專利名稱：具有平整諧振腔層的濾光片列陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件、濾光片，具體是指不同光譜特性的濾光片集成在同一塊基片上的具有平整諧振腔層的濾光片列陣。
背景技術(shù)：
多光譜信息獲取技術(shù)已在航空、航天領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，分光技術(shù)是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的分光方法主要有旋轉(zhuǎn)光柵、棱鏡和濾光片轉(zhuǎn)輪的時(shí)間分解方法，以及光柵棱鏡和分束濾光片的空間分解方法。如果采用時(shí)間分解方法，則涉及機(jī)械傳動(dòng)裝置，當(dāng)應(yīng)用于空間時(shí)一旦機(jī)械裝置出現(xiàn)故障就很可能導(dǎo)致整個(gè)儀器失效。如果采用光柵、棱鏡等空間分解方法，則相應(yīng)的儀器將占據(jù)較大空間，使整個(gè)設(shè)備的有效載荷增大，飛行器的負(fù)荷沉重。因此，人們一直在尋找有效的解決途徑。濾光片列陣是二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始研究發(fā)展起來(lái)的一種微型空間濾光器，如果將它與探測(cè)器列陣結(jié)合則可以構(gòu)成可識(shí)別光譜的探測(cè)器，大大簡(jiǎn)化分光系統(tǒng)，提高儀器的可靠性、穩(wěn)定性和光學(xué)效率，并改善其信噪比。因此新一代光譜儀器的分光系統(tǒng)都趨于采用這種新型結(jié)構(gòu)來(lái)獲取光譜信息，見(jiàn)J.R.Tower et al.RCA Review 47，266(1986)；J.A.Hall et al.SPIE 345，145(1982).。而且，濾光片列陣的實(shí)現(xiàn)還將對(duì)相應(yīng)傳感器件集成度的提高和小型化，以及濾光片式微型光譜儀的研制提供有力的技術(shù)支持。
雖然濾光片列陣的應(yīng)用前景非?？捎^，但多年來(lái)一直沒(méi)有取得明顯進(jìn)展，極大地制約了濾光片列陣的發(fā)展和應(yīng)用。究其原因，制約濾光片列陣發(fā)展主要有兩個(gè)工藝難點(diǎn)，即濾光片的微型化和集成化。目前主要有通過(guò)拼接、濾光片轉(zhuǎn)輪、可調(diào)諧濾光片等方式實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)集成濾光片和真正集成在同一塊基片上的濾光片列陣，其中真正意義上集成的濾光片列陣是最有應(yīng)用前景的濾光片集成方式，具有不同光譜特性的濾光片可以集成到同一塊基片上，而且可以根據(jù)需要做到微米量級(jí)，還可設(shè)計(jì)制備出與探測(cè)器列陣匹配的濾光片列陣。目前集成在同一塊基片上的濾光片列陣的制備方法主要有兩種，一種是傳統(tǒng)掩模方法，另一種則是我們提出的組合刻蝕方法。
傳統(tǒng)掩模方法是通過(guò)分區(qū)域先后對(duì)不同的帶通濾光片分別進(jìn)行鍍制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，見(jiàn)“程實(shí)平，嚴(yán)義塤，張鳳山，許步云，朱翠媛，《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》13，401(1994)；程實(shí)平，張鳳山，嚴(yán)義塤，《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》13，110(1994)”。這種集成方法工藝相當(dāng)復(fù)雜，每增加一個(gè)濾光片，成品率就會(huì)下降一半，即便每個(gè)濾光片的成品率都能達(dá)到90％，則32通道濾光片列陣的成品率仍然只有0.932(約3％)，如此低的成品率使得傳統(tǒng)光學(xué)薄膜技術(shù)制備集成濾光片列陣的成本非常之高，因而從工藝上就極大地限制了集成度的進(jìn)一步提高。
