包括多個發射源的光譜學裝置的製作方法

2023-06-04 14:45:51

專利名稱：包括多個發射源的光譜學裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括多個發射源的光譜學裝置。
背景技術：
本發明的領域是光譜測定分析的領域，其特別旨在通過一光源對進入固體、液體或氣體介質的組份中的化學成分進行研究。這涉及記錄該介質的反射或傳播吸收光譜。與介質相互作用的光在某些波長帶中被吸收。這種選擇性吸收是一部分或全部介質成分的識別標誌。要測量的光譜的波長範圍可屬於紫外線和/或可見光和/或紅外線(近、中、遠)。第一種解決方案使用網格光譜儀。在該設備中，網格作為濾光器進行作用，布置在與檢測器較遠的一距離外。該距離越大，解析度越好。因此，如果期望保存可接受的解析度， 該設備不能被微型化。此外，該設備的調節複雜，並且穩定性難以處理，這是因為需要精確的光學排齊。大部分其它的光譜儀使用至少一法布裡-珀羅濾光器。為提醒起見，這類濾光器是稱之為隔膜(英語術語「spacer」更為常見)的一材料
(最常見的折射率低的材料，如空氣、矽石，......)的一具有平行面的片體，所述隔膜出現
在兩個鏡片之間。通常通過真空薄膜沉積製成。因此，對於通帶在一正中波長λ上排齊中心的一濾光器，第一鏡片包括光學厚度為λ /4的高折射率材料H層和低折射率材料B層的 m次交替。隔膜經常包括2層光學厚度為λ/4的低折射率材料B。一般性地，第二鏡片與第一鏡片對稱。對隔膜的幾何厚度的修正允許使濾光器與正中波長相一致，對於正中波長而言，光學厚度等於λ/2的倍數。在此情形下，相對細的通帶的有限數目(即與一連續光譜相對的一離散光譜)足夠用於識別所研究的成分，這樣使得上文所述的第一解決方案沒有被優化。已知的第二解決方案設置使用一濾光柵元(cellule)，對於每個要分析的波長帶， 濾光柵元配有一元濾光器。如果波長帶的數目等於η，η個濾光器的實施因而通過不同的 η次真空沉積製造進行。因此對於小系列而言成本很大(並且與波長帶的數目η幾乎成正比)，並且對於足夠大的系列而言實際上不是有利的。此外，這裡同樣地，微型化的可能性極大地被限制，並且設置大量的濾光器是難以實現的。已知的第三解決方案使用一法布裡-珀羅濾光器，就該濾光器的位於垂直於基片的一平面中的型面而言，該濾光器呈楔形。因此在文獻US2006/0209413中公知的，該文獻教導具有這種型面類型的一光譜分析儀。在標記為Oxy的該平面中，軸Ox和Oy分別地是共線的並且垂直於基片，鏡片和隔膜的沿Oy的厚度按照鏡片和隔膜被測量的沿Ox位置線性地變化。因此規定一濾光柵元，該濾光柵元具有一線性結構(一維)或一矩陣結構(二維)，其包括多個準單色元濾光器。檢測通過在濾光柵元上疊置的一集成檢測柵元保證，該檢測柵元配有多個元檢測器，這些多個元檢測器與多個元濾光器相吻合。對於濾光柵元而言，首先，「薄膜」方法的控制在這裡是非常棘手的。第二，在同一晶片上集中製造多個濾光器在從一濾光器到另一濾光器的可複製性上存在很大的困難。第三，可能在某些情況下具有優點的厚度的連續變化，對於檢測器需要在相當精確的一波長上排齊中心的情形並不適合。實際上，該檢測器的大小使得其將檢測兩端部所接受的波長之間的全部波長。同樣，低成本的批量生產不是很現實的。就檢測柵元而言，明顯的是，檢測柵元使用多個元檢測器。首先，只有如果能運用檢測器的集成，這種配置才是有利的，然而並不總是能運用檢測器的集成。第二，當要分析的波長帶不包含在一種大量工業化生產材料，如矽的吸收光譜中時，這種檢測器就會是一種昂貴的組件。此外在文獻US 2007/0188764和US 2007/007347中公知的，兩文獻都描述一種光譜學裝置，該裝置包括一濾光柵元和一發射柵元。在這兩個文獻中，濾光柵元簡化為覆蓋全部發射源的唯一的濾光器。

發明內容
