走進(jìn)3D視覺：“小身材大作用”的窄帶濾光片
走進(jìn)3D視覺：“小身材大作用”的窄帶濾光片
一片小小的窄帶濾光片，全球主流廠商主要有兩家，一家是美國(guó)的ViaviSolution Inc.（NASDAQ：VIAV），一家則是中國(guó)的水晶光電（股票代碼：002273.SZ），此處應(yīng)有掌聲?。ㄗⅲ浩渌瓗V光片廠商還有布勒萊寶光學(xué)（Buhler）、美題隆精密光學(xué)（Materion）、波長(zhǎng)科技（Wavelength）等）。作為3D視覺信息接收端不可或缺的元件，隨著3D視覺產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)，我們也看到水晶光電已經(jīng)在設(shè)備引進(jìn)和資金方面加大了投入。水晶光電在*近披露的年報(bào)中**將窄帶濾光片加入光學(xué)業(yè)務(wù)中，再次驗(yàn)證水晶光電的窄帶濾光片鍍膜技術(shù)的成熟。
所謂窄帶濾光片，是從帶通濾光片中細(xì)分出來的光學(xué)產(chǎn)品，其定義與帶通濾光近似，也就是這種濾光片在特定的波段允許光信號(hào)通過，而偏離這個(gè)波段以外的兩側(cè)光信號(hào)被阻止，窄帶濾光片的通帶相對(duì)來說比較窄，一般為中心波長(zhǎng)值的5%以下。
3D視覺系統(tǒng)的紅外光接收模組用于對(duì)被拍攝物體反射的紅外光進(jìn)行接收和處理，獲取被拍攝物體的空間信息。紅外光接收模組主要由三部分組成：近紅外圖像傳感器、窄帶濾光片、鏡頭。窄帶濾光片置于3D攝像頭的鏡頭和近紅外圖像傳感器之間，允許近紅外光通過的同時(shí)過濾環(huán)境光?？傮w而言，鏡頭屬于非常成熟的光學(xué)產(chǎn)品。而窄帶濾光片主要采用干涉原理，需要幾十層光學(xué)鍍膜構(gòu)成，相比普通的RGB吸收型濾光片具有更高的技術(shù)難度和產(chǎn)品價(jià)格，這也是目前造成市場(chǎng)上兩家廠商獨(dú)大的原因。
攝像頭的硬件構(gòu)成
窄帶濾光片的應(yīng)用不乏高大上的領(lǐng)域：天文物理、空間探測(cè)、等離子體檢測(cè)、激光探測(cè)、化學(xué)分析、間接溫度測(cè)量、有害氣體分析、顏色測(cè)量、光通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。而3D視覺系統(tǒng)“借助”智能手機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)、3D體感游戲、3D攝像與顯示等應(yīng)用 “走入尋常百姓家”。
全球首款Tango智能手機(jī)——聯(lián)想Phab 2 Pro的3D攝像頭采用了水晶光電的窄帶濾波片
基于3D視覺系統(tǒng)的各種體感游戲設(shè)備
濾光片家族“點(diǎn)兵點(diǎn)將”
光學(xué)濾光片，簡(jiǎn)單來說就是用來選擇性過濾所需要輻射波段的光學(xué)器件?；酁榘撞Ａ?、石英、有色玻璃或塑料樹脂等光學(xué)材料。首先來介紹下與濾光片相關(guān)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)：
中心波長(zhǎng)（CWL）：濾光片在實(shí)際應(yīng)用中所使用的波長(zhǎng)，如光源主峰值是850nm的LED燈，那需求的中心波長(zhǎng)就是850nm。
