光学设备的制作方法

1.本公开涉及光学设备和光学系统。


背景技术：

2.光学传感器系统可以用于捕获有关光的信息。例如，光学传感器系统可以捕获涉及与光相关联的波长集合的信息。光学传感器系统可以包括捕获信息的传感器元件(例如，光学传感器、光谱传感器和/或图像传感器)集合。例如，传感器元件阵列可以用于捕获与多个波长有关的信息。传感器元件阵列可以与滤光器相关联。滤光器可以包括一个或多个通道，该一个或多个通道分别使特定波长通过以到达传感器元件阵列的传感器元件。


技术实现要素：

3.在一些实现方式中，一种光学系统包括：光学传感器；以及光学设备，该光学设备设置在光学传感器之上，其中：光学设备包括滤光器，该滤光器设置在一个或多个基板的第一表面之上，其中：滤光器包括孔径，并且滤光器被配置为基于光在滤光器上的入射角来经由一个或多个基板使光通过，该光经由孔径接收并且与一个或多个波长范围相关联；光学设备包括一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件设置在一个或多个基板的第二表面之上，其中：该一个或多个光学元件被配置为将光的光束引导到光学传感器的特定传感器元件集合，该光束与一个或多个波长范围中的特定波长范围相关联；并且该一个或多个光学元件的厚度小于或等于十微米。
4.在一些实现方式中，一种光学设备包括：一个或多个基板；滤光器，该滤光器设置在一个或多个基板的第一表面上，其中：该滤光器包括孔径，并且该滤光器被配置为基于光在滤光器上的入射角来经由一个或多个基板使光通过，该光经由孔径接收并且与一个或多个波长范围相关联；以及一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件设置在一个或多个基板的第二表面上，其中：该一个或多个光学元件被配置为将光的光束引导到光学传感器的特定传感器元件集合，该光束与一个或多个波长范围中的特定波长范围相关联；并且该一个或多个光学元件的厚度小于或等于十微米。
5.在一些实现方式中，一种光学设备包括：滤光器，该滤光器设置在第一基板的第一表面上；一个或多个第一光学元件，该一个或多个第一光学元件设置在第二基板的第一表面上；以及一个或多个第二光学元件，该一个或多个第二光学元件设置在第二基板的第二表面上，其中：滤光器被配置为基于光在滤光器上的入射角来经由第二基板使光通过，该光经由滤光器的孔径接收并且与一个或多个波长范围相关联；一个或多个第一光学元件被配置为随着光在穿过滤光器之后进入第二基板，而改变光的传播方向；一个或多个第二光学元件被配置为将光的光束引导到光学传感器的特定传感器元件集合，该光束与一个或多个波长范围中的特定波长范围相关联；并且一个或多个第一光学元件的厚度和一个或多个第二光学元件的厚度均小于或等于十微米。
附图说明
6.图1a至图1b是图示了本文中所描述的光学系统的示例的图。
7.图2是图示了用户设备的一个示例的图，该用户设备可以包括本文中所描述的光学系统。
具体实施方式
8.以下对示例实现方式的详细描述参考附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。以下描述以光谱仪为例。然而，本文中所描述的技术、原理、程序和方法可以与任何传感器一起使用，该任何传感器包括但不限于其他光学传感器和光谱传感器。
9.诸如光谱仪之类的传统光学传感器设备可以被配置为确定与由光学传感器设备捕获的光(例如，环境光)相关联的光谱信息。光可以进入光学传感器设备，并且可以由光学传感器设备的滤光器和光学传感器接收(例如，其中滤光器设置在光学传感器上)。滤光器可以包括光学通道的集合，光学通道被设计为分别使不同波长范围内的光通过以到达光学传感器的传感器元件集合。这允许光学传感器确定与涉及不同波长范围的光相关联的光谱信息。然而，在许多情况下，为了确定高质量的光谱信息(例如，其与许多光谱数据点相关联)，除其他示例之外，传统光学传感器设备可能需要大的滤光器(例如，需要大的长度来滤光的线性可变滤波器(lvf))、需要长光路将光传播到光学传感器的衍射光栅、和/或需要大覆盖面积的高光谱滤波器阵列。因此，传统光学传感器设备具有厚度(例如，量级为厘米)，该厚度阻碍了传统光学传感器设备被并入需要更小外形规格(例如，量级为毫米的厚度)的诸如移动电话设备之类的用户设备。
