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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Filter und
ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Filters und insbesondere
auf ein linear variables optisches Filter, welches zur optischen Spektroskopie
geeignet ist.
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Die
optische Spektroskopie umfasst die Analyse elektromagnetischer Strahlung
in einem bestimmten Frequenzband. Dabei wird jeder Frequenz eine
Intensität zugeordnet. Im Wesentlichen beschränkt
man sich dabei auf das elektromagnetische Spektrum vom UV- bis zum
MIR-Bereich (UV = ultraviolet, IR = infrarot, MIR = mittleres infrarot).
Teilweise werden Untersuchungen jedoch auch im DUV (deep ultraviolet)
oder im FIR (far infrared) durchgeführt.
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Mittels
optischer Spektroskopie ist es möglich die spektrale Zusammensetzung
von Strahlungsquellen zu bestimmen. Auch kann untersucht werden,
in welchem Maß die spektrale Zusammensetzung einer Strahlung
durch Einbringen von Proben (Transmission oder Reflexion) modifiziert
wird. Aus der bestimmten wellenlängenabhängigen
Transmission, Reflexion oder Absorption kann auf stoffspezifische
Bestandteile, Eigenschaften, Bindungsverhältnisse, Bandstruktur
(Bandlücken) und weitere physikalische und chemische Eigenschaften
geschlossen werden. Mittels der optischen Spektroskopie können somit
Materialien charakterisiert werden. Ebenso können dynamische,
zeitabhängige physikalische und chemische Prozesse untersucht
werden.
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Es
existieren verschiedene Ansätze zur Realisierung eines
Spektrometers:
- 1) Dispersive Spektrometer.
Der am weitesten verbreitete Ansatz beruht auf der Verwendung eines
dispersiven Elements, wie z. B. eines Prismas oder, häufiger,
eines Gitters. Das einfallende Licht wird durch das dispersive Element
in seine spektralen Bestandteile zerlegt und auf einen Multikanaldetektor
abgebildet, so dass jedem Detektorelement eine Intensität
und ein Wellenlängenbereich zugeordnet wird. Alternativ
wird das dispersive Element verkippt, so dass das Spektrum zeitlich
sequentiell von einem Einzeldetektor erfasst werden kann.
Um
hohe Flexibilität für die Bandbreite und die Zentralwellenlänge
des Spektrometers zu erreichen und auch hohe Flexibilität
in Bezug auf die Auflösung zu erzielen, sind verschiedene
Bauteile, wie Linsen oder Spiegel, einstellbare Schlitze, gegebenenfalls
verschiedene dispersive Elemente und Detektoren erforderlich. Dies
macht den Aufbau komplex und die Abmessungen groß, was sich
auch in einem verhältnismäßig hohen Preis widerspiegelt.
- 2) FT-Spektrometer. Fourier-Transform-(FT-)Spektrometer basieren
auf der Interferenz von zwei Teilstrahlen, die üblicherweise
mittels eines Michelson-Interferometers generiert werden. Bei Änderung
der optischen Weglängendifferenz werden Interferenzminima
und -maxima durchlaufen. Die Intensität wird abhängig
von der optischen Weglängendifferenz der Teilstrahlen mit einem
Detektor aufgenommen. Mittels einer Fourier-Transformation wird
die wellenlängenabhängige Intensität – das
Spektrum – errechnet. FT-Spektrometer haben vor allem für
geringe Intensitäten im Vergleich zu vielen anderen Spektrometertypen
Vorteile (z. B. Jaquinot-Vorteil). Nachteilig wirken sich die großen
Abmessungen solcher Spektrometer und die hohe Empfindlichkeit gegenüber
Schocks und Vibrationen aus. Dieser Nachteil wird potentiell durch
neuartige auf MEMS beruhenden Ansätzen beseitigt, wobei
im Allgemeinen die Auflösung durch diese Ansätze sinkt.
Da das Spektrum immer sequentiell aufgenommen wird, erlauben FT-Spektrometer
nicht die Erfassung schneller spektraler Veränderungen.
- 3) AOTF (Acousto Optical Tunable Filter): Eine stehende akustische
Welle wird eingesetzt, um in einem transparenten Kristall periodische
Brechungsindexvariationen hervorzurufen. Diese periodische Variation
wirkt für das einfallende Licht als Gitter. Durch Frequenzänderung
der akustischen Welle wird die Periodizität des Gitters
geändert. Üblicherweise wird der Detektor so angeordnet,
dass er die Intensität der ersten Beugungsordnung erfassen
kann. Wird die Anregungsfrequenz geändert, so trifft auf
den Detektor die 1. Beugungsordnung einer anderen Wellenlänge. Durch
Variation der akustischen Anregungsfrequenz wird also das Spektrum
zeitlich sequentiell aufgenommen. Nachteilig neben der sequentiellen
Erfassung sind die hohen Kosten für solche Modulatoren
und der hohe Justageaufwand.
- 4) Fabry-Perot-Filter. Die Wirkungsweise von Fabry-Perot-Filtern
beruht auf Vielfachinterferenz. Im einfachsten Fall werden zwei
teiltransparente Spiegel planparallel angeordnet. Nur Wellenlängen,
welche die Interferenzbedingung erfüllen werden von dem
Filter transmittiert. Entscheidend ist dabei der Abstand der Spiegel.
Zur Erfassung eines kompletten Spektrums wird der Abstand der Spiegel
verändert und die Intensität als Funktion des
Abstands aufgenommen. Aus der rechnerischen Beziehung zwischen Abstand
und Wellenlänge kann die Intensität wellenlängenabhängig aufgetragen
werden. Auch hier wirkt sich nachteilig die zeitlich sequentielle
Erfassung des Spektrums aus.
- 5) LVOF (Linear Variable Optical Filter): Der Ansatz ist ähnlich
dem des Fabry-Perot-Filters mit dem Unterschied, dass die beiden
Spiegel nicht planparallel sondern leicht verkippt zueinander angeordnet
werden. Entlang der Verkippung ergeben sich somit unterschiedliche
Interferenzbedingungen. Dies führt dazu, dass entlang der
Verkippung unterschiedliche Wellenlängen transmittiert werden.
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In
US 6,909,548 B2 wird
beschrieben, dass die Variabilität bzgl. der transmittierenden
Wellenlänge dadurch erreicht wird, dass der Lichtstrahl
je nach gewünschter zu transmittierender Wellenlänge
auf eine bestimmte Position entlang der Verkippung positioniert
wird. Alternativ wird der Filter translatorisch verschoben.
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Als
integriertes Spektrometer werden LVOFs z. B. wie in
US 2002/0131047 A1 eingesetzt.
2 zeigt
einen solchen herkömmlichen linear variablen optischen
Filter (LVOF), mit einem ersten teiltransparente Spiegel
1a,
einem zweiten teiltransparenten Spiegel
1b, die verkippt
zueinander von einem linken Ende
4 zu einem rechten Ende
6 angeordnet
sind. Wie in
2 gezeigt, wird der LVOF
10 mit
den zueinander verkippt angeordneten Spiegeln
1a und
1b mit
einem Zeilendetektor
2 kombiniert. Bei senkrechtem (vertikalen)
Lichteinfall
3 wird am linken Ende
4, wo der Abstand
der beiden Spiegel am geringsten ist, die Wellenlänge λ
1 ± Δλ transmittiert
und trifft auf das darunter liegende Detektorelement
5.
Am rechten Ende
6 erfüllt die Wellenlänge λ
2 ± Δλ die konstruktive
Interferenzbedingung, wobei gilt: λ
2 > λ
1. Δλ beschreibt die Bandpassbreite,
die von der Finesse des Filters abhängt, welche wiederum
wesentlich durch die Reflexionsgrade der Spiegel bestimmt wird.
Die Zentralwellenlänge des Filters ergibt sich zu (λ
2 – λ
1)/2.
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Die
geforderten Verkippungswinkel liegen üblicherweise in der
Größenordnung von 0.05°. Die feinmechanische
Herstellung ist daher sehr schwierig. Ein erster Ansatz LVOF-Filter
in Oberflächenmikromechanik herzustellen ist in A.
