專利名稱：用于圖像芯片的光學(xué)濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于數(shù)碼攝像圖像芯片的光學(xué)濾波器，屬于光學(xué)器件領(lǐng)域，主要應(yīng)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(shù)：
用于數(shù)碼影像技術(shù)的圖像芯片(XD、CMOS是一種離散像素的光電探測器，根據(jù)奈奎斯特定理，一個圖像芯片能夠分辨的最高空間頻率等于它的空間采樣頻率的一半，這個頻率稱為奈奎斯特極限頻率。用CCD、CM0S攝像獲取目標(biāo)圖像時，當(dāng)抽樣圖像超過系統(tǒng)的奈奎斯特極限頻率時，圖像芯片中的高頻諧波會和基頻造成疊柵效應(yīng)，產(chǎn)生莫爾條紋，影響圖像質(zhì)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(xué)濾波器就這樣應(yīng)運而生。光學(xué)濾波器常被置于圖像芯片前面，以提高成像質(zhì)量。現(xiàn)用光學(xué)濾波器常采用一種特殊的藍(lán)玻璃(型號為QB51)或藍(lán)塑料(型號為FLXLIOOAA)作為基板，這種藍(lán)玻璃或藍(lán)塑料的特點是透射-截止過渡區(qū)中透射率為50%的波長約為650nm，由于這個透射-截止過渡區(qū)是材料吸收產(chǎn)生的，所以這個650nm的波長不會因目標(biāo)圖像的光線入射角的變化而產(chǎn)生任何移動，因而能對以不同入射角進(jìn)入攝像攝影鏡頭的圖像獲得均勻的彩色效果。在這種藍(lán)玻璃或藍(lán)塑料基板的兩個表面上分別鍍上隔紅外濾光膜和隔紫外濾光膜而構(gòu)成光學(xué)濾波器，使可見光高透射，紅外光和紫外光截止。從上可知，透射可見光、截止紅外光和紫外光的功能是由光學(xué)濾波多層膜完成的，而穩(wěn)定透射-截止過渡區(qū)的波長是靠吸收型的藍(lán)玻璃基板或藍(lán)塑料基板實現(xiàn)的。那么，光學(xué)濾波多層膜為什么不能穩(wěn)定透射-截止過渡區(qū)的波長呢？這是因為光學(xué)濾波多層膜是基于光的干涉產(chǎn)生透射-截止過渡區(qū)的，而干涉與光線入射角有關(guān)，或者說光學(xué)多層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(jìn)入圖像芯片的入射角最小，波長最長；鏡頭正前方兩側(cè)邊緣視場的圖像進(jìn)入圖像芯片的入射角最大，波長最短，這樣，同樣顏色的物體因為入射角變化而形成了不同顏色的圖像，這就是現(xiàn)有光學(xué)濾波器必須采用一種特殊的藍(lán)玻璃或藍(lán)塑料作為基板的道理。但是，無論是使用藍(lán)玻璃基板還是藍(lán)塑料基板，都有一些缺陷。對藍(lán)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(lán)玻璃基板較厚，但這會引起球差、色差等像差；(2 )這種藍(lán)玻璃目前只有日本獨家供應(yīng)，由于供不應(yīng)求，價格很貴；(3 )藍(lán)玻璃的某些性能較差，如膨脹系數(shù)大、化學(xué)穩(wěn)定性差、機械應(yīng)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(yīng)用受到一些限制。對藍(lán)塑料基板而言，(I)雖然所用的藍(lán)塑料基板的厚度較薄，但在緩解像差的同時，卻由于藍(lán)塑料的柔性而帶來了薄膜應(yīng)力造成的基板變形的難題；(2)藍(lán)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(lán)塑料基板上去；(3)藍(lán)塑料基板的剛性差，在單反相機等大面積的圖像芯片中的應(yīng)用尚有困難。