TW201901194A - 光學濾波器及用於製造光學濾波器的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種具有基板的光學濾波器，基板包括：主帶通，其至少主要以干擾為基礎；以及二次帶通，其至少主要以干擾為基礎。須構成此二種帶通，使其在所期望的光譜透射-波長區間中於整個所需的角範圍上都可足夠地透射。然而，主帶通的特徵是具有整個系統所需的、小的角位移。此外，主帶通具有一種由各別應用的需求所設定的、儘可能小的光譜透射-波長區間，其由狹窄的阻擋頻帶來限定。須形成二次帶通，使其透射-波長區間由短波的和長波的邊緣來限定且須依據主帶通來調整，使其邊緣在所需的角範圍上只在主帶通的阻擋頻帶內部中偏移。
Description
本發明涉及一種具有小的角位移(shift)之光學濾波器。附屬請求項涉及各種不同的、及優選的實施方式。
以含氫的、及大部份為無定形的矽(aSi：H)為主的多層系統自一段時間以來即為先前技術且與低折射的材料例如SiO2或Si3N4一起在接近紅外線範圍中用作光學濾波器。在大約800奈米至1000奈米之光譜區中具有高的透射性(transmission)之帶通濾波器的一種範例已揭示於蔡(Tsai)等多人的US5398133中，其由透明基板之一側上用於波長大於約800奈米之長通(long pass)濾波器以及透明基板之另一側上用於波長小於約1000奈米之短通(short pass)濾波器構成。低折射的材料在此種情況下是Si3N4，其於此光譜區中具有大約1.78之折射值。超過800奈米之光譜區中具有高的透射性之帶通濾波器的其它範例已揭示於Hendrix等多人的US9354369中。該處設定的帶通使用SiO2作為低折射的材料，其於此光譜區中典型上具有大約1.47之折射值。所述濾波器之應用例如已定位在距離測量的領域中。於 此，環境以波長典型上在範圍850奈米至950奈米的紅外線-發射器脈波式地照亮。由物件散射或反射回來之輻射由感測器接收且測量該脈波之發送和接收之間的時間延遲以決定距離。為了改善該感測器之信號-雜訊比(ratio)，該感測器須以一種用於發射器之光譜區的帶通濾波器來覆蓋，使該感測器儘可能只偵測出紅外線光源之輻射。另一應用涉及“光簾”中的紅外線感測器，其用作安全元件以便在光簾中斷時關閉設備。
此應用中aSi：H之優點是大的折射值以及在小於可帶通-透射的波長時aSi：H具有高的吸收性，其可一起達成簡易的濾波器設計。依據標準文獻，在827奈米時折射值n=4.13，但此值例如由於特別是氧造成的污染而通常不能達成，使折射值在此波長時更容易位於範圍3.4至3.9中。由於大的折射值，則在使用對應的低折射之材料於濾波器層系統中時會發生一種大的折射值跳躍，其在與高折射的材料具有較低折射值(例如，Nb2O5在800奈米時具有的折射值是大約2.25-2.3)時的濾波器設計比較下可以更少的層來轉變(convert)更簡易的、且更薄的層設計以用於形成邊緣陡峭的透射-波長區間(interval)。為了材料組合而不發生吸收現象，須使用昂貴的層系統以阻擋一種典型上由300奈米至800奈米之廣泛的光譜區，使整個波長的輻射在大的角範圍中都發生反射。反之，aSi：H在足夠的材料厚度時依據所詳述的材料特性在小於大約700奈米的光譜區中吸收了輻射的大部份且典型方式是在小於600奈米時幾乎完全吸收 該輻射，因此在該光譜區中需要更少的層來產生該阻擋。又，此種與吸收有關的阻擋基本上與輻射的入射角無關。
此外，已為人所知的是：高折射的材料可使濾波器所具有的光譜特性只與入射角有微小的相關性(例如，Macleod，薄膜光學濾波器，2001年第3版，7.2.4章且特別是第287頁的7.12圖)，這樣同樣可達成更簡易的濾波器設計，只需要大的入射角範圍即可。在此種濾波器的範例中，低折射的材料大部份亦是SiO2。Hendrix等多人的US9354369指出對0°至30°的角範圍而言最佳狀況下有12.2奈米的角位移。
Hendrix等多人的US9354369又指出大於800奈米的光譜區中很低的k<0.0005之aSi：H。帶通(bandpass)塗佈在基板的玻璃側，基板的另一側上只施加由SiO2和Ta2O5構成的抗反射(AR)層。此AR層不具備阻擋功能，使得在大約600奈米和該帶通之光譜區之間(依據設計是在810和840奈米之間)的光譜區中輻射的阻擋大部份都由aSi：H/SiO2帶通濾波器之干擾來達成。
然而，對很多應用都值得追求的是，使角位移進一步下降或在大於30°或40°的更大角度時在該帶通之光譜區內部中達成很好的透射，同時在該帶通之光譜區外部中使輻射可很好地被阻擋。帶通一般是以Fabry-Perot濾波器為基礎而構成，其由一種或多種配置來構成，該配置由配置在多個鏡面層之間的空腔(亦稱為距離支件或間隔器)組成。本說明書之概念中作為 Fabry-Perot濾波器應理解成由多個鏡面層和配置在鏡面層之間的距離支件所構成的每一組合，就像鏡面最後才實現那樣。通常，鏡面層以多個單一層構成的干擾層為基礎而實現。空腔較鏡面層之單一層更厚，空腔配置在鏡面層之間，例如，請參閱Macleod，薄膜光學濾波器，2001年第3版，7.2.4章。
