Объяснение оптической фильтрации: типы, спектры и как выбрать правильный фильтр

Что такое оптическая фильтрация и почему это важно?

Камера машинного зрения на производственной линии начинает неправильно считывать номера деталей, когда полуденный солнечный свет заливает объектив. Флуоресцентный микроскоп теряет контраст, поскольку возбуждающий свет просачивается в эмиссионный канал. Датчик температуры смещается, поскольку поглощенный видимый свет нагревает корпус быстрее, чем реагирует чувствительный элемент. Эти сбои кажутся несвязанными между собой, но у них есть одна основная причина: нежелательные длины волн, достигающие детектора. Стандартным средством защиты является оптическая фильтрация — целенаправленный выбор того, какие длины волн проходят через компонент, а какие блокируются или поглощаются.

Оптическая фильтрация реализуется двумя физически различными способами. Интерференционные фильтры состоят из десятков тонких диэлектрических слоев для отражения выбранных длин волн; они имеют резкие края спектра, но смещаются в зависимости от угла падения. Абсорбционные фильтры, напротив, работают внутри самого стекла. Оксиды металлов и другие примеси растворяются в расплаве, поэтому материал поглощает определенные энергии фотонов и передает другие. Поскольку поглощающие вещества распределяются по объему, фильтры из цветного стекла остаются стабильными при ненормальном падении, при умеренной температуре и в течение длительного срока службы.

В этой статье объясняется, как на практике работает оптическая фильтрация, где фильтры из цветного стекла превосходят альтернативы с покрытием и что следует проверить, прежде чем выбирать фильтр для своей системы.

Что делает оптическая фильтрация в реальной системе

Фильтрация выполняет в оптической системе четыре практические задачи:

Для промышленного оборудования часто предпочтительным выбором являются фильтры из обрезанного стекла, поскольку они сочетают в себе устойчивую переходную кромку с простой и прочной конструкцией. А УФ-фильтр блокирует диапазон 100–400 нм, пропуская видимый свет; теплопоглощающий фильтр делает обратное, пропуская видимый свет и поглощая инфракрасное. Оба являются повседневными решениями в области машинного зрения, освещения, контрольно-измерительных приборов и оборудования безопасности.

Четыре основных семейства фильтров в оптической фильтрации

Существуют сотни конструкций фильтров, но большая часть спроса на промышленную оптику приходится на четыре семейства, которые обобщены в таблице 1.

Обрезные стеклянные фильтры

Длиннополосный фильтр блокирует более короткие волны и пропускает более длинные; короткопропускной фильтр делает обратное. Конструкция определяется длиной волны перехода. Типичный Стеклянный фильтр, отсекающий УФ-излучение , например, подавляет излучение с длиной волны ниже 380–400 нм, пропуская при этом видимый спектр. Ассортимент продукции включает золотисто-желтое, оранжевое и красное светотени с переходными положениями по всему видимому диапазону, а также ультрафиолетовые и инфракрасные версии.

Производители стеклянных фильтров с защитой от УФ-излучения - оптический элемент Nantong Xiangyang Nantong Xiangyang Optical Element Co., Ltd. является китайским производителем и компанией стеклянных фильтров с защитой от УФ-излучения, мы предоставляем индивидуальные ODM/OEM ... Посмотреть продукт →

Селективные абсорбционные стеклянные фильтры

Вместо одного края фильтр избирательного поглощения удаляет определенную полосу внутри спектра. Теплопоглощающее стекло пропускает видимый свет, поглощая при этом излучение ближнего инфракрасного диапазона, поэтому оно широко распространено в системах проекции, освещения и отображения. В эту же семью входят теплоизоляционное стекло фильтра для управления температурным режимом, а также очки для цветокоррекции, калибровки длины волны и поглощающие УФ-видимый свет очки для аналитических и фотографических приложений.

Производители изолирующего фильтрующего стекла на заказ - оптический элемент Nantong Xiangyang Nantong Xiangyang Optical Element Co., Ltd. является китайским производителем и компанией изолирующего фильтрующего стекла, мы предоставляем индивидуальные ODM/OEM ... Посмотреть продукт →

Фильтры нейтральной плотности

Когда целью является ослабление, а не выбор длины волны, стандартным инструментом является стекло нейтральной плотности. ND-фильтры равномерно снижают интенсивность света, позволяя камерам, спектрометрам и лазерным системам работать в пределах линейного диапазона отклика без изменения цветового баланса. Они определяются оптической плотностью, которая напрямую связана с процентом проходящего света.

