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奥林巴斯显微镜:荧光显微镜的干涉滤光片

2013-10-16  发布者:admin 

高分辨率荧光显微成像系统及相关的定量应用中,特别是适用于在活细胞和组织的研究,需要精确的性能优化的荧光激发和检测策略。荧光显微镜技术,可以没有先进的如此显着,近年来在每一个维度的当前状态的艺术,没有显着的发展,包括光学显微镜,荧光基团的生物学和化学,也许是最重要的,过滤技术。高度专业化,先进的薄膜干涉滤光器的利用率提高了通用性和荧光技术,由以前使用明胶和玻璃过滤器依赖于嵌入式染料的吸收性能的能力远远超出了范围。

干涉滤光片的荧光显微镜

目前生物研究显微镜技术已经越来越面向非常具体的,敏感的,多才多艺的本土化的荧光分子探针在小数字,确定它们的作用,在细胞和分子过程的最终目标。在目前典型的广角落射荧光照明配置,光学过滤器组合起着至关重要的作用最大化的信号噪声比,从而帮助平衡相互冲突的要求提高荧光激发显微镜,同时限制漂白和细胞光毒性。经典的落射荧光显微镜的特点是部分重合的激发和检测的光学路径,要求过滤器的补充来减少强烈的激励光后,试样的相互作用,为一到十之间,以允许从实际的图像形成的一个因素经常有限数量的发射的荧光光子。高度有效的荧光过滤器组是必要的,以提供最大的激励光的衰减的检测途径,在成功捕捉尽可能多的发射光子尽可能平行。非常高的探测效率的荧光发射,使整体的照度水平,最大限度地减少荧光染料的漂白和光毒性试样相应减少。

基于光干涉现象的高性能过滤器有助于在广角和共聚焦显微镜的荧光技术革命性的应用程序。改善特异性荧光标记的目前的进展是由于发展的技术,使抗体与各种合成的荧光探针共轭。在结合经过仔细调节的化学特性的荧光染料,更高的灵敏度,由于更好的信号 - 噪声比所提供的光学干涉滤光器的进步,目前的荧光技术的分辨率极限延伸的可视化单分子。

干涉滤光片平面基板上沉积薄膜层特殊材料建造。它们的设计依赖于薄膜沉积和薄膜光干涉技术,这两者都是至关重要的现代光学元件的设计,以及在半导体和光通信领域。干涉滤光器的基本结构与功能的高和低折射率材料的交替层,每一个通常的厚度的四分之一波长的整数倍的。的厚度和折射率的值的各个层,这通常是沉积在玻璃或熔融石英/石英衬底,控制在每个层的界面的光的反射波的干扰可以被用来使过滤器,以反映特定的波长,而通过仔细选择发送等。虽然层本身是无色的,所需的作为波长的函数的结果在上面的过滤器表面的不同的干涉色,类似于一个肥皂泡的表面上所看到的色彩漩涡的外观和相消干涉的条件的波动。

的基本过滤器的补充所需的经典的荧光显微镜利用宽视场落射照明,以及许多激光扫描共聚焦技术,由三个独立的元件,通常是组合成一个光盘装载,通常所说的作为过滤器的多维数据集该过滤器组件包括:激发过滤器,二色镜(或分束器),和一个发射(或阻挡)的过滤器,如在图1中示出。每一组件执行不同的特定功能,但都提高了精确利用干扰效应。在下面的章节中更详细讨论的三个滤光器元件和必要的性能规格为每特性。在一般情况下,选择一个最佳的过滤器设置为特定的调查,需要深思熟虑的过滤器和荧光染料,在显微镜的照明源,以及检测器来捕获信号的频谱之间的相互作用。

一个典型的现代一起的组件干涉滤光片的光谱的可见区域的荧光过滤器,提出如图1所示。的二色性反射镜被安装在相对于过滤器块的光轴成45度的角度,固定到与水泥或微型卡箍。的激发和屏障过滤器置于该块的前面和顶面的座位上,并锁入位置与圆形挡圈(图1(a)条)。从显微镜照明器的光通过激发光滤光片进入块,和次级荧光发射退出块通过屏障过滤器。此过滤器设置在图1(b)中示出的光谱轮廓。设计用于同时成像应对紫外线和绿色激发波长的荧光团,这种组合中包含的激励滤波器,其具有两个带通区域(380-420和510-560纳米)。需要注意的是紫外线激发的档案传输值低于绿色档案中,因为由过滤器的涂层材料在波长低于约400纳米的吸收。的二色反射镜有两个区域的高传输,以适应相应的传输区域中的发射光滤光片。此外,类似的激发光滤光片,阻挡过滤器有两个带通区域,并且被设计为蓝色和红色的荧光发射的同时观察。

光学表面的波前畸变

如图2中所示的是最经常采用的测量的光学过滤器的质量和性能的三个基本参数。表面平坦性(图2(a))是衡量从一个完全平坦的或平的表面的偏差,并计算平均波长(通常为550纳米)的分数或倍数。所产生的不规则表面反射的波前畸变的表面平坦性的值的两倍。此参数是在确定的二色性反射镜的质量,反映激发照明在荧光显微镜中的前表面的关键。通过过滤器的平面波前 ​​的失真被称为传输失真(图2(b)),也被测量的波长的分数或倍数。发送失真工件的外表面的平坦性,以及折射率的波动所产生的内部缺陷。外过滤器表面之间的平行度偏离角被称为楔形(图2(c)),这是衡量在弧秒或弧分的偏差角。图像移位,由于光束偏差引起过多的过滤器在荧光显微镜的楔角是最容易出问题的神器。对于一个典型的过滤器,偏差的大小约等于二分之一的楔角。除了 ​​图像移位,楔形缺损能产生鬼影从离轴内部反射。

