帶通濾光片的應(yīng)用

人臉識別技術(shù)在手機上的率先使用可以追溯到蘋果公司的iPhone X。這款手機在發(fā)布時，首次引入了Face ID人臉識別技術(shù)，該技術(shù)通過前置的原深感攝像頭系統(tǒng)獲取用戶的面部輪廓，并通過對比數(shù)據(jù)來判斷用戶是否為手機的主人。

原深感攝像頭系統(tǒng)工作時，點陣投影器中的VCSEL激光器發(fā)射一束波長較為單一的激光。光通過衍射光柵變?yōu)閿?shù)萬束光投射到人臉上，紅外鏡頭捕捉反射光后結(jié)合前置攝像頭的彩色圖像，手機便能快速構(gòu)建出面部三維模型。

我們注意到在以上識別過程中，紅外鏡頭要接收分析的是點陣投射器發(fā)射的激光。而環(huán)境光會帶來不小的干擾。所以一方面，點陣投射器的激光選擇的是環(huán)境中較少的940nm光源，另一方面在紅外cmos前增加一個只允許該波長附件的光通過的濾光片來過濾其他環(huán)境光。

這種特性的濾光片即為帶通濾光片。又因為在人臉識別系統(tǒng)中使用的帶通濾光片的透過帶波長范圍較小，固常稱其為窄帶濾光片。

帶通濾光片在人臉識別和激光雷達等領(lǐng)域運用十分廣泛。它的基本結(jié)構(gòu)形式為法布里-珀羅干涉儀。下面讓我們從法布里-珀羅濾光片談起，看看帶通濾光片是怎樣一步一步發(fā)展完善的。

法布里一珀珞濾光片

說法布里-珀羅濾光片前，我們先談?wù)劮ú祭?珀羅干涉儀，它是一種由兩塊相同的間距為d的平行玻璃反射板組成的多光束干涉儀，其中兩塊玻璃板相對的內(nèi)表面都具有較高的反射率。對于平行光線,除了一系列按相等波數(shù)間隔分開的很窄的透射帶以外,其余所有波長的透射率都很低。

這個結(jié)構(gòu)可以代換成一個完全的薄膜組合——兩個金屬反射層夾一個介質(zhì)層。介質(zhì)層取代間距 d 的位置,因而稱之為間隔層。除了間隔層具有大于 1的折射率以外,這種薄膜濾光片的特性分析與常用的法布里-珀羅標準具(間隔層固定的法布里-珀羅干涉儀)是完全相同的這種簡單的濾光片稱為金屬-介質(zhì)法布里一珀珞濾光片。

法布里-珀羅干涉儀結(jié)構(gòu)

金屬-介質(zhì)法布里一珀珞濾光片

金屬-介質(zhì)法布里一珀珞濾光片只允許特定波段的光通過，是最簡單的帶通濾光片，其允許通過的光波長和介質(zhì)間隔膜層厚度有關(guān)。金屬膜層的吸收較大，在光通過金屬膜層和在金屬膜層反射的過程都將導(dǎo)致光強度的損失，這導(dǎo)致了濾光片的最大透過率較低。使用多層低吸收的介質(zhì)膜代替金屬反射膜則能大幅地提升濾光片的透過性能。這種濾光片我們稱其為全介質(zhì)法布里一珀珞濾光片。

多半波濾光片

常規(guī)的法布里一珀珞濾光片透過帶是一個接近等腰三角形的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致我們需要的很大一部分光都被反射出去(或者說有一些我們不需要的光透過了濾光片)。理想的曲線應(yīng)該是接近矩形的透過率分布。

當(dāng)我們把兩個或更多的法布里一珀珞濾光片串置起來，我們發(fā)現(xiàn)，透過率曲線得到明顯的改善(接近矩形)。繼續(xù)串置更多的濾光片，性能還能繼續(xù)提升。這種由多個法布里一珀珞濾光片串置起來的濾光片稱為多半波濾光片。

實際使用的帶通濾光片

在多半波濾光片的基礎(chǔ)上，我們借助于膜系設(shè)計軟件對整個濾光片的膜層厚度進行優(yōu)化，優(yōu)化之后濾光片的透過率曲線不但形狀進一步改善，還可以選擇性地獲得一些其它特性，例如相對較小角度偏移(不同入射角度下透過帶的偏移)亦或者更寬的截止等。

而以下為我們優(yōu)化后的帶通濾光片透過曲線。

用于3D人臉識別的窄帶濾光片透過光譜

用于1550車載激光雷達使用的窄帶濾光片

現(xiàn)在，你得到了一個優(yōu)秀的帶通濾光片。這世界的紛紛擾擾盡被隔離在外，而你僅需專注于分析你眼前的事物而不受任何干擾。濾光片后的世界竟是如此純粹!

微納研究所

水晶光電微納研究所，專注于微納光學(xué)新產(chǎn)品市場技術(shù)調(diào)研及研發(fā)工作。通過自編算法與設(shè)計，配備同行業(yè)高端設(shè)備，具備芯片鍍膜、晶圓光刻、干/濕法刻蝕、納米壓印等核心技術(shù)開發(fā)和量產(chǎn)能力。目前微納所已開發(fā)的產(chǎn)品包括DOE、擴散片、PBS偏振片、超透鏡等，廣泛應(yīng)用于消費電子、車載HUD等領(lǐng)域，可以根據(jù)客戶需求提供從產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)到量產(chǎn)制造一站式服務(wù)。