濾光片作為現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的核心元件，其核心功能擁有可選擇性透過(guò)或反射特定波長(zhǎng)的光，而獲得這種擁有波長(zhǎng)選擇和反射特性，幾乎完全依賴(lài)于其表面或內(nèi)部沉積的光學(xué)薄膜層。這些由不同材料、不同厚度精密堆疊而成的薄膜層，利用光的干涉、反射、吸收等原理，形成了形色各樣的光譜濾光片。下面我們將為大家簡(jiǎn)單介紹一些常見(jiàn)的膜層，為大家做一個(gè)簡(jiǎn)單的科普。

一、核心膜層類(lèi)型及其作用

濾光片的功能多樣性，主要源于其膜系設(shè)計(jì)中包含的不同類(lèi)型膜層組合：

1.增透膜：

作用：核心目標(biāo)是減少特定波長(zhǎng)或波段的光在光學(xué)表面的反射損失，從而顯著提高透射率。這是應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)膜層。

原理：利用單層或多層薄膜的干涉相消效應(yīng)，使反射光相互抵消。

應(yīng)用：幾乎存在于所有高質(zhì)量光學(xué)元件（鏡頭、棱鏡、窗口片、傳感器保護(hù)窗）的表面。單層增透膜（如MgF2）常用于可見(jiàn)光中心波段，寬帶增透膜（如多層寬帶AR膜）則覆蓋更寬的光譜范圍（如可見(jiàn)光全波段或近紅外）。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注最低反射率、工作帶寬、入射角度容忍度以及環(huán)境耐久性。

(長(zhǎng)波濾光片)

2.截止膜：

作用：構(gòu)成濾光片的核心功能層，用于實(shí)現(xiàn)光譜的“切割”，分為：

短波通膜：允許短于某一特定波長(zhǎng)（截止波長(zhǎng)）的光透過(guò)，反射或吸收長(zhǎng)波光。

長(zhǎng)波通膜：允許長(zhǎng)于某一特定波長(zhǎng)（截止波長(zhǎng)）的光透過(guò)，反射或吸收短波光。

帶通膜：允許一個(gè)特定波長(zhǎng)范圍（通帶）的光透過(guò)，強(qiáng)烈反射或吸收通帶兩側(cè)的光。

陷波膜：強(qiáng)烈反射或吸收一個(gè)非常窄的特定波長(zhǎng)（陷波波長(zhǎng)），允許其他波長(zhǎng)透過(guò)。

原理：通過(guò)精心設(shè)計(jì)的多層高、低折射率材料交替堆疊（如TiO2/SiO2,Ta2O5/SiO2,Nb2O5/SiO2），利用多層干涉效應(yīng)在特定波長(zhǎng)區(qū)域產(chǎn)生極高的反射率（即截止），而在其他區(qū)域保持高透射率。

應(yīng)用：是各種功能濾光片（熒光濾光片、激光防護(hù)鏡、色輪、光譜儀分光元件、生物傳感、機(jī)器視覺(jué)分色）的絕對(duì)核心。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)極其嚴(yán)格，重點(diǎn)關(guān)注中心波長(zhǎng)、截止波長(zhǎng)、通帶寬度、通帶平均透射率、截止深度、截止帶寬度、通帶波紋、邊緣陡度、角度敏感性、溫度穩(wěn)定性、激光損傷閾值。

（分光鏡）

分光膜：

作用：將入射光按波長(zhǎng)或能量比例分成兩束或多束，常見(jiàn)類(lèi)型有：

二向色分光膜：反射某一波段，透射另一波段（是截止膜的一種特殊應(yīng)用形式）。

中性分光膜：在較寬光譜范圍內(nèi)，按固定比例（如50:50,70:0）同時(shí)反射和透射入射光，盡量保持光譜中性（不顯色）。

原理：多層干涉膜系設(shè)計(jì)，精確控制不同波長(zhǎng)光的反射和透射相位與強(qiáng)度。

應(yīng)用：顯微鏡、投影儀、激光系統(tǒng)、光學(xué)測(cè)量?jī)x器中的分束器、合束器。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)分光比精度、分光比光譜平坦度（中性）、偏振依賴(lài)性、角度依賴(lài)性、通光孔徑均勻性以及抗激光損傷能力。

（反射濾光片）

4.高反射膜：

作用：在特定波長(zhǎng)或?qū)挷ǘ螌?shí)現(xiàn)極高的反射率（通常>99.9%甚至更高）。

原理：采用兩種折射率差異大的材料（如TiO2/SiO2,Ta2O5/SiO2）組成多層周期性結(jié)構(gòu)（分布式布拉格反射鏡-DBR），利用強(qiáng)干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高反。金屬膜（如鋁、銀、金）也可實(shí)現(xiàn)寬譜高反，但損耗通常高于介質(zhì)膜。

應(yīng)用：激光諧振腔腔鏡、干涉儀反射鏡、反射式濾光片的基礎(chǔ)、精密反射元件。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)核心是峰值反射率、高反射帶寬、吸收/散射損耗、激光損傷閾值（尤其是激光應(yīng)用）以及膜層應(yīng)力控制。

