專利名稱：受抑波長漂移的截止濾光片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于數(shù)碼圖像傳感器的截止濾光片，屬于光學器件領域，主要應用于數(shù)碼相機、手機攝像頭和監(jiān)控攝像等影像采集系統(tǒng)。
背景技術：
用于數(shù)碼影像技術的圖像傳感器COKCharge-coupled Device,電荷稱合元件)和圖像傳感器CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導體兀件)是一種離散像素的光電探測器。用CCD、CM0S攝像獲取目標圖像時，圖像傳感器中的高頻諧波會和基頻造成疊柵效應，產生莫爾條紋，影響圖像質量，因此必須釆取措施消除這種空間高頻諧波引起的圖像干擾，光學濾波器就這樣應運而生。光學濾波器常被置于圖像傳感器前面，以濾去高頻諧波，改善圖像質量。 現(xiàn)用的光學濾波器是采用一種特殊的藍玻璃(型號為QB51)或藍塑料(型號為FLXL100AA)基板以及隔紅外和隔紫外濾光膜組成的，這種藍玻璃或藍塑料的特點是透射-截止過渡區(qū)中透射率為50%處的波長約為650nm，由于這個透射-截止過渡區(qū)是基板材料吸收產生的，所以這個650nm的波長基本上不會因目標圖像的光線入射角變化而產生漂移，因而能對以不同入射角進入攝像攝影鏡頭的圖像獲得均勻的彩色效果。那么，現(xiàn)用的光學截止濾光膜為什么不能穩(wěn)定透射-截止過渡區(qū)呢？這是因為現(xiàn)用光學截止濾光膜是基于光的干涉產生透射-截止過渡區(qū)的，而干涉與光線入射角有關，或者說光學截止濾光膜的厚度隨著入射角的余弦而變化的。所以，攝像攝影鏡頭正前方的圖像進入圖像傳感器的入射角最小，波長最長；鏡頭正前方兩側邊緣視場的圖像進入圖像傳感器的入射角最大，波長最短。這種現(xiàn)象常稱為“波長漂移”。這樣，同樣顏色的物體因為入射角變化引起的波長漂移而形成了不同顏色的圖像，這就是現(xiàn)用光學截止濾光膜必須采用一種特殊的藍玻璃或藍塑料作為基板的道理，也就是說，必須依靠藍玻璃基板或藍塑料基板來限制透射-截止過渡區(qū)的波長漂移。但是，無論是使用藍玻璃基板還是藍塑料基板，都有一些缺陷。對藍玻璃基板而言(I)為保證透射-截止過渡區(qū)具有足夠的陡度，要求藍玻璃基板較厚，但這會引起球差、色差等像差；(2)這種藍玻璃目前只有日本獨家供應，由于供不應求，價格很貴；(3)藍玻璃的某些性能較差，如膨脹系數(shù)大、化學穩(wěn)定性差、機械應力大、脆性，所以鍍膜后切割成小片時極易破碎，也易腐蝕，降低了制造成品率；(4)重量重、體積大，在智能手機上的應用受到一些限制。對藍塑料基板而言，(I)雖然所用的藍塑料基板的厚度較薄，但在緩解像差的同時，卻由于藍塑料的柔性而帶來了薄膜應力造成的基板變形的難題；(2)藍塑料基板是一種有機材料，而薄膜都是無機材料，兩者附著極易失敗，或者說，膜層很難鍍到藍塑料基板上去；(3)藍塑料基板的剛性差，在單反相機等大面積的圖像傳感器中的應用尚有困難。事實上，一直以來，人們試圖使用性能優(yōu)良、價格便宜的其他玻璃或塑料來替換現(xiàn)用光學濾波器所用的藍玻璃或藍塑料基板，但始終無法實現(xiàn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種受抑波長漂移的截止濾光片，它能夠使透射-截止過渡區(qū)的波長漂移減小到滿足使用要求的范圍內，從而使光學濾波器中的藍玻璃基板或藍塑料基板可以被普通光學玻璃或普通光學塑料替換。