本發(fā)明涉及一種用于光譜測量裝置的方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器，其隨后也被稱為定向式干涉儀光學(xué)濾波器，即diof。

背景技術(shù)：

限制光傳播的角度的材料系統(tǒng)具有許多應(yīng)用，例如：天然照明、隱私保護(顯示器)、自動圖像分析、探測器和相應(yīng)的光源等。

迄今為止的解決方案在結(jié)構(gòu)中是復(fù)雜的(例如光子三維結(jié)構(gòu))或者具有不充分的特性(防窺薄膜：角度范圍～30°，光柵結(jié)構(gòu)(linienstruktur)可見)。

通常，這種光學(xué)特性可以通過真實的三維光學(xué)結(jié)構(gòu)描繪，其具有針對特定的傳播方向的帶隙，并且具有至少一個在帶隙中的離散的模式(mode)。通常，在這種系統(tǒng)中，在動量空間中存在若干離散的模式。除了制造這種結(jié)構(gòu)在技術(shù)上是非?？量痰暮筒唤?jīng)濟的之外，動量空間中的模式的離散化也限制了應(yīng)用可能性。

us6,130,780a1公開了一種全方向反射器以及其制造方法，全方向反射器具有如下結(jié)構(gòu)，其具有表面和具有沿相對所提到的表面垂直的方向的折射率改變。

通過所描述的多層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的光學(xué)帶結(jié)構(gòu)在對材料和具體的層結(jié)構(gòu)進行適當選擇的情況下導(dǎo)致存在如下頻率范圍，在該頻率范圍中，光子在每個入射角度的情況下與偏振無關(guān)地幾乎100％反射。

然而，us6,310,780a1不利地描述的是，無法實現(xiàn)在反射的頻率范圍或頻帶內(nèi)限定窄的被透過的范圍(光的方向以及頻率)。

在文獻us6624945b2中描述的電磁式波長濾波器允許了在窄的波長范圍內(nèi)傳輸電磁能量，而反射其他相鄰波長的入射電磁能量，其中，所提到的濾波器包括至少一個空穴區(qū)域作為干擾部(在該意義下，是周期性地構(gòu)建的層堆垛內(nèi)的層厚變化)，空穴區(qū)域嵌入至少兩個反射器之間，其中，至少一個反射器可以根據(jù)申請us6,130,780a1構(gòu)造。

在該濾波器中不利地沒有存在針對固定的、限定的、窄的波長范圍的透射來說的方向限制，也就是說，針對每個入射角存在獨特的、滿足濾波器的色散條件的透射范圍。因此，針對相同的作用方式可以發(fā)生波長或方向的預(yù)過濾。

使用由介電材料構(gòu)成的層堆垛來過濾不同的波長的另外的可能性在文獻us7,310,454b2中示出。在此，兩個光子晶體作為反射器在所謂的缺陷層(等價于空穴區(qū)域/干擾部位)周圍放置。光子晶體通過交替地高折射材料和低折射材料制造，它們的光學(xué)層厚di＝λ/ni分別相應(yīng)于設(shè)計波長的1/4。在此，di表示各個層的物理層厚，并且ni表示它們的折射率。設(shè)計波長限定了設(shè)備的期望的工作點，也就是說例如最大的反射或透射范圍。

在文獻us7,810,454b2中介紹的設(shè)備中，在一個實施方案中介紹了在通過玻璃纖維垂直耦入的情況下可變的、可切換的濾波器。為此，缺陷層由能電驅(qū)控或能類似地操控的材料構(gòu)造。透射模式，也就是窄的波長范圍(其可以在最大反射的光學(xué)阻帶內(nèi)幾乎無阻礙地通過濾波器結(jié)構(gòu))，可以由此在一定的邊界內(nèi)在電磁光譜中移動。在(通過玻璃纖維)事先限制可能的波長范圍和方向的情況下，因此可以產(chǎn)生能電調(diào)控的光學(xué)開關(guān)。在另一實施方案中，離散地限定的波長的總信號通過不同構(gòu)建的濾波器的系統(tǒng)被分解為其組成部分。對于所有這些實施方案來說共同的是，必須在方向或波長方面執(zhí)行對待過濾信號的預(yù)先選擇。

此外存在如下文獻，即文獻us5,719,989a，其描述了光學(xué)濾波器的由介電層構(gòu)成的理想的層結(jié)構(gòu)，該層結(jié)構(gòu)提供了在寬的波長范圍內(nèi)的盡可能均勻的高透射。為此，高數(shù)量的層是必需的(直至數(shù)百層)，它們必須以高精確度來施裝。除了在光譜上寬的透射范圍外，根據(jù)期望在該結(jié)構(gòu)中沒有進行方向限制。

在文獻us6,859,321b2中描述的設(shè)備使用空氣層作為兩個構(gòu)造為光子晶體的反射器之間的缺陷層。因為兩個反射器分別施裝在一種平板電容器的側(cè)，所以其間距可能由于靜電吸引發(fā)生變化。因為間距是數(shù)μm，所以在反射的波長范圍內(nèi)存在一系列的透射模式。附加地，缺少方向限制。