組合刻蝕方法，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?00310108346.5，則可以大大提高濾光片列陣的制備效率和成品率，通過(guò)刻蝕來(lái)控制濾光片諧振腔層的厚度，以獲取一系列不同厚度的諧振腔層列陣而達(dá)到濾光片集成的目的。這種方法只需要經(jīng)過(guò)兩次鍍膜和n次刻蝕，就可以獲得集成2n個(gè)濾光片的列陣，若以同樣的成品率(90％)計(jì)算的話，采用組合刻蝕方法制備集成32通道濾光片列陣只需5次刻蝕，效率是傳統(tǒng)方法的6倍，成品率為0.97(約48％)，比傳統(tǒng)方法高14倍，而且隨著集成度的提高，傳統(tǒng)方法的成品率呈指數(shù)式急速下降，而該方法則僅會(huì)比48％略低些，所以相對(duì)于傳統(tǒng)方法而言，體現(xiàn)出來(lái)的效率提高倍數(shù)呈指數(shù)式上升，因此在節(jié)約制作成本，提高生產(chǎn)效率方面的優(yōu)勢(shì)特別明顯。然而，美中不足的是，這種方法在制備過(guò)程中引入了刻蝕工藝，而刻蝕工藝的存在會(huì)引起兩個(gè)方面的問(wèn)題，一方面會(huì)影響諧振腔層界面的粗糙度，降低濾光片的性能；另一方面，由于濾光片的帶通峰位由諧振腔層的厚度決定，而諧振腔層最終厚度是由刻蝕工藝所決定的，即刻蝕的控制精度會(huì)影響到濾光片帶通峰位的定位精度，因此這種方法對(duì)于濾光片帶通峰位的定位精度不僅取決于膜厚控制精度，還取決于刻蝕控制精度，增加了定位難度。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述已有濾光片列陣制備過(guò)程中存在的諧振腔層界面的粗糙度和帶通峰位的定位精度問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提出一種制備工藝簡(jiǎn)單、成品率高的濾光片列陣。
本發(fā)明的濾光片列陣包括基片，在基片上依次排列生長(zhǎng)如下結(jié)構(gòu)的膜系(LH)axL(HL)a，其中(LH)a為下層膜系，(HL)a為上層膜系，xL為諧振腔層。
或者，在基片上依次排列生長(zhǎng)如下結(jié)構(gòu)的膜系(HL)axH(LH)a，其中(HL)a為下層膜系，(LH)a為上層膜系，xH為諧振腔層。
上述膜系中的H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，a為高折射率膜層與低折射率膜層交替疊層次數(shù)，a≥2，膜層的光學(xué)厚度(nd)為λ0/4，λ0為設(shè)計(jì)初始窄帶濾光片膜系時(shí)的中心波長(zhǎng)。
所說(shuō)的諧振腔層xL或xH為厚度不同的膜層列陣，其厚度值隨x的取值變化，x的取值范圍為1＜x＜3或3＜x＜5。
所說(shuō)的厚度不同的諧振腔膜層列陣是利用開(kāi)有不同區(qū)域鍍膜窗口的掩模板疊加鍍膜形成的。
本發(fā)明是利用F-P結(jié)構(gòu)濾光片的帶通峰位隨其諧振腔層厚度的變化而改變的特性設(shè)計(jì)的，通過(guò)疊加鍍膜來(lái)控制和實(shí)現(xiàn)不同厚度諧振腔層列陣在同一基片上的集成，以達(dá)到控制每個(gè)微型窄帶濾光片的帶通峰位，從而實(shí)現(xiàn)不同帶通峰位窄帶濾光片在同一塊基片上集成的目的。這種方法適用于各個(gè)波段窄帶濾光片列陣的制備。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、制備工藝非常簡(jiǎn)單，只需設(shè)計(jì)一個(gè)膜系，通過(guò)n+2次鍍膜就可以完成集成2n單元窄帶濾光片列陣的制備；而且不引入刻蝕工藝，避免了因刻蝕引起界面粗糙而導(dǎo)致的濾光片性能下降和控制精度問(wèn)題；與傳統(tǒng)濾光片列陣制備方法相比，制備效率和成品率都非常高。
