專利名稱：適合處理入射可變輻射的光學(xué)濾波器、包括濾波器的檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于法布里-伯羅腔并且以大濾波表面為特征的光學(xué)濾波器領(lǐng)域。它具體地使用于光學(xué)濾波器陣列領(lǐng)域中并且尤其用于在可見光成像系統(tǒng)中使用的RGB濾波
ο
背景技術(shù)：
可見光成像系統(tǒng)普遍包括在較寬的可見輻射范圍內(nèi)靈敏、并且尤其是同時對紅光、藍(lán)光和綠光波長靈敏的像點陣列(例如CCD或者CMOS)。如本身已知的那樣，然后，通過重疊分布成拜爾陣列的紅光、綠光和藍(lán)光濾波器使每個像點專門用于檢測這些波長之一。最常見的濾波器陣列由沉積在像點陣列上的有色樹脂組成。然而這一類基于有色樹脂的濾波器陣列對光的入射角敏感，從而寬入射角度造成樹脂中的更大傳播長度。另外，利用有色樹脂難以實現(xiàn)非常小的像素尺寸、S卩小于一微米的尺寸，一方面， 因為可能由于樹脂的有限色素密度而難以減少它們的厚度，這引起像素之間串?dāng)_，另一方面，因為相鄰像素之間過渡區(qū)域由于與不同顏色關(guān)聯(lián)的樹脂的不完全準(zhǔn)確的連續(xù)沉積，因而并非為不用考慮的尺度(由于產(chǎn)生這些沉積而未保留邊坡(side slope))。另外，如本身已知的那樣，可見光成像系統(tǒng)普遍具有放置在像點陣列前面的紅外濾波器。實際上，CXD技術(shù)的像點，甚至更多種基于CMOS技術(shù)的這些像點對于紅外線具有很高的靈敏度，如果不采取措施，則這會對可見光的檢測質(zhì)量有害。事實上，紅外濾波器對輻射的入射角敏感。具體而言，其濾波器截止隨著入射角的增加(即從法線入射偏離)而偏移，致使向藍(lán)光偏移。因此對于寬入射角度，可見光光譜的有用部分(尤其是在紅光部分)被截止。因此紅外樹脂-濾波器關(guān)聯(lián)性對入射角相當(dāng)敏感。已經(jīng)設(shè)計了基于法布里-伯羅腔的濾波器陣列以同時提供有色和紅外濾波。這些陣列通常包括由一個或者多個如下電介質(zhì)層分開的多個金屬層，選擇該電介質(zhì)層的折射率和厚度以設(shè)置法布里-伯羅腔的波長。電介質(zhì)層通常由單一材料組成，從而其折射率在整個陣列上恒定。因此，為了例如在拜爾陣列中獲得設(shè)置成不同波長、但是相對于彼此并列的法布里-伯羅腔，用厚度可變的一個或者多個電介質(zhì)層產(chǎn)生陣列，該厚度用來設(shè)置腔的波長?？梢詤⒄绽缥墨I(xiàn)US 6031653獲得關(guān)于這一類法布里-伯羅腔陣列的更多細(xì)節(jié)。利用這些金屬-電介質(zhì)濾波器，不再需要紅外濾波器，因為紅外線被金屬截止。這一解決方案解決了濾波器厚度的問題(大約按照因子2來減少的濾波器厚度)， 但是沒有明顯改善光譜響應(yīng)對入射角的依賴性，也沒有明顯改善濾波器的不平坦性所固有的像素之間的過渡區(qū)域的問題。另外，制造厚度可變的法布里-伯羅腔陣列在工業(yè)工藝上相當(dāng)受限，因為它需要大量掩蔽和雕刻步驟，這些步驟大幅延長制造時間并且減少通過消除紅外線濾波器來實現(xiàn)的陣列最終成本收益。另外，一般需要使陣列平坦化，因為它的表面隨后被用來形成微透鏡。因此向法布里-伯羅腔堆疊物添加額外厚度，其結(jié)果是增加了與為了達(dá)到像點而穿過的材料厚度直接相關(guān)的串?dāng)_效應(yīng)，即使這一效應(yīng)保持在樹脂濾波器能承受的水平以下。在文獻(xiàn)EP 1592067的

圖13A至13E中所示實施例中提出一種厚度恒定的法布里-伯羅腔陣列。這一文獻(xiàn)提出使用電介質(zhì)層的折射率而不是它們的厚度以設(shè)置腔的波長。對該文獻(xiàn)中的圖13D進(jìn)行再利用的圖1是法布里-伯羅腔陣列10的橫截面圖，該圖示出了分別形成藍(lán)光透射濾波器12、紅光透射濾波器14和綠光透射濾波器16的三個并列法布里-伯羅腔。陣列10包括 絕緣襯底20;· SiO2和TW2電介質(zhì)層的第一交替22，沉積在襯底20上并且形成半反射表面； 折射率可變的電介質(zhì)層M ；· SiO2和TW2電介質(zhì)層的第二交替26，沉積在電介質(zhì)層M上并且形成半反射表電介質(zhì)層M由平均折射率不同的三個相異區(qū)域(即由TW2組成的第一區(qū)域28、 由SiA組成的第二區(qū)域30和形成在第一區(qū)域與第二區(qū)域觀、30之間并且由在SiO2層中實施的TiA帶的周期性網(wǎng)絡(luò)組成的第三區(qū)域32)形成。TiA代表第三區(qū)域32的體積的1/5，
