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    光學(xué)基礎術(shù)語(yǔ)以及分析

    :2022-09-15    :333
    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)。當入射光源或濾光片鏡片產(chǎn)生斜面后,就開(kāi)會(huì )有偏振效益。P分量和S分量隨著(zhù)角度變話(huà)的距離就變得更遠。右圖中可以看到。這種情況下,只能通過(guò)膜系軟件設計盡可能的變小差距。
     
       同時(shí)我們看到中心波長(cháng)偏左邊(短波長(cháng))方向偏移,正常下差不多1度約1納米。
     
    鍍介質(zhì)加金屬膜或半導體膜或全金屬膜料對角度變化值不敏感。
     
       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。這些參數對鍍膜設計者和品保光譜檢測時(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(cháng)(CWL),峰值透過(guò)率,帶通超過(guò)平均值透過(guò)率Tavg%(如帶通內平均透過(guò)95%用Tave表示,那Tavg就是要考核的區域內透過(guò)率最少要大于95%以上,不得低于這個(gè)數值。)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(cháng)所對應的透過(guò)率一半的透過(guò)率所對應的左邊與右邊波長(cháng)相差的絕對值。比如理想下中心波長(cháng)是850nm透過(guò)率最高達到了98%,98%/2=49%所對應的左邊波長(cháng)假如是830nm,右邊870nm,兩波長(cháng)相減的絕
     
    對值即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)公式是根據各公司的鍍膜工藝在設計過(guò)程的調整。只做為我們初步評估客戶(hù)產(chǎn)品的可行性方案。以此相推,透過(guò)等于1%所對應的帶寬即40+20=60透過(guò)等0.1%所對應波長(cháng)即為40+20+20=80nm,因此中心850nm,透過(guò)等于0.1%時(shí)截止區應從810nm結束,右邊應從890nm開(kāi)始。
     
        干涉濾光片它存在一定的共性,雖然濾光片帶寬,透過(guò)率等參數可以通過(guò)膜系設計軟件優(yōu)化改變不同的參數,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(zhù)膜層厚度增加OD值變越大。理論上我們希望帶通內的透過(guò)率越平越好,實(shí)際上是做不到的。請看以下的圖表,有截止區,半帶寬,最小帶寬,最基本通帶透過(guò)率,中心波長(cháng)等參數。
     
      光學(xué)密度:Optical Density  (OD)                                                                  
     
     這是用來(lái)說(shuō)明濾光片除有用區域外,其它區域阻止能力情況。就比作水庫存大壩,我們預留了一個(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。對于濾光片來(lái)講一樣存在這個(gè)問(wèn)題,膜系設計軟件理論上設計透過(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)現光全泄漏過(guò)來(lái)了。跟透過(guò)率是一個(gè)對數關(guān)系。
     
        計算是T=80%要轉成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)后光之前比值的對數關(guān)系。如初時(shí)光是100%我們理解為1,通過(guò)后只有50%的光,我們認為只有1/2的光過(guò)來(lái)。求10為底的對數得到,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)光強與最后光強比值是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
     
      對這個(gè)的解釋是,當光源或光路通過(guò)或工作時(shí)穿過(guò)鏡片或濾光片時(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。常說(shuō)有效區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的區域是不做考慮的或說(shuō)是2*80的面積不是有效面積內。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。當然還要看其它要求,這只是其中之一對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。如下圖。
     
    可靠性能力(可靠性實(shí)驗)Reliability
     
    這個(gè)是濾光片成品后在用戶(hù)使用過(guò)程很關(guān)鍵的參數,正如我們買(mǎi)了手機能不能摔,買(mǎi)汽車(chē)有沒(méi)有經(jīng)過(guò)100公里時(shí)速沖擊測試,如果不過(guò)關(guān)就相當于人走在薄薄的冰磚上隨時(shí)掉到水中。
     
    對于光學(xué)濾光片可靠性實(shí)驗比較多:有材料成份安全數據MSDS,環(huán)保認證ROHS,高溫和低溫實(shí)驗-40~+70度,濕度實(shí)驗,膜層強度實(shí)驗,膜層表面硬度實(shí)驗,鹽霧防腐蝕實(shí)驗,抗功率實(shí)驗(激光損傷值,是否是脈沖激光,是否連續激光,脈沖寬度,平均功率,工作波長(cháng),激光光斑直徑大?。?,濾光片膜層吸收實(shí)驗(透過(guò)等90%并不代表反射是10%),濾光片溫漂實(shí)驗(這是很挑戰工藝的參數,考驗濾光片在使用中剛開(kāi)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(cháng)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(xiàn)是高強能量氙氣燈照射下濾光片曲線(xiàn)變化。
     
    光學(xué)指標:以是帶通與短波通的產(chǎn)品的光學(xué)指標。請按參數進(jìn)行畫(huà)出坐標來(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 (主峰值的一半所對應的左右兩邊波長(cháng)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(lèi)型也叫產(chǎn)品曲線(xiàn)類(lèi)型:
     
