一种低通滤波器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了高像素图像传感器用的一种低通滤波器，包括沿光路方向依次设置的第一石英晶体片、四分之一波片、第二石英晶体片，其中，在所述第一石英晶体片的光线入射侧表面上镀有红外截止膜，在所述第二石英晶体片的光线出射侧表面上镀有受抑波长漂移膜。本实用新型中，红外截止膜将红外波长区的光截止，受抑波长漂移膜具有紫外截止、可见光高透射以及入射角引起的波长漂移小等特点。本实用新型不仅成本低、重量轻、体积小，而且由于受抑波长漂移膜本身就是一个光学多层膜系统，性能稳定可靠，并同时兼有蓝玻璃稳定透射-截止过渡波长的功能、紫外截止功能和减反射膜的功能。
【专利说明】一种低通滤波器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种高像素图像传感器用的低通滤波器，属于光学领域，主要应用于高像素的单反相机、微单相机、智能手机和平板电脑等数码产品。
【背景技术】
[0002]随着数码影像技术的迅速发展，图像传感器CXD或CMOS的像元数不断增加，像元尺寸越来越小，图像分辨率越来越高。目前市场主流图像传感器的像元尺寸为3?10微米，分辨率达到千万级像素。随着像元尺寸的变小，分辨率的提高，对高像素图像传感器用的低通滤波器要求也越来越苛刻。
[0003]高像素图像传感器用的低通滤波器主要功能可描述如下:作为数码影像系统的图像传感器CCD或CMOS是一种Si基的离散像素光电探测器，其光敏感波长区约为400nm到llOOnm。在此波长区中，人眼能看到的主要是波长420?650nm的可见光；而从700?IlOOnm的光人眼是看不见的，称为近红外光。由于CXD和CMOS的光敏感波长区为400?llOOnm，这就是说，图像传感器能同时对可见光和近红外光成像，但这两幅图像人眼看起来是不一样的，如果不把近红外光滤掉，那么可见光图像和近红外光图像就会叠在一起，图像就变模糊了。而我们人眼本来就只能看到可见光图像，没有必要看到传感器感受到的近红外光图像，这就是滤波器要截止近红外光的理由之一；其次，近红外光是一种热光，会致传感器产生热噪声，最终使图像分辨率和对比度变差，这是滤波器要截止近红外光的理由之二。此外，波长小于400nm的紫外光虽然不会使传感器感受出图像，但由于紫外光的光子能量高，长期照射会降低传感器的使用寿命，故滤波器还必须具有截止紫外光的功能。目前截止近红外光和紫外光的办法都是采用光学干涉薄膜，但光学干涉薄膜从原理上讲势必会存在角度效应，即相同颜色的物体由于进入图像传感器的角度不同会产生明显的色差，故滤波器必须用蓝玻璃来稳定透射-截止过渡波长，以消除图像色差。更为甚者，在用影像系统获取目标图像时，图像传感器的高频成分会反射到基频成分中，造成所谓莫尔条纹，这时，图像将产生周期性的频谱交叠混淆，甚至出现伪彩色条纹，严重影响图像清晰度和对比度，这在高像素图像传感器中是绝对不容许的。目前，消除这种莫尔条纹的方法主要是采用双折射晶体。从上可知，高像素图像传感器用的低通滤波器的功能主要有三个方面:截止近红外光和紫外光、稳定透射-截止过渡波长和消除莫尔条纹。在高像素图像传感器中，低通滤波器是一个不可愈越的极其重要的关键器件。
[0004]现用高像素图像传感器的低通滤波器主要采用以下结构:三片石英晶体片加上一块蓝玻璃，再在石英晶体片或蓝玻璃上镀上红外截止膜、紫外截止膜和减反射膜。三片石英晶体片可消除X，y两个方向上的莫尔条纹；蓝玻璃可把滤波器的透射-截止过渡波长(在透射率T=50%处)稳定在650nm附近，由于这个波长不会因目标图像的光线入射角变化而变化，因而能获得彩色均匀的图像。但是这种结构有两个问题:首先是所用的蓝玻璃迄今只有日本独家供应，价格昂贵，而且由于机械性能脆，切割成小片时易破碎，化学稳定性也较差，在空气中易腐蚀；其次是低通滤波器的总厚度较厚，而该低通滤波器需要直接贴在传感器前面，较大的滤波器厚度会造成较大的图像像差，这在高像素图像传感器中是必须避免的。
