CN114556169A - 多透射光学滤波器 - Google Patents

Abstract

一种光学滤波器可以包括：干涉滤波器，使与至少两个透射峰相关联的至少两个通道穿过；以及多个阻挡器，其中所述多个阻挡器中的每个阻挡器使与所述至少两个透射峰中的相应透射峰相关联的相应通道穿过，并且阻挡除了与所述相应透射峰相关联的所述相应通道之外的一个或多个通道。

Description

多透射光学滤波器

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2019年10月9日提交的标题为“MULTI-TRANSMISSION OPTICALFILTER”的美国临时专利申请号62/912,951和于2020年10月7日提交的标题为“MULTI-TRANSMISSION OPTICAL FILTER”的美国非临时专利申请号16/948,960的优先权，其通过引用明确并入本文。

背景技术

干涉滤波器是反射一个或多个光谱带或线并且透射其他光谱带或线的光学滤波器。由于在干涉滤波器的边界处的入射波和反射波之间发生的干涉效应，干涉滤波器可以是波长选择性的。

发明内容

根据一些实施方式，一种光学滤波器可以包括：干涉滤波器，使与至少两个透射峰相关联的至少两个通道穿过；以及多个阻挡器，其中多个阻挡器中的每个阻挡器使与至少两个透射峰中的相应透射峰相关联的相应通道穿过，并且阻挡除了与相应的透射峰相关联的相应的通道之外的一个或多个通道。

根据一些实施方式，一种传感器设备可以包括：光学传感器，使用多个通道收集数据；以及光学设备，包括：间隔物；以及第一反射镜和第二反射镜，其中光学设备与至少两个透射峰相关联；以及多个阻挡器，被附接至光学设备，其中多个阻挡器中的每个阻挡器使多个通道中与至少两个透射峰中的相应的透射峰相关联的相应的通道穿过。

根据一些实施方式，一种二进制多光谱滤波器可以包括：多个干涉滤波器；以及多个阻挡器，其中多个干涉滤波器中的每个干涉滤波器被配置为使与相应透射峰对相关联的相应的通道对穿过，其中多个干涉滤波器中的干涉滤波器与多个阻挡器中的第一阻挡器相关联，该第一阻挡器被配置为使与相应的透射峰对的第一透射峰相关联的通道穿过，并且阻挡与相应透射峰对中的第二透射峰相关联的通道，并且其中干涉滤波器与多个阻挡器中的第二阻挡器相关联，该第二阻挡器被配置为使与第二透射峰相关联的通道穿过并且阻挡与第一透射峰相关联的通道。

附图说明

图1是示例干涉滤波器的示图。

图2是包含干涉滤波器的示例设备的示图。

图3是图示了干涉滤波器的示例透射图表的示图。

图4是图示了与多个不同厚度的间隔物相关联的干涉滤波器的示例透射图表的示图。

图5是图示了干涉滤波器的示例透射图表的示图。

具体实施方式

示例实施方式的以下详细描述参照附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或类似的元件。

光学传感器可以使用滤波器来透射期望频率的光用于感测操作。例如，光学传感器可以执行关于一个或多个频率范围(在本文中称为通道)的感测。在一些情况下，光学传感器可以使用干涉滤波器来透射通道并且阻挡不需要的光频率。干涉滤波器(例如干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、标准具、利奥滤波器等)可以基于干涉滤波器的几何形状和材料成分透射与透射峰相关联的光。在一些实施方式中，干涉滤波器可以是可被配置的以透射与在干涉滤波器的自由光谱范围(FSR)内的透射峰相关联的通道，使得光学传感器可以执行关于通道的感测。

使用单个光学传感器执行多个通道的感测可能是有益的。为了促进多个通道的感测，干涉滤波器的FSR可以通过改变干涉滤波器的几何形状和/或材料成分来操纵。然而，较大的FSR可能会导致较大的谐振器带宽，从而导致较差的光谱分辨率，因此扩展FSR以扩宽可寻址通道的范围可能并非在所有用例中都是可行的解决方案。如果光学传感器要执行多个通道的感测，干涉滤波器可以被制造带有两个或多个不同的间隔物厚度，这可能会导致干涉滤波器透射两个或多个对应的通道。然而，多个间隔物厚度的使用可能使光学滤波器的制造复杂化，并且可能难以或不可能使用一些沉积技术来实现。

