CN109932774B - 一种红外窄带滤光膜及红外识别*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种红外窄带滤光膜及红外识别***。该红外窄带滤光膜包括：基材层；可见光截止膜系，用于吸收或者反射380nm～780nm范围内的可见光；红外窗口膜系，在700～1400nm范围具有一个或多个窄带透光窗口，窄带透光窗口在大于等于50％的透过率时的峰宽在5～50nm范围内；可见光截止膜系、红外窗口膜系相对设置在基材层的两个表面上或者叠置在基材层的一个表面上。同时设置有可见光截止膜系和红外窗口膜系，实现了在对可见光有效截止的基础上，使得红外线窄带透过，避免了可见光的干扰，且利用红外光实现较高的区分度，改善视觉层次效果，可以大幅提高生物体识别的准确性，提高最终红外图像摄像头图像采集的精确度。

Description

一种红外窄带滤光膜及红外识别***

技术领域

本发明涉及光学膜领域，具体而言，涉及一种红外窄带滤光膜及红外识别***。

背景技术

面部识别又称人脸识别、面像识别、面容识别等等，面部识别使用通用的摄像机作为识别信息获取装置。以非接触的方式获取识别对象的面部图像，计算机***在获取图像后与数据库图像进行比对后完成识别过程。面部识别是基于生物特征的识别方式，与指纹识别等传统的识别方式相比，具有实时、准确、高精度、易于使用、稳定性高、难仿冒、性价比高和非侵扰等特性，较容易被用户接受。人脸识别技术中被广泛采用的区域特征分析算法，它融合了计算机图像处理技术与生物统计学原理于一体，利用计算机图像处理技术从视频中提取人像特征点，利用生物统计学的原理进行分析建立数学模型,即人脸特征模板。利用已建成的人脸特征模板与被测者的面像进行特征分析，根据分析的结果来给出一个相似值；通过这个值即可确定是否为同一人。

最新iPhone采用的FaceID是基于三维成像的图像识别技术，它是需要特定的主动光照射***以及摄像头，并且生成一个头像三维建模，以后每一次的识别都是与之匹配。FaceID采用面结构光模式，主要是为了适应人类脸部五官复杂性以及安全性需要，运用特定的光照仪器将投射图案进行编码，以此加速确认物体表面点与其图像像素点之间的对应关系。主要用红外图像摄像头采集投射的编码完成脸部解码，生成一张带有三维深度信息的图像，并且与已经录入的人脸深度信息进行对比，达到一定准确率就完成面部识别成功解锁。

然而，当用户采用伪装如假发、胡须贴装、面具等工具时，FaceID以及Kinect等产品就无法完成面部识别。因此就需要提高红外图像摄像头图像采集的精确度，以提高面部识别的准确性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种红外窄带滤光膜及红外识别***，以解决现有技术中红外图像摄像头图像采集的精确度低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种红外窄带滤光膜，包括：基材层；可见光截止膜系，用于吸收或者反射380nm～780nm范围内的可见光；红外窗口膜系，在700～1400nm范围具有一个或多个窄带透光窗口，窄带透光窗口在大于等于50％的透过率时的峰宽在5～50nm范围内；可见光截止膜系、红外窗口膜系相对设置在基材层的两个表面上或者叠置在基材层的一个表面上。

进一步地，上述可见光截止膜系设置在基材层的一个或两个相对的表面上，红外窗口膜系层叠在可见光截止膜系的表面上；或可见光截止膜系、红外窗口膜系相对设置在基材层的表面上；或红外窗口膜系设置在基材层的一个或两个相对的表面上，可见光截止膜系层叠在红外窗口膜系的表面上。

进一步地，上述可见光截止膜系包括一个或多个吸收单元，吸收单元设置在基材层的一个或两个相对的表面上，各吸收单元包括高折射率材料层和与之接触设置的匹配材料层，高折射率材料层的折射率为3～5.5，高折射率材料层与匹配材料层在接触界面形成结构水层。

进一步地，上述高折射率材料层为α-氢化非晶硅层，匹配材料层为氧化物层，氧化物层为金属氧化物层或非金属氧化物层，α-氢化非晶硅层对波长范围380～780nm的折射率变化小于等于0.8；优选的，匹配材料层的折射率为1.0～2.7。

进一步地，上述α-氢化非晶硅层的表面硅氢键和氧化物层结合形成结构水层，优选可见光截止膜系中共形成1～10层结构水层。

进一步地，上述各结构水层的物理厚度为0.1～2nm。

进一步地，上述α-氢化非晶硅层中的氢原子的摩尔百分含量为5～25％，优选氧化物层选自SiO₂层、Ti₃O₅层、Al₂O₃层、SiO层、TiO₂层、Ti₂O₃层、Ta₂O₅层、HfO₂层、MgO层、ZrO₂层、CeO₂层、CaO层、Y₂O₃层、ZnO层、Nb₂O₅层中的任意一种或多种形成的复合层。

进一步地，上述高折射率材料层的物理厚度为1～1000nm，优选为1～500nm，更优选为1～200nm；匹配材料层的物理厚度为1～1000nm，优选为1～500nm，更优选为1～200nm。

进一步地，上述基材层为硅层、玻璃层、PET层、COP层、COC层、CPI层、PMMA层、PEN层、PC层或TAC层，优选可见光截止膜系的物理厚度小于500μm；优选小于400μm；更优选小于300μm；再优选小于200μm；进一步优选小于100μm；再进一步优选小于50μm；或者优选可见光截止膜系的物理厚度在50～250μm之间。

