CN102749667A - 用于图像芯片的光学滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于图像芯片的光学滤波器，它包括基板和镀在该基板上的滤波多层膜，滤波多层膜是由电介质薄膜和金属薄膜交替组成的5层以上的奇数层膜，且滤波多层膜的两端均为电介质薄膜；电介质薄膜在可见光区中心波长的折射率大于2.3，金属薄膜在可见光区中心波长的实部折射率小于0.1、虚部折射率大于3.0。基板为普通光学玻璃或光学塑料。由于这种电介质薄膜和金属薄膜交替组成的滤波多层膜可使光线入射角引起的透射-截止过渡区的波长漂移减小，因此可以不必使用特殊的蓝玻璃基板或蓝塑料基板来制造图像芯片的滤波器，而代之以普通的透明光学玻璃或光学塑料。

Description

用于图像芯片的光学滤波器

技术领域

本发明涉及一种用于数码摄像图像芯片的光学滤波器，属于光学器件领域，主要应用于数码相机、手机摄像头和监控摄像等影像采集系统。

背景技术

用于数码影像技术的图像芯片CCD、CMOS是一种离散像素的光电探测器，根据奈奎斯特定理，一个图像芯片能够分辨的最高空间频率等于它的空间采样频率的一半，这个频率称为奈奎斯特极限频率。用CCD、CMOS摄像获取目标图像时，当抽样图像超过系统的奈奎斯特极限频率时，图像芯片中的高频谐波会和基频造成叠栅效应，产生莫尔条纹，影响图像质量，因此必须釆取措施消除这种空间高频谐波引起的图像干扰，光学滤波器就这样应运而生。光学滤波器常被置于图像芯片前面，以提高成像质量。

现用光学滤波器常采用一种特殊的蓝玻璃(型号为QB51)或蓝塑料(型号为FLXL100AA）作为基板，这种蓝玻璃或蓝塑料的特点是：透射-截止过渡区中透射率为50％的波长约为650nm，由于这个透射-截止过渡区是材料吸收产生的，所以这个650nm的波长不会因目标图像的光线入射角的变化而产生任何移动，因而能对以不同入射角进入摄像摄影镜头的图像获得均匀的彩色效果。在这种蓝玻璃或蓝塑料基板的两个表面上分别镀上隔红外滤光膜和隔紫外滤光膜而构成光学滤波器，使可见光高透射，红外光和紫外光截止。从上可知，透射可见光、截止红外光和紫外光的功能是由光学滤波多层膜完成的，而稳定透射-截止过渡区的波长是靠吸收型的蓝玻璃基板或蓝塑料基板实现的。那么，光学滤波多层膜为什么不能稳定透射-截止过渡区的波长呢？这是因为光学滤波多层膜是基于光的干涉产生透射-截止过渡区的，而干涉与光线入射角有关，或者说光学多层膜的厚度随着入射角的余弦而变化的，所以，摄像摄影镜头正前方的图像进入图像芯片的入射角最小，波长最长；镜头正前方两侧边缘视场的图像进入图像芯片的入射角最大，波长最短，这样，同样颜色的物体因为入射角变化而形成了不同颜色的图像，这就是现有光学滤波器必须采用一种特殊的蓝玻璃或蓝塑料作为基板的道理。

但是，无论是使用蓝玻璃基板还是蓝塑料基板，都有一些缺陷。对蓝玻璃基板而言：（1）为保证透射-截止过渡区具有足够的陡度，要求蓝玻璃基板较厚，但这会引起球差、色差等像差；（2）这种蓝玻璃目前只有日本独家供应，由于供不应求，价格很贵；（3）蓝玻璃的某些性能较差，如膨胀系数大、化学稳定性差、机械应力大、脆性，所以镀膜后切割成小片时极易破碎，也易腐蚀，降低了制造成品率；（4）重量重、体积大，在智能手机上的应用受到一些限制。对蓝塑料基板而言，（1）虽然所用的蓝塑料基板的厚度较薄，但在缓解像差的同时，却由于蓝塑料的柔性而带来了薄膜应力造成的基板变形的难题；（2）蓝塑料基板是一种有机材料，而薄膜都是无机材料，两者附着极易失败，或者说，膜层很难镀到蓝塑料基板上去；（3）蓝塑料基板的刚性差，在单反相机等大面积的图像芯片中的应用尚有困难。

