一文帶你認識光學(xué)濾光片所有知識
光學(xué)濾光片是一種用來(lái)選取所需輻射波段的光學(xué)器件,濾除不需要范圍波長(cháng)的光。從而達到對光的濾波處理。
一、工作原理
濾光片的工作原理主要基于光的吸收、干涉和衍射等光學(xué)現象。
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吸收型濾光片:利用特定材料對光的吸收特性來(lái)實(shí)現濾波。光線(xiàn)穿過(guò)濾光片時(shí),其內部材料會(huì )吸收某些波長(cháng)的光,而允許其他波長(cháng)的光通過(guò)。通過(guò)選擇性吸收達到濾除其他不需要的光,只允許特定波長(cháng)的光通過(guò)。
干涉型濾光片:則是利用多層薄膜的光學(xué)干涉效應,使特定波長(cháng)的光在薄膜內發(fā)生多次反射和折射,從而實(shí)現對光的選擇性濾波。當光線(xiàn)經(jīng)過(guò)時(shí),不同波長(cháng)的光在薄膜之間發(fā)生多次反射和折射,產(chǎn)生干涉現象。通過(guò)精確控制薄膜的厚度和折射率,可以使得特定波長(cháng)的光在干涉過(guò)程中相互增強,而其他波長(cháng)的光相互抵消,從而實(shí)現特定波段的濾波。這種原理使得干涉型濾光片具有高透射率、高阻斷度和寬波長(cháng)范圍的特點(diǎn)。
衍射型濾光片:利用光的衍射原理來(lái)工作。通過(guò)在濾光片表面刻劃特定的圖案或結構,使得光在通過(guò)時(shí)發(fā)生衍射,實(shí)現對特定波長(cháng)的選擇。這種濾光片通常具有極高的波長(cháng)分辨率和靈活性,能夠實(shí)現對光的精確控制。
二、濾光片分類(lèi)
根據光譜波段分為,紫外濾光片、可見(jiàn)濾光片和紅外濾光片。
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按光譜特性分為帶通濾光片、截止濾光片、陷波濾光片、
帶通濾光片又細分為窄帶帶通濾光片與寬帶帶通濾光片。
截止濾光片又分為長(cháng)波截止短波通濾光片和短波截止長(cháng)波通濾光片。
按功能特性分為:吸收濾光片、反射濾光片、分光濾光片、中性密度濾光片、偏振濾光片等。
按膜層材料分為軟膜濾光片和硬膜濾光片。
1.光譜特性分類(lèi)
紫外濾光片是一種特殊的光學(xué)元件,紫外濾光片常用于過(guò)濾掉紫外的某個(gè)范圍波長(cháng),也可用于提取某個(gè)波段范圍內的波長(cháng),它的主要工作原理是依賴(lài)于濾光片材料對紫外線(xiàn)的吸收特性。當光線(xiàn)通過(guò)紫外濾光片時(shí),特定波長(cháng)的紫外線(xiàn)會(huì )被吸收,而其他波長(cháng)的光則得以透過(guò)。
(紫外濾光片)
可見(jiàn)光濾光片的應用范圍非常廣泛,常見(jiàn)的帶通濾光片在其應用非常廣泛,其原因是基于濾光片膜層的特殊性,用于限制紫外光和紅外光,同時(shí)通過(guò)篩選可見(jiàn)光的特定范圍,如,用于截止紅外光的紅外截止片,可用于監控;如用于提取某個(gè)色光波段的舞臺燈光、液晶顯示器等,用于攝影的濾色片,用于醫療檢測的生物熒光分析等應用,還可用于眼睛保護,用于阻擋有害藍光的眼鏡,其工作原理主要基于光的吸收、干涉和反射。當光線(xiàn)通過(guò)濾光片時(shí),其中一部分光線(xiàn)會(huì )被吸收或反射,而另一部分光線(xiàn)則會(huì )透過(guò)濾光片,從而改變可見(jiàn)光的波長(cháng)和顏色。
(可見(jiàn)光窄帶濾光片)
紅外濾光片是一種能夠只透過(guò)紅外光,而阻擋可見(jiàn)光和紫外光的光學(xué)器件,主要用于篩選出特定波長(cháng)范圍的紅外光線(xiàn)的光學(xué)器件,利用光線(xiàn)的反射和吸收作用,實(shí)現特定波長(cháng)范圍的紅外光的透過(guò)和篩選,通常由特殊的材料制成,一般常見(jiàn)應用為紅外長(cháng)波通和紅外帶通濾光片,常見(jiàn)的基材包括硅、鍺、氟化鎂、氟化鈣、藍寶石等。這些材料被設計成具有特定的光譜特性,使其對紅外光波具有高透射性,對其他波長(cháng)尤其是可見(jiàn)光波長(cháng)的光具有高反射性或吸收性。
