CN110927850B - 红外宽波段截止滤波器、滤光片及摄像头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红外宽波段截止滤波器、滤光片及摄像头。滤波器包括若干个透明基材层、若干个近红外反射膜和空气层，近红外反射膜用于截止波长范围在700～1300nm的光线，设置在透明基材层的一个表面或者分布在透明基材层的相对两个表面上；近红外反射膜包括多个截止单元，截止单元形成m个膜堆，假设膜堆Aθ的膜系结构为│Vθ(α1Hβ1Lα2Hβ2L...αnHβnL)│，n、m为正整数，且3＜n≤80，同一个膜堆中的α1，α2，...，αn以及β1，β2，...，βn各自独立地满足同一个余弦或正弦波形上的同一递变规律；1≤m≤10；αi、βi在0.2～1.5范围内。提高了红外截止滤波器截止宽度。
Description
技术领域
本发明涉及光学膜领域，具体而言，涉及一种红外宽波段截止滤波器、滤光片及摄像头。
背景技术
IRCF是红外截止滤光片的简称，红外截止滤光片是利用精密光学镀膜技术在光学基片上交替镀上高低折射率的光学膜，实现可见光区高透而红外截止的光学滤光片，主要应用于可拍照手机摄像头、电脑内置摄像头、汽车摄像头等数码成像领域，用于消除红外光线对CCD/CMOS成像的影响。
通过在成像系统中加入红外截止滤光片，阻挡该部分干扰成像质量的红外光，可以使所成影像更加符合人眼的最佳感觉，传统的方法通过在基材上形成近红外线反射膜，其截止宽带在700～1100nm，如公开为CN103874940A的中国专利申请。虽然，公开号为CN103454709A的专利申请也公开了其红外截止滤光片对波长为825～1300nm的红外光线的透射率小于1％，但是，在实际应用中该透射率远远大于1％，即无法实现深度截止，且其无法实现825nm以下波段的红外光线的截止，同时还会出现半波孔现象。
由此可见，现有技术尚无更宽范围的截止，其原因在于增加近红外线反射膜的膜层实现1100nm以上红外光线的截止时，会对截止宽带在700～1100nm的膜层性能产生显著影响，而且出现半波孔现象。因此，目前只能截止到波长1100nm的红外光，实现近红外截止。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种红外宽波段截止滤波器、滤光片及摄像头，以解决现有技术中的红外截止滤波器截止宽度窄的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种红外宽波段截止滤波器，包括：若干个透明基材层，若干个近红外反射膜，用于截止波长范围在700～1300nm的光线；近红外反射膜设置在透明基材层的一个表面或者分布在透明基材层的相对两个表面上；其中，近红外反射膜包括多个截止单元，各截止单元包括一个高折射率材料层和与之相对的一个低折射率材料层，截止单元形成m个膜堆，假设膜堆Aθ的膜系结构为│Vθ(α1Hβ1Lα2Hβ2L...αnHβnL)│，其中，H表示高折射率材料层，L表示低折射率材料层，n、m为正整数，且3＜n≤80，同一个膜堆中的α1，α2，...，αn以及β1，β2，...，βn各自独立地满足同一个余弦或正弦波形上的同一递变规律；1≤m≤10；其中，对于第i个截止单元αiHβiL，1≤i≤n，αi为第i个高折射率材料层沿与透明基材层垂直的方向的光学厚度系数，βi表示第i个低折射率材料层沿与透明基材层垂直的方向上的光学厚度系数，Vθ表示相对于预设的监控波长相应膜堆中截止单元的光学厚度的调整倍数；αi、βi在0.2～1.5范围内；空气层，透明基材层与近红外反射膜堆叠成叠置结构，空气层设置叠置结构中相邻的两个透明基材层之间或者相邻的两个近红外反射膜之间或者相邻设置的透明基材层与近红外反射膜之间。
进一步地，上述空气层通过周向密封圈与支撑其上的相邻的透明基材层或者相邻的近红外反射膜形成；优选的，空气层内设置若干个胶柱以支撑其上的相邻的透明基材层或者相邻的近红外反射膜。
进一步地，上述近红外反射膜、透明基材层与空气层的接触面进一步地，上述m个膜堆中，各膜堆的截止单元的数量相等或不等，同一个膜堆的各截止单元分布在透明基材层的同一个表面上。
进一步地，上述λ为膜堆Aθ的监控波长，膜堆Aθ的截止中心波长为λθ，Vθ＝λθ/λ；优选Vθ在1.5～3.5范围内。
进一步地，上述膜堆的数量为1≤m≤8，优选为1≤m≤5，进一步优选为1≤m≤3；各膜堆中截止单元的数量为3＜n≤70，优选3＜n≤60，优选3＜n≤55，更优选3＜n≤50，进一步优选3＜n≤45，再进一步优选3＜n≤40，最优选3＜n≤36。
进一步地，m＝2，两个膜堆分别为膜堆A1、膜堆A2，膜堆A1的截止中心波长在700～900nm范围内；膜堆A2的截止中心波长在900～1300nm范围内；膜堆A1和膜堆A2叠置在透明基材层的两个表面上或者沿远离透明基材层的方向叠置在透明基材层的一个表面上；优选膜堆A1和膜堆A2的截止单元个数相当。
进一步地，上述膜堆A1的光学厚度的调整倍数V1为1.6，膜堆A2的光学厚度的调整倍数V2为2.1。
