光學(xué)基礎(chǔ)術(shù)語(yǔ)以及分析
：2022-09-15
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一、入射角
全介質(zhì)薄膜濾光片的其中一個(gè)特點(diǎn)是具有角度特性，0度入射我們也叫垂直入射或叫90度入射，也叫正常入射或自然角入射。不存在P，S分量的偏振態(tài)。當(dāng)入射光源或?yàn)V光片鏡片產(chǎn)生斜面后，就開會(huì)有偏振效益。P分量和S分量隨著角度變?cè)挼木嚯x就變得更遠(yuǎn)。右圖中可以看到。這種情況下，只能通過(guò)膜系軟件設(shè)計(jì)盡可能的變小差距。
同時(shí)我們看到中心波長(zhǎng)偏左邊（短波長(zhǎng)）方向偏移，正常下差不多1度約1納米。
鍍介質(zhì)加金屬膜或半導(dǎo)體膜或全金屬膜料對(duì)角度變化值不敏感。
從入射方式和光源看，有平行光垂直入射和斜角度入射，還有錐形光半角正入射和斜角度入射，如下圖所示。這些參數(shù)對(duì)鍍膜設(shè)計(jì)者和品保光譜檢測(cè)時(shí)是很關(guān)心的。
帶通濾光片定義：Bandwidth
帶通濾光片產(chǎn)品關(guān)心的要素：中心波長(zhǎng)（CWL），峰值透過(guò)率，帶通超過(guò)平均值透過(guò)率Tavg%（如帶通內(nèi)平均透過(guò)95%用Tave表示，那Tavg就是要考核的區(qū)域內(nèi)透過(guò)率最少要大于95%以上，不得低于這個(gè)數(shù)值。）最小通帶GMBW有時(shí)我們把Tavg比作Ripple波紋，比如透過(guò)率在93%~96%變化，這個(gè)變化值我們叫做波紋3%，客人會(huì)要求在3%波紋內(nèi)要有35nm的通帶。這個(gè)的意義是讓光源左右兩邊的光能量盡可能的透過(guò)。半帶寬FWHM是指峰值波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的透過(guò)率一半的透過(guò)率所對(duì)應(yīng)的左邊與右邊波長(zhǎng)相差的絕對(duì)值。比如理想下中心波長(zhǎng)是850nm透過(guò)率最高達(dá)到了98%，98%/2=49%所對(duì)應(yīng)的左邊波長(zhǎng)假如是830nm,右邊870nm,兩波長(zhǎng)相減的絕
對(duì)值即40nm，那半帶寬FWHM=40，公式：FWHM=GMBW+0.01*CWL如GMBW=35+0.01*850=35+8.5=43.5nm這個(gè)公式是根據(jù)各公司的鍍膜工藝在設(shè)計(jì)過(guò)程的調(diào)整。只做為我們初步評(píng)估客戶產(chǎn)品的可行性方案。以此相推，透過(guò)等于1%所對(duì)應(yīng)的帶寬即40+20=60透過(guò)等0.1%所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)即為40+20+20=80nm，因此中心850nm，透過(guò)等于0.1%時(shí)截止區(qū)應(yīng)從810nm結(jié)束，右邊應(yīng)從890nm開始。
