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光学基础术语以及分析

:2018-01-30    :333

 一、入射角

全介质薄膜滤光片的其中一个特点是具有角度特性,0度入射我们也叫垂直入射或叫90度入射,也叫正常入射或自然角入射。不存在PS分量的偏振态。当入射光源或滤光片镜片产生斜面后,就开会有偏振效益。P分量和S分量随着角度变话的距离就变得更远。右图中可以看到。这种情况下,只能通过膜系软件设计尽可能的变小差距。

 


   同时我们看到中心波长偏左边(短波长)方向偏移,正常下差不多1度约1纳米。

镀介质加金属膜或半导体膜或全金属膜料对角度变化值不敏感。

   从入射方式和光源看,有平行光垂直入射和斜角度入射,还有锥形光半角正入射和斜角度入射,如下图所示。这些参数对镀膜设计者和品保光谱检测时是很关心的。

带通滤光片定义:Bandwidth


带通滤光片产品关心的要素:中心波长(CWL),峰值透过率,带通超过平均值透过率Tavg%(如带通内平均透过95%Tave表示,那Tavg就是要考核的区域内透过率最少要大于95%以上,不得低于这个数值。)最小通带GMBW有时我们把Tavg比作Ripple波纹,比如透过率在93%~96%变化,这个变化值我们叫做波纹3%,客人会要求在3%波纹内要有35nm的通带。这个的意义是让光源左右两边的光能量尽可能的透过。半带宽FWHM是指峰值波长所对应的透过率一半的透过率所对应的左边与右边波长相差的绝对值。比如理想下中心波长是850nm透过率最高达到了98%98%/2=49%所对应的左边波长假如是830nm,右边870nm,两波长相减的绝


对值即40nm,那半带宽FWHM=40,公式:FWHM=GMBW+0.01*CWLGMBW=35+0.01*850=35+8.5=43.5nm这个公式是根据各公司的镀膜工艺在设计过程的调整。只做为我们初步评估客户产品的可行性方案。以此相推,透过等于1%所对应的带宽即40+20=60透过等0.1%所对应波长即为40+20+20=80nm,因此中心850nm,透过等于0.1%时截止区应从810nm结束,右边应从890nm开始。

    干涉滤光片它存在一定的共性,虽然滤光片带宽,透过率等参数可以通过膜系设计软件优化改变不同的参数,但正常下他要得到一定完美带通滤光片,他的截止率是随着膜层厚度增加OD值变越大。理论上我们希望带通内的透过率越平越好,实际上是做不到的。请看以下的图表,有截止区,半带宽,最小带宽,最基本通带透过率,中心波长等参数。


 


  光学密度:Optical Density  OD                                                                  

 这是用来说明滤光片除有用区域外,其它区域阻止能力情况。就比作水库存大坝,我们预留了一个水闸口流水,其余的决不希望有漏水出来。水坝其它地方也漏水时间久了坝就崩溃了。对于滤光片来讲一样存在这个问题,膜系设计软件理论上设计透过率很低了,实际上仍有光通过来,或是肉眼看没有光透过率来了,采用大功率的激光器一批发现光全泄漏过来了。跟透过率是一个对数关系。

    计算是T=80%要转成0.8然后求log得到OD=-0.0969=dB=-0.969dB

 

 

ND FILTER (光学密度滤光片),也叫中性密度滤光片

这是用来说明光通过玻璃或材料时初时光与通过后光之前比值的对数关系。如初时光是100%我们理解为1,通过后只有50%的光,我们认为只有1/2的光过来。求10为底的对数得到,d=0.3即光学密度为-0.3dB表示即为-0.3*10=-3dB=50%透过。即为ND2,因此简单的理解就是ND16就是指初时光强与最后光强比值是1/16=0.0625OD即为-1.2,-12dB,透过T=6.25%。这种ND filter通产用来检测液晶显示器屏上是否有不变的点或特亮的点,以确定显示屏是不是好的。

有效面积:或叫有效通光孔径

  对这个的解释是,当光源或光路通过或工作时穿过镜片或滤光片时,所占的面积。要做到100%的使用面积是几乎不可能的,只能说最大允许可接受的有效区。常说有效区95%,如产品尺寸是80*80*1mm即有效位置为76*76*1mm,反过来讲,上下左右两边最大各占(80-76)/2=2mm,即各边有2*80mm的区域是不做考虑的或说是2*80的面积不是有效面积内。这时可以镀膜可以不镀膜可以是镀膜夹具的档边位也可以是划伤或麻点等缺陷点存在。当然还要看其它要求,这只是其中之一对滤光片有效面积的限制点。特别是擦拭QC时特别会关心这些,中心光洁度,边缘光洁度等参数。如下图。

