Для большинства приборов, осветительных приборов и корпусов датчиков, которым необходимо сохранять свои цветовые характеристики в течение многих лет без повторной калибровки, Стеклянные фильтры селективного поглощения обычно превосходят фильтры с тонкопленочным покрытием по угловой стабильности, термической устойчивости и механической прочности. . Стеклянный фильтр с селективным поглощением работает через сам сыпучий материал, поэтому эффект фильтрации не сильно зависит от угла падения света на поверхность и не изнашивается, как это происходит с нанесенной пленкой с течением времени. Фильтры с оптическим покрытием по-прежнему имеют преимущество, когда конструкция требует чрезвычайно узкой полосы пропускания, крутого наклона среза или комбинации длин волн, которую простое цветное стекло не может достичь само по себе. В разделах ниже рассматриваются физические рассуждения, спектральное поведение и практические критерии выбора, лежащие в основе этого ответа, включая несколько сравнительных таблиц и краткий контрольный список для покупателя в конце.
Стеклянный фильтр с селективным поглощением представляет собой кусок оптического стекла, созданный для удаления определенного диапазона длин волн из светового луча, пропуская при этом окружающие полосы с минимальными потерями. Производители достигают этого эффекта, расплавляя ионы металлов или мелкие коллоидные частицы непосредственно в шихту стекла, а затем корректируя состав стекла и любую обработку поверхности так, чтобы готовое изделие поглощало выбранную часть видимого или ближнего инфракрасного спектра. Физическая основа находится на уровне электронов: когда фотоны определенной энергии ударяются о легированное стекло, эта энергия соответствует зазору между электронными состояниями в добавленных ионах, поэтому эти фотоны поглощаются, а не передаются. Любая другая длина волны, которая не соответствует этой энергетической щели, проходит через стекло практически без изменений, что придает этому типу стеклянного фильтра, поглощающего видимый свет, чистый, повторяемый спектральный профиль.
Распространенные подходы к допингу, используемые при производстве стекла
Сегодня большую часть коммерческого спроса покрывают три семейства допингов, каждое из которых нацелено на свою часть спектра.
Ионы переходных металлов, такие как хром и медь, создают зеленый селективный стеклянный фильтр с пиком пропускания примерно между 500 и 560 нанометрами, поглощая при этом сине-фиолетовый и красный свет.
Комбинации марганца, титана, кобальта и неодима позволяют получить стекло фиолетового цвета, которое сильно поглощает зеленую и желтую область среднего спектра, пропуская при этом фиолетовую, синюю и часть красной полосы.
Специализированные составы, созданные в виде стеклянного оптического фильтра, поглощающего УФ-излучение, отсекают более короткие волны длиной около 365 нанометров и ниже, пропуская при этом видимый диапазон с ровным и ровным откликом.
Помимо работы с видимым светом, производитель стеклянных фильтров, пропускающих инфракрасное излучение, может легировать одну и ту же систему основного стекла, чтобы пропускать энергию ближнего инфракрасного диапазона, блокируя при этом видимый свет, что полезно в сенсорных окнах, которые должны подавлять помехи окружающего света.
Что Аn Optical Coating Filter Is And How Its Principle Differs
Фильтр с оптическим покрытием начинается с прозрачной подложки, часто простого стекла или плавленого кварца, на которую по одному наносится множество чрезвычайно тонких слоев внутри оборудования для вакуумного осаждения. Каждый слой имеет разный показатель преломления, а стопка спроектирована таким образом, что свет, отражающийся между слоями, конструктивно интерферирует на длинах волн, предназначенных для блокировки, и разрушительно на длинах волн, предназначенных для прохождения. По сути, это эффект интерференции, а не эффект поглощения, что является основным отличием его от стеклянного фильтра с селективным поглощением.
Распространенные семейства покрытий для повседневного использования
Дихроичные стопки, которые отражают одну цветовую полосу и пропускают другую.
Покрытия с узкой полосой пропускания созданы для одного узкого окна длины волны.
Покрытия с насечками предназначены для отклонения одной узкой полосы и пропускания всего вокруг нее.
