可变滤光器及基于此的波长选择传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及滤光器，具体而言，涉及具有空间变化的光谱特性的滤光器。
[0002]发明背景
[0003]空间可变滤光器的透射波长在整个滤光器上沿横向方向变化。通过将光电探测器阵列附着到空间可变滤光器上，可以构成一个紧凑型分光计。透射波长在整个滤光器上在横向方向随距离线性变化的滤光器被称为线性可变滤光器(LVF)。透射波长随距离的线性变化很方便实现，尽管其并非必要。采用LVF和恒定节距光电探测器阵列获得的光谱具有恒定的波长步长。
[0004]Pellicori等人在美国专利4，957，371中披露了一种包括LVF的楔形滤光器分光计，该LVF具有第一多个高折射率材料层和第二多个低折射率材料层，单独的高折射率层和低折射率层相互重叠，且厚度基本呈线性渐缩状，以形成线性可变光学薄膜干涉滤光器。光电探测器阵列被附着在LVF上，形成非常紧凑的整体结构。
[0005]Anthon在美国专利6，057，925中披露了一种紧凑型分光计设备，其包括一个薄膜干涉LVF和一个通过梯度折射率透镜阵列或微透镜阵列与LVF耦合的光电探测器阵列，以供在诸如便携式色度计等颜色感知设备中使用。基于薄膜干涉LVF的分光计的轻便且牢固的构造，使便携式色度计能够在现场条件下对物体的颜色进行表征。
[0006]Weigl等人在美国专利6，091，502中披露了一种基于紧凑型LVF的分光计，其用于在流体细胞中进行具有空间分辨率的荧光和吸收光谱测量。通过将LVF置于光路内，使得滤光器的透射度在流动方向上出现变化，有可能在光谱上确定生物细胞流体中的蛋白质的染色标记物的浓度。
[0007]参见图1A，与Pellicor1、Anthon和Weigl的设备所用分光计类似的典型的采用现有技术的紧凑型分光计100包括一个LVF 102，其被光学耦合至光电探测器阵列104。透射波长λτ横跨LVF 102沿方向106变化。在工作中，光108射到LVF 102上。LVF 102仅使透射波长λτ周围的窄波带的光穿过，λ τ在平行于光电探测器阵列104的方向106上变化。其结果是，光电探测器阵列104的每个光电探测器105对光108的一个不同波带作出响应。通过测量光电探测器阵列104的每个光电探测器105的光电流，可以获得光108的光谱。
[0008]LVF 102包括一个由基底110支撑的薄膜叠层112。参见图1Β，薄膜叠层112包括两个区域:一个阻挡区121，用于阻挡短于或长于λ τ的波长，和一个带通区122，用于仅使以λτ为中心的一个窄通带的光透射。区121和区122中的每一个均包括交替布置的分别具有高折射率和低折射率的高折射率层131和低折射率层132。高折射率层131/低折射率层132的材料在整个区121和122上是相同的，只是厚度有差异，以实现所需的光学性能。阻挡区121包括用于阻挡非λτ波长的四分之一波长叠层，带通区122则包括用于透射以λ τ为中心的窄通带的半波长叠层。在材料对(material pair)中的材料组合可以包括金属氧化物或氟化物。
[0009]LVF 102的一个缺点是LVF 102的光学性能与薄膜叠层112的总厚度之间存在固有的消长关系。为确保对非λτ的波长有良好的阻挡作用，阻挡区121必须包括多个层。对于低损耗氧化物，层数最多可达100层。为确保λτ周围的窄通带，带通区122还需要包括许多层，和/或包括一个厚的中心层。薄膜叠层112的较大的厚度会使薄膜叠层112内的内应力增大，导致其断裂和/或从基底110上剥离。可以采用例如硅等高折射率材料来减小总层数。然而，高折射率材料通常会增加LVF 102的光学损耗。
[0010]发明概述
[0011]本发明的一个目的是减弱可变滤光器的厚度与光学性能之间的消长关系。
