本發(fā)明涉及光學(xué)濾光片，具體涉及一種以玻璃為基材的黑鉻深截止低反射濾光片、該光學(xué)濾光片的制備方法及其在光學(xué)模組領(lǐng)域的應(yīng)用，以及該濾光片的圖形化方法以及得到的圖形化濾光片。

背景技術(shù)：

1、光學(xué)模組是現(xiàn)代科技中不可或缺的重要組成部分，在機(jī)器視覺、安防監(jiān)控和移動設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為了滿足不同場景的需求，通過合理布局，確定模組特定的光學(xué)性能，為人們的生活和工作帶來更多的便利和創(chuàng)新。

2、截止濾光片作為光學(xué)模組中一個重要的光學(xué)元件，通過多層膜的鍍膜技術(shù)來選擇性地反射和吸收特定波長范圍的光線，從而實(shí)現(xiàn)對特定波長的濾波效果。然而，由于光學(xué)材料本身的特性，光在傳播的過程中伴隨著能量損耗，會導(dǎo)致光學(xué)元件的檢測靈敏度差、信噪比降低、像的分辨率下降等問題。低反射膜可有效減小光在傳播過程中的光學(xué)損耗和在界面處的反射光束引起的一些有害效應(yīng)。同時，黑鉻材料可以完全吸收光譜而呈現(xiàn)出黑色。

3、因此，針對在可見光波段有深度截止及低反射需求的光學(xué)元件，可以通過制備黑鉻深截止低反射濾光片來實(shí)現(xiàn)。

4、同時，光刻中的濕法刻蝕工藝使用鉻刻蝕液(高純度硝酸鈰銨溶液)，可精確腐蝕黑鉻薄膜，同時和黑鉻膜表面上的光刻膠不發(fā)生反應(yīng)。黑鉻熱穩(wěn)定性高，與許多常用材料的粘附性良好，可使用黑鉻生產(chǎn)可圖形化的光掩膜、通光光闌等產(chǎn)品。

5、然而，幾乎所有的薄膜都存在較大的應(yīng)力，薄膜應(yīng)力的存在直接影響光學(xué)元件的成品率、穩(wěn)定性和可靠性。在一定范圍內(nèi)，應(yīng)力作用于基材導(dǎo)致基體發(fā)生變形，從而使通過元件傳輸?shù)墓鈱W(xué)信息發(fā)生畸變。因此，控制濾光片的總應(yīng)力，保證元器件的使用性能有著重要的意義。薄膜應(yīng)力的基本公式為：

6、

7、其中，r為薄膜曲率、ds為基材厚度、df為薄膜厚度、es為基材楊氏常量、νs為基材泊松系數(shù)。當(dāng)σf為正時，應(yīng)力為張應(yīng)力。反之，應(yīng)力為壓應(yīng)力。

8、薄膜應(yīng)力一般分為張應(yīng)力和壓應(yīng)力，主要由熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力兩大部分組成。熱應(yīng)力是由薄膜和基材之間的熱膨脹系數(shù)差異引起的。在高溫沉積膜層的條件下，由于薄膜和基材之間的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致鍍膜后的樣品發(fā)生膨脹或收縮。薄膜材料的熱應(yīng)力σf公式為：

9、

10、其中，αs為基材熱膨脹系數(shù)、αf為薄膜熱膨脹系數(shù)、δt為沉積溫度與測量溫度之差、ef為薄膜楊氏常量、νf為薄膜泊松系數(shù)。

11、內(nèi)應(yīng)力則非常復(fù)雜，不僅與膜料本身特性有關(guān)，而且受鍍膜過程中工藝參數(shù)的影響。鍍膜過程中的沉積速率、膜層厚度，基底溫度等工藝參數(shù)決定薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷，進(jìn)而影響薄膜中應(yīng)力的大小，甚至改變應(yīng)力的性質(zhì)。

12、現(xiàn)有技術(shù)如申請?zhí)枮?02410285018.4的中國發(fā)明專利公開了一種黑膜的制備方法以及黑膜、電子產(chǎn)品，其采用磁控濺射法在玻璃表面制備多層硅氮?dú)鋵右约岸鄬佣趸鑼拥玫胶谀?，其?00-700nm波段平均透射率小于1％。該方法制備的黑膜對可見光的截止深度僅為od2，且不能做到圖形化。

