拒絕“藍(lán)移”陷阱：如何精準(zhǔn)駕馭光學(xué)濾光片的入射角（AOI）效應(yīng)？

導(dǎo)語(yǔ)

在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們往往習(xí)慣于關(guān)注0°入射（垂直入射）下的優(yōu)異光譜。然而在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，光線往往不那么“聽(tīng)話"。當(dāng)光線以非垂直角度穿過(guò)濾光片時(shí)，光譜藍(lán)移、偏振分裂、通帶變形等“幽靈"便會(huì)接踵而至。本文將帶你深入微觀光學(xué)的物理世界，揭秘入射角（AOI）與偏振如何影響濾光片性能，以及我們?cè)撊绾尉珳?zhǔn)評(píng)估并掌控這些變量。

一、當(dāng)光不再“直來(lái)直往"：AOI與斯涅爾定律

在理想的光學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，我們常處理的是0°入射角（0° AOI），即入射光垂直于濾光片表面。但在復(fù)雜的激光雷達(dá)、熒光顯微鏡或遙感系統(tǒng)中，光線往往需要傾斜入射，或者本身就是具有一定錐角的收斂/發(fā)散光。

什么是AOI？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，入射角（AOI）就是濾光片法線與入射光線之間的夾角。

• 0° AOI： 光線垂直入射。

• 45° AOI： 常見(jiàn)于二向色鏡（Dichroic Filter）或高反鏡，用于光路折疊或分束。

圖 1a-1c：光學(xué)濾光片及反射鏡的入射角示意圖 ——(a) 光學(xué)濾光片的正入射、(b) 二向色濾光片的 45° 入射角、(c) 高反射率反射鏡的 45° 入射角

當(dāng)光線以非垂直角度撞擊不同介質(zhì)（如空氣與玻璃）的界面時(shí)，物理學(xué)中最基礎(chǔ)的定律之一——斯涅爾定律（Snell’s Law）便開(kāi)始發(fā)揮作用。

這意味著，光線進(jìn)入介質(zhì)后會(huì)發(fā)生折射。雖然大多數(shù)濾光片設(shè)計(jì)用于空氣或真空環(huán)境（即進(jìn)出介質(zhì)折射率相同，n1=n2），光線穿過(guò)濾光片后角度不會(huì)發(fā)生凈變化，但光束偏移（Beam Deviation）是不可避免的。

工程師筆記：光束偏移量取決于基板的折射率和厚度。基板越厚、折射率差異越大，偏移越明顯。雖然薄膜涂層本身也會(huì)產(chǎn)生微乎其微的偏移，但在高精度系統(tǒng)中，基板的選擇至關(guān)重要。

二、致命的“藍(lán)移"：光譜去哪了？

你是否遇到過(guò)這種情況：在測(cè)試臺(tái)上表現(xiàn)優(yōu)異的濾光片，裝進(jìn)儀器后，信號(hào)卻莫名其妙地變?nèi)趿耍?/span>

這很可能是角度偏移（Angle Shift）在作祟。

當(dāng)干涉濾光片發(fā)生傾斜時(shí)，其透射光譜會(huì)發(fā)生“藍(lán)移"（Blue Shift），即所有的光譜特征（如中心波長(zhǎng)、截止邊）都會(huì)向短波方向移動(dòng)。

圖 2：濾光片角度偏移效應(yīng)示例圖 —— 準(zhǔn)直光、平均偏振態(tài)下，不同入射角對(duì)應(yīng)的帶通濾光片理論性能數(shù)據(jù)；該窄帶濾光片的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：0° 入射角時(shí)中心波長(zhǎng) 1060.7 納米

為什么會(huì)這樣？從微觀干涉原理來(lái)看，傾斜導(dǎo)致光在薄膜層內(nèi)的光程差發(fā)生變化。對(duì)于準(zhǔn)直光和相對(duì)較小的入射角，我們可以用以下公式估算波長(zhǎng)的偏移：

• λθ：傾斜θ角時(shí)的波長(zhǎng)

• λ0：垂直入射時(shí)的波長(zhǎng)

• neff：濾光片的有效折射率

關(guān)鍵警示：這里的neff（有效折射率）并不是一個(gè)常數(shù)！它與設(shè)計(jì)方案、波長(zhǎng)以及偏振態(tài)都密切相關(guān)。因此，簡(jiǎn)單套用公式往往不夠精準(zhǔn)，需要針對(duì)具體設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬。

三、隱形殺手：偏振分裂

如果說(shuō)“藍(lán)移"是可以預(yù)測(cè)的物理規(guī)律，那么偏振分裂就是讓許多設(shè)計(jì)師頭疼的“搗亂分子"。

由于菲涅爾反射（Fresnel Reflection）的存在，當(dāng)光線以非垂直角度入射時(shí)，不同偏振態(tài)的光，其透射和反射特性是不同的。我們將光矢量分解為兩個(gè)分量：

