CN102798919A - 受抑波长漂移的截止滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种受抑波长漂移的截止滤光片，它包括基板和镀在该基板上的截止滤光膜，截止滤光膜包括依次排列的第一匹配次膜系、主膜系和第二匹配次膜系，且第一匹配次膜系位于主膜系和基板之间；主膜系由高折射率膜层和低折射率膜层交替组成，主膜系中的每层高折射率膜层的厚度为每层低折射率膜层厚度的3倍以上；第一匹配次膜系由低折射率膜层和高折射率膜层交替组成；第二匹配次膜系由高折射率膜层、低折射率膜层和中间折射率膜层重复组成，且最近的同种类的膜层之间由两层不同种类的膜层分隔。本发明可以使用普通光学玻璃基板和光学塑料基板替换现有光学滤波器中的蓝玻璃基板或蓝塑料基板。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于数码图像传感器的截止滤光片，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传感器CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）和图像传感器CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）是一种离散像素的光电探测器。用CCD、CMOS摄像获取目标图像时，图像传感器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传感器前面，以滤去高频谐波，改善图像质量。
现用的光学滤波器是采用一种特殊的蓝玻璃(型号为QB51)或蓝塑料(型号为FLXL100AA）基板以及隔红外和隔紫外滤光膜组成的，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%处的波长约为650nm，由于这个透射-截止过渡区是基板材料吸收产生的，所以这个650nm的波长基本上不会因目标图像的光线入射角变化而产生漂移，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。那么，现用的光学截止滤光膜为什么不能稳定透射-截止过渡区呢？这是因为现用光学截止滤光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，或者说光学截止滤光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传感器的入射角最小，波长最长；镜头正前方两侧边缘视场的图像进入图像传感器的入射角最大，波长最短。这种现象常称为“波长漂移”。这样，同样颜色的物体因为入射角变化引起的波长漂移而形成了不同颜色的图像，这就是现用光学截止滤光膜必须采用一种特殊的蓝玻璃或蓝塑料作为基板的道理，也就是说，必须依靠蓝玻璃基板或蓝塑料基板来限制透射-截止过渡区的波长漂移。
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传感器中的应用尚有困难。
事实上，一直以来，人们试图使用性能优良、价格便宜的其他玻璃或塑料来替换现用光学滤波器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受抑波长漂移的截止滤光片，它能够使透射-截止过渡区的波长漂移减小到满足使用要求的范围内，从而使光学滤波器中的蓝玻璃基板或蓝塑料基板可以被普通光学玻璃或普通光学塑料替换。
为了抑制截止滤光片的入射角引起的透射-截止过渡区的波长漂移，发明人提出了以下构思：1) 在尽可能减少膜层的情况下，选用折射率尽可能高的介质膜来制造截止滤光膜，因为根据折射定律，薄膜折射率越高，折射角越小；2) 在由低折射率膜层和高折射率膜层交替组成的截止滤光膜的主膜系中，选用的高折射率膜层的厚度为低折射率膜层的厚度的3倍以上，使光线主要传播在截止滤光膜的高折射率薄膜材料中，可以期望波长漂移显著降低。在此基础上，再在主膜系的两侧分别加上第一匹配次膜系和第二匹配次膜系，使可见光区获得尽可能高而且平坦的透射率。
具体地说，为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
本发明包括基板和镀在该基板上的截止滤光膜，所述截止滤光膜包括依次排列的第一匹配次膜系、主膜系和第二匹配次膜系，且第一匹配次膜系位于主膜系和基板之间；主膜系由高折射率膜层和低折射率膜层交替组成，且主膜系中的每层高折射率膜层的厚度为每层低折射率膜层的厚度的3倍以上；第一匹配次膜系由低折射率膜层和高折射率膜层交替组成；第二匹配次膜系由高折射率膜层、低折射率膜层和中间折射率膜层重复组成，且最近的相同种类的膜层之间由两层不同种类的膜层分隔。
