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Analisi completa dei filtri ottici

• 1. Definizione e caratteristiche dei filtri
  Un filtro, come componente ottico, funziona principalmente per attenuare l'intensità della luce e modificare la sua composizione spettrale. È specificamente progettato per selezionare la banda di radiazioni desiderata, fornendo un filtro spettrale preciso per varie applicazioni ottiche. È importante notare che mentre i filtri possono migliorare determinati colori o soggetti, non aumentano la luminosità dell'imaging astronomico. Questo perché tutti i filtri assorbono alcune lunghezze d'onda, facendo apparire gli oggetti nell'immagine risultante.
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• 2. Principio di fabbricazione del filtro
  I filtri sono in genere realizzati con un substrato di plastica o vetro combinato con coloranti speciali. Dopo aver aggiunto questi coloranti, alterano la struttura molecolare e l'indice di rifrazione del vetro, influenzando così le sue proprietà di trasmissione per diversi colori di luce. Ad esempio, un filtro rosso consente di passare solo la luce rossa bloccando tutti gli altri colori. Questa caratteristica consente ai filtri di rimuovere efficacemente la luce all'interno di un intervallo di lunghezza d'onda specifica, funzionando come monocromatici. Tuttavia, va notato che non producono luce veramente monocromatica.
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• 3. Applicazione dei filtri in fotografia
  I filtri svolgono un ruolo cruciale nel campo della fotografia. Aggiungendo un filtro appropriato davanti all'obiettivo, i fotografi possono bloccare efficacemente determinati colori della luce, evidenziando così soggetti o colori specifici. Ad esempio, quando si fotografa un fiore giallo, posizionando un filtro giallo davanti alla lente blocca parte della luce verde (dalle foglie) e blu (dal cielo), rendendo il giallo del fiore più vivido e enfatizzando efficacemente il soggetto. Questa tecnica è ampiamente utilizzata in vari scenari fotografici per aiutare i fotografi a creare più opere artistiche.
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• 4. Classificazione dei filtri
  I filtri possono essere classificati in base a criteri diversi, come banda spettrale, caratteristiche spettrali, materiale di rivestimento e caratteristiche dell'applicazione.

• Basato sulla banda spettrale:

  • Filtri ultravioletti (UV):Progettato per la regione spettrale ultravioletta.

  • Filtri della luce visibili:Progettato per la regione spettrale visibile.

  • Filtri a infrarossi (IR):Progettato per la regione spettrale a infrarossi.
    Questi filtri sono adattati a aree spettrali specifiche per soddisfare particolari esigenze ottiche.

• Basato su caratteristiche spettrali:

  • Filtri passa -banda:Trasmettere una banda specifica di lunghezze d'onda.

  • Filtri cut-off (Longpass/shortpass):Trasmettere le lunghezze d'onda sopra (Longpass) o inferiore (Gredo) una specifica lunghezza d'onda di taglio/taglio.

  • Filtri dicroici: Trasmettere o riflettere selettivamente la luce in base alla lunghezza d'onda.

  • Filtri della densità neutra (ND): Attenua in modo uniforme l'intensità della luce attraverso uno spettro.

  • Filtri riflettenti:Riflettere principalmente la luce all'interno di una banda specifica.
    Questi tipi hanno diverse caratteristiche di trasmissione e blocco per specifici effetti di filtraggio spettrale.

• Basato sul materiale di rivestimento:

  • Filtri con rivestimento morbido:I rivestimenti sono meno resistenti. Più adatti per dispositivi come gli analizzatori biochimici.

  • Filtri con rivestimento duro:I rivestimenti presentano un'eccellente durezza e, soprattutto, le soglie di danno al laser elevate (LDT). Ampiamente utilizzato nei sistemi laser.

• Basato su indici ottici e caratteristiche di trasmissione:

  • Filtri passa -banda:Lasciare passare la luce all'interno di una fascia selezionata bloccando la luce all'esterno della banda passante. I parametri chiave includono la lunghezza d'onda centrale (CWL) e la larghezza completa a metà massimo (FWHM), classificate come banda stretta o banda larga.