在用來描述濾波器的一般註解中，高折射的層具有設計波長之四分之一的光學厚度者以“H”來標示，類似地，低折射的層具有設計波長之四分之一的光學厚度者以“L”來標示。最簡單的Fabry-Perot濾波器具有由高折射的材料構成之空腔，此種濾波器因此是一種基板/HL-2H-LH，此處該空腔具有的厚度是鏡面層的二倍。更複雜的設計是可能的，其具有更多的且更厚的空腔以及多個鏡面層，例如，基板/HL-4H-LHLHLHLHLHL-4H-LH。Macleod中設定簡易的公式以用於計算此種設計的角位移。此種濾波器通常以“有效折射值”n*來描述且具有中央波長λ0之帶通的角位移可依據以下公式(1)來估計成反比於n*的平方：
為了使角位移最小化，須使n*最大化。已為人所知的是，須製造由高折射的材料構成之空腔，以使角位移最小化。由以下用於對高折射的空腔來計算n*的公式(2)
明顯地可知：當高折射的以及低折射的材料之折射值都最大化且另外使空腔之“等級”提高時，角位移將下降，此處厚度2H時等級m=1，厚度4H時等級m=2，厚度6H時等級m=3以及其它等等。
公式(2)允許對特定的濾波器構造計算有效折射值。當然，此公式有時不能使用，例如，另外當帶通濾波器包括不同等級的空腔時就不能使用。在此種情況下，在本說明書的範圍內根據公式(1)由以下的公式(2a)以入射角30°求得的折射值應理解成有效折射值，此處Δλ(30°)優選為在入射角30°時所測得的角位移或若其不可直接測得時是藉助於薄層計算程式來決定的角位移：
高折射的材料之折射值由相關的材料之可用性來限定。aSi：H使用在光譜區800至1100奈米中作為材料時可良好地適合用作高折射的材料，或另外地，該折射值亦可限定於大約3.6至3.9以用於工業上的生產方法。空腔的厚度由該生產方法的準確性來限定，特別是與基板面上的層厚度之均勻性有關，因此通常都使用m=2的空腔或最大之m=3的空腔。
為了使帶通的角位移進一步下降，可只使低 折射的材料之折射值提高。對具有基板(n=1.5)/HL-4H-LHLHL-4H-LH構造之此種濾波器之簡易的範例而言，第1圖顯示以薄層計算程式Filmstar計算的透射之光譜曲線(curve)。高折射的材料之折射值nH選擇成3.65，該設計波長是860奈米。低折射的材料之折射值nL隨著值1.5(實線)、2.0(虛線)、2.5(點線)和3.0(鏈線)而變化。吸收和分散(dispersion)於此被忽略。在nL=1.5時，只藉由干擾就在大約660至840奈米之間達成很好的阻擋，此乃因材料不具吸收性。明顯可辨認的是，隨著上升的nL，光譜之阻擋區總是更狹窄且阻擋功能亦總是更劣化，這表示在阻擋區中透射率亦上升至接近10%。當然，此情況可藉由設計最佳化輕易地改善。然而，在低折射的材料有高的折射值時，例如，nL=3.0，則由干擾所造成的阻擋區總是大大地受到限制，就像第2圖依據其它已複雜很多的範例：基板(n=1.5)/HL-4H-LHLHLHLHLHL-4H-LHLHLHLHLHL-4H-LH所示的那樣。只有圍繞該帶通大約60至80奈米的狹窄光譜區受到干擾所阻擋，這對上述應用而言是不夠的。
然而，在nH=3.65和nL=3.0構成的組合中，中央波長為860奈米時0°至30°之角位移是大約9奈米，這對此種應用是令人感興趣的、很小的角位移。以此種值且使用以上設定的公式(1)和(2)，則n*=3.36(於m=2的情況下)且因此使前述的角位移為9.5奈米，這良好地與薄層計算程式求得的折射一致。
因此，本發明的目的是提供一種帶通濾波器，其在所期望的光譜透射-波長區間(其在任一地方都位於300奈米和1100奈米之間)具有小的角位移，其優選為在入射角φ是0°至20°時小於帶通之中央波長的0.6%，特別優選為小於0.5%，及/或在入射角是0°至30°時小於帶通之中央波長的1.2%，特別優選為小於1.0%，及/或在入射角是0°至50°時小於帶通之中央波長的3.0%，特別優選為小於2.5%，此時必須在由450奈米、優選為420奈米且特別優選為300奈米，至帶通之短波的此側之光譜區中實現輻射之很好的阻擋功能且必須在由帶通之長波的此側至1100奈米之光譜區中實現該輻射之很好的阻擋功能。作為中央波長，可理解成帶通之短波和長波的此側上的波長和之平均值，其中透射率在入射角0°時等於50%。
作為帶通BP之透射-波長區間或頻帶寬度，在本說明書的範圍中定義下述的光譜區，下(under)區間邊界由以下公式來決定：
且上(upper)區間邊界由以下公式來決定：
此處和是帶通之上(長波的)和下(短波的)波長，其分別具有50%之透射率。