(激埃特1150nm紅外帶通濾光片)
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2.光譜特性分類(lèi)
帶通濾光片主要基于法布里-珀羅腔的相長(cháng)干涉條件,這使得中心波長(cháng)和中心波長(cháng)兩側小范圍內的光能夠有效地透射,而通帶外的光則會(huì )被阻止透射。中心波長(cháng)兩側的截止帶寬可能相對較小。為了增加濾波器的截止帶寬,有時(shí)會(huì )在墊片或基板上鍍一層寬帶截止材料,但這可能會(huì )降低濾光片通帶的透過(guò)率。
帶通濾光片屬于鍍膜濾光片的一種,特性較多,一般按光譜圖特性,分單帶通、多帶通,與帶通濾光片相反光譜特性的濾光片便是陷波濾光片,也叫負性濾光片。帶通濾光片按通帶帶寬一般為窄帶濾光片與寬帶濾光片。
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單帶通濾光片與多帶通濾光片的最明顯的區別便是帶通數量的區別,多帶通濾光片具有高峰值透射率和較深的截止,從而有效地抑制了光暈和溫漂,可以在任何應用中產(chǎn)生最大亮度和對比度,一般有雙帶通、三帶通、四帶通、五帶通等。
陷波濾光片(也叫負性濾光片)與帶通濾光光譜相反,主要功能便是透射大部分波長(cháng),只針對特定波長(cháng)范圍內(我們也叫阻帶)的光衰減到很低水平。
寬帶濾光片屬于帶通濾光片的一個(gè)細分,具有相對較寬的透過(guò)頻率范圍。其設計目的是選擇更寬范圍的光波,允許較大范圍內的頻率通過(guò),同時(shí)阻擋超出該范圍的光波。寬帶濾光片通常具有較高的透過(guò)率,但相對較低的阻擋能力,這是因為其目標是傳遞更廣泛的頻率范圍而不是選擇特定的頻率。
窄帶濾光片作為從帶通濾光片細分出來(lái)的一個(gè)種類(lèi),其定義與帶通濾光片相同,都是僅允許特定波段的光通過(guò),而偏離該波段以外的光信號會(huì )被阻止,窄帶濾光片具備較窄的通帶,一般在中心波長(cháng)值5%以下。窄帶相比于寬帶擁有較低的半帶寬,一般半帶寬在30nm左右及以下。
截止濾光片,指能從復合光中濾掉全部長(cháng)波或短波而僅保留所需波段范圍的濾光片,一般分為短波截止濾光片(長(cháng)波通濾光片)和長(cháng)波截止濾光片(短波通濾光片)兩種。其原理主要基于光學(xué)膜的干涉效應以及特定波長(cháng)的光波在濾光片上的透射和反射特性。截止濾光片通常包含多層膜設計,這些膜層具有特定的折射系數和厚度,當光線(xiàn)通過(guò)濾光片時(shí),由于不同波長(cháng)的光在濾光片各層間的干涉作用,某些波長(cháng)的光會(huì )被反射,而另一些波長(cháng)的光則會(huì )透射過(guò)去,這使得在特定波長(cháng)下,光線(xiàn)的傳輸可以被最大程度地減少或完全消除。
短波通濾光片(長(cháng)波截止片),簡(jiǎn)單說(shuō)就是短波通過(guò),長(cháng)波截止。由多層光學(xué)薄膜構成的,這些薄膜具有不同的折射率和厚度,主要用于傳輸較短波長(cháng)的光并阻止較長(cháng)波長(cháng)的光通過(guò),其原理是基于光波與濾光片膜層之間的相互作用,特別是利用光學(xué)薄膜的干涉效應來(lái)實(shí)現對光波波長(cháng)的選擇性透過(guò),當光線(xiàn)通過(guò)濾光片時(shí),不同波長(cháng)的光波在膜層之間發(fā)生干涉。
長(cháng)波通濾光片定義與短波相反,根據指定的波長(cháng),長(cháng)波通過(guò),短波被截止。長(cháng)波通濾光片采用特殊工藝加工而成,內部由多層光學(xué)薄膜組成,每層薄膜的折射率和厚度都經(jīng)過(guò)精密計算和設計,具有高透射率、低損耗和良好的光譜透過(guò)性。其工作原理和設計目的主要是允許長(cháng)波長(cháng)的光波通過(guò),同時(shí)阻止短波長(cháng)的光波通過(guò),當光線(xiàn)入射到濾光片上時(shí),這些薄膜會(huì )對不同波長(cháng)的光波進(jìn)行干涉、反射和透射。
