TWI814948B - 光學濾波器及近紅外線截止濾波器 - Google Patents

光學濾波器及近紅外線截止濾波器 Download PDF

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Abstract

本發明課題在於提供一種光學特性優異的光學濾波器及近紅外線截止濾波器。 其解決手段係光學濾波器具備：基板、設於基板上之光學多層膜、設於光學多層膜上之整合層、及設於整合層上之吸收層，且該吸收層具有含有紅外線吸收成分之透明基體。整合層可抑制因吸收層而引起之透射率強度變動。

Description

光學濾波器及近紅外線截止濾波器
本發明涉及一種用於光學機器的光學濾波器。尤其是涉及一種作為利用於數位相機或視訊攝影機之CCD(Charge Coupled Device：電荷耦合器裝置)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互補式金氧半導體)等固體攝像元件之視感度校正濾波器使用的近紅外線截止濾波器。
相較於人類的能見度特性，利用於數位相機或視訊攝影機之CCD或CMOS等固體攝像元件的光譜靈敏度對近紅外線區域之光具有較強的靈敏度的特徵。爰此，一般會使用視感度校正濾波器，以使該等固體攝像元件之光譜靈敏度符合人類的能見度特性。
針對所述視感度校正濾波器，專利文獻1中揭示有一種使氟磷酸鹽玻璃或磷酸鹽玻璃等玻璃中存在Cu2+ 離子而調整光譜特性的近紅外線截止濾波器玻璃。
且，周知有一種具有優異特性的近紅外線截止濾波器，其為了能夠靈敏地且正確決定欲透射之波長區域，係於如上述之近紅外線截止濾波器玻璃表面設置一多層交替積層有高折射率層與低折射率層的光學多層膜，使可見區域之波長(400~600nm)有效率地穿透，且靈敏地截止近紅外線區域的波長(700nm)(譬如參照專利文獻2)。除此之外，為了抑制玻璃基板表面之反射以提升透射率，有時也會於近紅外線截止濾波器玻璃之表面設置抗反射膜。
在近紅外線截止濾波器的情況下，光學多層膜譬如係於玻璃基板上交替積層有由氧化鈦、氧化鉭、氧化鈮等所構成之高折射率層與由氧化矽等所構成之低折射率層者，並且，藉由適當設定高折射率層與低折射率層之構成材料、厚度、層數等，而可利用光之干涉來選擇性地透射光。
並且，作為在可見光區域具有高透明性且同時在近紅外線區域具有優異阻止能的近紅外線截止濾波器，已有文獻提出一種於基板上設有含有吸收紅外線之色素或顏料之樹脂吸收層與光學多層膜的光學濾波器(譬如參照專利文獻3、4)。
先前技術文獻 專利文獻 專利文獻1：日本專利特開平06-16451號公報 專利文獻2：日本專利特開平02-213803號公報 專利文獻3：日本專利特開2006-301489號公報 專利文獻4：國際公開第2014/030628號
發明欲解決之課題 專利文獻3及專利文獻4中所記載之光學濾波器具備優異的光學特性。然而，本發明人發現，於光學多層膜上設置樹脂層之構成對光學特性有造成不良影響的疑慮。於基板或光學多層膜上設置樹脂層時，一般是使用旋塗、浸漬、印刷等濕式塗佈法。相較於光學多層膜之膜厚，使用該等製法形成的樹脂層之膜厚具有頗厚的厚度，多為數十μm以下，尤其是像數μm以下的膜厚，會因為與光之波長相近，而成為具有光學干涉特性之層。此時，於光學多層膜上構成有樹脂層之情形，尤其可能會對光學特性帶來預料外的影響。亦即眾所周知，與光學多層膜之膜厚精度相比，藉由上述濕式塗佈法所形成之樹脂層的膜厚均勻性或批次(lot)間參差很大，尤其當光學多層膜上存在所述樹脂層時，利用光學多層膜之干涉設計而成的光學特性可能會因樹脂層的存在而嚴重惡化。而且，當為了獲得所期望的光學特性而特意改變樹脂層之膜厚時，還必須每次視其情況重新設計光學多層膜，而亦有設計自由度少的課題。
本發明是有鑑於上述課題所進行者，其目的在於提供一種光學特性優異的光學濾波器及近紅外線截止濾波器。
用以解決課題之手段 為了解決上述課題以達成目的，本揭示之光學濾波器具備：基板、設於前述基板上之光學多層膜、設於前述光學多層膜上之整合層、及設於前述整合層上之吸收層，且該吸收層具有含有近紅外線吸收成分之透明基體；前述整合層可抑制因前述吸收層而引起之透射率強度變動。
前述整合層宜為積層多層之高折射率之高折射率膜與折射率較前述高折射率膜低之低折射率膜而構成，或是以單層之中折射率膜構成；前述高折射率膜在波長500nm下之折射率為1.8以上，前述低折射率膜在波長500nm下之折射率小於1.6，前述中折射率膜在波長500nm下之折射率為1.6以上且小於1.8。
於以前述光學多層膜在設計上之中心波長作為中心波長的情況下，令前述高折射率膜之QWOT為QH 且令前述低折射率膜之QWOT為QL 時，前述整合層宜為自前述基板側起以(aQL bQH cQL )之3層構成，其中，a及c為0.2以上且小於0.5，b為0.07以上且小於0.5，並且b＜a。
宜更具有設於前述吸收層上之輔助整合層，該輔助整合層可抑制已入射的可見區域波長帶之光被前述吸收層反射。
前述吸收層之厚度宜為100nm以上且5000nm以下。
前述基板宜為白板玻璃、藍玻璃及樹脂中之任一者。
前述光學多層膜之可見區域波長帶之光的平均透射率為80%以上，且近紅外線區域波長帶之光的平均透射率為10%以下。
為了解決上述課題以達成目的，本揭示之近紅外線截止濾波器宜具有前述光學濾波器。
發明效果 根據本發明，可提供光學特性優異的光學濾波器及近紅外線截止濾波器。