依據本發明，上述目的藉由基板來達成，其包括一至少主要是以干擾為基礎的主帶通以及一至少主要是以干擾為基礎的二次(secondary)帶通。須形成此二 個帶通，使其在所期望的光譜透射-波長區間中經由所需的、全部的角範圍都可足夠地透射。然而，主帶通的特徵是：其具有整個系統所需的小的角位移。主帶通另外具有一種由各別應用之需求來設定的、儘可能小的光譜透射-波長區間，其由狹窄的阻擋頻帶來限定，且更明確而言是由短波的狹窄的阻擋頻帶和長波的狹窄的阻擋頻帶來限定。主帶通的光譜功能在由狹窄的阻擋頻帶和所期望的光譜透射-波長區間所形成的波長區間之外部暫時扮演次要的角色。
須形成二次帶通，使其透射-波長區間由短波的和長波的邊緣來限定且須在主帶通上調整，使其短波的邊緣經由所需的角範圍只在主帶通之短波的、狹窄的阻擋頻帶內偏移且其長波的邊緣經由所需的角範圍只在主帶通之長波的、狹窄的阻擋頻帶內偏移。此外，須形成二次帶通，使其在所需的波長範圍中在小於主帶通之短波的、狹窄的阻擋頻帶時有效地達成阻擋且在所需的波長範圍中在大於主帶通之長波的、狹窄的阻擋頻帶時有效地達成阻擋。
因此，二次帶通在小於短波的、狹窄的阻擋頻帶和大於長波的阻擋頻帶時補償主帶通的阻擋缺陷，主帶通由於其狹窄的阻擋頻帶而可使二次帶通之角位移顯示成對整個系統在光學上是無效的。
因此，對二次帶通可設定相對更大的角位移且對應地該二次帶通可由多層構成之交替層系統來構成，各層具有大的折射值差異且因此在大的波長範圍中 具備有效的阻擋功能。
相對應地，主帶通優選為包括一由至少二種層材料構成之交替層系統，各層具有不同的折射值(低折射值為nPL且高折射值為nPH)。主帶通依據上述設定的公式(2)若可使用時具有主有效折射值np*，否則依據公式(2a)折射值須大，使角位移小至所需的角度φ為止，就像相對應的應用中所需要的那樣。於此，材料的折射值在構成主帶通的帶通之中央波長處都須是大的值，至少超過2.5，優選為超過2.8且特別優選為超過3.0。於是，有效折射值是大的且相對應地該角位移就像所需那樣是小的。
二次帶通優選為包括一種交替層系統，其構成包括：至少一層材料，其在中央波長處具有高的折射值nSH；以及至少另一層材料，其在中央波長處具有折射值nSL，此處nSL<0.66nSH，這樣可確保對最佳地形成該阻擋功能是有利的、大的折射值差異。此外，具有此種折射值的材料當然需要特別存在著，這樣在目前就可將實際的折射值限定在1.35至4.1。就像以上所執行者那樣，另外需要使二次帶通之角位移不可太大，以便將二個帶通之功能就像以上所執行者那樣對0°至φ之所有角度都保持著。對二次帶通之有效折射值nS*而言，以公式(1)和(2)為基礎(或若需要時以公式(2a)為基礎)以及在條件“二次帶通之角位移超過主帶通之角位移時超過的量須不大於中央波長的3%”下在簡單的計算之後須符合：
於此，在所期望的光譜透射-波長區間外部另外可有利地使用二個帶通之共同作用。因此，例如有時“主帶通之阻擋作用在狹窄的阻擋頻帶內是很有效的”甚至是不需要的，此乃因二次帶通在此範圍中完全亦可對阻擋作出貢獻。與大約70%之反射對應的30%之透射(靠近透射-波長區間之光譜區中在吸收率可忽略或較小的情況下)可達成二個帶通構成之整個系統的完全可接受之特性。另一方面，例如亦可能的是：主帶通在低於大約650至700奈米的範圍中例如可藉由吸收而顯著地對阻擋作出貢獻。
本發明將依據光學濾波器之不同範例和材料藉助於圖式舉例式地詳述。
第1圖顯示不同之低折射的材料用的濾波器之光譜透射。
第2圖顯示具有較高折射值之“低折射的”材料之濾波器之光譜透射。
第3a圖顯示以一種方法製成的aSi：H-材料之複數的折射值之實部(n)和虛部(k)。
第3b圖顯示以另一種方法製成的aSiNx：H-材料之複數的折射值之實部(n)和虛部(k)。
第4a圖顯示依據本發明製成的光學濾波器用之主 帶通的層構造。
第4b圖顯示依據第4a圖在玻璃上的主帶通於入射角0°(實線)和30°(虛線)時的透射，該玻璃的背面上不具備抗反射層。
第5a圖顯示依據本發明製成的光學濾波器用之二次帶通的層構造。
第5b圖顯示依據第5a圖在玻璃上的二次帶通於入射角為0°(實線)和30°(虛線)時的透射，該玻璃的背面上不具備抗反射層。
第6圖顯示一種玻璃基板之一側上由第4a圖構成的主帶通與玻璃基板之另一側上由第5a圖構成的二次帶通相組合而構成的系統於入射角為0°(實線)和30°(虛線)時的透射。
第7圖顯示一種於大約860至900奈米處可使透射最大化的主帶通之層構造。
第8a圖顯示以另一種方法製成的aSiNx：H-材料之複數的折射值之實部(n)和虛部(k)，該折射值在波長為950奈米時下降至大約2.55。
第8b圖顯示第8a圖中具有nPL之主帶通的層構造，其於大約930至970奈米處可使透射最大化。
第8c圖顯示以另一種方法製成的aSiNx：H-材料之複數的折射值之實部(n)和虛部(k)，該折射值在波長為950奈米時下降至大約2.95。
