CN115586597A - 滤光器和传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种滤光器，其具有至少与800nm至1100nm波长范围部分重叠的通带。该滤光器包括由氢化硅层和低折射率层交替堆叠而成的滤光叠层。每个氢化硅层在800nm至1100nm波长范围内的折射率均大于3，在800nm至1100nm波长范围内的消光系数均小于0.0005。

Description

滤光器和传感器系统
本申请是申请日为2013年7月16日、申请号为201810358341.4、发明名称为“滤光器和传感器系统”的分案申请的分案申请；分案申请201810358341.4是申请日为2013年7月16日、申请号为201380036656.2、发明名称为“滤光器和传感器系统”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及滤光器和包括滤光器的传感器系统。更具体而言，本发明涉及包括氢化硅层的滤光器和包括该滤光器的传感器系统。
背景技术
在典型的手势识别系统中，光源向使用者发射近红外光。三维(3D)图像传感器检测所发射的被使用者反射的光，以提供使用者的三维图像。随后处理系统对三维图像进行分析，以识别使用者作出的手势。
采用滤光器，更具体而言即带通滤波器，来将发射的光传送至三维图像传感器，同时基本阻挡住环境光。换言之，滤光器用于屏蔽环境光。由此，需要有在近红外波长范围、即800nm至1100nm范围内的窄通带的滤光器。此外，滤光器必须具备在通带内的高透光度水平和在通带外的高阻光度水平。
常规情况下，滤光器包括涂覆在基底的相对表面上的滤光叠层和阻光叠层。每个叠层均由交替堆叠的高折射率层和低折射率层形成。高折射率层和低折射率层通常采用不同的氧化物形成，例如TiO2、Nb2O5、Ta2O5、SiO2及它们的混合物。例如，一些常规滤光器包括TiO2/SiO2滤光叠层和Ta2O5/SiO2阻光叠层，其中高折射率层分别由TiO2或Ta2O5组成，而低折射率层则由SiO2组成。
在被设计成用以让829nm至859nm波长范围内的光在入射角范围为0°至30°的条件下透射的第一种常规滤光器中，滤光叠层包括71层，阻光叠层包括140层，总涂层厚度约为24μm。此滤光器在0°入射角下的透射谱100和在30°入射角下的透射谱101在图1中分别绘出。在被设计成用以让波长为825nm的光在入射角范围为0°至20°的条件下透射的第二种常规滤光器中，滤光叠层包括43层，阻光叠层包括82层，总涂层厚度约为14μm。此滤光器在0°入射角下的透射谱200和在20°入射角下的透射谱201在图2中分别绘出。在被设计成用以让845nm至865nm波长范围内的光在入射角范围为0°至24°的条件下透射的第三种常规滤光器中，滤光叠层包括77层，阻光叠层包括148层，总涂层厚度约为26μm。此滤光器在0°入射角下的透射谱300和在24°入射角下的透射谱301在图3中分别绘出。
参考图1-3，第一、第二和第三种常规滤光器通常具有通带内的高透光度水平和通带外的高阻光度水平。然而，通带的中心波长会随着入射角的变化而发生较大的偏移。由此，通带必须相对较宽，以便在所需的入射角范围内接纳光线，使被透射的环境光的量增加，并使采用这些常规滤光器的系统的信噪比降低。此外，滤光叠层和阻光叠层内大量的层数会增加生产这些常规滤光器的成本和涂覆时间。较大的总涂层厚度也会使这些常规滤光器难以通过例如光刻等技术进行图案化。
为提高滤光器在手势识别系统中的性能，理想的措施是减少层数、减小总涂层厚度以及中心波长随入射角变化的偏移。一种方式是，对于高折射率层，采用在800nm至1100nm波长范围上折射率高于常规氧化物的材料。除具备较高的折射率之外，该材料还必须在800nm至1100nm的波长范围上具备低的消光系数，以在通带内提供高透光度水平。
氢化硅(Si:H)在滤光器内的高折射率层中的应用由Lairson等人在题为“角偏移减小的红外带通滤波器涂层(Reduced Angle-Shift Infrared Bandpass FilterCoatings)”的文章(SPIE会议文集，2007年，第6545卷，65451C-1至65451C-5页)和Gibbons等人在题为“氢化a-Si反应溅射沉积工艺的开发和实施(Development andImplementation of a Hydrogenated a-Si Reactive Sputter Deposition Process)”的文章(年度技术会议文集，真空涂布机协会，2007年，第50卷，327-330页)中披露。Lairson等人披露了一种在1500nm波长下折射率为3.2，并且在大于1000nm的波长下消光系数小于0.001的氢化硅材料。Gibbons等人披露了一种由交流(AC)溅射生成的氢化硅材料，其在830nm波长下折射率为3.2，在830nm波长下消光系数为0.0005。然而，这些氢化硅材料在800nm至1100nm波长范围内并不具备合适的低的消光系数。
发明概述