 

 

 

可靠性能力(可靠性实验)Reliability

这个是滤光片成品后在用户使用过程很关键的参数,正如我们买了手机能不能摔,买汽车有没有经过100公里时速冲击测试,如果不过关就相当于人走在薄薄的冰砖上随时掉到水中。

对于光学滤光片可靠性实验比较多:有材料成份安全数据MSDS,环保认证ROHS,高温和低温实验-40~+70度,湿度实验,膜层强度实验,膜层表面硬度实验,盐雾防腐蚀实验,抗功率实验(激光损伤值,是否是脉冲激光,是否连续激光,脉冲宽度,平均功率,工作波长,激光光斑直径大小),滤光片膜层吸收实验(透过等90%并不代表反射是10%,滤光片温漂实验(这是很挑战工艺的参数,考验滤光片在使用中刚开时光照下温度为常温或低温,使用一段时间后变成了高温高湿环境,这时的波长是否有变化,透过率是否有变化都是非常关注的),下图曲线是高强能量氙气灯照射下滤光片曲线变化。

光学指标:以是带通与短波通的产品的光学指标。请按参数进行画出坐标来。

1)   BP850FWHM80 尺寸:80*80*0.7mm

T<0.1% @ 360nm~800nm

T<0.1% @900nm~1100nm

T>85%  @ 850nm+/-5nm

FWHM=80nm (主峰值的一半所对应的左右两边波长相减的带宽)

2)   HT532HR1064HR808滤光镜片

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%

用绿激光去打,无1064nm光过来即为合格品。

S2面镀:45deg  AR@532nm R<0.4%

膜系类型也叫产品曲线类型:

   不同形状的产品曲线也可以意味着产品的应用不同,产品具有的性能不同,可分光带通,多带通,窄带,负型,长波通,短波通,增透,分光,高反,偏振,消偏振,

从以上图表可以看到,通过膜系去分,实际上只有10种类型,再延伸成多带通,多窄带,多负型带通,多负型窄带,单点增透,单点分光,单点消偏振等,也没多少种。要知道的是每种曲线代表每种产品。

根据透过,波长等各自特点去详细在180nm~380nm~400nm~760nm~1100nm~25um那样产品曲线和不同入射角去分将是无数种产品。那将变得简单问题复杂了。我们通产采用产品编号进行分区。比如长波通我们叫LP45度的长波通我们叫DLP,短波通叫SP45度短波通DSP,带通BP,窄带NBP,负型叫NF,增透AR,高反HR,偏振PBS,消偏振NPBS,分光PR等编号和代码去区分,就可以一眼看出是什么类型的产品。

 

产品应用:

下图为产品在显微镜中的应用,给大家分析下滤光片在这器件中的应用和作用。

左边是一个光源,可以理解这个光源是白炽灯,发出来的光有点淡黄色的,色温在2900K左右,这里面有紫外线,有各种色彩的可见光,也有钨丝发红的红外线。通过左边第一个黑色滤光片过滤后,只通过某个光,假设是绿光,绿光射到镜片上,这个镜片是45度斜放的,反射到载玻片上的物体,物体吸收绿光后产生自身的波长(专家认为任保物体都有他自身的波长),透过45度斜放的滤光片,设透过来的自射波长是650-670nm,这时透过来的自身波长可能仍有杂散,我们通过一个660nm的窄带滤光片过滤后,只留下660nm光到人眼中。我们就看到物体的特性。可进行血液,精液,尿液,细胞DNA,药粉等观察。

 这里的滤光片起到了过滤光源中的杂散光,又起来二色反射和透射作用,也起到保护人眼不受有害光源干扰作用。

2.生化医疗仪器滤光片:生物医学是当今世界发展最快,也是应用前景最广阔的前沿学科之一。其中用于细胞结构分析的荧光显微技术和喇曼光谱分析技术,随着其主要部件,特别是光学滤光片生产技术的大幅度提高,正越来越多地在研究机构和医院里得到广泛应用。高性能的生化医疗仪器滤光片,包括荧光显微镜滤光片,激光谱线滤光片和喇曼分析滤光片等。

