光學濾光片(翻譯+心得文)

剛好看到Edmund Optics貼了一片有關 Optical Filters (光學濾光片)的介紹，原文網址，
因為有興趣，很努力地仔細看了內容，將重點摘要與心得分享如下：
以下文章的內容跟圖片如果沒有特別註明，通常就是來自於網址連結的文章。


光學濾光片主要利用穿透或反射特定光波長來減弱(attenuate)或加強影像，
或將一個影像分成兩個受控制下亮度不同的相同影像；
為了瞭解光學濾光片應用時的重要性跟如何進行選擇，
需要考慮一些關鍵因素，包括材料性質如吸收、折射率，製造科技等等，
這些都會深刻影響到可以取得的不同類型光學濾光片。


光學濾光片的關鍵因素

在介紹今天工業上使用不同製造科技所得到的不同光學濾光片之前，
必須先了解在這些不同技術上的重要關鍵因子，
對所有的濾光片而言，不管是採用哪一種製造技術，
基本上的共同點就是透過改變讓入射光穿透、吸收跟反射來達成。


光學濾光片的一些專有名詞定義：
CWL、FWHM、Bandwidth、Blocking Range、OD、Transmittance、Cut-off、Cut-on...

CWL、FWHM、Banwidth。

CWL：中央波長，Central Wave Length
CWL是用來表示光波長穿透率為50%的上下限波長之間的中間值，如下圖所示：

圖.1 光學濾光片光波長與穿透率關係示意圖

FWHM：半高寬，Full Width at Half Maximum，又稱半峰全幅值
在兩個50%穿透率之間的波長範圍則稱為 FWHM (Full Width at Half Maximum)。

Bandwidth：頻寬
指得就是FWHM之間的波長範圍。

如上圖1所示。


Blocking Range，Optical Density(OD)

Blocking Range：濾波範圍
指得是濾光片會減弱的特定光波長範圍，如下圖示：

圖.2 濾光片濾波範圍範例

OD，Optical Density，光學穿透密度
因為減弱的程度會跟光波長有關，所以還會以光學穿透密度(OD)來表示，如下圖示：

圖.3 光學穿透密度OD跟光波長關係

通常數值越高，表示穿透率越低，例如上圖的OD 1.5，反之數值越低，穿透率越高，例如上圖的OD 1.0，OD的計算公式如下：

T%，Percent of Transmission，穿透率
穿透率指光可通過濾光片的比例，如果從濾光片資料提供的已知OD，可以反推穿透率T如下公式：

Dichroic Filter，彩色濾光片
彩色濾光片算是一種經常使用的濾光片類型，通常是用來控制穿透或反射特定波長以上或以下範圍的光，經常應用在高通濾波(Longpass)或低通濾波(Shortpass)，通俗一點的說法就是允許某些顏色的光通過，如下圖示：

彩色濾光片(Dichroic Filter)

Dichroic Filter以Edmund Optics的說明來說，應該是一種在玻璃上鍍上特定厚度、折射率的材料的濾光片。

Cut-On Wavelength，截斷波長
用來表示濾光片過濾掉一定波長以下的光線，通常會取T50%(穿透率為50%)的光線波長值作為界限值來表示，如下圖所示：

Cut-On Wavelength

Out-Off Wavelength，截止波長
跟Cut On相反，是用來表示濾光片用來過濾掉一定波長以上的光線，通常會取T50%(穿透率為50%)的光線波長值作為界限值來表示，如下圖所示：

Cut-Off  Wavelength

濾光原理：吸收或反射

根據濾光片過濾光的方式可以分為吸收式與反射式兩種，
兩種的差別主要在於其過濾光的方式不同，
其中吸收式的濾光片是利用材料本身的特性，
可以參考：Spectral Database for Organic Compounds SDBS

Poly Sodium Acrylate 的穿透光譜

這種濾光原理通常是材料將入射光特定波長吸收並轉為能量，
通常是熱的型式，如果轉成其他波長光線出來也不能用在濾光片上，
最大的好處是相對反射式濾光片在各角度都有吸收光過濾的效果。

反射式濾光片是利用不同材料的折射率與膜層厚度控制，使特定光波長的光線發生干涉或反射，限制可以通過的光波長：

如果需要控制多種波段，就需要鍍上多層膜，甚至可多達100層 !
缺點是在某些角度以外效果會變得不好。

這兩種濾光片在市場上各有其存在的區塊，
吸收式材料雖然在功能上很理想，但是實務上卻存在許多限制，例如：
1. 添加材料可以吸收的波長跟吸收後轉換成能量的型式限制。
2. 製造過程中玻璃熔煉與燒結過程中對添加材料的溫度限制。
3. 材料在熔煉前中後的分散均勻性，材料可能聚集成團、玻璃中氣泡生成等等。
4. 長期使用下吸收光線轉換為熱能，若熱無法排除會使濾光片溫度上升，造成熱變形。
5. 使用上添加材料在高溫、高濕環境下的變性。
6. ...
因此在工業、精密元件等應用上，吸收式濾光片其實有許多限制存在而難以製造。

所以長期以來雖然反射式濾光片在表現上有其缺點，
但是透過膜層材料折射率與適當的厚度疊層設計，
可以針對特定光波長進行控制，
加上製造上只要在表面上鍍上特定厚度薄膜就可以控制光波長，
這些優勢使得反射式濾光片在市場上一直保有一定的優勢。
除了入光角度以外，
因為多層鍍膜的需要，玻璃的厚度會有一定的基本要求，
否則在鍍膜後玻璃會形成很大的翹曲變形。

直到近幾年，因為手機相機鏡頭模組輕薄短小的需求強烈，
多層膜的濾光片在厚度較厚以及角度上的影響成為手機應用上的限制；
因此針對過濾IR與UV波段設計的 blue glass 逐漸展現其優勢而取得其特定的市場，
大量製造成為手機用鏡頭模組的濾光片，
用來過濾掉會造成雜訊的IR跟UV段光線，
使彩色數位相機成像的色彩可以更貼近人眼所看到的色彩。

反射式濾光片的鍍膜方式也有很多種，
包括濺鍍 (Sputter)、蒸鍍 (Deposition)、旋轉塗佈(Spin Coating)等等，
可以處理的材料類型跟形成的膜厚不同。