CN113075758A - 一种红外带通滤光片及传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红外带通滤光片及传感器系统，涉及滤光片技术领域，红外带通滤光片包括具有隔离可见光透过红外光的基底，设置在基底上表面的第一结构和设置在基底下表面的第二结构；第一结构包括多个高折射率层和多个低折射率层，高折射率层与低折射率层交替堆叠；第二结构包括多个高折射率层、多个中折射率层和多个低折射率层。本发明通过选取具有隔离可见光透过红外光的基底、第一结构和第二结构，使得当入射光线的入射角度为大于等于0°且小于等于30°时，红外带通滤光片的近红外光波段的左边透过率50％的位置偏移为0，右边透过率50％的位置偏移小于等于20nm，通带中心波长的位置偏移小于等于10nm。
Description
技术领域
本发明涉及滤光片技术领域，特别是涉及一种红外带通滤光片及传感器系统。
背景技术
红外带通滤光片的基本要求是在通带内具有高透过率，而在通带外即阻带内具有高阻光率。其中，OD值可以用来表征阻带的阻光率，OD值越大，表示阻光率越高，阻光能力越好。另外，对于红外带通滤光片而言，当光线的入射角发生变化时，会导致该红外带通滤光片的通带的中心波长随之发生偏移。传统的红外带通滤光片，红外带通滤光片的左右两边透过率为50％的位置偏移皆大于30nm以上，通带的中心波长位置偏移也大于30nm以上。为了减小中心波长偏移，可以增加通带的宽度，以使在所需的入射角范围内的目标波长的光线都在红外带通滤光片的通带内。但是，这样的设计会使透射的环境光增加，从而降低信噪比。
发明内容
本发明的目的是提供一种红外带通滤光片及传感器系统，以实现在减少中心波长偏移的同时提高信噪比。
为实现上述目的，本发明提供了一种红外带通滤光片，所述红外带通滤光片包括：具有隔离可见光透过红外光的基底，以及设置在所述基底的上表面的第一结构和设置在所述基底的下表面的第二结构；
所述第一结构包括多个高折射率层和多个低折射率层，且所述高折射率层与所述低折射率层交替堆叠；
所述第二结构包括多个高折射率层、多个中折射率层和多个低折射率层。
可选地，所述基底为红外玻璃或涂有吸收材质的透明玻璃；所述基底的厚度范围为大于0.05mm且小于8mm；所述红外玻璃的组成成分包括：二氧化硅、硒及其化合物、三氧化二硼、碲及其化合物、氧化锌和氧化镉。
可选地，在800nm至1100nm的波长范围内，所述红外带通滤光片具有至少一个通带。
可选地，所述高折射率层在波长800nm至900nm的折射率为大于等于2.20且小于等于2.50，所述中折射率层在波长800nm至900nm的折射率为大于等于1.60且小于等于2.15，所述低折射率层在波长800nm至900nm的折射率为大于等于1.30且小于等于1.50。
可选地，所述高折射率层包括五氧化三钛、二氧化钛或氧化铌中的至少一种；所述中折射率层包括五氧化二钽、氧化铝或氧化锆中的至少一种；所述低折射率层包括二氧化硅或氟化镁中的至少一种。
可选地，当所述第一结构的层数为大于10层且小于等于70层时，所述第一结构为滤光结构层；在所述滤光结构层中，每个高折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于400nm，每个低折射率层的厚度范围为大于等于1nm且小于等于500nm。
可选地，当所述第一结构的层数为大于等于2层且小于等于10层时，所述第一结构为抗反射结构层；在所述抗反射结构层中，每个高折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于320nm，每个低折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于280nm。
可选地，所述第二结构的层数范围为大于等于10层且小于等于120层；在所述第二结构中，每个高折射率层的厚度范围为大于等于1nm且小于等于400nm，每个中折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于100nm，每个低折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于600nm。
