Measuring optical filters

Význam tématu

Bandpass filtry jsou klíčové pro selekci úzkého pásma optického záření a nacházejí uplatnění v mnoha oblastech inkrementální spektroskopie, laserové optiky či optického senzoru.
Měření jejich přesných parametrů (šířka pásma, propustnost, potlačení) je zásadní pro spolehlivost a reprodukovatelnost analýz.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyhodnotit metodické přístupy vedoucí k minimalizaci artefaktů měření pásmových filtrů založených na interferenčních principech, které jsou citlivé na úhel dopadu i polarizaci světla.
Studie porovnávala naměřené charakteristiky dvou referenčních filtrů – úzkopásmového (FWHM ~0,3 nm při 630 nm) a širokopásmového (FWHM 50 nm při 260 nm).

Použitá instrumentace

• Cary 5 UV-Vis-NIR spektrofotometr
• Držáky pevných vzorků
• Světelné masky (2 mm)
• Glan Taylorův polarizér
• Depolarizér

Použitá metodika

Pro přesné rozlišení úzkopásmového filtru byla šířka spektrálního pásma (SBW) nastavena pod hodnotu 1/10 očekávané šířky signálu (0,03 nm) a u širokého filtru na 2 nm.
Signální průměrací čas (SAT) nastavený na 0,1 s zajistil vyvážený poměr mezi stabilitou signálu a dobou měření.
Interval dat byl volen tak, aby přes každou šířku pásma připadly nejméně tři měřicí body (0,01 nm pro úzký filtr, 1 nm pro široký).
Redukce pevných úhlů svazku (solid angle) se prováděla pomocí maskování v rovině otvoru štěrbin a obrazů difrakčního mřížkového systému; použitím 5 mm a 2 mm otvorů se úhly omezily až na ±0,6°.
Potlačení vlivu polarizace proběhlo vložením depolarizéru před vzorek.
Pro korekci nulové a 100 % linky bylo aplikováno ASTM E903, které zohledňuje elektronický šum a optické chyby měření s cílem poskytovat kompenzovaný přenos.

Hlavní výsledky a diskuse

Beam masking vedlo ke zmenšení měřené FWHM u úzkého filtru z 0,462 nm (standardní konfigurace) na 0,360 nm (2 mm masky), zatímco u širokopásmového filtru zůstala šířka konstantní (~46,9 nm).
Postupná redukce solidního úhlu přinesla současný posun špičky k delší vlnové délce a zvýšení maximální propustnosti, což dokládá lepší průnik úzkého pásma.
ASTM korekce prokázala významné snížení odchylek v měřeních na úrovni nízkých transmittancí (<10−5 T), klíčové pro odhad out-of-band úniku („blocking“).
Depolarizér eliminoval přechodové artefakty při změně detektoru (800 nm), zajišťující rovnoměrnou odezvu bez vlivu polarizace.

Přínosy a praktické využití metody

• Precizní charakterizace pásmových filtrů pro lékařské spektrofotometry, laserovou techniku a optické senzory
• Zlepšení kvality QA/QC procedur v průmyslové a akademické praxi
• Možnost standardizace měřicích protokolů a automatizace pomocí speciálních softwarových skriptů
• Spolehlivý odhad potlačení nežádoucích vlnových délek pro ochranu citlivých detektorů

Budoucí trendy a možnosti využití

Vývoj filtrů s aktivním laděním propustného pásma využívající MEMS či elektrooptické materiály.
Integrace integračních sfér pro jednotnou korekci stray-light a rozšíření měření do středního infračerveného pásma.
Automatizované workflow podporováné umělou inteligencí pro predikci a kompenzaci instrumentálních odchylek.
Realizace inline kontrol optických filtrů v průběhu výroby a nasazení v miniaturizovaných spektrometrech pro terénní analýzy.

Závěr

Striktní kontrola instrumentálních parametrů (SBW, SAT, interval, úhly svazku) v kombinaci s korekcemi podle ASTM a maskováním solidního úhlu výrazně zlepšuje přesnost měření pásmových filtrů.
Popsaná metodika umožňuje detailní výpočet FWHM, potlačení nechtěného přenosu a neutrální odezvu na polarizaci, což je nezbytné pro spolehlivé optické aplikace.

Reference

1. ASTM E903: Standard Test Method for Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres, ASTM, Philadelphia, 1987.