Emadi, H. Wu, S. Grabarnik, G. de Graaf and R. F. Wollfenbuttel,
FABRICATION OF TAPERED OPTICAL STRUCTURES USING RESIST REFLOW, Proc.
of 19th MicroMechanics Europe Workshop, Aachen (2008) beschrieben.
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Allen
bisher bekannten Lösungen ist gemeinsam, dass der Wellenlängenbereich λ2 – λ1 aufgrund
des festen Verkippungswinkels nicht einstellbar ist. Die prinzipiell
erzielbare Auflösung ist somit ebenfalls determiniert und
ergibt sich aus der Anzahl N der Detektorelemente nach: Auflösung
= (λ2 – λ1)/N.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer zur Verfügung zu stellen,
das sich durch eine geringe Baugröße, geringe
Herstellungskosten, sowie geringe Schock- und Vibrationsunempfindlichkeit
auszeichnet und gleichzeitig hohe Flexibilität in Bezug
auf den Wellenlängenbereich und die Auflösung
bietet.
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Dieser
Aufgabe wird durch ein optisches Filter nach Anspruch 1 und ein
Verfahren zur Herstellung eines optischen Filters nach Anspruch
20 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein optisches
Filter mit variabel einstellbarer Zentralwellenlänge und
Auflösung dadurch geschaffen werden kann, dass ein erster
und zweiter teiltransparenter Spiegel durch einen verformbaren Abstandshalter
voneinander getrennt sind, wobei der verformbare Abstandshalter
durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das optische Filter
den Abstand zwischen dem ersten und zweiten teiltransparenten Spiegel ändert.
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Die Änderung
des Abstands kann zum einen darin bestehen, dass der erste und zweite
teiltransparente Spiegel flächenmäßig
zueinander parallel oder übereinander angeordnet sind und
der Abstand der parallel angeordneten Spiegel zueinander verändert
wird. Dadurch lässt sich die Zentralwellenlänge des
optischen Filters variieren. Bei weiteren Ausfüh rungsbeispielen
kann ferner der Abstandshalter derart verformt werden, dass der
erste teiltransparente Spiegel eine Verkippung in Bezug auf den
zweiten teiltransparenten Spiegel aufweist und die Verkippung durch
Anlegen der Spannung oder durch Änderung der angelegten
Spannung verändert wird.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen weist der variable Abstandshalter
ein elektroaktives Material auf, welches bei Anlegen einer elektrischen Spannung
sich entweder zusammenzieht oder sich ausdehnt, so dass durch eine
Spannungsänderung, eine Änderung des Abstandes
bewirkt wird. Indem durch das elektroaktive Material sowohl die
Verkippung als auch der mittlere Abstand des ersten und zweiten
Spiegels einstellbar sind, können damit die Zentralwellenlänge
(Mittenfrequenz) und der Wellenlängenbereich (Auflösung)
unabhängig eingestellt werden.
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Der
erste und zweite teiltransparente Spiegel können beispielsweise
jeweils eine Ebene oder eine Platte bilden, so dass sich bei einer
relativen Verkippung ein linear variabler optischer Filter ergibt.
Die Verkippung ist durch den Verkippungswinkel (= Schnittwinkel
der Flächennormalen der beiden Spiegel) gegeben. Dieser
linear variable optische Filter kann optional ebenfalls durch eine
Oberflächenmikromechanik hergestellt werden.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen enthält das optische
Filter eine oder mehrere transparente Spiegelplatten, die über
Aktorelemente aus elektroaktivem Material verkippt werden können,
wobei der Abstand zwischen den Spiegelplatten eingestellt werden
kann.
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Optional
können die beiden Spiegel eine Vorverkippung aufweisen,
die durch einen zusätzlichen Abstandshalter realisiert
wird. Die Vorverkippung kann beispielsweise durch ein aufschmelzbares
Material realisiert werden, wobei das aufschmelzbare Material beispielsweise
ein Polymer aufweisen kann. Bei weiteren Ausführungsbeispielen
kann der zusätzli che Abstandshalter zur Einstellung einer
Vorverkippung aus einem passiven oder einem aktiven (optischen)
Material bestehen.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen weist das optische Filter
eine Detektorzeile auf, wobei die Detektorzeile eine Vielzahl eindimensional
angeordneter Detektorzellen (z. B. Photozellen) umfasst und das
optische Filter auf der Detektorzeile angeordnet ist.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen ist das optische Filter
als eine zweidimensionale Anordnung realisiert, so dass beispielsweise
die Verkippung entlang einer der zwei Richtungen ausgebildet ist
und entlang der anderen der zwei Richtungen entweder die Verkippung
sich nicht ändert oder aber unterschiedliche Detektoren
für unterschiedliche Wellenlängenbereiche angeordnet
sind. Bei derartigen zweidimensionalen Anordnungen kann sowohl ein breites
Spektrum als auch ein ausgewählter Bereich mit hoher Auflösung
aufgenommen werden. Das kann beispielsweise derart realisiert werden,
dass der Mittenabstand für alle entlang der anderen der zwei
Richtungen nacheinander angeordneten Filter gleich ist, die Verkippung
der einzelnen Filter jedoch unterschiedlich ist. Ausführungsbeispiele
umfassen somit ebenso ein zweidimensionales optisches Filter, wobei
die Verkippung in der einen Richtung der Detektorelemente einheitlich
ist und das optische Filter somit als spektraler, ortsauflösender
(Eindimensional)-Sensor verwendet werden kann.
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Das
elektroaktives Material kann optional durch zwei transparente Elektroden
aktiviert werden, wobei die zwei transparenten Elektroden auf zwei
gegenüber liegenden Seiten des elektroaktiven Materials
angeordnet sind.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen ist zwischen dem ersten
und zweiten teiltransparenten Spiegel ein Keil oder ein planparalleler
Stapel aus elektroaktivem Material angeordnet, wobei das elektroaktive
Material gleichzeitig eine op tische Funktion erfüllt, indem
das einfallende Licht das elektroaktive Material bei der Ausbreitung
zwischen dem ersten und zweiten teiltransparenten Spiegel passiert.
In einem solchen Fall kann beispielsweise eine Elektrode als Widerstand
oder Widerstandsschicht ausgebildet sein, über die eine
Spannung abfällt, so dass sich beispielsweise ein Spannungsprofil
entlang der Verkippungsrichtung ausbildet, wenn unterschiedliche elektrische
Potentiale an unterschiedliche Kontaktbereiche der Widerstandsschicht
angelegt werden. Die Potentiale können dann beispielsweise
derart gewählt werden, dass sich eine gleichmäßige
Verkippung ergibt. Optional können ferner zusätzliche
Elektroden verwendet werden, um die optischen Eigenschaften – insbesondere
eine eventuell störende Dispersion – auszugleichen.
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Der
erste und zweite Spiegel können bei Ausführungsbeispielen
beispielsweise durch einen dünnen Metallfilm hergestellt
werden, der auf einem Substrat wie beispielsweise Glas aufgedampft
wird, so dass sich dadurch ein teiltransparenter Spiegel ergibt.
Die Transparenz kann in einem solchen Fall über die Schichtdicke
der dünnen Metallfilmschicht eingestellt werden. Die teiltransparenten
Spiegel in Form von dünnen Metallfilmen können
ebenfalls in Kombination mit dielektrischen Schichten hergestellt werden.
Die teiltransparenten Spiegel des optischen Filters können
auch aus einem dielektrischen Schichtstapel, der einen Bragg-Reflektor
bildet, hergestellt werden.
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Als
elektroaktive Materialien kommen beispielsweise Materialien mit
dielektrischen, elektrostriktiven, elektrochemo-mechanischen, piezoelektrischen
oder elastischen Eigenschaften in Frage. Alternativ weisen die elektroaktiven
Materialien beispielsweise einen ionischen Polymer-Metallkomposit,
ein mechanisch-chemisches Polymer/Gel, einen Liquid Crystal Elastomer,
oder Shape Memory Polymer/Legierungen auf. Insbesondere können
beispielsweise als elektroaktive Materialien Polymere oder Copolymere
sowie Polymerblends genutzt werden. Das elektroaktive Material kann
ferner eine Legierung oder ein Gemisch (Komposit/Nanokomposit) aufweisen.
Ferner kann bei Ausführungsbeispielen das elektroaktive
Material eine Keramik oder Polymer-Keramik-Komposit sein.