因此本發明的對象在于波長光譜學裝置，其允許測量不具有上文所涉及的限制的傳播或反射光譜。根據本發明，波長光譜學裝置，其在一基片上包括濾光柵元，所述濾光柵元包括兩個鏡片，兩個鏡片通過一隔膜隔開，所述濾光柵元由多個幹涉濾光器形成；所述波長光譜學裝置此外包括發射柵元，所述發射柵元包括多個發射源，每個所述發射源與所述幹涉濾光器之一相關聯。多個發射源允許使用唯一的檢測器。本發明帶來一決定性的優點——更加經濟地增加發射源和檢測器。有利地，所述發射柵元如同所述基片的位似平坦支座，所述發射源和所述幹涉濾光器根據該位似平坦支座和該基片的公共法線排齊。優選地，所述波長光譜學裝置包括至少一適配柵元，所述適配柵元包括多個透鏡， 每個所述透鏡與所述幹涉濾光器之一相關聯。為了優化檢測器的效率，合適的是所述濾光柵元被布置在所述發射柵元和所述適配柵元之間。根據濾光柵元的一有利實施方式，至少一些所述濾光器在第一帶片中排齊。相同地，至少一些所述濾光器在與第一帶片平行且分開的第二帶片中排齊。根據一附加的特徵，相鄰的至少兩個所述濾光器通過鄰道幹擾圍柵隔開。


在接下來的對作為說明給出並且參照附圖的一實施方式的描述範圍中，本發明現在將進行更為詳細地展示，附圖中-圖1是與一檢測器相關聯的光譜學裝置的示意圖；-圖2是發射柵元的示意圖；-圖3是濾光柵元的第一形式的原理示意圖；-圖4是一維濾光柵元的第二形式的原理示意圖，更為特別地-圖如是該濾光柵元的俯視圖，和-圖4b是該濾光柵元的剖視-圖fe到5c是該濾光柵元的第一實施方式的三步驟；-圖6a到6f是該濾光柵元的第二實施方式的六步驟；-圖7是二維濾光柵元的示意圖；-圖到8f的每個示出在一刻制步驟時能夠被使用的一掩模板；-圖9是適配柵元的示意圖。
具體實施例方式在多個視圖中存在的元件帶有唯一相同的標記。參照圖1，本發明的裝置在這裡被設置以對任何介質MED進行傳播分析。所述裝置包括一發光模塊，所述發光模塊主要地包括一發射柵元CE ；和一檢測模塊，發射柵元疊置在一濾光柵元CF上，檢測模塊在這裡簡化為單一檢測器DET。自然地，要分析的介質MED 出現在發光模塊和檢測器之間。作為選擇，設置至少一適配柵元CA用於將發光模塊光學適配於所述檢測器。在本情形中，適配柵元CA與濾光柵元CF並置，面對檢測器DET。作為選擇，適配柵元可出現在發射柵元CE和濾光柵元CF之間。甚至可設計兩適配柵元，一個適配柵元在發射柵元CE和濾光柵元CF之間，另一個適配柵元與濾光柵元CF 並置，與檢測器DET面對。參照圖2，發射柵元CE包括元發射源網格DEL，元發射源網格DEL按4X4矩陣方式被布置在一支座上。在此情形下，這些發射源是通過雜化技術(hybridation)轉印 (reportees)到支座上的發光二極體。這種布置僅作為示例給出，這是因為許多其它的解決
方案是可用的，同心圓、六邊形，......同樣地，為了實施本發明而引入的發射源的數目較少。參照圖3，根據第一形式，濾光柵元與在上文中提到的文獻US 2006/0209413中所描述的濾光柵元是相似的。該濾光柵元採用通過一隔膜33隔開的兩平坦的鏡片31、32的形式，這些鏡片32之一相對於另一鏡片31傾斜。根據第二形式，濾光柵元採用一種不同的幾何結構，並且其原理參照圖如和4b、 通過三個法布裡-珀羅類型的幹涉濾光器FP1、FP2、FP3進行闡述，所述幹涉濾光器FP1、 FP2、FP3相繼地排齊，以形成一帶片(ruban)。該濾光柵元通過第一鏡片Ml、一隔膜SP和第二鏡片MIR2在例如玻璃或矽石的一基片SUB上的疊放組成。限定每個濾光器的正中波長的隔膜SP因而對於一給定濾光器是恆定的，並且從一濾光器到另一濾光器不同。其型面呈階梯的形狀，這是因為每個濾光器具有基本長方形的一表面。以薄膜技術實施的該濾光柵元的第一實施方式作為示例給出。參照圖fe，通過在基片SUB上放置第一鏡片MIRl開始，第一鏡片包括電介質層、金屬層的疊置，或這兩種類型的層的組合。然後，放置用於限定隔膜SP的一層電介質或一組電介質層TF。