第8d圖顯示第8c圖中具有nSH之二次帶通的層構造，其於大約930至990奈米處可使透射最大化。
第8e圖顯示依據第8b圖在玻璃上的主帶通於入射角為0°(實線)、30°(虛線)和50°(點線)時的透射，該玻璃的背面上不具備抗反射層。
第8f圖顯示依據第8d圖在玻璃上的二次帶通於入射角為0°(實線)、30°(虛線)和50°(點線)時的透射，該玻璃的背面上不具備抗反射層。
第8g圖顯示玻璃基板之一側上由第8b圖構成的主帶通與玻璃基板之另一側上由第8d圖構成的二次帶通相組合而構成的系統於入射角為0°(實線)、30°(虛線)和50°(點線)時的透射。
第9a圖顯示一種於大約855至925奈米處可使透射最大化的二次帶通之層構造。
第9b圖顯示玻璃上由第9a圖構成的二次帶通於入射角0°(實線)和25°(虛線)時的透射，該玻璃的背面上不具備抗反射層。
第9c圖顯示一種玻璃基板之一側上由第4a圖構成的主帶通與玻璃基板之另一側上由第9a圖構成的二次帶通相組合而構成的系統於入射角為0°(實線)和25°(虛線)時的透射。
第10a圖顯示具有下降的頻帶寬度之主帶通的一範例的層構造，其於大約865至890奈米處可使透射最大化。
第10b圖顯示一種玻璃基板之一側上由第10a圖構成的主帶通與玻璃基板之另一側上由第5a圖構成的二次帶通相組合而構成的系統於入射角為0°(實線)和 30°(虛線)時的透射。
第11a圖顯示主帶通與二次帶通相組合的一範例的層構造，二個帶通全部位於基板之一側上。
第11b圖顯示玻璃上由第11a圖構成的層系統於入射角為0°(實線)和30°(虛線)時的透射，該玻璃的背面上不具備抗反射層。
為了簡化之故，在以下討論的所有範例都以未極化的電磁輻射來計算。對此行的專家而言可輕易將此種計算以任意方式轉移至極化的輻射。
在本說明書中，當以交替的層談論交替層系統時，則一種層系統於此是指：其中高折射的層與低折射的層交替著，這些交替的層不必直接上下依序重疊而是在交替的各層之間亦可能設有其它的層。
特殊的優點是：可以相同材料作為高折射的材料來實現二個帶通。二個帶通例如可以aSi：H作為高折射的材料來實現。就二次帶通之低折射的材料而言，另外可考慮傳統的材料，例如，SiO2或Si3N4。
與此相對地，主帶通中低折射的材料特別優選地同樣以aSi：H為主來實現，折射值藉由可選擇的氮原子、氧原子或碳原子的混合來實現。通常須對該些材料作檢驗且此種混合材料之折射值可連續地在aSi：H之折射值和化學計量的Si3N4,SiO2或SiC之折射值之間變化。例如，已為人所知的是：對aSiNx：H而言，氮的份量x大約0.1至0.4時可達成3之折射值，此折射值 用的氮份量越少，則須加入越多的氫。隨著增多的氮份量，則吸收亦偏移至較小的波長，此處亦為人所知的是：吸收可偏移至較小的波長，此時氫壓力在沉積aSi：H時增大。因此，可確保：能以折射值nPL 2.5且對該帶通之透射的光譜區有足夠小的吸收來製成低折射的材料。
這例如可藉由以下的方法來實現。此範例中使用的濺鍍塗層設備是一種圓筒設備。基板以待塗層的此側朝外固定在圓筒上。圓筒以大約0.5赫(Hz)之旋轉頻率旋轉，使基板全部大約2秒由靶(target)旁通過。多個濺鍍靶位於距離基板大約5至10厘米(cm)處且形成為矩形，其依據此設備的形成方式大約12厘米寬且大約50厘米長或更長。多個濺鍍源是磁控管型式。濺鍍aSi：H時，使用脈波式直流(DC)源，或是，在使用2個靶來濺鍍aSi：H時亦可中頻電源(典型上是40仟赫)，此處電壓交替地施加在二個靶上。作為aSi：H用的濺鍍氣體，使用一種由氬和氫構成的氣體混合物，氬和氫的比例典型上是4：1，此處依據光學濾波器之透射-波長區間所需的光譜位置，氫份量亦可選擇成低很多且高很多(在範圍15：1至1.5：1中)。此範例中在使用2個靶時氣體之總流量大約是150至250sccm，這樣就可在靶表面之附近產生大約5至15 x 10-3毫巴(mbar)之濺鍍壓力。在每一靶之濺鍍功率典型上是4.5kW時，濺鍍電壓典型上是在700至800伏特(V)之範圍中。平均的沉積速率是0.25nm/s。在沉積aSiNx：H時就折射值nL 2.5而言，需要相對較低的大約0.05至0.45的氮份量x，此乃因氫份 量選擇成更多以達成足夠低的吸收。於此，典型上氬流量下降至3至45%之範圍中且大約相對應的量係由氮流量來取代。同時，在一些情況下使氫流量大大地提高(增加1.5倍至3倍)時已顯示是有利的。藉由此種提高的氫流量，使吸收量下降，特別是與透射有關的800奈米至1100奈米之光譜區中使吸收量下降。在高的氫流量時，使折射值下降所需的氮流量之值下降。
以上述的設備型式亦可對直徑例如300毫米之大基板進行大面積的沉積。為了改善均勻性，可對濺鍍功率使用相位調變，就像US6572738中所述者那樣。
不對基板加熱，在塗層時藉由能量載入而設定一種大約80至90℃之基板溫度，這是以一種下垂(trailing)溫度計來測量。對基板另外加熱時可使溫度提高。就目前的範例而言，使用大約170℃之基板溫度，亦可在較低或較高的溫度中沉積。若需要時，層系統可藉由事後的退火在大約300℃的溫度中再退火，這樣就可使透射-波長區間中的吸收下降。