激发滤光片的主要功能是除了选定的波长带,对应于所使用的荧光染料标记试样的吸收特性来阻止所有来自光源的照明源。按照光源的绝对要求有所不同。如果使用范围广泛的信息源,例如汞或氙弧放电灯,其输出,取值范围从紫外到近红外波长,必须排除从到达试样。在很多情况下,合适的激发过滤器有一个有限的带通传输范围为约40纳米(半最大值全宽FWHM)为中心的荧光基团的最大吸收。这种类型的干涉滤光器构成具有多个介电层沉积到浮法玻璃及密封用环氧树脂层压板防潮保护的吸湿性薄膜层。虽然一般被设计成垂直于光路中(零度的发病率)的位置,最近的许多过滤器的光学块设计倾斜激发过滤器中的安装座,以尽量减少从内部反射的干扰了几度。采取预防措施来限制反射时尤为重要,因为潜在的高强度反射损坏激光腔采用激光照射。

由于这样的事实,激发滤光片元件未位于荧光图像形成的通路,光学精度的最高程度的是不需要的。激发滤光片典型地具有小于约6个弧分的楔形的设计容限,但不是必需的更精确的研磨和抛光。是必不可少的,但是,包含的异物或气泡的缺陷,如涂层,以及施加任何环氧树脂层压板作为保护层,可自由。涂层的针孔也必须被消除,因为它们允许不希望的波长,通过过滤器的和减少的成像系统的信号 - 噪声比。

二色性分束器的位置之间的激发波长和发射(势垒)的过滤器的角度为45度的光束路径(参见图1)。传统上,该光学元件被称为作为一个二向色反射镜,并在落射照明配置有两个基本作用。设计作为一个专门的长通滤光片,二色光束分离器利用干涉层,以反映目标波长和发射他人,因此功能,以不同的波长的相对侧上具有有限波长范围内的一个窄的边界。二色性分束器放置在一个45度角的光轴,反映较短的激发波长,在一个90度的角,并把它们传递沿试样的照明轴。同时,这个关键元素发送较长的荧光发射波长的荧光基团,然后将其收集的目标和由检测器成像。

二色性反射镜的设计要求,必须考虑的事实,它的激发和发射光路中起到了重要作用。该涂料选择产生最小的自体荧光,作为基片材料,通常由熔凝硅石或石英。通过利用先进的干扰滤波器的设计技术,从近全反射最大传输过渡可以发生在很短的波长范围,从而实现精确的歧视,激发和发射光。在除了显示定义的光谱特性,此光学部件的物理公差是非常严格的。已出版的规格通常状态的要求小于1弧分的楔形,表面平整度偏差小于每英寸10个波长(影响反射光束),发送1每英寸或更小的波长的波前畸变(影响发送的发射信号)。重要的是要注意,有限制的反射和传输范围的二色性反射镜,不能进行精确地在一个特定的波长的过渡,但发生在一个狭窄的范围的波长。双色分光镜并不反映所有波长低于与100百分数效率的过渡区,并在较低的波长将开始再次发送。同样,在传输特性不完全均匀的在长波长侧的过渡。在许多情况下,传输通常是脱落在波长长于设计范围,或在深红光和近红外区域具有其他的凹凸。

标准的荧光显微镜的过滤器设置的第三个组成部分是发射或屏障,过滤。该光学元件主要是必须阻止来自光源的激发波长,其次,仅通过所希望的光谱部分的荧光发射到检测器。发射滤光片的光学特性,必须小心地与激发光滤光片匹配,以实现必要的,让比较弱的荧光发射信号要被记录的激发波长抑制的水平。常见的荧光技术可以激发光从荧光发射,甚至是一个相对较小的量能完全压倒信号畅通激发照明亮度比超过一百万次。通常情况下,排放过滤器的目的是阻止从一个特定的波长对应的激发滤光器的光密度为5.5或更大的水平。

荧光显微镜长通和带通滤波器组合

实际上,作为第二阶段的发射滤光器的功能,以除去激发光,由二色性分束器是不完全的阻止,并且也可以用来调节的噪声电平由样品发出的荧光二次。最准确的荧光过滤器组,发射滤波器是一个带通风格的荧光染料的发射光谱的匹配,但在某些应用中的长通滤波器来收集较大的信号。长波发射滤波器具​​有这样的缺点,通过从其他的自体荧光的荧光染料及/或更多的干扰,因此,作为结果,最高分辨率技术利用带通滤波器。该过滤器的设计,最大限度地提高了信号 - 噪声比的信号分量的频谱歧视比整体强度更重要的是,在应用程序中。干扰发射过滤器必须被研磨和抛光处理,以高的精确度,二色性反射镜的相同规格:小于1弧分的楔和每英寸的1个波长的下方与透射波前畸变。已成为通常的显微镜的光学轴相对于在几度倾斜该光学元件,往往是做与激发光滤光片,以尽量减少内部反射。

在图3显示的是典型的长通(图3(a))和带通(图3(b))过滤器的组合设计在荧光显微镜中的例行职责。长通滤光片组包含一个20纳米带通激发滤光片中心波长480纳米,这被认为是一个狭​​窄的通带范围。二色镜和屏障过滤器有一个截止点,分别为500和520纳米波长。利用长通屏障过滤器的信号电平增加超过与带通滤波器获得的。30纳米宽的频带激励的带通滤波器在荧光集(图3(b))提供了更多的激发态能量比长通集中(图3(a))对应窄。然而,阻带通滤波器(在这种情况下,40纳米)所施加的用于信号检测的受限制的区域,降低了整体的荧光强度,到达检测器。

干涉滤波器原理

薄膜滤光片生产技术的发展大大提高了频谱控制的多功能性在光学显微镜。早期的滤波器设计包括彩色染料溶液的试管中腔,然后按顺序含染料的吉利丁片,明胶玻璃组合,以及固体有色玻璃滤光片。这种过滤器,依靠吸收衰减光,坚固耐用,价格便宜,,由低峰透过率,波长歧视差,和的时候,高层次的自发荧光,但其效用是有限的。完全反射镜和中性密度过滤器,以及用于波长选择的的透明干扰涂层,金属材料的薄膜涂层是现在使用最广泛的光控制装置。目前,干涉滤光器可以产生非常精确的式样,使他们的光学性能,以对于大多数应用程序进行优化。利用薄膜涂层技术,可以制造各种各样的过滤器的设计可以包括的长通或shortpass的边缘过滤器,窄或宽的带通滤波器,多个带通滤波器,和二色性分束器。

