CN100462746C - 光学低通滤波器 - Google Patents

Abstract

一种光学低通滤波器，其包括层迭设置的一第一光栅、一第二光栅及一第三光栅，其特征在于该第一光栅对第一波段的光线产生绕射，该第二光栅对第二波段的光线产生绕射，该第三光栅对第三波段的光线产生绕射，且第一光栅、第二光栅及第三光栅的绕射方向互不相同。该光学滤波器可使较低空间频率的光谱通过而滤除较高空间频率的光谱。

Description

光学低通滤波器

【技术领域】

本发明是关于一种光学滤波器，特别是关于一种光学低通滤波器(Optical Low Pass Filter，OLPF)。

【背景技术】

随着多媒体技术的发展，数码照相及摄像越来越为广大消费者青睐，其采用图像传感器取代传统的胶片成像，既方便又经济，且通过图像传感器感测后直接转变为电子装置易于识别的数字图像。目前，数码照相模组已经广泛应用于相机、摄像机、个人电脑摄像头、手机、个人数字助理(PDA，Personal DigitalAssistant)等，但是当前广泛用作图像传感器的是电荷耦合器件(Charge Coupled Device，下称CCD)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，下称CMOS)图像传感器等固态成像器件，其最为重要的是避免莫尔效应。为此，在数码照相模组的透镜和图像传感器的成像表面之间需要通过光学低通滤波器来使低频光谱通过而滤除高频光谱，从而去除噪声的干扰及去除彩色莫尔条纹(Moire Fringe)，而使CCD或CMOS的成像分辨率提高。

一种现有低通滤波片是采用双折射片，请参照图1，其是双折射片的折射分光示意图，入射在该双折射片一表面上的入射光束I在通过该双折射片1时被分束为正常光线Io和非常光线Ie两束，正常光线Io和非常光线Ie之间的间距为D。则双折射片1的厚度H和折射率与该间距D的关系满足下式：

$D=H\frac{n_e^2-n_o^2}{{2n}_e{n}_o}$

其中H表示双折射片的厚度，n_e表示非常折射率，n_o表示寻常折射率。

请参照图2，该采用双折射片的光学低通滤波器10包括层迭放置的一个X方向双折射片11和一个Y方向双折射片12，其使得入射光束I通过该光学低通滤波器10后沿X方向和Y方向分离。垂直入射在光学低通滤波器10表面上的入射光束I在X方向双折射片11处分成正常光线Io和非常光线Ie两束，并且这两束光Io、Ie的每一束在Y方向双折射片12处进一步又被分别分成正常光线Ioo、非常光线Ioe及正常光线Ieo、非常光线Iee。从而一入射光束I在到达图像传感器13时被分成四束Ioo、Ioe、Ieo、Iee。该光学低通滤波器10通过将一束入射光分成四束，便将具有较高空间频率的图像在图像传感器13采样之前转换成了较低的空间频率从而实现低通功能，衰减引起莫尔条纹像的仿真信号。

但是，目前图像传感器像素单元间距处于变小的趋势。即在近年所制造的CCD中，有用与以往同样尺寸的设计使其单元间距变小来增加像素数(例如，从200万像素增加到300万像素等)的趋势。因此，伴随着CCD的单元间距的缩短，就需要将光学低通滤波器对光的分离宽度缩小，即上述D缩小。为缩小光学低通滤波器的分离宽度，就需要使构成光学低通滤波器的各双折射板的厚度H变薄。而采用较薄厚度的双折射片，其研磨加工很困难，已成为成本增加的主要原因。另外，在双折射片的组合方面，由于实际上水晶块并不会生长得那幺大，因而大型的双折射片很难得到。且在双折射片分割为多个光学低通滤波器的多个取得工序中，会产生材料的损失，效率很差。另外，该光学滤光片的光分离宽度在产品制成后双折射片的厚度已经具体确定，其仅能用于具有特定像素单元间距的图像传感器，应用范围较窄。

【发明内容】

有鉴于此，实有必要提供一种应用范围广的光学低通滤波器。

一种光学低通滤波器，其包括层迭设置的一第一光栅、一第二光栅及一第三光栅，其特征在于该第一光栅对第一波段的光线产生绕射，该第二光栅对第二波段的光线产生绕射，该第三光栅对第三波段的光线产生绕射，且第一光栅、第二光栅及第三光栅的绕射方向互不相同。

