TWI707164B - 具有減少的雜散且聚焦的光的濾光器陣列 - Google Patents

Abstract

本案揭示了一種包含濾光器陣列之設備，該濾光器陣列包括濾光器元件陣列；其中每個濾光器元件具有藉由側壁連接之相對的相互平行之主面，該等側壁包括至少一對相對的梯形側壁及至少一對相對的相互不平行之側壁；且其中該等濾波器元件之相對的相互平行之主面共同界定該濾光器陣列之光學入口孔及出口孔並且包括干涉濾光器。本案進一步揭示了照亮該濾光器陣列之方法。

Description

具有減少的雜散且聚焦的光的濾光器陣列

以下係關於光學技術、濾光器技術、光譜技術、定價資訊分佈技術及相關技術。

具有高光譜選擇性之光學干涉濾光器包含具有交替折射率值之層之堆疊。該等濾光器可經設計以提供通帶、阻帶、高通、低通或凹口濾光器輸出。光學層通常沉積在對於設計基礎光譜為光學透明之基板上，因此，濾光器有時被稱作為濾光板，並且該板的區域上面係光學均勻的。

另一方面，在該板之不同區域具有不同通帶或阻帶或截止波長之光學干涉濾光器用於不同的多光譜應用，諸如分光計或光譜分析儀裝置。因為在層沉積期間很難可控地改變橫跨基板之層厚度，所以該多光譜濾光器有時被製造成為所謂的「屠夫塊」濾光器陣列。為建立屠夫塊濾光器陣列，具有不同濾光器特性（例如不同通帶或阻帶波長及/或頻寬）之一組濾光板藉由適當的層沉積而形成。每個濾光板經設計在該板之區域上係均勻的。隨後濾光板經切塊以形成呈條帶形式之濾光器元件，隨後以所要的圖案將濾光器元件黏結在一起以形成屠夫塊濾光器陣列。除了將濾光板切塊以形成隨後以所要的二維陣列黏結在一起之濾光器元件之外，藉由類似製程製造二維濾光器陣列。

例如在公佈於2014年10月16日之Downing等人的美國公開案第2014/0307309 A1號中描述了一些說明性的前述類型之多光譜濾光器陣列，該美國公開案以引入之方式全部併入本文。

本文揭示了一些改進。

本揭示案係關於一種包含濾光器陣列之設備，該濾光器陣列包括濾光器元件陣列；其中每個濾光器元件具有藉由側壁連接之相對的相互平行之主面，該等側壁包括至少一對相對的梯形側壁及至少一對相對的相互不平行之側壁；此外，其中濾光器元件之相對的相互平行主面共同界定濾光器陣列之光學入口孔及出口孔並且包括干涉濾光器。

本揭示案亦係關於提供如上所述之濾光器陣列及用會聚光或發散光照亮濾光器陣列之方法，該會聚光或發散光具有與濾光器元件之側壁之側壁角度一致的局部角度。

另外，本揭示案針對包括濾光器陣列之設備，濾光器陣列包含並非濾光器陣列之最外面濾光器元件之內部濾光器元件陣列；其中每個內部濾光器元件具有藉由側壁連接之較大及較小之相對的相互平行之主面，該等側壁包括至少一對相對的梯形側壁及至少一對相對的相互不平行之側壁；且其中內部濾光器元件之較大主面包含濾光器陣列之發散孔而內部濾光器元件之較小主面包含濾光器陣列之會聚孔。

在下文更特定描述本揭示案之該等及其他非限制性態樣及/或目標。

參閱伴隨圖式可獲得對本文揭示之製程及設備的更完全理解。該等圖式僅僅為基於方便性及易於展現現有技術及/或目前發展的示意性表示，因此並非意欲指示組件或其部件之相對大小及尺寸。

儘管為了清晰性在隨後描述中使用特定術語，但該等術語意欲僅係指在圖式中用來說明之所選擇的實施例之特定結構，且並不意欲界定或限制本揭示案之範疇。在該等圖式及以下隨後描述中，應理解的是，相同的元件符號係指相同功能之部件。