為了抑制截止濾光片的入射角引起的透射-截止過渡區(qū)的波長漂移，發(fā)明人提出了以下構思1)在盡可能減少膜層的情況下，選用折射率盡可能高的介質膜來制造截止濾光膜，因為根據(jù)折射定律，薄膜折射率越高，折射角越??；2)在由低折射率膜層和高折射率膜層交替組成的截止濾光膜的主膜系中，選用的高折射率膜層的厚度為低折射率膜層的厚度的3倍以上，使光線主要傳播在截止濾光膜的高折射率薄膜材料中，可以期望波長漂移顯著降低。在此基礎上，再在主膜系的兩側分別加上第一匹配次膜系和第二匹配次膜系，使可見光區(qū)獲得盡可能高而且平坦的透射率。具體地說，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案如下 本發(fā)明包括基板和鍍在該基板上的截止濾光膜，所述截止濾光膜包括依次排列的第一匹配次膜系、主膜系和第二匹配次膜系，且第一匹配次膜系位于主膜系和基板之間；主膜系由高折射率膜層和低折射率膜層交替組成，且主膜系中的每層高折射率膜層的厚度為每層低折射率膜層的厚度的3倍以上；第一匹配次膜系由低折射率膜層和高折射率膜層交替組成；第二匹配次膜系由高折射率膜層、低折射率膜層和中間折射率膜層重復組成，且最近的相同種類的膜層之間由兩層不同種類的膜層分隔。進一步地，本發(fā)明可以僅由所述基板和鍍在該基板上的截止濾光膜組成。進一步地，本發(fā)明的截止濾光膜的總層數(shù)為4(T60層。進一步地，本發(fā)明的基板的制作材料為透明的光學玻璃或透明的光學塑料。進一步地，本發(fā)明的光學玻璃為K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃或EagleXG玻璃。進一步地，本發(fā)明的光學塑料為聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂。進一步地，本發(fā)明的高折射率膜層的折射率大于2. 35。進一步地，本發(fā)明的高折射率膜層的制作材料為Ti02、Nb2O5或ZnS。進一步地，本發(fā)明的低折射率膜層的材料為Si02。進一步地，本發(fā)明的中間折射率膜層的材料為Ta2O5或HfO2。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是
相比于現(xiàn)有技術所用的藍玻璃基板和藍塑料基板，本發(fā)明的截止濾光片具有透射-截止過渡區(qū)陡度陡、可見光區(qū)透射高、紅外光68(T770nm和紫外光35(T400nm的截止性能好等優(yōu)點；與此同時，本發(fā)明的截止濾光片由于顯著地抑制了入射角引起的透射-截止過渡區(qū)的波長漂移，所以可以取代現(xiàn)用藍玻璃基板或藍塑料基板的功效，從而使原有的藍玻璃基板和藍塑料基板能被普通光學玻璃和普通光學塑料替換；采用本發(fā)明的截止濾光片，后繼只需在其基板的出射側鍍上另一個透射可見光而反射77(Tll00nm的普通隔紅外濾光膜即可方便制作出完整的光學濾波器，而對現(xiàn)用藍玻璃基板和藍塑料基板，則需要制作比較復雜的透射可見光而反射68(T1100 nm的寬波段隔紅外和隔紫外濾光膜后才完成整個濾波器。
由于本發(fā)明的截止濾光膜可以鍍在普通玻璃或普通塑料基板上，因此直接避免了現(xiàn)有技術使用藍玻璃基板和藍塑料基板的各種問題。特別是對藍玻璃基板而言，由于其透射-截止過渡區(qū)陡度差、基板厚度厚，因此引起不可忽略的像差；藍玻璃不僅價格昂貴，而且機械、化學性能差，制造成品率低；基板厚度厚、重量重，在智能手機中的應用受到一定限制。對藍塑料基板而言，由于藍塑料基板薄，在緩解像差的同時，由塑料的柔性而帶來了薄膜應力造成的基板變形的難題；而且，無機的薄膜材料在有機的藍塑料基板上附著性差。特別需要強調的是，本發(fā)明所用的普通玻璃或普通塑料基板厚度可以做得比較薄，通常
