專利名稱：可調(diào)且可切換的多層光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及多層光學(xué)器件領(lǐng)域，例如干涉濾光片、分色鏡、衍射光柵、以及其他依靠干涉的器件。
背景技術(shù)：
多層、薄的、厚度可控的透明或半透明材料的夾層可以用來形成干涉濾光片、分色鏡、以及能夠與特定波長(zhǎng)的電磁輻射交互的其他光學(xué)元件，其中這些層由具有兩種或兩種以上不同折射率的材料制成。為了簡(jiǎn)便起見，本文中這種器件被稱為多層光學(xué)元件并通過干涉效應(yīng)工作，干涉效應(yīng)是由于在夾層的各層之間的每個(gè)邊界處存在至少一些反射而發(fā)生的。在特定波長(zhǎng)處，來自邊界中的每個(gè)邊界反射和透射的光可以相加或抵消。例如，如果邊界之間的往返距離為N波長(zhǎng)加半個(gè)波長(zhǎng)，那么來自兩個(gè)邊界的光反射可以相互抵消，或者如果邊界之間的往返距離為N+1 (N為大于或等于零的整數(shù))波長(zhǎng)，那么來自兩個(gè)邊界的光反射可以相互增強(qiáng)。每個(gè)邊界處的反射量部分地取決于形成邊界的相鄰層的折射率之間的差異。夾層的光學(xué)性質(zhì)、以及因而多層光學(xué)元件的光學(xué)性質(zhì)部分地由每層的材料及其厚度來確定。通過仔細(xì)選擇和應(yīng)用特定厚度的層、層的順序、以及折射率，通常制成用作光帶通濾波器、光帶阻濾波器、波長(zhǎng)選擇鏡、防反射涂層的多層光學(xué)元件以及其它光學(xué)器件。 Thelen的美國(guó)專利3，247, 392(1961)描述了一些這類可用的光學(xué)元件。雖然這些干涉效應(yīng)可以在液體和固體、生物材料以及礦物或人造材料中觀察到，但是大部分人造器件依賴于固體材料層。這些多層光學(xué)元件能夠以不依賴于選擇性吸收而是以依賴于干涉效應(yīng)的方法來在光譜上修改入射的電磁輻射，因?yàn)樗鼈兊墓夥瓷浜?或透射是依賴波長(zhǎng)的，這樣他們可以不同地分離、透射或反射具有不同波長(zhǎng)的入射光的兩種成分。有時(shí)期望提供光學(xué)元件的可調(diào)性。例如，存在對(duì)于可調(diào)激光器的強(qiáng)烈需要。已經(jīng)創(chuàng)建了一些多層光學(xué)元件，通過改變到達(dá)元件的表面的入射光的角度將這些多層光學(xué)元件調(diào)為期望的波長(zhǎng)；因?yàn)橄啾扔诖怪北砻孢_(dá)到的光，與法線成一角度到達(dá)的光穿過邊界之間更多的材料，所以相比于垂直表面達(dá)到的光，以一角度到達(dá)的光可以在更長(zhǎng)波長(zhǎng)展示干涉效應(yīng)。通常通過旋轉(zhuǎn)元件來實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的角度進(jìn)行改變。通過旋轉(zhuǎn)元件進(jìn)行光學(xué)調(diào)整有時(shí)并不方便。存在一些現(xiàn)有方法，基于用于半導(dǎo)體制造的這些方法用于創(chuàng)建小型結(jié)構(gòu)，這些小型結(jié)構(gòu)具有位于基底或底層之上的填充空氣的空間上懸浮的頂板。作為示例，通過引用并入本文的美國(guó)專利5，526,951的公開描述了形成微鏡的過程，微鏡中的每一個(gè)都由樞轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)來支撐，并懸浮在位于底層或基底之上的狹窄空氣空間或腔的上面。

發(fā)明內(nèi)容
在實(shí)施方式中，多層光學(xué)器件包括在基底上形成的布置，所述布置包括至少第一層、第二層以及設(shè)置于所述第一層與所述第二層之間的空間。所述空間具有高度，而且所述第一層、第二層、以及所述第一層與所述第二層之間的所述空間形成的所述布置能夠從入射到所述布置上的電磁能量產(chǎn)生透射、反射或散射的、在光譜上修改的電磁能量。所述光學(xué)器件的光學(xué)功能至少部分地依賴于干涉效應(yīng)。在實(shí)施方式中，光學(xué)檢測(cè)器系統(tǒng)包括多層光學(xué)器件，包括在基底上形成的布置，所述布置包括至少第一層、第二層以及設(shè)置于所述第一層與所述第二層之間的間隔物。所述間隔物具有間隔物高度，而且所述第一層、第二層、以及所述間隔物形成的所述布置限定空間，所述器件能夠以光譜依賴的方法通過干涉對(duì)入射電磁能量進(jìn)行修改。所述空間與結(jié)構(gòu)流體連通，用于接收第一流體，使得所述光學(xué)器件在所述空間內(nèi)不存在所述第一流體的情況下以第一模式操作，并且在所述空間內(nèi)存在所述第一流體的情況下以第二模式操作。所述系統(tǒng)還包括光檢測(cè)器，與所述光學(xué)器件光學(xué)連通，用于從所述多層光學(xué)器件接收修改的電磁能量；以及控制器，與所述空間流體連通，并且能夠操作以安排所述空間內(nèi)是否存在所述第一流體。


