CN110824599B - 一种红外带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种红外带通滤波器，红外带通滤波器具有第一多层膜结构，第一多层膜结构包括多个Si:NH层及多个低折射率层，Si:NH层在800nm至1100nm的波长范围内的折射率大于3.5及其消光系数小于0.0002；多个低折射率层与多个Si:NH层相互堆叠，低折射率层在800nm至1100nm的波长范围内的折射率小于3；其中Si:NH层的折射率与低折射率层的折射率的差值大于0.5。本发明的红外带通滤波器具有800nm与1100nm的波长范围内的通带，在入射角从0度改变至30度时，通带的中心波长的偏移幅度小于12nm，本发明的红外带通滤波器应用于三维成像系统时可提升三维影像解析能力。

Description

一种红外带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种光学滤波的技术领域，尤其涉及一种红外带通滤波器。
背景技术
目前红外带通滤波器是将于光学基板的一表面形成多层膜结构，其另一表面形成多层抗反射层，多层膜结构通过多个高折射率层及多个低折射率层交互沉积而成，一般高折射率层的材料选用Ti3O5、Ta2O5、ZrO2、Nb2O5及TiO2中的一者，一般低折射率层的材料选用MgF2及SiO2中的一者。红外带通滤波器具有在800nm与1100nm的波长范围内的通带，在入射角从0度改变至30度时，通带的中心波长的偏移幅度为31nm与34nm之间，如此角度改变时通带的中心波长偏移较大，导致红外带通滤波器应用于三维成像系统，于大角度收光时发生无法识别或识别失败的问题。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种红外带通滤波器。
为了解决上述技术问题，本发明揭示了一种红外带通滤波器，其具有第一多层膜结构，第一多层膜结构包括：多个Si:NH层，其在800nm至1100nm的波长范围内的折射率大于3.5及其消光系数小于0.0002；以及多个低折射率层，其与多个Si:NH层相互堆叠，其在800nm至1100nm的波长范围内的折射率小於3；其中Si:NH层的折射率与低折射率层的折射率的差值大于0.5。
根据本发明的一实施方式，上述红外带通滤波器更包括基板，基板设置于第一多层膜结构。
根据本发明的一实施方式，上述红外带通滤波器更包括第二多层膜结构，第二多层膜结构设置于基板，并与第一多层膜结构相对。
根据本发明的一实施方式，上述第二多层膜结构包括：多个Si:NH层，其在800nm至1100nm的波长范围内的折射率大于3.5及其消光系数小于0.0002；以及多个低折射率层，其与多个所述Si:NH层相互堆叠，其在800nm至1100nm的波长范围内的折射率小於3；其中所述Si:NH层的折射率与所述低折射率层的折射率的差值大于0.5。
根据本发明的一实施方式，上述红外带通滤波器具有与800nm至1100nm的波长范围部份重叠的通带，所述通带的中心波长位于800nm与1100nm的波长范围内，所述通带外具有在400nm至1100nm的波长范围内大于OD5的阻挡位凖。
根据本发明的一实施方式，上述红外带通滤波器具有与800nm至1100nm的波长范围部份重叠的通带，通带的中心波长位于800nm与1100nm的波长范围内。
根据本发明的一实施方式，上述在入射角从0度改变至30度时，通带的中心波长的偏移幅度小于12nm。
根据本发明的一实施方式，上述Si:NH层的层数与低折射率层的层数的总和小于39层。
根据本发明的一实施方式，上述多个Si:NH层及多个低折射率层的总厚度小于4.5um。
根据本发明的一实施方式，上述红外带通滤波器的硬度大于莫氏硬度7。
根据本发明的一实施方式，上述低折射率层的材料选自SiO2、Al2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、SiOH及SiNOH中一者。
根据本发明的一实施方式，上述低折射率层的材料为SiO2，低折射率层在800nm至1100nm的波长范围内的折射率介于1.4与1.5之间。
根据本发明的一实施方式，上述在入射角从0度改变至30度时，通带的中心波长的偏移幅度小于11.8nm。
根据本发明的一实施方式，上述低折射率层的材料为SiNOH，低折射率层在800nm至1100nm的波长范围内的折射率介于1.5与2之间。
根据本发明的一实施方式，上述在入射角从0度改变至30度时，通带的中心波长的偏移幅度小于11.1nm。
根据本发明的一实施方式，上述红外带通滤波器的硬度大于莫氏硬度9。
根据本发明的一实施方式，上述Si:NH层在800nm至1100nm的波长范围内的消光系数小于0.00012。
