一文带你认识光学滤光片所有知识

光学滤光片是一种用来选取所需辐射波段的光学器件，滤除不需要范围波长的光。从而达到对光的滤波处理。

一、工作原理

滤光片的工作原理主要基于光的吸收、干涉和衍射等光学现象。

（图源网络，侵删）

吸收型滤光片：利用特定材料对光的吸收特性来实现滤波。光线穿过滤光片时，其内部材料会吸收某些波长的光，而允许其他波长的光通过。通过选择性吸收达到滤除其他不需要的光，只允许特定波长的光通过。

干涉型滤光片：则是利用多层薄膜的光学干涉效应，使特定波长的光在薄膜内发生多次反射和折射，从而实现对光的选择性滤波。当光线经过时，不同波长的光在薄膜之间发生多次反射和折射，产生干涉现象。通过精确控制薄膜的厚度和折射率，可以使得特定波长的光在干涉过程中相互增强，而其他波长的光相互抵消，从而实现特定波段的滤波。这种原理使得干涉型滤光片具有高透射率、高阻断度和宽波长范围的特点。

衍射型滤光片：利用光的衍射原理来工作。通过在滤光片表面刻划特定的图案或结构，使得光在通过时发生衍射，实现对特定波长的选择。这种滤光片通常具有极高的波长分辨率和灵活性，能够实现对光的精确控制。

二、滤光片分类

根据光谱波段分为，紫外滤光片、可见滤光片和红外滤光片。

（图源网络，侵删）

按光谱特性分为带通滤光片、截止滤光片、陷波滤光片、

带通滤光片又细分为窄带带通滤光片与宽带带通滤光片。

截止滤光片又分为长波截止短波通滤光片和短波截止长波通滤光片。

按功能特性分为：吸收滤光片、反射滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、偏振滤光片等。

按膜层材料分为软膜滤光片和硬膜滤光片。

1.光谱特性分类

紫外滤光片是一种特殊的光学元件，紫外滤光片常用于过滤掉紫外的某个范围波长，也可用于提取某个波段范围内的波长，它的主要工作原理是依赖于滤光片材料对紫外线的吸收特性。当光线通过紫外滤光片时，特定波长的紫外线会被吸收，而其他波长的光则得以透过。

（紫外滤光片）

可见光滤光片的应用范围非常广泛，常见的带通滤光片在其应用非常广泛，其原因是基于滤光片膜层的特殊性，用于限制紫外光和红外光，同时通过筛选可见光的特定范围，如，用于截止红外光的红外截止片，可用于监控；如用于提取某个色光波段的舞台灯光、液晶显示器等，用于摄影的滤色片，用于医疗检测的生物荧光分析等应用，还可用于眼睛保护，用于阻挡有害蓝光的眼镜，其工作原理主要基于光的吸收、干涉和反射。当光线通过滤光片时，其中一部分光线会被吸收或反射，而另一部分光线则会透过滤光片，从而改变可见光的波长和颜色。

（可见光窄带滤光片）

红外滤光片是一种能够只透过红外光，而阻挡可见光和紫外光的光学器件，主要用于筛选出特定波长范围的红外光线的光学器件，利用光线的反射和吸收作用，实现特定波长范围的红外光的透过和筛选，通常由特殊的材料制成，一般常见应用为红外长波通和红外带通滤光片，常见的基材包括硅、锗、氟化镁、氟化钙、蓝宝石等。这些材料被设计成具有特定的光谱特性，使其对红外光波具有高透射性，对其他波长尤其是可见光波长的光具有高反射性或吸收性。

（激埃特1150nm红外带通滤光片）

 (图源网络，侵删)

2.光谱特性分类

带通滤光片主要基于法布里-珀罗腔的相长干涉条件，这使得中心波长和中心波长两侧小范围内的光能够有效地透射，而通带外的光则会被阻止透射。中心波长两侧的截止带宽可能相对较小。为了增加滤波器的截止带宽，有时会在垫片或基板上镀一层宽带截止材料，但这可能会降低滤光片通带的透过率。

带通滤光片属于镀膜滤光片的一种，特性较多，一般按光谱图特性，分单带通、多带通，与带通滤光片相反光谱特性的滤光片便是陷波滤光片，也叫负性滤光片。带通滤光片按通带带宽一般为窄带滤光片与宽带滤光片。

（图源网络，侵删）

单带通滤光片与多带通滤光片的最明显的区别便是带通数量的区别，多带通滤光片具有高峰值透射率和较深的截止，从而有效地抑制了光晕和温漂，可以在任何应用中产生最大亮度和对比度，一般有双带通、三带通、四带通、五带通等。