所述光学低通滤波器，其采用光栅层迭设置，其光栅的饶射波长及绕射角度可以灵活设置，且其对光线的分离宽度可以通过光学低通滤波器与图像传感器之间的距离灵活调控，可应用于各种不同像素间距的图像传感器，应用范围广。

【附图说明】

图1是是双折射片的折射分光示意图。

图2是现有光学低通滤波器的结构与光路示意图。

图3是本发明光学低通滤波器一实施方式的结构及分光示意图。

图4是图3中的光栅结构及分光示意图。

图5是本发明光学低通滤波器另一实施方式的结构及分光示意图。

图6是本发明光学低通滤波器又一实施方式的结构及分光示意图。

【具体实施方式】

请参阅图3，其是本发明光学低通滤波器的一实施方式的结构及光路示意图，该光学低通滤波器20包括三光栅21、22、23及一保护层24，其设置于成像模组的透镜(图未示)和图像传感器25之间以滤除高频光谱。该图像传感器25包括多个呈矩阵排列的像素区间A。

请配合参阅图4，其是上述光栅21、22及23的结构及光路示意图。上述光栅一般包括一透明光栅基片200及一设置于该基片上的光栅层201，该光栅层201可由重铬酸安明胶或感光高分子于透明光栅基片200涂布形成。光线通过光栅层201一般会发生饶射，在入射光波长远小于光栅周期时，光栅的饶射现象需要满足下列相位匹配公式：

$\frac{\mathrm{n\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{\θ}\≈\frac{2\mathrm{n\π}}{\mathrm{\Λ}}$

其中λ₀为入射光波长，Λ为光栅周期，θ为绕射光栅的绕射角。则根据需要设计光栅层201的参数即可使光栅对特定波长范围的光线产生绕射，而对其它波长范围的光线无特别影响。

请再参阅图3，为便于说明，定义图3中图像传感器25的长边方向为X方向，短边方向为Y方向，而X方向与Y方向的夹角方向为Z方向，通常X方向与Y方向相互垂直，而Z方向位于X方向与Y方向之间且与X方向及Y方向分别呈45度。该光学低通滤波器的光栅21、22、23及保护层24相互层迭设置，其中光栅21及22对绿光波段范围的光线产生绕射，且其绕射方向分别为X方向及Y方向，即绿光波段范围的光线通过光栅21将绕射至X方向，而其通过光栅22将绕射至Y方向；光栅23可对红光波段范围的光线产生绕射，且其绕射方向为Z方向，即红光波段范围的光线通过光栅23将绕射至Z方向。结合图像传感器25说明，以其中一区间为例说明，则对应于区间A1的一束光线入射至该光学低通滤波器20表面，红光波段的光线通过光栅23后绕射至Z方向，而光栅21及22对其无影响，其通过光栅23与图像传感器25之间的间隔后入射至区间A3；绿光波段的光线通过光栅23其传输不受影响，而其通过光栅22后将绕射至Y方向，当再次通过光栅21时，通过光栅22后的光线在Y方向的分量将不受光栅21影响，其通过光栅22与图像传感器之间的间隔后入射至区间A4，而在垂直于光栅21的分量将绕射至X方向，其通过光栅21与图像传感器25之间的间隔后入射至区间A2；蓝光波段的光线通过光栅21、22及23则不会发生绕射而直接传输至区间A1。亦即，光线通过该光学低通滤波器20后，一束入射光在到达图像传感器25时将被分成四束，从而将具有较高空间频率的图像在图像传感器25采样之前转换成了较低的空间频率，从而实现低通功能。

为了降低光线在通过保护层24、光栅23、光栅22及光栅21的表面时的反射，保护层24和光栅23、光栅22、光栅21一般采用相同折射率的材料制造。

为减少后续组装及调整过程，该光学低通滤波器20通常与图像传感器25设置为一模组，其根据图像传感器25像素区间的距离以一特定距离设置于图像传感器25表面。一般是在光学低通滤波器20和图像传感器25之间设置一特定厚度的透明材料26用以支撑及定位光学低通滤波器20。

