JP2016513240A - 可変光学フィルターおよびそれに基づく波長選択型センサー - Google Patents
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Abstract
バンドパス・フィルターおよびブロッキング・フィルターを含む可変光学フィルターが開示されている。バンドパス・フィルターは、交互の第１および第２の層のスタックを含み、ブロッキング・フィルターは、交互の第３および第４の層のスタックを含む。第１、第２、および第４の材料は、異なる材料をそれぞれ含み、第１の材料の屈折率が、第２の材料の屈折率よりも小さくなっており、第２の材料の屈折率が、第４の材料の屈折率よりも小さくなっており、一方、第２の材料の吸収係数が、第４の材料の吸収係数よりも小さくなっている。材料は、ブロッキング・フィルターの中の高屈折率のコントラスト、および、バンドパス・フィルターの中の低い光学的損失を確実にするように、選択することが可能である。第１から第４の層は、光検出器アレイの直ぐ上に蒸着させることが可能である。
Description
本発明は、光学フィルターに関し、とりわけ、空間的に変化するスペクトル特性を有する光学フィルターに関する。
空間的に可変の光学フィルターは、フィルターを横切る横断方向に変化する透過波長を有する。コンパクトな光学分光計は、光検出器アレイを空間的に可変の光学フィルターに取り付けることによって構築することが可能である。フィルターを横切る横断方向の距離とともに線形に変化する透過波長を有するフィルターは、リニア・バリアブル・フィルター（ＬＶＦ）と呼ばれる。透過波長の距離による線形の変化は、必要ではないが、都合がよい。ＬＶＦおよび一定ピッチの光検出器アレイを使用して得られる光学的なスペクトルは、一定の波長ステップを有している。
特許文献１のＰｅｌｌｉｃｏｒｉらは、ＬＶＦを含むウェッジ・フィルター分光計を開示しており、ＬＶＦは、高屈折率の屈折材料の第１の複数の層と低屈折率の屈折材料の第２の複数の層とを有し、個別の高屈折率層および低屈折率層は、互いに重ね合わせられており、実質的に線形にテーパーが付けられた厚さを有しており、線形に可変の光学的な薄膜干渉フィルターを形成している。光検出器アレイは、ＬＶＦに取り付けられており、非常にコンパクトな全体構造を結果として生じさせている。
特許文献２のＡｎｔｈｏｎは、携帯式の色彩計などのようなカラー・センシング・デバイスの中で使用するために、薄膜干渉ＬＶＦと、屈折率分布型レンズのアレイまたはマイクロレンズのアレイを介してＬＶＦに連結されている光検出器アレイとを含む、コンパクトな分光計デバイスを開示している。薄膜干渉ＬＶＦベースの分光計の軽量で頑丈な構造は、携帯式の色彩計が、現場条件で物品の色を特徴付けることを可能にする。
特許文献３のＷｅｉｇｌらは、空間的な分解能を備えるフロー・セルの中で、蛍光スペクトルおよび吸収スペクトルの測定を行うためのコンパクトなＬＶＦベースの分光計を開示している。フィルターの透過変化がフロー方向に起こるように、光路にＬＶＦを設置することによって、生体細胞のフローの中のタンパク質の染色マーカーの濃度を分光的に決定することが可能である。
図１Ａを参照すると、Ｐｅｌｌｉｃｏｒｉ、Ａｎｔｈｏｎ、およびＷｅｉｇｌのデバイスで使用されているものと同様の典型的な先行技術のコンパクトな光学分光計１００は、光検出器アレイ１０４に光学的に連結されているＬＶＦ１０２を含む。透過波長λＴは、ＬＶＦ１０２を横切って、方向１０６に変化する。動作時に、光１０８は、ＬＶＦ１０２に衝突する。ＬＶＦ１０２は、透過波長λＴの周りの幅の狭い波長バンドだけを通過させ、透過波長λＴは、光検出器アレイ１０４に平行な方向１０６に変化する。結果として、光検出器アレイ１０４のそれぞれの光検出器１０５は、光１０８の異なる波長バンドに応答する。光検出器アレイ１０４のそれぞれの光検出器１０５の光電流を測定することによって、光１０８の光学的なスペクトルを得ることが可能である。
ＬＶＦ１０２は、基板１１０によって支持されている薄膜スタック１１２を含む。図１Ｂを参照すると、薄膜スタック１１２は、２つの領域、すなわち、λＴよりも短い波長およびλＴよりも長い波長をブロックするためのブロック領域１２１、ならびに、λＴの周りに中心を置いた幅の狭い通過帯域だけを透過させるためのバンドパス領域１２２を含む。２つの領域１２１および１２２のそれぞれは、高い屈折率および低い屈折率をそれぞれ有する交互の高屈折率層１３１および低屈折率層１３２を含む。高屈折率層１３１／低屈折率層１３２の材料は、領域１２１および１２２にわたって同じであり、厚さだけが、必要とされる光学的な性能を実現するために変化している。ブロッキング領域１２１は、λＴ以外の波長をブロックするための１／４波長スタックを含み、バンドパス領域１２２は、λＴの周りに中心を置いた幅の狭い通過帯域を透過させるための１／２波長スタックを含む。材料ペアの中の材料の組合せは、金属酸化物または金属フッ化物を含むことが可能である。
ＬＶＦ１０２の１つの欠点は、ＬＶＦ１０２の光学的な性能と薄膜スタック１１２の全体厚さとの間の固有のトレードオフである。λＴ以外の波長の良好なブロッキングを確実にするために、ブロッキング領域１２１は、多くの層を含まなければならない。低損失酸化物に関して、層の数は、最大１００個の層とすることが可能である。λＴの周りの幅の狭い通過帯域を確実にするために、バンドパス領域１２２も、多くの層を含み、および／または、厚い中央層を含む必要がある。薄膜スタック１１２の大きい厚さは、薄膜スタック１１２の中の内部応力の増加を結果として生じさせ、それが破壊され、および／または、基板１１０から剥離することを引き起こす。シリコンなどのような高屈折率の材料は、層の総数を低減させるために使用することが可能である。しかし、高屈折率の材料は、典型的に、ＬＶＦ１０２の光学的損失を増加させる。
本発明の目的は、可変光学フィルターの厚さと光学的な性能との間のトレードオフを緩和することである。
本発明者は、可変光学フィルターのブロッキング領域およびバンドパス領域の中の材料に対する重要な光学的要件が、以下の様式で互いに異なるということを認識した。ブロッキング領域では、高屈折率のコントラストが、重要な要件である。高屈折率のコントラストは、層の数を低減させ、ブロッキング効率を増加させることを可能にする。バンドパス領域では、光が、その領域の中で複数の反射を受け、ブロッキング層の中よりも何度もバンドパス領域の層を横断するので、低損失が、高屈折率のコントラストよりも重要である。したがって、高屈折率のコントラストであるが比較的に損失の多い材料の組合せをブロッキング領域の中に提供することとともに、低損失であるが比較的に低屈折率の材料の組合せをバンドパス領域の中に提供することは、低い光学的損失、狭帯域透過ピーク、および、強力なアウト・オブ・バンド拒絶（ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）を同時に有する、薄くて低応力の可変光学フィルターを結果として生じさせることが可能である。
本発明によれば、ある波長範囲の中で横方向に可変の透過波長を有する光学フィルターが適用され、光学フィルターは、
第１および第２の材料をそれぞれ含む交互の第１および第２の層のスタックを含むバンドパス・フィルターであって、バンドパス・フィルターは、横方向に可変の透過波長を提供するために、横方向に変化する厚さを有している、バンドパス・フィルターと、
第３および第４の材料をそれぞれ含む交互の第３および第４の層のスタックを含むブロッキング・フィルターであって、ブロッキング・フィルターは、横方向に可変の透過波長よりも大きいかまたは小さい波長範囲の中の波長をブロックするために、第１および第２の誘電体層の横方向に変化する厚さと調和した横方向に変化する厚さを有している、ブロッキング・フィルターとを含み、
