光学滤波器

什么是光学滤波器？

光学滤波器是通过专门的光学涂层改变基材折射率的被动光学设备。这样的改变使得滤波器能够根据光的波长反射、吸收或透过入射光。光学滤波器通常由玻璃或塑料制成，广泛应用于显微镜、光谱分析、化学分析和机器视觉等领域。

光学滤波器的根本目的是选择性地允许光谱中特定部分的透过，同时阻止其他部分的透过。通常，光学滤波器具有波长依赖的透过率或反射率，虽然也有依赖于偏振或空间分布的滤波器。具有弱波长依赖性的滤波器被称为中性密度滤波器。

滤波器可以根据其阻止不必要波长的方式进行广泛分类。光学滤波器主要分为两类：吸收滤波器和分色滤波器，每一类通过不同的方式过滤特定波长或波长组。

吸收滤波器

吸收滤波器由有机和无机材料制成的涂层组成，使其能够吸收不必要的波长并透过所需的波长，防止任何能量反射回光源。它们通常由玻璃制成，并添加了特定化合物以吸收某些波长同时透过其他波长。这些滤波器简单易用，还可以添加到塑料中以创造更实惠的选择。

它们的工作原理依赖于材料特性，而非入射光的角度，因此在减少反射光中不需要波长的噪声方面非常有效。但由于吸收光能，滤波器的温度在操作过程中往往会升高。它们的精确度低于分色滤波器，常用于需要透过宽波长范围或阻止短波长而透过长波长的应用。

吸收滤波器通常由染色玻璃或着色明胶树脂制成，生产和获取成本较低。滤波器的衰减能力取决于物理厚度和染料或颜料的含量。尽管它们具有低成本、稳定性和对照明角度不敏感等优点，但吸收滤波器在精密应用中的表现不足，且耐高温性能较差。明胶类型通常用于光学显微镜和其他应用。

分色滤波器

分色滤波器，也称为薄膜或干涉滤波器，是能够选择性地允许某些波长透过，同时阻挡所有不需要波长的光学滤波器。与吸收滤波器不同，分色滤波器由一系列具有特定厚度的光学涂层组成，这些涂层反射不需要的波长并透过所需的波长范围。这使得它们在针对特定波长时极为精确。通过在滤波器透过侧产生所需波长的建设性干涉，同时在反射侧对其他波长产生建设性干涉，分色滤波器能够实现这样的精度。

“分色”的术语源于希腊词“díchros”，意为“双色”。薄膜技术用于制造这些滤波器，通过在一块光学平坦的透明玻璃一侧沉积多层介电薄膜。当光照射到涂层一侧时，各层薄膜放大并透过所需波长，同时反射并减弱不需要的波长。

分色滤波器在科学领域尤其有效，因为它们能够精确地针对波长。它们通过依靠薄膜层之间的一系列反射腔体来实现精确过滤。这些腔体与所需波长的频率共振，同时消除或阻挡所有其他频率，这一现象被称为光学干涉。与吸收类型相比，干涉滤波器的选择性显著提高，更适合精密应用。分色滤波器还用于相机中，以根据胶卷的规格分离光波长。尽管吸收和分色滤波器都有许多功能，但分色滤波器由于其卓越的精度而更为脆弱且昂贵。

其他类型的光学滤波器

缺口滤波器

缺口滤波器，也称为带阻滤波器或带拒滤波器，用于阻止特定频带，称为阻带频率范围。该范围以上或以下的任何波长可以无阻碍地通过。这些滤波器特别适用于需要组合两个或多个信号的应用，因为它们可以帮助隔离出任何干扰。

带通滤波器

带通滤波器允许特定频率范围的光透过，同时阻止其他所有波长。它们由短通和长通滤波器组合而成，以过滤掉波长过短或过长的光。通过改变滤波器中的层数，可以调整截止范围。

短通滤波器

光学短通滤波器允许低于某一阈值的光波透过，同时阻止波长超过该点的光。这些滤波器常用于化学分析系统中，用于分离光谱的特定区域。短通滤波器的截止波长由其基材和光学涂层决定，并可根据需要进行调整。

长通滤波器

长通滤波器是允许高于特定截止点的波长透过，同时阻止短波长的光学滤波器。截止点由光学涂层和基材的特性决定。长通滤波器常用于荧光光谱系统等应用中。它们也可以与短通滤波器结合使用，以创建带通滤波器以隔离特定波长范围。

中性密度滤波器

中性密度滤波器，也称为灰色滤波器或ND滤波器，均匀降低光在光谱部分的透过率。虽然这些滤波器在某种程度上对角度敏感，但与干涉滤波器相比则较不敏感。ND滤波器技术在消费类应用中很常见，尤其是在摄影中。

颜色滤波器

颜色滤波器本质上是通过其独特的颜色波长来识别的有色玻璃。它们通常仅在可见光谱范围内过滤时才显示其颜色。颜色滤波器的玻璃颜色和透过特性由前缀表示。以下是一些示例：

• UG：传输紫外线（UV）的黑色和蓝色玻璃
• VG：绿色玻璃
• GG：近乎无色到黄色的红外线（IR）透过玻璃
• RG：红外线透过的红色和黑色玻璃
• N-WG：可见光和红外线透过的无色玻璃

偏振滤波器

偏振滤波器通过选择性地阻挡或允许光的通过来工作，取决于滤波器的偏振。高偏振度的表面，如水面或光滑材料，会产生影响可见度的反射。通过过滤掉造成这些反射的光谱部分，偏振滤波器在太阳镜和某些相机镜头中可以增强可见度。此外，偏振滤波器可以降低彩色摄影中明亮元素的强度，例如天空中发出大量紫外线的部分。它们还可以减少所捕获图像中反射的出现。

光学滤波器的应用

摄影是光学滤波器最受欢迎的应用之一。偏振滤波器和中性密度滤波器在摄影中被广泛使用。偏振滤波器可用于减少非金属表面的眩光和反射，而颜色校正滤波器则用于调整光源的色温。 

光学滤波器还用于各种医疗仪器，包括显微镜和内窥镜。它们在光谱分析中用于选择性过滤特定波长的光。带通滤波器和长通滤波器等滤波器用于选择性透过特定波长的光，这在成像和光谱应用中至关重要。

这些滤波器还用于电信系统中，以选择性地透过特定波长的光。光学滤波器在显示技术中用于增强图像的颜色和对比度。颜色滤波器和偏振滤波器在液晶显示器（LCD）和其他显示技术中用于改善图像质量。

光学滤波器在天文学中用于隔离特定波长的光。一些滤波器用于望远镜中，以隔离特定的光谱线。它们还用于环境监测应用中，选择性地透过或阻挡紫外线辐射，这对于监测环境中的紫外线辐射量至关重要。