10.本文中所描述的一些实现方式提供了一种可以设置在光学传感器之上的光学设备。该光学设备可以包括滤光器，该滤光器设置在一个或多个基板的第一表面之上。滤光器可以包括孔径，并且可以被配置为基于光在滤光器上的入射角来经由一个或多个基板使光通过，该光经由孔径接收并且与一个或多个波长范围相关联。在一些实现方式中，滤光器可以包括薄膜干涉滤光器。
11.光学设备还可以包括一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件设置在一个或多个基板的第二表面之上，该一个或多个光学元件被配置为将光的光束引导到光学传感器的特定传感器元件集合，该光束与一个或多个波长范围中的特定波长范围相关联。在一些实现方式中，一个或多个光学元件可以包括一个或多个超材料结构或一个或多个衍射表面。因而，一个或多个光学元件可以具有小于或等于十微米的厚度。光学设备还可以包括一个或多个附加光学元件，该一个或多个附加光学元件设置在一个或多个基板的第三表面之上(例如，其中一个或多个附加光学元件设置在滤光器与一个或多个基板的第二表面之间)。一个或多个第一光学元件可以被配置为在光穿过滤光器之后改变光的传播方向。在一些实现方式中，一个或多个附加光学元件可以包括一个或多个超材料结构或一个或多个衍射表面。因而，一个或多个附加光学元件可以具有小于或等于十微米的厚度。
12.这样，光学设备使得光学传感器能够(例如，基于滤光器的角度相关波长特性)获得有关与一个或多个波长范围相关联的光的高质量光谱信息(例如，其与许多光谱数据点相关联)。进一步地，因为光学设备利用低轮廓滤光器(例如，厚度为微米量级的滤光器)和一个或多个光学元件(例如，厚度为纳米量级的一个或多个超材料结构或厚度为微米量级
的一个或多个衍射表面)，所以光学设备可以具有满足(小于或等于)厚度阈值(例如，除其他示例之外，3毫米、4毫米或5毫米)的厚度，这允许光学设备(例如，作为光学系统的一部分)被并入需要小光学系统外形规格(例如，量级为毫米)的诸如移动电话设备之类的用户设备，这对于传统光学传感器设备而言不可能。
13.图1a至图1b是图示了光学系统100的示例的图。光学系统100可以被配置为收集光以便于对光的分析(例如，以确定与光相关联的光谱信息)。如图1a所示，光学系统100可以包括滤光器105、基板110、一个或多个光学元件115、和/或光学传感器120。在一些实现方式中，滤光器105、基板110、和/或一个或多个光学元件115可以与光学设备(例如，设置在光学系统100中的光学传感器120之上的光学设备)相关联。
14.滤光器105可以包括孔径125，该孔径125被配置为允许光(例如，环境光)入射在滤光器105上。孔径125可以包括窗口、透镜、或接收光的任何其他类型的透射光学元件。孔径125可以包括孔径光阑或一个或多个其他光学元件，以控制入射在滤光器105上的光量和/或控制经由孔径125入射在滤光器105上的光的入射角范围。
15.滤光器105可以使入射在滤光器105上的一个或多个波长的光(例如，经由孔径125接收的光)通过以到达基板110。在一些实现方式中，滤光器105可以包括一个或多个通道(图1a中未示出)，该一个或多个通道分别使不同波长范围内的光通过以到达基板110。例如，第一通道可以使与第一波长范围相关联的光通过以到达基板110，第二通道可以使与第二波长范围相关联的光通过以到达基板110，第三通道可以使与第三波长范围相关联的光通过以到达基板110，以此类推。在一些实现方式中，滤光器105可以包括薄膜干涉滤光器。例如，滤光器105可以包括薄膜层(例如，介电薄膜层)集合。薄膜层可以被配置(例如，薄膜层可以按次序沉积在基板110上)以允许滤光器105使与特定波长范围相关联的光通过。附加地或可替代地，滤光器105可以包括干涉滤光器、光谱滤波器、多光谱滤波器、带通滤波器、阻塞滤波器、长波通滤波器、短波通滤波器、二向色滤波器、线性可变滤波器(lvf)、圆形可变滤波器(cvf)、法布里-珀罗滤波器(例如，法布里-珀罗腔滤波器)、拜耳滤波器、等离子体滤波器、光子晶体滤波器、纳米结构和/或超材料滤波器、吸收滤波器(例如，除其他示例之外，包括有机染料、聚合物和/或玻璃)和/或类似物。
