帶通濾光片的應(yīng)用和基本結(jié)構(gòu)

帶通濾光片的應(yīng)用

人臉識(shí)別技術(shù)在手機(jī)上的率先使用可以追溯到蘋果公司的iPhone X。這款手機(jī)在發(fā)布時(shí)，首次引入了Face ID人臉識(shí)別技術(shù)，該技術(shù)通過前置的原深感攝像頭系統(tǒng)獲取用戶的面部輪廓，并通過對(duì)比數(shù)據(jù)來判斷用戶是否為手機(jī)的主人。

原深感攝像頭系統(tǒng)工作時(shí)，點(diǎn)陣投影器中的VCSEL激光器發(fā)射一束波長(zhǎng)較為單一的激光。光通過衍射光柵變?yōu)閿?shù)萬束光投射到人臉上，紅外鏡頭捕捉反射光后結(jié)合前置攝像頭的彩色圖像，手機(jī)便能快速構(gòu)建出面部三維模型。

我們注意到在以上識(shí)別過程中，紅外鏡頭要接收分析的是點(diǎn)陣投射器發(fā)射的激光。而環(huán)境光會(huì)帶來不小的干擾。所以一方面，點(diǎn)陣投射器的激光選擇的是環(huán)境中較少的940nm光源，另一方面在紅外cmos前增加一個(gè)只允許該波長(zhǎng)附件的光通過的濾光片來過濾其他環(huán)境光。

這種特性的濾光片即為帶通濾光片。又因?yàn)樵谌四樧R(shí)別系統(tǒng)中使用的帶通濾光片的透過帶波長(zhǎng)范圍較小，固常稱其為窄帶濾光片。

帶通濾光片在人臉識(shí)別和激光雷達(dá)等領(lǐng)域運(yùn)用十分廣泛。它的基本結(jié)構(gòu)形式為法布里-珀羅干涉儀。下面讓我們從法布里-珀羅濾光片談起，看看帶通濾光片是怎樣一步一步發(fā)展完善的。

法布里一珀珞濾光片

說法布里-珀羅濾光片前，我們先談?wù)劮ú祭?珀羅干涉儀，它是一種由兩塊相同的間距為d的平行玻璃反射板組成的多光束干涉儀，其中兩塊玻璃板相對(duì)的內(nèi)表面都具有較高的反射率。對(duì)于平行光線,除了一系列按相等波數(shù)間隔分開的很窄的透射帶以外,其余所有波長(zhǎng)的透射率都很低。

這個(gè)結(jié)構(gòu)可以代換成一個(gè)完全的薄膜組合——兩個(gè)金屬反射層夾一個(gè)介質(zhì)層。介質(zhì)層取代間距 d 的位置,因而稱之為間隔層。除了間隔層具有大于 1的折射率以外,這種薄膜濾光片的特性分析與常用的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具(間隔層固定的法布里-珀羅干涉儀)是完全相同的這種簡(jiǎn)單的濾光片稱為金屬-介質(zhì)法布里一珀珞濾光片。

法布里-珀羅干涉儀結(jié)構(gòu)

金屬-介質(zhì)法布里一珀珞濾光片

金屬-介質(zhì)法布里一珀珞濾光片只允許特定波段的光通過，是最簡(jiǎn)單的帶通濾光片，其允許通過的光波長(zhǎng)和介質(zhì)間隔膜層厚度有關(guān)。金屬膜層的吸收較大，在光通過金屬膜層和在金屬膜層反射的過程都將導(dǎo)致光強(qiáng)度的損失，這導(dǎo)致了濾光片的最大透過率較低。使用多層低吸收的介質(zhì)膜代替金屬反射膜則能大幅地提升濾光片的透過性能。這種濾光片我們稱其為全介質(zhì)法布里一珀珞濾光片。

多半波濾光片

常規(guī)的法布里一珀珞濾光片透過帶是一個(gè)接近等腰三角形的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致我們需要的很大一部分光都被反射出去(或者說有一些我們不需要的光透過了濾光片)。理想的曲線應(yīng)該是接近矩形的透過率分布。

當(dāng)我們把兩個(gè)或更多的法布里一珀珞濾光片串置起來，我們發(fā)現(xiàn)，透過率曲線得到明顯的改善(接近矩形)。繼續(xù)串置更多的濾光片，性能還能繼續(xù)提升。這種由多個(gè)法布里一珀珞濾光片串置起來的濾光片稱為多半波濾光片。

實(shí)際使用的帶通濾光片

在多半波濾光片的基礎(chǔ)上，我們借助于膜系設(shè)計(jì)軟件對(duì)整個(gè)濾光片的膜層厚度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化之后濾光片的透過率曲線不但形狀進(jìn)一步改善，還可以選擇性地獲得一些其它特性，例如相對(duì)較小角度偏移(不同入射角度下透過帶的偏移)亦或者更寬的截止等。

而以下為我們優(yōu)化后的帶通濾光片透過曲線。

用于3D人臉識(shí)別的窄帶濾光片透過光譜

用于1550車載激光雷達(dá)使用的窄帶濾光片

現(xiàn)在，你得到了一個(gè)優(yōu)秀的帶通濾光片。這世界的紛紛擾擾盡被隔離在外，而你僅需專注于分析你眼前的事物而不受任何干擾。濾光片后的世界竟是如此純粹!

微納研究所

水晶光電微納研究所，專注于微納光學(xué)新產(chǎn)品市場(chǎng)技術(shù)調(diào)研及研發(fā)工作。通過自編算法與設(shè)計(jì)，配備同行業(yè)高端設(shè)備，具備芯片鍍膜、晶圓光刻、干/濕法刻蝕、納米壓印等核心技術(shù)開發(fā)和量產(chǎn)能力。目前微納所已開發(fā)的產(chǎn)品包括DOE、擴(kuò)散片、PBS偏振片、超透鏡等，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、車載HUD等領(lǐng)域，可以根據(jù)客戶需求提供從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)到量產(chǎn)制造一站式服務(wù)。