一种光谱阶跃式集成滤光片的制作方法

专利名称：一种光谱阶跃式集成滤光片的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学元件制造工艺技术，具体是指一种光谱阶跃式集成滤光片 的制作方法，它用于镀制光谱阶跃式集成滤光片。
技术背景高光谱遥感技术能够同时获取景物和目标的多谱段图像，可显著提高目标 特征相对于环境的对比度，作为当前遥感技术发展的一个前沿领域，越来越显 现出其巨大的应用潜力，该技术己在航空、航天、领域得到了广泛的应用。精 细分色技术是高光谱遥感技术的一个重要环节，它直接决定了遥感仪器的信息 获取量、光谱分辨率、重量和体积以及稳定性。目前国内外普遍采用的分色方式主要有棱镜分色、光栅分色、傅立叶分色 和滤光片分色等。采用前三种分色方式，相应的设备要占据较大空间，难以满 足航空航天仪器轻量化、小型化的要求。集成滤光片阵列是二十世纪末兴起的 一种微型轻量化的空间分色器件，可以将滤光片阵列放在成像焦面上进行分 色，也可以将它和探测器阵列结合，直接与探测器的像元对应，是新一代成像 光谱仪中最有前景的分色器件之一。国内外对集成滤光片也有一些报道，目前的集成滤光片的制作方式主要有 两种 一种是拼接，另一种是组合刻蚀法。拼接法是在不同的基板上分别镀制 各个通道的滤光片，然后切割成要求的尺寸大小，最后把滤光片胶合在一个载 体基板上，形成组合滤光片。这种方法的显著优点是每个独立的滤光片具有非 常好的光学特性，但滤光片的尺寸很难微型化，且成品率随通道的增加而急剧减小。组合刻蚀法采用半导体刻蚀配合真空镀膜工艺，通过改变滤光片间隔层 的厚度来形成中心波长不同的滤光片。这种方法能够使用较少的工艺步骤得到 较多的通道，但通道的刻蚀深度难以控制，且刻蚀后膜层表面粗糙度会明显增 加，影响滤光片的性能。 发明内容本发明的目的是提供一种组合真空镀膜配合图形掩模工艺制备光谱阶跃 式集成滤光片的方法，解决拼接法和组合刻蚀法所存在的技术不足。光谱阶跃式集成滤光片的结构如附图1所示，在基底1上依次镀有下反射堆2、间隔层3和上反射堆4薄膜，其膜系具体结构如下基底I (HL) Aa(2b+x)H (LH) Aa I入射介质其中入射介质的折射率为1.0-1.2之间， 一般为空气；基底1材料可以 采用蓝宝石、石英、硒化锌、氟化镁等。H和L分别代表光学厚度为四分之一中心波长的高、低折射率膜层；高低 折射率材料可选择可见到红外波段的多种组合，如锗和一氧化硅，硅和二氧化 硅，二氧化钛和二氧化硅等。a为反射堆的周期数(a=l， 2， 3......)，反射堆周期数越大，滤光片的带宽就越窄；b为间隔层的干涉级次0^1， 2， 3......)，提高干涉级次也可以减小通带宽度；x为间隔层套镀系数，套镀系数保证了滤 光片多通道的形成，套镀系数由膜系所在波段以及波段内的通道数决定，通道 的套镀系数成等差数列分布，套镀系数越大，相邻通道的间隔也越大，反之亦 然。本发明的光谱阶跃式集成滤光片制作方法首先采用传统的光学镀膜工艺， 逐层镀制滤光片的下反射堆2至间隔层3(即谐振腔层);然后应用多套掩模板， 经过n次的组合套镀，可以获得2"个深度不同的线阵台阶的间隔层3;最后镀制滤光片的上反射堆4，完成集成滤光片的制备。光谱阶跃式集成滤光片的制作方法包括如下步骤A. 下反射堆2薄膜层制备滤光片膜系的制备采用常规的真空镀膜工艺， 当真空室达到一定的真空度后，对基片进行烘烤，烘烤温度可有根据 材料的特性进行设定；在镀膜前，采用离子束对基片进行轰击15分钟， 清洗基片同时提高其表面活化能；在基底上制备(H L)、 2bH膜系；B. 间隔层3制备采用机械掩模套镀法制备间隔层，具体方法为用金 属或合金材料制作成厚度仅为几十至几百年微米的图形掩膜板，在镀 膜过程中可以用它们来限定薄膜沉积区域；图形精度与边缘特性取决 于掩膜板的机械加工的精度，纯机械加工的方法可以制作厚度大于 100pm的掩膜板，电化学沉积方法制作掩膜板，其厚度可以达到小于 50|im。