干涉濾光片它存在一定的共性，雖然濾光片帶寬，透過(guò)率等參數(shù)可以通過(guò)膜系設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化改變不同的參數(shù)，但正常下他要得到一定完美帶通濾光片，他的截止率是隨著膜層厚度增加OD值變?cè)酱?。理論上我們希望帶通?nèi)的透過(guò)率越平越好，實(shí)際上是做不到的。請(qǐng)看以下的圖表，有截止區(qū)，半帶寬，最小帶寬，最基本通帶透過(guò)率，中心波長(zhǎng)等參數(shù)。
光學(xué)密度：Optical Density （OD）
這是用來(lái)說(shuō)明濾光片除有用區(qū)域外，其它區(qū)域阻止能力情況。就比作水庫(kù)存大壩，我們預(yù)留了一個(gè)水閘口流水，其余的決不希望有漏水出來(lái)。水壩其它地方也漏水時(shí)間久了壩就崩潰了。對(duì)于濾光片來(lái)講一樣存在這個(gè)問(wèn)題，膜系設(shè)計(jì)軟件理論上設(shè)計(jì)透過(guò)率很低了，實(shí)際上仍有光通過(guò)來(lái)，或是肉眼看沒(méi)有光透過(guò)率來(lái)了，采用大功率的激光器一批發(fā)現(xiàn)光全泄漏過(guò)來(lái)了。跟透過(guò)率是一個(gè)對(duì)數(shù)關(guān)系。
計(jì)算是T=80%要轉(zhuǎn)成0.8然后求log得到OD=-0.0969=dB=-0.969dB
ND FILTER （光學(xué)密度濾光片），也叫中性密度濾光片
這是用來(lái)說(shuō)明光通過(guò)玻璃或材料時(shí)初時(shí)光與通過(guò)后光之前比值的對(duì)數(shù)關(guān)系。如初時(shí)光是100%我們理解為1,通過(guò)后只有50%的光，我們認(rèn)為只有1/2的光過(guò)來(lái)。求10為底的對(duì)數(shù)得到，d=0.3即光學(xué)密度為-0.3，dB表示即為-0.3*10=-3dB=50%透過(guò)。即為ND2，因此簡(jiǎn)單的理解就是ND16就是指初時(shí)光強(qiáng)與最后光強(qiáng)比值是1/16=0.0625。OD即為-1.2,即-12dB,透過(guò)T=6.25%。這種ND filter通產(chǎn)用來(lái)檢測(cè)液晶顯示器屏上是否有不變的點(diǎn)或特亮的點(diǎn)，以確定顯示屏是不是好的。
有效面積：或叫有效通光孔徑
對(duì)這個(gè)的解釋是，當(dāng)光源或光路通過(guò)或工作時(shí)穿過(guò)鏡片或?yàn)V光片時(shí)，所占的面積。要做到100%的使用面積是幾乎不可能的，只能說(shuō)最大允許可接受的有效區(qū)。常說(shuō)有效區(qū)95%，如產(chǎn)品尺寸是80*80*1mm即有效位置為76*76*1mm，反過(guò)來(lái)講，上下左右兩邊最大各占(80-76)/2=2mm，即各邊有2*80mm的區(qū)域是不做考慮的或說(shuō)是2*80的面積不是有效面積內(nèi)。這時(shí)可以鍍膜可以不鍍膜可以是鍍膜夾具的檔邊位也可以是劃傷或麻點(diǎn)等缺陷點(diǎn)存在。當(dāng)然還要看其它要求，這只是其中之一對(duì)濾光片有效面積的限制點(diǎn)。特別是擦拭QC時(shí)特別會(huì)關(guān)心這些，中心光潔度，邊緣光潔度等參數(shù)。如下圖。
可靠性能力（可靠性實(shí)驗(yàn)）Reliability