实用新型内容
[0005]为克服上述问题，本实用新型提供了一种高像素图像传感器用的低通滤波器，该低通滤波器厚度薄，图像质量好，生产成本低，可广泛应用于高像素的单反相机、微单相机、智能手机和平板电脑等数码产品。
[0006]本实用新型的构思是:首先，针对蓝玻璃的缺陷，探索能否借助于薄膜设计实现透射-截止过渡区的波长漂移随入射角的变化减小到满足使用要求的范围以内，从而实现取代蓝玻璃的稳定透射-截止过渡波长的功能。其次，探索能否进一步减小滤波器的总厚度，若受抑波长漂移膜能取代掉蓝玻璃，则蓝玻璃的厚度就没有了，进而，若能再减小石英晶体的片数或厚度，则可进一步减小滤波器的总厚度，最终减小平板滤波器在成像光路中引起的像差。
[0007]为了实现上述目的，本实用新型提出一种新的滤波器结构，用受抑波长漂移薄膜滤光片代替现用蓝玻璃，用一片厚度很薄的四分之一波片取代现用三石英晶体片中位置处于中间的那一石英晶体片，这样，不仅克服了蓝玻璃存在的问题，而且大大减小了滤波器的总厚度。因此，本实用新型的结构不仅可提高图像质量，而且可大大降低生产成本。
[0008]一种低通滤波器，包括沿光路方向依次设置的第一石英晶体片、四分之一波片、第二石英晶体片，其中，在所述第一石英晶体片的光线入射侧表面上镀有红外截止膜，在所述第二石英晶体片的光线出射侧表面上镀有受抑波长漂移膜。
[0009]本实用新型中，红外截止膜将红外波长区的光截止，受抑波长漂移膜具有紫外截止、可见光高透射以及入射角引起的波长漂移小等特点，受抑波长漂移膜兼有紫外截止膜、减反射膜和蓝玻璃所具有的功能。
[0010]作为优选，所述的红外截止膜包括交替分布的高折射率层和低折射率层，所述的高折射率层为Ti3O5层、Nb2O5层或ZnS层，所述的低折射率层为SiO2层。上述材质的高折射率层和低折射率层的组合能够使得红外截止膜具有良好的红外截止功能。
[0011]进一步优选，所述的红外截止膜包括总数为44层，且为交替分布的高折射率层Ti3O5和低折射率层SiO2，其中，从第一石英晶体片开始各层的厚度依次为12.63,35.09、76.55,9.28,29.64,340.5,97.77,133.0,88.22,128.9,87.1,127.4,86.4,127.6,85.39、129.0,84.36,131.5,84.0,133.8,83.17,136.7,84.19,142.5,91.87,162.5,113.8,176.3、104.2,160.3,109.6,180.9,114.0,167.8,103.1,170.8,116.6,180.4,109.0,153.8,18.6、
6.91,70.51,79.14，单位为nm。该红外截止膜，波长420?650nm为高透射带，平均透射率为99.8%，而波长700?IlOOnm为截止带，平均反射率为99.4%。该红外截止膜在可见光波长区具有非常好的透射率，在红外波长区具有非常好的反射率，红外截止功能优异。
[0012]作为优选，所述的受抑波长漂移膜包括从所述第二石英晶体片向外依次设置的第一匹配膜系、主膜系和第二匹配膜系，其中，所述的第一匹配膜系包括交替分布的低折射率层SiO2和高折射率层Ti3O5，所述的主膜系包括交替分布的低折射率层SiO2和高折射率层Ti3O5，所述的第二匹配膜系包括交替分布的高折射率层Ti3O5和低折射率层SiO2以及插在高折射率层Ti3O5和低折射率层SiO2之间的中间折射率层Ta2O5或Hf02。第一匹配膜系与第二石英晶体片相邻，主要用于匹配第二石英晶体片和主膜系之间的光学导纳，主膜系主要决定透射-截止过渡波长650nm附近入射角引起的漂移量，第二匹配膜系与空气相邻，用于匹配主膜系和空气之间的光学导纳，为了达到最佳匹配效果，插入了中间折射率层Ta2O5或Hf02。所述的受抑波长漂移膜中高折射率层选用折射率较高的Ti3O5,受抑波长漂移膜的折射率越高，角度效应越小，从而得到对入射角不敏感的受抑波长漂移膜。
