一種圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種圖像傳感器，采用日夜兼用的攝像濾波器，所述的日夜兼用的攝像濾波器包括基底以及依次設置在所述基底上的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系；所述的匹配膜系由高折射率膜和低折射率膜交替組成；所述的第一主膜系由高折射率膜和低折射率膜交替組成；所述的第二主膜系由高折射率膜、中間折射率膜和低折射率膜組成。本實用新型中，所述的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系構成400～650nm和920nm～960nm的雙通膜。本實用新型采用的日夜兼用的攝像濾波器，不僅隱蔽性高，而且光穿透力強，拍攝距離遠，成像質量高，可廣泛應用于安防電視監控系統和車載影像系統等數碼產品中。
【專利說明】
一種圖像傳感器
技術領域
[0001] 本實用新型涉及圖像傳感器領域，具體涉及一種采用日夜兼用的攝像濾波器的圖 像傳感器。
【背景技術】
[0002] 在安防電視監控系統中，隨著人們安全防范意識的提高，24小時連續電視監控的 可見-近紅外成像技術得到了全社會的青睞，不僅在銀行、金庫、博物館、檔案館、文獻庫、監 獄等部門得到了重要應用，而且在居民區等一般場合也得到了廣泛應用。
[0003] 作為數碼攝像系統的圖像傳感器CCD或CMOS是一種離散像素的光電探測器，其光 敏感波長區約為400nm到1200nm。在此波長區中，人的肉眼能看到的波長為400~650nm的可 見光，可用于生成可見光彩色圖像，而波長700~1200nm的近紅外光人眼是看不見的，但(XD 或CMOS卻可生成近紅外黑白圖像。這就是說，圖像傳感器能同時對可見光和近紅外光成像， 但這兩幅圖像人眼看起來是不一樣的，所以現用的數碼相機和手機攝像頭都要把近紅外光 濾掉，而僅保留可見光彩色圖像，避免兩幅圖像疊在一起變模糊了。
[0004] 但是，近紅外光攝像具有重要的優越性，首先是可以在黑暗的夜間進行拍攝;其次 是因為光波長越長，穿透性越好，這不但使拍攝距離增加，而且適合于透過某些固體和液體 發現其他監視監測物;更重要的是，近紅外光拍攝隱蔽性強、性能穩定。正因為這樣，人們一 直期望研發一種日夜兼用的圖像攝像系統。
[0005] 此前，人們為了同時獲取可見光圖像和近紅外光圖像，采用更換濾光片的辦法，即 白天換上隔紅外濾光片拍攝彩色的可見光圖像，晚間換上隔可見光濾光片拍攝黑白的近紅 外圖像，這種方法的缺點是極其不方便;或者同時裝上這兩套拍攝系統分別獲取兩種圖像， 顯然這種方法的缺點會導致成本成倍增加。所以，這兩種方法都是不可取的。至今，已有新 的CCD和CMOS器件，每個像素都含有RGB可見光和近紅外的通光窗;而且解決了波長差異導 致的焦面位置不同而出現的虛焦和圖像模糊的問題；當然還有作為照明補光的近紅外LED 固體光源在光強度和帶寬等方面的重要進步。這些技術進步使得近年來產生了日夜兼用的 攝像系統，對典型的攝像系統，其攝像濾波器能通過420~650nm的可見光和850nm的近紅外 光，而直至l〇〇〇nm或llOOnm的其他近紅外波長均被截止。這種主動式的近紅外攝像技術是 利用850nm的近紅外LED燈照明補光，產生人眼看不見而普通攝像機能捕捉到的近紅外光圖 像。
[0006] 遺憾的是，對波長850nm的近紅外LED燈，夜間使用可以發現其暗紅色的光，這種現 象稱為"紅暴"。顯然，這會導致監控目標暴露，在隱蔽性要求較高的場合，用850nm的近紅外 LED燈補光是不合適的。為此，最近提出了采用940nm的LED燈作為補光，相對于850nm的LED 燈，940nm的LED燈不僅完全無紅暴，而且由于發光波長更長，穿透力更強，因而拍攝距離更 遠。 【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的是提供一種圖像傳感器，采用日夜兼用的攝像濾波器，可廣泛 應用于安防電視監控系統和車載影像系統等數碼產品中。
