TWI681217B - 紅外帶通濾波器 - Google Patents

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TWI681217B TW107133238A TW107133238A TWI681217B TW I681217 B TWI681217 B TW I681217B TW 107133238 A TW107133238 A TW 107133238A TW 107133238 A TW107133238 A TW 107133238A TW I681217 B TWI681217 B TW I681217B
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Abstract

本發明涉及一種紅外帶通濾波器，紅外帶通濾波器具有第一多層膜結構，第一多層膜結構包括複數Si:NH層及複數低折射率層，Si:NH層在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率大於3.5及其消光係數小於0.0002；該些低折射率層與該些Si:NH層相互堆疊，低折射率層在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率小於3；其中Si:NH層的折射率與低折射率層的折射率的差值大於0.5。本發明的紅外帶通濾波器具有800nm與1100nm的波長範圍內的通帶，在入射角從0度改變至30度時，通帶的中心波長的偏移幅度小於12nm，本發明的紅外帶通濾波器應用於三維成像系統時可提升三維影像解析能力。

Description

紅外帶通濾波器
本發明涉及一種光學濾波的技術領域，尤其涉及一種紅外帶通濾波器。
目前紅外帶通濾波器是將於光學基板的一表面形成多層膜結構，其另一表面形成多層抗反射層，多層膜結構通過複數高折射率層及複數低折射率層交互沉積而成，一般高折射率層的材料選用Ti 3O 5、Ta 2O 5、ZrO 2、Nb 2O 5及TiO 2中的一者，一般低折射率層的材料選用MgF 2及SiO 2中的一者。紅外帶通濾波器具有在800nm與1100nm的波長範圍內的通帶，在入射角從0度改變至30度時，通帶的中心波長的偏移幅度為31nm與34nm之間，如此角度改變時通帶的中心波長偏移較大，導致紅外帶通濾波器應用於三維成像系統，於大角度收光時發生無法識別或識別失敗的問題。
本發明的一目的，在於提供一種紅外帶通濾波器，本發明的紅外帶通濾波器通過Si:NH層與低折射率層交互堆疊形成，其具有800nm與1100nm的波長範圍內的通帶，在入射角從0度改變至30度時，通帶的中心波長的偏移幅度小於12nm，本發明的紅外帶通濾波器應用於三維成像系統時可提升三維影像解析能力。
本發明提供一種紅外帶通濾波器，其具有第一多層膜結構，第一多層膜結構包括：複數Si:NH層，其在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率大於3.5及其消光係數小於0.0002；以及複數低折射率層，其與該些Si:NH層相互堆疊，其在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率小於3；其中Si:NH層的折射率與低折射率層的折射率的差值大於0.5。
爲對本發明的特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，僅佐以實施例及配合詳細之說明，說明如後：
請參閱圖1，其是本發明第一實施例的紅外帶通濾波器的示意圖；如圖所示，本實施例提供一種應用於三維成像系統的紅外帶通濾波器1，紅外帶通濾波器1具有第一多層膜結構11，第一多層膜結構11包括複數Si:NH層111及複數低折射率層112，該些低折射率層112與該些Si:NH層111相互堆疊。Si:NH層111在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率大於3.5，其消光係數小於0.0002，其消光係數更能小於0.00012。低折射率層112在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率小於3。