根据本发明的一实施方式，上述通带在800nm至1100nm的波长范围内的透射率大于90％。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
本发明提供一种红外带通滤波器，本发明的红外带通滤波器通过Si:NH层与低折射率层交互堆叠形成，其具有800nm与1100nm的波长范围内的通带，在入射角从0度改变至30度时，通带的中心波长的偏移幅度小于12nm，本发明的红外带通滤波器应用于三维成像系统时可提升三维影像解析能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明第一实施例的红外带通滤波器的示意图。
图2是本发明第一实施例的Si:NH层的透射光谱的曲线图。
图3是本发明第一实施例的红外带通滤波器在0度及30度的入射角下的透射光谱的曲线图。
图4是本发明第二实施例的红外带通滤波器的示意图。
图5是本发明第二实施例的第一多层膜结构在0度及30度的入射角下的透射光谱的曲线图。
图6是本发明第二实施例的第二多层膜结构在0度及30度的入射角下的透射光谱的曲线图。
图7是本发明第二实施例的红外带通滤波器在0度及30度的入射角下之透射光谱的曲线图。
具体实施方式
以下将以揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。
关于本文中所使用之“第一”、“第二”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已。
请参阅图1，其是本发明第一实施例的红外带通滤波器的示意图；如图所示，本实施例提供一种应用于三维成像系统的红外带通滤波器1，红外带通滤波器1具有第一多层膜结构11，第一多层膜结构11包括多个Si:NH层111及多个低折射率层112，多个低折射率层112与多个Si:NH层111相互堆叠。Si:NH层111在800nm至1100nm的波长范围内的折射率大于3.5，其消光系数小于0.0002，其消光系数更能小于0.00012。低折射率层112在800nm至1100nm的波长范围内的折射率小于3。Si:NH层111的折射率与低折射率层112的折射率的差值大于0.5。本实施例的Si:NH层111的层数与低折射率层112的层数的总和小于39层。多个Si:NH层111及多个低折射率层112的总厚度小于4.5um。本实施例的红外带通滤波器1具有与800nm至1100nm的波长范围部份重叠的通带，通带的中心波长位于800nm与1100nm的波长范围内。在入射角从0度改变至30度时，通带的中心波长的偏移幅度小于12nm。通带在800nm至1100nm的波长范围内的透射率大于90％。本实施例的红外带通滤波器1的硬度大于莫氏硬度7。本实施例的红外带通滤波器1的大角度的中心波长偏移较小能有效解决三维影像解析的问题。同时本实施例的红外带通滤波器1的厚度较现有技术的红外带通滤波器的厚度薄，降低红外带通滤波器1发生翘曲现象。
本实施例的红外带通滤波器1的制作方法是过溅镀沉积方式形成Si:NH层111及低折射率层112。溅镀沉积是由中频溅镀电源通过内部的电网整流变频输出50KHz的电压，其分别作用于溅镀机台的一对硅靶材上。硅靶材中间通过导气管通入氩气，产生辉光放电并产生稳定的等离子体。
由于溅镀机台的反应室内存在与电场垂直的正交磁场，电子的运动方向发生改变，被限制在一定空间内，增加了与氩气的碰撞几率，提高电子的电离效率。电离出来的氩离子在电场的作用下加速轰击硅靶材，溅射出大量的硅原子。同时感应耦合等离子体(inductivly coupled plasma,ICP)通入氨气与硅原子反应时形成在800nm至1100nm的波长范围内的折射率在3.5以上的Si:NH层111。低折射率层112为SiO2、SiOH或SiNOH，其是感应耦合等离子体(inductivly coupled plasma,ICP)通入氧气或/及氨气与硅原子反应而形成在800nm至1100nm的波长范围内的折射率小于3的低折射率层112，若低折射率层112为Al2O3、TiO2、Nb2O5或Ta2O5，其将溅镀机台的硅靶材更换为铝靶材、钛靶材、铌靶材或钽靶材，并通过上述方式形成。
Figure BDA0001764350690000051
Figure BDA0001764350690000061
表1
如表1，本实施例的低折射率层112在波长940nm的折射率可通过溅镀过程中控制氧气的流量的改变，当氧气的流量越大时，低折射率层112在波长940nm的折射率越低。当低折射率层112为SiNOH时，低折射率层112在800nm至1100nm的波长范围内的折射率介于1.5与2之间。当低折射率层112为SiO2时，低折射率层112在800nm至1100nm的波长范围内的折射率介于1.4与1.5之间。
