滤光片

2020-12-21 10:57:59 浏览:1263

定义

滤光片是一种选择性地透射不同波长的光学元件。

干涉滤光片

干涉滤光片涉滤光片是利用多光束干涉原理制成的一种从白光中过滤岀近单色光的多层膜系[1]

干涉滤光片由具有不同折射率的介电材料的多个薄层组成,也可能有金属层。从最广泛的意义上讲,干扰滤波器还包括标准具,这些标准具可以实现为可调干干涉滤光片。干涉滤光片由于在薄膜边界处的入射波和反射波之间发生干涉效应而具有波长选择性。如图1所示为金属膜干涉滤光片。

图 1 金属膜干涉滤光片

在片基G和保护玻璃G'的一个面上各镀一层高反射率的银膜S,银膜层之间是介质层薄膜F,光线在银膜间多次反射,形成多光束干涉。易知,干涉滤光片类似于间隔很小的F-P标准具[2]

干涉滤光片的光学性能由三个参量表征:

(1) 滤光片的中心波长λc,即对应透射比最大的波长。根据多光束干涉原理,得正入射时表达式为:

它与间隔层光学厚度nh和干涉级m有关。易知,nh较大时,存在多个中心波长,可用有色玻璃滤去其他波长。一般情况下,希望nh小一些,便以得到单个近单色光。

(2) 透射带的波长半宽度∆λ,即透过比为峰值透过比一半时所对应的两波长差为:

其中ρ为界面反射比,取λ为λc,对应的∆λ即透射带的波长半宽度,可见,∆λ与ρ及nh(或m)有关,两者大时,∆λ就小,滤光片的单色性就越好。一般∆λ在几纳米至十几纳米。

(3) 峰值透过比,即中心波长处的透过比,表示为:

若不考虑吸收等损失,由I(t)max=I(i) ,知 =1。实际上由于高反膜的吸收和散射等损失,一般 <1。特别是金属膜作干涉滤光片时,一般 <30%。

二向色滤光片

二向色滤光片是一种非常精确的彩色滤光片,用于选择性通过小范围颜色的光,同时反射其他颜色光。

相比之下,二向色镜和二向色反射镜往往以反射的光的颜色为特征,而不是通过的颜色为特征。二向色滤光片可以过滤来自白光源的光,以产生人类认为色彩高度饱和的光。

二向色滤光片使用薄膜干涉原理,并与在水面上形成油膜的方式产生颜色。当光以一定角度照射在油膜上时,有些光从油的顶面反射,有些光从与水接触的底面反射。由于从底部反射的光的传播路径略长,因此某些波长会因这种延迟而增强,而另一些波长往往会被抵消,从而产生可见的颜色。

在二向色镜或滤光器中,在玻璃基板上建立了具有不同折射率的光学涂层的交替层。具有不同折射率的层之间的界面会产生相位反射,选择性地增强某些波长的光并干扰其他波长。通常通过真空沉积来添加层。通过控制层的厚度和数量,可以调整滤波器的通带频率,并根据需要将其设置为宽或窄。因为不想要的波长被反射而不是被吸收,所以二向色滤光片在使用过程中不会吸收这种不想要的能量,因此不会有等效的传统滤光片(尝试吸收除通带外所有能量)温度升高的缺点[3]

通常在光源后面使用二向色反射镜(称为冷镜),以将可见光向前反射,同时允许不可见的红外光从灯具的后部发出。这种布置允许在照明物体较少的情况下进行强烈照明。为此,许多石英卤素灯都有一个集成的二向色反射镜。

二向色滤光片的使用寿命比传统滤光片更长,并且不会在滤镜的整个寿命中“褪色”(例如与凝胶滤镜不同)。它们可以制造成通过任何通带频率并阻止选定数量的阻带频率。因为阻带中的光被反射而不是被吸收,所以二向色滤光片的热量要比常规滤光片少得多,二向色镜能够达到极高的激光损伤阈值[4]