圖1是部分制造的、簡(jiǎn)單的多層光學(xué)元件的截面圖；圖IA是移除犧牲層之后的圖1的部分制造的多層光學(xué)元件的截面圖；圖IB是移除犧牲層并注入流體之后的圖1的多層光學(xué)元件的截面圖；圖IC是根據(jù)實(shí)施方式的、將融化的犧牲層用作流體并且使用疏水性墨水來限定犧牲層的部分制造的多層光學(xué)元件的截面圖；圖2是根據(jù)實(shí)施方式制造多層光學(xué)元件的過程的流程圖；圖2A是根據(jù)實(shí)施方式可以由多層光學(xué)元件提供的光譜特征的圖示；圖3是根據(jù)實(shí)施方式的電力可調(diào)的多層光學(xué)元件的截面圖；圖4是電力可調(diào)的多層光學(xué)元件的可替換實(shí)施方式的截面圖；圖4A是液壓可切換光學(xué)器件的可替換實(shí)施方式的俯視平面圖，該液壓可切換光學(xué)器件能夠在光學(xué)活性腔中存在第一流體的情況下以第一模式操作，并且在光學(xué)活性腔中存在第二流體的情況下以第二模式操作；圖4B是具有電熱泵的可切換光學(xué)器件的可替換實(shí)施方式的俯視平面圖；圖5是具有多層、堆疊、可調(diào)節(jié)間隔表面的電力可調(diào)的多層光學(xué)元件的可替換實(shí)施方式的截面圖；以及圖6、圖7和圖8示出了利用本文所描述的可切換光學(xué)元件的實(shí)施方式的系統(tǒng)的光路。
具體實(shí)施例方式最近，已經(jīng)進(jìn)行很多工作來改變半導(dǎo)體加工技術(shù)，以制造微機(jī)械器件和具有電子及微機(jī)械元件的器件。這種微機(jī)械元件可以包括多層材料之間的腔。例如，通過在硅晶元的表面上的密封腔之上形成材料(諸如二氧化碳)膜，已經(jīng)構(gòu)建了壓力傳感器。膜的撓度被監(jiān)測(cè)為壓力的測(cè)量。類似地，德州儀器(Texas Instrument)已經(jīng)銷售投影顯示設(shè)備，其通過靜電偏轉(zhuǎn)鋁微機(jī)械鏡進(jìn)行操作，鋁微機(jī)械鏡是在形成于半導(dǎo)體晶元的表面上的填充空氣的腔上形成的，但是這些顯示設(shè)備依賴鏡表面的反射，而不依賴干涉效應(yīng)，而且它們的功能不依賴于流體的折射率。通常情況下，層與層之間的這種腔通過以下處理形成(1)在耐選定蝕刻處理的基底上沉積犧牲層，( 將耐選定蝕刻處理的材料沉積為頂層，C3)在頂層上產(chǎn)生開口以暴露犧牲層，和(4)蝕刻犧牲層以創(chuàng)建腔。頂層可以通過由剩余犧牲層材料的底座所形成的間隔物、由沉積頂層之前在犧牲層中蝕刻的孔中形成的支持柱所形成的間隔物來支撐在腔之上，或者在沉積頂層之前可以移除犧牲層的選定部分，允許頂層在特定位置接觸基底106 以形成一體間隔物。因此形成的腔通常具有至少部分地由犧牲層的厚度確定的靜止高度。附加層可以沉積在頂層的頂部。同樣通常在如微機(jī)械加工的壓力傳感器等設(shè)備中發(fā)現(xiàn)的這種層可以包括密封和鈍化層，以及傳導(dǎo)和應(yīng)變傳感器層?？諝夂驼婵站哂械徒殡姵?shù)(例如，接近1. 0)。液體通常具有高于1. 0的介電常數(shù)。在實(shí)施方式中，基于干涉的多層光學(xué)元件100(圖1)包括兩層或更多層材料的結(jié)構(gòu)，例如在腔之上形成的且通過支撐物108支撐在基底106之上的頂層102。腔表示在早期處理階段通常由犧牲層104所占據(jù)的空間?；?06可以是其內(nèi)部具有半導(dǎo)體結(jié)的集成電路，或者可以是剛性或柔性板或玻璃透鏡或其他透明材料的透鏡，基底106可以是不透光材料或吸光材料，或者可以具有其他機(jī)械、電或光學(xué)性質(zhì)。在實(shí)施方式中，參照針對(duì)元件100的圖1以及針對(duì)元件制造方法200的步驟的圖 2，元件100是這樣形成的，首先化學(xué)清洗基底106，然后沉積兩層或更多層的兩種或更多種材料，例如首先沉積202犧牲層104然后沉積204頂層102，接著使用一種或多種半導(dǎo)體制造兼容的沉積處理(如濺射、化學(xué)氣相沉積、蒸發(fā)沉積)在基底上沉積薄膜。在沉積202每層(例如犧牲層104)之后，沉積的層可以被圖案化206以利用與用于半導(dǎo)體處理中的圖案化的方法相似的方法產(chǎn)生到底層或基底106的開口，方法包括光致抗蝕劑的沉積、利用圖案化的光或利用電子束進(jìn)行光致抗蝕劑暴露、將光致抗蝕劑顯影以將區(qū)域暴露給蝕刻處理、蝕刻暴露的區(qū)域、并剝離光致抗蝕劑。之后將被移除的層(如犧牲層104)的圖案化，允許疊置層(如頂層10 接觸底層或基底106，從而形成支撐結(jié)構(gòu)，如支持物108，一旦移除犧牲層104，支撐結(jié)構(gòu)將頂層102保持在仍然與底層或基底106分離的原位。在可替換的實(shí)施方式中，支持物108是通過沉積208耐蝕刻處理212(用于移除犧牲層104)的材料的支撐塞形成的。支撐塞通常沉積為層，隨后進(jìn)行平坦化。如果執(zhí)行平坦化，則平坦化通常通過半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中已知的機(jī)械化學(xué)拋光實(shí)現(xiàn)，而且是在沉積頂層102 之前執(zhí)行的。接下來，頂層102被圖案化210以產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)開口 109，通過開口 109可以移除犧牲層104。然后移除犧牲層104，如進(jìn)一步參照?qǐng)DIA所示，留下了空間105，通常通過蝕刻212犧牲層104 ；然而，在可替換的實(shí)施方式中，犧牲層104可以通過在溶劑中溶解、通過熱解、或通過蒸發(fā)而移除。