광학 필터링 설명: 유형, 스펙트럼 및 올바른 필터를 선택하는 방법

광학 여과란 무엇이며 왜 중요한가요?

생산 라인의 머신 비전 카메라는 오후 햇빛이 렌즈에 쏟아지면 부품 번호를 잘못 읽기 시작합니다. 형광 현미경은 여기광이 방출 채널로 번지기 때문에 대비를 잃습니다. 흡수된 가시광선이 감지 요소가 반응하는 것보다 더 빨리 하우징을 가열하기 때문에 온도 센서가 표류합니다. 이러한 오류는 관련이 없어 보이지만 근본 원인은 하나입니다. 원치 않는 파장이 감지기에 도달한다는 것입니다. 표준 해결책은 광학 여과입니다. 즉, 어떤 파장이 구성 요소를 통과하는지, 어떤 파장이 차단되거나 흡수되는지 의도적으로 선택하는 것입니다.

광학 여과는 물리적으로 다른 두 가지 방식으로 구현됩니다. 간섭 필터는 선택된 파장을 반사하기 위해 수십 개의 얇은 유전체 층을 쌓습니다. 날카로운 스펙트럼 가장자리를 제공하지만 입사각에 따라 이동합니다. 이와 대조적으로 흡수 필터는 유리 자체 내부에서 작동합니다. 금속 산화물 및 기타 도펀트는 용융물에 용해되므로 재료는 특정 광자 에너지를 흡수하고 다른 광자 에너지는 전달합니다. 흡수 종은 벌크를 통해 분포되기 때문에 유색 유리 필터는 비정상 입사, 적당한 온도 및 긴 사용 수명 동안 안정성을 유지합니다.

이 기사에서는 실제로 광학 여과가 작동하는 방식, 유색 유리 필터가 코팅된 필터보다 성능이 뛰어난 경우, 시스템에 필터를 지정하기 전에 확인해야 할 사항에 대해 설명합니다.

실제 시스템에서 광학 필터링의 역할

여과는 광학 시스템에서 네 가지 실제 작업을 수행합니다.

산업 장비의 경우 차단 유리 필터는 안정적인 전환 가장자리와 단순하고 견고한 구조를 결합하기 때문에 종종 첫 번째 선택이 됩니다. 에이 UV 차단 필터 가시광선을 통과시키면서 100-400nm 대역을 차단합니다. 열 흡수 필터는 가시광선을 투과하고 적외선을 흡수하여 그 반대의 역할을 합니다. 둘 다 머신 비전, 조명, 계측 및 안전 장비 분야의 일상적인 솔루션입니다.

광학 여과의 4가지 주요 필터 제품군

수백 가지의 필터 설계가 존재하지만 산업용 광학 분야의 대부분의 수요는 표 1에 요약된 것처럼 4가지 제품군으로 분류됩니다.

컷오프 유리 필터

롱패스 필터는 더 짧은 파장을 차단하고 더 긴 파장을 전송합니다. 쇼트패스 필터는 그 반대입니다. 디자인은 전이 파장에 의해 정의됩니다. 전형적인 UV 차단 유리 필터 예를 들어 가시광선 스펙트럼을 통과하면서 대략 380~400nm 미만의 방사선을 억제합니다. 생산 범위에는 전체 가시 대역에 걸쳐 전환 위치가 있는 황금색, 주황색 및 빨간색 차단 유리와 자외선 및 적외선 버전이 포함됩니다.

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선택적 흡수 유리 필터

단일 에지 대신 선택적 흡수 필터가 스펙트럼 내부에 정의된 대역을 제거합니다. 열 흡수 유리는 가시광선을 투과시키는 동시에 근적외선을 흡수하므로 프로젝션, 조명 및 디스플레이 시스템에 흔히 사용됩니다. 같은 가족에는 다음이 포함됩니다. 단열 필터 유리 열 관리를 위한 색상 교정, 파장 교정, 분석 및 사진 응용 분야를 위한 UV 가시광선 흡수 유리.

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중립 밀도 필터

목표가 파장 선택이 아닌 감쇠인 경우 중성 밀도 유리가 표준 도구입니다. ND 필터는 빛의 강도를 균일하게 줄여 카메라, 분광계 및 레이저 시스템이 색상 균형을 바꾸지 않고 선형 응답 범위 내에서 작동할 수 있도록 합니다. 이는 투과광 비율에 직접 매핑되는 광학 밀도로 지정됩니다.

편광 필터

마지막으로 편광 필터는 스펙트럼이 아닌 전기장 벡터의 방향을 제어합니다. 이는 머신 비전의 눈부심 감소, 투명 부품의 응력 분석, 디스플레이의 대비 향상에 필수적입니다. 소광비, 투과율, 파장 범위를 응용 분야에 맞추는 것은 단일 사양보다 중요합니다. 전용 리뷰 편광 필터의 작동 원리 좋은 출발점입니다.

