CN103018812B - 用于体感识别系统的近红外窄带滤光片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于体感识别系统的近红外窄带滤光片，包括基板和分别位于基板两相背表面的窄带滤光片主膜系和截止膜系，窄带滤光片主膜系和截止膜系均分别由高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠而成，所述高折射率膜层和低折射率膜层通过真空镀膜方法沉积形成；窄带滤光片主膜系的通带中心波长与体感识别系统红外发射光源中心波长一致。本发明采用单一基板，通过双面真空镀膜叠加主膜系和截止膜系的方案，实现了体感识别系统窄带滤光片截止宽度大、中心波长透过率高和矩形化程度好的特性；降低了滤光片厚度；有效防止由于膜层应力而引起基板翘曲、变形；无需使用光学胶粘剂，避免多次反射，能够适用不同温度环境。

Description

用于体感识别系统的近红外窄带滤光片

技术领域

本发明涉及滤光片，尤其涉及一种用于体感识别系统的近红外窄带滤光片。

背景技术

体感识别技术随着微软Xbox360 Kinect体感系统的热卖，引起广泛关注。随着体感识别系统不断深入的开发，未来体感识别将在工业制造、人机交互、娱乐、多媒体、游戏应用、购物等各个领域获得广泛的应用。目前体感识别系统一般是采用光学成像方式，由红外光源、3D景深探测器、RGB图像探测器组成，其中最为关键的就是3D景深探测器部分，该部分是用来提取红外发射器发射的红外光线照射的动作体，其反射光被3D景深探测器通过景深摄像头来来获取，以此来捕捉人身体各部分骨骼动作的深度信息，转化为信息指令，实现人与软体、设备的实时互动。体感互动令人机交互跳脱了手柄、遥杆，鼠标或者遥控器的限制，令用户本身成为遥控器，实现真正的个性化人机互动。为了保证对人体动作的准确识别，要求对信号光的探测要非常精确，3D景深探测器要具有很强的抗干扰能力。窄带滤光片主要是用来隔离干扰光，透过信号光，充分突显有用信息，减小干扰信息，为后续的图像处理和识别奠定基础。在体感识别系统中，红外发射器发生一般采用激光二极管发射808nm、828nm或红外LED发射830nm、850nm、870nm或940nm或位于该波段内的红外光线。目前常见的为体感系统使用的828nm LD（即激光二极管）和850nmLED作为红外发射器。景深探测器有效工作波段一般在400nm-1100nm区间，这样就要通过窄带滤光片将位于400nm-1100nm区间内除信号光以外的其他波段光谱全部抑制掉。

与体感系统采用的红外窄带滤光片具有相似功能的是目前用于人脸识别或指纹、生物识别方面的红外滤光片，其主要功能都是用来提取信号光，有效抑制可见光和信号光之外的近红外光。专利号为“ZL200710304305.1”，发明名称为“用于人脸识别的红外滤光片及其制作方法”的中国发明专利中所列出的采用红外玻璃结合镀膜方法制作的红外滤光片具有窄带和高截止深度，但该专利采用红外透射玻璃的厚度达到3-9毫米，对于当前体感识别系统微小镜头来说，这种方法制作的滤光片太厚，无法满足要求。专利号为“ZL201020248861.9”，名称为“一种用于人脸识别的红外滤光片”的实用新型专利所列出的采用在透明玻璃基板镀制规整的主带通滤光片膜系，再胶合红外透过玻璃或胶合红外通过的长波通滤光片的方法，虽然也实现了通带矩形化程度好，截止深度高的特点，但采用胶合的方法，滤光片整体厚度很难做到小于1mm的量级，而且玻璃基板胶合时会产生多个内界面，从而产生多次反射，对成像系统影响较大，同时使用胶粘剂，其抗环境稳定性会较差，特别是在温度变化较大的场所。现代的摄像头产品，对体积要求越来越小，对成像质量，色彩还原要求越来越高，而内嵌于CMOS景深探测器前的红外窄带滤光片，一般厚度要求只有0.3mm-0.75mm，如此薄的基板厚度空间，如果采用红外玻璃结合镀膜的方法或是采用白玻璃镀膜后再胶合红外玻璃的方法，都无法实现在超薄基板厚度条件下达到很高的窄带滤光的效果。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种在单一薄基板上实现宽截止范围的用于体感识别系统的近红外窄带滤光片。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种用于体感识别系统的近红外窄带滤光片，包括基板和分别位于所述基板两相背表面的窄带滤光片主膜系和截止膜系，所述窄带滤光片主膜系和截止膜系均分别由高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠而成，所述高折射率膜层和低折射率膜层通过真空镀膜方法沉积形成；所述窄带滤光片主膜系的通带中心波长与体感识别系统红外发射光源中心波长一致。

其中，所述窄带滤光片主膜系为长波通膜堆和短波通膜堆叠加的结构，所述窄带滤光片主膜系的通带中心波长为850nm，通带宽度为20nm~50nm。

其中，所述长波通膜堆由多个结构形式为0.5HL0.5H的基本膜堆叠加而成，所述短波通膜堆由多个结构形式为0.5LH0.5L的基本膜堆叠加而成，其中，H代表高折射率膜层，L代表低折射率膜层。

