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Analisi completa dei filtri ottici

• 1Definizione e caratteristiche dei filtri
  Un filtro, in quanto componente ottico, ha principalmente la funzione di attenuare l'intensità della luce e di alterarne la composizione spettrale.fornire un filtro spettrale preciso per varie applicazioni otticheÈ importante notare che mentre i filtri possono migliorare alcuni colori o soggetti, non aumentano la luminosità delle immagini astronomiche.causando l'apparizione di oggetti più scuri nell'immagine risultante.
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• 2Principio di fabbricazione dei filtri
  I filtri sono generalmente realizzati da un substrato di plastica o vetro combinato con coloranti speciali, che alterano la struttura molecolare e l'indice di rifrazione del vetro.che ne influenzano le proprietà di trasmissione per diversi colori di luceAd esempio, un filtro rosso consente solo il passaggio della luce rossa mentre blocca tutti gli altri colori.con una lunghezza massima non superiore a 20 mmTuttavia, va notato che non producono luce veramente monocromatica.
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• 3Applicazione dei filtri nella 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 di luce.evidenziando così soggetti o colori specificiPer esempio, quando si fotografa un fiore giallo, posizionando un filtro giallo davanti all'obiettivo si blocca una parte della luce verde (dalle foglie) e blu (dal cielo),rendendo il giallo del fiore più vivo e enfatizzando efficacemente il soggettoQuesta tecnica è ampiamente utilizzata in vari scenari fotografici per aiutare i fotografi a creare opere più artistiche.
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• 4. Classificazione dei filtri
  I filtri possono essere classificati in base a diversi criteri, quali banda spettrale, caratteristiche spettrali, materiale di rivestimento e caratteristiche di applicazione.

• Sulla base della banda spettrale:

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

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

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

• Sulla base delle caratteristiche spettrali:

  • Filtri di passaggio di banda:Trasmetti una banda specifica di lunghezze d'onda.

  • Filtri di taglio (passaggio lungo/passaggio corto):Trasmettere lunghezze d'onda superiori (Longpass) o inferiori (Shortpass) a una specifica lunghezza d'onda di interruzione/interruzione.

  • Filtri dicroici: trasmette o riflette la luce in base alla lunghezza d'onda.

  • Filtri a densità neutrale (ND): attenuare uniformemente l'intensità luminosa su uno spettro.

  • Filtri riflettenti:Riflettono principalmente la luce entro una banda specifica.
    Questi tipi presentano diverse caratteristiche di trasmissione e di blocco per effetti di filtraggio spettrali specifici.

• Sulla base del materiale di rivestimento:

  • Filtri rivestiti morbidi:I rivestimenti sono meno resistenti, più adatti a dispositivi come gli analizzatori biochimici.

  • Filtri rivestiti con rivestimento duro:I rivestimenti presentano un'eccellente durezza e, soprattutto, elevate soglie di danno laser (LDT).

• Sulla base degli indici ottici e delle caratteristiche di trasmissione:

  • Filtri di passaggio di banda:Permettere il passaggio della luce all'interno di una banda selezionata bloccando la luce al di fuori della banda di passaggio.classificati come banda stretta o banda larga.

  • Filtri di passaggio breve:Trasmettere luce con lunghezze d'onda inferiori a una specifica lunghezza d'onda limite.

  • Filtri a passaggio lungo:Trasmettono luce con lunghezze d'onda più lunghe di una lunghezza d'onda specifica.
    Questi sono utilizzati per specifiche funzioni di selezione delle lunghezze d'onda.

• 5. Terminologia del filtro chiave spiegata

• Lunghezza d'onda centrale (CWL): la lunghezza d'onda corrispondente alla trasmittanza di picco per un filtro a banda passante o alla riflettività di picco per un filtro a tacca.,per i filtri di interferenza, il picco potrebbe non essere esattamente al punto medio della lunghezza d'onda.

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

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

• Intervallo di blocco (Band di blocco): descrive l'intervallo di lunghezza d'onda in cui l'energia viene attenuata dal filtro a un livello di densità ottica (OD) specificato.Questo definisce la regione spettrale bloccata dal filtro.