干涉滤光片的多层薄膜器件。其光学特性都来源于原则支配的光的反射和透射两种不同介质之间的接口。这些原则,可以很容易地外推到一个单一的薄膜沉积在基片上的不同组合物的光相互作用的行为,同样变量的组成和厚度沉积在结构化的堆叠在基片上的多个薄膜层的。干涉滤光片通常通过真空沉积的金属的盐的光学玻璃衬底上的薄膜制造的。如果重复该过程使用几种不同的膜材料,多层过滤器的生产,提供多个接口的光的反射或折射。

上面的空气 - 玻璃界面的反射入射光的是一个重要的概念,调节的作用,在显微镜的透镜,滤光片,反射镜,及其他光学元件。当光线遇到一个透明的玻璃表面,约4%的总的入射辐射被反射。因此,出栈发送的8个镜片的入射光的约50%,在16玻璃表面(前部和后部的各元素),其余的被反射。一个类似的效果是由施加在玻璃基板上的多个薄膜涂层。幸运的是,每一层的厚度和折射率可以仔细选择,以控制特定波长的界面处的反射和透射特性。的层状结构,因此,可以利用,无论是长或相消干涉(或中间的两个过程的组合)之间的波阵面反射的各接口上,有选择地产生一定的波长范围内的优选的反射或透射。

折射和反射光涂料

规范建筑干涉滤光器时的临界物理现象时所发生的光入射两透明介质的光滑界面的反射。在这样的界面的反射特性取决于两种材料的入射角的入射光的偏振方向(如有的话)的折射率。当光入射界面时,光的一小部分进入所述第二介质中被折射,而另一部分被反射的界面处(参见图4)。的入射的角度()和具有折射率n(1)n(2) 如在图4中示出的两种介质中的折射角(r之间的关系,由下式给出斯涅尔定律:

n1 • sin(i) = n2 • sin (r)

与参考角的入射角和折射角(ir),在界面上的两个偏振成分的反射率通过下列表达式决定:

Rp = [(n2 • cos(i) - n1 • cos(r)) / (n2 • cos(i) + n1 • cos(r))]2
Rs = [(n1 • cos(i) - n2 • cos(r)) / (n1 • cos(i) + n2 • cos(r))]2

R(p)是偏振平行光入射面,简称为p偏振光的光的反射率R(s)的光的偏振垂直于入射平面的,或者S -偏振的光的反射率垂直入射时的偏振差异不发生,总反射率(R)是等效的s  p 分量的反射率,由下式表示:

R = Rp = Rs = [(n2 - n1) / (n2 + n1)]2

考虑到这种关系,通过空气(折射率为1.0),并进入具有折射率为1.5的玻璃的光学元件的光波,反射率(R)为每个空气-玻璃表面,为0.04或0.08,在垂直入射的两个表面。八个层叠玻璃元素在前面的例子中,通过16表面的透射率是0.96至16的功率,或约52%(相当于一个48%的反射损失)。的反射率的公式决定,玻璃在空气中的元素(n(1)等于1.0),增加值的n(2)的反射率增加未涂覆的玻璃的元素的反射的高损耗强调的潜在的好处,可以是来自于将光学元件的有效的防反射涂层。在光学涂层,特别是对干涉滤光器的功能是至关重要的,另外一个因素是,当光传播通过接口,如在图4(a)所示,如果n(2)大于n(1)时,反射波进行180度的相位变化。

两个相邻的介质,结合发生反射时的相位变化的折射率之间的不匹配所产生的反射率的变化,提供一种机制,通过它可被利用光的干涉,来调节所希望的波长区域的透射和反射的光学元件。通过薄层沉积在玻璃基板上的透明电介质材料,可以被控制的特定波长范围内的反射和透射光强度没有显着的损失。通过选用合适的电介质的折射率,层厚度和层的数量,干扰光学系统的光谱特性,在很宽的范围内,可定制。

是否为边缘滤波器或带通滤波器的作用而设计的,和相消干涉现象,通过多层薄膜设备进行波长选择。它们是基于相同的原理,在大多数情况下,如法布里-珀罗干涉仪(图5(a))可以被分类这些简单的干涉,依靠多次反射波阵面之间的相互干扰,传输选定的波长范围,同时阻止其他所有波长。在这种类型的过滤器的操作机构是最好的描述首先考虑单色入射的光的简单的例子,在一个单一的薄膜在玻璃基板上的介电涂层,该薄膜具有的折射率之间的空气和中间玻璃上。三个介电材料,具有折射率n(1) n(2) n(3) 图4(b)中示出。该薄膜的厚度,分离的半无限厚度的材料。

干涉滤波器运动的基本模型

由图4所描述的配置,(b)中,会发生一些反射在各接口上,并且通常被称为作为菲涅耳损耗(或菲涅耳反射,奥古斯丁菲涅尔命名)。反射的入射光的比例,可以由方程的总反射率(r),经分析表明,菲涅耳损耗跨越接口(n(2) - n(1) 的增加 的折射率差变大作为通过薄膜的光传播到第三介质,一个逻辑的假设。将所传输的强度降低由发生在这两个接口的菲涅耳损耗的总和。然而,如果膜的厚度小的(在订单上的光的波长),反射波的两个表面,这可以增加或减少总的结合强度之间发生干扰。干扰的性质取决于在各表面反射后的波阵面的相位关系,而这又反过来,取决于波长,材料的折射率,入射角。

如果薄膜的折射率,n(2) 是空气和衬底之间的中间,入射的光的反射发生在空气薄膜界面膜-基底的界面,在图4中所示的红色波(二)(附注的入射角被极大地夸大了)。从界面反射的光线之间的相位关系是由膜的厚度相对于波长的光的折射率比较值。因为n(2)大于n(1)从第一表面(薄膜的表面)反射的光波具有一个180度的相位变化。如果膜的厚度是这样选择的光学厚度(厚度的商品,,折射率,n(2) )等于四分之一的光的波长( I / 4)时,光线通过薄膜传播反射膜玻璃界面经历了一个180度(I / 2)反射时的相变。此外,第二个180度的相变发生时返回的波通过薄膜。的净全波长相变相比,该射线的第一反射射线的结果,在一个180度的相位差的两个反射光线之间的半波长的相变,并产生相消干涉。随着反射光线被有效地取消,四分之一波长厚度的功能的防反射光学镀膜的薄膜。长波和带通的过滤器采用多个薄膜在其结构,如果设计得当,显示防反射特性。

