CN105891928B - 一种日夜兼用的摄像滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种完全隐蔽的日夜兼用的摄像滤波器，包括基底以及依次设置在所述基底上的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系；所述的匹配膜系由高折射率膜和低折射率膜交替组成；所述的第一主膜系由高折射率膜和低折射率膜交替组成；所述的第二主膜系由高折射率膜、中间折射率膜和低折射率膜组成。本发明中，所述的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系构成400～650nm和920nm～960nm的双通膜。本发明日夜兼用的摄像滤波器，不仅隐蔽性高，而且光穿透力强，拍摄距离远，成像质量高，可广泛应用于安防电视监控系统和车载影像系统等数码产品中。
Description
技术领域
本发明涉及光学滤波器领域，具体涉及一种日夜兼用的摄像滤波器。
背景技术
在安防电视监控系统中，随着人们安全防范意识的提高，24小时连续电视监控的可见-近红外成像技术得到了全社会的青睐，不仅在银行、金库、博物馆、档案馆、文献库、监狱等部门得到了重要应用，而且在居民区等一般场合也得到了广泛应用。
作为数码摄像系统的图像传感器CCD或CMOS是一种离散像素的光电探测器，其光敏感波长区约为400nm到1200nm。在此波长区中，人的肉眼能看到的波长为400～650nm的可见光，可用于生成可见光彩色图像，而波长700～1200nm的近红外光人眼是看不见的，但CCD或CMOS却可生成近红外黑白图像。这就是说，图像传感器能同时对可见光和近红外光成像，但这两幅图像人眼看起来是不一样的，所以现用的数码相机和手机摄像头都要把近红外光滤掉，而仅保留可见光彩色图像，避免两幅图像叠在一起变模糊了。
但是，近红外光摄像具有重要的优越性，首先是可以在黑暗的夜间进行拍摄；其次是因为光波长越长，穿透性越好，这不但使拍摄距离增加，而且适合于透过某些固体和液体发现其他监视监测物；更重要的是，近红外光拍摄隐蔽性强、性能稳定。正因为这样，人们一直期望研发一种日夜兼用的图像摄像系统。
此前，人们为了同时获取可见光图像和近红外光图像，釆用更换滤光片的办法，即白天换上隔红外滤光片拍摄彩色的可见光图像，晚间换上隔可见光滤光片拍摄黑白的近红外图像，这种方法的缺点是极其不方便；或者同时装上这两套拍摄系统分别获取两种图像，显然这种方法的缺点会导致成本成倍增加。所以，这两种方法都是不可取的。至今，已有新的CCD和CMOS器件，每个像素都含有RGB可见光和近红外的通光窗；而且解决了波长差异导致的焦面位置不同而出现的虚焦和图像模糊的问题；当然还有作为照明补光的近红外LED固体光源在光强度和带宽等方面的重要进步。这些技术进步使得近年来产生了日夜兼用的摄像系统，对典型的摄像系统，其摄像滤波器能通过420～650nm的可见光和850nm的近红外光，而直至1000nm或1100nm的其他近红外波长均被截止。这种主动式的近红外摄像技术是利用850nm的近红外LED灯照明补光，产生人眼看不见而普通摄像机能捕捉到的近红外光图像。
遗憾的是，对波长850nm的近红外LED灯，夜间使用可以发现其暗红色的光，这种现象称为“红暴”。显然，这会导致监控目标暴露，在隐蔽性要求较高的场合，用850nm的近红外LED灯补光是不合适的。为此，最近提出了采用940nm的LED灯作为补光，相对于850nm的LED灯，940nm的LED灯不仅完全无红暴，而且由于发光波长更长，穿透力更强，因而拍摄距离更远。
发明内容
本发明的目的是提供一种完全隐蔽的日夜兼用的摄像滤波器，可广泛应用于安防电视监控系统和车载影像系统等数码产品中。
