对的相互平行的主面共同限定所述光学滤光片阵列的光学入射孔和光学出射孔，并包括干涉滤光片。

项目2.根据项目1所述的设备，每个滤光片元件是具有侧壁的带，所述带包括一对相对的梯形端部侧壁和一对相对的相互不平行的长侧壁。

项目3.根据项目2所述的设备，还包括：

具有与所述滤光片元件的所述长侧壁平行的长轴的线性或圆柱形光源。

项目4.根据项目1所述的设备，其特征在于，每个滤光片元件包括两对相对的梯形侧壁，其中每一对相对的梯形侧壁相互不平行。

项目5.根据项目1所述的设备，进一步包括：

光学系统，用于产生会聚光或发散光，其中每个滤光片元件的至少一对相对的侧壁与所述会聚光或发散光的局部角对准。

项目6.根据项目1所述的设备，其特征在于，不同于所述滤光片阵列中最外面的滤光片元件，所述滤光片元件的主面在所述光学入射孔和光学出射孔中的一者处具有比在所述光学入射孔和光学出射孔中的其他处更大的面积。

项目7.根据项目1所述的设备，其特征在于，所述光学滤光片元件包括：

由不同的干涉滤光片限定的不同光学滤光片类型的多个光学滤光片元件。

项目8.根据项目1所述的设备，其特征在于，所述光学滤光片元件的所述干涉滤光片包括通带滤光片或陷波滤光片。

项目9.一种方法，包括：

提供根据项目1所述的光学滤光片阵列；以及

利用具有与所述滤光片元件的侧壁的侧壁角度相匹配的局部角度的会聚光或发散光来照射所述光学滤光片阵列。

项目10.一种设备，包括：

光学滤光片阵列，包括内部光学滤光片元件的阵列，所述内部光学滤光片元件不是所述光学滤光片阵列的最外面的光学滤光片元件；

其中每个内部光学滤光片元件具有由侧壁连接的较大和较小的相对的相互平行的主面，所述侧壁包括至少一对相对的梯形侧壁和至少一对相对的相互不平行的侧壁；

其中所述内部光学滤光片元件的较大的主面包括所述光学滤光片阵列的发散孔，并且所述内部光学滤光片元件的较小的主面包括所述光学滤光片阵列的会聚孔。

项目11.根据项目10所述的设备，其特征在于，每个内部光学滤光片元件是具有一对相对的梯形端部侧壁和一对相对的相互不平行的长侧壁的带。

项目12.根据项目10所述的设备，其特征在于，每个内部光学滤光片元件包括两对相对的梯形侧壁，其中每一对相对的梯形侧壁相互不平行。

项目13.根据项目10所述的设备，其进一步包括：

产生会聚光的光学系统，所述会聚光在所述发散孔处进入所述光学滤光片阵列并且在所述会聚孔处离开所述光学滤光片阵列。

项目14.根据项目10所述的设备，其进一步包括：

产生发散光的光学系统，所述发散光在所述会聚孔处进入所述光学滤光片阵列并且在所述发散孔处离开所述光学滤光片阵列。

Claims (15)

1.一种具有光学滤光片阵列的设备，其特征在于，其中所述光学滤光片阵列包括多个光学滤光片元件，每个光学滤光片元件包括：

梯形基底，所述梯形基底具有相对且平行的光入射面和光出射面，以及两对相对的侧壁，其中所述侧壁按照随着距光轴的距离增加而增加的角度倾斜；和

干涉滤光片，所述干涉滤光片设置在所述光入射面和所述光出射面中的一个或两个上，所述光学滤光片元件在侧壁处以相同的倾斜角度粘合在一起以形成所述光学滤光片阵列。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述干涉滤光片由两种或更多种材料的交替层构成，其中所述两种或多种材料的折射率不同。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述干涉滤光片的所述两种或多种材料为透光材料。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述光学滤光片元件是具有侧壁的带，所述侧壁包括一对相对的梯形端部侧壁和一对相对的相互不平行的长侧壁。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述相对的梯形端部侧壁不是平行四边形。

6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述相对的长侧壁是平行四边形。

7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：

圆柱形或线性光源，所述圆柱形或线性光源的长轴与所述光学滤光片元件的所述长侧壁平行。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：

光学系统，用于产生会聚光或发散光，其中每个光学滤光片元件的至少一对侧壁或相对的侧壁与所述会聚光或发散光的局部角度对准。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述每个光学滤光片元件的所述干涉滤光片包括通带滤光片或者陷波滤光片。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，相邻的光学滤光片元件在接合的梯形侧壁处固定在一起。

11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学滤光片元件的所述光入射面和所述光出射面的面积不同。

12.一种照射光学滤光片阵列的方法，其特征在于，包括：

提供根据权利要求1所述的光学滤光片阵列；和

利用具有与所述侧壁的角度相匹配的局部角度的会聚光或发散光来照射所述光学滤光片阵列。

13.一种具有光学滤光片阵列的设备，其特征在于，所述光学滤光片阵列包括多个光学滤光片元件，每个光学滤光片元件包括：

棱锥体形状的基底，所述棱锥体形状的基底具有相对且平行的光入射面和光出射面，以及至少两个梯形的侧壁，其中所述侧壁按照随着距光轴的距离增加而增加的角度倾斜；和

干涉滤光片，所述干涉滤光片设置在所述光入射面和所述光出射面中的一个或两个上，所述光学滤光片元件在所述侧壁处以相同的倾斜角度粘合在一起以形成所述光学滤光片阵列。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述干涉滤光片由两种或更多种材料的交替层构成，其中所述两种或多种材料的折射率不同。

15.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述光入射面和所述光出射面具有相同数量的顶点。

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