进一步地，上述红外窗口膜系包括多个折射率对偶单元，各折射率对偶单元包括一个高折层和与之相配的低折层，折射率对偶单元形成膜系结构为│(α₁Hβ₁Lα₂Hβ₂L...α_nHβ_nL)│的膜堆，其中，H表示高折层，L表示低折层，n为正整数，且2＜n≤60，同一个膜堆中的高折层、低折层的光学厚度系数α₁，α₂，...，α_n以及β₁，β₂，...，β_n各自独立地满足同一个余弦波形或正弦波形上的同一递变规律，同一个红外窗口膜系各膜堆的递变规律相同；对于第i个折射率对偶单元α_iHβ_iL，1≤i≤n,α_i表示第i个高折层沿与基材层垂直的方向上的光学厚度系数，β_i表示第i个低折层沿与基材层垂直的方向上的光学厚度系数。

进一步地，同一个膜堆中，对于第i个折射率对偶单元α_iHβ_iL，高折层的光学厚度为α_i*λ/4，低折层的光学厚度为β_i*λ/4，高折层的折射率为N_H，高折层的物理厚度为D_H，则存在N_H*D_H＝α_i*λ/4；低折层的折射率为N_L，低折层的物理厚度为D_L，则存在N_L*D_L＝β_i*λ/4；其中，α₁，α₂，...，α_n以及β₁，β₂，...，β_n各自独立地满足选自范围在0～2π的同一个正弦波形或余弦波形的左上半弦、左下半弦、右上半弦和右下半弦上的同一递变规律。

进一步地，上述红外窗口膜系以455nm为监控波长时，α_i，β_i的取值范围在：0.01≤α_i≤3.2，0.01≤β_i≤3.2，优选地，0.05≤α_i≤2.8，0.05≤β_i≤2.8；优选地，0.1≤α_i≤2.8，0.1≤β_i≤2.8；更为优选地，0.2≤α_i≤2.7，0.2≤β_i≤2.7。

进一步地，上述膜堆的折射率对偶单元的数量占红外窗口膜系的折射率对偶单元的总数量的60～99％。

进一步地，上述高折层的物理厚度为1～400nm，优选为10～150nm，优选低折层的物理厚度为1～400nm，优选为10～150nm。

进一步地，上述高折层的折射率为1.5～5.0，优选为1.65～3.0，低折层的折射率为1.1～1.5，优选为1.25～1.48。

进一步地，形成上述高折层和低折层的折射率材料各自独立地选自MgF₂、CaF₂、过渡金属氟化物、ZnO、TiO₂、TiN、In₂O₃、SnO₃、Cr₂O₃、ZrO₂、Ta₂O₅、LaB₆、NbO、Nb₂O₃、Nb₂O₅、SiO₂、SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、含氟树脂、含有中空二氧化硅的树脂中的任意一种或多种。

进一步地，上述高折层和低折层的总层数为10～150层，优选为12～60。

根据本发明的另一方面，提供了一种红外识别***，包括一个或多个光源、红外图像接收器、和设置在红外图像接收器表面的滤光膜，该滤光膜为上述任一种的的红外窄带滤光膜，光源为在700～1400nm范围内、中心波长处于红外窄带滤光膜的红外窗口膜系的透光波段内的红外或近红外光源。

应用本发明的技术方案，由于本申请的红外窄带滤光膜同时包含有可见光截止膜系和红外窗口膜系，实现了在对可见光有效截止的基础上，使得红外线窄带透过，避免了可见光的干扰，并且利用红外光实现较高的区分度，改善视觉层次效果，可以提高生物体识别的准确性，进而提高最终红外图像摄像头图像采集的精确度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一种实施例示出的红外窄带滤光膜的结构示意图；

图2示出了根据本发明的另一种实施例示出的红外窄带滤光膜的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例1的红外窄带滤光膜的光谱测试图；

图4示出了根据本发明实施例2的红外窄带滤光膜的光谱测试图；以及

图5示出了根据本发明对比例1的红外窄带滤光膜的光谱测试图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、基材层；2、可见光截止膜系；3、红外窗口膜系；

20、吸收单元；21、高折射率材料层；22、匹配材料层；23、结构水层；

31、高折层；32、低折层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如本申请背景技术所分析的，现有技术红外图像摄像头图像采集的精确度不足，申请人经过研究发现，上述不足很大程度上是由于红外图像摄像头的滤光片对于可见光的截止率不足导致干扰，另一方面由于透射的红外光带宽太宽，导致红外光实现的区分度低，视觉效果差，导致最终红外图像摄像头图像采集的精确度，为了解决该问题，本申请提供了一种红外窄带滤光膜及其应用。

在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种红外窄带滤光膜，如图1所示，该红外窄带滤光膜包括基材层1、可见光截止膜系2和红外窗口膜系3，可见光截止膜系2用于吸收或者反射380nm～780nm范围内的可见光；红外窗口膜系3，在700～1400nm范围具有一个或多个窄带透光窗口，窄带透光窗口在大于等于50％的透过率时的峰宽在5～50nm范围内，可见光截止膜系、红外窗口膜系相对设置在基材层1的两个表面上或者叠置在基材层1的一个表面上。

由于本申请的红外窄带滤光膜同时包含有可见光截止膜系和红外窗口膜系，实现了在对可见光有效截止的基础上，使得红外线窄带透过，避免了可见光的干扰，并且利用红外光实现较高的区分度，改善视觉层次效果，可以提高生物体识别的准确性，进而提高最终红外图像摄像头图像采集的精确度。

