專利名稱：具有多腔結構的窄帶濾光片列陣的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學濾光片，具體是指一種具有多腔結構的窄帶濾光片列陣。
背景技術：
分光技術是多光譜檢測技術中的核心技術之一，已經廣泛應用于環境監測、生物醫學、科技農業、工業流程監控，以及地面或航空、航天領域中對導彈、流星、云、雨、地貌等目標及其背景的探測等軍事和民用領域。傳統的分光方式主要有光柵、棱鏡、濾光片轉輪，以及傅立葉變換等方法。雖然這些方法大多可以進行全譜掃描，分辨率高，但其缺點是都涉及機械傳動裝置，不僅限制了信息讀出的速度，還大大降低了儀器的抗振性能和可靠性；而且光柵和棱鏡式系統的結構過于龐大，對于現場和野外，尤其是航天遙感使用特別不利。隨著光譜分析儀器的小型化和輕量化需求，以及環保、野外、現場檢測和多光譜航天遙感在可靠性和抗振性方面的特殊要求，需要采用與探測器兼容的無機械傳動裝置的分光技術。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八十年代開始研究發展起來的一種微型空間濾光器，由于可與探測器列陣結合共同構成光譜可識別的探測器，大大簡化分光系統，提高儀器的可靠性、穩定性和光學效率，因此新一代微小型化光譜儀器的分光系統都趨于采用這種新型結構，見J.R.Toweret al.RCA Review 47，266(1986)；J.A.Hall et al.SPIE 345，145(1982)。而且，濾光片列陣的實現還將對相應傳感器件集成度的提高和小型化提供有力的技術支持。
雖然濾光片列陣的應用前景非常可觀，多年來卻一直沒有取得明顯進展，極大地制約了濾光片列陣的發展和應用。究其原因，制約濾光片列陣發展主要有兩個工藝難點，即濾光片的微型化和集成化。本發明人已經提出一些制備效率和成品率都很高的集成濾光片列陣，如發明專利200310108346.5，200410067892.3。但這些方法所制備的集成濾光片列陣都是單腔結構的，雖然具備了集成濾光片列陣的基本功能，可以達到分光的目的，但其帶通矩形度(或波形)仍不夠好，這樣帶通范圍內信號的利用率就不夠高，還難以真正達到工程化和實用化要求。
發明內容
基于上述單腔濾光片列陣存在的不足，本發明的目的是提出一種矩形度明顯改善的集成多腔濾光片列陣，以滿足工程化和實用化的需求。
本發明的集成多腔濾光片列陣是以F-P膜系結構設計的，所說的多腔可以是雙腔、三腔或四腔，它們分別在各自的基片上通過真空鍍膜方法生成下列膜系，膜系的具體結構如下雙腔為H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)a-1H，三腔為H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)aH(LH)ayL(HL)a-1H，四腔為H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)aH(LH)ayL(HL)aH(LH)azL(HL)a-1H，其中wL、xL、yL、zL為諧振腔層，w＝x＝y＝z。H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，a和a-1為高折射率膜層與低折射率膜層交替疊層次數，a≥2，膜層的光學厚度(nd)為λ0/4，λ0為設計初始窄帶濾光片膜系時的中心波長。
所說的諧振腔層wL、xL、yL、zL為厚度不同的列陣，其厚度值隨w、x、y和z的取值變化，一般w、x、y和z的取值范圍為1＜w＝x＝y＝z＜3或3＜w＝x＝y＝z＜5，相應單元的諧振腔層厚度完全相同。
所說的厚度不同的諧振腔層列陣是利用開有不同區域窗口的掩模板疊加鍍膜或組合刻蝕形成的。
本發明是利用F-P結構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計的，帶通矩形度是利用多腔結構來加以改善的，通過組合鍍膜或組合刻蝕來實現各個諧振腔層列陣的制備，以達到控制每個微型窄帶濾光片的帶通峰位，從而實現不同帶通峰位窄帶濾光片在同一塊基片上集成的目的。這種結構適用于各個波段多腔窄帶濾光片列陣的制備。
本發明的多腔窄帶濾光片列陣的優點是1、采用多腔F-P結構的設計，使得濾光片的帶通矩形度好，可以更多地獲取通帶內的信號、同時更好地抑制掉通帶外的噪聲，大大提高信噪比，能夠滿足工程化和實用化需要。
2、通過組合鍍膜或組合刻蝕方法可以實現多腔F-P結構濾光片的集成，并可根據探測器列陣的形狀和尺寸設計制備出與之匹配的多腔濾光片列陣，共同構成光譜可識別探測器，大大簡化多光譜探測器的結構，有利于儀器的小型化和集成化，這種結構適用于各個光譜波段。
圖1(a)為單通道窄帶濾光片的透射譜，其中實線為雙腔結構濾光片的透射譜，矩形度1.7，膜系為H(LH)52L(HL)6H(LH)62L(HL)5H；虛線為單腔結構濾光片的透射譜，矩形度3.0，膜系為H(LH)52L(HL)5H。
