滤光片
1. 什么是滤光片？
滤光片是能够衰减光的强度、改变光谱成分的光学元件。用来选取所需辐射波段的光学器件。滤光片的一个共性，就是没有任何滤光片能让天体的成像变得更明亮，因为所有的滤光片都会吸收某些波长，从而使物体变得更暗。
滤光片是塑料或玻璃片再加入特种染料做成的，红色滤光片只能让红光通过，如此类推。玻璃片的折射率原本与空气差不多，所有色光都可以通过，所以是透明的，但是染了染料后，分子结构变化，折射率也发生变化，对某些色光的通过就有变化了。比如一束白光通过蓝色滤光片，射出的是一束蓝光，而绿光、红光极少，大多数被滤光片吸收了。滤光片用于滤去某一波长范围内的光，起单色器的作用，但它不可能得到单色光。
滤光片的作用很大。广泛用于摄影界。一些摄影大师拍摄的风景画，为什么主景总是那么突出，是怎样做到的?这就用到了滤光片。比如你想用相机起拍一朵黄花，背景是蓝天、绿叶，如果按照平常拍，就不能突出“黄花”这个主题，因为黄花的形象不够突出。但是，如果在镜头前放一个黄色滤光片，阻挡一部分绿叶发出的绿光、蓝天发出的蓝光，而让黄花发出的黄光大量通过，这样，黄花就显得十分明显了，突出了“黄花”这个主题。
2. 滤光片分类
滤光片分类, 滤光片产品主要按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等方式分类。
光谱波段：紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片；
光谱特性：带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片；
膜层材料：软膜滤光片、硬膜滤光片；
硬膜滤光片不仅指薄膜硬度方面,更重要的是它的激光损伤阈值,所以它广泛应用于激光系统当中,面软膜滤光片则主要用于生化分析仪当中。
带通型：选定波段的光通过，通带以外的光截止。其光学指标主要是中心波长（CWL），半带宽（FWHM)。分为窄带和宽带
短波通型(又叫低波通)：短于选定波长的光通过，长于该波长的光截止。比如红外截止滤光片。
长波通型(又叫高波通)：长于选定波长的光通过，短于该波长的光截止比如红外透过滤光片。
3. 滤光片关键术语
中心波长
中心波长(CWL)通常用于表示带通滤光片的峰值透射率，或是陷波滤光片的峰值反射率。然而，这个术语常被误用 -CWL实际上定义为在峰值透射率为50%的波长之间的中点，称为半峰 全宽(FWHM)。干涉滤光片的峰值则通常不会位于波长中点。请参阅图1关于CWL和FWHM的说明。
带宽
带宽是一个波长范围，用于表示频谱通过入射能量穿过滤光片的特定部分。带宽又称为FWHM（图1）。
图 1: 中心波长和半峰全宽说明
截止范围
阻断范围是用于表示通过滤光片衰减的能量光谱区域的波长间隔（图2）。阻断程度通常会在光密度中指定。
图 2: 截止范围说明 光密度
光密度(OD)描述滤光片阻断规格，并且与穿过的能量透射量有关（方程式1–2）。高光密度值表示非常低的透射率，低光密度则表示高透射率。图3描述了三种不同的光密度：OD 1.0，OD 1.3和OD1.5显示越高的OD值的透射率越低。
图3: 光密度说明
(1)
(2)
二向色性滤光片
二向色性滤光片是用于取决于波长透射率或反射光的滤光片类型；特定波长范围透射的光则鉴于不同范围的光线反射或吸收（图4）。二向色性滤光片常用于长波通和短波通应用。
图 4: 二向色性滤光片镀膜说明
起始波长
起始波长是用于表示在长波通滤光片中透射率增加至50%波长的术语。起始波长由图5中的λcut-on起始表示。
图 5: 起始波长说明截止波长
截止波长是用于表示在短波通滤光片中透射率降低至50%波长的术语。截止波长由图6中的λcut-off截止表示。
图 6: 截止波长说明
4.滤光片制造技术吸收性和二向色性滤光片
