一种像元级多通道法珀滤光片中光谱通道的制备方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术的领域，尤其是涉及一种像元级多通道法珀滤光片中光谱通道的制备方法。

背景技术

以分光技术为核心的成像光谱仪将成像技术和光谱技术结合在一起，不仅能够对探测目标进行成像，同时还能够获取其丰富的光谱信息，在精准农业林业监控、环境监控、自然灾害评估、矿物勘探、生物医学检测、安防监控以及军事目标预警、识别等领域正在得到广泛而深入的应用。目前成像光谱仪往往以航空、航天以及无人机载荷形式进行遥感工作，其体积、重量十分关键，特别是作为航天载荷，难以压缩的体积和重量极大的增加了其发射成本。因此成像光谱仪的小型化、轻量化研究具有十分迫切的需求。

像元级多通道滤光片是一种具有多个光谱通道的滤光片，它具有高度像元级化的分光功能，能够极大的优化成像光谱仪分光系统的结构，将其作为分光元件用于成像光谱仪中，能够实现成像光谱仪的小型化、轻量化。因此像元级多通道滤光片在小型化、轻量化成像光谱仪方面具有非常重要的地位。像元级多通道滤光片与传统的滤光片不同，其通道尺寸在微米量级(5-30微米)，一般采用多次或者组合曝光与薄膜刻蚀相结合的方法制备像元级大小并且具有不同厚度的中间腔层，以实现像元级滤光片的光谱通道峰位调控。采用此方法制备像元级多通道滤光片时，光谱通道个数强烈依赖于套刻工艺的次数。例如制备16通道的像元级滤光片时，采用多次曝光、刻蚀方法至少需要16次套刻，采用组合曝光、刻蚀方法也至少需要4次。通道数断续增加时，所需要的曝光、刻蚀次数更多，它使得像元级多通道滤光片的制造过程过于复杂，容易引入污染，增加光刻对准误差，这样不可避免地增加了其制造成本、降低了产品的光学性能和成品率。

发明内容

为了简化像元级多通道滤光片的制造工艺流程，降低产品制造成本，提高其光学性能和成品率，本申请提供一种像元级多通道法珀滤光片中光谱通道的制备方法。

本申请提供的一种像元级多通道法珀滤光片中光谱通道的制备方法采用如下的技术方案：

一种像元级多通道法珀滤光片中光谱通道的制备方法，所述像元级多通道法珀滤光片包括像元级尺寸的多个光谱通道，每个光谱通道从下至上依次由反射板一、中间腔层、反射板二的法珀腔式结构组成，所述光谱通道的制备方法包括：

S1：利用薄膜制备技术在基底上镀制由高折射率、低折射率薄膜交替组成反射板一；

S2：在所述反射板一的上表面旋涂负性光刻胶形成样品一，所述负性光刻胶形成中间腔层；

S3：将所述样品一放在热板上进行烘烤后形成样品二，烘烤温度为80-120度，烘烤时间为1-5分钟；

S4：采用激光直写的方法对所述样品二中的中间腔层进行台阶式曝光形成样品三；

S5：将所述样品三放在热板上进行烘烤后形成样品四，烘烤温度为80-120度，烘烤时间为1-5分钟；

S6：将所述样品四放入显影液中进行光刻胶显影形成样品五，显影时间为0.5-3分钟，以去除所述样品四的中间腔层中未曝光的负性光刻胶；

S7：在所述样品五的中间腔层上镀制与S1中所述反射板一完全对称的由高折射率、低折射率薄膜交替组成的反射板二，结合S1-S7整体形成单个光谱通道。

优选的，所述薄膜制备技术包括离子束辅助的电子束蒸发技术、磁控溅射技术、离子束溅射技术、等离子体增强化学气相沉积技术等。

优选的，所述反射板一和反射板二在工作谱段的反射率均大于90％，其中高折射率材料包括TiO2、Ta2O5、HfO2、Si、Ge、ZnSe等，低折射率材料包括SiO2、Al2O3、MgF2、YF3、YbF3等。

优选的，所述中间腔层中的负性光刻胶采用SU-8型号的负性胶，其厚度变化范围为100纳米-1500纳米，旋涂速率为2000-5000转/分，光刻胶厚度为300纳米-1000纳米。

优选的，所述激光直写中的激光波长优选405纳米，所述台阶式曝光中每个台阶单元为5-30微米尺寸的正方形，曝光剂量从10-100mJ/cm2台阶式递增，台阶数量为8-100个，其排列方式为阵列式周期排列。

