CN108169831A - 940nm窄带滤光片及其递变膜系设计方法 - Google Patents

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CN108169831A CN201810049492.1A CN201810049492A CN108169831A CN 108169831 A CN108169831 A CN 108169831A CN 201810049492 A CN201810049492 A CN 201810049492A CN 108169831 A CN108169831 A CN 108169831A
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Abstract

本发明涉及一种940nm窄带滤光片及其设计方法，包括基板、第一递变膜堆和第二递变膜堆，第一递变膜堆沉积在基板上表面，第二递变膜堆设置于第一递变膜堆上表面，膜系结构为：Sub│(α1Hβ1Lα2Hβ2L…αnHβnL)(i1Hk1Li2Hk2L…inHknL)│Air；第一递变膜堆和第二递变膜堆中高折射率材料膜层光学厚度系数形成的曲线与低折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线分别为正弦曲线中的0～π/2、π/2～π、π～3π/2或3π/2～2π数值区间内的波形，两条曲线递变趋势相反。本发明采用通用折射率膜料、真空蒸镀法、低成本制备出940nm窄带滤光片，该滤光片具有中心波长为940nm的窄带透过光谱，透射带的上升沿和下降沿陡峭，波形矩形度好。

Description

940nm窄带滤光片及其递变膜系设计方法
技术领域
本发明涉及一种940nm窄带滤光片及其递变膜系设计方法，属于光学镀膜技术领域。
背景技术
人脸识别技术是对人的脸部特征信息进行识别，它是一种生物识别技术。用3D视觉***采集含有人脸的图像或视频流，并根据图像自动检测和跟踪人脸，并对人脸进行3D特征定位、提取立体数据，通过比对辨识达到精确识别不同人身份的目的。
3D视觉***的红外光接收模组用于对被拍摄物体反射的红外光进行接收和处理，获取被拍摄物体的空间信息。红外光接收模组主要由三部分组成：近红外图像传感器、窄带滤光片、镜头。窄带滤光片置于3D摄像头的镜头和近红外图像传感器之间，允许近红外光通过的同时过滤环境光。红外光源是3D视觉***中工作的“源头”，是实现深度测量的主要“功臣”之一，3D视觉***的红外光源主要有红外LED和激光器(主要是VCSEL)。如VCSEL发射的是940nm波长的近红外光，因此在3D摄像头接收端需要将940nm以外的环境光“剔除”，让接收端的红外图像传感器只接收到940nm的近红外光。为达到这一目的，就需要用到940nm窄带滤光片。
目前，940nm窄带滤光片采用磁控溅射法沉积α-硅/二氧化硅多层膜制备，但存在磁控溅射镀膜设备昂贵、制作成本高等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决磁控溅射法制备940nm窄带滤光片的步骤复杂且成本高的问题，提供了一种940nm窄带滤光片及其递变膜系设计方法，采用该膜系制备的滤光片能够采用通用折射率膜料为原料，采用真空蒸镀法制备，大大降低了滤光片的生产成本。
本发明采用如下技术方案：一种940nm窄带滤光片，包括基板、第一递变膜堆和第二递变膜堆，所述第一递变膜堆沉积在基板上表面，所述第二递变膜堆设置于第一递变膜堆上表面，膜系结构为：Sub│(α1Hβ1Lα2Hβ2L…αnHβnL)(i1Hk 1Li2Hk 2L…inHk nL)│Air；
其中，Sub代表基板，(α1Hβ1Lα2Hβ2L…αnHβnL)为第一递变膜堆，(i 1Hk 1Li2Hk 2L… inHk nL)为第二递变膜堆，Air代表空气；H表示高折射率材料膜层，L表示低折射率材料膜层；一个高折射率材料膜层和一个相邻与之配对的低折射率材料膜层形成一个高低对偶单元，n为第一递变膜堆、第二递变膜堆中高低对偶单元数量，n取整数；α、i表示各膜堆中高折射率材料膜层的光学厚度系数，即基板垂直方向上膜层光学厚度占λ0/4的倍数，β、k表示各膜堆中低折射率材料膜层的光学厚度系数，即基板垂直方向上膜层光学厚度占λ0/4的倍数，λ0为中心波长。