事實上，一直以來，人們試圖使用其他玻璃或塑料來替換光學(xué)濾波器目前所用的藍(lán)玻璃或藍(lán)塑料基板，但始終無法實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的用于圖像芯片的光學(xué)濾波器，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的部分或全部缺陷。由于現(xiàn)有光學(xué)濾波器所用的藍(lán)玻璃基板或藍(lán)塑料基板存在上述各種問題，由此誘發(fā)思考的問題是能否用普通光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料作為基板，從而取代目前所用的特殊藍(lán)玻璃或藍(lán)塑料基板？這個問題的回答取決于在攝影攝像應(yīng)用中，當(dāng)入射到圖像芯片上的光線入射角為-14° ^14°范圍時，能否設(shè)計出透射-截止過渡波長區(qū)中透射率為50%的波長650nm處的漂移小于要求值3nm的光學(xué)濾波多層膜？基于此，為降低薄膜系統(tǒng)對入射角的敏感性，減少波長漂移，發(fā)明人提出了以下構(gòu)思1.選用盡可能高的電介質(zhì)薄膜折射率，因為根據(jù)折射定律，薄膜折射率越高，折射角越小，角敏感性越?。?.選用金屬薄膜，因為一方面金屬薄膜的行為相當(dāng)于高折射率材料(金 屬薄膜為復(fù)折射率，無法直接與電介質(zhì)薄膜比較折射率，其折射角亦為復(fù)角)；另一方面，光在金屬薄膜中傳播時吸收較大，干涉效應(yīng)減弱(足夠厚度時就不再干涉)，而且由于光在金屬薄膜中傳播時等幅面和等相面互不重合，所以傳播波是非均勻波，這些特性對抑制或減小干涉、降低入射角的敏感性是非常有益的；3.金屬薄膜的吸收較大、反射率高，尤其是常用的金屬薄膜銀(Ag)超過一定厚度時，基本上紫外、可見、紅外區(qū)均因反射、吸收而不透光，這種特性又稱其截止。而濾波器要求可見光區(qū)透射、紅外和紫外光區(qū)截止。為此，本發(fā)明利用高折射率的電介質(zhì)薄膜誘導(dǎo)金屬薄膜在可見光區(qū)的透射率，由此減少金屬薄膜在可見光區(qū)的吸收和反射。因為薄膜的干涉取決于波長，使可見光區(qū)在干涉加強、增加透射的同時，使紅外區(qū)和紫外區(qū)通過干涉減弱、保持金屬薄膜的截止性能是可能的。進(jìn)一步，本發(fā)明將濾波多層膜設(shè)計成電介質(zhì)薄膜和金屬薄膜不斷交替組成的奇數(shù)層多層膜結(jié)構(gòu)，且濾波多層膜兩端的最外層膜均為電介質(zhì)薄膜。由于每層金屬薄膜的兩側(cè)都有電介質(zhì)薄膜誘導(dǎo)，因此，當(dāng)可見光經(jīng)過多次誘導(dǎo)的濾波多層膜后，可大幅減小濾波多層膜對可見光的反射率和吸收率，而對紅外光和紫外光具有優(yōu)良的截止效果。具體地說，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下本發(fā)明用于圖像芯片的光學(xué)濾波器包括基板和鍍在該基板上的濾波多層膜，所述濾波多層膜是由電介質(zhì)薄膜和金屬薄膜交替組成的5層以上的奇數(shù)層膜，且濾波多層膜兩端的最外層膜均為電介質(zhì)薄膜，所述電介質(zhì)薄膜在可見光區(qū)的中心波長的折射率大于2. 3，所述金屬薄膜在可見光區(qū)的中心波長的實部折射率小于0. I、虛部折射率大于3. O。進(jìn)一步地，本發(fā)明用于圖像芯片的光學(xué)濾波器可僅由基板和鍍在該基板上的濾波多層膜組成。其中，濾波多層膜是由電介質(zhì)薄膜和金屬薄膜交替組成的5層以上的奇數(shù)層膜，且濾波多層膜兩端的最外層膜均為電介質(zhì)薄膜，所述電介質(zhì)薄膜在可見光區(qū)的中心波長的折射率大于2. 3，所述金屬薄膜在可見光區(qū)的中心波長的實部折射率小于0. I、虛部折射率大于3. O。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述濾波多層膜為5 13層。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述基板的制作材料為透明的光學(xué)玻璃或透明的光學(xué)塑料。