以下參照附件圖式，詳細說明本發明的理想實施形態。另，本發明不受該實施形態限定，且當有多種實施形態時，亦包含各實施形態組合構成者。
圖1係本實施形態之攝像裝置的示意截面圖。如圖1所示，本實施形態之攝像裝置10具有殼體12、透鏡14、光學濾波器16及攝像元件18。殼體12係保持透鏡14、光學濾波器16及攝像元件18的構件。透鏡14、光學濾波器16及攝像元件18在殼體12內係從光L入射進來之側起依序設置。從透鏡14入射之光L會通過光學濾波器16而入射攝像元件18。光學濾波器16屏蔽從透鏡14入射之光L中之預定波長帶之光，同時使未屏蔽之波長帶之光透射而入射攝像元件18。在本實施形態中，光學濾波器16係作為使可見區域波長帶之光透射並同時屏蔽近紅外線區域波長帶之光的近紅外線截止濾波器發揮作用。攝像元件18將穿透光學濾波器16而入射之光轉換成電訊號，以影像訊號輸出。攝像裝置10便是以所述方式獲得影像訊號來拍攝被拍物。另，攝像元件18譬如為CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等固體攝像元件。而圖1之攝像裝置10之構成為一例，攝像裝置10只要是從透鏡入射之光L通過光學濾波器16而入射攝像元件18的構成即可。
圖2係本實施形態之光學濾波器的示意截面圖。如圖2所示，光學濾波器16具有基板20、光學多層膜22、整合層24、吸收層26、輔助整合層28與背面層30。光學多層膜22係設於基板20之表面20a上。表面20a若換言之，亦可稱為基板20之一主面。整合層24係設於光學多層膜22之表面22a。表面22a為光學多層膜22之與基板20相反側的表面，若換言之，亦可稱為光學多層膜22之一主面。吸收層26係設於整合層24之表面24a。表面24a為整合層24之與光學多層膜22相反側的表面，若換言之，亦可稱為整合層24之一主面。輔助整合層28係設於吸收層26之表面26a。表面26a為吸收層26之與整合層24相反側的表面，若換言之，亦可稱為吸收層26之一主面。輔助整合層28在與吸收層26相反側之表面28a上未積層其它層，可說是露出在外部。即，輔助整合層28之表面28a可說是與空氣相接之空氣側的面。表面28a若換言之，亦可稱為輔助整合層28之一主面。
背面層30係設於基板20之表面20b上。表面20b為與表面20a相反側之表面，若換言之，亦可稱為基板20之另一主面。並且，令背面層30之與基板20相反側的表面為30a時，該面可說是與空氣相接之空氣側的面。
如圖1及圖2所示，光學濾波器16是以輔助整合層28與背面層30中輔助整合層28成為入射之光L側(透鏡14側)的方式而設於攝像裝置10。即，光學濾波器16係自光L之入射側起依序積層有輔助整合層28、吸收層26、整合層24、光學多層膜22、基板20及背面層30。又，光學濾波器16亦可配置成背面層30面向入射光L側(透鏡14側)。若以所述方式配置光學濾波器16，在吸收層26具備備有近紅外線之吸收特性之色素或顏料的情況下，可更有效抑制在攝像元件18之表面反射的內部亂反射光之影響。
光學濾波器16係各層以上述順序積層而成。以下具體說明光學濾波器16之各層構成。
(基板) 基板20係可透射可見區域波長帶之光的板狀構件。可見區域波長帶一般多指380nm以上且780nm以下之光，譬如在考慮將光學濾波器作為固體攝像元件之視感度校正濾波器用途時，多將420nm~650nm(即420nm以上且650nm以下)當作可見區域，並將700nm以上、400nm以下分別視為近紅外光、紫外光而列為阻絕的對象。然而這會依人類眼睛所具能見度與固體攝像元件所具視感度的波長相依性不同、以及使用其等構成影像時的色彩再現方法而定，因此無法採單一定義。所以，應納入考量作為參考，譬如就視感度校正濾波器用途之光學濾波器而言，影像構成上最受重視的綠色區域(一般在500nm~560nm之間)的透射率宜為80%以上。
基板20之近紅外線區域波長帶之光宜低。近紅外線區域波長帶一般係指750nm~1.4μm之光，在本說明書中指700nm~1000nm。如前述，固體攝像元件的靈敏度特性、尤其是700nm以上的能見度特性大於人類的眼睛。所以，將光學濾波器16作為視感度校正濾波器使用時，很適合將可透射可見光、吸收近紅外光的藍色濾波器作為基板。此時，基板20在700nm~1000nm之波長範圍內的平均透射率宜為20%以下。然而，波長700~1000nm之透射率若低，有可見光之透射率亦減低的傾向，因此一般多會併用後述之紅外線截止濾波器等光學多層膜。
基板20宜為玻璃或樹脂。對於基板20係要求有用以支持光學多層膜或吸收層等的強度，玻璃一般具有其等所需的強度與優異的耐候性故為適宜，至於樹脂則以強度與透明度、耐候性較為優異的環烯烴系樹脂等為佳。使用樹脂作為基板20時，樹脂本身可含有後述吸收層中所含有之色素等。
又，以玻璃構成基板20時，玻璃宜使用白板玻璃或藍玻璃。白板玻璃多採用高透明度的矽酸鹽玻璃，從耐候性的觀點來看以鹼成分含有率少的硼矽酸玻璃等較佳。另，亦以成為可見光之透射率降低或負感現象(solarization)等原因之含鐵量等較少的玻璃為佳。藍玻璃係對近紅外線區域之波長區域具有大範圍吸收特性的玻璃。具體上，含銅氟磷酸系玻璃的耐候性佳、可透射可見光且具有高近紅外光吸收，故為適宜。另，以不含氟成分之磷酸玻璃為基底的含銅磷酸系玻璃具有高近紅外光吸收，故為適宜。