可见光截止膜系2、红外窗口膜系3相对于基材层1的设置方式有多种，比如可见光截止膜系2设置在基材层1的一个或两个相对的表面上，红外窗口膜系3层叠在可见光截止膜系2的表面上；或可见光截止膜系2、红外窗口膜系3相对设置在基材层1的表面上；或红外窗口膜系3设置在基材层1的一个或两个相对的表面上，可见光截止膜系2层叠在红外窗口膜系3的表面上。优选地，为了提高可见光截止膜系与红外窗口膜系的配合关系，优选上述可见光截止膜系设置在基材层1的一个或两个相对的表面上，红外窗口膜系3层叠在可见光截止膜系的表面上。

在本申请一种实施例中，上述可见光截止膜系2包括一个或多个吸收单元20，吸收单元20设置在基材层1的一个或两个相对的表面上，各吸收单元20包括高折射率材料层21和与之接触设置的匹配材料层22，高折射率材料层的折射率为3～5.5，高折射率材料层21与匹配材料层22在接触界面形成结构水层23。

由于高折射率材料层21的折射率为3～5.5，对紫外光和可见光具有很好的吸收性；且将其和匹配材料层22进行配合并在二者的接触界面形成结构水层23，结构水层23的折射率与水相似约为1.3，因此能够和高折射率材料层对可见光形成薄膜干涉，而且根据高折射率材料层的性质可以对可见光具有良好的吸收特性，进而对紫外光和可见光形成理想的截止效果，并且使得红外光的理想透过性，能够满足多种红外光透射设备的需要，并实现良好的视觉效果，由于在匹配材料层和高折射率材料层能结合形成结构水层，从而在一种结合材料(非复合材料)中实现高低中三种不同的折射率特性，在光学、影像和军事方面具有广阔的应用前景。

优选地，上述高折射率材料层21为α-氢化非晶硅层，匹配材料层22为氧化物层，氧化物层为金属氧化物层或非金属氧化物层，α-氢化非晶硅层对波长范围380～780nm的折射率变化小于等于0.8；优选的，匹配材料层22的折射率为1.0～2.7。

α-氢化非晶硅层对紫外光和可见光具有突出的吸收效果，而对红外光具有理想的透过效果，同时通过控制α-氢化非晶硅层对波长范围380～780nm的折射率变化小于等于0.8，使得α-氢化非晶硅层对可见光的吸收效果更为稳定；进一步地，由于形成的结构水层的折射率和金属或非金属氧化物层的折射率相差较小，因此使得α-氢化非晶硅层和金属或非金属氧化物层之间形成的高低折射结构之间的薄膜干涉得到更为稳定的发挥，进而实现了对可见光更为稳定的截止。经过测试，本申请的可见光截止膜对380～780nm波长范围可见光透射率的平均值小于20％，且在800～1400nm波长范围的红外光透射率的平均值大于等于80％，即基本实现对可见光的全反射截止和吸收，进而实现了红外光的理想透过性。

本发明人经长期研究认为，可能的机理在于：α-氢化非晶硅层是在通过溅射、蒸发镀膜或者PECVD成膜后，在氢化非晶硅层表面出现微结构中的微孔，微孔内具有悬键；当氢化非晶硅的悬键要求比较低，悬键密度控制在10¹⁸cm^-3以下时，Si-H键的组态以SiH为主，当将氢化非晶硅层和氧化物层接触设置时，氢化的微孔与后续工艺形成氧化物层中的氧原子成键或吸附，稳定了微孔的结构，使其在紫外和可见光区域具有更稳定的吸收性能。

优选上述α-氢化非晶硅层的表面硅氢键和氧化物层结合形成结构水层23(即

结构层，其中的M为氧化物层的正价元素)。α-氢化非晶硅层的表面具有一定粗糙度，表面具有很多微孔，微孔内存在较多的硅氢键，导致表面的氢原子比较活泼，容易从膜层中逸出，进而导致氢含量不同、厚度不同的α-氢化非晶硅层对可见光的吸收效果会有所不同，为了避免氢原子逸出导致的上述可见光吸收效果的变化，在α-氢化非晶规膜的表面设置氧化物层之后，氧化物层中的氧原子能够俘获氢化非晶硅层表面的氢原子，从而使氢原子稳定并形成结合水“H₂O”结构，避免了由于氢原子逸出导致的上述问题。

为了进一步提高本申请的可见光截止膜对可见光的截止效果，优选上述可见光截止膜系2中共形成1～10层结构水层23。通过设置多层结构水层23，各结构水层23的作用相互叠加，因此进一步增强了可见光的吸收效果，以达到90％以上的截止率。

为了保证各结构水层

作用的充分发挥，优选上述各结构水层23的物理厚度为0.1～2nm。

另外，α-氢化非晶硅层的折射率与膜层表面中的微孔、Si和H的含量密切相关，为了尽可能提高α-氢化非晶硅层的光学导纳，优选上述α-氢化非晶硅层中的氢原子的摩尔百分含量为5～25％。形成上述匹配材料层22的折射率材料可以从现有技术中进行选择，优选上述氧化物层选自SiO₂层、Ti₃O₅层、Al₂O₃层、SiO层、TiO₂层、Ti₂O₃层、Ta₂O₅层、HfO₂层、MgO层、ZrO₂层、CeO₂层、CaO层、Y₂O₃层、ZnO层、Nb₂O₅层中的任意一种或多种形成的复合层。根据红外吸收测试和拉曼测试证实，α-氢化非晶硅层中的氢原子具有不同的成键特性，更容易与氧原子成键，成键的特性可以通过沉积方式、沉积条件进行有效控制。通过红外吸收测试和拉曼测试，发明人惊奇的发现，本发明得到的α-氢化非晶硅层H的成键模式主要是SiH、SiH₂、(SiH₂)_n链状聚合物，而SiH₃基本上不出现。根据核磁共振技术测试，发明人发现：α-氢化非晶硅层的表面微孔内具有相当数量的H或H₂，这些H或H₂不具有可移动性，被限制在小尺寸微孔的内部，并与氧化物层中的氧原子成键或者不成键吸引，稳定了α-氢化非晶硅层和氧化物层结合的结构。无氧化物层保护和封装的α-氢化非晶硅层不耐水解，当接触水后，α-氢化非晶硅层崩解，而α-氢化非晶硅层和氧化物层耐水耐油，可以顺利的通过高温高湿实验(85％湿度在恒温85℃下完成1000小时，品质和特性不发生改变)。

