文/Hooman Banaei，Sarah Locknar

光學(xué)濾光片是光學(xué)系統(tǒng)中最常見的組件之一，它能夠讓特定波長的光傳輸?shù)綐颖净驒z測器，并且吸收或反射其余不想要的波長。盡管在過去的15年中，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了新的波長選擇方法（如全息超材料和體布拉格光柵），但大多數(shù)成熟的濾光片公司仍在使用傳統(tǒng)方法制造多層干涉濾光片。

所有干涉濾光片都由具有高折射率和低折射率的交替材料層組成；這些層的相對厚度決定了濾光片的光譜性能。傳統(tǒng)的濾光片制造商使用真空鍍膜室來制備每一層，一次制備一層。Everix Optical Filters公司使用聚合物熱拉伸工藝，能夠同時制備所有層，從而改變了干涉濾光片的傳統(tǒng)制造模式（見圖1）。

圖1：在一個方向上拉動整個聚合物堆疊體通過加熱區(qū)，以形成濾光片。（圖片來源：Everix Optical Filters）

在干涉濾光片中，每一層界面都透射和反射一部分光，這會導(dǎo)致特定波長的相長和相消干涉，從而調(diào)節(jié)給定的光譜帶是通過濾光片還是被濾光片反射。[1]大多數(shù)干涉濾光片都是用不吸收光的材料設(shè)計(jì)的，光要么被反射，要么被透射。

幾十年來，制造商一直使用真空工藝來制備干涉濾光片。但現(xiàn)在，Everix公司正在完善一種高度可擴(kuò)展的生產(chǎn)高性能塑料干涉濾光片的方法，該方法使用了一種類似于光纖拉絲的技術(shù)（見圖2）。

圖2：Everix Optical Filters公司的拉伸塔與光纖生產(chǎn)中使用的拉絲塔相似。（圖片來源：Everix Optical Filters）

首先，將一個大的聚合物預(yù)制件按照正確的層組裝在一起。然后，將該預(yù)制件加熱并在一個方向上拉伸（熱拉伸），以制成片材，該片材被光譜映射、檢測并切割成濾光片。[2-5]在整個過程中控制多個變量，包括加熱輪廓、速度、幅材張力等。Everix Optical Filters公司在這一領(lǐng)域擁有30多項(xiàng)專利，自2015年以來，該公司一直在不斷改進(jìn)這一工藝過程，以便在拉伸過程中同時監(jiān)測和控制所有參數(shù)。

市面上也有制造性能較低、但尺寸較大的塑料濾光片的其他工藝，最常見的是用于大面積窗膜和顯示器市場的濾光片生產(chǎn)。這些聚合物薄片是通過共擠壓方式制備的，[6]并且還使用干涉物理來獲得視覺上吸引人的反射表面，并執(zhí)行基本功能，如紅外（IR）阻擋。然而，這些濾光片主要用于美觀目的或與其他更高性能的濾光片元件一起使用，因此它們的光譜要求比熱拉伸濾光片寬松得多。

與真空方法的比較

最初于60多年前建立的基于真空的濾光片制造工藝，使用熱蒸鍍薄膜，通常用環(huán)氧樹脂和蓋玻片保護(hù)；而在過去的15-20年中，更現(xiàn)代的方法使用離子輔助和濺射在玻璃基板上生產(chǎn)堅(jiān)硬的氧化膜。

早期的層壓濾光片通常厚度有幾毫米，具有幾個層，包括玻璃層、涂層和環(huán)氧樹脂層，以獲得所需要的光譜。表面帶有涂層的濾光片要薄得多，厚度通常為1~2mm，但容易受劃痕、碎屑、破損和表面污染的影響。相比之下，Everix的濾光片是由聚合物層形成并嵌入其中的，這些聚合物層非常薄，并且具備一定的柔性，對碎屑和破損不太敏感。此外，由于干涉層嵌入到較厚的丙烯酸覆蓋物之間，覆蓋物中的小劃痕不會影響整體性能。濾光片的總厚度通常為0.05~0.5mm。

表1：真空鍍膜和熱拉伸方法的比較

真空沉積和拉伸聚合物濾光片都使用相同的原理（數(shù)百層之間的干涉），因此任何一種方法都可以獲得優(yōu)異的性能（見表1）。然而，新的熱拉伸方法還帶來了如下好處：

（1）提升速度。如上所述，真空沉積方法可能需要幾天時間才能完成一批濾光片制作，尤其是在生產(chǎn)復(fù)雜設(shè)計(jì)的時候。特別需要指出的是，濺射方法非常緩慢。相比之下，新方法將聚合物預(yù)制件組裝成一個整體，并且能通過一步過程創(chuàng)建濾光片，在幾個小時內(nèi)就能從預(yù)制件變成濾光片。

（2）可擴(kuò)展性。真空室的容量通常約為1m2，這限制了一次真空沉積工藝能夠制造的濾光片的數(shù)量。使用Everix工藝，預(yù)制件的尺寸決定了生產(chǎn)批量的大小，因此這種生產(chǎn)方式具有簡單且靈活的可擴(kuò)展性。