Si:NH層111的折射率與低折射率層112的折射率的差值大於0.5。本實施例的Si:NH層111的層數與低折射率層112的層數的總和小於39層。該些Si:NH層111及該些低折射率層112的總厚度小於4.5um。本實施例的紅外帶通濾波器1具有與800nm至1100nm的波長範圍部份重疊的通帶，通帶的中心波長位於800nm與1100nm的波長範圍內。在入射角從0度改變至30度時，通帶的中心波長的偏移幅度小於12nm。通帶在800nm至1100nm的波長範圍內的透射率大於90%。本實施例的紅外帶通濾波器1的硬度大於莫氏硬度7。本實施例的紅外帶通濾波器1的大角度的中心波長偏移較小能有效解決三維影像解析的問題。同時本實施例的紅外帶通濾波器1的厚度較現有技術的紅外帶通濾波器的厚度薄，降低紅外帶通濾波器1發生翹曲現象。
本實施例的紅外帶通濾波器1的製作方法是過濺鍍沉積方式形成Si:NH層111及低折射率層112。濺鍍沉積是由中頻濺鍍電源通過內部的電網整流變頻輸出50KHz的電壓，其分別作用於濺鍍機台的一對矽靶材上。矽靶材中間通過導氣管通入氬氣，產生輝光放電並產生穩定的等離子體。
由於濺鍍機台的反應室內存在與電場垂直的正交磁場，電子的運動方向發生改變，被限制在一定空間內，增加了與氬氣的碰撞機率，提高電子的電離效率。電離出來的氬離子在電場的作用下加速轟擊矽靶材，濺射出大量的矽原子。同時感應耦合等離子體(inductively coupled plasma, ICP)通入氨氣與矽原子反應時形成在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率在3.5以上的Si:NH層111。低折射率層112為SiO 2、SiOH或SiNOH，其是感應耦合等離子體(inductively coupled plasma, ICP)通入氧氣或/及氨氣與矽原子反應而形成在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率小於3的低折射率層112，若低折射率層112為Al 2O 3、TiO 2、Nb 2O 5或Ta 2O 5，其將濺鍍機台的矽靶材更換為鋁靶材、鈦靶材、鈮靶材或鉭靶材，並通過上述方式形成。
材料 TG4 氣體 氬氣 ICP 氣體 940nm處n （Opt） 940nm處k （Opt）
氬氣 氧氣 氨氣
SiNOH 60 500 5 30 3.42022 8.35E-05
SiNOH 60 500 10 30 3.267666 6.24E-05
SiNOH 60 500 30 30 2.781278 3.23E-05
SiNOH 60 500 70 30 2.176382 2.27E-04
SiNOH 60 500 76 30 2.125067 2.60E-04
SiNOH 60 500 80 30 2.037629 1.85E-04
SiNOH 60 500 88 30 1.986488 1.94E-04
SiNOH 60 500 95 30 1.908388 1.42E-04
SiNOH 60 500 104 30 1.846262 1.69E-04
SiNOH 60 500 125 30 1.576734 1.26E-05
表1
如表1，本實施例的低折射率層112在波長940nm的折射率可通過濺鍍過程中控制氧氣的流量的改變，當氧氣的流量越大時，低折射率層112在波長940nm的折射率越低。當低折射率層112為SiNOH時，低折射率層112在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率介於1.5與2之間。當低折射率層112為SiO 2時，低折射率層112在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率介於1.4與1.5之間。
請一併參閱圖2，其是本發明第一實施例的Si:NH層的透射光譜的曲線圖；如圖所示，圖中具有Si:NH層111的透射光譜的曲線21及Ti 3O 5層之透射光譜的曲線22，本實施例的Si:NH層111在350nm與700nm的波長範圍內的吸收效果優於現有技術的紅外帶通濾波器所使用的Ti 3O 5層在350nm與700nm的波長範圍內的吸收效果。本實施例使用具有Si:NH層111的紅外帶通濾波器1應用於三維成像系統，能提高三維成像系統的影像解析能力。