进一步地，本发明可以仅由所述基板和镀在该基板上的截止滤光膜组成。
进一步地，本发明的截止滤光膜的总层数为40~60层。
进一步地，本发明的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，本发明的光学玻璃为K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃或EagleXG玻璃。
进一步地，本发明的光学塑料为聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂。
进一步地，本发明的高折射率膜层的折射率大于2.35。
进一步地，本发明的高折射率膜层的制作材料为TiO2、Nb2O5或ZnS。
进一步地，本发明的低折射率膜层的材料为SiO2。
进一步地，本发明的中间折射率膜层的材料为Ta2O5或HfO2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
相比于现有技术所用的蓝玻璃基板和蓝塑料基板，本发明的截止滤光片具有透射-截止过渡区陡度陡、可见光区透射高、红外光680~770nm和紫外光350~400nm的截止性能好等优点；与此同时，本发明的截止滤光片由于显著地抑制了入射角引起的透射-截止过渡区的波长漂移，所以可以取代现用蓝玻璃基板或蓝塑料基板的功效，从而使原有的蓝玻璃基板和蓝塑料基板能被普通光学玻璃和普通光学塑料替换；采用本发明的截止滤光片，后继只需在其基板的出射侧镀上另一个透射可见光而反射770~1100nm的普通隔红外滤光膜即可方便制作出完整的光学滤波器，而对现用蓝玻璃基板和蓝塑料基板，则需要制作比较复杂的透射可见光而反射680~1100 nm的宽波段隔红外和隔紫外滤光膜后才完成整个滤波器。
由于本发明的截止滤光膜可以镀在普通玻璃或普通塑料基板上，因此直接避免了现有技术使用蓝玻璃基板和蓝塑料基板的各种问题。特别是对蓝玻璃基板而言，由于其透射-截止过渡区陡度差、基板厚度厚，因此引起不可忽略的像差；蓝玻璃不仅价格昂贵，而且机械、化学性能差，制造成品率低；基板厚度厚、重量重，在智能手机中的应用受到一定限制。对蓝塑料基板而言，由于蓝塑料基板薄，在缓解像差的同时，由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，无机的薄膜材料在有机的蓝塑料基板上附着性差。特别需要强调的是，本发明所用的普通玻璃或普通塑料基板厚度可以做得比较薄，通常0.1~0.2mm巳具有足够的刚性；而且价格非常便宜，性能非常优良。
由于本发明在普通玻璃基板或普通塑料基板上镀制的截止滤光膜中选用了高折射率薄膜和增加了光在高折射率薄膜中传播的光程, 因而大大抑制了不同入射角引起的透射-截止过渡区的波长漂移。基于此原理制成的截止滤光片可以取代现用的蓝玻璃基板和蓝塑料基板，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是蓝玻璃基板（QB51）的透射光谱曲线图；
图2是蓝塑料基板（FLXL100AA）的透射光谱曲线图；
图3是本发明的截止滤光片的结构示意图；
图4是本发明使用TFCal软件设计的一种截止滤光膜的每层膜的膜厚和折射率的对应关系图；
图5是本发明的截止滤光片在光线入射角为0°和30°时的透射光谱曲线图；
图6是现用截止滤光片在光线入射角为0°和30°时的透射光谱曲线图。
具体实施方式
图1是现有截止滤光片的蓝玻璃基板（型号为QB51）的透射光谱曲线图。如图1所示，蓝玻璃基板不仅透射-截止过渡区陡度差，而且红外区截止也很差，故需把其厚度增加到0.5mm。然而即便如比，其陡度仍然只能勉强满足使用要求（如图1所示），而隔红外光和隔紫外光的功效必须依赖截止滤光膜来完成。
图2是现有截止滤光片的蓝塑料基板（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，但其透射-截止过渡区的陡度相对于图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，隔红外光和隔紫外光的功效也必须依赖截止滤光膜，且由于蓝塑料基板在红外光区的透射率高，隔红外膜所需的膜层数会比蓝玻璃基板更多。
由此可见，蓝玻璃基板或蓝塑料基板的共同功效是：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%处的波长约为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%处的波长650nm 基本上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，所以本发明试图用普通光学玻璃基板或光学塑料基板和截止滤光膜组成的截止滤光片来取代，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，所以价格非常低。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，入射到图像传感器上的光线入射角可达-30°~ 30°，本发明的截止滤光片可以获得此入射角范围下，透射-截止过渡区在透射率为50%处的波长650nm处的漂移小于7nm的截止滤光片。