事实上，一直以来，人们试图使用其他玻璃或塑料来替换光学滤波器目前所用的蓝玻璃或蓝塑料基板，但始终无法实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的用于图像芯片的光学滤波器，从而克服现有技术的部分或全部缺陷。

由于现有光学滤波器所用的蓝玻璃基板或蓝塑料基板存在上述各种问题，由此诱发思考的问题是：能否用普通光学玻璃或光学塑料作为基板，从而取代目前所用的特殊蓝玻璃或蓝塑料基板？这个问题的回答取决于：在摄影摄像应用中，当入射到图像芯片上的光线入射角为-14°~14°范围时，能否设计出透射-截止过渡波长区中透射率为50％的波长650nm处的漂移小于要求值3nm的光学滤波多层膜？

基于此，为降低薄膜系统对入射角的敏感性，减少波长漂移，发明人提出了以下构思：1.选用尽可能高的电介质薄膜折射率，因为根据折射定律，薄膜折射率越高，折射角越小，角敏感性越小；2.选用金属薄膜，因为一方面金属薄膜的行为相当于高折射率材料（金属薄膜为复折射率，无法直接与电介质薄膜比较折射率，其折射角亦为复角）；另一方面，光在金属薄膜中传播时吸收较大，干涉效应减弱(足够厚度时就不再干涉)，而且由于光在金属薄膜中传播时等幅面和等相面互不重合，所以传播波是非均匀波，这些特性对抑制或减小干涉、降低入射角的敏感性是非常有益的；3.金属薄膜的吸收较大、反射率高，尤其是常用的金属薄膜银(Ag)超过一定厚度时，基本上紫外、可见、红外区均因反射、吸收而不透光，这种特性又称其截止。而滤波器要求可见光区透射、红外和紫外光区截止。

为此，本发明利用高折射率的电介质薄膜诱导金属薄膜在可见光区的透射率，由此减少金属薄膜在可见光区的吸收和反射。因为薄膜的干涉取决于波长，使可见光区在干涉加强、增加透射的同时，使红外区和紫外区通过干涉减弱、保持金属薄膜的截止性能是可能的。

进一步，本发明将滤波多层膜设计成电介质薄膜和金属薄膜不断交替组成的奇数层多层膜结构，且滤波多层膜两端的最外层膜均为电介质薄膜。由于每层金属薄膜的两侧都有电介质薄膜诱导，因此，当可见光经过多次诱导的滤波多层膜后，可大幅减小滤波多层膜对可见光的反射率和吸收率，而对红外光和紫外光具有优良的截止效果。

具体地说，为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

本发明用于图像芯片的光学滤波器包括基板和镀在该基板上的滤波多层膜，所述滤波多层膜是由电介质薄膜和金属薄膜交替组成的5层以上的奇数层膜，且滤波多层膜两端的最外层膜均为电介质薄膜，所述电介质薄膜在可见光区的中心波长的折射率大于2.3，所述金属薄膜在可见光区的中心波长的实部折射率小于0.1、虚部折射率大于3.0。

进一步地，本发明用于图像芯片的光学滤波器可仅由基板和镀在该基板上的滤波多层膜组成。其中，滤波多层膜是由电介质薄膜和金属薄膜交替组成的5层以上的奇数层膜，且滤波多层膜两端的最外层膜均为电介质薄膜，所述电介质薄膜在可见光区的中心波长的折射率大于2.3，所述金属薄膜在可见光区的中心波长的实部折射率小于0.1、虚部折射率大于3.0。