因此，本发明涉及一种滤光器，其具有至少与800nm至1100nm波长范围部分重叠的通带，所述滤光器包括：滤光叠层，所述滤光叠层包括：多个氢化硅层和多个低折射率层，所述多个氢化硅层中的每个层在800nm至1100nm波长范围内的折射率均大于3，在800nm至1100nm波长范围内的消光系数均小于0.0005；所述多个低折射率层中的每个层在800nm至1100nm波长范围内的折射率均小于3，所述多个低折射率层与所述多个氢化硅层交替堆叠。
本发明还涉及一种传感器系统，其包括：光源，滤光器和传感器，其中所述光源在800nm至1100nm的波长范围内的发射波长处发射光；所述滤光器具有包括该发射波长且至少与800nm至1100nm的波长范围部分重叠的通带，所述滤光器被设置为接收所发射的光，用于透射所发射的光，同时基本阻挡环境光，所述滤光器包括：滤光叠层，所述滤光叠层包括：多个氢化硅层和多个低折射率层，所述多个氢化硅层中的每个层在800nm至1100nm的波长范围内的折射率均大于3，在800nm至1100nm的波长范围内的消光系数均小于0.0005；所述多个低折射率层中的每个层在800nm至1100nm波长范围内的折射率均小于3，所述多个低折射率层与所述多个氢化硅层交替堆叠；以及所述传感器被设置为接收经过滤光器透射后的发射光，用于检测所发射的光。
附图简要说明
下文将参照附图对本发明进行更为详细的说明，其中：
图1为第一种常规滤光器在0°和30°的入射角下的透射谱图；
图2为第二种常规滤光器在0°和20°的入射角下的透射谱图；
图3为第三种常规滤光器在0°和24°的入射角下的透射谱图；
图4为一种溅射沉积系统的示意图；
图5A为在有氢和无氢条件下沉积的1500nm厚的硅层的透射谱图；
图5B为氢化硅(Si:H)层在退火步骤之前和退火步骤之后，在透光度水平为50％时的吸收边波长与氢气流量之间的关系图；
图5C为氢化硅层在800nm至1120nm波长下的折射率与氢气流量之间的关系图；
图5D为氢化硅层在800nm至880nm波长下的吸收系数与氢气流量之间的关系图；
图6为根据本发明的一种滤光器的横截面示意图；
图7A为将图1中的第一种常规滤光器与根据本发明的第一种示例滤光器的特性进行比较的表；
图7B为列出第一种示例滤光器的抗反射(AR)涂层的层编号、材料和厚度的表；
图7C为列出第一种示例滤光器的滤光叠层的层编号、材料和厚度的表；
图7D为第一种示例滤光器在0°和30°入射角下的透射谱图；
图7E为与第一种示例滤光器类似、但包括Si/SiO2滤光叠层的滤光器在0°和30°入射角下的透射谱图；
图8A为将图2中的第二种常规滤光器与根据本发明的第二种示例滤光器的特性进行比较的表；
图8B为列出第二种示例滤光器的滤光叠层的层编号、材料和厚度的表；
图8C为第二种示例滤光器在0°和20°入射角下的透射谱图；
图8D为与第二种示例滤光器类似、但包括Si/SiO2滤光叠层的滤光器在0°和20°入射角下的透射谱图；
图9A为列出根据本发明的第三种示例滤光器的滤光叠层的层编号、材料和厚度的表；
图9B为第三种示例滤光器在0°和40°入射角下的透射谱图；
图10为根据本发明的一种传感器系统的框图。
发明的详细说明
本发明涉及滤光器和包括滤光器的传感器系统。更具体而言，本发明涉及包括氢化硅层的滤光器和包括该滤光器的传感器系统。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，所述滤光器具有至少与800nm至1100nm的波长范围部分重叠的通带，该方法包括：
使用脉冲直流溅射技术形成滤光器的多个氢化硅层；
所述多个氢化硅层在800nm至1100nm的滤光器的工作波长范围内具有大于3的第一折射率；和
所述多个氢化硅层在沉积室中形成；和
形成所述滤光器的多个低折射率层；
所述多个低折射率层中的每个层在800nm至1100nm的所述滤光器的工作波长范围内具有小于3的第二折射率；
所述多个低折射率层与所述多个氢化硅层交替堆叠；和
其中所述多个氢化硅层在800nm至1100nm波长范围内的消光系数小于0.0005。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，其中形成所述多个氢化硅层包括：
溅射硅以将所述多个氢化硅层沉积到衬底上。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，其中溅射硅包括：
使用具有硅靶的阴极来溅射硅。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，所述滤光器具有至少部分地与800nm至1100nm的波长范围重叠的通带，并且在通带内具有大于90％的透光度。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，其中所述多个氢化硅层和所述多个低折射率层是多层结构；和
所述方法还包括：
在250摄氏度至350摄氏度之间的温度下对所述多层结构进行退火。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，其中所述多个氢化硅层和所述多个低折射率层是多层结构；和
所述方法还包括：
将所述多层结构退火30分钟至90分钟。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，还包括：