进一步地，m＝3，且三个膜堆分别为膜堆B1、膜堆B2、膜堆B3，膜堆B1的截止中心波长在700～900nm范围内；膜堆B2的截止中心波长在900～1100nm范围内；膜堆B3的截止中心波长在1050～1300nm范围内。
进一步地，上述膜堆B1的截止中心波长在700～800nm范围内；膜堆B2的截止中心波长在900～1000nm范围内；膜堆B3的截止中心波长在1100～1300nm范围内，优选膜堆B1的截止中心波长为720nm；膜堆B2的截止中心波长为945nm；膜堆B3的截止中心波长为1200nm。
进一步地，上述膜堆B1和膜堆B2的物理厚度之和S1与膜堆B3的物理厚度S2相差5％S1，膜堆B1和膜堆B2叠置在透明基材层的一个表面上，膜堆B3设置在透明基材层的另一个表面上；优选膜堆B1和膜堆B2的截止单元个数之和M1与膜堆B3的截止单元个数M2的数量关系为M1＝M2±(1、2或3)。
进一步地，上述膜堆B1的光学厚度的调整倍数V1为1.6，膜堆B2的光学厚度的调整倍数V2为2.1，膜堆B3的光学厚度的调整倍数V3为2.65。
进一步地，m＝4，四个膜堆分别为膜堆C1、膜堆C2、膜堆C3、膜堆C4，膜堆C1的截止中心波长在700～800nm范围内；膜堆C2的截止中心波长在800～900nm范围内；膜堆C3的截止中心波长在900～1000nm范围内；膜堆C4的截止中心波长在1100～1300nm范围内，膜堆C1和膜堆C2分别叠置在透明基材层的一个表面上；优选膜堆C1和膜堆C2的截止单元个数相当。
进一步地，上述各截止单元中高折射率材料层和低折射率材料层之间的光学厚度差值为0.06～0.07中的任意一个值。
进一步地，上述高折射率材料层中的高折射率材料为硫的化合物、钛的氧化物和晶体硅中的任意一种，优选为ZnS或二氧化钛，低折射率材料层为冰晶石、氟化镁或二氧化硅。
进一步地，上述红外宽波段截止滤波器包括光吸收剂，光吸收剂分散设置在透明基材层中或设置在透明基材层与近红外反射膜之间。
进一步地，上述光吸收剂选自无机光吸收剂、有机光吸收剂和有机无机复合光吸收剂中的任意一种或多种，优选无机光吸收剂为金属氧化物或金属盐类，其中金属氧化物和金属盐类中的金属为铜、铬、铁或镉，优选有机光吸收剂为酞菁、卟啉或偶氮，有机无机复合光吸收剂为酞菁金属螯合物、卟啉金属螯合物或偶氮金属螯合物。
根据本发明的另一方面，提供了一种滤光片，包括红外截止滤波器，该红外截止滤波器为上述任一种的红外宽波段截止滤波器。
根据本发明的另一方面，提供了一种摄像头，包括滤光片，该滤光片为上述的滤光片。
应用本发明的技术方案，根据法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉原理，当入射光的频率满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率。假设干涉强度分布:
式中I0为入射光强；R为反射面的能量反射率；δ为相邻两相干光间的相位差，与入射光倾角有关，R+T＝1(R为膜系的表面反射率，T为透射率)。相邻的高折射率层之间的距离以及相邻低折射率材料层之间的距离即相当于间隔层的距离，而根据法布里-珀罗干涉原理，间隔层的距离为λ/4的倍数时干涉达到最大，且根据光的波粒二象性传输的余弦波特性，余弦的周期逐渐变大，因此通过在反射膜系中设置膜系结构为│(α1Hβ1Lα2Hβ2L...αnHβnL)│的膜堆，由于膜堆的高折射率材料层和低折射率材料层的光学厚度系数(即α、β)遵循余弦波形的规律递变，即相邻的高折射率层之间的距离以及相邻低折射率材料层之间的距离呈现余弦波形的规律递变，就会使得频率较小的波长(比如近红外波长)的干涉效应得到增强，在此基础上通过设置Vθ来对光学厚度进行调整使得膜堆对于红外波长的反射带宽增加以及截止深度的增加，从而出现宽波段反射的效果，即实现了对700～1300nm波段的截止。近红外反射膜同时，通过限定αi、βi各自独立地在0.2～1.5范围内，使得膜堆中膜层的光学厚度差值较小，因此避免了出现光学薄膜设计中常见的半波孔。
而且，利用上述空气层使得红外滤波器对截止范围在700～1300nm内50％的半峰宽偏移不超过50nm，且从各个0～30度的各个角度投射成像效果好，截止深度深，在700～1300nm范围内红外透过率接近零，因此可以增加摄像的景深、增加光通量，另一方面利用空气层相对较低的导热性避免图像传感器或者光传感器热量对红外宽波段截止滤波器的热冲击。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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示出了根据本发明的一种实施例示出的红外宽波段截止滤波器的结构示意图；
图2示出了根据本发明的另一种实施例示出的红外宽波段截止滤波器的结构示意图；
图3示出了利用Essential Macleod膜系设计软件对本发明的实施例1的红外宽波段截止滤波器的光透射性能模拟结果；
图4示出了利用Essential Macleod膜系设计软件对本发明的实施例3的红外宽波段截止滤波器的光透射性能模拟结果；
图5示出了利用Essential Macleod膜系设计软件对本发明的对比例1的红外宽波段截止滤波器的光透射性能模拟结果；以及
