走進3D視覺：“小身材大作用”的窄帶濾光片
走進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，一家是美國的ViaviSolution Inc.（NASDAQ：VIAV），一家則是中國的水晶光電（股票代碼：002273.SZ），此處應有掌聲！（注：其它窄帶濾光片廠商還有布勒萊寶光學（Buhler）、美題隆精密光學（Materion）、波長科技（Wavelength）等）。作為3D視覺信息接收端不可或缺的元件，隨著3D視覺產業的爆發，我們也看到水晶光電已經在設備引進和資金方面加大了投入。水晶光電在*近披露的年報中**將窄帶濾光片加入光學業務中，再次驗證水晶光電的窄帶濾光片鍍膜技術的成熟。
所謂窄帶濾光片，是從帶通濾光片中細分出來的光學產品，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通過，而偏離這個波段以外的兩側光信號被阻止，窄帶濾光片的通帶相對來說比較窄，一般為中心波長值的5%以下。
3D視覺系統的紅外光接收模組用于對被拍攝物體反射的紅外光進行接收和處理，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過濾環境光。總體而言，鏡頭屬于非常成熟的光學產品。而窄帶濾光片主要采用干涉原理，需要幾十層光學鍍膜構成，相比普通的RGB吸收型濾光片具有更高的技術難度和產品價格，這也是目前造成市場上兩家廠商獨大的原因。
攝像頭的硬件構成
窄帶濾光片的應用不乏高大上的領域：天文物理、空間探測、等離子體檢測、激光探測、化學分析、間接溫度測量、有害氣體分析、顏色測量、光通信系統等領域。而3D視覺系統“借助”智能手機、虛擬現實/增強現實/混合現實、3D體感游戲、3D攝像與顯示等應用 “走入尋常百姓家”。
全球首款Tango智能手機——聯想Phab 2 Pro的3D攝像頭采用了水晶光電的窄帶濾波片
基于3D視覺系統的各種體感游戲設備
濾光片家族“點兵點將”
光學濾光片，簡單來說就是用來選擇性過濾所需要輻射波段的光學器件。基片多為白玻璃、石英、有色玻璃或塑料樹脂等光學材料。首先來介紹下與濾光片相關的專業術語：
中心波長（CWL）：濾光片在實際應用中所使用的波長，如光源主峰值是850nm的LED燈，那需求的中心波長就是850nm。
峰值透過率（TP）：假設光初始值為100%，通過濾光片后有部分損耗了，通過光譜測量得出只有85%了，那就可以把這個濾光片的光學透過率定為（Tp）>80%。
半帶寬（FWHM）：簡單說就是*高透過率的1/2處所對應的波長，左右波長值相減，截止率（Blocking）：截止區所對應的透過率。由于要想透過率達到零，那是非常難的事情，只能選擇它透過率接近于零，但通常透過率達到10的負5次方以上就可以滿足大部分使用要求，通常轉換為光學密度值，用OD>5表示。
截止范圍：可接受的不需要的波長*小區間范圍。對于窄帶濾光片來說，有一段是前截止，就是截止波長小于中心波長的一段，還有一段長截止，截止波長高于中心波長的那一段。
濾光片按通過光譜的分布長短（即光譜所處區域），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。其光學指標主要是中心波長，半帶寬，中心波長峰值透過率，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的值來區分，小于5%為窄帶，大于5%則為寬帶。
濾光片的參數示意圖
解讀窄帶濾光片
紅外光源是3D視覺系統中工作的“源頭”，是實現深度測量的主要“功臣”之一。3D視覺系統的紅外光源主要有紅外LED和激光器（主要是VCSEL）。如VCSEL發射的是940nm波長的近紅外光，因此在3D攝像頭接收端需要將940nm以外的環境光“剔除”，讓接收端的紅外圖像傳感器只接收到940nm的近紅外光。為達到這一目的，就需要用到窄帶濾光片了。
3D視覺系統中的窄帶濾光片原理
設計一款窄帶濾光片需要考慮的參數有中心波長、帶寬、峰值透過率、截止范圍、截止率、入射角度、波紋指標、前后沿陡度及寬度比。確定這些參數后，則進行光學基片、鍍膜材料、鍍膜方式的選擇。按照結構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。因為由它獲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，疊加后層數達幾十層，每一層薄膜的參數漂移都可能影響*終性能。而且窄帶濾光片透過率對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，包括化學氣相沉積、熱氧化法、陽極氧化法、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到布勒萊寶光學的中國區副總裁鄔江帆參加9月11日在上海舉辦的『“微言大義”研討會：3D攝像頭技術及應用』，作為光學鍍膜設備廠商的***，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。