进一步地，本发明所述滤波多层膜为5~13层。

进一步地，本发明所述基板的制作材料为透明的光学玻璃或透明的光学塑料。

进一步地，本发明所述光学玻璃为K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃或EagleXG玻璃；所述光学塑料为聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂。

进一步地，本发明所述电介质薄膜的材料为TiO₂、Nb₂O₅或ZnS。

进一步地，本发明所述金属薄膜为Ag薄膜。

综上可知，现有技术的蓝玻璃滤波器和蓝塑料滤波器所用的蓝玻璃基板和蓝塑料基板都有一些难以跨越的瓶颈：对蓝玻璃基板来说，为了保证透射-截止过渡区具有足够的陡度，蓝玻璃基板的厚度较厚，从而引起不可忽略的像差；这种蓝玻璃不仅价格贵，而且机械、化学性能差，制造成品率低；由于厚度厚、重量重，在智能手机中的应用受到一定限制。对蓝塑料基板来说，由于蓝塑料基板薄，在缓解像差的同时，却由于塑料的柔性而带来了薄膜应力造成的基板变形的难题；而且，无机的薄膜材料难以附着到有机的蓝塑料基板上去；由于蓝塑料基板的刚性差、厚度薄，在单反相机等大面积的图像芯片中的应用尚有困难。与现有技术相比，本发明由于基板上的滤波多层膜是由电介质薄膜和金属薄膜交替组成的奇数层膜，且每层金属薄膜的两侧都有电介质薄膜诱导，所以透射-截止过渡区的波长随入射角的漂移小于3nm。这样，本发明可不必采用现有技术所用的蓝玻璃基板或蓝塑料基板来稳定透射-截止过渡区的波长，而直接可用普通的光学玻璃或光学塑料取代作为滤波器的基板。而且，本发明的基板均能够做得比较薄，通常为0.1-0.2mm；并且，本发明的滤波多层膜的层数比现有技术的全介质滤波多层膜要少得多。这就是说，本发明的滤波多层膜同时具备可见光高透射、红外光和紫外光截止以及稳定透射-截止过渡区波长这两种性能，解决了本领域一直以来未能解决的技术难题，取得了预料不到的技术效果。

附图说明

图1是现有光学滤波器的蓝玻璃基板（QB51）的透射光谱曲线图；

图2是现有光学滤波器的蓝塑料基板（FLXL100AA）的透射光谱曲线图；

图3是本发明光学滤波器的结构示意图；

图4是本发明的滤波多层膜所用银膜的透射和反射光谱曲线图；

图5是由电介质薄膜-金属薄膜-电介质薄膜组成的三层滤波多层膜的透射光谱曲线图；

图6是本发明的一种5层结构滤波多层膜的透射光谱曲线图；

图7是本发明的一种9层结构滤波多层膜时在光线入射角为0°和14°时的透射光谱曲线图；

图8是一种38层全介质滤波多层膜在光线入射角为0°和14°时的透射光谱曲线图。

具体实施方式

图1是现有光学滤波器的蓝玻璃基板（型号为QB51）的透射光谱曲线图。如图1所示，由于蓝玻璃基板的透射-截止过渡区陡度欠佳，故需把其厚度增加到0.5mm。然而即便如比，其陡度依然较差（如图1所示）。

图2是现有光学滤波器的蓝塑料基板（型号为FLXL100AA）的透射光谱曲线图。图2所示的蓝塑料基板虽然厚度只有0.1mm，但其过渡波长区的陡度相对于图1所示的蓝玻璃基板有了明显的改进。然而不足的是，相比于蓝玻璃基板，蓝塑料基板仅提供了透射-截止过渡区，由于红外光区的透射率高，截止红外光所需的膜层数会比蓝玻璃基板更多。