可选地，所述红外带通滤光片的阻带对于可见光波段的阻光率大于5，对于红外波段的阻光率大于3。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种红外带通滤光片，包括：具有隔离可见光透过红外光的基底，以及设置在基底的上表面的第一结构和设置在基底的下表面的第二结构；第一结构包括多个高折射率层和多个低折射率层，且高折射率层与低折射率层交替堆叠；第二结构包括多个高折射率层、多个中折射率层和多个低折射率层。本发明通过选取具有隔离可见光透过红外光的基底结合高折射率层与低折射率层交替堆叠构成的第一结构和高折射率层、中折射率层与低折射率层交替堆叠构成的第二结构，使得当入射光线的入射角度为大于等于0°且小于等于30°时，所述红外带通滤光片的近红外光波段左边透过率50％位置偏移为0，且近红外光波段右边透过率50％位置偏移小于等于20nm，通带中心波长位置偏移小于等于10nm。
为实现上述目的，本发明还提供一种传感器系统，所述系统包括：
光源、上述的红外带通滤光片和传感器装置；
所述光源与所述红外带通滤光片对应设置，所述红外带通滤光片与所述传感器装置连接；所述光源用于发射光线；所述红外带通滤光片用于透过所述光源发射的光线中位于通带内的光线；所述传感器装置用于检测所述红外带通滤光片透过的光线。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过利用上述红外带通滤光片可以有效解决大视场附近位置出现无法感应问题，大大提升了传感器系统的信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1红外带通滤光片的结构剖面图；
图2为本发明实施例2基底透射率光谱图；
图3为本发明实施例2滤光结构层透射率光谱图；
图4为本发明实施例2第二结构透射率光谱图；
图5为本发明实施例2红外带通滤光片透射率光谱图；
图6为本发明实施例3抗反射结构层透射率光谱图；
图7为本发明实施例3第二结构透射率光谱图；
图8为本发明实施例3红外带通滤光片透射率光谱图；
图9为本发明实施例4基底透射率光谱图；
图10为本发明实施例4第二结构透射率光谱图；
图11为本发明实施例4红外带通滤光片透射率光谱图；
图12为本发明实施例4提供的传统红外带通滤光片透射率光谱图；
图13为本发明实施例5传感器系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种红外带通滤光片及传感器系统，以实现在减少中心波长偏移的同时提高信噪比。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种红外带通滤光片，所述红外带通滤光片包括：具有隔离可见光透过红外光的基底110，以及设置在所述基底的上表面的第一结构120和设置在所述基底的下表面的第二结构130。所述第一结构包括多个高折射率层和多个低折射率层，且所述高折射率层与所述低折射率层交替堆叠。所述第二结构包括多个高折射率层、多个中折射率层和多个低折射率层，且所述高折射率层、所述中折射率层和所述低折射率层交替堆叠。
在本发明实施例中，所述基底为红外玻璃或涂有吸收材质的透明玻璃；所述基底的厚度范围为大于0.05mm且小于8mm；所述红外玻璃的组成成分包括：二氧化硅、硒及其化合物、三氧化二硼、碲及其化合物、氧化锌和氧化镉。
在本发明实施例中，在800nm至1100nm的波长范围内，所述红外带通滤光片具有至少一个通带。所述红外带通滤光片的阻带对于可见光波段的阻光率大于5，对于红外波段的阻光率大于3。所述红外带通滤光片在可见光400nm-700nm波长范围内的透过率不大于1％，在红外光800nm-1100nm波长范围内的透过率不小于80％。当入射光线的入射角度为大于等于0°且小于等于30°时，所述红外带通滤光片的近红外光波段左边透过率50％位置偏移为0，且近红外光波段右边透过率50％位置偏移小于等于20nm，通带中心波长位置偏移小于等于10nm。制备第一结构120和第二结构130时，均采用电子束蒸发加以离子辅助沉积的方法，并采用修正板(mask)结合极值法控制膜层厚度。
在本发明实施例中，所述高折射率层在波长800nm至900nm的折射率为大于等于2.20且小于等于2.50。所述中折射率层在波长800nm至900nm的折射率为大于等于1.60且小于等于2.15。所述低折射率层在波长800nm至900nm的折射率为大于等于1.30且小于等于1.50。所述高折射率层包括五氧化三钛、二氧化钛或氧化铌中的至少一种。所述中折射率层包括五氧化二钽或氧化锆中的至少一种。所述低折射率层包括二氧化硅或氟化镁中的至少一种。
