Valgusfilter

Valgusfilter (optiline filter) on harilikult klaasist, plastist või muust sellisest materjalist seade, mis laseb valikuliselt läbi erineva lainepikkusega valgust. 
Enamik valgusallikaid kiirgab terve nähtava valguse spektri ulatuses. Paljudel juhtudel pakub huvi kindla lainepikkusega kiirgus. Seda on kerge saavutada spetsiaalsete filtrite abil, mida läbides soovimatu lainepikkusega valgus neeldub või peegeldub ning filtri läbib vaid meid huvitav osa.
Värvifiltrid on värvitud klaasist, plastist või želatiinist (Wratteni filtrid) valmistatud seadmed, mida on töödeldud nii, et need laseks läbi soovitud lainepikkusi ja takistaks soovimatute lainepikkuste edasipääsu. Kaks kõige levinumat filtritüüpi on neeldumisfiltrid (klaasfiltrid) ja interferentsfiltrid, mis eemaldavad meid mittehuvitavad lainepikkused sisemise interferentsi ja sisepeegeldumise teel. Olenemata filtri ehitusest peegeldub selle pinnalt väike osa pealelangevast valgusest ja väike osa neeldub. Sellele vaatamata ei sega need filtrite tööeesmärke.
Filtrite kvantiteerimine.
Läbilaskvus.
Läbilaskvus kirjeldab, kui suur osa pealelangevast valgusest läbib filtri. Kui filter on tehtud homogeensest ja isotroopsest materjalist ning selle pinnad on siledad ja paralleelsed, siis läbilaskvus sõltub filtri paksusest, materjali optilistest parameetritest (mis omakorda sõltuvad lainepikkusest ja temperatuurist), valguse langemisnurgast ja polarisatsioonist. Risti pinnaga langeva valguse jaoks on läbilaskvuskoefitsient arvutatav valemiga:
formula_1,
formula_2,
kus n – murdumisnäitaja, k – imaginaarne murdumisnäitaja.
Kui formula_3, siis võib formula_4 (peegeldustegur) leida valemiga formula_5 .
Sisemine läbilaskvus: formula_6,
neeldumiskoefitsient: formula_7,
kus formula_8 on lainepikkus vaakumis ja formula_9 on plaadi paksus.
Optiline tihedus.
Optiline tihedus (OD, ingl "optical density") kirjeldab filtri võimet blokeerida valguslaineid. Optilisest tihedusest sõltub, kui suur osa valgusenergiast antud lainepikkusel filtrit läbib. Suur optilise tiheduse väärtus osutab madalale läbilaskvusele ja väike optiline tihedus – kõrgele läbilaskvusele.
formula_10
T – läbinud valguse osakaal.
Optiline tihedus on arvutatav valemist:
formula_11.
Valguse langemisnurk.
Valguse langemisnurk on nurk langeva valguse leviku suuna ja filtri pinnanormaali vahel. Enamik filtreid on loodud kasutama nullkraadise langemisnurga all ehk normaallangemise all. Kiirejagajana töötavate filtrite korral on langemisnurk harilikult 45 kraadi. Neid läbiv valguskiir jaguneb kaheks või enamaks kiireks, mille intensiivsused võivad, aga ei pruugi olla samasugused. Suurem osa filtreid, nagu näiteks interferentsifiltrid, on tundlikud langemisnurga muutuste suhtes, mis tähendab et filtri karakteersed omadused muutuvad langemisnurga muutudes.
Kaks põhilist tagajärge, mis ilmuvad filtri läbilaskvuse spektris langemisnurga suurenedes, on:
1) Siirdeala nihkub lühemate lainepikkuste poole;
2) Läbilaskvusspektrid s- ja p-polariseeritud valguse jaoks muutuvad erinevaks.
Tõkkeala.
Tõkkealaks (ingl "blocking range") nimetatakse lainepikkuste intervalli, mis on filtri poolt oluliselt nõrgendatud. Tõkestamise aste on harilikult määratletud optilise tihedusega.
Läbipääsuala.
Läbipääsualaks (ingl "passband") nimetatakse lainepikkuste vahemikku, kus filter on valgusele hästi läbipaistev.
Siirdeala.
Siirdealaks nimetatakse lainepikkuste vahemikku, mis jääb tõkkeala miinimumi ja läbipääsuala maksimumi vahele. Siirdeala võib olla väga väike (üleminek tõkkealalt läbipääsualale on kiire) või väga lai. Kitsa siirdealaga filtreid on mugav kasutada lähestikuste lainepikkuste eristamiseks.
Filtrite liigid ja nende tööpõhimõte.
Enamiku tänapäevastest filtritest võib suuremalt jaolt jagada kaheks: klaasfiltrid (neeldumisfiltrid) ja interferentsfiltrid. Nende põhiline erinevus seisneb selles, kuidas nad pealelangenud valgust filtreerivad. Klaasfiltris osa valgusest neeldub ja see sõltub klaasfiltris leiduvatest lisandmaterjalidest. Klaasfiltri poolt takistatud valgus neeldub filtris ega peegeldu tagasi. Vastupidi töötavad aga interferentsifiltrid, mis peegeldavad ebavajaliku lainepikkusega valgusti ja lasevad läbi vaid soovitud osa spektrist.