       不同形狀的產(chǎn)品曲線(xiàn)也可以意味著(zhù)產(chǎn)品的應用不同,產(chǎn)品具有的性能不同,可分光帶通,多帶通,窄帶,負型,長(cháng)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(lèi)型,再延伸成多帶通,多窄帶,多負型帶通,多負型窄帶,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(xiàn)代表每種產(chǎn)品。
     
    根據透過(guò),波長(cháng)等各自特點(diǎn)去詳細在180nm~380nm~400nm~760nm~1100nm~25um那樣產(chǎn)品曲線(xiàn)和不同入射角去分將是無(wú)數種產(chǎn)品。那將變得簡(jiǎn)單問(wèn)題復雜了。我們通產(chǎn)采用產(chǎn)品編號進(jìn)行分區。比如長(cháng)波通我們叫LP,45度的長(cháng)波通我們叫DLP,短波通叫SP,45度短波通DSP,帶通BP,窄帶NBP,負型叫NF,增透AR,高反HR,偏振PBS,消偏振NPBS,分光PR等編號和代碼去區分,就可以一眼看出是什么類(lèi)型的產(chǎn)品。
     
     
    產(chǎn)品應用:
     
    下圖為產(chǎn)品在顯微鏡中的應用,給大家分析下濾光片在這器件中的應用和作用。
     
    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(xiàn),有各種色彩的可見(jiàn)光,也有鎢絲發(fā)紅的紅外線(xiàn)。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(cháng)(專(zhuān)家認為任保物體都有他自身的波長(cháng)),透過(guò)45度斜放的濾光片,設透過(guò)來(lái)的自射波長(cháng)是650-670nm,這時(shí)透過(guò)來(lái)的自身波長(cháng)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??蛇M(jìn)行血液,精液,尿液,細胞DNA,藥粉等觀(guān)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,也起到保護人眼不受有害光源干擾作用。
     
    2.生化醫療儀器濾光片:生物醫學(xué)是當今世界發(fā)展最快,也是應用前景最廣闊的前沿學(xué)科之一。其中用于細胞結構分析的熒光顯微技術(shù)和喇曼光譜分析技術(shù),隨著(zhù)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)越多地在研究機構和醫院里得到廣泛應用。高性能的生化醫療儀器濾光片,包括熒光顯微鏡濾光片,激光譜線(xiàn)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。
     
    figure
     
    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)現的。在實(shí)際系統中,通常要求顏色的保真度要高.
     
    6.數碼相機用低通濾波片(OLPF)和紅外截止濾光片:在每個(gè)數碼相機和攝像機內,都需要一片紅外截止濾光片,其作用是阻擋紅外線(xiàn)進(jìn)入相機的CCD或CMOS感應芯片而影響照片的顏色。為了消除感應芯片像素陣列帶來(lái)的空間干涉效應而出現的摩爾條紋,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(kāi)爾文)。色溫是在攝影、錄象、出版等領(lǐng)域具有重要應用。光源的色溫是通過(guò)對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(kāi)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。一般用Tc表示。色溫是按絕對黑體來(lái)定義的,光源的輻射在可見(jiàn)區和絕對黑體的輻射完全相同時(shí),此時(shí)黑體的溫度就稱(chēng)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:標準燭光為1930K(開(kāi)爾文溫度單位);鎢絲燈為2760-2900K;熒光燈為3000K;白熾燈泡:3200K,鹵素燈:3400K, 閃光燈為3800K;日光燈:5500K,中午陽(yáng)光為5600K;電子閃光燈為6000K;藍天為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(cháng)和色是有對應關(guān)系的,一個(gè)光譜可以對應各種波長(cháng),但是波長(cháng)說(shuō)的是單色光。
     
    而色溫所定義的光線(xiàn)不是單色光,它是屬于混合光,也可以理解為正常的光線(xiàn)中某種色(或是波長(cháng))的光線(xiàn)含量多。所以就沒(méi)有波長(cháng)與色溫二者的對應關(guān)系。
     
    凱爾文認為,假定某一純黑物體,能夠將落在其上的所有熱量吸收,而沒(méi)有損失,同時(shí)又能夠將熱量生成的能量全部以“光”的形式釋放出來(lái)的話(huà),它便會(huì )因受到熱力的高低而變成不同的顏色。例如,當黑體受到的熱力相當于500—550℃時(shí),就會(huì )變成暗紅色,達到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應的。只不過(guò)色溫是用凱爾文(°K、也就是絕對溫度)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),它就由紅轉變橙黃色、黃色最后變成白色,通常我們所用燈泡內的鎢絲就相當于這個(gè)黑體。色溫計算法就是根據以上原理,用°K來(lái)表示受熱鎢絲所放射出光線(xiàn)的色溫。根據這一原理,任何光線(xiàn)的色溫是相當于上述黑體散發(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(chēng)及功能簡(jiǎn)介
     
    名稱(chēng)
     
    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(cháng)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), 能改變燈具或檢測系統可接收的光譜或顏色.
     
    照明, 舞臺照明
     
    AOI自動(dòng)視覺(jué)檢測設備
     
    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)以下光譜在這一一對應。



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