本发明的摄像滤波器能透过400～650nm的可见光和940nm的近红外光，为了尽可能地减少背景光，抑制逆光条件下的鬼影和迷光，获得相对高对比度的优质画面，本发明设想：1).选用光谱带宽尽可能窄、光强度尽可能高的波长为940nm的LED灯，然后设计与LED灯光谱带宽完全匹配的940nm透射带。对本发明，滤波器在940nm透射带的带宽约为40nm(920nm～960nm)；而对截止带，除940nm透射带外，从700nm直至1200nm的整个传感器响应的近红外光区均被截止。这种做法的实质是：“关近红外光大门，开940nm小窗”。于是，在日光条件下，由于摄像滤波器隔离了除940nm窄通带外的所有近红外光，所以仍可免受红外线的干扰，获得不偏色的清晰的彩色图像；而在夜间条件下，摄像滤波器能透射940nm的近红外光，借助于940nm的LED照明补光，获得清晰的近红外黑白图像。2).把可见光的透射带从420～650nm扩展为400～650nm，近红外区截止波长从1000nm或1100nm扩展到1200nm，以进一步改善图像质量。理由是：第一，充分利用了CCD或CMOS具有光谱响应的400～420nm波段的光参与可见光成像；第二，完全截止了CCD或CMOS具有光谱响应的1000～1200nm或1100～1200nm的近红外光对可见光彩色图像和近红外940nm黑色图像的干扰。现有技术尚做不到这一点，原因是波长1200nm的高级次干涉截止带恰好在400nm，且由于400nm的截止带具有一定带宽，故设计人员只能让可见区透射带向长波移到420nm～650nm，同时让近红外区截止波长缩短到1100nm，甚至1000nm。
如果我们把现用的透射420～650nm可见光和截止700～1100nm近红外光的滤波器称为单通道滤波器的话，则本发明的透射400～650nm可见光和940nm的近红外光、截止除940nm通带以外的700～1200nm的其他近红外光的滤波器也可称为双通道滤波器。
本发明的构思是：(1).首先，在摄像应用中，由于来自拍摄物体的光线入射到图像传感器上的入射角是不同的，但是薄膜的厚度与入射角的余弦成正比，所以图像的色彩会因入射角不同而变化，即图像产生色渐变，解决此难题的办法是在波长650nm附近设置一不随入射角而变化的吸收型蓝塑料基板或受抑波长漂移滤光片基板。现有单通道滤波器中广泛使用的蓝玻璃由于其在波长940nm的透射率非常低而不能用于本发明的双通道滤波器中。当然，在拍摄视场角不大的情况下，也可用光学玻璃作为基板，而在需要消除莫尔条纹的情况下，可用水晶板作为基板。(2).其次是薄膜滤光片的构思。第一步先构造700～900nm的截止膜，由于要求400～650nm高透射，通常选用(0.5LH0.5L)m标准短波通膜系，但是这种短波通膜系会在主截止带附近630nm处出现一个大次峰，且在400nm附近出现了一个半波孔，此半波孔对现有技术的420～650nm透射带不会产生任何影响，但对本发明滤波器必须消除，为此对标准膜系内外各2层膜进行膜厚修正，使其成为630nm和400nm的减反射膜，从而抑制630nm大次峰和400nm半波孔生成。第二步再构造1000～1200nm的截止膜，并试图用该截止膜与700～900nm截止膜一起来构成940nm通带的轮廓，而仍保持400～650nm高透射。但是由于本发明长波截止区扩展至1200nm，使400nm附近出现一个高级次截止带。要消除这个截止带不是一件容易的事，因为用高(H)、低(L)折射率二种材料交替不可能构成波长400nm附近的减反射膜，故本发明设想，用高(H)、中(M)、低(L)折射率三种材料来构成基本周期：LMHML，并把H两侧的ML设计成波长400nm的减反射膜，于是，基本周期LMHML在400nm附近就会高透射，而在1000～1200nm却是增反的。然后把多个LMHML叠加起来，最终在400nm附近仍保持高透射，而在1000～1200nm形成高反射的截止膜。第三步是把前面二步设计的膜系合起来，并适当优化每层膜的厚度，就可望获得预期的双通道滤波器的目的。
为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案是：
一种日夜兼用的摄像滤波器，包括基底以及依次设置在所述基底上的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系；
所述的匹配膜系由高折射率膜和低折射率膜交替组成；
所述的第一主膜系由高折射率膜和低折射率膜交替组成；
所述的第二主膜系由高折射率膜、中间折射率膜和低折射率膜组成。
