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滤光片

概述

生产规格

表面规格

材料规格

滤光片关键术语

滤光片是一种片状的光学滤波器，通常其透过率（反射率）与波长有关，也有的滤光片的透射率（反射率）是与偏振或者空间分布相关的。滤光片有很多种类型，可以广泛应用于激光防护，导弹制导系统及卫星传感器，光学成像系统，光学测量仪器以及成像系统等。

实验帮可以为您提供各种有色玻璃滤光片、中性密度滤光片、干涉滤光片、双折射滤光片等。您可以根据自己的需要进行选择。如果您需帮助，或者您有其它的滤光片相关需求，可以在线联系我们的客服或者发送邮件至sales@labbang.com告知您的需要，我们会第一时间回复您。

实验帮词条：光学滤波器，双折射，梳状滤波器，波长调谐，增益平坦，光纤通信，中性密度滤光片

1.滤光片技术参数简介

直径公差

圆形光学元件的直径公差提供了一个可接受的直径值范围。此生产规格会因制作光学产品的某些光学加工公司的技术水平和能力而有所不同。虽然直径公差不会对光学产品本身的光学性能产生任何影响，但如果要在任何一种固定器上安装光学产品，则它是您必须考虑的一种非常重要的机械公差。例如，如果透镜的直径与其标称值存有偏差，则有可能使已安装的组件中的机械轴偏离光学轴，从而导致光的偏心（图1）。通常，直径的生产公差为：+0.00/-0.10 mm表示一般质量，+0.00/-0.050 mm表示精密质量，+0.000/-0.010 mm则为高质量.

图1： 平行光的偏心

图2: 中心度测量

入射角度：入射光线和滤光片表面法线之间的夹角。当光线正入射时，入射角为0°。

光谱特性：滤光片光谱参数(透过率T，反射率R，光密度OD，位相，偏振状态s，p 等相对于波长变化的特性)。

中心波长：带通滤光片的中心称为中心波长（CWL）。通带宽度用最大透过率一半处的宽度表示（FWHM），通常称为半宽。

有效孔径：光学系统中有效利用的物理区域。通常于滤光片的外观尺寸相似，同心，尺寸略小些。

截止位置/前-后：cut-on 对应光谱特性从衰减到透过的50%点，cut-off 对应光谱特性从透过到衰减的50%点。有时也可定义为峰值透过率的5%或者10%点。

公差Tolerance：任何产品都有制造公差。以带通滤光片为例，中心波长要有公差，半宽要有公差，因此定购产品时一定要标明公差范围。滤光片实际使用过程中并非公差越小越好，公差越小，制造难度越大，成本越高。用户可以根据实际需要，提出合理公差范围。

表面质量

光学表面的质量用来衡量光学产品表面特性，并且涵盖了一些划痕和坑点等瑕疵。这些表面的大部分瑕疵纯粹是表面上的瑕疵，并不会对系统性能产生很大的影响，虽然，它们可能会使系统通光量出现微小的下滑，使散射光出现更细微的散射。然而，有些表面会对这些影响更敏感，如：(1)图像平面的表面，因为这些瑕疵会产生聚焦，以及(2)具有高功率级别的表面，因为这些瑕疵会增加能量吸收并毁坏光学产品。表面质量最常用的规格是由MIL-PRF-13830B说明的划痕和坑点规格。通过将表面的划痕与在受控的照明条件下提供的一系列标准划痕进行对比，来确定划痕名称。因此，划痕名称不是描述其实际的划痕，而是根据MIL规格将其与标准的划痕进行比较。然而，坑点名称直接与表面的点或小坑有关。坑点名称是通过以微米计的坑点直径除以10来计算的，通常划痕坑点规格在80至50之间将视为标准质量，在60至40之间为精确质量，而在20至10之间将视为高精度质量。

表面平面度

表面平面度是一种测量表面精度的规格类型，它用于测量反射镜、窗口片、棱镜或平光镜等平面的偏差。您可以使用光学平晶来测量此偏差，该平晶是一种高质量、高精度的参考平面，用于比较试样的平滑度。当所测试的光学产品的平面靠着光学平晶放置时，会出现条纹，其形状表示所检测的光学产品的表面平滑度。如果这些条纹间隔相等，并且是平行的直线，那么被检测的光学表面至少像参考光学平晶一样平展。如果条纹是弯曲的，则两个虚线（一个虚线与条纹中点相切，另一个虚线穿过同一个条纹的端点）之间的条纹数量会指出平滑度错误。平滑度的偏差通常是按波纹值(lambda;)来测量的，它们是由多个波长的测试源组成。一个条纹对应½的波长。平滑度为1lambda;，则表示一般的质量级别；平滑度为¼lambda;，则表示精确的质量级别；平滑度为1/20λ，表示高精度的质量级别。

光圈数

光圈数是一种测量表面精确性的规格类型，它适用于弯曲的光学表面或带有功率的表面。光圈数的测试类似于平面度测试，会将曲面与具有高校准的曲率半径的参考面进行比较。使用这两个表面空隙所产生的相同干涉原则，条纹的干涉图样用于描述测试表面与参考表面之间的偏差。与参考件产生的偏差将会产生一系列的圆环，称为牛顿环。呈现的环越多，偏差越大。暗环或亮环的数量，而不是暗环和亮环两者的总数，等于波长误差的2倍。