本實施例的低折射率層112的材料選自SiO 2、Al 2O 3、TiO 2、Nb 2O 5、Ta 2O 5、SiOH及SiNOH中一者。本實施例的低折射率層112的材料使用SiO 2，低折射率層112在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率介於1.4與1.5之間。Si:NH層111的層數及低折射率層112的層數的總和為39層，該些Si:NH層111及該些低折射率層112的厚度總和為4.4um，下表2為各Si:NH層111及低折射率層112的厚度列表。
層數 材料 厚度 (nm) 層數 材料 厚度(nm) 層數 材料 厚度 (nm)
1 SiO2 82.19 14 Si:NH 21.84 27 SiO2 121.07
2 Si:NH 253.51 15 SiO2 124.75 28 Si:NH 80.92
3 SiO2 118.19 16 Si:NH 99.93 29 SiO2 300.84
4 Si:NH 41.54 17 SiO2 99.75 30 Si:NH 94.95
5 SiO2 306.22 18 Si:NH 41.78 31 SiO2 102.9
6 Si:NH 92.21 19 SiO2 295.9 32 Si:NH 49.42
7 SiO2 78.43 20 Si:NH 61.93 33 SiO2 113.78
8 Si:NH 69.85 21 SiO2 108.78 34 Si:NH 15.21
9 SiO2 70.53 22 Si:NH 31.22 35 SiO2 288.75
10 Si:NH 57.16 23 SiO2 106.84 36 Si:NH 4.87
11 SiO2 280.38 24 Si:NH 82.33 37 SiO2 89.27
12 Si:NH 233.19 25 SiO2 128.68 38 Si:NH 17.57
13 SiO2 103.92 26 Si:NH 132.25 39 SiO2 15.54
表2
再一併參閱圖3，其是本發明第一實施例的紅外帶通濾波器在0度及30度的入射角下的透射光譜的曲線圖；如圖所示，圖中具有在0度的入射角下的透射光譜曲線31及在30度的入射角下的透射光譜曲線32，本實施例的紅外帶通濾波器1在0度的入射角下，通帶的中心波長在946nm。本實施例的紅外帶通濾波器1在30度的入射角下，通帶的中心波長在934.2nm。所以本實施例的紅外帶通濾波器1在0度改變至30度時，通帶的中心波長的偏移幅度小於11.8nm。通帶在800nm至1100nm的波長範圍內的透射率大於90%。
請參閱圖4，其是本發明第二實施例的紅外帶通濾波器的示意圖；如圖所示，本實施例的紅外帶通濾波器1包括第一多層膜結構11a、第二多層膜結構11b及基板12，第一多層膜結構11a及第二多層膜結構11b分別設置於基板12相對的兩個表面121。其中第一多層膜結構11a及第二多層膜結構11b分別為複數Si:NH層111與複數低折射率層112相互堆疊。Si:NH層111與低折射率層112的製作方法如上述，與此不再贅述。本實施例的紅外帶通濾波器1的厚度較現有技術的紅外帶通濾波器的厚度薄，同時本實施例的紅外帶通濾波器1具有兩個多層膜結構，兩個多層膜結構之間通過膜層應力相互平衡，有效降低紅外帶通濾波器1發生翹曲現象。
本實施例的紅外帶通濾波器1的第一多層膜結構11a的低折射率層112的材料使用SiNOH，Si:NH層111的層數及低折射率層112的層數的總和為39層，該些Si:NH層111及該些低折射率層112的厚度總和為4.3um，下表3為各Si:NH層111及低折射率層112的厚度列表。
層數 材料 厚度(nm) 層數 材料 厚度(nm) 層數 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
請一併參閱圖5，其是本發明第二實施例的第一多層膜結構在0度及30度的入射角下的透射光譜的曲線圖；如圖所示，圖中具有在0度的入射角下的透射光譜曲線41及在30度的入射角下的透射光譜曲線42，本實施例的紅外帶通濾波器1在0度的入射角下，通帶的中心波長在939.9nm。本實施例的紅外帶通濾波器1在30度的入射角下，通帶的中心波長在932.8nm。所以本實施例的紅外帶通濾波器1在0度改變至30度時，通帶的中心波長的偏移幅度小於11.1nm。通帶在800nm至1100nm的波長範圍內的透射率大於90%。