在本发明实施例中，当所述第一结构的层数为大于10层且小于等于70层时，所述第一结构为滤光结构层；在所述滤光结构层中，每个高折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于400nm，每个低折射率层的厚度范围为大于等于1nm且小于等于500nm。当所述第一结构的层数为大于等于2层且小于等于10层时，所述第一结构为抗反射结构层；在所述抗反射结构层中，每个高折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于320nm，每个低折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于280nm。所述第二结构的层数范围为大于等于10层且小于等于120层；在所述第二结构中，每个高折射率层的厚度范围为大于等于1nm且小于等于400nm，每个中折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于100nm，每个低折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于600nm。
实施例2
本实施例2是在实施例1的基础上更进一步的实施例。在本发明实施例中，红外带通滤光片通带的波长包括850nm。各高折射率层通过五氧化三钛沉积形成。各中折射率层通过五氧化二钽沉积形成。各低折射率层通过二氧化硅沉积形成。制备第一结构120和第二结构130时，均采用电子束蒸发加以离子辅助沉积的方法，并采用修正板(mask)结合极值法控制膜层厚度。需要注意的是，制备时应当控制沉积时的真空度和沉积速率，优化工艺条件以获得最佳的蒸镀薄膜。在本发明实施例中，基底110由隔离可见光透过红外光的红外玻璃或涂有特殊吸收材质的透明玻璃等构成，优选的，在821nm的波长穿透率T50％的红外玻璃。在400nm～750nm的波长范围内穿透率T＜0.001％，在850nm～1200nm的波长范围内穿透率T>91％。为了在避免影响透射率的同时，该基底110的厚度包含但不限于0.05～8.0mm，优选厚度为0.2～6.0mm。所述红外玻璃的组成成分包括二氧化硅(40～50％)、三氧化二硼(0～10％)、氧化锌(20～30％)及硒及其化合物(0～10％)、氧化镉(0～10％)、碲及其化合物(0～10％)。
在本发明实施例中，第一结构120的总层数为34层，高折射率层和低折射率层的层数均为17层，第一结构120的总厚度为4303.79nm。更进一步地，组成此第一结构120的每个高折射率层的厚度范围为5nm～400nm，且组成此第一结构120的每个低折射率层的厚度范围为1nm～500nm，第一结构120的各层材料与厚度见表1。
表1：本发明实施例2第一结构各层材料与厚度表
在本发明实施例中，第二结构130的总层数为54层，高折射率层、中折射率层和低折射率层各自的数量分别为25层、2层和27层。第二结构130的总厚度为6262.44nm。更进一步地，组成此第二结构130的每个高折射率层的厚度范围为1nm～400nm，组成此第二结构130的每个中折射率层的厚度范围为5nm～100nm，且组成此第二结构130的每个低折射率层的厚度范围为5nm～600nm，本实施例的第二结构130的各层材料与厚度见表2。
表2：本发明实施例2第二结构各层材料与厚度表
如图2-图5所示，在本发明实施例中，所述红外带通滤光片的通带内具有的透过率达到90％以上，在光波波长为868nm时穿透率为最高值，该最高穿透率T>95.3％。本发明实施例的红外带通滤光片在阻带内具有较大的OD值，其中阻带的可见光波段的OD值能够达到5.95以上，阻带的红外光波段的OD值能够达到4.05以上。当入射光线的入射角度为0～30°时，红外带通滤光片的近红外光波段左边T50％位置偏移接近于0，且近红外光波段右边T50％位置偏移小于20nm，通带中心波长位置偏移小于10nm。透过率也称为透射率。
实施例3
本发明实施例中的基底与实施例2中的基底是一致的。各高折射率层通过五氧化三钛沉积形成，各中折射率层通过五氧化二钽沉积形成，且各低折射率层通过二氧化硅沉积形成。
在本发明实施例中，抗反射结构层的总层数为4层，高折射率层和低折射率层各自的数量均为2层，总膜层厚度为370.73nm。更进一步地，组成此抗反射结构层的高折射率层的厚度为5nm～320nm，且组成此抗反射结构层的低折射率层的厚度为5nm～280nm，本实施例的抗反射结构层的各层材料与厚度见表3。