16.在一些实现方式中，滤光器105可以具有角度相关波长特性。例如，当光在第一入射角范围内入射在滤光器105上时，滤光器105(或滤光器105的通道)可以使与第一波长范围相关联的光通过；当光在第二入射角范围内入射在滤光器105上时，滤光器105(或滤光器105的通道)可以使与第二波长范围相关联的光通过；当光在第三入射角范围内入射在滤光器105上时，滤光器105(或滤光器105的通道)可以使与第三波长范围相关联的光通过；以此类推。在一些实现方式中，随着光以更大入射角落在滤光器105上，滤光器105可以被配置为使与更短波长相关联的光通过。在一些实现方式中，滤光器105的角度相关波长特性可以由以下等式表示：其中λθ表示入射角θ处的峰值波长，λ0表示入射角0处的峰值波长，n0表示入射介质的折射率，ne表示干涉滤光器的有效折射率，并且θ为光束的入射角。
17.基板110可以为玻璃基板、硅基板、锗基板、或另一类型的基板。如图1a所示，滤光器105可以设置在诸如基板110的输入表面之类的基板110的表面之上。如图1a所进一步示
出的，一个或多个光学元件115可以设置在诸如基板110的(例如，与基板110的光输入表面相对的)输出表面之类的基板的不同表面之上。基板110可以具有厚度130(例如，基板110的输入表面与输出表面之间的距离)。在一些实现方式中，厚度130可以被配置为准许或使得进入基板110的输入表面的光传播到基板110的输出表面。在一些实现方式中，厚度130可以被配置为随着光在基板内从基板110的输入表面传播到基板110的输出表面，而便于光的散布。附加地或可替代地，厚度130可以被配置为减轻在基板110内形成应力相关裂纹或变形。
18.在一些实现方式中，一个或多个光学元件115可以包括一个或多个超材料结构。一个或多个超材料结构可以包括工程结构(例如，具有工程形状、尺寸、几何结构、定向和/或类似物)，该工程结构具有小于一个或多个波长范围的尺寸，和/或以工程结构之间的距离小于一个或多个波长范围的图案(例如，线性图案)布置。在一些实现方式中，一个或多个超材料结构可以具有大约100纳米(nm)至2微米(μm)的厚度(例如，一个或多个超材料结构的输入表面与一个或多个超材料结构的输出表面之间的距离)。随着光从基板110的输出表面传播到光学传感器120，一个或多个超材料结构可以在光中产生相位延迟，并且从而改变光的传播方向(例如，当光从基板110的输出表面传播到光学传感器120时，使得光衍射、折射、或以其他方式弯曲)。在一些实现方式中，一个或多个光学元件115可以包括一个或多个衍射结构，除其他示例之外，诸如一个或多个衍射光学元件、一个或多个衍射透镜、和/或一个或多个衍射光栅，随着光从基板110的输出表面传播到光学传感器120，该一个或多个衍射结构衍射光。一个或多个衍射结构可以具有大约1μm至10μm的厚度(例如，一个或多个衍射结构的输入表面与一个或多个衍射结构的输出表面之间的距离)。
19.光学传感器120可以包括能够对被引导向光学传感器120的光执行测量的设备，诸如光谱传感器或多光谱传感器。光学传感器120可以例如为基于硅(si)的传感器、基于铟镓砷(ingaas)的传感器、基于硫化铅(pbs)的传感器、或基于锗(ge)的传感器，可以利用一种或多种传感器技术，除其他示例之外，诸如互补金属氧化物半导体(cmos)技术或电荷耦合器件(ccd)技术。在一些实现方式中，光学传感器120可以包括多个传感器元件(例如，传感器元件阵列，在本文中还称为传感器阵列)，每个传感器元件被配置为获得信息。例如，传感器元件可以提供入射在传感器元件上的光的强度的指示(例如，活动/非活动或更细粒度的强度指示)。虽然本文中所描述的一些实现方式涉及被配置为捕获光谱信息的光学传感器120，但还设想其他实现方式。例如，光学传感器120可以被配置为捕获成像信息，诸如高光谱成像信息、多光谱成像信息和/或类似物。