[0008] 本實用新型的攝像濾波器能透過400~650nm的可見光和940nm的近紅外光，為了 盡可能地減少背景光，抑制逆光條件下的鬼影和迷光，獲得相對高對比度的優質畫面，本實 用新型設想：1).選用光譜帶寬盡可能窄、光強度盡可能高的波長為940nm的LED燈，然后設 計與LED燈光譜帶寬完全匹配的940nm透射帶。對本實用新型，濾波器在940nm透射帶的帶寬 約為40nm(920nm~960nm);而對截止帶，除940nm透射帶外，從700nm直至1200nm的整個傳感 器響應的近紅外光區均被截止。這種做法的實質是："關近紅外光大門，開940nm小窗"。于 是，在日光條件下，由于攝像濾波器隔離了除940nm窄通帶外的所有近紅外光，所以仍可免 受紅外線的干擾，獲得不偏色的清晰的彩色圖像；而在夜間條件下，攝像濾波器能透射 940nm的近紅外光，借助于940nm的LED照明補光，獲得清晰的近紅外黑白圖像。2).把可見光 的透射帶從420~650nm擴展為400~650腦，近紅外區截止波長從lOOOnm或llOOnm擴展到 1200nm，以進一步改善圖像質量。理由是:第一，充分利用了CCD或CMOS具有光譜響應的400 ~420nm波段的光參與可見光成像；第二，完全截止了CCD或CMOS具有光譜響應的1000~ 1200nm或1100~1200nm的近紅外光對可見光彩色圖像和近紅外940nm黑色圖像的干擾。現 有技術尚做不到這一點，原因是波長1200nm的高級次干涉截止帶恰好在400nm，且由于 400nm的截止帶具有一定帶寬，故設計人員只能讓可見區透射帶向長波移到420nm~650nm， 同時讓近紅外區截止波長縮短到11 〇〇nm，甚至1 OOOnrn。
[0009] 如果我們把現用的透射420~650nm可見光和截止700~llOOnrn近紅外光的濾波器 稱為單通道濾波器的話，則本實用新型的透射400~650nm可見光和940nm的近紅外光、截止 除940nm通帶以外的700~1200nm的其他近紅外光的濾波器也可稱為雙通道濾波器。
[0010]本實用新型的構思是：（1).首先，在攝像應用中，由于來自拍攝物體的光線入射到 圖像傳感器上的入射角是不同的，但是薄膜的厚度與入射角的余弦成正比，所以圖像的色 彩會因入射角不同而變化，即圖像產生色漸變，解決此難題的辦法是在波長650nm附近設置 一不隨入射角而變化的吸收型藍塑料基板或受抑波長漂移濾光片基板。現有單通道濾波器 中廣泛使用的藍玻璃由于其在波長940nm的透射率非常低而不能用于本實用新型的雙通道 濾波器中。當然，在拍攝視場角不大的情況下，也可用光學玻璃作為基板，而在需要消除莫 爾條紋的情況下，可用水晶板作為基板。（2).其次是薄膜濾光片的構思。第一步先構造700 ~900nm的截止膜，由于要求400~650nm高透射，通常選用（0.5LH0.5L) m標準短波通膜系， 但是這種短波通膜系會在主截止帶附近630nm處出現一個大次峰，且在400nm附近出現了一 個半波孔，此半波孔對現有技術的420~650nm透射帶不會產生任何影響，但對本實用新型 濾波器必須消除，為此對標準膜系內外各2層膜進行膜厚修正，使其成為630nm和400nm的減 反射膜，從而抑制630nm大次峰和400nm半波孔生成。第二步再構造1000~1200nm的截止膜， 并試圖用該截止膜與700~900nm截止膜一起來構成940nm通帶的輪廓，而仍保持400~ 650nm高透射。但是由于本實用新型長波截止區擴展至1200nm，使400nm附近出現一個高級 次截止帶（圖3e)。要消除這個截止帶不是一件容易的事，因為用高(H)、低(L)折射率二種材 料交替不可能構成波長400nm附近的減反射膜，故本實用新型設想，用高(H)、中（M)、低(L) 折射率三種材料來構成基本周期:LMHML，并把Η兩側的ML設計成波長400nm的減反射膜，于 是，基本周期LMHML在400nm附近就會高透射，而在1000~1200nm卻是增反的。然后把多個 LMHML疊加起來，最終在400nm附近仍保持高透射，而在1000~1200nm形成高反射的截止膜 (圖3f)。第三步是把前面二步設計的膜系合起來，并適當優化每層膜的厚度，就可望獲得預 期的雙通道濾波器的目的。