使用等离子体激发源将氢等离子体提供到所述沉积室中。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，其中所述多个氢化硅层和所述多个低折射率层是多层结构；和
所述方法还包括：
使用晶片级加工技术在电荷耦合器件CCD芯片或互补金属氧化物半导体CMOS芯片上形成所述多层结构。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，其中形成所述多个氢化硅层包括：
以0.05nm/s至1.2nm/s之间的沉积速率形成所述多个氢化硅层。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，其中形成所述多个氢化硅层包括：
以0.8nm/s至1.2nm/s之间的沉积速率形成所述多个氢化硅层。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，所述滤光器具有至少与800nm至1100nm的波长范围部分重叠的通带，包括：
利用脉冲直流溅射技术制造所述滤光器的多层结构的多个氢化硅(Si：H)层；
所述多个氢化硅(Si：H)层在真空沉积室中制造；和
所述多个氢化硅(Si：H)层在800nm至1100nm的滤光器的工作波长范围内具有大于3的第一折射率；和
制造多个低折射率层；
所述多个低折射率层在800nm至1100nm的所述滤光器的工作波长范围内具有小于3的第二折射率；
所述多个低折射率层与所述多个氢化硅(Si：H)层交替堆叠；且
其中所述多个氢化硅(Si:H)层在800nm至1100nm的波长范围内的消光系数小于0.0005。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，还包括：
在250摄氏度至350摄氏度之间的温度下对所述滤光器的所述多层结构进行退火。
在一个实施方案中，本发明涉及一种制造滤光器的方法，所述滤光器具有至少部分地与800nm至1100nm的波长范围重叠的通带，并且在通带内具有大于90％的透光度。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其具有至少部分地与800nm至1100nm的波长范围重叠的通带，包括：
多个氢化硅层，其中所述多个氢化硅层具有大于3的折射率；
多个低折射率层，其中所述多个低折射率层包括除二氧化硅之外的至少一种氧化物；
其中，所述多个低折射率层包括氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、五氧化二铌(Nb2O5)，五氧化二钽(Ta2O5)或它们的混合物中的至少一种；和
其中，所述多个氢化硅(Si:H)层在800nm至1100nm的波长范围内的消光系数小于0.0005，和所述通带的中心波长随着入射角度从0°到30°的变化在幅度上偏移小于20nm。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述通带的中心波长随着入射角度从0°到30°的变化在幅度上偏移约12.2nm。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器在400nm至1100nm的波长范围内具有大于OD2的阻光度。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器在300nm至1100nm的波长范围内具有大于OD3的阻光度。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述多个氢化硅层在830nm波长下具有大于3.6的折射率。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器的顶层是所述多个低折射率层之一。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器在通带内具有大于90％的透光度。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其具有至少部分地与800nm至1100nm的波长范围重叠的通带，包括：
多个氢化硅层，其中所述多个氢化硅层在800nm至1100nm的的波长范围内具有大于3的折射率；多个低折射率层，其中所述多个低折射率层中的每个层在800nm至1100nm的波长范围内具有小于3的折射率，其中所述多个低折射率层与所述多个氢化硅(Si：H)层交替堆叠，并且所述多个氢化硅层在在800nm至1100nm波长范围内具有小于0.0005的消光系数。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器在通带内具有大于90％的透光度。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述多个低折射率层包括至少一种氧化物。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述多个低折射率层包括二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、五氧化二钽(Ta2O5)中的至少一种或其混合物。