光學(xué)濾光片

濾光片選擇性地透射光譜的一部分，同時(shí)拒絕透射其余部分。愛(ài)特蒙特光學(xué)的光學(xué)濾光片常用于顯微鏡、光譜學(xué)、化學(xué)分析和機(jī)器視覺(jué)，可提供各種過(guò)濾類(lèi)型和精度等級(jí)。本應(yīng)用筆記介紹了用于制造愛(ài)特蒙特光學(xué)濾光片的不同技術(shù)、一些關(guān)鍵規(guī)范的定義以及愛(ài)特蒙特光學(xué)提供的各種濾光片的描述。

光學(xué)濾光片關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)

雖然濾光片與其他光學(xué)組件有許多相同的規(guī)范，但是為了有效地了解并確定哪種濾光片最適合您的應(yīng)用，應(yīng)該了解濾光片中的許多特定規(guī)范。?

中心波長(zhǎng) (CWL)

用于定義帶通濾光片的中心波長(zhǎng)描述頻譜帶寬的中點(diǎn)，濾光片在此之上傳輸。傳統(tǒng)的鍍膜光學(xué)濾光片傾向于在中心波長(zhǎng)附近達(dá)到最大的透射率，而鍍加硬膜的光學(xué)濾光片往往在光譜帶寬上有相當(dāng)平坦的傳輸輪廓。?

帶寬

帶寬是一個(gè)波長(zhǎng)范圍，用于表示頻譜通過(guò)入射能量穿過(guò)濾光片的特定部分。帶寬又稱(chēng)為FWHM（圖1）。

圖 1:?中心波長(zhǎng)和半峰全寬說(shuō)明

半峰全寬 (FWHM)

FWHM 描述帶通濾光片將傳輸?shù)念l譜帶寬。該帶寬的上限和下限是在濾光片達(dá)到最大透射率的 50% 時(shí)的波長(zhǎng)下定義的。例如，如果濾光片的最大透射率是 90%，那么濾光片達(dá)到透射率之 45% 時(shí)的波長(zhǎng)將定義 FWHM 的上限和下限。10 納米或更低的 FWHM 被認(rèn)為是窄帶，通常用于激光凈化和化學(xué)檢測(cè)。25-50 納米的 FWHM 經(jīng)常用于機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用；超過(guò) 50 納米的 FHWM 被認(rèn)為是寬帶，通常用于熒光顯微鏡應(yīng)用。?

截止范圍

阻斷范圍是用于表示通過(guò)濾光片衰減的能量光譜區(qū)域的波長(zhǎng)間隔（圖2）。阻斷程度通常會(huì)在光密度中指定。

圖 2:?截止范圍說(shuō)明

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斜率

斜率是通常在邊緣濾光片上定義的規(guī)范，如短波通或長(zhǎng)波通濾光片，用來(lái)描述濾光片從高截止轉(zhuǎn)換為高透射率的帶寬。可以從各種起點(diǎn)和終點(diǎn)指定斜率，作為截止波長(zhǎng)的百分比。愛(ài)特蒙特光學(xué)有限公司通常將斜率定義為從 10% 傳輸點(diǎn)到 80% 傳輸點(diǎn)的距離。例如，將期望具有 1% 斜率的 500 納米長(zhǎng)波通濾光片在 5 納米（500 納米的 1%）帶寬上從 10% 的透射率轉(zhuǎn)換為 80% 的透射率。?

光密度(OD)

光密度描述被濾光片阻斷或拒絕的能量量。高光密度值表示低透射率，低光密度則表示高透射率。6.0或更大的光密度用于極端的阻斷需求，如拉曼光譜或熒光顯微鏡。3.0-4.0的光密度是激光分離和凈化、機(jī)器視覺(jué)和化學(xué)檢測(cè)的理想選擇，而 2.0 或更少的光密度是顏色排序和分離光譜順序的理想選擇。?