如图3所示，本发明的截止滤光片包括基板1和镀在该基板上的截止滤光膜5。其中，截止滤光膜5包括依次排列的第一匹配次膜系7、主膜系6和第二匹配次膜系8，且第一匹配次膜系7位于主膜系6和基板1之间。第一匹配次膜系7由低折射率膜层2和高折射率膜层3交替组成，其中，与基板1最接近的可以是低折射率膜层2，也可以是高折射率膜层3。主膜系6由高折射率膜层3和低折射率膜层2交替组成，且主膜系6中的每层高折射率膜层3的厚度为每层低折射率膜层2的厚度的3倍以上。第二匹配次膜系8由高折射率膜层3、低折射率膜层2和中间折射率膜层4重复组成，且最近的相同种类的膜层之间由两层不同种类的膜层分隔。换句话说，在第二匹配次膜系8中，最接近的两层高折射率膜层3之间存在低折射率膜层2和中间折射率膜层4，在最接近的两层低折射率膜层2之间存在中间折射率膜层4和高折射率膜层3，在最接近的两层中间折射率膜层4之间则存在高折射率膜层3和低折射率膜层2。
作为本发明的一种优选方案，截止滤光膜5的总层数为40~60层。
本发明的基板1的制作材料可以使用透明的光学玻璃或透明的光学塑料， 其中，光学玻璃可以选用常见的K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃或EagleXG玻璃。透明的光学塑料可选用常见的聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂。
作为本发明的优选方案，高折射率膜层3的材料折射率大于2.35，可选用常见的TiO2、Nb2O5或ZnS；低折射率膜层2的材料可选用常见的SiO2；中间折射率膜层4的材料可选用常见的Ta2O5或HfO2。
以下以一种具有48层膜的截止滤光膜5为例进一步详细说明本发明，其每层膜的膜厚和折射率如图4所示。其中，基板1采用B270玻璃，其折射率为1.5；低折射率膜层2为SiO2，其折射率为1.45；高折射率膜层3选用TiO2，其折射率为2.42；中间折射率膜层4选用Ta2O5，其折射率为2.1。如图3所示，入射光从空气一侧（即图3的右侧）入射到截止滤光膜5，透射的可见光从基板1一侧（即图3的左侧）出射，而反射的红外光和紫外光则返回空气一侧。截止滤光膜5在基板1上按以下顺序镀制：第一匹配次膜系7、主膜系6和第二匹配次膜系8。如图4所示，第一匹配次膜系7依次由低折射率膜层2和高折射率膜层3交替组成，共21层(即第1层至第21层)：各层膜的膜厚依次为175nm、41nm、 16nm,、165nm、225nm、15nm、 46nm、 59nm、304nm、 46nm、 318nm、48nm、 306nm、 76nm、83nm、22nm、151nm、 144nm、 29nm、 65nm、93nm。 第一匹配次膜系7的主要功能是实现主膜系6与基板1之间在可见光区的光学导纳匹配，减小可见光区的波纹并进一步提高可见光区的透射率。主膜系6依次由高折射率膜层3和低折射率膜层2交替组成，共22层(即第22层至第43层)：各层膜的膜厚依次为274nm、 57nm、 288nm、 54nm、 290nm、 54nm、290nm、54nm、 290nm、 54nm、290nm、 54nm、 292nm、 53nm、 293nm、51nm、 295nm、 48nm、 295nm、 48nm、 277nm、 72nm。可以看出，在本实施例中，高折射率膜层3的厚度至少为低折射率膜层2的厚度的3倍以上，最大甚至达到6倍左右。主膜系6的主要功能是实现透射可见光、截止红外光和截止紫外光，且产生受抑波长漂移, 故称其为主膜系。第二匹配次膜系8依次由高折射率膜层3、低折射率膜层2、中间折射率膜层4、高折射率膜层3和低折射率膜层2组成，共5层(即第44层至第48层)：各层膜的膜厚依次为29nm、 22nm、 82nm、135nm、113nm。第二匹配次膜系8的主要功能是实现主膜系6与空气入射媒质之间在可见光区的光学导纳匹配，与第一匹配次膜系7类似，它可进一步减小可见光区的波纹且提高可见光区的透射率。在本实施例中，截止滤光膜5的各层膜厚是经过商用薄膜设计软件TFCal优化的。可以看出，第一匹配次膜系7的低折射率膜层2的膜厚在16~318nm之间，高折射率膜层3的膜厚在15~165nm之间，低折射率膜层2和高折射率膜层3的膜厚离散都很大；主膜系6的高折射率膜层3的膜厚在274~295nm之间，低折射率膜层2的膜厚在48~72nm之间，主膜系6的高折射率膜层3和低折射率膜层2的膜厚离散都较小；第二匹配次膜系8在本实施例中仅为5层膜，为了达到最佳匹配效果，插入了中间折射率的Ta2O5，其膜厚为82nm。