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器的总涂层厚度小于10μm。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器具有通带，所述通带的中心波长随着入射角度从0°到30°的变化在幅度上偏移小于20nm。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述通带的中心波长随着入射角度从0°到30°的变化在幅度上偏移约12.2nm。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述多个氢化硅层在830nm的波长下具有大于3.6的折射率。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器的顶层是所述多个低折射率层之一。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器是一种窄带通滤波器，和所述通带的中心波长在800nm至1100nm的波长范围内。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述通带具有小于50nm的半高宽(FWHM)。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述通带的中心波长随着入射角度从0°到30°的变化在幅度上偏移小于12.2nm。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其具有至少部分地与800nm至1100nm的波长范围重叠的通带，包括：
在衬底的第一侧上的第一滤光叠层，所述第一滤光叠层包括交替的氢化硅层和低折射率材料层；和
在衬底的相对的第二侧上的抗反射涂层；
其中所述氢化硅层在800nm至1100nm的所述滤光器的工作波长范围内具有大于3的折射率，所述低折射率材料层中的每个层在800nm至1100nm的所述滤光器的工作波长范围内具有小于3的第二折射率，并且所述多个氢化硅层在在800nm至1100nm波长范围内具有小于0.0005的消光系数。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器具有通带，所述通带的中心波长随着入射角度从0°到30°的变化在幅度上偏移小于20nm。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器具有通带，所述通带的中心波长随着入射角度从0°到30°的变化在幅度上偏移约12.2nm。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器在400nm至1100nm的波长范围内具有大于OD2的阻光率。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器在300nm至1100nm的波长范围内具有大于OD3的阻光率。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中低折射率层材料在800nm至1100nm的波长范围内具有小于2.5的折射率。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述抗反射涂层包括二氧化硅(SiO2)和五氧化二钽(Ta2O5)。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述涂层具有0.1滤光器至1.m的厚度。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器的总涂层厚度小于10述的。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述氢化硅层在830nm的波长下具有大于3.6的折射率。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述滤光器是一种窄带通滤波器，和所述通带的中心波长在800nm至1100nm的波长范围内。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述通带具有小于50nm的半高宽(FWHM)。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，所述滤光器在通带内具有大于90％的透光度。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述通带的中心波长随着入射角度从0°到30°的变化在幅度上偏移小于12.2nm。
在一个实施方案中，本发明涉及一种滤光器，其中所述第一滤光叠层的顶层是低折射率材料层。
本发明提供一种包括氢化硅(Si:H)层的滤光器，其特别适合在诸如距离传感器系统、三维(3D)成像系统或手势识别系统等传感器系统中使用。
