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高分辨率熒光顯微成像系統(tǒng)和相關(guān)定量應(yīng)用的性能，尤其是在活細(xì)胞和組織研究中的應(yīng)用，需要精確優(yōu)化熒光激發(fā)和檢測(cè)策略。如果沒(méi)有當(dāng)前技術(shù)各個(gè)方面的重大發(fā)展，包括光學(xué)顯微鏡、熒光團(tuán)的生物學(xué)和化學(xué)，也許最重要的是過(guò)濾技術(shù)，熒光顯微技術(shù)不可能在最近幾年取得如此顯著的進(jìn)步。采用高度專業(yè)化和的薄膜干涉濾光片增強(qiáng)了熒光技術(shù)的多功能性和范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了早期使用依賴于嵌入染料的吸收特性的明膠和玻璃濾光片所提供的能力。

當(dāng)前的生物研究顯微鏡技術(shù)越來(lái)越傾向于高度特異性、靈敏和通用的少量熒光分子探針定位，最終目標(biāo)是確定它們?cè)诩?xì)胞和分子過(guò)程中的作用。在現(xiàn)在典型的寬場(chǎng)落射熒光照明配置中，濾光片組合在信噪比方面起著至關(guān)重要的作用，從而幫助顯微鏡師平衡增強(qiáng)熒光染料激發(fā)的沖突要求，同時(shí)限制光漂白和細(xì)胞光毒性。經(jīng)典落射熒光顯微鏡的特點(diǎn)是激發(fā)和檢測(cè)光路部分重合，需要使用濾光片補(bǔ)充來(lái)減少?gòu)?qiáng)烈的激發(fā)光，在樣本相互作用之后，通過(guò)一到一千萬(wàn)之間的系數(shù)，以便從通常有限數(shù)量的發(fā)射熒光光子形成實(shí)際圖像。高效熒光濾光片組是必要的，以便在檢測(cè)路徑中提供的激發(fā)光衰減，同時(shí)成功捕獲盡可能多的發(fā)射光子。非常高的熒光發(fā)射檢測(cè)效率能夠相應(yīng)降低整體照明水平，從而限度地減少熒光染料的光漂白和對(duì)樣品的光毒性。高效熒光濾光片組是必要的，以便在檢測(cè)路徑中提供的激發(fā)光衰減，同時(shí)成功捕獲盡可能多的發(fā)射光子。非常高的熒光發(fā)射檢測(cè)效率可以相應(yīng)降低整體照明水平，從而限度地減少熒光染料的光漂白和對(duì)樣品的光毒性。高效熒光濾光片組是必要的，以便在檢測(cè)路徑中提供的激發(fā)光衰減，同時(shí)成功捕獲盡可能多的發(fā)射光子。非常高的熒光發(fā)射檢測(cè)效率能夠相應(yīng)降低整體照明水平，從而限度地減少熒光染料的光漂白和對(duì)樣品的光毒性。

基于光學(xué)干涉現(xiàn)象的高性能濾光片有助于改變熒光技術(shù)在寬視場(chǎng)和共聚焦顯微鏡中的應(yīng)用。目前提高熒光標(biāo)記特異性的大部分進(jìn)展是由于技術(shù)的發(fā)展，使抗體與各種合成熒光探針結(jié)合。結(jié)合精心調(diào)整的熒光染料化學(xué)特性和由于干涉濾光片光學(xué)進(jìn)步提供更好的信噪比而提高的靈敏度，當(dāng)前熒光技術(shù)的分辨率限制擴(kuò)展到單個(gè)分子的可視化。

干涉濾光片是通過(guò)將特殊材料的薄層沉積在平坦的基板上來(lái)構(gòu)建的。他們的設(shè)計(jì)依賴于薄膜沉積和薄膜光學(xué)干涉技術(shù)，這兩種技術(shù)在現(xiàn)代光學(xué)元件設(shè)計(jì)以及半導(dǎo)體和光通信領(lǐng)域都至關(guān)重要。干涉濾光片的基本結(jié)構(gòu)具有交替的高和低折射率材料層，每一層的厚度通常是四分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍。通過(guò)仔細(xì)選擇通常沉積在玻璃或熔融石英/石英基板上的各層的厚度和折射率值，可以利用在各層界面反射的光波的受控干涉，使濾光片能夠反射特定波長(zhǎng)，同時(shí)傳送他人。

使用寬場(chǎng)落射照明的經(jīng)典熒光顯微鏡以及許多激光掃描共聚焦技術(shù)所需的基本濾光片補(bǔ)充包括三個(gè)單獨(dú)的元件，這些元件通常組合成一個(gè)光學(xué)安裝座，通常稱為濾光片立方體或?yàn)V光塊。濾光片組件包括激發(fā)濾光片、二色鏡（或分光鏡）和發(fā)射（或屏障）) 濾波器，如圖 1 所示。每個(gè)組件執(zhí)行不同的特定功能，但都通過(guò)精確利用干擾效應(yīng)得到增強(qiáng)。三個(gè)濾光片元件的特性以及每個(gè)濾光片元件的必要性能規(guī)格將在以下各節(jié)中進(jìn)行更詳細(xì)的討論。一般來(lái)說(shuō)，為特定調(diào)查選擇過(guò)濾器集需要考慮過(guò)濾器和熒光染料、顯微鏡照明源和用于捕獲信號(hào)的檢測(cè)器之間的光譜相互作用。

圖 1 顯示了一個(gè)典型的現(xiàn)代熒光濾光片組以及組件干涉濾光片的可見(jiàn)區(qū)光譜輪廓。二色鏡安裝在與濾光片塊的光軸成 45 度角的位置，并固定到位水泥或微型夾具。激勵(lì)和屏障濾波器放置在塊的前表面和頂面的底座上，并用圓形擋圈鎖定到位（圖 1（a））。來(lái)自顯微鏡照明器的光通過(guò)激發(fā)過(guò)濾器進(jìn)入模塊，二次熒光發(fā)射通過(guò)屏障過(guò)濾器離開(kāi)模塊。該濾波器組的光譜分布如圖 1(b) 所示。設(shè)計(jì)用于響應(yīng)紫外線和綠色激發(fā)波長(zhǎng)的熒光團(tuán)的同時(shí)成像，該組合包含一個(gè)具有兩個(gè)帶通區(qū)域（380-420 和 510-560 納米）的激發(fā)濾波器。請(qǐng)注意，紫外線激發(fā)剖面的透射值低于綠色剖面的透射值，這是由于濾光涂層材料在波長(zhǎng)低于約 400 納米處有更大的吸收。二色鏡具有兩個(gè)高透射區(qū)域，以適應(yīng)發(fā)射濾光片中的相應(yīng)透射區(qū)域。此外，類似于激發(fā)濾光片，屏障濾光片有兩個(gè)帶通區(qū)域，設(shè)計(jì)用于同時(shí)觀察藍(lán)色和紅色熒光發(fā)射。由于濾光涂層材料在波長(zhǎng)低于約 400 納米處有更大的吸收。二色鏡具有兩個(gè)高透射區(qū)域，以適應(yīng)發(fā)射濾光片中的相應(yīng)透射區(qū)域。此外，類似于激發(fā)濾光片，屏障濾光片有兩個(gè)帶通區(qū)域，設(shè)計(jì)用于同時(shí)觀察藍(lán)色和紅色熒光發(fā)射。由于濾光涂層材料在波長(zhǎng)低于約 400 納米處有更大的吸收。二色鏡具有兩個(gè)高透射區(qū)域，以適應(yīng)發(fā)射濾光片中的相應(yīng)透射區(qū)域。此外，類似于激發(fā)濾光片，屏障濾光片有兩個(gè)帶通區(qū)域，設(shè)計(jì)用于同時(shí)觀察藍(lán)色和紅色熒光發(fā)射。

圖 2 中說(shuō)明了三個(gè)于衡量濾光片光學(xué)質(zhì)量和性能的基本參數(shù)。的表面平坦性（圖2（a））為平坦的或平面的表面的偏差的測(cè)量，并在級(jí)分或平均波長(zhǎng)（通常為550個(gè)納米）的倍數(shù)來(lái)計(jì)算。不規(guī)則表面反射產(chǎn)生的波前失真是表面平整度值的兩倍。該參數(shù)對(duì)于確定二色鏡的質(zhì)量至關(guān)重要，二色鏡反射熒光顯微鏡前表面的激發(fā)照明。通過(guò)濾波器的平面波前的失真稱為透射失真（圖 2(b)），并且也以波長(zhǎng)的分?jǐn)?shù)或倍數(shù)進(jìn)行測(cè)量。造成透射失真?zhèn)斡暗脑蚴峭獗砻娴钠秸纫约皟?nèi)部缺陷產(chǎn)生的折射率波動(dòng)。外過(guò)濾器表面之間平行度的角度偏差稱為楔形（圖 2(c)），以偏差角的弧秒或弧分測(cè)量。由于光束偏差導(dǎo)致的圖像偏移是熒光顯微鏡中過(guò)大的濾光楔角引起的問(wèn)題的偽影。對(duì)于典型的濾波器，偏差幅度大約等于楔角的二分之一。除了圖像偏移之外，楔形缺陷還會(huì)因離軸內(nèi)部反射產(chǎn)生重影。

