濾光片原理

濾光片是塑料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，但是染了染料后，分子結(jié)構(gòu)變化，折射率也發(fā)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(lán)色濾光片，射出的是一束藍(lán)光，而綠光、紅光極少，大多數(shù)被濾光片吸收了。

濾光片顏色濾光片

這是各種顏色的平板玻璃或明膠片，其透射帶寬數(shù)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。其主要特點是尺寸可做得相當(dāng)大。

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。后者是在一定片基上的。

濾光片的作用很大。廣泛用于攝影界。一些攝影大師拍攝的風(fēng)景畫，為什么主景總是那么突出，是怎樣做到的？這就用到了濾光片。比如你想用相機(jī)起拍一朵黃花，背景是藍(lán)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(lán)天散射出的藍(lán)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。

其主要特點是尺寸可做得相當(dāng)大。薄膜濾光片，一般透過的波長較長﹐多用做紅外濾光片。后者是在一定片基，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(zhì)-金屬膜，或全介質(zhì)膜，構(gòu)成一種低級次的﹑多級串聯(lián)實心法布里-珀羅干涉儀。膜層的材料﹑厚度和串聯(lián)方式的選擇，由所需要的中心波長和透射帶寬λ確定。

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(zhì)膜濾光片的峰值透射率不如全介質(zhì)膜高，但后者的次峰和旁帶問題較嚴(yán)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，適宜于空間天文測量。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，適合于多通道多色測光。干涉濾光片一般要求垂直入射，當(dāng)入射角增大時，向短波方向移動。

這個特點在一定范圍內(nèi)可用來調(diào)準(zhǔn)中心波長。由于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。由于大尺寸的均勻膜層難于獲得﹐干涉濾光片的直徑一般都小于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(yuǎn)鏡上﹐用于拍攝大面積星云的單色像。

濾光片同步功能

該技術(shù)能控制攝像機(jī)，紅外燈、濾光片、彩轉(zhuǎn)黑同步切換。 穩(wěn)定性具有自動定位和防抖動功能， 光線在零界點時，不會產(chǎn)生閃爍。 快速切換一步到位，不會中途因阻力卡住而停頓，產(chǎn)生濾光片偏位。 不會因云臺旋轉(zhuǎn)，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(zhǔn)確。

濾光片圖像色彩還原

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(dá)到98%光線的穿透性。 白天切換到水晶濾光片狀態(tài)，能很好的感應(yīng)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(dá)到100%光線穿透性。攝像機(jī)感應(yīng)紅外線更多，而且絕大部分的波長的光線可以通過，攝像機(jī)同時彩轉(zhuǎn)黑，所以紅外距離更遠(yuǎn)更清晰。

濾光片產(chǎn)品主要按光譜波段、光譜特性、膜層材料、應(yīng)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，更重要的是它的激光損傷閾值，所以它廣泛應(yīng)用于激光系統(tǒng)當(dāng)中，面軟膜濾光片則主要用于生化分析儀當(dāng)中。

帶通型： 選定波段的光通過，通帶以外的光截止。其光學(xué)指標(biāo)主要是中心波長（CWL），半帶寬（FWHM)。分為窄帶和寬帶。比如窄帶808濾光片NBF-808。

短波通型(又叫低波通)：短于選定波長的光通過，長于該波長的光截止。 比如紅外截止濾光片，IBG-650。

長波通型(又叫高波通)：長于選定波長的光通過，短于該波長的光截止 比如紅外透過濾光片，IPG-800。

用電子束(EB)蒸發(fā)的TiO₂和SiO₂薄膜系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用。但是用常規(guī)的蒸發(fā)技術(shù)，即使基板的溫度高達(dá)300℃以上，薄膜仍呈現(xiàn)出明顯的柱狀結(jié)構(gòu)特性。這種柱狀結(jié)構(gòu)的薄膜，由于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(chǎn)生明顯的漂移。為了表征這種結(jié)構(gòu)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松程度的物理量。