Поляризационные фильтры

Наконец, поляризационные фильтры контролируют направление вектора электрического поля, а не спектр. Они необходимы для уменьшения бликов в машинном зрении, анализа напряжений в прозрачных деталях и повышения контрастности дисплеев. Согласование коэффициента затухания, пропускания и диапазона длин волн с приложением имеет большее значение, чем какая-либо отдельная спецификация; специальный обзор как работают поляризационные фильтры это хорошая отправная точка.

Чтение спектральной кривой: что делает настоящий фильтр

Ни один оптический фильтр не имеет идеально квадратной границы пропускания. Реальные фильтры показывают область перехода, где коэффициент пропускания постепенно меняется от блокировки к передаче. Для длиннопропускных фильтров из цветного стекла переход обычно составляет несколько десятков нанометров, в то время как интерференционные покрытия могут достигать гораздо более крутых наклонов. На схематических кривых ниже показаны типичные формы основных типов фильтров.

Три детали имеют значение, когда вы читаете кривую. Во-первых, длина волны отсечки — точка, в которой коэффициент пропускания достигает 50% максимума — определяет фактическое положение фильтра. Во-вторых, наклон перехода определяет, насколько четко фильтр разделяет две длины волн. В-третьих, внутриполосная пропускаемость показывает, сколько сигнала теряет ваша система. Хорошо изготовленный фильтр из цветного стекла должен обеспечивать высокое и равномерное пропускание по всей полосе пропускания и не иметь признаков вторичного поглощения.

Как выбрать правильный оптический фильтр

Выберите фильтр, отталкиваясь от оптической проблемы, а не от страницы каталога. Начните с пяти вопросов:

1. Какие длины волн должны проходить, а какие блокироваться?
2. Какой объем передаваемого сигнала система может позволить себе потерять?
3. Какой угол падения будет видеть фильтр в окончательной сборке?
4. Какой температуре, влажности и воздействию ультрафиолета он будет подвергаться?
5. Какой размер, форма и объем вам действительно нужны?

Для многих проектов честное сравнение сводится к поглощающему цветному стеклу и диэлектрическим покрытиям. На диаграмме ниже показано, в чем обычно превосходит каждая технология.

Оптическая плотность: простая математика фильтров нейтральной плотности

В спецификациях нейтральной плотности используется оптическая плотность (ОП), определяемая как ОД = log10(1/Т) , где T — переданная доля. Масштаб логарифмический, поэтому каждый шаг 0,3 дюйма наружного диаметра вдвое уменьшает проходящий свет .

В приведенной выше таблице показан передаваемый процент для распространенных значений ND. Фильтр OD 0,9 пропускает около 12,6% падающего света и часто используется для защиты датчиков. Когда фильтры сложены друг на друга, их оптическая плотность суммируется: OD 0,6 плюс OD 0,3 равняется OD 0,9. Это свойство делает фильтрующее стекло нейтральной плотности удобен для настраиваемого затухания при условии, что комбинированная передача остается выше минимального уровня шума детектора.

Производители нейтрально-серого фильтрующего стекла на заказ - Nantong Xiangyang Optical Eleme Nantong Xiangyang Optical Element Co., Ltd. является китайским производителем и компанией нейтрального серого фильтрующего стекла, мы предоставляем ODM / OEM индивидуальные... Посмотреть продукт →

Что проверить перед заказом

Эффективность фильтрации зависит как от производственного процесса, так и от рецептуры стекла. Три проверки имеют значение при оценке поставщика. Во-первых, запросите измеренную кривую передачи, а не паспорт номинальных данных; реальная позиция края и внутриполосная передача — это то, что увидит ваша система. Во-вторых, подтвердите допуски на толщину, диаметр и качество обработки кромок; механические отклонения влияют на монтаж, а дефекты поверхности рассеивают свет. В-третьих, проверьте поведение в вашей среде; температура, влажность и длительное воздействие ультрафиолета могут изменить пропускание света в плохо обработанном стекле.

Внутри фильтра из цветного стекла: как работает поглощение

На изометрической диаграмме ниже показано, как фильтр из цветного стекла обрабатывает луч белого света. В корпусе стекла содержатся ионы легирующей примеси, растворенные в расплаве. Фотоны, энергия которых соответствует полосам поглощения примеси, захватываются внутри материала и преобразуются в колебательную энергию — на практике — в тепло. Остальная часть спектра проходит, теряя лишь несколько процентов из-за отражения от поверхности.

Этот механизм объемного поглощения объясняет, почему фильтры из цветного стекла не демонстрируют зависящего от угла сдвига длины волны, типичного для интерференционных покрытий. Это также означает, что их можно разрезать, шлифовать и полировать с получением прямоугольных окон, круглых пластин или фигурных заготовок без изменения их спектрального поведения — настоящее преимущество для индивидуальной оптической фильтрации.

Часто задаваемые вопросы об оптической фильтрации