Поскольку поведение фильтрации зависит от точной длины пути света, проходящего через каждый слой, кривая пропускания покрывающего фильтра смещается в сторону более коротких длин волн по мере увеличения угла падающего света. Покрытие, рассчитанное на точную отсечку при нормальном падении, может отклоняться от цели на несколько нанометров, если свет падает даже под умеренным углом, что важно для компактных оптических систем, где лучи редко движутся по одной прямой линии.
Основные различия между двумя технологиями фильтрации
В приведенной ниже таблице приведены обе технологии по физическим свойствам, которые чаще всего определяют, какая из них подходит для конкретной конструкции.
Таблица 1. Сравнение физических свойств и характеристик стеклянных фильтров с селективным поглощением и фильтров с оптическим покрытием.
Параметр
Стеклянный фильтр селективного поглощения
Фильтр с оптическим покрытием
Принцип работы
Объемное поглощение через легированное стекло
Тонкопленочная интерференция на подложке
Угловая чувствительность
Очень низкий
Заметно под широким углом.
Резкость края среза
Постепенный естественный уклон
Может быть спроектирован очень круто
Термическая чувствительность
Низкий в пределах нормального диапазона
Умеренный, зависит от слоя
Риск расслоения или износа
Нет, объект находится в сыпучем материале.
Возможно в условиях влажности или истирания.
Метод настройки
Отрегулируйте состав стекла и уровень легирования.
Отрегулируйте количество и толщину слоев
Сравнение производительности по пяти ключевым оптическим параметрам
На горизонтальной диаграмме ниже оба семейства фильтров оцениваются по шкале от нуля до ста по пяти параметрам, которые инженеры-оптики чаще всего проверяют при выборе компонентов. Эти оценки отражают типичное поведение, наблюдаемое в общих производственных образцах, а не в каком-либо отдельном отчете об испытаниях.
Независимость угла и долговременная стабильность цвета демонстрируют самый большой разрыв. , поэтому стеклянные фильтры с селективным поглощением остаются распространенным выбором для видоискателей, объективов с широкой диафрагмой и любых корпусов, где свет редко попадает прямо на фильтр.
Поведение спектрального пропускания типичного зеленого стеклянного фильтра с селективным поглощением
На приведенной ниже диаграмме показана репрезентативная кривая пропускания для стеклянного фильтра селективного поглощения зеленого цвета, легированного ионами хрома и меди. Пропускание быстро возрастает, когда длина волны приближается к 480 нанометрам, достигает широкого пика между 500 и 560 нанометрами, а затем плавно снижается в длинноволновой части. Этот плавный подъем и спад характерен для объемного абсорбционного стекла и является одной из причин, по которой эти фильтры обеспечивают естественную, равномерную цветопередачу, а не более резкие края, типичные для узкого слоя покрытия.
Поскольку кривая имеет постепенный наклон, а не падает по почти вертикальной линии, небольшие производственные отклонения в толщине стекла или концентрации легирующих примесей лишь слегка смещают пик, сохраняя постоянство цвета от партии к партии в пределах допусков для большинства приборов и осветительных приборов.
Где в различных отраслях используются стеклянные фильтры селективной абсорбции
Спрос на стеклянный фильтр для выбора длины волны охватывает несколько отраслей, и приведенная ниже относительная доля отражает типичный порядок величины текущих производственных заказов.
Типичные замечания по применению
Оптический instruments including fluorescence microscopes, DNA sequencers and spectrometers rely on an optical absorption glass filter for sensors to strip stray light before it reaches the detector.
Промышленный processes such as semiconductor lithography and UV curing use absorption glass as a stable window material that limits heat build up on sensitive substrates.
В сценическом и фотографическом освещении используется цветное поглощающее стекло для формирования видимого цвета, блокируя при этом попадание инфракрасного теплового излучения на освещенный объект.
В архитектурном и автомобильном стекле используются тонированные поглощающие слои, позволяющие уменьшить приток солнечного тепла, сохраняя при этом комфортный уровень внутреннего освещения.
Медицинский and biochemical instruments depend on consistent spectral response for accurate readings across repeated testing cycles.