圖 3:?光密度說(shuō)明

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(1)$$\text{Percent Transmission}=T={}^{?\text{OD}}\times 100\%$$

(2)$$\text{OD}=?\log \left(\frac{100}{\%}\right)$$

二向色性濾光片

二向色性濾光片是用于取決于波長(zhǎng)透射率或反射光的濾光片類(lèi)型；特定波長(zhǎng)范圍透射的光則鑒于不同范圍的光線反射或吸收（圖4）。二向色性濾光片常用于長(zhǎng)波通和短波通應(yīng)用。

圖 4:?二向色性濾光片鍍膜說(shuō)明

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起始波長(zhǎng)

起始波長(zhǎng)是用于表示在長(zhǎng)波通濾光片中透射率增加至50%波長(zhǎng)的術(shù)語(yǔ)。起始波長(zhǎng)由圖5中的λcut-on起始表示。

圖 5:?起始波長(zhǎng)說(shuō)明

截止波長(zhǎng)

截止波長(zhǎng)是用于表示在短波通濾光片中透射率降低至50%波長(zhǎng)的術(shù)語(yǔ)。截止波長(zhǎng)由圖6中的λcut-off截止表示。

圖 6:?截止波長(zhǎng)說(shuō)明

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光學(xué)濾光片制造技術(shù)

吸收性和二向色性濾光片

范圍廣泛的光學(xué)濾光片可分成兩大類(lèi)：吸收性和二向色性。兩者的區(qū)別不在于它過(guò)濾什么，而是如何濾光。吸收性濾光片的光線阻斷以玻璃基片的吸收特性為基礎(chǔ)。換句話(huà)說(shuō)，被阻斷的光線不會(huì)反射回濾光片；相反的，光線被它吸收且包含在濾光片內(nèi)。在系統(tǒng)內(nèi)多余的光線形成噪音的問(wèn)題時(shí)，吸收性濾光片是理想的選擇。吸收性濾光片也具有角度不敏感的額外功能；光線可從各種角度入射濾光片且濾光片將保持其透射和吸收特性。

相反的，二向色性濾光片的運(yùn)作是反射多余的波長(zhǎng)并透射所需的頻譜部分。在一些應(yīng)用中，這是一個(gè)需要的效果，因?yàn)楣饪梢酝ㄟ^(guò)波長(zhǎng)分開(kāi)為兩個(gè)來(lái)源。這可通過(guò)增加單層或多層不同折射指數(shù)的材料完成干涉光波性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在干涉濾光片，光從較低折射率材料的移動(dòng)將反射高折射率材料；只有特定角度和波長(zhǎng)的光將積極干涉?zhèn)魅牍馐⒋┻^(guò)材料，而其他所有的光線將相消干涉并反射材料（圖7）。其他有關(guān)干擾的信息，請(qǐng)參閱“光學(xué)101：1級(jí)的理論基礎(chǔ)”。

圖 7:?在玻璃基片上交替的高與低指標(biāo)材料的多層沉積

與吸收性濾光片不同，二向色性濾光片具有極高的角度敏感。 當(dāng)用于任何角度的設(shè)計(jì)用途之外時(shí)，二向色性濾光片無(wú)法滿(mǎn)足最初標(biāo)示的透射率和波長(zhǎng)規(guī)格。通過(guò)二向色性濾光片提高入射角將使它移向較短的波長(zhǎng)（即對(duì)藍(lán)波長(zhǎng)）；降低角度則會(huì)移向較長(zhǎng)的波長(zhǎng)（即對(duì)紅波長(zhǎng)）。

探索二向色性帶通濾光片

帶通濾光片用于廣泛的行業(yè)，可以是二向色性或彩色基片。二向色性帶通濾光片是由兩種不同的技術(shù)制造的：傳統(tǒng)和加硬濺射法，或鍍加硬膜。這兩種技術(shù)通過(guò)在玻璃基片上交替的高與低折射率材料的多層沉積實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特的透射率和反射特性。事實(shí)上，根據(jù)應(yīng)用的不同，在特定基片上每面可能有超過(guò)100層材料沉積。