氟磷酸系玻璃譬如宜為：以陽離子%表示計含有P5+ ：25~50%、Al3+ ：5~20%、R+ ：20~40%(惟，R+ 表示Li+ 、Na+ 及K+ 之合計量)、R'2+ ：10~30%(惟，R'2+ 表示Mg2+ 、Ca2+ 、Sr2+ 、Ba2+ 及Zn2+ 之合計量)、Cu2+ ：0.1~15%、Sb3+ ：0~1%且以陰離子%表示計含有O2- ：30~90%、F- ：10~70%的玻璃。上述組成之氟磷酸系玻璃之耐候性優異且含有銅成分，因此具有適合近紅外線截止濾波器玻璃的光譜特性。且，氟磷酸系玻璃除上述組成者以外，還可使用譬如日本專利特開平3-83834號公報、日本專利特開平6-16451號公報、日本專利特開平8-253341號公報、日本專利特開2004-83290號公報或日本專利特開2011-132077號公報中所揭示之組成範圍或實施例中記載的玻璃。磷酸系玻璃譬如宜為：以莫耳%表示計含有P2 O5 ：50~75%、Al2 O3 ：5~22%、R2 O：0.5~20%(惟，R2 O表示Li2 O、Na2 O及K2 O之合計量)、R’O：0.1~25%(惟，R’O表示MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO之合計量)、CuO：0.1~15%的玻璃。上述組成之磷酸系玻璃之近紅外線的吸收能高，具有適合近紅外線截止濾波器玻璃的光譜特性。且，磷酸系玻璃除上述組成者以外，還可使用譬如日本專利特開2010-8908號公報、日本專利特開2011-121792號公報、日本專利特開2012-224491號公報、日本專利特開2015-13773號公報中所揭示之組成範圍或實施例中記載的玻璃。
為了獲得玻璃製的基板20，以成為上述所期望之玻璃組成的方式調合玻璃原料並予以熔融，接著將已熔融之玻璃進行成形。並且，將外形加工成預定大小而製作出玻璃基板後，將玻璃基板表面進行研削(lapping)，接著精密研磨(polishing)而獲得基板20。另，為了獲得光學濾波器16，會於以所述方式製得的基板20之表面20a依序形成光學多層膜22、整合層24、吸收層26與輔助整合層28，並於基板20之表面20b形成背面層30。接著，用公知方法(劃片(scribing)、切割、雷射裁切等)裁切成預定的產品尺寸。
從光學濾波器16之薄型化的觀點來看，基板20之厚度宜為0.3mm以下，0.22mm以下較佳，0.18mm以下更佳，0.15mm以下最佳。另，從抑制加工成本及抑制強度降低的觀點來看，基板20之厚度宜為0.025mm以上，0.03mm以上較佳，0.05mm以上更佳。
(光學多層膜) 光學多層膜22係具有預定光學特性之層，在本實施形態中係構成為可透射可見區域波長帶之光且抑制近紅外線區域波長之光透射。譬如，光學多層膜22係藉由反射近紅外線區域波長之光來抑制近紅外線區域波長之光透射。即，光學多層膜22為紅外線遮蔽膜(InfraRed Cut Filter膜，亦稱IRCF膜)。光學多層膜22之可見區域波長帶之光的平均透射率為80%以上，更進一步來說宜為100%以下。並且，光學多層膜22之近紅外線區域波長之光的平均透射率為10%以下，更進一步來說宜為0%以上。
具有所述功能的光學多層膜22可使用譬如積層有折射率不同之膜的積層膜。光學多層膜22藉所述方式構成，可利用光之干涉作用反射近紅外線區域波長之光，並透射可見區域波長帶之光。光學多層膜22譬如係將高折射率膜22A與折射率較高折射率膜22A低的低折射率膜22B多層交替配置而構成。高折射率膜22A可使用譬如選自ZrO2 、Nb2 O5 、TiO2 及Ta2 O5 中之至少1種金屬氧化物膜等。低折射率膜22B可使用譬如SiO2 等。高折射率膜22A與低折射率膜22B之膜厚及積層數可因應光學多層膜22所要求的光學特性來適當設定。
光學多層膜22可使用濺鍍法或離子輔助蒸鍍法來形成於基板20之表面20a上。相較於不使用離子輔助之蒸鍍法所形成之膜，藉由濺鍍法或離子輔助蒸鍍法成膜的膜在高溫高濕下之光譜特性變化非常小，具有可實現實質上無光譜變化之無偏移膜的優點。並且，以該等方法成膜之膜相當緻密且硬度高，因此不易擦傷，在零件組裝製程等的處置性亦佳。所以，就可作為攝像元件之視感度校正濾波器使用的近紅外線截止濾波器之光學多層膜的成膜方法而言，相當適宜。
另，光學多層膜22亦可藉由不用離子輔助之真空蒸鍍法形成。使用該蒸鍍方法時，裝置成本低，可抑制製造成本。並且，可獲得形成光學多層膜22時少異物等附著的膜。即，光學多層膜22之形成方法不限於濺鍍法或離子輔助蒸鍍法等，可為任意方法。
(吸收層) 在說明整合層24之前，先說明吸收層26。吸收層26係以含有近紅外線吸收成分之透明基體構成的層。透明基體之「透明」意指對可見區域波長帶之光具有透射性。
吸收層26之透明基體宜為樹脂或無機材料。透明基體為樹脂時，樹脂可舉如：丙烯酸樹脂、環氧樹脂、烯-硫醇(en-thiol)樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚醚樹脂、聚芳酯樹脂、聚碸樹脂、聚醚碸樹脂、聚對伸苯樹脂、聚酯樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚醯胺醯亞胺樹脂及聚烯烴樹脂、環狀烯烴樹脂等。尤其，玻璃轉移溫度(Tg)高的樹脂宜選自聚酯樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚醚碸樹脂、聚芳酯樹脂、聚醯亞胺樹脂及環氧樹脂中之1種以上。並且，成為透明基體之樹脂以選自聚酯樹脂、聚醯亞胺樹脂中之1種以上較佳，聚醯亞胺樹脂尤佳。聚酯樹脂以聚對苯二甲酸乙二酯樹脂、聚萘二甲酸乙二酯樹脂等為宜。另，吸收層26之透明基體為無機材料時，無機材料譬如宜為氧化矽膜。