在文獻de102005042953b3中使用一種微諧振器，也就是說由兩個反射器和一個缺陷層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，其用于產(chǎn)生具有thz范圍內(nèi)的頻率的輻射的強度調(diào)制。介電層堆垛的使用在此允許了廉價的制造，并且一體的結(jié)構(gòu)方式允許了緊湊的和堅固的光學(xué)元件。強度調(diào)制在此通過缺陷層內(nèi)的光學(xué)各向異性形成。

us6,115,401a最后描述了由介電層堆垛構(gòu)成的濾波器元件的使用，用于過濾外部激光諧振器中的諧振模式。在此，施裝到等離子體上的濾波器在射束路徑中能以可變地(在橫向/角度上)設(shè)定的方式使用。在此，微諧振器的通常有利的色散特性也得到充分利用，從而在給定波長的情況下，在反射的波長范圍內(nèi)預(yù)定角度，或者在預(yù)定角度的情況下，預(yù)定透射的波長，然而兩者不能組合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)是說明一種方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器，該方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器以如下方式匹配地構(gòu)造，即，使其是緊湊的、能簡單地較大批量制造的濾波器，該濾波器根據(jù)具體選擇的結(jié)構(gòu)在光譜上寬帶地(數(shù)百納米)完全反射光信號，并且僅在設(shè)定的受限的角度范圍(5°至10°)內(nèi)，在光譜上窄的(2nm至5nm)波長帶可以通過該濾波器。在點狀的光源的情況下，透射的波長范圍根據(jù)選擇的濾波器結(jié)構(gòu)在空間中描述了一種錐形曲面，其具有準確限定的開口角度，直到臨界情況0°的開口角度。

本發(fā)明的任務(wù)通過方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器解決，其至少包括：

由兩個分層地構(gòu)造的一維的光子結(jié)構(gòu)構(gòu)成的機構(gòu)，其中，兩個結(jié)構(gòu)中的每一個都包含缺陷層，其中，每個光子結(jié)構(gòu)具有能量動量空間中的色散函數(shù)f1、f2，其中，kx和ky在能量動量空間e、kx、ky中針對限定的能量e表示光子結(jié)構(gòu)的透射的光子的動量分量，其中，兩個光子結(jié)構(gòu)具有對置的邊界面，它們彼此間具有平面平行(planparallel)的間距，其中，根據(jù)權(quán)利要求1的特征部分，兩個光子結(jié)構(gòu)的色散函數(shù)f1、f2在能量動量空間e、kx、ky中交叉或相交，并且在一定能量e下在色散函數(shù)f1、f2的表面上產(chǎn)生波的光束的交集a，其中，波的交集a的光束包含在某一角度下穿過濾波器有選擇地選定的波，而在另外的角度下的另外的波被濾波器反射。

可選的有例如空氣空間或空氣墊形式的介質(zhì)或間距件可以位于對置的邊界面之間的平面平行的間距中，間距件或介質(zhì)貼靠在光子結(jié)構(gòu)的邊界面上。在氣態(tài)的介質(zhì)的情況下邊界面之間的平面平行的間距例如可以通過間距保持器產(chǎn)生。

根據(jù)本發(fā)明的濾波器可以包括：

兩個分層的一維的光子結(jié)構(gòu)，其中，兩個結(jié)構(gòu)分別具有至少兩個反射的鏡層，并且其中，光子結(jié)構(gòu)的兩個鏡層通過至少一個缺陷層相互連接；以及

間距件或介質(zhì)，其將兩個光子結(jié)構(gòu)平面平行地以固定的間距連接并相干去耦，

其中，通過兩個光子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的針對諧振模式的色散拋物線通常滿足

kx36²+ky36²＝常數(shù)_1以及kx37²+ky37²＝常數(shù)_2，

其中，函數(shù)kx36²+ky36²＝常數(shù)_1以及kx37²+ky37²＝常數(shù)_2針對所選擇的能量e得到拋物面區(qū)域的交集a，即角度相交區(qū)域(等價于常數(shù)_1＝常數(shù)_2)，其中，射束路徑a在波以一個角度入射的情況下具有方向選擇性透過濾波器的波。

根據(jù)本發(fā)明的方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器在本發(fā)明的意義中是一種單件式的結(jié)構(gòu)元件/設(shè)備，其能夠?qū)崿F(xiàn)的是，從在uv(紫外線)/vis(可見光)至ir(紅外線)范圍內(nèi)的電磁射束的寬帶的連續(xù)譜中選定數(shù)納米的窄的范圍，其在5°至10°的窄角度范圍內(nèi)照射的情況下可以幾乎暢通無阻地通過結(jié)構(gòu)元件，而剩余光譜在全方向上幾乎完全被反射。

作用原理在此是干涉式的，也就是說，設(shè)備的光學(xué)特性(透射/反射、相特性)由部分波的多次疊加和它們相互的部分的抵消和增強形成。

根據(jù)本發(fā)明，光子結(jié)構(gòu)是大多至少區(qū)段式均勻的與光子交互作用的材料、超材料或微結(jié)構(gòu)的機構(gòu)或是具有空間的/幾何的周期性的與光子交互作用的材料、超材料或微結(jié)構(gòu)的機構(gòu)。這些材料、超材料或微結(jié)構(gòu)可以天然存在(例如蝴蝶翅膀)，或者人工產(chǎn)生(例如眼鏡中的抗反射層)。典型的特征是特性(例如光學(xué)折射率)沿至少一個空間方向在波長的數(shù)量級(也就是說數(shù)十納米至數(shù)百納米)內(nèi)變化。