傳統(tǒng)鍍膜濾光片和加硬濺射法濾光片之間的差別是基片層數(shù)。在傳統(tǒng)鍍膜帶通濾光片，不同的指標(biāo)材料層沉積在多個(gè)基片上然后再夾在一起。例如，假設(shè)圖7中的圖片重復(fù)疊加甚至超過(guò)100倍。這個(gè)技術(shù)導(dǎo)致降低透射率的厚濾光片。透射的減少是由于入射光穿過(guò)并通過(guò)數(shù)個(gè)基片層被吸收和/或反射所導(dǎo)致的。相反的，在加硬濺射法帶通濾光片，不同的指標(biāo)材料只沉積在單個(gè)基片上 圖8）。這個(gè)技術(shù)導(dǎo)致高透射率的薄濾光片。有關(guān)制造技術(shù)的其他信息，請(qǐng)參閱“光學(xué)鍍膜簡(jiǎn)介”。請(qǐng)查看硬鍍膜的好處，幫助您選擇適合應(yīng)用的濾光片。

圖 8:?傳統(tǒng)濾光片（左）和加硬濺射法濾光片（右）

應(yīng)用范例

范例1：

配色成像黑白?相機(jī)無(wú)法區(qū)分不同顏色的本質(zhì)。然而，添加的彩色濾光片大大提高了物體之間的對(duì)比。給定的彩色濾光片將減輕相同顏色的物體，并加深相對(duì)顏色的物體。請(qǐng)參考例子，使用黑白相機(jī)拍攝兩顆紅色和兩顆綠色藥丸。圖9a - 9d 顯示檢驗(yàn)中的樣品的實(shí)際圖像和使用彩色濾光 片各種圖像。圖中清楚可見(jiàn)，若沒(méi)有使用濾光片（圖9b），黑白相機(jī)無(wú)法區(qū)分紅色和綠色。在工廠車(chē)間檢查這些藥丸是不可能的。另一方面，當(dāng)使用紅色濾光片（圖9c）時(shí)，由于增加圖像的對(duì)比度，物體的相對(duì)顏色（即綠色藥丸）顯示為灰色，可以很容易地從紅色藥丸中辨別出來(lái)。相反的，當(dāng)使用綠色濾光片（圖9d）時(shí)，紅色藥丸顯示為灰色。

圖 9a:?增強(qiáng)對(duì)比度：檢驗(yàn)中的樣品

圖 9b:?增強(qiáng)對(duì)比度：沒(méi)有使用濾光片

圖 9c:?增強(qiáng)對(duì)比度：紅色濾光片

圖 9d:?增強(qiáng)對(duì)比度：綠色濾光片

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范例2：拉曼光譜

拉曼光譜應(yīng)用的結(jié)果可以通過(guò)使用一些選擇的濾光片大幅提高：激光帶通、陷波片，或激光?長(zhǎng)波通為了達(dá)到最佳效果，使用窄至1.2nm和光密度OD 6.0的帶寬濾光片。激光帶通濾光片放置在激光和樣品之間的光路內(nèi)。這確保阻斷了任何外部環(huán)境光，只有激光線波長(zhǎng)可通過(guò)。光入射到樣品后，它會(huì)由于拉曼散射而位移并包含許多低強(qiáng)度模式或信號(hào)。因此，它在通過(guò)使用陷波濾光片（以盡可能近激光波長(zhǎng)為中心）以便阻斷高強(qiáng)度激光的應(yīng)用中變得很重要。如果發(fā)生非常接近激光的拉曼激發(fā)模式，激光長(zhǎng)波通濾光片則可以作為有效的替代品。圖10 典型的拉曼光譜設(shè)置圖。

圖 10:?拉曼光譜設(shè)置

除了上述提及的兩項(xiàng)，光學(xué)濾光片可用于多種應(yīng)用：配色成像和拉曼光譜。它們幾乎出現(xiàn)在光學(xué)、成像和光電子行業(yè)的各個(gè)方面；了解光學(xué)濾光片的制造技術(shù)、關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)和當(dāng)今可用的濾光片類(lèi)型可幫助選擇適用于任何設(shè)置的最佳濾光片。