进一步的，所述第一膜堆中高折射率材料膜层H的光学厚度系数α1 ，α2 ，...，αn 形成的曲线与低折射率材料膜层L的光学厚度系数β 1，β 2，...，β n形成的曲线分别为正弦曲线中的0～π/2、π/2～π、π～3π/2或3π/2～2π数值区间内的波形，且两条曲线递变趋势相反。
进一步的，所述第二膜堆中高折射率材料膜层H的光学厚度系数i1，i2，...，in形成的曲线与低折射率材料膜层L的光学厚度系数k1，k2，...，kn形成的曲线分别为正弦曲线中的0～π/2、π/2～π、π～3π/2或3π/2～2π数值区间内的波形，且两条曲线递变趋势相反。
进一步的，所述高折射率材料膜层H的光学厚度系数α、i的取值范围为，0.2≤α、i≤2.7，所述低折射率材料膜层L的光学厚度系数β、k的取值范围为，0.2≤β、k≤2.7。
进一步的，所述(i1，i2，...，in)＝m(α 1，α 2，...，α n),(k1，k2，...，kn)＝m(β 1，β 2，...，β n),其中1.4≤m≤1.5。
进一步的，所述高折射率材料膜层H的物理厚度为10～300nm，低折射率材料膜层L的物理厚度为10～300nm。
进一步的，所述高折射率材料膜层H的折射率为2.05～3.00，所述低折射率材料膜层L的折射率为1.30～1.65。
进一步的，所述折射率材料膜层含有TiO2、Ta2O5、Nb2O5中的一种或几种，所述低折射率材料膜层含有SiO2、MgF2中的一种或两种混合物。
进一步的，所述基板采用短波吸收基板。
940nm窄带滤光片的递变膜系设计方法：
(1)编辑初始膜系：根据中心波长940nm选择高折射率材料H、低折射率材料L，使用膜堆公式编辑膜系，生成第一递变膜堆初始膜系，其中每一个高低对偶单元的HL对偶差值为一固定常数C，C来源于高折射率材料H的折射率散布的精确计算，具体计算公式为：
C＝(nλ＝300nm-nλ＝900nm)×10-2
(2)膜厚裁剪，在保证HL对偶差值基本不变的前提下，使高折射率材料膜层H的光学厚度系数α 1，α 2，...，α n以及低折射率材料膜层L的光学厚度系数β n，β n-1βn-1，...，β 1形成的曲线分别遵循同一个正弦曲线的四个半弦的波形变化，在正弦曲线中的0～π/2、π/2～π、π～3π/2或3π/2～2π数值区间内的相同递变规律；
(3)将裁剪后的高折射率材料膜层H的光学厚度系数α 1，α 2，...，α n以及低折射率材料膜层L的光学厚度系数β n，β n-1，...，β 1分拆，α 1 β 1、α 2 β 2、...、α n β n一一重新配对，生成第一递变膜堆最终膜系。
(4)第二递变膜堆膜系确定，根据(i1，i2，...，in)＝m(α 1，α 2，...，α n),(k1，k2，...，kn)＝m(β 1，β 2，...，β n)，其中1.4≤m≤1.5，生成第二递变膜堆膜系；
(5)将基板透过率曲线与第一递变膜堆透过率曲线与第二递变膜堆透过率曲线相结合，得到940nm窄带滤光片。
第一膜堆中高折射率材料膜层H的光学厚度系数形成的曲线与低折射率材料膜层L的光学厚度系数形成的曲线为X型；第二膜堆中高折射率材料膜层H的光学厚度系数形成的曲线与低折射率材料膜层L的光学厚度系数形成的曲线为X型。
本发明的有益效果为：本发明制备得到的滤光片具有中心波长为940nm的窄带透过光谱，透射带的上升沿和下降沿陡峭，波形矩形度好，峰值透过率>95％、截止区域内截止深度<0.1％，透过率半值带宽30-35nm，且在大角度入射(0～30°)时，透射峰值和波形矩形度变化不大，且采用本发明的膜系设计方法能够采用通用折射率膜料为原料，采用真空蒸镀法制备，大大降低了滤光片的生产成本。
附图说明
图1为本发明的940nm窄带滤光片的结构示意图；
图2为本发明的940nm窄带滤光片的一种膜系结构图；
图3为本发明中实施例1的透过率与波长的关系图；
图4为本发明中实施例2的透过率与波长的关系图；
图5为本发明中实施例3的透过率与波长的关系图。
附图标记：基板1、第一递变膜堆2、第二递变膜堆3、高折射率材料膜层H 20、低折射率材料膜层L 21、高折射率材料膜层H 30，低折射率材料膜层L 31。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示为940nm窄带滤光片的结构示意图，包括基板、第一递变膜堆和第二递变膜堆，第一递变膜堆沉积在基板上表面，第二递变膜堆设置于第一递变膜堆上表面。