本发明的滤光器采用一种经过改进的氢化硅材料，其在800nm至1100nm的波长范围、即近红外波长范围内既有较高的折射率，又有较低的吸收系数。通常，氢化硅材料为非晶体。氢化硅材料优选采用脉冲直流(DC)溅射方法生成。在2012年4月24日授予的Tilsch等人的8,163,144号美国专利中对一种适于生产氢化硅材料的溅射沉积系统进行了说明，该专利通过参考并入本申请中。
参见图4，用于生产氢化硅材料的典型的溅射沉积系统400包括真空室410、基底420、阴极430、阴极电源440、阳极450、等离子体激发源(PAS)460和PAS电源470。阴极430由阴极电源440供电，该电源为脉冲直流电源。PAS 460由PAS电源470供电，该电源为射频(RF)电源。
阴极430包括硅靶431，其在存在氢气(H2)及惰性气体(例如氩气)的条件下被溅射，以在基底420上沉积出一层氢化硅材料。惰性气体经阳极450和PAS 460被引入真空室410。作为替代方式，真空室410的室壁可用作阳极，惰性气体也可在不同的位置被引入。
氢气通过PAS 460被引入真空室410，PAS 460用于对氢气进行活化。活性氢更具化学活性，因此更有可能生成被认为可决定氢化硅材料的光学特性的Si-H键。PAS 460位于非常靠近阴极430的地方，使PAS等离子体和阴极等离子体重叠。活性氢的原子和分子形式均被认为存在于等离子体中。采用PAS 460可使氢化硅层以相对较高的沉积速率和相对较低的氢含量被沉积。通常，氢化硅层的沉积速率为0.05nm/s至1.2nm/s，优选为约0.8nm/s。可替代地，可单独采用阴极等离子体进行氢活化。
氢化硅材料的光学特性主要取决于真空室410内的氢含量，，并因此取决于氢气的流量。不过，它们还受其他参数的影响，例如惰性气体的流量、PAS功率电平、阴极功率电平和沉积速率。
图5A示出了分别在有氢气、氢气流量为139sccm的条件下和无氢气条件下沉积的1500nm厚的硅层的透射谱500和501。在有氢气条件下沉积的硅层，即氢化硅层，在800nm至1100nm波长范围内具有显著更高的透光度水平。
图5B分别示出了氢化硅层在退火步骤之前和退火步骤之后、在透光度为50％时的吸收边波长与氢气流量之间的关系曲线510和511。对于所沉积的氢化硅层，吸收边波长随氢气流量的增加而减小。一般而言，吸收边波长随氢气流量呈近似对数关系变化。吸收边波长因退火步骤而进一步减小，退火步骤在约300℃温度下持续约60分钟。通常，当执行可选的涂覆后退火步骤时，氢化硅层在高达350℃温度下退火长达120分钟，优选情况为，在250℃至350℃温度下退火30至90分钟。在某些情况下，可以进行不止一次退火步骤。
由此，可通过调节氢气流量和可选地通过退火来调整氢化硅材料的吸收边波长。同样，也可通过调节氢气流量和可选地通过退火来调整氢化硅材料的折射率和吸收系数。通常，采用高于80sccm的氢气流量进行氢化硅层沉积，优选氢气流量约为80sccm。但是，应该指出的是，与此流量相关联的氢含量将取决于真空系统的泵抽速度。
图5C示出了所沉积的氢化硅层在800nm至1120nm波长下的折射率与氢气流量之间的关系图。折射率随氢气流量的增大而减小。一般而言，折射率基本随氢气流量呈近似线性变化。具体而言，在80sccm氢气流量下生成的氢化硅层在800nm至1120nm的波长范围内的折射率大于3.55。
图5D示出了所沉积的氢化硅层在800nm至880nm波长下的吸收系数与氢气流量之间的关系图(在920nm至1120nm的波长下，吸收系数小于0.0001)。吸收系数随氢气流量的增大而减小。一般而言，吸收系数随氢气流量呈近似指数关系变化。具体而言，在80sccm氢气流量下生成的氢化硅层在800nm至1120nm的波长范围内的吸收系数小于0.0004。
在本发明的滤光器内采用经改进的氢化硅材料，其被调整为具备合适的光学特性。参见图6，滤光器600包括滤光叠层610，其被设置在基底620的第一表面上。在多数情况下，基底620为自支撑基底，通常为玻璃基底，例如浮法硼硅玻璃基底。可替代地，基底620可以是传感器或其他器件。当基底620为自支撑基底时，经常会在基底620的与第一表面相对的第二表面上设置抗反射(AR)涂层630。通常，AR涂层630为多层干涉涂层，例如Ta2O5/SiO2涂层。同样在通常情况下，AR涂层630的厚度为0.1μm至1μm。
滤光叠层610包括用作高折射率层的多个氢化硅层611，和多个低折射率层612，多个氢化硅层与多个低折射率层交替堆叠。通常，滤光叠层610由以(高/低)n、(高/低)n高或低(高/低)n顺序堆叠的多个氢化硅层611和多个低折射率层612。通常，滤光叠层610总共包括10至100层，即5≤n≤50。同样在通常情况下，每个氢化硅层611和低折射率层612的厚度在3nm至300nm之间，滤光叠层610的厚度为1μm至10μm。一般而言，层数和厚度根据具体光学设计进行选择。优选情况为，滤光器600的总涂层厚度，即滤光叠层610与AR涂层630的总厚度，小于10μm。
氢化硅层611由经改进的氢化硅材料组成，其被调整为在800nm至1100nm的波长范围内折射率大于3且消光系数小于0.0005。优选情况为，氢化硅材料在800nm至1100nm的波长范围内的折射率大于3.5，例如，在830nm波长处，折射率大于3.64，即3.6左右。通常较高的折射率更为理想。不过，一般而言，氢化硅材料在800nm至1100nm的波长范围内的折射率小于4.5。