圖1(b)為8通道雙腔窄帶濾光片列陣的透射譜，膜系為H(LH)5xL(HL)6H(LH)6yL(HL)5H，x＝y的取值1.7～2.4，間隔0.1。
圖2為雙腔窄帶濾光片列陣的制備過程示意圖。
圖3為多腔窄帶濾光片列陣的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作詳細說明以集成8通道的雙腔窄帶濾光片列陣為例，膜系結構為H(LH)a-1xL(HL)aH(LH)ayL(HL)a-1H，設計波長λ0為777.4nm，L為二氧化硅膜層，H為五氧化二鉭膜層，a＝6，x＝y的取值1.7～2.4，取點間隔0.1，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鉭膜層H(LH)5，構成下層膜系2，如圖2(a)所示。
然后利用開有不同區域窗口的掩模板疊加鍍膜，膜系為xL，x取值1.7～2.4，取點間隔0.1，形成厚度不同的下諧振腔層列陣3。諧振腔膜層的單元數隨著疊加鍍膜次數n的增加呈指數增長，為2n，本實施例中諧振腔膜層的單元數為8(即23)，只需進行3次疊加鍍膜。同理，8次疊加鍍膜，就可以獲得256(28)個單元，效率非常高，疊加方法詳細請見中國專利200310108346.5。如果每次鍍膜的厚度均為前一次鍍膜厚度的一半，則經過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，相應窄帶濾光片列陣的帶通峰位也是等間隔分布的，如圖2(b)所示。
再在下諧振腔層列陣3上鍍中層膜系4，其膜系為(HL)6H(LH)6，如圖2(c)所示。
然后再次利用開有不同區域窗口的掩模板疊加鍍膜，膜系為yL，y取值1.7～2.4，取點間隔0.1，形成與下諧振腔膜層列陣3完全相同而且對應的上諧振腔膜層列陣5，如圖2(d)所示。
最后，在制備好的上諧振腔膜層列陣5上鍍上層膜系6，其膜系為(HL)5H，即完成雙腔窄帶濾光片列陣的制備，如圖2(e)所示。
上述的不同厚度的諧振腔層列陣也可以利用開有不同區域窗口的掩模板套刻形成，所不同的是先生長同一厚度的諧振腔層，再經過套刻形成厚度不同的諧振腔膜層列陣。
本發明的多腔結構可以明顯改善窄帶濾光片的帶通矩形度，見圖1(a)，定義為10％透過率處的峰寬/50％透過率處的峰寬，越接近于1越好，從圖上可以看出，單通道雙腔結構濾光片帶通的矩形度(1.7)明顯優于相應單腔結構(3.0)的，這樣可以更多地獲取通帶內的信號、同時更好地抑制掉通帶外的噪聲，大大提高信噪比，如果采用三腔或四腔結構，矩形度可以得到進一步改善。
圖1(b)是8個不同諧振腔層厚度窄帶濾光片的透射譜，可以看出窄帶濾光片的帶通峰位隨著諧振腔層厚度的改變而改變，基本成正比。因此，我們可以通過兩次疊加鍍膜(或疊加刻蝕)方法來控制上下諧振腔層的厚度以最終控制濾光片的帶通峰位。
權利要求
1.一種具有多腔結構的窄帶濾光片列陣，其特征在于所說的多腔可以是雙腔、三腔或四腔，它們分別在各自的基片上通過真空鍍膜方法生成下列膜系，膜系的具體結構如下雙腔為H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)a-1H，三腔為H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)aH(LH)ayL(HL)a-1H，四腔為H(LH)a-1wL(HL)aH(LH)axL(HL)aH(LH)ayL(HL)aH(LH)azL(HL)a-1H，其中wL、xL、yL、zL為諧振腔層，w＝x＝y＝z，H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，a和a-1為高折射率膜層與低折射率膜層交替疊層次數，a≥2，膜層的光學厚度(nd)為λ0/4，λ0為設計初始窄帶濾光片膜系時的中心波長；所說的諧振腔層wL、xL、yL、zL為厚度不同的列陣，其厚度值隨w、x、y和z的取值變化，一般w、x、y和z的取值范圍為1＜w＝x＝y＝z＜3或3＜w＝x＝y＝z＜5，相應單元的諧振腔層厚度完全相同。
2.根據權利要求1的一種具有多腔結構的窄帶濾光片列陣，其特征在于所說的厚度不同的諧振腔層列陣是利用開有不同區域窗口的掩模板疊加鍍膜或組合刻蝕形成的。
全文摘要
本發明公開了一種具有多腔結構的窄帶濾光片列陣，它是利用多個F－P結構膜系來形成多腔，通過組合鍍膜或組合刻蝕方法來形成諧振腔層列陣，以達到控制每個微型窄帶濾光片的帶通峰位，從而實現不同帶通峰位窄帶濾光片在同一塊基片上集成的目的。這種結構適用于各個波段多腔窄帶濾光片列陣。這種結構的優點是濾光片的帶通矩形度好，易于多通帶集成，可以更多地獲取各光譜通帶內的信號、同時更好地抑制掉通帶外的噪聲，大大提高信噪比，能夠滿足工程化和實用化需要。
文檔編號G02B1/10GK1737613SQ200510029389
公開日2006年2月22日 申請日期2005年9月2日 優先權日2005年9月2日
發明者王少偉, 陸衛, 陳效雙, 李寧, 張波, 李志鋒, 陳平平 申請人:中國科學院上海技術物理研究所