[0013]更进一步优选，所述的第一匹配膜系中低折射率层SiO2的厚度为16?318nm，所述的第一匹配膜系中高折射率层Ti3O5的厚度为15?165nm，第一匹配膜系中的低折射率层SiO2和高折射率层Ti3O5的膜厚离散都很大。所述的主膜系中低折射率层SiO2的厚度为48?93nm，所述的主膜系中高折射率层Ti3O5的厚度为274?295nm，主膜系的低折射率层SiO2和高折射率层Ti3O5的膜厚离散都较小。主膜系中，高折射率层Ti3O5的厚度与低折射率层SiO2的厚度之比远远大于1，使光线主要在高折射率薄膜中传播，使受抑波长漂移膜对入射角不敏感。所述的第二匹配膜系中高折射率层Ti3O5的厚度为29nm?135nm，所述的第二匹配膜系中低折射率层SiO2的厚度为22nm?113nm，所述的第二匹配膜系中中间折射率层Ta2O5或HfO2的厚度为80?85nm。
[0014]再进一步优选，所述的第一匹配膜系包括层数为20层且交替分布的低折射率层SiO2和高折射率层Ti3O5，从所述第二石英晶体片向外各层的厚度依次为175、41、16、165、225、15、46、59、304、46、318、48、306、76、83、22、151、144、29、65，单位为 nm ;所述的主膜系包括层数为23层且交替分布的低折射率层SiO2和高折射率层Ti3O5,从所述第一匹配膜系向外各层的厚度依次为 93、274、57、288、54、290、54、290、54、290、54、290、54、292、53、293、51、295、48、295、48、277、72，单位为nm ;所述的第二匹配膜系包括层数为5层，从所述主膜系向外各层分别为高折射率层Ti3O5、低折射率层SiO2、中间折射率层Ta2O5、高折射率层Ti3O5以及低折射率层SiO2，其厚度依次为29、22、82、135、113，单位为11111。该具体条件下的受抑波长漂移膜具有紫外截止性能优异、可见光高透射以及入射角引起的波长漂移小等特点，因此，该受抑波长漂移膜兼有紫外截止膜、减反射膜和蓝玻璃所具有的功能，因而，可大大降低生产成本低，同时重量轻、体积小，而且由于受抑波长漂移膜本身就是一个光学多层膜系统，性能稳定可靠。
[0015]作为优选，所述的第一石英晶体片的光轴在所述第一石英晶体片的横截面上的投影(垂直于厚度方向的截面)和所述的第二石英晶体片的光轴在所述第二石英晶体片的横截面上的投影互相垂直，这样可保证在两个垂直方向上都可抑制高频谐波引起的莫尔条纹。
[0016]作为优选，所述的第一石英晶体片和第二石英晶体片的厚度相等，使其分成O光与e光的分开距离相等，两个石英晶体片的空间截止频率相等，分开的像点可控制在微米量级(在同一个像素中)，故不会对低频成像信号产生太大的影响，但却避免了高频的莫尔条纹。
[0017]作为优选，所述第一石英晶体片和第二石英晶体片的厚度均为0.85mm,四分之一波片采用塑料玻片，厚度为0.1_，采用上述厚度的第一石英晶体片和第二石英晶体片，空间频率小于截止频率1001p/mm的基频信号基本上能传递透过低通滤波器，对成像信号的影响不太大，但空间频率大于截止频率1001p/mm的高频信号却受到较大抑制，因此,可以抑制高频信号的莫尔干涉条纹。本实用新型的低通滤波器只需要二片石英晶体片和一片塑料四分之一波片，整个低通滤波器的总厚度约为1.80_，成像像差可显著减小，重量可明显减轻。
[0018]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0019]一、对像元尺寸为5微米的图像传感器，由于现有技术的低通滤波器需要采用三片石英晶体片以及蓝玻璃，每片石英晶体片的厚度为0.85mm,加上蓝玻璃厚度为0.5mm,而红外截止膜、紫外截止膜和减反射膜的厚度都是微米级的，相比石英晶体片和蓝玻璃的厚度可以忽略不计，故整个低通滤波器的总厚度约为3.05mm ;而本实用新型的低通滤波器只需要二片石英晶体片和一片塑料四分之一波片，整个低通滤波器的总厚度约为1.80_，成像像差可显著减小，重量可明显减轻。