（3）靈活性。除了濾光片拉伸能力外，Everix的新方法還可以利用其他在線處理方法，包括在線光譜測量和激光切割。Everix使用CNC激光切割工藝，幾乎可以在幾分之一秒內(nèi)切割出客戶想要的任何形狀。激光切割機(jī)還能密封濾光片的邊緣，這樣即便是隨著時間的推移，濾光片也不會分層。Everix公司已經(jīng)花了數(shù)年時間不斷完善其濾光片的激光切割工藝，以最大限度地減少邊緣影響并生產(chǎn)密封邊緣。

相比之下，真空鍍膜的濾光片在進(jìn)行光譜測量之前必須從生產(chǎn)設(shè)備中卸載下來。此外，這種方法通常使用標(biāo)準(zhǔn)的玻璃切割技術(shù)，如機(jī)械切割（劃片）和鉆芯，因此當(dāng)定制形狀時就更難實(shí)現(xiàn)良好的生產(chǎn)效率。特別地，鉆芯是一個非常緩慢的過程，包括將濾光片夾在犧牲層之間以減少邊緣碎屑，然后用孔鋸切割，最后再解夾和清潔。

（4）外形因素。由于熱拉伸濾光片缺少基底，因此它們比典型的玻璃基干涉濾光片薄2-10倍（見圖3）。它們的重量也更輕，除了因?yàn)樗鼈兊暮穸雀�薄之外，還因?yàn)樗鼈冎饕�由光學(xué)級丙烯酸（一種比玻璃輕得多的材料）制成。

此外，濾光片可以添加粘合劑背襯，也可以用環(huán)氧樹脂粘合到其他部件上，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的光學(xué)設(shè)計(jì)。最后，眾所周知，干涉濾光片表現(xiàn)出作為入射角（AOI）的函數(shù)的藍(lán)色光譜偏移。因?yàn)樗鼈兪怯蔁崴苄运芰现瞥傻�，所以Everix濾光片可以3D成型，以減少或消除光譜上的AOI影響。

圖3：Everix濾光片非常薄且無基材。（圖片來源：Everix Optical Filters）

與吸收濾光片的比較

最古老的光學(xué)過濾方法是吸收濾光片，用于制造教堂窗戶和裝飾藝術(shù)中使用了數(shù)千年的“彩色玻璃”，后來又被科學(xué)家和工程師使用。在真空室和干涉濾光片出現(xiàn)之前，這種方法是波長選擇的唯一選擇。雖然吸收濾光片沒有表現(xiàn)出顯著的AOI效應(yīng)，并且可以成功地用于長波長范圍的阻斷，但是它們的使用受到發(fā)色團(tuán)在基質(zhì)中的溶解度和合適發(fā)色團(tuán)可用性的限制。

許多干涉濾光片公司將彩色吸收濾光片玻璃與干涉堆疊結(jié)合使用，用于長波長范圍的阻擋。將干涉層直接沉積在彩色玻璃上，或者將過濾基板用環(huán)氧樹脂粘合到彩色玻璃上，以提供所需的阻擋。相比之下，Everix及其定制材料供應(yīng)商制作了定制的染料摻雜塑料，直接將其融入到聚合物濾光片的設(shè)計(jì)中。這些混合濾光片將吸收和干涉[7]結(jié)合在一個單元中。因?yàn)樗鼈兪敲芊獾�，因此聚合物吸收濾光片不會表現(xiàn)出降解（就像許多彩色玻璃中常見的表面起霧一樣）。

Everix為消費(fèi)市場（如AR/VR、可穿戴健康監(jiān)測）、微型和護(hù)理點(diǎn)診斷（如內(nèi)窺鏡、便攜式PCR機(jī)）、物聯(lián)網(wǎng)和其他低成本、輕量傳感器（如一次性食品傳感器、無人機(jī)上的傳感器）等應(yīng)用，大規(guī)模提供高性能濾光片，并且以更輕的重量、更薄的外觀和更低的成本服務(wù)這些市場。

參考文獻(xiàn)

1. H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, Fourth ed., Boca Raton, FL: CRC Press (2010). 

2. E. Banaei, “Method of thermally drawings structured sheets,” U.S. Patent 10,287,203 B2 (May 14, 2019).

3. E. Banaei, “Method of thermally drawing structured sheets,” Europe Patent EP2 958 865 B1, (Apr. 28, 2021).

4. E. Banaei, “Method of thermally drawing structured sheets,” U.S. Patent 9,994,476 B2 (Jun. 12, 2018).

5. E. Banaei, “Method of thermally drawing structured sheets,” U.S. Patent 9,597,829 B2 (Mar. 21, 2017).

6. Y. N. F. C. N. Furuno, “Apparatus and method for manufacturing laminated sheet,” U.S. Patent US 2008/0277059 A1 (2008).

7. E. Banaei, J. Boga, and C. Bisson, “Flexible, ultra-thin, hybrid absorptive-reflective thin-film filters and methods of making the same,” U.S. Patent 11,435,508 B2 (Sep. 6, 2022).