陷波滤光片（也叫负性滤光片）与带通滤光光谱相反，主要功能便是透射大部分波长，只针对特定波长范围内（我们也叫阻带）的光衰减到很低水平。

宽带滤光片属于带通滤光片的一个细分，具有相对较宽的透过频率范围。其设计目的是选择更宽范围的光波，允许较大范围内的频率通过，同时阻挡超出该范围的光波。宽带滤光片通常具有较高的透过率，但相对较低的阻挡能力，这是因为其目标是传递更广泛的频率范围而不是选择特定的频率。

窄带滤光片作为从带通滤光片细分出来的一个种类，其定义与带通滤光片相同，都是仅允许特定波段的光通过，而偏离该波段以外的光信号会被阻止，窄带滤光片具备较窄的通带，一般在中心波长值5%以下。窄带相比于宽带拥有较低的半带宽，一般半带宽在30nm左右及以下。

截止滤光片，指能从复合光中滤掉全部长波或短波而仅保留所需波段范围的滤光片，一般分为短波截止滤光片（长波通滤光片）和长波截止滤光片（短波通滤光片）两种。其原理主要基于光学膜的干涉效应以及特定波长的光波在滤光片上的透射和反射特性。截止滤光片通常包含多层膜设计，这些膜层具有特定的折射系数和厚度，当光线通过滤光片时，由于不同波长的光在滤光片各层间的干涉作用，某些波长的光会被反射，而另一些波长的光则会透射过去，这使得在特定波长下，光线的传输可以被最大程度地减少或完全消除。

短波通滤光片（长波截止片），简单说就是短波通过，长波截止。由多层光学薄膜构成的，这些薄膜具有不同的折射率和厚度，主要用于传输较短波长的光并阻止较长波长的光通过，其原理是基于光波与滤光片膜层之间的相互作用，特别是利用光学薄膜的干涉效应来实现对光波波长的选择性透过，当光线通过滤光片时，不同波长的光波在膜层之间发生干涉。

长波通滤光片定义与短波相反，根据指定的波长，长波通过，短波被截止。长波通滤光片采用特殊工艺加工而成，内部由多层光学薄膜组成，每层薄膜的折射率和厚度都经过精密计算和设计，具有高透射率、低损耗和良好的光谱透过性。其工作原理和设计目的主要是允许长波长的光波通过，同时阻止短波长的光波通过，当光线入射到滤光片上时，这些薄膜会对不同波长的光波进行干涉、反射和透射。

3.功能特性分类 

吸收滤光片，一般指的是含有某种有色金属氧化物的有色玻璃，对某些波长范围的光具有强烈的吸收能力，透过光则呈单色性。常见的如红色有色玻璃滤光片。

反射滤光片是通过反射作用来调控光线的透过和衰减，主要依赖于光学薄膜的干涉效应来实现对特定波长光线的反射，因此无需考虑材料对光的吸收。其原理主要基于光的干涉和薄膜反射特性，由多层光学薄膜组成的滤光片，每层薄膜都具有特定的折射率和厚度。当光线入射到反射滤光片上时，这些薄膜层会对光线进行多次反射和透射，由于干涉效应，某些波长的光线会被加强反射，而其他波长的光线则可能透射或衰减。

中性密度滤光片也称衰减片，中性密度镜（ND镜）、中性密度衰减片、固定中性密度片，利用物质对光的吸收特性，制成片状，放在光路上，可以将光强衰减，这种片状元件叫光学衰减片。原理主要基于物质对光的吸收或反射特性，中性密度滤光片主要分为吸收型和反射型。吸收型滤光片利用物质对光的吸收特性来衰减光强，而反射型滤光片则基于薄膜干涉原理，通过在光学基板上镀膜，使一部分光透射，另一部分反射。

分光滤光片是一种特殊的光学器件，它主要用于将光分成不同的波长或颜色成分。它的工作原理主要基于光的干涉、衍射或薄膜效应，通过改变光的传播路径或强度来实现特定波长的分离或衰减。在我们经常看到分光片中，二向分光片便是最常见的分光片，它广泛应用于多个领域，如光学仪器、激光仪器、显微镜分析、拉曼分析等；

偏振滤光片：用以改变照片中的光的平衡，通常放置在相机镜头的前面，以使天空变暗或抑制来自湖泊或大海的眩光。根据优选的艺术效果调整过滤器的旋转方向。对于现代相机，通常使用圆偏振片，它首先由一个线性偏振片，接着是一个四分之一波片，在进入相机之前，将线性偏振光转换成圆偏振光。

