CN112867911A

CN112867911A - 滤波器组件、检测器和滤波器组件的制造方法

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Publication number: CN112867911A
Application number: CN201980049116.5A
Authority: CN
Inventors: 格哈德·艾尔姆施泰纳; 德西斯拉娃·奥佩尔; 黛博拉·莫尔克罗夫特; 延斯·霍弗里希特
Original assignee: AMS CO LTD
Current assignee: AMS CO LTD
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2021-05-28
Also published as: EP3605042A1; JP2021532402A; US20210164831A1; WO2020025483A1

Abstract

一种滤波器组件，包括入射介质(10)、间隔件(30)、至少一个电介质滤波器(50)和出射介质(70)。间隔件(30)被设置在入射介质(10)与至少一个电介质滤波器(50)之间，使得入射介质(10)和至少一个电介质滤波器(50)被间隔开工作距离(32)，并由此包围折射率低于入射介质(10)的介质。至少一个电介质滤波器(50)设置在出射介质(70)上。

Description

滤波器组件、检测器和滤波器组件的制造方法

本发明涉及一种滤波器组件、检测器以及滤波器组件的制造方法。

诸如干涉滤波器之类的电介质滤波器在商业上广泛用于许多不同的应用，包括光谱学、医学技术、消费和安全应用等等。与其他类型的光学滤波器(例如彩色涂层)相比，干涉滤波器提供了许多优点。它们在工程设计方面提供了灵活性，因为它们能够被光学建模以预测其性能并且针对特定应用进行设计。它们还提供机械和热稳定性。干涉滤波器由具有不同折射率的电介质材料的多个薄膜层组成。在层的界面处反射的入射光的相长干涉或相消干涉被用于选择一个或更多个用于传输的光谱带或光谱线，被选择的光谱带或光谱线在感兴趣的波长内具有最小吸收。

已知电介质滤波器关于入射光的角度表现出很强的角度依赖性。透射波长或边缘位置主要向较短波长移位以增加入射角。对于漫射光条件，这可能是有问题的，因为它引起光谱展宽或拖尾，这降低了光谱分辨率。干涉滤波器通常被设计用于照明光束的限定入射角，或者能够通过倾斜滤波器来调整期望的光谱位置。然而，干涉滤波器在其设计上能够适于在诸如由漫射体提供的那些漫射光条件下工作。为了减少光谱移位，在光学和材料特性方面调整电介质材料的多个薄层。这通常涉及复杂的模拟，并且通常不能应用于不同的传感器设计。实现与低光谱移位配对的足够的视场仍然是挑战。

减少光谱拖尾的已知方法包括使用光学器件来聚焦光方向，或者使用光阑来限制入射光的角度。例如，在漫射光条件下减少光谱移位的尝试包括校准光学器件，该光学器件已经被集成到滤波器设计中，以便收集漫射光并且将其以照明光束的限定入射角(例如以垂直入射)引导到滤波器中。一种替代方法是使用视场光阑来控制装置设计中的视场，使得仅达到限定入射角的光能够进入，从而减少光谱展宽。以前的工作还考虑将干涉滤波器与聚合物层结合，因为聚合物涂层能够吸收一些不需要的波长并改进透射信号。

完全不同的方法包括图案化步骤，并且在具有恒定厚度的Fabry-Perot腔中使用折射率的空间调制。在第一透明材料中形成亚波长图案，随后用具有不同折射率的第二透明材料填充间隙。有效折射率和峰值波长与体积比直接相关，并通过改变纳米结构的横向尺寸，增加了Fabry-Perot腔的有效折射率，并能够补偿波长移位。

能够使用专用光学设计和模拟软件来模拟在漫射光下光谱移位的影响。图6A示出了现有技术的滤波器组件。滤波器组件包括设置在出射介质70(例如光学传感器)上的电介质滤波器50。周围环境空气能够被认为是折射率为N＝1的入射介质。该模拟假设入射角AOI相对于电介质滤波器的表面法线在±90°内。

图6B示出了图6A的滤波器组件的光谱透射曲线。曲线示出了根据波长λ以及两个AOI(实线：AOI＝0°，虚线：AOI＝90°)的模拟透射图(滤波器透射率T[％])。该图示出了当AOI从0°改变到90°时，透射率T[％]的百分比减小，并且光谱峰值移位到较低的波长。通过该图的红色/红外部分中的透射示出了红外泄漏。对于较高的入射角，泄漏也增加。在漫射光条件下的透射将是所有角度上的组合图的结果，从而导致峰变宽，称为光谱拖尾或光谱展宽。

图7A示出了另一种现有技术的滤波器组件。该滤波器组件基于以上图6A所示的滤波器组件，但还包括漫射体作为入射介质10。入射介质10在N＝1、5处具有较高的折射率，这可以对应于聚合物、闪烁体或任何其他光学介质。图7B示出了与图6B类似的模拟光谱透射曲线。所得到的透射曲线是在从0°到90°的所有入射角上的模拟的结果。该图指示，随着入射介质的折射率增大，透射特性可能变得较差。