20.在一些实现方式中，一个或多个光学元件115可以被配置为将分别与一个或多个波长范围相关联的光的光束引导到光学传感器120的相应区域(例如，其中光学传感器的区域包括与一个或多个波长范围中的波长范围相关联的传感器元件集合)。附加地或可替代地，一个或多个光学元件115和/或基板110的输出表面可以与光学传感器120的输入表面相距距离135。距离135可以与一个或多个光学元件115的焦距相关联。这样，一个或多个光学元件115和/或基板110的输出表面可以相对于光学传感器120定位，使得距离135允许一个或多个光学元件115将分别与一个或多个波长范围相关联的光的光束引导(例如，会聚、聚焦和/或类似物)到光学传感器120的相应区域(和仅相应区域)。
21.作为一个示例，光可以经由孔径125由滤光器105接收。滤光器105可以被配置为：使与第一波长范围相关联并且在第一入射角范围内入射在滤光器105上的光的光束通过，
使与第二波长范围相关联并且在第二入射角范围内入射在滤光器105上的光的光束通过，使与第三波长范围相关联并且在第三入射角范围内入射在滤光器105上的光的光束通过，以此类推。因而，如图1a所示，滤光器105可以使以下光束集合通过以到达基板110：与第一波长范围相关联并且在第一入射角范围内入射在滤光器105上的光束集合140、与第二波长范围相关联并且在第二入射角范围内入射在滤光器105上的光束集合145、以及与第三波长范围相关联并且在第三入射角范围内入射在滤光器105上的光束集合150。
22.如图1a所示，光束集合140、光束集合145和光束集合150可以从基板110的输入表面传播到基板110的输出表面。光束集合(例如，光束集合140、光束集合145或光束集合150)中的光束可以以与光束在滤光器105上的入射角相匹配(例如，在公差内相同)的角度传播通过基板110。
23.一个或多个光学元件115可以被配置为将特定光束集合(例如，其与特定波长范围相关联)引导到光学传感器120的特定区域，该特定区域包括传感器元件集合(例如，一个或多个传感器元件)。例如，如图1a所示，一个或多个光学元件115可以将光束集合140引导到光学传感器120的第一区域(例如，其包括第一传感器元件集合)，可以将光束集合145引导到光学传感器120的第二区域(例如，其包括第二传感器元件集合)，并且可以将光束集合150引导到光学传感器120的第三区域(例如，其包括第三传感器元件集合)。第一区域、第二区域和第三区域可以具有相同、相似或不同的尺寸或形状。第一传感器元件集合、第二传感器元件集合和第三传感器元件集合可以具有相同或不同数目的传感器元件。
24.在一些实现方式中，与包括滤光器105、基板110和一个或多个光学元件115的光学设备相关联的厚度可以为从滤光器105的输入表面到光学传感器120的输入表面的距离(例如，厚度130和距离135的总和)。厚度130和距离135可以被配置为使得与光学设备相关联的厚度满足(例如，小于或等于)厚度阈值，除其他示例之外，厚度阈值诸如为3mm、4mm或5mm。这样，光学设备和/或光学系统100可以被包括在用户设备中(例如，如本文中关于图2所进一步描述的)。
25.转向图1b，光学系统100可以包括滤光器105(例如，其包括孔径125)、基板110、一个或多个光学元件115、和/或光学传感器120、基板155、和/或一个或多个附加光学元件160。如本文中关于图1a所描述的，一个或多个光学元件115可以设置在诸如基板的输出表面110之类的基板110的表面之上，并且一个或多个光学元件115和/或基板110的输出表面可以与光学传感器120的输入表面相距距离135。在一些实现方式中，滤光器105、基板110、一个或多个光学元件115、基板155和/或一个或多个附加光学元件160可以与光学设备(例如，设置在光学系统100中的光学传感器120之上的光学设备)相关联。
