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Analyse complète des filtres optiques

• 1Définition et caractéristiques des filtres
  Un filtre, en tant que composant optique, fonctionne principalement pour atténuer l'intensité de la lumière et modifier sa composition spectrale.fournissant un filtrage spectrale précis pour diverses applications optiquesIl est important de noter que, bien que les filtres puissent améliorer certaines couleurs ou sujets, ils n'augmentent pas la luminosité de l'imagerie astronomique.provoquant l'apparition d'objets plus sombres dans l'image résultante.
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• 2Principe de fabrication des filtres
  Les filtres sont généralement fabriqués à partir d'un substrat en plastique ou en verre combiné avec des colorants spéciaux.affectant ainsi ses propriétés de transmission pour différentes couleurs de lumièrePar exemple, un filtre rouge ne permet que le passage de la lumière rouge tout en bloquant toutes les autres couleurs.fonctionnant comme monochromateursCependant, il convient de noter qu'ils ne produisent pas une lumière véritablement monochromatique.
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• 3Application des filtres dans la photographie
  Les filtres jouent un rôle crucial dans le domaine de la photographie. En ajoutant un filtre approprié devant l'objectif, les photographes peuvent bloquer efficacement certaines couleurs de lumière,en mettant ainsi en évidence des sujets ou des couleurs spécifiquesPar exemple, lors de la photographie d'une fleur jaune, placer un filtre jaune devant la lentille bloque une partie de la lumière verte (des feuilles) et bleue (du ciel),en rendant le jaune de la fleur plus vif et en soulignant efficacement le sujetCette technique est largement utilisée dans divers scénarios photographiques pour aider les photographes à créer des œuvres plus artistiques.
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• 4. Classification des filtres
  Les filtres peuvent être classés selon différents critères, tels que la bande spectrale, les caractéristiques spectrales, le matériau de revêtement et les caractéristiques d'application.

• Basé sur la bande spectrale:

  • Filtres ultraviolets (UV):Conçu pour la région spectrale ultraviolette.

  • Filtres de lumière visible:Conçu pour la région spectrale visible.

  • Filtres infrarouges (IR):Conçu pour la région spectrale infrarouge.
    Ces filtres sont adaptés à des zones spectrales spécifiques pour répondre à des besoins optiques particuliers.

• Basé sur les caractéristiques spectrales:

  • Filtres à bande passante:Transmettez une bande de longueurs d'onde spécifique.

  • Filtres de coupe (passage long/passage court):Transmettre des longueurs d'onde supérieures (Longpass) ou inférieures (Shortpass) à une longueur d'onde de coupe/coupe spécifique.

  • Filtres dichroïques: Transmet ou réfléchit sélectivement la lumière en fonction de la longueur d'onde.

  • Filtres à densité neutre (ND): Attenuer uniformément l'intensité lumineuse sur un spectre.

  • Filtres réfléchissants:Reflètent principalement la lumière dans une bande spécifique.
    Ces types présentent des caractéristiques de transmission et de blocage différentes pour des effets de filtrage spectraux spécifiques.

• Basé sur le matériau de revêtement:

  • Filtres à revêtement souple:Les revêtements sont moins durables, plus adaptés à des appareils comme des analyseurs biochimiques.

  • Filtres à revêtement dur:Les revêtements présentent une excellente dureté et, plus important encore, des seuils de dommages laser élevés (LDT).

• Basé sur les indices optiques et les caractéristiques de transmission:

  • Filtres à bande passante:Permettre à la lumière à l'intérieur d'une bande sélectionnée de passer tout en bloquant la lumière à l'extérieur de la bande de passage.catégorisés en bande étroite ou large.

  • Filtres de passages courts:Transmettre de la lumière avec des longueurs d'onde plus courtes qu'une longueur d'onde de coupe spécifique.

  • Filtres à passage long:Transmettre de la lumière avec des longueurs d'onde plus longues qu'une longueur d'onde spécifique.
    Ils sont utilisés pour des fonctions spécifiques de sélection de longueur d'onde.

• 5. Terminologie du filtre clé expliquée

• Longueur d'onde centrale (CWL): la longueur d'onde correspondant à la transmission maximale pour un filtre à bande passante ou à la réflectance maximale pour un filtre à encoche.,Pour les filtres d'interférence, le pic peut ne pas être exactement au milieu de la longueur d'onde.

• Largeur de bande: la plage de longueur d'onde correspondant à la partie du spectre où une quantité spécifique d'énergie passe à travers le filtre, également appelée FWHM (voir Fig. 1).