13、又如申請?zhí)枮?01911296593.x的中國發(fā)明專利公開了一種可圖形化的寬波段吸收器件及其制備方法，其采用真空蒸鍍法依次在基材硅片上沉積金屬吸收層cr、介質(zhì)-金屬膜堆cr2o3-cr以及保護(hù)層sio2，接著對復(fù)合膜層依次進(jìn)行光刻膠旋涂、曝光、顯影后，將掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，以實(shí)現(xiàn)圖形化。其膜系設(shè)計專注于對寬波段光譜的吸收，在可見光波段380-780nm波段的平均吸收率為99.6％。保護(hù)層sio2起保護(hù)作用，為了保護(hù)吸收層cr和介質(zhì)-金屬膜堆cr2o3-cr不被外界環(huán)境影響。但是該吸收器件的截止深度小于od3，無法達(dá)到od4，且未對膜層應(yīng)力影響器件的形變問題進(jìn)行說明。

14、以上背景技術(shù)內(nèi)容的公開僅用于輔助理解本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思及技術(shù)方案，其并不必然屬于本專利申請的現(xiàn)有技術(shù)，在沒有明確的證據(jù)表明上述內(nèi)容在本專利申請的申請日以前已經(jīng)公開的情況下，上述背景技術(shù)不應(yīng)當(dāng)用于評價本技術(shù)的新穎性和創(chuàng)造性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明公開了一種改進(jìn)的濾光片，能夠減少濾光片的翹曲。

2、一種濾光片，依次包括應(yīng)力平衡膜層、光學(xué)膜層和基材，所述應(yīng)力平衡膜層和光學(xué)膜層位于所述基材的同一側(cè)且光學(xué)膜層位于所述應(yīng)力平衡膜層和基材之間，所述應(yīng)力平衡膜層用于平衡所述光學(xué)膜層的應(yīng)力對濾光片造成的影響。

3、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，所述光學(xué)膜層呈現(xiàn)的應(yīng)力為張應(yīng)力或壓應(yīng)力中的一種；所述應(yīng)力平衡膜層呈現(xiàn)的應(yīng)力為張應(yīng)力或壓應(yīng)力中剩余的另一種。即，所述光學(xué)膜層呈現(xiàn)的應(yīng)力和所述應(yīng)力平衡膜層呈現(xiàn)的應(yīng)力相反。具體為：當(dāng)光學(xué)膜層呈現(xiàn)的應(yīng)力為張應(yīng)力時，應(yīng)力平衡膜層呈現(xiàn)的應(yīng)力為壓應(yīng)力；當(dāng)光學(xué)膜層呈現(xiàn)的應(yīng)力為壓應(yīng)力時，應(yīng)力平衡膜層呈現(xiàn)的應(yīng)力為張應(yīng)力，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力平衡膜層的應(yīng)力平衡效果。

4、優(yōu)選地，所述光學(xué)膜層呈現(xiàn)為張應(yīng)力；所述應(yīng)力平衡膜層呈現(xiàn)為壓應(yīng)力。

5、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，所述應(yīng)力平衡膜層的壓應(yīng)力用于減小所述光學(xué)膜層的張應(yīng)力對濾光片造成的形變問題，如翹曲。

6、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，所述濾光片的最大翹曲值小于0.5mm，在420-750nm波段具有od＜4的深截止和低于2.0％的反射率。

7、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，優(yōu)選在光學(xué)膜層厚度一定的前提下，基材厚度越小，應(yīng)力平衡膜層的厚度越大，以更好地進(jìn)行應(yīng)力平衡。同時，基材厚度一定的前提下，光學(xué)膜層厚度越大，應(yīng)力平衡膜層的厚度相應(yīng)越大。

8、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，光學(xué)膜層為可見光截止及低反射光學(xué)膜層，具體為深截止低反射光學(xué)膜層，更優(yōu)選為黑鉻(blcr)膜，由cr膜和cr2o3膜交替沉積后形成，且最靠近玻璃基材的一層為cr2o3膜層，實(shí)現(xiàn)低反射，沉積在玻璃基底上的黑鉻呈現(xiàn)為張應(yīng)力。深截止低反射光學(xué)膜層由金屬cr的吸收性以達(dá)成深截止的效果，截止可達(dá)od4。cr2o3膜層與基底之間具有良好的附著性，成膜效果好且不易脫落。