0.ro. 2mm巳具有足夠的剛性；而且價格非常便宜，性能非常優(yōu)良。由于本發(fā)明在普通玻璃基板或普通塑料基板上鍍制的截止濾光膜中選用了高折射率薄膜和增加了光在高折射率薄膜中傳播的光程，因而大大抑制了不同入射角引起的透射-截止過渡區(qū)的波長漂移。基于此原理制成的截止濾光片可以取代現(xiàn)用的藍玻璃基板和藍塑料基板，解決了本領域一直以來未能解決的技術難題，取得了預料不到的技術效果。


圖I是藍玻璃基板(QB51)的透射光譜曲線 圖2是藍塑料基板(FLXL100AA)的透射光譜曲線 圖3是本發(fā)明的截止濾光片的結構示意 圖4是本發(fā)明使用TFCal軟件設計的一種截止濾光膜的每層膜的膜厚和折射率的對應關系 圖5是本發(fā)明的截止濾光片在光線入射角為0°和30°時的透射光譜曲線 圖6是現(xiàn)用截止濾光片在光線入射角為0°和30°時的透射光譜曲線圖。
具體實施例方式圖I是現(xiàn)有截止濾光片的藍玻璃基板(型號為QB51)的透射光譜曲線圖。如圖I所示，藍玻璃基板不僅透射-截止過渡區(qū)陡度差，而且紅外區(qū)截止也很差，故需把其厚度增加到0.5_。然而即便如比，其陡度仍然只能勉強滿足使用要求(如圖I所示)，而隔紅外光和隔紫外光的功效必須依賴截止濾光膜來完成。圖2是現(xiàn)有截止濾光片的藍塑料基板(型號為FLXL100AA)的透射光譜曲線圖。圖2所示的藍塑料基板雖然厚度只有0. 1mm，但其透射-截止過渡區(qū)的陡度相對于圖I所示的藍玻璃基板有了明顯的改進。然而不足的是，相比于藍玻璃基板，藍塑料基板僅提供了透射-截止過渡區(qū)，隔紅外光和隔紫外光的功效也必須依賴截止濾光膜，且由于藍塑料基板在紅外光區(qū)的透射率高，隔紅外膜所需的膜層數(shù)會比藍玻璃基板更多。由此可見，藍玻璃基板或藍塑料基板的共同功效是提供了一個不隨光線入射角變化的穩(wěn)定的透射-截止過渡區(qū)(透射率為50%處的波長約為650nm)。因為這個透射-截止過渡區(qū)是由藍玻璃基板或藍塑料基板的特征吸收形成的，所以這個透射率為50%處的波長650nm基本上不會因目標圖像的光線入射角變化而產生漂移，因而能使以不同入射角進入攝影攝像鏡頭的圖像獲得均勻的彩色效果。但是，由于藍玻璃基板或藍塑料基板存在著各種各樣的缺陷，所以本發(fā)明試圖用普通光學玻璃基板或光學塑料基板和截止濾光膜組成的截止濾光片來取代，以解決本領域技術人員一直以來期待解決的技術難題。采用本發(fā)明的技術方案，基板可使用價格低廉且性能優(yōu)良的普通透明光學玻璃或光學塑料，例如，K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃或EagleXG玻璃等常用的透明光學玻璃，這些玻璃具有以下共性折射率低，透光性好，重量輕，機械、化學、熱性能優(yōu)良，再加工容易，價格便宜。特別是，D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃和EagleXG玻璃都是采用批量生產新工藝——引上法、平拉法和浮法一一制造的，所以價格非常低。而本發(fā)明采用透明的光學塑料作為基板時，亦可選用常見的聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂等。在攝影攝像應用中，入射到圖像傳感器上的光線入射角可達-30° 30°，本發(fā)明的截止濾光片可以獲得此入射角范圍下，透射-截止過渡區(qū)在透射率為50%處的波長650nm處的漂移小于7nm的截止濾光片。如圖3所示，本發(fā)明的截止濾光片包括基板I和鍍在該基板上的截止濾光膜5。其中，截止濾光膜5包括依次排列的第一匹配次膜系7、主膜系6和第二匹配次膜系8，且第一匹配次膜系7位于主膜系6和基板I之間。第一匹配次膜系7由低折射率膜層2和高折射率膜層3交替組成，其中，與基板I最接近的可以是低折射率膜層2，也可以是高折射率膜層