[0011] 為實現上述目的，本實用新型所采取的具體技術方案是：
[0012] -種圖像傳感器，采用日夜兼用的攝像濾波器，所述的日夜兼用的攝像濾波器包 括基底以及依次設置在所述基底上的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系；
[0013] 所述的匹配膜系由高折射率膜和低折射率膜交替組成；
[0014] 所述的第一主膜系由高折射率膜和低折射率膜交替組成；
[0015] 所述的第二主膜系由高折射率膜、中間折射率膜和低折射率膜組成。
[0016] 本實用新型中，高折射率膜、中間折射率膜和低折射率膜為相對的概念，即只是表 示高折射率膜、中間折射率膜和低折射率膜三者折射率的相對高低，即高折射率膜的折射 率> 中間折射率膜的折射率>低折射率膜的折射率。
[0017] 本實用新型中，所述的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系構成400~650nm和 920nm~960nm的雙通膜。
[0018] 以下作為本實用新型的優選技術方案：
[0019] 所述的基底為光學玻璃、水晶板、用作光學低通濾波器的藍塑料板或鍍有受抑波 長漂移濾光片的各種基板。
[0020] 所述的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系從所述的基底向外（即遠離所述基底 方向）依次設置。
[0021] 進一步優選，所述的匹配膜系中緊貼在所述基底上的第一層為高折射率膜，即所 述的匹配膜系設置在所述基底上的第一層為高折射率膜，然后是低折射率膜，再依次交替。
[0022] 所述的高折射率膜為Ti02膜，所述的中間折射率膜為Hf02膜，所述的低折射率膜為 Si〇2 膜；
[0023] 在波長550nm，所述的高折射率膜的折射率為2.426,所述的中間折射率膜的折射 率為1.994,所述的低折射率膜的折射率為1.460。
[0024] 本實用新型的濾波器能透過400~650nm的可見光和940nm的近紅外光，且在 940nm透射帶的帶寬為40nm;除940nm透射帶外，從700nm直至1200nm的整個近紅外光區為截 止帶。
[0025] 進一步地，所述的匹配膜系的層數為8層，從所述基底向外（即遠離所述基底方向） 各膜層的厚度依次為:24.9，15.6,51.1，173,42.4,36.1，12.6,96.8，單位為11111。
[0026] 所述的第一主膜系的層數為12層，從所述匹配膜系向外（即遠離所述基底方向）各 膜層的厚度依次為：86·2，136,78·8，135·6,77·7，136·4,78·2，136·3,79·5，139·9,88·2， 184.5,單位為nm;
[0027] 所述的第二主膜系的層數為32層，從所述第一主膜系向外（即遠離所述基底方向） 各膜層的厚度依次為：15.1，49·2,56·4,72·1，64·2,73·6,51·5,85·4,193.3,15.1，103.9， 185.1，39.7,88.4,171.4,89.9,35.3,174,116.8,3.8,167.4,66.9,32.5,74.3,173.6， 49.3,68.5,50.6，157.6,35.6,82.6,82.5，單位為歷；
[0028] 在第二主膜系中，第1、3、7、10、14、16、20、23、27、31層為高折射率膜，第5、9、12、 15、18、21、25、29、32層為低折射率膜，其余為中間折射率膜。第二主膜系中，第1至32層從所 述第一主膜系向外（即遠離所述基底方向）開始計算，即第二主膜系中最靠近所述第一主膜 系的為第1層。
[0029] 與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：
[0030] 1).現有技術的單通道濾波器基本上只局限于日光條件下拍攝彩色圖像，但在安 防電視監控系統和車載影像系統等數碼產品中，這種單通道濾波器已不敷應用，因此必須 研發24小時連續工作的可見-近紅外雙通道濾波器，建立日夜兼用的攝像系統。本實用新型 的雙透射帶為:400~650nm可見光和帶寬為40nm的940nm的近紅外光，截止帶為：除940nm透 射帶以外的700~1200nm近紅外光，該雙通道濾波器，不僅隱蔽性高，而且光穿透力強，拍攝 距離遠。