图8A示出了另一种现有技术的滤波器组件。该组件与图6A所示的组件相似。在这种情况下，结合了多于一个的滤波器50。入射介质10与滤波器(例如短通滤波器51和长通滤波器52)直接接触。出射介质可以是硅光电二极管检测器或另一类型的检测器。这是双滤波器的示例，但是相同的示例可以扩展为包括更多的滤波器。

图8B示出了图8A的实施例的理想光谱透射曲线。作为示例，短通滤波器51可以被优化以透射高达450nm的波长，并且反射较长的波长，而长通滤波器可以被优化以透射从670nm以上的波长，并且反射较短的波长。理想地，450nm至670nm不应有透射，例如，入射的绿光在540nm处被尽可能多地反射。

图8C示出了图8A的实施例的模拟光谱透射曲线。所得到的透射曲线是在从0°到90°的所有入射角上的模拟的结果。光学模拟指示，在这种情况下，透射图看起来与图8B不同。在漫射光条件下电介质滤波器的非最佳性能导致相当大的光谱拖尾，从而允许在540nm处透射绿光。

目的是提供一种允许例如在漫射光条件下增强光谱分辨率并减小光谱展宽的滤波器组件，以及一种允许减小对滤波器光谱移位的限制的滤波器组件的制造方法。

通过独立权利要求的主题来实现该目的。在从属权利要求中描述了另外的发展和实施例。

应当理解，除非明确地描述为替代，否则下文描述的关于任何一个实施例的任何特征可以单独使用，或者与下文描述的其他特征组合使用，并且还可以与任何其他实施例或任何其他实施例的任何组合的一个或更多个特征组合使用。此外，在不脱离如所附权利要求中限定的滤波器组件和滤波器组件的制造方法的范围的情况下，也可以采用下面未描述的等同物和修改。

一种滤波器组件，包括入射介质、电介质滤波器和出射介质。一方面涉及设计入射介质与电介质滤波器之间的间隔件，例如入射介质与一个或多个滤波器之间的气隙。已经发现，设计间隔件(例如气隙)允许减小滤波器组件的有效折射率。例如通过模拟能够示出能够减少光谱拖尾并且能够增强透射光分辨率。

在至少一个实施例中，滤波器组件包括入射介质、间隔件、至少一个电介质滤波器和出射介质。间隔件被设置在入射介质与至少一个电介质滤波器之间，使得入射介质和至少一个电介质滤波器被间隔开工作距离。此外，间隔件、入射介质和至少一个电介质滤波器包围折射率低于入射介质的介质。至少一个电介质滤波器设置在出射介质上。

术语“滤波器组件”指示包括入射介质、间隔件、至少一个电介质滤波器和出射介质的叠层。换句话说，滤波器组件的部件相对于彼此沿着公共光轴堆叠。在叠层或滤波器组件中，可以在入射介质、间隔件、至少一个电介质滤波器和出射介质中的一个或更多个之间提供另外的层。然而，滤波器组件的一些或所有部件也可以彼此直接接触。

“电介质滤波器”具有由其滤波器设计确定的透射特性。透射特性是入射角的函数。在这个意义上，电介质滤波器的透射是方向相关的。电介质滤波器的示例包括等离子体激元滤波器和干涉滤波器，例如截止滤波器、明视滤波器、滤色器、带通滤波器及其任何组合。

来自外部辐射源的入射光可以从各种入射角撞击入射介质。光以取决于入射介质的材料特性的角度分布离开入射介质。在入射介质与较低折射率的介质之间的第一边界处，入射光被折射并且朝向位于较低折射率的介质下游的电介质滤波器穿过。在较低折射率的介质与电介质滤波器之间的第二边界处，入射光被折射并被耦合到电介质滤波器中。入射介质、较低折射率的介质和电介质滤波器能够被认为是具有平均折射率的混合叠层。平均或有效折射率取决于间隔件，并且尤其地取决于工作距离。

一部分入射光可以撞击电介质滤波器，并根据电介质滤波器的透射特性进行滤波。如此进行滤波的光最终朝向位于电介质滤波器下游的出射介质(例如光学传感器或电磁辐射传感器)穿过。

模拟已经示出了间隔件有效地减少了光谱移位和拖尾。通常，对于在上述边界处、特别是在第一边界处折射率的较大改变，较大程度减小了电介质滤波器的光谱移位。同时，减小了光谱拖尾或展宽。此外，电介质滤波器的滤波器设计能够被调整以符合入射角的预期范围，这还改进了光谱选择性并减少了光谱拖尾或展宽。

所提出的滤波器组件能够应用于例如在漫射光条件下改进许多干涉滤波器的光谱性能，并且当入射介质的折射率高时尤其适用。两个示例模拟结果已经示出了对于两个示例应用(例如计算机断层扫描(CT)检测器和光子滤波器)能够提高多少光谱性能。然而，滤波器组件的应用不限于这两种应用，并且滤波器组件例如在漫射光条件下可应用于许多干涉滤波器。滤波器组件的应用也不限于可见光波长，但是能够应用于其他波长范围(例如红外)的干涉滤波器。

