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高性能带通滤光片知识点解析

发布时间：2024-08-14 09:29:52 阅读次数：1196

带通滤光片是指在一定的波长范围内，只有中间一小段是高透射率的通带，而在带通两侧是高反射率截止带的滤光片。比起常规带通滤光片，高性能带通滤光片在透过率、截止深度等重要参数上都获得了较大的提升。

例如荧光成像对信噪比要求较高，带通滤光片的高截止带可以抑制背景噪声，提高成像的对比度和清晰度；或是在光谱分析中，需要通过多个窄带滤光片的组合来选择特定波长的光并进行精确的光谱分析；除此以外还有生物医药、环境监测、定量化学分析等等，针对不同的应用场景选择对应的中心波长、带宽、OD值等就显得至关重要。

带通滤光片特性曲线

带通滤光片通用核心参数

中心波长（\( \lambda_{0} \) ）

带通滤光膜的中心波长，描述频谱带宽的中点。滤光片透过率随波长偏离中心波长而减小，通常在中心波长处可以达到峰值透射率（Τ_max）。值得注意的是，滤光片通常是按照0°入射来设计的镀膜，如使用非准直光或没有垂直入射，滤光片中心波长将向短波偏移。

半谱半高宽（FWHM）

光谱半高宽（Δλ）为峰值透射率一半对应的波长宽度，即带通宽度，描述带通滤光片使用的频谱带宽。该带宽的上限和下限为滤光片透射率达到最大透过率的50%时的波长。

光谱半高宽小于10nm的被认为是窄带滤光片，通常用于激光净化和化学检测；光谱半高宽为25-50nm的滤光片经常用于机器视觉应用；光谱半高宽大于50nm的被认为是宽带滤光片，通常用于荧光显微镜应用。常用半高宽-应用场景对照表如下：

阻带/截止带

两侧低透过带，其中 \( OD\left( \lambda\right)=-log_{10}\left[ T\left( \lambda \right) \right] \) ，OD值越大，阻带的透过率越低，截止的效果就越好。例如\( OD\left( \lambda\right) \) 截止带为2，透射率为0.01，则意味着该波长的光束能量衰减到入射光的1%。常用对照表如下：

在荧光成像等对信噪比要求高的应用中，使用高性能带通滤光片（OD5,OD6）可有效地阻挡杂散光以降低背景噪声。

光谱陡度

光谱陡度描述带通滤光片的过渡带变化效果，陡度越高滤光效果越好。陡度为滤光片透射率达到最大透过率50%时的波长与截止深度波长范围和中心波长的比率。 高性能滤光片陡度＜1.0%。

带通滤光片的膜系设计

通常来说，带通滤光膜有两种结构形式：一种是长波通滤光膜系+短波通滤光膜系的重叠通带波段形成的带通滤光膜的通带。这种结构的光谱特性可以获得较宽的截止带和较深的截止度，但不容易获得很窄的通带，所以常用于宽带通滤光膜。

第二种是法布里-珀罗干涉仪形成的滤光膜系，这种结构的光谱特性可以获得窄带，但截止带不深。所以大多数情况下要配合截止带滤光膜来拓宽截止带和增加截止深度。

法布里-珀罗标准具（左图）
金属-介质法布里-珀罗滤光片（右图）

F-P干涉仪由两个反射率分别为R₁、R₂，间隔为d的反射板组成。当此结构换成两个金属反射层夹一个介质层的薄膜组合结构时，该类型的滤光膜即称为金属-介质法布里-珀罗滤光膜，其透射率 \( T=\frac{T_{0}}{1+F\cdot sin\left(\theta \right)^{2}} \) ，其中\( T_{0}=\frac{T_{1}\cdot T_{2}}{(1-\sqrt{R_{1}\cdot R_{2})}^{2}} \) ，\( F=\frac{4\sqrt{R_{1}\cdot R_{2}}}{(1-\sqrt{R_{1}\cdot R_{2})}^{2}} \) ，\( \theta=\frac{\varphi_{1}+\varphi_{2}}{2}-\frac{2\pi nd}{\lambda} \) 。式中R₁、R_2、T₁、T₂分别为两反射膜的反射率和透过率； φ₁、φ₂为反射膜的反射相移，λ为波长，n为薄膜折射率，d为薄膜间隔层间距。

提高反射膜的反射率可以压缩带宽，但是对于金属-介质法布里-珀罗滤光膜而言，过于减小带宽会导致峰值透过率显著下降，因此在可见区，它们的半高宽在5~10nm为佳。金属膜的吸收较大，限制了滤光片性能的提高，如果改用多层介质反射膜代替金属反射膜，可大大提高滤光片的性能。

全介质法布里-珀罗滤光片光谱曲线

LBTEK提供的高性能带通滤光片采用磁控溅射镀膜工艺，具有高透过率、高截止深度和高陡度的特点。在荧光成像等对信噪比要求高的应用中，使用高性能带通滤光片可有效地阻挡杂散光以降低背景噪声，同时有效地透射样品本身的荧光来最大化收集信号，获得更好的成像效果。

磁控溅射镀膜工艺是在一个包含薄膜材料（靶材）的空间内产生离子气体，并将气体限制在该空间内，靶材表面被等离子体中的高能离子轰击，释放出的原子或分子穿过真空环境并沉积在基片上形成薄膜。 磁控溅射镀膜工艺中，膜层与基材的结合性高，使得产品环境耐受高，使用寿命长。

高性能带通滤光片在表面镀有介质膜，多层介质膜形成法布里-珀罗（F-P）干涉腔。通过控制介质膜厚度与膜层间隔实现对中心波长选择，在保持带宽的前提下，高性能滤光片比起普通滤光片提高了透过率，增加了截止带OD值，光谱曲线如下。

滤光片VS高性能带通滤光片光谱曲线对比

带通滤光片的应用案例

高性能带通滤光片应用于荧光成像

荧光显微镜由光源、滤光系统和光学系统等主要部件组成，下图为滤光系统中光路元件示意图。光源可以发出高能量光，经过激发片后，输出一定波长的光，再由二向色镜反射至样品上。样品在一定波长的高能量光的照射后，产生了荧光，该荧光先经由二向色镜，再经由发射片滤光，最后被人眼观察或相机接收。

滤光系统光路示意图

高截止深度的发射片隔离了激发光源和荧光信号，避免了激发光源对荧光信号的干扰和淹没，即使荧光信号远弱于激发光强度，也能够被清晰观测。

激发片与发射片的选择取决于样品荧光的激发波长和荧光信号波长，对于无法被激发出荧光的样品，需要先采用荧光探针进行标记处理，再进行后续的实验观察。

高性能带通滤光片应用于多波长合束

带通滤光片搭配二向色镜和反射镜使用，可实现激光合束。滤光片与二向色镜需要根据需求仔细选择，以保证将相邻通道的串色降至最低。

四激光合束光路示意图

LBTEK高性能带通滤光片规格

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