在光学实验中，我们常常会用到各种滤波片。

简单来说，滤波片就像是一个“光的筛子”，它可以选择性地让特定波长或颜色的光通过，同时阻挡其他不需要的光。这种作用能帮助我们净化光信号、提高测量精度，或实现特定功能，比如在显微镜下观察荧光样本时，滤波片可以隔离出目标荧光，让图像更清晰。滤波片种类繁多，从简单的彩色玻璃片到精密的超窄带滤光片（带宽≤1 nm），它们在不同的应用中扮演着关键角色。

01 光学滤波片的发展历史与起源

现代意义上的滤波片发展主要始于19世纪和20世纪的光学革命。其核心需求源于人类对光控制的追求——例如，在摄影、天文观测和科学实验中，需要选择性过滤特定颜色的光以提升图像质量或测量精度。

1）、早期阶段（19世纪以前）

自然材料的使用：早期人们使用有色玻璃、矿物或染料涂层来简单过滤光，比如古罗马时期用彩色玻璃制作装饰品，但这更多是经验性的，缺乏精确控制。

科学启蒙：17世纪牛顿的光谱实验揭示了光的色散特性，为滤波片原理奠定了基础，但当时技术有限，滤波片主要是被动式的吸收型滤光片。

牛顿色散实验概念图（图源：百度百科）

2）、关键突破（19世纪末至20世纪中期）

干涉原理的引入：19世纪末，物理学家法布里和珀罗发明了法布里-珀罗干涉仪，这为干涉滤波片提供了理论与实验支持。

薄膜镀膜技术：20世纪中叶，真空镀膜和化学气相沉积等技术的发展，使得多层介质膜滤波片成为可能。研究人员开始制作带通滤波片，用于军事和科研（如雷达和光谱仪），实现了纳米级带宽控制。

应用驱动创新：二战期间，滤波片在光学瞄准器和通信系统中得到应用；战后，随着激光技术（1960年代）和光纤通信的兴起，滤波片需求激增，推动了超窄带滤波片（带宽<1 nm）的开发。

3）、现代发展（20世纪末至今）

材料与工艺进步：采用离子束溅射、纳米技术等，滤波片性能不断提升，如高透射率、低热漂移和定制化设计。

跨领域融合：滤波片现已广泛应用于光谱分析、生物医学成像、天文观测和量子技术等领域。例如，超窄带滤波片支持了哈勃太空望远镜的深空探测和现代5G光通信。

02 光学滤波片的筛选原理

光学滤波片通常由多层薄膜堆叠而成，这些薄膜的厚度和折射率经过精心设计，以利用光的干涉效应来控制透射光。简单来说，干涉是光波叠加的结果：当光波相遇时，如果相位相同，会相互增强（相长干涉），导致透射；如果相位相反，会相互抵消（相消干涉），导致反射或吸收。高折射率材料层(H)和低折射率材料层(L)交替堆叠如图1所示。

图1 干涉滤光片结构图：(a) 带通滤波器结构，(b) 截止滤光片结构 HLH；(c) 截止滤光片结构 LHL；其中H 层和 L 层的光学厚度均为四分之一波长(λ/4)^[1]

基于图1(a)所示的器件原理结构和参数定义，可以得到关于透射光谱的方程：

其中：η₀表示入射介质光纳，η_g表示基底光纳，η_H表示高折射率层光纳，η_L表示低折射率层光纳。通过公式可以看出，通过改变H和L的层数、H和L的折射率、中心传播通道的厚度，可以对输出光信号的半高宽、自由光谱区域和透射率进行优化研究^[1]。

增加薄膜的层数（如从几层到几十层）通常能产生更尖锐的干涉峰，增强干涉效应，从而精确限制通过的波长范围。而使用高折射率和低折射率材料交替堆叠（如二氧化钛和二氧化硅），可以增大干涉对比度。同时，薄膜厚度越均匀，公差越小滤波片精度更高。

03 光学滤波片的典型应用与实例

1、高光谱成像技术

高光谱相机可将成像技术与光谱探测技术相结合，在对目标空间特征成像的同时，可以对每个空间像元形成多个窄波段实现连续的光谱覆盖，不同光谱信息能充分反映地物内部的物理结构、化学成分的差异。

与传统的空间二维成像相比，高光谱相机可以同时获取目标的空间和光谱信息，在一定的空间分辨率下，能够获取宽谱段范围内地物独有的连续特征光谱，对地物的精准识别和探测具有显著优势。

目前基于滤光片分光原理的高光谱相机以大幅宽、高空间分辨率、高光谱分辨率和轻小型的优势成为高光谱遥感载荷的重要组成部分，在微纳卫星高光谱星座组网中获得广泛应用。

图2 高光谱成像原理示意图^[2]