參照圖恥，該電介質TF被這樣刻劃-在第一時間，在第二濾光器FP2和第三濾光器FP3的位置處刻劃，用來限定在第二濾光器FP2位置的隔膜SP厚度，-在第二時間，在第三濾光器FP3的位置刻劃，用來限定在第三濾光器FP3位置的該隔膜的厚度。在第一濾光器FPl位置處的隔膜SP具有沉積厚度。參照圖5c，第二鏡片MIR2被放置在隔膜SP上，以完成製造三個濾光器。隔膜SP可通過一電介質TF的沉積、繼而如上所示的相繼刻劃獲得，不過也可通過薄層的多次相繼沉積獲得。作為示例，通過修正隔膜的光學厚度，可掃掠從3700nm到4300nm的波長範圍。這裡需要注意的是，隔膜的厚度應足夠小，以僅獲得在要測探的區域中的一傳播譜帶。實際上，越增加該厚度e，滿足條件[ne = k λ/2]的波長λ的數目η越增加。現在展示濾光柵元的第二實施方法。參照圖6a，通過在基片SIL的下部面0X1和上部面0X2上實施矽制基片SIL的熱氧化。參照圖6b，基片的下部面0X1和上部面0X2相應地覆蓋以光敏樹脂的一下部層 PHRl和一上部層PHR2。然後，在下部層PHRl中通過攝影石印術(photolithographie)實施一長方形開口。參照圖6c，下部面0X1的熱氧化物按在下部層PHRl中實施的長方形開口正對處被刻制。下部層PHRl和上部層PHR2因而被取出。參照圖6d，在長方形開口的正對處實施基片SIL的一各向異性刻制(例如結晶定向1-0-0)，下部面0X1的熱氧化物用作掩模板，和上部面0X2的熱氧化物用作刻制的停止層。可涉及要麼是通過氫氧化鉀(KOH)或三甲基氫氧化銨(TAMH)溶液的溼法刻制，要麼是等離子乾式刻制。因此該操作導致僅在長方形開口底部存在氧化物隔膜。參照圖6e，該氧化物這樣被刻制-在第一時間，在第二濾光器FP2和第三濾光器FP3的位置處被刻制，用來限定在第二濾光器FP2位置處的隔膜SP的厚度，-在第二時間，在第三濾光器FP3的位置處被刻制，用來限定在第三濾光器FP3位置處的該隔膜SP的厚度。參照圖6f，第一鏡片Ml和第二鏡片M2放置在基片SIL的下部面0X1和上部面0X2上。如有可能，可通過在下部面0X1和上部面0X2的之一和/或另一上放置一鈍化層 (couche de passivation)(未示出)，來終止濾光柵元的實施。本發明因此允許實施一組排齊的濾光器，這些濾光器因此可在一維空間中比照。參照圖7，本發明還允許在矩陣形式的二維空間中布置這類濾光器。四個相同的水平帶片每個包括四個幹涉濾光器。在圖示上部顯示的第一帶片對應一矩陣的第一行，並且包括濾光器IFll到IF14。第二、第三，相應地第四帶片包括濾光器 IF21到IF24、濾光器IF31到IF34，相應地濾光器IF41到IF44。這種布置被稱之為矩陣式，這是因為濾光器IFjk屬於第j個水平帶片且也屬於包括濾光器IFlk, IF2k，... , IF4k的第k個垂直帶片。濾光模塊的實施方法可與在上文所述的兩方法的任意一個相似。
因此通過在基片上布置第一鏡片繼而一電介質開始。該電介質這樣被刻制-參照圖8a，通過遮蓋兩個第一水平帶片IF11-IF14和IF21-IF24的第一掩模板 MAI,-參照圖8b，通過遮蓋第一水平帶片IF11-IF14和第三水平帶片IF31-IF34的第二掩模板MA2，-參照圖8c，通過遮蓋第一垂直帶片IF11-IF41和第二垂直帶片IF12-IF42的第三掩模板MA3，和-參照圖8d，通過遮蓋第一垂直帶片IF11-IF41和第三垂直帶片IF13-IF43的第四掩模板MA4。然後，第二鏡片被放置在如此刻制的隔膜上，以完成製造4X4基體的16個濾光