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Bei
der Herstellung des optischen Filters kann beispielsweise ein Waferbondverfahren
genutzt werden, um beispielsweise den oberen Spiegel aufzubringen
(entweder auf den Abstandshalter oder das elektroaktive Material).
Um eine ausreichende optische Qualität zu erreichen, wird
bei Ausführungsbeispielen außerdem die Dektektorzeile
planarisiert und anschließend wird der untere Spiegel (der
Spiegel, der dem Detektor zugewandt ist) auf den Detektor/Detektorzeile
angeordnet.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen können die Eigenschaften
des elektroaktiven Materials durch Nanoteilchen oder Nanopartikel
optimiert werden – sowohl in Bezug auf elektrische als
auch optische Eigenschaften.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen weist das optische Filter
eine integrierte Positionssensorik auf, wobei optional integrierte
lichtemittierende Dioden oder zusätzliche Photodioden oder
auch Elemente der Detektorzeile dazu verwendet werden können.
Alternativ können für die Positionssensorik ebenfalls
Laserdioden eingesetzt werden. Außerdem ist es möglich,
externe Lichtquellen für eine Kalibrierung zu nutzen.
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Um
die Verkippungswinkel und den Abstand der teiltransparenten Spiegel
bestimmen zu können, können beispielsweise kapazitive
Messungen genutzt werden. Die Positionssensorik kann beispielsweise
piezoresistiv oder piezoelektrisch arbeiten und außerdem
können in der Positionssensorik ebenfalls Interferenzeffekte
ausgenutzt werden.
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Die
Signale der Positionssensorik können bei weiteren Ausführungsbeispielen
ebenfalls für ein Regelsystem des opti schen Filters genutzt
werden, um den gewünschten Wellenlängenbereich
und/oder die Zentralwellenlänge einzustellen und zu halten. Dies
kann beispielsweise wichtig sein, um gegenüber Drift und
externen Einflüssen, wie beispielsweise einer Temperaturänderung,
unabhängig zu sein.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen wird die elektrostatische
Anziehung oder Abstoßung ausgenutzt, um eine Verkippung/Auslenkung
der teiltransparenten Spiegel zu erreichen, wobei dazu beispielsweise
Elektroden oder Elektrodenplatten entweder an zwei gegenüber
liegenden Seiten eines verformbaren (flexiblen) Materials ausgebildet
sein können oder aber auf der Spiegelebene angeordnet sind
und die Spiegel das flexible Material beidseitig begrenzen, so dass
bei Anlegen einer Spannung an den beiden Elektrodenbereichen eine
elektrostatische Kraft ausgeübt wird, die dazu führt,
dass die beiden Spiegel sich entweder zueinander verkippen oder
aber parallel zueinander anziehen oder abstoßen.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung können für vielfältige
Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann das optische Filter in
der Telekommunikation eingesetzt werden (z. B. optische Datenübertragung)
oder auch in den Bereichen DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex) oder
WDM (Wavelength Division Multiplex). Ferner können Spektrometer,
die auf den linear variablen optischen Filtern gemäß Ausführungsbeispielen
basieren, in mobilen Geräten und/oder chemischen Analytik
und/oder Lebensmittelkontrolle und -analyse eingesetzt werden. Schließlich
können mit solcher Art von Spektrometer auch chemometrische
Analysen durchgeführt werden.
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Es
ist bei weiteren Ausführungsbeispielen ebenfalls möglich,
den optischen Filter in Kombination mit einer ein- oder mehrdimensionalen
Verschiebungseinrichtung zu betreiben, so dass ein spektral aufgelöstes
zweidimensionales Bild aufgenommen werden kann. Das spektral aufgelöste
zweidimensionale Bild kann beispielsweise für eine Plastiksor tierung
oder zur Müllsortierung verwendet werden. Andere Anwendungen
umfassen die Wasseranalyse, Lebensmittelanalyse, Blutanalyse, Gasanalyse
und die Umweltmesstechnik.
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Ausführungsbeispiele
können ebenfalls dazu genutzt werden, um organische lichtemittierende
Dioden (OLED) oder Flüssigkeitskristallanzeigen (LCD-Displays)
beispielsweise hinsichtlich der Farbbestimmung, der Intensität
und Mura zu beeinflussen.
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Erfindungsgemäß wird
somit die oben gestellt Aufgabe gelöst, indem ein LVOF
nach dem Stand der Technik so erweitert wird, dass der Abstand und
der Verkippungswinkel der Spiegel flexibel einstellbar realisiert
sind. Flexibel meint dabei, dass beide Parameter (Abstand und Verkippungswinkel) während
des Betriebs des Filters unabhängig voneinander und ohne
Eingriff in das optische System eingestellt werden können.
Durch Einstellung des Mittenabstands kann die Zentralwellenlänge
festgelegt werden. Durch Einstellung des Verkippungswinkels kann
der Wellenlängenbereich gewählt werden. Bei N
Detektoren kann die prinzipielle Auflösung im Bereich einer
Zentralwellenlänge erhöht werden, indem der Wellenlängenbereich
(Verkippungswinkel) reduziert wird. Damit wird es möglich
ein Spektrum innerhalb eines großen Wellenlängenbereichs
aufzunehmen und bei Bedarf in ausgesuchten (oder allen) Bereichen
das Spektrum mit höherer Auflösung aufzunehmen
ohne optische oder dispersive Komponenten austauschen zu müssen.
Gleichzeitig ist ein solcher Filter in geringer Größe
herzustellen, kostengünstig zu fertigen und besitzt aufgrund
der Steifheit der verwendeten Aktoren eine sehr geringe Schock- und
Vibrationsempfindlichkeit.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines optischen Filters gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Darstellung eines herkömmlichen linear variablen optischen
Filters;
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3 eine
Querschnittsansicht durch ein variables optisches Filter mit vier
Kontaktflächen;
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4 eine
Querschnittsansicht durch ein variables optisches Filter, der auf
einer Detektorzeile angeordnet ist;
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5 ein
variables optisches Filter mit einer Vorverkippung;
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6 eine
Querschnittsansicht eines variablen optischen Filters mit elektroaktivem
Material als optisches Transmissionsmedium;
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7a,
b eine Darstellung der Dispersion und eine Elektrodenanordnung zur
Dispersionskompensation;
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8 eine
Draufsicht auf ein zweidimensional ausgebildetes variierbares optisches
Filter-Array; und
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9 eine
Darstellung von Prozessschritten für die Herstellung eines
optischen Filters gemäß Ausführungsbeispielen.
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Bezüglich
der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei
den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder
gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen
und somit die Beschreibung dieser Funktionselemente in verschiedenen
Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines optischen Filters mit einem
ersten teiltransparenten Spiegel 1a, einen zweiten teiltransparenten Spiegel 1b und
einen verformbaren Abstandshalter 7, 15, der zwischen
dem ersten und zweiten teiltransparenten Spiegel 1a, 1b angeordnet
ist. Ein Abstand 20a zwischen dem ersten teiltransparenten
Spiegel 1a und dem zweiten teiltransparenten Spiegel 1b ist in
Abhängigkeit einer an das optische Filter angelegten (elektrischen)
Spannung U veränderbar. Der Abstandshalter 7, 15 kann
dabei beispielsweise den Abstand 20 dadurch verändern,
dass der erste teiltransparente Spiegel 1a bezüglich
des zweiten teiltransparenten Spiegels 1b verkippt wird,
so dass die Verkippung 20r zu einem variablen Abstand 20a entlang der
Verkippungsrichtung (horizontalen Richtung in der 1)
führt. Die Verkippung 20r entspricht einem Verkippungswinkel,
der beispielsweise in der Größenordnung von 0,05° oder
in einem Bereich zwischen 0° und 1° oder zwischen
0° und 0,1° einstellbar ist.
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Der
erste teiltransparente Spiegel 1a ist ausgebildet, dass
ein einfallender Lichtstrahl 3 den ersten teiltransparenten
Spiegel 1a passieren kann und der zweite teiltransparente
Spiegel 1b spaltet den einfallenden Lichtstrahl 3 in
einen Transmissionsanteil 3t und einen Reflexionsanteil 3a auf,
wobei der reflektierte Anteil 3r an dem zweiten teiltransparenten
Spiegel 1b reflektiert und anschließend an dem ersten
teiltransparenten Spiegel 1a zurück reflektiert wird.