在满足对可见光较好吸收效果的基础上，为了进一步节约成本，控制可见光截止膜的厚度，优选上述高折射率材料层21的物理厚度为1～1000nm，优选为1～500nm，更优选为1～200nm，α-氢化非晶硅层的厚度越小，其中的微孔越难产生，其折射率越大。匹配材料层22的物理厚度为1～1000nm，优选为1～500nm，更优选为1～200nm。

用于本申请的基材层1的材料可以从现有技术中制作可见光截止膜的基材中常用材料中进行选择，优选上述基材层1为硅层、玻璃层、PET层、COP层、COC层、CPI层、PMMA层、PEN层、PC层或TAC层，优选可见光截止膜系2的物理厚度小于500μm；优选小于400μm；更优选小于300μm；再优选小于200μm；进一步优选小于100μm；再进一步优选小于50μm；或者优选可见光截止膜系2的物理厚度在50～250μm之间。

此外，本申请还提供了上述可见光截止膜系的制备方法，该制备方法包括：步骤S1，在基材层1设置高折射率材料层21；步骤S2，在高折射率材料层21上设置匹配材料层22；以及可选的重复一次或多次步骤S3，在匹配材料层22上设置高折射率材料层21，在高折射率材料层21上设置匹配材料层22。

优选上述高折射率材料层21为α-氢化非晶硅层，匹配材料层22为氧化物层，氧化物层为金属氧化物层或非金属氧化物层，本申请的α-氢化非晶硅层和氧化物层均可采用现有技术中常用的方法来制作。为了使二者接触能够形成稳定的

结构，优选地，采用化学气相沉积法(CVD)、电子束物理气相沉积法(EBPVD)、激光化学气相沉积(LCVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或真空磁控溅射法设置α-氢化非晶硅层和氧化物层。采用上述方法形成的α-氢化非晶硅层和氧化物层的膜层均一度较好且接触面具有较好的活性，进而能够形成较为稳定的

结构。

在本申请一种优选的实施例中，采用真空磁控溅射法设置α-氢化非晶硅层的过程包括：以硅作为靶材，在通入氩气和氢气的真空室内形成α-氢化非晶硅层；采用真空磁控溅射法设置氧化物层的过程包括：以金属和/或非金属作为靶材，在通入氩气和氧气的真空室内形成氧化物层，金属为Al、Ti、Ta、Hf、Mg、Zr、Ce、Ca、Y、Zn、Nb中的任意一种或多种，非金属为Si，从而提高了在接触面形成

结构的效率，因此可以通过较少层数的氢化非晶硅层和氧化物层即可实现理想的可见光截止效率。

一种实施例中，上述采用等离子体增强化学气相沉积法制备α-氢化非晶硅层的过程包括：以SiH₄、H₂为前驱气体在100～300℃的衬底表面温度下以及10～15MHz的射频频率下形成等离子态并反应形成α-氢化非晶硅层。

另一种实施例中，采用真空磁控溅射法制备α-氢化非晶硅层的过程包括：选用硅作为靶材，以氩气、H₂为工作气体，在0.01～100*10^-5Pa的真空度下，以射频溅射功率在100～400W范围内，调整衬底表面温度在25～300℃的范围内，在0.1～10Pa的工作气压进行溅射镀膜获得α-氢化非晶硅层。

在上述实施例中，形成α-氢化非晶硅层的过程中可以通过调整工作气压和氢气所占比例来控制所形成的α-氢化非晶硅层中H的含量，上述工作气压以及氢气占比的调整都可以通过现有技术来实现，在此不再赘述。

另外，一种实施例中氧化物层为氧化硅层时，采用等离子体增强化学气相沉积法制备氧化硅层的过程包括：以SiH₄、O₂为前驱气体在100～300℃的衬底表面温度下在10～15MHz的射频频率下形成等离子态并反应形成氧化硅层。

进一步地，另一种实施例中，采用真空磁控溅射法制备氧化物层的过程包括：选用金属和/或非金属作为靶材，以氩气、O₂为工作气体，在0.01～100*10^-5Pa的真空度下，以射频溅射功率在100～400W范围内，调整衬底温度在25～300℃的范围内，在0.1～10Pa的工作气压进行溅射镀膜获得氧化物层；金属为Al、Ti、Ta、Hf、Mg、Zr、Ce、Ca、Y、Zn、Nb中的任意一种或多种，非金属为Si。