ο通過不同的掩模板進行同一深度的刻制具有較少的益處。相反地，如果期望獲得濾光器的厚度的規則漸進變化，可如下進行-通過第四掩模板MA4按一深度ρ進行刻制，-通過第三掩模板MA3按一深度2p進行刻制，-通過第二掩模板MA2按一深度4p進行刻制，和-通過第一掩模板MAI按一深度8p進行刻制。合乎期望的是良好地分隔濾光柵元中的不同濾光器，以避免一濾光器在與之相鄰的一濾光器上的局部覆蓋，並最小化可能的鄰道幹擾的問題。為此，可在濾光柵元上添加一網柵，所述網柵構成鄰道幹涉圍柵，用於界定所有的濾光器。如果該模塊按反射方式被使用，該網柵將是吸收性的，或如果該模塊進行傳播使用，該網柵將是反射性的。作為示例，一吸收性網柵可通過黑鉻(鉻+氧化鉻)的沉積和刻制方法實施，而一反射性網柵可通過鉻的沉積和刻制實施。作為說明，濾光器的尺寸大小大約為500X500平方微米(μ m2)。不過其它尺寸大小的濾光器當然是可能的，尺寸大小應足夠用於避免過於顯著的衍射現象。濾光柵元CF因此被設置用於與發射柵元CE相關聯，以使得每個發射源與一濾光器相面對。參照圖9，適配柵元CA包括本身也根據一 4X4矩陣在一透明板上布置的一微透鏡網格LEN。發射柵元CE、濾光柵元CF和適配柵元CA因此疊置，以使得每個發射源DEL根據垂直於支座、基片和透明板的軸線，接連具有一濾光器IF和一微透鏡LEN。檢測器是一標準組件。如果期望在紫外線中進行分析，檢測器例如用砷化鎵製成。這裡將可以注意到，機械安裝非常簡單，這是因為安裝包括的光學構件較少並且不包含活動構件。因此測量非常穩定，且可複製性很強。本發明的對象裝置可按不同的方式使用-所有發射源同時點亮，用於獲得一總光譜，-不同發射源有序點亮，用於獲得對應所請求的濾光器的不同光譜，-發射源組有序點亮。在上文中展示的本發明的實施示例考慮到其具體的特徵而被選擇。不過不可能以
7窮舉的方式對本發明所覆蓋的所有實施方式進行編錄。特別地，所描述的各種方法可被一等效的方法替代，而不離開本發明的範圍。
權利要求
1.波長光譜學裝置，其在一基片上包括濾光柵元(CF)，所述濾光柵元包括兩個鏡片 (31，32 ；MIRLMIR2 ；Ml，M2)，兩個鏡片通過一隔膜(33，SP)隔開，所述濾光柵元由多個幹涉濾光器(FPl，FP2，FP3 ；IF11-IF44)形成，其特徵在於，所述波長光譜學裝置此外包括發射柵元(CE)，所述發射柵元包括多個發射源(LED)，每個所述發射源與所述幹涉濾光器之一相關聯。
2.根據權利要求1所述的波長光譜學裝置，其特徵在於，所述發射柵元(CE)如同所述基片的位似平坦支座，所述發射源(LED)和所述幹涉濾光器(IF11-IF44)根據該位似平坦支座和該基片的公共法線排齊。
3.根據權利要求2所述的波長光譜學裝置，其特徵在於，所述波長光譜學裝置包括至少一適配柵元(CA)，所述適配柵元包括多個透鏡(LEN)，每個所述透鏡與所述幹涉濾光器 (IF11-IF44)之一相關聯。
4.根據權利要求3所述的波長光譜學裝置，其特徵在於，所述濾光柵元(CF)被布置在所述發射柵元(CE)和所述適配柵元(CA)之間。
5.根據前述權利要求中任一項所述的波長光譜學裝置，其特徵在於，至少一些所述濾光器(FPl，FP2，FP3 ；IF11-IF44)在第一帶片中排齊。
6.根據權利要求5所述的波長光譜學裝置，其特徵在於，至少一些所述濾光器 (IF12-IF24)在與第一帶片平行且分開的第二帶片中排齊。
7.根據權利要求5或6所述的波長光譜學裝置，其特徵在於，相鄰的至少兩個所述濾光器(FP1，FP2，FP3 ；IF11-IF44)通過鄰道幹擾圍柵隔開。
全文摘要
本發明涉及波長光譜學裝置，其在一基片上包括一濾光柵元CF，所述濾光柵元包括兩個鏡片，兩個鏡片通過一隔膜隔開，該濾光柵元由多個幹涉濾光器形成。此外，該裝置包括一發射柵元CE，發射柵元包括多個發射源，每個發射源與幹涉濾光器之一相關聯。
文檔編號G01J3/26GK102301213SQ200980155546
公開日2011年12月28日 申請日期2009年12月10日 優先權日2008年12月11日
發明者L·洛克斯, M·休伯特, S·逖斯蘭德 申請人:西利奧斯技術公司