文/Hooman Banaei，Sarah Locknar

光学滤光片是光学系统中最常见的组件之一，它能够让特定波长的光传输到样本或检测器，并且吸收或反射其余不想要的波长。尽管在过去的15年中，市场上已经出现了新的波长选择方法（如全息超材料和体布拉格光栅），但大多数成熟的滤光片公司仍在使用传统方法制造多层干涉滤光片。

所有干涉滤光片都由具有高折射率和低折射率的交替材料层组成；这些层的相对厚度决定了滤光片的光谱性能。传统的滤光片制造商使用真空镀膜室来制备每一层，一次制备一层。Everix Optical Filters公司使用聚合物热拉伸工艺，能够同时制备所有层，从而改变了干涉滤光片的传统制造模式（见图1）。

图1：在一个方向上拉动整个聚合物堆叠体通过加热区，以形成滤光片。（图片来源：Everix Optical Filters）

在干涉滤光片中，每一层界面都透射和反射一部分光，这会导致特定波长的相长和相消干涉，从而调节给定的光谱带是通过滤光片还是被滤光片反射。[1]大多数干涉滤光片都是用不吸收光的材料设计的，光要么被反射，要么被透射。

几十年来，制造商一直使用真空工艺来制备干涉滤光片。但现在，Everix公司正在完善一种高度可扩展的生产高性能塑料干涉滤光片的方法，该方法使用了一种类似于光纤拉丝的技术（见图2）。

图2：Everix Optical Filters公司的拉伸塔与光纤生产中使用的拉丝塔相似。（图片来源：Everix Optical Filters）

首先，将一个大的聚合物预制件按照正确的层组装在一起。然后，将该预制件加热并在一个方向上拉伸（热拉伸），以制成片材，该片材被光谱映射、检测并切割成滤光片。[2-5]在整个过程中控制多个变量，包括加热轮廓、速度、幅材张力等。Everix Optical Filters公司在这一领域拥有30多项专利，自2015年以来，该公司一直在不断改进这一工艺过程，以便在拉伸过程中同时监测和控制所有参数。

市面上也有制造性能较低、但尺寸较大的塑料滤光片的其他工艺，最常见的是用于大面积窗膜和显示器市场的滤光片生产。这些聚合物薄片是通过共挤压方式制备的，[6]并且还使用干涉物理来获得视觉上吸引人的反射表面，并执行基本功能，如红外（IR）阻挡。然而，这些滤光片主要用于美观目的或与其他更高性能的滤光片元件一起使用，因此它们的光谱要求比热拉伸滤光片宽松得多。

与真空方法的比较

最初于60多年前建立的基于真空的滤光片制造工艺，使用热蒸镀薄膜，通常用环氧树脂和盖玻片保护；而在过去的15-20年中，更现代的方法使用离子辅助和溅射在玻璃基板上生产坚硬的氧化膜。

早期的层压滤光片通常厚度有几毫米，具有几个层，包括玻璃层、涂层和环氧树脂层，以获得所需要的光谱。表面带有涂层的滤光片要薄得多，厚度通常为1~2mm，但容易受划痕、碎屑、破损和表面污染的影响。相比之下，Everix的滤光片是由聚合物层形成并嵌入其中的，这些聚合物层非常薄，并且具备一定的柔性，对碎屑和破损不太敏感。此外，由于干涉层嵌入到较厚的丙烯酸覆盖物之间，覆盖物中的小划痕不会影响整体性能。滤光片的总厚度通常为0.05~0.5mm。

表1：真空镀膜和热拉伸方法的比较

真空沉积和拉伸聚合物滤光片都使用相同的原理（数百层之间的干涉），因此任何一种方法都可以获得优异的性能（见表1）。然而，新的热拉伸方法还带来了如下好处：

（1）提升速度。如上所述，真空沉积方法可能需要几天时间才能完成一批滤光片制作，尤其是在生产复杂设计的时候。特别需要指出的是，溅射方法非常缓慢。相比之下，新方法将聚合物预制件组装成一个整体，并且能通过一步过程创建滤光片，在几个小时内就能从预制件变成滤光片。

（2）可扩展性。真空室的容量通常约为1m2，这限制了一次真空沉积工艺能够制造的滤光片的数量。使用Everix工艺，预制件的尺寸决定了生产批量的大小，因此这种生产方式具有简单且灵活的可扩展性。