第１、第２、および第４の材料は、異なる材料をそれぞれ含み、第１の材料の屈折率が、第２の材料の屈折率よりも小さく、第２の材料の屈折率が、第４の材料の屈折率よりも小さく、第２の材料の吸収係数が、第４の材料の吸収係数よりも小さくなっている。
第１および第２の材料をそれぞれ含む交互の第１および第２の層のスタックを含むバンドパス・フィルターであって、バンドパス・フィルターは、横方向に可変の透過波長を提供するために、横方向に変化する厚さを有している、バンドパス・フィルターと、
第３および第４の材料をそれぞれ含む交互の第３および第４の層のスタックを含むブロッキング・フィルターであって、ブロッキング・フィルターは、横方向に可変の透過波長よりも大きいかまたは小さい波長範囲の中の波長をブロックするために、第１および第２の誘電体層の横方向に変化する厚さと調和した横方向に変化する厚さを有している、ブロッキング・フィルターとを含み、
第１、第２、および第４の材料は、異なる材料をそれぞれ含み、第１の材料の屈折率が、第２の材料の屈折率よりも小さく、第２の材料の屈折率が、第４の材料の屈折率よりも小さく、第２の材料の吸収係数が、第４の材料の吸収係数よりも小さくなっている。
有利には、バンドパス・フィルターは、少なくとも１つの第５の層をさらに含み、少なくとも１つの第５の層は、第４の材料を含み、バンドパス・フィルターの内側の定在光波の局所的な最小値の領域に配設されており、それによって、バンドパス・フィルターのブロッキング波長領域が広げられ、バンドパス・フィルターの厚さが低減されている。
一実施形態では、透過波長が、光学フィルターの長さ寸法に沿って単調に可変である。好適な実施形態では、透過波長が、長さ寸法に沿って対数的に可変である。第１および第３の材料が、同じ材料を含むことが可能である。光学フィルターが、３つまたは４つ以上の異なる材料を含むことが可能である。
一実施形態では、透過波長が、光学フィルターの長さ寸法に沿って単調に可変である。好適な実施形態では、透過波長が、長さ寸法に沿って対数的に可変である。第１および第３の材料が、同じ材料を含むことが可能である。光学フィルターが、３つまたは４つ以上の異なる材料を含むことが可能である。
本発明によれば、上記に説明されているような光学フィルターと、光学フィルターに連結されている光検出器のアレイとを含む波長選択型センサーがさらに提供される。光検出器は、長さ寸法に沿って間隔を離して配置されている。結果として、アレイの異なる光検出器が、アレイの反対側から光学フィルターに衝突する光の異なる波長に応答する。
好ましくは、光検出器のアレイは、光学フィルターのための基板を含む。光検出器のアレイが、提供されており、アレイによって支持されるバンドパス・フィルターおよびブロッキング・フィルターをそれぞれ形成するように、第１から第５の層が、アレイの直ぐ上に蒸着される。光検出器アレイの直ぐ上に光学フィルターを蒸着させる利点の中には、別々のバルク基板を通って伝搬する必要がない光に起因するスペクトル分解能の向上、近隣の光検出器同士の間の光漏洩の低減、および、信頼性の改善がある。また、光学フィルターは、別々に製造され、アレイに直接的に固定され、たとえば、光学的なエポキシで結合され得る。
本発明の別の実施形態によれば、波長選択型センサーがさらに提供され、光検出器アレイは、反対向きの第１および第２の表面を有するデバイス・チップを含む。アレイの光検出器が、デバイス・チップの第１の表面内に配設されており、光学フィルターが、光検出器を覆って第１の表面の上に配設されている。そのような波長選択型センサーは、
（Ａ）デバイス・チップを、
（ｉ）第１および第２の反対向きの表面を有するデバイス・ウエハーを提供し、
（ｉｉ）第１の表面の方を向くアレイの光検出器を、デバイス・ウエハーの第２の表面内に形成させ、
（ｉｉｉ）アレイの光検出器を露出させるように、デバイス・ウエハーの第１の表面をポリッシングすることによって、製造するステップと、
（Ｂ）光学フィルターのバンドパス・フィルターおよびブロッキング・フィルターを形成するように、ステップ（ｉｉｉ）においてポリッシングされたデバイス・ウエハーの第１の表面の上に、第１から第５の層を蒸着させるステップと
によって製作可能である。
（Ａ）デバイス・チップを、
（ｉ）第１および第２の反対向きの表面を有するデバイス・ウエハーを提供し、
（ｉｉ）第１の表面の方を向くアレイの光検出器を、デバイス・ウエハーの第２の表面内に形成させ、
（ｉｉｉ）アレイの光検出器を露出させるように、デバイス・ウエハーの第１の表面をポリッシングすることによって、製造するステップと、
（Ｂ）光学フィルターのバンドパス・フィルターおよびブロッキング・フィルターを形成するように、ステップ（ｉｉｉ）においてポリッシングされたデバイス・ウエハーの第１の表面の上に、第１から第５の層を蒸着させるステップと
によって製作可能である。
本発明の別の実施形態によれば、波長選択型センサーを製造する方法がさらに提供され、方法は、
（ａ）光検出器のアレイを提供するステップと、
（ｂ）光検出器のアレイの上に、
第１および第２の材料をそれぞれ含む交互の第１および第２の層のスタックを含むバンドパス・フィルターであって、バンドパス・フィルターは、横方向に可変の透過波長を提供するために、横方向に変化する厚さを有している、バンドパス・フィルターと、
第３および第４の材料をそれぞれ含む交互の第３および第４の層のスタックを含むブロッキング・フィルターであって、ブロッキング・フィルターは、横方向に可変の透過波長よりも大きいかまたは小さい波長範囲の中の波長をブロックするために、第１および第２の誘電体層の横方向に変化する厚さと調和した横方向に変化する厚さを有している、ブロッキング・フィルターと
を蒸着させるステップと
を含み、
第１、第２、および第４の材料は、異なる材料をそれぞれ含み、第１の材料の屈折率が、第２の材料の屈折率よりも小さく、第２の材料の屈折率が、第４の材料の屈折率よりも小さく、第２の材料の吸収係数が、第４の材料の吸収係数よりも小さくなっている。
（ａ）光検出器のアレイを提供するステップと、
（ｂ）光検出器のアレイの上に、
第１および第２の材料をそれぞれ含む交互の第１および第２の層のスタックを含むバンドパス・フィルターであって、バンドパス・フィルターは、横方向に可変の透過波長を提供するために、横方向に変化する厚さを有している、バンドパス・フィルターと、
第３および第４の材料をそれぞれ含む交互の第３および第４の層のスタックを含むブロッキング・フィルターであって、ブロッキング・フィルターは、横方向に可変の透過波長よりも大きいかまたは小さい波長範囲の中の波長をブロックするために、第１および第２の誘電体層の横方向に変化する厚さと調和した横方向に変化する厚さを有している、ブロッキング・フィルターと
を蒸着させるステップと
を含み、
第１、第２、および第４の材料は、異なる材料をそれぞれ含み、第１の材料の屈折率が、第２の材料の屈折率よりも小さく、第２の材料の屈折率が、第４の材料の屈折率よりも小さく、第２の材料の吸収係数が、第４の材料の吸収係数よりも小さくなっている。
一実施形態では、ステップ（ａ）は、
（ｉ）第１および第２の反対向きの表面を有するデバイス・ウエハーを提供するステップと、
（ｉｉ）第１の表面を向く光検出器のアレイを、デバイス・ウエハーの第２の表面内に形成するステップと、
（ｉｉｉ）アレイの光検出器を露出させるように、デバイス・ウエハーの第１の表面をポリッシングするステップと
を含み、
ステップ（ｂ）において、バンドパス・フィルターおよびブロッキング・フィルターが、ステップ（ｉｉｉ）においてポリッシングされたデバイス・ウエハーの第１の表面内に蒸着される。
（ｉ）第１および第２の反対向きの表面を有するデバイス・ウエハーを提供するステップと、
（ｉｉ）第１の表面を向く光検出器のアレイを、デバイス・ウエハーの第２の表面内に形成するステップと、
（ｉｉｉ）アレイの光検出器を露出させるように、デバイス・ウエハーの第１の表面をポリッシングするステップと