接下來，使在頂層102下方形成的、以前犧牲層104所位于的腔填充214流體，如進(jìn)一步參照?qǐng)DIB所示。在實(shí)施方式中，流體是氣體，如空氣。在可替換的實(shí)施方式中，流體是在感興趣的電磁波長(zhǎng)處透明或半透明的液體107，并通過毛細(xì)作用填充腔。流體通常具有，或者在系統(tǒng)中使用一種以上流體的情況下多種流體中的至少一種流體具有，與頂層102的折射率和底層或基底106的折射率不同的折射率。然后附加的密封或鈍化層111(圖1B)被添加216以通過對(duì)開口 109進(jìn)行覆蓋和密封來對(duì)流體進(jìn)行封裝，犧牲層104通過開口 109被移除212且空間通過開口 109被填充 214流體107。在進(jìn)一步處理中，可以添加附加的疊置層，包括電極層或熱電阻層，如圖3、圖 4、圖4A、圖4B、和圖5所示。在可替換的實(shí)施方式中，犧牲層104由低溫下呈固體的材料形成；在這個(gè)實(shí)施方式中，在低溫下形成犧牲層104、圖案化用于支撐物108的開口、并沉積頂層102。一旦犧牲層104被頂層102覆蓋，則允許器件加熱至工作溫度，此時(shí)犧牲層104融化為流體107，本文中這個(gè)實(shí)施方式被認(rèn)為具有融化的流體。在利用極性和非極性流體往往不相融原理的實(shí)施方式中，存在極性融化的流體 107。當(dāng)需要用于支撐物108的開口時(shí)，使用疏水性墨水113 ；可替換地，當(dāng)需要極性融化的流體時(shí)，可以使用親水性墨水。然后使用處于液態(tài)形式的極性流體；這種流體被墨水113排斥并積累形成犧牲層 104，其中底層或基底106上不存在墨水113。然后使部分制造的設(shè)備冷卻以凍結(jié)犧牲層， 從而允許在犧牲層104的頂部沉積疊置的頂層102?？商鎿Q地，通過使用離子束加工來產(chǎn)生用于支撐物108的開口，從而在不需要光致抗蝕劑或光致抗蝕劑顯影劑的情況下在犧牲層104中形成開口。在這個(gè)實(shí)施方式中，不需要為了移除犧牲層104而在頂層102中形成開口 109，因?yàn)闋奚鼘?04只是融化為流體107而不移除。在沉積一層或多層之后，可以執(zhí)行退火或其他熱處理以增強(qiáng)層的光學(xué)、機(jī)械或電性能。參照?qǐng)D1、圖1A、圖IB和圖1C，頂層102、以前由犧牲層104所占據(jù)的填充流體107 的腔、底層或基底106、以及可能存在的其他層的結(jié)構(gòu)通過干涉效應(yīng)是光學(xué)活性的，作為多層光學(xué)器件，因?yàn)樵陧攲?02的頂面150和底面152處、以及在底層或基底106的頂面IM 處形成具有至少一些反射的邊界。此外，由于通過移除犧牲層104而留下的空間105中的頂層102和流體107是透明或半透明的，所以將通過表面150、152和IM之間的距離確定入射光130的波長(zhǎng)，在這些波長(zhǎng)處，來自這些表面的反射將相加或抵消。相加或抵消的材料的折射率在電磁波譜的感興趣區(qū)域的特定波長(zhǎng)處提供光譜特征，例如透射234、134或反射 236、132中的波谷230和波峰232，如圖2A所示。在許多實(shí)施方式中，為增強(qiáng)干涉效應(yīng)，表面與表面之間所有這些距離中的一些距離被選擇為與感興趣的電磁頻譜的一部分中光的波長(zhǎng)相似的距離，這意味著這些距離被設(shè)計(jì)為在四分之一波長(zhǎng)至約10倍波長(zhǎng)的范圍內(nèi)。對(duì)多層光學(xué)器件的調(diào)整可以通過改變填充流體的腔的厚度、從而改變圖1中底層或基底的頂面 154處的光學(xué)邊界與頂層102的表面150、152之間的間隔來實(shí)現(xiàn)。調(diào)整還可以通過將填充流體的腔內(nèi)的流體替換為具有不同折射率的另一種流體來實(shí)現(xiàn)，如以下參照?qǐng)D4A的描述， 因?yàn)榱黧w的折射率的變化將改變填充流體的腔的每個(gè)邊界的相對(duì)反射，并且在波長(zhǎng)上改變從邊界到邊界的有效間隔。有效間隔的變化轉(zhuǎn)而改變器件的光譜響應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)光譜特征，例如圖2A，相對(duì)于響應(yīng)234中的波峰232，反射率240的波峰238在波長(zhǎng)上發(fā)生移動(dòng)。在一些實(shí)施方式中，多層光學(xué)器件具有一個(gè)或多個(gè)光學(xué)活性區(qū)域，該區(qū)域具有頂層102、底層或基底106、以及以前由犧牲層104占據(jù)的填充流體的空間105，并且該區(qū)域能夠執(zhí)行期望的光學(xué)功能，例如在光譜上修改系統(tǒng)中的光，而且多層光學(xué)器件被一個(gè)或多個(gè)其他區(qū)域圍繞，該區(qū)域具有執(zhí)行其他功能的結(jié)構(gòu)，例如支撐件、控制件、流體導(dǎo)管、和流體注入空間105 中以及流體從空間105移除。在實(shí)施方式中，具有多個(gè)光譜分量的入射光130通過多層光學(xué)器件被劃分為反射分量132和透射分量134。腔105的形狀的變化可以改變反射分量132與透射分量134之間光譜分量的劃分。