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Análise abrangente dos filtros ópticos

• 1Definição e Características dos Filtros
  Um filtro, como componente óptico, tem a função principal de atenuar a intensidade da luz e alterar a sua composição espectral.fornecendo filtragem espectral precisa para várias aplicações ópticasÉ importante notar que, embora os filtros possam melhorar certas cores ou assuntos, eles não aumentam o brilho da imagem astronômica.fazendo com que os objetos apareçam mais fracos na imagem resultante.
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• 2Princípio de fabrico de filtros
  Os filtros são tipicamente feitos de um substrato de plástico ou vidro combinado com corantes especiais.afetando assim as suas propriedades de transmissão para diferentes cores de luzPor exemplo, um filtro vermelho só permite que a luz vermelha passe enquanto bloqueia todas as outras cores.Funcionando como monocromadoresNo entanto, deve-se notar que eles não produzem luz verdadeiramente monocromática.
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• 3Aplicação de filtros na fotografia
  Os filtros desempenham um papel crucial no campo da fotografia. Adicionando um filtro apropriado na frente da lente, os fotógrafos podem bloquear eficazmente certas cores de luz.destacando assim temas ou cores específicosPor exemplo, ao fotografar uma flor amarela, colocar um filtro amarelo na frente da lente bloqueia parte da luz verde (das folhas) e azul (do céu),tornando o amarelo da flor mais vivo e enfatizando efetivamente o assuntoEsta técnica é amplamente utilizada em vários cenários fotográficos para ajudar os fotógrafos a criar obras mais artísticas.
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• 4. Classificação dos filtros
  Os filtros podem ser classificados com base em diferentes critérios, tais como banda espectral, características espectral, material de revestimento e características de aplicação.

• Baseado na Banda Espectral:

  • Filtros de ultravioleta (UV):Projetado para a região do espectro ultravioleta.

  • Filtros de luz visível:Projetado para a região espectral visível.

  • Filtros infravermelhos (IR):Projetado para a região do espectro infravermelho.
    Estes filtros são adaptados a áreas espectrais específicas para satisfazer necessidades ópticas específicas.

• Com base nas características espectrais:

  • Filtros de banda:Transmitir uma faixa específica de comprimentos de onda.

  • Filtros de corte (passagem longa/passagem curta):Transmitir comprimentos de onda superiores (Longpass) ou inferiores (Shortpass) a um comprimento de onda de corte/corte específico.

  • Filtros dicróicos: Transmite ou reflete seletivamente a luz com base no comprimento de onda.

  • Filtros de densidade neutra (ND): Atenuar uniformemente a intensidade da luz em todo o espectro.

  • Filtros refletores:Refletem principalmente a luz dentro de uma faixa específica.
    Estes tipos têm diferentes características de transmissão e bloqueio para efeitos de filtragem espectral específicos.

• Baseado no material de revestimento:

  • Filtros revestidos de revestimento macio:Os revestimentos são menos duráveis, mais adequados para dispositivos como analisadores bioquímicos.

  • Filtros de revestimento duro:Os revestimentos apresentam uma excelente dureza e, mais importante, um elevado limiar de danos por laser (LDT).

• Baseado em índices ópticos e características de transmissão:

  • Filtros de banda:Permitir a passagem da luz dentro de uma faixa selecionada, bloqueando a luz fora da faixa de passagem.Categorizados como banda estreita ou banda larga.

  • Filtros de passagem curta:Transmitir luz com comprimentos de onda inferiores a um comprimento de onda de corte específico.

  • Filtros de passagem longa:Transmitir luz com comprimentos de onda maiores que um comprimento de onda específico.
    Estes são utilizados para funções específicas de seleção de comprimento de onda.

• 5. Terminologia do filtro de chaves explicada

• Comprimento de onda central (CWL): comprimento de onda correspondente ao pico de transmissão para um filtro de banda ou ao pico de reflectância para um filtro de entalhe.,Para filtros de interferência, o pico pode não estar exatamente no ponto médio do comprimento de onda.

• Largura de banda: faixa de comprimento de onda correspondente à parte do espectro onde passa uma quantidade específica de energia através do filtro, também conhecida como FWHM (ver figura 1).

