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走进3D视觉:“小身材大作用”的窄带滤光片

日期:2020-09-20 15:41
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摘要:走进3D视觉:“小身材大作用”的窄带滤光片

走进3D视觉:“小身材大作用”的窄带滤光片 

一片小小的窄带滤光片,全球主流厂商主要有两家,一家是美国的ViaviSolution Inc.(NASDAQ:VIAV),一家则是中国的水晶光电(股票代码:002273.SZ),此处应有掌声!(注:其它窄带滤光片厂商还有布勒莱宝光学(Buhler)、美题隆精密光学(Materion)、波长科技(Wavelength)等)。作为3D视觉信息接收端不可或缺的元件,随着3D视觉产业的爆发,我们也看到水晶光电已经在设备引进和资金方面加大了投入。水晶光电在*近披露的年报中**将窄带滤光片加入光学业务中,再次验证水晶光电的窄带滤光片镀膜技术的成熟。

所谓窄带滤光片,是从带通滤光片中细分出来的光学产品,其定义与带通滤光近似,也就是这种滤光片在特定的波段允许光信号通过,而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止,窄带滤光片的通带相对来说比较窄,一般为中心波长值的5%以下。

3D视觉系统的红外光接收模组用于对被拍摄物体反射的红外光进行接收和处理,获取被拍摄物体的空间信息。红外光接收模组主要由三部分组成:近红外图像传感器、窄带滤光片、镜头。窄带滤光片置于3D摄像头的镜头和近红外图像传感器之间,允许近红外光通过的同时过滤环境光。总体而言,镜头属于非常成熟的光学产品。而窄带滤光片主要采用干涉原理,需要几十层光学镀膜构成,相比普通的RGB吸收型滤光片具有更高的技术难度和产品价格,这也是目前造成市场上两家厂商独大的原因。

摄像头的硬件构成

窄带滤光片的应用不乏高大上的领域:天文物理、空间探测、等离子体检测、激光探测、化学分析、间接温度测量、有害气体分析、颜色测量、光通信系统等领域。而3D视觉系统“借助”智能手机、虚拟现实/增强现实/混合现实、3D体感游戏、3D摄像与显示等应用 “走入寻常百姓家”。

全球首款Tango智能手机——联想Phab 2 Pro的3D摄像头采用了水晶光电的窄带滤波片

基于3D视觉系统的各种体感游戏设备

滤光片家族“点兵点将”

光学滤光片,简单来说就是用来选择性过滤所需要辐射波段的光学器件。基片多为白玻璃、石英、有色玻璃或塑料树脂等光学材料。首先来介绍下与滤光片相关的专业术语:

中心波长(CWL):滤光片在实际应用中所使用的波长,如光源主峰值是850nm的LED灯,那需求的中心波长就是850nm。

峰值透过率(TP):假设光初始值为100%,通过滤光片后有部分损耗了,通过光谱测量得出只有85%了,那就可以把这个滤光片的光学透过率定为(Tp)>80%。

半带宽(FWHM):简单说就是*高透过率的1/2处所对应的波长,左右波长值相减,截止率(Blocking):截止区所对应的透过率。由于要想透过率达到零,那是非常难的事情,只能选择它透过率接近于零,但通常透过率达到10的负5次方以上就可以满足大部分使用要求,通常转换为光学密度值,用OD>5表示。

截止范围:可接受的不需要的波长*小区间范围。对于窄带滤光片来说,有一段是前截止,就是截止波长小于中心波长的一段,还有一段长截止,截止波长高于中心波长的那一段。

滤光片按通过光谱的分布长短(即光谱所处区域),可以分为:紫外滤光片(180~400nm),可见光滤光片(400~700nm),近红外滤光片(700~3000nm),红外滤光片(3000nm~10um以上)。

按光谱特性可分为带通滤光片、短波截止滤光片、长波截止滤光片。带通型滤光片指选定特定波段的光通过,通带以外的光截止。其光学指标主要是中心波长,半带宽,中心波长峰值透过率,截止率及截止范围。按带宽分为窄带和宽带,通常按带宽比中心波长的值来区分,小于5%为窄带,大于5%则为宽带。

滤光片的参数示意图

解读窄带滤光片

红外光源是3D视觉系统中工作的“源头”,是实现深度测量的主要“功臣”之一。3D视觉系统的红外光源主要有红外LED和激光器(主要是VCSEL)。如VCSEL发射的是940nm波长的近红外光,因此在3D摄像头接收端需要将940nm以外的环境光“剔除”,让接收端的红外图像传感器只接收到940nm的近红外光。为达到这一目的,就需要用到窄带滤光片了。

3D视觉系统中的窄带滤光片原理

设计一款窄带滤光片需要考虑的参数有中心波长、带宽、峰值透过率、截止范围、截止率、入射角度、波纹指标、前后沿陡度及宽度比。确定这些参数后,则进行光学基片、镀膜材料、镀膜方式的选择。按照结构的不同可将其分为法布里-珀罗型(F-P)滤光片、多腔滤光片和诱增透滤光片。因为由它获得的透过光谱带都比较窄,所以又叫窄带干涉滤光片。

窄带滤光片的薄膜一般由低折射率和高折射率的两种膜组成,叠加后层数达几十层,每一层薄膜的参数漂移都可能影响*终性能。而且窄带滤光片透过率对薄膜的损耗非常敏感,所以制备峰值透过率很高、半带宽又很窄的滤光片非常困难。制备薄膜的方法有很多种,包括化学气相沉积、热氧化法、阳极氧化法、溶胶凝胶法、原子层沉积(ALD)、原子层外延(ALE)、磁控溅射等,而不同方法制备的薄膜性能差异很大。麦姆斯咨询有幸邀请到布勒莱宝光学的中国区副总裁邬江帆参加9月11日在上海举办的『“微言大义”研讨会:3D摄像头技术及应用』,作为光学镀膜设备厂商的***,邬总将为大家分享滤光片制备方面的心得!欢迎大家莅临交流。


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