Wyjaśnienie filtracji optycznej: rodzaje, widma i sposób wyboru odpowiedniego filtra

Co to jest filtracja optyczna i dlaczego ma to znaczenie?

Kamera wizyjna na linii produkcyjnej zaczyna błędnie odczytywać numery części, gdy przez obiektyw pada popołudniowe światło słoneczne. Mikroskop fluorescencyjny traci kontrast, ponieważ światło wzbudzenia przedostaje się do kanału emisyjnego. Czujnik temperatury dryfuje, ponieważ zaabsorbowane światło widzialne nagrzewa obudowę szybciej, niż reaguje element czujnikowy. Te awarie wyglądają na niezwiązane ze sobą, ale mają jedną podstawową przyczynę: niepożądane długości fal docierające do detektora. Standardowym środkiem zaradczym jest filtracja optyczna — świadomy wybór długości fal, które przechodzą przez element, a które są blokowane lub pochłaniane.

Filtrację optyczną realizuje się na dwa fizycznie różne sposoby. Filtry interferencyjne składają się z kilkudziesięciu cienkich warstw dielektrycznych, które odbijają wybrane długości fal; oferują ostre krawędzie widmowe, ale zmieniają się wraz z kątem padania. Natomiast filtry absorpcyjne działają wewnątrz samego szkła. Tlenki metali i inne domieszki są rozpuszczane w stopionym materiale, dzięki czemu materiał pochłania określone energie fotonów, przepuszczając inne. Ponieważ substancje pochłaniające są rozprowadzane w całej objętości, filtry z kolorowego szkła pozostają stabilne w nietypowych warunkach, w umiarkowanej temperaturze i przez długi okres użytkowania.

W tym artykule wyjaśniono, jak w praktyce działa filtracja optyczna, gdzie filtry ze szkła kolorowego przewyższają filtry powlekane i co należy sprawdzić przed wyborem filtra do swojego systemu.

Co robi filtracja optyczna w rzeczywistym systemie

Filtracja spełnia cztery praktyczne zadania w układzie optycznym:

W przypadku urządzeń przemysłowych filtry ze szkła odcinającego są często pierwszym wyborem, ponieważ łączą stabilną krawędź przejściową z prostą, wytrzymałą konstrukcją. A Filtr odcinający UV blokuje pasmo 100–400 nm podczas przepuszczania światła widzialnego; filtr pochłaniający ciepło działa odwrotnie, przepuszczając światło widzialne i pochłaniając podczerwień. Obydwa są rozwiązaniami codziennego użytku w dziedzinie widzenia maszynowego, oświetlenia, oprzyrządowania i sprzętu bezpieczeństwa.

Cztery główne rodziny filtrów w filtracji optycznej

Istnieją setki konstrukcji filtrów, ale większość popytu na optykę przemysłową można podzielić na cztery rodziny, podsumowane w tabeli 1.

Odcinane filtry szklane

Filtr długoprzepustowy blokuje krótsze fale i transmituje dłuższe; filtr krótkoprzepustowy działa odwrotnie. Projekt jest definiowany przez długość fali przejścia. Typowy Filtr szklany odcinający promieniowanie UV na przykład tłumi promieniowanie poniżej około 380–400 nm podczas przechodzenia przez widmo widzialne. Asortyment produkcyjny obejmuje złotożółte, pomarańczowe i czerwone szkło cięte z pozycjami przejściowymi w całym paśmie widzialnym, a także wersje ultrafioletowe i podczerwone.

Producenci niestandardowych filtrów szklanych UV - Nantong Xiangyang Element optyczny Nantong Xiangyang Optical Element Co., Ltd. to chińscy producenci i firma filtrów szklanych z odcięciem UV, zapewniamy dostosowane do potrzeb ODM/OEM... Zobacz produkt →

Selektywne filtry absorpcyjne ze szkła

Zamiast pojedynczej krawędzi selektywny filtr absorpcyjny usuwa określone pasmo wewnątrz widma. Szkło pochłaniające ciepło przepuszcza światło widzialne, pochłaniając promieniowanie bliskiej podczerwieni, dlatego jest powszechne w systemach projekcyjnych, oświetleniowych i wystawowych. Ta sama rodzina obejmuje termoizolacyjne szkło filtrujące do zarządzania ciepłem, a także do korekcji kolorów, kalibracji długości fali i okularów pochłaniających promieniowanie UV w zakresie widzialnym do zastosowań analitycznych i fotograficznych.

Producenci niestandardowych izolacyjnych szkieł filtracyjnych - element optyczny Nantong Xiangyang Nantong Xiangyang Optical Element Co., Ltd. to chińscy producenci i firma izolującego szkła filtracyjnego, zapewniamy dostosowane do indywidualnych potrzeb ODM/OEM... Zobacz produkt →

Filtry o neutralnej gęstości

Gdy celem jest tłumienie, a nie wybór długości fali, standardowym narzędziem jest szkło o neutralnej gęstości. Filtry ND równomiernie redukują natężenie światła, umożliwiając kamerom, spektrometrom i systemom laserowym działanie w ich liniowym zakresie odpowiedzi bez zmiany balansu kolorów. Są one określone przez gęstość optyczną, która jest bezpośrednio odwzorowywana na procent przepuszczanego światła.