优选情况为，氢化硅材料在800nm至1100nm的波长范围内的消光系数小于0.0004，更优选情况为，在800nm至1100nm的波长范围内的消光系数小于0.0003。通常，氢化硅材料在小于600nm的波长处的消光系数大于0.01，优选情况为，在小于650nm的波长处的消光系数大于0.05。由于氢化硅材料在小于600nm的波长处的光吸收作用相对强，在滤光器600内不需要采用额外的阻光叠层。
低折射率层612由在800nm至1100nm的波长范围内折射率低于氢化硅层611的折射率的低折射率材料组成。通常，低折射率材料在800nm至1100nm的波长范围内的折射率小于3。优选情况为，低折射率材料在800nm至1100nm的波长范围内的折射率小于2.5，更优选情况为，在800nm至1100nm的波长范围内的折射率小于2。
通常希望低折射率层612具有较低的折射率，以增大滤光器600阻光的波长范围(即阻带)的宽度，使得在滤光叠层610中能以较少的层数实现相同的阻光度水平。然而，在某些情况下，可能需要稍高一些、但仍比氢化硅层611的折射率低的折射率，以减小滤光器600的中心波长随入射角变化而产生的偏移(即角偏移)。
在多数情况下，低折射率材料为电介质材料，通常为氧化物。适用的低折射率材料包括二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、五氧化二钽(Ta2O5)及它们的混合物，即混合氧化物。
滤光器600可采用溅射工艺制成。通常，在与图4所示类似的溅射沉积系统的真空室内提供基底620。随后，在基底620的第一表面上依次沉积氢化硅层611和低折射率层612，以将滤光叠层610形成为多层涂层。通常，氢化硅层611在有氢气的条件下通过对硅靶的脉冲直流溅射沉积而成，如前文所述。同样在通常情况下，低折射率层612通过对一种或多种适用的金属靶(例如硅靶、铝靶、钛靶、铌靶和/或钽靶)在有氧气条件下进行脉冲直流溅射而沉积而成。AR涂层630以类似方式在基底620的第二表面上沉积而成。应该指出，形成滤光叠层610和AR涂层630的次序通常并不重要。
滤光器600为具有与800nm至1100nm的波长范围至少部分重叠的通带的干涉滤光器。通带可能包括整个800nm至1100nm的波长范围，或者更通常的情况，仅包括该波长范围的一部分。通带可能局限于800nm至1100nm的波长范围内的一部分或全部，也可延伸到此波长范围之外。优选情况为，滤光器600在通带内、在800nm至1100nm的波长范围内的透光度大于90％。
滤光器600在通带之外提供阻光功能，即在通带的一侧或两侧有阻带，通常情况是在400nm至1100nm的波长范围内有阻带，优选情况为在300nm至1100nm的波长范围内有阻带。优选情况为，滤光器600在通带之外、在400nm至1100nm的波长范围内的阻光度高于OD2，更优选情况为，在300nm至1100nm的波长范围内的阻光度高于OD3。
在某些情况下，滤光器600为长波长通过式截止滤光器，通带的截止波长处于800nm至1100nm的波长范围内。然而，在多数情况下，滤光器600为带通滤波器，优选情况为，窄带通滤波器。通常，该通带的中心波长处于800nm至1100nm的波长范围内。优选情况下，通带的半高宽(FWHM)小于50nm。经常的情况是，整个通带处于800nm至1100nm的波长范围内。
一般而言，滤光器600的中心波长随入射角的变化而产生小的偏移。优选情况为，在入射角从0°改变至30°时，通带的中心波长的偏移幅度小于20nm。因此，滤光器600具备宽的入射角接受范围。
滤光器600可能采用多种光学设计。一般而言，通过为滤光叠层610选择合适的层数、材料和/或厚度，滤光器600的光学设计可获得对于特定通带的滤光器的最佳设计。下文所述的一些示例滤光器包括涂覆于浮法硼硅玻璃基底的相对的两面上的Si:H/SiO2滤光叠层和Ta2O5/SiO2 AR涂层。
参见图7，第一种示例滤光器为一窄带通滤波器，其被设计成用以在0°至30°入射角范围内透射829nm至859nm的波长范围内的光。图7中的第一种示例滤光器与图1中的第一种常规滤光器相当，图7A对两种滤光器的一些特性进行了比较。图7B和7C中分别列出了第一种示例滤光器的AR涂层和滤光叠层的设计数据，即层数(从基底到空气)、层的材料和厚度。滤光叠层包括48层，AR涂层包括5层，总涂层厚度约为5.7μm。
第一种示例滤光器在0°入射角下的透射谱700和在30°入射角下的透射谱701在图7D中分别绘出。第一种示例滤光器在通带内的透光度高于90％，在通带外、450nm至1050nm的波长范围内的阻光度高于OD3。在0°入射角下，通带的中心波长约为850nm，FWHM约为46.5nm。在入射角从0°改变至30°时，通带的中心波长偏移约-12.2nm。
有利的是，图7中的第一种示例滤光器包括的层数和总涂层厚度均小于图1中的第一种常规滤光器。具体而言，第一种示例滤光器的总涂层厚度约为第一种常规滤光器的总涂层厚度的1/4。由此，第一种示例滤光器的制造成本较低，且更易于进行图案化。此外还有利的是，第一种示例滤光器的中心波长随入射角变化的偏移幅度较小。由此，第一种示例滤光器的通带可大幅变窄，同时可接受在相同入射角范围的光，提高采用第一种示例滤光器的系统的信噪比。