其中，所述窄带滤光片主膜系的总膜层数为40层~55层。

其中，所述截止膜系为长波通膜堆结构，所述截止膜系的截止范围为400nm~630nm，通带范围为750nm～1000nm。

其中，所述长波通膜堆由多个结构形式为0.5HL0.5H的基本膜堆叠加而成，其中，H代表高折射率膜层，L代表低折射率膜层。

其中，所述截止膜系的总膜层数为30层~45层。

其中，所述基板为透明玻璃基板，厚度为0.3mm~0.75mm。

其中，所述高折射率膜层的材料为TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅中的一种或几种的混合，所述低折射率膜层的材料为SiO₂或MgF₂。

本发明的有益效果是：本发明所提供的用于体感识别系统的近红外窄带滤光片采用单一基板，通过双面叠加窄带滤光片主膜系和截止膜系的方案，实现了体感识别系统窄带滤光片截止宽度大、中心波长透过率高和矩形化程度好的特性。采用单一基板，避免使用较厚的红外光学玻璃，降低了滤光片厚度。基板采用双面真空镀膜的办法形成基板两个表面的膜系，由于选用同种薄膜材料和生产工艺，两个膜堆所应起的应力也相接近，这样在基板两面实现应力相互平衡，最大程度减小由于应力而引起的形变，有效防止超薄玻璃基板由于膜层应力而引起翘曲、变形。滤光片中无需使用光学胶粘剂，避免多次反射，且无需担心由于温度引起光学胶粘剂性能变化，使得该近红外窄带滤光片能够适用不同温度环境。

附图说明

图1是本发明用于体感识别系统的近红外窄带滤光片的结构示意图；

图2是本发明近红外窄带滤光片一实施例中窄带滤光片主膜系的光谱示意图；

图3是本发明近红外窄带滤光片一实施例中截止膜系的光谱示意图；

图4是本发明近红外窄带滤光片一实施例的光谱示意图。

标号说明：

10、基板；20、窄带滤光片主膜系；21、高折射率膜层；22、低折射率膜层；30、截止膜系；31、高折射率膜层；32、低折射率膜层。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，本实施方式提供一种用于体感识别系统的近红外窄带滤光片，包括基板10和分别位于基板10两相背表面的窄带滤光片主膜系20和截止膜系30。基板10构成滤光片的主体结构，采用超薄的透明玻璃基板，材料为普通光学透明玻璃，厚度在0.3mm~0.75mm之间，常用规格为0.3mm、0.55mm和0.7mm，具体根据实际的需要选用。

窄带滤光片主膜系20由高折射率膜层21和低折射率膜层22交替堆叠而成，截止膜系30同样由高折射率膜层31和低折射率膜层32交替堆叠而成，各膜层通过真空镀膜方法依次沉积而形成。其中，高折射率膜层21、31的材料为TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅中的一种或几种的混合，所述低折射率膜层22、32的材料为SiO₂或MgF₂。对于同一滤光片，窄带滤光片主膜系20和截止膜系30中高折射率膜层21、31的材料相同，低折射率膜层22、32的材料相同。

对于本发明中的近红外窄带滤光片，窄带滤光片主膜系20的通带中心波长与体感识别系统红外发射光源中心波长一致。窄带滤光片主膜系20主要是使体感识别系统红外发射光源中心波长的光通过，但是受其本身结构影响，在可见光部分波长范围会出现旁漏区域，即部分可见光可透过窄带滤光片主膜系20；截止膜系30则主要是使可见光截止而红外波段透过。本发明的近红外窄带滤光片的截止范围由窄带滤光片主膜系20的截止波长区间和截止膜系30截止波长区间共同实现，通带范围由窄带滤光片主膜系20的通带和截止膜系30的通带共同实现，因此可以得到较宽的截止范围。

本发明所提供的用于体感识别系统的近红外窄带滤光片采用单一基板，通过双面叠加窄带滤光片主膜系和截止膜系的方案，实现了体感识别系统窄带滤光片截止宽度大、中心波长透过率高和矩形化程度好的特性。采用单一基板，避免使用较厚的红外光学玻璃，降低了滤光片厚度。基板采用双面真空镀膜的办法形成基板两个表面的膜系，由于选用同种薄膜材料和生产工艺，两个膜堆所应起的应力也相接近，这样在基板两面实现应力相互平衡，最大程度减小由于应力而引起的形变，有效防止超薄玻璃基板由于膜层应力而引起翘曲、变形。滤光片中无需使用光学胶粘剂，避免多次反射，且无需担心由于温度引起光学胶粘剂性能变化，使得该近红外窄带滤光片能够适用不同温度环境。