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述光學(xué)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；所述光學(xué)塑料為聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂。進(jìn)一步地,本發(fā)明所述電介質(zhì)薄膜的材料為Ti02、Nb2O5或ZnS。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述金屬薄膜為Ag薄膜。綜上可知，現(xiàn)有技術(shù)的藍(lán)玻璃濾波器和藍(lán)塑料濾波器所用的藍(lán)玻璃基板和藍(lán)塑料基板都有一些難以跨越的瓶頸對藍(lán)玻璃基板來說，為了保證透射-截止過渡區(qū)具有足夠的陡度，藍(lán)玻璃基板的厚度較厚，從而引起不可忽略的像差；這種藍(lán)玻璃不僅價格貴，而且機械、化學(xué)性能差，制造成品率低；由于厚度厚、重量重，在智能手機中的應(yīng)用受到一定限制。對藍(lán)塑料基板來說，由于藍(lán)塑料基板薄，在緩解像差的同時，卻由于塑料的柔性而帶來了薄膜應(yīng)力造成的基板變形的難題；而且，無機的薄膜材料難以附著到有機的藍(lán)塑料基板上去；由于藍(lán)塑料基板的剛性差、厚度薄，在單反相機等大面積的圖像芯片中的應(yīng)用尚有困難。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于基板上的濾波多層膜是由電介質(zhì)薄膜和金屬薄膜交替組成的奇數(shù)層膜，且每層金屬薄膜的兩側(cè)都有電介質(zhì)薄膜誘導(dǎo)，所以透射-截止過渡區(qū)的波長隨入射角的漂移小于3nm。這樣，本發(fā)明可不必采用現(xiàn)有技術(shù)所用的藍(lán)玻璃基板或藍(lán)塑料·基板來穩(wěn)定透射-截止過渡區(qū)的波長，而直接可用普通的光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料取代作為濾波器的基板。而且，本發(fā)明的基板均能夠做得比較薄，通常為0. 1-0. 2mm ;并且，本發(fā)明的濾波多層膜的層數(shù)比現(xiàn)有技術(shù)的全介質(zhì)濾波多層膜要少得多。這就是說，本發(fā)明的濾波多層膜同時具備可見光高透射、紅外光和紫外光截止以及穩(wěn)定透射-截止過渡區(qū)波長這兩種性能，解決了本領(lǐng)域一直以來未能解決的技術(shù)難題，取得了預(yù)料不到的技術(shù)效果。


圖I是現(xiàn)有光學(xué)濾波器的藍(lán)玻璃基板(QB51)的透射光譜曲線圖；圖2是現(xiàn)有光學(xué)濾波器的藍(lán)塑料基板(FLXL100AA)的透射光譜曲線圖；圖3是本發(fā)明光學(xué)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的濾波多層膜所用銀膜的透射和反射光譜曲線圖；圖5是由電介質(zhì)薄膜-金屬薄膜-電介質(zhì)薄膜組成的三層濾波多層膜的透射光譜曲線圖；圖6是本發(fā)明的一種5層結(jié)構(gòu)濾波多層膜的透射光譜曲線圖；圖7是本發(fā)明的一種9層結(jié)構(gòu)濾波多層膜時在光線入射角為0°和14°時的透射光譜曲線圖；圖8是一種38層全介質(zhì)濾波多層膜在光線入射角為0°和14°時的透射光譜曲線圖。
具體實施例方式圖I是現(xiàn)有光學(xué)濾波器的藍(lán)玻璃基板(型號為QB51)的透射光譜曲線圖。如圖I所示，由于藍(lán)玻璃基板的透射-截止過渡區(qū)陡度欠佳，故需把其厚度增加到0. 5mm。然而即便如比，其陡度依然較差(如圖I所示)。圖2是現(xiàn)有光學(xué)濾波器的藍(lán)塑料基板(型號為FLXL100AA)的透射光譜曲線圖。圖2所示的藍(lán)塑料基板雖然厚度只有0. 1mm，但其過渡波長區(qū)的陡度相對于圖I所示的藍(lán)玻璃基板有了明顯的改進(jìn)。