[0012]发明人认识到对可变滤光器的阻挡区的材料与带通区的材料的关键光学要求之间存在以下差异。在阻挡区内，具有高折射率对比度是一项关键要求。高折射率对比度使得可以减少层数并提高阻挡效率。在带通区内，低损耗比高折射率对比度更为重要，因为光在该区域内会经历多次反射，光穿透带通区的层的次数远多于在阻挡层内反射的次数。因此，在带通区内提供低损耗但相对有较低折射率的材料组合，同时在阻挡区内提供高折射率对比度但相对损耗较高的材料组合，能形成一种薄的、低应力的可变滤光器，其同时具备低的光学损耗、窄带透射峰以及较强的带外阻止。
[0013]根据本发明，提供了一种滤光器，其在波长范围内具有横向可变的透射波长，该滤光器包括:
[0014]带通滤光器，其包括由交替布置的第一层和第二层组成的叠层，所述第一层和第二层分别包括第一材料和第二材料，并具有横向变化的厚度，用于提供所述横向可变的透射波长；
[0015]阻挡滤光器，其包括由交替布置的第三层和第四层组成的叠层，所述第三层和第四层分别包括第三材料和第四材料，并具有与所述第一电介质层和第二电介质层的横向变化厚度相协调的横向变化的厚度，用于阻挡波长范围内的大于或小于所述横向可变透射波长的波长；
[0016]其中第一材料、第二材料和第四材料分别包括不同的材料，使得第一材料的折射率小于第二材料的折射率，第二材料的折射率小于第四材料的折射率，且第二材料的吸收系数小于第四材料的吸收系数。
[0017]有利的是，带通滤光器还包括至少一个第五层，所述第五层包括所述第四材料，其被布置于带通滤光器内的光驻波的局部最小值的区域内，由此带通滤光器的阻挡波长区被拓宽，且带通滤光器的厚度被减小。
[0018]在一种实施例中，透射波长沿滤光器的长度维度单调可变。在一种优选实施例中，透射波长沿长度维度以对数方式可变。第一材料和第三材料可包括同一种材料。滤光器可以包括3种、4种或更多种不同的材料。
[0019]根据本发明，还提供了一种波长选择传感器，其包括如上文所述的滤光器和与该滤光器相耦合的光电探测器的阵列。光电探测器沿长度维度间隔布置。其结果是，阵列中不同的光电探测器针对从与阵列相对一侧入射到滤光器上的不同波长的光作出响应。
[0020]优选情况下，光电探测器阵列包括用于滤光器的基底。提供光电探测器的阵列，并直接在阵列上沉积第一层至第五层，以分别形成由所述阵列支撑的带通滤光器和阻挡滤光器。直接在光电探测器的阵列上沉积滤光器的优点包括:由于光不需要经一个单独的块体基底传播，可提高光谱分辨率；相邻光电探测器之间的漏光减少；以及可靠性提高等。滤光器也可以单独生产，并直接附着于阵列上，例如采用光学环氧树脂粘结。
[0021]根据本发明的另一种实施例，还提供了一种波长选择传感器，其中光电探测器的阵列包括具有相对的第一表面和第二表面的器件芯片。所述阵列的光电探测器被布置在器件芯片的第一表面内，滤光器被布置在光电探测器上方的器件芯片的第一表面上。此波长选择传感器的生产方式可以是:
[0022](A)制造器件芯片，所述制造的步骤为:
[0023](i)提供具有相对的第一表面和第二表面的器件晶片；
[0024](ii)在器件晶片的第二表面内形成面向第一表面的所述阵列的光电探测器；
[0025](iii)对器件晶片的第一表面进行抛光，以暴露出所述阵列的光电探测器；以及
[0026](B)在步骤(iii)中所抛光的器件晶片的第一表面上沉积第一层至第五层，以形成滤光器的带通滤光器和阻挡滤光器。
[0027]根据本发明的另一种实施例，还提供了一种制造波长选择传感器的方法，包括:
[0028](a)提供光电探测器的阵列；
[0029](b)在所述光电探测器的阵列上沉积
[0030]带通滤光器，其包括由交替布置的第一层和第二层组成的叠层，所述第一层和第二层分别包括第一材料和第二材料，并具有横向变化的厚度，用于提供横向可变的透射波长；和
[0031]阻挡滤光器，其包括由交替布置的第三层和第四层组成的叠层，所述第三层和第四层分别包括第三和第四材料，并具有与第一电介质层和第二电介质层的横向变化厚度相协调的横向变化的厚度，用于阻挡波长范围内的大于或小于横向可变透射波长的波长；
[0032]其中第一材料、第二材料和第四材料分别包括不同的材料，使得第一材料的折射率小于第二材料的折射率，第二材料的折射率小于第四材料的折射率，且第二材料的吸收系数小于第四材料的吸收系数。
[0033]在一种实施例中，步骤(a