另，吸收層26含有之近紅外線吸收成分係藉由可吸收近紅外線區域波長帶之光的吸收劑構成。吸收層26係藉由吸收劑均勻地溶解或分散於透明基體而形成為於透明基體中含有近紅外線吸收成分的構成，可透射可見區域波長帶之光並同時吸收近紅外線區域波長帶之光。吸收劑譬如以使其溶解或分散於透明基體時的吸收最大波長落在600nm以上且1200nm以下者為佳，落在600nm以上且1000nm以下者較佳，落在600nm以上且850nm以下者最佳。吸收劑亦可為可吸收近紅外線區域波長之光的色素。若令該色素為色素(A)，色素(A)可舉：二亞銨(diimmonium)系、花青系、酞菁系、萘酞菁系、二硫醇金屬錯合物系、偶氮系、鋁系、聚次甲基系、酞內酯、萘醌系、蒽醌系、靛酚系、吡喃鎓(pyrylium)系、硫代吡喃鎓(thiopyrylium)系、方酸鎓(squarylium)系、克酮鎓(croconium)系、四去氫膽鹼(tetradehydrocholine)系、三苯甲烷系、鋁系等色素。又，舉例來說，吸收劑亦可為可吸收近紅外線區域波長之光的無機顏料。無機顏料可舉如：含有A1/n CuPO4 (惟，A係選自於由鹼金屬(Li、Na、K、Rb、Cs)、鹼土族金屬(Mg、Ca、Sr、Ba)及NH4 所構成群組中之1種以上，並且，A為鹼金屬或NH4 時n為1，A為鹼土族金屬時n為2)之微晶的近紅外線吸收粒子或含鎢之氧化物微粒子等。
另，當吸收層26之透明基體為樹脂時，係將已均勻溶解或分散有吸收劑之透明基體利用旋塗及浸塗(浸漬)等塗佈法塗佈於整合層24之表面24a，並以熱或紫外光等使透明基體固化，而形成吸收層26。並且，當吸收層26之透明基體為無機材料時，譬如可使用溶膠凝膠法來形成吸收層26。即，使吸收劑均勻地溶解或分散於可成為透明基體原料之溶液中，然後將該溶液塗佈於整合層24之表面24a，使溶液溶膠化並使溶膠凝膠化而形成吸收層26。
另，在本實施形態中吸收層26為單層，但亦可以多層構成。吸收層26之厚度以單層、多層任一種構成時，皆宜為100nm以上且5000nm以下。使厚度為5000nm以下，可使因吸收層26之膜厚參差所造成之光學特性降低的程度不至於變得太大。又，使厚度為100nm以上，可抑制吸收層26之吸收能、即抑制消光係數變得太高，抑制折射率的急速上升，而可抑制波紋的影響變高。另，厚度若小於100nm，除了難以進行塗佈等之成膜，若慮及近紅外線吸收等特性，會因消光係數k增大而使得折射率n值大增，因而有薄膜設計上不利的疑慮。又，當厚度超過5000nm時，有光學濾波器的總和厚度增大、耐候性較低之樹脂比率增加而引發耐候性變差的可能，故不適宜。
又，吸收層26亦可含有紫外線吸收成分。紫外線吸收成分譬如可以可吸收紫外線區域波長帶之光的紫外線吸收劑構成。藉由紫外線吸收劑均勻溶解或分散於透明基體中而構成，吸收層26中會含有紫外線吸收成分。紫外線吸收劑以均勻溶解或分散於透明基體時的吸收最大波長為360nm以上且415nm以下者為宜。紫外線吸收劑譬如為可吸收紫外線區域波長帶之光的色素。令可吸收紫外線區域波長帶之光的色素為色素(U)時，色素(U)可舉唑系、部花青素系、花青系、萘二甲醯亞胺系、二唑系、 系、唑啶系、萘二甲酸系、苯乙烯基系、蒽系、環狀羰基系、三唑系等色素。
(整合層、輔助整合層) 關於整合層24與輔助整合層28，一起說明較易理解，故於以下闡述其等之作用功效。
整合層24與輔助整合層28分別是用以抑制吸收層26作為干涉膜之膜厚相依性的波紋調整層。吸收層26如另外說明所述，有時會在成形步驟等中產生膜厚變動。整合層24係可抑制該膜厚變動影響光學濾波器之光學特性者。
首先說明藉由整合層24來抑制因吸收層26而引起之透射率強度變動的看法。
從吸收層26至基板20之各構成係依基板20、光學多層膜22、整合層24、吸收層26之順序構成。在此，若將吸收層26視為入射媒介，即為基板20、光學多層膜22、整合層24、入射媒介(吸收層26)之順序，譬如當入射媒介為空氣時，便與非常一般的光學薄膜之構成相同。入射媒介是普遍認為在光入射側理論上有無限存在的介質，在此觀點下即無厚度的概念。另，通常在關於光學干涉的計算中是以入射媒介為無限厚為前提，所以會將吸收特性之消光係數k值視為零。
在上述構成中，為了使光學多層膜22作出的光譜波形之可見區域的反射率達到最少，以抑制所謂的反射波紋、透射波紋等波形起伏，以往會於光學多層膜22之入射媒介側插入所謂波紋調整層的薄膜，整合層24便擔任與該波紋調整層相同的功能。即，整合層24是將吸收層26當作入射媒介時的波紋調整層。另，在此所述波紋調整係指抑制因吸收層26之膜厚變化而引起的可見區域波長帶之光學特性的強度變動。
光學多層膜22作出的光譜波形之可見區域反射率，就衡量標準而言宜為2%以下，1%以下較佳。若為該反射率，便亦可限制所謂波紋的光譜特性上之強度變動。
另，關於入射角度，實際使用上之光學濾波器16係在大氣中或真空下使用，因此針對以空氣作為介質時的入射角度調整成符合司乃耳定律之形式的入射角度，很適合作為入射媒介側入射角度。
同樣地，輔助整合層28係在將吸收層26視為基板而為了使構成為基板(吸收層26)、輔助整合層28、入射媒介(空氣)之情況下的可見區域之反射率達到最少以抑制所謂反射波紋、透射波紋之波形起伏的波紋調整層，惟，上述情況只有輔助整合層28，因此會構成為用以使反射率成為最少之層，而作為此用途的最小單位為抗反射膜，所以輔助整合層28只要是在構成為基板(吸收層26)、輔助整合層28、入射媒介(空氣)時的抗反射膜即可。當然，只要可見區域之反射率最少且已抑制波紋即可，因此亦可為紅外線截止濾波器等之帶通濾波器等，惟若考慮本發明之目的，則以最少膜厚、層數之構成的抗反射膜最為適宜。
