TW202109092A - 紅外帶通濾波結構及應用該結構之紅外帶通濾波器 - Google Patents

Abstract

一種紅外帶通濾波結構係由複數氫化矽鋁層及複數較低折射率層交互堆疊形成，該複數較低折射率層係一氧化物，該紅外帶通濾波結構具有800nm至1600nm之波長範圍內至少部分重疊之一通帶，該通帶具有一中心波長，且該中心波長在入射角自0°改變至30°時，在量值上偏移幅度小於11nm；一種紅外帶通濾波器則係於一基板的第一側面形成上述之紅外帶通濾波結構，於該基板之相反該第一側面的一第二側面上形成有一抗反射層；藉此係可提昇濺鍍效率以大幅降低製作成本，以及可減小膜層的翹曲量以解決後製切割易崩角之問題。

Description

紅外帶通濾波結構及應用該結構之紅外帶通濾波器

本發明係一種紅外帶通濾波結構及濾波器之結構方面的技術領域，尤指一種可提昇濺鍍效率以大幅降低製作成本，以及可減小膜層的翹曲量以解決後製切割易崩角問題之紅外帶通濾波結構及應用該結構之紅外帶通濾波器者。

一般濾光器按光譜特性可分為帶通濾光器、短波截止濾光器、長波截止濾光器。帶通型濾光器指選定特定波段的光通過，通帶以外的光截止，按頻寬分為窄帶和寬頻，通常按頻寬比中心波長的值來區分，小於5%為窄帶，大於5%則為寬頻。為了減少環境可見光線的干擾，普遍採用窄帶干涉濾波器。傳統的RGB可見光攝像頭，需要採用紅外截止濾波器，將不必要的低頻近紅外光過濾掉，以免紅外光線對可見光部分造成影響，產生偽色或波紋，同時可以提高有效解析度和彩色還原性。但是紅外攝像頭，為了不受到環境光線的干擾，需要使用窄帶濾波器(即紅外帶通濾波器)，只允許特定波段的近紅外光通過。

一種習知的紅外帶通濾波器，如台灣公告第I576617號、第I648561號「光學濾波器及感測系統」專利所示，其主要 係由複數氫化矽層及複數較低折射率層交互堆疊形成，該紅外帶通濾波結構具有800nm至1600nm之波長範圍內至少部分重疊之一通帶(passband)，該通帶具有一中心波長，且該中心波長在入射角自0°改變至30°時，在量值(magnitude)上偏移(shifts)幅度約12.2~20nm。其中，複數氫化矽層各自具有在800nm至1100nm之該波長範圍內大於(接近)3.5之一折射率，該複數較低折射率層係一氧化物，在800nm至1100nm的波長範圍內的折射率小於2，其可包括二氧化矽(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鈦(TiO₂)、五氧化二鈮(Nb₂O₅)、五氧化二鉭(Ta₂O₅)及其混合物中之至少一者。

然而，習知紅外帶通濾波器在實際實施時係具有以下缺點：

1、該習知由該複數氫化矽層及該複數較低折射率層交互堆疊形成之紅外帶濾波器之通帶的中心波長在入射角自0°改變至30°時會有較大的偏移量(約12.2~20nm)，因此易導致其應用於三維成像系統，於大角度收光時發生無法識別或識別失敗的問題。

2、該習知紅外帶通濾波器之膜層係利用純矽靶進行濺鍍形成，而純矽靶只能使用5-6KW功率進行濺度製程，過大的功率將使純矽靶材造成靶裂現象而無法使用，因此其在濺鍍膜層時需花費較多時間，而使濺鍍效率非常差，進而增加製作之成本(如電費、工時…等)。

3、該習知紅外帶通濾波器之膜層具有較厚之厚 度，所以其鍍設於玻璃基板上時會產生較大的翹曲量，導致在後續之切割製程時易產生嚴重崩角之問題。

有鑒於此，本發明人乃係針對上述之問題，而深入構思，且積極研究改良試做而開發設計出本發明。

本發明之主要目的係在於解決習知紅外帶通濾波器所存在之濺效率低導致製作成本高，以及膜層的翹曲量導致後製切割時易產生崩角等諸多問題。

本發明所述之紅外帶通濾波結構，係由複數氫化矽鋁層及複數較低折射率層交互堆疊形成，該複數較低折射率層係一氧化物，該紅外帶通濾波結構具有800nm至1600nm之波長範圍內至少部分重疊之一通帶，該通帶具有一中心波長，且該中心波長在入射角自0°改變至30°時，在量值上偏移幅度小於11nm。