简单地利用不同折射率的薄膜材料的两个反射光之间的相位关系可以被改变。应用相同的结构如上所述,但是,而不是与薄膜的折射率大于在基板(如空气)中,在第一反射将产生相同的180度的相位变化。通过电影传播的射线,但是并不改变相位的反射后,由于n(2)现在是大于n(3)只获得正常的180度的相位滞后(l / 2)与双程相关通过四分之一波长厚(l / 4)膜。之间发生相长干涉的两个反射波阵面(各具有一个180度的相位变化),从而增加的反射率的比较,从较低折射率的薄膜涂层,并作为一个部分反射镜造成的光学元件的功能。

干涉滤光器特性和命名

通过利用薄膜干涉的技术,可使用范围广泛的设备可以制造。是显而易见的,从前面的讨论中,薄膜涂层性能可以进行微调,利用叠加多次反射波前。波之间的干扰现象的本质是纯粹的建设性的,破坏性的,或许多中间阶段关系。考虑到防反射涂层结构的例子中,如果膜的光学厚度为四分之一波长的整数倍的,这两个反射是不完全180度的相位差。因此,干扰是不完全破坏,造成的反射率超过理论最小值。其他相位关系可被用来操纵的透射和反射性质的薄膜的。分之一波长厚度的介电薄膜层产生360度的相位变化(全波),并可以作为缺席层与一个具体的设计波长的反射率或透射没有影响。对于唯一的介电材料组成的结构,结合的透射和反射的射线的能量等于入射光的能量。

干涉滤波器设计

确定的透射和反射性能,使设备的一个过滤器基片上沉积薄膜层的组合物和安排。当具有相同波长的光波占据了相同的物理空间,它们互相干扰的方式由它们的相对相位和振幅。是破坏性的干扰,如果波是完全相同的淘汰(180度),并且如果它们的幅度是相等的,它们互相抵消,得到振幅为零的波。当两个波正是他们彼此相干涉,产生一波幅度较大。由多个层组成的薄膜光学涂层的设计,以使光的层边界之间的距离(通常是不可分割的四分之一波长的倍数)控制的多次反射和传输的光波的相位差。连续地施加在光学镀膜层有效地构成的边界的堆栈,其中每一个产生反射和传输组件,其后从其他界面反射和透射。通过这样一个多层结构的色光传播将受到破坏性的干扰和在特定波长的衰减,和建设性的干扰,增强在其他波长传输。

涂层的性能特性的影响由数量的界限的层状结构,在每个边界的折射率差,并在涂层内的边界之间的距离。干涉滤光器制造商应用光学薄膜理论,用专门设计的软件的帮助下,以优化针对特定应用的特点。通过不同的薄膜结构,过滤器的性能规格,可以控制具有很大的精度。其中通过薄膜的设计是被操纵的特性程度的透射和反射,透射和反射(和中间转换)发生的光谱范围的程度,和在非正常的入射角的偏振效应。图6给出了关键的光谱特性和术语常用来描述的干涉滤光片。位置的峰值和平均透射率值,以及带通滤波器的中心波长(CWL)和切口切断的带通值(黄色曲线)和长通滤波器(蓝色曲线),分别。在图6中的带通频谱的配置文件(绿色曲线)的阻断范围也表示。

正如前面所讨论的,四分之一波电介质层可以被设计为能够在玻璃基板上,或者作为防反射涂层,建设性地执行反射。四分之一波长叠层反射器(参见图5(b))中的两个或更多的电介质材料的交替层组成,并且被用作用于光学薄膜装置的基本构建块。的每一层的光学厚度的设计满足只在一个特定的波长值,这被称为设备主波长四分之一波长叠层反射光谱的图5(b)中所示的配置文件的方法,由23层之间交替硫化锌(折射率为2.35)和冰晶石(折射率为1.35)的在玻璃基板上构成的装置中,与一个主波长为550纳米。可以采用甲微小的设计修改,以消除的倾角(通常被称为“ 振铃),优化的元素作为长通或shortpass的切口上过滤器用于在传输区域。该组合物的涂料表现出最高的主波长的反射,并将其发送的本金值高于和低于波长。涂层的性能是上面的主波长和传播的波之间的破坏性干涉最小化由于整个传输的反射波的干涉的结果。四分之一波的栈反射是适合利用阻带滤波器,β受体阻滞剂,切过滤。

窄带干扰(带通)滤波器法布里-珀罗干涉仪相同的原则下,依托多个反射光束之间的干扰。在一个典型的法布里-珀罗干涉仪(构造光谱应用,请参阅图5(a)),入射光经过多次反射,在位于两个反射面之间的中央透明介质(空气)。每个被传送的波阵面进行定义干涉仪腔表面之间的反射次数为偶数。新出现的波阵面之间的相位差确定是否发生传输最大,相反,大部分的光被反射回光源。盛行一个特定的条件的波长区域,对于一个给定的入射角,取决于分离的反射器,其中空气(Ñ等于1.0)的物理厚度等于该区域的光学厚度

interference filters figure7

基于干涉原理的最简单的带通滤波器是一个的薄膜固体法布里-珀罗干涉仪,通常简称为腔体单腔涂层通常情况下,这些过滤器的分离薄膜的间隔件(图7中所示)的两个薄膜反射镜构成。在全绝缘腔中,在常规的空气间隙被替换了一层薄薄的介电材料具有相当于一个不可分割的主要设计波长(所需要的传输峰值)的半波长的光学厚度的。薄膜的高反射镜是正常的四分之一波堆宽带反射率的反射器的主要设计波长的峰值。间隔件分离的反射器,由于其半波长厚度,导致传输,而不是上面的主波长的反射,从而支持在空腔中的多次反射。较长或较短的波长比主波长获取的光的相位差,最大限度地提高反射和最大限度地减少传输。此组合的干涉现象产生一个有效的带通滤波器。特性的滤波器的通带区域的宽度,电平在通带内的传输,和阻挡光谱区域范围以外的,如,层的数量和它们的排列决定。一条狭窄的通带,这往往是一个这种类型的过滤器的设计目标,是通过增加的反射率的四分之一波长堆叠组成的模腔,并通过增加薄膜的间隔件的厚度。