然本實施例的第二多層膜結構11b的低折射率層112的材料也使用SiNOH，Si:NH層111的層數及低折射率層112的層數的總和為32層，第二多層膜結構11b的該些Si:NH層111及該些低折射率層112的厚度總和為2.7um，下表4為各Si:NH層111及低折射率層112的厚度列表。
層數 材料 厚度 (nm) 層數 材料 厚度(nm) 層數 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4
再一併參閱圖6及圖7，其是本發明第二實施例的第二多層膜結構在0度及30度的入射角下的透射光譜的曲線圖及本發明第二實施例的紅外帶通濾波器在0度及30度的入射角下的透射光譜的曲線圖；如圖所示，圖6中具有在0度之入射角下之透射光譜曲線51及在30度之入射角下之透射光譜曲線52，本實施例的第二多層膜結構11b主要增加紅外帶通濾波器1的透射率，從圖6可知，紅外帶通濾波器1的通帶在800nm至1100nm的波長範圍內的透射率大於90%，同時讓紅外帶通濾波器1的通帶外具有在400nm至1100nm的波長範圍內大於OD5的阻擋位凖。圖7中具有在0度之入射角下之透射光譜曲線61及在30度之入射角下之透射光譜曲線62，本實施例的紅外帶通濾波器1在0度的入射角下，通帶的中心波長在943.9nm。本實施例的紅外帶通濾波器1在30度的入射角下，通帶的中心波長在932.8nm。所以本實施例的紅外帶通濾波器1在0度改變至30度時，通帶的中心波長的偏移幅度小於11.1nm。
本實施例的紅外帶通濾波器1的莫氏硬度能達到9與9.5之間，維氏硬度約為2200，顯微硬度為32630MPa，如此證明本實施例的紅外帶通濾波器1具有良好的耐化學腐蝕性能，在無機酸、30%以下的燒鹼溶液或有機酸下能具有良好的耐化學腐蝕性能，同時又是一種高性能電絕緣材料。本實施例的第一多層膜結構11a及第二多層膜結構11b的低折射率層112的材料也能使用其他材料，如：SiO 2、Al 2O 3、TiO 2、Nb 2O 5、Ta 2O 5或SiOH。本實施例的第一多層膜結構11a的Si:NH層111與低折射率層112的堆疊結構與第二多層膜結構11b的Si:NH層111與低折射率層112的堆疊結構互換。
綜上所述，本發明提供一種紅外帶通濾波器，本發明的紅外帶通濾波器具有至少一個多層膜結構，多層膜結構通過Si:NH層與低折射率層交互堆疊形成，其具有800nm與1100nm的波長範圍內的通帶，在入射角從0度改變至30度時，通帶的中心波長的偏移幅度小於12nm，本發明的紅外帶通濾波器的大角度的中心波長偏移較小，本發明的紅外帶通濾波器應用於三維成像系統時可提升三維影像解析能力。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所爲之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1‧‧‧紅外帶通濾波器 11、11a‧‧‧第一多層膜結構 11b‧‧‧第二多層膜結構 111‧‧‧Si:NH層 112‧‧‧低折射率層 12‧‧‧基板 121‧‧‧表面 21‧‧‧Si:NH層的透射光譜的曲線 22‧‧‧Ti3O5層之透射光譜的曲線 31‧‧‧在0度的入射角下的透射光譜曲線 32‧‧‧在30度的入射角下的透射光譜曲線 41‧‧‧在0度的入射角下的透射光譜曲線 42‧‧‧在30度的入射角下的透射光譜曲線 51‧‧‧在0度之入射角下之透射光譜曲線 52‧‧‧在30度的入射角下的透射光譜曲線 61‧‧‧在0度之入射角下之透射光譜曲線 62‧‧‧在30度的入射角下的透射光譜曲線
圖1：本發明第一實施例的紅外帶通濾波器的示意圖； 圖2：本發明第一實施例的Si:NH層的透射光譜的曲線圖； 圖3：本發明第一實施例的紅外帶通濾波器在0度及30度的入射角下的透射光譜的曲線圖； 圖4：本發明第二實施例的紅外帶通濾波器的示意圖；                     圖5：本發明第二實施例的第一多層膜結構在0度及30度的入射角下的透射光譜的曲線圖；                     圖6: 本發明第二實施例的第二多層膜結構在0度及30度的入射角下的透射光譜的曲線圖；以及                     圖7：本發明第二實施例的紅外帶通濾波器在0度及30度的入射角下之透射光譜的曲線圖。