本发明中，高折射率膜、中间折射率膜和低折射率膜为相对的概念，即只是表示高折射率膜、中间折射率膜和低折射率膜三者折射率的相对高低，即高折射率膜的折射率＞中间折射率膜的折射率＞低折射率膜的折射率。
本发明中，所述的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系构成400～650nm和920nm～960nm的双通膜。
以下作为本发明的优选技术方案：
所述的基底为光学玻璃、水晶板、用作光学低通滤波器的蓝塑料板或镀有受抑波长漂移滤光片的各种基板。
所述的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系从所述的基底向外(即远离所述基底方向)依次设置。
进一步优选，所述的匹配膜系中紧贴在所述基底上的第一层为高折射率膜，即所述的匹配膜系设置在所述基底上的第一层为高折射率膜，然后是低折射率膜，再依次交替。
所述的高折射率膜为TiO2膜，所述的中间折射率膜为HfO2膜，所述的低折射率膜为SiO2膜；
在波长550nm，所述的高折射率膜的折射率为2.426，所述的中间折射率膜的折射率为1.994，所述的低折射率膜的折射率为1.460。
本发明的滤波器能透过400～650nm的可见光和940nm的近红外光，且在940nm透射带的带宽为40nm；除940nm透射带外，从700nm直至1200nm的整个近红外光区为截止带。
进一步地，所述的匹配膜系的层数为8层，从所述基底向外(即远离所述基底方向)各膜层的厚度依次为：24.9，15.6，51.1，173，42.4，36.1，12.6，96.8，单位为nm。
所述的第一主膜系的层数为12层，从所述匹配膜系向外(即远离所述基底方向)各膜层的厚度依次为：86.2，136，78.8，135.6，77.7，136.4，78.2，136.3，79.5，139.9，88.2，184.5，单位为nm；
所述的第二主膜系的层数为32层，从所述第一主膜系向外(即远离所述基底方向)各膜层的厚度依次为：15.1，49.2，56.4，72.1，64.2，73.6，51.5，85.4，193.3，15.1，103.9，185.1，39.7，88.4，171.4，89.9，35.3，174，116.8，3.8，167.4，66.9，32.5，74.3，173.6，49.3，68.5，50.6，157.6，35.6，82.6，82.5，单位为nm；
在第二主膜系中，第1、3、7、10、14、16、20、23、27、31层为高折射率膜，第5、9、12、15、18、21、25、29、32层为低折射率膜，其余为中间折射率膜。第二主膜系中，第1至32层从所述第一主膜系向外(即远离所述基底方向)开始计算，即第二主膜系中最靠近所述第一主膜系的为第1层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1).现有技术的单通道滤波器基本上只局限于日光条件下拍摄彩色图像，但在安防电视监控系统和车载影像系统等数码产品中，这种单通道滤波器已不敷应用，因此必须研发24小时连续工作的可见-近红外双通道滤波器，建立日夜兼用的摄像系统。本发明的双透射带为：400～650nm可见光和带宽为40nm的940nm的近红外光，截止带为：除940nm透射带以外的700～1200nm近红外光，该双通道滤波器，不仅隐蔽性高，而且光穿透力强，拍摄距离远。
2).现有技术的透射420～650nm可见光、截止700～1100nm近红外光的单通道滤波器，没有充分利用400～420nm和1100～1200nm这二个波段，这是因为这二个波段的特性由于高级次干涉的缘故是互相冲突的，设计非常困难。但是这二个波段对CCD和CMOS都有光谱相应，这相当于增加了CCD和CMOS的背景光，降低了图像的对比度和清晰度。本发明通过设计一个五层膜周期结构取代交替的二层膜结构，突破了设计难题，从而不仅提高了图像对比度和清晰度，而且提高了光效率。
3).现有技术已有釆用420～650nm可见光和850nm近红外光的双通道滤波器，但是，与本发明的双通道滤波器相比，第一存在“红暴”问题，易暴露监控目标，第二，LED灯的光谱带宽较宽，加上可见成像光谱较窄和红外截止不够宽，图像产生较大的干扰。本发明采用窄光谱带的940nm的LED灯作为补光，相对于850nm的LED灯，不仅完全无红暴，而且由于发光波长更长，穿透力更强，拍摄距离更远。得到的可见光彩色图像和近红外光黑白图像质量显著提高。