激發(fā)濾光片的主要功能是阻擋來(lái)自照明源的所有光，除了與用于標(biāo)記樣品的熒光染料的吸收特性相對(duì)應(yīng)的選定波長(zhǎng)帶。要求根據(jù)所使用的光源而有所不同。如果使用汞或氙弧放電燈等寬范圍光源，則必須將其大部分輸出（從紫外到近紅外波長(zhǎng)）排除在到達(dá)樣品之外。在許多情況下，合適的激發(fā)濾波器的帶通傳輸范圍有限，約為 40 納米（半高全寬；FWHM)，以熒光團(tuán)的吸收為中心。這種類型的干涉濾光片由沉積在浮法玻璃上的多個(gè)介電層構(gòu)成，并用環(huán)氧樹(shù)脂層壓板密封，以保護(hù)吸濕薄膜層免受濕氣的影響。盡管通常設(shè)計(jì)為垂直于光束路徑（以零度入射）放置，但許多最近的濾光片光學(xué)塊設(shè)計(jì)在安裝座中將激發(fā)濾光片傾斜幾度，以限度地減少內(nèi)部反射的干擾。當(dāng)采用激光照明時(shí)，限制反射的預(yù)防措施尤為重要，因?yàn)楦邚?qiáng)度反射可能會(huì)損壞激光腔。

由于激發(fā)濾光片元件不位于熒光發(fā)射成像路徑中，因此不需要程度的光學(xué)精度。激勵(lì)濾波器的設(shè)計(jì)公差通常小于大約 6 弧分的楔形，但不需要更精確的研磨和拋光。然而，重要的是涂層以及用作保護(hù)層的任何環(huán)氧樹(shù)脂層壓板沒(méi)有缺陷，例如夾雜異物或氣泡。還必須消除涂層中的針孔，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S不需要的波長(zhǎng)通過(guò)濾光片并降低成像系統(tǒng)的信噪比。

雙色分束器位于激發(fā)和發(fā)射（屏障）過(guò)濾器之間，與光束路徑成 45 度角（見(jiàn)圖 1）。傳統(tǒng)上，這種光學(xué)元件被稱為分色鏡，并在落射照明配置中提供兩個(gè)主要功能。雙色分束器設(shè)計(jì)為專用的長(zhǎng)通濾光片，利用干涉層反射某些波長(zhǎng)并透射其他波長(zhǎng)，因此可以在有限波長(zhǎng)范圍的窄邊界的相對(duì)兩側(cè)分離波長(zhǎng)。與光軸成 45 度角放置的二色分束器以 90 度角反射較短的激發(fā)波長(zhǎng)，并將它們沿照明軸傳遞到樣品。同時(shí)，這個(gè)關(guān)鍵元素傳輸熒光團(tuán)發(fā)出的較長(zhǎng)熒光波長(zhǎng)，然后用物鏡收集并由檢測(cè)器成像。

二色鏡的設(shè)計(jì)要求必須考慮到它在激發(fā)和發(fā)射光路中都起作用的事實(shí)。選擇涂層以產(chǎn)生最小的自發(fā)熒光，作為基材的材料，通常由熔融石英或石英組成。通過(guò)利用復(fù)雜的干涉濾光片設(shè)計(jì)技術(shù)，可以在非常短的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)從接近全反射到透射率的轉(zhuǎn)變，從而能夠精確區(qū)分激發(fā)光和發(fā)射光。除了顯示明確定義的光譜特性外，該光學(xué)組件的物理公差也非常嚴(yán)格。已發(fā)布的規(guī)范通常要求楔形小于 1 弧分，表面平整度偏差小于每英寸 10 個(gè)波長(zhǎng)（影響反射光束），以及每英寸 1 個(gè)波長(zhǎng)或更小的透射波前畸變（影響透射發(fā)射信號(hào)）。需要注意的是，雙色鏡的反射和透射范圍都有限制，并且不能在特定波長(zhǎng)處精確地進(jìn)行過(guò)渡，而是在很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行。雙色分束器不會(huì)以 99% 的效率反射過(guò)渡區(qū)域以下的所有波長(zhǎng)，并且會(huì)再次開(kāi)始以較低波長(zhǎng)傳輸。類似地，傳輸特性在躍遷的長(zhǎng)波長(zhǎng)一側(cè)也不是均勻的。在許多情況下，傳輸通常會(huì)在比設(shè)計(jì)范圍長(zhǎng)的波長(zhǎng)處下降，或者在深紅色和近紅外區(qū)域表現(xiàn)出其他不規(guī)則性。

標(biāo)準(zhǔn)熒光顯微鏡濾光片組的第三個(gè)組件是發(fā)射濾光片或屏障濾光片。該光學(xué)元件主要用于阻擋來(lái)自激發(fā)波長(zhǎng)的光，其次是僅將所需的熒光發(fā)射光譜部分傳遞到檢測(cè)器。發(fā)射濾光片的光學(xué)特性必須與激發(fā)濾光片的光學(xué)特性仔細(xì)匹配，以達(dá)到允許記錄相對(duì)較弱的熒光發(fā)射信號(hào)所需的激發(fā)波長(zhǎng)抑制水平。普通熒光技術(shù)中的激發(fā)光可能比熒光染料的發(fā)射光亮一百萬(wàn)倍以上，即使是相對(duì)少量的未阻擋的激發(fā)光也能淹沒(méi)信號(hào)。通常，發(fā)射濾光片被設(shè)計(jì)成將來(lái)自特定相應(yīng)激發(fā)濾光片的波長(zhǎng)阻擋到 5.5 或更高的光密度水平。

實(shí)際上，發(fā)射濾光片作為第二級(jí)去除被二色分束器不阻擋的激發(fā)光，并且還用于調(diào)節(jié)樣品發(fā)出的二次熒光的噪聲水平。在確的熒光濾光片組中，發(fā)射濾光片是與熒光染料的發(fā)射光譜相匹配的帶通型，盡管在某些應(yīng)用中使用長(zhǎng)通濾光片來(lái)收集更大的信號(hào)。長(zhǎng)通發(fā)射濾光片的缺點(diǎn)是通過(guò)來(lái)自其他熒光染料和/或自發(fā)熒光的更多干擾，因此，大多數(shù)高分辨率技術(shù)使用帶通濾光片。在信號(hào)分量的光譜鑒別比整體強(qiáng)度更重要的應(yīng)用中，這種濾波器設(shè)計(jì)可限度地提高信噪比。干涉發(fā)射濾光片必須高精度研磨和拋光，其規(guī)格與二色鏡相似：楔形小于 1 弧分，透射波前畸變低于每英寸 1 個(gè)波長(zhǎng)。為了限度地減少內(nèi)部反射，通常將此光學(xué)元件相對(duì)于顯微鏡光軸傾斜幾度，就像通常使用激發(fā)濾光片所做的那樣。

圖 3 中顯示的是典型的長(zhǎng)通（圖 3（a））和帶通（圖 3（b））濾光片組合，設(shè)計(jì)用于熒光顯微鏡的日常工作。長(zhǎng)通濾波器組包含一個(gè) 20 納米帶通激發(fā)濾波器，中心波長(zhǎng)為 480 納米，這被認(rèn)為是窄通帶范圍。二色鏡和屏障濾光片的截止波長(zhǎng)分別為 500 和 520 納米。與使用帶通濾波器相比，使用長(zhǎng)通屏障濾波器增加了信號(hào)電平。帶通熒光組中的 30 納米寬帶激發(fā)濾光片（圖 3（b））比長(zhǎng)通熒光組中的窄對(duì)應(yīng)物（圖 3（a））提供了更多的激發(fā)能量。然而，帶通屏障濾波器（在這種情況下為 40 納米）對(duì)信號(hào)檢測(cè)施加的限制區(qū)域會(huì)降低到達(dá)檢測(cè)器的整體熒光強(qiáng)度。