[0031] 2).現有技術的透射420~650nm可見光、截止700~llOOnm近紅外光的單通道濾波 器，沒有充分利用400~420nm和1100~1200nm這二個波段，這是因為這二個波段的特性由 于高級次干涉的緣故是互相沖突的，設計非常困難。但是這二個波段對CCD和CMOS都有光譜 相應，這相當于增加了 CCD和CMOS的背景光，降低了圖像的對比度和清晰度。本實用新型通 過設計一個五層膜周期結構取代交替的二層膜結構，突破了設計難題，從而不僅提高了圖 像對比度和清晰度，而且提高了光效率。
[0032] 3).現有技術已有采用420~650nm可見光和850nm近紅外光的雙通道濾波器，但 是，與本實用新型的雙通道濾波器相比，第一存在"紅暴"問題，易暴露監控目標，第二，LED 燈的光譜帶寬較寬，加上可見成像光譜較窄和紅外截止不夠寬，圖像產生較大的干擾。本實 用新型采用窄光譜帶的940nm的LED燈作為補光，相對于850nm的LED燈，不僅完全無紅暴，而 且由于發光波長更長，穿透力更強，拍攝距離更遠。得到的可見光彩色圖像和近紅外光黑白 圖像質量顯著提高。
【附圖說明】
[0033]圖1是現有技術的攝像濾波器和本實用新型中的攝像濾波器的光學特性比較圖， 其中，圖1中（a)為現有技術的攝像濾波器的光學特性圖，圖1中（b)為本實用新型的攝像濾 波器的光學特性圖；
[0034]圖2是構成濾波器700~900nm截止膜的分光特性改進前后的比較，其中，圖2中（c) 為構成濾波器700~900nm截止膜改進前的分光特性，圖2中（d)為構成濾波器700~900nm截 止膜經本實用新型改進后的分光特性；
[0035]圖3是構成濾波器1000~1200nm截止膜的分光特性改進前后的比較，其中，圖3中 (e)為構成濾波器1000~1200nm截止膜改進前的分光特性，圖3中（f)為構成濾波器1000~ 1200nm截止膜經本實用新型改進后的分光特性；
[0036] 圖4是本實用新型中的濾波器每層膜的膜厚和折射率的對應關系圖；
[0037] 圖5是本實用新型中的濾波器的分光透射特性曲線；
[0038] 圖6為本實用新型中的攝像濾波器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0039] 如圖6所示，一種日夜兼用的攝像濾波器，包括基底1以及依次設置在基底1上的匹 配膜系2、第一主膜系3和第二主膜系4;匹配膜系2由高折射率膜和低折射率膜交替組成;第 一主膜系3由高折射率膜和低折射率膜交替組成;第二主膜系4由高折射率膜、中間折射率 膜和低折射率膜組成。
[0040] 圖2是現有技術的攝像濾波器和本實用新型的攝像濾波器的光學特性比較，其中， (a)為現有技術的攝像濾波器，（b)為本實用新型的攝像濾波器。現有技術的濾波器一般要 求特性如下:透射420~650nm的可見光，截止700~llOOnm的近紅外光。本實用新型的濾波 器一般要求特性如下:透射400~650nm的可見光和940nm通帶(920~960nm)的近紅外光，截 止除940nm通帶以外的700~1200nm的其他近紅外光。兩種濾波器的重要區別在于：（1)可見 光透射帶由420~650nm展寬為400~650nm，不僅可減小彩色圖像的偏色，而且可增加光能 利用率、提高圖像對比度和清晰度；（2)由透射420~650nm的單通道變為透射400~650nm和 940nm通帶的雙通道，使其實現日夜兼用的目的，其中可見光通道獲取彩色圖像，近紅外光 通道獲取黑白圖像；（3)長波截止區從llOOnm擴展到1200nm，以提高圖像對比度和清晰度。 對紫外區300~380nm，由于CCD和CMOS基本上已無光譜響應，因此其特性要求并不嚴格，但 通常保持其一定截止度，以減少能量較大的紫外光子對CCD和CMOS長期使用造成損傷。