附图说明
图1是现有技术的摄像滤波器和本发明的摄像滤波器的光学特性比较图，其中，图1中(a)为现有技术的摄像滤波器的光学特性图，图1中(b)为本发明的摄像滤波器的光学特性图；
图2是构成滤波器700～900nm截止膜的分光特性改进前后的比较，其中，图2中(c)为构成滤波器700～900nm截止膜改进前的分光特性，图2中(d)为构成滤波器700～900nm截止膜经本发明改进后的分光特性；
图3是构成滤波器1000～1200nm截止膜的分光特性改进前后的比较，其中，图3中(e)为构成滤波器1000～1200nm截止膜改进前的分光特性，图3中(f)为构成滤波器1000～1200nm截止膜经本发明改进后的分光特性；
图4是本发明的滤波器每层膜的膜厚和折射率的对应关系图；
图5是本发明的滤波器的分光透射特性曲线；
图6为本发明的摄像滤波器的结构示意图。
具体实施方式
如图6所示，一种日夜兼用的摄像滤波器，包括基底1以及依次设置在基底1上的匹配膜系2、第一主膜系3和第二主膜系4；匹配膜系2由高折射率膜和低折射率膜交替组成；第一主膜系3由高折射率膜和低折射率膜交替组成；第二主膜系4由高折射率膜、中间折射率膜和低折射率膜组成。
图2是现有技术的摄像滤波器和本发明的摄像滤波器的光学特性比较，其中，(a)为现有技术的摄像滤波器，(b)为本发明的摄像滤波器。现有技术的滤波器一般要求特性如下：透射420～650nm的可见光，截止700～1100nm的近红外光。本发明的滤波器一般要求特性如下：透射400～650nm的可见光和940nm通带(920～960nm)的近红外光，截止除940nm通带以外的700～1200nm的其他近红外光。两种滤波器的重要区别在于：(1)可见光透射带由420～650nm展宽为400～650nm，不仅可减小彩色图像的偏色，而且可增加光能利用率、提高图像对比度和清晰度；(2)由透射420～650nm的单通道变为透射400～650nm和940nm通带的双通道，使其实现日夜兼用的目的，其中可见光通道获取彩色图像，近红外光通道获取黑白图像；(3)长波截止区从1100nm扩展到1200nm，以提高图像对比度和清晰度。对紫外区300～380nm，由于CCD和CMOS基本上已无光谱响应，因此其特性要求并不严格，但通常保持其一定截止度，以减少能量较大的紫外光子对CCD和CMOS长期使用造成损伤。
本发明滤波器的薄膜滤光片设计根据前面所述的构思分为三步：第一步先设计透射400～650nm、截止700～900nm的短波通膜，第二步再设计透射400～650nm和940nm、截止1000～1200nm的短波通膜，第三步把第一步和第二步的两个设计合并，然后用TFCal商用薄膜设计软件作厚度优化，直至获得满足要求的薄膜滤光片。
图2是构成本发明滤波器的透射400～650nm、截止700～900nm的短波通膜的分光特性改进前后的比较，其中，(c)为经典的标准短波通膜，(d)为本发明改进后的短波通膜。如图2中(c)所示，由于要求400～650nm高透射，釆用(0.5LH0.5L)9标准短波通膜，监控波长为765nm，但是这种短波通膜系会在主截止带附近630nm出现一个较大次峰，且在400nm附近出现一个“半波孔”，此半波孔主要是截止波长区700～900nm的中心波长800nm和半波长400nm的材料色散不同引起的。这个半波孔对现有技术的420～650nm透射带不会产生任何影响，如图2中(d)所示，但对本发明的400～650nm必须消除，为此本发明对标准膜系(0.5LH0.5L)9两侧最外2层膜进行膜厚修正，使其同时成为630nm和400nm的减反射膜，从而抑制了630nm的大次峰和400nm的半波孔。