（硅反射片）

5.金屬膜：

作用：主要利用金屬本身的寬譜吸收或反射特性。常用金屬包括鋁（Al-紫外到可見(jiàn)高反）、銀（Ag-可見(jiàn)到紅外高反，效率高但易氧化）、金（Au-紅外高反，耐腐蝕）、鉻（Cr-用作中性吸收膜或光闌）。

應(yīng)用：作為基礎(chǔ)反射層（常與介質(zhì)保護(hù)層/增強(qiáng)層結(jié)合）、中性密度濾光片、光束擋塊、光闌。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注反射/吸收光譜曲線、穩(wěn)定性（抗氧化）、表面光潔度、附著力。

二、膜層結(jié)構(gòu)與材料

膜系結(jié)構(gòu)：

單層膜：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能有限（如單波長(zhǎng)增透）。

多層膜：最常見(jiàn)形式，通過(guò)交替沉積高折射率材料和低折射率材料（如TiO2,Ta2O5,Nb2O5/SiO2,MgF2）形成周期性或非周期性結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光譜調(diào)控。層數(shù)從幾層到上百層不等。

漸變折射率膜：折射率在厚度方向連續(xù)變化，有助于拓寬帶寬、改善角度特性、減少界面散射。

常用膜層材料：

介質(zhì)材料：二氧化硅、氟化鎂、二氧化鈦、五氧化二鉭、五氧化二鈮、硫化鋅、硒化鋅等。特點(diǎn)是光學(xué)損耗（吸收/散射）低，是實(shí)現(xiàn)高性能截止、增透、高反膜的主力。

金屬材料：鋁、銀、金、鉻、鎳鉻合金等。主要用于寬譜反射或吸收。

材料選擇標(biāo)準(zhǔn)：折射率、透明波段范圍、機(jī)械硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、附著力、應(yīng)力特性、沉積工藝兼容性、成本。

（鍍金反射片）

三、設(shè)計(jì)理論與制造工藝

設(shè)計(jì)理論：基于薄膜光學(xué)干涉理論，核心是麥克斯韋方程組和電磁邊界條件。常用設(shè)計(jì)方法包括：

光學(xué)導(dǎo)納匹配法

矢量法

計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)（如Needle法、遺傳算法、模擬退火算法），結(jié)合薄膜設(shè)計(jì)軟件（如TFCalc,EssentialMacleod,FilmStar）進(jìn)行復(fù)雜膜系的設(shè)計(jì)、模擬和優(yōu)化。

關(guān)鍵制造工藝：

物理氣相沉積：

真空熱蒸發(fā)：傳統(tǒng)方法，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，適合中小批量或?qū)鶆蛐砸蟛粯O高的場(chǎng)合。膜層致密度通常不如濺射。

磁控濺射：主流高端工藝。離子轟擊靶材使原子/分子濺射沉積到基底。優(yōu)點(diǎn)：膜層致密、附著力強(qiáng)、均勻性好、重復(fù)性高、可沉積難熔材料、環(huán)境穩(wěn)定性?xún)?yōu)異。包括直流濺射、射頻濺射、反應(yīng)濺射等。

離子束濺射：精度最高、膜層質(zhì)量最優(yōu)（極低散射和吸收、超高激光損傷閾值），但設(shè)備昂貴、沉積速率慢，主要用于極高端應(yīng)用（如引力波探測(cè)、極紫外光刻、高功率激光）。

化學(xué)氣相沉積：在特定領(lǐng)域有應(yīng)用，但不如PVD在光學(xué)薄膜中普遍。

工藝控制核心：膜厚監(jiān)控精度（光學(xué)監(jiān)控法、石英晶振法）、沉積速率穩(wěn)定性、真空度與氣體氛圍控制、基底溫度控制、清潔度控制。

（蒸發(fā)鍍膜）

四、核心應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)與考量因素

濾光片的性能必須滿足嚴(yán)苛的實(shí)際應(yīng)用要求，主要標(biāo)準(zhǔn)包括：

1.光譜性能：

中心波長(zhǎng)/截止波長(zhǎng)：絕對(duì)精度和重復(fù)性（如±2nm,±5nm）。

帶寬：通帶寬度（FWHM）或截止帶寬度要求。

透射率：通帶平均透射率（>90%,>95%常見(jiàn)）、峰值透射率。

截止深度：截止帶的最小光密度（OD值，如OD4表示透射率<0.01%，OD6<0.0001%）。

邊緣陡度：通帶與截止帶之間過(guò)渡區(qū)域的斜率（如1%,5%,10%到90%透射率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)間隔），越陡越好。

通帶波紋：通帶內(nèi)透射率的起伏程度，越小越好（<1%）。

背景抑制/噪聲：在非通帶區(qū)域（尤其是帶通濾光片兩側(cè)）的殘余透射率。

2.光學(xué)均勻性：濾光片有效孔徑內(nèi)，光譜特性（尤其是中心波長(zhǎng)、透射率）的一致性。

（窄帶濾光片參數(shù)）

3.角度特性：入射光角度變化對(duì)光譜性能（中心波長(zhǎng)藍(lán)移、帶寬變化、透射率變化）的影響。應(yīng)用需明確工作入射角范圍（0°，5°，10°，45°等）。