宽光谱的变化是可能的干涉滤光器的详细结构。虽然很多,完全采用介电材料,它是常见的宽带干扰滤波器的设计,包括在隔板的金属层。即使在所有的介质滤波器,金属薄膜层通常是引入的辅助结构,作为阻挡滤光片目标光谱区域(图7)。也可以采用金属-电介质-金属(MDM)的空腔,在应用程序中涉及的过滤紫外线,将全绝缘结构被完全吸收。在这种类型的固体法布里-珀罗干涉仪,反射金属薄膜具有整体的半波长厚度的介电材料隔离层分隔薄膜。

典型的四分之一波长叠层反射器,如上面所讨论的,从构造的高折射率和低折射率的电介质材料的交替层(参见图7和8)。高和低折射率层构成的一对最简单的周期,这通常是重复多次的在构造一个堆栈具有所期望的性能特性。用适当的间隔层的两个堆栈的组合构成一个单一的腔滤波器。两个或多个这样的空腔可以被耦合以匹配的(缺席)层,以形成一模多腔的带通滤波器。图7示出一个典型的两腔通带的干涉滤光器的详细结构。的商品的单个模腔的值是约相等于总的传输通带,导致从多个腔结构。因此,腔体的数量增加,在通带的截止边缘斜坡变得陡峭,通带外的增加(参见图9)的反射率,生产改进的抑制相邻的通带区域的波长。陡峭的边缘斜坡产生通带峰几乎是方形而不是高斯或洛伦兹形状,利于某些过滤器的设计特性。

在光学薄膜技术的命名法,它是常见的象征为四分之一波长的光学厚度的高折射率材料层与字母ħ,并指定 L为四分之一波长光学厚度的低折射率材料层 (图7和8)。利用各种指数和小数指定以字母组合来表示的周期数和堆栈层的光学厚度。通常,术语指定干涉滤光器的结构是特定于每个制造商。硫化锌是一种常用的高折射率的材料,,而冰晶石,一种自然发生的氟铝酸钠矿物,是典型的低折射率层。隔离层是高折射率材料的半波长厚的薄膜,缺席(耦合)的层是由具有半波长厚度的低折射率材料。

干涉滤波器的反射和透射

正如前面所提到的,一个带通干涉滤光器的设计中采用的空腔数量影响的能力的过滤器之间的带内和带外波长来区分。图9(a)与不同数量的模腔数的理论构成的过滤器作为波长的函数的典型的传输的档案。在一个相同的带通滤波器和中心波长,模腔数增加时,通带外的光衰减程度在更远除去从主波长的波长更大。随着大量的空腔,发送滤波器的通带接近所需的方波轮廓表示之间的传输和衰减波长区域的急剧转变。在实践中,这个滤波器的特性表现出改进的波长鉴别和能量的传递效率更高。大幅削减,并切断转换带通滤波器是有用的,他们有能力有效地分离的激发和发射波长的荧光染料,表现出的小斯托克的转变。

的意义,提高了波长歧视雇用大量模腔的滤波器设计的结果是最佳的说明,考虑到相邻的过滤器或腔堆栈的潜在影响渗色在实践中,该工件发生时,在荧光显微镜中,激发能的发射滤光片透过。渗色的结果是不希望的激发光的能量被检测到的信号,作为试样的荧光增加的背景水平,提高荧光检测的下限。图9(b)示出典型的干涉滤光器的传输特性曲线,同时使用三和五腔的设计,都集中在435和460纳米的激发和发射波长分别。激发和发射波长中的小差异,所表现出的通带剖面的陡峭的过渡五腔滤波器的设计显着减少了潜在的渗色的发生光谱的重叠区域,在低得多的传输值作为结果。为了获得可接受的水平的放气,通过利用三腔滤波器,两个滤波器的中心波长将必须选择与附加的波长分离。对于荧光的小斯托克的移位,这种做法将大大降低荧光激发和检测的效率。

除了 ​​如上所述,干涉滤光器匹配特定的应用程序的基本设计功能,需要考虑的过滤器构造中,通过先进的技术进行了优化的性能特点。取决于如何设计集成在系统中与其它组分的光学系统中的过滤器的功能水平。即使一个干扰过滤器可满足每一个主要的性能要求,特定的光学系统标准视为一个孤立的组件时,往往需要掺入其他结构的过滤器组件。作为一个例子,利用带光源或检测器,工作在一个宽的光谱范围内的过滤器需要一个机制,延伸超过一个多层镀膜的单基片表面提供光信号的衰减范围此外,增加的衰减电平可能是必要的,如果采用一个非常强烈的照明源或一个高度敏感的检测器。虽然一些光学系统提供了独立的吸收或反射元件的掺入足够的物理空间,这些阻挡或衰减的组件通常组合成单一组件与主干涉镀膜。

添加专门的过滤器组件,以增加衰减总是导致在某些所需的波长的传输损耗,减少了总的发光系统的吞吐量。因此,阻塞的策略是设计来提供特定的应用程序发送和衰减之间的最佳平衡。例如,阻止可能被设计为提供只对符合探测器的灵敏度的波长范围内的衰减,同时使传输的光能量检测范围之外。

在带通干涉滤光器,例如,阻断的通带(长波长侧)相邻的两腔的图7中所示的例子中,可以通过添加多层薄膜阻挡结构。对于图7中给出的理论的过滤器,一个金属 - 电介质混合式阻塞的过滤器执行此功能。在典型的商业产品,具有类似的设计,多层阻塞滤波器限制或者0.01%的通带的长波长侧的透过率。通常情况下,更大的阻塞水平及随附的整体传输损耗之间的妥协,必须权衡滤波器的目标性能的要求和更大的成本制造更复杂的组件。

延期减少或消除不需要的波长,也可以实现通过使用吸收在特定的波长区域,同时继续传输所需的波长通过衰减组件的操作。吸收式的色玻璃通常用来抑制干扰滤波器的通带的短波长侧上传输。这样的玻璃元件可被用作底物的干扰涂层或层压到制造完成后的过滤器组件(参见图7)。薄膜涂层材料,电介质和金属,也可使用通过吸收提供衰减。除了玻璃成分吸收,染料可以添加到光学水泥在过滤器组件提供一种补充吸收值的过滤器系统的主要的带通特性。