• Intervallo di transizione (larghezza di bordo): intervallo di lunghezza d'onda durante il quale il filtro passa da alta trasmissione a alta bloccaggio (o viceversa), misurato tra punti di trasmissione specificati (ad esempio,Questo determina la nitidezza del bordo.

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• Figura 2: Relazione tra intervallo di blocco/intervallo di transizione e densità ottica

• Densità ottica (OD): misura cruciale delle prestazioni di blocco della luce di un filtro, legata logaritmicamente alla trasmittanza (T) del filtro: OD = -log10(T).Un valore OD elevato indica una trasmittanza molto bassa (elevato blocco)La figura 3 mostra visivamente la trasmittanza per tre diversi valori OD (OD 1.0- Un'overdose.3È chiaro che la trasmissibilità diminuisce significativamente con l'aumento della dose.

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  (1) Relazione tra OD e trasmittanza: con l'aumento della densità ottica (OD), la trasmittanza diminuisce notevolmente.con conseguente minore trasmissibilitàQuesto fenomeno è dimostrato intuitivamente nella figura 3.

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• Filtro dicroico: tipo di filtro in grado di trasmettere o riflettere selettivamente la luce in base alla lunghezza d'onda (cfr. figura 4).Trasmette una gamma specifica di lunghezze d'onda mentre riflette o assorbe altre lunghezze d'ondaQuesto tipo è molto comune nelle applicazioni longpass e shortpass.

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  Figura 4: Caratteristiche di rivestimento di un filtro dicroico.

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  • Lunghezza d'onda cut-on (λcut-on): per un filtro longpass, questa è la lunghezza d'onda in cui la trasmittanza raggiunge il 50%. Identificata come λcut-on nella figura 5.

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    Fig. 5: Lunghezza d'onda di taglio per filtro a passaggio lungo.

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  • Lunghezza d'onda di taglio (λcut-off): per un filtro shortpass, questa è la lunghezza d'onda in cui la trasmittanza scende al 50%. Identificata come λcut-off nella figura 6.

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    Figura 6: Lunghezza d'onda di taglio per il filtro a passaggio corto.

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    Il parametro della lunghezza d'onda Cut-Off è particolarmente importante quando si discute delle prestazioni dei filtri Shortpass.identificato come λcut-off nella figura 6, che fornisce informazioni chiave per comprendere le prestazioni del filtro.

• 6.Tecnologie di produzione di filtri
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  Filtri assorbenti contro filtri dicroici
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• Filtri otticiLa differenza fondamentale sta nel loro meccanismo di filtraggio.

• Filtri assorbitori: si basano sulle proprietà di assorbimento di un substrato di vetro colorato per bloccare la luce. This type excels at handling noise caused by stray light within a system and is angle-insensitive – meaning their transmission and absorption properties remain consistent regardless of the angle of incident light.

• Filtri di interferenza dicroici: funzionano 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 per lunghezza d'onda in percorsi diversiQuesti filtri funzionano utilizzando rivestimenti a pellicola sottile costituiti da strati di materiali con diversi indici di rifrazione per creare interferenze costruttive e distruttive delle onde luminose.

  • Le onde luminose che si riflettono sulle interfacce tra gli strati interferiscono. Solo lunghezze d'onda specifiche a angoli specifici interferiscono in modo costruttivo per passare;altri interferiscono distruttivamente e si riflettono (Fig. 7).

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    Fig. 7: Struttura a più strati di materiali alternati ad alto e basso indice di rifrazione depositati su un substrato di vetro.

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  • A differenza dei filtri assorbitori, i filtri dicroici sono altamente sensibili all'angolo.L'aumento dell'angolo di incidenza sposta la trasmissione del filtro verso lunghezze d'onda più corte (e.per esempio, spostamento blu), mentre diminuendo l'angolo lo sposta verso lunghezze d'onda più lunghe (per esempio, spostamento rosso).

• Fabbricazione di filtri a fascia: rivestimento tradizionale contro rigido (IAD)
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  Ora ci concentriamo sui filtri di banda di passaggio dicroico, ampiamente utilizzati in molteplici industrie.