图3是构成本发明滤波器的透射400～650nm和940nm、截止1000～1200nm的短波通膜的分光特性改进前后的比较，其中，(e)为经典的标准短波通膜，(f)为本发明改进后的短波通膜。由于要求400～650nm和940nm同时高透射，仍可釆用(0.5LH0.5L)9标准短波通膜，但监控波长变为1125nm，类似地，这种短波通膜会在主截止带附近920nm出现一个较大次峰，且在575nm附近出现一个“半波孔”，但是由于截止波长区1000～1300nm的中心波长1150nm和半波长575nm的材料色散差减少，使575nm的半波孔相应减小。显然，现在最大的问题是，在400nm附近出现了高级次截止带(如图3e)，这是波长1200nm的二级干涉带，也正因为此问题，现有技术都绕开1100～1200nm截止和400～420nm高透射。要消除这个高级次截止带，运用现有技术已无济于事，因为常用的高、低二种折射率材料的基本周期交替只会形成截止带，不可能构成减反射，故本发明提出用高、中、低折射率三种材料HML来构成基本周期LMHML。这相当于在高折射率膜H两侧各镀上ML双层减反射膜，使其与周围媒质相匹配，于是，基本周期LMHML在400nm附近就会高透射，而在1000～1200nm却是增反的。然后把多个LMHML叠加起来，并使LMHML周围媒质无限变薄，则就变成结构(LMHML)m，此结构使波长400nm附近随着周期数m变大始终保持高透射，而波长1000～1200nm的反射越来越高，最终成为截止带。图3(f)就是改进后三种材料周期膜的分光透射特性，膜系结构为(LMHML)10，监控波长为455nm。可以看出，LMHML周期膜代替HL周期膜后，在波长400nm的高级次截止带向短波移到了波长小于300nm处。
把上述图2中(d)和图3中(f)两个膜叠在一起，基本能够满足本发明的设计要求：即透射400～650nm的可见光和940nm的近红外光，截止700～900nm和1000～1200nm的近红外光。为了获得更佳的特性，经过商用薄膜设计软件TFCal优化，最终得到如图4所示的本发明滤波器每层膜的膜厚和折射率的对应关系图。在本实施例中，总膜层数为52层。从图4可以看出，本发明的薄膜滤光片可分为三部分：匹配膜系2、第一主膜系3和第二主膜系4。其中匹配膜系2和第一主膜系3由高折射率膜和低折射率膜交替组成，第二主膜系4由高折射率膜、中间折射率膜和低折射率膜三种材料组成，高折射率膜为TiO2膜，中间折射率膜为HfO2膜，低折射率膜为SiO2膜。在波长550nm，高折射率TiO2膜的折射率为2.426，中间折射率HfO2膜的折射率为1.994，低折射率SiO2膜的折射率为1.460。匹配膜系2共8层，用于匹配滤波器基底1和二个主膜系之间的光学导纳。第一主膜系3共12层，主要构成400～650nm的可见光透射带和700～900nm的截止带，并提供940nm透射带的短波侧过渡区。第二主膜系4共32层，主要提供940nm透射带的长波侧过渡区，从而构成940nm透射带，并形成1000～1200nm的截止带。基底1采用光学玻璃，薄膜滤光片各层膜的设计参数列于表1。
表1
续表1
| 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 |
| SiO2 | TiO2 | SiO2 | TiO2 | SiO2 | TiO2 | SiO2 | TiO2 | SiO2 | TiO2 | HfO2 | TiO2 | HfO2 |
| 1.46 | 2.426 | 1.46 | 2.426 | 1.46 | 2.426 | 1.46 | 2.426 | 1.46 | 2.426 | 1.994 | 2.426 | 1.994 |
| 135.6 | 77.7 | 136.4 | 78.2 | 136.3 | 79.5 | 139.9 | 88.2 | 184.5 | 15.1 | 49.2 | 56.4 | 72.1 |
续表1
| 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 |
| SiO2 | HfO2 | TiO2 | HfO2 | SiO2 | TiO2 | HfO2 | SiO2 | HfO2 | TiO2 | SiO2 | TiO2 | HfO2 |
| 1.46 | 1.994 | 2.426 | 1.994 | 1.46 | 2.426 | 1.994 | 1.46 | 1.994 | 2.426 | 1.46 | 2.426 | 1.994 |
