专利名称：一种光学滤波器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于数码摄像的滤波器领域，特别涉及ー种主要应用于卡片式数码相机、手机摄像头和监控摄像等影像采集系统的低应カ塑料光学滤波器。
背景技术：
用于数码影像技术的图像传感器CCD (Charge-coupled Device,电荷稱合元件)和图像传感器CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体兀件)，是ー种离散像素的光电探测器。根据奈奎斯特定理，一个图像传感器能够分辨的最高空间频率等于它的空间采样频率的一半，这个频率称为奈奎斯特极限频率。用图像传感器CCD和图像传感器CMOS摄像获取目标图像吋，当抽样图像超过系统的奈奎斯特极限频率 时，图像传感器中的高频谐波会和基频造成叠栅效应，产生莫尔条纹，这时图像将产生周期性的频谱交叠，甚至出现彩色条纹，严重影响图像清晰度，因此必须采取措施消除这种空间高频谐波引起的图像干扰，为了消除这种空间高频谐波引起的图像干扰，光学滤波器就这样应运而生。光学滤波器能抑制图像传感器CCD以及图像传感器CMOS光敏面上光学图像的频谱混叠，提高成像质量。现用光学滤波器包括基片以及光学薄膜，光学薄膜为设置在基片ー侧的减反射膜以及设置在基片另ー侧的隔红外-紫外滤光膜，通常采用ー种特殊的蓝玻璃作为基片，这种蓝玻璃基片的特点是透射-截止过渡区中透射率τ = 50%的波长为650 ±10nm，且这个波长不会因目标图像的光线入射角变化而产生任何移动，因而能获得彩色均匀的图像。蓝玻璃基片的两个表面上通常分别镀上减反射膜和隔红外-紫外滤光膜以构成光学滤波器。这种采用蓝玻璃的光学滤波器的优点是1).由于蓝玻璃基片厚度需0. 5_左右才能得到勉強符合要求的透射-截止过渡区陡度，基片比较厚，因而薄膜应カ造成的蓝玻璃基片变形很小；2).由于蓝玻璃基片和光学薄膜都是无机材料，因而蓝玻璃基片和光学薄膜之间具有优良的附着力。但是它的缺点很明显首先是这种蓝玻璃基片迄今只有日本独家能供，由于供不应求，价格昂贵，而且重量重、体积大；其次是这种蓝玻璃的机械、化学性能较差，镀膜后切割成小片时极易破碎、腐蚀，制造成品率低下；更有甚者，由于这种采用蓝玻璃的光学滤波器直接贴在图像传感器CCD或图像传感器CMOS前，因而，这种光学滤波器的厚度容易造成不可忽视的像差。由于蓝塑料同样可获得与蓝玻璃相似的透射-截止过渡区中透射率T = 50%的波长650±10nm，且这个波长不随目标图像的光线入射角变化而产生移动，因而同样能获得彩色均匀的图像效果。将基片从蓝玻璃基片换为蓝塑料基片后，较薄的蓝塑料基片就可以具有足够陡度的透射-截止过渡区，但是整体上存在两个新问题蓝塑料基片做薄后易变形以及蓝塑料基片与光学薄膜之间的附着性需要进ー步提高，若这两个新问题得到妥善解决，则该光学滤波器不仅可以降低价格、减小体积和重量，而且因采用蓝塑料的光学滤波器厚度减薄、像差减小而产生比采用蓝玻璃的光学滤波器更佳的图像效果。