本發明所述之紅外帶通濾波器，主要係於一基板的第一側面形成上述之紅外帶通濾波結構，於該基板之相反該第一側面的一第二側面上形成有一抗反射層。

本發明所提供之紅外帶通濾波結構及應用該結構之紅外帶通濾波器，其利用該複數氫化矽鋁層及該複數較低折射率層交互堆疊形成之紅外帶濾波結構之通帶的中心波長在入射角自0°改變至30°時會有小於11nm的較小偏移量，因此應用於三維成像系統時不易發生無法識別或識別失敗的問題。尤其是，利用摻雜鋁成分之矽鋁靶製成該氫化矽鋁時係可以比習知利純矽靶 製成氫化矽能多承受2倍以上功率輸出(約10-20KW)，因此可使鍍膜時間至少縮短一半，相對的同時間產量便可以多一倍以上，致使包括整廠生產時間、人力、電力等資源成本也會降低一半，大大提高競爭優勢。而且，該紅外帶通濾波結構的膜層係可藉由鋁成分延展性佳之特性而能製成較小之厚度，所以鍍設於玻璃基板上時較少的膜厚則內應力相對較小，內應力小可以使後續之切割製程減少崩角的情況發生，以提高切割製成之良率，相對的進一步達到降低成本之目的。

10‧‧‧基板

20‧‧‧紅外帶通濾波結構

21‧‧‧氧化矽鋁層

22‧‧‧較低折射率層

30‧‧‧抗反射層

40‧‧‧真空濺射反應鍍膜系統

41‧‧‧滾筒

42‧‧‧鍍膜腔室

43‧‧‧濺射源

44‧‧‧反應源區域

45‧‧‧靶材

第1圖係本發明之紅外帶通濾波器之剖面示意圖。

第2圖係本發明進行鍍膜製程之真空濺射反應鍍膜系統的結構示意圖。

第3圖係本發明之紅外帶通濾波結構之第一實施例的膜層結構示意圖。

第4圖係本發明之紅外帶通濾波結構之第一實施例的光譜圖。

第5圖係本發明之紅外帶通濾波結構之第二實施例之實驗一的膜層結構示意圖。

第6圖係本發明之紅外帶通濾波結構之第二實施例之實驗一的光譜圖。

第7圖係本發明之紅外帶通濾波結構之第二實施例之實驗二的膜層結構示意圖。

第8圖係本發明之紅外帶通濾波結構之第二實施例之實驗二的光譜圖。

第9圖係本發明之紅外帶通濾波結構之第三實施例的膜層結構示意圖。

第10圖係本發明之紅外帶通濾波結構之第三實施例的光譜圖。

第11圖係本發明之紅外帶通濾波結構之可見光反射率實驗的膜層結構圖。

第12圖係本發明之紅外帶通濾波結構之可見光反射率實驗的光譜圖。

第13圖係本發明之紅外帶通濾波結構之可見光反射率實驗的色座標範圍圖。

請參閱第1圖所示，係顯示本發明所述之紅外帶通濾波器包括一基板10、一紅外帶通濾波結構20及一抗反射(AR)層30，其中：該基板10，係為玻璃，且同時具有一第一側面及位於該第一側面相反側之一第二側面。