掩模设计方法如下对于2"个台阶的间隔层3需制作n块掩模 板，如附图2所示，后一块掩模板应将遮挡掉前一块掩模板的镀膜区 和非镀膜区的一半区域，通过n块掩模板的套镀，即可形成2"个台阶 的间隔层3。C. 上反射堆4薄膜层制备根据步骤A的方法在形成台阶的间隔层3上 继续制备(HL) Aa膜系形成上反射堆4，完成光谱阶跃式集成滤光片制作。本发明的微型阶跃集成滤光片具有以下几个方面的优点1. 通道光谱交叠小，分色效率高，混色少；2. 采用组合套镀的方法，成品率较传统的集成滤光片有很大提高，且避免 了离子束刻蚀工艺对薄膜表面的影响；3. 可以在微小区域形成多个光谱通道，能够实现空间位置和光谱位置的准确定位，易于实现高光谱。


图l组合套镀法制备的光谱阶跃式集成滤光片剖面图，图中1-基底材料 2-下反射堆；3-间隔层，4-上反射堆。图2制备32通道集成滤光片的套镀掩模板结构示意图。 图3组合套镀法制备的32通道光谱阶跃式集成滤光片透射率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明根据强度需要，选择尺寸为20mm X10mm的宝石片作为基底。在1.97-2.39戶以硅锗(Ge)和一氧化硅(SiO) 分别作为高折射率材料( )和低折射率材料( )，取n-5则形成的通道数 N=2"=32，每个通道的几何尺寸为0.5mmX6mm。为了制备32通道的集成滤 光片，我们需要设计一套掩膜板，共有5片，图2为设计的掩模板外观图，掩 模板是利用电化学沉积法制备的镍材料掩膜板，其厚度仅为50pm。取中心波长;1。=2.2/^，工艺过程如下(1)在基底上制备膜系(H L"31.62H; (2)依次采用5块掩模板，组合套镀出间隔层台阶；(3)继续制备(L H) A3膜系完成集成滤光片的制备。锗材料采用电子枪蒸发，速率为1.2nm/s; —氧化硅材料采用钼舟热蒸发 的方法制备，速率为1.5nm/s。图3是波长分布在1.97-2.39戶的32通道阶跃集成滤光片的透过率光谱曲 线。本专利适用于多光谱航空航天遥感仪器的多(高)光谱的密集获得。
权利要求
1.一种光谱阶跃式集成滤光片的制作方法，其特征在于它包括以下步骤A.下反射堆(2)薄膜层制备采用常规的真空镀膜工艺在基底(1)上制备(HL)^a 2bH下反射堆(2)膜系；B.间隔层(3)制备采用机械掩模套镀法制备间隔层，具体方法为用金属或合金材料制作成的图形掩膜板来限定镀膜过程中薄膜的沉积区域，后一块掩模板总是遮挡掉前一块掩模板的镀膜区和非镀膜区的一半区域，通过n块掩模板的套镀，即可形成2n个台阶的间隔层(3)；C.上反射堆(4)薄膜层制备根据步骤A的方法在形成台阶的间隔层(3)上继续制备(HL)^a膜系形成上反射堆(4)，从而完成光谱阶跃式集成滤光片制作。
2. 根据权利要求1所述的一种光谱阶跃式集成滤光片的制作方法，其特征在于所说的图形掩膜板是采用电化学沉积法制备的镍材料掩膜板，其厚度为50|im 。
全文摘要
本发明公开了一种光谱阶跃式集成滤光片的制作方法，本发明结合真空镀膜技术和图形掩模工艺，实现多通道带通滤光片于同一基片的集成。该集成滤光片制作工艺简单，成品率高，可以与探测器的像元相匹配，构成高光谱成像光谱仪，能广泛用于航空航天遥感仪器的多(高)光谱密集获取。本发明的多通道光谱阶跃式集成滤光片具有的优点是采用组合套镀的方法，成品率较传统的逐一集成的滤光片有很大提高；可以在微小区域形成多个光谱通道，能够实现空间位置和光谱位置的准确定位，易于实现高光谱。
文档编号G02B5/20GK101403805SQ200810202260
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月5日 优先权日2008年11月5日
发明者刘定权, 张凤山, 段微波 申请人:中国科学院上海技术物理研究所