第3a圖顯示依據上述方法在塗層中aSi：H-材料之複數的折射值之實部(n)和虛部(k)，其係在基板溫度大約170℃且氬和氫以4：1的比例構成的氣體混合物以及總流量為150sccm時的折射值。材料的虛部在波長小於大約700奈米時大於0.01且在波長大於800奈米時小於0.001。第3b圖顯示依據上述方法在塗層中aSiNx：H-材料之複數的折射值之實部(n)和虛部(k)，其係在基板溫度170℃且氬、氮和氫以0.5：0.06：0.44的比例構成 的氣體混合物以及總流量為200sccm時的折射值。需要高的氫流量以產生一種材料，其特別是在800奈米至1100奈米之相關的光譜區中具有很小的吸收性，可不須退火。
第4a圖顯示由第3a圖和第3b圖之二種材料構成的主帶通之層構造，其在大約860至900奈米時使透射最佳化。此基本構造可與第2圖之理論上的設計相比較，此處單一層之層厚度以程式Filmstar再最佳化。第一層位於基板上且層厚度以奈米來設定。全部的層厚度大約2480奈米。第4b顯示該玻璃的背面上不具備抗反射層的情況下主帶通於入射角0°(實線)和30°(虛線)時的透射。角位移此處定義成短波的和長波的50%點在此二個角度時的平均差值，此角位移是8.5奈米。在波長小於大約600奈米時，此透射幾乎都被aSi：H中的吸收所抑制。對所有其它的波長範圍此種阻擋是不足夠的且只有對帶通左方和右方大約40奈米的光譜區透射仍完全存在著。由上述設定的公式(1)和(2)以及中央波長大約880奈米時的折射值nPH=3.56和nPL=3.05，則np*會成為3.33(m=2時)且由此使角位移直至30°為止都成為中央波長的1.1%或9.7奈米，這與上述設定的值8.5奈米達成良好的一致性。
第5a圖顯示二次帶通的層構造，其於大約850至920奈米處可使透射最大化。第一層位於基板上且層厚度以奈米來設定。高折射的材料是aSi：H其以上述方式製成(請參閱第3a圖)，低折射的材料是SiO2，其 在800奈米時折射值大約是1.47。此種基本構造由aSi：H空腔(m=1)和鏡面層構成，鏡面層由交替的、高折射的和低折射的層以及層厚度構成，此處層厚度以程式Filmstar來最佳化。該些SiO2層有一部份亦很厚，上述設定的公式因此造成很好的值。角位移0°至30°時為23.4奈米，這相對較大。由公式(1)和(2)，有效的折射值ns*可計算成2.29且由此使角位移直至30°為止都可計算成2.4%或21.4奈米。全部的層厚度大約是2940奈米。第5b圖顯示玻璃的背面上不具備抗反射層時二次帶通於入射角為0°(實線)和30°(虛線)時的透射。波長小於大約600奈米時，此透射完全被aSi：H中的吸收所抑制。此種阻擋對所有其它的波長範圍直至接近帶通為止都很好，此乃因具有nSL 0.41nSH的材料組合由於二種折射值之大的差異而允許很好的阻擋。當然，其它設計對於二次帶通亦是可能的，其例如具有較小的角位移、陡峭的側緣或在阻擋範圍中具有更佳的阻擋。
第6圖顯示一種玻璃基板之一側上由第4a、4b圖構成的主帶通與玻璃基板之另一側上由第5a、5b圖構成的二次帶通相組合而構成的系統於入射角為0°(實線)和30°(虛線)時的透射。角度範圍由0°至30°時的小之角位移由主帶通來界定，光譜區中位於主帶通之透射-波長區間外部的阻擋則由二次帶通之阻擋來達成。二次帶通之角位移23.4奈米已足夠小，此乃因依據公式(3)ns*須大於1.74，這可良好地實現。
若需要，則主帶通中的終止層亦可由一種純 氧化物的材料例如SiO2製成。優點是：氧化物的材料在化學上很穩定且主帶通的環境穩定性提高。第7圖顯示一種於大約860至900奈米處可使透射最大化的主帶通之層構造。此種基本構造可與第4a圖之設計比較，於此配置一種層厚度50奈米之SiO2終止層且其它的層厚度以程式Filmstar再最佳化。第一層位於基板上且層厚度以奈米來設定。全部的層厚度是大約2530奈米。此種層系統之光譜特性幾乎與第4a、4b圖之設計無差異且因此未顯示。當然，不只最後一層可由另一材料(此處是SiO2)製成，而且亦可配置由其它材料構成的其它層。除了SiO2以外，有利地使用Si3N4作為層材料是可能的，此乃因這種氣體已可用在塗層設備中且只須調整程序參數，以便可製成對應的、低折射的材料。