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• Fig. 1:Ilustração do comprimento de onda central e largura total no meio máximo (FWHM)
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• Quando se discute o desempenho do filtro, encontram-se outros dois conceitos-chave:

• Intervalo de bloqueio (Band de bloqueio): Descreve o intervalo de comprimento de onda em que a energia é atenuada pelo filtro até um nível de densidade óptica (OD) especificado.Isto define a região espectral bloqueada pelo filtro.

• Intervalo de transição (largura de borda): intervalo de comprimento de onda durante o qual o filtro passa de alta transmissão para alta bloqueia (ou vice-versa), medido entre pontos de transmissão especificados (por exemplo,,Isto define a nitidez da borda.

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• Figura 2: Relação entre faixa de bloqueio/faixa de transição e densidade óptica

• Densidade óptica (OD): uma medida crucial do desempenho de bloqueio de luz de um filtro.Um valor de OD elevado indica uma transmissão muito baixa (bloqueio elevado)A figura 3 mostra visualmente a transmissão para três valores diferentes de OD (OD 1.0- Uma overdose.3É evidente que a transmissão diminui significativamente à medida que aumenta a DO.

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  (1) Relação entre OD e transmissão: à medida que a densidade óptica (OD) aumenta, a transmissão diminui significativamente.resultando numa menor transmissãoEste fenômeno é demonstrado intuitivamente na Fig. 3.

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• Filtro dicróico: Tipo de filtro capaz de transmitir ou refletir seletivamente a luz com base no comprimento de onda (ver figura 4).Transmite uma faixa de comprimento de onda específica enquanto reflete ou absorve outros comprimentos de ondaEste tipo é muito comum em aplicações longpass e shortpass.

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  Fig. 4: Características de revestimento de um filtro dicróico.

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  • Comprimento de onda de corte (λcut-on): Para um filtro Longpass, este é o comprimento de onda em que a transmissão atinge 50%. Identificado como λcut-on na Fig. 5.

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    Fig. 5: comprimento de onda de corte para filtro de passagem longa.

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  • Comprimento de onda cut-off (λcut-off): Para um filtro de passagem curta, este é o comprimento de onda em que a transmissão cai para 50%. Identificado como λcut-off na figura 6.

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    Fig. 6: Comprimento de onda de corte para filtro de passagem curta.

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    O parâmetro de comprimento de onda de corte é particularmente importante quando se discute o desempenho dos filtros de curta passagem.Identificado como λcut-off na Fig. 6, fornecendo informações essenciais para compreender o desempenho do filtro.

• 6.Tecnologias de fabrico de filtros
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  Filtros absorventes versus dicróicos
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• Filtros ópticosA diferença fundamental reside no seu mecanismo de filtragem.

• Filtros absorventes: dependem das propriedades de absorção de um substrato de vidro colorido para bloquear a luz. 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.

• Filtros dicróicos (interferência): trabalham refletindo comprimentos de onda indesejados e transmitindo a parte espectral desejada.Este mecanismo é desejável em aplicações em que a luz precisa ser separada por comprimento de onda em diferentes caminhosEstes filtros funcionam utilizando revestimentos de película fina constituídos por camadas de materiais com diferentes índices de refração para criar interferências construtivas e destrutivas das ondas de luz.

  • As ondas de luz que se refletem nas interfaces entre as camadas interferem.outros interferem destrutivamente e são refletidos (Fig. 7).

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    Fig. 7: Estrutura multicamadas de materiais alternados de alto e baixo índice de refração depositados num substrato de vidro.

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  • Ao contrário dos filtros absorventes, os filtros dicroicos são altamente sensíveis ao ângulo.O aumento do ângulo de incidência desloca a transmissão do filtro para comprimentos de onda mais curtos (e.por exemplo, desvio azul), enquanto diminui o ângulo o desloca para comprimentos de onda mais longos (por exemplo, desvio para o vermelho).

• Fabricação de filtros de passagem de banda: revestimento tradicional versus revestimento de borracha (IAD)
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  Os filtros de passagem de banda dicroicos são amplamente utilizados em várias indústrias.