[0020]二、现有技术的蓝玻璃不仅价格贵、重量重、体积大，而且机械、化学性能差，这是因为这种蓝玻璃是由离子着色原理制成的，所以其机械性能脆、热膨胀系数高、应力大、耐潮气和酸碱腐蚀性能差，这会导致滤波器的制造成品率大大降低，生产成本大大提高；而本实用新型的低通滤波器采用受抑波长漂移膜代替蓝玻璃，不仅成本低、重量轻、体积小，而且由于受抑波长漂移膜本身就是一个光学多层膜系统，性能稳定可靠，并同时兼有蓝玻璃稳定透射-截止过渡波长的功能、紫外截止功能和减反射膜的功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是现有技术的蓝玻璃低通滤波器和本实用新型的低通滤波器结构示意图，其中，Ca)为现有技术的蓝玻璃低通滤波器的结构示意图，(b)为本实用新型的低通滤波器的结构示意图；
[0022]图2是本实用新型的低通滤波器工作原理说明示意图；
[0023]图3是本实用新型的第一石英晶体片1、四分之一波片2和第二石英晶体片3的光轴位置的示意图，其中，(a)为第一石英晶体片I的光轴位置，(b)为四分之一波片2的光轴位置，(c)为第二石英晶体片3的光轴位置；
[0024]图4是本实用新型的低通滤波器的MTF曲线；
[0025]图5是本实用新型的红外截止膜分光透射特性曲线；
[0026]图6是本实用新型的受抑波长漂移膜每层膜的膜厚和折射率的对应关系图；
[0027]图7是本实用新型的受抑波长漂移膜在0°和30°入射角时的分光透射特性曲线。
【具体实施方式】
[0028]图1是现有技术的蓝玻璃低通滤波器和本实用新型的低通滤波器结构比较，其中，(a)为现有技术的蓝玻璃低通滤波器，(b)为本实用新型的低通滤波器。在高像素图像传感器中，至少需要使用2片以上的石英晶体片。图1(a)和(b)是指获得同样滤波效果的情况下进行结构比较。在图1 (a)中，7是厚度约为0.5mm的蓝玻璃，并在光线入射侧表面上镀有红外截止膜和紫外截止膜11,而8、9、10都是石英晶体片,对5微米的像元尺寸,其厚度为0.85mm，然后在石英晶体片10的光线出射侧表面上镀有减反射膜12，现有技术的蓝玻璃低通滤波器总厚度为3.05_。在图1(b)中，为本实用新型的低通滤波器，包括沿光路方向依次设置的第一石英晶体片1、四分之一波片2、第二石英晶体片3，其中，在第一石英晶体片I的光线入射侧表面上镀有红外截止膜5，在第二石英晶体片3的光线出射侧表面上镀有受抑波长漂移膜6。第一石英晶体片I和第二石英晶体片3的厚度均为0.85mm,四分之一波片2采用塑料玻片，厚度为0.1mm,本实用新型的低通滤波器的总厚度为1.80_。
[0029]图2是本实用新型的低通滤波器工作原理说明。低通滤波器的工作原理是利用光的双折射原理，当光线垂直入射到双折射晶体上时，若入射光与光轴的夹角为Θ (此角常称方位角)，n。和分别为晶体中寻常光(O光)和非常光(e光)的折射率，T为晶体的厚度，则ο光与e光分开的距离d为
[0030]
【权利要求】
1.一种低通滤波器，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的第一石英晶体片、四分之一波片、第二石英晶体片，其中，在所述第一石英晶体片的光线入射侧表面上镀有红外截止膜，在所述第二石英晶体片的光线出射侧表面上镀有受抑波长漂移膜。
2.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，所述的红外截止膜包括交替分布的高折射率层和低折射率层，所述的高折射率层为Ti3O5层、Nb2O5层或ZnS层，所述的低折射率层为SiO2层。