9、優(yōu)選地，光學(xué)薄膜cr和cr2o3通過真空蒸鍍鍍膜或磁控濺射鍍膜工藝。其中，更優(yōu)選具有較高沉積速率和較低成本的真空蒸鍍。

10、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，所述光學(xué)膜層中的總層數(shù)為6-9層，由cr和cr2o3交替沉積后形成，且最靠近玻璃基材的一層為cr2o3膜層，膜層總厚度為0.3-0.5um，cr和cr2o3的膜厚比為0.8-1.2。

11、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，所述應(yīng)力平衡膜層為sio2膜層，厚度為300-700nm。sio2膜呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，有效平衡黑鉻膜的張應(yīng)力，減小濾光片的翹曲，保證濾光片性能的穩(wěn)定性，使得濾光片最大翹曲值小于0.5mm。

12、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，所述光學(xué)膜層厚度和應(yīng)力平衡膜層的厚度比為0.8-1.5。

13、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，所述基材為玻璃，厚度為0.05-0.35mm，優(yōu)選為白玻璃。

14、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，所述光學(xué)膜層光譜在入射角為0°的情況下，在420-750nm波長范圍內(nèi)的最大透過率小于0.025％，優(yōu)選的小于0.015％，更優(yōu)選的小于0.01％。

15、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，所述光學(xué)膜層光譜在入射角為5°的情況下，在420-750nm波長范圍內(nèi)的反射率(此處為背反射率、光線從非鍍膜面入射)平均小于3.0％，優(yōu)選的小于2.5％，更優(yōu)選的小于2.0％。

16、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，所述的濾光片在420-750nm波段具有o?d＜4的深截止。

17、本發(fā)明還提供了一種如上所述的濾光片的制備方法，包括如下步驟：

18、先在基材的表面沉積光學(xué)膜層，之后在光學(xué)膜層遠(yuǎn)離所述基材的表面繼續(xù)鍍制應(yīng)力平衡膜層，得到所述濾光片；所述光學(xué)膜層呈現(xiàn)的應(yīng)力和所述應(yīng)力平衡膜層呈現(xiàn)的應(yīng)力相反。

19、具體的，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，如上所述的濾光片的制備方法包括如下步驟：

20、一、膜系設(shè)計

21、根據(jù)所需深截止(超低透過率)和反射率的要求，對濾光片進(jìn)行模擬仿真，優(yōu)化各層薄膜的厚度，以設(shè)計獲得所需波段的深截止低反射濾光片。具體的，可以通過膜系設(shè)計軟件essential?macleod或tfcalc對濾光片進(jìn)行模擬，進(jìn)而優(yōu)化介質(zhì)-金屬膜堆的結(jié)構(gòu)及膜層厚度。

22、二、玻璃預(yù)處理

23、對玻璃基材進(jìn)行清洗預(yù)處理。為保證玻璃表面的潔凈度，防止表面臟污影響薄膜的均勻性及其光學(xué)性能。

24、首先，將玻璃依次放置在脫膜劑內(nèi)超聲波清洗3min，去離子水漂洗去除脫膜劑，漂洗后過清洗劑清洗3分鐘，去離子水漂洗去除清洗劑，最后將清洗完成的玻璃放入離心機(jī)，進(jìn)行甩干處理。

25、三、制備光學(xué)膜層和應(yīng)力平衡層

26、在玻璃基材的表面交替沉積cr和cr2o3膜層，且最靠近玻璃基材的一層為cr2o3膜層，制備深截止低反射的光學(xué)膜層。

27、采用真空蒸鍍法鍍膜，按照膜系設(shè)計的各層薄膜的厚度，在9×10-4pa氣壓的真空條件下依次沉積可見光截止及低反射光學(xué)膜層和平衡應(yīng)力層，薄膜厚度均選用石英晶振監(jiān)控，得到所需要波段的深截止低反射濾光片。

28、在深截止低反射光學(xué)膜層的表面繼續(xù)鍍制的sio2，以達(dá)到平衡應(yīng)力的效果，降低或消除濾光片的翹曲，并制備得到黑鉻深截止低反射濾光片。

29、本發(fā)明還提供了一種如上所述的濾光片在成像模組或光刻圖形化的掩膜板中的應(yīng)用，具體的，如作為通光光闌應(yīng)用于傳感器模組、光學(xué)鏡頭模組等，也可用于光刻圖形化的掩膜板等。光學(xué)膜層由cr和cr2o3構(gòu)成，cr和cr2o3被鉻刻蝕液刻蝕后，極易溶于水，因此，可制備圖形化黑鉻膜層。

