如何选择与作用滤光片

滤光片是以确定的方式改变到达检测器的辐射能的光谱分布、振动方向和强度的元件。有中性滤光片和干涉滤光片，其中中性滤光片主要是指在规定的波长范围内可以使到达检测器的所有波长的辐射功率衰减相同的倍数的一种滤光片；干涉滤光片是指利用厚度与波长呈一定关系的一层或数层透明薄膜产生的干涉，使所需波长范围内的光透过或反射的滤光片。

对于红外探测器的应用，滤波片必须满足以下两个条件：

（1）根据具体应用的要求，在紫外到远红外区域内限定敏感元件的光谱吸收区域；

（2）实现敏感元件与外界环境之间的光学界面，并实现可靠的密封性能。

结合红外探测的基本原理和气体检测模型的假设，本书的设计选择了干涉滤光片，通过干涉滤光片实现敏感元件对红外辐射的选择性吸收，同时也有利于消除其他不相关的波长区域内的光谱影响。

适应于红外探测器的窄带通光学滤波片通常被制备在硅或者锗基底上，这类光学滤波片通常采用BaF₂、CaF₂、KBr等晶体材料，或者硅材料。这种滤波片具有极窄的光谱通过性能，其中以德国的InfraTec公司生产的光学滤波片性能较优越，本书中主要选用HC系列的作研究使用，具体材料为CaF₂。一些相关的气体检测常用的滤波片的具体参数描述见表3-2^[106]。

表3-2 常用检测气体的滤波片的一些参数描述与选择

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对于如何选择滤波片的参数，需要根据其检测应用的要求来确定，对于气体检测应用，需结合红外吸收的基本原理，对于不同的气体检测，需要先对被测气体的红外吸收光谱进行分析，根据气体对光谱的吸收特性（特殊的吸收区域），进行分析对比，选择适于被测气体特征吸收光谱通过的滤波片，而过滤掉其他区域的红外辐射，这样可以避免因其他光谱区域内的红外辐射被敏感元件吸收而造成的影响，以下是几种气体的红外吸收光谱特性，具体如图3-29所示。

图3-29 几种气体对红外线的透射光谱

在本书的研究中，主要针对甲烷气体检测的实现，根据甲烷气体的红外光谱谱分析，甲烷的特征吸收峰为3.31μm波长，所选择的滤波片参数如图3-30所示，气体检测响应波长区域所选择的光学滤波片参数为3.31μm±60nm，而选择用作气体检测的参考通道的光学滤波片的参数为3.91μm±90nm，对于其他气体的检测可根据上述方法具体选择^[107]。参考通道的选取原则是大多气体在此区域内都无吸收峰的。

图3-30 窄带滤波片的光学性能