を含み、
ステップ（ｂ）において、バンドパス・フィルターおよびブロッキング・フィルターが、ステップ（ｉｉｉ）においてポリッシングされたデバイス・ウエハーの第１の表面内に蒸着される。
ここで、例示的な実施形態が、図面と併せて説明されることとなる。
本教示は、様々な実施形態および例とともに説明されているが、本教示がそのような実施形態に限定されるべきであるということは意図していない。それとは対照的に、本教示は、当業者によって認識されることとなるように、様々な代替例、修正例、および均等物を包含する。
図２、ならびに、図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃを参照すると、光学フィルター２００（図２）は、λ１とλ２との間の波長範囲の中の横方向に可変の透過波長λＴにおいて、幅の狭い通過帯域３１０（図３Ａから図３Ｃ）を有している。透過波長λＴは、図２に示されている方向ｘに可変である。光学フィルター２００は、透明な基板２０２の上に配設させることが可能である。可変光学フィルター２００は、基板２０２の上に配設されているバンドパス・フィルター２０４およびブロッキング・フィルター２０６Ａ、２０６Ｂを含む。バンドパス・フィルター２０４は、第１および第２の材料をそれぞれ含む、交互の第１の層２１１および第２の層２１２のスタックを含む。第１の層２１１および第２の層２１２は、通過帯域３１０の横方向に可変の透過波長λＴを提供するために、方向ｘに横方向に変化する厚さを有している（図２）。透過波長λＴは、第１の層２１１および第２の層２１２の局所的な厚さにおおよそ比例して変化する。たとえば、透過波長λＴは、座標ｘ１において、波長範囲（λ１、λ２）の最短波長λ１に近く（図２および図３Ａ）、座標ｘ２において、波長範囲（λ１、λ２）の中間にあり（図２および図３Ｂ）、座標ｘ３において、波長範囲（λ１、λ２）の最長波長λ２に近い（図２および図３Ｃ）。
ブロッキング・フィルター２０６Ａ、２０６Ｂは、第３および第４の材料をそれぞれ含む交互の第３の層２１３および第４の層２１４のスタックをそれぞれ含む。横方向に可変の透過波長λＴよりも短いか、または長い波長範囲（λ１、λ２）内の波長をブロックするために、第３の層２１３および第４の層２１４は、第１の層２１１および第２の層２１２の横方向に変化する厚さと調和して横方向に変化する厚さを有している。具体的には、上部ブロッキング・フィルター２０６Ａは、λＴよりも短い波長をブロックするためのものであり（図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃそれぞれにおいて、左側バンド３０１Ａ、３０２Ａ、および３０３Ａ）、下部ブロッキング・フィルター２０６Ｂは、λＴよりも長い波長をブロックするためのものである（図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃそれぞれにおいて、右側バンド３０１Ｂ、３０２Ｂ、および３０３Ｂ）。
本発明によれば、第１の層２１１、第２の層２１２および第４の層２１４それぞれの第１、第２、および第３の材料は、すべて、異なる材料を含む。典型的に、第１および第２の材料は、誘電体材料を含み、第３および第４の材料は、誘電体材料または半導体材料を含む。第１の材料の屈折率は、第２の材料の屈折率よりも小さい。第２の材料の屈折率は、第４の材料の屈折率よりも小さい。第２の材料の吸収係数は、第４の材料の吸収係数よりも小さい。換言すれば、第４の材料は、４つすべての中で最も高い屈折率を有するが、また、いくらか吸収性のものとすることが可能である。たとえば、シリコンなどのような半導体材料を、第４の材料のために使用することが可能である。第１および第３の材料は、同じ低屈折率の材料、たとえば、二酸化ケイ素を含まなければならないわけではないが、含むことが可能である。第２の材料は、たとえば、五酸化タンタルなどのような高屈折率の酸化物を含むことが可能である。指針として、第１および第３の材料の屈折率は、１．３５から１．６の間とすることが可能であり、第２の材料の屈折率は、１．８から２．５の間とすることが可能であり、第４の材料の屈折率は、２．６から４．５の間とすることが可能である。
バンドパス・フィルター２０４の第１の層２１１および第２の層２１２に関して、ならびに、ブロッキング・フィルター２０６Ａ、２０６Ｂの第４の層２１４に関して、異なる材料を使用することは、以下に詳細に説明されることとなるように、バンドパス・フィルター２０４およびブロッキング・フィルター２０６Ａ、２０６Ｂの光学的なパラメーターの独立した最適化を可能にする。また、当然のことながら、ブロッキング・フィルター２０６Ａ、２０６Ｂは、互いに隣に配設させられ、単一のブロッキング・フィルターを形成することも可能であり、バンドパス・フィルター２０４は、単一のブロッキング・フィルターによって支持され、単一のブロッキング・フィルターは、基板２０２によって支持される。そのうえ、図２に示されている層２１１から２１４の厚さは、方向ｘに左から右へ行くにしたがって、非線形的に増加し、光学フィルター２００の非線形的に横方向に可変の透過波長λＴを提供することが可能である。一実施形態では、透過波長λＴは、長さ方向ｘに沿って、対数的に可変である。一定ピッチの光検出器アレイがｘ方向に沿って配設されているときに、透過波長λＴの対数的な変化は、方向ｘに沿って一定の分解能を結果として生じさせる。分解能は、Ｒ＝λＴ／Δλとして定義され、ここで、Δλは、透過バンド幅である。
図４Ａを参照すると、図２の可変光学フィルター２００の断面図Ａ−Ａは、バンドパス・フィルター２０４を示しており、バンドパス・フィルター２０４は、第１のブロッキング・フィルター２０６Ａと第２のブロッキング・フィルター２０６Ｂとの間で、光路４２０の中に配設されており、第１のブロッキング・フィルター２０６Ａおよび第２のブロッキング・フィルター２０６Ｂは、バンドパス・フィルター２０４の透過波長λＴよりも短い波長および長い波長をそれぞれブロックするためのものである。それぞれのブロッキング・フィルター２０６Ａおよび２０６Ｂは、３つの部分４３１Ａ、４３２Ａ、および４３３Ａ、ならびに、４３１Ｂ、４３２Ｂ、および４３３Ｂをそれぞれ含む。バンドパス・フィルター２０４ならびにブロッキング・フィルター部分４３１Ａ〜４３３Ａおよび４３１Ｂ〜４３３Ｂの厚さは、図２に最良に見られるように、図４Ａの平面に対して垂直な方向ｘに、調和した方式で変化している。
ブロッキング・フィルター部分４３１Ａ〜４３３Ａおよび４３１Ｂ〜４３３Ｂのブロッキング・バンド（図示せず）は、より広い波長範囲をカバーするためにカスケード接続されている。典型的に、可変光学フィルター２００の使用可能な波長範囲（λ１、λ２）を決定付けるのは、ブロッキング波長範囲である。長波長縁部λ２において、第２のブロッキング・フィルター２０６Ｂの部分４３１Ｂ〜４３３Ｂのブロッキングは、λＴからλ２の間に延在しなければならず、また、短波長縁部λ１において、第１のブロッキング・フィルター２０６Ａの部分４３１Ａ〜４３３Ａのブロッキングは、λ１からλＴの間に延在しなければならない。エタロン・タイプの光学フィルターは、光周波数の数オクターブだけ分離された複数の透過ピークを有するので、光学フィルター２００の光周波数範囲が１オクターブにわたって広がるときに、ブロッキング・フィルター２０６Ａおよび２０６Ｂによって与えられるアウト・オブ・バンド波長ブロッキングは、とりわけ重要である。
図４Ｂを参照すると、バンドパス・フィルター２０４は、誘電体スペーサー層４５０を含み、誘電体スペーサー層４５０は、所望の中心波長λＴにおいて、複数の１／２波長であり、波長λＴにおいて１／４波長反射体スタック４３２の間に挟まれている。１／４波長スタック４３２の反射性を増加させることによって、および／または、スペーサー層４５０の厚さもしくは１／２波長の数を増加させることによって、バンドパス・フィルター２０４のバンド幅は、幅を狭くさせられている。いずれのケースでも、透過バンド幅は、スペーサー層４３２を横切る光４４０のトラベルの数を増加させることによって低減される。したがって、スペーサー層４５０材料、および、１／４波長反射体スタック４３２の隣接する層が、低い光学的損失を有することが重要である。