這個(gè)是濾光片成品后在用戶使用過(guò)程很關(guān)鍵的參數(shù)，正如我們買了手機(jī)能不能摔，買汽車有沒(méi)有經(jīng)過(guò)100公里時(shí)速?zèng)_擊測(cè)試，如果不過(guò)關(guān)就相當(dāng)于人走在薄薄的冰磚上隨時(shí)掉到水中。
對(duì)于光學(xué)濾光片可靠性實(shí)驗(yàn)比較多：有材料成份安全數(shù)據(jù)MSDS，環(huán)保認(rèn)證ROHS，高溫和低溫實(shí)驗(yàn)-40~+70度，濕度實(shí)驗(yàn),膜層強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，膜層表面硬度實(shí)驗(yàn)，鹽霧防腐蝕實(shí)驗(yàn)，抗功率實(shí)驗(yàn)（激光損傷值，是否是脈沖激光，是否連續(xù)激光，脈沖寬度，平均功率，工作波長(zhǎng)，激光光斑直徑大?。瑸V光片膜層吸收實(shí)驗(yàn)（透過(guò)等90%并不代表反射是10%）,濾光片溫漂實(shí)驗(yàn)（這是很挑戰(zhàn)工藝的參數(shù)，考驗(yàn)濾光片在使用中剛開時(shí)光照下溫度為常溫或低溫，使用一段時(shí)間后變成了高溫高濕環(huán)境，這時(shí)的波長(zhǎng)是否有變化，透過(guò)率是否有變化都是非常關(guān)注的）,下圖曲線是高強(qiáng)能量氙氣燈照射下濾光片曲線變化。
光學(xué)指標(biāo)：以是帶通與短波通的產(chǎn)品的光學(xué)指標(biāo)。請(qǐng)按參數(shù)進(jìn)行畫出坐標(biāo)來(lái)。
1） BP850FWHM80， 尺寸：80*80*0.7mm
T<0.1% @ 360nm~800nm
T<0.1% @900nm~1100nm
T>85% @ 850nm+/-5nm
FWHM=80nm (主峰值的一半所對(duì)應(yīng)的左右兩邊波長(zhǎng)相減的帶寬)
2） HT532HR1064HR808濾光鏡片
入射角：45度，尺寸：80*80*0.5mm
T>94.8% @532+/-15nm
T<0.01% @808nm+/-20nm（即788~828nm T<0.01%）
T<0.0001% @1064nm+/-20nm （即1044nm~1084nm T<0.0001%）
用綠激光去打，無(wú)1064nm光過(guò)來(lái)即為合格品。
S2面鍍：45deg AR@532nm R<0.4%
膜系類型也叫產(chǎn)品曲線類型：
不同形狀的產(chǎn)品曲線也可以意味著產(chǎn)品的應(yīng)用不同，產(chǎn)品具有的性能不同，可分光帶通，多帶通，窄帶，負(fù)型，長(zhǎng)波通，短波通，增透，分光，高反，偏振，消偏振，
從以上圖表可以看到，通過(guò)膜系去分，實(shí)際上只有10種類型，再延伸成多帶通，多窄帶，多負(fù)型帶通，多負(fù)型窄帶，單點(diǎn)增透，單點(diǎn)分光，單點(diǎn)消偏振等，也沒(méi)多少種。要知道的是每種曲線代表每種產(chǎn)品。
根據(jù)透過(guò)，波長(zhǎng)等各自特點(diǎn)去詳細(xì)在180nm~380nm~400nm~760nm~1100nm~25um那樣產(chǎn)品曲線和不同入射角去分將是無(wú)數(shù)種產(chǎn)品。那將變得簡(jiǎn)單問(wèn)題復(fù)雜了。我們通產(chǎn)采用產(chǎn)品編號(hào)進(jìn)行分區(qū)。比如長(zhǎng)波通我們叫LP，45度的長(zhǎng)波通我們叫DLP，短波通叫SP，45度短波通DSP，帶通BP，窄帶NBP，負(fù)型叫NF，增透AR，高反HR，偏振PBS，消偏振NPBS，分光PR等編號(hào)和代碼去區(qū)分，就可以一眼看出是什么類型的產(chǎn)品。