优选的，所述S6中负性光刻胶的去除量依赖于所述S4中激光直写的曝光剂量，曝光剂量大的地方，负性光刻胶的去除量小，余下的负性光刻胶较厚；反之，曝光剂量小的地方，负性光刻胶的去除量大，余下的负性光刻胶较薄，根据曝光剂量大小可以形成像元级大小、不同厚度且阵列式周期排列的负性光刻胶层，以作为光谱通道的中间腔层。

综上所述，本申请包括以下有益技术效果：

本发明提供的一种像元级多通道法珀滤光片中光谱通道的制备方法，利用旋涂稳定性好、透明度高的负性光刻胶作为中间腔层，然后只需要采用激光直写的方法对旋涂的负性光刻胶进行一次性台阶式曝光，即可形成像元级大小、不同厚度且阵列式周期排列的中间腔层，实现对像元级滤光片多个光谱通道的峰位调控，从而达到了简化像元级多通道滤光片的制造工艺流程，降低产品制造成本，提高其光学性能和成品率的效果。

附图说明

图1是本申请实施例中用于体现像元级多通道法珀滤光片中光谱通道的制备方法的示意图。

具体实施方式

以下结合附图1对本申请作进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本申请实施例公开一种像元级多通道法珀滤光片中光谱通道的制备方法。参照图1，像元级多通道法珀滤光片中光谱通道的制备方法，其中像元级多通道滤光片为阵列式周期排列，像元级尺寸为5-30微米，光谱通道从可见到红外谱段，数量为8-100个，像元级多通道法珀滤光片包括像元级尺寸的多个光谱通道，每个光谱通道从下至上依次由反射板一、中间腔层、反射板二的法珀腔式结构组成，此结构对可见光及红外光区具有高透过率的特性，其典型公式为λ

光谱通道的制备方法包括：

S1：利用薄膜制备技术在基底上镀制由高折射率、低折射率薄膜交替组成反射板一，薄膜制备技术包括离子束辅助的电子束蒸发技术、磁控溅射技术、离子束溅射技术、等离子体增强化学气相沉积技术等；

S2：在反射板一的上表面利用涂胶机旋涂负性光刻胶形成样品一，负性光刻胶形成中间腔层，负性光刻胶采用SU-8型号的负性胶，其厚度变化范围为100纳米-1500纳米，涂胶机的旋涂速率为2000-5000转/分，光刻胶厚度为300纳米-1000纳米；

S3：将样品一放在热板上进行烘烤后形成样品二，烘烤温度为80-120度，烘烤时间为1-5分钟；

S4：采用激光直写的方法对样品二中的中间腔层进行台阶式曝光形成样品三，激光直写中的激光波长优选405纳米，台阶式曝光中每个台阶单元为5-30微米尺寸的正方形，曝光剂量从10-100mJ/cm2台阶式递增，台阶数量为8-100个，其排列方式为阵列式周期排列；

S5：将样品三放在热板上进行烘烤后形成样品四，烘烤温度为80-120度，烘烤时间为1-5分钟；

S6：将样品四放入显影液中进行光刻胶显影形成样品五，显影时间为0.5-3分钟，以去除样品四的中间腔层中未曝光的负性光刻胶，并且S6中负性光刻胶的去除量依赖于S4中激光直写的曝光剂量，曝光剂量大的地方，负性光刻胶的去除量小，余下的负性光刻胶较厚；反之，曝光剂量小的地方，负性光刻胶的去除量大，余下的负性光刻胶较薄，根据曝光剂量大小可以形成像元级大小、不同厚度且阵列式周期排列的负性光刻胶层，以作为光谱通道的中间腔层；

S7：在样品五的中间腔层上镀制与S1中反射板一完全对称的由高折射率、低折射率薄膜交替组成的反射板二，结合S1-S7整体形成单个光谱通道，。

其中，反射板一和反射板二在工作谱段的反射率均大于90％，高折射率材料包括TiO2、Ta2O5、HfO2、Si、Ge、ZnSe等，低折射率材料包括SiO2、Al2O3、MgF2、YF3、YbF3等。