該紅外帶通濾波結構20，係形成於該基板10的第一側面，由複數氫化矽鋁(SiAl：H)層21及複數較低折射率層22交互堆疊形成，使該紅外帶通濾波結構20具有800nm至1600nm之波長範圍內至少部分重疊之一通帶(passband)，該通帶具有一中心波長，且該中心波長在入射角自0°改變至30°時，在量值(magnitude) 上偏移(shifts)幅度小於11nm(約10.3~10.5nm)。而且，該紅外帶通濾波結構20的厚度為3000~5500nm，在350nm~1600nm之波長範圍內具有高OD值，在800nm至1600nm之波長範圍內具有高穿透率，在可見光範圍時色座標位在Rx Coordinate 0.2~0.5、Ry Coordinate 0.2~0.5處，反射率低於20%。其中該複數氫化矽鋁層21在800nm至1600nm波長範圍內的折射率為3.1~3.6，消光係數為1.E-4~1.E-6，在350nm至700nm波長範圍內的消光係數大於0.005。其中該較低折射率層22係為一氧化物，其包括二氧化矽鋁(SiAl：O₂)、氮化矽鋁(SiAl：N)、氮化矽(SiN)、二氧化矽(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鈦(TiO₂)、五氧化二鈮(Nb₂O₅)、五氧化二鉭(Ta₂O₅)及其混合物中之至少一者。而且，該複數較低折射率層22在800nm至1600nm的波長範圍內的折射率小於1.8，消光係數小於0.0005，在350nm至700nm波長範圍內的消光係數大於0.005。

該抗反射層30，係形成於該基板10的第二側面，其係由複數個高折射率材料氫化矽鋁(SiAl：H)與複數個低折射率材料堆疊而成，該低折射率材料包含二氧化矽鋁(SiAl：O2)、氮化矽鋁(SiAl：N)、氮化矽(SiN)、二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鈦(TiO₂)、五氧化二鈮(Nb₂O₅)、五氧化二鉭(Ta₂O₅)及其混合物中之至少一者，而且厚度為3000nm~6000nm。

請參閱第2圖所示，係指出本發明之氫化矽鋁膜層21的濺鍍製程係在一真空濺射反應鍍膜系統40中進行，其主要係以利用摻雜鋁成分200ppm~1500ppm之多晶噴塗矽圓柱靶或單晶 矽圓柱靶作為濺鍍的靶材45，製作過程為(A)將乾淨的基板10放在滾筒41上，使鍍膜面朝外；(B)使滾筒41在鍍膜腔室42內勻速旋轉；(C)當真空度在10-3至10-4Pa時，開啟濺射源43並通氬氣，氬氣被電離形成等離子體，在電、磁場的作用下轟擊矽鋁靶材45，矽鋁材料被濺射到該基片10上形成矽鋁薄膜；(D)隨著滾筒200的轉動，基片100被帶往反應源(RF/ICP)區域44；(E)反應源區域44通入氫氣、氧氣和氬氣，形成等離子體，在電場的作用下向該基片10高速運動，最終與該基片10上的矽鋁薄膜發生反應，化合成含氫的氫化矽鋁膜層21。其中，在製備高折射率的薄膜時，反應源區域44充入的混合氣體中，通過調節氫氣的比例(流量)，可以製備800nm至1600nm的最高折射率從3.1至4逐漸變化、消光係數可小於0.0005的薄膜。當反應源區域44充入的氣體是氧氣和氬的混合氣體，可製備350nm至1600nm的折射率從1.46至1.7逐漸變化、消光係數可小於0.0005的薄膜。

請參閱第3、4圖所示，係為本發明所述紅外帶通濾波結構之第一實施例(850 bandpass filter)，其係由氫化矽鋁層及二氧化矽鋁層相互推疊共27層而成，相互堆疊厚度約3500nm。其中，該氧化矽鋁層在800nm至1600nm波長範圍內的折射率大於3且接近3.6，消光係數小於0.0005，在350nm至700nm波長範圍內的消光係數大於0.005。該二氧化矽鋁層在800nm至1600nm的波長範圍內的折射率小於1.8，消光係數小於0.0005。堆疊形成之該紅外帶通濾波結構具有800nm至1600nm之波長範圍內至少部分重疊之一 通帶，該通帶之中心波長在入射角自0°改變至30°時偏移幅度小於11nm。其應用於三維成像系統時可提升三維影像解析能力。

請參閱第5、6圖所示，係為本發明所述紅外帶通濾波結構之第二實施例之實驗一(940 bandpass filter)，其係由氫化矽鋁層及二氧化矽鋁層相互推疊共31層而成，相互堆疊厚度約4000nm。其中，該氧化矽鋁層在800nm至1600nm波長範圍內的折射率大於3且接近3.6，消光係數小於0.0005，在350nm至700nm波長範圍內的消光係數大於0.005。該二氧化矽鋁層在800nm至1600nm的波長範圍內的折射率小於1.8，消光係數小於0.0005。堆疊形成之該紅外帶通濾波結構具有800nm至1600nm之波長範圍內至少部分重疊之一通帶，該通帶之中心波長在入射角自0°改變至30°時偏移幅度小於11nm。其應用於三維成像系統時可提升三維影像解析能力。

