Санкт-Петербург:
8 (812) 447-95-55
Москва:
8 (495) 645-23-92
Сохранить

Оптические фильтры и фильтры с наноструктурированием для телевизионных камер и оптико-электронных устройств.

Кужаков П.В., компания «БИК-Информ»
Действие оптических фильтров можно рассматривать с двух точек зрения — с точки зрения длин волн, которые он пропускает, и с точки зрения длин волн, которые он поглощает или отражает. Любой нежелательный видимый свет или ИК-излучение должны либо поглощаться, либо отражаться, тогда как излучение с необходимыми длинами волн пропускается.

Основное назначение фильтра состоит в изменении падающего излучения таким образом, чтобы пропущенное излучение соответствовало спектру пропускания приемника, регулируя чувствительность камеры для разных длин волн, в зависимости от конкретной задачи. Спектральная кривая фильтра указывает длину волны, при которой начинается или заканчивается заметное пропускание фильтром. Отсчет длин волн начинается с короткой длины волны.

Известны различные способы напыления покрытий. Эти фильтры имеют относительно крутой передний фронт на данных участках спектральной кривой, и быстрый переход от полного поглощения к пропусканию. Однако при точной количественной оценке результатов необходимо принимать во внимание заводские характеристики пропускания. Формы спектральных кривых устанавливают различными способами. Можно детально рассмотреть такие факторы, как критерии пропускания, крутизна и размеры фильтров. Изготовители указывают для фильтров их особые характеристики.

Для задач выделения нужных участков спектра используются цветные стекла. Можно для примера рассмотреть пропускание для обычного, сине-зеленого стеклянного фильтра ЗС6, рис.1. Этот отрезающий фильтр поглощает инфракрасное излучение от источника. Оно больше пропускает инфракрасное излучение, чем, например, фильтр из водного раствора сульфата меди. Обычный 13%-ный раствор сульфата меди, помещенный в кювету со стороной 25,7 см из люсита толщиной 60 мм, поглощает приблизительно на 10% больше света, чем стеклянный фильтр, и имеет более плавный задний фронт спектральной кривой в красной области с заметным протяжением в ИК-область.

Пропускание сине-зеленых стеклянных фильтров
Рис. 1. Пропускание сине-зеленых стеклянных фильтров

Фильтры характеризуются двумя параметрами: процентом пропускания Т и оптической плотностью D:

T = (I’/I)*100%;
D = lg(I/T),

где I — падающее излучение (без потери на отражение) в определенном интервале длин волн; I' — излучение, прошедшее через среду.

При измерении коэффициента пропускания комбинации двух или более фильтров применяют закон Бугера — Ламберта. Он устанавливает, что общее спектральное пропускание является произведением пропусканий отдельных фильтров, взятых на бесконечно малом интервале длин волн.

Изготовители приводят параметры фильтра на основании лабораторных данных и указывают необходимое основное увеличение экспозиции по сравнению с той, которую следовало бы давать без применения фильтра. Параметры относятся ко всей области излучения, пропускаемого фильтром. Следовательно, их нельзя учитывать при некоторых многоспектральных применениях фильтров, так как в этих случаях оптические приборы часто работают в более узких областях, чем полоса пропускания фильтра. Кроме того, объекты обнаруживают различные свойства по отношению к излучению, тогда как стандартный лабораторный источник имеет постоянный спектральный состав излучения.

В дополнение к специфическим характеристикам, прилагаемым к фильтрам в соответствии с их предназначением, фильтры в целом можно классифицировать по изменениям, которые они производят в спектре падающего излучения. Компенсационные фильтры модулируют пропускание в чрезвычайно широкой спектральной области. Дихроические фильтры пропускают в двух отдельных областях. Имеются также фильтры нейтральной плотности, которые ослабляют пропускание по всем длинам волн одинаково. Фильтров различных классов слишком много, чтобы здесь перечислить их и подробно обсудить. Существует список большинства имеющихся желатиновых, стеклянных, неорганических и пластмассовых фильтров и их фирм-изготовителей.