图6示出了利用Essential Macleod膜系设计软件对本发明的对比例2的红外宽波段截止滤波器的光透射性能模拟结果。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、透明基材层；20、近红外反射膜；21、膜堆A1；22、膜堆A2；30、空气层；40、光吸收层；41、光吸收剂。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如本申请背景技术所分析的，现有技术中的红外截止滤波器难以实现对700～1300nm的红外光线是截止，为了解决该问题，本申请提供了一种红外截止滤波器、滤光片和摄像头。
在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种红外宽波段截止滤波器，如图1至2所示，包括若干个透明基材层10、若干个近红外反射膜20和空气层30，用于截止波长范围在700～1300nm的光线，近红外反射膜20设置在透明基材层10的一个表面或者分布在透明基材层10的相对两个表面上，，近红外反射膜20包括多个截止单元，各截止单元包括一个高折射率材料层和与之相对的一个低折射率材料层，截止单元形成m个膜堆，假设膜堆Aθ的膜系结构为│Vθ(α1Hβ1Lα2Hβ2L...αnHβnL)│，其中，H表示高折射率材料层，L表示低折射率材料层，n、m为正整数，且3＜n≤80，同一个膜堆中的α1，α2，...，αn以及β1，β2，...，βn各自独立地满足同一个余弦或正弦波形上的同一递变规律；1≤m≤10；其中，对于第i个截止单元αiHβiL，1≤i≤n，αi为第i个高折射率材料层沿与透明基材层10垂直的方向的光学厚度系数，βi表示第i个低折射率材料层沿与透明基材层10垂直的方向上的光学厚度系数，Vθ表示相对于预设的监控波长相应膜堆中截止单元的光学厚度的调整倍数；αi、βi各自独立地在0.2～1.5范围内；透明基材层10与近红外反射膜20堆叠成叠置结构；空气层30设置叠置结构中相邻的两个透明基材层10之间或者相邻的两个近红外反射膜20之间或者相邻设置的透明基材层10与近红外反射膜20之间。
需要说明的是，本申请上述正弦波形和余弦波形为坐标系中的标准正弦波形和余弦波形的变化趋势(仅限于变化趋势，具体数值不受象限和正负值的限定)，即正弦波形包括对称设置的上半弦和下半弦，上半弦包括左上半弦和右上半弦，下半弦包括左下半弦和右下半弦；余弦波形包括对称设置的左半弦和右半弦，左半弦为递减弦，右半弦为递增弦，左半弦包括左上半弦和左下半弦，右半弦包括右上半弦和右下半弦。且前述的若干个为一个或多个，透明基材层、近红外反射膜和空气层之间的设置方式随着各层数量的变化进行合理的变化，在此不再赘述。
由于余弦波形与正弦波形只是相位的差异产生的。为了表述方便，以下仅就余弦波形进行说明。目前为了实现红外宽波段截止，本申请发明人在研究中意外发现，当高折射率材料层和低折射率材料层的厚度变化对于反射峰的带宽存在直接相关性，基于此本申请发明人对高折射率材料层和低折射率材料层的厚度变化规律进行了深入研究，并发现高折射率材料层和低折射率材料层的光学厚度系数遵循余弦波形的规律递变形成的余弦膜堆对目标波段的带宽具有关键的影响。其中的作用原理，发明人认为：
根据法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉原理，当入射光的频率满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率。假设干涉强度分布:
式中I0为入射光强；R为反射面的能量反射率；δ为相邻两相干光间的相位差，与入射光倾角有关，R+T＝1(R为膜系的表面反射率，T为透射率)。相邻的高折射率层之间的距离以及相邻低折射率材料层之间的距离即相当于间隔层的距离，而根据法布里-珀罗干涉原理，间隔层的距离为λ/4的倍数时干涉达到最大，且根据光的波粒二象性传输的余弦波特性，余弦的周期逐渐变大，因此通过在反射膜系中设置膜系结构为│(α1Hβ1Lα2Hβ2L...αnHβnL)│的膜堆，由于膜堆的高折射率材料层和低折射率材料层的光学厚度系数(即α、β)遵循余弦波形的规律递变，即相邻的高折射率层之间的距离以及相邻低折射率材料层之间的距离呈现余弦波形的规律递变，就会使得频率较小的波长(比如近红外波长)的干涉效应得到增强，在此基础上通过设置Vθ来对光学厚度进行调整使得膜堆对于红外波长的反射带宽增加以及截止深度的增加，从而出现宽波段反射的效果，即实现了对700～1300nm波段的截止。近红外反射膜20同时通过限定αi、βi各自独立地在0.2～1.5范围内，使得膜堆中膜层的光学厚度差值较小，因此避免了出现光学薄膜设计中常见的半波孔。
而且，利用上述空气层30使得红外滤波器对截止范围在700～1300nm内50％的半峰宽偏移不超过50nm，且从各个0～30度的各个角度投射成像效果好，截止深度深，在700～1300nm范围内红外透过率接近零，因此可以增加摄像的景深、增加光通量；另一方面利用空气层30相对较低的导热性避免图像传感器或者光传感器热量对红外宽波段截止滤波器的热冲击。