在如圖3所示的實(shí)施方式中，空間中的流體是空氣或其他可壓縮氣體，底層或基底的頂面IM處的光學(xué)邊界與頂層102的表面150、152之間的間隔的調(diào)節(jié)是以靜電方式完成的。在這個(gè)實(shí)施方式中，透明導(dǎo)電層260可以由位于頂層102之上的導(dǎo)電氧化物(錫氧化物或銦錫氧化物)形成。在具有不導(dǎo)電支持物的可替換的實(shí)施方式中，頂層102本身可以由透明導(dǎo)電材料制成。類似地，第二導(dǎo)電層262在腔的下方形成。在這個(gè)實(shí)施方式中，通過將導(dǎo)電層沈0、260連接至電壓源263在導(dǎo)電層沈0、260之間施加的電場(chǎng)將引起頂層102的偏轉(zhuǎn)，從而改變頂層102的下表面152與基底106或底層的上表面巧4之間的光學(xué)距離，并且改變光的光譜發(fā)生變化所處的波長(zhǎng)。在可替換的實(shí)施方式中，如圖4所示，已移除犧牲層104的填充流體的空間被劃分為兩個(gè)或更多個(gè)室，例如光學(xué)活性室280和增壓室觀2。增壓室282作為控制器的室，控制器用于將流體引入光學(xué)活性室觀0、調(diào)節(jié)光學(xué)活性室觀0中存在的流體的壓力、和/或在光學(xué)活性室觀0的第一流體與第二流體之間交換流體、或以其他方式控制光學(xué)活性室觀0內(nèi)的流體。典型實(shí)施方式中的控制器的其他部件包括將電壓施加到增壓室的靜電板、或者將電流施加到增壓室的加熱器以對(duì)流體進(jìn)行引導(dǎo)和控制的設(shè)備。在這個(gè)實(shí)施方式中，增壓室 282配備有頂部導(dǎo)電層284和底部頂部導(dǎo)電層觀6，使得頂部導(dǎo)電層284與底部頂部導(dǎo)電層 286之間的電壓提供靜電力，該靜電力用于向下偏轉(zhuǎn)頂層觀8，壓縮增壓室282中的流體。然后，一些流體流入光學(xué)活性室280并向頂層290施加壓力，從而使頂層向外彎曲并增加頂層 290的下表面292與底層或基底的上表面294之間的距離。在可替換的實(shí)施方式中，每個(gè)增壓室282配備有由電阻傳導(dǎo)層形成的、位于頂部或底部的電加熱元件(例如頂部導(dǎo)體觀4)，使得室內(nèi)的流體能夠被加熱；由于加熱時(shí)流體膨脹，所以對(duì)室進(jìn)行加熱將引起壓力的增加，壓力的增加將導(dǎo)致光學(xué)活性室觀0的頂層向外彎曲，增加頂層四0的下表面292與底層或基底的上表面294之間的距離。在可替換的實(shí)施方式中，如圖4A所示，增壓室282填充為液體并具有第一折射率的第一流體，第一流體在與第二流體的邊界處形成彎月面觀3，第二流體與第一流體不相融并且具有第二折射率，在實(shí)施方式中第二流體是諸如空氣的氣體，在可替換的實(shí)施方式中第二流體是液體。利用光學(xué)活性室觀0中的第二流體，光學(xué)活性室執(zhí)行第一光學(xué)功能。在圖4A的實(shí)施方式中，由熱、靜電力、或微流體領(lǐng)域中已知的任何其他方法所引起的增壓室觀2中壓力的增加將用于迫使第一流體的一部分從增壓室進(jìn)入光學(xué)活性室 280。在這種情況下，第一流體代替從光學(xué)活性室280進(jìn)入儲(chǔ)藏室295的第二流體，從而利用第一流體代替光學(xué)活性室觀0內(nèi)的第二流體，第一流體推進(jìn)以在不同于靜止彎月面觀3的位置處形成第二彎月面觀1。因?yàn)榈谝涣黧w和第二流體具有不同的折射率，所以當(dāng)改變光學(xué)活性室觀0中的流體時(shí)，填充流體的腔的每個(gè)邊界的相對(duì)反射以及在波長(zhǎng)上從邊界到邊界的有效間隔發(fā)生變化；使得光學(xué)活性室280對(duì)入射光執(zhí)行第二功能?？梢蕴峁└郊邮液屯ǖ?，包括微流體開關(guān)、閥和其他流量控制裝置，以對(duì)進(jìn)入和通過光學(xué)活性室的所描述的兩種或更多種流體的流量進(jìn)行控制。可以集成通過電潤(rùn)濕法工作的微流體泵和流體晶體管，以對(duì)進(jìn)入光學(xué)活性室觀0的流體流量進(jìn)行控制或驅(qū)動(dòng)。據(jù)預(yù)計(jì)，這些通道、室、開關(guān)、閥、流體晶體管和其他設(shè)備中的一些或全部可以集成到同一基底206、296上，作為光學(xué)器件。此外， 在一些實(shí)施方式中，光學(xué)器件的光學(xué)活性室280可以耦合至用于對(duì)反射光、透射光、或入射光中的任意或全部進(jìn)行傳輸?shù)墓饫w；在其他實(shí)施方式中，光學(xué)器件的光學(xué)活性室280可以耦合至建造在基底206、296之內(nèi)或位于基底206、296下方的一個(gè)或多個(gè)光電元件，如光傳感器、光電二極管或激光二極管。通過使第二流體返回到室觀0并且使第一流體返回到增壓室觀2，光學(xué)活性室可以切換回執(zhí)行它的第一功能。因此，根據(jù)室觀0內(nèi)是否存在第一流體，設(shè)備可在第一光學(xué)功能與第二光學(xué)功能之間切換。第一功能和第二功能可以被視為操作模式，并且可以形成模式對(duì)。據(jù)設(shè)想，通過選擇本文所述的材料、流體、厚度和間隔，這種模式對(duì)可以被安排為針對(duì)特定波段的光譜濾波和非濾波；聚焦和非聚焦；衍射光柵分散波長(zhǎng)和非分散；以及反射和透射。