• P光（P-polarized）： 平行于入射面的分量。

• S光（S-polarized）： 垂直于入射面的分量。

圖 3：入射面與 S 偏振光、P 偏振光相對(duì)位置示意圖 —— 在直角坐標(biāo)系中，若入射介質(zhì)的分界面位于 x-y 平面，則入射面與 x-z 平面重合

圖 4：S 偏振光與 P 偏振光相對(duì)直角坐標(biāo)系的位置示意圖

S光與P光的“分道揚(yáng)鑣"在多層介質(zhì)薄膜中，S光的反射率通常高于P光。這種差異導(dǎo)致了光譜邊緣的偏振分裂：

1.長(zhǎng)波通（Cut-on）邊緣： P光的藍(lán)移程度大于S光（因?yàn)闉V光片對(duì)S光的反射更強(qiáng)）。

2.短波通（Cut-off）邊緣： S光的藍(lán)移程度大于P光。

后果是什么？在大角度入射下（例如45°），你會(huì)發(fā)現(xiàn)光譜的透射邊緣不再陡峭，而是在50%透過(guò)率附近出現(xiàn)一個(gè)明顯的“扭結(jié)"（Hitch）或臺(tái)階。

圖 5：基于圖2同款窄帶濾光片理論數(shù)據(jù)的偏振相關(guān)偏移特性曲線圖

這會(huì)導(dǎo)致：

• 通帶變形： 原本平坦的通帶變得扭曲。

• 透過(guò)率損失： 尤其是在非偏振光（平均偏振）應(yīng)用中，整體效率下降。

• 設(shè)計(jì)敏感度增加： 專為大角度設(shè)計(jì)的濾光片，對(duì)角度變化的敏感度遠(yuǎn)高于0°濾光片。

四、如何精準(zhǔn)評(píng)估AOI性能？

既然AOI和偏振影響如此巨大，我們?cè)隍?yàn)收或設(shè)計(jì)時(shí)該如何評(píng)估？Alluxa 推薦三種方法，從簡(jiǎn)單到高階：

方法一：物理掃描（最直觀，但受限）直接將濾光片傾斜到標(biāo)稱角度（如45°）進(jìn)行光譜掃描。

• 局限性：對(duì)于大批量訂單、易碎部件或形狀奇特的濾光片，這種方法耗時(shí)且風(fēng)險(xiǎn)高。

方法二：理論偏移修正（適用于小角度）基于薄膜設(shè)計(jì)理論，計(jì)算出從0°到目標(biāo)角度的波長(zhǎng)偏移量（Shift值），然后將這個(gè)偏移量應(yīng)用到0°的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上。

• 適用場(chǎng)景：小角度入射，且光譜指標(biāo)相對(duì)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景。

方法三：算法優(yōu)化模擬（精準(zhǔn)，推薦）這是處理復(fù)雜規(guī)格和大角度入射的方案。

利用0°的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合理論設(shè)計(jì)模型，通過(guò)優(yōu)化算法反向推導(dǎo)出濾光片在任意角度下的實(shí)際表現(xiàn)。

• 優(yōu)勢(shì)：能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)偏振分裂細(xì)節(jié)，無(wú)需對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行復(fù)雜的物理角度測(cè)試。

五、Alluxa的技術(shù)護(hù)城河

為什么Alluxa能在大角度濾光片領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟？

這歸功于我們自主研發(fā)的SIRRUS™ 等離子體沉積工藝。這種工藝不僅能制造出致密、堅(jiān)硬的薄膜（意味著折射率穩(wěn)定，受環(huán)境影響小），更結(jié)合了全自動(dòng)化的精密監(jiān)控系統(tǒng)。

我們的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在處理AOI問(wèn)題時(shí)，不僅僅是套用公式，而是通過(guò)專有的控制算法，在鍍膜過(guò)程中實(shí)時(shí)修正每一層的厚度，確保最終產(chǎn)品在目標(biāo)角度下，依然能保持高透過(guò)率、深截止和陡峭的邊緣。

無(wú)論光從哪個(gè)角度來(lái)，我們都能精準(zhǔn)捕獲。

結(jié)語(yǔ)

光學(xué)設(shè)計(jì)是一場(chǎng)與光線的博弈。理解AOI引起的藍(lán)移和偏振分裂，是設(shè)計(jì)高性能光學(xué)系統(tǒng)的必修課。不要讓微小的角度偏差，成為系統(tǒng)性能的短板。

如果您正在為大角度濾光片的設(shè)計(jì)感到困擾，或者需要較高精度的光譜控制，歡迎聯(lián)系我們。

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