濾光片

濾光片

光學器件
濾光片,是用來選取所需輻射波段的光學器件。濾光片的一個共性,就是沒有任何濾光片能讓天體的成像變得更明亮,因為所有的濾光片都會吸收某些波長,從而使物體變得更暗。濾光片産品主要按光譜波段、光譜特性、膜層材料、應用特點等方式分類。濾光片是塑料或玻璃片再加入特種染料做成的,紅色濾光片隻能讓紅光通過,如此類推。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、多級串聯實心法布裡,珀羅幹涉儀。
  • 中文名:濾光片
  • 外文名:optical filter
  • 所屬品牌:
  • 産品類型:
  • 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明亮

内容

顔色

這是各種顔色的平闆玻璃或明膠片,其透射帶寬數百埃,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大。

薄膜

一般透過的波長較長,多用做紅外濾光片。

原理

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。

作用

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景畫,為什麼主景總是那麼突出,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。線型光束感煙濾光片的校準主要包括減光值、正反面誤差、均勻性和穩定性。

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。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帶寬λ确定。

波長

能從紫外到紅外任意波長﹑λ為1~500埃的各種幹涉濾光片。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。薄膜幹涉濾光片中還有一種圓形或長條形可變幹涉濾光片,适宜于空間天文測量。

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将光束分解為方向互相垂直的兩種不同顔色的光,适合于多通道多色測光。幹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内可用來調準中心波長。由于、λ和峰值透過率均随溫度和時間而顯着變化,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,幹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厘米見方的幹涉濾光片,裝在英國口徑1.2米施密特望遠鏡上﹐用于拍攝大面積星雲的單色像。

裝置

同步功能

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,不會産生閃爍。快速切換一步到位,不會中途因阻力卡住而停頓,産生濾光片偏位。不會因雲台旋轉,停止等變化和振動造成濾光片移位。不會再高速切換時,因碰撞而反彈,造成濾光片位置定位不準确。

圖像色彩還原功能

水晶濾光片能最大限度地解決僞彩,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态,能很好的感應可見光,阻止紅外線和别的光幹擾,是色彩鮮豔逼真,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。

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阈值,所以它廣泛應用于激光系統當中,面軟膜濾光片則主要用于生化分析儀當中。

帶通型:選定波段的光通過,通帶以外的光截止。其光學指标主要是中心波長(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。

相關

随着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,甚至已經有實驗報道,有些薄膜的聚集密度大于1。這意味着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,緻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,而且還有薄膜與基闆的溫度折射率系數和熱膨脹系數。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,當采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,着重考察一下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系。

實驗結果顯示,在可見光區域,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,數量級在10nm左右。對于膠合的膜系來說,膜系空隙中水汽折射率随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。

由于薄膜是柱狀結構,柱狀結構間存在空隙,吸潮前空隙内空氣的折射率為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。

将我們制備的膜系結構(HLH2LHLHL)3以及相應的折射率代入,并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,由此對于不同中心波長的紅、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。

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着主要作用。高折射率材料聚集密度的不同引起的中心波長漂移差别隻有1nm左右,而低折射率材料卻有大約3nm的變化。

原因在于低折射率材料吸潮後,折射率上升相對于原來折射率的比例很高,相當于光學厚度增加的比例大,導緻漂移大。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,用溫度升高薄膜内原來占據空隙的水汽被蒸發導緻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,并且可以由此推導出我們制備的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。

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,從而導緻中心波長發生漂移。不僅如此,由于基闆的熱膨脹系數與膜系的熱膨脹系數不同,在受熱的情況下,膜系會受到基闆應力的作用發生彈性形變,從而聚集密度發生變化,也會導緻中心波長發生漂移。

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系數、基闆的線性熱膨脹系數、材料的泊松比、膜系的線性熱膨脹系數、膜層的聚集密度等。關于各種材料的折射率随溫度變化的數據非常缺乏,尤其是薄膜形态材料的數據。

據文獻報道,不同材料的折射率溫度的變化差異很大,比如碲化物呈現出負的數值,而一般材料折射率都随溫度的上升而增大。在我們的膜系中,由于是SiO2作為間隔層,因此SiO2的折射率溫度系數起主要的作用。文獻中有晶體石英在可見光範圍内o光和e光的折射率。

也有熔融石英在紅外的折射率溫度系數,在1550nm時約為+1.1×10-5/℃,但是很難查到在可見光區域内的數據。根據上述的數據,我們可以推斷可見光區SiO2薄膜的折射率溫度系數大概為+0.5×10-5/℃左右。基闆的熱膨脹系數,對K9玻璃在-30~70℃範圍内為74×10-7/℃,在100~300℃範圍内為86×10-7/℃。膜系的熱膨脹系數在5.5×10-7/℃左右,泊松比取0.1。

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-0.00088nm/℃,在100℃以上,中心波長的溫度漂移為-0.001459nm/℃,對于不同顔色的濾光片,數值略有不同。

但量級都在-1×10-3nm/℃,10℃的溫度變化也隻會引起-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1nm的量級,所以上述計算的結果并不是主要因素。

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。

它的量級在10-4/℃,比SiO2高一個量級,并且随着溫度的上升,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的作用跟膜層材料的作用已經可比拟,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-2×10-5/℃,可見它完全可以抵消SiO2折射率随溫度的上升,使整個膜系呈現負的折射率溫度系數,此時膜系的折射率系數變為-1.5×10-5nm/℃,室溫到70℃的溫度漂移是-0.6nm,跟實驗結果0~-2nm處于同一個數量級。

對于70℃以上的情況,沒有水的折射率變化的數據,但考慮到100℃以後水從液态逐漸變為氣态,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随溫度的短移。

我們認為,對于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。因此導緻了在70℃到120℃的中心波長漂移。

實驗數據中這種漂移的數值在1~2.5nm之間,确實是室溫到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℃範圍的漂移,這也符合我們的分析。

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着作用。對于未膠合濾光片,薄膜柱狀結構空隙中原本填充的水分子随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。這種短移随薄膜的聚集密度而變化。對于聚集密度為0.92的膜系,短移的數值在10nm的量級。

這種解吸潮的過程在室溫到70℃的範圍内最明顯,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随溫度上升而下降,而且這種下降的速度遠大于薄膜材料折射率随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-1×10-2nm/℃。最後,對于聚集密度很高的膜系而言,材料的折射率溫度系數、基闆的熱膨脹系數是決定中心波長漂移的重要因素。通過計算,對于可見光的範圍,這種漂移的量級在1×10-3nm/℃左右,方向由基闆的熱膨脹系數決定。

相關詞條

相關搜索

其它詞條