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• Figure 1:Illustration de la longueur d'onde centrale et de la largeur totale à moitié maximale (FWHM)
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• Lorsqu'on parle de la performance des filtres, on rencontre deux autres concepts clés:

• Plage de blocage (Band de blocage): Décrit la plage de longueurs d'onde dans laquelle l'énergie est atténuée par le filtre à un niveau de densité optique (OD) spécifié.Ceci définit la région spectrale bloquée par le filtre.

• Intervalle de transition (largeur de bord): l'intervalle de longueur d'onde au cours duquel le filtre passe d'une transmission élevée à un blocage élevé (ou vice versa), mesuré entre des points de transmission spécifiés (par exemple,Ce qui détermine la netteté du bord.

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• Figure 2: Relation entre la plage de blocage/la plage de transition et la densité optique

• Densité optique (OD): une mesure cruciale des performances de blocage de la lumière d'un filtre. Elle est liée logarithmiquement à la transmittance (T) du filtre: OD = -log10 ((T).Une valeur OD élevée indique une très faible transmission (blocage élevé)La Figure 3 montre visuellement la transmission pour trois valeurs différentes d'OD (OD 1.0Une surdose.3Il est clair que la transmission diminue de façon significative avec l'augmentation de la DO.

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  (1) Relation entre OD et transmission: à mesure que la densité optique (OD) augmente, la transmission diminue nettement.résultant en une transmission moindreCe phénomène est démontré intuitivement dans la Figure 3.

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• Filtre dichroïque: type de filtre capable de transmettre ou de réfléchir sélectivement la lumière en fonction de la longueur d'onde (voir figure 4).Il transmet une plage de longueurs d'onde spécifique tout en réfléchissant ou en absorbant d'autres longueurs d'ondeCe type est très courant dans les applications longpass et shortpass.

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  Figure 4: Caractéristiques du revêtement d'un filtre dichroïque.

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  • Longueur d'onde de coupure (λcut-on): pour un filtre Longpass, il s'agit de la longueur d'onde où la transmission atteint 50%.

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    Figure 5: Longueur d'onde de coupe pour le filtre à longue portée.

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  • Longueur d'onde de coupure (λcut-off): pour un filtre à passerelle courte, il s'agit de la longueur d'onde où la transmission tombe à 50%. Identifiée comme λcut-off à la figure 6.

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    Figure 6: Longueur d'onde de coupure pour le filtre à passages courts.

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    Le paramètre de la longueur d'onde de coupure est particulièrement important lors de la discussion sur les performances des filtres à passages courts.identifié comme λ-coupe à la figure 6, fournissant des informations essentielles pour comprendre les performances du filtre.

• 6.Technologie de fabrication de filtres
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  Filtres absorbants ou dichroïques
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• Filtres optiquesLa différence fondamentale réside dans leur mécanisme de filtration.

• Filtres absorbants: s'appuient sur les propriétés d'absorption d'un substrat de verre coloré pour bloquer la lumière. La lumière bloquée est entièrement absorbée dans le matériau filtrant et n'est pas réfléchie. This type excels at handling noise caused by stray light within a system and is angle-insensitive – meaning their transmission and absorption properties remain consistent regardless of the angle of incident light.

• Filtres dichroïques (interférences): fonctionnent en réfléchissant les longueurs d'onde indésirables et en transmettant la partie spectrale souhaitée.Ce mécanisme est souhaitable dans les applications où la lumière doit être séparée par longueur d'onde en différents cheminsCes filtres fonctionnent en utilisant des revêtements à couches minces constitués de couches de matériaux ayant des indices de réfraction différents pour créer des interférences constructives et destructrices des ondes lumineuses.

  • Les ondes lumineuses réfléchies sur les interfaces entre les couches interfèrent; seules des longueurs d'onde spécifiques à des angles spécifiques interfèrent de manière constructive pour passer;d'autres interviennent de manière destructrice et sont reflétés (Figure 7).

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    Figure 7: Structure multicouche de matériaux à haut et à bas indice de réfraction alternatifs déposés sur un substrat de verre.

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  • Contrairement aux filtres absorptifs, les filtres dichroïques sont très sensibles aux angles.L'augmentation de l'angle d'incidence déplace la transmission du filtre vers des longueurs d'onde plus courtes (e.par exemple, décalage bleu), tout en diminuant l'angle le déplace vers des longueurs d'onde plus longues (par exemple, décalage rouge).

• Fabrication de filtres à bande passante: revêtement traditionnel par rapport à l'acier à pulvérisation (IAD)
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  Nous nous concentrons maintenant sur les filtres à bande passante dichroïques, largement utilisés dans de multiples industries.