스펙트럼 곡선 읽기: 실제 필터의 기능

어떤 광학 필터도 완벽하게 정사각형의 투과 가장자리를 갖고 있지 않습니다. 실제 필터는 투과율이 차단에서 투과로 점진적으로 변하는 전이 영역을 보여줍니다. 유색 유리 롱패스 필터의 경우 전이는 일반적으로 수십 나노미터에 이르지만 간섭 코팅은 훨씬 더 가파른 경사에 도달할 수 있습니다. 아래 도식 곡선은 주요 필터 유형의 대표적인 모양을 보여줍니다.

곡선을 읽을 때 세 가지 세부 사항이 중요합니다. 첫째, 차단 파장 - 투과율이 도달하는 지점 50% 최대값 — 필터의 실제 위치를 정의합니다. 둘째, 전이 기울기는 필터가 두 파장을 얼마나 깨끗하게 분리하는지를 결정합니다. 셋째, 대역 내 전송은 시스템이 손실되는 신호의 양을 알려줍니다. 잘 만들어진 유색 유리 필터는 통과대역 전체에 걸쳐 높고 균일한 투과율을 보여야 하며 2차 흡수 기능이 없어야 합니다.

올바른 광학 필터를 선택하는 방법

카탈로그 페이지가 아닌 광학 문제에서 역방향으로 작업하여 필터를 선택하십시오. 다섯 가지 질문으로 시작하세요.

1. 어떤 파장을 통과해야 하고, 어떤 파장을 차단해야 합니까?
2. 시스템이 얼마나 많은 전송 신호를 잃을 수 있습니까?
3. 최종 조립에서 필터는 어떤 입사각을 보일까요?
4. 어떤 온도, 습도 및 UV 노출에 직면하게 됩니까?
5. 실제로 필요한 크기, 모양 및 부피는 무엇입니까?

많은 프로젝트에서 솔직한 비교는 흡수성 컬러 유리와 유전체 코팅으로 귀결됩니다. 아래의 레이더 차트는 각 기술이 일반적으로 뛰어난 부분을 보여줍니다.

광학 밀도: 중립 밀도 필터 뒤에 숨은 간단한 수학

중립 밀도 사양은 다음과 같이 정의되는 광학 밀도(OD)를 사용합니다. OD = log10(1/T) 여기서 T는 전송된 부분입니다. 척도는 로그이므로 모든 단계는 0.3인치 OD는 투과광을 절반으로 줄입니다. .

위의 차트는 일반적인 ND 값에 대해 전송된 백분율을 제공합니다. OD 0.9 필터는 다음을 전송합니다. 12.6% 입사광의 영향을 받지 않으며 센서 보호를 위해 자주 선택됩니다. 필터를 쌓으면 광학 밀도가 추가됩니다: OD 0.6 더하기 OD 0.3은 OD 0.9와 같습니다. 그 속성은 중성 밀도 필터 유리 결합된 전송이 감지기 노이즈 플로어 위에 유지되는 경우 조정 가능한 감쇠에 편리합니다.

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주문 전 확인할 사항

여과 성능은 유리 조성만큼 제조 공정에 따라 달라집니다. 공급업체를 평가할 때는 세 가지 확인 사항이 중요합니다. 먼저, 공칭 데이터 시트보다는 측정된 전송 곡선을 요청하십시오. 실제 엣지 위치와 대역 내 전송은 시스템에서 볼 수 있는 것입니다. 둘째, 두께, 직경, 모서리 마감 공차를 확인합니다. 기계적 편차는 장착에 영향을 미치고 표면 결함은 빛을 산란시킵니다. 셋째, 환경에서의 동작을 확인하십시오. 온도, 습도 및 장기간의 UV 노출은 모두 제대로 가공되지 않은 유리의 투과율을 변화시킬 수 있습니다.

유색 유리 필터 내부: 흡수가 작동하는 방식

아래 등각 투영 다이어그램은 유색 유리 필터가 백색광 광선을 처리하는 방법을 보여줍니다. 유리 본체에는 용융물에 용해된 도펀트 이온이 포함되어 있습니다. 에너지가 도펀트 흡수 밴드와 일치하는 광자는 재료 내부에 포획되어 진동 에너지(실질적으로는 열)로 변환됩니다. 나머지 스펙트럼은 통과하여 표면 반사로 인해 몇 퍼센트만 손실됩니다.

이 대량 흡수 메커니즘은 유색 유리 필터가 간섭 코팅에서 일반적으로 발생하는 각도에 따른 파장 이동을 나타내지 않는 이유를 설명합니다. 이는 또한 스펙트럼 동작을 변경하지 않고 직사각형 창, 원형 플레이트 또는 모양의 블랭크로 절단, 연삭 및 광택 처리할 수 있음을 의미합니다. 이는 맞춤형 광학 여과에 있어 실질적인 이점입니다.

광학 여과에 대해 자주 묻는 질문