Als Folge wird ein Teil des reflektierten Lichtstrahls 3r den
zweiten teiltransparenten Spiegel 1b passieren und mit
dem Transmissionsanteil 3t interferieren, so dass in Abhängigkeit
der Phasenverschiebung zwischen dem Transmissionsanteil 3t und dem
Reflexionsanteil 3r ein In terferenzmuster entsteht. Wenn
die Phasenverschiebung zwischen dem durchgelassenen und dem reflektierten
Lichtstrahl 3t und 3r ein ganzzahliges Vielfaches
einer Wellenlänge beträgt, so kommt es zu einer
Verstärkung (konstruktive Interferenz) und wenn die Phasendifferenz (2n
+ 1)π/2 für n = 1, 2, 3, ... beträgt,
so kommt es zu einer Auslöschung, so dass diese Spektralteile
eliminiert werden (destruktiven Interferenz). Im allgemeinen kommt
es an den teiltransparenten Spiegeln 1a, b zu einer Mehrfachreflexion,
so dass der Reflexionsanteil 3r mehrfach zwischen dem ersten
und dem zweiten teiltransparenten Spiegel 1a und 1b reflektiert
wird und bei jeder Reflexion ein Teil den jeweiligen teiltransparenten
Spiegel passiert. Für einen bestimmten Abstand 20a ist
die konstruktive Interferenzbedingung nur für bestimmte
Wellenlängen gegeben, wobei die größte
Wellenlänge gerade den doppelten Abstand 20a beträgt.
Der linear variable optische Filter, wie er in 1 dargestellt
ist, hat nun den Effekt, dass entlang der Verkippungsrichtung (horizontale
Richtung) die konstruktive Interferenzbedingung für verschiedene
Wellenlängen erfüllt ist, so dass in Abhängigkeit
der Einfallsposition des einfallenden Lichtes 3 eine andere
Wellenlänge aus dem einfallenden Licht 3 gefiltert
wird.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
für verformbare Abstandshalter 7, die zwischen
dem ersten teiltransparenten Spiegel 1a und dem zweiten
teiltransparenten Spiegel 1b ein erster verformbarer Abstandshalter 7a und
ein zweiter verformbarer Abstandshalter 7b angeordnet sind.
Zwischen dem ersten verformbaren Abstandshalter 7a und
dem zweiten teiltransparenten Spiegel 1b ist eine erste
Elektrode 8a ausgebildet, zwischen dem ersten Abstandshalter 7a und dem
ersten teiltransparenten Spiegel 1a ist eine zweite Elektrode 8b ausgebildet,
zwischen dem zweiten verformbaren Abstandshalter 7b und
dem zweiten teiltransparenten Spiegel 1b ist eine dritte Elektrode 8c ausgebildet
und zwischen dem zweiten verformbaren Abstandshalter 7b und
dem ersten teiltransparenten Spiegel 1a ist eine vierte
Elektrode 8d ausgebildet.
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Die 3 zeigt
somit ein erstes Ausführungsbeispiel für ein einstellbares
LVOF im Querschnitt, wobei einstellbare LVOF auch als Adjustable Linear
Variable Optical Filter (ALVOF) bezeichnet werden. Beide verformbare
Abstandshalter 7a, b können beispielsweise zusammen
mit ihren jeweiligen Elektroden 8a–8d nach
dem Herstellungsprozess die gleiche nominelle Dicke aufweisen. Als
elektroaktives Material können beispielsweise folgende Materialien
genutzt werden: dielektrische Elastomere, elektrostriktive Polymere,
elektrochemo-mechanische Polymere, ionische Polymer-Metall-Komposite, mechanisch-chemische
Polymere/Gele, ferroelektrische Polymere, piezoelektrische Polymere
und Keramiken, Liquid Crystal Elastomere, Shape Memory Polymere
und Legierungen. Andere Beispiele sind Silikone, viskoelastische
Schäume, BTO, PZT, PVDF, Copolymere von PVDF (PVDF-TrFE,
PVDF-TFE), odd-Nylons, VDCN, Polyurea, sowie Komposite wie z. B.
Polymerblends (PVF2-Nylon), Polymer-Keramik (PVDF-PZT),
Nanokomposite (d. h. Nanopartikel eines elektroaktiven anorganischen
Materials wie BTO in einer Polymer matrix), Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon
nanotubes), in monomorpher-, bimorpher- oder polymorpher Struktur,
hergestellt. Die Elektroden 8a–8d sind
aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, wie z. B. Al,
Au, AlSiCu, ITO, CdO, Ag, Cu, leitende Polymere, .... Die Elektroden 8a–8d sind
elektrisch voneinander isoliert und können unabhängig
voneinander mit einem elektrischen Potential beaufschlagt werden.
In der Herstellung und für den Betrieb kann es günstig
sein zwei der Elektroden elektrisch miteinander zu verbinden (z.
B. in der Kombination 8a mit 8c oder 8b mit 8d zulässig).
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Liegt
zwischen den Elektroden 8a und 8b eine elektrische
Spannung an, so dehnt bzw. kontrahiert sich der Abstandshalter 7a.
Entscheidend für die Kontraktion bzw. gegebenenfalls Elongation
ist dabei je nach gewähltem Material entweder der inverse
piezoelektrische Effekt (z. B. PVDF, PVDF-Copolymere oder Polymer-Polymer
Komposite), die auf dem dielektrischen Effekt beruhende Kontraktion
(z. B. BCB, Elastomere), die Elektrostriktion oder andere Effekte, welche
die jeweiligen elektroaktiven Materialien auszeichnen.
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Als
konkretes Beispiel kann zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 8a und 8b eine
erste Spannung angelegt werden, die ihrerseits zu einer Verformung
des ersten verformbaren Abstandshalters 7a führt.
In analoger Weise kann zwischen der dritten Elektrode 8c und
der vierten Elektrode 8d eine zweite Spannung angelegt
werden, die ihrerseits zu einer Verformung des zweiten verformbaren
Abstandshalters 7b führt. Sofern die erste und
die zweite Spannung voneinander unterschiedlich sind bzw. sofern
das Material der ersten und zweiten verformbaren Abstandshalter 7a und 7b voneinander
unterschiedlich ist, führt das Anlegen der ersten und zweiten
Spannung zu unterschiedlichen Verformungen des ersten Abstandshalters 7a und
des zweiten Abstandshalters 7b. Als Konsequenz wird der
erste teiltransparente Spiegel 1a in Bezug auf den zweiten teiltransparenten
Spiegel 1b verkippt und es entsteht ein linear variabler
optischer Filter.
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Alternativ
können auch gleiche Spannungen zwischen der ersten und
zweiten Elektrode 8a, 8b bzw. zwischen der dritten
und vierten Elektrode 8c, 8d angelegt werden,
die dazu führen, dass der erste teiltransparente Spiegel 1a sich
im Vergleich zu dem zweiten teiltransparenten Spiegel 1b pa rallel
verschiebt, so dass der Abstand 20 entlang der horizontalen
Achse in der 3 konstant bleibt.
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Da
links und rechts aber auch unterschiedliche Spannungen angelegt
werden können, kann ein unterschiedlicher Abstand der Glasplatten
am linken und rechten Ende erreicht werden. Damit ist sowohl eine
Einstellung des Verkippungswinkels als auch eine Änderung
des Mittenabstands möglich. Dies resultiert in der Einstellbarkeit
des Wellenlängenbereichs und der Zentralwellenlänge.
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Die
Herstellung eines solchen Bauelements erfolgt Idealerweise mittels
mikromechanischer Techniken, da hier Schichtdicken exakt eingestellt
werden können, eine submikrometergenaue Justage und Strukturierung
von Schichten möglich ist und Schichten mit sehr hoher
Homogenität aufgebracht werden können.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei dem das optische Filter, wie
es beispielsweise in der 3 gezeigt ist, auf eine Detektorzeile 9 angeordnet
ist, wobei die Detektorzeile 9 eine Vielzahl von Detektorelementen 19 aufweist.
