硬核干货 | 别让“光锥”毁了你的信号：深入解析CHA与F数对滤光片的影响

导语

在理想的光学设计软件中，光线往往被假设为没有缺陷的准直光（Collimated Light）。但在现实的物理世界里，为了收集更多的光子，我们不得不使用大数值孔径（NA）的透镜，这就导致光线以锥形汇聚或发散。

你是否遇到过这种情况：明明在0° AOI下测试优秀的窄带滤光片，一旦装入仪器，透过率就莫名下降，中心波长发生偏移？

这可能不是滤光片的问题，而是你忽略了一个关键参数——半锥角（Cone Half Angle, CHA）。今天，Alluxa技术团队带你深入探讨CHA与F数如何“悄悄"改变滤光片的光谱特性，以及如何应对这一挑战。

一、什么是半锥角 (CHA)？

简单来说，半锥角 (CHA) 描述了入射光束的汇聚或发散程度。

它的定义是：入射光束的主光轴（AOI）与最边缘光线之间的夹角。

• CHA = 0°：意味着光是准直的。

• CHA 越大：意味着光束的汇聚或发散程度越剧烈。

在光学系统描述中，我们常用 数值孔径 (NA) 或 F数 (F#) 来表示光锥的大小。它们之间可以通过阿贝正弦条件相互转换：

其中：θ为半锥角，n为介质折射率（空气中n≈1）。

图 1a-1c：非准直光及光束半锥角示意图 ——(a) 0° 入射角的光学滤光片、(b) 45° 入射角的二向色滤光片、(c) 45° 入射角的高反射率反射镜

二、CHA 如何“扭曲"你的光谱？

许多工程师知道，当入射角（AOI）增加时，干涉滤光片的光谱会发生蓝移（向短波方向移动）。

那么，CHA 的影响和单纯的 AOI 倾斜有什么不同？

如果说 AOI 倾斜是让光谱“整体搬家"，那么 CHA 就是让光谱“被压扁和拉伸"。

由于光锥中包含了从 0° 到MAX角度θ的所有光线，滤光片的最终光谱表现实际上是所有这些角度下光谱的积分（平均）效果。这就导致了两个显著现象：

1. 蓝移（Blue Shift）： 同样会发生中心波长向短波移动，但由于是平均效应，其移动幅度通常比单纯倾斜到MAX角度θ时要小。

2. 波形畸变（Averaging Effect）： 这是最致命的。由于不同角度的光谱叠加，滤光片的边缘会变得不再陡峭，矩形的通带会变成“圆顶"甚至“锥形"。

【重点强调】这种效应在窄带（Narrowband）和超窄带滤光片上尤为明显！即使是相对较小的 CHA，也可能导致峰值透过率（Tmax）显著下降，带宽展宽，信噪比恶化。

图 2：光束半锥角差异对光学滤光片透射光谱的影响特性曲线图 ——0° 入射角、平均偏振态下窄带滤光片的理论性能数据

三、设计避坑指南：AOI 范围 ≠ CHA

在撰写技术指标（Spec）时，一个常见的误区是将光锥简单地描述为“AOI Range"（例如 AOI: 0°±5°）。

虽然在几何上看似相似，但“光线在 0° 到 5° 之间随机入射"与“一个 F# 对应的 5° 半锥角光束"在物理上是不同的。

• AOI 范围通常暗示光线可能是该范围内的任意单一角度。

• CHA 则明确表示光束同时包含该范围内的所有角度分量。

专家建议：为了获得较优的系统性能，请务必在指标中明确区分 AOI 和 CHA/F#。这能让薄膜设计工程师利用优化算法，针对特定的光锥分布进行补偿设计，从而较大程度地恢复矩形波形和高透过率。

四、测量的难题与解决方案

设计出来了，怎么验证？这又是另一个难题。

绝大多数商用分光光度计的固有 CHA 大约在 2° 到 4° 之间，且无法随意调节以模拟客户实际系统中的 F#。这意味着，你很难直接测量出滤光片在特定大光锥下的真实表现。

Alluxa 是如何解决这个问题的？

1. HELIX 光谱分析系统： 我们自主研发的 HELIX 系统采用准直光路，消除了仪器自身 CHA 的干扰，能够测得滤光片最本质的“本征光谱"。

2. 理论模拟与反演： 基于精准的准直光测试数据，结合强大的薄膜理论模型，我们可以通过算法精确模拟出滤光片在任意 CHA 或 F# 下的光谱表现。

这种“精准测量 + 理论模拟"的组合，确保了交付给客户的产品在实际复杂光路中也能表现如一。

总结

在追求高通量、紧凑型光学系统的今天，大数值孔径（High NA）的应用越来越广泛。不要让 CHA 成为你系统中的“隐形杀手"。

• 理解 CHA 与 F# 的换算关系。

• 警惕窄带滤光片在非准直光下的波形畸变。

• 在定义指标时，准确区分 AOI 与 CHA。

Alluxa 凭借专属的 SIRRUS™ 等离子体沉积工艺和前沿化的自动化控制算法，不仅能制造出高性能的超窄带滤光片，更能通过专业的模拟设计，为您的大角度光锥系统提供量身定制的解决方案。