由此可见，图1和图2所示的蓝玻璃基板或蓝塑料基板的共同功能是：提供了一个不随光线入射角变化的稳定的透射-截止过渡区(透射率为50％的波长约为650nm)。因为这个透射-截止过渡区是由蓝玻璃基板或蓝塑料基板的特征吸收形成的，所以这个透射率为50％的波长650nm不会因目标图像的光线入射角变化而产生漂移，因而能使以不同入射角进入摄影摄像镜头的图像获得均匀的彩色效果。

但是，由于蓝玻璃基板或蓝塑料基板存在着各种各样的缺陷，所以本发明试图用透明的普通光学玻璃基板或光学塑料基板取代现有技术的特殊蓝玻璃基板或蓝塑料基板，以解决本领域技术人员一直以来期待解决的技术难题。采用本发明的技术方案，基板可使用常用的价格低廉且性能优良的普通透明光学玻璃或光学塑料。例如，K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃或EagleXG玻璃等常用的透明光学玻璃，这些玻璃具有以下共性：折射率低，透光性好，重量轻，机械、化学、热性能优良，再加工容易，价格便宜。特别是，D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃和EagleXG玻璃都是采用批量生产新工艺——引上法、平拉法和浮法——制造的，所以价格很低。而本发明采用透明的光学塑料作为基板时，亦可选用常见的聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂等。在摄影摄像应用中，入射到图像芯片上的光线入射角范围约为-14°~14°，本发明的光学滤波器可以获得此入射角范围下，透射-截止过渡区在透射率为50％的波长650nm处的漂移小于3nm的光学滤波多层膜。

如图3所示，本发明光学滤波器主要由基板1以及基板1上的滤波多层膜4构成。其中，滤波多层膜4是由高折射率的电介质薄膜2和金属薄膜3交替组成的奇数层膜，且作为滤波多层膜组成的两端最外层膜均为电介质薄膜，由此，每一层金属薄膜的两侧均有电介质薄膜作诱导，把可见光区的透射率尽可能多地诱导出来。电介质薄膜在可见光区的中心波长550nm处的折射率应大于2.3，金属薄膜在可见光区的中心波长550nm处的实部折射率小于0.1、虚部折射率大于3.0。当不同入射角的入射光入射到本发明由电介质薄膜和金属薄膜交替构成的滤波多层膜4时，不仅能透过可见光、截止紫外光和红外光，而且能达到稳定的透射-截止过渡区。本发明的光学滤波器结构使得釆用透明的普通光学玻璃或光学塑料作为基板1成为可能。例如，选用常用的K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃、EagleXG玻璃等光学玻璃和常用的聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲脂等光学塑料。电介质薄膜2的材料可使用TiO₂、Nb₂O₅或ZnS等。作为优选方案，金属薄膜3的材料可选用银(Ag)。

以下以一种具有9层膜的滤波多层膜4为例进一步详细说明本发明。具体地说，在基底1上按以下顺序镀上滤波多层膜4：电介质薄膜2-Ag薄膜3-电介质薄膜2-Ag薄膜3-电介质薄膜2-Ag薄膜3-电介质薄膜2-Ag薄膜3-电介质薄膜2。作为本发明的一种实施例，滤波多层膜4的9层结构的组成可详见表1。其中，基板1采用B270玻璃。如图3所示，入射光从空气一侧（即图3的右侧）入射到滤波器的滤波多层膜4，透射的可见光从基板1一侧（即图3的左侧）出射，而反射的红外和紫外光则返回空气一侧。表1所例示的滤波多层膜是经过商用薄膜设计软件TFCal优化的，其中Ag膜有4层。

表1

图4是本发明的滤波多层膜所用银膜的透射和反射光谱曲线图。在表1所示的实施例中，4层Ag膜的总厚度为70.7nm，按此Ag膜厚度计算得到的透射(T)光谱曲线（如图4的曲线5所示）表明，可见光区（450-600nm）的平均透射率仅为1.1％，红外区（750-1200nm）的平均透射率为0.18％；按此Ag膜厚度计算得到的反射(R)光谱曲线（如图4的曲线6所示）表明，可见光区（450-600nm）的平均反射率为96.8％，红外区（750-1200nm）的平均反射率为98.7％。所以，此时金属薄膜实际上已构成一个典型的紫外光、可见光和红外光的反射镜。

