光學濾光片

濾光片選擇性讓光譜一部分穿透，同時不會讓其他部分穿透。愛特蒙特光學的光學濾光片常用於顯微鏡、光譜學、化學分析和機器視覺，可提供各種過濾類型和精度等級。本應用筆記介紹了用於製造愛特蒙特光學濾光片的不同技術、一些關鍵規範的定義以及愛特蒙特光學提供的各種濾光片的描述。

光學濾光片關鍵術語

雖然濾光片與其他光學元件有許多相同的規範，但為了有效地瞭解並確定哪種濾光片最適合您的應用，應瞭解濾光片的多種特定規範。

中心波長（CWL）

用於定義帶通濾光片的中心波長描述頻譜頻寬的中點，濾光片在此波長穿透。傳統的鍍膜光學濾光片傾向於在中心波長附近達到最大的穿透率，而鍍加硬膜的光學濾光片往往在光譜頻寬上有相當平坦的傳輸輪廓。

頻寬

頻寬是波長範圍，用於表示頻譜通過入射能量穿過濾光片的特定部分。頻寬又稱為FWHM（圖1）。

圖 1：中心波長和半高全寬說明

半高全寬（FWHM）

FWHM 描述帶通濾光片將穿透的頻譜頻寬。該頻寬的上限和下限是在濾光片達到最大穿透率的 50% 時的波長下所定義。例如，若濾光片的最大穿透率是 90%，則濾光片達到穿透率的 45% 時的波長將定義 FWHM 的上限和下限。10 nm或更低的 FWHM 是窄頻，通常用於雷射純化和化學檢測。25-50 nm的 FWHM 經常用於機器視覺應用；超過 50 nm的 FHWM 是寬頻，通常用於螢光顯微鏡應用。

阻隔範圍

阻隔範圍是用於表示通過濾光片衰減的能量光譜區域的波長間隔（圖2）。阻隔程度通常會在光密度中指定。

圖 2：阻隔範圍說明

斜率

斜率是通常在邊緣濾光片上定義的規範，如短通或長通濾光片，用來描述濾光片從高截止轉換為高穿透率的頻寬。可以從各種起點和終點指定斜率，作為截止波長的百分比。愛特蒙特光學有限公司通常將斜率定義為從 10% 傳輸點到 80% 傳輸點的距離。例如，將期望具有 1% 斜率的 500 nm長通濾光片在 5 nm（500 nm的 1%）頻寬上從 10% 的穿透率轉換為 80% 的穿透率。

光學密度（OD）

光學密度描述被濾光片阻斷或隔絕的能量。高光密度值表示低穿透率，低光密度則表示高穿透率。6.0或更大的光密度用於極端的阻斷需求，如拉曼光譜或螢光顯微鏡。3.0-4.0的光密度是雷射分離和純化、機器視覺和化學檢測的理想選擇，而 2.0 或更少的光密度是顏色排序和分離光譜順序的理想選擇。

圖 3：光學密度說明

(1)$$ \text{Percent Transmission} = T = 10^{-\text{OD}} \times 100 \% $$

(2)$$ \text{OD} = - \log{\left(\frac{T}{100 \%} \right)} $$

二向色濾光片

二向色濾光片是取決於波長穿透率或反射光的濾光片類型；特定波長範圍穿透的光會被不同範圍的光線反射或吸收（圖4）。二向色濾光片常用於長通和低通應用。

圖 4：二向色濾光片鍍膜說明

起始波長

起始波長是用於表示在長通濾光片中穿透率增加至50%波長的術語。起始波長由圖5中的λ_cut-on起始表示。

圖 5：起始波長說明

截止波長

截止波長是用於表示在短通濾光片中穿透率降低至50%波長的術語。截止波長由圖6中的λ_cut-off截止表示。

圖 6：截止波長說明

光學濾光片製造技術

吸收型和二向色濾光片

範圍廣泛的光學濾光片可分成兩大類：吸收型和二向色。兩者的區別不在於過濾什麼，而是如何濾光。吸收型濾光片的光線阻斷以玻璃基片的吸收特性為基礎。換而言之，被阻斷的光線不會反射回濾光片；相反光線會被吸收到濾光片內。系統內多餘的光線產生雜訊時，吸收型濾光片是理想選擇。吸收型濾光片也有不挑角度的附加功能；光線可從各種角度入射濾光片且濾光片會保持其穿透和吸收特性。