在至少一个实施例中，间隔件包括单个材料体。替代地，间隔件可以基于分布在电介质滤波器的不同位置处并且一起形成间隔件的多个间隔件部分来实现。这样，间隔件能够被制造成一件或多件，从而允许更高的设计自由度。

在至少一个实施例中，入射介质被设置成改变入射辐射，使得改变的辐射以漫射辐射分布离开入射介质。例如，入射介质能够被设置为漫射体或闪烁体。

因此，入射介质构成朗伯表面，即入射介质具有各向同性的出射亮度，并且发光强度服从朗伯余弦定律。这种朗伯散射与角度无关，使得当从位于与表面相邻的半空间中的所有方向观察时，存在相等的亮度。使用漫射体允许增加视场。通过闪烁体实现入射介质例如通过在计算机断层扫描检测器中设置滤波器组件来允许X射线应用。

漫射体或光学漫射体包括使光漫射或散射，即改变入射在入射介质上的光以使入射介质具有漫射辐射分布的材料。闪烁体将入射的X射线辐射转换成特定波长的光。特定波长主要由闪烁体的材料性质确定。例如，不同的闪烁体层可以具有不同的特定波长。在闪烁体内产生的光本质上是漫射的，并且可以以漫射辐射分布离开入射介质。

在至少一个实施例中，入射介质、间隔件和至少一个电介质滤波器包围腔。该腔包括折射率比入射介质低的介质，因此有助于上面引入的平均折射率。

在至少一个实施例中，腔对周围环境是开放的。这样，较低折射率的介质构成环境空气，并且具有N＝1的折射率。通常，在这种情况下，在第一边界处和第二边界处的折射可以具有最大的效果。替代地，腔对周围环境是封闭的。在这种情况下，较低折射率的介质也可以是环境空气，但也可以是具有不同折射率的光学透明或半透明材料。

在至少一个实施例中，入射介质具有大于1的折射率。入射介质与和间隔件相关联的较低折射率的介质的折射率之间的差越大，在第一边界处和第二边界处的折射影响越大。

在至少一个实施例中，工作距离的值为0.25μm至10μm并且/或者工作距离的值为至少2μm。模拟已经指示将工作距离增加到2μm减少了光谱移位和光谱拖尾。进一步将工作距离增加到2μm以上具有可忽略的影响。

在至少一个实施例中，腔是开放的并且填充有环境空气。工作距离的值为至少2μm。模拟表明，大于2μm的工作距离显示出改进的光谱性能。

在至少一个实施例中，间隔件设置在边缘处、在至少一个电介质滤波器的边缘处或框住至少一个电介质滤波器。除了其对滤波器组件的光谱特性的影响之外，间隔件还提供例如对入射介质和电介质滤波器的机械支撑。

在至少一个实施例中，间隔件包括图案化粘合剂、图案化光学粘合剂和/或金属层。这提供了另外的设计选择，该设计选择能够适于用于制造将在其中实现滤波器组件的给定装置的工艺技术。

在至少一个实施例中，出射介质包括用于电磁辐射的检测器的至少一个有源表面。出射介质可以是光学传感器或其他检测器(诸如X射线检测器)的一部分。因此，滤波器组件能够被制成较大装置(诸如各种类型的电磁检测器，例如计算机断层扫描检测器或颜色传感器)的组成部分。

在至少一个实施例中，至少一个电介质滤波器包括滤波器元件。滤波器元件具有不同的透射特性。例如，滤波器元件可以是用于双色或多色应用的短通、带通或低通滤波器。滤波器元件能够实现为单个电介质滤波器的一部分，或者可以有多于至少一个电介质滤波器。在这种情况下，电介质滤波器和滤波器元件可以是相同的。这允许双色或多色应用(例如明视和暗视滤波器设计)以模仿在白天和夜晚条件下的人类视觉。

在至少一个实施例中，滤波器元件被设置用于双色、多色、明视和/或明视应用。这些应用可以受益于改进的光谱特性，尤其地，改进的光谱分辨率提供对传感器读数的更准确的评估。例如，在颜色传感器中的相邻颜色通道之间存在减少的光谱重叠。

在至少一个实施例中，计算机断层扫描检测器包括根据上述方面的滤波器组件。此外，检测器包括光学传感器，该光学传感器还包括一个或更多个光敏区域。

在至少一个实施例中，入射介质包括具有一个或更多个闪烁体层的闪烁体。一个或更多个闪烁体层被设置为将入射的X射线辐射转换成一个或更多个特定波长的光。此外，电介质滤波器包括具有对应于一个或更多个特定波长的不同透射特性的一个或更多个滤波器元件。最后，出射介质由计算机断层扫描检测器组成。

X射线辐射可以由位于计算机断层扫描检测器内的源的外部源产生。在穿过像人体部分的对象之后，X射线可以撞击闪烁体。然后，在闪烁体层内产生例如红外、可见光或紫外中的光，该光本质上是漫射的，并且以漫射分布角度离开闪烁体。所产生的光能够由一个或更多个特定波长来表征，并且由电介质滤波器根据滤波器元件(例如分别为短通滤波器和长通滤波器)的透射特性来进行滤波。