范围广泛的光学滤光片可分成两大类：吸收性和二向色性。两者的区别不在于它过滤什么，而是如何滤光。吸收性滤光片的光线阻断以玻璃基片的吸收特性为基础。换句话说，被阻断的光线不会反射回滤光片；相反的，光线被它吸收且包含在滤光片内。在系统内多余的光线形成噪音的问题时，吸收性滤光片是理想的选择。吸收性滤光片也具有角度不敏感的额外功能；光线可从各种角度入射滤光片且滤光片将保持其透射和吸收特性。
相反的，二向色性滤光片的运作是反射多余的波长并透射所需的频谱部分。在一些应用中，这是一个需要的效果，因为光可以通过波长分开为两个来源。这可通过增加单层或多层不同折射指数的材料完成干涉光波性质来实现。在干涉滤光片，光从较低折射率材料的移动将反射高折射率材料；只有特定角度和波长的光将积极干涉传入光束并穿过材料，而其他所有的光线将相消干涉并反射材料（图7）。
图 7: 在玻璃基片上交替的高与低指标材料的多层沉积
与吸收性滤光片不同，二向色性滤光片具有极高的角度敏感。当用于任何角度的设计用途之外时，二向色性滤光片无法满足最初标示的透射率和波长规格。通过二向色性滤光片提高入射角将使它移向较短的波长（即对蓝波长）；降低角度则会移向较长的波长（即对红波长）。
探索二向色性带通滤光片
带通滤光片用于广泛的行业，可以是二向色性或彩色基片。二向色性带通滤光片是由两种不同的技术制造的：传统和加硬溅射法，或镀加硬膜。这两种技术通过在玻璃基片上交替的高与低折射率材料的多层沉积实现其独特的透射率和反射特性。事实上，根据应用的不同，在特定基片上每面可能有超过100层材料沉积。
传统镀膜滤光片和加硬溅射法滤光片之间的差别是基片层数。在传统镀膜带通滤光片，不同的指标材料层沉积在多个基片上然后再夹在一起。例如，假设图7中的图片重复叠加甚至超过100倍。这个技术导致降低透射率的厚滤光片。透射的减少是由于入射光穿过并通过数个基片层被吸收和/或反射所导致的。相反的，在加硬溅射法带通滤光片，不同的指标材料只沉积在单个基片上图8）。这个技术导致高透射率的薄滤光片。
图 8: 传统滤光片（左）和加硬溅射法滤光片（右）5.不同类型滤光片简介以及应用
这里以爱特蒙特公司滤光片产品为例进行介绍：
（1） 带通滤波片
带通滤光片在整个基片具有极窄带（<2nm至10nm）或宽带（50 nm和80 nm）透射率。它们对角度特别敏感，所以在光学设置时应注意其安装和放置。应选择加硬溅射法滤光片以最大程度地提高选定波长的透射率
（2） 长波通滤波片
长波通滤光片可透射长于特定起始波长的所有波长。长波通滤光片包括冷反射镜、颜色玻璃滤光片，以及热固ADC（光学注塑塑料）滤光片。
(3)短波通滤波片
短波通滤光片可透射短于特定截止波长的所有波长短波通滤光片包括红外截止滤光片、热反射以及吸热玻璃。
（4）吸热收玻璃
吸热玻璃将透射可见光和吸收红外辐射。吸收的能量之后会热散失到玻璃周围的空气中。通常会建议在空气中冷却以移除多余的热量。吸热玻璃也可用于作为短波通滤光片。
（5）冷光反射镜
冷反射镜是特定的二向色性滤光片类型，在可见光谱中具有高反射率，同时保持在红外中的高透射率。冷反光镜设计用于在产生热量可能造成损害或不利影响的任何应用程序中。
（6）热反射镜
热反射镜是特定的二向色性滤光片类型，在红外中具有高反射率并在可见光谱中具有高透射率。热反射镜主要用于投影和照明系统。
（7）陷波滤光片
陷波滤光片设计用于在滤光片设计范围内透射所有其他波长的同时阻断预选的带宽。陷波滤光片适用于从光学系统移除单个激光波长或窄带。
（8）彩色基片滤光片
彩色基片滤光片采用基片制作而成，具有在整个特定光谱区域中与本质不同的吸收和透射特性。彩色基片滤光片通常用于作为长波通和带通滤光片。与镀膜滤光片相比，透射和阻断之间的界限比较不尖锐。
（9）二向色性滤光片
二向色性滤光片带有薄膜镀膜，在给定的光谱中实现理想的透射率和反射率。它们通常作为彩色滤光片使用（添加和减少）。二向色性滤光片的角度稍微敏感但比干扰滤光片较宽容。
（10）中性密度滤光片