相反，二向色濾光片是反射多餘波長並穿透所需的頻譜部分。在一些應用中，這是很有必要的效果，因為光可以通過波長分開為兩個來源。這可透過增加單層或多層不同折射率的材料完成干涉光波性質來實現。在干涉濾光片，光從較低折射率材料移動將反射高折射率材料；只有特定角度和波長的光會積極干涉傳入光束並穿透材料，而其他所有光線將相消干涉並反射材料（圖7）。其他干涉相關資訊，請參閱「光學101：1級的理論基礎」。

圖 7：在玻璃基板上沉積多層交替的高低折射率材料

與吸收型濾光片不同，二向色濾光片極挑角度。如用於設計用途之外的角度時，二向色濾光片無法滿足最初標定的穿透率和波長規格。使用二向色濾光片提高入射角度會使其移向較短波長偏移（即對藍波長）；降低角度則會移向較長波長（即對紅波長）。

探索二向色性帶通濾光片

帶通濾光片適用行業廣泛，可以用二向色或彩色基片。二向色帶通濾光片是由兩種不同的技術製造而成：傳統和加硬濺射法，以及鍍加硬膜。這兩種技術通過在玻璃基片上交替的高低折射率材料的多層沉積實現其獨特的穿透率和反射特性。事實上，根據應用的不同，在特定基片上每面可能有超過100層材料沉積。

傳統鍍膜濾光片與加硬濺射法濾光片之間的差別是基片層數。傳統鍍膜帶通濾光片，不同的折射率材料層沉積在多層在基片上然後堆疊到一起。例如，假設圖7中的圖片重複疊加甚至超過100倍。此技術會導致產生降低穿透率的厚濾光片。穿透減少是由於入射光穿過並通過數個鍍膜層後被吸收和/或反射所導致。相反，加硬濺射法帶通濾光片的不同折射率材料僅沉積在單個基片上（圖8）。此技術會導致產生高穿透率的薄型濾光片。有關製造技術的其他資訊，請參閱「光學鍍膜簡介」。請查看硬鍍膜的好處，幫助您選擇適合應用的濾光片。