[0041] 本實用新型濾波器的薄膜濾光片設計根據前面所述的構思分為三步:第一步先設 計透射400~650nm、截止700~900nm的短波通膜，第二步再設計透射400~650nm和940nm、 截止1000~1200nm的短波通膜，第三步把第一步和第二步的兩個設計合并，然后用TFCal商 用薄膜設計軟件作厚度優化，直至獲得滿足要求的薄膜濾光片。
[0042]圖2是構成本實用新型濾波器的透射400~650nm、截止700~900nm的短波通膜的 分光特性改進前后的比較，其中，（c)為經典的標準短波通膜，（d)為本實用新型改進后的短 波通膜。如圖2中（c)所示，由于要求400~650nm高透射，采用（0.5LH0.5L) 9標準短波通膜， 監控波長為765nm，但是這種短波通膜系會在主截止帶附近630nm出現一個較大次峰，且在 400nm附近出現一個"半波孔"，此半波孔主要是截止波長區700~900nm的中心波長800nm和 半波長400nm的材料色散不同引起的。這個半波孔對現有技術的420~650nm透射帶不會產 生任何影響，如圖2中（d)所示，但對本實用新型的400~650nm必須消除，為此本實用新型對 標準膜系（〇 . 5LH0.5L)9兩側最外2層膜進行膜厚修正，使其同時成為630nm和400nm的減反 射膜，從而抑制了 630nm的大次峰和400nm的半波孔。
[0043] 圖3是構成本實用新型濾波器的透射400~650nm和940nm、截止1000~1200nm的 短波通膜的分光特性改進前后的比較，其中，（e)為經典的標準短波通膜，（f)為本實用新型 改進后的短波通膜。由于要求400~650nm和940nm同時高透射，仍可采用（0 · 5LH0 · 5L)9標準 短波通膜，但監控波長變為1125nm，類似地，這種短波通膜會在主截止帶附近920nm出現一 個較大次峰，且在575nm附近出現一個"半波孔"，但是由于截止波長區1000~1300nm的中心 波長1150nm和半波長575nm的材料色散差減少，使575nm的半波孔相應減小。顯然，現在最大 的問題是，在400nm附近出現了高級次截止帶（如圖3e)，這是波長1200nm的二級干涉帶，也 正因為此問題，現有技術都繞開1100~1200nm截止和400~420nm高透射。要消除這個高級 次截止帶，運用現有技術已無濟于事，因為常用的高、低二種折射率材料的基本周期交替只 會形成截止帶，不可能構成減反射，故本實用新型提出用高、中、低折射率三種材料HML來構 成基本周期LMHML。這相當于在高折射率膜Η兩側各鍍上ML雙層減反射膜，使其與周圍媒質 相匹配，于是，基本周期LMHML在400nm附近就會高透射，而在1000~1200nm卻是增反的。然 后把多個LMHML疊加起來，并使LMHML周圍媒質無限變薄，則就變成結構(LMHML) m，此結構使 波長400nm附近隨著周期數m變大始終保持高透射，而波長1000~1200nm的反射越來越高， 最終成為截止帶。圖3(f)就是改進后三種材料周期膜的分光透射特性，膜系結構為(LMHML )1(3，監控波長為455nm。可以看出，LMHML周期膜代替HL周期膜后，在波長400nm的高級次截止 帶向短波移到了波長小于300nm處。
[0044] 把上述圖2中（d)和圖3中（f)兩個膜疊在一起，基本能夠滿足本實用新型的設計要 求：即透射400~650nm的可見光和940nm的近紅外光，截止700~900nm和1000~1200nm的近 紅外光。為了獲得更佳的特性，經過商用薄膜設計軟件TFCal優化，最終得到如圖4所示的本 實用新型濾波器每層膜的膜厚和折射率的對應關系圖。在本實施例中，總膜層數為52層。從 圖4可以看出，本實用新型的薄膜濾光片可分為三部分：匹配膜系2、第一主膜系3和第二主 膜系4。其中匹配膜系2和第一主膜系3由高折射率膜和低折射率膜交替組成，第二主膜系4 由高折射率膜、中間折射率膜和低折射率膜三種材料組成，高折射率膜為Ti0 2膜，中間折射 率膜為Hf%膜，低折射率膜為Si02膜。在波長550nm，高折射率Ti0 2膜的折射率為2.426，中間 折射率Hf02膜的折射率為1.994,低折射率Si0 2膜的折射率為1.460。匹配膜系2共8層，用于 匹配濾波器基底1和二個主膜系之間的光學導納。第一主膜系3共12層，主要構成400~ 650nm的可見光透射帶和700~900nm的截止帶，并提供940nm透射帶的短波側過渡區。第二 主膜系4共32層，主要提供940nm透射帶的長波側過渡區，從而構成940nm透射帶，并形成 1000~1200nm的截止帶。基底1采用光學玻璃，薄膜濾光片各層膜的設計參數列于表1。