| 64.2 | 73.6 | 51.5 | 85.4 | 193.3 | 15.1 | 103.9 | 185.1 | 39.7 | 88.4 | 171.4 | 89.9 | 35.3 |
续表1
| 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 |
| SiO2 | HfO2 | TiO2 | SiO2 | HfO2 | TiO2 | HfO2 | SiO2 | HfO2 | TiO2 | HfO2 | SiO2 | HfO2 |
| 1.46 | 1.994 | 2.426 | 1.46 | 1.994 | 2.426 | 1.994 | 1.46 | 1.994 | 2.426 | 1.994 | 1.46 | 1.994 |
| 174 | 116.8 | 3.8 | 167.4 | 66.9 | 32.5 | 74.3 | 173.6 | 49.3 | 68.5 | 50.6 | 157.6 | 35.6 |
续表1
图5是本发明的滤波器的分光透射特性曲线。该曲线是按表1例示的结构计算的，作为本发明的优选实施方式，达到的性能为：紫外区300～380nm的平均透射率为1.5％，可见光区400～650nm的平均透射率为98.7％，近红外区700～900nm的平均透射率为0.76％，920～955nm的平均透射率为98.5％，1000～1200nm的平均透射率为0.54％。实际使用表明，该特性能满足日夜兼用的摄像要求，获得清晰的可见光彩色图像和近红外黑白图像。
Claims (7)
1.一种日夜兼用的摄像滤波器，其特征在于，包括基底以及依次设置在所述基底上的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系；
所述的匹配膜系由高折射率膜和低折射率膜交替组成；
所述的第一主膜系由高折射率膜和低折射率膜交替组成；
所述的第二主膜系由高折射率膜、中间折射率膜和低折射率膜组成；
所述的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系构成400～650nm和920nm～960nm的双通膜；
所述的高折射率膜为TiO2膜，所述的中间折射率膜为HfO2膜，所述的低折射率膜为SiO2膜。
2.根据权利要求1所述的日夜兼用的摄像滤波器，其特征在于，所述的基底为光学玻璃、水晶板或者蓝塑料板。
3.根据权利要求1所述的日夜兼用的摄像滤波器，其特征在于，所述的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系从所述的基底向外依次设置。
4.根据权利要求3所述的日夜兼用的摄像滤波器，其特征在于，所述的匹配膜系中紧贴在所述基底上的第一层为高折射率膜。
5.根据权利要求1所述的日夜兼用的摄像滤波器，其特征在于，所述的匹配膜系的层数为8层，从所述基底向外各膜层的厚度依次为：24.9，15.6，51.1，173，42.4，36.1，12.6，96.8，单位为nm。
6.根据权利要求1所述的日夜兼用的摄像滤波器，其特征在于，所述的第一主膜系的层数为12层，从所述匹配膜系向外各膜层的厚度依次为：86.2，136，78.8，135.6，77.7，136.4，78.2，136.3，79.5，139.9，88.2，184.5，单位为nm。
7.根据权利要求1所述的日夜兼用的摄像滤波器，其特征在于，所述的第二主膜系的层数为32层，从所述第一主膜系向外各膜层的厚度依次为：15.1，49.2，56.4，72.1，64.2，73.6，51.5，85.4，193.3，15.1，103.9，185.1，39.7，88.4，171.4，89.9，35.3，174，116.8，3.8，167.4，66.9，32.5，74.3，173.6，49.3，68.5，50.6，157.6，35.6，82.6，82.5，单位为nm；
在第二主膜系中，第1、3、7、10、14、16、20、23、27、31层为高折射率膜，第5、9、12、15、18、21、25、29、32层为低折射率膜，其余为中间折射率膜。
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