实施例1：

可见波段8通道像元级多通道滤光片的制备

a1.设计像元级多通道滤光片的像元尺寸为5微米，光谱通道个数为8个，光谱通道变化范围为500-700纳米，滤光片采用法珀腔结构，即由反射膜堆A1、中间腔层A、反射膜堆A2构成，反射膜堆A1即为反射板一，反射膜堆A2即为反射板二。

a2.采用离子束辅助的电子束蒸发镀膜技术，在玻璃基底上镀制反射膜堆A1，反射膜堆A1由高折射率TiO2膜、低折射率SiO2膜交替共10层薄膜组成，其中TiO2膜厚度为60纳米，SiO2膜厚度为100纳米。沉积薄膜时真空度高于1×10-1Pa，SiO2沉积速率为

a3.利用涂胶机在反射膜堆A1上旋涂SU-8型号的负性光刻胶形成中间腔层A，旋涂时涂胶机转速为5000转/分，获得的负性光刻胶薄膜厚度为300纳米，其折射率约为1.62，消光系数为0(波长为500纳米处)。

a4.将旋涂完的样品放在热板上进行第一次烘烤，烘烤温度为80度，烘烤时间为1分钟；

a5.采用激光直写的方法对第一次烘烤后的样品进行台阶式曝光，激光波长为405纳米，每个台阶单元为5微米边长的正方形，曝光剂量从10mJ/cm2到80mJ/cm2台阶式递增，台阶数量为8个，其排列方式为阵列式周期排列。

a6.将激光直写完的样品放在热板上进行第二次烘烤，烘烤温度为80度，烘烤时间为1分钟；

a7.将第二次烘烤样品后的样品放入显影液中进行光刻胶显影，显影时间为0.5分钟，以去除未曝光的负性光刻胶形成厚度分别为160纳米、180纳米、200纳米、220纳米、240纳米、260纳米、280纳米、300纳米的台阶式中间腔层A，每个台阶单元为5微米。

a8.在中间腔层A上采用离子束辅助的电子束蒸发镀膜技术，镀制反射膜堆A2，反射膜堆A2由低折射率SiO2膜、高折射率TiO2膜交替共10层薄膜组成，与反射膜堆A1完成对称。其中SiO2膜厚度为100纳米，TiO2膜厚度为60纳米。沉积薄膜时真空度小于1×10-1Pa，SiO2沉积速率为

实施例2：

近红外波段16通道像元级多通道滤光片的制备

b1.设计像元级多通道滤光片的像元尺寸为20微米，光谱通道个数为16个，光谱通道变化范围为1100-1700纳米，滤光片采用法珀腔结构，即由反射膜堆B1、中间腔层B、反射膜堆B2构成，反射膜堆B1即为反射板一，反射膜堆B2即为反射板二。

b2.采用磁控溅射镀膜技术，在玻璃基底上镀制反射膜堆B1，反射膜堆B1由高折射率Si膜、低折射率SiO2膜交替共5层薄膜组成，其中Si膜厚度为100纳米，SiO2膜厚度为240纳米。沉积薄膜时真空度为5×10-1Pa，SiO2沉积速率为

b3.利用涂胶机在反射膜堆B1上旋涂SU-8型号的负性光刻胶形成中间腔层B，旋涂时涂胶机转速为3500转/分，获得的负性光刻胶薄膜厚度为650纳米。

b4.将旋涂完的样品放在热板上进行第一次烘烤，烘烤温度为100度，烘烤时间为2分钟；

b5.采用激光直写的方法对第一次烘烤后的样品进行台阶式曝光，激光波长为405纳米，每个台阶单元为20微米边长的正方形，曝光剂量从20mJ/cm2到100mJ/cm2台阶式递增，台阶数量为16个，其排列方式为阵列式周期排列。

b6.将激光直写完的样品放在热板上进行第二次烘烤，烘烤温度为100度，烘烤时间为2分钟；

b7.将第二次烘烤后的样品放入显影液中进行光刻胶显影，显影时间为2分钟，以去除未曝光的光刻胶形成厚度分别为350纳米、370纳米、390纳米、410纳米、430纳米、450纳米、470纳米、490纳米、510纳米、530纳米、550纳米、570纳米、590纳米、610纳米、630纳米、650纳米的台阶式中间腔层B，每个台阶单元为20微米。

b8.在中间腔层B上采用磁控溅射镀膜镀膜技术，镀制反射膜堆B2，反射膜堆B2由低折射率SiO2膜、高折射率Si膜交替共10层薄膜组成，与反射膜堆B1完成对称，其中SiO2膜厚度为240纳米，Si膜厚度为100纳米。沉积薄膜时真空度为5×10-1Pa，SiO2沉积速率为

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。