实用新型内容为克服上述问题，本实用新型提供了ー种光学滤波器，采用蓝塑料基片取代蓝玻璃基片，能够降低生产成本、减轻产品重量、减小产品体积以及提高产品的成品率。ー种光学滤波器，包括基片以及设置在所述基片两侧的光学膜，所述基片为蓝塑料基片。作为优选，所述蓝塑料基片的厚度为0. 05mm 0. 2mm，上述厚度的蓝塑料基片具有足够陡度的透射-截止过渡区，且因厚度比蓝玻璃基片薄得多，球差、色差等像差可大大减小，图像质量可显著提高。进ー步优选，所述蓝塑料基片的厚度为0. 08mm 0. 12mm,在降低基片厚度的同时保持具有足够陡度的透射-截止过渡区，进而提高图像质量。更进一歩优选，所述蓝塑料基片的厚度为0. 1_，采用日本JSR生产的型号为FLXL100AA的蓝塑料基片。为了提高基片与基片两侧的光学膜之间的附着性，作为优选，所述基片与光学膜 之间设有Hf02过渡层。基片和光学膜之间的附着力是由基片和光学膜之间的健合力决定的，由于附着出现在两种材料表面，因此它不仅与基片和光学膜各自的表面能Si和S2相关，而且还与两种材料共同的界面能S12相关，附着能可表示为Ead = Si+S2-S12。基于这一原理可知，高表面能的两种材料附着力最大，而低表面能的两种材料附着力最小，因此为确保足够的附着力，在蓝塑料基片も较小的情况下，只能选用S2尽可能大的高温氧化物Η 2作为过渡层来补偿。进ー步，界面能S12随接触界面的两种原子差异增大而增加，对于蓝塑料基片，为了减小S12，提出采用低能离子辅助淀积，这一方面可増加淀积分子的动能，另一方面也可増加基片表面的活化能和微粗糙度，増大表面附着能，为此，作为进ー步优选，所述Hf02过渡层在镀制前和镀制过程中都采用束压为600V 800V和束流为60mA 80mA的离子束进行辅助轰击，提高附着力。Η 2过渡层表面能很高，可最大限度地提高光学膜与蓝塑料基片之间的附着力，但是为了减小Hf02过渡层对滤波器光学特性的影响，所述Hf02过渡层的厚度优选为8nm 20nm。为了改善蓝塑料基片的变形，作为优选，所述光学膜为设置在基片ー侧的隔红外滤光膜以及设置在基片另ー侧的隔红外-紫外滤光膜，隔红外滤光膜在保证可见光区高透射的同时，通过反射截止短波段700 900nm的红外光，隔红外-紫外滤光膜除了要保证可见光区高透射和反射截止长波段900 1200nm的红外光外，还要截止对图像传感器(XD、图像传感器CMOS有害的紫外光。所述隔红外滤光膜由Ti02高折射率膜层和Si02低折射率膜层交替构成，所述隔红外-紫外滤光膜也由Si02低折射率膜层和Ti02高折射率膜层交替构成。由于Ti02和Si02的表面能都足够大，其界面具有足够强的附着力，因而Ti02高折射率膜层和Si02低折射率膜层之间有较强的附着力。通过蓝塑料基片两侧的隔红外滤光膜和隔红外-紫外滤光膜的厚度调节使得蓝塑料基片两个面的应カ处于平衡，从而减小了因光学膜应カ造成的蓝塑料基片变形。但是即使这样，有时应カ仍不能完全抵消，原因是蓝塑料基片两侧的隔红外滤光膜和隔红外-紫外滤光膜是分二次镀制的，由于エ艺条件的差异，应カ并不完全相等，因而需进一歩降低两个膜系的应力，进ー步优选，基片的温度为室温，以降低热应カ；所述Ti02高折射率膜层和Si02低折射率膜层的制备均采用离子辅助，离子辅助的条件束压为600V 800V，束流为60mA 80mA ;所述Ti02高折射率膜层的制备采用Ti305蒸发材料，且在1 X 10_2Pa 3X 10_2Pa氧气氛中以0. 2nm/s 0. 8nm/s的速率蒸发；所述Si02低折射率膜层的制备采用Si02蒸发材料，且在1 X 10_2Pa 3X 10_2Pa氧气氛中以0. 8nm/s 3. 2nm/s的速率蒸发。该条件下制备的Ti02高折射率膜层和Si02低折射率膜层能够降低隔红外滤光膜和隔红外-紫外滤光膜对蓝塑料基片的应力，从而使得蓝塑料基片的变形非常小。 进ー步优选，所述隔红外滤光膜中的Ti02高折射率膜层和Si02低折射率膜层总共为20 28层，所述隔红外滤光膜中的Ti02高折射率膜层(单层)厚度为75nm 95nm，所述隔红外滤光膜中的Si02低折射率膜层(单层)厚度为140nm 155nm。