Filtry polaryzacyjne

Wreszcie filtry polaryzacyjne kontrolują kierunek wektora pola elektrycznego, a nie widmo. Są niezbędne do redukcji odblasków w obrazie maszynowym, analizy naprężeń w przezroczystych częściach i poprawy kontrastu wyświetlaczy. Dopasowanie współczynnika ekstynkcji, transmisji i zakresu długości fali do zastosowania ma większe znaczenie niż jakakolwiek pojedyncza specyfikacja; dedykowaną recenzję jak działają filtry polaryzacyjne jest dobrym punktem wyjścia.

Odczytywanie krzywej widmowej: co robi prawdziwy filtr

Żaden filtr optyczny nie ma idealnie kwadratowej krawędzi transmisji. Filtry rzeczywiste pokazują obszar przejściowy, w którym transmitancja zmienia się stopniowo od blokowania do transmisji. W przypadku filtrów długoprzepustowych z kolorowego szkła przejście zwykle obejmuje kilkadziesiąt nanometrów, podczas gdy powłoki interferencyjne mogą osiągać znacznie bardziej strome zbocza. Poniższe schematyczne krzywe pokazują reprezentatywne kształty dla głównych typów filtrów.

Kiedy czytasz krzywą, liczą się trzy szczegóły. Po pierwsze, długość fali odcięcia – punkt, w którym osiąga transmitancja 50% maksimum — określa rzeczywiste położenie filtra. Po drugie, nachylenie przejścia określa, jak czysto filtr oddziela dwie długości fal. Po trzecie, transmitancja wewnątrz pasma informuje, ile sygnału traci system. Dobrze wykonany filtr z kolorowego szkła powinien charakteryzować się wysoką, równomierną transmisją w całym paśmie przepustowym i nie powinien wykazywać żadnych wtórnych cech absorpcji.

Jak wybrać odpowiedni filtr optyczny

Wybierz filtr, cofając się od problemu optycznego, a nie od strony katalogu. Zacznij od pięciu pytań:

1. Które długości fal muszą przejść, a które zablokować?
2. Na jaką stratę transmitowanego sygnału może pozwolić sobie system?
3. Jaki kąt padania będzie widział filtr w końcowym montażu?
4. Na jaką temperaturę, wilgotność i promieniowanie UV będzie narażony?
5. Jakiego rozmiaru, kształtu i objętości faktycznie potrzebujesz?

W przypadku wielu projektów rzetelne porównanie sprowadza się do absorpcyjnego szkła kolorowego i powłok dielektrycznych. Poniższy wykres radarowy pokazuje, gdzie każda technologia zazwyczaj się wyróżnia.

Gęstość optyczna: prosta matematyka kryjąca się za filtrami o gęstości neutralnej

Specyfikacje gęstości neutralnej wykorzystują gęstość optyczną (OD), zdefiniowaną jako OD = log10(1/T) , gdzie T jest transmitowanym ułamkiem. Skala jest logarytmiczna, więc każdy krok 0,3 cala OD zmniejsza o połowę przepuszczane światło .

Powyższy wykres przedstawia przesyłany procent dla typowych wartości ND. Filtr OD 0,9 przepuszcza ok 12,6% światła padającego i jest częstym wyborem w celu ochrony czujnika. Gdy filtry są ułożone jeden na drugim, ich gęstości optyczne dodają się: OD 0,6 plus OD 0,3 równa się OD 0,9. Ta właściwość sprawia szkło filtracyjne o neutralnej gęstości wygodne do dostrajania tłumienia, pod warunkiem, że połączona transmisja pozostaje powyżej poziomu szumów detektora.

Producenci niestandardowych neutralnych szarych filtrów szklanych - Nantong Xiangyang Optical Eleme Nantong Xiangyang Optical Element Co., Ltd. jest chińskim producentem i firmą z neutralnym szarym filtrem szklanym, zapewniamy dostosowane do indywidualnych potrzeb ODM/OEM... Zobacz produkt →

Co sprawdzić przed złożeniem zamówienia

Skuteczność filtracji zależy w równym stopniu od procesu produkcyjnego, jak i od składu szkła. Przy ocenie dostawcy liczą się trzy kontrole. Po pierwsze, poproś o zmierzoną krzywą transmisji, a nie o arkusz danych nominalnych; Twój system zobaczy rzeczywistą pozycję brzegową i transmisję w paśmie. Po drugie, potwierdź tolerancje grubości, średnicy i wykończenia krawędzi; odchylenia mechaniczne wpływają na montaż, a defekty powierzchni rozpraszają światło. Po trzecie, zweryfikuj zachowanie w swoim środowisku; temperatura, wilgotność i długotrwała ekspozycja na promieniowanie UV mogą zmienić transmisję w źle przetworzonym szkle.

Wewnątrz filtra z kolorowego szkła: jak działa absorpcja

Poniższy diagram izometryczny pokazuje, jak filtr z kolorowego szkła traktuje wiązkę białego światła. Korpus szklany zawiera jony domieszki rozpuszczone w stopie. Fotony, których energia odpowiada pasmom absorpcji domieszki, są wychwytywane wewnątrz materiału i przekształcane w energię wibracyjną – w praktyce ciepło. Reszta widma przechodzi, tracąc tylko kilka procent na skutek odbicia powierzchniowego.

Ten mechanizm absorpcji objętościowej wyjaśnia, dlaczego filtry z kolorowego szkła nie wykazują zależnego od kąta przesunięcia długości fali, typowego dla powłok interferencyjnych. Oznacza to również, że można je ciąć, szlifować i polerować w prostokątne okna, okrągłe płyty lub kształtowane półfabrykaty bez zmiany ich zachowania widmowego – co jest prawdziwą zaletą w przypadku niestandardowej filtracji optycznej.

Często zadawane pytania dotyczące filtracji optycznej