因為由于均勻性/周期性類似于固體理論中的晶體結(jié)構(gòu)，所以光子結(jié)構(gòu)也被稱為光子晶體。在此，維度表示具有光子作用的變化的空間方向的數(shù)量，也就是說一維的光子晶體僅在一個空間方向上(例如向上)設(shè)有折射率改變，而(平面中的)兩個另外的空間方向不具有變化。

在本發(fā)明的意義中的分層的結(jié)構(gòu)表明相互連接的材料層(例如金屬氧化物、金屬、聚合物、有機分子等)的序列，材料層分別具有數(shù)平方毫米至數(shù)百平方厘米的面式的伸展，并且具有在數(shù)十納米至數(shù)百納米的數(shù)量級中的恒定的厚度，其中，分別在兩個材料之間形成正好一個邊界面，其伸展尺寸與它們稍有偏差。在具有多于兩個層的光子結(jié)構(gòu)中的連續(xù)的邊界面彼此間是平面平行的。由于其伸展尺寸的大小比例，層也被稱為薄膜。

用于薄膜的制造方法可以是現(xiàn)有技術(shù)的各種方法，例如真空升華、噴涂法、離心法、沉浸法。

在本發(fā)明的意義中的反射的鏡層是高反射的光子結(jié)構(gòu)，其也被稱為介電鏡，其中，通過干涉效應(yīng)，在光譜上寬的帶(數(shù)十納米到數(shù)百納米)內(nèi)完全反射大部分的射束(幾乎100％)。與金屬鏡不同地，效率是幾乎100％，這是因為通常沒有或幾乎沒有射束被吸收。簡單構(gòu)造的介電鏡由交替序列的層構(gòu)成，這些層由針對所觀察的波長范圍來說透明的材料構(gòu)成，這些材料在它們各自的折射率方面彼此不同。在可見光譜中，這例如是二氧化硅(n_sio2＝1.46)和二氧化鈦(n_tio2＝2.4-2.6)材料，它們分別設(shè)定到最大待反射的波長的四分之一的光學(xué)厚度n×d。在大約七至九個交替的層對的數(shù)量的情況下可以得到＞99％的反射值。對于調(diào)整在數(shù)百納米的寬的光譜范圍內(nèi)的具體的反射性能來說，添加的層或堆疊件可以以剛好計算出的層厚差來補充。

在本發(fā)明的意義下的缺陷層是光子晶體內(nèi)的干擾部。理想的晶體具有均勻地、周期性地重復(fù)的空間結(jié)構(gòu)。對周期性的干擾被稱為缺陷，將其轉(zhuǎn)移到層結(jié)構(gòu)上，也就是說例如存在對均勻的材料布置和/或厚度布置的干擾。干擾部可以例如在像上面描述的介電鏡那樣通過具有半個波長的光學(xué)厚度的層來代替具有波長的四分之一的光學(xué)厚度的層。

在本發(fā)明的意義中的間距件或介質(zhì)是具有至少兩個面式構(gòu)造的、彼此間平面平行地取向的側(cè)的固體，這兩個側(cè)對于待過濾的波長來說是充分透明的，這可以例如是玻璃板、聚合物層、半導(dǎo)體板或類似物。另一方面，只要兩個光子結(jié)構(gòu)彼此間具有平面平行的固定的間距，氣態(tài)的或液態(tài)的介質(zhì)也可以位于兩個光子結(jié)構(gòu)之間。這可以例如通過均勻引入的間距保持器實現(xiàn)。

在本發(fā)明的意義中的色散拋物線是對上述的具有缺陷層的光子結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系的曲線的描述。通常，色散關(guān)系描述了能量(頻率/波長)和光子動量(也就是其方向)之間的關(guān)系。在真空中無交互作用的光子是直線上升的線，而具有缺陷層的光子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致拋物線形狀。

在本發(fā)明的意義中的諧振模式表示了光子結(jié)構(gòu)的自振蕩，其由缺陷層導(dǎo)致。諧振模式例如通過窄帶的高透射表現(xiàn)出，并且此外可以通過缺陷層的空間伸展和組合在光譜上設(shè)定。光子結(jié)構(gòu)可以具有多于一個諧振模式，通常，諧振模式在設(shè)計和實現(xiàn)結(jié)構(gòu)時被設(shè)定，從而其在光譜上居中地位于介電鏡最大反射的區(qū)域中。

針對邊界層上的全反射條件下的每個觀察方向，根據(jù)色散關(guān)系，諧振模式朝更高的能量移動。

在本發(fā)明的意義中的拋物面區(qū)域的相交區(qū)域以如下方式形成，即，色散函數(shù)f2由第二光子結(jié)構(gòu)并且f1由第一光子結(jié)構(gòu)以如下方式構(gòu)造，即，f2描述了在能量動量空間e-kx-ky中的更為敞開的拋物線，其頂點在能量上位于f1的頂點的上方，或者與f1的頂點重合。間距必須以如下方式選擇，即，使得光子的動量分量的相交區(qū)域仍處于全反射條件下。在頂點f1和頂點f2重合的臨界情況下得到的是，兩個光子結(jié)構(gòu)使垂直入射的光透射，但傾斜入射的光要么不滿足f1，要么不滿足f2，并且因此被反射。

在介質(zhì)構(gòu)造為層狀的間距層的情況下，間距層布置在兩個光子結(jié)構(gòu)的對置的邊界層之間，這兩個光子結(jié)構(gòu)安置在層狀的間距件的兩個對置的表面?zhèn)壬稀?/p>