4.膜层材料分类

镀膜滤光片根据膜层材料一般分为软膜滤光片和硬膜滤光片。 

软膜滤光片通常由多层薄膜组成，这些薄膜可能由硫化锌、冷冻剂、甚至是银等材料制成。它的原理主要基于光波在滤光片膜层传输过程中产生的各种特性变化，如透射、吸收、散射、反射、偏振、相位变化等。当光线通过软膜滤光片时，不同波长的光波会在膜层中发生干涉、衍射等效应，从而导致特定波长的光波被反射、吸收或透射。因此，软膜滤光片一般用于生化分析仪等特定设备。

（激光雷达BP1550nm带通红外滤光片）

硬膜滤光片的膜层通常由多层特殊材料组成，采用的是离子束溅射工艺，使得膜层更致密，无需保护层，结构更简单，界面少，减少反射和散射，从而提高了透过率。硬膜滤光片的特点在于没有因粘合剂引起的光损伤、性能降低和自发荧光的问题，其膜层具有较高的硬度和激光损伤阈值，因此能够承受高强度的激光照射而不易受到损害。

关于滤光片的分类其实还有很多，由于不同的基材原因，滤光片其实还能够根据不同的基材条件进行划分，如塑料滤光片、玻璃滤光片、单晶滤光片（如硅、锗）等。

滤光片的一些关键指标

通带：光能够通过的所在波长区域范围就叫做通带。

带宽（FWHM）： 也叫半峰全宽，英文全称full width at half maxima，简称半宽度，半峰宽，半峰宽度，一般指带通滤光片，它表示峰值透过率一半位置光谱所在波段之间的差值。看图中，λL与λR之间的距离就是。带宽一般也可以分辩出宽带与窄带，窄带带宽一般较低，在30nm左右或以下，且窄带的通带相对较窄，一般为中心波长值的5%以下。

中心波长（CWL）：常用于带通滤光片，它是指峰值透射率一半的波长之间的中点，也被称为半峰全宽（FWHM）的中点，有时也会用于表示带通滤光片的峰值透射率或陷波滤光片的峰值反射率。通常用来描述一束光的中心频率或波长。我们常说的型号BP-680nm带通，其中680nm就是参考的中心波长。

透过率（T），透过率一般表示光进入滤光片后出现的损耗，为镜片射出光与射入光的比值，当透过率到10%或以下就表现为截止，我们常用OD值表示，OD=-log（T），根据OD1~OD6，截止带透过率从0.1~0.000001。

OD编号 截止带透过率

OD1=0.1 即10%

OD2=0.01 即1%

OD3=0.001 即0.1%

OD4=0.0001 即0.01%

OD5=0.00001 即0.001%

OD6=0.000001 即0.0001%

截止波段，一般表示滤光片截止光波段的范围（通带之外的波长范围），用于表示通过滤光片损耗的能量光谱区域的波长间隔，指除了通带以外，要求截止的波长范围。对于窄带滤光片而言，只需要指明最短波长与最长波长，就可以知道该滤光片的截止范围。

起始波长：起始波长是指在长波通滤光片中透射率增加至峰值的1/2时所对应的波长，在带通滤光片中有时也可定义为5％或10％的峰值透过率所对应的波长。截止波长：截止波长是用指在短波通滤光片中透射率降低至峰值的1/2时所对应的波长，在带通滤光片中有时也可定义为5％或10％的峰值透过率所对应的波长。

滤光片的表面规格和尺寸参数

表面质量滤光片的表面质量，主要其表面会不可避免地有一些划痕和坑点等缺陷，表面质量最常用的规格是由MIL-PRF-13830B说明的划痕和坑点规格，坑点名称是通过以微米计的坑点直径除以10来计算的，通常划痕坑点规格在80至50范围内将称之为标准质量；在60至40范围内视为精确质量；而在20至10范围内将视为高精度质量。

表面平滑度表面平面度是测量表面精度的一种，它用于测量反射镜、窗口片、棱镜或平光镜等平面的偏差，平滑度的偏差通常是按波纹值（λ）来测量的，它们是由多个波长的测试源组成，一个条纹对应1/2的波长，平滑度为1λ，则代表一般的质量级别；平滑度为λ/4，则代表精确的质量级别；平滑度为λ/20，则代表高精度的质量级别。公差（Tolerance）：滤光片的公差，主要是在中心波长与半宽带上，因此滤光片产品公差范围的标明。

直径公差一般情况下，滤光片直径的公差影响在使用过程中的影响不是很大，但是要将光学器件安装在固定器上的话，就要考虑直径公差了。通常情况下，直径的公差在（±0.1 mm）称为一般质量，（±0.05 mm）称为精密质量，（±0.01 mm）称为高质量。

中心厚度公差中心厚度是表示滤光片中心部分的厚度。通常情况下，中心厚度的公差在（±0.2mm）称为一般质量，（±0.05mm）称为精密质量，（±0.01mm）称为高质量。