如果干涉滤波器被配置为透射与FSR的某些区域中的透射峰相关联的通道，那么干涉滤波器还可以使与在不同于期望透射峰的频率的第二透射峰相关联(例如由于谐波效应)的第二通道穿过。例如，如果干涉滤波器被配置为透射在FSR的易受谐波效应影响的区域中出现的透射峰，则干涉滤波器还可以透射可能与期望通道重叠的第二透射峰。在这种情况下，如果干涉滤波器(或另一滤波器)没有被配置为阻挡不想要的谐波透射峰，则光学传感器可以检测到期望通道中的噪声。

本文描述的实施方式提供了一种干涉滤波器，该干涉滤波器透射与两个或多个透射峰相关联的通道，用于由光学传感器测量：第一透射峰(例如在干涉滤波器的FSR的谐波区域中)和与对应的第一透射峰谐波相关的第二透射峰。干涉滤波器可以包括对应于两个或多个透射峰的两个或多个阻挡器。每个阻挡器可以使与两个或多个透射峰中的一个相应透射峰相关联的相应通道穿过，并且可以阻挡两个或多个透射峰中的一个或多个其他透射峰。阻挡器可以在FSR的区域中使用透射峰，否则会导致谐波干涉。例如，这可以使光学传感器能够在近红外(NIR)光谱范围和可见光谱范围(例如红光波长范围、生物学上显著的波长范围等)中执行感测，而与可变间隔物设计相比，无需增加设计复杂性或制造难度。

图1是示例干涉滤波器100的示图。在一些实施方式中，干涉滤波器100可以包括光谱滤波器、多光谱滤波器(例如二进制多光谱滤波器等)等。在一些方面中，干涉滤波器100可以被包括生物特征传感器设备、安全传感器设备、健康监测传感器设备、物体标识传感器设备、光谱标识传感器设备、可穿戴设备的传感器等。如所示，干涉滤波器100包括一个或多个间隔物110、反射镜组120和阻挡器组130-1和130-2。光经由间隔物110的传播和反射镜120对光的反射可能会创建干涉，并且可能使仅与具体通道或频率范围(例如透射峰)相关联的光穿过。通道可以通过改变间隔物110的厚度或间隔物110和/或反射镜120的材料特性来配置。例如，当间隔物110的厚度被改变时，干涉滤波器100的通道可以向上或向下移位。类似地，如果间隔物110的不同区域具有不同厚度，或者如果干涉滤波器100的不同间隔物110具有不同厚度，则不同区域或不同间隔物110可以使与不同透射峰相关联的通道穿过。而且，改变间隔物110和/或反射镜120的材料特性可以向上或向下移位透射峰。间隔物110可以包括能够使光穿过的任何材料，诸如玻璃、聚合物、衬底等。例如，间隔物110可以包括二氧化硅(SiO2)、氢化硅(Si:H)、铌钛氧化物(NbTiOx)、铌钽氧化物(NbTaOx)、氧化锌(ZnO)等。Si:H可以在给定设计可能出现谐波透射峰的区域中提供材料吸收，这意味着Si:H的使用可以提供阻挡器130关于谐波透射峰的功能性。在一些方面中，干涉滤波器100可以包括阻挡第一透射峰的单个阻挡器130和部分由Si:H组成的阻挡第二透射峰的间隔物110。例如，干涉滤波器100的未被单个阻挡器130覆盖的区域可以包括由Si:H组成的间隔物110，从而降低与实施多个阻挡器相关联的成本。因此，阻挡器可以在干涉滤波器100的氢化硅间隔物110中实施。反射镜120可以包括反射层，诸如反射玻璃层等。反射镜120可以被附接至间隔物110的相对侧。在一些方面中，反射镜120可以由反射材料组成，诸如银层等。在一些方面中，反射镜120和间隔物110可以共同具有小于阈值的厚度。例如，反射镜120和间隔物110可以形成具有小于约3微米厚度的法布里-珀罗干涉仪。

如所示，干涉滤波器100包括多个阻挡器130。阻挡器130包括能够阻挡(例如反射、吸收或其组合)与第一频率相关联的光并且使(例如透射)与第二频率相关联的光穿过的设备。例如，阻挡器130可以包括光学滤波器。在一些实施方式中，阻挡器130可以被附接至干涉滤波器100的表面。在一些实施方式中，阻挡器130在干涉滤波器100的表面上可以彼此不重叠。

在图1所示的示例中，阻挡器130-1被配置为使大约1100nm处的通道(由透射图表150的右侧透射峰周围的虚线椭圆指示)穿过，并且阻挡器130-2被配置为使大约775nm处的通道(由透射图表150的左侧透射峰周围的虚线椭圆指示)穿过。透射图表150结合图3更详细地描述。