所述窄带滤光片主膜系20为中心波长为红外光发生器中心波长的窄带滤光片结构，典型波长为位于800nm~950nm范围内的LD或LED发生波长，常见为850mm。所述窄带滤光片主膜系20采用长波通膜堆和短波通膜堆叠加的结构，实现通带中心波长为850nm，通带宽度为20nm~50nm的窄带滤光片。总膜层数根据通带带宽的不同，典型设计在40层~55层之间。其中，长波通膜堆结构为（0.5HL0.5H)^S，即由多个结构形式为0.5HL0.5H的基本膜堆叠加而成；短波通膜堆结构为（0.5LH0.5L）^S，即由多个结构形式为0.5LH0.5L的基本膜堆叠加而成；其中，H代表高折射率膜层，L代表低折射率膜层，S代表基本膜堆的周期数。

所述截止膜系30为截止范围在400nm~630nm、通带范围在750nm~1000nm的长波通膜堆结构，以保证该截止膜系30在近红外部分不会影响窄带滤光片主膜系20的近红外850nm或相应波长的透过率要求，根据截止深度要求，截止膜系30的总膜层数在30层到45层之间。其中，长波通膜堆结构为（0.5HL0.5H)^S，即由多个结构形式为0.5HL0.5H的基本膜堆叠加而成，H代表高折射率膜层，L代表低折射率膜层，S代表基本膜堆的周期数。

参阅图2，在一实施例中，窄带滤光片主膜系20采用长波通膜堆和短波通膜堆叠加的结构，实现在850nm中心波长、20nm通带宽度的窄带滤光片，基本膜堆结构为长波通（0.5HL0.5H)^12和短波通（0.5LH0.5L）^12叠加形成，其中H代表高折射率膜层，采用TiO₂，L代表低折射率膜层，采用SiO₂；对于通带波纹，通过通带光学导纳匹配做进一步优化后，获得通带波纹小，矩形化程度高的窄带滤光片。由图2中可以看到，该主膜系虽然实现了850nm中心透过，其他光谱范围截止，但有效截止区间只覆盖在850nm相近区域，在该例中，由图2可知，其截止区间为640nm~800nm和900nm~1100nm，在400nm~640nm出现旁漏区域，而对于体感识别系统CMOS景深探测器，其响应区间在400nm~1100nm，所以单独依靠该主膜系是无法满足宽截止区抑制要求的。

参阅图3，本实施例提供一种截止膜系，该截止膜系实现了400nm~640nm范围截止，750nm~1000nm透过的光谱要求，可以保证该截止膜系在近红外部分不会影响主膜系在近红外850nm或相应波长的透过率要求，基本膜堆结构为长波通（0.5HL0.5H)^18，根据截止深度要求，该膜系总的膜层数为37层，总物理厚度为2.7微米。

如将图2中窄带滤光片主膜系和图3中截止膜系分别形成于基板两相背表面以构成本发明所述的用于体感识别系统的近红外窄带滤光片，其光谱透过率曲线如图4所示，由图可知，所述近红外窄带滤光片的短波截止范围是由主膜系的短波截止波长区间和截止膜系的截止波长区间共同实现，通带范围是由主膜系的窄带通带和截止膜系的长波通带共同实现，长波截止范围是由主膜系的长波截止区间和截止膜系的通带构成。叠加后的光谱，在400nm~825nm区间实现了全部截止，在875nm~1100nm则由主膜系的截止区间所覆盖仍然实现截止，很明显，通过主膜系和截止膜系的叠加，除了中心波长相邻的通带范围内，其他区间的光可被全部截止，用于体感识别系统时，可有效去除其他波长的光对信号光检测的影响，提高体感识别系统的识别准确性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于体感识别系统的近红外窄带滤光片，其特征在于，包括基板和分别位于所述基板两相背表面的窄带滤光片主膜系和截止膜系，所述窄带滤光片主膜系和截止膜系均分别由高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠而成，所述高折射率膜层和低折射率膜层通过真空镀膜方法沉积形成；所述窄带滤光片主膜系的通带中心波长与体感识别系统红外发射光源中心波长一致；

所述窄带滤光片主膜系为长波通膜堆和短波通膜堆叠加的结构，所述窄带滤光片主膜系的通带中心波长为850nm，通带宽度为20nm～50nm；

所述截止膜系为长波通膜堆结构，所述截止膜系的截止范围为400nm～630nm，通带范围为750nm～1000nm；

所述长波通膜堆由多个结构形式为0.5HL0.5H的基本膜堆叠加而成，所述短波通膜堆由多个结构形式为0.5LH0.5L的基本膜堆叠加而成，其中，H代表高折射率膜层，L代表低折射率膜层；

所述窄带滤光片主膜系的总膜层数为40层～55层，所述截止膜系的总膜层数为30层～45层。

2.根据权利要求1所述的用于体感识别系统的近红外窄带滤光片，其特征在于：所述基板为透明玻璃基板，厚度为0.3mm～0.75mm。

3.根据权利要求1所述的用于体感识别系统的近红外窄带滤光片，其特征在于：所述高折射率膜层的材料为TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅中的一种或几种的混合，所述低折射率膜层的材料为SiO₂或MgF₂。