用多频带滤波器重新定义性能标准

多频带滤波器可以分类为一系列类别。然而,这些类别都提出了自己的制造挑战,这限制了薄膜制造工艺的实际结果并影响了其可靠性。了解多频带滤波器的科学和工业应用可以帮助用户更好地了解各种滤波器类别及其制造能力。

多频带滤波器的应用

所有 多频带滤波器 可以允许多个不同的波长区域,通常在紫外(UV)到中波红外(MWIR)的范围内(或大约280 nm至5μm),以通过滤波器传输并阻塞其间的频带。1 具有这种梳状光谱结构的多波段滤光片是硬涂层电介质薄膜光学滤光片的子集。这些滤光片是通过将交替变化的具有不同折射率的材料层沉积到基板上而构成的。

多频带光学滤波器对于生命科学应用至关重要。多带通激发和发射滤光片已在荧光显微镜中找到了应用,它们与多色分束器一起使用,使用户能够同时检测单个样品中的多个荧光标记。

对具有极高传输率的高性能多频带滤波器的需求不断增长(93–98%),深阻挡(光密度)>OD5.5通过测量和>OD8(按设计),以及频段之间的陡峭过渡(接近垂直斜率)<1%),因为该领域的不断发展。新型的可切换单色LED和激光光源只是两个例子,这些例子促使人们对这些高性能多频带滤波器的需求不断增加。

激光荧光和拉曼光谱应用的进步也推动了对高性能多陷波滤波器的需求,这些滤波器在保持宽带传输的同时阻止多条激光线。使荧光团提升到激发态所需的激光量比返回的拉曼信号中所看到的要高得多,后者与激发波长的四次方成反比。

在某些情况下,这意味着用户必须检测到比激发强度小1012倍的荧光标记。结果,必须阻止系统中多余的光,以防止检测器上发射的信号变得泛滥。可以通过深衰减来避免泛洪(>OD6)。如果陷波边缘不够陡峭,则由于激发和发射模式之间的波长非常接近,接近激光波长的信号将丢失。

高性能多波段薄膜的迅速增长现在使许多其他学科受益,其中包括:

  • 遥感
  • 激光阻挡
  • 半导体制造
  • 工业监控

例如,具有低通带纹波的双频红外滤光片,在水域〜2.7处的吸收率基本为零μm可用于监测气候变化(见图1)。制造这种过滤器需要涂层工艺高度稳定,因为大多数传统工艺在沉积过程中会含有一些水痕迹,或者由于其本质上是多孔的,因此它们在涂层后会吸收水分。

用于监视气候变化的双波段红外滤光片在2.7中的吸收可忽略不计µm水带和低通带纹波

图1。 用于监视气候变化的双波段红外滤光片在2.7中的吸收可忽略不计μm水带和低通带纹波。 Image Credit: Alluxa

多频带性能在频带数量,吞吐量,阻塞级别和频谱边缘陡度方面得到了持续改善。现在,多频带光学滤波器与经典的单频带滤波器竞争,它可以提供等效的平顶轮廓和深外径隔断,从而使这些光学系统的设计人员可以使其更加紧凑并提高效率。

即使对于单频带情况,多频带滤波器的设计和制造也不是不容易考虑的因素,并且要求设计人员对相长和相消干扰的原理有较高的了解。他们还必须具有深刻的理解,并结合复杂的过程来监视和控制材料沉积。

多频带滤波器可分为五大类:

  1. 宽频
  2. 窄带
  3. 边缘二向色性
  4. 缺口
  5. 具有任意光谱形状的滤波器

然而,在增加滤波器的频带数量时,会引入每种滤波器类别所特有的复杂性,这需要考虑制造过程中的关键因素。

宽带滤波器

具有20至50 nm相对较宽带宽的多波段滤光片广泛用于生命科学应用中,例如在生物成像系统中,该系统需要多个照明波段进行激发和发射。

传动平均90–通带内95%。频段之间的平均阻塞水平范围从OD5到OD6。通常,在多频带滤波器中,通带和阻带之间的跃迁约为波长的2%,但可以实现更窄的光谱跃迁。

激发(EX)和发射(EM)通道是通过薄膜沉积方法制造的,这些方法均来自干涉原理。尽管这些通道是分开制造的,但指定它们可以一起工作。传输和阻塞通道需要在多频带EX和EM滤波器中进行特定放置,并且在生产过程中需要对其进行维护。边缘位置定义了从高OD阻塞到高%T(截止)的中点过渡,或者相反,从高透射率到深OD(截止)的过渡,这为每个通道建立了边界(见图2)。 )。