因此S^2代表這一體積的4/5，從而區(qū)域32的平均折射率等于l^7!^。該結(jié)構(gòu)因此形成被分別設(shè)置成藍(lán)光、紅光和綠光波長的三個并列法布里-伯羅腔。然而，在法布里-伯羅腔中獲得諧振時的波長并且因此所需效果(即在所述波長周圍的窄透射帶寬)不僅依賴于折射率和電介質(zhì)層的厚度而且依賴于電磁輻射在腔上的入射角。事實上，恒定輻射入射在法布里-伯羅腔陣列的整個表面上的情況非常少見。具體而言，在成像場中，其上重疊有腔陣列的像點陣列總是被放置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面中以便形成在傳感器上觀察的景物的圖像。在圖2中示出了該類型的檢測器。該圖示意地示出了包括光軸為OX的光學(xué)系統(tǒng)42和平面?zhèn)鞲衅?4的檢測器40 (如例如相機(jī))。 傳感器44包括檢測器電路46，具有放置于光學(xué)系統(tǒng)42的焦平面中的像點陣列；以及法布里-伯羅腔陣列48，重疊在檢測器電路46上并且類似于文獻(xiàn)EP 1592067中的法布里-伯羅腔陣列。如本身已知的那樣，光學(xué)系統(tǒng)形成實質(zhì)上為球面的景物圖像。這里在圖2中放大示出了球面波陣面50以圖示入射在陣列48上的輻射的入射角的變化問題。因此，該輻射在陣列48上顯然具有在光軸OX上的法線入射和在其它位置處的非法線入射。因而例如就現(xiàn)有技術(shù)的傳感器44的尺寸而言，在陣列48的邊緣的入射角θ ^等于20°并不是罕見的， 該入射角相對于在陣列48的平面的法線來標(biāo)識。圖3示出了入射角對法布里-伯羅腔的透射帶寬在光譜中的位置的影響?！癈”透射響應(yīng)例如是放置在光軸OX上的腔52的透射響應(yīng)，而“B”透射響應(yīng)例如是放置在陣列48 的邊緣放置的腔M的透射響應(yīng)，這兩個腔52和M相同并且設(shè)置成綠光波長。在光軸OX 上的腔52接收法線入射的輻射，而在陣列48的邊緣的腔接收入射角等于20°的輻射。如可以注意的那樣，在這兩個透射響應(yīng)之間存在實質(zhì)偏移，“B”響應(yīng)更接近藍(lán)光波
5長，而C響應(yīng)對應(yīng)于綠光波長。因此根據(jù)腔在陣列48中的位置，所選波長具有大的可變性。 因此檢測器電路46檢測的圖像并未忠實于觀察的景物的實際顏色。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過提出如下濾波器來解決前述問題，該濾波器包括厚度恒定的法布里-伯羅腔，這些腔的透射響應(yīng)對預(yù)定電磁輻射的入射角度變化不敏感。為此，本發(fā)明的目的在于一種用于對入射角可變的電磁輻射進(jìn)行濾波的光學(xué)濾波器，該濾波器包括布置在兩個部分反射層之間的至少一個電介質(zhì)或者半導(dǎo)體層的堆疊物， 所述堆疊物限定針對預(yù)定波長設(shè)置的至少一組法布里-伯羅腔。根據(jù)本發(fā)明，電介質(zhì)或者半導(dǎo)體層的平均折射率能夠在與堆疊物的方向正交的平面中改變以便補(bǔ)償電磁輻射的入射角度變化對腔的透射光譜的影響。換言之，能夠僅借助折射率來設(shè)置法布里-伯羅腔使得不管它們在濾波器中的位置如何都具有實質(zhì)上相同的透射率分布。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，具體適合于波陣面實質(zhì)上為球面的輻射，接收入射角為θ的輻射的腔的平均折射率實質(zhì)上滿足關(guān)系式
權(quán)利要求
1.一種用于對入射角可變的電磁輻射進(jìn)行濾波的光學(xué)濾波器(60)，包括布置在兩個部分反射層(68,70,7 之間的至少一個電介質(zhì)或者半導(dǎo)體層(64，66)的堆疊物，所述堆疊物用于限定針對預(yù)定波長設(shè)置的一組法布里-伯羅腔，其中所述電介質(zhì)或者半導(dǎo)體層(64， 66)的平均折射率能夠在與所述堆疊物的方向(E)正交的平面中改變以便補(bǔ)償所述電磁輻射的入射角度變化對所述腔的透射光譜的影響。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)濾波器，其中接收入射角度為θ的輻射的腔的平均折射率實質(zhì)上滿足關(guān)系式” =^gf1，其中η是所述腔的平均折射率，而npiMl—。mtre是在法線入射下接收輻射的腔的平均折射率。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的光學(xué)濾波器，其中所述法布里-伯羅腔包括至少兩種材料，根據(jù)所述輻射在所述腔上的入射角度來選擇所述腔中的每一個的所述材料的折射率和比例，以便對所述腔設(shè)置預(yù)定設(shè)置波長。