每个阻挡器130可以被配置为阻挡一个或多个通道，而不是由该阻挡器130穿过的通道。例如，阻挡器130-1可以被配置为阻挡与阻挡器130-2相关联的波长的光(例如大约775nm)，并且阻挡器130-2可以被配置为阻挡与阻挡器130-1相关联的波长的光(例如大约1100nm)。通过这种方式，干涉滤波器100可以通过使用阻挡器130阻挡不想要的频率来利用与谐波透射峰相关联的透射峰，从而减少干涉并且提高由与干涉滤波器100相关联的光学传感器执行的测量的准确性。

透射峰以及与透射峰相关联的对应谐波透射峰可以使用用于分析电磁波通过分层介质的传播的方法来标识。在一个示例中，透射峰和对应的谐波透射峰可以使用转移矩阵方法来确定。例如，转移矩阵方法可以至少部分地基于反射镜120和间隔物110的几何形状和材料成分来标识与反射镜120和间隔物110相关联的谐波响应。谐波响应可以指示透射峰和一个或多个对应的谐波透射峰。

干涉滤波器100可以包括多个不同厚度的间隔物110。间隔物110的每个厚度可以与相应透射峰对(或相应的多个透射峰)和对应的阻挡器组130相关联。与这种实施方式相关联的透射图表的示例在图4和5中示出。在一些方面中，间隔物110和反射镜120可以被配置为使得间隔物110和反射镜120创建透射峰和对应的谐波透射峰。例如，间隔物110和反射镜120的厚度、间隔物110和反射镜120的材料特性等可以被配置为使间隔物110和反射镜120透射透射峰和一个或多个对应的谐波透射峰。

如上面指示的，图1仅被提供为示例。其他示例可以不同于关于图1所描述的。

图2是包含干涉滤波器100的示例设备200的示图。设备200包括任何设备，该任何设备包括干涉滤波器100和光学传感器210。在一些方面中，设备200是光学设备。干涉滤波器100在本文其他地方更详细地描述。在一些实施方式中，设备200可以是传感器设备，诸如光谱仪、光谱传感器(例如二进制多光谱(BMS)传感器)等。如所示，设备200包括干涉滤波器100和光学传感器210。光学传感器210包括能够感测光的设备。例如，光学传感器210可以包括图像传感器、多光谱传感器、光谱传感器等。在一些实施方式中，光学传感器210可以包括电荷耦合设备(CCD)传感器、互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器等。在一些实施方式中，光学传感器210可以包括正面照射(FSI)传感器、背面照射(BSI)传感器等。如由附图标记220所示，干涉滤波器100的第一阻挡器130可以通过与第一透射峰相关联的通道。如由附图标记230所示，干涉滤波器100的第二阻挡器130可以使与第二透射峰相关联的通道穿过。

如上面指示的，图2仅被提供为示例。其他示例可以不同于关于图2所描述的。

图3是图示了针对干涉滤波器100的示例透射图表300(例如透射图表150)的示图。如所示，透射图表300包括第一透射峰310和第二透射峰320。例如，第一透射峰310可以出现在干涉滤波器100的自由光谱范围(FSR)330的区域中，该区域与第一透射峰310的谐波透射峰(即，第二透射峰320)相关联。

谐波峰可能干涉传感器设备(例如设备200)的感测操作。例如，考虑被配置为使大约775nm处的第一通道(例如作为初级通道，而不是作为另一通道的谐波)和大约1100nm处的第二通道穿过的干涉滤波器。在这种情况下，除了在775nm处的第一通道之外，干涉滤波器还可以使在775nm处的第二通道的谐波透射峰穿过。因此，干涉滤波器可能由于第一通道与谐波透射峰的重叠而在775nm处对第一通道造成干涉。

通过利用阻挡器130和与第一透射峰310相关联的谐波透射峰，干涉滤波器100可以减少干涉，并且干涉滤波器100的有效光谱范围可以被增加。例如，干涉滤波器100可以使用单个间隔物来使第二通道(与第一透射峰310相关联)和第二通道的谐波透射峰(与第二透射峰320相关联)穿过，而不是配置干涉滤波器的两个间隔物来使第一通道和第二通道(这可能会导致第一通道和第二通道的谐波透射峰之间的干涉)穿过。干涉滤波器100的相应阻挡器可以阻挡第一通道和第二通道中的一个通道。因此，干涉滤波器100可以使与单个间隔物厚度处的两个透射峰相关联的光通过，从而简化干涉滤波器100的制造，并且针对给定的间隔物厚度分布增加可以由干涉滤波器100使通道穿过的通道数量。