然而不足的是，相比于藍(lán)玻璃基板，藍(lán)塑料基板僅提供了透射-截止過渡區(qū)，由于紅外光區(qū)的透射率高，截止紅外光所需的膜層數(shù)會比藍(lán)玻璃基板更多。由此可見，圖I和圖2所示的藍(lán)玻璃基板或藍(lán)塑料基板的共同功能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%的波長約為650nm)。因為這個透射-截止過渡區(qū)是由藍(lán)玻璃基板或藍(lán)塑料基板的特征吸收形成的，所以這個透射率為50%的波長650nm不會因目標(biāo)圖像的光線入射角變化而產(chǎn)生漂移，因而能使以不同入射角進(jìn)入攝影攝像鏡頭的圖像獲得均勻的彩色效果。但是，由于藍(lán)玻璃基板或藍(lán)塑料基板存 在著各種各樣的缺陷，所以本發(fā)明試圖用透明的普通光學(xué)玻璃基板或光學(xué)塑料基板取代現(xiàn)有技術(shù)的特殊藍(lán)玻璃基板或藍(lán)塑料基板，以解決本領(lǐng)域技術(shù)人員一直以來期待解決的技術(shù)難題。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，基板可使用常用的價格低廉且性能優(yōu)良的普通透明光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料。例如，K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、BorofIoat玻璃、Gorilla玻璃或EagleXG玻璃等常用的透明光學(xué)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(xué)、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(chǎn)新工藝——弓I上法、平拉法和浮法——制造的，所以價格很低。而本發(fā)明采用透明的光學(xué)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(yīng)用中，入射到圖像芯片上的光線入射角范圍約為-14° ^14°，本發(fā)明的光學(xué)濾波器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%的波長650nm處的漂移小于3nm的光學(xué)濾波多層膜。如圖3所示，本發(fā)明光學(xué)濾波器主要由基板I以及基板I上的濾波多層膜4構(gòu)成。其中，濾波多層膜4是由高折射率的電介質(zhì)薄膜2和金屬薄膜3交替組成的奇數(shù)層膜，且作為濾波多層膜組成的兩端最外層膜均為電介質(zhì)薄膜，由此，每一層金屬薄膜的兩側(cè)均有電介質(zhì)薄膜作誘導(dǎo)，把可見光區(qū)的透射率盡可能多地誘導(dǎo)出來。電介質(zhì)薄膜在可見光區(qū)的中心波長550nm處的折射率應(yīng)大于2. 3,金屬薄膜在可見光區(qū)的中心波長550nm處的實部折射率小于0. I、虛部折射率大于3.0。當(dāng)不同入射角的入射光入射到本發(fā)明由電介質(zhì)薄膜和金屬薄膜交替構(gòu)成的濾波多層膜4時，不僅能透過可見光、截止紫外光和紅外光，而且能達(dá)到穩(wěn)定的透射-截止過渡區(qū)。本發(fā)明的光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)使得釆用透明的普通光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料作為基板I成為可能。例如，選用常用的K系列冕玻璃、D263T玻璃、B270玻璃、Borofloat玻璃、Gorilla玻璃、EagleXG玻璃等光學(xué)玻璃和常用的聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲脂等光學(xué)塑料。電介質(zhì)薄膜2的材料可使用Ti02、Nb2O5或ZnS等。作為優(yōu)選方案，金屬薄膜3的材料可選用銀(Ag)。