型腔数目对通带轮廓和bleedthrough的效果

虽然吸收材料是理想的部分阻塞,如短波长阻塞相邻的通带和衰减功能,它们的规格为每一个应用程序中不一定是理想的。在许多情况下,吸收介质不提供必要程度的传输,吸收水平,或截止的过渡档案中。此外,这些材料通常是容易受到由于其多余的能量吸收,这可能会导致显着的波长偏移或物理损坏的光学系统的温度升高。

为了提供更高水平的性能(尽管以更大的成本),介电薄膜涂层通常采用在整个设计的衰减光谱区域延伸。提供辅助过滤的主要干扰结构,这些额外的介电涂层可以施加到基材和层叠过滤器组件。的几个阻挡元件,其可以是的长通shortpass,或者非常宽的带通,可结合,以提供高传输所需的光谱区域,同时产生高反射率的区域,其中第一涂层的“泄漏”不想要的波长。图10示出了一个主要的带通滤波器的频谱特性与另外一些阻挡元件延伸的衰减范围。需要注意的是通内的透光率减少一些漏光时以这种方式被淘汰是不可避免的。

许多选项可供定制干扰滤波器的性能。一种流行的替代品使用的所有介电涂层包括金属薄膜带通涂料。此策略是简单的,单一涂层元素通常会延伸到远红外光谱区域的衰减。金属涂层的主要缺点是,它们是吸收,并可能降低传输所需的通带中的水平10%和60%之间。与此相反,一个可比较的所有介质滤波器通常允许在通带区域中的45〜85%的透射率。

单面涂布的过滤器的衰减区域的延伸的两种常见的策略被称为阻塞优化阻塞的完整的过滤器设计优化阻塞通常采用与探测器的光谱灵敏度有限,而完全阻塞过滤器具有全范围的光谱灵敏度的探测器。阻塞特性来优化设计的过滤器相结合的电介质的通带,通带内的长波长侧的反射器,用于短波长侧的吸收玻璃的着色元素。完全堵塞的过滤器的设计采用一个金属薄膜带通涂层,这是常见的补充有一个彩色的玻璃成分,以提高短的波长的衰减。

大多数干扰涂料被设计成在一个正常的入射角(与光路垂直于涂层)过滤准直光。几个方面的影响的结果,从光入射的角度以外的正常的过滤器表面的中心波长移动到一个较低的值,不同的两个正交偏振分量,整体的透射率降低,和带宽的增加。这些因素都必须考虑到组件的目的是被用于在显着的角度,相对于正常(例如分束器),并通过过滤器时没有拟定方向对齐,用户通过光学设计师。的倾斜角度的影响被观察到的两边缘和带通滤波器,采用干扰涂料。对于入射角小于约25度从正常的,可以考虑透射率和带宽的影响最小。波长偏移是显着的,但是,有时也利用精确地调整的窄带滤波器的中心波长。入射角偏离正常偏振分束发生是非常重要的,虽然它可以被用来利用在某些应用中,它通常被认为是不希望的属性的干扰涂料。角度依赖性的两极分化,防止切割陡峭边缘或带通滤波器,用于在正常的发病率从45度双色分光镜转换的主要限制因素。极化效应引起的干涉滤光器形式略有不同,这取决于是否在过滤器上的光入射已经是偏振的,或者被非偏振光被传输之前(参考图11进一步讨论)。

属性与过滤器相对于光路的角度的变化是可以理解的,考虑了一系列具有精确控制的光学厚度的电介质层(也可能是金属)组成的干涉滤光片。增加的入射角增加(明显的)的层的光学厚度,并且也减少了干扰的光波之间的相位差。向较短的主波长,入射角增大,透射和反射光谱的移位发生的单层和多层介电涂层,以及干涉滤光片的更复杂的结构。一些光学过滤器(如两色分光镜和带通滤波器),转移到更短的波长在斜入射 ​​角故意采用微调的原则波长作为一种机制。一个665LP(长通)滤波器(在665纳米峰值透射率的50%)进行考虑的一个比较大的倾斜角度,例如,在以45度的入射角作为605LP滤波器。

带通干涉滤波器的阻流部件

中心波长所观察到的减少,作为过滤器是倾斜的薄膜的折射率和入射角的函数。通过使用干扰涂层的有效折射率的一个单一的值,主波长移位的入射角之间的关系简化为下面的表达式的角度 q(适用于小于25度的角度)的准直光

lq = l0 [1 - (n0/n)2 • sin2(q)]1/2

lQ是上面的发病率,q,和l角的主波长(0)是在垂直入射(零度)的主波长。外部介质(n(0) ;空气为1.0)和过滤器(n)的有效折射率的折射率的公式中的其它变量。

的干涉滤光器的有效折射率是由涂层材料和它们沉积的顺序,这是在设计过程中可以控制的因素。当共同的电介质材料,如硫化锌和冰晶石中使用建筑标准的可见光和近红外带通滤波器,通常的有效折射率的实验值是1.45或2.0,根据隔离层是否是由低或高折射率材料。隔离层所选用的材料是可过滤设计师为匹配滤波器的性能,特别是应用程序的一个重要的变量。包括高折射率的间隔物(如硫化锌)有助于最大限度地减少随入射角的波长偏移,而低折射率隔离物的材料(通常是冰晶石)使较高的透射率和窄的通频带宽度。在实践中,所观察到的波长的变化是从计算出的值,因为实际的折射率的变化,除其他因素可能会有所差异。如果入射角是显着的(大于约30度),透射率变得显着依赖于偏振,通带特性的偏离的程度,可能会观察到一个以上的透射峰。