隨著離子鍍膜技術(shù)的發(fā)展，諸如離子輔助淀積(IAD)，反應(yīng)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(jīng)有實驗報道，有些薄膜的聚集密度大于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(xiàn)出較大的壓應(yīng)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于1，濾光片中心波長仍會出現(xiàn)漂移。已經(jīng)認(rèn)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系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。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(dāng)采用離子技術(shù)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(fā)，著重考察一下TiO₂/SiO₂組成的三腔濾光片的光學(xué)穩(wěn)定性與上述三種因素的關(guān)系。實驗結(jié)果顯示，在可見光區(qū)域，對于聚集密度約為0.92的膜系，這三種因素中，吸潮引起的中心波長最大，數(shù)量級在10 nm左右。對于膠合的膜系來說，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

由于薄膜是柱狀結(jié)構(gòu)，柱狀結(jié)構(gòu)間存在空隙，吸潮前空隙內(nèi)空氣的折射率為1，吸潮后空隙被水汽填充，折射率變?yōu)?.333，因而膜層的折射率，進(jìn)而光學(xué)厚度和光譜特性均引起變化，這就是吸潮引起的光學(xué)不穩(wěn)定性。

將我們制備的膜系結(jié)構(gòu)(HLH2LHLHL)³以及相應(yīng)的折射率代入，并且根據(jù)我們的工藝條件，TiO₂和SiO₂的聚集密度大約在0.92左右，由此對于不同中心波長的紅、綠、藍(lán)濾光片，可以計算出相應(yīng)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。原因在于低折射率材料吸潮后，折射率上升相對于原來折射率的比例很高，相當(dāng)于光學(xué)厚度增加的比例大，導(dǎo)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(nèi)原來占據(jù)空隙的水汽被蒸發(fā)導(dǎo)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(shù)據(jù)，并且可以由此推導(dǎo)出我們制備的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(xué)厚度的變化，從而導(dǎo)致中心波長發(fā)生漂移。不僅如此，由于基板的熱膨脹系數(shù)與膜系的熱膨脹系數(shù)不同，在受熱的情況下，膜系會受到基板應(yīng)力的作用發(fā)生彈性形變，從而聚集密度發(fā)生變化，也會導(dǎo)致中心波長發(fā)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系數(shù)、基板的線性熱膨脹系數(shù)、材料的泊松比、膜系的線性熱膨脹系數(shù)、膜層的聚集密度等。關(guān)于各種材料的折射率隨溫度變化的數(shù)據(jù)非常缺乏，尤其是薄膜形態(tài)材料的數(shù)據(jù).據(jù)文獻(xiàn)報道，不同材料的折射率溫度的變化差異很大，比如碲化物呈現(xiàn)出負(fù)的數(shù)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，由于是SiO₂作為間隔層，因此SiO₂的折射率溫度系數(shù)起主要的作用。文獻(xiàn)中有晶體石英在可見光范圍內(nèi)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系數(shù)，在1550 nm時約為 1.1×10^-5/℃，但是很難查到在可見光區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，我們可以推斷可見光區(qū)SiO₂薄膜的折射率溫度系數(shù)大概為 0.5×10^-5/℃左右?；宓臒崤蛎浵禂?shù)，對K9玻璃在-30～70℃范圍內(nèi)為74×10^-7/℃，在100～300℃范圍內(nèi)為86×10^-7/℃。膜系的熱膨脹系數(shù)在5.5×10^-7/℃左右，泊松比取0.1。

根據(jù)以上的理論分析和參量設(shè)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/℃，對于不同顏色的濾光片，數(shù)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(jié)果并不是主要因素。

對于雙片膠合的樣品而言，聚集密度不等于1時，其中的空隙多由水汽所填充，膠合以后，這些水分子仍然存在，不能蒸發(fā)脫離出薄膜。根據(jù)文獻(xiàn)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(shù)據(jù)見表3。它的量級在10^-4/℃，比SiO₂高一個量級，并且隨著溫度的上升，折射率下降速度加快。對于聚集密度0.9而言，水分子折射率溫度系數(shù)的作用跟膜層材料的作用已經(jīng)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系數(shù)-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(xiàn)負(fù)的折射率溫度系數(shù)，此時膜系的折射率系數(shù)變?yōu)?1.5×10^-5 nm/℃，室溫到70℃的溫度漂移是-0.6 nm，跟實驗結(jié)果0～-2 nm處于同一個數(shù)量級。對于70℃以上的情況，沒有水的折射率變化的數(shù)據(jù)，但考慮到100℃以后水從液態(tài)逐漸變?yōu)闅鈶B(tài)，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(rèn)為，對于未膠合單片的濾光片，室溫下薄膜柱狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中80%～90%左右的水分子被蒸發(fā)脫離出薄膜，而在70℃到120℃的時候，剩余的10～20%左右的水分子也被蒸發(fā)脫離出薄膜。因此導(dǎo)致了在70℃到120℃的中心波長漂移。實驗數(shù)據(jù)中這種漂移的數(shù)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℃的漂移小于70℃到100℃范圍的漂移，這也符合我們的分析。