干擾濾波器原理

用于濾光片生產(chǎn)的薄膜技術(shù)的發(fā)展極大地提高了光學(xué)顯微鏡中光譜控制的多功能性。早期的濾光片設(shè)計(jì)由放置在比色皿中的有色染料溶液組成，然后依次是含染料的明膠片、明膠-玻璃組合和純色玻璃濾光片。這種依靠吸收來(lái)衰減光的濾光片經(jīng)久耐用且價(jià)格低廉，但它們的用途受到峰值透射率低、波長(zhǎng)辨別力差以及自發(fā)熒光水平高的限制。用于全反射鏡和中性密度濾光片的金屬材料薄膜涂層，以及用于波長(zhǎng)選擇的透明干涉涂層，現(xiàn)在是泛使用的光控制設(shè)備。目前，可以按照非常精確的規(guī)格生產(chǎn)干涉濾光片，從而可以針對(duì)大多數(shù)應(yīng)用優(yōu)化其光學(xué)性能。利用薄膜鍍膜技術(shù)，可以制造各種各樣的濾光片設(shè)計(jì)，包括長(zhǎng)通或短通邊緣濾光片、窄帶或?qū)拵V光片、多帶通濾光片和二色分光鏡。

干涉濾光片是多層薄膜器件。它們的光學(xué)特性源于控制兩種不同介質(zhì)之間界面處光的反射和傳輸?shù)脑?。這些原理可以很容易地外推到光與沉積在不同成分的基板上的單個(gè)薄膜相互作用的行為，類似于沉積在基板上的結(jié)構(gòu)堆疊中的多個(gè)不同成分和厚度的薄膜層。干涉濾光片通常是通過(guò)在光學(xué)玻璃基板上真空沉積金屬鹽薄膜來(lái)制造的。如果使用幾種不同的薄膜材料重復(fù)該過(guò)程，就會(huì)產(chǎn)生多層濾光片，提供多個(gè)反射或折射光的界面。

入射光在空氣玻璃界面的反射是一個(gè)重要的概念，它調(diào)節(jié)顯微鏡中透鏡、濾光片、鏡子和其他光學(xué)組件的作用。當(dāng)光線遇到透明玻璃表面時(shí)，大約 4% 的總?cè)肷漭椛浔环瓷洹Ｒ虼?，一疊八個(gè)玻璃元件可以透射大約 50% 的入射光，其余的在 16 個(gè)玻璃表面（每個(gè)元件的前部和后部）反射。類似的效果是通過(guò)將多個(gè)薄膜涂層施加到玻璃基板上而產(chǎn)生的。幸運(yùn)的是，可以仔細(xì)選擇每一層的厚度和折射率，以控制界面處特定波長(zhǎng)的反射和透射特性。

調(diào)節(jié)干涉濾光片結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵物理現(xiàn)象是光入射到兩種透明介質(zhì)之間的光滑界面時(shí)發(fā)生的反射。這種界面處的反射特性取決于兩種材料的折射率、入射角和入射光的偏振方向（如果有的話）。當(dāng)光入射到界面上時(shí)，一部分光進(jìn)入第二介質(zhì)并被折射，而另一部分在界面上反射（見(jiàn)圖 4）。對(duì)于折射率為n(1)和n(2) 的兩種介質(zhì)，入射角 (i) 和折射角 (r)之間的關(guān)系，如圖 4 所示，由斯涅爾定律給出：

參考入射角和折射角（i和r），界面處兩個(gè)偏振光分量的反射率由以下表達(dá)式?jīng)Q定：

其中R(p)是平行于入射平面的偏振光的反射率，稱為p偏振光，R(s)是垂直于入射平面的偏振光或s偏振光的反射率. 在垂直入射時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)偏振差異，并且總反射率 (R) 等于s和p分量的反射率，如公式所示：

考慮到這種關(guān)系，對(duì)于穿過(guò)空氣（其折射率為 1.0）并進(jìn)入折射率為 1.5 的玻璃光學(xué)元件的光波，每個(gè)空氣-玻璃表面的反射率 (R) 為 0.04，或者兩個(gè)表面垂直入射時(shí)的反射率 ( R ) 為 0.08 .在前面的八個(gè)堆疊玻璃元件的示例中，通過(guò) 16 個(gè)表面的透射率為 0.96 的 16 次方，即大約 52%（相當(dāng)于 48% 的反射損失）。反射率方程表明，對(duì)于空氣中的玻璃元素（n(1)等于 1.0），反射率隨著n(2)值的增加而增加.未鍍膜玻璃元件的高反射損失強(qiáng)調(diào)了在光學(xué)元件上加入有效的抗反射涂層可能帶來(lái)的潛在好處。另一個(gè)對(duì)光學(xué)涂層功能至關(guān)重要的因素，特別是對(duì)于干涉濾光片，是當(dāng)光穿過(guò)界面?zhèn)鞑r(shí)，如圖 4(a) 所示，如果n(2)大于n(1)，反射波經(jīng)歷 180 度的相位變化。

由兩種相鄰介質(zhì)之間的折射率不匹配產(chǎn)生的反射率變化，結(jié)合反射時(shí)發(fā)生的相變，提供了一種機(jī)制，通過(guò)該機(jī)制可以利用光學(xué)干涉來(lái)調(diào)制光學(xué)元件對(duì)所需波長(zhǎng)區(qū)域的透射和反射. 通過(guò)將透明介電材料薄層沉積到玻璃基板上，可以控制特定波長(zhǎng)范圍的反射和透射，而不會(huì)顯著損失光強(qiáng)度。通過(guò)適當(dāng)選擇介電折射率、層厚度和層數(shù)，可以在非常寬的范圍內(nèi)定制干涉光學(xué)的光譜特性。

無(wú)論設(shè)計(jì)用作邊緣濾波器還是帶通濾波器，多層薄膜器件都通過(guò)相長(zhǎng)干涉和相消干涉現(xiàn)象進(jìn)行波長(zhǎng)選擇。它們基于相同的原理，并且在大多數(shù)情況下可以歸類為Fabry-Perot干涉儀（圖 5（a））。這些簡(jiǎn)單的干涉儀依靠多重反射波前之間的干涉來(lái)傳輸選定的波長(zhǎng)范圍，同時(shí)阻擋所有其他波長(zhǎng)。首先考慮單色光入射在玻璃基板上的單個(gè)薄膜介電涂層上的簡(jiǎn)單例子，地描述這種類型的濾光片的操作機(jī)制，薄膜的折射率介于空氣和玻璃。具有折射率n(1)、n(2)和n(3)的三種介電材料如圖 4(b) 所示。薄膜的厚度為t，分離半無(wú)限厚的材料。

在圖 4(b) 描述的配置中，每個(gè)界面都會(huì)發(fā)生一些反射，通常稱為菲涅耳損耗（或菲涅耳反射，以?shī)W古斯丁菲涅耳命名）。反射的入射光比例可以從總反射率 (R)方程確定，分析表明，隨著界面上的折射率差異 (n(2)-n(1))，菲涅耳損耗變得更大) 增加。當(dāng)光通過(guò)薄膜傳播并進(jìn)入第三種介質(zhì)時(shí)，一個(gè)合乎邏輯的假設(shè)是透射強(qiáng)度會(huì)因兩個(gè)界面處發(fā)生的菲涅耳損耗之和而降低。然而，如果薄膜厚度很?。ㄔ诠獠ㄩL(zhǎng)的數(shù)量級(jí)），從兩個(gè)表面反射的波之間會(huì)發(fā)生干涉，這可能會(huì)增加或減少總的組合強(qiáng)度。干涉的性質(zhì)取決于在每個(gè)表面反射后波前的相位關(guān)系，而這又取決于波長(zhǎng)、材料的折射率和入射角。

如果薄膜折射率n(2)介于空氣和基板的折射率之間，則入射光反射發(fā)生在空氣-薄膜界面和薄膜-基板界面，如圖 4 中的紅波所示（ b)（注意入射角被大大夸大了）。從界面反射的光線之間的相位關(guān)系由相對(duì)于光波長(zhǎng)的薄膜厚度和折射率的比較值決定。因?yàn)閚(2)大于n(1)，所以從表面（薄膜表面）反射的光波表現(xiàn)出 180 度的相變。如果選擇薄膜厚度使得光學(xué)厚度（厚度的乘積，t，并且折射率n(2)) 等于光波長(zhǎng)的四分之一 (λ/4 )，通過(guò)薄膜傳播并從薄膜-玻璃界面反射的光線經(jīng)歷了 180 度 (λ/2) 反射時(shí)的相變。此外，在波通過(guò)薄膜返回時(shí)會(huì)發(fā)生第二個(gè) 180 度相位變化。與條反射光線的半波長(zhǎng)相位變化相比，該光線的凈全波長(zhǎng)相位變化導(dǎo)致兩條反射光線之間的相位差為 180 度，并產(chǎn)生相消干涉。隨著反射光線被有效抵消，四分之一波長(zhǎng)厚度的薄膜起到抗反射光學(xué)涂層的作用。在其結(jié)構(gòu)中采用多層薄膜的長(zhǎng)通和短通濾波器，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，將顯示出抗反射特性。

