一文帶你認(rèn)識(shí)光學(xué)濾光片所有知識(shí)

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(zhǎng)的光。從而達(dá)到對(duì)光的濾波處理。

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(xiàn)象。

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吸收型濾光片：利用特定材料對(duì)光的吸收特性來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波。光線(xiàn)穿過(guò)濾光片時(shí)，其內(nèi)部材料會(huì)吸收某些波長(zhǎng)的光，而允許其他波長(zhǎng)的光通過(guò)。通過(guò)選擇性吸收達(dá)到濾除其他不需要的光，只允許特定波長(zhǎng)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(yīng)，使特定波長(zhǎng)的光在薄膜內(nèi)發(fā)生多次反射和折射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的選擇性濾波。當(dāng)光線(xiàn)經(jīng)過(guò)時(shí)，不同波長(zhǎng)的光在薄膜之間發(fā)生多次反射和折射，產(chǎn)生干涉現(xiàn)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(zhǎng)的光在干涉過(guò)程中相互增強(qiáng)，而其他波長(zhǎng)的光相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)，使得光在通過(guò)時(shí)發(fā)生衍射，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)的選擇。這種濾光片通常具有極高的波長(zhǎng)分辨率和靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光的精確控制。

濾光片分類(lèi)

根據(jù)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、分光濾光片、中性密度濾光片、反射濾光片；

按膜層材料分為軟膜濾光片和硬膜濾光片。

帶通濾光片又細(xì)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(zhǎng)波截止短波通濾光片和短波截止長(zhǎng)波通濾光片。

光譜特性分類(lèi)

紫外濾光片是一種特殊的光學(xué)元件，主要用于過(guò)濾掉紫外線(xiàn)中的某些波長(zhǎng)，允許其他波長(zhǎng)通過(guò)。它的主要工作原理是依賴(lài)于濾光片材料對(duì)紫外線(xiàn)的吸收特性。當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)紫外濾光片時(shí)，特定波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)會(huì)被吸收，而其他波長(zhǎng)的光則得以透過(guò)。

（紫外濾光片）

可見(jiàn)光濾光片是一種特殊的光學(xué)鏡片，主要用于阻擋可見(jiàn)光譜中的藍(lán)紫光線(xiàn)，以保護(hù)眼睛不受有害藍(lán)光的傷害。其工作原理主要基于光的吸收和干涉。當(dāng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(xiàn)特定波長(zhǎng)范圍的紅外光的透過(guò)或被阻攔。通常由特殊的材料制成，如金屬氧化物、氟化物等，這些材料被設(shè)計(jì)成具有特定的光譜特性，使其對(duì)紅外光波具有高透射性，對(duì)其他波長(zhǎng)尤其是可見(jiàn)光波長(zhǎng)的光具有高反射性或吸收性。

（激埃特1150nm紅外帶通濾光片）

根據(jù)光譜特性分類(lèi)，帶通濾光片、截止濾光片、反射濾光片、中性密度濾光片等均屬于干涉濾光片，干涉濾光片主要是由多層薄膜構(gòu)成，不同薄膜所起的作用也都不相同，能夠只使需要的光線(xiàn)通過(guò)，而把不需要的光線(xiàn)阻止在外面。

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帶通濾光片主要基于法布里-珀羅腔的相長(zhǎng)干涉條件，這使得中心波長(zhǎng)和中心波長(zhǎng)兩側(cè)小范圍內(nèi)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(zhǎng)兩側(cè)的截止帶寬可能相對(duì)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(fù)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(qū)別便是帶通數(shù)量的區(qū)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(yīng)用中產(chǎn)生最大亮度和對(duì)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(fù)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(zhǎng)，只針對(duì)特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)（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(xì)分，具有相對(duì)較寬的透過(guò)頻率范圍。其設(shè)計(jì)目的是選擇更寬范圍的光波，允許較大范圍內(nèi)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(duì)較低的阻擋能力，這是因?yàn)槠淠繕?biāo)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(xì)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(hào)會(huì)被阻止，窄帶濾光片具備較窄的通帶，一般在中心波長(zhǎng)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(fù)合光中濾掉全部長(zhǎng)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(zhǎng)波通濾光片）和長(zhǎng)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(yīng)以及特定波長(zhǎng)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(shè)計(jì)，這些膜層具有特定的折射系數(shù)和厚度，當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)濾光片時(shí)，由于不同波長(zhǎng)的光在濾光片各層間的干涉作用，某些波長(zhǎng)的光會(huì)被反射，而另一些波長(zhǎng)的光則會(huì)透射過(guò)去，這使得在特定波長(zhǎng)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(zhǎng)波截止片），簡(jiǎn)單說(shuō)就是短波通過(guò)，長(zhǎng)波截止。由多層光學(xué)薄膜構(gòu)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(zhǎng)的光并阻止較長(zhǎng)波長(zhǎng)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(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光波波長(zhǎng)的選擇性透過(guò)，當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)濾光片時(shí)，不同波長(zhǎng)的光波在膜層之間發(fā)生干涉。