• Le revêtement traditionnel (multi-cavité):Plusieurs piles de revêtement (comme la structure de la figure 7) sont déposées sur plusieurs substrats séparés.Pour filtres complexes, les piles peuvent être répétées plusieurs fois (par exemple, plus de 100 couches au total par côté).cette technique donne lieu à des filtres plus épais avec une transmission réduite, car la lumière est absorbée et/ou réfléchie à chaque interface du substrat et à chaque couche de ciment.

• Dépôt par éclaboussure dure / dépôt assisté par ions (IAD):Toutes les couches de revêtement requises (souvent supérieures à 100 par côté) sont déposées sur un seul substrat.Il en résulte un filtre plus fin avec une transmission significativement plus élevée puisque la lumière ne traverse qu'un seul substrat et évite les pertes des couches de cimentLes avantages comprennent une transmission améliorée, une stabilité environnementale améliorée et une durée de vie plus longue.

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  Figure 8: Comparaison du filtre traditionnel (multi-substrate, cimenté) (à gauche) par rapport au filtre à pulvérisation dure (multi-substrate, cimenté) (à droite).La transmission du filtre traditionnel diminue avec l'ajout de substrats et de couches de cimentLe filtre à pulvérisation dure permet une transmission plus élevée en utilisant un seul substrat.

• La compréhension de ces différences de fabrication est cruciale lors du choix du bon filtre pour une application.
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• 7. Introduction et applications des différents types de filtres
  En utilisant les filtres d'Edmund Optics comme exemple, voici un bref aperçu des types de filtres courants et de leurs applications:

• Filtres à bande passante:Caractéristique de transmission à bande très étroite (par exemple, < 2 nm, 10 nm) ou à large bande (par exemple, 50 nm, 80 nm) à travers le substrat. Très sensible à l'angle; nécessite un montage minutieux.Le choix de filtres à bande passante à pulvérisation dure (IAD) augmente considérablement la transmission maximale à la longueur d'onde cible.

• Filtres à long passage (LP):Transmettre toutes les longueurs d'onde plus longues qu'une longueur d'onde de coupe spécifique (λcut-on).

• Filtres à passage court (SP):Transmettre toutes les longueurs d'onde plus courtes qu'une longueur d'onde de coupe spécifique (λcut-off).

• Vitres absorbant la chaleur:Transmet la lumière visible tout en absorbant le rayonnement infrarouge (IR).Utilisé dans les applications architecturales et automobiles pour le contrôle thermiqueFonctionne également comme un filtre de passage court.

• Des miroirs à froid:Un type de filtre dichroïque présentant une haute réflectance dans le spectre visible tout en conservant une transmission élevée dans l'infrarouge (IR).Idéal pour les applications où la chaleur générée pourrait causer des dommages ou des effets néfastes (e.g., éclairant des échantillons sensibles à la chaleur).

• Les miroirs chauds:Un type de filtre dichroïque présentant une réflectance élevée dans le spectre infrarouge (IR) tout en conservant une transmission élevée dans le visible.Largement utilisé dans les systèmes de projection et d'éclairage pour éliminer la chaleur.

• Filtres à encoche:Conçu pour transmettre toutes les longueurs d'onde sauf une bande pré-sélectionnée et complètement bloquée (la "encoche"). Idéal pour supprimer avec précision une seule longueur d'onde laser ou une bande étroite d'un système optique.

• Filtres à substrat couleur (absorbant):Créé en utilisant le traitement du substrat (par exemple, verre teint, plastique). Exposer des profils d'absorption / transmission caractéristiques à travers des régions spectrales spécifiques. Souvent utilisé comme filtres longpass ou bandpass.Leurs bords de transmission/blocage sont moins tranchants que ceux des filtres revêtus mais sont insensibles aux angles.

• Filtres dichroïques:Utilisé pour des applications telles que la séparation des couleurs ou la combinaison en imagerie.Plus sensibles à l'angle que les filtres absorptifs, mais généralement moins sensibles que les filtres à bande passante/encoche à interférences complexes.

• Filtres à densité neutre (ND):Conçus pour atténuer uniformément l'intensité de la lumière (au niveau des spectres UV, visibles ou IR) sans modifier de manière significative l'équilibre spectral.

  • ND absorbant: fonctionne en absorbant la lumière non transmise.

  • ND réfléchissante: fonctionne en réfléchissant la lumière non transmise le long du chemin d'incidence.Utilisé pour protéger les caméras/détecteurs contre la lumière vive ou la surexposition.