図４Ｂをさらに参照し、図４Ａに戻って参照すると、可変光学フィルター２００（図４Ａ）は、典型的に、さまざまな入射角または光円錐を含む光とともに使用される。入射角を備える透過波長のシフトの影響を低減させるために、スペーサー層４５０材料（図４Ｂ）の屈折率が可能な限り高いことが好適である。その目的のために、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタルおよび五酸化ニオブの合金、または二酸化チタン（ＴｉＯ２）などのような、高屈折率の不応性（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ）酸化物を使用することが可能である。金属酸化物は、一般的に、非常に低い光学的損失を有しており、五酸化タンタル、五酸化ニオブ、および二酸化チタンは、９００ｎｍから１７００ｎｍの間で、関心の波長範囲において、２．０を超える屈折率を有している。反射体スタック４３２のために使用される適切な低屈折率の材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であり、それは、上記波長範囲において、約１．５の屈折率を有している。バンドパス・フィルター２０４、ならびに／または、ブロッキング・フィルター４３１Ａ、４３１Ｂ、４３２Ａ、４３２Ｂ、および４３３Ａ、４３３Ｂは、異なる高屈折率の材料、および、異なる低屈折率の材料を含むことが可能であるということが留意される。たとえば、バンドパス・フィルター２０４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）および五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）の組合せを含むことが可能であり、ブロッキング・フィルター４３１Ａ、４３１Ｂ、４３２Ａ、４３２Ｂ、および４３３Ａ、４３３Ｂは、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）およびシリコン（Ｓｉ）の組合せを含むことが可能である。目標とされる光学フィルター２００のスペクトルの性能に応じて、４つ以上の材料タイプを使用することが可能である。
ブロッキング・フィルター部分４３１Ａ〜４３３Ａおよび４３１Ｂ〜４３３Ｂの光ブロッキングおよびバンド幅の程度は、いわゆる屈折コントラスト、または、ブロッキング・フィルター部分４３１Ａ〜４３３Ａおよび４３１Ｂ〜４３３Ｂの高屈折率層および低屈折率層の屈折率の比率によって設定される。屈折コントラストを増加させることによって、ブロッキング・フィルター部分４３１Ａ〜４３３Ａおよび４３１Ｂ〜４３３Ｂの全体厚さを劇的に低減させることが可能である。その理由は、所望のブロッキング・レベルを実現するためにより少ない層しか必要とされないということ、ならびに、ブロッキング・フィルター部分４３１Ａ〜４３３Ａおよび４３１Ｂ〜４３３Ｂがより幅の広いバンド幅を有することとなり、所望のバンド幅をカバーするためにより少ないスタックしか必要とされないということの両方である。光路４２０（図４Ａ）に沿って伝搬する光４４０（図４Ｂ）は、バンドパス・フィルター２０４の中と同じ数ほどには、ブロッキング・フィルター部分４３１Ａ〜４３３Ａおよび４３１Ｂ〜４３３Ｂを横切って進行せず、したがって、より幅の広い範囲の材料を使用することが可能であり、具体的には、シリコン（Ｓｉ）を使用することが好ましい。シリコンは、３．０を超える屈折率を有しており、それは、９００ｎｍから１７００ｎｍの間の波長範囲においていくらかの光学的な吸収を有するとしても、高屈折率の材料として使用することが可能である。また、それは、当然ながら、二酸化ケイ素と互換性があり、二酸化ケイ素は、低い屈折率を有しており、したがって、ブロッキング・フィルター部分４３１Ａ〜４３３Ａおよび／または４３１Ｂ〜４３３Ｂの中に、求められる高屈折率のコントラストを提供する。
異なる材料系の波長選択性および光学的損失についての上記結論は、多層スタックを成長させることによって、および、それらの透過特性を測定することによって、実験的に確認された。図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、異なる材料組合せを使用して製造されたバンドパス・フィルター２０４のコリメートされた光（図５Ａ）、および、コリメートされていない光または「円錐」光（図５Ｂ）の中の光学的な透過スペクトルが提示されている。図５Ａおよび図５Ｂでは、「Ｈ／Ｌ」は、五酸化タンタルおよび二酸化ケイ素の高屈折率／低屈折率の材料の組合せを示しており、「Ｓ／Ｌ」は、シリコンおよび二酸化ケイ素の材料の組合せを示している。したがって、「Ｌｃａｖ」は、「キャビティー」、または、低屈折率の材料、すなわち、二酸化ケイ素から作製されたスペーサー層４５０を示している。「Ｈｃａｖ」は、五酸化タンタルから作製されたスペーサー層４５０を示している。「Ｓｃａｖ」は、シリコンから作製されたスペーサー層４５０を示している。
具体的には図５Ａを参照すると、スペクトル５０１および５０２は、二酸化ケイ素および五酸化タンタルのスペーサー層４５０をそれぞれ備える、五酸化タンタルおよび二酸化ケイ素の材料の組合せに対応している。コリメートされた光の中で、スペクトル５０１および５０２は、実際的には互いに区別ができず、非常に高い（１００％に接近する）最大透過を示すということを理解することが可能である。スペクトル５０３および５０４は、二酸化ケイ素およびシリコンのスペーサー層をそれぞれ備える、シリコンおよび二酸化ケイ素の材料の組合せに対応している。二酸化ケイ素スペーサー層４５０に対応するスペクトル５０３は、シリコン・スペーサー層４５０に対応するスペクトル５０４（約３８％）よりも高い最大透過（約６７％）を示している。これは、上述のように、シリコンは、二酸化ケイ素または五酸化タンタルのいずれかよりもかなり高い光学的な吸収を有しているからであり、また、光４４０（図４Ｂ）はスペーサー層４５０を何度も横断するので、光学的な透過の相違が非常に顕著になるからである（この例では、３８％または６７％対１００％）。
ここで図５Ｂを見てみると、すべてのスペクトル５０１〜５０４は、円錐光の照射に起因する光学的損失の増加を示している。第１の２つのスペクトル５０１および５０２のうち、五酸化タンタル・スペーサー層４５０に対応する第２のスペクトル５０２は、４１％の透過降下（１００％最大透過から約５９％最大透過へ）を示す、二酸化ケイ素スペーサー層４５０に対応する第１のスペクトル５０１よりも低い約３２％（１００％最大透過から約６８％最大透過へ）の透過降下を示している。上記に説明されているように、スペーサー層４５０材料の屈折率が高ければ高いほど、バンドパス光学フィルター２０４の角度的な感度が小さくなる。同様の傾向が、シリコン／二酸化ケイ素の材料の組合せに対応する他の２つの光学的なスペクトル５０３および５０４において観察される。シリコン・スペーサー層４５０に対応するスペクトル５０４に関して、光学的な透過は、単に約３％（３８％から３５％へ）だけ降下しており、一方、二酸化ケイ素スペーサー層４５０に対応するスペクトル５０３に関して、光学的な透過は、約１７％（６７％透過から５０％透過へ）だけ降下している。したがって、低損失であるが高い屈折率の材料が、バンドパス光学フィルター２０４のスペーサー層４５０として選択されるべきである。