图4是图示了针对与多个不同厚度的间隔物110相关联的干涉滤波器(例如干涉滤波器100)的示例透射图表400的示图。此处，干涉滤波器的八个区域中的五个区域仅通过示例示出，并且未被示出的区域由省略号指示。如通过附图标记410所示，干涉滤波器可以包括多个不同厚度的间隔物110。如所示，每个间隔物110与相应的反射镜组120和相应的多个(例如对应的一对)阻挡器130相关联。

基于间隔物110的相应厚度和/或间隔物110和/或反射镜120的材料特性，干涉滤波器的每个区域可以使相应的通道穿过。相应的通道由附图标记420示出。此外，如果相应通道在与相应谐波透射峰相关联的FSR区域中，则干涉滤波器的每个区域可以使与相应谐波透射峰相关联的通道穿过。与谐波透射峰相关联的相应通道由附图标记430示出。如所示，与不同间隔物厚度相关联的干涉滤波器的每个区域可以与相应的间隔物对110相关联。每对中的一个间隔物110可以阻挡由附图标记420所示的通道，并且每对中的其他间隔物110可以阻挡由附图标记430所示的通道。通过这种方式，相对于干涉滤波器被配置为使与谐波效应相关联的FSR区域之外的单个通道穿过的方法，增加了由干涉滤波器使通道穿过的通道数量。

图5是图示了干涉滤波器(例如干涉滤波器100)的示例透射图表500的示图。如由图表500所示，在一些实施方式中，干涉滤波器可以是多个初级滤波器通道510和多个次级滤波器通道520。每个次级滤波器通道520可以与对应的初级滤波器通道510的谐波透射峰相关联。如所示，初级滤波器通道510和次级滤波器通道520可以相对于彼此处于大约5nm的间隔。这可以通过配置反射镜120或间隔物110的特性来实现。因此，传感器设备(例如设备200)可寻址的通道的间隔和数量可以相对于不使用次级滤波器通道520的方法增加。

如上面指示的，图5被提供为示例。其他示例可以不同于关于图5所描述的。

前述公开内容提供了图示和描述，但并非旨在穷举实施方式或将实施方式限制于所公开的精确形式。修改和变化可以鉴于以上公开内容进行，或者可以从实施方式的实践中获取。

如本文使用的，取决于上下文，满足阈值可以指值大于(greater than)阈值、大于(more than)阈值、高于阈值、大于或等于阈值、小于(less than)阈值、小于(fewer than)阈值、低于阈值、小于或等于阈值、等于阈值等。

即使特征的特定组合在权利要求中叙述和/或在说明书中公开，但是这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开内容。事实上，这些特征中的许多特征可以以未在权利要求中具体叙述和/或在说明书中公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可能直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开内容包括与权利要求组中的每个其他权利要求组合的每个从属权利要求。

除非明确地这样描述，否则本文使用的元件、行动或指令不应该被解释为关键或必要的。而且，如本文使用的，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。进一步地，如本文使用的，冠词“该”旨在包括结合冠词“该”引用的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文使用的，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如相关项目、不相关项目、相关项目和不相关项目的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换使用。在仅有一个项目的情况下，短语“仅一个”或类似语言被使用。而且，如本文使用的，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”等旨在作为开放式术语。进一步地，除非另有明确规定，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。而且，如本文使用的，除非另有明确规定(例如如果与“任一个”或“…中的仅一个”组合使用)，否则术语“或”在系列使用时旨在是包括性的，并且可以与“和/或”互换使用。

Claims (20)

1.一种光学滤波器，包括：

干涉滤波器，使与至少两个透射峰相关联的至少两个通道穿过；以及

多个阻挡器，

其中所述多个阻挡器中的每个阻挡器使与所述至少两个透射峰中的相应的透射峰相关联的相应的通道穿过，并且阻挡除了与所述相应的透射峰相关联的所述相应的通道之外的一个或多个通道。

2.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中所述至少两个透射峰中的第一透射峰是所述至少两个透射峰中的第二透射峰的谐波透射峰。

3.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中所述多个阻挡器包括第一阻挡器和第二阻挡器，并且所述至少两个透射峰包括第一透射峰和第二透射峰，