30、本發(fā)明還提供了一種如上所述的濾光片進(jìn)行圖形化的方法和制備得到的圖形化濾光片，可用于光學(xué)模組。

31、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方面，濾光片進(jìn)行圖形化的方法具體包括如下步驟：

32、在上述的濾光片上旋涂光刻膠；

33、曝光；

34、之后進(jìn)行顯影；

35、去除對應(yīng)位置的平衡應(yīng)力層和光學(xué)膜層；

36、去除剩余的光刻膠，得到圖形化濾光片。

37、深截止低反射膜層具有超低透過率、低反射率的特點(diǎn)。當(dāng)光由空氣介質(zhì)照射到膜層表面時部分波段的光幾乎沒有透過，入射光被高效截止；當(dāng)光從玻璃界面(非鍍膜面)入射到膜層表面時，部分波段的光被吸收和干涉，減少或消除光在傳播過程中的光學(xué)損耗和在界面處的反射光引起的一些有害效應(yīng)；使用黑鉻材料制備光學(xué)膜層，可使用鉻刻蝕液腐蝕黑鉻膜層，通過光刻流程制備圖形化深截止低反射的濾光片。但是真空蒸鍍制備的黑鉻膜層沉積在白?；谋砻鎸?dǎo)致基體變形，過大的應(yīng)力將導(dǎo)致薄膜的表面破損，性能下降。本發(fā)明使用不同應(yīng)力性質(zhì)的薄膜材料，平衡黑鉻膜層應(yīng)力對基體的影響，保證濾光片的使用性能。

38、具體的，本發(fā)明通過真空蒸鍍技術(shù)在白玻璃基材表面沉積深截止低反射的光學(xué)膜層，在光學(xué)膜層后繼續(xù)沉積平衡應(yīng)力膜層，減小濾光片的翹曲，保證其平整度。上述光學(xué)膜層及平衡應(yīng)力膜層均位于玻璃同一表面。

39、本發(fā)明的原理如下：因黑鉻對太陽光波段具體高吸收的特點(diǎn)，對于可見光波段的深截止需求，介質(zhì)-金屬膜堆的結(jié)構(gòu)選用介質(zhì)膜cr2o3和金屬膜cr組成，黑鉻膜層綜合應(yīng)力呈現(xiàn)為張應(yīng)力，濾光片發(fā)生嚴(yán)重翹曲，平整度受損，影響產(chǎn)品質(zhì)量。黑鉻膜層的熱膨脹系數(shù)小于玻璃的熱膨脹系數(shù)，由公式2可以計算出，黑鉻膜層的熱應(yīng)力為壓應(yīng)力，結(jié)果與黑膜膜層最終呈現(xiàn)的應(yīng)力性質(zhì)相駁。這是因?yàn)楸∧?yīng)力是熱應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力相互作用的結(jié)果，在白?；纳险婵照翦冎苽涞暮阢t薄膜表面致密性差，內(nèi)應(yīng)力呈現(xiàn)為張應(yīng)力，且占有主導(dǎo)影響。

40、sio2薄膜綜合應(yīng)力呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，采用sio2作為平衡應(yīng)力層，有效平衡黑鉻膜的張應(yīng)力，減小濾光片的翹曲，保證其平整度。sio2薄膜的熱膨脹系數(shù)小于黑鉻的熱膨脹系數(shù)，由公式2可以計算出，sio2膜層的熱應(yīng)力為壓應(yīng)力。同時真空蒸鍍制備的sio2薄膜表面致密性好，內(nèi)應(yīng)力也呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，可以有效平衡黑鉻膜層的張應(yīng)力。即本技術(shù)在深截止低反射光學(xué)膜層的表面鍍制合適厚度的sio2，降低或消除濾光片的翹曲，保證濾光片的平整度。

41、相比于傳統(tǒng)的濾光片，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的濾光片，通過設(shè)置應(yīng)力結(jié)果相反的光學(xué)膜層和應(yīng)力平衡膜層，使得應(yīng)力平衡膜層平衡光學(xué)膜層的應(yīng)力對濾光片造成的影響，有效提升濾光片的光學(xué)參數(shù)和效果。