牛眼濾光片（Bull's Eye Filter）是一種具有同心圓環(huán)結構的光學元件，因其外觀類似箭靶或牛眼而得名。其核心功能是通過不同環(huán)帶對光的波長、偏振態(tài)、強度或相位進行選擇性調(diào)控，從而實現(xiàn)對光場的空間分布管理。與傳統(tǒng)均勻濾光片相比，牛眼濾光片在單一片基上集成多區(qū)域調(diào)控能力，可同時滿足復雜光學系統(tǒng)的多項需求，是激光技術、成像系統(tǒng)、光通信等領域的關鍵功能元件。

核心特性：  

1. 同心環(huán)帶結構：環(huán)帶寬度可從毫米到微米級，支持高空間分辨率的光場調(diào)控。  

2. 多功能集成：單器件實現(xiàn)光譜過濾、偏振轉換、強度衰減等多重功能。  

3. 定制化設計：環(huán)帶數(shù)量、材料、透過率等參數(shù)可按應用場景靈活調(diào)整。

一、工作原理與設計基礎

牛眼濾光片通過以下物理機制實現(xiàn)光場調(diào)控：  

1. 干涉效應：利用多層介質膜干涉，選擇特定波長光透過（如帶通濾光片）。  

2. 吸收效應：材料本征吸收特性抑制特定波段光（如中性密度濾光片）。  

3. 微納結構調(diào)制：通過表面微結構（如光柵、超表面）改變光的偏振或相位。  

4. 相位延遲：引入螺旋相位生成渦旋光束（如渦旋相位片）。

其設計需結合精密鍍膜、納米加工或材料摻雜技術，確保環(huán)帶間的精確過渡與功能一致性。

二、牛眼濾光片的分類體系

根據(jù)功能特性與物理機制，牛眼濾光片可分為以下六類：

1. 光譜選擇型

通過環(huán)帶控制光的波長透過范圍，分為帶通型和長通/短通漸變型。

帶通型：每個環(huán)帶允許特定窄波段光通過（如中心環(huán)透紅光，外圍透藍光），用于多光譜成像或分光系統(tǒng)。  

長通/短通漸變型：從中心到邊緣依次透射更長或更短波長光，適用于環(huán)境光補償或色差校正。  

物理實現(xiàn)：

干涉型：依賴多層介質膜設計（如SiO?/TiO?交替鍍膜）。  

吸收型：采用摻雜染料或半導體材料的基底（如吸收紫外光的環(huán)帶）。

2. 偏振依賴型

通過環(huán)帶調(diào)控光的偏振方向，分為徑向偏振片和角向偏振片。

徑向偏振片：偏振方向沿半徑分布，提升激光加工效率。  

角向偏振片：偏振方向沿環(huán)帶切線分布，用于顯微成像增強對比度。  

物理實現(xiàn)：  

金屬光柵或液晶聚合物環(huán)帶結構。  

超表面（Metasurface）納米天線陣列。

3. 強度調(diào)制型

通過環(huán)帶梯度調(diào)節(jié)光強，分為中性密度（ND）漸變?yōu)V光片和吸收型強度濾光片。

中性密度（ND）漸變?yōu)V光片：透過率從中心到邊緣逐漸降低（如90%→10%），用于抑制光暈或均衡激光能量。  

吸收型強度濾光片：通過炭黑摻雜或金屬顆粒實現(xiàn)全波段光強衰減。  

應用場景：攝影曝光平衡、激光束整形。

4. 相位調(diào)制型

通過環(huán)帶引入光學相位延遲，生成特殊光場：  

螺旋相位片（Vortex Plate）：環(huán)帶相位從0到2π螺旋變化，產(chǎn)生攜帶軌道角動量（OAM）的渦旋光束，用于光鑷或量子通信。  

波前校正片：校正光學系統(tǒng)像差，提升成像質量。

5. 復合功能型

整合多種調(diào)控功能，例如：  

偏振+光譜復合型：同時選擇波長和偏振態(tài)。  

相位+強度復合型：生成特定強度分布的渦旋光束。  

此類濾光片多為定制化設計，用于高復雜度光學系統(tǒng)。

6. 吸收型牛眼濾光片

依賴材料吸收特性實現(xiàn)光調(diào)控，分為：  

波長選擇吸收型：不同環(huán)帶吸收特定波長（如紫外/紅外），用于激光防護或雜散光抑制。  

全波段吸收型：中性密度環(huán)帶漸變，適用于高功率激光系統(tǒng)。  

優(yōu)勢：高損傷閾值、低成本、寬角度穩(wěn)定性。

三、應用場景與典型案例

1. 激光加工與整形

徑向偏振牛眼濾光片用于金屬切割，減少熱影響區(qū)。  

ND漸變?yōu)V光片勻化高斯光束，提升加工均勻性。  

2. 生物醫(yī)學成像

多光譜牛眼濾光片分離熒光信號，實現(xiàn)深層組織成像。  

角向偏振光增強細胞膜顯微對比度。  

3. 光通信與量子技術

渦旋光束實現(xiàn)多模復用，提升光纖通信容量。  

偏振濾光片調(diào)控單光子態(tài)，用于量子密鑰分發(fā)。  

4. 環(huán)境監(jiān)測與遙感

無人機搭載帶通型牛眼濾光片，識別地表污染物或植被分布。  

5. 消費電子

手機攝像頭集成吸收型牛眼濾光片，抑制邊緣眩光。  

四、技術優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

五、未來發(fā)展趨勢

1. 超表面技術：利用超構表面實現(xiàn)超薄、寬波段牛眼濾光片，拓展至太赫茲/紫外波段。  

2. 動態(tài)可調(diào)器件：結合液晶或電光材料，開發(fā)實時調(diào)控濾光參數(shù)的智能元件。  

3. 低成本制造：推廣納米壓印、噴墨打印技術，推動大規(guī)模商業(yè)化應用。  

4. 新材料應用：二維材料（如石墨烯）、等離子體結構提升吸收型濾光片性能。  

牛眼濾光片以其獨特的空間調(diào)制能力，成為光學領域多場景應用的“瑞士軍刀”。從精密激光加工到消費電子成像，其分類的細化與技術創(chuàng)新持續(xù)推動光場調(diào)控技術的邊界。未來，隨著微納制造與新材料技術的突破，牛眼濾光片將在量子計算、AR/VR、生物傳感等新興領域展現(xiàn)更大潛力。