中性密度(ND)滤光片设计用于在特定光谱、紫外和可见光、可见光，或红外部分平均减少投射率。ND滤光片有两种类型：吸收性和反射性。吸收性类型吸收不是通过滤光片透射的光线，反射性类型则将光线反射回其入射的方向。使用上述类型时应特别注意，确保任何反射光线均不干扰应用程序的安装。ND滤光片通常用于防止相机和其他检测器的高光或感光过度。
范例1：
配色成像黑白 相机无法区分不同颜色的本质。然而，添加的彩色滤光片大大提高了物体之间的对比。给定的彩色滤光片将减轻相同颜色的物体，并加深相对颜色的物体。请参考例子，使用黑白相机拍摄两颗红色和两颗绿色药丸。图9a - 9d 显示检验中的样品的实际图像和使用彩色滤光片各种图像。图中清楚可见，若没有使用滤光片（图9b），黑白相机无法区分红色和绿色。在工厂车间检查这些药丸是不可能的。另一方面，当使用红色滤光片（图9c）时，由于增加图像的对比度，物体的相对颜色（即绿色药丸）显示为灰色，可以很容易地从红色药丸中辨别出来。相反的，当使用绿色滤光片（图9d）时，红色药丸显示为灰色。
图 9a: 增强对比度：检验中的样品
图 9b: 增强对比度：没有使用滤光片
图 9c: 增强对比度：红色滤光片
图 9d: 增强对比度：绿色滤光片
范例2：拉曼光谱
拉曼光谱应用的结果可以通过使用一些选择的滤光片大幅提高：激光带通、陷波片，或激光 长波通为了达到最佳效果，使用窄至1.2nm和光密度OD 6.0的带宽滤光片。激光带通滤光片放置在激光和样品之间的光路内。这确保阻断了任何外部环境光，只有激光线波长可通过。光入射到样品后，它会由于拉曼散射而位移并包含许多低强度模式或信号。因此，它在通过使用陷波滤光片（以尽可能近激光波长为中心）以便阻断高强度激光的应用中变得很重要。如果发生非常接近激光的拉曼激发模式，激光长波通滤光片则可以作为有效的替代品。图10 典型的拉曼光谱设置图。
图 10: 拉曼光谱设置
除了上述提及的两项，光学滤光片可用于多种应用：配色成像和拉曼光谱。它们几乎出现在光学、成像和光电子行业的各个方面；了解光学滤光片的制造技术、关键术语和当今可用的滤光片类型可帮助选择适用于任何设置的最佳滤光片。
1. 什么是滤光片？
滤光片是能够衰减光的强度、改变光谱成分的光学元件。用来选取所需辐射波段的光学器件。滤光片的一个共性，就是没有任何滤光片能让天体的成像变得更明亮，因为所有的滤光片都会吸收某些波长，从而使物体变得更暗。
滤光片是塑料或玻璃片再加入特种染料做成的，红色滤光片只能让红光通过，如此类推。玻璃片的折射率原本与空气差不多，所有色光都可以通过，所以是透明的，但是染了染料后，分子结构变化，折射率也发生变化，对某些色光的通过就有变化了。比如一束白光通过蓝色滤光片，射出的是一束蓝光，而绿光、红光极少，大多数被滤光片吸收了。滤光片用于滤去某一波长范围内的光，起单色器的作用，但它不可能得到单色光。
滤光片的作用很大。广泛用于摄影界。一些摄影大师拍摄的风景画，为什么主景总是那么突出，是怎样做到的?这就用到了滤光片。比如你想用相机起拍一朵黄花，背景是蓝天、绿叶，如果按照平常拍，就不能突出“黄花”这个主题，因为黄花的形象不够突出。但是，如果在镜头前放一个黄色滤光片，阻挡一部分绿叶发出的绿光、蓝天发出的蓝光，而让黄花发出的黄光大量通过，这样，黄花就显得十分明显了，突出了“黄花”这个主题。
2. 滤光片分类
滤光片分类, 滤光片产品主要按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等方式分类。
光谱波段：紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片；
光谱特性：带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片；
膜层材料：软膜滤光片、硬膜滤光片；
硬膜滤光片不仅指薄膜硬度方面,更重要的是它的激光损伤阈值,所以它广泛应用于激光系统当中,面软膜滤光片则主要用于生化分析仪当中。
带通型：选定波段的光通过，通带以外的光截止。其光学指标主要是中心波长（CWL），半带宽（FWHM)。分为窄带和宽带