通過(guò)使用不同折射率的薄膜材料，可以簡(jiǎn)單地改變兩條反射光線之間的相位關(guān)系。應(yīng)用與上述相同的配置，但薄膜折射率大于基板的折射率（以及空氣的折射率），次反射將產(chǎn)生相同的 180 度相變。然而，通過(guò)薄膜傳播的光線在反射時(shí)不會(huì)改變相位，因?yàn)閚(2)現(xiàn)在大于n(3)，并且只獲得與雙程相關(guān)的正常 180 度相位滯后 (λ/2)通過(guò)四分之一波厚 (λ/4） 電影。兩個(gè)反射波前（每個(gè)波前具有 180 度的相變）之間發(fā)生相長(zhǎng)干涉，因此與較低折射率薄膜涂層的反射率相比增加了反射率，并使光學(xué)元件起到部分反射器的作用。

通過(guò)利用薄膜干涉技術(shù)，可以制造各種有用的器件。從前面的討論中可以明顯看出，可以微調(diào)薄膜涂層特性以利用多重反射波前的疊加。波之間的干涉現(xiàn)象的性質(zhì)可以是純粹的建設(shè)性、破壞性或許多中間相位關(guān)系中的一種。以抗反射涂層結(jié)構(gòu)為例，如果薄膜的光學(xué)厚度不是四分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍，則兩次反射的相位相差不是 180 度。因此，干擾并不是破壞性的，會(huì)導(dǎo)致反射率超過(guò)理論最小值?？梢岳闷渌辔魂P(guān)系來(lái)操縱薄膜的透射和反射特性。二分之一波長(zhǎng)厚度的介電薄膜層產(chǎn)生 360 度（全波）的相變，并且可以用作對(duì)特定設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的反射率或透射率沒(méi)有影響的缺席層。對(duì)于僅由介電材料組成的結(jié)構(gòu)，組合的透射和反射光線能量等于入射光能量。

干擾濾波器設(shè)計(jì)

沉積在濾光器基板上的薄膜層的組成和排列決定了器件的透射和反射特性。當(dāng)具有相同波長(zhǎng)的光波占據(jù)相同的物理空間時(shí)，它們會(huì)以由它們的相對(duì)相位和幅度決定的方式相互干擾。如果波異相（180 度），并且它們的振幅相等，則它們相互抵消以產(chǎn)生零振幅的波，則干擾是破壞性的。當(dāng)兩個(gè)波彼此同相時(shí)，它們會(huì)相長(zhǎng)干涉以產(chǎn)生更大振幅的波。由多層組成的薄膜光學(xué)涂層被設(shè)計(jì)成使層邊界之間的光學(xué)距離（通常是整數(shù)倍波長(zhǎng)的整數(shù)倍）控制多次反射和透射光波的相位差。光學(xué)涂層中連續(xù)施加的層有效地構(gòu)成了邊界的堆疊，每個(gè)邊界產(chǎn)生反射和透射分量，隨后從其他邊界反射和透射。通過(guò)這種多層結(jié)構(gòu)傳播的多色光將受到特定波長(zhǎng)的相消干涉和衰減，以及與其他波長(zhǎng)的增強(qiáng)傳輸?shù)南嚅L(zhǎng)干涉。每個(gè)都產(chǎn)生反射和透射分量，這些分量隨后從其他邊界反射和透射。通過(guò)這種多層結(jié)構(gòu)傳播的多色光將受到特定波長(zhǎng)的相消干涉和衰減，以及與其他波長(zhǎng)的增強(qiáng)傳輸?shù)南嚅L(zhǎng)干涉。每個(gè)都產(chǎn)生反射和透射分量，這些分量隨后從其他邊界反射和透射。通過(guò)這種多層結(jié)構(gòu)傳播的多色光將受到特定波長(zhǎng)的相消干涉和衰減，以及與其他波長(zhǎng)的增強(qiáng)傳輸?shù)南嚅L(zhǎng)干涉。

涂層性能特征受層狀結(jié)構(gòu)中邊界的數(shù)量、每個(gè)邊界上的折射率差以及涂層內(nèi)邊界之間的距離的影響。干涉濾光片制造商在專業(yè)設(shè)計(jì)軟件的幫助下應(yīng)用光學(xué)薄膜理論來(lái)優(yōu)化特定應(yīng)用的特性。通過(guò)改變薄膜結(jié)構(gòu)，可以非常精確地控制濾波器性能規(guī)格。通過(guò)薄膜設(shè)計(jì)控制的特性包括透射和反射的程度、發(fā)生透射和反射（和中間躍遷）的光譜范圍的范圍以及偏離垂直入射角的偏振效應(yīng)。圖 6 中顯示了通常用于描述干涉濾光片的關(guān)鍵光譜特性和命名法。包括峰值和平均透射率值的位置，以及中心波長(zhǎng)（CWL）為帶通濾波器和所述切口上和截止值短通（黃色曲線）和長(zhǎng)通（藍(lán)色曲線）濾波器，分別。還指出了圖 6 中帶通光譜曲線（綠色曲線）的阻塞范圍。

如前所述，四分之一波長(zhǎng)介電層可以設(shè)計(jì)為用作玻璃基板上的抗反射涂層，或者，建設(shè)性地加強(qiáng)反射。該四分之一波長(zhǎng)疊層反射器（見(jiàn)圖5（b））的是由兩個(gè)或更多的電介質(zhì)材料的交替層，并且被用作基本構(gòu)建塊用于光學(xué)薄膜裝置。每一層的設(shè)計(jì)光學(xué)厚度只滿足一個(gè)特定的波長(zhǎng)值，稱為主波長(zhǎng)的設(shè)備。圖 5(b) 中所示的四分之一波堆疊反射器光譜分布是從一個(gè)裝置中獲得的，該裝置由 23 層交替組成，在玻璃基板上交替出現(xiàn)硫化鋅（折射率為 2.35）和冰晶石（折射率為 1.35），其中主波長(zhǎng)為 550 納米?？梢圆捎幂p微的設(shè)計(jì)修改來(lái)消除下降（通常稱為振鈴) 在傳輸區(qū)域，優(yōu)化用作長(zhǎng)通或短通截止濾波器的元件。這種組合物的涂層在主波長(zhǎng)處表現(xiàn)出的反射，并且透射高于和低于主值的波長(zhǎng)。涂層性能是主波長(zhǎng)反射波相長(zhǎng)干涉的結(jié)果，以及由于透射波之間的相消干涉而使總透射率最小化的結(jié)果。四分之一波堆疊反射器適合用作阻帶濾波器、阻斷器和截止濾波器。

窄帶干涉（帶通）濾波器的工作原理與法布里-珀涉儀相同，依賴于多個(gè)反射光束之間的干涉。在典型的法布里-珀涉儀（為光譜應(yīng)用而構(gòu)建；見(jiàn)圖 5(a)）中，入射光在位于兩個(gè)反射面之間的透明（空氣）介質(zhì)中經(jīng)歷多次反射。每個(gè)透射波前在定義干涉儀腔的表面之間經(jīng)歷偶數(shù)次反射。出現(xiàn)的波前之間的相位差決定了傳輸值是否發(fā)生，或者大部分光被反射回源。對(duì)于給定的入射角，特定條件占優(yōu)勢(shì)的波長(zhǎng)區(qū)域，n等于 1.0) 等于物理厚度。