圖 8：傳統濾光片（左）和加硬濺射法濾光片（右）

光學濾光片類型

為了幫助瞭解當今各種光學濾光片之間的相似性和差異性，請參考以下十種常見類型。以下的選擇指南包含簡短說明、產品樣品影像以及便於比較的性能曲線。

光學濾光片選擇指南
樣品影像	光學濾光片類型 – 頻譜曲線
	帶通濾光片 [查看性能曲線] 帶通濾光片在整個基片具有極窄頻（<2nm至10nm）或寬頻（50 nm和80 nm）穿透率。對使用角度敏感，因此擺放光學元件時應注意其安裝和放置角度。應選擇加硬濺射法濾光片以最大程度地提高選定波長的穿透率。
	長通濾光片 [查看性能曲線] 長通濾光片可穿透長於特定起始波長的所有波長。長通濾光片包括冷反射鏡、有色玻璃濾光片，以及熱固ADC（光學成型塑膠）濾光片。
	短通濾光片 [查看性能曲線] 短通濾光片可穿透短於特定截止波長的所有波長短通濾光片，包括紅外截止濾光片、熱反射以及吸熱玻璃。
	吸熱玻璃 [查看性能曲線] 吸熱玻璃將穿透可見光並吸收紅外輻射。吸收的能量之後會熱散失到玻璃周圍的空氣中。通常會建議在空氣中冷卻以消除多餘熱量。吸熱玻璃也可用作短通濾光片。
	冷反射鏡 [查看性能曲線] 冷反射鏡是特定的二向色濾光片類型，在可見光譜中具有高反射率，同時保持在紅外中的高穿透率。冷反光鏡設計用於在產生熱量可能造成損害或不利影響的任何應用程式。
	熱反射鏡[查看性能曲線] 熱反射鏡是特定的二向色濾光片類型，在紅外中具有高反射率並在可見光譜中具有高穿透率。熱反射鏡主要用於投影和照明系統。
	陷波濾光片[查看性能曲線] 陷波濾光片設計用於在濾光片設計範圍內穿透所有其他波長的同時阻斷預選的頻寬。陷波濾光片適用於從光學系統移除單個雷射波長或窄頻。
	彩色基片濾光片 [查看性能曲線] 彩色基片濾光片採用基片製作而成，具有在整個特定光譜區域中呈現與本質不同的吸收和穿透特性。彩色基片濾光片通常用作長通和帶通濾光片。與鍍膜濾光片相比，穿透和阻斷之間的界限並不明顯。
	二向色濾光片 [查看性能曲線] 二向色濾光片帶有薄膜鍍膜，可在給定的光譜中實現理想的穿透率和反射率。通常作為彩色濾光片使用（添加和減少）。二向色濾光片稍挑角度，但強於干涉濾光片。
	中性密度（ND）濾光片 [查看性能曲線] 中性密度（ND）濾光片設計用於在特定光譜、紫外和可見光、可見光，或紅外部分平均減少投射率。ND濾光片有兩種類型：吸收型和反射型。吸收型是吸收不通過濾光片穿透的光線，反射型則將光線反射回其入射的方向。使用上述類型時應特別注意，確保任何反射光線不在系統中產生並且和其他的元件產生干擾。ND濾光片通常用於防止相機和其他檢測器的高光或感光過度。

應用範例

範例1：

配色成像黑白相機無法區分不同顏色的本質。然而，添加的彩色濾光片大大提高了物體之間的對比度。給定的彩色濾光片會減輕相同顏色的物體，並加深相對顏色的物體。請參考例子，使用黑白相機拍攝兩顆紅色和兩顆綠色藥丸。圖9a - 9d 顯示檢驗中的樣品的實際影像以及使用彩色濾光片的各種影像。圖中清楚可見，若沒有使用濾光片（圖9b），黑白相機無法區分紅色和綠色。在工廠車間檢查這些藥丸並不適用。另一方面，使用紅色濾光片（圖9c）時，由於增加影像的對比度，物體的相對顏色（即綠色藥丸）顯示為灰色，可以輕鬆從紅色藥丸中辨別出來。相反，使用綠色濾光片（圖9d）時，紅色藥丸顯示為灰色。

圖 9a：增強對比度：檢驗中的樣品

圖 9b：增強對比度：未使用濾光片

圖 9c：增強對比度：紅色濾光片

圖 9d：增強對比度：綠色濾光片

範例2：拉曼光譜

拉曼光譜應用的結果可以透過使用選擇的濾光片得以大幅提高：雷射帶通、陷波片，或雷射長通為了達到最佳效果，使用窄至1.2nm和光密度OD 6.0的頻寬濾光片。雷射帶通濾光片放置在雷射和樣品之間的光路內。這可確保隔絕任何外部環境光，只有雷射光波長可通過。光入射到樣品後，會由於拉曼散射而位移，並包含許多低強度模式或信號。因此，在使用陷波濾光片（以盡可能近雷射波長為中心）以阻斷高強度雷射的應用中變得很重要。若發生非常接近雷射的拉曼激發模式，雷射長通濾光片則可以作為有效的替代品。圖10 典型的拉曼光譜設置圖。