產(chǎn)品應(yīng)用：
下圖為產(chǎn)品在顯微鏡中的應(yīng)用，給大家分析下濾光片在這器件中的應(yīng)用和作用。
左邊是一個(gè)光源，可以理解這個(gè)光源是白熾燈，發(fā)出來(lái)的光有點(diǎn)淡黃色的，色溫在2900K左右，這里面有紫外線，有各種色彩的可見(jiàn)光，也有鎢絲發(fā)紅的紅外線。通過(guò)左邊第一個(gè)黑色濾光片過(guò)濾后，只通過(guò)某個(gè)光，假設(shè)是綠光，綠光射到鏡片上，這個(gè)鏡片是45度斜放的，反射到載玻片上的物體，物體吸收綠光后產(chǎn)生自身的波長(zhǎng)（專家認(rèn)為任保物體都有他自身的波長(zhǎng)），透過(guò)45度斜放的濾光片，設(shè)透過(guò)來(lái)的自射波長(zhǎng)是650-670nm，這時(shí)透過(guò)來(lái)的自身波長(zhǎng)可能仍有雜散，我們通過(guò)一個(gè)660nm的窄帶濾光片過(guò)濾后，只留下660nm光到人眼中。我們就看到物體的特性。可進(jìn)行血液，精液，尿液，細(xì)胞DNA，藥粉等觀察。
這里的濾光片起到了過(guò)濾光源中的雜散光，又起來(lái)二色反射和透射作用，也起到保護(hù)人眼不受有害光源干擾作用。
2．生化醫(yī)療儀器濾光片：生物醫(yī)學(xué)是當(dāng)今世界發(fā)展最快,也是應(yīng)用前景最廣闊的前沿學(xué)科之一。其中用于細(xì)胞結(jié)構(gòu)分析的熒光顯微技術(shù)和喇曼光譜分析技術(shù)，隨著其主要部件，特別是光學(xué)濾光片生產(chǎn)技術(shù)的大幅度提高，正越來(lái)越多地在研究機(jī)構(gòu)和醫(yī)院里得到廣泛應(yīng)用。高性能的生化醫(yī)療儀器濾光片，包括熒光顯微鏡濾光片，激光譜線濾光片和喇曼分析濾光片等。
3．精密光學(xué)濾波片。主要包括激光薄膜，激光陀螺反射鏡。激光器的諧振腔通常是由前后兩個(gè)反射鏡組成。多數(shù)諧振腔的反射鏡都是介質(zhì)膜反射鏡特別是高功率激光要求薄膜的反射率要高。但吸收要很小。而介質(zhì)薄膜反射鏡質(zhì)量的好壞是限制激光器最大功率的主要因素。
4．光學(xué)引擎的零部件。光學(xué)引擎是投影儀和投影電視機(jī)的心臟。它主要是由多個(gè)光學(xué)薄膜部件組成。下圖是一個(gè)基于LCOS技術(shù)的光學(xué)引擎示意圖。它的基本原理是利用多個(gè)濾波器件把白熾燈的白光分解成紅，綠，藍(lán)三種基色的偏振光，經(jīng)三個(gè)LCOS芯片分別成像后經(jīng)一個(gè)合色棱鏡（x-cube）將三種基色的圖象合成一個(gè)彩色圖象投影到屏幕上。
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5．這里的紫外-紅外截止濾光片（UV-IR-CUT）,分色濾光片（color filter）,偏振分光鏡（PBS）和合色棱鏡（x-cube）的光學(xué)功能都是靠光學(xué)鍍膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際系統(tǒng)中，通常要求顏色的保真度要高.