Die Detektorelemente 19 können beispielsweise
Photodioden aufweisen und beispielsweise in einem Substrat als Halbleiterbauelemente
ausgebildet sein.
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Die
einzelnen Detektorelemente 19 messen die Intensität
der einfallenden Strahlung 3, die an dem jeweiligen Ort
(entlang der Verbindungslinie zwischen dem ersten und zweiten Abstandshalter 7a,
b) des Detektorelements 19 den linear optischen Filter 10 passieren
können. Wie zuvor beschrieben, kann lediglich jener Wellenlängenbereich
das optische Filter passieren, für den die konstruktive
Interferenzbedingung erfüllt ist, so dass die einzelnen
Detektorelemente 19 einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich
detektieren können. Andererseits ist es ebenfalls möglich,
wenn die Verkippung des ersten teiltransparenten Spiegels 1a relativ
zu dem zweiten teiltransparenten Spiegel 1b sehr klein
ist, so dass beide nahezu parallel sind, dass der linear variable
optische Filter nur für eine Wellenlänge sensitiv
ist. Die einzelnen Detektorelemente 19 können
in diesem Fall die gesamte Bandpassbreite Δλ erfassen.
Die Bandpassbreite Δλ hängt von der Finesse
des Filters ab, wobei die Finesse durch das Reflexionsvermögen
der teiltransparenten Spiegel gegeben ist. Die Finesse wird umso
größer, je höher das Reflexionsvermögen
der teiltransparenten Spiegel 1a und 1b ist, da
bei erhöhtem Reflexionsvermögen Mehrfachreflexionen
eine zunehmende Rolle spielen, so dass bereits kleinste Abweichungen
von der konstruktiven Interferenzbedingung zu einen Auslöschungseffekt (destruktiven
Interferenz) führen.
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Somit
entsteht ein Spektrometer mit einstellbarem Wellenlängenbereich
und einstellbarer Zentralwellenlänge.
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Optional
braucht auch nur der erste verformbare Abstandshalter 7a mit
der ersten und zweiten Elektrode 8a, b ausgebildet sein
und statt des zweiten verformbaren Abstandshalters 7b kann
auch ein fester Abstandshalter ausgebildet sein. Damit wird durch
Anlegen einer Spannung lediglich der Abstand auf der einen Seite
verändert, während der Abstand auf der anderen
Seite fixiert bleibt. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel
sind jedoch die Zentralwellenlänge und der Wellenlängenbereich
nicht unabhängig voneinander einstellbar.
-
Der
maximale Hub der als Aktoren eingesetzten Strukturen als verformbare
Abstandshalter 7a und 7b ist durch Materialeigenschaften
und/oder durch die maximal einsetzbare elektrische Spannung begrenzt.
Soll ein sehr großer Wellen längenbereich erfasst
werden, so ist es vorteilhaft wenn der ALFOV so hergestellt wird,
dass die beiden Spiegel bereits ohne Anlegen eines elektrischen
Potentials eine Verkippung aufweisen (Vorverkippung).
-
5 zeigt
ein solches Bauelement im Querschnitt, wobei im Vergleich zu dem
Ausführungsbeispiel wie es in der 3 gezeigt
ist, der verformbare erste Abstandshalter 7a durch einen
weiteren (passiven) Abstandshalter 13 ergänzt
wurde, so dass selbst bei abwesender Spannung eine Vorverkippung
zwischen dem ersten teiltransparenten Spiegel 1a (oberer
Spiegel) und dem zweiten teiltransparenten Spiegel 1b (unterer
Spiegel) ausgebildet ist.
-
Durch
einseitige Einbringung des weiteren (passiven) Abstandshalters 13 wird
der linke Schichtstapel um die Dicke von 13 höher
als der rechte. Wird der obere Spiegel 1a durch ein Pick-and-Place-Verfahren
aufgebracht, so kann aufgrund der unterschiedlichen Höhen
der Abstandshalter 7 und 13 eine haftvermittelnde
Schicht 14a, 14b nötig sein. Wird diese
Schicht z. B. durch ein Polymer mit geeignet niedriger Aufschmelztemperatur
realisiert, so ist trotz der unterschiedlichen Höhen der
Abstandshalter auch ein Waferbondverfahren einsetzbar. Bei dem Waferbondverfahren
können mehrere optische Filter gleichzeitig parallel auf
einem Wafer gefertigt werden, wobei die teiltransparenten Spiegel
durch gemeinsame Schichten gebildet werden, die später durch
Vereinzeln getrennt werden.
-
Bei
diesem Verfahren wird auf die unterschiedlich hohen Abstandshalter
eine gegenüber dem zusätzlichen Abstandshalter 13 dickere
Schicht des Polymers aufgebracht. Während der Bondung wird
die Temperatur soweit erhöht, dass das Polymer plastisch
verformt werden kann. Die Prozessführung wird so gestaltet,
dass der obere Spiegel 1a mit allen Abstandhaltern über
das Polymer geeignet Kontakt hat. Nach Vereinze lung der Bauelemente
wird dann die Temperatur soweit erhöht, dass das Polymer
sehr einfach plastisch verformt werden kann, also schon fast den
flüssigen Zustand erreicht. Aufgrund von Adhäsion
wird die Spiegelplatte 1a dann zum Abstandshalter gezogen,
während das Polymer verdrängt wird. Gegebenenfalls
kann dieser Prozess unterstützt werden, indem zur plastischen
Verformung zusätzlich ein geeignet hoher Druck auf die
Spiegelplatte 1a ausgeübt wird. In Kombination
mit einer Detektorzeile 9 wird wiederum ein integriertes
Spektrometer realisiert.
-
Konkret
kann beispielsweise zwischen der zweiten Elektrode 8b und
dem ersten teiltransparenten Spiegel 1a eine erste haftvermittelnde
Schicht 14a und zwischen der vierten Elektrode 8d und
dem ersten teiltransparenten Spiegel 1a kann eine zweite haftvermittelnde
Schicht 14b ausgebildet sein. Durch Anlegen einer elektrischen
Spannung zwischen der ersten Elektrode 8a und der zweiten
Elektrode 8b und/oder einer weiteren elektrischen Spannung
zwischen der dritten Elektrode 8c und der vierten Elektrode 8d kann
die voreingestellte Verkippung vergrößert oder
verkleinert werden. Der zusätzliche Abstandshalter 13 kann
optional auch als aktives Element, bzw. aus einem elektroaktiven
Material hergestellt werden, so dass bei angelegter Spannung die Verkippung
noch weiter erhöht werden kann.
-
6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein ALVOF,
bei dem im Unterschied zu dem in 4 gezeigten
Ausführungsbeispiel das aktuierende Material selbst den
optischen Keil bildet. Die Elektroden 8 sind flächenförmig
ausgebildet, so dass eine erste Elektrodenfläche 8e von
einer zweiten Elektrodenfläche 8f durch eine Aktorschicht 15 getrennt
ist. Die Aktorschicht 15 weist beispielsweise wiederum ein
elektroaktives Material auf, so dass der Abstand zwischen der ersten
Elektrodenschicht 8e und der zweiten Elektrodenschicht 8f in
Abhängigkeit der angelegten Spannung variierbar ist. Die
erste Elektrodenschicht 8e oder die zweite Elektrodenschicht 8f weisen
beispielsweise ein erste und zweite Schichtdicke d1, d2 auf, die
eine geeignet gewählte Dicke d aufweisen (siehe unten).
-
Die
Herstellung kann beispielsweise wie folgt erfolgen. Auf die Detektorzeile 9 ist
die erste transparente Elektrodenschicht 8e (z. B. ITO:
Indium-Zinn-Oxid oder CdO) schichtförmig aufgebracht. Um
eine hohe optische Güte zu erreichen, sollte die Detektorzeile 9 sehr
planar sein. Typische Herstellungsverfahren von Detektorzeilen gewährleisten dies
selten. Daher sind diese zu modifizieren oder es sind im Anschluss
an die eigentliche Herstellung weitere Prozessschritte durchzuführen,
um eine ausreichend plane Oberfläche zu erzielen. Insbesondere werden
Planarisierungsschichten (z. B. Oxide, wie dotiertes Silicatglas,
Polymere, wie z. B. Polyimid o. a.) abgeschieden und gegebenenfalls
durch Temperatur und/oder mittels Chemisches-Mechanisches-Polieren
(CMP) behandelt.