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)濾波器，其中所述腔中的每一個由兩種材料組成，一種材料采用形成在另一種材料中的周期性圖案(82，84，86)的形式，所述圖案的填充因子設(shè)置所述腔的平均折射率。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)濾波器，其中所述圖案(82，84，86)的厚度小于或等于所述電介質(zhì)或者半導(dǎo)體層的厚度，所述腔的所述圖案的厚度是根據(jù)所述輻射在所述腔上的入射角度選擇的。
6.如權(quán)利要求3、4或者5所述的光學(xué)濾波器，其中所述腔中的每一個由兩種材料組成， 一種材料采用形成在另一種材料中的周期性圖案(82，84，86)的形式，所述圖案的周期被選擇成小于對所述腔設(shè)置的所述波長，以使得所述腔對于所述波長具有實質(zhì)上均勻的折射率。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)濾波器，其中所述圖案的周期小于或者等于 ，其中是對所述腔設(shè)置的波長，并且θ是所述輻射在所述腔上的入射角度。
8.如前述權(quán)利要求中任意一項所述的光學(xué)濾波器，其中所述光學(xué)濾波器包括兩個相同電介質(zhì)或者半導(dǎo)體層(64，66)的堆疊物，所述兩個相同電介質(zhì)或者半導(dǎo)體層(64，66)由部分反射中心層(68)分開并布置在兩個部分反射端部層(70，72)之間。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)濾波器，其中所述中心層(68)的厚度大于各所述端部層 (70，72)的厚度。
10.如前述權(quán)利要求中任意一項所述的光學(xué)濾波器，其中所述部分反射層(68，70，72)為金屬。
11.如前述權(quán)利要求中任意一項所述的光學(xué)濾波器，其中所述光學(xué)濾波器包括分別針對紅光、綠光和藍(lán)光波長設(shè)置并布置成拜爾陣列的三組法布里-伯羅腔。
12.如前述權(quán)利要求中任意一項所述的光學(xué)濾波器，其中所述法布里-伯羅腔的厚度相同。
13.如前述權(quán)利要求中任意一項所述的光學(xué)濾波器，其中所述法布里-伯羅腔的厚度不同，所述腔的折射率和厚度被選擇成補(bǔ)償所述電磁輻射的入射角度變化對所述腔的透射 2光譜的影響。
14.一種光學(xué)濾波器的用途，所述光學(xué)濾波器包括布置在兩個部分反射層(68，70，72) 之間的至少一個電介質(zhì)或者半導(dǎo)體層(64，66)的堆疊物，所述堆疊物用于限定針對預(yù)定波長設(shè)置的一組法布里-伯羅腔，所述濾波器在與所述堆疊物的方向正交的平面中具有能夠改變的折射率，以補(bǔ)償電磁輻射的入射角度變化對所述法布里-伯羅腔的透射光譜的影響。
15.一種電磁輻射檢測器，包括 光學(xué)系統(tǒng)，形成實質(zhì)上為球面的圖像； 平面檢測器電路，包括光敏元件陣列，并且按照與所述光學(xué)系統(tǒng)的光軸正交的平面， 被放置在所述光學(xué)系統(tǒng)的輸出處；以及 平面矩陣濾波器，其包括法布里-伯羅腔陣列，被放置在所述檢測器電路與所述光學(xué)系統(tǒng)之間并與所述檢測器電路平行延伸，每個所述法布里-伯羅腔被布置在每個光敏元件的上方，其中所述濾波器是根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項的濾波器，所述腔的平均折射率能夠改變，從而所述濾波器能夠適應(yīng)由所述光學(xué)系統(tǒng)形成并入射在所述濾波器上的所述實質(zhì)上為球面的圖像的可變?nèi)肷浣嵌取?br> 全文摘要
一種用于對入射角度可變的電磁輻射進(jìn)行濾波的光學(xué)濾波器(60)包括布置在兩個部分反射層(68，70，72)之間的至少一個電介質(zhì)或者半導(dǎo)體層(64，66)的堆疊物，所述堆疊物用于限定針對預(yù)定波長設(shè)置的一組法布里-伯羅腔。電介質(zhì)或者半導(dǎo)體層(64，66)的平均折射率能夠在與堆疊物的方向(E)正交的平面中改變以便補(bǔ)償電磁輻射的入射角度變化對所述腔的透射光譜的影響。
文檔編號H01L27/146GK102262253SQ201110111618
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者吉勒斯·格蘭德, 洛朗·弗里, 約翰·德西埃, 薩利姆·布塔米 申請人:原子能與替代能源委員會