表3：本发明实施例三抗反射结构层各层材料与厚度表
同时，第二结构130的总层数为82层，高折射率层、中折射率层、低折射率层各自的数量分别为39层、2层、41层，第二结构130的总厚度为10130.02nm。更进一步地，组成此第二结构130的每个高折射率层的厚度范围为1nm～400nm，组成此第二结构130的每个中折射率层的厚度范围为5nm～100nm，且组成此第二结构130的每个低折射率层的厚度范围为5nm～600nm，本实施例的第二结构130的各层材料与厚度见表4。
表4：本发明实施例3第二结构各层材料与厚度表
如图6-图8所示，在本发明实施例中，所述红外带通滤光片的通带内具有的透过率达到90％以上，在光波波长为872nm时穿透率为最高值，该最高穿透率T>95.8％。本发明实施例的红外带通滤光片在阻带内具有较大的OD值，其中阻带的可见光波段的OD值能够达到5.48以上，阻带的红外光波段的OD值能够达到4.10以上。当入射光线的入射角度为0～30°时，红外带通滤光片的近红外光波段左边T50％位置偏移接近于0，且近红外光波段右边T50％位置偏移小于20nm，通带中心波长位置偏移小于10nm。
实施例4
在本发明实施例中，所述第一结构为抗反射结构层。本实施例中的抗反射结构层与实施例三的抗反射结构层一致。所述红外带通滤光片的通带波长包括1000nm。基底110由隔离可见光透过红外光的红外玻璃或涂有吸收材质的透明玻璃等构成，优选的T50％为948nm的红外玻璃。在400nm～800nm的波长范围内T<0.001％，1000nm～1200nm穿透率T>81.5％。为了在避免影响透射率的同时，该基底110的厚度包含但不限于0.05～8.0mm，优选厚度为0.2～6.0mm。所述红外玻璃由HWB930材料构成。其中T表示穿透率。
在本发明实施例中，第二结构130的总层数为54层，高折射率层、中折射率层和低折射率层各自的数量分别为25层、2层和27层，第二结构130的总厚度为7179.1nm。更进一步地，组成此第二结构130的每个高折射率层的厚度范围为1nm～400nm，组成此第二结构130的每个中折射率层的厚度范围为5nm～100nm，且组成此第二结构130的每个低折射率层的厚度范围为5nm～600nm，本实施例的第二结构130的各层材料与厚度见表5。
表5：本发明实施例4第二结构各层材料与膜厚表
如图9-图11所示，在本发明实施例中，所述红外带通滤光片的通带内具有的透过率达到80％以上，在光波波长为998nm时穿透率为最高值，该最高穿透率T>82.4％。本发明实施例的红外带通滤光片在阻带内具有较大的OD值，其中阻带的可见光波段的OD值能够达到5.64以上，阻带的红外光波段的OD值能够达到3.42以上。当入射光线的入射角度为0～30°时，红外带通滤光片的近红外光波段左边T50％位置偏移接近于0，且近红外光波段右边T50％位置偏移小于20nm，通带中心波长位置偏移为10nm。
通过实验，选用Ti3O5作为高折射率镀膜材料并优化镀制参数及工艺，如此可在低吸收的前提下获得最高折射率的氧化钛薄膜。具体制镀参数设定如下：
1.镀膜起始真空度1.0x10￣3pa，基板恒温温度80℃～180℃，基板恒温时间30～90min。
2.镀制五氧化三钛层和五氧化二钽层时，设置蒸发速率<4A/sec，镀膜真空度为1.0x10￣2～1.6x10￣2pa，离子源电流为900～1200mA，电压为900～1200V，充氧量为40～80sccm。
3.镀制二氧化硅层时，设置蒸发速率<12A/sec，镀膜真空度为1.0x10￣2～1.6x10￣2pa，离子源电流为600～1200mA，电压为600～1200V，充氧量为40～70sccm。
如图12所示，当入射光线的入射角度为0～30°时，传统红外带通滤光片通带中心波长位置偏移量较大。
表6：本发明实施例二、三和四的红外带通滤光片与传统红外带通滤光片的滤光特性对比表
从实施例2、3和4可得，通过选取特定红外线通带的基底材料结合高中低折射率层膜系设计，进一步提供具有大的高折射率层厚度、中折射率层厚度与低折射率厚度之比的膜层结构，交替沉积的真空蒸镀方式得到的所述红外带通滤光片，其性能具有显著的提升，特别是通带中心波长位置的偏移量和阻带的OD值上，具有显著改善。本发明所述红外带通滤光片仅包括基底110、第一结构120和第二结构130，整体构造及制造工艺均较为简单，成本较低，有利于实现批量化生产。