2、可以根據(jù)探測(cè)器列陣的形狀和尺寸設(shè)計(jì)制備出與之匹配的濾光片列陣，共同構(gòu)成光譜可識(shí)別探測(cè)器，大大簡(jiǎn)化多光譜探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，有利于儀器的小型化和集成化；而且這種結(jié)構(gòu)適用于各個(gè)光譜波段。


圖1(a)為濾光片列陣(LH)7xL(HL)7的透射譜，(b)為其帶通峰位隨諧振腔層厚度xL的變化曲線，x的取值1.7～2.4，取點(diǎn)間隔0.1。
圖2組合鍍膜制備濾光片線列工藝過(guò)程示意圖。
圖3本實(shí)施例所用的系列掩模板示意圖。
圖4為本發(fā)明的濾光片列陣結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說(shuō)明，以集成8通道的窄帶濾光片列陣為例，膜系結(jié)構(gòu)為(LH)axL(HL)a，設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ0為777.4nm，L為二氧化硅膜層，H為五氧化二鈮膜層，a＝7，取8個(gè)不同厚度的諧振腔層分別對(duì)應(yīng)于8個(gè)帶通峰位各不相同的窄帶濾光片，x的取值1.7～2.4，取點(diǎn)間隔0.1，這8個(gè)不同諧振腔層厚度窄帶濾光片的透射譜及其帶通峰位隨諧振腔層厚度(xL)的變化分別如圖1中的(a)和(b)所示，從圖(a)可以看出窄帶濾光片的帶通峰位隨著諧振腔層的改變而改變，而由圖(b)帶通峰位隨諧振腔層厚度的變化曲線上可以看出，濾光片的帶通峰位與諧振腔層的厚度成正比。因此，我們可以通過(guò)疊加鍍膜控制諧振腔層的厚度來(lái)控制濾光片的帶通峰位。
具體制備步驟如下首先，在基片1上交替鍍制二氧化硅膜層和五氧化二鈮膜層，交替周期為7次，構(gòu)成下層膜系2。
然后依次是采用圖3中的a圖形狀的掩膜板5、b圖形狀的掩膜板6、c圖形狀的掩膜板7在下層膜系2上疊加鍍膜，形成等差厚度的諧振腔膜層線列3，其工藝過(guò)程見(jiàn)圖2(b)-(d)。
諧振腔膜層的單元數(shù)隨著疊加鍍膜次數(shù)n的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，為2n，本實(shí)施例中諧振腔膜層的單元數(shù)為8(即23)，只需進(jìn)行3次疊加鍍膜。同理，8次疊加鍍膜，就可以獲得256(28)個(gè)單元，效率非常之高。如果每次鍍膜的厚度均為前一次鍍膜厚度的一半，則經(jīng)過(guò)疊加鍍膜后所得到的諧振腔層列陣的厚度是呈線性變化的，相應(yīng)窄帶濾光片列陣的帶通峰位也是等間隔分布的，如圖1所示。
最后，在制備好的諧振腔膜層線列3上，將剩余的上層膜系4鍍上，如圖2(e)所示。
同理，如果要制備面陣濾光片，只需在疊加鍍膜過(guò)程中將圖3所示的系列掩模板旋轉(zhuǎn)90度，水平放置后依次進(jìn)行類似的疊加鍍膜即可。系列掩模板的設(shè)計(jì)也非常簡(jiǎn)單首先確定整個(gè)濾光片列陣的面積，第一塊掩模板將該面積一分為二，其中一半開(kāi)口作為鍍膜窗口；第二塊掩模板將第一塊掩模板所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)區(qū)域再各自一分為二，其中一半開(kāi)口作為鍍膜窗口，開(kāi)口的區(qū)域與前一塊掩模板一致，即第一塊掩模板在右邊一半?yún)^(qū)域開(kāi)口的話，后面所有掩模板都在右邊一半?yún)^(qū)域開(kāi)口，如圖3所示，如此繼續(xù)制作其它掩模板，直至滿足需要，制備集成2n單元濾光片最多只需制作n塊掩模板。濾光片單元的形狀、尺寸及單元之間的間隔都可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。