红外滤光片

红外滤光片分为两种,一种是用于阻挡可见光但使红外光通过的光学元件,另一种是阻挡或反射红外波长,但使可见光通过的光学元件。

对于如图2所示的单层膜结构,折射率为n的介质膜涂在折射率为nG的玻璃平板上,周围介质的折射率为n0。当光束人射到薄膜表面上时,将在薄膜内产生多次反射,并且从薄膜的两表面有一系列的平行光射出,这种情况与平行平板的多光束干涉时相类似,只是薄膜两边的介质不同。对岀射光束作类似多光束干涉的计算,便可了解薄膜的反射和透射性质。

图 2 单层介质膜的反射和透射

正人射时的薄膜反射比为:

其中,

对于确定的n0和nG,介质膜的反射比ρ是λ、n和nh的函数。如果使用确定的膜层折射率n和膜层的光学厚度nh可以想见,其反射比ρ或透过比 是波长λ的函数。对于交替涂布光学厚度nh相等的7层 ZnS(n=2.38) 和MgF2(n=1.38),以 nh为参量,计算得到 随λ变化的特性曲线如图3所示。

图 3 红外滤光片的透光特性曲线

可以把这特性曲线理解为膜层的滤波特性。比如,由图3中a)可知,对于nh=130nm,膜层反射可见光而透过红外光;图3中b)则给出相反的情况。这种滤光片叫做红外滤光片,前者用在避免发热的照明场合[5];后者可以用在放映机系统中以保护胶片。在带有明亮白炽灯泡的设备(例如幻灯机和高架投影仪)中,中红外滤镜通常用作吸热滤镜,以防止由于红外辐射而产生不必要的发热。由于许多摄像机传感器对有害的近红外光具有很高的灵敏度,因此在固态摄像机中还使用了一些滤镜来阻挡红外光[6]

紫外滤光片

紫外线滤光片(Ultraviolet filters)是阻止紫外线辐射,但让可见光穿过的滤光片。由于胶卷和数字传感器对紫外线(天窗中的紫外线很敏感)敏感,而人眼则不敏感,因此,如果不滤除此类光线,会使照片看起来与人眼所见的景物不同,例如使远处的图像变暗[7]

中性密度滤光片

在摄影和光学中,中性密度滤光片(Neutral density filters)或ND滤镜是一种它可以均等地降低或修改光的所有波长或颜色的强度,而不会改变色调的滤镜。

它可以是无色(透明)或灰色滤镜,并用Wratten数96表示[8]。标准照相中性密度滤镜的目的是减少进入镜头的光量。这样做可以通过选择光圈,曝光时间和传感器灵敏度的组合,否则它们会产生曝光过度的图像[9]

参考文献

[1] 工程光学 [M]. 机械工业出版社,郁道银,谈恒英, 2017
[2] X. Baillard, A. Gauguet, S. Bize, P. Lemonde, Ph. Laurent, A. Clairon, P. Rosenbusch, Interference-filter-stabilized external-cavity diode lasers, Optics Communications, Volume 266, Issue 2, 15 October 2006, Pages 609-613
[3] Tang Yong,Liang Yifu,Ding Xinrui,Wu Qibao,Yu Binhai. A laser-driven phosphor converted system via light-recycling dichroic filters for optical efficiency enhancement[J]. Journal of Luminescence,2020.
[4] Li Yong,Liu Yanjun,Wang Fei,Luo Dan,Sun Xiaowei. High-performance dichroic dye-doped flexible cholesteric polymer film optical filter for laser protection application.[J]. Optics express,2018,26(18).
[5] 曹红红.红外探测器用滤光片的技术现状及应用[J].红外,2017,38(01):43-48.
[6] 董秋雷,胡立华,胡占义.相机前加红外滤光片对相机成像模型的影响[J].计算机辅助设计与图形学学报,2018,30(09):1598-1603.
[7] 颜士飞,王葵,赵文锦,李拂晓,袁志耀,钟伟俊,赵凤玲.特种日盲紫外滤光片的性能分析[J].光电子技术,2016,36(04):260-264.
[8] Anonymous. Neutral density filters designed for broadband sources[J]. Vision Systems Design,2019,24(3).
[9] 徐玉华,韩顺利,张爱国,王广彪,郭洪龙.一种基于中性密度滤光片的可调光衰减器实现方法[J].国外电子测量技术,2018,37(05):85-88.

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