中性密度（ND）滤光片是一种光学衰减装置，旨在以相同的方式降低通过它的光强度，且在特定光谱范围内保持一致。它的主要功能是降低光功率，同时不改变入射光的色度（色彩平衡）或光谱组成。理想情况下，ND滤光片可作为光谱“中性”衰减器，仅调节信号的振幅。
基本原理与指标
ND滤光片的性能由其阻挡光线的能力决定，通过光密度（OD）进行量化。
光密度（OD）
光密度是一个对数单位，描述滤光片的衰减因子。它与分数透射率（T）通过以下公式相关：
OD = -log10(T)
反之，透射率（T）可以通过OD计算：
T = 10-OD
其中T是一个介于0和1之间的值（例如，50%的透射率 = 0.5）。
标准OD值和传输表：
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光密度 (OD)
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透射率 (%)
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衰减系数
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0.1
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79%
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1.25X
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0.3
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50%
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2X
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0.5
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31.6%
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3X
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1.0
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10%
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10X
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2.0
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1%
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100X
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3.0
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0.1%
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1000X
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4.0
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0.01%
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10000X
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主要规格
- 光谱平坦度：指定波长范围内的透射率变化。没有滤光片是绝对中性的，“平坦度”定义了偏差（例如，5%）。
- 清晰孔径（CA）：符合指定光学质量的滤光片中心直径（通常大于总直径的90%）。
- 表面质量（划痕-麻点）：衡量表面美容缺陷（例如，40-20），对于成像应用至关重要，以最大限度地减少散射。
- 平行度（楔角）：两个光学表面之间的角度。高平行度可减少成像路径中的光束偏转。
ND滤光片的类型
ND滤光片根据其衰减光线的作用机制分为：吸收型或反射型。
A. 吸收型ND滤光片
这类滤光片通常使用掺杂有过渡金属或稀土元素的玻璃基底来吸收特定百分比的入射光。
- 作用机制：能量在材料内部被吸收。
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优点：
- 低背反射：非常适合存在重影或杂散光的成像系统。
- 方向无关：可在光路中以任何方向放置。
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缺点：
- 低损伤阈值：吸收的能量转化为热量，不适用于高功率激光器（有热透镜效应或破裂的风险）。
- 厚度变化：较高的OD值通常需要更厚的玻璃，这会影响光路长度。
B. 反射型（金属）ND滤光片
这类滤光片由透明基底（玻璃、熔融石英）组成，表面涂有薄金属膜（例如，英科乃尔、铬），可反射部分光线。
- 作用机制：能量从表面反射；很少被吸收。
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优点：
- 高损伤阈值：适用于激光应用，因为热量积聚最小。
- 恒定厚度：基底厚度均匀，与OD值无关。
- 光谱中性：与吸收型玻璃相比，在更宽的波长范围（紫外到红外）内响应更平坦。
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缺点：
- 背反射：强烈的反射会使激光腔不稳定或导致测量误差。
- 方向敏感：反射涂层通常应朝向光源，以防止基底或粘合剂受热。
变化形式
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可变ND滤光片（VND）：允许连续调节衰减。
- 圆形可变ND：一种“楔形”设计，密度沿圆周变化。
- 线性可变ND：密度沿线性轴变化。
- 步进ND滤光片：一个分为不同光密度离散部分（步进）的单一基底，用于快速系统校准。
- 变迹滤光片：具有径向变化密度（通常中心透明，边缘变暗），用于修改光束强度分布（例如，将高斯光束转换为平顶光束）。
应用
探测器保护：防止光电二极管、CCD和CMOS传感器饱和或损坏。
激光束衰减：降低激光功率以进行安全测量或对准。
曝光控制：在摄影和机器视觉中，允许在明亮条件下使用更大的光圈或更慢的快门速度。
系统校准：验证光学测量系统的线性度。