將吸收層26視為基板而構成為基板(吸收層26)、輔助整合層28、入射媒介(空氣)之情況下的可見區域反射率，就衡量標準而言宜為2%以下，1%以下較佳。只要在該條件下，便亦可限制所謂波紋的光譜特性上之強度變動。
基板是在關於光學干涉之計算上可將有關吸收的消光係數k視為零來計算，且光學干涉上可將基板厚度當作無限考慮者。亦即，與入射媒介相同，在光學薄膜之干涉設計上不具有膜厚相依性。
光學濾波器16在以吸收層26為基準來考慮時，圖1中自吸收層26起至空氣側的構成係設計為以吸收層26作為基板，而自吸收層26至基板20側則是設計為以吸收層26作為入射媒介。所以，即使在所有構成(基板20、光學多層膜22、整合層24、吸收層26、輔助整合層28、空氣(入射媒介))合併的狀態下，吸收層26之膜厚相依性依舊非常小；就該結果論，即使因塗佈步驟等使吸收層26之膜厚變動變大，依舊可抑制作為光學干涉膜的不良影響。為了在該等所有構成合併的狀態下維持使上述可見區域之反射率及波紋最少的狀態，整合層24宜為後述之3層結構或單層之中間折射率膜。
另，只要是以所述方式設計而成的構成，即使無輔助整合層，依舊可獲得本發明目的之抑制因吸收層26之膜厚變動而引起之影響光學濾波器之光學特性的效果。此乃因為在吸收層26為樹脂層的關係上，其表面反射率較小之故，但為了獲得更良好的光學特性，輔助整合層有存在之必要。
在本實施形態中，整合層24係以高折射率膜24A與低折射率膜24B交替積層而成之3層以上積層膜構成。如上述，整合層24是作為光學多層膜22之波紋調整層發揮作用者，所以膜厚依光學多層膜22之構成而定。以考慮光學濾波器16的主要用途來說，譬如光學多層膜22為紅外線截止濾波器等。通常該等光學多層膜22之光學設計在令高折射率膜之光學膜厚QWOT為H且令低折射率膜之光學膜厚QWOT為L時，基本上係以(HL)^n之反覆而構成。另，(HL)^n係表示高折射率膜24A與低折射率膜24B以該順序反覆n次之構成。並且，此時所積層之高折射率膜24A亦可各光學膜厚互異。這在低折射率膜24B之情況亦同。整合層24在光學多層膜22之反覆構成內，必須以比靠近整合層24之側之基本反覆構成的(HL)^n之光學膜厚更薄的膜所構成，且較宜以後述(aQL bQH cQL )之3層構成。另，製造上以所述方式構成的整合層24之膜材料宜與光學多層膜22相同，而且只要就光學膜厚上滿足上述條件即可，無須為完全相同的膜材料。
整合層24之構成除上述外，亦可以中間折射率膜構成，此時可減少膜層數。中間折射率膜是在等價膜之想法上可以較薄的高折射率膜與低折射率膜之3層結構呈現之物，所以可展現接近上述以3層構成之整合層24的光學特性。惟，等價膜條件與上述3層結構的條件不同，因此性能上略有不及，但可以實際使用上沒問題之程度展現作為整合層24的特性。
另，高折射率膜在波長500nm下之折射率為1.8以上且3以下，低折射率膜在波長500nm下之折射率宜為1.4以上且小於1.6，中間折射率膜在波長500nm下之折射率宜為1.6以上且小於1.8。本發明係以在光學多層膜22上配置吸收層26為前提，因此光學濾波器16作為干涉多層膜的光學特性基本上是由光學多層膜22決定。整合層24之膜材料、折射率依光學多層膜22而定，因此上述折射率之範圍亦適用光學多層膜22，折射率之上述指定則是依譬如用以製作紅外線截止濾波器的製造所需條件而定。
進一步詳細說明整合層24之構成。如先前所說明，整合層24係對光學多層膜22在特定條件下作為波紋調整層發揮作用。因此，光學膜厚中之QWOT(Quarter-wave Optical Thickness)的中心波長是根據光學多層膜22之膜設計上的中心波長來決定。具體上，光學多層膜22為紅外線截止濾波器時，在紅外線截止濾波器截止的波長帶之中心波長會成為整合層24之QWOT的中心波長。另，在紅外線截止濾波器截止之波長帶為多數時，會選擇靠近整合層24側之波長帶的中心波長。並且，整合層24之QWOT的中心波長宜落在700nm~1400nm。
在此，令高折射率膜24A之QWOT(Quarter-wave Optical Thickness：四分之一波長光學厚度)為QH ，且令低折射率膜24B之QWOT為QL 。此時，整合層24宜自基板20側(光學多層膜22側)起向吸收層26側以(aQL bQH cQL )之3層構成。在此，a、b、c係各基本單位之係數，表示各基本單位中之膜的物理膜厚為QWOT的幾倍。所以，aQL 、bQH 、cQL 意指各膜之光學膜厚。即，整合層24最靠基板20側(光學多層膜22側)之膜為低折射率膜24B，其光學膜厚為aQL 。而且，整合層24之設於最靠基板20側之低折射率膜24B之吸收層26側的膜為高折射率膜24A，其光學膜厚為bQH 。接著，整合層24之設於高折射率膜24A之吸收層26側的膜為低折射率膜24B，其光學膜厚為cQL 。在本實施形態中，整合層24係以3層構成，因此設於高折射率膜24A之吸收層26側的低折射率膜24B係最靠設於吸收層26側的膜。另，整合層24以(aQL bQH cQL )之3層構成時的a、b、c係使用光學多層膜22之阻止帶的中心波長之高折射率膜24A及低折射率膜24B的各折射率算出。