另外，为了进一步保证红外光线的窄带透射效果，优选上述红外窗口膜系3包括多个折射率对偶单元，各折射率对偶单元包括一个高折层31和与之相配的低折层32，折射率对偶单元形成膜系结构为│(α₁Hβ₁Lα₂Hβ₂L...α_nHβ_nL)│的膜堆，其中，H表示高折层31，L表示低折层32，n为正整数，且2＜n≤60，同一个膜堆中的高折层、低折层的光学厚度系数α₁，α₂，...，α_n以及β₁，β₂，...，β_n各自独立地满足同一个余弦波形或正弦波形上的同一递变规律，同一个红外窗口膜系3各膜堆的递变规律相同；对于第i个折射率对偶单元α_iHβ_iL，1≤i≤n,α_i表示第i个高折层31沿与基材层1垂直的方向上的光学厚度系数，β_i表示第i个低折层32沿与基材层1垂直的方向上的光学厚度系数。

需要说明的是，本申请上述正弦波形和余弦波形为坐标系中的标准正弦波形和余弦波形的变化趋势(仅限于变化趋势，具体数值不受象限和正负值的限定)，即正弦波形包括对称设置的上半弦和下半弦，上半弦包括左上半弦和右上半弦，下半弦包括左下半弦和右下半弦；余弦波形包括对称设置的左半弦和右半弦，左半弦为递减弦，右半弦为递增弦，左半弦包括左上半弦和左下半弦，右半弦包括右上半弦和右下半弦。

由于余弦波形与正弦波形只是相位的差异产生的。为了表述方便，以下仅就余弦波形进行说明。目前为了实现窄带透射，现有技术致力于增加反射膜系中高折层和低折层层数的设计以及折射材料的选择，本申请发明人在研究中意外发现，当高折层和低折层的厚度变化对于反射峰的带宽存在直接相关性，基于此本申请发明人对高折层和低折层的厚度变化规律进行了深入研究，并发现高折层31和低折层32的光学厚度系数遵循余弦波形的规律递变形成的余弦膜堆可以在光谱波长范围对光谱光线有深度的反射截止效果，通过余弦膜堆的控制可以实现窄带透射。其中的作用原理，发明人认为：

根据法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉原理，当入射光的频率满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率。假设干涉强度分布:

式中I₀为入射光强；R为反射面的能量反射率；δ为相邻两相干光间的相位差，与入射光倾角有关，R+T＝1(R为膜系的表面反射率，T为透射率)。相邻的高折层之间的距离以及相邻低折层之间的距离即相当于间隔层的距离，而根据法布里-珀罗干涉原理，间隔层的距离为λ/4的倍数时干涉达到最大，且根据光的波粒二象性传输的余弦波特性，余弦的周期逐渐变大，因此通过膜系结构为│(α₁Hβ₁Lα₂Hβ₂L...α_nHβ_nL)│的膜堆，由于膜堆的高折层31和低折层32的光学厚度系数(即α、β)遵循余弦波形的规律递变，即相邻的高折层之间的距离以及相邻低折层之间的距离呈现余弦波形的规律递变，就会使得特定波长的干涉效应得到增强，那么对应相应折射率形成干涉的波段范围将呈现变窄的趋势，即该膜堆会使透射率出现锐变的光线波长范围在很大程度上变窄，从而出现窄带透射的效果，基于可见光截止膜系2截止了可见光，那么上述干涉将主要发生在红外光谱，因此最终使得红外光稳定的窄带透射。

上述高折层31和低折层32的光学厚度系数的变化只要遵循正弦波形或余弦波形上的同一递变规律，即可实现窄带透射效果，在本申请一种优选的实施例中，同一个膜堆中，对于第i个折射率对偶单元α_iHβ_iL，高折层31的光学厚度为α_i*λ/4，低折层32的光学厚度为β_i*λ/4，高折层31的折射率为N_H，高折层31的物理厚度为D_H，则存在N_H*D_H＝α_i*λ/4；低折层32的折射率为N_L，低折层32的物理厚度为D_L，则存在N_L*D_L＝β_i*λ/4；其中，α₁，α₂，...，α_n以及β₁，β₂，...，β_n各自独立地满足选自范围在0～2π的同一个正弦波形或余弦波形的左上半弦、左下半弦、右上半弦和右下半弦上的同一递变规律。上述各光学厚度系数在上述范围内遵循同一个弦波的四个半弦的波形变化规律，所得到的光学厚度的差值在较窄的范围内，能够使上述窄带效果更好地发挥；而且不会出现光学薄膜设计中常见的半波孔(在滤光片的实际制备中往往会在带通区域，即反射带中心波长的一半处出现一个反射峰，一般称之为半波孔，也有称它为滤光片的半波跌落)。

为了得到更易实现的物理厚度且控制红外窗口膜系3的总物理厚度，优选红外窗口膜系3以455nm为监控波长时，α_i，β_i的取值范围在：0.01≤α_i≤3.2，0.01≤β_i≤3.2，优选地，0.05≤α_i≤2.8，0.05≤β_i≤2.8；优选地，0.1≤α_i≤2.8，0.1≤β_i≤2.8；更为优选地，0.2≤α_i≤2.7，0.2≤β_i≤2.7。

在本申请的红外窗口膜系设计中，为了使得红外窗口膜系3、可见光截止膜系2以及基材层1的硬度、附着性等更好，一般在设置膜堆之前会在先设置过渡的高低层，或者为了提高相邻膜堆的相适应性，也会设置过渡层，为了保证膜堆的窄带化效果，优选上述膜堆的折射率对偶单元的数量占红外窗口膜系3的折射率对偶单元的总数量的60～99％。

考虑到本申请的红外窄带滤光膜应用的滤光片等结构的要求，优选上述高折层31的物理厚度为1～400nm，优选为10～150nm，优选低折层32的物理厚度为1～400nm，优选为10～150nm。