实施例5
如图13所示，本发明实施例还提供一种传感器系统，所述系统包括：
光源101、上述红外带通滤光片102和传感器装置103。
所述光源与所述红外带通滤光片对应设置，所述红外带通滤光片与所述传感器装置连接；所述光源用于发射光线；所述红外带通滤光片用于透过所述光源发射的光线中位于通带内的光线；所述传感器装置用于检测所述红外带通滤光片透过的光线。所述传感器装置可以是距离传感器，用于获取目标的距离；又可以是基于TOF或者结构光的三维成像系统，用于获取目标的三维图像。
本发明实施例可以有效解决模组大视场附近位置出现无法感应问题，大大提升了传感器系统的信噪比。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种红外带通滤光片，其特征在于，所述红外带通滤光片包括：具有隔离可见光透过红外光的基底，以及设置在所述基底的上表面的第一结构和设置在所述基底的下表面的第二结构；
所述第一结构包括多个高折射率层和多个低折射率层，且所述高折射率层与所述低折射率层交替堆叠；
所述第二结构包括多个高折射率层、多个中折射率层和多个低折射率层。
2.根据权利要求1所述的红外带通滤光片，其特征在于，所述基底为红外玻璃或涂有吸收材质的透明玻璃；所述基底的厚度范围为大于0.05mm且小于8mm；所述红外玻璃的组成成分包括：二氧化硅、硒及其化合物、三氧化二硼、碲及其化合物、氧化锌和氧化镉。
3.根据权利要求1所述的红外带通滤光片，其特征在于，在800nm至1100nm的波长范围内，所述红外带通滤光片具有至少一个通带。
4.根据权利要求1所述的红外带通滤光片，其特征在于，所述高折射率层在波长800nm至900nm的折射率为大于等于2.20且小于等于2.50，所述中折射率层在波长800nm至900nm的折射率为大于等于1.60且小于等于2.15，所述低折射率层在波长800nm至900nm的折射率为大于等于1.30且小于等于1.50。
5.根据权利要求1所述的红外带通滤光片，其特征在于，所述高折射率层包括五氧化三钛、二氧化钛或氧化铌中的至少一种；所述中折射率层包括五氧化二钽、氧化铝或氧化锆中的至少一种；所述低折射率层包括二氧化硅或氟化镁中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的红外带通滤光片，其特征在于，当所述第一结构的层数为大于10层且小于等于70层时，所述第一结构为滤光结构层；在所述滤光结构层中，每个高折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于400nm，每个低折射率层的厚度范围为大于等于1nm且小于等于500nm。
7.根据权利要求1所述的红外带通滤光片，其特征在于，当所述第一结构的层数为大于等于2层且小于等于10层时，所述第一结构为抗反射结构层；在所述抗反射结构层中，每个高折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于320nm，每个低折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于280nm。
8.根据权利要求1所述的红外带通滤光片，其特征在于，所述第二结构的层数范围为大于等于10层且小于等于120层；在所述第二结构中，每个高折射率层的厚度范围为大于等于1nm且小于等于400nm，每个中折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于100nm，每个低折射率层的厚度范围为大于等于5nm且小于等于600nm。
9.根据权利要求1所述的红外带通滤光片，其特征在于，所述红外带通滤光片的阻带对于可见光波段的阻光率大于5，对于红外波段的阻光率大于3。
10.一种传感器系统，其特征在于，所述系统包括：
光源、如权利要求1-9中任一项所述的红外带通滤光片和传感器装置；
所述光源与所述红外带通滤光片对应设置，所述红外带通滤光片与所述传感器装置连接；所述光源用于发射光线；所述红外带通滤光片用于透过所述光源发射的光线中位于通带内的光线；所述传感器装置用于检测所述红外带通滤光片透过的光线。
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