在此，a及c為0.2以上且小於0.5，b為0.07以上且小於0.5，且b＜a為宜。藉由a、b、c為所述數值範圍，整合層24可以抑制吸收層26之膜厚相依性之姿貢獻於可見區域的反射率、抑制波紋。
惟，整合層24若是以抑制由吸收層26引發之可見區域波長帶之光干涉而構成，則如所述無須為於2層低折射率膜24B之間設有1層高折射率膜24A的構成，而且高折射率膜24A與低折射率膜24B之光學膜厚也無須為如上述之關係。譬如，整合層24可為於2層高折射率膜24A之間設有1層低折射率膜24B之3層構成。並且，整合層24譬如可為高折射率膜24A與低折射率膜24B交替合計積層有4層以上，或可為合計積層2層之物。又，整合層24亦可以具有預定折射率之中間折射率的1層、即上述中折射率膜之單層構成。中間折射率譬如為上述所說明之高折射率膜24A之折射率與低折射率膜24B之折射率之間的值。
又，在依序積層基板20、光學多層膜22、整合層24、吸收層26及輔助整合層28且輔助整合層28對空氣露出時，整合層24宜構成為可抑制於自空氣側入射輔助整合層28並穿透基板20之光的可見區域波長帶產生波紋。
另，高折射率膜24A可使用譬如選自ZrO2 、Nb2 O5 、TiO2 及Ta2 O5 中之至少1種金屬氧化物膜等。並且，低折射率膜24B可使用譬如SiO2 等。宜高折射率膜24A與光學多層膜22之高折射率膜22A為相同材料，且低折射率膜24B與光學多層膜22之低折射率膜22B為相同材料。用相同材料，可輕易進行積層。惟，高折射率膜24A與高折射率膜22A可為不同材料，且低折射率膜24B與低折射率膜22B亦可為不同材料。
整合層24亦可以與形成光學多層膜22同樣的方法形成於光學多層膜22之表面22a。即，整合層24亦可譬如使用濺鍍法、離子輔助蒸鍍法、真空蒸鍍法等來形成。
(輔助整合層) 輔助整合層28係抑制已入射輔助整合層28之可見區域波長帶之光被吸收層26(輔助整合層28與吸收層26之界面)反射的層。即，輔助整合層28係具有抗反射功能之抗反射膜(Anti-Reflection膜，亦稱AR膜)。在本實施形態中，輔助整合層28係積層多層折射率不同之膜而構成的光學多層膜。即，輔助整合層28係使用譬如高折射率膜與折射率較高折射率膜低的低折射率膜多層交替配置而成的積層膜。高折射率膜可使用譬如選自ZrO2 、Nb2 O5 、TiO2 及Ta2 O5 中之至少1種金屬氧化物膜等。低折射率膜可使用譬如SiO2 等。高折射率膜與低折射率膜之膜厚或積層數可因應對輔助整合層28要求的光學特性來適當設定。輔助整合層28亦可以與形成光學多層膜22同樣的方法形成於吸收層26之表面26a。即，輔助整合層28亦可譬如使用濺鍍法、離子輔助蒸鍍法、真空蒸鍍法等來形成。另，輔助整合層28只要具有抗反射功能，不限於所述多層膜，亦可以單層構成，並亦可為紅外線截止濾波器或紫外線截止濾波器等。並且，光學濾波器16亦可不設輔助整合層28。
(背面層) 背面層30是為了補足由基板20、及設於基板20上之光學多層膜22、整合層24、吸收層26、輔助整合層28構成之作為光學濾波器16之光學特性而設置。所以，背面層30可與光學多層膜22、整合層24、吸收層26、輔助整合層28為同樣的構成，亦可僅以光學多層膜構成、或可不設。光學濾波器16作為攝像裝置用光學濾波器使用時，背面層30係假設為紅外線截止濾波器或抗反射膜。背面層30以光學多層膜構成時，可使用譬如高折射率膜與折射率較高折射率膜低的低折射率膜多層交替配置而成的積層膜。高折射率膜可使用譬如選自ZrO2 、Nb2 O5 、TiO2 及Ta2 O5 中之至少1種金屬氧化物膜等。低折射率膜可使用譬如SiO2 等。高折射率膜與低折射率膜之膜厚或積層數可因應對背面層30要求的光學特性來適當設定。背面層30亦可以與形成光學多層膜22同樣的方法形成於基板20之表面20b。即，背面層30亦可譬如使用濺鍍法、離子輔助蒸鍍法、真空蒸鍍法等來形成。另，背面層30只要具有抗反射功能，不限於所述多層膜，亦可以單層構成。
光學濾波器16係採以上之構成。圖3係顯示反射光之狀態一例的示意圖。圖3顯示比較例之光學濾波器16x與本實施形態之光學濾波器16的反射光狀態的差異。如圖3所示，比較例之光學濾波器16x係依基板20x、吸收層26x與光學多層膜22x之順序積層而成。即，在比較例中，光學多層膜22x位在比吸收層26x更靠入射光L1x側。此時，入射光L1x中不需要的波長光會在光學多層膜22x之表面以反射光L2x被反射。反射光L2x譬如係以雜散光存在於攝像裝置之殼體內，有再度入射光學濾波器16x的疑慮。此時雜散光若以廣角入射光學濾波器16x，便無法藉由光學多層膜22X之斜射特性反射雜散光，而有穿透光學濾波器16x到達攝像元件之疑慮。在此情況下，該光會被辨識為攝像影像中之雜訊，而有降低攝像影像之畫質的可能。
另一方面，本實施形態之光學濾波器16係吸收層26位在比光學多層膜22更靠入射光L1側。另，在圖3中，為方便說明，省略了輔助整合層28及背面層30。如圖3所示，入射至光學濾波器16之入射光L1會入射吸收層26內，而入射光L1中不需要的波長光會被吸收層26吸收。而且，未被吸收層26吸收之不需要的波長光會在光學多層膜22之表面反射。在光學多層膜22之表面反射之光會再度入射吸收層26並被吸收層26吸收，只有未被吸收層26吸收之光會以反射光L2射出至攝像裝置之殼體內。即，反射光L2會透射吸收層26二次，所以會因為在二次的透射中被吸收而使強度降得比反射光L2x還低。因此，根據本實施形態之光學濾波器16，即使雜散光到達攝像元件，雜散光之強度也已降低，所以可減少帶給攝像影像的影響，而可抑制攝像影像之畫質變差。即，本實施形態之光學濾波器16係藉由降低雜散光之強度來抑制光學特性的降低。