为了在可见光区形成一个高透射率的透射区，本发明提出了诱导设计的概念及其方案：在滤波多层膜中设置多层金属薄膜，且在每层金属薄膜的两侧镀上高折射率的电介质薄膜。由于电介质薄膜的干涉作用，把每层金属薄膜在可见光区的透射率诱导出来。或者说，金属薄膜在可见光区的吸收和反射可大大降低，透射率增加，干涉最强；而此时红外区和紫外区的吸收和反射保持与图4的曲线基本不变，干涉最弱。

事实上，本发明的滤波多层膜的组成除了如表1所示外，根据光学滤波器的具体应用要求，本领域技术人员在预先知晓滤波多层膜具备以下结构特征的情形下：滤波多层膜是由电介质薄膜2和金属薄膜3交替组成的5层以上的奇数层膜，且滤波多层膜两端的最外层膜均为电介质薄膜（其中，电介质薄膜在可见光区的中心波长的折射率大于2.3，金属薄膜在可见光区的中心波长的实部折射率小于0.1、虚部折射率大于3.0），借助其熟悉的薄膜设计软件（如TFCal）进行优化设计，即可确定本发明的滤波多层膜所需的具体层数，以及每层金属薄膜和电介质薄膜的厚度，从而使获得的滤波多层膜能在有效截止红外光和紫外光的同时，提高可见光区的透射率。

需要说明的是，三层结构的滤波多层膜不能制作出具有实用价值的光学滤波器。图5是一种由电介质薄膜-金属薄膜-电介质薄膜组成的三层滤波多层膜的透射光谱曲线图，其中，金属薄膜为Ag膜。在此滤波三层膜结构中，由于仅有一层金属薄膜，为使该Ag膜对红外光和紫外光具有良好的截止作用，需使该层Ag膜的厚度较厚（如70.7nm），但这却导致可见光区的平均透射率不管怎么诱导也始终不足10％（如图5的曲线7所示），显然无法成为一个具有实用价值的光学滤波器。因此，为了提高可见光区的透射率，唯有减小Ag膜的厚度。然而，当Ag膜的厚度减薄（如29nm）时，虽然得到了如图5的曲线8所示的可见光区的最高透射率，但此时由于Ag膜减薄，却使红外光和紫外光失去了截止作用，所以，即使采用诱导技术，三层结构的滤波多层膜是不可能具有实用价值的。

而本发明在滤波多层膜结构中设置两层以上的金属薄膜，且在每层金属薄膜的两侧均有电介质薄膜进行诱导，则使可见光区的平均透射率经历至少两次以上的诱导，从而提高可见光区的透射率。图6是本发明的镀在B270玻璃基板上的由电介质薄膜和金属薄膜交替组成的5层滤波多层膜的透射光谱曲线图。由图6可以看出，可见光区(450-600nm)的平均透射率为88.9％，红外区(750-1200nm)的平均透射率为2.74％，紫外区(350-380nm)的平均透射率为33％,长波650nm附近的透射-截止过渡区中透射率为50％的波长漂移为2.0nm。由图6所示曲线显示，该结构的滤波多层膜能够满足光学滤波器的基本要求。

