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光學基礎術語以及分析

:2018-01-30    :333

 一、入射角

全介質薄膜濾光片的其中一個特點是具有角度特性,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PS分量的偏振態。當入射光源或濾光片鏡片產生斜麵後,就開會有偏振效益。P分量和S分量隨著角度變話的距離就變得更遠。右圖中可以看到。這種情況下,隻能通過膜係軟件設計盡可能的變小差距。

 


   同時我們看到中心波長偏左邊(短波長)方向偏移,正常下差不多1度約1納米。

鍍介質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是很關心的。

帶通濾光片定義:Bandwidth


帶通濾光片產品關心的要素:中心波長(CWL),峰值透過率,帶通超過平均值透過率Tavg%(如帶通內平均透過95%Tave表示,那Tavg就是要考核的區域內透過率最少要大於95%以上,不得低於這個數值。)最小通帶GMBW有時我們把Tavg比作Ripple波紋,比如透過率在93%~96%變化,這個變化值我們叫做波紋3%,客人會要求在3%波紋內要有35nm的通帶。這個的意義是讓光源左右兩邊的光能量盡可能的透過。半帶寬FWHM是指峰值波長所對應的透過率一半的透過率所對應的左邊與右邊波長相差的絕對值。比如理想下中心波長是850nm透過率最高達到了98%98%/2=49%所對應的左邊波長假如是830nm,右邊870nm,兩波長相減的絕


對值即40nm,那半帶寬FWHM=40,公式:FWHM=GMBW+0.01*CWLGMBW=35+0.01*850=35+8.5=43.5nm這個公式是根據各公司的鍍膜工藝在設計過程的調整。隻做為我們初步評估客戶產品的可行性方案。以此相推,透過等於1%所對應的帶寬即40+20=60透過等0.1%所對應波長即為40+20+20=80nm,因此中心850nm,透過等於0.1%時截止區應從810nm結束,右邊應從890nm開始。

    幹涉濾光片它存在一定的共性,雖然濾光片帶寬,透過率等參數可以通過膜係設計軟件優化改變不同的參數,但正常下他要得到一定完美帶通濾光片,他的截止率是隨著膜層厚度增加OD值變越大。理論上我們希望帶通內的透過率越平越好,實際上是做不到的。請看以下的圖表,有截止區,半帶寬,最小帶寬,最基本通帶透過率,中心波長等參數。


 


  光學密度:Optical Density  OD                                                                  

 這是用來說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,我們預留了一個水閘口流水,其餘的決不希望有漏水出來。水壩其它地方也漏水時間久了壩就崩潰了。對於濾光片來講一樣存在這個問題,膜係設計軟件理論上設計透過率很低了,實際上仍有光通過來,或是肉眼看沒有光透過率來了,采用大功率的激光器一批發現光全泄漏過來了。跟透過率是一個對數關係。

    計算是T=80%要轉成0.8然後求log得到OD=-0.0969=dB=-0.969dB

 

 

ND FILTER (光學密度濾光片),也叫中性密度濾光片

這是用來說明光通過玻璃或材料時初時光與通過後光之前比值的對數關係。如初時光是100%我們理解為1,通過後隻有50%的光,我們認為隻有1/2的光過來。求10為底的對數得到,d=0.3即光學密度為-0.3dB表示即為-0.3*10=-3dB=50%透過。即為ND2,因此簡單的理解就是ND16就是指初時光強與最後光強比值是1/16=0.0625OD即為-1.2,-12dB,透過T=6.25%。這種ND filter通產用來檢測液晶顯示器屏上是否有不變的點或特亮的點,以確定顯示屏是不是好的。

有效麵積:或叫有效通光孔徑

  對這個的解釋是,當光源或光路通過或工作時穿過鏡片或濾光片時,所占的麵積。要做到100%的使用麵積是幾乎不可能的,隻能說最大允許可接受的有效區。常說有效區95%,如產品尺寸是80*80*1mm即有效位置為76*76*1mm,反過來講,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是2*80的麵積不是有效麵積內。這時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等缺陷點存在。當然還要看其它要求,這隻是其中之一對濾光片有效麵積的限製點。特別是擦拭QC時特別會關心這些,中心光潔度,邊緣光潔度等參數。如下圖。

 

 

 

可靠性能力(可靠性實驗)Reliability

這個是濾光片成品後在用戶使用過程很關鍵的參數,正如我們買了手機能不能摔,買汽車有沒有經過100公裏時速衝擊測試,如果不過關就相當於人走在薄薄的冰磚上隨時掉到水中。

對於光學濾光片可靠性實驗比較多:有材料成份安全數據MSDS,環保認證ROHS,高溫和低溫實驗-40~+70度,濕度實驗,膜層強度實驗,膜層表麵硬度實驗,鹽霧防腐蝕實驗,抗功率實驗(激光損傷值,是否是脈衝激光,是否連續激光,脈衝寬度,平均功率,工作波長,激光光斑直徑大小),濾光片膜層吸收實驗(透過等90%並不代表反射是10%,濾光片溫漂實驗(這是很挑戰工藝的參數,考驗濾光片在使用中剛開時光照下溫度為常溫或低溫,使用一段時間後變成了高溫高濕環境,這時的波長是否有變化,透過率是否有變化都是非常關注的),下圖曲線是高強能量氙氣燈照射下濾光片曲線變化。