可以存在至少一個基底，其與至少一個光子結(jié)構(gòu)處于面式接觸中。

間距件同樣可以是層。

分層地構(gòu)造的一維的光子結(jié)構(gòu)由至少兩個交替布置的且表現(xiàn)為反射的介電鏡層的介電材料層構(gòu)成，其中，材料層在濾波器的整個工作光譜上具有不同的介電特性，其中，材料層的厚度d以如下方式構(gòu)造，即，使其導(dǎo)致在預(yù)定的濾波器模式周圍的光學(xué)截止區(qū)域。

光子晶體形式的分層地構(gòu)造的一維的光子結(jié)構(gòu)具有至少一個缺陷層，其增強了預(yù)定的濾波器模式，其中，缺陷層位于兩個介電鏡之間，介電鏡構(gòu)造為具有預(yù)定的折射率的介電材料層。

缺陷層可以要么具有固定不變的光學(xué)厚度d，要么具有可變的光學(xué)厚度d。

在兩個分層的一維的光子結(jié)構(gòu)內(nèi)缺陷層可以具有不同的折射率。

在兩個分層的一維的光子結(jié)構(gòu)內(nèi)缺陷層的光學(xué)厚度d可以具有相同的光學(xué)厚度d，或者區(qū)別在于半波長的整數(shù)倍或者與這些值有偏差地構(gòu)造。

作為兩個光子結(jié)構(gòu)之間的平面平行的間距的構(gòu)造件的間距件或介質(zhì)在方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器的諧振頻率狀態(tài)下是光學(xué)透明的，并且具有光學(xué)厚度dd。光學(xué)厚度dd調(diào)控兩個光子結(jié)構(gòu)的聯(lián)接機制。針對光學(xué)厚度明顯小于在光源一側(cè)入射的通過濾波器分析的光射束的相干長度(led：數(shù)十微米，激光器：mm到km)的情況，兩個光子結(jié)構(gòu)相干地聯(lián)接，并且作用為單個復(fù)雜光子系統(tǒng)。這通常導(dǎo)致兩倍退化的diof模式，并且加寬了光譜的且依賴于方向的諧振。由此，系統(tǒng)的過濾效果明顯減小。如果光學(xué)厚度dd大于入射的、滿足兩個光子結(jié)構(gòu)的諧振條件的光束的相干長度，那么兩個光子結(jié)構(gòu)彼此去耦，并且作用為兩個獨立的系統(tǒng)。針對所示的模擬和測量結(jié)果采用最后一種情況。

間距件/介質(zhì)可以具有如下機械特性，其確保濾波器的預(yù)定的工作方式，其中，間距件像用于兩個光子結(jié)構(gòu)的透明基底那樣被裝入，光子結(jié)構(gòu)分別與間距件的兩個表面?zhèn)染o固。

基底/介質(zhì)在預(yù)定的濾波器模式的諧振頻率的狀態(tài)下是光學(xué)透明的，方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器可以針對/遵循該預(yù)定的濾波器模式來制造或緊固。

至少一個光源和探測器屬于具有根據(jù)權(quán)利要求12的特征部分的方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器的裝置，在至少一個光源和探測器之間布置有方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器，其中，方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器以如下方式構(gòu)造，即，使得存在

在與濾波器交互作用之前在匹配的傳播方向上對于濾波器來說諧振的光子波，

在與濾波器交互作用之后在匹配的傳播方向上對于濾波器來說諧振的光子波，

在與濾波器交互作用之前在匹配的傳播方向上對于濾波器來說非諧振的光子波，

在與濾波器交互作用之后在匹配的傳播方向上對于濾波器來說非諧振的光子波，

在與濾波器交互作用之前在不匹配的傳播方向上對于濾波器來說諧振的光子波，

在與濾波器交互作用之后在不匹配的傳播方向上對于濾波器來說諧振的光子波。

充分利用至少兩個通過作為間距件的基底連接的光子結(jié)構(gòu)(形式為光子晶體)的干涉效果是重要的。在此充分利用的是，光子晶體具有帶有依賴方向的透射的透明的波長帶(模)(色散)，其曲線既依賴于特殊結(jié)構(gòu)，也依賴于所使用的材料和材料的光學(xué)特性。如果現(xiàn)在光子晶體與不同的色散關(guān)系組合，那么可以通過透射信號在兩個色散關(guān)系的非協(xié)調(diào)/缺乏重疊的情況下的相互的抵消實現(xiàn)的是，濾波器僅在窄的角度范圍內(nèi)和在窄在波長范圍內(nèi)是透明的，也就是說在色散曲線的交叉點上是透明的。所有其他的方向和光譜范圍朝發(fā)射的光源的方向向回反射。

在使用根據(jù)本發(fā)明的濾波器的情況下，探測器裝置可以至少由大面積光子探測器和根據(jù)本發(fā)明的濾波器構(gòu)成，其中，濾波器要么直接施裝在光子探測器的表面上，要么也緊固在光子探測器上，并且濾波器布置在發(fā)射光子的器件和光子探測器之間。

光子結(jié)構(gòu)以如下方式設(shè)計，即，使其具有類似的依賴于角度的色散關(guān)系，但同時在垂直于濾波器法線的平面中具有不同的傳播速度。兩個光子結(jié)構(gòu)的臨界頻率(系統(tǒng)的最低的諧振頻率)通過缺陷層的厚度和其折射率確定。在另外的側(cè)上，方向分量在平面中的傳播依賴于缺陷層的周圍環(huán)境中的相位延遲的程度。這可以通過光學(xué)層結(jié)構(gòu)的精確控制和材料的選定來調(diào)控。