为了更清楚地理解上述光学厚度的变化，以下进一步对膜堆的光学厚度进行说明：比如同一个膜堆中，对于第i个高低折射率材料单元αiHβiL，高折射率材料层的光学厚度为αi*λ/4，低折射率材料层的光学厚度为βi*λ/4，高折射率材料层的折射率为NH，高折射率材料层的物理厚度为DH，则存在NH*DH＝αi*λ/4；低折射率材料层22的折射率为NL，低折射率材料层22的物理厚度为DL，则存在NL*DL＝βi*λ/4；其中，λ为膜堆的监控波长，α1，α2，...，αn和β1，β2，...，βn各自独立地满足选自范围在0～2π的同一个正弦波形和余弦波形的左上半弦、左下半弦、右上半弦和右下半弦上的同一递变规律。上述监控波长以膜堆的使用环境的入射光波长来决定，比如选用550nm作为可见光的监控波长，以750nm作为红外光的监控波长，具体的可依据现有技术进行选择，在此不再赘述。
本申请空气层30的形成方式有多种，为了简化红外宽波段截止滤波器的结构，优选上述空气层30通过周向密封圈与支撑其上的相邻的透明基材层10或者相邻的近红外反射膜20形成；优选空气层30内设置若干个胶柱以支撑其上的相邻的透明基材层10或者相邻的近红外反射膜20。上述周向密封圈或胶柱的材料可以选择与透明基材层10相同的材料，优选为周向垫圈。
另外，为了避免光线在空气层30与红外反射膜之间或者在空气层30与透明基材层10之间出现不必要的反射，优选上述近红外反射膜20、透明基材层10与空气层30的接触面设置减反射层或低反射层。上述低反射层是相对于膜堆中的低折射率材料层而言，减反射层或低反射层的具体形成材料可以参考现有技术，在此不再赘述。
为了针对性地对不同波段的近红外光进行反射，优选m个膜堆中，各膜堆的截止单元的数量相等或不等，同一个膜堆的各截止单元分布在透明基材层10的同一个表面上。
在本申请一种实施例中，上述λ为膜堆Aθ的监控波长，膜堆Aθ的截止中心波长为λθ，Vθ＝λθ/λ，根据中心波长和监控波长调整光学厚度的调整倍数，从而更有针对性地提高目标反射波长的波段范围。经过试验验证，优选Vθ在1.5～3.5范围内，以实现较为理想的宽波段截止。
根据膜系设计结构的稳定性要求，优选上述膜堆的数量为1≤m≤8，优选为1≤m≤5，进一步优选为1≤m≤3。从干涉原理来说，每一个膜堆中高折射率材料层和低折射率材料层的数量越多，对光线的截止深度越大，但是数量越多，各层的厚度越不容易控制，为了在较好地解决半波孔的问题基础上实现较大的截止深度，各膜堆中截止单元的数量为3＜n≤70，优选3＜n≤60，优选3＜n≤55，更优选3＜n≤50，进一步优选3＜n≤45，再进一步优选3＜n≤40，最优选3＜n≤36。
在本申请另一种优选的实施例中，如图1和2所示，上述m＝2，两个膜堆分别为膜堆A1 21、膜堆A2 22，膜堆A1 21的截止中心波长在700～900nm范围内；膜堆A2 22的截止中心波长在900～1300nm范围内。膜堆A1 21和膜堆A2 22叠置在透明基材层10的两个表面上或者沿远离透明基材层10的方向叠置在透明基材层10的一个表面上；优选膜堆A1 21和膜堆A2 22的截止单元个数相当。
进一步优选膜堆A1 21的光学厚度的调整倍数V1为1.6，膜堆A2 22的光学厚度的调整倍数V2为2.1。
在本申请一种优选的实施例中，上述m＝3，且三个膜堆分别为膜堆B1、膜堆B2、膜堆B3，膜堆B1的截止中心波长在700～900nm范围内；膜堆B2的截止中心波长在900～1100nm范围内；膜堆B3的截止中心波长在1050～1300nm范围内。根据截至中心波长设置三个膜堆，进而提高各个膜堆的宽波段反射效果。进一步优选上述膜堆B1的截止中心波长在700～800nm范围内；膜堆B2的截止中心波长在900～1000nm范围内；膜堆B3的截止中心波长在1100～1300nm范围内，优选膜堆B1的截止中心波长为720nm；膜堆B2的截止中心波长为945nm；膜堆B3的截止中心波长为1200nm。
此外，优选上述膜堆B1和膜堆B2的物理厚度之和S1与膜堆B3的物理厚度S2相差5％S1，膜堆B1和膜堆B2叠置在透明基材层10的一个表面上，膜堆B3设置在透明基材层10的另一个表面上。通过将膜堆B1和膜堆B2设置在透明基材层10的依次表面，厚度较大的膜堆B3设置在透明基材层10的另一个表面，有效避免了各膜堆中厚度差异容易导致的应力不平衡的问题，进而避免了红外宽波段截止滤波器边缘翘起、分层等现象的出现。
进一步地，为了避免了透明基材层10因为膜堆的堆叠层数差异导致的应力不平衡的问题，优选膜堆B1和膜堆B2的截止单元个数之和M1与膜堆B3的截止单元个数M2的数量关系为M1＝M2±1、2或3，这样在透明基材层10的两侧设置数量基本相当的堆叠层数，可以避免红外宽波段截止滤波器边缘翘起、分层等现象的出现。