的基于干涉原理的帶通濾波器是薄膜固體法布里-珀涉儀，通常稱為腔或單腔涂層.通常，這些濾光器是通過(guò)用薄膜隔板分隔兩個(gè)薄膜反射器來(lái)構(gòu)建的（如圖 7 所示）。在全介電腔中，傳統(tǒng)的氣隙被一薄層介電材料取代，該介電材料的光學(xué)厚度等于主要設(shè)計(jì)波長(zhǎng)（所需的傳輸峰值）的整數(shù)半波長(zhǎng)。薄膜高反射器是普通的四分之一波長(zhǎng)堆疊反射器，其寬帶反射率在主要設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處達(dá)到峰值。由于其半波長(zhǎng)厚度，分隔反射器的隔離物在主波長(zhǎng)處引起透射而不是反射，因此支持腔內(nèi)的多次反射。波長(zhǎng)長(zhǎng)于或短于主波長(zhǎng)的光會(huì)獲得相位差，使反射而透射最小化。這種干擾現(xiàn)象的組合產(chǎn)生了有效的帶通濾波器。濾波器的特性，例如通帶區(qū)域的寬度、通帶內(nèi)的傳輸水平以及該光譜區(qū)域外的阻塞范圍，由層數(shù)及其排列決定。窄通帶通常是此類濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，它是通過(guò)增加構(gòu)成腔體的四分之一波長(zhǎng)堆棧的反射率和增加薄膜間隔物的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如通帶區(qū)域的寬度、通帶內(nèi)的傳輸水平以及該光譜區(qū)域外的阻塞范圍等，都由層數(shù)及其排列決定。窄通帶通常是此類濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，它是通過(guò)增加構(gòu)成腔體的四分之一波長(zhǎng)堆棧的反射率和增加薄膜間隔物的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如通帶區(qū)域的寬度、通帶內(nèi)的傳輸水平以及該光譜區(qū)域外的阻塞范圍等，都由層數(shù)及其排列決定。窄通帶通常是此類濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，它是通過(guò)增加構(gòu)成腔體的四分之一波長(zhǎng)堆棧的反射率和增加薄膜間隔物的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

干涉濾光片的詳細(xì)結(jié)構(gòu)可能有很大的變化范圍。盡管許多由介電材料構(gòu)成，但寬帶干涉濾光片設(shè)計(jì)通常在墊片中包含金屬層。即使在全介電濾波器中，金屬薄膜層通常也包含在輔助結(jié)構(gòu)中，作為某些光譜區(qū)域的阻塞濾波器（圖 7）。金屬-介電-金屬 ( MDM ) 腔可用于涉及紫外線過(guò)濾的應(yīng)用，紫外線將被全介電結(jié)構(gòu)吸收。在這種類型的固體法布里-珀涉儀中，反射器是金屬薄膜，由具有整體半波長(zhǎng)厚度的介電材料間隔層隔開(kāi)。

如上所述，典型的四分之一波長(zhǎng)堆疊反射器由高折射率和低折射率介電材料的交替層構(gòu)成（見(jiàn)圖 7 和圖 8）。一對(duì)高低指數(shù)層構(gòu)成的周期，通常在構(gòu)建具有所需性能特征的堆棧時(shí)重復(fù)多次。兩個(gè)疊層與適當(dāng)?shù)拈g隔層的組合構(gòu)成了單腔過(guò)濾器。兩個(gè)或多個(gè)這樣的腔可以與匹配（無(wú)）層耦合以形成多腔通帶濾波器。圖 7 說(shuō)明了典型的雙腔通帶干涉濾波器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。由多腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的總傳輸通帶大約等于各個(gè)腔的值的乘積。因此，隨著腔數(shù)的增加，通帶斜率的截止邊緣變得更陡，通帶外的反射率增加（見(jiàn)圖 9），從而改善了對(duì)通帶區(qū)域附近波長(zhǎng)的抑制。

在光學(xué)薄膜技術(shù)的術(shù)語(yǔ)中，通常用字母H來(lái)表示高折射率材料的四分之一波長(zhǎng)光學(xué)厚度層，而將低折射率材料的四分之一波長(zhǎng)光學(xué)厚度層表示為L(zhǎng)（圖 7 和 8）。各種指數(shù)和分?jǐn)?shù)名稱與字母組合用于表示周期數(shù)和堆疊層的光學(xué)厚度。通常，指定干擾濾波器結(jié)構(gòu)的術(shù)語(yǔ)是每個(gè)制造商所的。硫化鋅是一種常用的高指數(shù)材料，而冰晶石是一種天然存在的氟化鋁鈉礦物，通常用于低指數(shù)層。間隔層是高折射率材料的半波長(zhǎng)厚膜，缺席（耦合）層由具有半波長(zhǎng)厚度的低折射率材料組成。

如前所述，帶通干涉濾光片設(shè)計(jì)中采用的腔數(shù)會(huì)影響濾光片區(qū)分帶內(nèi)和帶外波長(zhǎng)的能力。圖 9(a) 顯示了典型的透射曲線作為波長(zhǎng)的函數(shù)，用于構(gòu)建具有不同腔數(shù)的幾種理論濾波器。在等效的帶通和中心波長(zhǎng)處，隨著腔數(shù)的增加，在遠(yuǎn)離主波長(zhǎng)的波長(zhǎng)處，通帶外的光衰減程度更大。對(duì)于大量腔，濾波器的傳輸通帶接近所需的方波輪廓，表明傳輸和衰減波長(zhǎng)區(qū)域之間的急劇轉(zhuǎn)變。在實(shí)踐中，這種濾光片特性體現(xiàn)在改進(jìn)的波長(zhǎng)辨別力和更高的能量傳輸效率。具有急劇截止和截止躍遷的帶通濾光片可有效分離具有小斯托克位移的熒光染料的激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)。

通過(guò)考慮滲漏的潛在影響，可以地說(shuō)明采用大量腔的濾波器設(shè)計(jì)改進(jìn)波長(zhǎng)區(qū)分的重要性進(jìn)入相鄰的過(guò)濾器或腔體堆疊。在實(shí)踐中，當(dāng)激發(fā)能量通過(guò)發(fā)射濾光片傳輸時(shí)，這種偽影發(fā)生在熒光顯微鏡中。滲漏的結(jié)果是將不希望的激發(fā)光能量添加到作為樣品熒光檢測(cè)的信號(hào)中，從而增加了背景水平并提高了熒光檢測(cè)的下限。圖 9(b) 顯示了典型的干涉濾光片透射曲線，使用三腔和五腔設(shè)計(jì)，分別以 435 和 460 納米的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)為中心。激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)的差異很小，五腔濾波器設(shè)計(jì)表現(xiàn)出的通帶輪廓更陡峭的過(guò)渡顯著減少了潛在的滲透，因?yàn)楣庾V重疊區(qū)域出現(xiàn)在低得多的透射值下。為了使用三腔濾光片獲得可接受的滲透水平，必須選擇兩個(gè)濾光片的中心波長(zhǎng)并附加波長(zhǎng)分離。對(duì)于具有小斯托克位移的熒光染料，這種方法會(huì)顯著降低熒光激發(fā)和檢測(cè)的效率。

除了上述基本設(shè)計(jì)特征之外，將干涉濾波器與特定應(yīng)用相匹配還需要考慮通過(guò)濾波器構(gòu)造中的技術(shù)優(yōu)化的性能特征。光學(xué)系統(tǒng)中濾光片所達(dá)到的功能水平取決于該設(shè)計(jì)與系統(tǒng)中其他組件的集成程度。盡管干涉濾光片在被視為隔離組件時(shí)可能滿足所有主要性能要求，但特定的光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)通常需要將其他結(jié)構(gòu)合并到濾光片組件中。例如，與在寬光譜范圍內(nèi)工作的光源或檢測(cè)器一起使用的濾波器需要一種機(jī)制來(lái)擴(kuò)展衰減范圍超越了多層涂層單一基材表面所提供的效果。此外，如果采用非常強(qiáng)的照明源或高度靈敏的檢測(cè)器，則可能需要增加衰減水平。盡管一些光學(xué)系統(tǒng)提供了足夠的物理空間用于結(jié)合單獨(dú)的吸收或反射元件，但這些阻擋或衰減元件通常與初級(jí)干涉涂層組合成單個(gè)組件。

向?yàn)V波器添加專門的組件以增加衰減總是會(huì)導(dǎo)致所需波長(zhǎng)的一些傳輸損耗，并降低系統(tǒng)的總光通量。因此，設(shè)計(jì)用于阻塞的策略旨在為特定應(yīng)用提供傳輸和衰減之間的平衡。例如，阻擋可能被設(shè)計(jì)為僅在符合檢測(cè)器靈敏度的波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供衰減，同時(shí)允許光能傳輸?shù)綑z測(cè)范圍之外。

在帶通干涉濾光片中，例如圖 7 中所示的雙腔示例，可以通過(guò)添加多層薄膜阻擋結(jié)構(gòu)來(lái)提供與通帶（在長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)）相鄰的阻擋。對(duì)于圖 7 所示的理論濾波器，金屬-電介質(zhì)混合阻塞濾波器執(zhí)行此功能。在具有類似設(shè)計(jì)的典型商業(yè)產(chǎn)品中，多層阻塞濾波器將通帶長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)的透射率限制為大約 0.01%。通常，必須根據(jù)過(guò)濾器目標(biāo)性能要求和生產(chǎn)更復(fù)雜組件的更高成本來(lái)權(quán)衡更大的阻塞水平和隨之而來(lái)的整體傳輸損失之間的折衷。