6．?dāng)?shù)碼相機(jī)用低通濾波片（OLPF）和紅外截止濾光片：在每個(gè)數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)內(nèi)，都需要一片紅外截止濾光片，其作用是阻擋紅外線進(jìn)入相機(jī)的CCD或CMOS感應(yīng)芯片而影響照片的顏色。為了消除感應(yīng)芯片像素陣列帶來(lái)的空間干涉效應(yīng)而出現(xiàn)的摩爾條紋，還需要加一個(gè)低通濾波片（Optical Low Pass Filter）。這種低通濾波片（OLPF）通常是由數(shù)片不同切割方向和厚度的水晶片鍍膜后膠合而成。下圖是用OLPF之前和之后的拍攝效果比較。
色溫（colo(u)r temperature）是表示光源光色的尺度，單位為K（開爾文）。色溫是在攝影、錄象、出版等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。光源的色溫是通過(guò)對(duì)比它的色彩和理論的熱黑體輻射體來(lái)確定的。熱黑體輻射體與光源的色彩相匹配時(shí)的開爾文溫度就是那個(gè)光源的色溫，它直接和普朗克黑體輻射定律相聯(lián)系。
色溫是表示光源光譜質(zhì)量最通用的指標(biāo)。一般用Tc表示。色溫是按絕對(duì)黑體來(lái)定義的，光源的輻射在可見(jiàn)區(qū)和絕對(duì)黑體的輻射完全相同時(shí)，此時(shí)黑體的溫度就稱此光源的色溫。下圖是三種色溫的熒光燈光譜
色溫分布暖光和冷光，常用光源的色溫為：標(biāo)準(zhǔn)燭光為1930K（開爾文溫度單位）；鎢絲燈為2760-2900K；熒光燈為3000K；白熾燈泡：3200K，鹵素?zé)簦?400K, 閃光燈為3800K；日光燈：5500K，中午陽(yáng)光為5600K；電子閃光燈為6000K；藍(lán)天為12000-18000K。從下圖可以看到不同的色溫發(fā)出來(lái)的光色彩是不相同的。
波長(zhǎng)和色是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的，一個(gè)光譜可以對(duì)應(yīng)各種波長(zhǎng)，但是波長(zhǎng)說(shuō)的是單色光。
而色溫所定義的光線不是單色光，它是屬于混合光，也可以理解為正常的光線中某種色（或是波長(zhǎng)）的光線含量多。所以就沒(méi)有波長(zhǎng)與色溫二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
凱爾文認(rèn)為，假定某一純黑物體，能夠?qū)⒙湓谄渖系乃袩崃课?，而沒(méi)有損失，同時(shí)又能夠?qū)崃可傻哪芰咳恳?ldquo;光”的形式釋放出來(lái)的話，它便會(huì)因受到熱力的高低而變成不同的顏色。例如，當(dāng)黑體受到的熱力相當(dāng)于500—550℃時(shí)，就會(huì)變成暗紅色，達(dá)到1050一1150℃時(shí)，就變成黃色……因而，光源的顏色成分是與該黑體所受的熱力溫度相對(duì)應(yīng)的。只不過(guò)色溫是用凱爾文(°K、也就是絕對(duì)溫度)的色溫單位來(lái)表示，而不是用攝氏溫度（℃）單位表示的。在加熱鐵塊的過(guò)程中，黑色的鐵在爐溫中逐漸變成紅色，這便是黑體理論的最好例子。當(dāng)黑體受到的熱力使它能夠放出光譜中的全部可見(jiàn)光波時(shí)，它就由紅轉(zhuǎn)變橙黃色、黃色最后變成白色，通常我們所用燈泡內(nèi)的鎢絲就相當(dāng)于這個(gè)黑體。色溫計(jì)算法就是根據(jù)以上原理，用°K來(lái)表示受熱鎢絲所放射出光線的色溫。根據(jù)這一原理，任何光線的色溫是相當(dāng)于上述黑體散發(fā)出同樣顏色時(shí)所受到的“溫度”。下圖是升溫和降溫鏡。
彩色濾光片：
產(chǎn)品名稱及功能簡(jiǎn)介
名稱
鍍膜濾色片
彩色濾光片, dichroic filter, 岳華展
可改變穿透或反射的波長(zhǎng)或顏色
鍍膜濾光片(Dichroic Filter ), 以高真空多層膜蒸鍍而成, 具有高穿透, 色彩鮮豔, 耐高溫,不褪色等特點(diǎn), 能改變燈具或檢測(cè)系統(tǒng)可接收的光譜或顏色.
照明, 舞臺(tái)照明
AOI自動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備
彩色編碼：R660(深紅色),R640(紅色),R615(淺紅色),Y550 (琥珀色),Y530 (黃色),Y520(黃色),G485/525(綠色),G505/545(綠色),G505/560(綠色),B560(淡藍(lán)色),B540(淺藍(lán)色),B505 (藍(lán)色),B480(深藍(lán)色),B440(深藍(lán)色/螢光紫),P490/585(粉紅色),M445/620(紫紅色),M460/635 (深紫紅色)以下光譜在這一一對(duì)應(yīng)。
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