模拟光谱透射曲线示出了改进的光谱特性，例如，能够减少由于光谱拖尾而导致的滤波器元件之间的光谱重叠。这允许改进在X射线传感器和诸如计算机断层扫描检测器的应用中的光谱选择性。

在至少一个实施例中，检测器包括根据上述方面的滤波器组件。此外，检测器包括具有一个或更多个光敏区域的光学传感器。该出射介质由光学传感器组成。入射介质可以包括例如漫射体或闪烁体。

在至少一个实施例中，检测器包括根据上述方面的滤波器组件。此外，光学传感器被配置为包括一个或更多个光敏区域的颜色传感器。电介质滤波器包括一个或更多个滤波器元件，其中，所述一个或更多个滤波器元件分别具有不同的透射特性。例如，不同的透射特性可以归因于不同的颜色，诸如红色、绿色、蓝色或其他感兴趣的光谱带或光谱线。出射介质由颜色传感器组成。

对于由电介质滤波器组成的单独的滤波器元件，能够以改进的光谱特性来实现颜色传感器，例如取决于滤波器元件数量的双色或多色传感器。尤其地，能够减少由于光谱拖尾而导致的滤波器元件之间的光谱重叠。这允许改进经由不同滤波器元件记录的传感器信号之间的光谱选择性。这可以有助于提高颜色检测的精度。

在至少一个实施例中，一种滤波器组件的制造方法包括以下步骤：提供入射介质，以及在入射介质与至少一个电介质滤波器之间设置间隔件。间隔件被设置成使得入射介质和至少一个电介质滤波器被间隔开工作距离并且包围折射率低于入射介质的介质。最后，至少一个电介质滤波器被设置在出射介质上。

在至少一个实施例中，通过对粘合剂和/或光学粘合剂进行图案化来将间隔件设置在入射介质与至少一个电介质滤波器之间。可以在入射介质上或直接在入射介质上执行图案化。替代地，也可以在至少一个电介质滤波器上或直接在至少一个电介质滤波器上执行图案化。

在至少一个实施例中，通过对金属层进行图案化来将间隔件设置在入射介质与至少一个电介质滤波器之间。可以在入射介质上或直接在入射介质上执行图案化。替代地，也可以在至少一个电介质滤波器上或直接在至少一个电介质滤波器上执行图案化。

从滤波器组件、检测器的各种实现方式和实施例中容易得到滤波器组件的制造方法的另外的实现方式，反之亦然。

在下文中，相对于附图进一步详细描述上面给出的原理，在附图中给出了示例实施例。

图1A、1B示出了滤波器组件和光谱透射曲线的示例实施例，

图2B、2B示出了滤波器组件和光谱透射曲线的另一示例实施例，

图3A、3B示出了滤波器组件的示例实施例的模拟结果，

图4A、4B示出了具有闪烁体和光谱透射曲线的CT检测器的滤波器组件的示例实施例，

图5示出了明视滤波器的示例光谱透射曲线，

图6A、6B示出了现有技术的滤波器组件和光谱透射曲线，

图7A、7B示出了另一现有技术的滤波器组件和光谱透射曲线，以及

图8A、8B、8C示出了另一现有技术的滤波器组件和光谱透射曲线。

图1A示出了滤波器组件的示例实施例。滤波器组件被设置用于光学传感器。尤其地，滤波器组件包括入射介质10、间隔件30、电介质滤波器50和出射介质70。在该实施例中，出射介质70被实现为光学传感器71的一部分。

光学传感器71包括具有主表面73的半导体衬底72。集成电路75设置在半导体衬底72中的主表面73处或其附近。集成电路75具有光敏区域74。在制造过程中，半导体衬底72可以是硅晶片，或硅晶片的一部分。例如，集成电路75包括一个或更多个光电二极管，优选地是在电磁光谱的可见光、UV或(近)红外范围内敏感的光电二极管。可以使用CMOS工艺技术来集成光电二极管。

电介质滤波器50设置在光学传感器71的主表面73上。电介质滤波器50能够直接设置在主表面73上，或者其间可以存在电介质层(未示出)。通常，电介质滤波器覆盖集成电路75的光敏区域74。电介质滤波器50包括在晶片级工艺中可以溅射或沉积在CMOS工艺的最后一层(例如，平面化氧化物)上的若干层，通过该CMOS工艺制造光学传感器71，例如光敏区域74或集成电路75。

例如，电介质滤波器50能够被设计为干涉滤波器或等离子体激元滤波器。在这两种情况下，电介质滤波器包括不同局部层的叠层。干涉滤波器例如包括在目标光谱中具有不同折射率的电介质材料的交替层。单独的层的厚度由例如借助于专用滤波器设计软件的滤波器设计确定。电介质滤波器50具有由其滤波器设计确定的透射特性。透射特性是入射角的函数。在这个意义上，电介质滤波器的透射是方向相关的。干涉滤波器的示例包括截止滤波器、明视滤波器、滤色器、带通滤波器及其任何组合。

