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光学滤光片
爱特蒙特光学有限公司。

光学滤光片

滤光片关键术语 | 制造技术 | 选择指南| 应用范例

光学滤光片

滤光片选择性地透射光谱的一部分,同时拒绝透射其余部分。爱特蒙特光学的光学滤光片常用于显微镜、光谱学、化学分析和机器视觉,可提供各种过滤类型和精度等级。本应用笔记介绍了用于制造爱特蒙特光学滤光片的不同技术、一些关键规范的定义以及爱特蒙特光学提供的各种滤光片的描述。

光学滤光片关键术语

虽然滤光片与其他光学组件有许多相同的规范,但是为了有效地了解并确定哪种滤光片最适合您的应用,应该了解滤光片中的许多特定规范。 

中心波长 (CWL)

用于定义带通滤光片的中心波长描述频谱带宽的中点,滤光片在此之上传输。传统的镀膜光学滤光片倾向于在中心波长附近达到最大的透射率,而镀加硬膜的光学滤光片往往在光谱带宽上有相当平坦的传输轮廓。 

带宽

带宽是一个波长范围,用于表示频谱通过入射能量穿过滤光片的特定部分。带宽又称为FWHM(图1)。

Center Wavelength and Full Width at Half Maximum
图 1: 中心波长和半峰全宽说明

半峰全宽 (FWHM)

FWHM 描述带通滤光片将传输的频谱带宽。该带宽的上限和下限是在滤光片达到最大透射率的 50% 时的波长下定义的。例如,如果滤光片的最大透射率是 90%,那么滤光片达到透射率之 45% 时的波长将定义 FWHM 的上限和下限。10 纳米或更低的 FWHM 被认为是窄带,通常用于激光净化和化学检测。25-50 纳米的 FWHM 经常用于机器视觉应用;超过 50 纳米的 FHWM 被认为是宽带,通常用于荧光显微镜应用。 

截止范围

阻断范围是用于表示通过滤光片衰减的能量光谱区域的波长间隔(图2)。阻断程度通常会在光密度中指定。

Blocking Range
图 2: 截止范围说明

 

斜率

斜率是通常在边缘滤光片上定义的规范,如短波通或长波通滤光片,用来描述滤光片从高截止转换为高透射率的带宽。可以从各种起点和终点指定斜率,作为截止波长的百分比。爱特蒙特光学有限公司通常将斜率定义为从 10% 传输点到 80% 传输点的距离。例如,将期望具有 1% 斜率的 500 纳米长波通滤光片在 5 纳米(500 纳米的 1%)带宽上从 10% 的透射率转换为 80% 的透射率。 

光密度(OD)

光密度描述被滤光片阻断或拒绝的能量量。高光密度值表示低透射率,低光密度则表示高透射率。6.0或更大的光密度用于极端的阻断需求,如拉曼光谱或荧光显微镜。3.0-4.0的光密度是激光分离和净化、机器视觉和化学检测的理想选择,而 2.0 或更少的光密度是颜色排序和分离光谱顺序的理想选择。 

Optical Density
图 3: 光密度说明

 

(1)$$ \text{Percent Transmission} = T = 10^{-\text{OD}} \times 100 \% $$
(2)$$ \text{OD} = - \log{\left(\frac{T}{100 \%} \right)} $$

二向色性滤光片

二向色性滤光片是用于取决于波长透射率或反射光的滤光片类型;特定波长范围透射的光则鉴于不同范围的光线反射或吸收(图4)。二向色性滤光片常用于长波通和短波通应用。

Dichroic Filter Coating
图 4: 二向色性滤光片镀膜说明

 

起始波长

起始波长是用于表示在长波通滤光片中透射率增加至50%波长的术语。起始波长由图5中的λcut-on起始表示。

Cut-On Wavelength
图 5: 起始波长说明

截止波长

截止波长是用于表示在短波通滤光片中透射率降低至50%波长的术语。截止波长由图6中的λcut-off截止表示。

Cut-Off Wavelength
图 6: 截止波长说明

 