上述高折层31和低折层32的折射率大小可以参考现有技术中制作透射膜的折射率材料的大小，优选高折层31的折射率为1.5～5.0，优选为1.65～3.0，低折层32的折射率为1.1～1.5，优选为1.25～1.48。

形成具有上述折射率的高折层31和低折层32的折射率材料可以从现有技术中常用的折射率材料中进行选择，优选形成高折层31和低折层32的折射率材料各自独立地选自MgF₂、CaF₂、过渡金属氟化物、ZnO、TiO₂、TiN、In₂O₃、SnO₃、Cr₂O₃、ZrO₂、Ta₂O₅、LaB₆、NbO、Nb₂O₃、Nb₂O₅、SiO₂、SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、含氟树脂、含有中空二氧化硅的树脂中的任意一种或多种。

另外，为了提高对目标波长的透射率，优选高折层31和低折层32的总层数为10～150层，优选为12～60。

上述红外窗口膜系的制作方法可以参考现有技术中反射膜系或透射膜系的制作方法，通过程序设计控制各高折层和低折层的厚度，具体的控制方法可以参考现有技术，在此不再赘述。

在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种红外识别***，包括一个或多个光源、红外图像接收器和设置在红外图像接收器表面的滤光膜，该滤光膜为上述任一种的红外窄带滤光膜，光源为在700～1400nm范围内、中心波长处于多红外窄带滤光膜的红外窗口膜系的透光波段内的红外或近红外光源。

以上述红外或近红外光源为光源配合本申请的多波段截止滤光膜，使得外部的可见光被截止，从而避免了红外识别***受可见光的影响，同时，利用多波段截止滤光膜实现了对红外光的窄带透射效果，进而提高了该红外识别***的识别准确率，提高了最终红外识别***图像采集的精确度。

以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果。

实施例1

本实施例的红外窄带滤光膜的结构如图1所示，即基材层、可见光截止膜系和红外窗口膜系依次叠置。各膜系的结构如下：

可见光截止膜系的结构为Sub|1.376L1.795H|Sub|5.003H0.236L|Air，其中：Sub为基材层，Air为空气；H为α-氢化非晶硅层，折射率为4.306；L为二氧化硅层，折射率为1.470，可参考图1。

采用真空磁控溅射法制备上述可见光截止膜：

(1)在衬底上形成氢化非晶硅层

玻璃基材层在使用前经过严格清洗：在标准洗液(硫酸的高锰酸钾饱和溶液)中浸泡24h；然后，依次用甲苯、丙酮和乙醇分别超声清洗15min，其间用去离子水反复冲洗；最后，将清洗干净的衬底放在分析纯的乙醇中避光保存，待用。

利用TXZ500-2型射频磁控溅射镀膜机，以纯度为99.999％的Si靶，电阻率大于1000Ω·cm，溅射气体是纯度为99.9％的氩气，反应活性气体为99.9％的氢气，工作气体为Ar₂和H₂的混合气体，H₂所占比例为20％，在注入氩气和氢气的真空室内进行射频溅射作业，射频溅射功率为340W，本底真空抽至小于8.0×10^-5Pa，衬底温度为180℃，镀膜时间为90min。实验中，工作气压为0.3Pa，形成α-氢化非晶硅层。利用法国H ORIBA公司生产的M M-16椭圆偏振光谱仪采用反射法测量薄膜的厚度、折射率和消光系数。

(2)在氢化非晶硅层上形成氧化硅层

再以硅作为靶材，在通入氩气和氧气的真空室内于两侧氢化非晶硅层上均沉积二氧化硅层。形成二氧化硅层的过程中，射频溅射功率为350W，真空室的本底真空为8.0×10^{- 5}Pa，溅射时间为60min，工作气压为0.1Pa。利用法国H ORIBA公司生产的M M-16椭圆偏振光谱仪采用反射法测量了可见光截止膜的厚度、折射率和消光系数。

得到的α-氢化非晶硅层中氢原子的摩尔百分含量约为10.23％，α-氢化非晶硅层和二氧化硅层接触部分形成

结构形成的结构水层(M为Si)且共形成两层结构水层，其中，结构水层的物理厚度约为0.64nm。

在可见光截止膜系上设置增透层和红外窗口膜系，其中，设定入射光的中心波长为532nm，高折层为折射率为2.354的二氧化钛层，低折层为折射率为1.46的二氧化硅层，其中，增透层由光学厚度为λ/4的二氧化钛层和二氧化硅层组成，红外窗口膜系的结构设计为

Sub|0.947H 1.046L 1.019H 1.135L 1.300H 1.380L 1.518H 1.643L 1.808H1.878L 1.962H2.219L 0.800H 0.861L 1.070H 1.194L 1.291H 1.429L 1.516H 1.635L1.768H 1.877L 2.006H2.141L 0.792H 1.067L 1.436H 1.601L 1.678H 1.612L 1.566H1.623L 1.675H 1.837L 1.829H1.385L|Air，其中共三个膜堆，分别为：