1‧‧‧紅外帶通濾波器
11‧‧‧第一多層膜結構
111‧‧‧Si：NH層
112‧‧‧低折射率層

Claims (18)

  1. 一種紅外帶通濾波器，其具有一第一多層膜結構，該第一多層膜結構包括：複數Si：NH層，其在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率大於3.5及其消光係數小於0.0002；以及複數低折射率層，其與該些Si：NH層相互堆疊，其在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率小於3；其中該Si：NH層的折射率與該低折射率層的折射率的差值大於0.5。
  2. 如請求項1所述之紅外帶通濾波器，更包括一基板，該基板設置於該第一多層膜結構。
  3. 如請求項2所述之紅外帶通濾波器，更包括一第二多層膜結構，該第二多層膜結構設置於該基板，並與該第一多層膜結構相對。
  4. 如請求項3所述之紅外帶通濾波器，其中該第二多層膜結構包括：複數Si：NH層，其在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率大於3.5及其消光係數小於0.0002；以及複數低折射率層，其與該些Si：NH層相互堆疊，其在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率小於3；其中該Si：NH層的折射率與該低折射率層的折射率的差值大於0.5。
  5. 如請求項3所述之紅外帶通濾波器，其中該紅外帶通濾波器具有與800nm至1100nm的波長範圍部份重疊的一通帶，該通帶的中心波長位於800nm與1100nm的波長範圍內，該通帶外具有在400nm至1100nm的波長範圍內大於OD5的阻擋位凖。
  6. 如請求項1所述之紅外帶通濾波器，其中該紅外帶通濾波器具有與800nm至1100nm的波長範圍部份重疊的一通帶，該通帶的中心波長位於800nm與1100nm的波長範圍內。
  7. 如請求項6所述之紅外帶通濾波器，其中在入射角從0度改變至30度時，該通帶的中心波長的偏移幅度小於12nm。
  8. 如請求項1所述之紅外帶通濾波器，其中該Si：NH層的層數與該低折射率層的層數的總和小於39層。
  9. 如請求項1所述之紅外帶通濾波器，其中該些Si：NH層及該些低折射率層的總厚度小於4.5um。
  10. 如請求項1所述之紅外帶通濾波器，其中該紅外帶通濾波器的硬度大於莫氏硬度7。
  11. 如請求項6所述之紅外帶通濾波器，其中該低折射率層的材料選自SiO2、Al2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、SiOH及SiNOH中一者。
  12. 如請求項11所述之紅外帶通濾波器，其中該低折射率層的材料為SiO2，該低折射率層在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率介於1.4與1.5之間。
  13. 如請求項12所述之紅外帶通濾波器，其中在入射角從0度改變至30度時，該通帶的中心波長的偏移幅度小於11.8nm。
  14. 如請求項11所述之紅外帶通濾波器，其中該低折射率層的材料為SiNOH，該低折射率層在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率介於1.5與2之間。
  15. 如請求項14所述之紅外帶通濾波器，其中在入射角從0度改變至30度時，該通帶的中心波長的偏移幅度小於11.1nm。
  16. 如請求項14所述之紅外帶通濾波器，其中該紅外帶通濾波器的硬度大於莫氏硬度9。
  17. 如請求項1所述之紅外帶通濾波器，其中該Si：NH層在800nm至1100nm的波長範圍內的消光係數小於0.00012。
  18. 如請求項6所述之紅外帶通濾波器，其中該通帶在800nm至1100nm的波長範圍內的透射率大於90%。
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