請參閱第7、8圖所示，係為本發明所述紅外帶通濾波結構之第二實施例之實驗二(940 bandpass filter)，其係由氫化矽鋁層及二氧化矽鋁層相互推疊共35層而成，相互堆疊厚度約4000~550nm。其中，該氧化矽鋁層在800nm至1600nm波長範圍內的折射率大於3且接近3.6，消光係數小於0.0005，在350nm至700nm波長範圍內的消光係數大於0.005。該二氧化矽鋁層在800nm至1600nm的波長範圍內的折射率小於1.8，消光係數小於0.0005。堆疊形成之該紅外帶通濾波結構具有800nm至1600nm之波長範圍內至少部分重疊之一通帶，該通帶之中心波長在入射角自0°改變 至30°時偏移幅度小於11nm，其T90~T10%斜率會優於實例一(實驗一slope小於8實驗二slope小於7)，相同位置OD值也會優於實例一。

請參閱第9、10圖所示，係為本發明所述紅外帶通濾波結構之第三實施例(1064 bandpass filter)，其係由氫化矽鋁層及二氧化矽鋁層相互推疊共33層而成，相互堆疊厚度在5000nm以下。其中，該氧化矽鋁層在800nm至1600nm波長範圍內的折射率大於3且接近3.6，消光係數小於0.0005，在350nm至700nm波長範圍內的消光係數大於0.005。該二氧化矽鋁層在800nm至1600nm的波長範圍內的折射率小於1.8，消光係數小於0.0005。堆疊形成之該紅外帶通濾波結構具有800nm至1600nm之波長範圍內至少部分重疊之一通帶，該通帶之中心波長在入射角自0°改變至7°時偏移幅度小於2nm，在400至1000nm及1120~1600的波長範圍內的通帶入射角從0°改變至7°時，OD>3。

請參閱第11~13圖所示，係為本發明所述紅外帶通濾波結構之可見光反射率實驗，其係由氫化矽鋁層及二氧化矽鋁層相互推疊共37層而成，其在可見光範圍時色座標位在Rx Coordinate 0.2~0.5、Ry Coordinate 0.2~0.5處，反射率低於20%。

本發明所提供之紅外帶通濾波結構及應用該結構之紅外帶通濾波器，係具有以下優點：

1、本發明由該複數氫化矽鋁層21及該複數較低折射率層22交互堆疊形成之紅外帶濾波結構20之通帶的中心波長 在入射角自0°改變至30°時會有小於11nm的較小偏移量(約10.3~10.5nm)，因此應用於三維成像系統時不易發生無法識別或識別失敗的問題。

2、本發明之摻雜鋁成分之矽鋁靶可以比習知純矽靶多承受2倍以上功率輸出(約10-20KW)，因此可使鍍膜時間至少縮短一半，相對的同時間產量便可以多一倍以上，致使包括整廠生產時間、人力、電力等資源成本也會降低一半，大大提高競爭優勢。

3、本發明之膜層可藉由鋁成分延展性佳之特性而能製成較小之厚度，所以鍍設於玻璃基板上時較少的膜厚則內應力相對較小，內應力小可以使後續之切割製程減少崩角的情況發生，以提高切割製成之良率，相對的進一步達到降低成本之目的。

綜上所述，由於本發明具有上述優點及實用價值，而且在同類產品中均未見有類似之產品發表，故已符合發明專利之申請要件，乃爰依法提出申請。

10‧‧‧基板

20‧‧‧紅外帶通濾波結構

21‧‧‧氧化矽鋁層

22‧‧‧較低折射率層

30‧‧‧抗反射層

Claims (16)