光学滤光片制造技术

吸收性和二向色性滤光片

范围广泛的光学滤光片可分成两大类:吸收性和二向色性。两者的区别不在于它过滤什么,而是如何滤光。吸收性滤光片的光线阻断以玻璃基片的吸收特性为基础。换句话说,被阻断的光线不会反射回滤光片;相反的,光线被它吸收且包含在滤光片内。在系统内多余的光线形成噪音的问题时,吸收性滤光片是理想的选择。吸收性滤光片也具有角度不敏感的额外功能;光线可从各种角度入射滤光片且滤光片将保持其透射和吸收特性。

相反的,二向色性滤光片的运作是反射多余的波长并透射所需的频谱部分。在一些应用中,这是一个需要的效果,因为光可以通过波长分开为两个来源。这可通过增加单层或多层不同折射指数的材料完成干涉光波性质来实现。在干涉滤光片,光从较低折射率材料的移动将反射高折射率材料;只有特定角度和波长的光将积极干涉传入光束并穿过材料,而其他所有的光线将相消干涉并反射材料(图7)。其他有关干扰的信息,请参阅“光学101:1级的理论基础”。

Deposition of Multiple Layers of Alternating High and Low Index Materials onto a Glass Substrate
图 7: 在玻璃基片上交替的高与低指标材料的多层沉积

与吸收性滤光片不同,二向色性滤光片具有极高的角度敏感。 当用于任何角度的设计用途之外时,二向色性滤光片无法满足最初标示的透射率和波长规格。通过二向色性滤光片提高入射角将使它移向较短的波长(即对蓝波长);降低角度则会移向较长的波长(即对红波长)。

探索二向色性带通滤光片

带通滤光片用于广泛的行业,可以是二向色性或彩色基片。二向色性带通滤光片是由两种不同的技术制造的:传统和加硬溅射法,或镀加硬膜。这两种技术通过在玻璃基片上交替的高与低折射率材料的多层沉积实现其独特的透射率和反射特性。事实上,根据应用的不同,在特定基片上每面可能有超过100层材料沉积。

传统镀膜滤光片和加硬溅射法滤光片之间的差别是基片层数。在传统镀膜带通滤光片,不同的指标材料层沉积在多个基片上然后再夹在一起。例如,假设图7中的图片重复叠加甚至超过100倍。这个技术导致降低透射率的厚滤光片。透射的减少是由于入射光穿过并通过数个基片层被吸收和/或反射所导致的。相反的,在加硬溅射法带通滤光片,不同的指标材料只沉积在单个基片上 图8)。这个技术导致高透射率的薄滤光片。有关制造技术的其他信息,请参阅“光学镀膜简介”。请查看硬镀膜的好处,帮助您选择适合应用的滤光片。

Traditional Filter and Hard-Sputtered Filter
图 8: 传统滤光片(左)和加硬溅射法滤光片(右)