在實(shí)施方式中，光學(xué)活性室280包括間隔物材料觀5，并形成連續(xù)空間。也就是說， 間隔物材料285位于第一層(例如，圖3和圖4中的基底106或?qū)щ妼由?、觀6)與第二層 (例如，圖1和圖3中的頂層102，或圖4中的頂層四0)之間并與第一層和第二層相接觸。 第二層由間隔物材料285支撐，使得空間由間隔物(在空間的邊緣)以及第一層和第二層 (形成空間的底部和頂部)限定。在這個(gè)實(shí)施方式中，多層器件可以在例如具有第一通帶波長(zhǎng)的分色鏡或光學(xué)濾波器的第一操作模式與具有第二通帶波長(zhǎng)的第二操作模式之間切換。在圖4A所示的可替換的實(shí)施方式中，光學(xué)活性室280具有間隔物材料設(shè)置于其中的結(jié)構(gòu)觀7。圖4A示出了五個(gè)不連續(xù)的結(jié)構(gòu)觀7 ；然而，其他實(shí)施方式可以包括不同數(shù)量的結(jié)構(gòu)287而且這種結(jié)構(gòu)可以是連續(xù)的。當(dāng)光學(xué)活性室280填充折射率明顯不同于結(jié)構(gòu)287 的空氣或流體時(shí)，器件的光學(xué)功能受到結(jié)構(gòu)觀7的圖案、寬度和空間影響。在結(jié)構(gòu)287具有與電磁輻射的波長(zhǎng)相似的特征(例如，結(jié)構(gòu)之間的長(zhǎng)度、寬度或空間)的實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu) 287可以在不同波長(zhǎng)和角度處引起明顯的相長(zhǎng)干涉和相消干涉。應(yīng)該理解，寬度和/或間隔規(guī)則的結(jié)構(gòu)287可以產(chǎn)生某種有用效果(例如，形成衍射光柵或菲涅爾透鏡)，而不規(guī)則的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生不同的有用效果(例如，產(chǎn)生有效漸變折射率結(jié)構(gòu)或隨機(jī)漫射結(jié)構(gòu))。在可替換的實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)287形成超透鏡或超材料。對(duì)于本文而言，超透鏡是具有寬度和間隔的特征圖案的光學(xué)器件，無論寬度和間隔是否均勻或不均勻，寬度和間隔在與光學(xué)器件進(jìn)行交互的電磁輻射感興趣的特定波長(zhǎng)的大約十分之一波長(zhǎng)與幾倍波長(zhǎng)之間。超透鏡器件對(duì)入射到其上的特定波長(zhǎng)的電磁輻射進(jìn)行操作或引導(dǎo)，并且可以例如但不限于用作會(huì)聚透鏡或發(fā)散透鏡、或用作波導(dǎo)。在這些實(shí)施方式中，當(dāng)室填充折射率明顯不同于間隔物材料的流體時(shí)，通過結(jié)構(gòu)287形成的衍射光柵或超透鏡是活性的并執(zhí)行如衍射或透鏡化等光學(xué)功能，但是當(dāng)室填充折射率與間結(jié)構(gòu)觀7的折射率接近或匹配的流體時(shí)，通過結(jié)構(gòu)287形成的衍射光柵或超透鏡是非活性的，從而執(zhí)行如光透射等不同的光學(xué)功能。 在其他實(shí)施方式中(例如，如圖1和圖3所述)，不包括結(jié)構(gòu)觀7的光學(xué)活性區(qū)域可以被認(rèn)為具有通光孔徑。在示例性實(shí)施方式中，第一流體和第二流體之一具有與結(jié)構(gòu)觀7的折射率近似匹配的折射率，而另一流體具有明顯不同的折射率。在這個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)在光學(xué)活性室中存在與這些結(jié)構(gòu)的折射率相匹配的流體時(shí)，這些結(jié)構(gòu)在光學(xué)上消失而且器件的光學(xué)功能通過其他層之間的邊界來確定。當(dāng)在室中存在具有明顯不同折射率的流體時(shí)，器件具有通過這些結(jié)構(gòu)287確定的光學(xué)功能(例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)觀7的特征近似于感興趣的波長(zhǎng)時(shí)，作為衍射光柵)。在又一可替換的實(shí)施方式中，如圖5所示，重復(fù)參照?qǐng)D2描述的步驟，從而形成兩個(gè)填充流體的光學(xué)活性室，下部光學(xué)活性室302和上部光學(xué)活性室304，這兩個(gè)光學(xué)活性室彼此垂直堆疊并且利用下部室302的頂層306將它們分離開。上部光學(xué)活性室304具有頂層307。在這個(gè)實(shí)施方式中，提供了兩個(gè)增壓室308和310，其中增壓室308、310中的每個(gè)室都具有與光學(xué)活性室302、304中的各自室流體連通的通道。在示出的實(shí)施方式中，增壓室308或基于電潤(rùn)濕法的流體泵(未示出)具有通過可選分隔物312到達(dá)下部光學(xué)活性室 302的流體通道，而且增壓室310具有通過可選分隔物314到達(dá)上部光學(xué)活性室304的流體通道。在這個(gè)實(shí)施方式中，增壓室308和310中的每個(gè)室都包括一對(duì)電極。