请一并参阅图2，其是本发明第一实施例的Si:NH层的透射光谱的曲线图；如图所示，图中具有Si:NH层的透射光谱的曲线21及Ti3O5层之透射光谱的曲线22，本实施例的Si:NH层111在350nm与700nm的波长范围内的吸收效果优于现有技术的红外通带滤波器所使用的Ti3O5层在350nm与700nm的波长范围内的吸收效果。本实施例使用具有Si:NH层111的红外通带滤波器1应用于三维成像系统，能提高三维成像系统的影像解析能力。
本实施例的低折射率层112的材料选自SiO2、Al2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、SiOH及SiNOH中一者。本实施例的低折射率层112的材料使用SiO2，低折射率层112在800nm至1100nm的波长范围内的折射率介于1.4与1.5之间。Si:NH层111的层数及低折射率层112的层数的总和为39层，多个Si:NH层111及多个低折射率层112的厚度总和为4.4um，下表2为各Si:NH层111及低折射率层112的厚度列表。
层数 材料 厚度(nm) 层数 材料 厚度(nm) 层数 材料 厚度(nm)
1 SiO<sub>2</sub> 82.19 14 Si:NH 21.84 27 SiO<sub>2</sub> 121.07
2 Si:NH 253.51 15 SiO<sub>2</sub> 124.75 28 Si:NH 80.92
3 SiO<sub>2</sub> 118.19 16 Si:NH 99.93 29 SiO<sub>2</sub> 300.84
4 Si:NH 41.54 17 SiO<sub>2</sub> 99.75 30 Si:NH 94.95
5 SiO<sub>2</sub> 306.22 18 Si:NH 41.78 31 SiO<sub>2</sub> 102.9
6 Si:NH 92.21 19 SiO<sub>2</sub> 295.9 32 Si:NH 49.42
7 SiO<sub>2</sub> 78.43 20 Si:NH 61.93 33 SiO<sub>2</sub> 113.78
8 Si:NH 69.85 21 SiO<sub>2</sub> 108.78 34 Si:NH 15.21
9 SiO<sub>2</sub> 70.53 22 Si:NH 31.22 35 SiO<sub>2</sub> 288.75
10 Si:NH 57.16 23 SiO<sub>2</sub> 106.84 36 Si:NH 4.87
11 SiO<sub>2</sub> 280.38 24 Si:NH 82.33 37 SiO<sub>2</sub> 89.27
12 Si:NH 233.19 25 SiO<sub>2</sub> 128.68 38 Si:NH 17.57
13 SiO<sub>2</sub> 103.92 26 Si:NH 132.25 39 SiO<sub>2</sub> 15.54
表2
再一并参阅图3，其是本发明第一实施例的红外带通滤波器在0度及30度的入射角下的透射光谱的曲线图；如图所示，图中具有在0度的入射角下的透射光谱曲线31及在30度的入射角下的透射光谱曲线32，本实施例的红外带通滤波器在0度的入射角下，通带的中心波长在946nm。本实施例的红外带通滤波器在30度的入射角下，通带的中心波长在934.2nm。所以本实施例的红外带通滤波器在0度改变至30度时，通带的中心波长的偏移幅度小于11.8nm。通带在800nm至1100nm的波长范围内的透射率大于90％。
请参阅图4，其是本发明第二实施例的红外带通滤波器的示意图；如图所示，本实施例的红外带通滤波器1包括第一多层膜结构11a、第二多层膜结构11b及光学基板12，第一多层膜结构11a及第二多层膜结构11b分别设置于光学基板12相对的两个表面121。其中第一多层膜结构11a及第二多层膜结构11b分別為多个Si:NH层111与多个低折射率层112相互堆叠。Si:NH层111与低折射率层112的制作方法如上述，与此不再赘述。本实施例的红外带通滤波器1的厚度较现有技术的红外带通滤波器的厚度薄，同时本实施例的红外带通滤波器1具有两个多层膜结构，两个多层膜结构之间通过膜层应力相互平衡，有效降低红外带通滤波器1发生翘曲现象。
本实施例的红外带通滤波器1的第一多层膜结构11a的低折射率层112的材料使用SiNOH，Si:NH层111的层数及低折射率层112的层数的总和为39层，多个Si:NH层111及多个低折射率层112的厚度总和为4.3um，下表3为各Si:NH层111及低折射率层112的厚度列表。