主帶通之小的角位移以及在像50°之類的很大的角度中亦幾乎不改變的光譜特性亦能以更厚的空腔和低折射的材料之低的折射值來達成。藉由提高氮流量和氫流量(為了降低吸收性)，使氣體Ar：N2：H2處於比例0.54：0.14：0.32中，此處總流量是180sccm，aSiNx：H材料之折射值在波長950奈米時下降至大約2.55，請參閱第8a圖。以第2圖之設計為基礎之主帶通當然能以提高的空腔厚度(對應於m=3)和另一(第四)空腔來實現，此處各單一層的層厚度以程式Filmstar再最佳化。第8b圖顯示此種主帶通之層構造，其在大約930至970奈米時使透射最佳化。第一層位於基板上且層厚度以奈米來設定。全部的層厚度大約是4100奈米。由上述設定 的公式(1)和(2)以及中央波長大約950奈米時的折射值nPH=3.52和nPL=2.55，則np*會成為3.15(m=3時)且由此使角位移直至50°為止都成為中央波長的3.0%或29奈米。對該二次帶通研發一種與第3b圖之材料類似的材料，當然，在600至800奈米之光譜區中折射值輕微地下降且吸收性提高。相較於製造aSi：H時的氣體流量，氮流量提高且氫流量保持固定，使氣體Ar：N2：H2處於比例0.67：0.13：0.2中，此處總流量是150sccm，以便在950奈米時達成大約2.95之較小的nSH，請參閱第8c圖。第8d圖顯示一種二次帶通之層構造，其在大約930至990奈米時使透射最佳化。第一層位於基板上且層厚度以奈米來設定。低折射的材料亦是SiO2，其在950奈米時具有大約1.47之折射值且因此所具有的折射值相對於高折射的材料者有大的差異。全部的層厚度大約4600奈米。第8e圖、第8f圖、第8g圖分別顯示玻璃基板之一側上的主帶通之透射、玻璃基板之另一側上的二次帶通之透射、以及具有主帶通和二次帶通的整個系統於入射角為0°(實線)、30°(虛線)和50°(點線)時的透射。角位移此處定義成短波的和長波的50%點在所對應的角度時的平均差值，此角位移直至30°為止都是9奈米且直至50°為止都是25奈米，其分別由0°入射角時的特性開始都與由公式(1)和(2)算出者有良好的一致性。依據公式(1)和(2)，二次帶通的角位移直至50°為止都是49奈米，這已足夠小，此乃因依據公式(3)ns*須大於2.22，這以ns*為2.41來實現。
二次帶通亦能以更低折射的材料來製成。第9a圖顯示一種二次帶通的層構造，其在大約855至925奈米時使透射最佳化。第一層位於基板上且層厚度以奈米來設定，第三行中層系統繼續持續著。高折射的材料是Nb2O5，低折射的材料是SiO2，其在800奈米時的折射值是大約1.47。此種基本構造是由六個Nb2O5空腔和多個鏡面層構成，該些鏡面層由交替的、高折射的和低折射的層構成，此處層厚度以程式Filmstar來最佳化。由於高折射的材料Nb2O5在波長890奈米時所具有的折射值只有大約2.25，則ns*在m=2時只有1.91。由公式(1)和(2)所決定的角位移由0°至25°時為22奈米，這相對較大。全部的層厚度大約是8380奈米，即，第5a、5b圖構成的二次帶通之四倍，此乃因折射值的差異較小且nSL=0.65 nSH是適用的，因此要達成阻擋會更困難。第9b圖顯示玻璃背面上不具備抗反射層時二次帶通於入射角0°(實線)和25°(虛線)時的透射。阻擋功能在大約830奈米之短波的光譜區中直至600奈米為止已最佳化，此乃因主帶通在小於600奈米時藉由吸收而具有足夠的阻擋。第9c圖顯示一種玻璃基板之一側上由第4a、4b圖構成的主帶通與玻璃基板之另一側上由第9a、9b圖構成的二次帶通相組合而構成的系統於入射角為0°(實線)和25°(虛線)時的透射。角範圍由0°至25°時小的角位移7.7奈米藉由主帶通來界定。較大的角範圍只能困難地揭開，這是由於以Nb2O5為基礎的二次帶通之大的角位移而使二次帶通之阻擋範圍向內偏移至透射- 波長區間中。依據公式(3)，二次刷子(Blocker)必須具有ns*>1.53，這已實現。重要的是：以低折射的材料為基礎的二次帶通是可能的，但較佳的結果可以高折射的材料來達成。
具有其它頻帶寬度的帶通亦是可能的，此時主帶通之頻帶寬度且可能亦包含二次帶通之頻帶寬度都須針對各別所需的特性來調整。第10a圖顯示頻帶寬度下降的主帶通之一範例的層構造，其在大約865至890奈米時使透射最佳化。第一層位於基板上且層厚度以奈米來設定。相較於第4a、4b圖之層系統，鏡面層的數目已提高，此時粗體印刷的層在此種設計中已分別插入了3倍的數目。此外，層厚度未進行最佳化。全部的層厚度大約3010奈米。第10b圖顯示一種玻璃基板之一側上的主帶通與玻璃基板之另一側上由第5a、5b圖構成的二次帶通於入射角為0°(實線)和30°(虛線)時的透射。當然，此種層系統的特性可繼續以程式Filmstar來最佳化，以便例如在入射角為0°時於大約940奈米處使透射之輕微上升量下降。角位移此處定義成短波的和長波的50%點在所對應的角度時的平均差值，此角位移直至30°為止亦是8.6奈米且例如像與第4圖和第5圖構成的範例相同的描述適用於二個帶通的折射值。
阻擋範圍中平均的透射率是1%或更小。於此，阻擋範圍定義成由U開始直至到達透射之短波的50%點上20奈米為止的光譜區以及由透射之長波的50%點上方20奈米開始直至V為止的光譜區。於此，U最大 是480奈米，優選為U最大是420奈米且特別優選者為U是300奈米。此外，V是至少980奈米，優選為至少1050奈米且特別優選者為V是1100奈米。