在本申请一种优选的实施例中，上述m＝4，四个膜堆分别为膜堆C1、膜堆C2、膜堆C3、膜堆C4，膜堆C1的截止中心波长在700～800nm范围内；膜堆C2的截止中心波长在800～900nm范围内；膜堆C3的截止中心波长在900～1000nm范围内；膜堆C4的截止中心波长在1100～1300nm范围内；优选膜堆C1和膜堆C2分别叠置在透明基材层10的一个表面上；优选膜堆C1和膜堆C2的截止单元个数相当。根据截至中心波长设置三个膜堆，进一步提高各个膜堆的宽波段反射效果。如果膜堆为四个，其设置原则同三个膜堆的设置原则相同，即根据膜堆的厚度以及膜堆中高折射率材料层和低折射率材料层的数量来确定，在此不再赘述。
进一步优选上述膜堆B1的光学厚度的调整倍数V1为1.6，膜堆B2的光学厚度的调整倍数V2为2.1，膜堆B3的光学厚度的调整倍数V3为2.65。
为了更理想地缓解半波孔的问题，优选上述各截止单元中高折射率材料层和低折射率材料层之间的光学厚度差值为0.06～0.07中的任意一个值。
用于本申请的高折射率材料层和低折射率材料层的高折射率材料和低折射率材料可以选择现有技术中红外截止滤波器常用的对应材料，比如本申请优选高折射率材料层中的高折射率材料为硫的化合物、钛的氧化物和晶体硅中的任意一种，优选为ZnS或二氧化钛，低折射率材料层为冰晶石、氟化镁或二氧化硅。
在本申请一种优选的实施例中，上述红外宽波段截止滤波器包括光吸收剂41，如图1至3所示，光吸收剂41分散设置在透明基材层10中或设置在透明基材层10的表面上。在红外宽波段截止滤波器还设置有光吸收剂41，从而实现了对特定波长的光的吸收，从而弥补了近红外反射膜20可能出现的光反射不足的缺陷以及偏移角度大的问题。上述光吸收剂31设置在透明基材层10中时，可以采用透明基材层10的原料比如PET树脂与光吸收剂31共混后进行流延或者挤出成型的方式。上述光吸收剂31设置在透明基材层10上时，可以在透明基材层10原料设置后的层结构表面比如在PET表面进行染料涂布的方式，或在IRCF镀层最外面进行光吸收剂的涂布，然后固化形成的透明基材层10和光吸收剂之间没有明确的界限，可以当做一个整体结构。将光吸收剂41设置在透明基材层10的表面上，在实现对近红外反射膜20功能补偿的同时避免了对近红外反射膜20各膜堆协同作用的影响。
在一种实施例中，如图1至3所示，上述红外宽波段截止滤波器还包括光吸收层40，光吸收剂41设置在光吸收层40中，光吸收层40设置在透明基材层10与近红外反射膜20之间。将光吸收剂41设置在独立的光吸收层40中，从而可以根据需求灵活调整光吸收剂41的用量而不会影响透明基材层10的原有结构性能。
用于本申请的光吸收剂41选自无机光吸收剂、有机光吸收剂和有机无机复合光吸收剂中的任意一种或多种，优选所述无机光吸收剂为金属氧化物或金属盐类，其中所述金属氧化物和所述金属盐类中的金属为铜、铬、铁或镉，优选所述有机光吸收剂为酞菁、卟啉或偶氮，所述有机无机复合光吸收剂为酞菁金属螯合物、卟啉金属螯合物或偶氮金属螯合物。比如Exciton公司的ABS系列(诸如ABS-642，ABS-626等)及山田化学工业的FDR系列(FDR-001,FDR-002,FDR-003,FDR-004,FDR-005等)。
在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种滤光片，包括红外截止滤波器，该红外截止滤波器为上述任一种的红外宽波段截止滤波器。以实现对红外光线的宽截止，并且有效解决了半波孔的问题。
在本申请又一种典型的实施方式中，提供了一种摄像头，包括滤光片，该滤光片为前述的滤光片。采用本申请的滤光片的摄像头的成像更能符合人眼的观察感觉。
以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果。
实施例1
模拟实验数据：
红外宽波段截止滤波器结构如图1所示，透明基材层为PET层，形成截止单元的高折射率材料层为折射率为2.354的二氧化钛层，低折射率材料层为折射率为1.46的二氧化硅层，空气层利用PET垫圈与透明基材层和近红外反射膜组合形成。膜堆A1的监控波长为455nm，中心波长为1200nm，V1表示相对于预设的监控波长相应膜堆中截止单元的光学厚度的调整倍数为1.6，依次靠近透明基材的其膜系设计为：0.202H 0.459L 2.515H 2.332L2.578H 2.554L 2.581H 2.583L 2.656H 2.634L 2.662H 2.676L 2.668H 2.672L 2.673H2.670L 2.656H 2.684L 2.655H 2.662L 2.644H 2.644L 2.620H 2.594L 2.570H 2.545L2.548H 2.532L 2.529H 2.534L 2.486H 2.464L 2.426H 2.450L。
膜堆A2的监控波长为455nm，中心波长为850nm，V2表示相对于预设的监控波长相应膜堆中截止单元的光学厚度的调整倍数为2.1，依次靠近透明基材的其膜系设计为：2.418H 2.392L 2.353H 2.374L 2.339H 2.341L 2.306H 2.285L 2.205H 2.247L 2.164H2.216L 2.194H 2.204L 2.072H 2.117L 2.005H 2.048L 1.937H 2.028L 1.935H 2.012L1.879H 1.978L 1.846H 1.957L 1.808H 1.938L 1.766H 1.924L 1.771H 1.933L 1.763H1.906L 1.767H 1.915L 1.821H 1.941L 1.849H 2.001L 1.861H 0.975L。