  • Filtri passa -corti:Trasmettere la luce con lunghezze d'onda più corti di una specifica lunghezza d'onda di taglio.

  • Filtri Longpass:Trasmettere la luce con lunghezze d'onda più lunghe di una specifica lunghezza d'onda tagliata.
    Questi sono utilizzati per specifiche funzioni di selezione della lunghezza d'onda.

• 5. Terminologia del filtro chiave spiegato

• Lunghezza d'onda centrale (CWL): la lunghezza d'onda corrispondente alla trasmittanza di picco per un filtro passa -banda o la riflettanza di picco per un filtro Notch. Fondamentalmente, il CWL è definito come il punto medio della FWHM, non semplicemente la lunghezza d'onda in cui la trasmittanza è del 50%. Per i filtri di interferenza, il picco potrebbe non essere esattamente al punto medio della lunghezza d'onda. Fare riferimento a Fig. 1 per un'illustrazione di CWL e FWHM.

• Larghezza di banda: l'intervallo di lunghezza d'onda corrispondente alla parte dello spettro in cui una quantità specifica di energia passa attraverso il filtro, noto anche come FWHM (vedi Fig. 1).

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• Fig 1:Illustrazione della lunghezza d'onda centrale e larghezza completa a metà massimo (FWHM)
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• Quando si discutono delle prestazioni del filtro, si incontrano altri due concetti chiave:

• Range di blocco (banda di blocco): descrive l'intervallo di lunghezze d'onda in cui l'energia è attenuata dal filtro a un livello specificato di densità ottica (OD). Ciò definisce la regione spettrale bloccata dal filtro.

• Intervallo di transizione (larghezza del bordo): l'intervallo di lunghezza d'onda su cui il filtro passa da alta trasmissione a blocco elevato (o viceversa), misurato tra i punti di trasmittanza specificati (ad es, dall'80% al 5% t). Questo definisce la nitidezza del bordo.

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• Fig 2: relazione tra intervallo di blocco/intervallo di transizione e densità ottica

• Densità ottica (OD): una misura cruciale delle prestazioni di blocco della luce di un filtro. È logaritmicamente correlato alla trasmittanza (t) del filtro: od = -log₁₀ (t). Un valore OD elevato indica una trasmittanza molto bassa (blocco elevato), mentre un valore OD basso indica una maggiore trasmittanza. La Fig 3 mostra visivamente la trasmittanza per tre diversi valori OD (OD 1.0, OD 1.3, OD 1.5). Chiaramente, la trasmittanza diminuisce significativamente all'aumentare di OD.

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  (1) La relazione tra OD e trasmittanza: l'aumento della densità ottica (OD), la trasmittanza diminuisce notevolmente. Ciò significa che all'aumentare dell'OD di un filtro, la sua capacità di bloccare la luce si rafforza, con conseguente minore trasmittanza. Questo fenomeno è dimostrato intuitivamente in Fig 3.

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• Filtro dicroico: un tipo di filtro in grado di trasmettere o riflettere selettivamente la luce in base alla lunghezza d'onda (vedi Fig 4). Trasmette un intervallo di lunghezza d'onda specifica riflettendo o assorbendo altre lunghezze d'onda. Questo tipo è molto comune nelle applicazioni LongPass e ShortPass.

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  Fig 4: caratteristiche di rivestimento di un filtro dicroico.

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  • Lunghezza d'onda tagliata (λcut-on): per un filtro Longpass, questa è la lunghezza d'onda in cui la trasmittanza raggiunge il 50%. Identificato come λcut-on in Fig 5.

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    Fig 5: lunghezza d'onda tagliata per filtro Longpass.

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  • Lunghezza d'onda di cut-off (λcut-off): per un filtro passa-corto, questa è la lunghezza d'onda in cui la trasmittanza scende al 50%. Identificato come λcut-off in Fig 6.

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    Fig 6: lunghezza d'onda di cut-off per filtro shortpass.