但，將吸收層26配置在比光學多層膜22更靠入射光L1側時，如上述，光學多層膜22之透射率的波紋會變明顯，而有光學濾波器16之光學特性降低的疑慮。相對於此，本實施形態之光學濾波器16藉由整合層24來抑制由吸收層26引起之可見區域波長帶之光的干涉，而抑制光學多層膜22之透射率的波紋，從而抑制了光學濾波器16之光學特性的降低。
如以上說明，本實施形態之光學濾波器16具備：基板20、設於基板20上之光學多層膜22、設於光學多層膜22上之整合層24、及設於整合層24上之吸收層26，且該吸收層26具有含有紅外線吸收成分之透明基體。整合層24係構成為可抑制因吸收層26而引起之透射率強度變動。根據該光學濾波器16，可藉由降低雜散光之強度並同時抑制因吸收層26引起之可見區域波長帶之光干涉，而可抑制光學濾波器16之光學特性的降低。
(實施例1) 接下來說明實施例1。在實施例1中，關於本實施形態之光學濾波器16係改變吸收層26之膜厚(厚度)來模擬透射率。表1記載有實施例1之光學濾波器16的各層構成。如表1所示，在實施例1中係將輔助整合層28之高折射率膜設為TiO2 ，將輔助整合層28之低折射率膜設為SiO2 ，將整合層24之高折射率膜24A與光學多層膜22之高折射率膜22A設為ZrO2 ，並將整合層24之低折射率膜24B與光學多層膜22之低折射率膜22B設為SiO2 。在波長500nm下，TiO2 之折射率為2.467，SiO2 之折射率為1.483，ZrO2 之折射率為2.058。並且，在實施例1中，係以光學多層膜22、整合層24、輔助整合層28之如表1的構成，使吸收層26之膜厚在700nm至1400nm之範圍內做變化後，以模擬方式算出光學濾波器16之光譜透射率。即，針對表1之構成的光學濾波器16，於吸收層26之各膜厚以模擬方式算出光自輔助整合層28入射後自基板20射出之光的透射率。另，如表1所示可知，實施例1之整合層24為(aQL bQH cQL )之3層構成。在表1中，光學多層膜為基板20側，輔助整合層為空氣側。在實施例1中，光學多層膜22之設計上的中心波長為930nm，a為0.313，b為0.131，c為0.412。另，各係數係使用整合層24之高折射率膜24A及低折射率膜24B在波長930nm下之折射率(ZrO2 ：2.025、SiO2 ：1.467)來算出。並且，算出光譜透射率之模擬軟體係採用TFCalc(Software Spectra公司製)。而基板20及吸收層26係在無光吸收之條件下算出。關於光學干涉之計算是將有關吸收之消光係數k視為零來計算。
[表1]
另一方面，表2顯示比較例1之光學濾波器的各層構成。在表2中，光學多層膜為基板20側，輔助整合層為空氣側。比較例1之光學濾波器在不具整合層24這點有別於實施例1。關於比較例1，亦與實施例1同樣地，使吸收層26之膜厚在700nm至1400nm之範圍內做變化後，以模擬方式算出光學濾波器16之光譜透射率。
[表2]
圖4係顯示實施例1之各膜厚之光譜透射率之值的圖表。圖5係顯示比較例1之各膜厚之光譜透射率之值的圖表。圖4及圖5之橫軸為波長，縱軸為光學濾波器16之光譜透射率。圖4及圖5係針對波長為350nm至1200nm的各波長光，分別顯示吸收層26之各膜厚的光學濾波器16之透射率的算出結果。如圖4及圖5所示可知，相較於比較例1，在實施例1中尤其是入射光之波長為450nm以上且750nm以下(更進一步來說為450nm以上且650nm以下)的範圍內，相對於吸收層26之膜厚變化，光學濾波器之光譜透射率之值的變動較少，而有抑制波紋。而詳細確認光學濾波器16之光譜透射率在吸收層26之膜厚改變時的變動後，在可見區域波長帶(在此為波長450nm以上且650nm以下)中之最大透射率與最小透射率之差，在實施例1中為0.66%以上且0.89%以下，相對此，在比較例1中為2.60%以上且7.66%以下。
(實施例2、實施例3) 接下來說明實施例2及實施例3。在實施例2中，關於本實施形態之光學濾波器16係改變吸收層26之膜厚(厚度)來模擬透射率。表3記載有實施例2之光學濾波器16的各層構成。在表3中，光學多層膜為基板20側，輔助整合層為空氣側。如表3所示，在實施例2中輔助整合層28之構成與實施例1大致相同。另一方面，整合層24在以Al2 O3 之單層構成作為中折射率膜這點有別於實施例1。在波長500nm下，Al2 O3 之折射率為1.617。並且，在實施例2中，係將光學多層膜22、整合層24、輔助整合層28作為如表3之構成，使吸收層26之膜厚在700nm至1400nm之範圍內做變化後，以模擬方式算出光學濾波器16之光譜透射率。即，針對表3之構成的光學濾波器16，使用與實施例1同樣的模擬軟體及條件，於吸收層26之各膜厚以模擬方式算出光自輔助整合層28入射後自基板20射出之光的透射率。
[表3]
在實施例3中，關於本實施形態之光學濾波器16係改變吸收層26之膜厚(厚度)來模擬光譜透射率。表4記載有實施例3之光學濾波器16的各層構成。在表4中，光學多層膜為基板20側，吸收層為空氣側。如表4所示，在實施例3中整合層24之構成與實施例1大致相同。在實施例3中，光學多層膜22之設計上的中心波長為930nm，a為0.313，b為0.131，c為0.412。另，各係數係使用整合層24之高折射率膜24A及低折射率膜24B在波長930nm下之折射率(ZrO2 ：2.025、SiO2 ：1.467)來算出。另一方面，實施例3在未設輔助整合層28這點有別於實施例1。並且，在實施例3中，係將光學多層膜22、整合層24作為如表4之構成，使吸收層26之膜厚在700nm至1400nm之範圍內做變化後，以模擬方式算出光學濾波器16之光譜透射率。即，針對表4之構成的光學濾波器16，使用與實施例1同樣的模擬軟體及條件，於吸收層26之各膜厚以模擬方式算出光自吸收層26入射後自基板20射出之光的透射率。