图7是本发明的镀在B270玻璃上的由电介质薄膜和金属薄膜交替构成的9层滤波多层膜在光线入射角为0°和14°时的透射光谱曲线图。图7所示曲线是根据表1所示的滤波多层膜的结构计算的，其中，B270玻璃基板的厚度取0.15mm，这已不仅具有足够的机械强度以满足光学滤波器的刚性要求，又可避免引入像差。表1所示的9层滤波多层膜的总厚度为317nm，其中4层Ag膜的总厚度为70.7nm，每层Ag膜的两侧都有高折射率的TiO2膜进行诱导。作为本发明的优选实施方式，在表1所示的实施例中，每层Ag膜的厚度在13～21nm之间，且自基板1向远离基板的方向上，各层Ag膜的厚度逐渐递增，这将有利于进一步降低可见光的吸收。此9层膜结构能够达到优良的性能：可见光区(450-600nm)的平均透射率为90％，红外区(750-1200nm)的平均透射率为0.34％，紫外区(350-380nm)的平均透射率为2.29％。同时对不同入射角的计算还得到，当光线入射到滤波器的入射角为0°和14°时(在入射角-14°~14°范围内，最小入射角为0°,最大入射角为14°)，短波415nm附近的透射-截止过渡区中透射率为50％的波长漂移为0.3nm，长波650nm附近的透射-截止过渡区中透射率为50％的波长漂移为1.9nm。从图7可以看出，用入射角0°和14°计算的两条透射光谱曲线几乎是重合在一起的，这说明本发明的电介质薄膜和金属薄膜交替构成的奇数层滤波多层膜随入射角变化的波长漂移已完全能满足实用要求（而实用要求为波长漂移小于3nm）。

而对于图8所示的B270玻璃上的38层全介质滤波多层膜而言，同样当光线入射角为0°和14°时，短波420nm附近的透射-截止过渡区中透射率为50％的波长漂移为3.1nm，长波650nm附近的透射-截止过渡区中透射率为50％的波长漂移为6.8nm。从图8也可以看出，用入射角0°和14°计算的两条透射光谱曲线分离较大，过渡波长区漂移明显，所以全介质滤波多层膜必须使用特殊蓝玻璃基板或蓝塑料基板才能满足光学滤波器对波长漂移的实用要求。

综上可见，本发明的光学滤波器与现有技术相比，由于其滤波多层膜只需很少的层数就能达到使用要求，其薄膜总厚度通常不及全介质滤波多层膜的1/10，这大大抑制了薄膜应力引起的基板变形，因此基板变形引起的像差可以忽略，基板变形带来的切割困难也可以避免。此外，本发明的由电介质薄膜和金属薄膜交替构成的滤波多层膜对入射角引起的波长漂移比现有技术的全介质滤波多层膜大大降低，因此用普通的光学玻璃或光学塑料取代现用的特殊蓝玻璃基板或蓝塑料基板后，同样可获得具有实用价值的滤波器。

Claims (7)

1.一种用于图像芯片的光学滤波器，其特征在于：它包括基板1和镀在该基板上的滤波多层膜4，所述滤波多层膜是由电介质薄膜2和金属薄膜3交替组成的五层以上的奇数层膜，且滤波多层膜两端的最外层膜均为电介质薄膜，所述电介质薄膜在可见光区的中心波长的折射率大于2.3，所述金属薄膜在可见光区的中心波长的实部折射率小于0.1、虚部折射率大于3.0。

2.根据权利要求1所述的用于图像芯片的光学滤波器，其特征在于：它由所述基板(1)和镀在该基板上的所述滤波多层膜（4）组成。

3.根据权利要求1或2所述的用于图像芯片的光学滤波器，其特征在于：所述滤波多层膜为5~13层。

4.根据权利要求1或2所述的用于图像芯片的光学滤波器，其特征在于：所述基板(1)的制作材料为透明的光学玻璃或透明的光学塑料。

5.根据权利要求4所述的用于图像芯片的光学滤波器，其特征在于：所述光学玻璃为K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃或EagleXG玻璃；所述光学塑料为聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂。

6.根据权利要求1或2所述的用于图像芯片的光学滤波器，其特征在于：所述电介质薄膜(2)的材料为TiO₂、Nb₂O₅或ZnS。

7.根据权利要求1或2所述的用于图像芯片的光学滤波器，其特征在于：所述金属薄膜(3)为Ag薄膜。

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