光学干涉滤光片结合薄膜残余应力补偿技术用于图像对比度增强

2026/4/21

选择正确的光学干涉滤光片可以提高捕获图像的对比度，并减少提取相关图像数据所需的处理时间。对比度定义为图像与相邻背景之间的光强差相对于整体背景强度的比值。图像对比度是指图像最亮白色区域与最暗黑色区域之间的亮度差异测量值。在设计任何机器视觉系统时，实现最高图像对比度可能是最重要的因素。

光学陷波滤光片（通常称为带阻或阻带滤光片）旨在以低强度损耗透射大多数波长，同时将特定波长范围内的光学范围降低到非常低的水平。光学薄膜陷波滤光片具有光学干涉滤光片的基本结构。

在本文中，选择红、蓝两种颜色作为光学陷波滤光片的设计目标。红色和蓝色是互补色，两者之间有很强的对比度。因此，陷波滤光片的中心波长设计分别对应480 nm（蓝色）和620 nm（红色）。

具有多个陷波特性的光学干涉滤光片可以通过叠加具有不同陷波设计的薄膜来组合。然而，将薄膜堆叠沉积在同一侧的玻璃基底上会导致陷波滤光片上的残余应力积累。如果残余应力过高，薄膜表面会剥落或开裂。

为了解决过度残余应力的问题，本文提出了一种在基底两面沉积多层薄膜作为残余应力补偿的方法，可以降低多层薄膜的应力值。

使用Essential Macleod光学薄膜软件设计光学陷波滤光片。陷波滤光片设计由低折射率SiO₂薄膜和高折射率Ta₂O₅薄膜的交替堆叠层组成。

设计了三种具有不同中心波长和不同透射率的光学多层陷波滤光片：

480 nm陷波滤光片的设计规格：

620 nm陷波滤光片的设计规格：

多层薄膜结构的初始设计为6L(3H3L)x，其中H为高折射率薄膜，L为低折射率薄膜。经过薄膜堆叠优化后，x值至少为4才能满足设计要求。使用Essential Macleod软件对薄膜厚度进行微调和优化后，优化设计结果为6.02L(2.7H3.01L)₄。

在薄膜制备中，使用双电子枪蒸发系统制备三种光学陷波滤光片。涂层设备包括：油旋转泵、机械增压泵、扩散泵和氦气冷阱。工作气体为氩气（99.999%）和氧气（99.999%）。离子束辅助沉积的阳极电流为0.5~10 A，阳极电压为80~300 V，离子能量为50~200 eV，发散角为60度。

采用石英和光学监控系统监控薄膜厚度。石英监控系统使用5 MHz石英晶体振荡器。光学监控系统采用波长范围为360至1000 nm的分光光度计。

使用Shimadzu UV2600i分光光度计测量陷波滤光片的透射率，波长范围为400至1000 nm。

测试结果显示：

使用Mach-Zehnder干涉仪测量薄膜中的残余应力。测量系统使用波长为632.8 nm的氦氖激光器作为光源。

薄膜样品的曲率半径可通过曲线拟合方法确定。薄膜中的残余应力与薄膜沉积前后曲率半径的变化有关。

实验结果表明，采用双面镀膜技术，双波长陷波滤光片的残余应力可降低至10.8 MPa。

采用Linnik显微干涉仪测量陷波滤光片的均方根（RMS）表面粗糙度。在测量范围内，可选择240×240像素进行分析，实际尺寸为100×100 μm。

测试结果：

为研究不同陷波滤光片对图像对比度的影响，将所提出的滤光片添加到放大倍数为500的光学显微镜中，使用基于MATLAB的软件程序评估图像对比度。

对比度灵敏度使用以下公式计算：

Contrast = (Imax - Imin) / (Imax + Imin)

其中Imax为图像的最大光强，Imin为图像的最小光强。

实验结果：

本研究提出并验证了一种通过双面镀膜技术补偿残余应力的双波长陷波滤光片设计方法。通过在玻璃基底的两面沉积不同中心波长的陷波滤光片，可以有效降低薄膜残余应力，同时实现更高的图像对比度增强效果。

主要结论：

参考文献

本文参考了多篇关于光学陷波滤光片设计、制备和应用的文献，包括：

Sulejman等人关于薄膜光谱陷波滤光片在透明样品相位对比成像中的应用
Hoggan等人关于480 nm陷波滤光片减少 intrinsically photosensitive retinal ganglion cells直接刺激的研究
Zhang等人关于超陡陷波滤光片的设计和制造方法
Lyngnes和Kraus关于离散层陷波滤光片的优化方法