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濾光片的應(yīng)用教程

光學(xué)濾光片可選擇性地透過(guò)特定波長(zhǎng)范圍的光,同時(shí)阻擋其余波長(zhǎng)的光。從日常攝影到先進(jìn)的科學(xué)研究,濾光片在眾多應(yīng)用中都至關(guān)重要。本文回顧了光學(xué)濾光片的基本原理、主要類型及其主要應(yīng)用。



基本定義:濾光片可以控制光的光譜特性。它們可以選擇性地透射、反射或阻擋不同波長(zhǎng)的光。濾光片在攝影領(lǐng)域的應(yīng)用已有一個(gè)多世紀(jì)的歷史,通常用于顯微鏡、光譜學(xué)、化學(xué)分析、機(jī)器視覺(jué)、天文學(xué)、電信和醫(yī)學(xué)成像。



一、明確光學(xué)濾波器的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)

盡管光學(xué)濾波器與其他光學(xué)元件有許多相同的規(guī)格,但了解該領(lǐng)域特有的特定術(shù)語(yǔ)也很重要。這些術(shù)語(yǔ)可以幫助您確定最適合您應(yīng)用的濾光片。



1.CWL中心波長(zhǎng) 指的是濾波器傳輸光譜的中點(diǎn)。遇到傳統(tǒng)鍍膜光學(xué)濾波器時(shí),CWL 附近的傳輸率最高。另一方面,硬鍍膜光學(xué)濾波器通常在整個(gè)帶寬內(nèi)具有一致的傳輸;


2.帶寬:是指濾波器允許光線通過(guò)的光譜 "窗口"。它通常定義為 FWHM(全寬-半最大值);


3.FWHM:一種更具體的帶寬測(cè)量方法。它描述了濾波器傳輸?shù)念l譜寬度。要確定 FWHM,需要確定濾波器達(dá)到其最大傳輸率一半的位置。為了清楚起見(jiàn),如果濾波器的峰值傳輸率為 90%,那么 FWHM 就定義在傳輸率達(dá)到 45% 的波長(zhǎng)之間。快速指南  

o FWHM ≤ 10nm: 這些是窄帶濾光片,適用于激光純化和化學(xué)傳感等任務(wù)。

o 全寬域在 25-50nm 之間: 是機(jī)器視覺(jué)的理想選擇。

o 全寬域 > 50 納米: 這些是寬帶濾光片,常用于熒光顯微鏡。


4.光束斜率

主要與邊緣濾光片(如短通或長(zhǎng)通濾光片)有關(guān),它描述了濾光片從阻擋光線到允許光線通過(guò)的轉(zhuǎn)換速度。它是根據(jù)截止波長(zhǎng)百分比來(lái)定義的。例如,對(duì)于斜率為 1% 500nm 長(zhǎng)通濾波器來(lái)說(shuō),在 5nm 的帶寬范圍內(nèi),透射率從 10%過(guò)渡到 80%;


5.阻擋范圍

濾光片有意削弱或減少透射光的光譜部分。這種阻擋的效率通常用 "光密度 "來(lái)衡量。


5.光學(xué)密度OD

表示濾光片阻擋或減少光線的效果。外徑越大,透光率越低,反之亦然。具體來(lái)說(shuō)

o OD ≥ 6:適用于高阻擋需求,如拉曼光譜或熒光顯微鏡。

o OD在 3.0-4.0 之間: 激光過(guò)濾、機(jī)器視覺(jué)和化學(xué)檢測(cè)的理想選擇。

o OD小于 2.0: 最適合顏色區(qū)分和光譜階次分離等應(yīng)用。


了解這些術(shù)語(yǔ)對(duì)在各種應(yīng)用中選擇和使用濾光片做出明智的決定大有幫助。



二、濾光片的基礎(chǔ)知識(shí)

濾光片的功能基于干擾、吸收、透射或任何組合。其性能指標(biāo)通常包括

- 透射率: 通過(guò)濾光片的入射光。

- 阻帶: 光被明顯衰減的波長(zhǎng)范圍。

- 帶寬:濾光片阻擋或允許傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)范圍的寬度。



三、濾光片的種類

1.吸收性濾光片(截止):這類濾光片吸收不需要的波長(zhǎng),同時(shí)透射需要的波長(zhǎng)。它們通常由彩色玻璃、染色塑料或合成彩色凝膠制成。這種濾光片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉,常用于太陽(yáng)鏡和簡(jiǎn)單的相機(jī)鏡頭;


2.干涉濾光片:根據(jù)建設(shè)性和破壞性干涉原理工作,由折射率不同的多層薄材料組成。這些薄層與入射光發(fā)生干涉,使所需波長(zhǎng)的光發(fā)生建設(shè)性干涉而通過(guò),而不需要的波長(zhǎng)則發(fā)生破壞性干涉而被反射或阻擋。

分色濾光片: 反射不需要的波長(zhǎng),同時(shí)透射所需的波長(zhǎng)。

帶通濾波器: 傳輸特定范圍的波長(zhǎng)。

長(zhǎng)短通濾波器: 分別傳輸長(zhǎng)于或短于截止值的波長(zhǎng)。


3.可調(diào)濾波片:可調(diào)節(jié)濾除的波長(zhǎng)。例如聲光可調(diào)濾波器(AOTF)和液晶可調(diào)濾波器(LCTF


三、應(yīng)用

攝影: 濾光鏡可以增強(qiáng)對(duì)比度、控制曝光過(guò)度或校正色彩

天文: 天文學(xué)家使用濾光片來(lái)分離特定元素或化合物發(fā)出的波長(zhǎng),從而幫助研究天體

電信:密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)利用濾光片在單根光纖上分離和路由不同的數(shù)據(jù)通道

生物醫(yī)學(xué)成像: 在熒光顯微鏡中,光學(xué)濾波器是將發(fā)射信號(hào)與激發(fā)源隔離的關(guān)鍵

光譜分析: 濾波器可隔離特定波長(zhǎng)帶,進(jìn)行有針對(duì)性的光譜分析


光學(xué)濾波器的設(shè)計(jì)多種多樣,在眾多技術(shù)應(yīng)用中起著舉足輕重的作用。隨著光子學(xué)和光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,光學(xué)濾波器的重要性和復(fù)雜性只會(huì)有增無(wú)減。



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