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濾光片:光學儀器的關鍵組件

2024-06-06 林樹鑫

濾光片是一種用于選取所需輻射波段的光學元件。


濾光片:光學儀器的關鍵組件 


一、定義與類別

濾光片的主要功能是選取所需輻射波段,具體而言,它分為兩大類,顏色濾光片與薄膜濾光片。

顏色濾光片:顏色濾光片是一種通過吸收或反射非特定顏色的光線來傳遞特定顏色光線的濾光片。它通常由彩色染料或顏料制成,可以呈現不同的顏色和飽和度。顏色濾光片在攝影、攝像、舞臺照明等領域有廣泛應用,用于改變圖像的色彩平衡和增強特定顏色的對比度。


 青藍色有色玻璃

(青藍色有色玻璃)


薄膜濾光片:薄膜濾光片是通過在基材上涂覆多層光學薄膜來實現對特定波長光線的透射或反射的濾光片。它可以根據需要設計不同的光譜響應曲線,實現帶通、截止、分光等多種光學效果。薄膜濾光片在光譜分析、生物醫學成像、激光系統等領域有廣泛應用,用于提高光學系統的性能和精度。

 鍍膜BP590窄帶濾光片

(鍍膜BP590窄帶濾光片)

二、濾光片的組成

從整體而言,濾光片組成可以簡單劃為兩部分,即基材和光學薄膜。

基材:濾光片的基材可以是玻璃、塑料或其他透明材料?;牡倪x擇取決于應用需求等,例如光學性能、機械強度、耐溫性、成本等因素。玻璃基材通常具有優異的光學性能和穩定性,適用于高精度應用;而塑料基材則具有輕便、成本低的優點,適用于大規模生產和消費級應用。

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基材透明玻璃 

(基材透明玻璃)

光學薄膜:光學薄膜是濾光片的核心部分,它決定了濾光片的光學性能。光學薄膜通常由多層不同折射率的材料組成,通過精確控制每層材料的厚度和折射率,可以實現對特定波長光線的透射或反射。不同類型的濾光片具有不同的光學薄膜設計和結構,以實現不同的光學效果。

相關科普:什么是光學薄膜?分別有哪些?

 

三、濾光片分類

濾光片主要可以按照光譜波段、膜層材料、光譜特性、應用特點等方式分類:

光譜波段分類

紫外濾光片:用于過濾提取某個紫外波段范圍的濾光片。

可見濾光片:用于選擇性通過可見光的光學濾光片。

紅外濾光片:用于篩選通過紅外波段光線的光學元件。

干涉濾光片原理

(圖源網絡,侵刪)

膜層材料分類

軟膜濾光片:由低硬度材料組成的多層薄膜光學元件,主要用于生化分析儀當中。

硬膜濾光片:由高硬度特殊膜層組合的光學元件,具有較高的激光閾值,在激光系統中廣泛應用。

相關科普:什么是軟膜濾光片?什么是硬膜濾光片?

 

光譜特性分類

帶通濾光片:選定某個通帶波段范圍的光通過,通帶以外的光截止,根據通帶范圍分為窄帶濾光片和寬帶濾光片,窄帶濾光片的通帶相對來說比較窄,一般為中心波長值的5%以下。

帶通窄帶濾光片光譜圖

(帶通窄帶濾光片光譜圖)


截止濾光片,根據光譜特性分為長波截止與短波截止。

長波截止特性為短波通濾光片,也叫低通濾光片,光譜表現為特定某個波段長波被截止使得該波段短波方向通過。

短波通濾光片光譜圖

(短波通濾光片光譜圖)


短波截止特性為長波通濾光片。也叫高通濾光片,光譜表現為特定某個波段短波被截止使得該波段長波方向通過。

 

長波通濾光片光譜圖

(長波通濾光片光譜圖)