26.如图1b所进一步示出的，滤光器105可以设置在与基板110分开的基板155的表面之上。基板155可以为玻璃基板、硅基板、锗基板、或另一类型的基板。如图1b所示，滤光器105的输入表面可以与一个或多个附加光学元件160和/或基板110的输入表面相距距离165。
27.如图1b所进一步示出的，一个或多个附加光学元件160可以设置在诸如基板110的输入表面之类的基板110的表面之上(并且一个或多个光学元件115可以设置在诸如基板110的输出表面之类的基板110的相反表面之上)。一个或多个附加光学元件160可以包括一个或多个超材料结构或一个或多个衍射结构(例如，如本文中关于图1a所描述的)。一个或
多个附加光学元件160可以被配置为随着光经由基板110的输入表面进入基板110，而改变光的传播方向。例如，如图1b所示，当光从滤光器105(和基板155)经由基板110的输入表面传播到基板110中时，一个或多个附加光学元件可以衍射、折射或以其他方式弯曲光。
28.如图1b所示，基板110可以具有厚度170(例如，基板110的输入表面与输出表面之间的距离)。在一些实现方式中，厚度130可以被配置为准许或使得(例如，经由一个或多个附加光学元件160)进入基板110的输入表面的光传播到基板110的输出表面。图1b所示的基板110的厚度170可以小于图1a中所示的基板110的厚度130(例如，由于随着光经由基板110的输入表面进入基板110，一个或多个附加光学元件160改变光的传播方向)。
29.作为一个示例，光可以经由孔径125由滤光器105接收。滤光器105可以被配置为基于光束在滤光器105上的入射角，来经由基板155使与一个或多个波长范围相关联的光的光束通过。因而，如图1b所示，滤光器可以使以下光束集合通过以到达基板155：与第一波长范围相关联并且在第一入射角范围内入射在滤光器105上的光束集合175、与第二波长范围相关联并且在第二入射角范围内入射在滤光器105上的光束集合180、以及与第三波长范围相关联并且在第三入射角范围内入射在滤光器105上的光束集合185。
30.如图1b所示，光束集合175、光束集合180和光束集合185可以传播通过基板155并且到达基板110的输入表面。光束集合(例如，光束集合175、光束集合180、或光束集合185)中的光束可以以与光束在滤光器105上的入射角相匹配(例如，在公差内相同)的角度，传播通过基板155并且(例如，通过自由空间)到达基板110的输入表面。
31.一个或多个附加光学元件160可以被配置为随着光束经由基板110的输入表面进入基板110，而改变光束的传播方向。例如，如图1b所示，光束集合(例如，光束集合175、光束集合180或光束集合185)中的个体光束可以以彼此不同和/或与个体光束在滤光器105上的相应入射角不同的角度，传播通过基板110以到达基板110的输出表面。
32.一个或多个光学元件115可以被配置为将特定光束集合(例如，其与特定波长范围相关联)引导到光学传感器120的特定区域，该特定区域包括传感器元件集合(例如，一个或多个传感器元件)。例如，如图1b所示，一个或多个光学元件115可以将光束集合175引导到光学传感器120的第一区域(例如，其包括第一传感器元件集合)，可以将光束集合180引导到光学传感器120的第二区域(例如，其包括第二传感器元件集合)，并且可以将光束集合185引导到光学传感器120的第三区域(例如，其包括第三传感器元件集合)。第一区域、第二区域和第三区域可以具有相同、相似或不同的尺寸或形状。第一传感器元件集合、第二传感器元件集合和第三传感器元件集合可以具有相同或不同数目的传感器元件。
33.在一些实现方式中，与包括基板110、一个或多个光学元件115、基板155和/或一个或多个附加光学元件160的光学设备相关联的厚度可以为从滤光器105的输入表面到光学传感器120的输入表面的距离(例如，距离135、距离165和厚度170的总和)。距离135、距离165和厚度170可以被配置为使得与光学设备相关联的厚度满足(例如，小于或等于)厚度阈值，除其他示例之外，厚度阈值诸如为3mm、4mm或5mm。这样，光学设备和/或光学系统100可以被包括在用户设备中(例如，如本文中关于图2所进一步描述的)。