3。主膜系6由高折射率膜層3和低折射率膜層2交替組成，且主膜系6中的每層高折射率膜層3的厚度為每層低折射率膜層2的厚度的3倍以上。第二匹配次膜系8由高折射率膜層3、低折射率膜層2和中間折射率膜層4重復組成，且最近的相同種類的膜層之間由兩層不同種類的膜層分隔。換句話說，在第二匹配次膜系8中，最接近的兩層高折射率膜層3之間存在低折射率膜層2和中間折射率膜層4，在最接近的兩層低折射率膜層2之間存在中間折射率膜層4和高折射率膜層3，在最接近的兩層中間折射率膜層4之間則存在高折射率膜層3和低折射率膜層2。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，截止濾光膜5的總層數(shù)為40 60層。本發(fā)明的基板I的制作材料可以使用透明的光學玻璃或透明的光學塑料，其中，光學玻璃可以選用常見的K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃或EagleXG玻璃。透明的光學塑料可選用常見的聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，高折射率膜層3的材料折射率大于2. 35，可選用常見的TiO2^Nb2O5或ZnS ;低折射率膜層2的材料可選用常見的SiO2 ;中間折射率膜層4的材料可選用常見的Ta2O5或HfO2。以下以一種具有48層膜的截止濾光膜5為例進一步詳細說明本發(fā)明，其每層膜的膜厚和折射率如圖4所示。其中，基板I采用B270玻璃，其折射率為I. 5 ;低折射率膜層2為SiO2，其折射率為I. 45 ;高折射率膜層3選用TiO2，其折射率為2. 42 ;中間折射率膜層4選用Ta2O5，其折射率為2. I。如圖3所示，入射光從空氣一側(即圖3的右側)入射到截止濾光膜5,透射的可見光從基板I 一側(即圖3的左側)出射,而反射的紅外光和紫外光則返回空氣一側。截止濾光膜5在基板I上按以下順序鍍制第一匹配次膜系7、主膜系6和第二匹配次膜系8。如圖4所示，第一匹配次膜系7依次由低折射率膜層2和高折射率膜層3交替組成，共21層(即第I層至第21層)各層膜的膜厚依次為175nm、41nm、16nm，、165nm、225nm、15nm、 46nm、 59nm、304nm、 46nm、 318nm、48nm、 306nm、 76nm、83nm、22nm、151nm、144nm、29nm、65nm、93nm。第一匹配次膜系7的主要功能是實現(xiàn)主膜系6與基板I之間在可見光區(qū)的光學導納匹配，減小可見光區(qū)的波紋并進一步提高可見光區(qū)的透射率。主膜系6依次由高折射率膜層3和低折射率膜層2交替組成，共22層(即第22層至第43層)各層膜的膜厚依次為 274nm、57nm、288nm、54nm、290nm、54nm、290nm、54nm、290nm、54nm、290nm、 54nm、 292nm、 53nm、 293nm、51nm、 295nm、 48nm、 295nm、 48nm、 277nm、 72nm?？梢钥闯?，在本實施例中，高折射率膜層3的厚度至少為低折射率膜層2的厚度的3倍以上，最大甚至達到6倍左右。