由此，濾波器像真實構(gòu)造出的三維光子結(jié)構(gòu)那樣表現(xiàn)，既不存在平面中的結(jié)構(gòu)，也沒有在內(nèi)部對電磁場進行附加的增強。

本發(fā)明的改進方案和附加的設(shè)計方案在另外的從屬權(quán)利要求中說明。

附圖說明

本發(fā)明借助實施例通過多個附圖詳細闡述。

在附圖中：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器的工作原理的示意圖；

圖2以側(cè)視圖示出根據(jù)本發(fā)明的方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器的示意圖；

圖3示出在常見的情況下，也就是當在kx²+ky²＝常數(shù)時存在一維的光子結(jié)構(gòu)的色散依賴性(色散函數(shù)f1、f2)的情況下的視圖，其中，圖3a是角色散的不同區(qū)域之間的關(guān)系，并且圖3b是濾波器中的射束路徑；

圖4示出在特殊情況下，也就是當在kx²+ky²＝0時存在兩個一維的光子結(jié)構(gòu)的色散依賴性的情況下的視圖，其中，圖4a是角色散的不同區(qū)域之間的關(guān)系，并且圖4b是濾波器中的射束路徑；

圖5示出方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器的針對偏振光的計算出的透射率作為光子能量和空氣中的傳播角度的函數(shù)，其中，方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器以如下方式構(gòu)造，即，其諧振模式位于鏡的光子截止區(qū)域的中間，并且具有受限的12度的檢測角度；

圖6示出方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器的針對偏振光的計算出的透射率作為光子能量和空氣中的傳播角度的函數(shù)，其中，方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器以如下方式構(gòu)造，即，其諧振模式位于大約40度，并且具有大約4度的檢測角度范圍；

圖7示出角度分辨的光譜函數(shù)，其利用sio2/tio2結(jié)構(gòu)測量并且以濾波器為基礎(chǔ)，其中，濾波器以如下方式構(gòu)造，即，其在25度時，在接近角為10度時示出諧振透射率最大值，并且在所有其他的角度下強烈地減弱；以及

圖8示出角度分辨的光譜函數(shù)，其利用sio2/tio2結(jié)構(gòu)測量并且以濾波器為基礎(chǔ)，其中，濾波器以如下方式構(gòu)造，即，其在0度附近，在接近角為20度時示出諧振透射率最大值，并且在更大的角度下強烈地減弱。

具體實施方式

隨后共同考慮圖1、圖2和圖3。

圖1以根據(jù)本發(fā)明的實施例示出例如用于光譜測量裝置1的方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器30，其工作原理在圖1中示意性地示出。用于光譜測量裝置的方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器30至少包括由兩個分層地構(gòu)造的一維的光子結(jié)構(gòu)36、37；25a、25b構(gòu)成的機構(gòu)，其中，兩個結(jié)構(gòu)36、37；25a、25b中的每一個都包含缺陷層32、34，其中，每個光子結(jié)構(gòu)36、37；25a、25b具有圖3所示的能量動量空間e、kx、ky中的色散函數(shù)f1、f2，其中，kx和ky是針對能量動量空間e、kx、ky中的一定能量(頻率/波長)e來說光子結(jié)構(gòu)36、37、25a、25b的透射的光子的動量分量，其中，兩個光子結(jié)構(gòu)36、37；25a、25b具有對置的邊界面42、43，邊界面具有相互平面平行的間距dd。

根據(jù)本發(fā)明，兩個光子結(jié)構(gòu)36、37；25a、25b的圖3所示的色散函數(shù)f1、f2在能量動量空間e、kx、ky中交叉或相交，并且在一定能量e下在色散函數(shù)f1、f2的表面上產(chǎn)生波的光束的交集a，其中，波的交集a的光束包含在某一角度下穿過濾波器30有選擇地選定的波11a、11b，而在另外的角度下的另外的波13a、13b被濾波器30反射。

光源10a和探測器10b屬于圖1所示的具有方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器30的裝置1，在光源和探測器之間至少布置有方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器30。

方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器30以如下方式構(gòu)造，即，存在

在與濾波器30交互作用之前在匹配的傳播方向上對于濾波器來說諧振的光子波11a，

在與濾波器30交互作用之后在匹配的傳播方向上對于濾波器來說諧振的光子波11b，

在與濾波器30交互作用之前在匹配的傳播方向上對于濾波器來說非諧振的光子波12a，

在與濾波器30交互作用之后在匹配的傳播方向上對于濾波器來說非諧振的光子波12b，

在與濾波器30交互作用之前在不匹配的傳播方向上對于濾波器來說諧振的光子波13a，

在與濾波器30交互作用之后在不匹配的傳播方向上對于濾波器來說諧振的光子波13b。

僅有從光源10a垂直地入射到濾波器30上的負載有比能量的和設(shè)有預(yù)定的傳播方向的光子束11a穿過濾波器30。所有另外的光子束，甚至那些具有和被透過的光子束11a相同能量的、但傾斜于進入面40地沿不同方向傳播的光子束13a被濾波器30作為波13b朝光源10a的方向向回反射。