長(zhǎng)波通濾光片定義與短波相反，根據(jù)指定的波長(zhǎng)，長(zhǎng)波通過(guò)，短波被截止。長(zhǎng)波通濾光片采用特殊工藝加工而成，內(nèi)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(jì)算和設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)目的主要是允許長(zhǎng)波長(zhǎng)的光波通過(guò)，同時(shí)阻止短波長(zhǎng)的光波通過(guò)，當(dāng)光線(xiàn)入射到濾光片上時(shí)，這些薄膜會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光波進(jìn)行干涉、反射和透射。

反射濾光片是通過(guò)反射作用來(lái)調(diào)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(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)光線(xiàn)的反射，因此無(wú)需考慮材料對(duì)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。

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(duì)光的吸收特性，制成片狀，放在光路上，可以將光強(qiáng)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(duì)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(duì)光的吸收特性來(lái)衰減光強(qiáng)，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

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(zhǎng)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(yīng)，通過(guò)改變光的傳播路徑或強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)的分離或衰減。分光濾光片在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如激光技術(shù)、光譜分析、生物醫(yī)學(xué)成像等。

膜層材料分類(lèi)

鍍膜濾光片根據(jù)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(dāng)光線(xiàn)通過(guò)軟膜濾光片時(shí)，不同波長(zhǎng)的光波會(huì)在膜層中發(fā)生干涉、衍射等效應(yīng)，從而導(dǎo)致特定波長(zhǎng)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(shè)備。

（激光雷達(dá)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(hù)層，結(jié)構(gòu)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(qiáng)度的激光照射而不易受到損害。

濾光片的一些關(guān)鍵指標(biāo)

通帶：光能夠通過(guò)的所在波長(zhǎng)區(qū)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。看圖中，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(duì)較窄，一般為中心波長(zhǎng)值的5%以下。

中心波長(zhǎng)（CWL）：常用于帶通濾光片，它是指峰值透射率一半的波長(zhǎng)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(zhǎng)。我們常說(shuō)的型號(hào)BP-680nm帶通，其中680nm就是參考的中心波長(zhǎng)。

透過(guò)率（T），透過(guò)率一般表示光進(jìn)入濾光片后出現(xiàn)的損耗，為鏡片射出光與射入光的比值，當(dāng)透過(guò)率到10%或以下就表現(xiàn)為截止，我們常用OD值表示，OD=-log（T），根據(jù)OD1~OD6，截止帶透過(guò)率從0.1~0.000001。

OD編號(hào) 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(zhǎng)范圍），用于表示通過(guò)濾光片損耗的能量光譜區(qū)域的波長(zhǎng)間隔，指除了通帶以外，要求截止的波長(zhǎng)范圍。對(duì)于窄帶濾光片而言，只需要指明最短波長(zhǎng)與最長(zhǎng)波長(zhǎng)，就可以知道該濾光片的截止范圍。

起始波長(zhǎng)：起始波長(zhǎng)是指在長(zhǎng)波通濾光片中透射率增加至峰值的1/2時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。截止波長(zhǎng)：截止波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

濾光片的表面規(guī)格和尺寸參數(shù)

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(guī)格是由MIL-PRF-13830B說(shuō)明的劃痕和坑點(diǎn)規(guī)格，坑點(diǎn)名稱(chēng)是通過(guò)以微米計(jì)的坑點(diǎn)直徑除以10來(lái)計(jì)算的，通常劃痕坑點(diǎn)規(guī)格在80至50范圍內(nèi)將稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量；在60至40范圍內(nèi)視為精確質(zhì)量；而在20至10范圍內(nèi)將視為高精度質(zhì)量。

表面平滑度表面平面度是測(cè)量表面精度的一種，它用于測(cè)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(cè)量的，它們是由多個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)試源組成，一個(gè)條紋對(duì)應(yīng)1/2的波長(zhǎng)，平滑度為1λ，則代表一般的質(zhì)量級(jí)別；平滑度為λ/4，則代表精確的質(zhì)量級(jí)別；平滑度為λ/20，則代表高精度的質(zhì)量級(jí)別。公差（Tolerance）：濾光片的公差，主要是在中心波長(zhǎng)與半寬帶上，因此濾光片產(chǎn)品公差范圍的標(biāo)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。