主膜系6的主要功能是實現(xiàn)透射可見光、截止紅外光和截止紫外光，且產生受抑波長漂移，故稱其為主膜系。第二匹配次膜系8依次由高折射率膜層3、低折射率膜層2、中間折射率膜層4、高折射率膜層3和低折射率膜層2組成，共5層(即第44層至第48層)各層膜的膜厚依次為29nm、22nm、82nm、135nm、113nm。第二匹配次膜系8的主要功能是實現(xiàn)主膜系6與空氣入射媒質之間在可見光區(qū)的光學導納匹配，與第一匹配次膜系7類似，它可進一步減小可見光區(qū)的波紋且提高可見光區(qū)的透射率。在本實施例中，截止濾光膜5的各層膜厚是經過商用薄膜設計軟件TFCal優(yōu)化的?？梢钥闯?，第一匹配次膜系7的低折射率膜層2的膜厚在16 318nm之間，高折射率膜層3的膜厚在15 165nm之間，低折射率膜層2和高折射率膜層3的膜厚離散都很大；主膜系6的高折射率膜層3的膜厚在27r295nm之間，低折射率膜層2的膜厚在48 72nm之間，主膜系6的高折射率膜層3和低折射率膜層2的膜厚離散都較小；第二匹配次膜系8在本實施例中僅為5層膜，為了達到最佳匹配效果，插入了中間折射率的Ta2O5，其膜厚為82nm。 事實上，本發(fā)明的截止濾光膜5的組成除了如圖4所示外，根據(jù)截止濾光片的具體應用要求，本領域的技術人員可在知曉本發(fā)明的截止濾光膜的結構特征的情形下，對截止濾光片作出各種變形在盡可能減少膜層的情況下，選用盡可能高折射率的介質膜；截止濾光膜的主膜系由高、低折射率膜層交替組成，且所選用的高折射率膜層的厚度為低折射率膜層的厚度的3倍以上；在主膜系的兩側加上匹配膜系；并借助其熟悉的薄膜設計軟件(如TFCal軟件)進行優(yōu)化設計，即可確定本發(fā)明的截止濾光膜所需的具體層數(shù)以及每層膜的厚度，滿足濾光片的各項技術要求。圖5是本發(fā)明的截止濾光片在光線入射角為0°和30°時的透射光譜曲線圖，該曲線是按圖4例示的結構計算的，其中，B270玻璃基板的厚度取0. 15mm，此厚度不僅具有足夠的機械強度以滿足截止濾光片的剛性要求，而且可避免引入像差。作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，如圖5所示，圖4例示的截止濾光片達到的性能為紫外區(qū)(350-400nm)的平均透射率為0. 16%,可見光區(qū)(420-620nm)的平均透射率為99. 2%，紅外區(qū)^80_770nm)的平均透射率為0. 30% ;同時對不同入射角的計算還得到，當光線入射到濾波器的入射角為0°和30°時(在入射角-30° 30°范圍內，最小入射角為0°，最大入射角為30° )，短波415nm附近的透射-截止過渡區(qū)中透射率為50%處的波長漂移為6. 3nm,長波650nm附近的透射-截止過渡區(qū)中透射率為50%處的波長漂移為6. 8nm。這說明本發(fā)明的截止濾光片隨入射角變化的透射-截止過渡區(qū)的波長漂移已完全滿足實用要求，完全可以使用普通的光學玻璃和普通光學塑料取代現(xiàn)有技術所用的特殊的藍玻璃基板和藍塑料基板。為比較本發(fā)明的截止濾光片與現(xiàn)用截止濾光片在同樣入射角下的透射-截止過渡區(qū)波長漂移的情況，圖6示出了現(xiàn)用截止濾光片在光線入射角為0°和30°時的透射光譜曲線圖?？梢钥闯觯涠滩?15nm附近未形成完整的透射-截止過渡區(qū)，而長波650nm附近的透射-截止過渡區(qū)中透射率為50%處的波長漂移約為27nm，此值幾乎是本發(fā)明的截止濾光片的透射-截止過渡區(qū)波長漂移的4倍。所以，采用現(xiàn)有技術的截止濾光片制作光學濾波器時必須使用特殊的藍玻璃基板或藍塑料基 板來限制其波長漂移，以滿足波長漂移的使用要求。