Краситель или неорганическое вещество обеспечивают эффекты фильтрации при введении их в соответствующую среду, например, желатин, с последующим помещением в камеру или в аппаратуру. Вообще красители, имеющие довольно крутой фронт спектральных характеристик, можно выбрать для фильтрации в близлежащих интервалах на всем протяжении видимой и ближней инфракрасной областей спектра. Подходящей средой для этого может быть желатин, а его слои из предосторожности помещают между стеклами. То же самое можно сказать и о характеристиках пропускания неорганических окислов, вводимых в расплавленное стекло для фильтров, за исключением того, что фронт их спектральных характеристик более пологий в инфракрасной области и его можно растянуть дальше поглощения красителей.

Для специальных задач (для регистрации изображения объекта) можно применить фотохромный фильтр. Фотохромный материал характеризуется относительно высокой чувствительностью к окрашиванию и низкой чувствительностью к обесцвечиванию. Данный фильтр удобен своим свойством реагировать на яркость освещения, при необходимости управлением этим процессом, можно использовать электрофотохромный фильтр.

Наноструктурированные материалы, использующиеся как оптические фильтры, также известны. В ранних работах автора по наноструктурированию оптических поверхностей, методом лазерного осаждения, наблюдается выигрыш, связанный с увеличением пропускания и уменьшением отражения при наноструктурировании поверхности образцов, что бывает необходимо, скажем, при решении задач, например, таких как регистрация слабых сигналов фоточувствительными датчиками, работающими в совокупности с оптическими материалами. Малое изменение пропускания наноструктурированного по сравнению с исходным материалом, возможно объяснить двумя причинами: во-первых, использованием смеси углеродных наноструктур, а не одностенных углеродных нанотрубок (УНТ), дающих рельеф с уменьшением шероховатости поверхности вдвое, как показано ранее в работах; во-вторых, тем фактом, что при диаметре нанотрубок и нановолокон в диапазоне 6–10 нм, возможно попадание приповерхностных слоёв матричного материала, при частичной лазерной абляции, внутрь нанотрубок, что нивелирует ожидаемую разницу в показателях преломления и влияет на малые изменения в пропускании; в-третьих, неточно выверенным углом падения света на наноструктурированную поверхность при нанесении на неё ориентированных УНТ, поскольку отклонение от вертикали при лазерном осаждении может составлять от 10 до 25 градусов. До процесса лазерного нанесения углеродных наноструктур необходимо учитывать какая была первичная обработка поверхности оптических материалов (шлифовка, полировка, др.), с последующим ориентированием углеродных наноструктур в электрическом поле.

Спектры пропускания образца, зарегистрированные на спектральном прибор
Рис. 2. - Спектры пропускания образца, зарегистрированные на спектральном приборе, где:

1 – спектр пропускания без нанесенной наноструктуры,
2 – спектр пропускания с нанесенной наноструктрурой.

Результатом данного обзора, является возможность применения как классических оптических фильтров, так и наноструктурированных фильтров для телекамер и других оптико – электронных устройств.

С учетом того, что в ГОСТ9411-91 на оптическое цветное стекло, не всегда можно найти необходимый фильтр для современных задач, альтернативой является использование наноструктурированных фильтров, при этом основная идея в использовании наноструктурированных систем в том, что в них осуществляется прочная химическая связь наноструктуры с оптической поверхностью, что позволяет решать одновременно несколько задач, благодаря улучшенным физико-химическим свойствам оптического материала. Aвтoр блaгoдaрит дoктoрa физикo-мaтeмaтичeских нaук Кaмaнину Н. В. и вырaжaeт признaтeльнoсть всeм сoтрудникaм oтдeлa «Фoтoфизикa срeд с нaнooбъeктaми», за прoвeдeние экспeримeнтoв.