第一种示例滤光器也可与包括Si/SiO2滤光叠层(即包括非氢化硅层的滤光叠层)，而非Si:H/SiO2滤光叠层的类似滤光器进行比较。此滤光器在0°入射角下的透射谱710和30°入射角下的透射谱711在图7E中分别绘出。此滤光器通带内的透光度过低，无法应用。
参见图8，第二种示例滤光器是一种较窄带通滤波器，其被设计成用以在0°至20°的入射角范围内透射波长825nm的光。图8中的第二种示例滤光器与图2中的第二种常规滤光器相当，图8A对两种滤光器的一些特性进行了比较。第二种示例滤光器的AR涂层的设计数据与第一种示例滤光器相同，均在图7B中列出。第二种示例滤光器的滤光叠层的设计数据在图8B中列出。滤光叠层包括25层，AR涂层包括5层，总涂层厚度约为3.3μm。
第二种示例滤光器在0°入射角下的透射谱800和在20°入射角下的透射谱801在图8C中分别绘出。第二种示例滤光器在通带内的透光度高于90％，在通带外、400nm至1100nm的波长范围内的阻光度高于OD2。在0°入射角下，通带的中心波长约为829nm，FWHM约为29.6nm。在入射角从0°改变至20°时，通带的中心波长偏移约-7.8nm。
与图7中第一种示例滤光器类似，图8中第二种示例滤光器的优点在于其包括的层数较少，总涂层厚度较小，且中心波长随入射角变化的偏移幅度比图2中的第二种常规滤光器的偏移幅度小。
第二种示例滤光器也可与包括Si/SiO2滤光叠层而非Si:H/SiO2滤光叠层的类似滤光器进行比较。此滤光器在0°入射角下的透射谱810和20°入射角下的透射谱811在图8D中分别绘出。此滤光器通带内的透光度过低，无法应用。
参见图9，第三种示例滤光器为窄带通滤波器，其被设计成用以在0°至40°的入射角范围内透射845nm至865nm的波长范围内的光。图9的第三种示例滤光器与图3中的第三种常规滤光器类似。第三种示例滤光器的AR涂层的设计数据与第一种示例滤光器的相同，均在图7B中列出。第三种示例滤光器的滤光叠层的设计数据在图9A中列出。滤光叠层包括29层，AR涂层包括5层，总涂层厚度约为4.8μm。
第三种示例滤光器在0°入射角下的透射谱900和在40°入射角下的透射谱901在图9B中分别绘出。图9中的第三种示例滤光器的通带宽度与图3中的第三种常规滤光器的通带宽度基本相同，但其通带内的透光度稍低。但有利的是，第三种示例滤光器接受光的入射角范围(为0°至40°)比第三种常规滤光器大得多，后者的接受光入射角范围仅为0°至24°。换言之，第三种示例滤光器具有显著更宽的入射角接受范围。还有有利的是，第三种示例滤光器包括的层数更少，总涂层厚度更小，其总涂层厚度仅有第三种常规滤光器的总涂层厚度的约1/5。
如前文所述，本发明的滤光器在形成传感器系统(例如距离传感器系统、三维成像系统或手势识别系统)的一部分时特别有用。参见图10，典型的传感器系统1000包括光源1010，根据本发明的滤光器1020以及传感器1030。应注意的是，在传感器系统中通常包括的其他元件，诸如光学器件等元件，在此为了简化图示而省略。
光源1010在800nm至1100nm的波长范围内的发射波长处发射光。通常，光源1010发射经调制的光，例如光脉冲。优选情况为，光源1010为发光二极管(LED)、LED阵列、激光二极管或激光二极管阵列。光源1010向目标1040发射光，目标将发射的光反射回传感器系统1000。当传感器系统1000为手势识别系统时，目标1040为手势识别系统的使用者。
滤光器1020被设置为接收所发射的被目标1040反射后的光。滤光器1020的通带包括发射波长，且至少与800nm至1100nm的波长范围部分重叠。通常，滤光器1020为带通滤波器，优选情况为，如前所述的窄带通滤波器。滤光器1020将从光源1010发射的光透射，同时基本阻挡住环境光。简言之，滤光器1020接收由光源1010发射、并被目标1040反射后的光，并将所发射的光透射至传感器1030。
传感器1030被设置为接收所发射的、经滤光器1020透射后的光，即，传感器1030被设置在滤光器1020的后方。在某些情况下，滤光器1020在传感器1030上直接形成，由此被设置在传感器1030上。例如，在晶片级加工(WLP)中，滤光器1020可通过光刻等方式被涂覆和图案化在诸如距离传感器等传感器上。
当传感器系统1000为距离传感器系统时，传感器1030为距离传感器，其依据现有技术中已知的方法检测所发射的光，以感测目标1040的距离。当传感器系统1000为三维成像系统或手势识别系统时，传感器1030为三维图像传感器，例如电荷耦合器件(CCD)芯片或互补式金属氧化物半导体(CMOS)芯片，其检测所发射的光，以提供目标1040的三维图像，在某些情况下，目标1040为使用者。通常，三维图像传感器根据现有技术中已知的方法将光学信息转换为电信号，供处理系统处理，处理系统诸如是专用集成电路(ASIC)芯片或数字信号处理器(DSP)芯片。例如，当传感器系统1000为手势识别系统时，处理系统会处理使用者的三维图像，以识别使用者的手势。