還可以通過(guò)使用吸收組件來(lái)進(jìn)一步減少或消除不需要的波長(zhǎng)，這些組件通過(guò)在特定波長(zhǎng)區(qū)域中衰減同時(shí)繼續(xù)傳輸所需波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。吸收性有色玻璃通常用于抑制干涉濾光片通帶短波長(zhǎng)側(cè)的透射。這種玻璃元件既可以用作干涉涂層的基材，也可以在制造后層壓到濾光片組件上（見(jiàn)圖 7）。薄膜涂層材料，包括電介質(zhì)和金屬，也可用于通過(guò)吸收提供衰減。除了吸收性玻璃組件外，還可以在濾光片組裝過(guò)程中將染料添加到光學(xué)膠中，以為濾光片系統(tǒng)的主要帶通特性提供補(bǔ)充吸收值。

盡管吸收材料對(duì)于某些阻塞和衰減功能是理想的，例如與通帶相鄰的短波長(zhǎng)阻塞，但它們的規(guī)格不一定適用于所有應(yīng)用。在許多情況下，吸收介質(zhì)不能提供必要的透射度、吸收水平或截止過(guò)渡曲線。此外，這些材料由于過(guò)度吸收能量，通常容易受到溫度升高的影響，這可能導(dǎo)致顯著的波長(zhǎng)偏移或?qū)鈱W(xué)系統(tǒng)的物理?yè)p壞。

為了提供更高水平的性能（盡管成本更高），通常采用介電薄膜涂層來(lái)擴(kuò)展整個(gè)設(shè)計(jì)光譜區(qū)域的衰減。為主要干涉結(jié)構(gòu)提供補(bǔ)充過(guò)濾，這些額外的介電涂層可以應(yīng)用于基板并層壓到過(guò)濾器組件上。幾個(gè)阻塞組件，可以是長(zhǎng)通、短通或非常寬的帶通，可以組合起來(lái)在所需的光譜區(qū)域提供高透射率，同時(shí)在初級(jí)涂層“泄漏”不需要的波長(zhǎng)的區(qū)域產(chǎn)生高反射率。圖 10 說(shuō)明了主要帶通濾波器的頻譜特性，其中添加了幾個(gè)阻塞組件以擴(kuò)展衰減范圍。

許多選項(xiàng)可用于自定義干涉濾波器性能。使用全介電涂層的一種流行替代方法是包括金屬薄膜帶通涂層。這種策略更簡(jiǎn)單，因?yàn)閱蝹€(gè)涂層元件通常會(huì)將衰減擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域。金屬涂層的主要缺點(diǎn)是它們具有吸收性，并且可能會(huì)將所需通帶中的透射率降低到 10% 到 60% 之間的水平。相比之下，類似的全介電濾波器通常允許通帶區(qū)域中的傳輸值為 45% 到 85%。

擴(kuò)展單涂層濾波器衰減區(qū)域的兩種常用策略稱為阻塞優(yōu)化和阻塞。為優(yōu)化阻塞而設(shè)計(jì)的濾波器通常與光譜靈敏度有限的檢測(cè)器一起使用，而阻塞則應(yīng)用于與表現(xiàn)出全范圍光譜靈敏度的檢測(cè)器一起使用的濾波器。設(shè)計(jì)用于優(yōu)化阻塞特性的濾波器將通帶短波長(zhǎng)側(cè)的有色吸收玻璃元件與通帶長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)的介電反射器結(jié)合在一起。阻塞的濾波器設(shè)計(jì)利用金屬薄膜帶通涂層，通常輔以有色玻璃組件以增強(qiáng)短波長(zhǎng)的衰減。

大多數(shù)干涉鍍膜設(shè)計(jì)為過(guò)濾垂直入射角的準(zhǔn)直光（鍍膜垂直于光路）。光以與濾光片表面法線不同的角度入射會(huì)產(chǎn)生多種影響：中心波長(zhǎng)移至較低值，這對(duì)于兩個(gè)正交偏振分量不同，總透射率降低，帶寬增加。光學(xué)設(shè)計(jì)人員必須考慮這些因素，以便在相對(duì)于法線的顯著角度使用的組件（例如分束器）以及當(dāng)濾光片未按預(yù)期方向?qū)R時(shí)用戶。對(duì)于采用干涉涂層的邊緣和帶通濾波器，都觀察到傾斜角的影響。對(duì)于距法線小于約 25 度的入射角，對(duì)透射率和帶寬的影響可以認(rèn)為是最小的。然而，波長(zhǎng)漂移很重要，有時(shí)會(huì)被用來(lái)精確調(diào)諧窄帶濾波器的中心波長(zhǎng)。這當(dāng)入射角偏離法線時(shí)發(fā)生的偏振分裂非常重要，雖然它可以在某些應(yīng)用中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，但通常被認(rèn)為是干涉涂層的不良特性。與角度相關(guān)的偏振是主要限制因素，可防止 45 度雙色分束器的切入躍遷與在法向入射時(shí)使用的邊緣或帶通濾光器的切入躍遷一樣陡峭。干涉濾光片引起的偏振效應(yīng)根據(jù)入射到濾光片上的光在透射之前是已經(jīng)偏振還是未偏振而采取一些不同的形式（參考圖 11 進(jìn)一步討論）。

考慮到干涉濾光片由一系列具有精確控制的光學(xué)厚度的介電層（可能還有金屬）組成，可以理解濾光片角度相對(duì)于光路的特性變化。增加入射角會(huì)增加層的（表觀）光學(xué)厚度，并且還會(huì)減少干涉光波之間的相位差。對(duì)于單層和多層介電涂層以及結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的干涉濾光片，隨著入射角的增加，透射和反射光譜向較短的主波長(zhǎng)移動(dòng)。配合一些濾光片（如二色分光鏡和帶通濾光片），在傾斜入射角下向更短波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變被有意用作微調(diào)主波長(zhǎng)的機(jī)制。以相對(duì)較大的傾斜角為例，a665LP（長(zhǎng)通）濾光片（665 納米處峰值透射率的 50%）在 45 度入射角時(shí)與605LP濾光片相同。

當(dāng)濾光片傾斜時(shí)觀察到的中心波長(zhǎng)減少是薄膜折射率和入射角的函數(shù)。通過(guò)對(duì)干涉涂層的有效折射率使用單一值，主波長(zhǎng)偏移與入射角之間的關(guān)系簡(jiǎn)化為角度為θ的準(zhǔn)直光的以下表達(dá)式（適用于小于25度的角度）：

其中λ（θ）是在發(fā)病率，的角度的主波長(zhǎng)θ，和λ（0）是在法向入射（0度）的主波長(zhǎng)。外部介質(zhì)的折射率（指定為n(0)；空氣為 1.0）和過(guò)濾器的有效折射率 (n) 是等式中的其余變量。

干涉濾光片的有效折射率由涂層材料及其沉積順序決定，這些因素可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中控制。當(dāng)常見(jiàn)的介電材料（如硫化鋅和冰晶石）用于構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)可見(jiàn)光和近紅外帶通濾波器時(shí)，有效折射率的實(shí)驗(yàn)值通常為 1.45 或 2.0，具體取決于間隔層是由低或高折射率材料。為隔離層選擇的材料是過(guò)濾器設(shè)計(jì)者可用于將過(guò)濾器性能與特定應(yīng)用相匹配的重要變量。包括高指數(shù)間隔物（例如硫化鋅）有助于地減少波長(zhǎng)隨入射角的偏移，而低指數(shù)間隔材料（通常是冰晶石）可實(shí)現(xiàn)更高的透射率和更窄的通帶寬度。在實(shí)踐中，由于實(shí)際折射率的變化等因素，觀察到的波長(zhǎng)偏移可能與計(jì)算值略有不同。如果入射角很大（大于大約 30 度），透射率變得明顯取決于偏振，并且通帶特性偏離到可以觀察到不止一個(gè)透射峰的程度。