0.947H 1.046L 1.019H 1.135L 1.300H 1.380L 1.518H 1.643L 1.808H 1.878L1.962H 2.219L；

0.800H 0.861L 1.070H 1.194L 1.291H 1.429L 1.516H 1.635L 1.768H 1.877L2.006H 2.141L；

0.792H 1.067L 1.436H 1.601L 1.678H 1.612L 1.566H 1.623L 1.675H 1.837L1.829H 1.385L；

采用磁控溅射工艺制作实施例1对应的红外窗口膜系的三膜堆。将真空室内放气后，用吸尘器清理钟罩内部，在钼舟内填装待蒸发膜料，记录下各个舟的膜料名称。并在基片架上安放基片，勿使基片倾斜。落下钟罩，按镀膜机操作规程对真空室进行抽真空。当真空度达到7×10^-3Pa以后，依次对钼舟中膜料预熔，去除膜料中的气体。此时注意用挡板挡住膜料，以保证预熔中基片不被镀上。当真空度达到要求后，采用λ/4极值法控制光学厚度的方法进行镀制，将控制波长放在532nm。首先在基片的可见光截止膜系上镀制二氧化钛，随着膜层增厚，放大器指示的光电流将下降。当光电流数值刚刚开始回升时，立即将挡板挡上。然后，降电流换电极，镀二氧化硅，镀二氧化硅时，光电流随着膜厚增加而上升，达到极值时停止镀膜，重复以上步骤镀膜。当镀制光学厚度为λ/2的间隔层时，厚度增加一倍，应在光电流上升再下降到极值时停止。以后几层同前几层一样控制。

镀膜结束后，依镀膜机操作规程停止加热和抽真空。半小时后，方可对镀膜机真空室充气，取出所镀制的干涉滤光片。然后按操作规程再对镀膜机抽真空，以保持清洁，最后停机。

采用全波长透光率仪对上述红外窄带滤光膜进行测试，测试结果见图3。根据图3可以看出，红外光透过的波长范围为800～1000nm，其中心波长为850nm和940nm，且带宽小于50nm，透过率也较大，可见光基本完全被截止。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，红外窗口膜系的结构设计为

Sub|0.934H 1.018L 1.013H 1.133L 1.274H 1.402L 1.481H 1.635L 1.814H1.894L 1.981H2.223L 0.792H 1.067L 1.057H 1.195L 1.272H 1.435L 1.519H 1.641L1.774H 1.886L 2.012H2.134L|Air，其中共两个膜堆，分别为：

0.934H 1.018L 1.013H 1.133L 1.274H 1.402L 1.481H 1.635L 1.814H 1.894L1.981H 2.223L；

0.792H 1.067L 1.057H 1.195L 1.272H 1.435L 1.519H 1.641L 1.774H 1.886L2.012H 2.134L。

采用全波长透光率仪对上述红外窄带滤光膜进行测试，测试结果见图4。根据图4可以看出，红外光透过的波长范围为900～1000nm，其中心波长为950nm，且带宽小于50nm，透过率也较大，可见光基本完全被截止。

对比例1

与实施例1不同之处在于，红外窗口膜系的结构设计为

Sub|1.802H 0.646L 1.000H 1.000L 1.000H 2.000L 1.000H 1.000L 1.000H1.000L 1.000H1.000L 1.000H 1.000L 1.000H 2.000L 1.000H 1.000L 1.000H 1.000L1.000H 1.000L 1.000H1.000L 1.000H 2.000L 1.000H 1.000L 1.000H 1.002L 1.837H0.956L|Air，一个规整膜堆。

采用全波长透光率仪对上述红外窄带滤光膜进行测试，测试结果见图5。根据图5可以看出，红外光透过的波长范围为800～1200nm，其中心波长为950nm，透过率大于90％，可见光基本完全被截止，但带宽较大大于60nm。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

由于本申请的红外窄带滤光膜同时包含有可见光截止膜系和红外窗口膜系，实现了在对可见光有效截止的基础上，使得红外线窄带透过，避免了可见光的干扰，并且利用红外光实现较高的区分度，改善视觉效果，提高最终红外图像摄像头图像采集的精确度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (37)

1.一种红外窄带滤光膜，其特征在于，包括：

基材层（1）；

可见光截止膜系（2），用于吸收或者反射380nm~780nm范围内的可见光；

红外窗口膜系（3），在700~1400nm范围具有一个或多个窄带透光窗口，窄带透光窗口在大于等于50%的透过率时的峰宽在5~50nm范围内；

所述可见光截止膜系、所述红外窗口膜系相对设置在所述基材层（1）的两个表面上，或者叠置在所述基材层（1）的一个或两个相对的表面上；

所述可见光截止膜系（2）包括一个或多个吸收单元（20），所述吸收单元（20）设置在所述基材层（1）的一个或两个相对的表面上，各所述吸收单元（20）包括高折射率材料层（21）和与之接触设置的匹配材料层（22），所述高折射率材料层的折射率为3~5.5，所述高折射率材料层（21）与匹配材料层（22）在接触界面形成结构水层（23）；

所述高折射率材料层（21）为α-氢化非晶硅层，所述匹配材料层（22）为氧化物层，所述氧化物层为金属氧化物层或非金属氧化物层，所述α-氢化非晶硅层对波长范围380~780nm的折射率变化小于等于0.8；所述匹配材料层（22）的折射率为1.0~2.7；

所述α-氢化非晶硅层的表面硅氢键和所述氧化物层结合形成结构水层（23）。

2.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述可见光截止膜系（2）中共形成1~10层所述结构水层（23）。

3.根据权利要求1 所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，各所述结构水层（23）的物理厚度为0.1~2nm。

4.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述α-氢化非晶硅层中的氢原子的摩尔百分含量为5~25%。

5.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述氧化物层选自SiO₂层、Ti₃O₅层、Al₂O₃层、SiO层、TiO₂层、Ti₂O₃层、Ta₂O₅层、HfO₂层、MgO层、ZrO₂层、CeO₂层、CaO层、Y₂O₃层、ZnO层、Nb₂O₅层中的任意一种或多种形成的复合层。