3.精密光学滤波片。主要包括激光薄膜,激光陀螺反射镜。激光器的谐振腔通常是由前后两个反射镜组成。多数谐振腔的反射镜都是介质膜反射镜特别是高功率激光要求薄膜的反射率要高。但吸收要很小。而介质薄膜反射镜质量的好坏是限制激光器最大功率的主要因素。

4.光学引擎的零部件。光学引擎是投影仪和投影电视机的心脏。它主要是由多个光学薄膜部件组成。下图是一个基于LCOS技术的光学引擎示意图。它的基本原理是利用多个滤波器件把白炽灯的白光分解成红,绿,蓝三种基色的偏振光,经三个LCOS芯片分别成像后经一个合色棱镜(x-cube)将三种基色的图象合成一个彩色图象投影到屏幕上。

figure

5.这里的紫外-红外截止滤光片(UV-IR-CUT,分色滤光片(color filter,偏振分光镜(PBS)和合色棱镜(x-cube)的光学功能都是靠光学镀膜来实现的。在实际系统中,通常要求颜色的保真度要高.

6.数码相机用低通滤波片(OLPF)和红外截止滤光片:在每个数码相机和摄像机内,都需要一片红外截止滤光片,其作用是阻挡红外线进入相机的CCDCMOS感应芯片而影响照片的颜色。为了消除感应芯片像素阵列带来的空间干涉效应而出现的摩尔条纹,还需要加一个低通滤波片(Optical Low Pass Filter)。这种低通滤波片(OLPF)通常是由数片不同切割方向和厚度的水晶片镀膜后胶合而成。下图是用OLPF之前和之后的拍摄效果比较。

色温(colo(u)r temperature)是表示光源光色的尺度,单位为K(开尔文)。色温是在摄影、录象、出版等领域具有重要应用。光源的色温是通过对比它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的。热黑体辐射体与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是那个光源的色温,它直接和普朗克黑体辐射定律相联系。

色温是表示光源光谱质量最通用的指标。一般用Tc表示。色温是按绝对黑体来定义的,光源的辐射在可见区和绝对黑体的辐射完全相同时,此时黑体的温度就称此光源的色温。下图是三种色温的荧光灯光谱

 

 

色温分布暖光和冷光,常用光源的色温为:标准烛光为1930K(开尔文温度单位);钨丝灯为2760-2900K;荧光灯为3000K;白炽灯泡:3200K,卤素灯:3400K, 闪光灯为3800K;日光灯:5500K,中午阳光为5600K;电子闪光灯为6000K;蓝天为12000-18000K。从下图可以看到不同的色温发出来的光色彩是不相同的。

波长和色是有对应关系的,一个光谱可以对应各种波长,但是波长说的是单色光。

而色温所定义的光线不是单色光,它是属于混合光,也可以理解为正常的光线中某种色(或是波长)的光线含量多。所以就没有波长与色温二者的对应关系。

凯尔文认为,假定某一纯黑物体,能够将落在其上的所有热量吸收,而没有损失,同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形式释放出来的话,它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。例如,当黑体受到的热力相当于500550℃时,就会变成暗红色,达到10501150℃时,就变成黄色……因而,光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的。只不过色温是用凯尔文(°K、也就是绝对温度)的色温单位来表示,而不是用摄氏温度(℃)单位表示的。在加热铁块的过程中,黑色的铁在炉温中逐渐变成红色,这便是黑体理论的最好例子。当黑体受到的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时,它就由红转变橙黄色、黄色最后变成白色,通常我们所用灯泡内的钨丝就相当于这个黑体。色温计算法就是根据以上原理,用°K来表示受热钨丝所放射出光线的色温。根据这一原理,任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的“温度”。下图是升温和降温镜。

    

彩色滤光片:

產品名稱及功能簡介

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, 能改變燈具或檢測系統可接收的光譜或顏色.

照明, 舞台照明

AOI自動視覺檢測設備

彩色编码: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(淡藍色),B540(淺藍色),B505 (藍色),B480(深藍色),B440(深藍色/螢光紫),P490/585(粉紅色),M445/620(紫紅色),M460/635 (深紫紅色)以下光谱在这一一对应。




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