间隔件30设置在电介质滤波器50上。事实上，间隔件30设置在入射介质10与电介质滤波器50之间，使得入射介质10和电介质滤波器50被间隔开并包围腔31。腔31包括折射率低于入射介质10的介质，例如环境空气。因此，通过间隔件30，入射介质10和电介质滤波器50被间隔开工作距离32。在开放腔31和空气作为较低折射率的介质的情况下，工作距离32能够被认为是气隙。

间隔件30能够以不同的方式来制造，例如，在诸如晶片级的制造环境中实施到滤波器设计中。具体的方式取决于用于间隔件的材料。

一种方式是使用光学粘合剂作为间隔件材料，并通过将间隔件材料图案化到电介质滤波器50上来实现间隔件。能够使用例如丝网印刷或微型模板来实现该过程。光学粘合剂可以在图案化之后被加热或UV固化。该过程能够适于在固化后建立限定的和均匀的厚度。一种替代方法是使用金属作为间隔件材料。能够使用溅射来沉积薄金属层作为间隔件，然后使用电镀将厚度增加到所需厚度。这可能需要图案化步骤来限定金属种子层。这些仅仅是可以如何制造间隔件30的两个示例。所提出的发明不应被认为限于这两种选择。

间隔件30能够具有不同的几何形状。例如，间隔件30能够被设置在电介质滤波器50的一个或更多个边缘处。此外，间隔件30可以框住电介质滤波器50。在这个意义上，间隔件30可以由例如在滤波器的边缘处或框住滤波器的多个部分中的一个组成。这样，间隔件可以仅阻挡少量的入射光。然而，也可以使用光学透明材料(例如上述的光学粘合剂)来制造间隔件30，以进一步减少对入射光的吸收或阻挡。间隔件30不是在沿入射介质或电介质滤波器的轮廓覆盖该入射介质或电介质滤波器的意义上的层。相反，间隔件30被结构化或图案化以允许光穿过较低折射率的介质。

入射介质10包括光学透明或半透明材料。此外，入射介质10具有大于1的折射率N，例如N＝1.5。例如，入射介质10能够被实现为漫射体。如果实现为漫射体，则入射介质10能够例如在间隔件30上旋转或者通过模制设置。可以使用透明有机层来实现入射介质10，并且光散射粒子能够被添加到该介质中。光散射粒子通常具有例如1至15微米的尺寸。通常，选择使得在漫射体内的散射遵循几何光学定律的尺寸，使得散射基本上不依赖于波长。此外，漫射体和光散射粒子二者的材料都被选择为在目标波长区域中不吸收。漫射体厚度通常为20至数百微米。

入射光可以从各种入射角(如图中的射线所示)，即从相对于能够由滤波器组件的任何适当表面限定的表面法线的±90°内撞击入射介质10(例如漫射体)。光以具有漫射分布角度的角度离开入射介质10。换句话说，作为漫射体的入射介质构成朗伯表面，即入射介质具有各向同性的出射亮度，并且发光强度服从朗伯余弦定律。这种朗伯散射与角度无关，使得当从位于与表面相邻的半空间中的所有方向观察时，存在相等的亮度。

入射光最终穿过入射介质10，并在出射表面11处以如上所述的漫射分布角度离开入射介质。入射光在具有给定折射率的入射介质10与腔31中的较低折射率的介质之间的第一边界处折射。该较低折射率的介质(例如环境空气)被入射介质10和电介质滤波器50包围。入射光从入射介质10之间的第一边界(即出射表面11)朝向位于腔31中的较低折射率的介质的下游的电介质滤波器50穿过。第二边界位于腔31中的较低折射率的介质与电介质滤波器50之间。入射光再次折射并耦合到电介质滤波器50中。入射介质10、较低折射率的介质和电介质滤波器50能够被认为是具有平均折射率的混合叠层。平均折射率取决于间隔件30，并且尤其取决于工作距离32。

第一边界处的折射主要由入射介质10与外壳或腔31中的较低折射率的介质(例如环境空气)之间的折射率的差来确定。如果放置在工作距离32内，则在改变入射角的情况下，电介质滤波器50的透射特性(例如其中心波长)的光谱移位能够保持在给定的限度内。例如，在小于±30°、±20°、±10°等的间隔的入射角下，光谱移位能够保持恒定(或在±1nm、±2nm、±5nm等内)。因此，光谱移位能够被限制在由间隔件30的特性确定的程度(除其他参数外)。工作距离32能够借助于专用光学设计和模拟软件来确定。

最后，根据电介质滤波器50的透射特性对撞击电介质滤波器50的光进行滤波。然后，这样被滤波的光能够借助于光学传感器71(用作出射介质70)，尤其是集成电路75的光敏区域74来检测。

