基本介紹
- 中文名：濾光片
- 外文名：optical filter, light filter
- 類型：光學器件
- 用途：用來選取所需輻射波段
- 目的：讓天然的成像變得更暗
類型,顏色濾光片,薄膜濾光片,原理,作用,特點,波長,裝置,同步功能,圖像色彩還原,分類,薄膜濾光片,
類型
顏色濾光片
薄膜濾光片
一般透過的波長較長，多用做紅外濾光片。後者是在一定片基上的。
原理
濾光片是塑膠或玻璃片再加入特種染料做成的，紅色濾光片只能讓紅光通過，如此類推。玻璃片的透射率原本與空氣差不多，所有有色光都可以通過，所以是透明的，但是染了染料後，分子結構變化，折射率也發生變化，對某些色光的通過就有變化了。比如一束白光通過藍色濾光片，射出的是一束藍光，而綠光、紅光極少，大多數被濾光片吸收了。
標準濾光片組
標準濾光片組作用
濾光片的作用很大。廣泛用於攝影界。一些攝影大師拍攝的風景畫，為什麼主景總是那么突出，是怎樣做到的？這就用到了濾光片。比如你想用相機起拍一朵黃花，背景是藍天、綠葉，如果按照平常拍，就不能突出“黃花”這個主題，因為黃花的形象不夠突出。但是，如果在鏡頭前放一個黃色濾光片，阻擋一部分綠葉散射出的綠光、藍天散射出的藍光，而讓黃花散射出的黃光大量通過，這樣，黃花就顯得十分明顯了，突出了“黃花”這個主題。
濾光片
濾光片特點
其主要特點是尺寸可做得相當大。薄膜濾光片，一般透過的波長較長﹐多用做紅外濾光片。後者是在一定片基，用真空鍍膜法交替形成具有一定厚度的高折射率或低折射率的金屬-介質-金屬膜，或全介質膜，構成一種低級次的﹑多級串聯實心法布里-珀羅干涉儀。膜層的材料﹑厚度和串聯方式的選擇，由所需要的中心波長和透射頻寬λ確定。
波長
能從紫外到紅外任意波長﹑λ為 1～500埃的各種干涉濾光片。金屬－介質膜濾光片的峰值透射率不如全介質膜高，但後者的次峰和旁帶問題較嚴重。薄膜干涉濾光片中還有一種圓形或長條形可變干涉濾光片，適宜於空間天文測量。此外，還有一種雙色濾光片，它與入射光束成45°角放置，能以高而均勻的反射和透射率將光束分解為方向互相垂直的兩種不同顏色的光，適合於多通道多色測光。干涉濾光片一般要求垂直入射，當入射角增大時，向短波方向移動。
這個特點在一定範圍內可用來調準中心波長。由於λ和峰值透過率均隨溫度和時間而顯著變化﹐使用窄帶濾光片時必須十分小心。由於大尺寸的均勻膜層難於獲得﹐干涉濾光片的直徑一般都小於50毫米。有人曾用拼合方法獲得大到38厘米見方的干涉濾光片﹐裝在英國口徑 1.2米施密特望遠鏡上﹐用於拍攝大面積星雲的單色像。
裝置
同步功能
該技術能控制攝像機，紅外燈、濾光片、彩轉黑同步切換。 穩定性具有自動定位和防抖動功能， 光線在零界點時，不會產生閃爍。 快速切換一步到位，不會中途因阻力卡住而停頓，產生濾光片偏位。 不會因雲台旋轉，停止等變化和振動造成濾光片移位。 不會在高速切換時，因碰撞而反彈，造成濾光片位置定位不準確。
圖像色彩還原
水晶濾光片能最大限度地解決偽彩，色飄等問題。 在水晶上增加AR-COOTRMG重度膜，可達到98%光線的穿透性。 白天切換到水晶濾光片狀態，能很好的感應可見光，阻止紅外線和別的光干擾，是色彩鮮艷逼真， 夜晚切換到鍍有通透膜的濾光片，可達到100%光線穿透性。攝像機感應紅外線更多，而且絕大部分的波長的光線可以通過，攝像機同時彩轉黑，所以紅外距離更遠更清晰。
濾光片
濾光片分類
濾光片產品主要按光譜波段、光譜特性、膜層材料、套用特點等方式分類。
光譜波段：紫外濾光片、可見濾光片、紅外濾光片；
光譜特性：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；
膜層材料：軟膜濾光片、硬膜濾光片；
硬膜濾光片不僅指薄膜硬度方面，更重要的是它的雷射損傷閾值，所以它廣泛套用於雷射系統當中，面軟膜濾光片則主要用於生化分析儀當中。
帶通型： 選定波段的光通過，通帶以外的光截止。其光學指標主要是中心波長（CWL），半頻寬（FWHM)。分為窄帶和寬頻。比如窄帶808濾光片NBF-808。
短波通型(又叫低波通)：短於選定波長的光通過，長於該波長的光截止。 比如紅外截止濾光片，IBG-650。
長波通型(又叫高波通)：長於選定波長的光通過，短於該波長的光截止 比如紅外透過濾光片，IPG-800。