请参阅图5，其是本发明光学低通滤波器的另一实施方式，其与前述实施方式基本相似，不同在于该光学低通滤波器中同时设置了红外截止滤光片。该光学低通滤波器30包括依次层迭设置的红外截止滤光片37、光栅31、光栅32、光栅33及保护层34，其中光栅31和光栅32对绿光波段的光饶射，且绕射方向为别为X方向及Y方向，光栅33对红光波段的光饶射，且绕射方向为别为Z方向。

请参阅图6，其是本发明光学低通滤波器的又一实施方式，该光学低通滤波器40包括依次层迭设置的光栅41、光栅42、光栅43及保护层44，其中光栅41和光栅42对绿光波段的光饶射，且绕射方向为别为X方向及Y方向，光栅43对红光波段的光饶射，且绕射方向为别为Z方向。保护层44上设置有一对应于图像传感器45像素区间的光孔阵列，其包括若干周期排列的通光结构B，该通光结构包括四个区间B1、B2、B3、B4，其分别与中对应于图像传感器45的像素区间A1、A2、A3、A4，其中区间B1为透明透光区，而区间B2、B3、B4为不透光区，其通常以涂布深色颜料形成。如此，入射到该光学低通滤波器40的光线通过该光学低通滤波器40到达图像传感器45即以三原色(红色、绿色、蓝色)相互分离并分别传送至不同图像传感区间由相应图像传感单元记录，从而使该光学低通滤波器40可兼作彩色滤光片。

可以理解，上述光学低通滤波器的三光栅以及红外截止滤光片的顺序也可以相互调换，且三光栅之绕射波段及绕射方向亦可根据需要作相应分布设置，如分别对应于第一波段、第二波段、第三波段及第一绕射方向、第二绕射方向、第三绕射方向。另外，还可根据需要在该光学低通滤波器内设置其它光学滤波器，且其它光学滤波器可直接在光栅的透明基片或保护层上镀覆形成。再次，亦可将其中二光栅设置在同一透明基片的两侧。

所述光学低通滤波器，其采用光栅层迭设置，其光栅的饶射波长及绕射角度可以灵活设置，且其对光线的分离宽度可以通过光学低通滤波器与图像传感器之间的距离灵活调控，可应用于各种不同像素间距的图像传感器，应用范围广。

Claims (13)

1.一种光学低通滤波器，其包括层迭设置的一第一光栅、一第二光栅及一第三光栅，其特征在于该第一光栅对第一波段的光线产生绕射，该第二光栅对第二波段的光线产生绕射，该第三光栅对第三波段的光线产生绕射，且第一光栅、第二光栅及第三光栅的绕射方向互不相同。

2.如权利要求1所述的光学低通滤波器，其特征在于：该第一波段与第二波段相同。

3.如权利要求2所述的光学低通滤波器，其特征在于：该第一波段与第二波段为绿光波段。

4.如权利要求3所述的光学低通滤波器，其特征在于：该第三波段为红光波段。

5.如权利要求1所述的光学低通滤波器，其特征在于：该第一光栅与第二光栅的绕射方向相垂直。

6.如权利要求5所述的光学低通滤波器，其特征在于：该第三光栅的绕射方向在第一光栅与第二光栅的绕射方向之间。

7.如权利要求1所述的光学低通滤波器，其特征在于：该光学低通滤波器包括一保护层，其设置于第三光栅表面用于保护该第一光栅、第二光栅及第三光栅。

8.如权利要求7所述的光学低通滤波器，其特征在于：该第一光栅、第二光栅、第三光栅及保护层由相同折射率的材料制造。

9.如权利要求1所述的光学低通滤波器，其特征在于：该光学低通滤波器包括一红外截止滤光片，其设置于第一光栅表面。

10.如权利要求1所述的光学低通滤波器，其特征在于：该第一光栅、第二光栅及第三光栅分别包括一透明光栅基片及设置于该透明光栅基片上的光栅层。

11.如权利要求10所述的光学低通滤波器，其特征在于：该光栅层由重铬明胶或感光高分子于该透明光栅基片涂布形成。

12.如权利要求7所述的光学低通滤波器，其特征在于：该光学低通滤波器包括一光孔数组，该光孔数组包括多个周期排列的通光结构。

13.如权利要求12所述的光学低通滤波器，其特征在于：该光孔数组设置于该保护层。

Images