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设计窄带滤光片应考虑哪些因素?

发布时间:2021-07-19      点击次数:973
红外光源是3D视觉系统中工作的“源头”,是实现深度测量的主要“功臣”之一。3D视觉系统的红外光源主要有红外LED和激光器(主要是VCSEL)。如VCSEL发射的是940nm波长的近红外光,因此在3D摄像头接收端需要将940nm以外的环境光“剔除”,让接收端的红外图像传感器只接收到940nm的近红外光。为达到这一目的,就需要用到窄带滤光片了。

设计一款窄带滤光片需要考虑的参数有中心波长、带宽、峰值透过率、截止范围、截止率、入射角度、波纹指标、前后沿陡度及宽度比。确定这些参数后,则进行光学基片、镀膜材料、镀膜方式的选择。按照结构的不同可将其分为法布里-珀罗型(F-P)滤光片、多腔滤光片和诱增透滤光片。因为由它获得的透过光谱带都比较窄,所以又叫窄带干涉滤光片。

1、中心波长

窄带滤光片的中心波长一般就是仪器或设备的工作波长,它是指通带中心位置的波长。

在实际生产过程中,中心波长的位置与设计值总有或多或少的一点差异,所以在规定中心波长时,一般都要加上一个容差范围。这个容差范围是由实际使用条件决定的,通常情况下,带宽越窄,容差就越小。比如对10nm左右的带宽,中心波长的容差一般只允许到±2nm,对于30nm以上的带宽,就可以放宽到±5nm。 

2、带宽

带宽是指通带中透过率为峰值透过率的一半的两个位置之间的距离,有时也叫半高宽(不叫半带宽),英文字母经常用FWHM(Full Width at Half Maximum)表示。

带宽也是有容差的,其容差范围也带宽本身大小有关,一般来说带宽越小,容差也跟着减小。带宽的选择与采用的光源、需要的信号波长范围以及干扰的大小有关,针对应用实例将会进一步讨论。

 

3、峰值透过率

峰值透过率是指带通滤光片在通带中的透过率大小。峰值透过率的高低要求视使用场合不同而不同。在噪声抑制和信号大小的要求中,如果对信号大小更关注,希望能提高信号的强度,这种情况下需要高的峰值透过率,如果对噪声抑制更加关注,希望得到更高的信噪比,则可以降低一些峰值透过率的要求,而提高截止深度的要求。

 

4、截止范围

截止范围是指除了通带以外,要求截止的波长范围。对于窄带滤光片来说,有一段是前截止,就是截止波长小于中心波长的一段,还有一段长截止,截止波长高于中心波长的那一段。如果细分的话,要对两个截止波段分别进行描述,但一般情况下只要指明窄带滤光片需要截止的短波长和长波长就可以知道该滤光片的截止范围了。在确定截止范围时,不能简单地说“除了通带以外,其他的都不需要”,这样描述过于理想化,在实际制作过程中会遇到麻烦。

截止范围的选择与采用的光源、所处的干扰光波长范围和所用的接收器的光谱响应范围有关。

 

5、截止深度

截止深度是指截止带中允许能透过光的透过率大小。对不同的应用系统对截止深度要求不同,比如对于使用在激发光荧光的场合,一般要求截止深度在T<0.001%以下,在普通的监控识别系统中,截止深度T<0.5%有时已经足够。具体的截止深度视光源的强度、干扰光的大小以及对信噪比的需求来定。

同样的,我们在确定截止深度指标时不能说“除了通带以外,截止带的所有光透过率为零!” 为简便起见,经常用OD值来表示截止深度。

 

6、入射角度

入射角是指入射光线与滤光片法线之间的夹角。 不要把入射角误解为光源位置与滤光片中心的连线和滤光片法线之间的夹角。如果没经过准直光路,即使是把光源位置安装到滤光片的中心法线上,光线还是发散的,也就是入射角不会是0°。

如果入射光线与滤光片的法线夹角有一定范围,那么要指明这个夹角的具体范围,因为干涉滤光片的设计对角度十分敏感,对于0°下设计的窄带滤光片,如果在不同角度下使用,其效果是*不同的。图3是以850nm窄带滤光片为例,当入射角度增大时,中心波长的位置不断向短波移动。只要是干涉滤光片,这个角度效应无法避免,这是干涉滤光片的基本特性。从图中可以看出,当一个850nm的窄带滤光片在50°下使用时,它不再是一个850nm的窄带滤光片,而变成了770nm的窄带滤光片。有些用户会反映,在用广角镜头拍摄物体时,加了窄带滤光片后,发现只能拍到中间部分的物体,边上的都很暗,以为窄带滤光片只有中间透,边缘不透,这种认识是不对的,窄带滤光片整个表面都是均匀的,主要还是因为大角度入射时,滤光片的透光波段向短波移了,而短波部分又没有光源造成的。 

 

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