以下以一種具有9層膜的濾波多層膜4為例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。具體地說，在基底I上按以下順序鍍上濾波多層膜4 電介質(zhì)薄膜2-Ag薄膜3-電介質(zhì)薄膜2-Ag薄膜3-電介質(zhì)薄膜2-Ag薄膜3-電介質(zhì)薄膜2-Ag薄膜3-電介質(zhì)薄膜2。作為本發(fā)明的一種實施例，濾波多層膜4的9層結(jié)構(gòu)的組成可詳見表I。其中，基板I采用B270玻璃。如圖3所示，入射光從空氣一側(cè)(即圖3的右側(cè))入射到濾波器的濾波多層膜4，透射的可見光從基板I 一側(cè)(即圖3的左側(cè))出射，而反射的紅外和紫外光則返回空氣一側(cè)。表I所例示的濾波多層膜是經(jīng)過商用薄膜設(shè)計軟件TFCal優(yōu)化的，其中Ag膜有4層。表I
權(quán)利要求
1.一種用于圖像芯片的光學(xué)濾波器，其特征在于它包括基板I和鍍在該基板上的濾波多層膜4，所述濾波多層膜是由電介質(zhì)薄膜2和金屬薄膜3交替組成的五層以上的奇數(shù)層膜，且濾波多層膜兩端的最外層膜均為電介質(zhì)薄膜，所述電介質(zhì)薄膜在可見光區(qū)的中心波長的折射率大于2. 3，所述金屬薄膜在可見光區(qū)的中心波長的實部折射率小于0. I、虛部折射率大于3. O。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于圖像芯片的光學(xué)濾波器，其特征在于它由所述基板(I)和鍍在該基板上的所述濾波多層膜(4)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的用于圖像芯片的光學(xué)濾波器，其特征在于所述濾波多層膜為5 13層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的用于圖像芯片的光學(xué)濾波器，其特征在于所述基板(I)的制作材料為透明的光學(xué)玻璃或透明的光學(xué)塑料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于圖像芯片的光學(xué)濾波器，其特征在于所述光學(xué)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；所述光學(xué)塑料為聚碳酸脂或聚甲基丙烯酸甲脂。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的用于圖像芯片的光學(xué)濾波器，其特征在于所述電介質(zhì)薄膜(2)的材料為TiO2、Nb2O5或ZnS。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的用于圖像芯片的光學(xué)濾波器，其特征在于所述金屬薄膜⑶為Ag薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于圖像芯片的光學(xué)濾波器，它包括基板和鍍在該基板上的濾波多層膜，濾波多層膜是由電介質(zhì)薄膜和金屬薄膜交替組成的5層以上的奇數(shù)層膜，且濾波多層膜的兩端均為電介質(zhì)薄膜；電介質(zhì)薄膜在可見光區(qū)中心波長的折射率大于2.3，金屬薄膜在可見光區(qū)中心波長的實部折射率小于0.1、虛部折射率大于3.0?；鍨槠胀ü鈱W(xué)玻璃或光學(xué)塑料。由于這種電介質(zhì)薄膜和金屬薄膜交替組成的濾波多層膜可使光線入射角引起的透射-截止過渡區(qū)的波長漂移減小，因此可以不必使用特殊的藍(lán)玻璃基板或藍(lán)塑料基板來制造圖像芯片的濾波器，而代之以普通的透明光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料。
文檔編號G02B5/28GK102749667SQ201210265348
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月28日
發(fā)明者李冰霞, 艾曼靈, 金波, 陶占輝, 顧培夫 申請人:杭州科汀光學(xué)技術(shù)有限公司