带通滤光片的应用和基本结构

带通滤光片的应用

人脸识别技术在手机上的率先使用可以追溯到苹果公司的iPhone X。这款手机在发布时，首次引入了Face ID人脸识别技术，该技术通过前置的原深感摄像头系统获取用户的面部轮廓，并通过对比数据来判断用户是否为手机的主人。

原深感摄像头系统工作时，点阵投影器中的VCSEL激光器发射一束波长较为单一的激光。光通过衍射光栅变为数万束光投射到人脸上，红外镜头捕捉反射光后结合前置摄像头的彩色图像，手机便能快速构建出面部三维模型。

我们注意到在以上识别过程中，红外镜头要接收分析的是点阵投射器发射的激光。而环境光会带来不小的干扰。所以一方面，点阵投射器的激光选择的是环境中较少的940nm光源，另一方面在红外cmos前增加一个只允许该波长附件的光通过的滤光片来过滤其他环境光。

这种特性的滤光片即为带通滤光片。又因为在人脸识别系统中使用的带通滤光片的透过带波长范围较小，固常称其为窄带滤光片。

带通滤光片在人脸识别和激光雷达等领域运用十分广泛。它的基本结构形式为法布里-珀罗干涉仪。下面让我们从法布里-珀罗滤光片谈起，看看带通滤光片是怎样一步一步发展完善的。

法布里一珀珞滤光片

说法布里-珀罗滤光片前，我们先谈谈法布里-珀罗干涉仪，它是一种由两块相同的间距为d的平行玻璃反射板组成的多光束干涉仪，其中两块玻璃板相对的内表面都具有较高的反射率。对于平行光线,除了一系列按相等波数间隔分开的很窄的透射带以外,其余所有波长的透射率都很低。

这个结构可以代换成一个完全的薄膜组合——两个金属反射层夹一个介质层。介质层取代间距 d 的位置,因而称之为间隔层。除了间隔层具有大于 1的折射率以外,这种薄膜滤光片的特性分析与常用的法布里-珀罗标准具(间隔层固定的法布里-珀罗干涉仪)是完全相同的这种简单的滤光片称为金属-介质法布里一珀珞滤光片。

法布里-珀罗干涉仪结构

金属-介质法布里一珀珞滤光片

金属-介质法布里一珀珞滤光片只允许特定波段的光通过，是最简单的带通滤光片，其允许通过的光波长和介质间隔膜层厚度有关。金属膜层的吸收较大，在光通过金属膜层和在金属膜层反射的过程都将导致光强度的损失，这导致了滤光片的最大透过率较低。使用多层低吸收的介质膜代替金属反射膜则能大幅地提升滤光片的透过性能。这种滤光片我们称其为全介质法布里一珀珞滤光片。

多半波滤光片

常规的法布里一珀珞滤光片透过带是一个接近等腰三角形的结构，这种结构导致我们需要的很大一部分光都被反射出去(或者说有一些我们不需要的光透过了滤光片)。理想的曲线应该是接近矩形的透过率分布。

当我们把两个或更多的法布里一珀珞滤光片串置起来，我们发现，透过率曲线得到明显的改善(接近矩形)。继续串置更多的滤光片，性能还能继续提升。这种由多个法布里一珀珞滤光片串置起来的滤光片称为多半波滤光片。

实际使用的带通滤光片

在多半波滤光片的基础上，我们借助于膜系设计软件对整个滤光片的膜层厚度进行优化，优化之后滤光片的透过率曲线不但形状进一步改善，还可以选择性地获得一些其它特性，例如相对较小角度偏移(不同入射角度下透过带的偏移)亦或者更宽的截止等。

而以下为我们优化后的带通滤光片透过曲线。

用于3D人脸识别的窄带滤光片透过光谱

用于1550车载激光雷达使用的窄带滤光片

现在，你得到了一个优秀的带通滤光片。这世界的纷纷扰扰尽被隔离在外，而你仅需专注于分析你眼前的事物而不受任何干扰。滤光片后的世界竟是如此纯粹!

微纳研究所

水晶光电微纳研究所，专注于微纳光学新产品市场技术调研及研发工作。通过自编算法与设计，配备同行业高端设备，具备芯片镀膜、晶圆光刻、干/湿法刻蚀、纳米压印等核心技术开发和量产能力。目前微纳所已开发的产品包括DOE、扩散片、PBS偏振片、超透镜等，广泛应用于消费电子、车载HUD等领域，可以根据客户需求提供从产品设计开发到量产制造一站式服务。