二側都有塗層的層構造之優點是可能達成應力(Stress)補償。在很多情況下，相對大的基板(200毫米的邊長或直徑或更大)上的塗層是需要的。對很多感測器應用而言，需要薄的基板，以便例如在行動式無線電話中應用於相機時使感測器的構造高度保持較小。藉由總是仍相對較大的層厚度，則在此種基板中容易造成5毫米以及更大的彎曲。若設計此種層系統，使層應力在二側上大約同樣大，則基板之彎曲可藉由應力的補償而最小化。
然而，在一些應用中可能亦須要使層系統必須完全塗佈在基板一側上。例如，在一些應用中須要使塗層直接沉積在感測器元件上。具有主帶通和二次帶通的配件在此種情況下亦是可能的，此處上述狀況(situation)已被補償，此乃因二個帶通之全部的層可藉由干擾而互相交替地作用。儘管如此，仍可能以上述概念為基礎來研發層的設計，其具有很好的光譜特性和很小的角位移。第11a圖顯示主帶通與二次帶通相組合的範例之層構造，其全部都位於基板的一側上。第一層位於基板上且層厚度以奈米來設定，第三行和第四行中該層系統繼續持續地由第3b圖之aSiNx：H更換成SiO2以作為低折射的材料。全部的層厚度都以程式Filmstar重新調整。相較於第4a、4b圖之層系統，此處的層系統之對 應於主帶通的成份具有很類似的層厚度。相較於第5a、5b圖，此處的層系統之對應於二次帶通的成份具有很類似的層厚度。然而，此處空腔的數目已提高至五。全部的層厚度大約是7920奈米。第11b圖顯示玻璃的另一側上不具備抗反射層時此種層系統於入射角為0°(實線)和30°(虛線)時的透射。角位移此處定義成短波的和長波的50%點在所對應的角度時的平均差值，此角位移直至30°為止亦只有9.3奈米且例如像與第4圖和第5圖構成的範例相同的描述適用於二個帶通的折射值。
對本業界的專家而言，清楚的了解，除了所示的範例以外很多設計都是可能的，且如上所述的課題可以本發明的概念來解決。例如，帶通的波長可偏移，邊緣的斜度可藉由邊緣數目的提高來提高或帶通的寬度可藉由鏡面層數目的改變而改變。目前使用的設計程式亦允許設計的實現，其層厚度不是以上述的H和L層為基礎來選取。亦與此有關地，本發明的主帶通和二次帶通濾波器以及(與公式2a有關)有效折射值之觀念仍然可使用。
目前的說明書之第一段落中提及不同的應用。本發明的光學濾波器可有利地使用在這些應用中。使用此濾波器之對應的應用自然地又列入成發明。
描述一種具有基板的光學濾波器，基板上設有主帶通和二次帶通濾波器，-主帶通濾波器至少亦涉及，優選為主要是涉及主交替層系統之干擾原理，且在主交替層系統中由折射值nPL之 材料MPL構成的層和由折射值nPH之另一材料MPH構成的層交替著，在主帶通的中央波長處適用下式nmin nPL<nPH,-nmin是2.5，優選為2.8且特別優選為3.0，及-主帶通濾波器之有效折射值np *是至少3.1，優選為至少3.2且特別優選為至少3.3，-須構成主帶通濾波器，使得對電磁輻射的每一入射角0°至φ而言，φ至少20°，其光譜特性都包括主透射-波長區間，其中主帶通濾波器使電磁輻射的大部份都透射且主反射-波長區間係與主透射-波長區間之短波的以及長波的此側都緊接著，在主反射-波長區間中主帶通的濾波器使電磁輻射的至少70%反射，且-二次帶通濾波器至少亦涉及，優選為主要是涉及二次交替層系統之干擾原理，且在二次交替層系統中由折射值nSL之材料MSL構成的層和由折射值nSH之另一材料MSH構成的層交替著，在二次帶通的中央波長處二次帶通濾波器的有效折射值適用下式
且另外亦適用：1.35<nSL<0.66nSH<nSH<4.1以及-須構成二次帶通濾波器，使得對電磁輻射的每一入射角0°至φ而言，其光譜特性都包括二次透射-波長區間，其中二次帶通濾波器使電磁輻射的大部份都透射且二次反射-波長區間係與二次透射-波長區間之短波的以及長波的此側都緊接著，在二次反射-波長區間中二次帶通濾波 器將電磁輻射的大部份反射及/或吸收，此處該二次透射-波長區間完全包括該主透射-波長區間且電磁輻射在基板上的每一入射角為0°至φ時由二次透射-波長區間至二次反射-波長區間之轉移(transition)區分別位於主反射-波長區間的內部中。
依據一實施方式，φ之值可以是至少30°，優選為至少40°且特別優選為至少50°。
nPH可等於nSH且優選為MPH等於MSH。
MPH可以是含氫的、無定形的矽(aSi：H)。
MPL可以是無定形的矽(aSi：H)，其中混合著氮原子及/或碳原子及/或氧原子。
主帶通可配置在基板之第一表面上且二次帶通可配置在基板之與第一表面相面對的表面上。
然而，主帶通和二次帶通都可設置在基板之相同的表面上且在與該表面相面對的基板表面上優選為可設置一種抗反射層。
主透射-波長區間在入射角0°時可設置成寬度小於50奈米。
主透射-波長區間可設置成在入射角0°時寬度大於100奈米。