由于非法向入射角引起的偏振變化是大多數(shù)光學(xué)配置中的次要因素，但在某些干涉濾光片應(yīng)用中是一個(gè)重要的考慮因素。雖然可以設(shè)計(jì)干涉涂層來(lái)最小化偏振效應(yīng)，但不能消除；如前所述，可以在一些儀器技術(shù)中有利地利用兩個(gè)正交偏振光分量之間的特性差異。在大于法線的角度下，平行于包含入射和反射光線的平面振動(dòng)的光波（p偏振）表現(xiàn)出與垂直于入射和反射平面振動(dòng)的波（s偏振）不同的透射分布）。圖 11 顯示了長(zhǎng)通和帶通濾光片的透射曲線，其中光以 0 度入射，非偏振光以 45 度入射，以及兩個(gè)正交偏振分量以 45 度入射。s 偏振光和 p 偏振光過(guò)濾的顯著差異是顯而易見(jiàn)的。曲線還表明，非偏振光在大 45 度入射角處表現(xiàn)出向較短波長(zhǎng)的顯著偏移，并且在主峰的短波長(zhǎng)側(cè)有一個(gè)額外的透射峰。一個(gè)重要的實(shí)際考慮是，如果設(shè)計(jì) 45 度二色鏡以反射在 s 平面偏振的特定激光線，則對(duì)于相同的 p 偏振光或隨機(jī)偏振光，其性能將有所不同。波長(zhǎng)。

干涉現(xiàn)象的性質(zhì)，如應(yīng)用于薄膜干涉濾光片結(jié)構(gòu)，無(wú)論哪一側(cè)面向光源，都會(huì)產(chǎn)生相同的光譜性能，至少在通帶內(nèi)和附近的透射率方面如此。然而，因?yàn)榇蠖鄶?shù)帶通干涉濾光片是用吸收性輔助阻塞元件構(gòu)成的，所以濾光片的每一側(cè)通常會(huì)有明顯不同的外觀。一側(cè)通常會(huì)出現(xiàn)鏡面反射或高度反射，并且?guī)缀鯚o(wú)色，而另一側(cè)可能會(huì)出現(xiàn)深色或不透明。在大多數(shù)應(yīng)用中，過(guò)濾器的方向應(yīng)該是高反射性的金屬狀表面面向輻射源。在這個(gè)配置中，過(guò)濾器拒絕的大部分輻射會(huì)從過(guò)濾器組件的內(nèi)部組件反射出去，從而限度地減少吸收玻璃元件的熱量并減少組件上的熱應(yīng)力。制造商通常會(huì)在濾光片邊緣放置箭頭或類似標(biāo)記，以指示光路中的正確方向。

干涉涂層生產(chǎn)方法

干涉濾光片的構(gòu)造依賴于在具有合適光學(xué)特性的支撐基板上精確沉積極薄的材料層。薄膜生產(chǎn)技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜而廣闊的領(lǐng)域，是電子和光學(xué)行業(yè)的重要組成部分。這里只提供了用于生產(chǎn)干涉濾光片的方法的一般總結(jié)。用于薄膜干涉涂層的材料選自具有適合目標(biāo)應(yīng)用的光學(xué)特性的有限組。感興趣波長(zhǎng)的透射、折射和吸收特性必須適當(dāng)。此外，蒸發(fā)和冷凝特性是涂層過(guò)程中需要考慮的重要變量。

薄膜光學(xué)涂層通常通過(guò)真空沉積工藝制造，例如真空蒸發(fā)或?yàn)R射。物理氣相沉積 ( PVD ) 工藝非常適合生產(chǎn)精密過(guò)濾器涂層，因?yàn)檫@種工藝的幾何形狀與厚度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制技術(shù)兼容。物理氣相沉積是一種原子過(guò)程，其中從固體源蒸發(fā)的材料以氣相傳輸通過(guò)真空或低壓氣體或等離子體環(huán)境，然后冷凝到基材上。通過(guò)熱阻或電弧蒸發(fā)、濺射和離子鍍技術(shù)進(jìn)行真空沉積是 PVD 工藝。

無(wú)論沉積薄膜涂層的蒸汽生產(chǎn)方法如何，制造過(guò)程的某些方面都是相似的。許多未涂層的基板被放置在一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)高真空的大腔室中（如圖 12 所示）。在單個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行中要蒸發(fā)和沉積的每種材料的源在抽真空之前放置在腔室中。多層涂層通常在不打開(kāi)真空室的情況下連續(xù)沉積。在大多數(shù)情況下，基板安裝在允許它們以行星運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的設(shè)備上，從而使每個(gè)基板最均勻地暴露在蒸汽中。仔細(xì)控制源材料的蒸發(fā)速率和沉積條件，例如溫度、壓力和源-基板幾何形狀，會(huì)導(dǎo)致蒸汽云均勻地凝結(jié)在旋轉(zhuǎn)的基板上，從而形成連續(xù)的薄膜涂層。

隨著沉積的進(jìn)行，增加的薄膜厚度被光學(xué)監(jiān)測(cè)，當(dāng)達(dá)到精確的所需光學(xué)厚度時(shí)，基板被屏蔽或停止蒸發(fā)。多層涂層通常由多達(dá)一百層組成，通過(guò)用兩種或多種按所需順序沉積的材料重復(fù)涂層循環(huán)來(lái)生產(chǎn)。用于控制薄膜沉積的光學(xué)監(jiān)控過(guò)程利用了與生產(chǎn)濾光片涂層相同的干涉特性。在鍍膜周期中，特定波長(zhǎng)的監(jiān)控光束穿過(guò)真空室并入射到空白參考基板上。從基板反射的光由相位敏感的光電倍增管裝置檢測(cè)。隨著空白基板上沉積層的厚度增加，反射光的強(qiáng)度根據(jù)反射光束之間發(fā)生的干涉性質(zhì)而變化。當(dāng)相長(zhǎng)干涉和相消干涉的條件交替獲得時(shí)，反射強(qiáng)度以近似正弦波模式振蕩。交替強(qiáng)度曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)代表監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)處的四分之一波和半波光學(xué)厚度，這些點(diǎn)由中間厚度值分隔。每層的沉積由監(jiān)測(cè)電路在適當(dāng)?shù)姆瓷渎手堤幗K止。當(dāng)相長(zhǎng)干涉和相消干涉的條件交替獲得時(shí)，反射強(qiáng)度以近似正弦波模式振蕩。交替強(qiáng)度曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)代表監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)處的四分之一波和半波光學(xué)厚度，這些點(diǎn)由中間厚度值分隔。每層的沉積由監(jiān)測(cè)電路在適當(dāng)?shù)姆瓷渎手堤幗K止。當(dāng)相長(zhǎng)干涉和相消干涉的條件交替獲得時(shí)，反射強(qiáng)度以近似正弦波模式振蕩。交替強(qiáng)度曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)代表監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)處的四分之一波和半波光學(xué)厚度，這些點(diǎn)由中間厚度值分隔。每層的沉積由監(jiān)測(cè)電路在適當(dāng)?shù)姆瓷渎手堤幗K止。

盡管在真空沉積應(yīng)用中已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多用于蒸發(fā)涂層材料的技術(shù)，但其中只有兩種通常用于制造薄膜干涉濾光片。原來(lái)的方法，可以追溯到真空鍍膜技術(shù)的初始開(kāi)發(fā)和仍然被廣泛使用，依賴于電阻性熱蒸發(fā)通過(guò)小的折疊的條狀物直接加熱（或船) 含有涂層材料的鎢、鉬或鉭。通過(guò)在舟皿中通入高電流，涂層材料被熱蒸發(fā)并遷移通過(guò)真空室，重新凝結(jié)成基材上的薄膜。熱蒸發(fā)存在許多問(wèn)題。主要的困難是熔化有用的涂層材料所需的高溫，這會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)，導(dǎo)致沉積膜受到污染。此外，許多具有理想光學(xué)特性以及高耐用性和透明度的材料都是歷用于制造玻璃和陶瓷的相同耐火氧化物。這些耐火材料的高熔點(diǎn)，特別是金屬氧化物，防止它們從金屬舟中蒸發(fā)，它們本身在較低的溫度下熔化。如果于這種蒸發(fā)技術(shù)，薄膜涂層只能由揮發(fā)性相對(duì)較高（中等熔點(diǎn)）的材料生產(chǎn)，不幸的是，這些材料的耐久性和環(huán)境耐受性較差。這些薄膜的低回彈性也使得生產(chǎn)需要許多涂層的復(fù)雜過(guò)濾器變得不切實(shí)際。

用于熔化或升華源材料的電子束槍的發(fā)展已經(jīng)緩解了電阻加熱技術(shù)中固有的許多問(wèn)題。 電子轟擊已成為光學(xué)薄膜生產(chǎn)的方法，使難熔金屬氧化物（如二氧化硅、鋁和鎂的氧化物）以及過(guò)渡金屬氧化物（包括氧化鈦和氧化鋯）的揮發(fā)成為可能。該方法包括將高通量電子束（在 10 千伏電勢(shì)下約 1 安培）聚焦到包含在大型冷卻坩堝中的涂層材料上。源材料的強(qiáng)烈局部加熱和蒸發(fā)避免了與相對(duì)較冷的坩堝發(fā)生任何反應(yīng)。此外，電子槍可以根據(jù)需要進(jìn)行聚焦以產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度以蒸發(fā)甚至具有極低揮發(fā)性的物質(zhì)。反應(yīng)蒸發(fā)）以提高工藝產(chǎn)量。