ここで、図４Ａをさらに参照して、図６を参照すると、五酸化タンタル／二酸化ケイ素およびシリコン／二酸化ケイ素の材料の組合せからそれぞれ作製された、下側ブロッキング・フィルター２０６Ｂの透過スペクトル６０１および６０２が提示されている。第１のスペクトル６０１のバンド幅６１１は、単に２７５ｎｍだけであり、それは、第２のスペクトル６０２のバンド幅６１２よりもかなり幅が狭く、第２のスペクトル６０２のバンド幅６１２は、６６４ｎｍである。したがって、高屈折率のコントラスト材料の組合せが、ブロッキング・フィルター２０６Ａおよび２０６Ｂに関して選択されるべきである。第２のスペクトル６０２のより幅の広いバンド幅は、かなり薄いフィルターで実現され、それは、五酸化タンタル／二酸化ケイ素スタックの４．９マイクロメートルの厚さと比較して、シリコン／二酸化ケイ素スタックに対しては単に１．７マイクロメートルであるということが留意される。
３つの材料系によって与えられる様々なフィルター厚さの低減（最低の屈折率から最高の屈折率へ行くにしたがって、二酸化ケイ素、五酸化タンタル、およびシリコン）が、ここで図示されることとなる。図７Ａおよび図７Ｂを見てみると、空間的な屈折率プロット７００Ａおよび７００Ｂは、スタック深さ座標ｄの関数とした屈折率ｎの依存関係である。図７Ａおよび図７Ｂでは、空間的な屈折率プロット７００Ａおよび７００Ｂは、同じ縮尺で描かれており、本発明によって実現可能な合計の厚さ低減を図示している。図７Ａの屈折率プロット７００Ａは、二酸化ケイ素／五酸化タンタルの２つの材料系を使用して実装される可変光学フィルターに対応している。二酸化ケイ素層は、より背の低い黒いバー７０１によって表されており、五酸化タンタル層は、より背の高い灰色のバー７０２によって表されている。屈折率プロット７００Ａは、第１のブロッキング・セクション７２６Ａ、バンドパス・セクション７２４、および第２のブロッキング・セクション７２６Ｂを含む。バンドパス・セクション７２４は、バンドパス・フィルター・キャビティー（スペーサー）層７０２Ａとして機能する、２つのより厚い五酸化タンタル層７０２を含む。したがって、バンドパス・セクション７２４は、２キャビティー式のバンドパス・フィルターである。それぞれのスペーサー層７０２Ａは、それぞれの側部に反射体スタックを有しており、反射体スタックは、スペーサーに対していくらか対称的である。２つのスペーサー７０２Ａの間にある反射体スタックは、１つの反射体スタック７２４Ｃに組み合わせられる。２つの材料の可変光学フィルターの厚さに対応する図７Ａの屈折率プロット７００Ａの合計の長さは、４０マイクロメートル程度である。
図７Ｂの屈折率プロット７００Ｂは、二酸化ケイ素／五酸化タンタル／シリコンの３つの材料系を使用して実装される可変光学フィルターに対応している。図７Ｂの拡大図である図７Ｃを参照すると、二酸化ケイ素層は、最も背の低い黒いバー７０１によって表されており、五酸化タンタル層は、より背の高い灰色のバー７０２によって表されており、シリコン層は、最も背の高い黒いバー７０３によって表されている。
屈折率プロット７００Ｂは、第１のブロッキング・セクション７４６Ａ、バンドパス・セクション７４４、および第２のブロッキング・セクション７４６Ｂを含む。一時的に図２に戻って参照すると、第１のブロッキング・セクション７４６Ａは、図２の光学可変フィルター２００の第１のブロッキング・フィルター２０６Ａに対応しており、バンドパス・セクション７４４は、バンドパス・フィルター２０４に対応しており、第２のブロッキング・セクション７４６Ｂは、第２のブロッキング・フィルター２０６Ｂに対応している。第１のブロッキング・セクション７４６Ａおよび第２のブロッキング・セクション７４６Ｂは、交互の二酸化ケイ素層７０１およびシリコン層７０３を含む。バンドパス・セクション７４４は、二酸化ケイ素層７０１、五酸化タンタル層７０２、およびシリコン層７０３を含む。図７Ｂおよび図７Ｃの光学フィルター７００Ｂのバンドパス・セクション７４４と、図２の光学フィルター２００のバンドパス・フィルター２０４との間の１つの相違は、光学フィルター７００Ｂのバンドパス・セクション７４４が、２キャビティー式のバンドパス・フィルターであるということであり、それは、図７Ａの光学フィルター７００Ａの２キャビティー式のバンドパス・セクション７２４と同様であるが、しかし、以下に説明されているように、２つではなく、３つの異なる材料を使用している。
バンドパス・セクション７４４は、第１のキャビティー７４４Ａおよび第２のキャビティー７４４Ｂを含み、それらは、２つの１／４波長反射体セクションの間に五酸化タンタル・スペーサー７０２Ａをそれぞれ含む。シリコン層７５１は、それぞれの反射体セクションの中へ導入されている。反射体セクションがスペーサー層７０２Ａに対していくらか対称的であるとき、これは、示されているように、４つのシリコン層７５１をバンドパス・セクション７４４に加える。バンドパス・セクション７４４の１／４波長反射体セクションの中へ、Ｈ層７０２の代わりに、少なくとも１つの、および、好ましくはいくつかの随意的な高屈折率のシリコン層を導入することは、二酸化ケイ素（Ｈ／Ｌ）に対する五酸化タンタルの屈折率の比率と比較して、より高い二酸化ケイ素（Ｓ／Ｌ）に対するシリコンの屈折率の比率に起因して、同じ反射率がより少ない層を用いて実現されることを可能にする。４つの追加的なシリコン層７５１を含むことに起因する光学的な透過損失は、光場の局所的な最小値に対応する領域に、すなわち、バンドパス・セクション７４４内側の透過波長λＴにおける定在光波の谷の中に、追加的なシリコン層７５１を設置することによって、低減させることが可能である。図２の３つの材料の様々な可変光学フィルター２００の厚さに対応する、図７Ｂの屈折率プロット７００Ｂの合計長さは、単に１０マイクロメートルだけであり、それは、図７Ａのものよりも４倍薄い。
追加的なシリコン層７５１の１つのさらなる利点は、シリコン／二酸化ケイ素の組合せのより高い屈折率の比率が、バンドパス・フィルター・セクション７４４のブロッキング領域を広げ、下側ブロッカー・セクション７４６Ａおよび上側ブロッカー・セクション７４６Ｂの必要とされるブロッキング波長バンドを低減させるということである。図７Ｄを参照すると、透過スケールは、０％〜１％透過であり、ストップバンド性能をより良好に示している。点線７８１は、２つの材料（五酸化タンタルおよび二酸化ケイ素）を用いて実装された図７Ａの可変光学フィルター７００Ａのバンドパス・フィルター・セクション７２４の透過プロットである。実線７８２は、図７Ｃに示されているように実装されたバンドパス・フィルター・セクション７４４の透過プロットである。随意的なシリコン層７５１を使用することが、バンドパス・スペクトル７８２のウィング（ｗｉｎｇ）７８２Ａ、７８２Ｂのブロッキング・バンド幅およびブロッキング強度を相当に拡大させることを可能にするということを理解することが可能である。すべてが、図７Ｂおよび図７Ｃの可変光学フィルター７００Ｂのバンドパス・フィルター・セクション７４４のより小さい全体厚さにおいて実現される。
図２に戻って参照すると、フィルター２００の結果として生じる厚さは、使用される材料に依存し、また、目標の光学的な仕様に依存する。たとえば、バンドパス光学フィルター２０４の第１の層２１１は、二酸化ケイ素を含むことが可能であり、第２の層２１２は、五酸化タンタルまたは五酸化ニオブを含むことが可能であり、ブロッキング光学フィルター２０６の第３の層も、二酸化ケイ素を含むことが可能であり（第１の層２１１と同じ）、ブロッキング光学フィルター２０６の第４の層２１４は、シリコンを含むことが可能である。結果として生じる３つの材料系は、可変光学フィルター２００の厚さを低減させることを可能にする。９００ｎｍ〜１７００ｎｍの近赤外線の波長範囲に関して、バンドパス・フィルター２０４は、わずか２０層しか含まないことが可能であり、ブロッキング・フィルター２０６Ａ、２０６Ｂは、合計でわずか６０層しか含まないことが可能である。フィルター２００の合計の厚さは、好ましくは、１３００ｎｍの透過波長に対応する場所において、２０マイクロメートル以下であり、より好ましくは、１０マイクロメートル以下である。層の数および厚さは、バンドパス幅、必要とされるブロッキング・レベル、および、可変光学フィルター７００Ｂの波長カバー範囲などのような、多くの要因によって決定されることとなる。