（3）灵活性。除了滤光片拉伸能力外，Everix的新方法还可以利用其他在线处理方法，包括在线光谱测量和激光切割。Everix使用CNC激光切割工艺，几乎可以在几分之一秒内切割出客户想要的任何形状。激光切割机还能密封滤光片的边缘，这样即便是随着时间的推移，滤光片也不会分层。Everix公司已经花了数年时间不断完善其滤光片的激光切割工艺，以最大限度地减少边缘影响并生产密封边缘。

相比之下，真空镀膜的滤光片在进行光谱测量之前必须从生产设备中卸载下来。此外，这种方法通常使用标准的玻璃切割技术，如机械切割（划片）和钻芯，因此当定制形状时就更难实现良好的生产效率。特别地，钻芯是一个非常缓慢的过程，包括将滤光片夹在牺牲层之间以减少边缘碎屑，然后用孔锯切割，最后再解夹和清洁。

（4）外形因素。由于热拉伸滤光片缺少基底，因此它们比典型的玻璃基干涉滤光片薄2-10倍（见图3）。它们的重量也更轻，除了因为它们的厚度更薄之外，还因为它们主要由光学级丙烯酸（一种比玻璃轻得多的材料）制成。

此外，滤光片可以添加粘合剂背衬，也可以用环氧树脂粘合到其他部件上，以实现独特的光学设计。最后，众所周知，干涉滤光片表现出作为入射角（AOI）的函数的蓝色光谱偏移。因为它们是由热塑性塑料制成的，所以Everix滤光片可以3D成型，以减少或消除光谱上的AOI影响。

图3：Everix滤光片非常薄且无基材。（图片来源：Everix Optical Filters）

与吸收滤光片的比较

最古老的光学过滤方法是吸收滤光片，用于制造教堂窗户和装饰艺术中使用了数千年的“彩色玻璃”，后来又被科学家和工程师使用。在真空室和干涉滤光片出现之前，这种方法是波长选择的唯一选择。虽然吸收滤光片没有表现出显著的AOI效应，并且可以成功地用于长波长范围的阻断，但是它们的使用受到发色团在基质中的溶解度和合适发色团可用性的限制。

许多干涉滤光片公司将彩色吸收滤光片玻璃与干涉堆叠结合使用，用于长波长范围的阻挡。将干涉层直接沉积在彩色玻璃上，或者将过滤基板用环氧树脂粘合到彩色玻璃上，以提供所需的阻挡。相比之下，Everix及其定制材料供应商制作了定制的染料掺杂塑料，直接将其融入到聚合物滤光片的设计中。这些混合滤光片将吸收和干涉[7]结合在一个单元中。因为它们是密封的，因此聚合物吸收滤光片不会表现出降解（就像许多彩色玻璃中常见的表面起雾一样）。

Everix为消费市场（如AR/VR、可穿戴健康监测）、微型和护理点诊断（如内窥镜、便携式PCR机）、物联网和其他低成本、轻量传感器（如一次性食品传感器、无人机上的传感器）等应用，大规模提供高性能滤光片，并且以更轻的重量、更薄的外观和更低的成本服务这些市场。

参考文献

1. H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, Fourth ed., Boca Raton, FL: CRC Press (2010). 

2. E. Banaei, “Method of thermally drawings structured sheets,” U.S. Patent 10,287,203 B2 (May 14, 2019).

3. E. Banaei, “Method of thermally drawing structured sheets,” Europe Patent EP2 958 865 B1, (Apr. 28, 2021).

4. E. Banaei, “Method of thermally drawing structured sheets,” U.S. Patent 9,994,476 B2 (Jun. 12, 2018).

5. E. Banaei, “Method of thermally drawing structured sheets,” U.S. Patent 9,597,829 B2 (Mar. 21, 2017).

6. Y. N. F. C. N. Furuno, “Apparatus and method for manufacturing laminated sheet,” U.S. Patent US 2008/0277059 A1 (2008).

7. E. Banaei, J. Boga, and C. Bisson, “Flexible, ultra-thin, hybrid absorptive-reflective thin-film filters and methods of making the same,” U.S. Patent 11,435,508 B2 (Sep. 6, 2022).