-
Auf
die erste Elektrodenschicht 8e wird das elektroaktive Material
als Aktorschicht 15 aufgebracht. Dies geschieht z. B. durch
Aufschleuderverfahren, durch Sprühbeschichtung oder durch
Bonden. Auf die Aktorschicht 15 wird schließlich
die obere (zweite) Elektrodenschicht 8f aufgebracht, die
wie die erste Elektrodenschicht 8e transparent ist.
-
Bei
der ersten Elektrodenschicht 8e kann beispielsweise eine
erste Spannung U1 angelegt werden, und wenn
die zweite Elektrodenschicht 8f einen ausreichenden Widerstand
aufweist, können unterschiedliche Potentiale an gegenüber
liegenden Endpunkten angelegt werden (z. B. eine Spannung U2 an dem linken horizontalen Ende und eine
Spannung U3 an einem rechten horizontalen
Ende)
-
Liegt
zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht 8e und 8f keine
Spannung an, so weist die Aktorschicht 15 eine einheitliche
Dicke auf. Um eine homogene Veränderung der Schichtdicke
zu erzielen, werden die Potentiale U2 und
U3 gleich gewählt. Die elektrische
Spannung U1 – U2 ist
dann maßgeblich für die homogene Schichtdicke.
Um eine keilförmige Deformation zu erzielen werden die
Potentiale U1, U2 und
U3 beispielsweise wie folgt gewählt:
U1 = 0 V (z. B. Masse), U2 =
0 V, U3 ≠ 0 V. Am linken Ende liegt
damit keine Spannung an und die Schicht ist nicht deformiert. An
der rechten Seite liegt die Spannung U1 – U3 ≠ 0 V an, was, je nach Effekt und
Vorzeichen der Spannung, zu einer Schichtdickenverringerung oder
Vergrößerung führt. Dieser Fall (Schichtdickenverringerung
auf der rechten Seite) ist der in 6 gezeigte
Fall.
-
Die
Verkippung ist exakt keilförmig, wenn entlang des durch
die zweite Elektrodenschicht 8f gebildeten elektrischen
Widerstands die Spannung U3 – U2 linear abfällt, d. h. ein sich
linear änderndes Potentialgefälle zwischen den
Elektrodenschichten herausbildet. Dies kann durch geeignete Materialwahl,
Prozessierung, Design (z. B. durch ein Schichtdickenprofil der Elektrodenschicht 8f)
und Beschaltung in sehr guter Näherung erreicht werden.
-
In
der 6 nicht gezeigt sind die Verspiegelungsschichten,
die vorzugsweise zwischen der Detektorzeile 9 und untere
Elektrodenschicht 8e bzw. auf die obere Elektrodeschicht 8f aufgebracht
werden. Die Verspiegelungsschichten können beispielsweise
wiederum aufgedampfte dünne Metallschichten oder ein transparentes
Substrat wie beispielsweise Glas umfassen.
-
Aufgrund
der Dispersion des als Keil eingesetzten Materials werden die Wellenlängen
nicht linear auf der Detektorzeile abgebildet, so dass beispielsweise
unterschiedliche Detektorelemente 19 ein verschied großes
Welleninkrement aus Δλ detektieren. Eine näherungsweise
Korrektur wird möglich, wenn zusätzliche, separierte,
transparente Elektroden verwendet werden, so dass lokal die Schichtdicke
angepasst werden kann.
-
Bei
Materialien, die keine Dispersion aufweisen, ist der Brechungsindex
Wellenlängen-unabhängig und bei derartigen Materialien
wird im ALVOF aufgrund der keilförmigen Verkippung der
Wellenlängenbereich von λ1 bis λ2 gleichmäßig auf die darunter
angeordnete Detektorzeile abgebildet. Mit anderen Worten ist das
Wellenlängeninkrement von Detekorelement zu Detektorelement
identisch (bei äquidistanter Anordnung der Detektorelemente).
Jedes Detektorelement 19 erfasst zum Beispiel das Wellenlängeninkrement Δλ/r,
wobei r die Anzahl der Detektorelemente 19 ist. Dies ist
jedoch eine idealisierte Situation. Streng genommen weisen alle
Materialien eine Dispersion auf, so dass der Brechungsindex n von der
Wellenlänge λ abhängt.
-
7a zeigt
einen typischen Verlauf des funktionalen Zusammenhangs zwischen
dem Brechungsindex n und der Wellenlänge λ. Bei
typischen Materialien nimmt der Brechungsindex n mit zunehmender
Wellenlänge wie in der 7a gezeigt
ab. In gasförmigen Medien, wie beispielsweise Luft, ist
die Dispersion im allgemeinen jedoch zu vernachlässigen.
Daher sind Dispersionseffekte für alle ALVOF vernachlässigbar,
bei denen der Zwischenraum zwischen den beiden teiltransparenten
Spiegeln 1a, 1b mit einem Gas (z. B. Luft) gefüllt
ist.
-
Die
Dispersion, die über die teiltransparenten Spiegel 1a, 1b und
ggf. weitere Schichten eingeführt wird, ist in vielen Fällen
ebenfalls vernachlässigbar. Sind diese Schichten (teiltransparente
Spiegel und weitere Schichten) allerdings relativ dick und weisen
ein Material mit signifikanter Dispersion auf, so führt
dies bei einem ALVOF dazu, dass die Wellenlängen nicht
mehr linear auf die darunter angeordnete Detektorzeile 19 abgebildet
werden. Damit werden bestimmte Wellenlängenbereiche mit
einer durch den Detektorabstand vorgegebenen Auflösung übergenau
und andere Wellenlängenbereiche zu ungenau bestimmt. Dies
ist insbesondere dann der Fall, wenn eine Aktorschicht 15 mit
einer hohen Dispersion verwendet wird.
-
Zur
Kompensation der Dispersionseffekte können zwei Ansätze
verfolgt werden:
- 1) eine nicht-lineare Anordnung
der Detektorelemente 19. Bei diesem Ansatz werden die Abstände
der Detektorelemente 19 entsprechend der vorliegenden Dispersion
der verwendeten Materialien angepasst. Dies ist sowohl für
ein ALVOF mit einem Gas als auch für das mit einer aktiven
bzw. deformierbaren Schicht zwischen den teiltransparenten Spiegeln
möglich, wobei die deformierbare Schicht beispielsweise
als Keil 15 zwischen den Spiegeln ausgebildet ist.
- 2) Für den Fall der deformierbaren Schicht (Aktorschicht 15)
wird anstelle des linearen Spannungsabfalls an der oberen Elektrodenschicht 8f (siehe in 6)
ein nicht-linearer Abfall der elektrischen Spannung eingesetzt,
um die Dispersion zu kompensieren. Konkret würde also lokal
die Spannung derart gewählt werden, dass sich ein linearer
Abfall nicht der geometrischen, sondern der optischen Weglänge
(= geometrische Weglänge × Brechungsindex) für
die entsprechende lokale Wellenlänge ergibt. Da der Brechungsindex
n Wellenlängenabhängig ist (siehe 7a),
muss die geometrische Weglänge dies kompensieren, so dass
die optische Weglänge in der Tat möglichst linear
sich ändert. Es bil det sich somit eine nicht-linear deformierte
Schicht zwischen den beiden Enden heraus.
-
Dieses
Ziel kann beispielsweise durch eine geeignete Strukturierung der
Elektroden (die obere oder untere Elektrodenschicht 8e oder 8f)
erreicht werden. Zum einen könnte die Dicke d der von links nach
rechts durchgehenden Elektroden 8e oder 8f passend
zur Dispersion gewählt werden, so dass sie beispielsweise
nicht konstant sind. Beispielsweise kann die erste Schichtdicke
d1 der ersten Elektrodenschicht 8f in der 6 von
dem Potenzial U2 zu dem Potenzial U3 sich kontinuierlich ändern, so
dass der Spannungsabfall auf den einzelnen Abschnitten zwischen
den Kontakten, an denen U2 und U3 anliegen, sich verschieden stark wegen
der Widerstandsänderung ändert. Die Schichtdicke
d1 kann linear oder auch nicht-linear ansteigen oder auch fallen.