如圖所示，增壓室308具有電極316和318，增壓室310具有電極320和324。當(dāng)將靜電場(chǎng)施加至一對(duì)給定的電極316、318、320和324時(shí)，電極將靜電力施加至相應(yīng)流體，調(diào)整光學(xué)活性室302與304 之間的間隔，從而改變波長(zhǎng)(在該波長(zhǎng)處來自這些表面的反射波陣面相互影響)，進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)。在實(shí)施方式中，下部光學(xué)活性室302中的壓力大于上部光學(xué)活性室304中的壓力，引起頂層306和307的偏轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施方式中，通過對(duì)光學(xué)活性室302和304中的流體進(jìn)行替換來代替通過頂層306和307的偏轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)改變光學(xué)功能，此時(shí)可以提供單一增壓室308或其他流體源?？商鎿Q的實(shí)施方式可以使用除靜電力以外的泵抽技術(shù)(例如，基于電潤(rùn)濕法或基于溫度變化的泵抽)將流體移入光學(xué)活性室或者將流體從光學(xué)活性室移除。例如，如圖4B 所，在實(shí)施方式中，多層光學(xué)器件具有由一行或多行電阻材料形成的、能夠?qū)崾┘又猎鰤菏?82的電阻加熱元件四9，使得由加熱元件引起的溫度上升將引起會(huì)增壓室282內(nèi)的流體膨脹或者部分汽化和膨脹，驅(qū)動(dòng)流體的一部分流入光學(xué)活性室301，對(duì)于本文而言，裝備有這種加熱元件的增壓室被表示為“電熱泵”。在可替換的實(shí)施方式中，電潤(rùn)濕泵引起流體流入光學(xué)活性元件。本領(lǐng)域中已知的其他微流體部件也可用于泵抽、開關(guān)、或控制流入光學(xué)活性室301的流體的流量。在特定的實(shí)施方式中，光學(xué)活性室302、304可以在例如激光二極管或光傳感器 330等光電器件上形成。在特定的實(shí)施方式中，本文所描述的多層光學(xué)器件被耦合至控制器，該控制器控制、驅(qū)動(dòng)或改變光學(xué)活性室的一個(gè)或多個(gè)空間中的流體。在實(shí)施方式中，控制器是直接改變空間中流體的流體設(shè)備。在可替換的實(shí)施方式中，控制器將電壓施加至增壓室的靜電板，或者將電流施加至增壓室的加熱器，從而壓縮或驅(qū)動(dòng)流體進(jìn)入或離開器件的光學(xué)活性室。具有如圖1、圖1A、圖1B、圖1C、圖3、圖4A、圖4B、或圖5中所示結(jié)構(gòu)、以及根據(jù)圖 2制造的器件，可以用于具有光學(xué)路徑的系統(tǒng)中，這些光學(xué)路徑包括圖6、圖7和圖8中所示的光學(xué)路徑以及其他光學(xué)路徑。例如，光路448(圖6)可以允許光450通過孔徑452進(jìn)入根據(jù)圖1、圖1A、圖1B、圖1C、圖3、圖4、或圖5的可切換的、微流體光學(xué)器件458的光學(xué)活性區(qū)域454。通過光學(xué)器件458的光457可以入射在光檢測(cè)器或成像設(shè)備459上。在這個(gè)實(shí)施方式中，光學(xué)器件458作為分色鏡或帶阻濾波器。類似地，通過光學(xué)器件458反射的光460可以入射在成像設(shè)備或光檢測(cè)器462上。根據(jù)流體存在、流體成分、或流體壓力，光學(xué)器件458具有至少第一光學(xué)功能和第二光學(xué)功能，流體通過控制器464來控制使得器件458 執(zhí)行第一功能或第二功能。類似地，在如圖7所示的光譜儀中，入射光480可以通過可切換的、微流體光學(xué)器件482根據(jù)波長(zhǎng)被分散，可切換的、微流體光學(xué)器件482包括根據(jù)圖1、圖1A、圖1B、圖1C、 圖3、圖4A、圖4B、或圖5的、用作衍射光柵的光學(xué)活性區(qū)域454。分散的光484可以轉(zhuǎn)而入射在光檢測(cè)器486上。在控制器488的控制下，圖7的可切換的、微流體光學(xué)器件482可以在第一模式中操作以分散一段波長(zhǎng)的光，而在第二模式中操作以分散第二段波長(zhǎng)的光，例如操作為可從近紅外切換至遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)操作的光譜儀。在控制器的控制下操作的、入射在根據(jù)圖8的超透鏡器件492的活性區(qū)域上的入射光490可以根據(jù)第一操作模式或第二操作模式通過超透鏡器件492聚焦或進(jìn)行其他修改。聚焦或修改的光496入射在光檢測(cè)器498上。超透鏡器件492的操作模式可以依賴于器件492的活性區(qū)域的腔中流體的存在或壓力。因此，已經(jīng)示出并描述了若干實(shí)施方式，這些實(shí)施方式具有尺寸與光的波長(zhǎng)近似的一個(gè)或多個(gè)腔，當(dāng)流體被添加到腔中或者從腔中移除時(shí)、當(dāng)腔內(nèi)流體壓力改變時(shí)、或者當(dāng)流體從一種流體類型改變?yōu)榱硪环N流體類型時(shí)，腔的性能和/或功能將改變。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，可以對(duì)本主題進(jìn)行多種修改、變化、改變、以及其他使用和應(yīng)用，而且在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下的修改、變化、改變、以及其他使用和應(yīng)用被視為僅由以下權(quán)利要求書所限定的發(fā)明所覆蓋。