6.根据权利要求1 所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述高折射率材料层（21）的物理厚度为1~1000nm；所述匹配材料层（22）的物理厚度为1~1000nm。

7.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述高折射率材料层（21）的物理厚度为1~500nm。

8.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述高折射率材料层（21）的物理厚度为1~200nm。

9.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述匹配材料层（22）的物理厚度为1~500nm。

10.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述匹配材料层（22）的物理厚度为1~200nm。

11.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述基材层（1）为硅层、玻璃层、PET层、COP层、COC层、CPI层、PMMA层、PEN层、PC层或TAC层。

12.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述可见光截止膜系（2）的物理厚度小于500μm。

13.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述可见光截止膜系（2）的物理厚度小于400μm。

14.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述可见光截止膜系（2）的物理厚度小于300μm。

15.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述可见光截止膜系（2）的物理厚度小于200μm。

16.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述可见光截止膜系（2）的物理厚度小于100μm。

17.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述可见光截止膜系（2）的物理厚度小于50μm。

18.根据权利要求1所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述可见光截止膜系（2）的物理厚度在50~250μm之间。

19.根据权利要求1 所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，

所述红外窗口膜系（3）包括多个折射率对偶单元，各所述折射率对偶单元包括一个高折层（31）和与之相配的低折层（32），所述折射率对偶单元形成膜系结构为│(α₁Hβ₁Lα₂Hβ₂L... α_nHβ_nL) │的膜堆，其中，H表示高折层（31），L表示低折层（32），n为正整数，且2＜n≤60，同一个所述膜堆中的所述高折层（31）、所述低折层（32）的光学厚度系数α₁，α₂，...，α_n以及β₁，β₂，...，β_n各自独立地满足同一个余弦波形或正弦波形上的同一递变规律，同一个所述红外窗口膜系（3）各所述膜堆的递变规律相同；对于第i个所述折射率对偶单元α_iHβ_iL，1≤i≤n,α_i表示第i个所述高折层（31）沿与所述基材层（1）垂直的方向上的光学厚度系数，β_i表示第i个所述低折层（32）沿与所述基材层（1）垂直的方向上的光学厚度系数。

20.根据权利要求19所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，同一个所述膜堆中，对于第i个所述折射率对偶单元α_iHβ_iL，所述高折层（31）的光学厚度为α_i*λ/4，所述低折层（32）的光学厚度为β_i*λ/4，所述高折层（31）的折射率为N_H，所述高折层（31）的物理厚度为D_H，则存在N_H*D_H=α_i*λ/4；所述低折层（32）的折射率为N_L，所述低折层（32）的物理厚度为D_L，则存在N_L*D_L=β_i*λ/4；其中，α₁，α₂，...，α_n以及β₁，β₂，...，β_n各自独立地满足选自范围在0~2π的同一个所述正弦波形或余弦波形的左上半弦、左下半弦、右上半弦和右下半弦上的同一递变规律。

21.根据权利要求20所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述红外窗口膜系（3）以455nm为监控波长时，α_i，β_i的取值范围在：0.01≤α_i≤3.2，0.01≤β_i≤3.2。

22.根 据权利要求20所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述红外窗口膜系（3）以455nm为监控波长时，α_i，β_i的取值范围在：0.05≤α_i≤2.8，0.05≤β_i≤2.8。

23.根 据权利要求20所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述红外窗口膜系（3）以455nm为监控波长时，α_i，β_i的取值范围在： 0.1≤α_i≤2.8，0.1≤β_i≤2.8。

24.根 据权利要求20所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述红外窗口膜系（3）以455nm为监控波长时，α_i，β_i的取值范围在： 0.2≤α_i≤2.7，0.2≤β_i≤2.7。

25.根据权利要求19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述膜堆的折射率对偶单元的数量占所述红外窗口膜系（3）的折射率对偶单元的总数量的60~99%。

26.根据权利要求19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述高折层（31）的物理厚度为1~400nm。

27.根据权利要求 19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述高折层（31）的物理厚度为10~150nm。

28.根据权利要求 19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述低折层（32）的物理厚度为1~400nm。

29.根据权利要求 19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述低折层（32）的物理厚度为10~150nm。

30.根据权利要求19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述高折层（31）的折射率为1.5~5.0。

31.根据权利要求19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述高折层（31）的折射率为1.65~3.0。

32.根据权利要求19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述低折层（32）的折射率为1.1~1.5。

33.根据权利要求19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述低折层（32）的折射率为1.25~1.48。

34.根据权利要求19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，形成所述高折层（31）和所述低折层（32）的折射率材料各自独立地选自MgF₂、CaF₂、过渡金属氟化物、ZnO、TiO₂、TiN、In₂O₃、SnO₃、Cr₂O₃、ZrO₂、Ta₂O₅、LaB₆、NbO、Nb₂O₃、Nb₂O₅、SiO₂、SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、含氟树脂、含有中空二氧化硅的树脂中的任意一种或多种。

35.根据权利要求19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述高折层（31）和所述低折层（32）的总层数为10~150层。

36.根据权利要求19至24中任一项所述的红外窄带滤光膜，其特征在于，所述高折层（31）和所述低折层（32）的总层数为12~60。

37.一种红外识别***，包括一个或多个光源、红外图像接收器、和设置在红外图像接收器表面的滤光膜，其特征在于，所述滤光膜为权利要求1至36中任一项所述的红外窄带滤光膜，所述光源为在700~1400nm范围内、中心波长处于所述红外窄带滤光膜的红外窗口膜系的透光波段内的红外或近红外光源。

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