最优选的，所述隔红外滤光膜中的Ti02高折射率膜层和Si02低折射率膜层总共为24层，靠近基片的第一层为Ti02高折射率膜层，第二层为Si02低折射率膜层，依次交替，厚度依次为94. 4nm, 154nm,81. 6nm,145nm,78. 7nm,142. 3nm,77. 7nm,141. 3nm,77. 3nm,140. 9nm,77. lnm,140. 6nm,77. lnm, 140. 7nm,77. 4nm,140. 8nm,77. 7nm,141. 4nm,78.7nm,143.lnm,81.2nm, 148.2nm,83. 4nm, 153. 6nm。_红外滤光膜在保证可见光区高透射的同时，通过反射截止700 900nm波长区的红外光。所述隔红外-紫外滤光膜中的Si02低折射率膜层和Ti02高折射率膜层总共为17 21层，所述隔红外-紫外滤光膜中的Si02低折射率膜层(单层)厚度为90nm 19lnm，所述隔红外-紫外滤光膜中的Ti02高折射率膜层(单层)厚度为98nm 116nm。最优选的，所述隔红外-紫外滤光膜中的Si02低折射率膜层和Ti02高折射率膜层总共为19层，靠近基片的第一层为Si02低折射率膜层，第二层为Ti02高折射率膜层，依次交替，厚度依次为 173. 3nm,105. 4nm,188. lnm,114. 5nm,190. 6nm,115. 5nm,190. 8nm,115. 5nm,189. 8nm,113.9nm,186. Onm,106. 7nm,167. 6nm,98. 3nm,177. 9nm,109. 5nm,180. 8nm,108. 4nm,90. lnm。隔红外-紫外滤光膜除了要保证可见光区高透射和反射截止900 1200nm波长区的红外光外，还要截止对图像传感器(XD、图像传感器CMOS有害的紫外光。在蓝塑料基片两表面上设计厚度几乎相等的隔红外滤光膜和隔红外-紫外滤光膜使得蓝塑料基片两表面上的应カ可以平衡，并且，能够分别滤去不同波长的光，提高图像质量。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是1).现有技术米用蓝玻璃的光学滤波器由于蓝玻璃基片和光学膜的总厚度为0. 5mm左右，虽然由薄膜应カ造成的基片变形较小，但是由于插入了一块较厚的平板会引入不可忽略的像差，降低了图像质量；而本实用新型光学滤波器中蓝塑料基片和光学膜的总厚度约为0. 05mm 0. 2mm,优选方案中蓝塑料基片和光学膜的总厚度约为0. 08mm
0.12mm,已经对成像像差几乎没有影响，而薄膜应カ造成的蓝塑料基片变形同样可控制，对像差也几乎没有影响。2).现有技术采用蓝玻璃的光学滤波器镀膜后切割成小片时极易破碎，这是由于蓝玻璃基片具有脆性、膨胀系数高、应カ大等特性所決定的，而镀膜时为了提高生产效率、减小装夹的困难又必须采用大基片(常用60_X60mm)装载镀膜，镀膜后切割成小片是不可缺少的エ序，这样就不可避免地造成采用蓝玻璃的光学滤波器的制造成品率降低；而本实用新型光学滤波器本身很薄，加上蓝塑料基片的柔性，使切割エ序既简单方便，又提高了成品率。3).现有技术采用蓝玻璃的光学滤波器不仅价格贵，而且重量重、体积大，主要用于图像芯片面积较大的单反相机或微单相机上；而本实用新型光学滤波器成本低、重量轻、体积小，可广泛用于图像芯片面积较小的卡片式相机、手机摄像头和监控监测系统等，特别是目前正在快速增长的智能手机。4).现有技术采用蓝玻璃的光学滤波器虽有附着力高的优点，但本实用新型光学滤波器通过在蓝塑料基片两表面上设计厚度几乎相等的膜系、极薄的过渡层和离子辅助等措施，可以达到与采用蓝玻璃的光学滤波器等同的附着效果和使用寿命。