其中所述第一阻挡器使所述至少两个通道中与所述第一透射峰相关联的通道穿过，并且阻挡所述至少两个通道中与所述第二透射峰相关联的通道，并且

其中所述第二阻挡器使与所述第二透射峰相关联的所述通道穿过，并且阻挡与所述第一透射峰相关联的所述通道。

4.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中所述多个阻挡器被附接至所述干涉滤波器的表面。

5.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中所述多个阻挡器彼此不重叠。

6.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中所述至少两个透射峰包括第一组透射峰和第二组透射峰，其中所述第二组透射峰与所述第一组透射峰中的对应透射峰谐波相关。

7.根据权利要求6所述的光学滤波器，其中所述多个阻挡器包括第一阻挡器和第二阻挡器，

其中所述第一阻挡器被配置为使所述至少两个通道中与所述第一组透射峰相关联的通道组穿过，并且阻挡所述至少两个通道中与所述第二组透射峰相关联的通道组，并且

其中所述第二阻挡器被配置为阻挡与所述第一组透射峰相关联的所述通道组，并且使与所述第二组透射峰相关联的所述通道组穿过。

8.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中所述至少两个透射峰中的至少一个透射峰在所述干涉滤波器的自由光谱范围外。

9.根据权利要求1所述的光学滤波器，其中所述多个阻挡器中的阻挡器在所述干涉滤波器的间隔物中被实施。

10.根据权利要求9所述的光学滤波器，其中所述间隔物包括氢化硅间隔物。

11.一种传感器设备，包括：

光学传感器，用以使用多个通道收集数据；以及

光学设备，包括：

间隔物；以及

第一反射镜和第二反射镜，

其中所述光学设备与至少两个透射峰相关联；以及

多个阻挡器，被附接至所述光学设备，

其中所述多个阻挡器中的每个阻挡器使所述多个通道中与所述至少两个透射峰中的相应的透射峰相关联的相应的通道穿过。

12.根据权利要求11所述的传感器设备，其中所述光学设备还包括多个间隔物，并且其中所述多个间隔物中的每个间隔物与相应的透射峰组相关联。

13.根据权利要求12所述的传感器设备，其中所述多个间隔物中除了所述间隔物之外的特定间隔物与阻挡器组相关联，并且其中所述阻挡器组中的每个间隔物使与所述相应的透射峰组的相应的透射峰相关联的频率穿过，所述相应的透射峰与所述特定间隔物相关联。

14.根据权利要求11所述的传感器设备，其中所述光学设备还包括多个反射镜组，其中所述多个反射镜组中的每组反射镜与相应的透射峰组相关联。

15.根据权利要求11所述的传感器设备，其中所述至少两个透射峰中的第一透射峰与近红外光谱范围相关联，并且其中所述至少两个透射峰中的第二透射峰与可见光谱范围相关联。

16.一种光谱滤波器，包括：

多个干涉滤波器；以及

多个阻挡器，

其中所述多个干涉滤波器中的每个干涉滤波器被配置为使与相应的透射峰对相关联的相应的通道对穿过，

其中所述多个干涉滤波器中的干涉滤波器与所述多个阻挡器中的第一阻挡器相关联，所述第一阻挡器被配置为使与所述相应的透射峰对中的第一透射峰相关联的通道穿过，并且阻挡与所述相应的透射峰对中的第二透射峰相关联的通道，并且

其中所述干涉滤波器与所述多个阻挡器中的第二阻挡器相关联，所述第二阻挡器被配置为使与所述第二透射峰相关联的所述通道穿过，并且阻挡与所述第一透射峰相关联的所述通道。

17.根据权利要求16所述的光谱滤波器，其中所述第二透射峰是所述第一透射峰的谐波透射峰。

18.根据权利要求16所述的光谱滤波器，其中所述多个干涉滤波器中的每个干涉滤波器与相应的阻挡器对相关联。

19.根据权利要求18所述的光谱滤波器，其中所述相应的阻挡器对中的每个阻挡器对包括相应的第一阻挡器和相应的第二阻挡器，

其中所述相应的第一阻挡器被配置为阻挡与对应的透射峰对中的相应的第一透射峰相关联的通道，并且使与所述对应的透射峰对中的相应的第二透射峰相关联的通道穿过，并且

其中所述相应的第二阻挡器被配置为使与所述相应的第二透射峰相关联的所述通道穿过，并且阻挡与所述相应的第一透射峰相关联的所述通道。

20.根据权利要求16所述的二元型多光谱滤波器，其中所述第一透射峰与近红外光谱范围相关联，并且所述第二透射峰与可见光谱范围相关联。

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