图1B示出了图1A的滤波器组件的示例实施例的光谱透射曲线。模拟指示，间隔件30(例如入射介质10与一个或多个电介质滤波器50之间的气隙)的工作距离32的适当值能够减小光谱展宽和光谱移位，并且提高透射光分辨率。

曲线示出了在非零工作距离(虚线)和零工作距离(实线)的情况下，随波长λ[nm]变化的模拟透射图(滤波器透射率T[％])。这些结果指示，非零工作距离的存在显著地改进了透射图的形状，示出了更多的峰形，其在较低和较高波长处具有较少的泄漏。模拟假定为图1A的实施例。为此，考虑了±90°内的各种入射角和N＝1.5的入射介质。腔31是开放的，并因此填充有折射率为N＝1.0的环境空气。

总之，图1A的实施例示出了光谱移位和光谱拖尾的显著减小的影响。此外，红外中的光谱泄漏也被减小。这主要是由于设置在包括入射介质10、腔31中的较低折射率的介质和电介质滤波器50的混合结构中的间隔件30。特别地，该混合结构能够由第一和第二边界处的入射光的折射所限定的平均折射率来表示。事实上，已经发现入射介质与腔31中的较低折射率的介质之间的折射率中的差提高了电介质滤波器50的光谱特性。

图2A示出了滤波器组件的另一示例实施例。该实施例与图1A所示的实施例类似，即滤波器组件被设置用于光学传感器71。特别地，滤波器组件包括入射介质10和间隔件30。在该特定实施例中，入射介质的折射率N＝1.8。然而，电介质滤波器50是双滤波器设计，并且具有第一滤波器51和第二滤波器52。第一滤波器51和第二滤波器52分别具有不同的透射特性，例如短通和长通。

第一滤波器51和第二滤波器52可以是分离的或者设置在同一载体上。出射介质70被实现为光学传感器71的一部分，但是具有两个不同的光敏区域76、77。出射介质70能够设置在同一半导体衬底72和同一集成电路75中。替代地，光学传感器71能够设置在分离的半导体衬底和/或分离的集成电路上。在任何情况下，每个滤波器51、52与光敏区域76、77的专用光敏区域相关联。

例如，光学传感器是双色传感器。本发明例如通过使用多滤波器设计能够扩展到多色传感器，其中每个滤波器元件与专用光敏区域相关联。

图2B示出了图2A的滤波器组件的示例实施例的光谱透射曲线。曲线代表在非零工作距离(虚线)和在入射介质与电介质滤波器之间没有设置间隔物没有工作距离(实线)的情况下，随波长λ[nm]变化的模拟透射图(滤波器透射率T[％])。示出了分别代表短通和长通透射滤波器的两条实线。该模拟假定为图2A的实施例。已经考虑了±90°内的各种入射角和N＝1.8的入射介质。腔31是开放的，并因此填充有折射率为N＝1.0的环境空气。

结果比较了无间隔件设计与开放腔或气隙设计的情况下的滤波器透射。模拟示出，将间隔件30设计到滤波器设计中显著地改进了透射分布，使其更接近理想的透射图。

总之，以上关于图1A的实施例讨论的发现能够扩展到双色或多色传感器和应用。因此，对于电介质滤波器50所包括的单独的滤波器元件，光谱特性被改进。特别地，由于光谱拖尾而引起的滤波器元件之间的光谱重叠能够减少。这允许改进在双色或多色传感器和应用中的光谱选择性。

图3A和3B示出了图2A的滤波器组件的示例实施例的滤波器组件的示例实施例的模拟结果。曲线代表随波长[nm]变化的模拟透射图(滤波器透射率T[％])。该模拟假设图2A的实施例。该透射图是针对不同的工作距离32，尤其是0.25μm、0.5μm、1.0μm、1.5μm和2.0μm(参见图3A的图例)以及2.0μm、5.0μm和10.0μm(参见图3B的图例)而模拟的。

所提出的发明不限于作为入射介质的漫射体，因为它能够应用于需要改进的光谱分辨率的任何应用，例如在存在漫射入射光的情况下。下面给出的两个示例实施例描述了本发明如何能够用于增强(1)计算机断层扫描(CT)检测器和(2)明视滤波器的性能。

图4A示出了滤波器组件的另一示例实施例。滤波器组件被设置用于计算机断层扫描检测器78(CT检测器)。特别地，滤波器组件包括作为入射介质10的闪烁体12、间隔件30、电介质滤波器50和出射介质70。在该实施例中，出射介质70被实现为作为出射介质的CT检测器的一部分。CT检测器可以具有大约N＝4.4的折射率。CT检测器78包括多个检测器元件或光敏区域(未示出)。检测器元件能够被实现为设置在出射介质中的光电二极管或硅光电倍增管。此外，CT检测器78可以包括类似于上述光学检测器的集成电路。

闪烁体12被设置为闪烁体层。例如，考虑存在两个闪烁体层，即第一闪烁体层可以是硫氧化钆(GOS)，第二闪烁体层可以是掺铈镥(LYSO)。闪烁体具有例如大约N＝1.85的折射率。