除非在上下文中另外清楚地規定，否則單數形式「一(a/an)」及「該」包括複數個指示物。

結合數量使用的修飾詞「大約」係包括所述之值並且具有上下文指示之含義（例如，其包括至少與特定數量之量測值關聯之誤差程度）。當與特定值一起使用時，亦應認為揭示彼值。舉例而言，術語「大約2」亦揭示值「2」且「自大約2至大約4」之範圍亦揭示「自2至4」之範圍。

參閱第1圖，本文所認為之屠夫塊類型濾光器陣列之缺陷在於其不適合諸多具有有限焦平面及操作會聚或發散光束之實際光學系統。第1圖圖示用於在沿著光軸OA 之有限位置具有焦平面P 的此系統之光線軌跡。由於焦平面P 之有限位置，通過光學系統之光（藉由說明性光線L 示意性地表示）形成具有如第1圖指示之錐形半角A 之錐形光束，該光在焦平面P 上會聚。在說明性第1圖中，在圖式中光線L 自左至右傳播，並且由位於靠近焦平面P 之平面中之偵測器陣列8 偵測，因此光線L 係會聚光線。或者，若光遠離有限焦平面傳播，例如自在焦平面上之緊湊光源發出，則光線可為發散的（替代例未圖示）。在任一情況下，光線形成會聚光束（如圖所示）或者發散光束。

屠夫塊類型濾光器陣列是由自濾光板上切割的濾光器元件以條帶（對於一維陣列）或塊體（對於二維陣列）的形式組成。切割鋸產生條帶或塊體之垂直側壁。Downing等人之美國公開案第2014/0307309 A1號揭示了當光之入射角並非正交於濾光器陣列表面時使用的改進。在Downing等人之美國公開案第2014/0307309 A1號揭示之設計中，條帶或塊體經切割具有處於與光之入射角一致的選定角度上之側壁。此減少在濾光器元件之間的邊界處的光散射及損耗。

應認識到，在會聚光或發散光的情況下，該濾光器陣列在鄰近的濾光器元件之間的邊界處產生光散射及損耗。使用Downing等人之美國公開案第2014/0307309 A1號之方法不能減少該散射及光學損耗，因為對於會聚光或發散光沒有界定的入射角。

繼續參閱第1圖及進一步參閱第2圖，改良濾光器陣列10 有具有非平行側壁之濾光器元件12a 、12b 、12c 、12d 、12e 、12f 、12g 、12h 、12i 、12j ，針對每個濾光器元件（視情況除形成濾光器陣列10 之周邊的最外面濾光器元件12a 、濾光器元件12j 之外側壁外），該等側壁之角度經設計（對每個濾光器元件）以匹配光線L 之局部會聚或發散角度。鄰近濾光器元件之接合的側壁位於濾光器陣列10 之表面上相同的局部位置處，因此具有相同的側壁角度。如本文所認識到的，該相鄰側壁角度之重合允許濾光器元件在接合側壁處緊固在一起，例如使用黏著劑或其他黏合劑來緊固，以形成濾光器陣列10 。作為說明，如在第2圖中介於濾光器元件12b 與12c 之間的介面14 處所標記的，濾光器元件12b 及濾光器元件12c 之接合側壁具有相同的側壁角度。

進一步參看第1圖及第2圖，側壁角度隨著至光軸OA 之距離的增加而增加，以便隨著與光軸OA 之距離增加而與會聚或發散光束之增加的角度一致。

繼續參閱第1圖及第2圖並且進一步參閱第3圖，給定濾光器元件之側壁並非相互平行的。更確切地說，給定濾光器元件之內側側壁具有比外側側壁更小的側壁角度（其中「內側」及「外側」分別地指示相對更靠近及相對更遠離光軸OA ）。作為說明，第3圖單獨圖示濾光器元件12d 。對於濾光器元件12d ，與外側側壁18 之側壁角度A_O 相比，內側側壁16 具有更小側壁角度A_I （偏離光軸OA 方向量測的角度）。