從以上步驟可以看出，這種疊加鍍膜非常簡(jiǎn)單高效，無(wú)論集成多少個(gè)窄帶濾光片單元，都只需設(shè)計(jì)一個(gè)膜系，n+2次鍍膜即可完成整個(gè)集成2n單元窄帶濾光片列陣的制備，集成度可以做得很高。與傳統(tǒng)掩模鍍膜方法相比，疊加鍍膜的制備效率和成品率都非常高，其效率為傳統(tǒng)方法的 倍、成品率為pn+2-2n倍，p為每次鍍膜的成品率，而且集成度越高，體現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)就越明顯，比如對(duì)于只集成8通道(23)的濾光片列陣，其效率和成品率分別為傳統(tǒng)方法的1.6倍和p-3倍；而對(duì)于集成256(28)個(gè)單元的濾光片列陣，其效率和成品率則分別為傳統(tǒng)方法的25.6倍和p-246倍，制備效率和成品率都是傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的。另外，整個(gè)制備過(guò)程中都沒(méi)有引入刻蝕工藝，不會(huì)因改變界面的粗糙度而降低濾光片的性能，諧振腔層乃至整個(gè)膜系的厚度也完全由鍍膜設(shè)備決定，因此只要鍍膜設(shè)備的控制精度足夠高，諧振腔層的厚度，即帶通峰位就可以得到很好的控制。這種方法適用于各個(gè)光譜波段。
權(quán)利要求
1.一種具有平整諧振腔層的濾光片列陣，包括基片(1)，在基片(1)上依次排列生長(zhǎng)如下結(jié)構(gòu)的膜系(LH)axL(HL)a，其中(LH)a為下層膜系(2)，(HL)a為上層膜系(4)，xL為諧振腔層(3)；或者，在基片上依次排列生長(zhǎng)如下結(jié)構(gòu)的膜系(HL)axH(LH)a，其中(HL)a為下層膜系(2)，(LH)a為上層膜系(4)，xH為諧振腔層(3)；上述膜系中的H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，a為高折射率膜層與低折射率膜層交替疊層次數(shù)，a≥2，膜層的光學(xué)厚度(nd)為λ0/4，λ0為設(shè)計(jì)初始窄帶濾光片膜系時(shí)的中心波長(zhǎng)；其特征在于所說(shuō)的諧振腔層xL或xH為厚度不同的膜層列陣，其厚度值隨x的取值變化，x的取值范圍為1＜x＜3或3＜x＜5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種具有平整諧振腔層的濾光片列陣，其特征在于所說(shuō)的不同厚度的諧振腔膜層列陣是利用開(kāi)有不同區(qū)域鍍膜窗口的掩模板疊加鍍膜而形成的。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有平整諧振腔層的濾光片列陣，它是利用F－P結(jié)構(gòu)濾光片的帶通峰位隨其諧振腔層厚度的變化而改變的特性設(shè)計(jì)的。它包括基片，在基片上依次排列下層膜系、諧振腔層膜系、上層膜系。其特征在于諧振腔膜層是厚度不同的膜層列陣，它是通過(guò)組合鍍膜來(lái)實(shí)現(xiàn)不同厚度諧振腔膜層在同一基片上的集成，以達(dá)到控制每個(gè)微型窄帶濾光片的帶通峰位，從而實(shí)現(xiàn)不同帶通峰位窄帶濾光片在同一塊基片上集成的目的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是避免了因刻蝕引起界面粗糙而導(dǎo)致的濾光片性能下降和控制精度問(wèn)題，與傳統(tǒng)鍍膜方法相比，制備效率和成品率都非常高。
文檔編號(hào)G02B5/20GK1677137SQ200510025460
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2005年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月27日
發(fā)明者王少偉, 陸衛(wèi), 陳效雙, 李寧, 張波, 李志鋒, 陳平平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所