利用Essential Macleod膜系设计软件对上述红外宽波段截止滤波器的光透射性能进行模拟，其模拟结果见图3。根据图3可以看出，本申请的红外宽波段截止滤波器对红外光具有全波段、深度截止，而使得可见光透过。
实施例2
采用磁控溅射工艺制作实施例1对应的红外宽波段截止滤波器，用干净的布片和乙醇对基片(基片上设置有0.05mm的PET层)进行清洁处理。将真空室内放气后，用吸尘器清理钟罩内部，在钼舟内填装待蒸发膜料，记录下各个舟的膜料名称。并在基片架上安放基片，勿使基片倾斜。落下钟罩，按镀膜机操作规程对真空室进行抽真空。当真空度达到7×10-3Pa以后，依次对钼舟中膜料预熔，去除膜料中的气体。此时注意用挡板挡住膜料，以保证预熔中基片不被镀上。当真空度达到要求后，采用λ/4极值法控制光学厚度的方法进行镀制，将控制波长放在532nm。
首先在基片的第一个PET层的第一表面上喷涂PET垫圈，然后将第二个PET层的第一表面设置在该PET垫圈上，接着在第一个PET层的第二表面上镀制二氧化钛，随着膜层增厚，放大器指示的光电流将下降。当光电流数值刚刚开始回升时，立即将挡板挡上。然后，降电流换电极，镀二氧化硅，镀二氧化硅时，光电流随着膜厚增加而上升，达到极值时停止镀膜，重复以上步骤镀膜，以形成膜堆A1。
其次，在第二个PET层的第二表面上镀制二氧化钛，随着膜层增厚，放大器指示的光电流将下降。当光电流数值刚刚开始回升时，立即将挡板挡上。然后，降电流换电极，镀二氧化硅，镀二氧化硅时，光电流随着膜厚增加而上升，达到极值时停止镀膜，重复以上步骤镀膜，以形成膜堆A2。
每次镀膜结束后，依镀膜机操作规程停止加热和抽真空。半小时后，方可对镀膜机真空室充气，取出所镀制的干涉滤光片。
使用Lamda 950紫外/可见/近红外分光光度计对获得的干涉滤光片，得到的透射光谱图与图3相当，说明模拟结果的准确性以及产品的稳定性。
实施例3
与实施例1不同之处在于，染色和基材的相对位置关系如图2所示。
利用Essential Macleod膜系设计软件对上述红外宽波段截止滤波器的光透射性能进行模拟，其模拟结果如图4所示。对红外宽波段截止滤波器对红外光具有全波段、深度截止，而使得可见光透过。
对比例1
模拟实验数据：
与实施例1的不同之处在于，未设置空气层，两个透明基材层直接接触设置。
利用Essential Macleod膜系设计软件对上述红外宽波段截止滤波器的光透射性能进行模拟，其模拟结果见图5。根据图5可以看出，在去除空气层后，红外宽波段截止滤波器对红外光的截止不是很彻底。
对比例2
与实施例3的不同之处在于，未设置空气层，两个透明基材层直接接触设置。
利用Essential Macleod膜系设计软件对上述红外宽波段截止滤波器的光透射性能进行模拟，其模拟结果见图6。根据图6可以看出，在去除空气层后，部分红外光透过。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
相邻的高折射率层之间的距离以及相邻低折射率材料层之间的距离即相当于间隔层的距离，而根据法布里-珀罗干涉原理，间隔层的距离为λ/4的倍数时干涉达到最大，且根据光的波粒二象性传输的余弦波特性，余弦的周期逐渐变大，因此通过在反射膜系中设置膜系结构为│(α1Hβ1Lα2Hβ2L...αnHβnL)│的膜堆，由于膜堆的高折射率材料层和低折射率材料层的光学厚度系数(即α、β)遵循余弦波形的规律递变，即相邻的高折射率层之间的距离以及相邻低折射率材料层之间的距离呈现余弦波形的规律递变，就会使得频率较小的波长(比如近红外波长)的干涉效应得到增强，在此基础上通过设置Vθ来对光学厚度进行调整使得膜堆对于红外波长的反射带宽增加以及截止深度的增加，从而出现宽波段反射的效果，即实现了对700～1300nm波段的截止。
同时，通过限定αi、βi各自独立地在0.2～1.5范围内，使得膜堆中膜层的光学厚度差值较小，因此避免了出现光学薄膜设计中常见的半波孔。
而且，利用上述空气层30使得红外滤波器对截止范围在700～1300nm内50％的半峰宽偏移不超过50nm，且从各个0～30度的各个角度投射成像效果好，截止深度深，在700～1300nm范围内红外透过率接近零，因此可以增加摄像的景深、增加光通量；另一方面利用空气层30相对较低的导热性避免图像传感器或者光传感器热量对红外宽波段截止滤波器的热冲击。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (34)
1.一种红外宽波段截止滤波器，其特征在于，包括：
若干个透明基材层（10），
若干个近红外反射膜（20），用于截止波长范围在700~1300nm的光线；
所述近红外反射膜（20）设置在所述透明基材层（10）的一个表面或者分布在透明基材层（10）的相对两个表面上；