ここで、図２をさらに参照して図８Ａを見てみると、本発明の波長選択型センサー８００Ａは、図２の可変光学フィルター２００、または、図７Ｂ、図７Ｃの可変光学フィルター７００Ｂ、および、可変光学フィルター２００に連結されている光検出器アレイ８０２Ａを含み、光検出器アレイ８０２Ａは、ｘ方向に沿って間隔を離して配置された光検出器８１２を備えており、波長選択型センサー８００Ａにおいて、層厚さは単調に増加している。透過波長λＴは、方向ｘに沿って変化するので、光検出器アレイ８０２Ａの異なる光検出器８１２は、光検出器アレイ８０２Ａの反対側の側部８２０から光学フィルター２００に衝突する光８４０の異なる波長に応答する。光検出器８１２の数は、いくつかの隔離された波長バンドを検出するための２つまたは３つだけの光検出器から、詳細な光学的なスペクトルの測定を行うための数百以上の光検出器まで、変化することが可能である。後者のケースでは、波長選択型センサー８００Ａは、本質的に、発光分光計として機能する。
分光計の実施形態では、光検出器８１２の数が、数十または数百以上の光検出器の数であるときに、透過波長λＴは、可変光学フィルター２００の長さ寸法に沿って対数的に可変にさせることが可能である。透過波長λＴの対数的な変化が、光検出器アレイ８０２Ａの光検出器８１２のさらなるスペーシングと組み合わせられるとき、光学分光計８００によって収集されるスペクトル・ポイントの分解能Ｒ＝λＴ／Δλは、一定の値であり、それは、たとえば、スペースの用途に関して、好ましい可能性がある。
光検出器アレイ８０２は、光学フィルター２００のための基板を含むことが可能である。換言すれば、光検出器アレイ８０２は、光学フィルター２００を支持する基板として機能することが可能である。光学フィルター２００と光検出器アレイ８０２との間のギャップ８１４は、随意的な接着剤層で充填させることが可能である。代替的に、光検出器アレイ８０２の上方に光学フィルター２００を支持するために、機械的なエンケーシング（図示せず）を使用することが可能である。後者の実施形態では、ギャップ８１４は、真空、空気、ガスなどを含むことが可能である。そのうえ、光検出器アレイ８０２は、光学フィルター２００の第１の層２１１から第４の層２１４の蒸着の間に、基板として使用することが可能である。この実施形態では、ギャップ８１４は、第１の層２１１から第４の層２１４層の蒸着のより良好な均一性のために、平坦化層を含むことが可能であるが、含まなければならないわけではない。平坦化層がギャップ８１４を充填するとき、アレイ８０２の異なる光検出器８１２は、異なる高さを有する可能性がある。たとえば、図８Ｂを参照すると、波長選択型センサー８００Ｂのアレイ８０２Ｂの光検出器８１２Ａ、８１２Ｂ、および８１２Ｃは、異なる高さを有しており、ギャップ８１４を充填する平坦化層は、光学フィルター２００が平らな表面８１５の上に蒸着されることを確実にする。
図８Ｃを参照すると、本発明の波長選択型センサー８００Ｃは、図８Ａおよび図８Ｂの波長選択型センサー８００Ａおよび８００Ｂとそれぞれ同様である。図８Ｃの波長選択型センサー８００Ｃでは、光検出器アレイ８０２Ｃの光検出器８１２は、横方向に間隔を置いて配置されたギャップ８１３によって分離されており、また、不透明な隔離材料８１７が、アレイ８００Ｃの個別の光検出器８１２の電気的なおよび／または光学的な隔離のために、ギャップ８１３の中に配設されている。不透明な隔離材料は、たとえば、Ｅｐｏｘｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、ＵＳＡによって製造されている３５３ＮＤＢエポキシなどの、黒いまたは電気的に絶縁するエポキシを含むことが可能である。
図８Ｄを見てみると、本発明の波長選択型センサー８００Ｄは、図８Ｃの波長選択型センサー８００Ｃと同様である。図８Ｄの波長選択型センサー８００Ｄでは、光学フィルター２００の一部分が、除去され、たとえば、貫通してエッチングされており、光検出器アレイ８０２Ｄのピクセル８１２同士の間のギャップ８１３の対応する１つの直ぐ上方にそれぞれ配設されたスロット８１６を形成しており、随意的な不透明な隔離材料８１７が、より良好な個別の光検出器８１２同士の間の光学的な隔離および光学的なクロストークの低減のために、スロット８１６の中に配設されている。
図９Ａを参照すると、本発明の波長選択型センサー９００Ａは、図８Ａの波長選択型センサー８００Ａの変形例である。図９Ａの波長選択型センサー９００Ａは、図２の光学フィルター２００、および、光検出器９１２Ａのアレイ９０２Ａを含む。アレイ９０２Ａは、効果的に、光学フィルター２００のための基板である。光学フィルター２００は、アレイ９０２Ａの直ぐ上に配設され、したがって、光学フィルター２００を支持するための別々の厚い基板、たとえば、少なくとも０．８ｍｍ厚さの別々のガラス基板の必要性を除去することが可能である。アレイ９０２Ａは、反対向きの第１の表面９２１および第２の表面９２２を有するデバイス・チップ９２０を含む。アレイ９０２Ａの光検出器９１２Ａは、デバイス・チップ９２０の第１の表面９２１の中に配設されている。光学フィルター２００は、光検出器９１２Ａを覆って第１の表面９２１の上に配設されている。図９Ａに示されているように、結合パッド９２９Ａが、たとえば、光学フィルター２００の反対側に、デバイス・チップ９２０を通して延在することが可能である。キャリアー・チップ９３０は、デバイス・チップ９２０の随意的なポリッシングの間に（以下を参照）、デバイス・チップ９２０を強化するために、デバイス・チップ９２０の第２の表面９２２に結合させることが可能である。
ここで図９Ｂを見てみると、本発明の波長選択型センサー９００Ｂは、図８Ａの波長選択型センサー８００Ａおよび図９Ａの波長選択型センサー９００Ａの変形例である。図９Ｂの波長選択型センサー９００Ｂは、図２の光学フィルター２００、および、光検出器９１２Ｂのアレイ９０２Ｂを含む。アレイ９０２Ｂは、反対向きの第１の表面９４１および第２の表面９４２を有するアレイ基板９４０を含む。アレイ９０２Ｂの光検出器９１２は、第１の表面９４１の中に配設されており、光学フィルター２００は、アレイ基板９４０の第２の表面９４２の上に配設されている。この実施形態では、光８４０は、アレイ基板９４０を通って伝搬することによって、アレイ９０２Ｂの光検出器９１２Ｂに到達する。
好適な実施形態では、また、波長選択型センサー９００Ｂは、マルチプレクサー・チップ９５０を含み、マルチプレクサー・チップ９５０は、アレイ９０２Ｂの光検出器９１２Ｂの光電信号を読み取るためのマルチプレクサー回路９５５を含む。マルチプレクサー・チップ９５０は、アレイ基板９４０の第１の表面９４１にフリップ・チップ接合されている。結合パッド９２９Ｂは、マルチプレクサー・チップ９５０とアレイ９０２Ｂの光検出器９１２Ｂとの間に電気的接触を確立させるために、マルチプレクサー・チップ９５０とアレイ基板９４０との間に延在することが可能である。
図７Ｂの可変光学フィルター７００Ｂは、図８Ａ〜図８Ｄ、および図９Ａ、図９Ｂのそれぞれの波長選択型センサー８００Ａ〜８００Ｄ、９００Ａ、９００Ｂの中で、可変光学フィルター２００の代わりに使用することが可能である。フィルター２００、７００Ｂは、３つの材料系の中だけでなく、４つ以上の材料を含む材料系の中に実装することが可能である。第１の材料は、二酸化ケイ素を含むことが可能であり、第２の材料は、五酸化タンタルを含むことが可能であり、第３の材料は、シリコンを含むことが可能である。材料の適正な選択によって、可変光学フィルター２００は、２０マイクロメートル以下、好ましくは１０マイクロメートル以下の厚さを有することが可能であり、可変光学フィルター２００の中の機械的な応力を大きく低減させ、製造量を増加させる。