短波通型(又叫低波通)：短于选定波长的光通过，长于该波长的光截止。比如红外截止滤光片。
长波通型(又叫高波通)：长于选定波长的光通过，短于该波长的光截止比如红外透过滤光片。
3. 滤光片关键术语
中心波长
中心波长(CWL)通常用于表示带通滤光片的峰值透射率，或是陷波滤光片的峰值反射率。然而，这个术语常被误用 -CWL实际上定义为在峰值透射率为50%的波长之间的中点，称为半峰 全宽(FWHM)。干涉滤光片的峰值则通常不会位于波长中点。请参阅图1关于CWL和FWHM的说明。
带宽
带宽是一个波长范围，用于表示频谱通过入射能量穿过滤光片的特定部分。带宽又称为FWHM（图1）。
图 1: 中心波长和半峰全宽说明
截止范围
阻断范围是用于表示通过滤光片衰减的能量光谱区域的波长间隔（图2）。阻断程度通常会在光密度中指定。
图 2: 截止范围说明 光密度
光密度(OD)描述滤光片阻断规格，并且与穿过的能量透射量有关（方程式1–2）。高光密度值表示非常低的透射率，低光密度则表示高透射率。图3描述了三种不同的光密度：OD 1.0，OD 1.3和OD1.5显示越高的OD值的透射率越低。
图3: 光密度说明
(1)
(2)
二向色性滤光片
二向色性滤光片是用于取决于波长透射率或反射光的滤光片类型；特定波长范围透射的光则鉴于不同范围的光线反射或吸收（图4）。二向色性滤光片常用于长波通和短波通应用。
图 4: 二向色性滤光片镀膜说明
起始波长
起始波长是用于表示在长波通滤光片中透射率增加至50%波长的术语。起始波长由图5中的λcut-on起始表示。
图 5: 起始波长说明截止波长
截止波长是用于表示在短波通滤光片中透射率降低至50%波长的术语。截止波长由图6中的λcut-off截止表示。
图 6: 截止波长说明
4.滤光片制造技术吸收性和二向色性滤光片
范围广泛的光学滤光片可分成两大类：吸收性和二向色性。两者的区别不在于它过滤什么，而是如何滤光。吸收性滤光片的光线阻断以玻璃基片的吸收特性为基础。换句话说，被阻断的光线不会反射回滤光片；相反的，光线被它吸收且包含在滤光片内。在系统内多余的光线形成噪音的问题时，吸收性滤光片是理想的选择。吸收性滤光片也具有角度不敏感的额外功能；光线可从各种角度入射滤光片且滤光片将保持其透射和吸收特性。
相反的，二向色性滤光片的运作是反射多余的波长并透射所需的频谱部分。在一些应用中，这是一个需要的效果，因为光可以通过波长分开为两个来源。这可通过增加单层或多层不同折射指数的材料完成干涉光波性质来实现。在干涉滤光片，光从较低折射率材料的移动将反射高折射率材料；只有特定角度和波长的光将积极干涉传入光束并穿过材料，而其他所有的光线将相消干涉并反射材料（图7）。
图 7: 在玻璃基片上交替的高与低指标材料的多层沉积
与吸收性滤光片不同，二向色性滤光片具有极高的角度敏感。当用于任何角度的设计用途之外时，二向色性滤光片无法满足最初标示的透射率和波长规格。通过二向色性滤光片提高入射角将使它移向较短的波长（即对蓝波长）；降低角度则会移向较长的波长（即对红波长）。
探索二向色性带通滤光片
带通滤光片用于广泛的行业，可以是二向色性或彩色基片。二向色性带通滤光片是由两种不同的技术制造的：传统和加硬溅射法，或镀加硬膜。这两种技术通过在玻璃基片上交替的高与低折射率材料的多层沉积实现其独特的透射率和反射特性。事实上，根据应用的不同，在特定基片上每面可能有超过100层材料沉积。
传统镀膜滤光片和加硬溅射法滤光片之间的差别是基片层数。在传统镀膜带通滤光片，不同的指标材料层沉积在多个基片上然后再夹在一起。例如，假设图7中的图片重复叠加甚至超过100倍。这个技术导致降低透射率的厚滤光片。透射的减少是由于入射光穿过并通过数个基片层被吸收和/或反射所导致的。相反的，在加硬溅射法带通滤光片，不同的指标材料只沉积在单个基片上图8）。这个技术导致高透射率的薄滤光片。
图 8: 传统滤光片（左）和加硬溅射法滤光片（右）5.不同类型滤光片简介以及应用
这里以爱特蒙特公司滤光片产品为例进行介绍：