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    Il parametro di lunghezza d'onda di cut-off è particolarmente importante quando si discute delle prestazioni dei filtri a corto. Rappresenta la lunghezza d'onda specifica in cui la trasmittanza scende al 50%, identificata come λcut-off in Fig 6, fornendo informazioni chiave per comprendere le prestazioni del filtro.

• 6.Tecnologie di produzione di filtri
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  Filtri assorbenti vs. dicroici
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• Filtri otticiPuò essere ampiamente classificato in due tipi principali: assorbimento e dicroico (interferenza). La differenza fondamentale sta nel loro meccanismo di filtraggio.

• Filtri di assorbimento: fare affidamento sulle proprietà di assorbimento di un substrato di vetro colorato per bloccare la luce. La luce bloccata è completamente assorbita all'interno del materiale del filtro e non si riflette. Questo tipo eccelle nella gestione del rumore causato dalla luce vagante all'interno di un sistema ed è insensibile all'angolo, il che significa che le loro proprietà di trasmissione e assorbimento rimangono coerenti indipendentemente dall'angolo della luce incidente.

• Filtri dicroici (interferenza): lavoro riflettendo le lunghezze d'onda indesiderate e trasmettendo la porzione spettrale desiderata. Questo meccanismo è auspicabile nelle applicazioni in cui la luce deve essere separata dalla lunghezza d'onda in percorsi diversi. Questi filtri funzionano utilizzando rivestimenti a film sottile costituiti da strati di materiali con diversi indici di rifrazione per creare interferenze costruttive e distruttive delle onde luminose.

  • Le onde luminose che riflettono le interfacce tra i livelli interferiscono. Solo le lunghezze d'onda specifiche ad angoli specifiche interferiscono costruttivamente da passare attraverso; Altri interferiscono distruttivamente e si riflettono (Fig 7).

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    Fig 7: Struttura multistrato di materiali indici di rifrazione alterni e bassi depositati su un substrato di vetro.

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  • A differenza dei filtri assorbenti, i filtri dicroici sono altamente sensibili all'angolo. Se utilizzati ad angoli diversi dall'angolo di progettazione, le loro specifiche di trasmissione e lunghezza d'onda non possono essere soddisfatte. L'aumento dell'angolo di incidenza sposta la trasmissione del filtro verso lunghezze d'onda più brevi (ad es. Spostamento blu), diminuendo mentre l'angolo lo sposta verso lunghezze d'onda più lunghe (ad es. Shift rosso).

• BandPass Filter Manufacturing: rivestimento tradizionale contro duro (IAD)
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  Ora ci concentriamo sui filtri passa -bande dicroici, ampiamente utilizzati in più settori. Possono essere tipi di substrato dicroico o colorato. Le tecniche di produzione chiave includono:

• Rivestimento tradizionale (multi-cavità):Le pile di rivestimento multiple (come la struttura in Fig 7) vengono depositate su diversi substrati separati. Questi substrati rivestiti vengono quindi cementati per formare un singolo elemento filtro spesso. Per filtri complessi, gli stack potrebbero essere ripetuti più volte (ad es. 100+ strati in totale per lato). Sebbene in grado di profili complessi, questa tecnica si traduce in filtri più spessi con trasmissione ridotta perché la luce viene assorbita e/o riflessa su ciascuna interfaccia del substrato e strato di cemento.

• Deposizione assistita da ioni (IAD):Tutti i strati di rivestimento richiesti (spesso superiori a 100 strati per lato) vengono depositati su un singolo substrato. Ciò si traduce in un filtro più sottile con trasmissione significativamente più elevata poiché la luce passa solo attraverso un substrato ed evita perdite dagli strati di cemento. I vantaggi includono una migliore trasmissione, una migliore stabilità ambientale e una durata più lunga.

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  Fig 8: Confronto del filtro tradizionale (multi-substrato, cementato) (sinistra) rispetto al filtro a durata dura (singolo substrato) (a destra). La trasmissione del filtro tradizionale diminuisce con substrati aggiunti e livelli di cemento. Il filtro spuntato duro raggiunge una maggiore trasmissione utilizzando un singolo substrato.