如图2所示，940nm窄带滤光片中在第一膜堆1-20层和第二膜堆22-40层分别形成两个X型。
实施例一：
以镀有厚度为500nm的α-Si的玻璃或COP为基板，在该基板的正面设置由高折射率材料膜层TiO2和低折射率材料膜层SiO2交替层叠而成的反射膜，背面设置由光学厚度为λ0/4的TiO2层和SiO2层构成的防反射膜(AR)。其中，设定入射光的中心波长为940nm，高折射率材料膜层TiO2的折射率为2.354，低折射率膜SiO2的折射率为1.46，反射膜系的光学厚度系数设计为：
第一膜堆：0.142H 1.557L 0.224H 1.378L 0.31H 1.308L 0.465H 1.242L0.481H1.164L 0.558H 1.113L 0.625H 1.034L 0.669H 0.975L 0.759H 0.903L 0.818H0.836L0.903H 0.746L 0.959H 0.72L 1.02H 0.615L 1.093H 0.571L 1.172H 0.507L1.257H0.417L 1.328H 0.273L 1.379H 0.258L 1.599H 0.223L 2.085H 1.72L，其中高折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的3π/2～2π数值区间内的波形，低折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的π～3π/2数值区间内的波形；
第二膜堆：0.204H 2.242L 0.323H 1.984L 0.446H 1.884L 0.671H1.788L0.693H 1.676L 0.804H 1.603L 0.901H 1.489L 0.963H 1.404L 1.093H1.301L1.178H 1.204L 1.301H 1.074L 1.381H 1.037L 1.469H 0.886L 1.574H0.822L1.688H 0.73L 1.688H 0.731L 1.81H 0.601L 1.912H 0.393L 1.986H 0.372L2.303H0.321L，其中高折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的3π/2～2π数值区间内的波形，低折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的π～3π/2数值区间内的波形；
利用膜系设计软件对上述940nm窄带滤光片的光谱特性进行模拟，其模拟结果见图3。
在图3中，纵轴为透射率，横轴为波长。由图3中可知，光谱曲线透射带的上升沿和下降沿陡峭，波形矩形度好，其中峰值透过率99％，截止区域内截止深度<0.1％。
实施例二：
以镀有厚度为500nm的α-Si的玻璃或COP为基板，在该基板的正面设置由高折射率材料膜层TiO2和低折射率材料膜层SiO2交替层叠而成的反射膜，背面设置由光学厚度为λ0/4的TiO2层和SiO2层构成的防反射膜(AR)。其中，设定入射光的中心波长为940nm，高折射率材料膜层TiO2的折射率为2.354，低折射率膜SiO2的折射率为1.46，反射膜系的光学厚度系数设计为：
第一膜堆：0.135H 1.479L 0.213H 1.309L 0.295H 1.243L 0.442H1.180L0.457H 1.106L 0.530H 1.057L 0.594H 0.982L 0.636H 0.926L 0.721H0.858L0.777H 0.794L 0.858H 0.709L 0.911H 0.684L 0.969H 0.584L 1.038H 0.542L1.113H0.482L 1.194H 0.396L 1.262H 0.259L 1.310H 0.245L 1.403H 0.212L3.280H0.905L，其中高折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的3π/2～2π数值区间内的波形，低折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的π～3π/2数值区间内的波形；