[0045] 表 1
[0046]
[0051 ]續表 1
[0052]
?〇〇56?~圖5是本實用新型的濾波器的分光透射特性曲線。該曲線是按表1例示的結構計算, 的，作為本實用新型的優選實施方式，達到的性能為：紫外區300~380nm的平均透射率為 1.5%，可見光區400~650nm的平均透射率為98.7%，近紅外區700~900nm的平均透射率為 0.76%，920~955nm的平均透射率為98.5%，1000~1200nm的平均透射率為0.54%。實際使 用表明，該特性能滿足日夜兼用的攝像要求，獲得清晰的可見光彩色圖像和近紅外黑白圖 像。
【主權項】
1. 一種圖像傳感器，其特征在于，采用日夜兼用的攝像濾波器，所述的日夜兼用的攝像 濾波器包括基底以及依次設置在所述基底上的匹配膜系、第一主膜系和第二主膜系； 所述的匹配膜系由高折射率膜和低折射率膜交替組成； 所述的第一主膜系由高折射率膜和低折射率膜交替組成； 所述的第二主膜系由高折射率膜、中間折射率膜和低折射率膜組成。2. 根據權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述的基底為光學玻璃、水晶板或 者藍塑料板。3. 根據權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述的匹配膜系、第一主膜系和第 二主膜系從所述的基底向外依次設置。4. 根據權利要求3所述的圖像傳感器，其特征在于，所述的匹配膜系中緊貼在所述基底 上的第一層為高折射率膜。5. 根據權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述的高折射率膜為Ti02膜，所述的 中間折射率膜為Hf 02膜，所述的低折射率膜為Si02膜。6. 根據權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述的匹配膜系的層數為8層，從所 述基底向外各膜層的厚度依次為:24.9，15.6,51.1，173,42.4,36.1，12.6,96.8，單位為歷。7. 根據權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述的第一主膜系的層數為12層， 從所述匹配膜系向外各膜層的厚度依次為:86.2,136,78.8,135.6,77.7,136.4,78.2， 136 · 3，79 · 5，139 · 9，88 · 2，184 · 5，單位為 nm。8. 根據權利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述的第二主膜系的層數為32層， 從所述第一主膜系向外各膜層的厚度依次為：15.1，49.2,56.4,72.1，64.2,73.6,51.5， 85.4,193.3,15.1,103.9,185.1,39.7,88.4,171.4,89.9,35.3,174,116.8,3.8,167.4, 66.9,32.5,74.3，173.6,49.3,68.5,50.6，157.6,35.6,82.6,82.5，單位為歷； 在第二主膜系中，第1、3、7、10、14、16、20、23、27、31層為高折射率膜，第5、9、12、15、18、 21、25、29、32層為低折射率膜，其余為中間折射率膜。
【文檔編號】H04N5/225GK205622731SQ201620389123
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】金波, 艾曼靈, 顧培夫, 吳江波, 寇立選, 陶占輝, 楊曉華
【申請人】杭州科汀光學技術有限公司