如在前述实施例中，间隔件30被设置在电介质滤波器50上。实际上，间隔件30被设置在闪烁体12与电介质滤波器50之间，该闪烁体和电介质滤波器由此被间隔开并包围开放腔31。因此，腔31填充有环境空气，并且能够归因于N＝1.0的折射率。电介质滤波器50包括多个滤波器元件，该滤波器元件中的每个可以分别归因于检测器元件。例如，电介质滤波器50包括两个滤波器元件，例如短通滤波器和长通滤波器。

CT检测器78被设置成检测由X射线源生成的并且已经穿过目标的X射线。X射线最终撞击闪烁体12及其闪烁体层，该闪烁体层将X射线转换成特定波长的光。特定波长主要由闪烁体层的材料特性确定。例如，两个闪烁体层具有不同的特定波长。由GOS制成的第一闪烁体层将入射的X射线转换成两种不同的波长，即670nm(红光)和520nm(绿光)。由LYSO制成的第二闪烁体层将入射的X射线转换成420nm波长(蓝光)。

在闪烁体层内产生的光本质上是漫射的，并且在出射表面11处以如上关于图1A所述的漫射分布角度离开闪烁体12(作为入射介质10)。最后，根据电介质滤波器51、52的透射特性对撞击电介质滤波器50的光进行滤波。例如，两个滤波器元件(例如短通滤波器和长通滤波器)用于将红光和蓝光传递到光电检测器，并阻挡绿光。

图4B示出了图4A的滤波器组件的示例实施例的光谱透射曲线。曲线代表在非零工作距离(虚线)和在入射介质与电介质滤波器之间没有设置间隔件(实线)的情况下随波长λ[nm]变化的模拟透射图(滤波器透射率T[％])。该模拟假定为图4A的实施例。

显然，没有间隔件30的滤波器组件在光通过电介质滤波器时产生光谱拖尾。所得到的透射图远不是理想的图(参见实线)。示出了绿光的大约50％的透射。通过应用所提出的滤波器设计，即通过结合间隔件30和非零工作距离，所得到的透射曲线能够显著地被改进，如附图(虚线)中所示。绿光的透射率被降低到10％以下。

总之，所提出的滤波器组件也能够应用于除了光学传感器之外的类型的传感器。诸如CT检测器78之类的X射线检测器基于闪烁体，该闪烁体本质上在闪烁体层中产生的光中引入漫射分布角度。对于电介质滤波器50，光谱特性得到改进，例如，能够减少由于光谱拖尾而引起的滤波器元件之间的光谱重叠。这允许改进在X射线传感器和诸如CT检测器之类的应用中的光谱选择性。

图5示出了明视滤波器的模拟光谱透射曲线。该模拟假设电介质滤波器50由分别作为高折射率材料和低折射率材料的Nb₂O₅和SiO₂的多层组成。该电介质滤波器50能够用作例如图1A的实施例中的滤波器。例如，一个目的可以是制造使555nm、半高全宽FWHM＝100nm的光通过的电介质干涉滤波器。

模拟结果被描绘为在有间隔件30(虚线)和在入射介质10与电介质滤波器50之间没有设置间隔件30(实线)的情况下随波长λ变化的模拟透射图(滤波器透射率T[％])。如果明视干涉滤波器50被平行光以0°AOI(标称入射)照射，则峰值位置居中在555nm处。如果同一滤波器50被具有AOI的朗伯分布的漫射光照射，则峰值位置移位，存在滤波器形状的展宽，并且红外泄漏增加(参见实线)。能够通过应用如本文中提出的间隔件30和工作距离32来增强明视干涉滤光器50的光谱响应。滤波器50的阻带和透射性能在具有气隙的涂层的情况下(即，开放腔设计)比没有气隙的涂层的情况下(参见虚线)明显更好。

总之，包括间隔件的混合结构允许改进明视滤波器设计中的光谱特性。相同的原理也可以应用于暗视滤波器设计。这些类型的滤波器分别被专门设计成类似于白天和夜晚的人类视觉。因此，减少光谱移位、拖尾和泄漏的影响改进了人类视觉应用(例如颜色传感器)中的光学传感器性能。

在另一个实施例(未示出)中，滤波器组件被配置用于光谱的红外(IR)部分，例如近红外。电介质滤波器50具有在IR中具有光谱窗(例如700nm至1mm)的透射特性。例如，一个或多个光谱窗位于0.75-1.4μm的近红外(NIR)中。上面示出的实施例能够与也在IR和NIR中的滤波器组件一起使用。然而，取决于光谱窗，可以调整用于入射介质和出射介质的材料以在它们的光学性质上匹配。例如，作为用于半导体衬底72的材料的半导体(诸如硅)示出了在IR中的透射，并且可以与在IR中不具有显著透射的材料交换。

通常，滤波器组件能够应用于改进许多干涉滤波器例如在漫射光条件下的光谱性能，并且当入射介质的折射率高时尤其适用。滤波器组件不限于漫射光条件或可见光波长。事实上，滤波器组件能够应用于其他波长范围(例如红外或紫外UV)的干涉滤波器。