薄膜濾光片
用電子束(EB)蒸發的TiO2和SiO2薄膜系統具有重要的套用。但是用常規的蒸發技術，即使基板的溫度高達300℃以上，薄膜仍呈現出明顯的柱狀結構特性。這種柱狀結構的薄膜，由於膜層中包含著大量的空隙，因此隨著薄膜濾光片吸潮，膜層折射率升高，濾光片的中心波長就會產生明顯的漂移。為了表征這種結構特性，人們提出了聚集密度P，它被定義為薄膜中固體部分的體積與總體積之比。所以它是一個描述薄膜疏鬆程度的物理量。
隨著離子鍍膜技術的發展，諸如離子輔助澱積(IAD)，反應離子鍍(RIP)和離子束濺射(IBS)等，薄膜的聚集密度得到了顯著的提高，甚至已經有實驗報導，有些薄膜的聚集密度大於1。這意味著薄膜的密度比自然界中的大塊材料的密度還要高，原因是在高聚集密度的薄膜中，常常呈現出較大的壓應力，致使薄膜具有更高的聚集密度。但是，即使薄膜的聚集密度大於1，濾光片中心波長仍會出現漂移。已經認識到，影響薄膜濾光片中心波長漂移的不僅是聚集密度，而且還有薄膜與基板的溫度折射率係數和熱膨脹係數。所以濾光片的中心波長漂移可以簡單地表示為Δλ=薄膜空隙吸潮引起的漂移+溫度折射率變化引起的漂移+熱膨脹引起的漂移。
顯然，當採用離子技術使聚集密度提高到1時，吸潮引起的中心波長漂移已可忽略不計，而其他兩種因素上升為主要因素。本文僅從一般工藝出發，著重考察一下TiO2/SiO2組成的三腔濾光片的光學穩定性與上述三種因素的關係。實驗結果顯示，在可見光區域，對於聚集密度約為0.92的膜系，這三種因素中，吸潮引起的中心波長最大，數量級在10 nm左右。對於膠合的膜系來說，膜系空隙中水汽折射率隨溫度的上升而下降引起的中心波長短移大約在1×10-2nm/℃量級。而熱膨脹引起的漂移大約在1×10-3nm/℃量級。
吸潮引起的漂移
由於薄膜是柱狀結構，柱狀結構間存在空隙，吸潮前空隙內空氣的折射率為1，吸潮後空隙被水汽填充，折射率變為1.333，因而膜層的折射率，進而光學厚度和光譜特性均引起變化，這就是吸潮引起的光學不穩定性。
表1 材料不同聚集密度的吸潮效應引起中心波長漂移的計算值
表1 材料不同聚集密度的吸潮效應引起中心波長漂移的計算值將我們製備的膜繫結構(HLH2LHLHL)3以及相應的折射率代入，並且根據我們的工藝條件，TiO2和SiO2的聚集密度大約在0.92左右，由此對於不同中心波長的紅、綠、藍濾光片，可以計算出相應的吸潮引起的中心波長漂移。在f=1(即完全吸潮)的情況下，針對TiO2和SiO2的不同聚集密度，計算出的一系列中心波長漂移見表1。
從表中可以看出，吸潮情況下低折射率材料SiO2的聚集密度對中心波長的漂移起著主要作用。高折射率材料聚集密度的不同引起的中心波長漂移差別只有1 nm左右，而低折射率材料卻有大約3 nm的變化。原因在於低折射率材料吸潮後，折射率上升相對於原來折射率的比例很高，相當於光學厚度增加的比例大，導致漂移大。更重要的是，SiO2是作為膜系的間隔層，而間隔層對中心波長漂移的影響是最大的。
綜上所述，用溫度升高薄膜內原來占據空隙的水汽被蒸發導致中心波長短移的理論可以較好地解釋我們實驗得到的數據，並且可以由此推導出我們製備的SiO2的聚集密度大約在0.92～0.95之間。理論分析和工藝條件的分析相吻合。
溫度引起的漂移
除了吸潮引起的中心波長漂移以外，溫度升高引起的膜層折射率的變化，以及膜系熱膨脹引起的厚度變化也會引起膜層光學厚度的變化，從而導致中心波長發生漂移。不僅如此，由於基板的熱膨脹係數與膜系的熱膨脹係數不同，在受熱的情況下，膜系會受到基板應力的作用發生彈性形變，從而聚集密度發生變化，也會導致中心波長發生漂移。理論可以用來定量地分析溫度上升所引起的中心波長漂移。其中主要的因素就是材料的折射率溫度係數、基板的線性熱膨脹係數、材料的泊松比、膜系的線性熱膨脹係數、膜層的聚集密度等。關於各種材料的折射率隨溫度變化的數據非常缺乏，尤其是薄膜形態材料的數據.據文獻報導，不同材料的折射率溫度的變化差異很大，比如碲化物呈現出負的數值，而一般材料折射率都隨溫度的上升而增大。在我們的膜系中，由於是SiO2作為間隔層，因此SiO2的折射率溫度係數起主要的作用。文獻中有晶體石英在可見光範圍內o光和e光的折射率，見表2。也有熔融石英在紅外的折射率溫度係數，在1550 nm時約為+1.1×10-5/℃，但是很難查到在可見光區域內的數據。根據上述的數據，我們可以推斷可見光區SiO2薄膜的折射率溫度係數大概為+0.5×10-5/℃左右。基板的熱膨脹係數，對K9玻璃在-30～70℃範圍內為74×10-7/℃，在100～300℃範圍內為86×10-7/℃。膜系的熱膨脹係數在5.5×10-7/℃左右，泊松比取0.1。