层数 材料 厚度(nm) 层数 材料 厚度(nm) 层数 材料 厚度(nm)
1 SiNOH 297 14 Si:NH 104 27 SiNOH 69.68
2 Si:NH 15.1 15 SiNOH 103.41 28 Si:NH 121.36
3 SiNOH 38.88 16 Si:NH 124.59 29 SiNOH 6.85
4 Si:NH 115.6 17 SiNOH 38.43 30 Si:NH 288.78
5 SiNOH 211.44 18 Si:NH 99.3 31 SiNOH 44.21
6 Si:NH 280.91 19 SiNOH 55.11 32 Si:NH 102.59
7 SiNOH 62.06 20 Si:NH 295.27 33 SiNOH 14.23
8 Si:NH 79.67 21 SiNOH 28.61 34 Si:NH 112.35
9 SiNOH 50.49 22 Si:NH 108.38 35 SiNOH 83.11
10 Si:NH 70.88 23 SiNOH 74.2 36 Si:NH 299.68
11 SiNOH 81.85 24 Si:NH 105.09 37 SiNOH 14.19
12 Si:NH 306.07 25 SiNOH 114.44 38 Si:NH 89.14
13 SiNOH 19.97 26 Si:NH 127.7 39 SiNOH 80.45
表3
请一并参阅图5，其是本发明第二实施例的第一多层膜结构在0度及30度的入射角下的透射光谱的曲线图；如图所示，图中具有在0度的入射角下的透射光谱曲线41及在30度的入射角下的透射光谱曲线42，本实施例的红外带通滤波器在0度的入射角下，通带的中心波长在939.9nm。本实施例的红外带通滤波器在30度的入射角下，通带的中心波长在932.8nm。所以本实施例的红外带通滤波器在0度改变至30度时，通带的中心波长的偏移幅度小于11.1nm。通带在800nm至1100nm的波长范围内的透射率大于90％。
然本实施例的第二多层膜结构11b的低折射率层112的材料也使用SiNOH，Si:NH层111的层数及低折射率层112的层数的总和为32层，第二多层膜结构11b的多个Si:NH层111及多个低折射率层112的厚度总和为2.7um，下表3为各Si:NH层111及低折射率层112的厚度列表。
层数 材料 厚度(nm) 层数 材料 厚度(nm) 层数 材料 厚度(nm)
1 SINOH 20.84 12 SINH 121.71 23 SINOH 57.74
2 SINH 85.77 13 SINOH 145.74 24 SINH 71.18
3 SINOH 121.13 14 SINH 127.98 25 SINOH 45.12
4 SINH 72.85 15 SINOH 63.26 26 SINH 96.14
5 SINOH 128.99 16 SINH 122.03 27 SINOH 52.1
6 SINH 138 17 SINOH 31.33 28 SINH 91.74
7 SINOH 108.69 18 SINH 91.1 29 SINOH 56.67
8 SINH 49.76 19 SINOH 46.32 30 SINH 73.42
9 SINOH 150.76 20 SINH 101.34 31 SINOH 19.03
10 SINH 110.88 21 SINOH 53.27 32 SINH 72.95
11 SINOH 47.85 22 SINH 99.56
表3
再一并参阅图6及图7，其是本发明第二实施例的第二多层膜结构在0度及30度的入射角下的透射光谱的曲线图及本发明第二实施例的红外带通滤波器在0度及30度的入射角下的透射光谱的曲线图；如图所示，图6中具有在0度之入射角下之透射光谱曲线51及在30度之入射角下之透射光谱曲线52，本实施例的第二多层膜结构11b主要增加红外带通滤波器的透射率，从图6可知，红外带通滤波器的通带在800nm至1100nm的波长范围内的透射率大于90％，同时让红外带通滤波器的通带外具有在400nm至1100nm的波长范围内大于OD5的阻挡位凖。图7中具有在0度之入射角下之透射光谱曲线61及在30度之入射角下之透射光谱曲线62，本实施例的红外带通滤波器在0度的入射角下，通带的中心波长在943.9nm。本实施例的红外带通滤波器在30度的入射角下，通带的中心波长在932.8nm。所以本实施例的红外带通滤波器在0度改变至30度时，通带的中心波长的偏移幅度小于11.1nm。