附图标记

10 入射介质

11 出射表面

12 闪烁体

30 间隔件

31 腔

32 工作距离

50 电介质滤波器

51 第一滤波器

52 第二滤波器

70 出射介质

71 光学传感器

72 半导体衬底

73 主表面

74 光敏区域

75 集成电路

76、77 光敏区域

78 CT检测器

T[％] 滤波器透射率

λ[nm] 以纳米为单位的波长

Claims

1.一种滤波器组件，包括入射介质(10)、间隔件(30)、至少一个电介质滤波器(50)和出射介质(70)，其中：

-所述间隔件(30)被设置在所述入射介质(10)与所述至少一个电介质滤波器(50)之间，使得所述入射介质(10)和所述至少一个电介质滤波器(50)被间隔开工作距离(32)，并由此包围折射率低于所述入射介质(10)的介质，并且

-所述至少一个电介质滤波器(50)被设置在所述出射介质(70)上。

2.根据权利要求1所述的滤波器组件，其中，所述间隔件(30)被设置为限制在改变入射角的情况下入射的光的光谱移位。

3.根据权利要求1或2所述的滤波器组件，其中，

-放置在与所述入射介质相距所述工作距离(32)内的电介质滤波器(50)具有透射特性，

-所述工作距离(32)被设置为使得在改变入射角的情况下，所述电介质滤波器(50)的透射特性的光谱移位保持在给定的限度内。

4.根据权利要求2或3所述的滤波器组件，其中，在小于±30°、±20°、±10°等的间隔的入射角下，所述光谱移位保持恒定或者在±1nm、±2nm、±5nm等内。

5.根据权利要求1至4之一所述的滤波器组件，其中，

-所述入射介质(10)、较低折射率的介质和所述电介质滤波器(50)形成具有平均折射率的混合叠层，

-所述平均折射率取决于所述间隔件(30)和所述工作距离(32)，并且

-所述电介质滤波器(50)的光谱特性取决于所述平均折射率。

6.根据权利要求1至5之一所述的滤波器组件，其中，所述入射介质(10)被设置为改变入射辐射，使得经改变的辐射以漫射辐射分布离开所述入射介质。

7.根据权利要求1至6之一所述的滤波器组件，其中，

-所述入射介质(10)、所述间隔件(30)和所述至少一个电介质滤波器(50)包围腔(31)，并且

-所述腔(31)包括折射率低于所述入射介质的介质。

8.根据权利要求1至7之一所述的滤波器组件，其中，所述入射介质(10)的折射率大于1。

9.根据权利要求1至8之一所述的滤波器组件，其中，

-所述工作距离(32)的值为0.25μm至10μm，以及/或者

-所述工作距离(32)的值为至少2μm。

10.根据权利要求9所述的滤波器组件，其中，

-所述腔(31)对周围环境是开放的，

-所述腔(31)是开放的、填充有环境空气，并且所述工作距离(32)的值为至少2μm，或者

-所述腔(31)对周围环境是封闭的。

11.根据权利要求1至10之一所述的滤波器组件，其中，所述间隔件(30)设置在所述至少一个电介质滤波器(50)的一个边缘、多个边缘或框架处。

12.根据权利要求1至11之一所述的滤波器组件，其中，所述间隔件(30)包括：

-图案化的粘合剂，

-图案化的光学粘合剂，和/或

-金属层。

13.根据权利要求1至12之一所述的滤波器组件，其中，所述出射介质(70)包括用于电磁辐射的检测器的至少一个有源表面。

14.根据权利要求1至13之一所述的滤波器组件，其中：

-所述至少一个电介质滤波器(50)包括滤波器元件，并且

-所述滤波器元件具有不同的透射特性。

15.根据权利要求14所述的滤波器组件，其中，所述滤波器元件被设置用于双色、多色、明视和/或明视应用。

16.一种制造滤波器组件的方法，包括以下步骤：

-提供入射介质(10)，

-在所述入射介质(10)与至少一个电介质滤波器(50)之间设置间隔件(30)，使得所述入射介质(10)和所述至少一个电介质滤波器(50)被间隔开工作距离(32)，并包围折射率低于所述入射介质的介质，以及

-将所述至少一个电介质滤波器(50)设置在出射介质(70)上。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，

-通过使粘合剂和/或光学粘合剂图案化来将所述间隔件(30)设置在所述入射介质(10)与至少一个电介质滤波器(50)之间，或者

-通过使金属层图案化来将所述间隔件(30)设置在所述入射介质(10)与至少一个电介质滤波器(50)之间。

18.一种检测器，包括：

-根据权利要求1至15之一所述的滤波器组件，

-光学传感器，其包括一个或更多个光敏区域，其中，所述出射介质(70)由所述光学传感器组成。

19.根据权利要求18所述的检测器，其中，所述电介质滤波器(50)包括一个或更多个滤波器元件，其中，所述一个或更多个滤波器元件分别具有不同的透射特性。

20.根据权利要求18或19所述的检测器，其中，所述检测器是计算机断层扫描检测器。