好ましくは、可変光学フィルター２００または７００Ｂは、図８Ａ〜図８Ｄ、図９Ａ、および図９Ｂそれぞれの光検出器アレイ８０２Ａ〜８０２Ｄ、９０２Ａ、および９０２Ｂの直ぐ上に配設されている。これらの実施形態では、光検出器アレイ８０２Ａ〜８０２Ｄ、９０２Ａ、および９０２Ｂは、交互になる第１の層２１１および第２の層２１２、ならびに、交互になる第３の層２１３および第４の層２１４の蒸着の間に、効果的に、可変光学フィルター２００または７００Ｂのための基板となり、提供される光検出器アレイ８０２Ａ〜８０２Ｄ、９０２Ａ、および９０２Ｂの上に、バンドパス２０４およびブロッキング・フィルター２０６Ａ、２０６Ｂをそれぞれ形成するようになっている。図８Ａ〜図８Ｄ、図９Ａ、および図９Ｂの光検出器アレイ８０２Ａ〜８０２Ｄ、９０２Ａ、および９０２Ｂの直ぐ上に光学フィルター２００または７００Ｂを配設することは、よりコンパクトな全体構造を結果として生じさせ、また、光が、光検出器８１２、８１２Ａ、８１２Ｂ、８１２Ｃ、９１２Ａ、および９１２Ｂまでより短い距離を進行し、随意的なバルク基板２０２（図２）を含む光学フィルター２００の実施形態と比較して発散することがより少ないので、対応する波長選択型センサー８００Ａ〜８００Ｄ、９００Ａ、および９００Ｂのスペクトル分解能を改善させる。
図９Ａをさらに参照して、図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃを参照すると、波長選択型センサー９００Ａ（図９Ａ）を製造する方法が図示されている。反対向きの第１の表面１０２１および第２の表面１０２２を有するデバイス・ウエハー１０２０（図１０Ａ）が準備される。次いで、光検出器９１２Ａおよび随意的な結合パッド９２９Ａが、第２の表面１０２２の中に形成され、光検出器９１２Ａがデバイス・ウエハー１０２０（図１０Ａ）の内側から第１の表面１０２１を向くようになっている。次いで、デバイス・ウエハー１０２０は、随意的なキャリアー・ウエハー１０３０に結合され、第１の表面１０２１が、アレイ９０２の光検出器９１２Ａ、および、結合パッド９２９Ａを露出させるようにポリッシングされる（図１０Ｂ）。キャリアー・ウエハー１０３０は、ポリッシングをしやすくするために、機械的な強度を提供するために結合される。次いで、光学フィルター２００は、結合パッド９２９Ａと結合パッド９２９Ａとの間に第１の表面１０２１（図１０Ｃ）の上に、層ごとに蒸着される。次いで、デバイス・ウエハー１０２０は、個別のデバイス・チップ９２０へとダイスカットすることが可能である。
本発明の１つまたは複数の実施形態の先述の説明は、例証および説明の目的のために提示されてきた。それは、包括的であること、または、開示されている正確な形態に本発明を限定することを意図していない。上記教示を考慮して、多くの修正例および変形例が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるべきではなく、これに添付されている請求項によって限定されるべきであるということが意図されている。
２００ 光学フィルター
２０２ バルク基板
２０４ バンドパス・フィルター
２０６Ａ ブロッキング・フィルター
２０６Ｂ ブロッキング・フィルター
２１１ 第１の層
２１２ 第２の層
２１３ 第３の層
２１４ 第４の層
２０２ バルク基板
２０４ バンドパス・フィルター
２０６Ａ ブロッキング・フィルター
２０６Ｂ ブロッキング・フィルター
２１１ 第１の層
２１２ 第２の層
２１３ 第３の層
２１４ 第４の層
図４Ｂを参照すると、バンドパス・フィルター２０４は、誘電体スペーサー層４５０を含み、誘電体スペーサー層４５０は、所望の中心波長λＴにおいて、複数の１／２波長であり、波長λＴにおいて１／４波長反射体スタック４３２の間に挟まれている。１／４波長スタック４３２の反射性を増加させることによって、および／または、スペーサー層４５０の厚さもしくは１／２波長の数を増加させることによって、バンドパス・フィルター２０４のバンド幅は、幅を狭くさせられている。いずれのケースでも、透過バンド幅は、スペーサー層４５０を横切る光４４０のトラベルの数を増加させることによって低減される。したがって、スペーサー層４５０材料、および、１／４波長反射体スタック４３２の隣接する層が、低い光学的損失を有することが重要である。
図８Ｃを参照すると、本発明の波長選択型センサー８００Ｃは、図８Ａおよび図８Ｂの波長選択型センサー８００Ａおよび８００Ｂとそれぞれ同様である。図８Ｃの波長選択型センサー８００Ｃでは、光検出器アレイ８０２Ｃの光検出器８１２は、横方向に間隔を置いて配置されたギャップ８１３によって分離されており、また、不透明な隔離材料８１７が、アレイ８０２Ｃの個別の光検出器８１２の電気的なおよび／または光学的な隔離のために、ギャップ８１３の中に配設されている。不透明な隔離材料は、たとえば、Ｅｐｏｘｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、ＵＳＡによって製造されている３５３ＮＤＢエポキシなどの、黒いまたは電気的に絶縁するエポキシを含むことが可能である。
ここで図９Ｂを見てみると、本発明の波長選択型センサー９００Ｂは、図８Ａの波長選択型センサー８００Ａおよび図９Ａの波長選択型センサー９００Ａの変形例である。図９Ｂの波長選択型センサー９００Ｂは、図２の光学フィルター２００、および、光検出器９１２Ｂのアレイ９０２Ｂを含む。アレイ９０２Ｂは、反対向きの第１の表面９４１および第２の表面９４２を有するアレイ基板９４０を含む。アレイ９０２Ｂの光検出器９１２Ｂは、第１の表面９４１の中に配設されており、光学フィルター２００は、アレイ基板９４０の第２の表面９４２の上に配設されている。この実施形態では、光８４０は、アレイ基板９４０を通って伝搬することによって、アレイ９０２Ｂの光検出器９１２Ｂに到達する。
Claims (28)
- ある波長範囲の中で横方向に可変の透過波長を有する光学フィルターであって、前記光学フィルターは、
第１および第２の材料をそれぞれ含む交互の第１および第２の層のスタックを含むバンドパス・フィルターであって、前記バンドパス・フィルターは、前記横方向に可変の透過波長を提供するために、横方向に変化する厚さを有している、バンドパス・フィルターと、
第３および第４の材料をそれぞれ含む交互の第３および第４の層のスタックを含むブロッキング・フィルターであって、前記ブロッキング・フィルターは、前記横方向に可変の透過波長よりも大きいかまたは小さい前記波長範囲の中の波長をブロックするために、前記第１および第２の誘電体層の前記横方向に変化する厚さと調和した横方向に変化する厚さを有している、ブロッキング・フィルターと
を含み、
前記第１、第２、および第４の材料は、異なる材料をそれぞれ含み、前記第１の材料の屈折率が、前記第２の材料の屈折率よりも小さく、前記第２の材料の前記屈折率が、前記第４の材料の屈折率よりも小さく、前記第２の材料の吸収係数が、前記第４の材料の吸収係数よりも小さくなっており、
前記バンドパス・フィルターは、少なくとも１つの第５の層をさらに含み、前記少なくとも１つの第５の層は、前記第４の材料を含み、前記バンドパス・フィルターの内側の定在光波の局所的な最小値の領域に配設されており、それによって、前記バンドパス・フィルターのブロッキング波長領域が広げられ、前記バンドパス・フィルターの厚さが低減されている、光学フィルター。 - 前記第１および第３の材料が、同じ材料を含む、請求項１に記載の光学フィルター。
- 前記第１および第３の材料が、同じ誘電体材料を含む、請求項２に記載の光学フィルター。
- 前記誘電体材料が、二酸化ケイ素を含む、請求項３に記載の光学フィルター。
- 前記第４または第５の材料が、半導体材料を含む、請求項１に記載の光学フィルター。