Je dicker die Elektrode, umso geringer ist der Widerstand und umso
geringer ist die Spannung, die an dieser Stelle anliegt. Eine solche
Dickenstrukturierung kann beispielsweise durch Graustufenlithographie
eines Photolackes mit anschließender Ätzung zur Übertragung
der Struktur ins Elektrodenmaterial realisiert werden. Prinzipiell
denkbar ist auch ein Verfahren der Nanoprint-Lithographie.
-
7b zeigt
eine alternative Elektrodenform, wobei senkrecht zur Ausbreitung
des Lichtes (senkrecht zur Zeichenebene), beispielsweise von links
nach rechts (und somit in ihrer Breite b) die Schichtelektrode 8f oder 8e strukturiert
wird. 7b zeigt dabei eine Draufsicht
auf den optischen Filter, und zwar in Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichtes.
Dabei sind die Detektorelemente 19 äquidistant
angeordnet und sind ebenfalls durch eine untere Schichtelektrode 8e zumindest
teilweise bedeckt. Die obere Schichtelektrode 8f ist bei
diesem Ausführungsbeispiel jedoch derart ausgebildet, dass
sie in Richtung der Detektorzeile 19 kontinuierlich an
Breite zunimmt (z. B. von einer ersten Breite b1 zu eine zweiten
Breite b2 anwächst). Der Breitenzuwachs kann beispielsweise
eine nicht-lineare Funk tion sein und derart gewählt werden,
dass der nichtlinearen Dispersionseffekt kompensiert wird. Somit
zeigt die 7b eine Breitenvariation der
Elektrode, die zur Dispersionskompensation geeignet ist.
-
Wie
bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel mit variabler
Schichtdicke d führt die variable Schichtbreite zu einem
variablen Schichtwiderstand und somit zu einem variablen Spannungsabfall.
Ein ähnlicher Effekt tritt hier auf. Dort, wo die Elektrode
schmal ist (z. B. auf der linken Seite mit einer Breite b1) ist
der elektrische Widerstand entsprechend hoch, so dass der Spannungsabfall
dort höher ist und die geometrische Schichtdicke damit
geringer wird, was einen hohen Brechungsindex n kompensiert. Entsprechend
ist der elektrische Widerstand auf der rechten Seite infolge der
größeren Breite b2 der Elektrode niedriger und
somit fällt dort weniger Spannung ab, was dazu führt,
dass die geometrische Schichtdicke größer ist
was einen entsprechend niedrigeren Brechungsindex n kompensieren
wird.
-
Durch
geeignete Wahl der Potentiale kann damit eine Anpassung der Schichtdicke
und gleichzeitig eine Verkippung erzielt werden, so dass sowohl Zentralwellenlänge
als auch der Wellenlängenbereich flexibel eingestellt gewählt
werden können.
-
Wird
statt der Detektorzeile 9 ein transparentes Substrat (z.
B. Glas) verwendet, kann ein reiner einstellbarer Filter hergestellt
werden, der beispielsweise in ein optischen Strahlengang eingebracht werden
kann.
-
8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines zweidimensionalen ALOVFs
in Aufsicht. Die Querschnittsansichten der 3 bis 6 sind
beispielsweise entlang der Schnittslinie 17 gezeigt. In
dem Ausführungsbeispiel der 8 sind beispielhaft
M = 4 voneinander unabhängige ALVOFs auf einem gemeinsamen
Substrat parallel zueinander angeordnet. Die in Aufsicht obere Schicht 16 entspricht
im Allgemeinen der Verspiegelungsschicht des oberen Spiegels 1a. 8 zeigt
somit einen ersten optischen Filter 10a, einen zweiten
optischen Filter 10b, einen dritten optischen Filter und
einen vierten optischen Filter 10d, die vertikal zueinander
angeordnet sind. In horizontaler Richtung entlang der Schnittslinie 17 sind
die einzelnen Detektorelemente 19 angeordnet.
-
Mit
diesem Bauelement ist es beispielsweise möglich M verschiedene
Lichtquellen parallel zu untersuchen. Dazu kann sich beispielsweise
der erste und der zweite teiltransparente Spiegel 1a und 1b über
die gesamte zweidimensional ausgebildete Fläche erstrecken
und eine gleichmäßige Verkippung in horizontaler
Richtung aufweisen (entlang der Schnittlinie 17). Die vertikale
Richtung liefert dann eine Ortsauflösung. Dadurch ist der
dargestellte Filter bezüglich der gleichen Zentralwellenlänge
mit der gleichen Auflösung sensitiv – kann jedoch
entlang der vertikalen Richtung eine Position bestimmen. Zum Beispiel ist
es damit möglich, ein vorbeiströmendes oder vorbeifließendes
Medium senkrecht zur Stromrichtung (z. B. parallel zur Schnittlinie 17)
spektral zu analysieren. In der Ausführung wie in 8 wird
somit die Verkippung von rechts nach links für alle M ALOVFs einheitlich
gestaltet (bzw. der verkippbare Spiegel wird aus einem Teil hergestellt
und es gibt nicht für jede Zeile separate Elektroden).
Von rechts nach links wird damit die spektrale Information erfasst.
Von oben nach unten die spektrale Information als Funktion des Ortes.
So kann das Element als eindimensional ortsauflösender
spektraler Sensor verwendet werden. In Kombination mit einer eindimensionalen Verschiebeeinrichtung
(z. B. parallel zur Schnittlinie 17) oder oberhalb z. B.
eines Förderbands können somit auch zweidimensionale,
spektral aufgelöste Bilder aufgenommen werden.
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Alternativ
kann auch das eingestrahlte Licht so aufgeweitet werden, dass alle
M ALVOFs gleichzeitig bestrahlt werden. Jeder der ALVOFs kann dann für
einen anderen Wellenlängen bereich und/oder eine andere
Zentralwellenlänge eingesetzt werden. Beispielsweise kann
ein ALVOF für einen breiten Spektralbereich und die anderen
für die Detektion innerhalb ausgesuchter enger Spektralbereiche
eingesetzt werden. Auch können unterschiedliche Detektoren,
die für bestimmte Wellenlängen optimiert sind, eingesetzt
werden. Dazu können beispielsweise der erste und zweite
teiltransparente Spiegel 1a und 1b für
jeden der vier optischen Filter 10a–10d separat verkippt
werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass das
erste optische Filter 10a beispielsweise eine grobe Frequenzauflösung
durchführt, währenddessen das zweite optische
Filter 10b bereits eine verbesserte spektrale Auflösung
liefert. Das dritte und vierte optische Filter 10c und 10d können
dann Detailauflösungen liefern. Dies ist beispielsweise
dadurch möglich, dass das erste optische Filter 10a eine
größere Verkippung aufweist als der zweite optische
Filter 10b und der dritte und vierte optische Filter 10c,
d eine kleinere Verkippung als die des ersten und zweiten optischen
Filters aufweisen.
-
In
den Ausführungsbeispielen wie sie beispielsweise in den 3, 4, 5,
und 6 gezeigt sind, kann ein integrierter Positionssensor eingesetzt
werden, welcher es erlaubt den Abstand und den Verkippungswinkel
der Spiegelplatten 1a, 1b zu bestimmen. Dieser
Sensor kann z. B. aus einer integrierten Lichtquelle, die ein Referenzlicht
bekannter Intensität bereitstellt, in Kombination mit einer Photodiode
oder einer Photodiodenzeile bestehen. Im Falle einer einzelnen Photodiode
kann der Aufbau beispielsweise so gewählt werden, dass
die Lichtquelle als LED oder Laserdiode (beide besitzen eine endliche
Divergenz) realisiert, von unten auf die verkippte Spiegelplatte
strahlt. Der von der verkippten Spiegelplatte reflektierte Strahl
trifft auf die Photodiode, wobei je nach Verkippung auf die Photodiode eine
bestimmte Intensität trifft. Die Intensität ist
damit ein Maß für die Verkippung. Bei nicht verkippter
Spiegelplatte ändert sich die Intensität aufgrund
der endlichen Divergenz der Lichtquelle als Funktion des Abstands
der beiden Spie gelplatten. So kann beispielsweise mittels der Positionssensoren
zunächst der Abstand und dann die Verkippung eingestellt
werden. Mittels einer Photodiodenzeile kann die Bestimmung der Verkippung
und des Abstandes in gleicher Weise, jedoch mit höherer
Genauigkeit erfolgen.