3.功能特性分類(lèi)
吸收濾光片,一般指的是含有某種有色金屬氧化物的有色玻璃,對某些波長(cháng)范圍的光具有強烈的吸收能力,透過(guò)光則呈單色性。常見(jiàn)的如紅色有色玻璃濾光片。
反射濾光片是通過(guò)反射作用來(lái)調控光線(xiàn)的透過(guò)和衰減,主要依賴(lài)于光學(xué)薄膜的干涉效應來(lái)實(shí)現對特定波長(cháng)光線(xiàn)的反射,因此無(wú)需考慮材料對光的吸收。其原理主要基于光的干涉和薄膜反射特性,由多層光學(xué)薄膜組成的濾光片,每層薄膜都具有特定的折射率和厚度。當光線(xiàn)入射到反射濾光片上時(shí),這些薄膜層會(huì )對光線(xiàn)進(jìn)行多次反射和透射,由于干涉效應,某些波長(cháng)的光線(xiàn)會(huì )被加強反射,而其他波長(cháng)的光線(xiàn)則可能透射或衰減。
中性密度濾光片也稱(chēng)衰減片,中性密度鏡(ND鏡)、中性密度衰減片、固定中性密度片,利用物質(zhì)對光的吸收特性,制成片狀,放在光路上,可以將光強衰減,這種片狀元件叫光學(xué)衰減片。原理主要基于物質(zhì)對光的吸收或反射特性,中性密度濾光片主要分為吸收型和反射型。吸收型濾光片利用物質(zhì)對光的吸收特性來(lái)衰減光強,而反射型濾光片則基于薄膜干涉原理,通過(guò)在光學(xué)基板上鍍膜,使一部分光透射,另一部分反射。
分光濾光片是一種特殊的光學(xué)器件,它主要用于將光分成不同的波長(cháng)或顏色成分。它的工作原理主要基于光的干涉、衍射或薄膜效應,通過(guò)改變光的傳播路徑或強度來(lái)實(shí)現特定波長(cháng)的分離或衰減。在我們經(jīng)??吹椒止馄?,二向分光片便是最常見(jiàn)的分光片,它廣泛應用于多個(gè)領(lǐng)域,如光學(xué)儀器、激光儀器、顯微鏡分析、拉曼分析等;
偏振濾光片:用以改變照片中的光的平衡,通常放置在相機鏡頭的前面,以使天空變暗或抑制來(lái)自湖泊或大海的眩光。根據優(yōu)選的藝術(shù)效果調整過(guò)濾器的旋轉方向。對于現代相機,通常使用圓偏振片,它首先由一個(gè)線(xiàn)性偏振片,接著(zhù)是一個(gè)四分之一波片,在進(jìn)入相機之前,將線(xiàn)性偏振光轉換成圓偏振光。
4.膜層材料分類(lèi)
鍍膜濾光片根據膜層材料一般分為軟膜濾光片和硬膜濾光片。
軟膜濾光片通常由多層薄膜組成,這些薄膜可能由硫化鋅、冷凍劑、甚至是銀等材料制成。它的原理主要基于光波在濾光片膜層傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的各種特性變化,如透射、吸收、散射、反射、偏振、相位變化等。當光線(xiàn)通過(guò)軟膜濾光片時(shí),不同波長(cháng)的光波會(huì )在膜層中發(fā)生干涉、衍射等效應,從而導致特定波長(cháng)的光波被反射、吸收或透射。因此,軟膜濾光片一般用于生化分析儀等特定設備。
(激光雷達BP1550nm帶通紅外濾光片)
硬膜濾光片的膜層通常由多層特殊材料組成,采用的是離子束濺射工藝,使得膜層更致密,無(wú)需保護層,結構更簡(jiǎn)單,界面少,減少反射和散射,從而提高了透過(guò)率。硬膜濾光片的特點(diǎn)在于沒(méi)有因粘合劑引起的光損傷、性能降低和自發(fā)熒光的問(wèn)題,其膜層具有較高的硬度和激光損傷閾值,因此能夠承受高強度的激光照射而不易受到損害。
關(guān)于濾光片的分類(lèi)其實(shí)還有很多,由于不同的基材原因,濾光片其實(shí)還能夠根據不同的基材條件進(jìn)行劃分,如塑料濾光片、玻璃濾光片、單晶濾光片(如硅、鍺)等。
濾光片的一些關(guān)鍵指標
通帶:光能夠通過(guò)的所在波長(cháng)區域范圍就叫做通帶。