繼續參閱第3圖，對於每個濾光器元件（例如說明性濾光器元件12d ），濾光器元件包含藉由四個側壁16 、18 （包括除側壁16 、18 之外的並未在第3圖中之側剖視圖中繪示之兩個側壁）定界的在相對主面22 、24 之間延伸之透明基板或主體20 。該等主面之一個或兩個包括干涉濾光器，例如濾光器元件12d 之說明性主面22 包括干涉濾光器26 ，該干涉濾光器可例如藉由諸如濺鍍、真空蒸發、電漿沉積等技術沉積。干涉膜26 通常係由提供光學干涉的層之經設計堆疊組成以提供設計基礎通帶、阻帶、高通、低通或凹口濾光器。該干涉濾光器26 之波長、半峰全幅值(full-width-at-half-maximum; FWHM)或其他光譜特性經設計用於特定應用。此外，因為濾光器陣列10通常為多光譜濾光器，每個濾光器元件12a 、12b 、12c 、12d 、12e 、12f 、12g 、12h 、12i 、12j 具有大體上不同的干涉濾光器（儘管可將一些濾光器元件選擇為相同的—例如若濾光器陣列10 意欲關於光軸OA 對稱，則用於濾光器元件12a 、12j 之干涉濾光器係相同的；用於濾光器元件12b 、12i 之干涉濾光器係相同的；用於濾光器元件12c 、12h 之干涉濾光器係相同的；用於濾光器元件12d 、12g 之干涉濾光器係相同的；以及用於濾光器元件12e 、12f 之干涉濾光器係相同的）。儘管未圖示，在濾光器元件12d 之主面24 上可額外或替代地包括干涉濾光器。

濾光器元件大體上可經設計用於在紫外波長、可見波長或紅外波長範圍內之任何通帶或阻帶。作為說明性實例，濾光器元件（或更特定言之，濾光器元件主體或基板，例如第3圖中之說明性濾光器元件12d 之濾光器元件主體或基板20 ）可由透光材料（諸如玻璃、藍寶石或在操作光學範圍內具有合適透明度之另一材料）組成。干涉濾光器26 可包括氧化鉭(Ta₂ O₅ )及二氧化矽(SiO₂ )之交替層，或更大體上具有不同折射率值之兩個（或兩個以上）材料之交替層。組成干涉濾光器26 之層亦較佳的對於操作光學範圍是透光，儘管由於其是薄層，在操作光學範圍中的一些光吸收可為可接受的。例如，作為另一說明性實例，層可係諸如鈦/二氧化鈦(Ti/TiO₂ )之金屬/金屬氧化物層。用於設計干涉濾光器之已知技術可用以設計用於給定通帶或凹口過濾器阻帶之層厚度，或可用以提供所要的高通或低通濾光特性。

第1圖及第2圖以側剖視圖繪示了濾光器10。該側視圖並不繪出會聚光L 或濾光器陣列10 之三維形狀。

參閱第4至6圖，經由濾光器10 之前側視圖（第4圖）、俯視圖（第5圖）及右側視圖（第6圖）示意性地繪示該三維形狀，其中第7圖圖示處於包括以透視圖圖示之會聚光線L 之光學環境中的濾光器10 及偵測器陣列8 之透視圖。在第4至7圖中，為了圖式簡單，減少所圖示濾光器元件之數量至濾光器元件之4×4陣列。應瞭解，濾光器元件之數量係基於濾光器陣列之所需的濾光解析度及總面積經合適選擇之設計參數。

濾光器元件具有平截頭稜錐體之形狀，該平截頭稜錐體具有（特定言之，參閱第3圖中之說明性濾光器元件12d ）兩個相互平行且具有相同數目頂點（說明性濾光器陣列10 之矩形底部22 、24 有四個定點）之底部22 、24 （亦即，底部22 、24 彼此平行），以及非平行四邊形（由於不同的側壁角度，例如在說明性第3圖中之濾光器元件12d 中之不同角度A_I 、A_O ）之至少兩個梯形側壁16 、18 。在所裝配的濾光器陣列10 中之濾光器元件之兩個平行底部22 、24 共同界定濾光器陣列10 之光學進出孔（或反之亦然），如第1圖及第7圖最佳可見。