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Prinzipiell
kann auch die eigentliche Detektorzeile 9 verwendet werden,
um die Position der Spiegel zu bestimmen. Dazu wird zum Beispiel
die zur Positionsbestimmung verwendete Lichtquelle ausgeschaltet,
wenn mit der Detektorzeile 9 eine Messung durchgeführt
werden soll.
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Alternativ
kann das Licht (Referenzlicht) zur Positionsbestimmung auch von
außen eingekoppelt werden. Ist die Wellenlänge,
bzw. sind die Wellenlängen bekannt, so kann über
die Detektorzeile 9 direkt eine Kalibration durchgeführt
werden.
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Verkippungswinkel
und Abstand können auch kapazitiv erfasst werden. Dazu
wird links und rechts im Bauelement jeweils die Kapazität
bestimmt, die sich durch ein Elektrodenpaar (8a, b oder 8c,
d) ergibt, wobei die eine Elektrode mit dem festen Spiegel und die
andere Elektrode mit dem verkippbaren Spiegel verbunden ist. Aus
der Kapazität der rechten Elektrode kann auf den Abstand
der Spiegelplatten rechts geschlossen werden, aus der Kapazität
der linken Elektrode auf den Abstand links. Aus der Differenz kann
der Verkippungswinkel bestimmt werden.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen wird die Verkippung/Auslenkung
durch elektrostatische Kräfte bewirkt. So kann beispielsweise
die erwähnte kapazitive Positionsauslese auch als Aktor
verwendet werden. Bei Anlegen einer geeignet hohen elektrischen
Spannung können die Spiegelplatten im Abstand und Verkippungswinkel
zueinander eingestellt werden. Ein möglicher Aufbau würde
beispielsweise einen verformbaren Abstandshalter 7 umfassen,
der eine Feder mit einer Federrückstellkraft aufweist,
so dass die elektrosta tische Kraft die Federrückstellkraft überwindet.
Alternative kann anstatt der Feder auch ein anderes elastisch verformbares
Material (z. B. Gummi, Gel, Schaum o. ä.) genutzt werden.
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9I bis 9VI zeigen
Prozessschritte anhand von Querschnittszeichnungen für
die Herstellung eines optischen Filters gemäß Ausführungsbeispielen.
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In 9I wird zunächst ein transparentes Substrat 11,
das beispielsweise Glas aufweisen kann, bereitgestellt. Auf das
transparente Substrat 11 wird auf einer oder, wie gezeigt,
auf beiden gegenüberliegenden Seiten eine erste optische
Vergütung 12a und eine zweite optische Vergütung 12b aufgebracht,
welche die gewünschten Reflexionseigenschaften zur Verfügung
stellt. Das Resultat ist in 9II gezeigt.
Die Vergütung kann beispielsweise aus einer dünnen
Metallschicht (Au, Ag, Al, ...), aus einem dielektrischen Schichtstapel
(Bragg-Reflektor) oder einer Antireflexionsbeschichtung bestehen.
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Als
nächsten Schritt wird, wie in der 9III gezeigt,
die erste Elektrode 8a in einem ersten Kontaktbereich auf
die erste optische Vergütung 12a aufgebracht und
analog wird die dritte Elektrode 8c in einem zweiten Kontaktbereich
auf die erste Vergütung 12a aufgebracht. Beispielsweise
kann dazu eine leitende Schicht ganzflächig aufgebracht
und in Elektrodenform strukturiert werden.
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Als
nächster Schritt wird, wie in der 9IV gezeigt,
der erste verformbare Abstandshalter 7a auf der ersten
Elektrode 8a aufgebracht und der zweite verformbare Abstandshalter 7b wird
auf die dritte Elektrode 8c aufgebracht. Dies kann wiederum
dadurch geschehen, dass die Aktorschicht (z. B. aus elektroaktivem
Material) ganzflächig aufgebracht und ebenfalls strukturiert
wird, so dass dann die verformbaren Abstandhalter entstehen.
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9V zeigt, wie auf dem ersten Abstandshalter 7a die
zweite Elektrode 8b ausgebildet wird, und gleichzeitig
auf dem zweiten verformbaren Abstandshalter 7b die vierte
Elektrode 8d ausgebildet wird. In einem Folgeschritt, der
in der 9VI gezeigt ist, wird auf die
zweite Elektrode 8b und die vierte Elektrode 8d wiederum
ein transparentes Substrat mit optischer Vergütung, wie
es in der 9II gezeigt ist, aufgebracht.
Das transparente Substrat kann optional nur eine einseitige oder,
wie gezeigt, eine zweiseitige optische Vergütung aufweisen
und kann auf das Bauelement nach dem Zustand der 9V gebondet
werden. Somit stellt das Substrat 11 mit der optischen
Vergütung 12a und 12b, wie es in der 9II gezeigt ist, den ersten teiltransparenten
Spiegel 1a dar und das Substrat mit der optischen Vergütung,
wie es in der 9VI auf die zweite und
vierte Elektrode 8b, 8d ausgebildet wird, den
ersten teiltransparenten Spiegel 1a dar.
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Unter
weiteren der vielen Herstellungsalternativen seien Folgende genannt:
Statt einer Einzelstrukturierung der Elektroden 8 und der
Aktorstruktur 7 können zunächst auch
alle drei Schichten (siehe 9III bis 9V) ganzflächig aufgebracht und
dann in einem Prozessschritt (der aus mehreren Ätzschritten bestehen
kann) strukturiert werden. Der Vorteil liegt darin, dass alle Schichten
auf einen planen Untergrund, d. h. ohne Stufen, aufgebracht werden
können, was insbesondere für Aufschleuderverfahren große
Vorteile bietet.
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Generell
kann der Herstellungsprozess auch im Scheibenverbund erfolgen, wodurch
sich aufgrund der parallelen Prozessführung signifikante Kostenersparnisse
ergeben, da damit pro Scheibe (Wafer) mehrere dieser Bauelemente
parallel hergestellt werden können. Statt einem Scheibenbondprozess
für die Aufbringung des oberen Spiegels kann jedoch auch
ein Pick-and-Place-Verfahren eingesetzt werden, was eine höhere
Flexibilität bei kleinen Stückzahlen erlaubt.
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Zusätzlich
zu den beschriebenen Schichten kann es erforderlich sein, weitere
Schichten einzusetzen. So kann es beispielsweise erforderlich sein, Isolatorschichten
zu verwenden oder spezielle Schichten, welche die Haftung von Schichten
aneinander oder von Schichten auf einem der beiden Spiegel erhöhen.
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Prozessschritte
zur Herstellung bzw. Erhöhung der Haftung zwischen einzelnen
Schichten und Strukturen können beispielsweise herkömmliche Temperverfahren,
anodische, eutektische oder Glaslot-Bondverfahren umfassen.
-
Ebenso
kann bei weiteren Ausführungsbeispielen die Verdrahtung
nach außen erfolgen. Dies kann z. B. mit Hilfe von sogenannten
Vias erfolgen, mittels spezieller Öffnungen in den Spiegeln,
um Drahtbonden zu ermöglichen, oder durch Herausführen
der Kontakte – auch über Stufen – durch
zusätzliche Leitbahnen.
-
Weitere
Ausführungsbeispiele umfassen ebenfalls Kombinationen eines
ALVOF mit einem Shutter. Der Shutter dient zur Einstellung der Integrationszeit
des Signals am Detektor/den Detektorelemenenten. Dies wird in der
Spektroskopie vor allem für Lock-In-Verfahren zur Rauschunterdrückung
eingesetzt. Der Shutter kann als externes Gerät (z. B. Flügelrad)
realisiert werden oder über gepulste Auslese des Detektors/der
Detektorelemente.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6909548
B2 [0005]
- - US 2002/0131047 A1 [0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - A. Emadi,
H. Wu, S. Grabarnik, G. de Graaf and R. F. Wollfenbuttel, FABRICATION
OF TAPERED OPTICAL STRUCTURES USING RESIST REFLOW, Proc. of 19th
MicroMechanics Europe Workshop, Aachen (2008) [0007]