由于非正常的入射角的偏振变化是次要因素,在大多数光学配置,但在一些干涉滤光器的应用程序是一个重要的考虑因素。虽然这是可能的设计,以尽量减少极化效应的干扰涂料,它们不能被完全消除,如前所述,在两个正交极化光分量之间的差可以被有利地利用在某些仪器技术。在角度大于正常,包含入射和反射光线(p偏振)比(s偏振的入射和反射的平面垂直于振动的波,表现出不同的传输特性文件的平面平行于振动的光波图11示出的长通和带通滤波器的光在0度的发生率,在45度的发生率,非偏振光的两个正交偏振分量的传输公司,在45度的发生率。在过滤的s偏振光和p偏振光的显着差异是显而易见的。该曲线还表明,非偏振光表现出显着的转变,以更短的波长,上面的大的45度的入射角,以及一个额外的主要峰的短波长侧的透射率峰。一个重要的实际考虑的是,如果以45度的二色镜的设计,例如,以反映特定的激光的线偏振光在s平面中,它的性能会有所不同对于任何p偏振或随机偏振的光的同的波长。

干涉现象,薄膜干涉滤光器的施工应用的性质,结果在相同的光谱性能,无论哪一方面向光源,至少在考虑到透射率和通带附近的。但是,由于大多数的带通干涉滤光器的构造与吸收辅助阻挡元件,该过滤器的每一侧一般有一个明显不同的外观。一侧通常会出现镜像或​​高反射率的,几乎无色的,而另一边则可能会出现深色或不透明。在大多数应用中,过滤器应是具有高反射率的金属状的表面面对辐射源取向。在此配置中,大部分被反射的辐射过滤器所拒绝相差的过滤器组件的内部部件,最大限度地减少加热的吸收玻璃元素,减少在组件上的热应力。制造商通常放置箭头或类似的标记,以指示正确的方向在光路中的过滤器边缘。

干涉镀膜生产方法

干扰滤波器的建设依赖于精确的沉积非常薄的材料支撑基质层上具有合适的光学特性。薄膜的生产技术是一个复杂而广泛的领域,这是电子和光学工业的一个重要组成部分。这里介绍的方法产生干扰滤波器,只有一般的总结。利用薄膜干涉涂层的材料选自一组有限,具有适当的光学性能为目标应用。透射,折射,在感兴趣的波长的吸收特性必须是适当的。另外,在蒸发和冷凝性能是在涂覆过程中被认为重要的变量。

薄膜光学涂层通常是通过真空蒸镀工艺制造的,如真空蒸发或溅射。物理气相沉积(PVD)工艺非常适合于精密过滤涂料的生产,因为这种类型的过程中的几何形状的厚度监控和自动化控制技术是兼容的。物理气相沉积是一种原子化的过程,在这过程中挥发的材料从固体源在气相中被输送通过真空或低压气态或等离子环境到衬底上,并随后冷凝。热电阻或电弧蒸发法,溅射法,离子镀技术,通过真空蒸镀PVD工艺。

极化效应对长通和带通干涉滤光片

无论的蒸气沉积薄膜涂层的制造方法,制造过程的某些方面是相似的。一些未涂覆的衬底被放置在一个大的腔室,是能够实现高真空(如在图12中示出)。对每种材料被蒸发并沉积在一个单一的生产运行的源头被放置在室中之前,它的疏散。多层涂层被沉积在一个连续的运行,而无需打开真空室。在大多数情况下,基片被安装在设备上,使他们能够在做行星运动的旋转,每个基片的蒸汽产生最均匀的曝光。小心控制的源材料蒸发率和沉积条件,如温度,压力,和源衬底的几何形状,结果在到旋转的基片的均匀凝结的蒸气云,以形成连续的薄膜涂层。

随着沉积的进行,监测的光学膜厚度的增加,基片被屏蔽,实现所需的精确的光学厚度时,停止或汽化。多层涂层通常由多达百层,所生产的重复周期与两种或多种材料,按照要求的顺序沉积的涂层。的光的监视过程中用于控制膜沉积利用过滤器正在生产的涂料相同的干扰特性。在涂覆周期,监视器的特定波长的光束穿过真空腔室,入射参考基板上的空白。从基片上反射的光被检测到与光电倍增管的移动设备是相敏的。沉积层的厚度上的空白基板的增加,反射光强度的变化,根据其中的反射光束发生干涉的性质。在一个近似正弦波图案的反射强度的振荡交替地达到和相消干涉的条件。交替强度曲线的转折点代表四分之一波和半波光学厚度在显示器的波长,与分离的中间厚度值的那些点。每一层的沉积终止的监视电路,在适当的反射率值。

虽然众多的技术已被开发用于汽化涂层材料在真空蒸镀法中的应用,其中只有两个是通常采用的薄膜干涉滤光器的制造。原来的方法,可以追溯到初始真空镀膜技术的发展,仍然被广泛使用,依赖于小折叠带(或),钨,钼,钽涂层材料直接加热电阻热蒸发通过传递一个高电流通过船,涂层材料被加热汽化,并通过在真空室迁移,必须重新凝结成在基片上的薄膜。热蒸发遭受了一些问题。的主要困难是要求的高温熔融有用的涂层材料,它产生的副反应造成的污染的淀积薄膜。此外,许多材料具有所需的光学性能,再加上高的耐用性和透明度是,历史上已被被玻璃和陶瓷材料的制造中采用的相同的难熔氧化物。这些耐火材料,尤其是金属氧化物的熔点高,防止他们被蒸发金属小船,自己在较低的温度下融化。如果限于此蒸发技术,只能生产薄膜涂层材料具有相对较高的波动(中度熔化点),不幸的是表现出相当差的耐久性和耐环境性。也使得这些电影的低弹性产生复杂的过滤器,需要许多涂料层是不现实的。

电子束枪的熔点或升华的源材料的发展已减轻许多电阻加热技术所固有的问题。 电子轰击已成为光学薄膜生产的优选方法,使之有可能难熔金属的挥发氧化物,如二氧化硅,铝和镁的氧化物,以及过渡金属氧化物,包括二氧化钛和氧化锆。该方法涉及到涂层材料中包含的大型冷却坩埚聚焦高通量的电子束(约1安培在10千伏的潜力)。强烈的局部加热和汽化的源材料,避免任何反应相对凉爽的坩埚。此外,电子枪可以集中需要产生足够的强度甚至具有极低的挥发性物质汽化。进一步的创新,往往是与电子束熔融结合采用的是引进的低氧气分压力的腔室,在蒸发过程中的氧化物材料(称为反应蒸发),以提高工艺产量。