（1） 带通滤波片
带通滤光片在整个基片具有极窄带（<2nm至10nm）或宽带（50 nm和80 nm）透射率。它们对角度特别敏感，所以在光学设置时应注意其安装和放置。应选择加硬溅射法滤光片以最大程度地提高选定波长的透射率
（2） 长波通滤波片
长波通滤光片可透射长于特定起始波长的所有波长。长波通滤光片包括冷反射镜、颜色玻璃滤光片，以及热固ADC（光学注塑塑料）滤光片。
(3)短波通滤波片
短波通滤光片可透射短于特定截止波长的所有波长短波通滤光片包括红外截止滤光片、热反射以及吸热玻璃。
（4）吸热收玻璃
吸热玻璃将透射可见光和吸收红外辐射。吸收的能量之后会热散失到玻璃周围的空气中。通常会建议在空气中冷却以移除多余的热量。吸热玻璃也可用于作为短波通滤光片。
（5）冷光反射镜
冷反射镜是特定的二向色性滤光片类型，在可见光谱中具有高反射率，同时保持在红外中的高透射率。冷反光镜设计用于在产生热量可能造成损害或不利影响的任何应用程序中。
（6）热反射镜
热反射镜是特定的二向色性滤光片类型，在红外中具有高反射率并在可见光谱中具有高透射率。热反射镜主要用于投影和照明系统。
（7）陷波滤光片
陷波滤光片设计用于在滤光片设计范围内透射所有其他波长的同时阻断预选的带宽。陷波滤光片适用于从光学系统移除单个激光波长或窄带。
（8）彩色基片滤光片
彩色基片滤光片采用基片制作而成，具有在整个特定光谱区域中与本质不同的吸收和透射特性。彩色基片滤光片通常用于作为长波通和带通滤光片。与镀膜滤光片相比，透射和阻断之间的界限比较不尖锐。
（9）二向色性滤光片
二向色性滤光片带有薄膜镀膜，在给定的光谱中实现理想的透射率和反射率。它们通常作为彩色滤光片使用（添加和减少）。二向色性滤光片的角度稍微敏感但比干扰滤光片较宽容。
（10）中性密度滤光片
中性密度(ND)滤光片设计用于在特定光谱、紫外和可见光、可见光，或红外部分平均减少投射率。ND滤光片有两种类型：吸收性和反射性。吸收性类型吸收不是通过滤光片透射的光线，反射性类型则将光线反射回其入射的方向。使用上述类型时应特别注意，确保任何反射光线均不干扰应用程序的安装。ND滤光片通常用于防止相机和其他检测器的高光或感光过度。
范例1：
配色成像黑白 相机无法区分不同颜色的本质。然而，添加的彩色滤光片大大提高了物体之间的对比。给定的彩色滤光片将减轻相同颜色的物体，并加深相对颜色的物体。请参考例子，使用黑白相机拍摄两颗红色和两颗绿色药丸。图9a - 9d 显示检验中的样品的实际图像和使用彩色滤光片各种图像。图中清楚可见，若没有使用滤光片（图9b），黑白相机无法区分红色和绿色。在工厂车间检查这些药丸是不可能的。另一方面，当使用红色滤光片（图9c）时，由于增加图像的对比度，物体的相对颜色（即绿色药丸）显示为灰色，可以很容易地从红色药丸中辨别出来。相反的，当使用绿色滤光片（图9d）时，红色药丸显示为灰色。
图 9a: 增强对比度：检验中的样品
图 9b: 增强对比度：没有使用滤光片
图 9c: 增强对比度：红色滤光片
图 9d: 增强对比度：绿色滤光片
范例2：拉曼光谱
拉曼光谱应用的结果可以通过使用一些选择的滤光片大幅提高：激光带通、陷波片，或激光 长波通为了达到最佳效果，使用窄至1.2nm和光密度OD 6.0的带宽滤光片。激光带通滤光片放置在激光和样品之间的光路内。这确保阻断了任何外部环境光，只有激光线波长可通过。光入射到样品后，它会由于拉曼散射而位移并包含许多低强度模式或信号。因此，它在通过使用陷波滤光片（以尽可能近激光波长为中心）以便阻断高强度激光的应用中变得很重要。如果发生非常接近激光的拉曼激发模式，激光长波通滤光片则可以作为有效的替代品。图10 典型的拉曼光谱设置图。
图 10: 拉曼光谱设置
除了上述提及的两项，光学滤光片可用于多种应用：配色成像和拉曼光谱。它们几乎出现在光学、成像和光电子行业的各个方面；了解光学滤光片的制造技术、关键术语和当今可用的滤光片类型可帮助选择适用于任何设置的最佳滤光片。