图1为现有技术中采用蓝玻璃的光学滤波器的结构示意图；图2为本实用新型光学滤波器的结构示意图；图3为现有技术中的采用蓝玻璃的光学滤波器中蓝玻璃基片的透射光谱曲线；图4为本实用新型光学滤波器中蓝塑料基片的透射光谱曲线；图5为本实用新型光学滤波器中隔红外滤光膜的透射光谱曲线；图6为本实用新型光学滤波器中隔红外-紫外滤光膜的透射光谱曲线；图7为现有技术中采用蓝玻璃的光学滤波器的透射光谱曲线；图8为本实用新型光学滤波器的透射光谱曲线。
具体实施方式
图1所示为现有技术中采用蓝玻璃的光学滤波器的结构示意图，包括蓝玻璃基片7、设置在蓝玻璃基片7 —侧的减反射膜8以及设置在蓝玻璃基片7另ー侧的现有隔红外-紫外滤光膜9，蓝玻璃基片7的厚度需0. 5_左右才能得到勉強符合要求的透射-截止过渡区陡度，这虽然引起了像差増大的问题，但好处是使薄膜应カ造成的蓝玻璃基片7变形减小，蓝玻璃基片7的两个表面上通常分别镀上减反射膜8和现有隔红外-紫外滤光膜9，减反射膜8为通常需要3种材料构成的3层膜，现有隔红外-紫外滤光膜9是由不同厚度的Si02低折射率膜层5和Ti02高折射率膜层6交替的40多层的薄膜构成，检测透射光谱曲线吋，实际选择了 43层薄膜构成的隔红外-紫外滤光膜。另外，由于蓝玻璃基片7以及Si02低折射率膜层5和Ti02高折射率膜层6均为无机材料，因而蓝玻璃基片7和膜层之间附着优良，不需要过渡层。如图2所示，为本实用新型光学滤波器，包括蓝塑料基片1、设置在蓝塑料基片1两侦_ Hf02过渡层2以及与Hf02过渡层2紧接的隔红外滤光膜3和隔红外-紫外滤光膜4，隔红外滤光膜3和隔红外-紫外滤光膜4分别位于蓝塑料基片1的两侧。蓝塑料基片1采用厚度为0. 1mm、型号为FLXL100AA的日本JSR生产的产品。Hf02过渡层2表面能很高，以最大限度地提高蓝塑料基片1与隔红外滤光膜3和隔红外-紫外滤光膜4之间的附着力，但是由于Hf02过渡层2的折射率只有2. 02，远比折射率为1. 45的Si02低折射率膜层5高，而比折射率为2. 42的Ti02高折射率膜层6低，为了降低Hf02过渡层2对滤波器光学特性的影响，Hf02过渡层2优选的厚度为10nm，在蓝塑料基片1的两个表面镀制Hf02过渡层前和镀制Hf02过渡层过程中都采用束压为700V和束流为70mA的离子束进行辅助轰击。隔红外滤光膜3由Ti02高折射率膜层6和Si02低折射率膜层5交替构成，隔红外滤光膜3中的Ti02高折射率膜层6和Si02低折射率膜层5总共为24层，靠近蓝塑料基片1的第一层为Ti02高折射率膜层6，第二层为Si02低折射率膜层5，依次交替，各层膜的几何厚度依次如表1所示，表1中膜层序号为1，即为第一层，以此类推。隔红外-紫外滤光膜4由Si02低折射率膜层5和Ti02高折射率膜层6交替构成。隔红外-紫外滤光膜4中的Si02低折射率膜层5和Ti02高折射率膜层6总共为19层，靠近蓝塑料基片1的第一层为Si02低折 射率膜层5，第二层为Ti02高折射率膜层6，依次交替，各层膜的几何厚度依次如表2所示，表2中膜层序号为1，即为第一层，以此类推。表权利要求1.一种光学滤波器，包括基片以及设置在所述基片两侧的光学膜，其特征在于，所述基片为蓝塑料基片，所述蓝塑料基片的厚度为O. 05mnT0. 2mm。