[表4]
另一方面，表5顯示比較例2之光學濾波器的各層構成。在表5中，光學多層膜為基板20側，吸收層為空氣側。比較例2之光學濾波器在不具整合層24及輔助整合層28這點有別於實施例1。關於比較例2，亦與實施例1同樣地，使吸收層26之膜厚做變化後，以模擬方式算出光學濾波器16之光譜透射率。
[表5]
圖6係顯示實施例2之各膜厚之光譜透射率之值的圖表。圖7係顯示實施例3之各膜厚之光譜透射率之值的圖表。圖8係顯示比較例2之各膜厚之光譜透射率之值的圖表。圖6至圖8之橫軸為波長，縱軸為光學濾波器16之光譜透射率。圖6至圖8係針對波長為350nm至1200nm的各波長光，分別顯示吸收層26之各膜厚的光學濾波器16之光譜透射率的算出結果。如圖6至圖8所示可知，相較於各比較例，在實施例2及實施例3中尤其是入射光之波長為450nm以上且750nm以下(更進一步來說為450nm以上且650nm以下)的範圍內，以所有波長光來說透射率之值變動少，有抑制波紋。相對於此，在比較例2中可知，尤其是相對於吸收層26之膜厚(厚度)的變動，透射率之值變動大，有產生波紋。並且，詳細確認光學濾波器16在吸收層26之膜厚改變時的光譜透射率之變動後，在可見區域波長帶(在此為波長450nm以上且650nm以下)中之最大透射率與最小透射率之差，在實施例2中為1.27%以上且2.38%以下，在實施例3中為3.11%以上且4.72%以下，相對此，在比較例2中為1.34%以上且17.97%以下。
以上說明了本發明實施形態，惟實施形態不受該實施形態之內容限定。並且，前述構成要素包含熟知此項技藝之人士可輕易設想者、實質上相同者、及所謂的均等範圍者。且，前述構成要素可適當組合。並且，可在不脫離前述實施形態之主旨的範圍內進行構成要素之各種省略、置換或變更。
10:攝像裝置 12:殼體 14:透鏡 16,16x:光學濾波器 18:攝像元件 20,20x:基板 20a,20b,22a,24a,26a,28a,30a:表面 22,22x:光學多層膜 22A,24A:高折射率膜 22B,24B:低折射率膜 24:整合層 26,26x:吸收層 28:輔助整合層 30:背面層 L:光 L1,L1x:入射光 L2,L2x:反射光
圖1係本實施形態之攝像裝置的示意截面圖。 圖2係本實施形態之光學濾波器的示意截面圖。 圖3係顯示反射光之狀態一例的示意圖。 圖4係顯示實施例1之各膜厚之透射率之值的圖表。 圖5係顯示比較例1之各膜厚之透射率之值的圖表。 圖6係顯示實施例2之各膜厚之透射率之值的圖表。 圖7係顯示實施例3之各膜厚之透射率之值的圖表。 圖8係顯示比較例2之各膜厚之透射率之值的圖表。
16:光學濾波器
20:基板
20a,20b,22a,24a,26a,28a,30a:表面
22:光學多層膜
22A,24A:高折射率膜
22B,24B:低折射率膜
24:整合層
26:吸收層
28:輔助整合層
30:背面層
L:光

Claims (8)

  1. 一種光學濾波器，其特徵在於具備：基板、設於前述基板上之光學多層膜、設於前述光學多層膜上之整合層、及設於前述整合層上之吸收層，且該吸收層具有含有近紅外線吸收成分之透明基體；前述整合層可抑制因前述吸收層而引起之透射率強度變動。
  2. 如請求項1之光學濾波器，其中前述整合層係積層多層之高折射率之高折射率膜與折射率較前述高折射率膜低之低折射率膜而構成，或是以單層之中折射率膜構成；前述高折射率膜在波長500nm下之折射率為1.8以上，前述低折射率膜在波長500nm下之折射率小於1.6，前述中折射率膜在波長500nm下之折射率為1.6以上且小於1.8。
  3. 如請求項2之光學濾波器，其於以前述光學多層膜在設計上之中心波長作為中心波長的情況下，令前述高折射率膜之QWOT為QH且令前述低折射率膜之QWOT為QL時，前述整合層係自前述基板側起以(aQLbQHcQL)之3層構成，其中，a及c為0.2以上且小於0.5，b為0.07以上且小於0.5，並且b<a。
  4. 如請求項1至請求項3中任一項之光學濾波器，其更具有設於前述吸收層上之輔助整合層，該輔助整合層可抑制已入射的可見區域波長帶之光被前述吸收層反射。
  5. 如請求項1至請求項3中任一項之光學濾波器，其中前述吸收層之厚度為100nm以上且5000nm以下。
  6. 如請求項1至請求項3中任一項之光學濾波器，其中前述基板為白板玻璃、藍玻璃及樹脂中之任一者。
  7. 如請求項1至請求項3中任一項之光學濾波器，其中前述光學多層膜之可見區域波長帶之光的平均透射率為80%以上，且近紅外線區域波長帶之光的平均透射率為10%以下。
  8. 一種近紅外線截止濾波器，具有如請求項1至請求項7中任一項之光學濾波器。
TW108142335A 2018-12-28 2019-11-21 光學濾波器及近紅外線截止濾波器 TWI814948B (zh)

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