權利要求
1.一種受抑波長漂移的截止濾光片，其特征在于它包括基板(I)和鍍在該基板上的截止濾光膜(5)，所述截止濾光膜(5)包括依次排列的第一匹配次膜系(7)、主膜系(6)和第二匹配次膜系(8)，且第一匹配次膜系(7)位于主膜系(6)和基板(I)之間；所述主膜系(6)由高折射率膜層(3)和低折射率膜層(2)交替組成，且主膜系(6)中的每層高折射率膜層(3)的厚度為每層低折射率膜層(2)的厚度的3倍以上；所述第一匹配次膜系(7)由所述低折射率膜層(2)和所述高折射率膜層(3)交替組成；所述第二匹配次膜系(8)由所述高折射率膜層(3)、所述低折射率膜層(2)和中間折射率膜層(4)重復組成，且最近的相同種類的膜層之間由兩層不同種類的膜層分隔。
2.根據(jù)權利要求I所述的受抑波長漂移的截止濾光片，其特征在于它由所述基板I和鍍在該基板上的所述截止濾光膜5組成。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的受抑波長漂移的截止濾光片，其特征在于所述截止濾光膜(5)的總層數(shù)為40 60層。
4.根據(jù)權利要求I或2所述的受抑波長漂移的截止濾光片，其特征在于所述基板(I)的制作材料為透明的光學玻璃或透明的光學塑料。
5.根據(jù)權利要求4所述的受抑波長漂移的截止濾光片，其特征在于所述光學玻璃為K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃或EagleXG玻璃。
6.根據(jù)權利要求4所述的受抑波長漂移的截止濾光片，其特征在于所述光學塑料為聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂。
7.根據(jù)權利要求I或2所述的受抑波長漂移的截止濾光片，其特征在于所述高折射率膜層(3)的折射率大于2. 35。
8.根據(jù)權利要求7所述的受抑波長漂移的截止濾光片，其特征在于所述高折射率膜層(3)的制作材料為TiO2、Nb2O5或ZnS。
9.根據(jù)權利要求I或2所述的受抑波長漂移的截止濾光片，其特征在于所述低折射率膜層(2)的材料為SiO2。
10.根據(jù)權利要求I或2所述的受抑波長漂移的截止濾光片，其特征在于所述中間折射率膜層⑷的材料為Ta2O5或HfO2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種受抑波長漂移的截止濾光片，它包括基板和鍍在該基板上的截止濾光膜，截止濾光膜包括依次排列的第一匹配次膜系、主膜系和第二匹配次膜系，且第一匹配次膜系位于主膜系和基板之間；主膜系由高折射率膜層和低折射率膜層交替組成，主膜系中的每層高折射率膜層的厚度為每層低折射率膜層厚度的3倍以上；第一匹配次膜系由低折射率膜層和高折射率膜層交替組成；第二匹配次膜系由高折射率膜層、低折射率膜層和中間折射率膜層重復組成，且最近的同種類的膜層之間由兩層不同種類的膜層分隔。本發(fā)明可以使用普通光學玻璃基板和光學塑料基板替換現(xiàn)有光學濾波器中的藍玻璃基板或藍塑料基板。
文檔編號G02B5/26GK102798919SQ201210305109
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權日2012年8月24日
發(fā)明者艾曼靈, 金波, 顧培夫, 張梅驕, 陶占輝, 潘帥, 李冰霞, 寇立選 申請人:杭州科汀光學技術有限公司