显示了一个全多波段荧光滤光片组,该滤光片组由高性能五频激发(EX),发射(EM)和多色滤光片组成。

图2。 显示了一个全多波段荧光滤光片组,该滤光片组由高性能五频激发(EX),发射(EM)和多色滤光片组成。 Image Credit: Alluxa

边缘位置的控制和准确性对于系统中的每个频段和每个相应的滤波器而言都是至关重要的。 EX / EM频带中的重叠或频带之间的阻塞不足会导致系统中不必要的串扰,这是在设计阶段应考虑并解决的问题。这可以通过确保EX和EM通道之间的OD级别理想地完成>OD6, although >OD5在某些情况下可以正常工作。

可以通过精确的监视方法来实现对截止点的严格控制,在该方法中,介电材料的各个层在交替沉积高(H)和低(L)折射率层时进行实时测量和调整。可以使用先进的监控技术现场纠正层错误,这也有助于消除通常会发生的制造错误,例如波纹,这是HL材料不匹配的影响,其中HL传输水平随波长发生了不希望的变化。

随着添加更多条带,事实证明,要保持锋利且轮廓分明的边缘,精确控制和稳定的制造过程至关重要。如果不对制造过程进行控制,则运行中因速率漂移而引起的均匀性问题可能意味着发生不利的波长偏移,从而导致EX和EM通道之间出现光谱重叠。这可以转化为最终荧光图像中对比度的降低。

多窄带滤波器

窄带滤波器 传输小于10 nm宽的波长区域。结果,多窄带滤波器同时串联发送多个窄带。这些滤波器的工作方式与多宽带滤波器类似,但生产起来可能更具挑战性。

窄带设计依赖于具有电介质反射器的堆叠式Fabry-Perot谐振腔,该谐振腔包括四分之一波长厚的层,并被多个半波长的腔隔开。2 多腔用于“square up”光谱波形,与单腔设计相比,它使透射光具有平坦的光谱,从而产生更圆的光谱。

对于大多数涂层沉积系统而言,制造单波段,多腔滤波器是一项挑战。由计算机控制的转折点方法(称为光谱监视)是准确控制每个单独层的沉积厚度的最有效方法。3 在涂覆过程中不断测量过滤器,并补偿厚度变化,并考虑到与多层相关的厚度误差。这种方法可实现可重现的低纹波窄带滤波器,该滤波器始终与理论相符。

多窄带滤光片使光学设计人员能够以任意方式分析光谱,这带来了与当今结合使用的大量潜在应用’的大功率光源。例如,Alluxa生产了一个10通道滤光片,该滤光片产生可见光谱中的波长梳,具有平顶,高透射率和>带之间的OD5阻隔(见图3)。在使白光通过滤光片后,每个单独的波段都可以轻松地重定向和独立分析。

使用多重设计方法制造的10波段多窄带滤波器。

图3。 使用多重设计方法制造的10波段多窄带滤波器。 Image Credit: Alluxa

对于许多标准滤波器,可以通过适当的频谱带宽(SBW)设置并使用相对较大的孔径来进行具有最小边缘失真和OD4或OD5噪声本底的测量。但是,本文提到的所有技术不足以测量和评估陡峭边缘,超出OD6的阻塞或超窄带通滤波器。

多边或‘Polychroic’ Filters

多色滤光片通常称为分光镜,通常与荧光系统中的多宽带滤光片一起使用。多色光谱仪将输入光谱分为两束:一束反射光,另一束透射光。它们设计成可倾斜使用(通常45度°),但可以在其他角度使用多色滤光片。这些滤波器是双向的,并根据需要用于组合和分离光谱带。

通常,多色性是涂覆有第二表面抗反射膜以避免鬼影成像的单面滤光片。从反射到透射(反之亦然)的急剧过渡增强了许多应用程序中图像的对比度,包括荧光和多光谱生物成像。为了在这些特定系统中使用多色滤光片,二向色滤光片必须具有低角度偏移和低偏振分裂,并且许多系统还需要在反射和透射波前均具有出色的平坦度,以消除可能对反射波产生不利影响的任何明显的焦距。图像的质量。

在特定情况下,这些滤波器需要控制不同通带上的相位或群时延色散(而不是传输幅度)。在四向色分束器中可以看到一个示例,该分束器控制集成到3D结构照明显微镜(3D-SIM)中的所有六个激发激光器的反射光相位。在将激发光控制为多种3D-SIM配置后,将生成最终的合成图像。需要仔细注意和进行设计以控制振幅和相位,但同时也需要能够产生与理论非常吻合的涂层的沉积工艺。