本实施例的红外带通滤波器的莫氏硬度能达到9与9.5之间，维氏硬度约为2200，显微硬度为32630MPa，如此证明本实施例的红外带通滤波器具有良好的耐化学腐蚀性能，在无机酸、30％以下的烧碱溶液或有机酸下能具有良好的耐化学腐蚀性能，同时又是一种高性能电绝缘材料。本实施例的第一多层膜结构11a及第二多层膜结构11b的低折射率层112的材料也能使用其他材料，如：SiO2、Al2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5或SiOH。本实施例的第一多层膜结构11a的Si:NH层111与低折射率层112的堆叠结构与第二多层膜结构11b的Si:NH层111与低折射率层112的堆叠结构互换。
综上所述，本发明的一或多个实施方式中，本发明提供一种红外带通滤波器，本发明的红外带通滤波器具有至少一个多层膜结构，多层膜结构通过Si:NH层与低折射率层交互堆叠形成，其具有800nm与1100nm的波长范围内的通带，在入射角从0度改变至30度时，通带的中心波长的偏移幅度小于12nm，本发明的红外带通滤波器的大角度的中心波长偏移较小，本发明的红外带通滤波器应用于三维成像系统时可提升三维影像解析能力。
上述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (17)

1.一种红外带通滤波器，其具有第一多层膜结构，其特征在于，所述第一多层膜结构包括：
多个Si:NH层，其在800nm至1100nm的波长范围内的折射率大于3.5及其消光系数小于0.0002；以及
多个低折射率层，其与多个所述Si:NH层相互堆叠，其在800nm至1100nm的波长范围内的折射率小於3；
其中所述Si:NH层的折射率与所述低折射率层的折射率的差值大于0.5；
其中所述红外带通滤波器具有与800nm至1100nm的波长范围部份重叠的通带，所述通带的中心波长位于800nm与1100nm的波长范围内，所述通带外具有在400nm至1100nm的波长范围内大于OD5的阻挡位凖。
2.根据权利要求1所述的红外带通滤波器，其特征在于，更包括基板，所述基板设置于所述第一多层膜结构。
3.根据权利要求2所述的红外带通滤波器，其特征在于，更包括第二多层膜结构，所述第二多层膜结构设置于所述基板，并与所述第一多层膜结构相对。
4.根据权利要求3所述的红外带通滤波器，其特征在于，所述第二多层膜结构包括：
多个Si:NH层，其在800nm至1100nm的波长范围内的折射率大于3.5及其消光系数小于0.0002；以及
多个低折射率层，其与多个所述Si:NH层相互堆叠，其在800nm至1100nm的波长范围内的折射率小於3；
其中所述Si:NH层的折射率与所述低折射率层的折射率的差值大于0.5。
5.根据权利要求1所述的红外带通滤波器，其特征在于，所述通带的中心波长位于800nm与1100nm的波长范围内。
6.根据权利要求5所述的红外带通滤波器，其特征在于，在入射角从0度改变至30度时，所述通带的中心波长的偏移幅度小于12nm。
7.根据权利要求1所述的红外带通滤波器，其特征在于，所述Si:NH层的层数与所述低折射率层的层数的总和小于39层。
8.根据权利要求1所述的红外带通滤波器，其特征在于，多个所述Si:NH层及多个所述低折射率层的总厚度小于4.5um。
9.根据权利要求1所述的红外带通滤波器，其特征在于，所述红外带通滤波器的硬度大于莫氏硬度7。
10.根据权利要求5所述的红外带通滤波器，其特征在于，所述低折射率层的材料选自SiO2、Al2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、SiOH及SiNOH中一者。
11.根据权利要求10所述的红外带通滤波器，其特征在于，所述低折射率层的材料为SiO2，所述低折射率层在800nm至1100nm的波长范围内的折射率介于1.4与1.5之间。
12.根据权利要求11所述的红外带通滤波器，其特征在于，在入射角从0度改变至30度时，所述通带的中心波长的偏移幅度小于11.8nm。
13.根据权利要求10所述的红外带通滤波器，其特征在于，所述低折射率层的材料为SiNOH，所述低折射率层在800nm至1100nm的波长范围内的折射率介于1.5与2之间。
14.根据权利要求13所述的红外带通滤波器，其特征在于，在入射角从0度改变至30度时，所述通带的中心波长的偏移幅度小于11.1nm。
15.根据权利要求13所述的红外带通滤波器，其特征在于，所述红外带通滤波器的硬度大于莫氏硬度9。
16.根据权利要求1所述的红外带通滤波器，其特征在于，所述Si:NH层在800nm至1100nm的波长范围内的消光系数小于0.00012。
17.根据权利要求5所述的红外带通滤波器，其特征在于，所述通带在800nm至1100nm的波长范围内的透射率大于90％。
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