根據(jù)本發(fā)明的濾波器30的結(jié)構(gòu)示例性地示意性地在圖2中示出。

圖2中的方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器30至少包括兩個分層的一維的光子結(jié)構(gòu)36、37的機構(gòu)和具有間距dd的厚度的層狀的間距件33，其中，一個結(jié)構(gòu)36包含至少兩個反射的鏡層31a、31b，而另一結(jié)構(gòu)37包含至少兩個反射的鏡31c、31d，該間距件用于連接兩個光子結(jié)構(gòu)36、37，它們在間距件33的表面?zhèn)?8、39上以對置連接的方式貼靠。

可選地可以安設(shè)有基底35，基底以光子結(jié)構(gòu)37與光子結(jié)構(gòu)的外面41直接接觸。

因此，圖2示出分層地構(gòu)造的一維的光子結(jié)構(gòu)36、37，它們至少由兩個交替布置且表現(xiàn)為反射的介電鏡的層31a、3b；31c、31d構(gòu)成，其中，在鏡層31a和31b之間以及在鏡層31c和31d之間分別布置有缺陷層32、34，其中，鏡層31a、31b以及31c、31d具有在濾波器30的整個工作光譜上不同折射率的不同介電特性，并且其中，鏡層31a、31b以及31c、31d的厚度d以如下方式構(gòu)造，即，使其導(dǎo)致預(yù)定的濾波器模式60周圍的截止區(qū)域52的擴大。

在圖2中分層地構(gòu)造的一維的光子結(jié)構(gòu)36、37具有缺陷層32；34，其增強了預(yù)定的濾波器模式60，其中，缺陷層32、34分別位于兩個介電鏡層31a與31b之間以及31c與31d之間，其中，鏡層31a、31b以及31c、31d分別構(gòu)造為具有預(yù)定的折射率的介電材料層。

缺陷層32、34可以要么具有固定不變的光學(xué)厚度d，要么具有可變的光學(xué)厚度d。

在兩個分層的一維的光子結(jié)構(gòu)36、37內(nèi)所使用的缺陷層32、34可以具有不同的折射率。

在兩個分層的一維的光子結(jié)構(gòu)36、37內(nèi)缺陷層32、34的光學(xué)厚度d可以具有相同的光學(xué)厚度，或者區(qū)別可以在于半波長的整數(shù)倍或與這些值(數(shù)百分比)不同地構(gòu)造。在圖2中，缺陷層32和34例如分別具有不同的厚度d32和d34。

兩個光子結(jié)構(gòu)36、37之間的間距件33在濾波器30的諧振頻率的狀態(tài)下是光學(xué)透明的，并且可以具有比在光源10a側(cè)入射的通過濾波器30分析的光射束11a的相干長度更大的光學(xué)厚度dd。

基底35在預(yù)定的濾波器模式60的諧振頻率的狀態(tài)下是光學(xué)透明的，方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器30針對/遵循該預(yù)定的濾波器模式來制造或緊固。基底35是非強制性地需要，但可以用作濾波器30的穩(wěn)定保持件。

間距件33具有確保濾波器30的預(yù)定的工作方式的機械特性，并且間距件像用于兩個光子結(jié)構(gòu)36、37的透明基底那樣被裝入，兩個光子結(jié)構(gòu)分別與間距件33的兩個表面?zhèn)?8、39緊固。

隨后詳細闡述功能原理：

為了實現(xiàn)濾波器30，使用兩個大面積的一維的光子晶體形式的光子結(jié)構(gòu)36、37的機構(gòu)，其中，兩個光子結(jié)構(gòu)包含缺陷層32、34，缺陷層分別可以是空位層。在兩個結(jié)構(gòu)36、37中，電磁場e根據(jù)圖3和4以沿垂直于鏡層31a、31b以及31c、31d的空間方向被阻尼的方式構(gòu)造，并且基本的預(yù)定的濾波器模式60是在空位平面中具有色散的光子模式的連續(xù)譜的開始。

然而，依賴于一維的光子晶體36、37的特別的機構(gòu)，相對應(yīng)的靠內(nèi)的平面?zhèn)鞑ハ蛄靠梢员憩F(xiàn)與靠外的傳播角度的函數(shù)不同的情況，并且在基本的預(yù)定的濾波器模式60方面導(dǎo)致不同的色散關(guān)系。因此，當光傳播通過兩個這種平行布置的光子結(jié)構(gòu)36、37的機構(gòu)時，針對所提到的機構(gòu)的色散關(guān)系變得離散，并且將調(diào)整限制到特別的角度上。在該意義下，這種機構(gòu)和真實的、三維受限的光學(xué)機構(gòu)剛好相同地表現(xiàn)，盡管其不具有真實的光學(xué)限界內(nèi)表面，并且沒有導(dǎo)致內(nèi)電磁場e的附加的提高。然而，近似三維受限的、一維的機構(gòu)相對于真實的三維光子晶體具有非常明顯的和可識別的優(yōu)點。近似三維光子濾波器的大的面以如下方式簡單地制造，即，光子結(jié)構(gòu)36、37可以僅在一個維度(機構(gòu)中的最短的維度)上受到調(diào)控。

在圖3中示出在常見的情況下，也就是當在kx²+ky²＝常數(shù)時存在一維的光子結(jié)構(gòu)的色散依賴性(色散函數(shù)f1、f2)的情況下的視圖，其中，圖3a是射束路徑的角色散的不同的拋物面區(qū)域25a和25b之間的關(guān)系，并且圖3b是濾波器30中的射束路徑a、b、c。在此，kx和ky是平面中的光子的動量分量。