峰值透過率（TP）：假設(shè)光初始值為100%，通過濾光片后有部分損耗了，通過光譜測(cè)量得出只有85%了，那就可以把這個(gè)濾光片的光學(xué)透過率定為（Tp）>80%。
半帶寬（FWHM）：簡(jiǎn)單說就是*高透過率的1/2處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，左右波長(zhǎng)值相減，截止率（Blocking）：截止區(qū)所對(duì)應(yīng)的透過率。由于要想透過率達(dá)到零，那是非常難的事情，只能選擇它透過率接近于零，但通常透過率達(dá)到10的負(fù)5次方以上就可以滿足大部分使用要求，通常轉(zhuǎn)換為光學(xué)密度值，用OD>5表示。
截止范圍：可接受的不需要的波長(zhǎng)*小區(qū)間范圍。對(duì)于窄帶濾光片來說，有一段是前截止，就是截止波長(zhǎng)小于中心波長(zhǎng)的一段，還有一段長(zhǎng)截止，截止波長(zhǎng)高于中心波長(zhǎng)的那一段。
濾光片按通過光譜的分布長(zhǎng)短（即光譜所處區(qū)域），可以分為：紫外濾光片（180~400nm），可見光濾光片（400~700nm），近紅外濾光片（700~3000nm），紅外濾光片（3000nm~10um以上）。
按光譜特性可分為帶通濾光片、短波截止濾光片、長(zhǎng)波截止濾光片。帶通型濾光片指選定特定波段的光通過，通帶以外的光截止。其光學(xué)指標(biāo)主要是中心波長(zhǎng)，半帶寬，中心波長(zhǎng)峰值透過率，截止率及截止范圍。按帶寬分為窄帶和寬帶，通常按帶寬比中心波長(zhǎng)的值來區(qū)分，小于5%為窄帶，大于5%則為寬帶。
濾光片的參數(shù)示意圖
解讀窄帶濾光片
紅外光源是3D視覺系統(tǒng)中工作的“源頭”，是實(shí)現(xiàn)深度測(cè)量的主要“功臣”之一。3D視覺系統(tǒng)的紅外光源主要有紅外LED和激光器（主要是VCSEL）。如VCSEL發(fā)射的是940nm波長(zhǎng)的近紅外光，因此在3D攝像頭接收端需要將940nm以外的環(huán)境光“剔除”，讓接收端的紅外圖像傳感器只接收到940nm的近紅外光。為達(dá)到這一目的，就需要用到窄帶濾光片了。
3D視覺系統(tǒng)中的窄帶濾光片原理
設(shè)計(jì)一款窄帶濾光片需要考慮的參數(shù)有中心波長(zhǎng)、帶寬、峰值透過率、截止范圍、截止率、入射角度、波紋指標(biāo)、前后沿陡度及寬度比。確定這些參數(shù)后，則進(jìn)行光學(xué)基片、鍍膜材料、鍍膜方式的選擇。按照結(jié)構(gòu)的不同可將其分為法布里-珀羅型（F-P）濾光片、多腔濾光片和誘增透濾光片。因?yàn)橛伤@得的透過光譜帶都比較窄，所以又叫窄帶干涉濾光片。
窄帶濾光片的薄膜一般由低折射率和高折射率的兩種膜組成，疊加后層數(shù)達(dá)幾十層，每一層薄膜的參數(shù)漂移都可能影響*終性能。而且窄帶濾光片透過率對(duì)薄膜的損耗非常敏感，所以制備峰值透過率很高、半帶寬又很窄的濾光片非常困難。制備薄膜的方法有很多種，包括化學(xué)氣相沉積、熱氧化法、陽(yáng)極氧化法、溶膠凝膠法、原子層沉積（ALD）、原子層外延（ALE）、磁控濺射等，而不同方法制備的薄膜性能差異很大。麥姆斯咨詢有幸邀請(qǐng)到布勒萊寶光學(xué)的中國(guó)區(qū)副總裁鄔江帆參加9月11日在上海舉辦的『“微言大義”研討會(huì)：3D攝像頭技術(shù)及應(yīng)用』，作為光學(xué)鍍膜設(shè)備廠商的***，鄔總將為大家分享濾光片制備方面的心得！歡迎大家蒞臨交流。