近年來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種新的制造技術(shù)，可以顯著改善通過(guò)物理氣相沉積方法生產(chǎn)的薄膜涂層的性能。被稱為高能 PVD 工藝，見(jiàn)的例子是離子輔助沉積、離子束濺射和反應(yīng)磁控濺射。在許多情況下，高能 PVD 方法可以制造出具有改進(jìn)特性的薄膜，包括更高的密度、更高的折射率、降低的光譜性能對(duì)溫度和濕度的敏感性以及優(yōu)異的機(jī)械特性（例如耐用性）。

離子輔助沉積是蒸發(fā)方法的一種改進(jìn)，它利用源材料的直接熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)。添加在涂布過(guò)程中用離子轟擊基材的高能離子源導(dǎo)致膜層中的堆積密度增加，并且伴隨著折射率的增加和涂布基材的機(jī)械特性的改善。更密堆積的薄膜中空隙的減少降低了吸水的可能性，吸水是機(jī)械故障和光學(xué)性能變化的常見(jiàn)原因。根據(jù)沉積的薄膜，可以采用各種離子種類，包括氧氣或惰性氣體，例如氬氣。

在離子束濺射技術(shù)中，高能離子源用于用高速離子轟擊金屬或電介質(zhì)氧化物靶。靶材的原子從靶材表面發(fā)生物理位移或?yàn)R射，其中一部分在涂層基材上凝結(jié)成薄膜。該工藝的一種變體，有時(shí)稱為雙離子束濺射，在生長(zhǎng)過(guò)程中添加第二個(gè)離子束，以類似于有時(shí)與蒸發(fā)技術(shù)一起使用的離子輔助轟擊的方式，用氧氣、氬氣或其他氣體轟擊薄膜。

第三個(gè)高能 PVD 工藝，即反應(yīng)磁控濺射，已應(yīng)用于干涉涂層的生產(chǎn)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以制作出具有與離子束濺射薄膜相當(dāng)?shù)睦硐胩匦缘谋∧ぃ练e速率要高得多。反應(yīng)磁控濺射采用金屬或半導(dǎo)體靶的直流磁控濺射來(lái)產(chǎn)生薄膜，該薄膜與基材反應(yīng)形成所需的氧化物層。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了改進(jìn)工藝的變化，包括在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)襯底的氧離子轟擊。

多種基材材料可用于制造薄膜干涉濾光片，選擇它們以滿足其預(yù)期應(yīng)用的光學(xué)和機(jī)械要求，以及它們的物理特性與所需涂層材料的兼容性。對(duì)于各種應(yīng)用中的光學(xué)基板材料而言，重要的特性包括感興趣的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透射率、熱膨脹系數(shù)、密度和抗激光損傷。材料還應(yīng)耐化學(xué)腐蝕，以及機(jī)械和熱沖擊。一些較常見(jiàn)的光學(xué)基板材料有氟化鎂、氟化鈣、Suprasil 1（各種熔融石英的商品名）、紫外線級(jí)熔融石英、Infrasil 301（低羥基含量的天然熔融石英產(chǎn)品的商品名）、 水晶石英、BK7（一種硼硅酸鹽光學(xué)玻璃）和藍(lán)寶石。

激光掃描共聚焦系統(tǒng)的其他注意事項(xiàng)

掃描共聚焦技術(shù)的實(shí)施對(duì)熒光成像中使用的光學(xué)元件提出了許多額外要求，包括作為熒光組一部分的干涉濾光片。使用激光照明時(shí)的一個(gè)常見(jiàn)誤解是特定的激光只產(chǎn)生一種波長(zhǎng)的光。實(shí)際上，幾乎每個(gè)激光器都會(huì)從多個(gè)波長(zhǎng)的散射中產(chǎn)生額外的諧波和光。盡管這些次要譜線的強(qiáng)度相對(duì)于主要譜線（或多條譜線）而言通常較低，但它們?nèi)詴?huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)信噪比特性。如果所需的發(fā)射線與噪聲位于相同的波長(zhǎng)區(qū)域，則通常較弱的熒光信號(hào)可以被諧波或散射光掩蓋。為了緩解這個(gè)潛在的問(wèn)題，在照明路徑中加入了一個(gè)激光凈化濾光片作為個(gè)光學(xué)元件。該濾光片實(shí)際上是激發(fā)濾光片的改進(jìn)變體，對(duì)于激光照明，需要研磨和拋光以達(dá)到高光學(xué)質(zhì)量。盡管寬場(chǎng)技術(shù)不需要在照明路徑中具有相同的精度，但對(duì)于共聚焦應(yīng)用，應(yīng)拋光凈化濾光片以顯示每英寸小于一個(gè)波長(zhǎng)的透射波前畸變。

同樣，清潔濾光片的楔形規(guī)格應(yīng)最小化（小于 1 弧分），以允許在同一光束路徑（多條激光線）中使用不同的濾光片，而無(wú)需重新調(diào)整光學(xué)元件。這種類型的濾光片通常采用層狀結(jié)構(gòu)制造，限度地提高反射特性，以避免強(qiáng)烈激光輻射對(duì)濾光片造成熱損壞。然后將凈化過(guò)濾器安裝在與垂直線（相對(duì)于光軸）成幾度角的位置，以防止過(guò)多的反射光重新進(jìn)入激光腔并造成損壞，從而縮短激光器壽命。典型的激光凈化濾光片旨在阻擋來(lái)自激光源的所有光，但通帶大約為 10 納米的光除外。

在共聚焦熒光應(yīng)用中，二色鏡或分束器還必須滿足比寬視場(chǎng)顯微鏡更嚴(yán)格的規(guī)范。透射波前畸變和楔形規(guī)格均不應(yīng)超過(guò)每英寸一個(gè)波長(zhǎng)。由于以一定角度放置在光束路徑中的任何光學(xué)元件都會(huì)引入偏振變化，因此對(duì)于二色鏡也必須考慮這個(gè)因素，特別是因?yàn)榇蠖鄶?shù)激光源都是偏振的。兩個(gè)正交偏振光束分量的不同分束器透射或反射分布可能導(dǎo)端情況，其中在一個(gè)方向偏振的光被反射，而在垂直方向偏振的相同波長(zhǎng)的光被透射。

共聚焦熒光系統(tǒng)中發(fā)射濾光片的功能與傳統(tǒng)寬視場(chǎng)顯微鏡中的功能相同，盡管必須阻止的激發(fā)輻射發(fā)生在較窄的光譜區(qū)域。與寬帶照明源（例如汞弧光放電燈）相比，激光激發(fā)線的功率增加可能需要針對(duì)主要激發(fā)波長(zhǎng)設(shè)計(jì)具有更嚴(yán)格阻擋規(guī)格的激光源濾光器。發(fā)射濾光片通常被研磨和拋光到用于寬場(chǎng)顯微鏡的精確光學(xué)規(guī)格，這通常也被認(rèn)為適用于共聚焦成像。對(duì)于共聚焦掃描系統(tǒng)中發(fā)射濾光片的嚴(yán)格要求的重要性存在一些分歧，它從光電倍增管檢測(cè)器信號(hào)中以串行方式逐個(gè)像素地形成圖像。由于保持共焦性和排除平面外信號(hào)所需的高精度，額外的精度可能有益于限制信號(hào)失真的程度。

結(jié)論

許多專門的顯微鏡技術(shù)顯著受益于這樣一個(gè)事實(shí)，即控制干涉濾光片操作的基本原理能夠在大而實(shí)用的范圍內(nèi)相對(duì)簡(jiǎn)單和精確地操縱濾光片光學(xué)特性。干涉濾光片技術(shù)成功的關(guān)鍵之一是制造方法的多功能性，這使得能夠?yàn)樵S多應(yīng)用生產(chǎn)種類繁多的濾光片。一旦通過(guò)計(jì)算機(jī)建模和模擬測(cè)試確定了設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，在某些情況下，可以通過(guò)制造變化來(lái)生產(chǎn)不同的過(guò)濾器，就像將不同的源材料加載到真空鍍膜系統(tǒng)中并重新編程鍍膜參數(shù)一樣簡(jiǎn)單。