在拋物面區(qū)域25a和25b的相交區(qū)域a中得到角度相交區(qū)域26，其中，在以某一角度入射的波11a的情況下，射束路徑a具有透過濾波器30的波11b。

在本發(fā)明的意義下的拋物面區(qū)域的相交區(qū)域a以如下方式形成，即，兩個在圖3中示出的色散函數(shù)f2和f1分別由第二光子結(jié)構(gòu)(晶體)25b和第一光子結(jié)構(gòu)(晶體)25a以如下方式構(gòu)造，即，f2描述了在能量動量空間e、kx、ky中的更為敞開的拋物線，其頂點在能量上位于f1的頂點的上方，或者與f1的頂點重合。間距必須以如下方式選擇，使得光子的動量分量的相交區(qū)域仍處于全反射的條件下。在頂點f1和頂點2f重合的臨界情況下得到的是，兩個光子結(jié)構(gòu)(晶體)25a、25b使垂直入射的光透射，但傾斜入射的光要么不滿足f1，要么不滿足f2，并且因此被反射。

圖4示出在特殊情況下，也就是當在kx²+ky²＝0時存在兩個一維的光子結(jié)構(gòu)的色散依賴性的情況下的視圖，其中，圖4a是角色散的不同區(qū)域之間的關(guān)系，并且圖4b是濾波器30中的射束路徑a、b、c。

在拋物面區(qū)域25a和25b的相交區(qū)域a中得到拋物面區(qū)域25a、25b的頂部區(qū)域中的角度相交區(qū)域26，其中，在垂直入射的波11a的情況下，射束路徑a具有透過濾波器30的波11b，并且作為垂直入射的特殊情況下都是適用的。

在圖3和圖4中，光子結(jié)構(gòu)36和37是晶體，其中，第一光子結(jié)構(gòu)36是大面積的具有第一色散的第一一維光子晶體20a，而第二光子結(jié)構(gòu)是大面積的具有第二色散的第二一維光子晶體20b。

圖5示出方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器30針對偏振光的計算出的透射率作為光子能量和空氣中的傳播角度的函數(shù)，其中，方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器30以如下方式構(gòu)造，即，其諧振模式位于光子截止區(qū)域52的中間，并且具有受限的12度的檢測角度。為了計算使用轉(zhuǎn)移矩陣法。在該模型中的濾波器僅由在可見光譜中是光學(xué)透明的介電材料構(gòu)成的。所有diof結(jié)構(gòu)由不同厚度的二氧化硅(sio2)和二氧化鈦(tio2)層的機構(gòu)構(gòu)成。在該模擬中，介電微諧振器在間距件33的兩側(cè)成形出一維的光子結(jié)構(gòu)36、37，間距件由厚的sio2層構(gòu)成。所有鏡都構(gòu)造為dbr(分布式布拉格反射鏡)，其在設(shè)計波長為650nm的情況下分別具有七個層對。諧振層(缺陷層)由具有λ/2或λ的光學(xué)層厚(在650nm的情況下)的二氧化硅或二氧化鈦構(gòu)成。

此外，圖6示出方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器30針對偏振光的計算出的透射率作為光子能量和空氣中的傳播角度的函數(shù)，其中，方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器30以如下方式構(gòu)造，即，其諧振模式位于大約40度，并且具有大約4度的檢測角度范圍71。在該情況下，諧振層的層厚針對二氧化鈦是2.07λ/4，或者針對二氧化硅是1.93λ/4。除了兩個微諧振器的邊界頻率的不協(xié)調(diào)以外，兩個結(jié)構(gòu)的明顯不同的折射率(在650nm的情況下，針對二氧化鈦是～2.2，針對二氧化硅是～1.46)提供了兩個色散拋物線在k＞0時的不同的曲率。

圖5和圖6示出了低能量邊帶51和高能量邊帶53。在它們之間存在截止區(qū)域52。在截止區(qū)域52內(nèi)存在非檢測角度范圍72和檢測角度范圍71。檢測角度范圍71在圖5中是大約12度，而非檢測角度范圍72在圖5中是大約46度，并且在圖6中，檢測角度范圍71是大約4度，而非檢測角度范圍72在區(qū)域形狀72a中是大約38度，在區(qū)域形狀72b中是大約33度。

在圖6中，具有大約4度的檢測范圍71位于兩個72c和72b之間。濾波器模式也在檢測范圍71中。

圖7示出角度分辨的光譜函數(shù)，其利用sio2/tio2結(jié)構(gòu)36和37測量，并且以根據(jù)本發(fā)明的濾波器30為基礎(chǔ)，其中，濾波器30以如下方式構(gòu)造，即，其在25度時，在接近角為10度時示出諧振透射率最大值，并且在所有其他的角度下強烈地減弱。

圖8示出角度分辨的光譜函數(shù)，其利用sio2/tio2結(jié)構(gòu)36和37測量，并且以濾波器30為基礎(chǔ)，其中，濾波器30以如下方式構(gòu)造，即，其在0度附近，在接近角為20度時示出諧振透射率最大值，并且在更大的角度下強烈地減弱。