帶寬(FWHM): 也叫半峰全寬,英文全稱(chēng)full width at half maxima,簡(jiǎn)稱(chēng)半寬度,半峰寬,半峰寬度,一般指帶通濾光片,它表示峰值透過(guò)率一半位置光譜所在波段之間的差值??磮D中,λL與λR之間的距離就是。帶寬一般也可以分辯出寬帶與窄帶,窄帶帶寬一般較低,在30nm左右或以下,且窄帶的通帶相對較窄,一般為中心波長(cháng)值的5%以下。
中心波長(cháng)(CWL):常用于帶通濾光片,它是指峰值透射率一半的波長(cháng)之間的中點(diǎn),也被稱(chēng)為半峰全寬(FWHM)的中點(diǎn),有時(shí)也會(huì )用于表示帶通濾光片的峰值透射率或陷波濾光片的峰值反射率。通常用來(lái)描述一束光的中心頻率或波長(cháng)。我們常說(shuō)的型號BP-680nm帶通,其中680nm就是參考的中心波長(cháng)。
透過(guò)率(T),透過(guò)率一般表示光進(jìn)入濾光片后出現的損耗,為鏡片射出光與射入光的比值,當透過(guò)率到10%或以下就表現為截止,我們常用OD值表示,OD=-log(T),根據OD1~OD6,截止帶透過(guò)率從0.1~0.000001。
OD編號 截止帶透過(guò)率
OD1=0.1 即10%
OD2=0.01 即1%
OD3=0.001 即0.1%
OD4=0.0001 即0.01%
OD5=0.00001 即0.001%
OD6=0.000001 即0.0001%
截止波段,一般表示濾光片截止光波段的范圍(通帶之外的波長(cháng)范圍),用于表示通過(guò)濾光片損耗的能量光譜區域的波長(cháng)間隔,指除了通帶以外,要求截止的波長(cháng)范圍。對于窄帶濾光片而言,只需要指明最短波長(cháng)與最長(cháng)波長(cháng),就可以知道該濾光片的截止范圍。
起始波長(cháng):起始波長(cháng)是指在長(cháng)波通濾光片中透射率增加至峰值的1/2時(shí)所對應的波長(cháng),在帶通濾光片中有時(shí)也可定義為5%或10%的峰值透過(guò)率所對應的波長(cháng)。截止波長(cháng):截止波長(cháng)是用指在短波通濾光片中透射率降低至峰值的1/2時(shí)所對應的波長(cháng),在帶通濾光片中有時(shí)也可定義為5%或10%的峰值透過(guò)率所對應的波長(cháng)。
濾光片的表面規格和尺寸參數
表面質(zhì)量濾光片的表面質(zhì)量,主要其表面會(huì )不可避免地有一些劃痕和坑點(diǎn)等缺陷,表面質(zhì)量最常用的規格是由MIL-PRF-13830B說(shuō)明的劃痕和坑點(diǎn)規格,坑點(diǎn)名稱(chēng)是通過(guò)以微米計的坑點(diǎn)直徑除以10來(lái)計算的,通常劃痕坑點(diǎn)規格在80至50范圍內將稱(chēng)之為標準質(zhì)量;在60至40范圍內視為精確質(zhì)量;而在20至10范圍內將視為高精度質(zhì)量。
表面平滑度表面平面度是測量表面精度的一種,它用于測量反射鏡、窗口片、棱鏡或平光鏡等平面的偏差,平滑度的偏差通常是按波紋值(λ)來(lái)測量的,它們是由多個(gè)波長(cháng)的測試源組成,一個(gè)條紋對應1/2的波長(cháng),平滑度為1λ,則代表一般的質(zhì)量級別;平滑度為λ/4,則代表精確的質(zhì)量級別;平滑度為λ/20,則代表高精度的質(zhì)量級別。公差(Tolerance):濾光片的公差,主要是在中心波長(cháng)與半寬帶上,因此濾光片產(chǎn)品公差范圍的標明。
直徑公差一般情況下,濾光片直徑的公差影響在使用過(guò)程中的影響不是很大,但是要將光學(xué)器件安裝在固定器上的話(huà),就要考慮直徑公差了。通常情況下,直徑的公差在(±0.1 mm)稱(chēng)為一般質(zhì)量,(±0.05 mm)稱(chēng)為精密質(zhì)量,(±0.01 mm)稱(chēng)為高質(zhì)量。
中心厚度公差中心厚度是表示濾光片中心部分的厚度。通常情況下,中心厚度的公差在(±0.2mm)稱(chēng)為一般質(zhì)量,(±0.05mm)稱(chēng)為精密質(zhì)量,(±0.01mm)稱(chēng)為高質(zhì)量。