基于滤光片型的高光谱相机（图2）具有系统结构形式简单、体积小、质量轻、空间分辨率高、灵活性好等优点^[2]。

旋转滤光片型高光谱相机：光片轮高光谱相机的结构如图3所示，它是以滤光片轮为分光元件，通过转动滤光片轮获得不同波段的光谱图像，从而完成复色光到单色光的分光。滤光片轮通常是将一组具有不同波长透过率的窄带滤光片固定在轮式结构上，每曝光一次采用一个滤光片。控制滤光片轮的旋转速度，使其转动频率与传感器采样频率同步，从而保证每个滤光片对应的谱段都能在传感器上成像^[3]。

图3 旋转滤光片型成像光谱仪结构图^[3]

美国航空航天局研制的JWST，其上搭载的MIRI中波红外相机-光谱仪和NIRSpec近红外多目标光谱仪都用到了滤光轮。NIRSpec将滤光轮与光栅轮进行组合使用，其中滤光轮的主要作用是将光波分解为不同组分，再结合光栅轮进行更为精细的光谱分析。图4为NIRSpec所用滤光轮的示意图。

4 (a) NIRSpec所用滤光轮的示意图；(b) 滤光轮辅助结构图^[2]

滤光轮在MIRI中主要起连通成像、光谱的作用。该滤光轮主要分为18个通道，包括十个成像滤光片、四个日冕滤光片、一个中性密度密度滤光片、一个双棱镜、一个透镜、一个与棱镜配重的明暗位置^[2]。

光品汇可提供适用于高光谱相机的带通成像滤光片以及渐变中性密度滤光片，性能稳定优越，具体参数如下：

带通滤光片：入射角0°，商城现货产品

部分带通滤波片光谱图曲线如下：

连续型中性密度滤光片

2、地基自适应光学天文望远镜

超窄带滤光片可应用于地基自适应光学天文望远镜（见图5）。

图5 地基天文望远镜

地基自适应光学天文望远镜中使用的激光导星技术，其基本原理为^[4]：由地面向空中目标发射冲激光，利用低空大气的瑞利散射或钠层的共振散射产生的回光作为波前传感的人工信标。激光在大气传输过程中的光束发散，以及很低的瑞利散射效率和钠共振发射效率，使得最终接收到的光的信噪比较低，很难探测^[5]。因此，提高强背景噪声下对弱光的探测能力是这一技术的关键。

采用滤光片也是激光导星实验中能提高信噪比的有效途径之一。原本噪声较大的返回光，在经滤光片滤光后，噪声被削弱。在抑制噪声的过程中，若滤光片的通光带宽远远大于信号光的宽度，那么经过滤光后进入探测器的光将可能含有较大的噪声，从而引起探测器不能较好地成像。激光器的输出功率密度不可能是无限的，在有限的激光能量输出下，超窄带滤光片带宽足够窄、中心波长透过率足够高将会在一定程度上解决激光导星系统中对弱光的回光探测问题。

3、波分复用技术

波分复用（WDM）技术可以使不同波长的光信号在同一根光纤中传输而互不干扰，从而使得光通信的信息容量成倍增加，已成为5G主流技术方案。

在众多的波分复用方案中，细波分复用（LanWDM，即LWDM）以其工作波长位于零色散附近、色散小、稳定性好、可靠性高等优势被广泛研究与应用。超窄带滤光膜凭借带宽窄、通带小、插入损耗低、截止带透射隔离度大等优点，成为了现代光通信技术关键元件——复用与解复用器的重要组成部分^[6]。

光品汇可提供半带宽≤1 nm，OD≥6的高性能超窄带滤光片。超窄带滤光片具有极高的波长选择性，能够精准分离相邻波长的光信号，适用于高精度要求的应用。

具体参数如下：

04 不同种类滤波片的选型技巧

光学滤波片基于透过波段一般可分为带通滤波片、边通滤波片、陷波滤波片等。下表清晰地对比了它们的核心特性，以便快速了解其区别。

光学滤波片是光学世界中的“智能门卫”，在科研和生活中发挥巨大作用。这些滤波片虽小巧，却是现代科技如医疗成像、环境监测和量子通信的幕后功臣，让光为我们所用。

参考文献：

[1]李杰, 张永琪, 王雪萍, 于淼, 王晓华, 孙德贵. 平面传播宽光谱–窄带通滤波片的优化设计与研究[J]. 应用物理, 2025, 15(2): 82-90. 

[2]刘春雨, 丁祎, 刘帅, 樊星皓, 谢运强. 滤光片分光型高光谱相机发展现状及趋势（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(1): 20210981. 

[3]曹丛峰, 方俊永, 赵冬. 基于滤光片阵列分光的无人机载多光谱相机研制[J]. 光学技术, 2018, 44(1): 51. 

[4]熊耀恒.用于自适应光学系统的激光引导星[J]. 天文学进展,2000,18(1):1~8

[5]D.G.Voelz,J.F.Belsher,LauraUlibarri etal...Groundtospacelaserimaging:review2001[C]. SPIE, 2002, 4489:35~47

[6]张静, 刘海成, 付秀华, 王升耆, 王一博, 刘俊岐, 张天翔, 杨飞, 李刚. 5G通信LWDM窄带滤光膜的研制[J]. 中国激光, 2023, 50(19): 1903101.