第二膜堆：0.202H 2.219L 0.319H 1.964L 0.442H 1.864L 0.663H1.770L0.685H 1.659L 0.795H 1.586L 0.891H 1.473L 0.953H 1.389L 1.082H1.287L1.166H 1.191L 1.287H 1.063L 1.367H 1.026L 1.454H 0.876L 1.558H0.814L1.670H 0.722L 1.791H 0.594L 1.892H 0.389L 1.965H 0.368L 2.105H0.318L4.594H 1.265L，其中高折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的3π/2～2π数值区间内的波形，低折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的π～3π/2数值区间内的波形；
利用膜系设计软件对上述940nm窄带滤光片的光谱特性进行模拟，其模拟结果见图4。
在图4中，纵轴为透射率，横轴为波长。由图4中可知，光谱曲线透射带的上升沿和下降沿陡峭，波形矩形度好，其中峰值透过率97％，截止区域内截止深度<0.1％。
实施例三：
以镀有厚度为500nm的α-Si的玻璃或COP为基板，在该基板的正面设置由高折射率材料膜层TiO2和低折射率材料膜层SiO2交替层叠而成的反射膜，背面设置由光学厚度为λ0/4的TiO2层和SiO2层构成的防反射膜(AR)。其中，设定入射光的中心波长为940nm，高折射率材料膜层TiO2的折射率为2.354，低折射率膜SiO2的折射率为1.46，反射膜系的光学厚度系数设计为：
第一膜堆：0.166H 1.270L 0.340H 1.199L 0.428H 1.156L 0.440H1.085L0.522H 1.035L 0.580H 0.963L 0.650H 0.908L 0.712H 0.842L 0.775H0.772L0.843H 0.701L 0.901H 0.677L 0.957H 0.572L 1.018H 0.537L 1.090H 0.476L1.17H0.426L 1.228H 0.331L 1.256H 0.349L 1.365H 0.302L 1.467H 0.162L 2.085H1.72L，其中高折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的3π/2～2π数值区间内的波形，低折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的π～3π/2数值区间内的波形；
第二膜堆：0.24H 1.842L 0.493H 1.739L 0.621H 1.676L 0.638H 1.573L0.757H1.501L 0.841H 1.397L 0.943H 1.317L 1.032H 1.221L 1.124H 1.119L 1.222H1.016L1.306H 0.982L 1.387H 0.83L 1.476H 0.778L 1.581H 0.69L 1.697H 0.618L1.781H0.48L 1.821H 0.506L 1.979H 0.438L 2.127H 0.235L，其中高折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的3π/2～2π数值区间内的波形，低折射率材料膜层的光学厚度系数形成的曲线为正弦曲线中的π～3π/2数值区间内的波形；
利用膜系设计软件对上述940nm窄带滤光片的光谱特性进行模拟，其模拟结果见图5。
在图5中，纵轴为透射率，横轴为波长。由图5中可知，光谱曲线透射带的上升沿和下降沿陡峭，波形矩形度好，其中峰值透过率98％，截止区域内截止深度<0.1％。

Claims (10)

1.一种940nm窄带滤光片，其特征在于：包括基板、第一递变膜堆和第二递变膜堆，所述第一递变膜堆沉积在基板上表面，所述第二递变膜堆设置于第一递变膜堆上表面，膜系结构为：Sub│(α1Hβ1Lα2Hβ2L…αnHβnL)(i1Hk1Li2Hk2L…inHknL)│Air；