權(quán)利要求
1.多層光學(xué)器件，包括在基底上形成的布置，所述布置包括至少第一層、第二層以及設(shè)置于所述第一層與所述第二層之間的空間，所述空間具有高度，其中，所述第一層、所述第二層、以及所述第一層與所述第二層之間的所述空間形成的所述布置，能夠從入射到所述布置上的電磁能量產(chǎn)生透射、反射或散射的、在光譜上修改的電磁能量，而且所述光學(xué)器件的光學(xué)功能至少部分地依賴于干涉效應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的多層光學(xué)器件，其中所述第一層是所述基底。
3.如權(quán)利要求1所述的多層光學(xué)器件，進(jìn)一步包括間隔物，所述間隔物設(shè)置在所述第一層與所述第二層之間并且與所述第一層和所述第二層接觸，其中所述第二層由所述間隔物支撐，而且所述空間由所述間隔物、所述第一層和所述第二層限定。
4.如權(quán)利要求3所述的多層光學(xué)器件，其中所述間隔物是不連續(xù)的，并且包括具有圖案的彼此分離的兩個(gè)或更多個(gè)結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的多層光學(xué)器件，其中所述間隔物的結(jié)構(gòu)的圖案能夠用作衍射光柵。
6.如權(quán)利要求5所述的多層光學(xué)器件，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述空間內(nèi)的第一流體。
7.如權(quán)利要求6所述的多層光學(xué)器件，進(jìn)一步包括裝置，所述裝置用于將所述空間的光學(xué)活性區(qū)域內(nèi)的流體從具有第一折射率的所述第一流體改變?yōu)榫哂械诙凵渎实牡诙黧w，其中當(dāng)所述第一流體位于所述空間中時(shí)，所述多層光學(xué)器件的光學(xué)功能是第一功能， 而當(dāng)所述第二流體位于所述空間中時(shí)，所述多層光學(xué)器件的光學(xué)功能是不同于所述第一功能的第二功能。
8.如權(quán)利要求7所述的多層光學(xué)器件，其中所述第一光學(xué)功能和所述第二光學(xué)功能形成模式對(duì)，所述模式對(duì)選自針對(duì)波段進(jìn)行的衍射和非衍射、光譜濾波和非濾波；聚焦和非聚焦；以及反射和透射。
9.如權(quán)利要求6所述的多層光學(xué)器件，具有結(jié)構(gòu)，使得作用在增壓室中的流體上的溫度或靜電力確定所述第一流體是否存在于所述空間中。
10.如權(quán)利要求1所述的多層光學(xué)器件，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述空間內(nèi)的第一流體。
11.如權(quán)利要求10所述的多層光學(xué)器件，其中所述光學(xué)器件的光學(xué)功能隨著所述空間內(nèi)的所述流體的壓力而改變。
12.如權(quán)利要求10所述的多層光學(xué)器件，具有結(jié)構(gòu)，使得作用在增壓室中的所述第一流體上的溫度或靜電力確定所述空間內(nèi)的所述流體的壓力。
13.如權(quán)利要求1所述的多層光學(xué)器件，其中所述間隔物限定具有通光孔徑、衍射光柵或超透鏡之一的光學(xué)活性區(qū)域。
14.如權(quán)利要求13所述的多層光學(xué)器件，進(jìn)一步包括裝置，所述裝置用于將所述光學(xué)活性區(qū)域內(nèi)的流體從第一流體改變?yōu)榈诙黧w。
15.如權(quán)利要求14所述的多層光學(xué)器件，其中所述第二流體是液體。
16.如權(quán)利要求14所述的多層光學(xué)器件，其中當(dāng)所述第一流體存在于所述光學(xué)活性區(qū)域中時(shí)，所述光學(xué)器件具有第一光學(xué)功能，所述第一光學(xué)功能依賴于所述第一流體的折射率以及所述第一層與所述第二層之間的所述空間的高度；當(dāng)所述第二流體存在于所述光學(xué)活性區(qū)域中時(shí)，所述光學(xué)器件具有第二光學(xué)功能，所述第二光學(xué)功能依賴于所述第二流體的折射率以及所述第一層與所述第二層之間的所述空間的高度。
17.如權(quán)利要求16所述的多層光學(xué)器件，其中所述第一流體被選擇以使得所述光學(xué)器件的光學(xué)功能包括通過所述第一流體的折射率確定的第一功能，并且使得具有不同折射率的第二流體在所述光學(xué)活性區(qū)域中的存在使所述光學(xué)器件的光學(xué)功能包括不同的功能。
18.如權(quán)利要求1所述的多層光學(xué)器件，其中所述器件包括通過濺射、蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積中的至少之一沉積的一個(gè)或多個(gè)薄膜。