2.根据权利要求I所述的光学滤波器，其特征在于，所述蓝塑料基片的厚度为O.08mnT0. 12mm。
3.根据权利要求I所述的光学滤波器，其特征在于，所述基片与光学膜之间设有HfO2过渡层。
4.根据权利要求3所述的光学滤波器，其特征在于，所述HfO2S渡层的厚度为8nm 20nmo
5.根据权利要求I所述的光学滤波器，其特征在于，所述光学膜为设置在基片一侧的隔红外滤光膜以及设置在基片另一侧的隔红外-紫外滤光膜，所述隔红外滤光膜由TiO2高 折射率膜层和SiO2低折射率膜层交替构成，所述隔红外-紫外滤光膜由SiO2低折射率膜层和TiO2高折射率膜层交替构成。
6.根据权利要求5所述的光学滤波器，其特征在于，所述隔红外滤光膜中的TiO2高折射率膜层和SiO2低折射率膜层总共为2(Γ28层，所述隔红外滤光膜中的TiO2高折射率膜层厚度为75nnT95nm，所述隔红外滤光膜中的SiO2低折射率膜层厚度为140nnTl55nm ； 所述隔红外-紫外滤光膜中的SiO2低折射率膜层和TiO2高折射率膜层总共为17 21层，所述隔红外-紫外滤光膜中的SiO2低折射率膜层厚度为90nnTl91nm，所述隔红外-紫外滤光膜中的TiO2高折射率膜层厚度为98nnTll6nm。
7.根据权利要求6所述的光学滤波器，其特征在于，所述隔红外滤光膜中的TiO2高折射率膜层和SiO2低折射率膜层总共为24层，靠近基片的第一层为TiO2高折射率膜层，第二层为SiO2低折射率膜层，依次交替，厚度依次为94. 4nm, 154nm, 81. 6nm, 145nm, 78. 7nm,.142. 3nm,77. 7nm,141. 3nm,77. 3nm,140. 9nm,77. lnm,140. 6nm,77. lnm,140.7nm,77.4nm,.140. 8nm,77. 7nm,141. 4nm,78. 7nm,143. lnm,81. 2nm,148. 2nm,83. 4nm,153. 6nm ； 所述隔红外-紫外滤光膜中的SiOdS折射率膜层和TiO2高折射率膜层总共为19层，靠近基片的第一层为SiO2低折射率膜层，第二层为TiO2高折射率膜层，依次交替，厚度依次为 173. 3nm,105. 4nm,188. lnm,114. 5nm,190. 6nm,115. 5nm,190. 8nm,115. 5nm,189. 8nm,.113.9nm,186. Onm,106. 7nm,167. 6nm,98. 3nm,177. 9nm,109. 5nm,180. 8nm,108. 4nm,.90. lnm。
专利摘要本实用新型公开了一种光学滤波器，包括基片以及设置在所述基片两侧的光学膜，所述基片为蓝塑料基片，采用蓝塑料基片取代蓝玻璃基片，能够降低生产成本、减轻产品重量、减小产品体积以及提高产品的成品率。在优选的技术方案中，为了提高基片与基片两侧的光学膜之间的附着性，所述基片与光学膜之间设有HfO2过渡层。为了改善蓝塑料基片的变形，所述光学膜为设置在基片一侧的隔红外滤光膜以及设置在基片另一侧的隔红外-紫外滤光膜。本实用新型光学滤波器成本低、重量轻、体积小，可广泛用于图像芯片面积较小的卡片式相机、手机摄像头和监控监测系统等，特别是目前正在快速增长的智能手机。
文档编号G02B5/26GK202758091SQ20122037622
公开日2013年2月27日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者艾曼灵, 金波, 顾培夫, 寇立选, 张兰, 潘帅 申请人:杭州科汀光学技术有限公司