• Rivestimento tradizionale (multi-cavità):Molte pile di rivestimento (come la struttura nella figura 7) vengono depositate su diversi substrati separati.per filtri complessi, le pile potrebbero essere ripetute molte volte (ad esempio, 100+ strati totali per lato).questa tecnica si traduce in filtri più spessi con una trasmissione ridotta perché la luce viene assorbita e/o riflessa a ciascuna interfaccia del substrato e dello strato di cemento.

• Depositione a spruzzatura dura/assistita da ioni (IAD):Tutti gli strati di rivestimento richiesti (spesso superiori a 100 per lato) sono depositati su un unico substrato.Ciò si traduce in un filtro più sottile con una trasmissione significativamente più elevata poiché la luce passa solo attraverso un substrato ed evita perdite da strati di cemento.I vantaggi comprendono una migliore trasmissione, una maggiore stabilità ambientale e una durata più lunga.

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  Figura 8: Confronto del filtro tradizionale (multi-sottostrato, cementato) (a sinistra) contro il filtro rigido (singolo-sottostrato) (a destra).La trasmissione del filtro tradizionale diminuisce con l'aggiunta di substrati e strati di cementoIl filtro a sputter rigido ottiene una maggiore trasmissione utilizzando un singolo substrato.

• La comprensione di queste differenze di fabbricazione è fondamentale per la scelta del filtro giusto per un'applicazione.
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• 7. Introduzione e applicazioni dei diversi tipi di filtri
  Utilizzando come esempio i filtri Edmund Optics, ecco una breve panoramica dei tipi di filtri comuni e delle loro applicazioni:

• Filtri di passaggio di banda:Caratteristica di trasmissione a banda molto stretta (ad esempio, < 2nm, 10nm) o a banda larga (ad esempio, 50nm, 80nm) attraverso il substrato.La scelta di filtri a banda (IAD) a sputtere duro aumenta significativamente la trasmissione di picco alla lunghezza d'onda bersaglio.

• Filtri a passo lungo (LP):Trasmette tutte le lunghezze d'onda più lunghe di una specifica lunghezza d'onda di taglio (λcut-on).

• Filtri di passaggio corto (SP):Trasmettono tutte le lunghezze d'onda più corte di una specifica lunghezza d'onda di taglio (λcut-off).

• Vetro ad assorbimento di calore:Trasmette luce visibile mentre assorbe radiazioni infrarosse (IR).Utilizzato in applicazioni architettoniche e automobilistiche per il controllo termicoFunziona anche come filtro di scorciatoia.

• Specchi a freddo:Un tipo di filtro dicroico che presenta un'elevata riflettività nello spettro visibile mantenendo una elevata trasmissione nell'infrarosso (IR).Ideale per applicazioni in cui il calore generato potrebbe causare danni o effetti negativi (e.g., illuminando campioni sensibili al calore).

• Specchi caldi:Un tipo di filtro dicroico che presenta un'elevata riflettività nello spettro infrarosso (IR) mantenendo al contempo un'elevata trasmissione nel visibile.Ampiamente utilizzati nei sistemi di proiezione e illuminazione per rimuovere il calore.

• Filtri a tacchetta:Progettato per trasmettere tutte le lunghezze d'onda tranne una banda completamente bloccata preselezionata (la "intaglia").

• Filtri a substrato colorato (assorbibili):Creato utilizzando la lavorazione del substrato (ad esempio, vetro tinto, plastica). Esposere profili di assorbimento / trasmissione caratteristici attraverso regioni spettrali specifiche. Spesso utilizzato come filtri longpass o bandpass.I loro bordi di trasmissione/blocco sono meno taglienti dei filtri rivestiti, ma sono insensibili all'angolo.

• Filtri dicroici:Raggiungere la trasmissione/riflessione desiderata in specifiche bande spettrali attraverso un rivestimento a film sottile.Più sensibili all'angolo dei filtri assorbitori, ma generalmente meno sensibili dei filtri a banda di interferenza complessa.

• Filtri a densità neutrale (ND):progettati per attenuare uniformemente l'intensità della luce (in tutti gli spettri UV, visibili o IR) senza alterare significativamente l'equilibrio spettrale.

  • ND assorbente: opera assorbendo la luce non trasmessa.

  • ND riflettente: funziona riflettendo la luce non trasmessa lungo il percorso di incidente.Utilizzato per proteggere le telecamere/detettori dalla luce intensa o dalla sovraesposizione.