其中，Sub代表基板，(α1Hβ1Lα2Hβ2L…αnHβnL)为第一递变膜堆，(i1Hk1Li2Hk2L…inHknL)为第二递变膜堆，Air代表空气；H表示高折射率材料膜层，L表示低折射率材料膜层；一个高折射率材料膜层和一个相邻与之配对的低折射率材料膜层形成一个高低对偶单元，n为第一递变膜堆、第二递变膜堆中高低对偶单元数量，n取整数；α、i表示各膜堆中高折射率材料膜层的光学厚度系数，即基板垂直方向上膜层光学厚度占λ0/4的倍数，β、k表示各膜堆中低折射率材料膜层的光学厚度系数，即基板垂直方向上膜层光学厚度占λ0/4的倍数，λ0为中心波长。
2.如权利要求1所述的940nm窄带滤光片，其特征在于：所述第一膜堆中高折射率材料膜层H的光学厚度系数α1 ，α2 ，...，αn 形成的曲线与低折射率材料膜层L的光学厚度系数β1 ，β2 ，...，βn 形成的曲线分别为正弦曲线中的0～π/2、π/2～π、π～3π/2或3π/2～2π数值区间内的波形，且两条曲线递变趋势相反。
3.如权利要求1所述的940nm窄带滤光片，其特征在于：所述第二膜堆中高折射率材料膜层H的光学厚度系数i1，i2，...，in形成的曲线与低折射率材料膜层L的光学厚度系数k1，k2，...，kn形成的曲线分别为正弦曲线中的0～π/2、π/2～π、π～3π/2或3π/2～2π数值区间内的波形，且两条曲线递变趋势相反。
4.如权利要求1所述的940nm窄带滤光片，其特征在于：所述高折射率材料膜层H的光学厚度系数α、i的取值范围为，0.2≤α、i≤2.7，所述低折射率材料膜层L的光学厚度系数β、k的取值范围为，0.2≤β、k≤2.7。
5.如权利要求1所述的940nm窄带滤光片，其特征在于：所述(i1，i2，...，in)＝m(α1 ，α2 ，...，αn ),(k1，k2，...，kn)＝m(β1 ，β2 ，...，βn ),其中1.4≤m≤1.5。
6.如权利要求1所述的940nm窄带滤光片，其特征在于：所述高折射率材料膜层H的物理厚度为10～300nm，低折射率材料膜层L的物理厚度为10～300nm。
7.如权利要求1所述的940nm窄带滤光片，其特征在于：所述高折射率材料膜层H的折射率为2.05～3.00，所述低折射率材料膜层L的折射率为1.30～1.65。
8.如权利要求1所述的940nm窄带滤光片，其特征在于：所述折射率材料膜层含有TiO2、Ta2O5、Nb2O5中的一种或几种，所述低折射率材料膜层含有SiO2、MgF2中的一种或两种混合物。
9.如权利要求1所述的940nm窄带滤光片，其特征在于：所述基板采用短波吸收基板。
10.权利要求1所述的940nm窄带滤光片的递变膜系设计方法，其特征在于：
(1)编辑初始膜系：根据中心波长940nm选择高折射率材料H、低折射率材料L，使用膜堆公式编辑膜系，生成第一递变膜堆初始膜系，其中每一个高低对偶单元的HL对偶差值为一固定常数C，C来源于高折射率材料H的折射率散布的精确计算，具体计算公式为：
C＝(nλ＝300nm-nλ＝900nm)×10-2
(2)膜厚裁剪，在保证HL对偶差值基本不变的前提下，使高折射率材料膜层H的光学厚度系数α1 ，α2 ，...，αn 以及低折射率材料膜层L的光学厚度系数βn ，β n-1，...，β 1形成的曲线分别遵循同一个正弦曲线的四个半弦的波形变化，在正弦曲线中的0～π/2、π/2～π、π～3π/2或3π/2～2π数值区间内的相同递变规律；
(3)将裁剪后的高折射率材料膜层H的光学厚度系数α 1，α 2，...，α n以及低折射率材料膜层L的光学厚度系数β n，β n-1，...，β 1分拆，α1β 1、α2β 2、...、αnβ n一一重新配对，生成第一递变膜堆最终膜系。
(4)第二递变膜堆膜系确定，根据(i1，i2，...，in)＝m(α 1，α 2，...，α n),(k1，k2，...，kn)＝m(β 1，β 2，...，β n)，其中1.4≤m≤1.5，生成第二递变膜堆膜系；
(5)将基板透过率曲线与第一递变膜堆透过率曲线与第二递变膜堆透过率曲线相结合，得到940nm窄带滤光片。
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