Шесть параметров имеют наибольшее значение при сравнении стеклянного фильтра селективного поглощения с фильтром с покрытием в новой конструкции. На диаграмме ниже обе технологии показаны в одном масштабе, поэтому компромиссы видны с первого взгляда.
Фильтры с покрытием расширяют спектральную избирательность и гибкость производства. , поскольку процесс осаждения может быть нацелен на необычную комбинацию длин волн, которую ни одна формула стекла сама по себе не достигает. Поглощающее стекло обеспечивает независимость от угла, термическую стабильность и долговременную стабильность, что объясняет, почему оно остается распространенным в фиксированных оптических путях, которые служат в течение многих лет.
Экологическая стабильность и долгосрочная долговечность в реальных условиях
Стеклянные фильтры с селективным поглощением несут свои оптические свойства внутри самого материала, поэтому легкие царапины на поверхности или воздействие влажности не меняют диапазон длин волн, который он поглощает, а только его физическую прозрачность, если повреждение становится серьезным. Фильтры с покрытием сохраняют свои оптические свойства в стопке слоев толщиной всего несколько микрон, а это означает, что попадание влаги, повторная очистка, термоциклирование или длительное воздействие ультрафиолета могут постепенно ослаблять или окислять отдельные слои. Как только слой смещается даже незначительно, вся интерференционная картина смещается вместе с ним, изменяя с течением времени эффективную длину волны отсечки.
Где эта разница проявляется больше всего
Наружное архитектурное остекление, автомобильные стекла, подвергающиеся воздействию прямых солнечных лучей, а также промышленное оборудование, работающее вблизи источников тепла, — это те места, где разрыв между двумя технологиями становится наиболее заметным в течение многолетнего периода эксплуатации. Приборы для чистых помещений и лабораторные приборы, хранящиеся в контролируемой среде, видят меньшую практическую разницу, хотя угловая чувствительность по-прежнему благоприятствует поглощающему стеклу, когда оптический путь не идеально коллимирован.
Типичные точки стресса, проверенные во время оценки
Покупатели обычно проводят собственные термоциклические проверки, проверки на выдерживание влаги и повторные проверки очистки протиранием образцов перед принятием производственного заказа, поскольку эти три точки напряжения показывают большую часть практической разницы между объемным стеклом и пакетом осажденных покрытий.
Варианты настройки стеклянных фильтров селективной абсорбции
Покупатели, приобретающие стеклянный фильтр селективного поглощения по индивидуальному заказу, обычно начинают с целевой кривой пропускания, а не с фиксированной детали из каталога. Поставщик абсорбционного фильтра из цветного оптического стекла может настроить несколько переменных, чтобы получить эту кривую.
Тип и концентрация легирования для перемещения полосы поглощения в сторону определенной целевой длины волны.
Толщина стекла, поскольку глубина поглощения соответствует длине оптического пути через материал.
Обработка поверхности и кромок для монтажа внутри специального корпуса или сенсорного модуля.
Комбинированные конструкции, в которых сердцевина из поглощающего стекла сочетается с тонким антибликовым слоем, полезны, когда в проекте требуется стабильность поглощающего стекла с немного более высоким общим коэффициентом пропускания.
Запросы, направляемые на линию стекла для оптических фильтров с индивидуальной длиной волны, к производителю стеклянного фильтра, передающего инфракрасные лучи, или к поставщику поглощающего стекла для оптических фильтров, который может обеспечить жесткие допуски от партии к партии, обычно выполняются быстрее, когда покупатель заранее сообщает целевую кривую пропускания, диапазон рабочих температур и физические монтажные размеры.
Опыт производства надежных стеклянных фильтров селективной абсорбции
Компания Nantong Xiangyang Optical Element Co., Ltd производит цветное и бесцветное оптическое стекло с 1996 года на заводе площадью десять тысяч квадратных метров в провинции Цзянсу. Подразделение оптических компонентов специализируется на цветных оптических стеклянных фильтрах, охватывающих ультрафиолетовый, видимый, ближний инфракрасный и инфракрасный диапазоны, обрабатывая более ста типов стекла на технологических линиях, оснащенных специальным оборудованием для оптического шлифования, полировки и спектрального тестирования. Продукция этого подразделения поступает в оптические приборы, медицинские и биохимические приборы, аналитическое оборудование, электронику, авиацию, а также в ряд научно-исследовательских институтов и университетов.
