硬核干貨 | 別讓“光錐”毀了你的信號：深入解析CHA與F數對濾光片的影響

導語

在理想的光學設計軟件中，光線往往被假設為沒有缺陷的準直光（Collimated Light）。但在現實的物理世界里，為了收集更多的光子，我們不得不使用大數值孔徑（NA）的透鏡，這就導致光線以錐形匯聚或發散。

你是否遇到過這種情況：明明在0° AOI下測試優秀的窄帶濾光片，一旦裝入儀器，透過率就莫名下降，中心波長發生偏移？

這可能不是濾光片的問題，而是你忽略了一個關鍵參數——半錐角（Cone Half Angle, CHA）。今天，Alluxa技術團隊帶你深入探討CHA與F數如何“悄悄"改變濾光片的光譜特性，以及如何應對這一挑戰。

一、什么是半錐角 (CHA)？

簡單來說，半錐角 (CHA) 描述了入射光束的匯聚或發散程度。

它的定義是：入射光束的主光軸（AOI）與最邊緣光線之間的夾角。

• CHA = 0°：意味著光是準直的。

• CHA 越大：意味著光束的匯聚或發散程度越劇烈。

在光學系統描述中，我們常用 數值孔徑 (NA) 或 F數 (F#) 來表示光錐的大小。它們之間可以通過阿貝正弦條件相互轉換：

其中：θ為半錐角，n為介質折射率（空氣中n≈1）。

圖 1a-1c：非準直光及光束半錐角示意圖 ——(a) 0° 入射角的光學濾光片、(b) 45° 入射角的二向色濾光片、(c) 45° 入射角的高反射率反射鏡

二、CHA 如何“扭曲"你的光譜？

許多工程師知道，當入射角（AOI）增加時，干涉濾光片的光譜會發生藍移（向短波方向移動）。

那么，CHA 的影響和單純的 AOI 傾斜有什么不同？

如果說 AOI 傾斜是讓光譜“整體搬家"，那么 CHA 就是讓光譜“被壓扁和拉伸"。

由于光錐中包含了從 0° 到MAX角度θ的所有光線，濾光片的最終光譜表現實際上是所有這些角度下光譜的積分（平均）效果。這就導致了兩個顯著現象：

1. 藍移（Blue Shift）： 同樣會發生中心波長向短波移動，但由于是平均效應，其移動幅度通常比單純傾斜到MAX角度θ時要小。

2. 波形畸變（Averaging Effect）： 這是最致命的。由于不同角度的光譜疊加，濾光片的邊緣會變得不再陡峭，矩形的通帶會變成“圓頂"甚至“錐形"。

【重點強調】這種效應在窄帶（Narrowband）和超窄帶濾光片上尤為明顯！即使是相對較小的 CHA，也可能導致峰值透過率（Tmax）顯著下降，帶寬展寬，信噪比惡化。

圖 2：光束半錐角差異對光學濾光片透射光譜的影響特性曲線圖 ——0° 入射角、平均偏振態下窄帶濾光片的理論性能數據

三、設計避坑指南：AOI 范圍 ≠ CHA

在撰寫技術指標（Spec）時，一個常見的誤區是將光錐簡單地描述為“AOI Range"（例如 AOI: 0°±5°）。

雖然在幾何上看似相似，但“光線在 0° 到 5° 之間隨機入射"與“一個 F# 對應的 5° 半錐角光束"在物理上是不同的。

• AOI 范圍通常暗示光線可能是該范圍內的任意單一角度。

• CHA 則明確表示光束同時包含該范圍內的所有角度分量。

專家建議：為了獲得較優的系統性能，請務必在指標中明確區分 AOI 和 CHA/F#。這能讓薄膜設計工程師利用優化算法，針對特定的光錐分布進行補償設計，從而較大程度地恢復矩形波形和高透過率。

四、測量的難題與解決方案

設計出來了，怎么驗證？這又是另一個難題。

絕大多數商用分光光度計的固有 CHA 大約在 2° 到 4° 之間，且無法隨意調節以模擬客戶實際系統中的 F#。這意味著，你很難直接測量出濾光片在特定大光錐下的真實表現。

Alluxa 是如何解決這個問題的？

1. HELIX 光譜分析系統： 我們自主研發的 HELIX 系統采用準直光路，消除了儀器自身 CHA 的干擾，能夠測得濾光片最本質的“本征光譜"。

2. 理論模擬與反演： 基于精準的準直光測試數據，結合強大的薄膜理論模型，我們可以通過算法精確模擬出濾光片在任意 CHA 或 F# 下的光譜表現。

這種“精準測量 + 理論模擬"的組合，確保了交付給客戶的產品在實際復雜光路中也能表現如一。

總結

在追求高通量、緊湊型光學系統的今天，大數值孔徑（High NA）的應用越來越廣泛。不要讓 CHA 成為你系統中的“隱形殺手"。

• 理解 CHA 與 F# 的換算關系。

• 警惕窄帶濾光片在非準直光下的波形畸變。

• 在定義指標時，準確區分 AOI 與 CHA。

Alluxa 憑借專屬的 SIRRUS™ 等離子體沉積工藝和前沿化的自動化控制算法，不僅能制造出高性能的超窄帶濾光片，更能通過專業的模擬設計，為您的大角度光錐系統提供量身定制的解決方案。