其中，所述近红外反射膜（20）包括多个截止单元，各所述截止单元包括一个高折射率材料层和与之相对的一个低折射率材料层，所述截止单元形成m个膜堆，假设膜堆Aθ的膜系结构为│Vθ(α1Hβ1Lα2Hβ2L...αnHβnL)│，其中，H表示高折射率材料层，L表示低折射率材料层，n、m为正整数，且3＜n≤80，同一个膜堆中的α1，α2，...，αn以及β1，β2，...，βn各自独立地满足同一个余弦或正弦波形上的同一递变规律；1≤m≤10；其中，对于第i个截止单元αiHβiL，1≤i≤n，αi为第i个高折射率材料层沿与所述透明基材层（10）垂直的方向的光学厚度系数，βi表示第i个所述低折射率材料层沿与所述透明基材层（10）垂直的方向上的光学厚度系数，Vθ表示相对于预设的监控波长相应膜堆中截止单元的光学厚度的调整倍数；αi、βi在0.2~1.5范围内；
空气层（30），所述透明基材层（10）与所述近红外反射膜（20）堆叠成叠置结构，所述空气层（30）设置在叠置结构中相邻的两个所述透明基材层（10）之间或者相邻的两个所述近红外反射膜（20）之间或者相邻设置的所述透明基材层（10）与所述近红外反射膜（20）之间，所述空气层（30）通过周向密封圈以支撑其上的相邻的所述透明基材层（10）或者相邻的所述近红外反射膜（20）形成。
2.根据权利要求1所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述空气层（30）内设置若干个胶柱以支撑其上的相邻的所述透明基材层（10）或者相邻的所述近红外反射膜（20）。
3.根据权利要求1所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述近红外反射膜（20）、所述透明基材层（10）与所述空气层（30）的接触面设置减反射层或者低反射层。
4.根据权利要求1所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，m个所述膜堆中，各所述膜堆的截止单元的数量相等或不等，同一个膜堆的各所述截止单元分布在所述透明基材层（10）的同一个表面上。
5.根据权利要求1所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，λ为膜堆Aθ的监控波长，膜堆Aθ的截止中心波长为λθ，Vθ=λθ/λ。
6.根据权利要求5所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，Vθ在1.5~3.5范围内。
7.根据权利要求1所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述膜堆的数量为1≤m≤8；各所述膜堆中所述截止单元的数量为3＜n≤70。
8.根据权利要求7所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述膜堆的数量为1≤m≤5。
9.根据权利要求8所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述膜堆的数量为1≤m≤3。
10.根据权利要求8所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，各所述膜堆中所述截止单元的数量为3＜n≤60。
11.根据权利要求10所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，各所述膜堆中所述截止单元的数量为3＜n≤55。
12.根据权利要求11所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，各所述膜堆中所述截止单元的数量为3＜n≤50。
13.根据权利要求12所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，各所述膜堆中所述截止单元的数量为3＜n≤45。
14.根据权利要求13所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，各所述膜堆中所述截止单元的数量为3＜n≤40。
15.根据权利要求14所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，各所述膜堆中所述截止单元的数量为3＜n≤36。
16.根据权利要求1所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，m=2，两个膜堆分别为膜堆A1（21）、膜堆A2（22），所述膜堆A1（21）的截止中心波长在700~900nm范围内；所述膜堆A2（22）的截止中心波长在900~1300nm范围内；所述膜堆A1（21）和所述膜堆A2（22）叠置在所述透明基材层（10）的两个表面上或者沿远离所述透明基材层（10）的方向叠置在所述透明基材层（10）的一个表面上。
17.根据权利要求16所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述膜堆A1（21）和所述膜堆A2（22）的截止单元个数相等。