存在很多不同的應(yīng)用可能性，它們僅以根據(jù)本發(fā)明的濾波器30的運行方式為基礎(chǔ)。例如為了制造具有預(yù)定的濾波器模式的很小的接收角的大面積濾波器，根據(jù)本發(fā)明的濾波器削弱了圓對稱，并且根據(jù)本發(fā)明的濾波器例如用于在大的角度范圍上調(diào)控大面積濾波器，用以進行保護隱私、用以提高敏感度以及用以識別錯誤，這些是在大多數(shù)情況下設(shè)置好的應(yīng)用。

該濾波器具有至少兩個大面積的光子結(jié)構(gòu)。該濾波器在許多方面像常規(guī)的干涉式光學(xué)濾波器那樣表現(xiàn)，不同之處在于，除了波長選擇性和偏振選擇性以外，還添加有方向限制。由此，濾波器可以使針對受限的角度范圍滿足諧振條件的光子透過，而濾波器有效地抑制了在其他角度下的傳播。透射方向相對于濾波器法線是軸對稱的，并且可以通過光子結(jié)構(gòu)的構(gòu)造精確地設(shè)定(主動或被動)。這也包含如下特殊情況，即，光子僅在垂直入射的情況下透射。

鏡31a、31b；31c、31d對于濾波器30來說非常重要。準確的說，鏡必須是光子結(jié)構(gòu)(例如介電鏡)，光可以推進到這些光子結(jié)構(gòu)中，直到到達特定的進入深度，并且在此在反射后有相移。在兩個結(jié)構(gòu)36、37中，對光相位的影響必須是不同的，這導(dǎo)致色散關(guān)系的不同的曲率。鏡31a、31b；31c、31d在此不必是完美的光子結(jié)構(gòu)(例如針對精確限定的設(shè)計波長的λ/4層)。當兩個光子結(jié)構(gòu)36、37彼此不同，并且與其理想值(例如恰好λ/4或λ/2的多倍)稍微不同時，達到濾波器作用的最好結(jié)果。

當濾波器(其具有光子結(jié)構(gòu)和光學(xué)間距件)30由兩個平坦的介電微諧振器構(gòu)成時，鏡31a、31b；31c、31d作為特殊情況使用。

當光在諧振層內(nèi)振蕩時，曲率可以通過光到鏡31a、31b；31c、31d中的進入深度和相移的特定交互作用來控制。但由此同時，色散特性嚴格來說不是拋物線形，因此它們可以交叉。

當間距層33的厚度dd大于光的相干長度時，兩個光子結(jié)構(gòu)36、37“相干去耦”，并且濾波器30僅具有單個諧振。針對例如具有相干長度為數(shù)μm的太陽光，例如100μm的間距件33是已經(jīng)足夠的，因此，濾波器30在“相干去耦的”機制下工作。

附圖標記列表

1裝置

10a光子發(fā)射器件/光源

10b光子檢測器件/光子探測器

11a在與濾波器交互作用之前在匹配的傳播方向上對于

濾波器來說諧振的光子波

11b在與濾波器交互作用之后在匹配的傳播方向上對于

濾波器來說諧振的光子波

12a在與濾波器交互作用之前在匹配的傳播方向上對于

濾波器來說非諧振的光子波

12b在與濾波器交互作用之后在匹配的傳播方向上對于

濾波器來說非諧振的光子波

13a在與濾波器交互作用之前在不匹配的傳播方向上對

于濾波器來說諧振的光子波

13b在與濾波器交互作用之后在不匹配的傳播方向上對

于濾波器來說諧振的光子波

20a具有第一色散的大面積的第一一維光子晶體

20b具有第二色散的大面積的第二一維光子晶體

25a用于構(gòu)造濾波器的第一一維晶體的色散關(guān)系

25b用于構(gòu)造濾波器的第二一維晶體的色散關(guān)系

26濾波器的色散關(guān)系

30方向選擇性干涉式光學(xué)濾波器

31a反射的介電鏡層/介電材料層

31b反射的介電鏡層/介電材料層

31c反射的介電鏡層/介電材料層

31d反射的介電鏡層/介電材料層

32第一缺陷層

33間距件或基底

34第二缺陷層

35基底

36第一光子結(jié)構(gòu)

37第二光子結(jié)構(gòu)

38第一表面?zhèn)?/p>

39第二表面?zhèn)?/p>

40進入面的平面

41結(jié)構(gòu)的外面

42第一光子結(jié)構(gòu)的邊界面

43第二光子結(jié)構(gòu)的邊界面

51濾波器的低能量邊帶

52截止區(qū)域

53濾波器的高能量邊帶

60濾波器的預(yù)定的濾波器模式

71檢測角度范圍

72死角范圍/非檢測角度范圍

72a非檢測角度范圍

72b非檢測角度范圍

90大面積的光子探測器

91平行的光射束，其覆蓋能量范圍內(nèi)的濾波器模式，

并且垂直于濾波器表面地傳播

92a在散射過程前并且在與濾波器交互作用前對于濾波

器來說諧振的光子波

92b在散射過程后并且在與濾波器交互作用前對于濾波

器來說諧振的光子波

92c在與濾波器交互作用后在不匹配的傳播方向上對于

濾波器來說諧振的光子波

92d在與濾波器交互作用后在匹配的傳播方向上對于濾

波器來說諧振的光子波

d介電鏡/介電材料層的厚度

d缺陷層的厚度

dd間距件或基底的厚度/間距

a第一射束路徑

b第二射束路徑

c第三射束路徑

f1色散函數(shù)

f2色散函數(shù)