与宽带滤波器相似,50%的开/关边缘位置至关重要。由于设计层通常为非四分之一波长厚度,因此沉积技术必须使层误差最小化。对于设计为以不寻常的入射角工作的滤波器,测量过程和评估是不平凡的,尤其是对于串联的两个以上过渡沿而言。另外,基板厚度和偏振分裂会在测量中引入限制,例如光束的偏移和50%边缘的平移,这会影响对滤光片光谱特性的评估。

多陷波滤波器

拥有多频带滤波器的反频谱特性,多陷波滤波器会阻止或反射感兴趣的离散波长带,而不是将其透射。滤光器结构的形状和设计可以有所不同,但是总的来说,这些类型的滤光器旨在增加带内抑制并最大程度地提高带外光的传输。

多陷波滤波器是20多年前推出的,主要设计用于人体激光防护和机器视觉中。尽管多陷波滤波器仍用于该目的,但随着各种新应用的出现,它们的性能已大大提高。

例如,3D电影院使用简单的陷波滤波器将可见光谱分为两个非重叠和偏移光谱梳;每只眼睛一只。相反,拉曼系统需要超窄陷波滤波器来阻挡激光激发光并传输拉曼信号。外科医生使用狭窄的,经过色彩校正的陷波滤镜,以在手术过程中阻挡来自工作激光的反射,同时保持中性色外观图像通过滤镜。频谱校正特征通常由频谱中的部分或全部陷波形状组成,以平衡传输中滤波器的CIE白点。

当OD级别增加且带宽变窄时,多陷波滤波器设计面临更多挑战,因为层数和复杂度随OD级别线性增加,而与带宽成反比。与多窄带滤波器结构相似,多陷波设计需要高水平的层精度和控制能力,以使带外传输区域变平并使阻塞曲线变陡。

可能的话,设计人员旨在利用设计谐波,例如266 nm / 532 nm / 1064 nm三重陷波,以最大程度地减少制造过程中的随机误差。这些谐波提供了自然的阻挡区域。例如,只需重新配置重复的薄膜堆叠中H和L材料的比例,就可以相对轻松地修改1064 nm缺口,以阻挡532 nm波段。在此过程中,一个设计让位于两个槽口,而不是两个槽口被独立构造,然后安排在同一设计中工作。

任意形状的多频段

任意多频段 不适合上述过滤器类的经典形状或结构。相反,这些过滤器可以使用“target”轮廓以将入射光控制为具有定义的透射变化的多个波段。因此,这创建了高度定制的响应曲线。例如,如图4所示,太阳能滤光片可以调整标准光源的输出光谱以匹配太阳的光谱。

定制的滤光片,旨在将氙弧灯的光谱调整为太阳的光谱。

图4。 定制的滤光片,旨在将氙弧灯的光谱调整为太阳的光谱。 Image Credit: Alluxa

These designs require a large amount of computing power when they are being designed. During the fabrication process, they often experience random deposition errors that can affect the 目标 transmission magnitude and location. Generally, manufactured filters achieve spectral shape 目标s to levels of ±尽管它确实取决于曲线的确切轮廓和特征,但比理论值高5%或更高。

具有最先进性能水平的多频带滤波器继续推动光学领域的可能性极限。随着需求的持续增长,薄膜过滤器制造商将继续进行工程创新,以具有竞争力的价格制造这些过滤器。

被引文献

[1] 阿卢沙 engineering staff (2013). Precision Infrared Narrow Bandpass and Dual Bandpass Filters Featuring Low OH-Band Absorption. 阿卢沙 White Paper Series. //www.alluxa.com/learning-center.

[2] Scobey, M., Egerton, P., and R. Fortenberry (2013). Advanced Plasma Deposition Improves Ultra 窄带 Optical Filters. 阿卢沙 White Paper Series. //www.alluxa.com/learning-center.

[3] Macleod,H. A.和D. Richmond(1974)。窄带全电介质薄膜光学滤光片的光学监测中的误差影响。 眼镜师,21,6,429–443.

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引文

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    阿卢沙. "用多频带滤波器重新定义性能标准". AZoOptics. //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1838. (accessed January 13, 2021).

  • 哈佛大学

    阿卢沙. 2020. 用多频带滤波器重新定义性能标准. AZoOptics, viewed 13 January 2021, //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1838.

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