繼續參閱第4至7圖並且進一步參閱第8至11圖，對於在二維上發散或會聚之光束，濾光器元件之所有四個側壁係梯形側壁，如第4圖、第6圖及第7圖最佳可見。在該等實施例中，每對相對梯形側壁（例如第3圖中之側壁16 、18 ）相互不平行（亦即，彼此不平行）。另一方面，如第8至11圖所圖示，對於在僅僅一維上發散或會聚及在正交維上平行（例如，藉由圓柱狀或線狀光源30 產生的）且僅在發散或會聚之方向上被多光譜濾光的光束，變體濾光器陣列40 具有條帶形式濾光器元件，其中每個濾光器元件具有兩個梯形之端部側壁46_trap 及平行四邊形之長側壁46_par 。在該實施例中，兩個梯形端部側壁46_trap 係相互平行（亦即，彼此平行）之相對側壁，而兩個平行四邊形長側壁46_par 係相互不平行之相對側壁。直線或圓柱狀光源30 具有與濾光器元件之長側壁46_par 相平行且橫向於梯形端部側壁46_trap 之長軸32 。

返回參閱第1圖及第2圖，大體而言，內部濾光器元件（亦即，並非濾光器陣列10 之最外面濾光器元件12a 、12j 之濾光器元件12b 、12c 、12d 、12e 、12f 、12g 、12h 、12i ）具有一個主面（第3圖中之主面22 ），該主面具有比另一個主面（第3圖中之主面24 ）更大的面積。內部濾光器元件之較大面積主面共同地包含濾光器陣列10 之發散孔50 （在第2圖中標記）。內部濾光器元件之較小主面共同地包含濾光器陣列10 之會聚孔52 。在第1圖及第2圖中，濾光器陣列10 之左側面係發散孔50 而濾光器陣列10 之右側面係會聚孔52 。若（如在說明性第1圖中）濾光器應用於會聚光，則發散孔係入口孔（亦即，會聚光係輸入至發散孔50 中）以及會聚孔係出口孔（亦即，會聚光自濾光器陣列10 自會聚孔52 出來）。相反地，若濾光器應用於發散光（第11圖中之實例為此情況），則會聚孔（如第11圖中圖示之濾光器陣列40 之頂部孔）係入口孔並且發散孔（在第11圖圖示之透視圖中不可見）係出口孔。

最外面濾光器元件可係前述幾何形狀之例外，因為其可視情況被「方形化」以使得濾光器陣列10 整體上具有非傾斜周邊側壁（此可在最外面濾光器元件12a 及12j 中看出，對於最外面濾光器元件12a 及12j ，左主面小於右主面），此可影響主面之面積。

在設計濾光器元件之側壁角度（例如第3圖中之說明性濾光器元件12d 之角度A_I 及A_O ）時，考慮在側壁處發散或會聚光L 之局部角度。由於根據史奈爾定律之光之彎曲，該角度較佳地係濾光器元件之材料中之角度，而不是空氣中之角度。依據史奈爾定律，在濾光器元件材料中之光線之角度θ _fe 是與空氣中之光線之角度θ相關的，亦即sin (θ) = n _fe sin (θ _fe )，其中n _fe 濾光器元件之折射率，並且環境假定為空氣、真空或具有折射率n=1之另一環境。舉例而言，若在濾光器元件側壁處之局部光線角度係θ=15°以及n _fe =1.5，則θ _fe ≅10°並且在該位置處之側壁經適當選擇為10°。（若環境是油或一些其他具有n_環境 不為1之物質，則史奈爾定律推廣為n_環境 sin (θ) = n _fe sin (θ _fe ))。可以以多種方式製造濾光器元件，諸如藉由最初切割平行六面體濾光器元件，隨後研磨個別切割的濾光器元件以形成側壁角度。或者，切割可使用角度合適的切割鋸或有角度的晶圓安裝夾具。

應瞭解，上文揭示之各種或其他特徴及功能或其替代可期望地組合至許多其他不同系統或應用中。應進一步瞭解，熟習此項技術者可以隨後進行各種目前未預見的或未預期的替代、修改、改變或改進，亦意欲藉由以下申請專利範圍以包含該等替代、修改、改變或改進。

8‧‧‧偵測器陣列 10‧‧‧濾光器陣列 12a‧‧‧濾光器元件 12b‧‧‧濾光器元件 12c‧‧‧濾光器元件 12d‧‧‧濾光器元件 12e‧‧‧濾光器元件 12f‧‧‧濾光器元件 12g‧‧‧濾光器元件 12h‧‧‧濾光器元件 12i‧‧‧濾光器元件 12j‧‧‧濾光器元件 14‧‧‧介面 16‧‧‧側壁 18‧‧‧側壁 20‧‧‧基板或主體 22‧‧‧主面 24‧‧‧主面 26‧‧‧干涉濾光器/干涉膜 30‧‧‧光源 32‧‧‧長軸 40‧‧‧濾光器陣列 46‧‧‧側壁 50‧‧‧發散孔 52‧‧‧會聚孔