• Comprendere queste differenze di produzione è cruciale quando si seleziona il filtro giusto per un'applicazione. Considera i compromessi in base a esigenze specifiche (prestazioni, dimensioni, stabilità) e budget.
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• 7. Introduzione e applicazioni di diversi tipi di filtro
  Utilizzando i filtri di Optics Edmund come esempio, ecco una breve panoramica dei tipi di filtro comuni e delle loro applicazioni:

• Filtri passa -banda:Funzionalità di banda molto stretta (ad es., <2nm, 10nm) o a banda larga (ad es. 50nm, 80nm) attraverso il substrato. Altamente sensibile all'angolo; richiedono un attento montaggio. La scelta dei filtri di banda a durata dura (IAD) aumenta significativamente la trasmissione di picco alla lunghezza d'onda target.

• Filtri Longpass (LP):Trasmettere tutte le lunghezze d'onda più a lungo di una specifica lunghezza d'onda di taglio (λcut-on). I tipi includono specchi freddi, filtri in vetro colorato e filtri Termoset ADC (plastica di stampaggio ottico).

• Filtri shortpass (sp):Trasmettere tutte le lunghezze d'onda più corti di una specifica lunghezza d'onda di interruzione (λcut-off). I tipi includono filtri con taglio IR, specchi caldi e vetro che assorbono calore.

• Vetro che assorbente calore:Trasmette la luce visibile durante l'assorbimento delle radiazioni a infrarossi (IR). L'energia assorbita viene dissipata come calore nell'aria circostante. Utilizzato in applicazioni architettoniche e automobilistiche per il controllo termico. Funziona anche come un filtro a basso costo.

• Specchi freddi:Un tipo di filtro dicroico che mostra un'elevata riflettanza nello spettro visibile mantenendo un'alta trasmissione nell'infrarosso (IR). Ideale per applicazioni in cui il calore generato potrebbe causare danni o effetti avversi (ad es. Imploining campioni sensibili al calore).

• Specchi caldi:Un tipo di filtro dicroico che mostra un'elevata riflettanza nello spettro a infrarossi (IR) mantenendo un'alta trasmissione nel visibile. Ampiamente utilizzato nei sistemi di proiezione e illuminazione per rimuovere il calore.

• Filtri di tacca:Progettato per trasmettere tutte le lunghezze d'onda ad eccezione di una banda preselezionata e completamente bloccata (la "tacca"). Ideale per rimuovere con precisione una singola lunghezza d'onda laser o una banda stretta da un sistema ottico.

• Filtri del substrato colorato (assorbente):Creato utilizzando l'elaborazione del substrato (ad es. Vetro tinto, plastica). Mostra profili di assorbimento/trasmissione caratteristici in regioni spettrali specifiche. Spesso usato come filtri Longpass o banda. I loro bordi di trasmissione/blocco sono meno affilati rispetto ai filtri rivestiti ma sono insensibili all'angolo.

• Filtri dicroici:Ottenere la trasmissione/riflessione desiderata in bande spettrali specifiche attraverso un rivestimento a film sottile. Utilizzato per applicazioni come la separazione dei colori o la combinazione nell'imaging. Più sensibili all'angolo rispetto ai filtri assorbenti, ma generalmente meno sensibili rispetto ai complessi filtri di banda/tacca di interferenza.

• Filtri della densità neutra (ND):Progettato per attenuare uniformemente l'intensità della luce (attraverso gli spettri UV, visibili o IR) senza alterare significativamente l'equilibrio spettrale.

  • Assorbimento ND: lavoro assorbendo la luce non trasmessa.

  • Riflettente ND: lavoro riflettendo la luce non trasmessa lungo il percorso incidente. È necessaria cautela per garantire che la luce riflessa non interferisca con l'installazione. Utilizzato per proteggere telecamere/rilevatori da luce intensa o sovraesposizione.