18.根据权利要求16所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述膜堆A1（21）的光学厚度的调整倍数V1为1.6，所述膜堆A2（22）的光学厚度的调整倍数V2为2.1。
19.根据权利要求1所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，m=3，且三个膜堆分别为膜堆B1、膜堆B2、膜堆B3，所述膜堆B1的截止中心波长在700~900nm范围内；所述膜堆B2的截止中心波长在900~1100nm范围内；所述膜堆B3的截止中心波长在1050~1300nm范围内。
20.根据权利要求19所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述膜堆B1的截止中心波长在700~800nm范围内；所述膜堆B2的截止中心波长在900~1000nm范围内；所述膜堆B3的截止中心波长在1100~1300nm范围内。
21.根据权利要求20所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述膜堆B1的截止中心波长为720nm；所述膜堆B2的截止中心波长为945nm；所述膜堆B3的截止中心波长为1200nm。
22.根据权利要求19所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述膜堆B1和所述膜堆B2的物理厚度之和S1与所述膜堆B3的物理厚度S2相差5%S1，所述膜堆B1和所述膜堆B2叠置在所述透明基材层（10）的一个表面上，所述膜堆B3设置在所述透明基材层（10）的另一个表面上。
23.根据权利要求22所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述膜堆B1和所述膜堆B2的截止单元个数之和M1与所述膜堆B3的截止单元个数M2的数量关系为M1=M2±1、M1=M2±2、或M1=M2±3。
24.根据权利要求19所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述膜堆B1的光学厚度的调整倍数V1为1.6，所述膜堆B2的光学厚度的调整倍数V2为2.1，所述膜堆B3的光学厚度的调整倍数V3为2.65。
25.根据权利要求1所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，m=4，四个膜堆分别为膜堆C1、膜堆C2、膜堆C3、膜堆C4，所述膜堆C1的截止中心波长在700~800nm范围内；所述膜堆C2的截止中心波长在800~900nm范围内；所述膜堆C3的截止中心波长在900~1000nm范围内；所述膜堆C4的截止中心波长在1100~1300nm范围内，所述膜堆C1和所述膜堆C2分别叠置在所述透明基材层（10）的一个表面上。
26.根据权利要求25所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述膜堆C1和所述膜堆C2的截止单元个数相等。
27.根据权利要求1所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，各所述截止单元中所述高折射率材料层和所述低折射率材料层之间的光学厚度差值为0.06~0.07中的任意一个值。
28.根据权利要求1所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述高折射率材料层中的高折射率材料为硫的化合物、钛的氧化物和晶体硅中的任意一种。
29.根据权利要求28所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述高折射率材料层中的高折射率材料为ZnS或二氧化钛，所述低折射率材料层中的低折射率材料为冰晶石、氟化镁或二氧化硅。
30.根据权利要求1所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述红外宽波段截止滤波器包括光吸收剂（41），所述光吸收剂（41）分散设置在所述透明基材层（10）中或设置在所述透明基材层（10）与所述近红外反射膜（20）之间。
31.根据权利要求30所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述光吸收剂（41）选自无机光吸收剂、有机光吸收剂和有机无机复合光吸收剂中的任意一种或多种。
32.根据权利要求31所述的红外宽波段截止滤波器，其特征在于，所述无机光吸收剂为金属氧化物或金属盐类，其中所述金属氧化物和所述金属盐类中的金属为铜、铬、铁或镉，所述有机光吸收剂为酞菁、卟啉或偶氮，所述有机无机复合光吸收剂为酞菁金属螯合物、卟啉金属螯合物或偶氮金属螯合物。
33.一种滤光片，包括红外截止滤波器，其特征在于，所述红外截止滤波器为权利要求1至32中任一项所述的红外宽波段截止滤波器。
34.一种摄像头，包括滤光片，其特征在于，所述滤光片为权利要求33所述的滤光片。
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