19.如權(quán)利要求1所述的多層光學(xué)器件，具有結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)用于將第一流體引入所述空間內(nèi)，使得所述光學(xué)器件能夠當(dāng)所述空間內(nèi)存在所述第一流體時(shí)而工作在第一模式下， 并且當(dāng)所述空間內(nèi)不存在第一流體時(shí)而工作在第二模式下。
20.如權(quán)利要求19所述的多層光學(xué)器件，其中所述第一流體是液體。
21.如權(quán)利要求19所述的多層光學(xué)器件，其中所述第一模式和所述第二模式形成模式對(duì)，所述模式對(duì)選自針對(duì)波段進(jìn)行的光譜濾波和非濾波、聚焦和非聚焦、以及反射和透射。
22.如權(quán)利要求21所述的多層光學(xué)器件，進(jìn)一步包括與所述空間流體連通的控制器， 所述控制器能夠操作以安排所述空間內(nèi)是否存在所述第一流體，從而使所述光學(xué)器件以所述第一模式或所述第二模式操作。
23.如權(quán)利要求1所述的多層光學(xué)器件，其中所述第二層是薄膜。
24.光學(xué)檢測(cè)器系統(tǒng)，包括多層光學(xué)器件，包括在基底上形成的布置，所述布置包括至少第一層、第二層以及設(shè)置于所述第一層與所述第二層之間的間隔物，所述間隔物具有間隔物高度，其中所述第一層、 第二層、以及所述間隔物形成的所述布置限定了空間，所述器件能夠以光譜依賴的方法通過干涉對(duì)入射電磁能量進(jìn)行修改，而且所述空間與結(jié)構(gòu)流體連通，用于接收第一流體，使得所述光學(xué)器件在所述空間內(nèi)不存在所述第一流體的情況下以第一模式操作，并且在所述空間內(nèi)存在所述第一流體的情況下以第二模式操作；光檢測(cè)器，與所述光學(xué)器件光學(xué)連通，用于從所述多層光學(xué)器件接收修改的電磁能量；以及控制器，與所述空間流體連通，并且能夠操作以安排所述空間內(nèi)是否存在所述第一流體。
25.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)檢測(cè)器系統(tǒng)，其中所述第一模式和所述第二模式形成模式對(duì)，所述模式對(duì)針對(duì)波段進(jìn)行的光譜濾波和非濾波、聚焦和非聚焦、衍射和非衍、以及反射和透射。
26.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)檢測(cè)器系統(tǒng)，其中所述多層光學(xué)器件是波長(zhǎng)選擇濾波器，當(dāng)所述波長(zhǎng)選擇濾波器被配置為以所述第一模式操作時(shí)，所述波長(zhǎng)選擇濾波器將電磁輻射光譜的一部分透射至所述光檢測(cè)器，當(dāng)所述波長(zhǎng)選擇濾波器被配置為以所述第二模式操作時(shí)，所述波長(zhǎng)選擇濾波器將電磁輻射光譜的更大部分透射至所述光檢測(cè)器。
27.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)檢測(cè)器系統(tǒng)，其中與所述第一模式相關(guān)聯(lián)的第一光譜響應(yīng)展示從給定操作波長(zhǎng)范圍內(nèi)的波谷和波峰中選擇的至少一種光譜特征，與所述第二模式相關(guān)聯(lián)的第二光譜響應(yīng)展示所述操作波長(zhǎng)范圍內(nèi)的不同光譜特征。
28.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)檢測(cè)器系統(tǒng)，其中所述控制器能夠?qū)⑺龅谝涣黧w和第二流體之一放置在所述空間內(nèi)；而且所述控制器被配置以通過選擇性地將所述第一流體和第二流體之一放置在所述空間內(nèi)以使得所述多層光學(xué)元件分別展示產(chǎn)生的所述第一光譜特征與第二光譜特征之一，對(duì)所述光譜檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。
全文摘要
多層光學(xué)器件包括在基底上形成的布置，該布置包括至少第一層、第二層以及設(shè)置于第一層與第二層之間的空間。第二層是薄膜。第一層、第二層、以及第一層與第二層之間的空間形成的布置從入射到布置上的電磁能量產(chǎn)生透射、反射或散射的、在光譜上修改的電磁能量。光學(xué)器件的光學(xué)功能至少部分地依賴于干涉效應(yīng)。光學(xué)檢測(cè)器系統(tǒng)包括類似的多層光學(xué)器件。器件內(nèi)的空間與結(jié)構(gòu)流體連通，用于接收第一流體，使得器件根據(jù)空間內(nèi)流體的存在或不存在而以第一模式或第二模式操作。系統(tǒng)包括光檢測(cè)器，用于接收修改的電磁能量，還包括與空間流體連通的控制器，該控制器安排空間內(nèi)流體的存在或不存在。
文檔編號(hào)G02B5/28GK102445725SQ20111030497
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月7日
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