事实上，本发明的截止滤光膜5的组成除了如图4所示外，根据截止滤光片的具体应用要求，本领域的技术人员可在知晓本发明的截止滤光膜的结构特征的情形下，对截止滤光片作出各种变形：在尽可能减少膜层的情况下，选用尽可能高折射率的介质膜；截止滤光膜的主膜系由高、低折射率膜层交替组成，且所选用的高折射率膜层的厚度为低折射率膜层的厚度的3倍以上；在主膜系的两侧加上匹配膜系；并借助其熟悉的薄膜设计软件（如TFCal软件）进行优化设计，即可确定本发明的截止滤光膜所需的具体层数以及每层膜的厚度，满足滤光片的各项技术要求。
图5是本发明的截止滤光片在光线入射角为0°和30°时的透射光谱曲线图,该曲线是按图4例示的结构计算的，其中，B270玻璃基板的厚度取0.15mm，此厚度不仅具有足够的机械强度以满足截止滤光片的刚性要求，而且可避免引入像差。作为本发明的优选实施方式，如图5所示，图4例示的截止滤光片达到的性能为：紫外区(350-400nm) 的平均透射率为0.16%, 可见光区(420-620nm)的平均透射率为99.2%，红外区(680-770nm)的平均透射率为0.30%；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30°时(在入射角-30°~ 30°范围内，最小入射角为0°, 最大入射角为30°)，短波415nm附近的透射-截止过渡区中透射率为50%处的波长漂移为6.3nm，长波650nm附近的透射-截止过渡区中透射率为50%处的波长漂移为6.8nm。这说明本发明的截止滤光片随入射角变化的透射-截止过渡区的波长漂移已完全满足实用要求，完全可以使用普通的光学玻璃和普通光学塑料取代现有技术所用的特殊的蓝玻璃基板和蓝塑料基板。
为比较本发明的截止滤光片与现用截止滤光片在同样入射角下的透射-截止过渡区波长漂移的情况，图6示出了现用截止滤光片在光线入射角为0°和30°时的透射光谱曲线图。可以看出，其短波415nm附近未形成完整的透射-截止过渡区，而长波650nm附近的透射-截止过渡区中透射率为50%处的波长漂移约为27nm，此值几乎是本发明的截止滤光片的透射-截止过渡区波长漂移的4倍。所以，采用现有技术的截止滤光片制作光学滤波器时必须使用特殊的蓝玻璃基板或蓝塑料基板来限制其波长漂移，以满足波长漂移的使用要求。
Claims (10)
1.一种受抑波长漂移的截止滤光片，其特征在于：它包括基板(1)和镀在该基板上的截止滤光膜(5)，所述截止滤光膜(5)包括依次排列的第一匹配次膜系(7)、主膜系(6)和第二匹配次膜系(8)，且第一匹配次膜系(7)位于主膜系(6)和基板(1)之间；所述主膜系(6)由高折射率膜层(3)和低折射率膜层(2)交替组成，且主膜系(6)中的每层高折射率膜层(3)的厚度为每层低折射率膜层(2)的厚度的3倍以上；所述第一匹配次膜系(7)由所述低折射率膜层(2)和所述高折射率膜层(3)交替组成；所述第二匹配次膜系(8)由所述高折射率膜层(3)、所述低折射率膜层(2)和中间折射率膜层(4)重复组成，且最近的相同种类的膜层之间由两层不同种类的膜层分隔。
2. 根据权利要求1所述的受抑波长漂移的截止滤光片，其特征在于：它由所述基板1和镀在该基板上的所述截止滤光膜5组成。
3. 根据权利要求1或2所述的受抑波长漂移的截止滤光片，其特征在于：所述截止滤光膜(5)的总层数为40~60层。
4. 根据权利要求1或2所述的受抑波长漂移的截止滤光片，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所述的受抑波长漂移的截止滤光片，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。
6. 根据权利要求4所述的受抑波长漂移的截止滤光片，其特征在于：所述光学塑料为聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂。
7. 根据权利要求1或2所述的受抑波长漂移的截止滤光片，其特征在于：所述高折射率膜层(3)的折射率大于2.35。
8.根据权利要求7所述的受抑波长漂移的截止滤光片，其特征在于：所述高折射率膜层(3)的制作材料为TiO2、Nb2O5或ZnS。
9. 根据权利要求1或2所述的受抑波长漂移的截止滤光片，其特征在于：所述低折射率膜层(2)的材料为SiO2。
10. 根据权利要求1或2所述的受抑波长漂移的截止滤光片，其特征在于：所述中间折射率膜层(4)的材料为Ta2O5或HfO2。
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