- 前記半導体材料が、シリコンを含み、前記第１および第３の材料が、二酸化ケイ素を含む、請求項５に記載の光学フィルター。
- 前記第２の材料が、二酸化チタン、五酸化タンタル、五酸化ニオブ、ならびに、五酸化タンタルおよび五酸化ニオブの合金からなる群から選択される、請求項６に記載の光学フィルター。
- 前記第１および第３の材料の前記屈折率が、１．３５から１．６の間にあり、前記第２の材料の前記屈折率が、１．８から２．５の間にあり、前記第４の材料の前記屈折率が、２．６から４．５の間にある、請求項１に記載の光学フィルター。
- 前記波長範囲が、９００ｎｍから１７００ｎｍに広がっており、前記バンドパス・フィルターおよび前記ブロッキング・フィルターが、１３００ｎｍの前記透過波長に対応する場所において、２０マイクロメートル未満の合計の厚さを有している、請求項８に記載の光学フィルター。
- 前記光学フィルターが、前記波長範囲の中で透明な基板をさらに含み、前記バンドパス・フィルターが、前記ブロッキング・フィルターによって支持されており、前記ブロッキング・フィルターが、前記基板によって支持されている、請求項９に記載の光学フィルター。
- 前記ブロッキング・フィルターが、前記透過波長よりも大きい波長および小さい波長をそれぞれブロックするための第１および第２の部分を含み、前記バンドパス・フィルターが、前記ブロッキング・フィルターの前記第１の部分と前記第２の部分との間の光路の中に配設されている、請求項１に記載の光学フィルター。
- 前記第１および第３の材料が、二酸化ケイ素を含み、前記第２の材料が、五酸化タンタルまたは五酸化ニオブを含み、前記第４の材料が、シリコンを含み、前記バンドパス・フィルターが、２０以下の層を含み、前記ブロッキング・フィルターが、６０以下の層を含む、請求項１１に記載の光学フィルター。
- 前記バンドパス・フィルターおよび前記ブロッキング・フィルターが、１０マイクロメートル以下の合計の厚さを有している、請求項１２に記載の光学フィルター。
- 前記透過波長が、前記光学フィルターの長さ寸法に沿って単調に可変である、請求項１に記載の光学フィルター。
- 前記透過波長が、前記長さ寸法に沿って対数的に可変である、請求項１４に記載の光学フィルター。
- 請求項１４に記載の前記光学フィルターと、
前記光学フィルターに連結されている光検出器のアレイであって、前記光検出器は、前記長さ寸法に沿って間隔を離して配置されており、それによって、前記アレイの異なる光検出器が、前記アレイの反対側から前記光学フィルターに衝突する光の異なる波長に応答する、光検出器のアレイと
を含む、波長選択型センサー。 - 前記アレイが、前記光学フィルターのための基板を含む、請求項１６に記載の波長選択型センサー。
- 前記光検出器が、異なる高さを有しており、前記アレイが、前記光検出器の上方に配設される平坦化層をさらに含み、前記光学フィルターが、前記平坦化層によって支持されている、請求項１７に記載の波長選択型センサー。
- 前記光検出器が、横方向に間隔を置いて配置されたギャップによって分離されており、前記アレイが、前記アレイの前記個別の光検出器の光学的な隔離のために、前記ギャップの中に配設される不透明な隔離材料をさらに含む、請求項１７に記載の波長選択型センサー。
- 前記光学フィルターが、複数のスロットを含み、前記複数のスロットは、前記横方向に間隔を置いて配置されたギャップのうちの対応する１つの上方にそれぞれ配設されており、前記隔離材料が、前記アレイの前記個別の光検出器の追加的な光学的な隔離のために、前記スロットの中に配設されている、請求項１９に記載の波長選択型センサー。
- 前記アレイが、反対向きの第１および第２の表面を有するデバイス・チップを含み、前記アレイの前記光検出器が、前記デバイス・チップの前記第１の表面内に配設されており、前記光学フィルターが、前記光検出器を覆って前記第１の表面の上に配設されている、請求項１７に記載の波長選択型センサー。
- 前記アレイが、前記デバイス・チップの前記第２の表面に結合されているキャリアー・チップをさらに含む、請求項２１に記載の波長選択型センサー。
- 前記アレイが、反対向きの第１および第２の表面を有するアレイ基板を含み、前記アレイの前記光検出器が、前記第１の表面内に配設されており、前記光学フィルターが、前記アレイ基板の前記第２の表面の上に配設されている、請求項１７に記載の波長選択型センサー。
- 前記波長選択型センサーが、前記アレイの前記光検出器の光電信号を読み取るためのマルチプレクサー・チップをさらに含み、前記マルチプレクサー・チップは、前記アレイ基板の前記第１の表面にフリップ・チップ接合されている、請求項２３に記載の波長選択型センサー。
- 請求項１７に記載の波長選択型センサーを製造する方法であって、前記方法は、
（ａ）前記光検出器のアレイを提供するステップと、
（ｂ）前記光学フィルターの前記バンドパス・フィルターおよびブロッキング・フィルターを形成するように、前記第１から第５の層を前記光検出器のアレイの上に蒸着させるステップと
を含む、波長選択型センサーを製造する方法。 - 請求項２１に記載の波長選択型センサーを製造する方法であって、前記方法は、
（Ａ）前記デバイス・チップを、
（ｉ）第１および第２の反対向きの表面を有するデバイス・ウエハーを提供し、
（ｉｉ）前記第１の表面の方を向く前記アレイの前記光検出器を、前記デバイス・ウエハーの前記第２の表面内に形成させ、
（ｉｉｉ）前記アレイの前記光検出器を露出させるように、前記デバイス・ウエハーの前記第１の表面をポリッシングすることによって、
製造するステップと、
（Ｂ）前記光学フィルターの前記バンドパス・フィルターおよび前記ブロッキング・フィルターを形成するように、ステップ（ｉｉｉ）においてポリッシングされた前記デバイス・ウエハーの前記第１の表面の上に、前記第１から第５の層を蒸着させるステップと
を含む、波長選択型センサーを製造する方法。 - 波長選択型センサーを製造する方法であって、前記方法は、
（ａ）光検出器のアレイを提供するステップと、
（ｂ）前記光検出器のアレイの上に、
第１および第２の材料をそれぞれ含む交互の第１および第２の層のスタックを含むバンドパス・フィルターであって、前記バンドパス・フィルターは、前記横方向に可変の透過波長を提供するために、横方向に変化する厚さを有している、バンドパス・フィルターと、
第３および第４の材料をそれぞれ含む交互の第３および第４の層のスタックを含むブロッキング・フィルターであって、前記ブロッキング・フィルターは、前記横方向に可変の透過波長よりも大きいかまたは小さい前記波長範囲の中の波長をブロックするために、前記第１および第２の誘電体層の前記横方向に変化する厚さと調和した横方向に変化する厚さを有している、ブロッキング・フィルターと
を蒸着させるステップと
を含み、
前記第１、第２、および第４の材料は、異なる材料をそれぞれ含み、前記第１の材料の屈折率が、前記第２の材料の屈折率よりも小さく、前記第２の材料の前記屈折率が、前記第４の材料の屈折率よりも小さく、前記第２の材料の吸収係数が、前記第４の材料の吸収係数よりも小さくなっている、波長選択型センサーを製造する方法。 - ステップ（ａ）が、
（ｉ）第１および第２の反対向きの表面を有するデバイス・ウエハーを提供するステップと、
（ｉｉ）前記第１の表面を向く前記光検出器のアレイを、前記デバイス・ウエハーの前記第２の表面内に形成するステップと、
（ｉｉｉ）前記アレイの前記光検出器を露出させるように、前記デバイス・ウエハーの前記第１の表面をポリッシングするステップと
を含み、
ステップ（ｂ）において、前記バンドパス・フィルターおよびブロッキング・フィルターが、ステップ（ｉｉｉ）においてポリッシングされた前記デバイス・ウエハーの前記第１の表面内に蒸着される、請求項２７に記載の方法。
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