光学滤光片类型

为了帮助了解当今各种光学滤光片之间的相似性和差异性,请参考十个最受欢迎的类型。以下的选择指南包含简短说明以及产品样品图像和易于比较的性能曲线。

光学滤光片选择指南
样品图像光学滤光片类型 – 样品曲线
Bandpass Filters 带通滤光片 [查看性能曲线]
带通滤光片在整个基片具有极窄带(<2nm至10nm)或宽带(50 nm和80 nm)透射率。它们对角度特别敏感,所以在光学设置时应注意其安装和放置。应选择加硬溅射法滤光片以最大程度地提高选定波长的透射率。
Longpass Filters 长波通滤光片 [查看性能曲线]
长波通滤光片可透射长于特定起始波长的所有波长。长波通滤光片包括冷反射镜、颜色玻璃滤光片,以及热固ADC(光学注塑塑料)滤光片。
Shortpass Filters 短波通滤光片 [查看性能曲线]
短波通滤光片可透射短于特定截止波长的所有波长短波通滤光片包括红外截止滤光片、热反射以及吸热玻璃。
Heat Absorbing Glasses 吸热玻璃 [查看性能曲线]
吸热玻璃将透射可见光和吸收红外辐射。吸收的能量之后会热散失到玻璃周围的空气中。通常会建议在空气中冷却以移除多余的热量。吸热玻璃也可用于作为短波通滤光片。
Cold Mirrors 冷反射镜 [查看性能曲线]
冷反射镜是特定的二向色性滤光片类型,在可见光谱中具有高反射率,同时保持在红外中的高透射率。冷反光镜设计用于在产生热量可能造成损害或不利影响的任何应用程序中。
Hot Mirrors 热反射镜[查看性能曲线]
热反射镜是特定的二向色性滤光片类型,在红外中具有高反射率并在可见光谱中具有高透射率。热反射镜主要用于投影和照明系统。
Notch Filters 陷波滤光片[查看性能曲线]
陷波滤光片设计用于在滤光片设计范围内透射所有其他波长的同时阻断预选的带宽。陷波滤光片适用于从光学系统移除单个激光波长或窄带。
彩色基片滤光片 [查看性能曲线]
彩色基片滤光片采用基片制作而成,具有在整个特定光谱区域中与本质不同的吸收和透射特性。彩色基片滤光片通常用于作为长波通和带通滤光片。与镀膜滤光片相比,透射和阻断之间的界限比较不尖锐。
Dichroic Filters 二向色性滤光片 [查看性能曲线]
二向色性滤光片带有薄膜镀膜,在给定的光谱中实现理想的透射率和反射率。它们通常作为彩色滤光片使用(添加和减少)。二向色性滤光片的角度稍微敏感但比干扰滤光片较宽容。
Neutral Density (ND) Filters 中性密度(ND)滤光片 [查看性能曲线]
中性密度(ND)滤光片设计用于在特定光谱、紫外和可见光、可见光,或红外部分平均减少投射率。ND滤光片有两种类型:吸收性和反射性。吸收性类型吸收不是通过滤光片透射的光线,反射性类型则将光线反射回其入射的方向。使用上述类型时应特别注意,确保任何反射光线均不干扰应用程序的安装。ND滤光片通常用于防止相机和其他检测器的高光或感光过度。

应用范例

范例1:

配色成像黑白 相机无法区分不同颜色的本质。然而,添加的彩色滤光片大大提高了物体之间的对比。给定的彩色滤光片将减轻相同颜色的物体,并加深相对颜色的物体。请参考例子,使用黑白相机拍摄两颗红色和两颗绿色药丸。图9a - 9d 显示检验中的样品的实际图像和使用彩色滤光 片各种图像。图中清楚可见,若没有使用滤光片(图9b),黑白相机无法区分红色和绿色。在工厂车间检查这些药丸是不可能的。另一方面,当使用红色滤光片(图9c)时,由于增加图像的对比度,物体的相对颜色(即绿色药丸)显示为灰色,可以很容易地从红色药丸中辨别出来。相反的,当使用绿色滤光片(图9d)时,红色药丸显示为灰色。

Sample under Inspection
图 9a: 增强对比度:检验中的样品
No Filter
图 9b: 增强对比度:没有使用滤光片
Red Filter
图 9c: 增强对比度:红色滤光片
Green Filter
图 9d: 增强对比度:绿色滤光片

 

范例2:拉曼光谱

拉曼光谱应用的结果可以通过使用一些选择的滤光片大幅提高:激光带通陷波片,或激光 长波通为了达到最佳效果,使用窄至1.2nm和光密度OD 6.0的带宽滤光片。激光带通滤光片放置在激光和样品之间的光路内。这确保阻断了任何外部环境光,只有激光线波长可通过。光入射到样品后,它会由于拉曼散射而位移并包含许多低强度模式或信号。因此,它在通过使用陷波滤光片(以尽可能近激光波长为中心)以便阻断高强度激光的应用中变得很重要。如果发生非常接近激光的拉曼激发模式,激光长波通滤光片则可以作为有效的替代品。图10 典型的拉曼光谱设置图。

Raman Spectroscopy Setup
图 10: 拉曼光谱设置

除了上述提及的两项,光学滤光片可用于多种应用:配色成像和拉曼光谱。它们几乎出现在光学、成像和光电子行业的各个方面;了解光学滤光片的制造技术、关键术语和当今可用的滤光片类型可帮助选择适用于任何设置的最佳滤光片。

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