3.根据权利要求1或2所述的低通滤波器，其特征在于，所述的红外截止膜包括总数为44层，且为交替分布的高折射率层Ti3O5和低折射率层SiO2，其中，从第一石英晶体片开始各层的厚度依次为 12.63,35.09,76.55,9.28,29.64,340.5,97.77,133.0,88.22,128.9、87.1,127.4,86.4,127.6,85.39,129.0,84.36,131.5,84.0,133.8,83.17,136.7,84.19、142.5,91.87,162.5,113.8,176.3,104.2,160.3,109.6,180.9,114.0,167.8,103.1、170.8,116.6,180.4,109.0,153.8,18.6,6.91,70.51,79.14，单位为 nm。
4.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，所述的受抑波长漂移膜包括从所述第二石英晶体片向外依次设置的第一匹配膜系、主膜系和第二匹配膜系，其中，所述的第一匹配膜系包括交替分布的低折射率层SiO2和高折射率层Ti3O5，所述的主膜系包括交替分布的低折射率层SiO2和高折射率层Ti3O5，所述的第二匹配膜系包括交替分布的高折射率层Ti3O5和低折射率层SiO2以及插在高折射率层Ti3O5和低折射率层SiO2之间的中间折射率层Ta2O5或HfO2。
5.根据权利要求4所述的低通滤波器，其特征在于，所述的第一匹配膜系中低折射率层SiO2的厚度为16~318nm，所述的第一匹配膜系中高折射率层Ti3O5的厚度为15~165nm ； 所述的主膜系中低折射率层SiO2的厚度为48~93nm，所述的主膜系中高折射率层Ti3O5的厚度为274~295nm ； 所述的第二匹配膜系中高折射率层Ti3O5的厚度为29nm~135nm，所述的第二匹配膜系中低折射率层SiO2的厚度为22nm~113nm，所述的第二匹配膜系中中间折射率层Ta2O5或HfO2的厚度为80~85nm。
6.根据权利要求4所述的低通滤波器，其特征在于，所述的第一匹配膜系包括层数为20层且交替分布的低折射率层SiO2和高折射率层Ti3O5，从所述第二石英晶体片向外各层的厚度依次为 175、41、16、165、225、15、46、59、304、46、318、48、306、76、83、22、151、144、29、65，单位为nm ； 所述的主膜系包括层数为23层且交替分布的低折射率层SiO2和高折射率层Ti3O5,从所述第一匹配膜系向外各层的厚度依次为93、274、57、288、54、290、54、290、54、290、54、290、54、292、53、293、51、295、48、295、48、277、72，单位为 nm ； 所述的第二匹配膜系包括层数为5层，从所述主膜系向外各层分别为高折射率层Ti3O5、低折射率层SiO2、中间折射率层Ta2O5、高折射率层Ti3O5以及低折射率层SiO2，其厚度依次为 29、22、82、135、113，单位为 nm。
7.根据权利要求1所述的低 通滤波器，其特征在于，所述的第一石英晶体片的光轴在所述第一石英晶体片的横截面上的投影和所述的第二石英晶体片的光轴在所述第二石英晶体片的横截面上的投影互相垂直。
8.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，所述的第一石英晶体片和第二石英晶体片的厚度相等。
9.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，所述的第一石英晶体片和第二石英晶体片 的厚度均为0.85mm,四分之一波片采用塑料玻片，厚度为0.1mm。
【文档编号】G02B5/30GK203535253SQ201320624895
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2013年10月10日
【发明者】顾培夫, 艾曼灵, 金波, 张梅骄 申请人:杭州科汀光学技术有限公司