34.如上文所指示的，提供图1a至图1b作为示例。其他示例可以与关于图1a至图1b所描述的示例不同。
35.图2是图示了用户设备210的一个示例200的图，用户设备210可以包括光学系统
220。用户设备210可以包括例如通信和/或计算设备，诸如移动电话(例如，智能电话、无线电话和/或类似物)、膝上型计算机、平板计算机、手持式计算机、台式计算机、游戏设备、可穿戴通信设备(例如，智能手表、一副智能眼镜和/或类似物)、光谱仪、或类似类型的设备。光学系统220可以包括光学系统100或类似光学系统(例如，其利用滤光器105、基板110、一个或多个光学元件115、基板155和/或一个或多个附加光学元件160)。光学系统220可以被包括在用户设备210的光学封装中。通过减小光学系统220的尺寸，光学系统220可以在用户设备210中实现，或者光学系统220在用户设备210中可以具有比传统光学系统小的占用空间。
36.如上文所指示的，提供图2作为一个示例。其他示例可以与关于图2所描述的示例不同。
37.前述公开内容提供了说明和描述，但并非旨在穷举或将实现方式限制为所公开的确切形式。修改和变化可以根据上述公开内容做出，或者可以从实现方式的实践中获取。
38.如本文中所使用的，术语“部件”旨在广义地解释为硬件、固件、或硬件和软件的组合。将显而易见的是，本文中所描述的系统和/或方法可以以不同形式的硬件、固件、和/或硬件和软件的组合来实现。用于实现这些系统和/或方法的实际专用控制硬件或软件代码并不限制实现方式。因此，系统和/或方法的操作和行为在本文中没有参考具体软件代码进行描述——应当理解，软件和硬件可以用于基于本文中的描述来实现系统和/或方法。
39.如本文中所使用的，依据上下文，满足阈值可以是指值大于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、小于或等于阈值、等于阈值、不等于阈值等。
40.即使在权利要求中记载和/或在说明书中公开了特征的特定组合，但是这些组合并不旨在限制各种实现方式的公开内容。事实上，这些特征中的许多特征可以以权利要求中未具体记载和/或说明书中未具体公开的方式组合。尽管下文所列出的每个从属权利要求可能直接仅从属于一个权利要求，但是各种实现方式的公开内容包括每个从属权利要求与权利要求书中的每个其他权利要求组合。如本文中所使用的，提及项列表“中的至少一个”的短语是指那些项的任何组合，包括单个成员。作为一个示例，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及与相同项中的多个相同项的任何组合。
41.除非明确如此描述，否则本文中所使用的元件、动作或指令都不应被解释为关键或必需的。而且，如本文中所使用的，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项，并且可以与“一个或多个”互换使用。进一步地，如本文中所使用的，冠词“该”旨在包括结合冠词“该”引用的一个或多个项，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文中所使用的，术语“集合”旨在包括一个或多个项(例如，相关项、不相关项、或相关项和不相关项的组合)，并且可以与“一个或多个”互换使用。在仅旨在一个项的情况下，则使用短语“仅一个”或类似语言。而且，如本文中所使用的，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”等旨在为开放式术语。进一步地，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在意指“至少部分地基于”。而且，如本文中所使用的，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“中的仅一个”组合使用)，否则当在系列中使用时，术语“或”旨在是包含性的，并且可以与“和/或”互换使用。