光學指標:以是帶通與短波通的產品的光學指標。請按參數進行畫出坐標來。

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1064nm光過來即為合格品。

S2麵鍍:45deg  AR@532nm R<0.4%

膜係類型也叫產品曲線類型:

   不同形狀的產品曲線也可以意味著產品的應用不同,產品具有的性能不同,可分光帶通,多帶通,窄帶,負型,長波通,短波通,增透,分光,高反,偏振,消偏振,

從以上圖表可以看到,通過膜係去分,實際上隻有10種類型,再延伸成多帶通,多窄帶,多負型帶通,多負型窄帶,單點增透,單點分光,單點消偏振等,也沒多少種。要知道的是每種曲線代表每種產品。

根據透過,波長等各自特點去詳細在180nm~380nm~400nm~760nm~1100nm~25um那樣產品曲線和不同入射角去分將是無數種產品。那將變得簡單問題複雜了。我們通產采用產品編號進行分區。比如長波通我們叫LP45度的長波通我們叫DLP,短波通叫SP45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麽類型的產品。

 

產品應用:

下圖為產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。

左邊是一個光源,可以理解這個光源是白熾燈,發出來的光有點淡黃色的,色溫在2900K左右,這裏麵有紫外線,有各種色彩的可見光,也有鎢絲發紅的紅外線。通過左邊第一個黑色濾光片過濾後,隻通過某個光,假設是綠光,綠光射到鏡片上,這個鏡片是45度斜放的,反射到載玻片上的物體,物體吸收綠光後產生自身的波長(專家認為任保物體都有他自身的波長),透過45度斜放的濾光片,設透過來的自射波長是650-670nm,這時透過來的自身波長可能仍有雜散,我們通過一個660nm的窄帶濾光片過濾後,隻留下660nm光到人眼中。我們就看到物體的特性。可進行血液,精液,尿液,細胞DNA,藥粉等觀察。

 這裏的濾光片起到了過濾光源中的雜散光,又起來二色反射和透射作用,也起到保護人眼不受有害光源幹擾作用。

2.生化醫療儀器濾光片:生物醫學是當今世界發展最快,也是應用前景最廣闊的前沿學科之一。其中用於細胞結構分析的熒光顯微技術和喇曼光譜分析技術,隨著其主要部件,特別是光學濾光片生產技術的大幅度提高,正越來越多地在研究機構和醫院裏得到廣泛應用。高性能的生化醫療儀器濾光片,包括熒光顯微鏡濾光片,激光譜線濾光片和喇曼分析濾光片等。

3.精密光學濾波片。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後兩個反射鏡組成。多數諧振腔的反射鏡都是介質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。而介質薄膜反射鏡質量的好壞是限製激光器最大功率的主要因素。

4.光學引擎的零部件。光學引擎是投影儀和投影電視機的心髒。它主要是由多個光學薄膜部件組成。下圖是一個基於LCOS技術的光學引擎示意圖。它的基本原理是利用多個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,經三個LCOS芯片分別成像後經一個合色棱鏡(x-cube)將三種基色的圖象合成一個彩色圖象投影到屏幕上。

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5.這裏的紫外-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)的光學功能都是靠光學鍍膜來實現的。在實際係統中,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進入相機的CCDCMOS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的空間幹涉效應而出現的摩爾條紋,還需要加一個低通濾波片(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後膠合而成。下圖是用OLPF之前和之後的拍攝效果比較。

色溫(colo(u)r temperature)是表示光源光色的尺度,單位為K(開爾文)。色溫是在攝影、錄象、出版等領域具有重要應用。光源的色溫是通過對比它的色彩和理論的熱黑體輻射體來確定的。熱黑體輻射體與光源的色彩相匹配時的開爾文溫度就是那個光源的色溫,它直接和普朗克黑體輻射定律相聯係。

色溫是表示光源光譜質量最通用的指標。一般用Tc表示。色溫是按絕對黑體來定義的,光源的輻射在可見區和絕對黑體的輻射完全相同時,此時黑體的溫度就稱此光源的色溫。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出來的光色彩是不相同的。

波長和色是有對應關係的,一個光譜可以對應各種波長,但是波長說的是單色光。

而色溫所定義的光線不是單色光,它是屬於混合光,也可以理解為正常的光線中某種色(或是波長)的光線含量多。所以就沒有波長與色溫二者的對應關係。

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,而沒有損失,同時又能夠將熱量生成的能量全部以“光”的形式釋放出來的話,它便會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於500550℃時,就會變成暗紅色,達到10501150℃時,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。隻不過色溫是用凱爾文(°K、也就是絕對溫度)的色溫單位來表示,而不是用攝氏溫度(℃)單位表示的。在加熱鐵塊的過程中,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光波時,它就由紅轉變橙黃色、黃色最後變成白色,通常我們所用燈泡內的鎢絲就相當於這個黑體。色溫計算法就是根據以上原理,用°K來表示受熱鎢絲所放射出光線的色溫。根據這一原理,任何光線的色溫是相當於上述黑體散發出同樣顏色時所受到的“溫度”。下圖是升溫和降溫鏡。

    

彩色濾光片:

產品名稱及功能簡介

名稱

鍍膜濾色片

彩色濾光片, dichroic filter, 嶽華展

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, 能改變燈具或檢測係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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