1. 一種紅外帶通濾波結構，係由複數氫化矽鋁(SiAl：H)層及複數較低折射率層交互堆疊形成，該複數較低折射率層係一氧化物，該紅外帶通濾波結構具有800nm至1600nm之波長範圍內至少部分重疊之一通帶(passband)，該通帶具有一中心波長，且該中心波長在入射角自0°改變至30°時，在量值(magnitude)上偏移(shifts)幅度小於11nm。
2. 如請求項1所述之紅外帶通濾波結構，其中該紅外帶通濾波結構的厚度為3000~5500nm。
3. 如請求項1所述之紅外帶通濾波結構，其中該紅外帶通濾波結構在350nm~1600nm之波長範圍內具有高OD值，在800nm至1600nm之波長範圍內具有高穿透率。
4. 如請求項1所述之紅外帶通濾波結構，其中該紅外帶通濾波結構在可見光範圍時色座標位在Rx Coordinate 0.2~0.5、Ry Coordinate 0.2~0.5處，反射率低於20%。
5. 如請求項1所述之紅外帶通濾波結構，其中該複數氫化矽鋁層在800nm至1600nm波長範圍內的折射率為3.1~3.6，消光係數為1.E-4~1.E-6，在350nm至700nm波長範圍內的消光係數大於0.005。
6. 如請求項1所述之紅外帶通濾波結構，其中該複數較低折射率層包括二氧化矽鋁(SiA：lO₂)、氮化矽鋁(SiAl：N)、氮化矽(SiN)、二氧化矽(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鈦(TiO₂)、五氧化二鈮 (Nb₂O₅)、五氧化二鉭(Ta₂O₅)及其混合物中之至少一者。
7. 如請求項1所述之紅外帶通濾波結構，其中該複數較低折射率層在800nm至1600nm的波長範圍內的折射率小於1.8，消光係數小於0.0005。
8. 一種紅外帶通濾波器，包括：一基板，係同時具有一第一側面及位於該第一側面相反側之一第二側面；一紅外帶通濾波結構，係形成於該基板的第一側面，由複數氫化矽鋁(SiAl：H)層及複數較低折射率層交互堆疊形成，該複數較低折射率層係為一氧化物，該紅外帶通濾波結構具有800nm至1600nm之波長範圍內至少部分重疊之一通帶(passband)，該通帶具有一中心波長，且該中心波長在入射角自0°改變至30°時，在量值(magnitude)上偏移(shifts)幅度小於11nm；以及一抗反射(AR)層，係形成於該基板的第二側面。
9. 如請求項8所述之紅外帶通濾波器，其中該紅外帶通濾波結構的厚度為3000~5500nm。
10. 如請求項8所述之紅外帶通濾波器，其中該紅外帶通濾波結構在350nm~1600nm之波長範圍內具有高OD值，在800nm至1600nm之波長範圍內具有高穿透率。
11. 如請求項8所述之紅外帶通濾波器，其中該紅外帶通濾波結構在可見光範圍時色座標位在Rx Coordinate 0.2~0.5、Ry Coordinate 0.2~0.5處，反射率低於20%。
12. 如請求項8所述之紅外帶通濾波器，其中該複數氫化矽鋁層在800nm至1600nm波長範圍內的折射率為3.1~3.6，消光係數為1.E-4~1.E-6，在350nm至700nm波長範圍內的消光係數大於0.005。
13. 如請求項8所述之紅外帶通濾波器，其中該複數較低折射率層包括二氧化矽鋁(SiAl：O₂)、氮化矽鋁(SiAl：N)、氮化矽(SiN)、二氧化矽(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鈦(TiO₂)、五氧化二鈮(Nb₂O₅)、五氧化二鉭(Ta₂O₅)及其混合物中之至少一者。
14. 如請求項8所述之紅外帶通濾波器，其中該複數較低折射率層在800nm至1600nm的波長範圍內的折射率小於1.8，消光係數小於0.0005，在350nm至700nm波長範圍內的消光係數大於0.005。
15. 如請求項8所述之紅外帶通濾波器，其中該抗反射層係由複數個高折射率材料氫化矽鋁(SiAl：H)與複數個低折射率材料堆疊而成，該低折射率材料包含二氧化矽鋁(SiAl：O2)、二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鈦(TiO₂)、五氧化二鈮(Nb₂O₅)、五氧化二鉭(Ta₂O₅)及其混合物中之至少一者。
16. 如請求項8所述之紅外帶通濾波器，其中該抗反射層的厚度為3000nm~6000nm。

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