研究結(jié)論

通過對紅、綠、藍(lán)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。對于未膠合濾光片，薄膜柱狀結(jié)構(gòu)空隙中原本填充的水分子隨溫度升高被蒸發(fā)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。對于聚集密度為0.92的膜系，短移的數(shù)值在10 nm的量級。這種解吸潮的過程在室溫到70℃的范圍內(nèi)最明顯，有80%到90%的水被蒸發(fā)出來，而在70℃以上，殘余的10%～20%的水分也被蒸發(fā)出來。對于膠合的濾光片，造成中心波長短移的原因在于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(yuǎn)大于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(xué)厚度下降、中心波長短移。這種短移的量級大約在-1×10^-2 nm/℃。最后，對于聚集密度很高的膜系而言，材料的折射率溫度系數(shù)、基板的熱膨脹系數(shù)是決定中心波長漂移的重要因素。通過計算，對于可見光的范圍，這種漂移的量級在1×10^-3nm/℃左右，方向由基板的熱膨脹系數(shù)決定。

根據(jù)以上的分析，可以制定改善膜系溫度穩(wěn)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(wěn)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，選擇折射率溫度系數(shù)小的材料、或是折射率溫度系數(shù)正負(fù)相反的材料來制備膜系，同時選擇適當(dāng)熱膨脹系數(shù)的基板也是措施之一，這在紅外并且聚集密度接近一的情況下尤為重要。

寬帶濾光片通?？梢杂枚滩ㄍê烷L波通濾光片組合而成。考慮到膜層吸收特性，某些短波通或長波通濾光片其本身就可以當(dāng)作寬帶濾光片。截止濾光片膜系可以鍍在不同的基片上，若干不同截止波長的截止濾光片可組成一套具有不同半寬度和峰值波長的寬帶濾光片，一般情況下，這樣組成的寬帶濾光片，不適用于成像系統(tǒng)，因為膜系之間的多次反射可能會造成鬼像。為了消除鬼像，必須把整個薄膜濾光片都鍍在基底的同一側(cè)，最有效的設(shè)計方法仍然是采用對稱周期膜系。

采用對稱周期膜系時，可用等效單層膜來表示短波通膜系和長波通膜系，這樣有三個需要匹配的界面，假如用A和B表示兩個等效膜，其中B靠近基片，則在基片和B，B和A及A和入射介質(zhì)之間都需要考慮匹配膜層，用簡單的

某些多半波濾光片膜系(即含有多個半波層的膜系)也可以構(gòu)成寬帶濾光片，例如全介質(zhì)四半波濾光片：

以長波通與短波通濾光片來合成窄帶濾光片在工藝上非常困難，因為制膜時截止波長、中心波長和半寬度都很難控制，所以通常以法布里一珀羅干涉儀(簡稱F—P干涉儀或F—P標(biāo)準(zhǔn)具)來設(shè)計窄帶濾光片，其設(shè)計原理與其他膜系完全不同。

根據(jù)物理光學(xué)的有關(guān)知識，F(xiàn)—P干涉儀由兩塊高反射率，間隔為d的平行反射板組成，如圖2所示，如果用介質(zhì)層來代替平行反射板之間的空氣層，在介質(zhì)層兩側(cè)鍍制高反射膜層，就可得到具有F—P干涉儀光譜性質(zhì)的膜系。

根據(jù)多光束干涉理論，通過F—P標(biāo)準(zhǔn)具的透過率為

式中，

令

式子的特點是相位關(guān)系和振幅關(guān)系可以分別研究，

固體濾光片

solid filter

正確的說法是固體玻璃濾光片。系一般攝影用的濾光片。針對鏡頭口徑可選擇的品咱很多（49毫米，52毫米等）。與醋酸濾光片和明膠濾光片相對地大多是指玻璃濾光片。