Claims (22)

1.一种滤光器，其具有至少部分地与800nm至1100nm的波长范围重叠的通带，包括：
多个氢化硅层，其中所述多个氢化硅层在800nm至1100nm的的波长范围内具有大于3的折射率；多个低折射率层，其中所述多个低折射率层中的每个层在800nm至1100nm的波长范围内具有小于3的折射率，其中所述多个低折射率层与所述多个氢化硅(Si：H)层交替堆叠，并且所述多个氢化硅层在800nm至1100nm波长范围内具有小于0.0005的消光系数。
2.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述滤光器在通带内具有大于90％的透光度。
3.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述多个低折射率层包括至少一种氧化物。
4.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述多个低折射率层包括二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、五氧化二钽(Ta2O5)中的至少一种或其混合物。
5.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述滤光器的总涂层厚度小于10μm。
6.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述滤光器具有通带，所述通带的中心波长随着入射角度从0°到30°的变化在幅度上偏移小于20nm。
7.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述通带的中心波长随着入射角度从0°到30°的变化在幅度上偏移约12.2nm。
8.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述多个氢化硅层在830nm的波长下具有大于3.6的折射率。
9.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述滤光器的顶层是所述多个低折射率层之一。
10.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述滤光器是一种窄带通滤波器，和所述通带的中心波长在800nm至1100nm的波长范围内。
11.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述通带具有小于50nm的半高宽(FWHM)。
12.根据权利要求1所述的滤光器，其中所述通带的中心波长随着入射角度从0°到30°的变化在幅度上偏移小于12.2nm。
13.一种制造滤光器的方法，包括：
使用脉冲直流溅射技术形成滤光器的多个氢化硅层；
所述多个氢化硅层在800nm至1100nm的滤光器的工作波长范围内具有大于3的第一折射率；和
所述多个氢化硅层在沉积室中形成；和
形成所述滤光器的多个低折射率层；
所述多个低折射率层中的每个层在800nm至1100nm的所述滤光器的工作波长范围内具有小于3的第二折射率；
所述多个低折射率层与所述多个氢化硅层交替堆叠；和
其中所述多个氢化硅层在800nm至1100nm波长范围内的消光系数小于0.0005。
14.根据权利要求13所述的方法，其中形成所述多个氢化硅层包括：
溅射硅以将所述多个氢化硅层沉积到衬底上。
15.根据权利要求14所述的方法，其中溅射硅包括：
使用具有硅靶的阴极来溅射硅。
16.根据权利要求13所述的方法，所述滤光器具有至少部分地与800nm至1100nm的波长范围重叠的通带，并且在通带内具有大于90％的透光度。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个氢化硅层和所述多个低折射率层是多层结构；和
所述方法还包括：
在250摄氏度至350摄氏度之间的温度下对所述多层结构进行退火。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个氢化硅层和所述多个低折射率层是多层结构；和
所述方法还包括：
将所述多层结构退火30分钟至90分钟。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括：
使用等离子体激发源将氢等离子体提供到所述沉积室中。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个氢化硅层和所述多个低折射率层是多层结构；和
所述方法还包括：
使用晶片级加工技术在电荷耦合器件CCD芯片或互补金属氧化物半导体CMOS芯片上形成所述多层结构。
21.根据权利要求13所述的方法，其中形成所述多个氢化硅层包括：
以0.05nm/s至1.2nm/s之间的沉积速率形成所述多个氢化硅层。
22.根据权利要求13所述的方法，其中形成所述多个氢化硅层包括：
以0.8nm/s至1.2nm/s之间的沉积速率形成所述多个氢化硅层。
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