分光濾光片:一種基于光的干涉、衍射現象以及濾光片材料對特定波長光的吸收特性來實現分光的光學器件。

中性密度濾光片:也叫衰減片,是一種能夠在廣泛的光譜范圍內均勻(非選擇性)衰減光線強度且實現精確的光量控制光學衰減器。

負性濾光片:即陷波濾光片或帶阻濾光片,是一種可以透過絕大多數波長光,但將特定波長范圍內(阻帶)的光衰減到極低水平的光學元件。 

二向色濾光片:一種能夠在特定角度(如45°)下反射一種顏色光(激發光)并透射另一種顏色光(發射光),且激發光的反射率和發射光透射率均可達到90%以上的特殊光學元件。


應用特點分類

顏色濾光片:這是各種顏色的平板玻璃或明膠片,其透射帶寬數百埃,多用在寬帶測光或裝在恒星攝譜儀中,以隔離重疊光譜級次。

薄膜濾光片:一般透過的波長較長,多用做紅外濾光片。


四、濾光片原理

濾光片原理

(圖源網絡,侵刪)

濾光片原理主要基于不同波長光的吸收、干涉、衍射以及反射特性的差異實現篩選,可分為吸收型、干涉型和衍射型、反射型。

吸收型濾光片:利用特定材料對光的吸收特性來實現濾波。光線穿過濾光片時,其內部材料會吸收某些波長的光,而允許其他波長的光通過。通過選擇性吸收達到濾除其他不需要的光,只允許特定波長的光通過,如有色玻璃,吸收型中性密度濾光片。

干涉型濾光片:利用多層薄膜對光的干涉原理,實現對特定光譜范圍的光的選取和通過,如帶通濾光片、截止濾光片、二向色濾光片。

衍射型濾光片:一種通過特定圖案或結構使光在通過時發生衍射,從而實現對特定波長光的選擇的光學元件。

反射型濾光片:一種利用多層膜干涉原理實現特定波長光線反射的光學元件,用于精確控制光線的光譜分布。

五、濾光片作用

1.分離光譜:通過透射或反射特定波長的光,濾光片可以將混合光分解為不同的顏色或波長成分,這在光譜分析、光學測量和科研實驗中非常重要。

2.控制光強:濾光片可以減弱或增強特定波長的光強,從而調整光源的亮度或顏色。這在攝影、照明和顯示技術中非常有用,可以幫助攝影師或設計師實現特定的視覺效果。

3.去除干擾光:在某些應用中,需要去除或降低某些波長光的干擾。濾光片可以有效地阻擋這些干擾光,提高成像質量或測量精度。


濾光片的激光應用


4.激光波長選擇:在激光技術中,濾光片可以用于選擇激光的波長,確保激光輸出具有所需的波長和純度。

5.防護和保護:濾光片還可以用于保護眼睛或設備免受有害光線的傷害,如紫外線(UV)濾光片可以阻擋紫外線以保護皮膚和眼睛。


六、濾光片參數

窄帶濾光片參數圖

中心波長:峰值透過率一半位置的中點(帶通),形容長波通/短波通時為峰值透過率一半位置波長。

峰值透過率:光線進入濾光片透過最高位置的百分比。

截止率:也叫光密度,光密度與透過率成反比,光密度越高透過率越低。光線透過率低于10%后表現為截止,常用OD值表示,公式為OD=-log(T),OD1為0.1,OD2為0.01以此類推。

截止波段:表示截止帶的范圍,一般描述除通帶外該濾光片的截止波段。

帶寬:常描述帶通濾光片,通帶峰值透過率一半位置所在波長范圍,波長范圍越短精度越高。

斜率:邊緣濾光片從高截止轉換為高透射率的帶寬的陡峭程度,斜率越大,濾光片在截止和透射之間的轉換越陡峭,常用于長/短波通濾光片。

尺寸:常用mm表示,濾光片的尺寸對參數的影響巨大,尺寸的把控嚴重影響濾光片的性能,包括過濾范圍、透射性能、公差精度等等因素。

標簽: 濾光片
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