不规则度

不规则度是一种测量表面精确性的规格类型，它描述的是表面形状与参考表面形状之间的偏差。不规则度的测量方式与光圈数相同。规则度是指将测试表面与参考表面进行比较形成的球形的圆形条纹。当表面的光圈数超过5个条纹时，将很难检测到小于1个条纹的小型不规则形状。因此，通常的做法是指定表面的光圈数与不规则度的比率，使其大约为5:1。有关光学平晶以及说明测试平面度、光圈数和不规则度的条纹图样的更多详细信息。

表面加工

表面加工也称为表面粗糙度，用于测量表面的一些小型不规则度。它们通常是因抛光工艺所引起的不良后果。粗糙表面往往要比光滑表面更加耐磨，并且可能不适用于某些应用，特别是在使用激光或过热环境的应用中，这是因为成核位置有可能出现细微的破裂或瑕疵。表面加工的生产容差为50Å RMS时表示一般质量，在20Å RMS时表示精确质量，而在5Å RMS时表示高质量。

折射率

某种介质的折射率是指光在真空中的速度与光在介质中的速度之比。玻璃的折射率范围一般在1.4-4.0之间，与针对红外线优化的玻璃相比，可视玻璃的折射率范围要小一些。例如，N-BK7（一种通用的可视玻璃）的折射率为1.517，然而锗（一种通用的红外玻璃）的折射率为4.003。有关红外材料的更多信息，请参阅“红外 (IR) 应用领域使用的正确材料”。光学玻璃的折射率是一种重要属性，因为光学表面的功率是从表面的曲率半径和表面任意一侧上的介质折射率之差得来的。玻璃制造商指定的不均匀性是指玻璃折射率的变化。不均匀性是根据不同的等级来指定的，其中等级和不均匀性是互为相反关系的，随着等级的增加，不均匀性则会减少（表3）。

表3：不均匀性规格
不均匀性规格	不均匀性等级折射率的最大可变化范围
0	+/- 50 x 10-6
1	+/- 20 x 10-6
2	+/- 5 x 10-6
3	+/- 2 x 10-6
4	+/- 1 x 10-6
5	+/- 0.5 x 10-6

色散系数

玻璃的另一种材料属性是色散系数，用于量化玻璃呈现的色散量。它是材料在f (486.1nm)、d (587.6nm) 和c (656.3nm)波长时的折射率（方程式如下）。

色散系数值的范围通常在25至65之间。当玻璃的色散系数大于55（较小色散）时，会将该玻璃视为冕牌玻璃，而那些色散系数小于50（较多色散）的玻璃会视为火石玻璃。由于色散性，玻璃的折射率会因波长而有所不同。色散产生的最显著结果就是系统的焦距会因不同的光波长而稍有不同。有关折射率和色散系数等重要材料规格的更多详细信息，请参阅"光学玻璃"。

激光损伤阈值

激光损伤阈值是指激光损伤前每一区域的表面可耐受的最大激光功率量。脉冲激光和连续波(CW)激光都具有相应的激光损伤阈值。激光损伤阈值是反射镜的一个非常重要的材料规格，这是因为它们与激光产品而不是任何其他光学产品一同使用，然而，任何激光级光学产品将提供阈值。例如，考虑一下Ti：蓝宝石激光反射镜的损伤额定阈值为0.5 J/cm2 @ 150飞秒脉冲和100kW/cm2 CW。这就说明反射镜每平方厘米可耐受的高重复飞秒脉冲激光射入的能量密度为0.5J，或每平方厘米可耐受的大功率CW 激光射入的能量密度为100kW。如果激光束集中在更小的区域内，

则必须考虑采取相应的措施以确保整体阈值不超过指定的值。虽然具有一系列的其他生产规格、表面规格和材料规格，但如果了解了最常用的光学规格，则可以显著地避免混淆。透镜、反射镜、窗口片、滤光片、偏振片、棱镜、分束镜、and 光纤共同具有各种属性，因此，了解它们之间的关系以及它们将如何影响整体系统性能，将有助于您选择最佳的元件以集成到光学、成像或光电子应用中。

光学滤光片可用于衰减或加强图像、透射或反射特定波长，和/或将图像分成两个控制亮度水平相对的相同图像。要了解为任何应用程序选择正确的光学滤光片的重要性，请参考关键术语、制造技术以及当今可用的各种滤光片类型。

光学滤光片关键术语

在研究当今业界可用的制造技术和光学滤光片类型之前，首先最重要的是检阅与其相关的关键术语。所有的滤光片因为制造过程、某些入射光的通过、吸收和/或反射而各有不同，它们有着共同的光学参数。

中心波长

中心波长(CWL)通常用于表示带通滤光片的峰值透射率，或是陷波滤光片的峰值反射率。然而，这个术语常被误用 -CWL实际上定义为在峰值透射率为50%的波长之间的中点，称为半峰全宽(FWHM)。干涉滤光片的峰值则通常不会位于波长中点。请参阅图1关于CWL和FWHM的说明。

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）。

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。

光密度

光密度(OD)描述滤光片阻断规格，并且与穿过的能量透射量有关（方程式1–2）。高光密度值表示非常低的透射率，低光密度则表示高透射率。图3描述了三种不同的光密度：OD 1.0，OD 1.3和OD 1.5显示越高的OD值的透射率越低。

(1)

(2)

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。

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3中的λcut-on起始表示。

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4中的λcut-off截止表示。

图3： 起始波长说明

图4: 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5）。

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）。

Deposition of Multiple Layers of Alternating High and Low Index Materials onto a Glass Substrate

图5： 在玻璃基片上交替的高与低指标材料的多层沉积

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6）。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 (Left) and Hard-Sputtered Filter (Right)

图6： 传统滤光片（左）和加硬溅射法滤光片（右）

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滤光片

光学滤光片关键术语

中心波长

带宽

截止范围