• Revestimento tradicional (multi-cavidade):A partir daí, são depositados em vários substratos separados múltiplos empilhados de revestimento (como a estrutura da figura 7).Para filtros complexos, as pilhas podem ser repetidas muitas vezes (por exemplo, 100+ camadas no total por lado).Esta técnica resulta em filtros mais grossos com menor transmissão, porque a luz é absorvida e/ou refletida em cada interface do substrato e camada de cimento..

• Depositação por espalhamento duro/assistida por íons (IAD):Todas as camadas de revestimento necessárias (muitas vezes superiores a 100 camadas por lado) são depositadas num único substrato.Isto resulta num filtro mais fino com uma transmissão significativamente mais elevada, uma vez que a luz só passa através de um substrato e evita perdas de camadas de cimento.Os benefícios incluem uma melhor transmissão, maior estabilidade ambiental e maior duração.

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  Figura 8: Comparação do filtro tradicional (multi-substrato, cimentado) (esquerda) versus o filtro de mono-substrato (direita).A transmissão do filtro tradicional diminui com a adição de substratos e camadas de cimentoO filtro de pulverização dura obtém uma maior transmissão por utilizar um único substrato.

• A compreensão destas diferenças de fabrico é crucial na selecção do filtro adequado para uma aplicação.
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• 7Introdução e aplicações dos diferentes tipos de filtros
  Usando filtros Edmund Optics como exemplo, aqui está uma breve visão geral dos tipos de filtros comuns e suas aplicações:

• Filtros de banda:Característica de transmissão de banda muito estreita (por exemplo, < 2nm, 10nm) ou banda larga (por exemplo, 50nm, 80nm) através do substrato.A escolha de filtros de passagem de banda de pulverização dura (IAD) aumenta significativamente a transmissão de pico no comprimento de onda alvo.

• Filtros de passagem longa (LP):Transmitir todos os comprimentos de onda mais longos do que um comprimento de onda Cut-On específico (λcut-on).

• Filtros de passagem curta (SP):Transmitir todos os comprimentos de onda mais curtos do que um comprimento de onda de corte específico (λcut-off).

• Vidro absorvente de calor:Transmite luz visível enquanto absorve radiação infravermelha (IR).Utilizado em aplicações arquitetônicas e automotivas para controlo térmicoTambém funciona como um filtro de curto-passagem.

• Espelhos frios:Um tipo de filtro dicróico que apresenta uma elevada reflectância no espectro visível, mantendo uma elevada transmissão no infravermelho (IR).Ideal para aplicações em que o calor gerado possa causar danos ou efeitos adversos (e.g., iluminando amostras sensíveis ao calor).

• Espelhos Quentes:Um tipo de filtro dicróico que apresenta uma elevada reflectância no espectro infravermelho (IR) mantendo uma elevada transmissão no visível.Amplamente utilizado em sistemas de projeção e iluminação para remover o calor.

• Filtros de entalhe:Projetado para transmitir todos os comprimentos de onda, exceto uma faixa pré-selecionada e completamente bloqueada (o "notch").

• Filtros de substrato colorido (absorvente):Criado usando processamento de substrato (por exemplo, vidro tingido, plástico). Exibir perfis de absorção / transmissão característicos em regiões espectrais específicas. Muitas vezes usado como filtros de banda longa ou banda.As suas bordas de transmissão/bloqueio são menos nítidas do que as dos filtros revestidos, mas são insensíveis ao ângulo.

• Filtros dicróicos:Obter a transmissão/reflexão desejada em faixas espectrais específicas através de revestimento de filme fino.Mais sensíveis ao ângulo do que os filtros absorventes, mas geralmente menos sensíveis do que os filtros complexos de interferência de passagem de banda / entalhe.

• Filtros de densidade neutra (ND):Projetados para atenuar uniformemente a intensidade da luz (em todo o espectro UV, Visível ou IR) sem alterar significativamente o equilíbrio espectral.

  • ND absorvente: Funciona absorvendo a luz não transmitida.

  • ND refletora: trabalha refletindo a luz não transmitida de volta ao longo do caminho de incidência.Utilizado para proteger câmaras/detetores de luz brilhante ou de sobreexposição.