4.偏振特性：膜層對(duì)不同偏振態(tài)（S光和P光）的響應(yīng)差異。在非正入射時(shí)尤其顯著。應(yīng)用需明確是否對(duì)偏振有要求（消偏振設(shè)計(jì)或偏振相關(guān)設(shè)計(jì)）。

5.表面質(zhì)量：

光潔度：表面劃痕、麻點(diǎn)等級(jí)（如MIL-PRF-180B的60-40,40-20,10-5）。

面型精度：表面平整度（λ/4,λ/10@62.8nm）。

波前畸變：光透過(guò)濾光片后引入的波前誤差。

6.環(huán)境穩(wěn)定性與可靠性：

溫度穩(wěn)定性：中心波長(zhǎng)、帶寬等參數(shù)隨溫度變化的漂移量（如ppm/°C）。高低溫循環(huán)測(cè)試。

濕度穩(wěn)定性：耐濕性測(cè)試（如85°C/85%RH）。

機(jī)械耐久性：附著力（膠帶測(cè)試）、耐磨性（摩擦測(cè)試）。

化學(xué)穩(wěn)定性：耐溶劑、耐清潔劑能力。

激光損傷閾值：對(duì)激光應(yīng)用至關(guān)重要。單位面積能承受的最大激光能量密度（J/cm2）或功率密度（W/cm2），與波長(zhǎng)、脈寬、重復(fù)頻率密切相關(guān)。需明確測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（如ISO21254）。

7.基底材料與尺寸：玻璃類(lèi)型（光學(xué)玻璃、熔融石英、藍(lán)寶石等）、厚度、直徑或長(zhǎng)寬尺寸、倒角、通光孔徑等需符合系統(tǒng)集成要求。

（濾光片應(yīng)用領(lǐng)域）

五、應(yīng)用領(lǐng)域與膜層選擇

濾光片膜層技術(shù)滲透于幾乎所有光學(xué)相關(guān)領(lǐng)域：

成像與攝影：鏡頭增透膜、UV/IR截止濾光片（保護(hù)傳感器、提升色彩還原）、中性密度鏡、彩色濾鏡、偏振鏡。

顯示技術(shù)：LCD/OLED顯示屏的彩色濾光片、投影儀中的二向色鏡/色輪。

生物醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)：熒光顯微鏡的核心——激發(fā)濾光片、發(fā)射濾光片、二向色鏡（精確分離微弱的熒光信號(hào)）；流式細(xì)胞儀；生化分析儀。

激光技術(shù)：激光諧振腔高反鏡/輸出耦合鏡、激光線分離濾光片、激光防護(hù)鏡（OD值要求極高）、倍頻/和頻晶體鍍膜。激光損傷閾值是生命線。

光譜分析：光譜儀中的光柵、棱鏡增透膜；各種窄帶、寬帶帶通濾光片用于波長(zhǎng)選擇；ND濾光片控制光強(qiáng)。

機(jī)器視覺(jué)與工業(yè)檢測(cè)：用于增強(qiáng)對(duì)比度、消除背景干擾、識(shí)別特定顏色或特征的分色濾光片、偏振濾光片。

天文觀測(cè)：抑制光污染、選擇特定天體發(fā)射線的窄帶濾光片；太陽(yáng)觀測(cè)濾光片（要求極高安全性）。

通信與傳感：DWDM光纖通信中的密集波分復(fù)用/解復(fù)用濾光片；光纖傳感器中的濾波元件。

安防與國(guó)防：紅外熱成像鏡頭增透膜；導(dǎo)彈導(dǎo)引頭中的紅外濾光片；激光對(duì)抗系統(tǒng)中的防護(hù)濾光片（高OD值、高損傷閾值）。

總之，濾光片的膜層是其“靈魂”所在。從最基礎(chǔ)的增透膜到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光譜切割的精密截止膜系，再到用于分光、高反的特殊膜層，每一層都經(jīng)過(guò)精心的材料選擇、理論設(shè)計(jì)和嚴(yán)格工藝制造。其性能指標(biāo)——光譜精度、通帶質(zhì)量、截止深度、陡度、均勻性、角度特性、環(huán)境穩(wěn)定性以及至關(guān)重要的激光損傷閾值——構(gòu)成了衡量濾光片價(jià)值的核心應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。隨著光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)濾光片膜層性能的要求日益嚴(yán)苛，推動(dòng)著薄膜材料、設(shè)計(jì)方法和制造工藝不斷向更高精度、更高穩(wěn)定性、更復(fù)雜功能的方向邁進(jìn)。理解這些微觀“建筑師”的工作原理和性能要求，是有效選擇和利用濾光片，從而構(gòu)建高性能光學(xué)系統(tǒng)的基石。