以下是圖式簡單說明，提供該等圖式是為了說明本文揭示之示範性實施例而並非為了限制目的。

第1圖示意性地圖示用於過濾結合光線軌跡以圖示會聚光的會聚光之濾光器陣列以及光偵測器陣列之側剖視圖。

第2圖示意性地圖示第1圖中之濾光器陣列之單獨側剖視圖。

第3圖示意性地圖示第1圖及第2圖中之濾光器陣列之一個說明性濾光器元件之單獨側剖視圖。

第4圖、第5圖、第6圖及第7圖分別示意性地圖示第1圖及第2圖中之濾光器陣列之前側視圖、俯視圖、右側視圖及透視圖。在第4圖至第7圖中，將說明性濾光器元件的數量減少至4×4陣列以降低圖式複雜性。

第8圖、第9圖、第10圖及第11圖分別示意性地圖示用於光之變體濾光器陣列之前側視圖、俯視圖、右側視圖及透視圖，該光在僅僅一維上會聚或發散，例如藉由圖示的直線或圓柱狀光源產生的光。如在第4至7圖中一樣，在第8至11圖中，將說明性濾光器元件之數量減少至4×4陣列以降低圖式複雜性。

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12d‧‧‧濾光器元件

16‧‧‧側壁

18‧‧‧側壁

20‧‧‧基板或主體

22‧‧‧主面

24‧‧‧主面

26‧‧‧干涉濾光器/干涉膜

Claims (9)

1. 一種設備，包含：一濾光器陣列，包含一內部濾光器元件陣列，該等濾光器元件並非該濾光器陣列之該等最外面的濾光器元件；其中每個內部濾光器元件具有藉由側壁連接之較大及較小之相對的相互平行之主面，該等側壁包括至少一對相對的梯形側壁及至少一對相對的相互不平行之側壁；其中該等內部濾光器元件之該等較大的主面包含該濾光器陣列之一發散孔以及該等內部濾光器元件之該等較小主面包含該濾光器陣列之一會聚孔。
2. 如請求項1所述之設備，其中每個內部濾光器元件係一條帶，該條帶具有一對相對的梯形端部側壁以及一對相對的互相不平行之長側壁。
3. 如請求項2所述之設備，進一步包含：一直線或圓柱狀光源，該直線或圓柱狀光源具有與該等內部濾光器元件之該等長側壁平行之一長軸。
4. 如請求項1所述之設備，其中每個內部濾光器元件包括兩對相對的梯形側壁，在該等相對的梯形側壁中，每對該等相對的梯形側壁相互不平行。
5. 如請求項1所述之設備，進一步包含： 一光學系統，該光學系統產生在該發散孔處進入該濾光器陣列且在該會聚孔處離開該濾光器陣列之會聚光。
6. 如請求項1所述之設備，進一步包含：一光學系統，該光學系統產生在該會聚孔處進入該濾光器陣列且在該發散孔處離開該濾光器陣列之發散光。
7. 如請求項1所述之設備，其中該等內部濾光器元件包含：藉由不同的干涉濾光器界定之不同的濾光器類型之複數個內部濾光器元件。
8. 如請求項7所述之設備，其中該等內部濾光器元件之該等干涉濾光器包含通帶濾光器或凹口濾光器。
9. 一種方法，包含以下步驟：提供一濾光器陣列，包含一內部濾光器元件陣列，該等濾光器元件並非該濾光器陣列之該等最外面的濾光器元件，其中每個內部濾光器元件具有藉由側壁連接之較大及較小之相對的相互平行之主面，該等側壁包括至少一對相對的梯形側壁及至少一對相對的相互不平行之側壁，且其中該等內部濾光器元件之該等較大的主面包含該濾光器陣列之一發散孔以且該等內部 濾光器元件之該等較小主面包含該濾光器陣列之一會聚孔；以及用會聚光或發散光照亮該濾光器陣列，該會聚光或發散光具有與該等濾光器元件之該等側壁之側壁角度一致的局部角度。

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