近年来,一些新的制造技术已被开发,使通过物理气相沉积方法生产的薄膜涂层的性能的显着改善。简称为精力充沛的PVD制程中,最常见的例子是离子辅助蒸镀离子束溅射磁控溅射含能PVD法,在许多情况下,制造具有改进性能的薄膜,包括更高的密度,折射率越高,结果减少光谱性能的灵敏度温度和水分,和优异的机械特性(如耐久性)。

无论是直热式或电子束蒸发源材料蒸发的方法,利用离子辅助沉积的修改。在涂覆过程中,用离子轰击基片的高能离子源的添加导致的薄膜层中的填充密度增加,和一个相应的增加,折射率和改进的机械特性的涂覆的基材。较稠密的包装薄膜中的空隙减少,减少水的吸收,这是一个常见的​​原因是机械故障和光学特性的变化的潜力。根据被沉积在薄膜上,可以采用各种的离子种,包括氧气或惰性气体如氩气。

干涉薄膜真空沉积室

高能离子源的离子束溅射技术,使用具有高流速的离子轰击的金属或介电氧化物靶。靶材料的原子数的物理位移,或溅射时,从靶表面的一部分,这些凝结成薄膜的涂布基板上。的一个变化的过程中,有时也称为“ 双离子束溅射,以及第二离子束轰击薄膜的生长过程中与氧气,氩气或其他气体的离子辅助轰击有时利用蒸发技术相似的方式在。

第三能量PVD工艺,反应磁控溅射法,已被应用在生产干扰涂料。此技术的优点是创建相当于离子束溅射薄膜具有理想的性能的薄膜,但在更高的沉积速率。反应磁控溅射法采用直流磁控溅射的金属或者半导体靶产生反应形成所需的氧化物层与基板的薄膜。已发现,以提高该过程的变化,在薄膜生长过程中的衬底,包括氧离子轰击。

可以使用各种各样的衬底材料的薄膜干涉滤光器的制造,并且被选择,以满足其预定的应用程序的光学和机械要求,以及它们的物理性质与所需涂层材料的相容性。其中光学基片材料,在各种应用中是显着的属性是感兴趣的,热膨胀系数,密度,和耐激光损伤的波长范围内的透射率。的材料也应是耐化学腐蚀,机械和热冲击。比较常见的光学基材材料是氟化镁,氟化钙,1 SUPRASIL多种熔融石英(商品名),紫外级熔融石英,Infrasil 301(稠合的天然石英具有低羟基含量的产品的商品名),水晶石英,BK7(一种硼硅酸盐冠光学玻璃),和蓝宝石。

其他注意事项激光扫描共聚焦系统

扫描共聚焦技术的实施,创造了一些额外的要求,利用荧光成像的光学元件,包括干涉滤光片的荧光集的一部分。采用激光照射时,一个常见的​​误解是一个特定的激光产生的光只有一个波长。事实上,几乎每一个激光产生额外的谐波和在多个波长的散射光。虽然这些辅助线的强度通常是低相对的主要光谱线(或线),它们可以,然而,严重影响系统的信号 - 噪声特性。往往微弱的荧光信号,可以完全掩盖了所需的发射线下降的谐波或散射光,如果在相同的波长区域的噪声。为了缓解这一潜在的问题,作为第一光学元件的照明路径中的激光清理过滤器结合。此过滤器,在效果,激发滤光器的变形的变化,和激光照明,必须以研磨和抛光到高的光学质量。虽然怀德菲尔德技术不需要照明路径中相同的精度,抛光清理过滤器应表现出透射波前畸变小于一个波长的每英寸的共聚焦应用。

同样,楔形规范清理过滤器应被最小化(小于1弧分),以允许不同的过滤器中使用的相同的光束路径(对于一些激光线)未经调整的光学。这种类型的过滤器通常是制造层结构,最大限度地提高反射性能,以避免热损伤的过滤器,从强激光辐射。然后,清理过滤器安装在几个度的角度从垂直于(相对于光轴),以防止过度的反射光重新进入激光腔,并产生损坏,这将减少激光寿命。一个典型的激光清理过滤器的目的是阻止所有光线从激光源,除了约10纳米的通带。

在共聚焦荧光应用,二色镜或分光器还必须满足更严格的规范,比那些需要广角镜。无论是透射波前畸变和楔规格应不超过每英寸的一个波长。任何以某一角度放置在光路的光学元件,因为可以引入偏振变化,还必须考虑这个因素的二色镜,特别是因为大多数的激光光源的偏振。的两个正交极化光束分量的不同分束器的透射或反射的档案可能会导致在一个极端的情况,即在一个方向偏振的光被反射,而相同的波长,但在垂直方向上偏振的光,被发送。

共聚焦荧光系统中的发射滤光片的功能是等同于在传统的宽视场显微镜,虽然必须封锁激发辐射发生在一个窄的光谱区。较宽带的照明光源(如水银弧光放电灯)的激光激发线功率的增加,可能需要更严格的阻塞规格的主要的激发波长的激光源的过滤器被设计。发射滤光器通常是研磨和抛光,精密的光学规格为宽视场显微镜,而这通常被认为是适合于共焦成像。共焦扫描系统中,形成图像的像素由像素的光电倍增管检测器的信号以串行的方式从发射滤光片的严格要求的重要性,也有一些分歧。由于需要保持共焦和排除平面信号精度高,额外的精度可能是有益的程度,它限制了信号失真。

结论

许多专门的显微镜技术受益显着从干涉滤光器的操作的基本原则的事实,启用了一个大实用的范围内的过滤器的光学性能的相对简单和精确的操作。的干涉滤光器技术的成功的关键之一是制造方法的通用性,这使生产的一个巨大的各种过滤器的许多应用中。一旦建立的设计细节,通过计算机建模和仿真测试,完全不同的过滤器可以,在某些情况下,由制造简单,加载不同的源材料的真空镀膜系统和重新编程的涂层参数的变化。沉积折射氧化物的材料使用充满活力的物理气相沉积技术的能力,极大地推进了生产高性能的实用干扰过滤器广泛的应用,包括高分辨率,高灵敏度荧光显微镜。