Отдельное подразделение по производству листового стекла занимается шелкографией и закалкой стекла для панелей управления, корпусов приборов и компонентов переключателей, благодаря чему компания знакома как с прецизионным оптическим стеклом, так и с обработкой стекла массового производства под одной крышей. Для проектной группы, сравнивающей производителя стеклянных фильтров с селективным поглощением с производителем стекла для оптических фильтров по всему Китаю, такое сочетание специального оборудования для оптических испытаний и многолетней истории производства является одним из практических сигналов, которые стоит проверить во время оценки поставщика.
Как выбрать между фильтрами селективного поглощения и фильтрами с покрытием для проекта
Краткий контрольный список помогает сузить решение перед запросом образцов.
Нанесите на карту требуемый диапазон длин волн и проверьте, плотно ли его покрывает стандартный тип цветного стекла.
Подтвердите диапазон углов падения, который фильтр будет видеть на реальном оптическом пути, а не только в центре проектирования.
Обратите внимание на рабочую среду, включая влажность, перепады температур и воздействие уличного ультрафиолета.
Решите, насколько крутой должна быть кромка среза, поскольку очень узкая полоса пропускания все равно может потребовать решения по покрытию.
Запланируйте ожидаемый срок службы и то, насколько сложной будет повторная калибровка или замена после того, как устройство будет развернуто в полевых условиях.
Проекты, которые удовлетворяют большинству приведенных выше требований в пользу стабильности и простоты, обычно останавливаются на стеклянном фильтре с селективным поглощением, в то время как проекты, которым требуется необычно узкий или крутой спектральный край, часто в конечном итоге требуют использования просветляющего фильтра или комбинации обеих технологий на одном и том же оптическом пути.
Часто задаваемые вопросы о стеклянных фильтрах селективной абсорбции
Вопрос 1: Что такое стеклянный фильтр селективного поглощения?
Это оптическое стекло, в состав которого входят ионы металлов или коллоидные частицы, поэтому оно поглощает выбранный диапазон длин волн, пропуская окружающий свет с небольшими потерями.
Вопрос 2. Как поглощающий стеклянный фильтр блокирует волны определенной длины?
Легированные ионы внутри стекла поглощают фотоны, энергия которых соответствует внутреннему электронному переходу, удаляя этот диапазон длин волн, оставляя при этом другие длины волн практически незатронутыми.
Вопрос 3: В чем разница между абсорбционными фильтрами и интерференционными фильтрами?
Поглощающие фильтры удаляют свет через объемный стеклянный материал, а в интерференционных фильтрах используются тонкие нанесенные слои, которые отражают и подавляют нежелательные длины волн посредством оптических помех.
Вопрос 4. Зачем использовать цветные стеклянные фильтры вместо фильтров с покрытием?
Цветное стекло сохраняет стабильный спектральный отклик при широких углах обзора и противостоит постепенному разрушению слоя, которое может повлиять на поверхность с покрытием в течение многих лет использования.
Вопрос 5: Для чего используются фильтры селективного поглощения?
Обычное использование включает оптические датчики, системы машинного зрения, спектроскопическое оборудование и медицинские инструменты, которым необходим стабильный, повторяемый спектральный отклик.
Вопрос 6: Какой оптический фильтр подходит для защиты от ультрафиолета
Стеклянный оптический фильтр, поглощающий УФ-излучение, созданный для отсекания более коротких волн, как правило, является более простым и стабильным вариантом для постоянной защиты от УФ-излучения.
Вопрос 7: Можно ли изготовить абсорбционные стеклянные фильтры по индивидуальному заказу?
Да, тип легирования, концентрация, толщина и качество поверхности могут быть скорректированы для достижения целевой кривой передачи для конкретного проекта.