表2 石英晶體的折射率溫度係數
表3 不同溫度水的折射率隨波長的變化
表2 石英晶體的折射率溫度係數表3 不同溫度水的折射率隨波長的變化根據以上的理論分析和參量設定，計算得到在70℃以下，綠色濾光片的中心波長的溫度漂移為-0.00088 nm/℃，在100℃以上，中心波長的溫度漂移為-0.001459 nm/℃，對於不同顏色的濾光片，數值略有不同，但量級都在-1×10-3 nm/℃，10℃的溫度變化也只會引起-10-2nm量級的漂移，而實驗觀測到的漂移無論對單片還是膠合樣品都在1 nm的量級，所以上述計算的結果並不是主要因素。
對於雙片膠合的樣品而言，聚集密度不等於1時，其中的空隙多由水汽所填充，膠合以後，這些水分子仍然存在，不能蒸發脫離出薄膜。根據文獻顯示，水的折射率溫度變化相對薄膜材料是比較大的，具體數據見表3。它的量級在10-4/℃，比SiO2高一個量級，並且隨著溫度的上升，折射率下降速度加快。對於聚集密度0.9而言，水分子折射率溫度係數的作用跟膜層材料的作用已經可比擬，甚至更大。
從表中我們看到，水的折射率從20℃到80℃下降了大約0.01，按照0.9的聚集密度來計算，由膜層中的水折射率下降引起膜層折射率溫度係數-2×10-5/℃，可見它完全可以抵消SiO2折射率隨溫度的上升，使整個膜系呈現負的折射率溫度係數，此時膜系的折射率係數變為-1.5×10-5 nm/℃，室溫到70℃的溫度漂移是-0.6 nm，跟實驗結果0～-2 nm處於同一個數量級。對於70℃以上的情況，沒有水的折射率變化的數據，但考慮到100℃以後水從液態逐漸變為氣態，折射率的下降會更快，所以從這個角度能夠合理解釋膠合濾光片中心波長隨溫度的短移。
我們認為，對於未膠合單片的濾光片，室溫下薄膜柱狀結構中的空隙幾乎完全被水分子所填充，在溫度上升到70℃時，柱狀結構中80%～90%左右的水分子被蒸發脫離出薄膜，而在70℃到120℃的時候，剩餘的10～20%左右的水分子也被蒸發脫離出薄膜。因此導致了在70℃到120℃的中心波長漂移。實驗數據中這種漂移的數值在1～2.5 nm之間，確實是室溫到70℃漂移值的1/5左右。實驗還反映，100℃到120℃的漂移小於70℃到100℃範圍的漂移，這也符合我們的分析。
研究結論
通過對紅、綠、藍三種帶通濾光片在溫度影響下中心波長漂移的實驗，我們分析了造成這種漂移的原因。這其中有三種因素起著作用。對於未膠合濾光片，薄膜柱狀結構空隙中原本填充的水分子隨溫度升高被蒸發而引起的折射率下降是主要因素，它造成了中心波長的短移。這種短移隨薄膜的聚集密度而變化。對於聚集密度為0.92的膜系，短移的數值在10 nm的量級。這種解吸潮的過程在室溫到70℃的範圍內最明顯，有80%到90%的水被蒸發出來，而在70℃以上，殘餘的10%～20%的水分也被蒸發出來。對於膠合的濾光片，造成中心波長短移的原因在於填充薄膜空隙的水汽的折射率隨溫度上升而下降，而且這種下降的速度遠大於薄膜材料折射率隨溫度上升和幾何厚度熱膨脹引起的增量的速度，因此引起光學厚度下降、中心波長短移。這種短移的量級大約在-1×10-2 nm/℃。最後，對於聚集密度很高的膜系而言，材料的折射率溫度係數、基板的熱膨脹係數是決定中心波長漂移的重要因素。通過計算，對於可見光的範圍，這種漂移的量級在1×10-3nm/℃左右，方向由基板的熱膨脹係數決定。
根據以上的分析，可以制定改善膜系溫度穩定性的措施。首先，提高膜系的聚集密度是一個最重要的手段。聚集密度的提高減少了吸潮的影響，而吸潮是對穩定性影響最大的因素。把薄膜膠合在玻璃基片之間也是一個很好的措施，它可以使漂移下降到10-2nm/℃量級。除了提高薄膜的聚集密度以外，選擇折射率溫度係數小的材料、或是折射率溫度係數正負相反的材料來製備膜系，同時選擇適當熱膨脹係數的基板也是措施之一，這在紅外並且聚集密度接近一的情況下尤為重要。