光學濾波器可構成為：阻擋區中在入射角0°時平均的透射率小於1%且優選為更小。
光學濾波器可構成為：主透射-波長區間的範圍中在入射角0°時平均的透射率大於80%，優選為大於85%且特別優選為大於90%。
光學濾波器可構成為：主透射-波長區間在入射角0°時至少一部份位於800奈米至1100奈米之光譜區中。
光學濾波器可構成為：此濾波器具有小的角位移，其在入射角為0°至20°時優選為小於帶通之中央波長的0.6%，特別優選為小於0.5%及/或在入射角為0°至30°時小於帶通之中央波長的1.2%，特別優選為小於1.0%及/或在入射角為0°至50°時小於帶通之中央波長的3.0%，特別優選為小於2.5%。
提供用於製造一種具有上述特性之一種或多種或全部之光學濾波器的方法，此處由群組MPL,MPH,MSL和MSH構成的材料之至少一種藉由磁控管濺鍍而製成，但優選為全部的材料都如此地製成。
可進行本方法，MPL和MPH由相同的靶來濺鍍，在濺鍍期間將氮、氧及/或含氮的、含氧的或含碳的氣體導入至塗層設備中以製成MPL，將更少的氮、氧及/或含氮的、含氧的或含碳的氣體導入至塗層設備中以製成MPH且優選為導入少量的氮、氧及/或含氮的、含氧的或含碳的氣體以製成MPH。
Claims (15)
- 一種具有基板的光學濾波器，基板上設有主帶通濾波器和二次帶通濾波器，-主帶通濾波器至少亦涉及，優選為主要涉及主交替層系統之干擾原理，且在主交替層系統中由折射值n PL之材料M PL構成的層和由折射值n PH之另一材料M PH構成的層交替著，在主帶通的中央波長處適用下式n min n PL<n PH,-n min是2.5，優選為2.8且特別優選為3.0且-主帶通濾波器之有效折射值n p *是至少3.1，優選為至少3.2且特別優選為至少3.3，-須構成主帶通濾波器，使得對電磁輻射的每一入射角0°至φ而言，φ至少20°，其光譜特性都包括主透射-波長區間，其中主帶通濾波器使電磁輻射的大部份都透射且主反射-波長區間係與主透射-波長區間之短波的以及長波的此側都緊接著，在主反射-波長區間中主帶通濾波器使電磁輻射的至少70%反射，且-二次帶通濾波器至少亦涉及，優選為主要是涉及二次交替層系統之干擾原理，且在二次交替層系統中由折射值n SL之材料M SL構成的層和由折射值n SH之另一材料M SH構成的層交替著，在二次帶通的中央波長處二次帶通濾波器的有效折射值適用下式
- 如請求項1之光學濾波器，其中φ之值是至少30°，優選為至少40°且特別優選為至少50°。
- 如請求項1或2之光學濾波器，其中n PH等於n SH且優選為M PH等於M SH。
- 如請求項1至3中任一項之光學濾波器，其中M PH是含氫的、無定形的矽(aSi：H)。
- 如請求項1至4中任一項之光學濾波器，其中M PL是無定形的矽(aSi：H)，其中混合著氮原子及/或碳原子及/或氧原子。
- 如請求項1至5中任一項之光學濾波器，其中主帶通配置在基板之第一表面上且二次帶通配置在基板之與第一表面相面對的表面上。
- 如請求項1至5中任一項之光學濾波器，其中主帶通和二次帶通都設置在基板之相同的表面上且在與該表面相面對的基板表面上優選為設置抗反射層。
- 如請求項1至7中任一項之光學濾波器，其中主透射-波長區間在入射角0°時設置成寬度小於50奈米。
- 如請求項1至8中任一項之光學濾波器，其中主透射-波長區間設置成在入射角0°時寬度大於100奈米。
- 如請求項1至9中任一項之光學濾波器，其中阻擋區中在入射角0°時平均的透射率小於1%且優選為更小。
- 如請求項1至10中任一項之光學濾波器，其中主透射-波長區間的範圍中在入射角0°時平均的透射率大於80%，優選為大於85%且特別優選為大於90%。
- 如請求項1至11中任一項之光學濾波器，其中主透射-波長區間在入射角0°時至少一部份位於800奈米至1100奈米之光譜區中。
- 如請求項1至12中任一項之光學濾波器，其中此濾波器具有小的角位移，其在入射角為0°至20°時優選為小於帶通之中央波長的0.6%，特別優選為小於0.5%及/或在入射角為0°至30°時小於帶通之中央波長的1.2%，特別優選為小於1.0%及/或在入射角為0°至50°時小於帶通之中央波長的3.0%，特別優選為小於2.5%。
- 一種用於製造如請求項1至13中任一項之光學濾波器的方法，其特徵為：由群組M PL,M PH,M SL和M SH構成的材料之至少一者藉由磁控管濺鍍而製成，優選為全部的材料都如此地製成。
- 如請求項14的方法，其中M PL和M PH由相同的靶來濺鍍，在濺鍍期間將氮、氧及/或含氮的、含氧的或 含碳的氣體導入至塗層設備中以製成M PL，將更少的氮、氧及/或含氮的、含氧的或含碳的氣體導入至塗層設備中以製成M PH且優選為導入少量的氮、氧及/或含氮的、含氧的或含碳的氣體以製成M PH。
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