Neeldumisfiltrid.
Neeldumisfiltrid (e klaasfiltrid) on harilikult klaasist või plastist ja valgust neelavatest lisanditest valmistatud optilised seadmed, mis neelavad valgust teatud lainepikkuste vahemikus. Nende töö põhineb lisandmaterjali omadusel neelata valgust kindlatel lainepikkustel. Lisandmaterjalina kasutatakse värve, pigmente, pooljuhtmaterjale või muid aineid, mis parandavad filtri optilisi omadusi.
Klaasfiltrid on hea lahendus olukordades, kus probleemiks on soovimatu valgusallika tekitatud valgusmüra. Klaasfiltrite eeliseks on, et nende optilised omadused sõltuvad vähe valguse langemisnurgast ja sellepärast võib valgus langeda suure arvu eri nurkade all, ilma et filtri läbilaskvus ja neeldumine oluliselt muutuks.
Kuna neeldunud valgus filtris muutub soojuseks, ei sobi need filtrid kasutamiseks suure võimsusega optilise kiirguse korral, mis kutsub filtri materjalis esile suure temperatuurimuutuse ja filter võib mõraneda.
Klaasfiltrite rakendusala on väga suur – neid kasutatakse eriliste efektide tekitamiseks fotograafias ja filmimisel.
Interferentsfiltrid.
Interferentsfiltrite töö põhineb soovimatu valguse peegeldumisel filtris ja filtrilt ning samal ajal lastes läbi soovitud lainepikkusi. Need filtrid valmistatakse mitmest erineva murdumisnäitajaga ainest, mis lisatakse kihiti üksteise peale, et kasutada ära lainete interferentsi omadusi. Valgus osaliselt peegeldub kahe erineva murdumisnäitajaga kihi eralduspinnal. Ainult lained, millel on kindel langemisnurk ja lainepikkus, interfereeruvad konstruktiivselt ja läbivad filtri. Ülejäänud valguslained kustutavad üksteist ja peegelduvad filtri pinnalt.
Erinevalt klaasfiltritest on interferentsfiltrid väga tundlikud langeva valguse langemisnurga suhtes. Kui valgus langeb nurga all, mis on väljaspool filtri ettenähtud disaini, ei suuda filtrid säilitada neile määratud optilisi omadusi. Kehtib reegel, et kui suurendada valguse langemisnurka, nihkub filtri spekter väiksemate lainepikkuste poole ja nurga vähendamine nihutab filtrit suuremate lainepikkuste poole.
Wratteni filtrid.
Wratteni filtrid (ingl "Kodak Wratten filter") on lakiga kaetud želatiinist filtrid. Seda tüüpi filtrite loomisel kasutatakse orgaanilisi pigmente, mis lahustatakse želatiinis saavutamaks filtri soovitud spektraalomadusi. Seejärel asetatakse želatiini ja värvi lahus toestavasse alusesse kuni selle kuivamiseni. Pärast aluse eemaldamist kaetakse saadud kile selle kaitseks lakiga. Vaatamata sellele, et filtrid on lakiga kaetud, tuleb neid kahjustuste vältimiseks käsitseda hoolikalt: võttes neid kätte vaid äärtest või nurkadest. Wratteni filtreid tuleks hoiustada kuivas, kuna niiskus võib pärssida filtri omadusi ning muuta filtri häguseks. Samuti ei talu seda tüüpi filtrid liialt kõrgeid temperatuure. Kuigi Wratteni filtrid olid esialgu loodud fotograafias kasutamiseks, on need kasutust leidnud ka teistes valdkondades.
Filtrite tüübid.
Madalpääsufilter.
Madalpääsufiltrid (ingl "longpass filter") on valgusfiltrid, mis eemaldavad lühemad lainepikkused ja lasevad läbi suure lainepikkusega laineid. Madalpääsufiltrid võivad omada väga järsku tõusu (selliseid filtreid nimetatakse ka äärefiltriteks; ingl "egde-filters") ja neid kirjeldatakse lainepikkusega (ingl "cut-on wavelength"), mis vastab 50%-le energiale maksimaalsest läbilaskvusest. Seda tüüpi filtreid kasutatakse tihti fluorestsentsi mõõtmisel, sest sellega on mugav eemaldada ergastavad lainepikkused ja säilitada ning lasta läbi soovitud lainepikkused.
Madalpääsufiltrite alla kuuluvad näiteks paljud klaasfiltrid, nähtavat valgust blokeerivad ja infrapunakiirgust läbi laskvad interferentsfiltrid.
Kõrgpääsufilter.
Kõrgpääsufiltriteks (ingl "shortpass filter") nimetatakse filtreid, mis takistavad piirlainepikkusest (ingl "cut-off wavelength", vastab 50% energiale maksimaalsest läbilaskvusest) suurema lainepikkusega lained ja lasevad läbi sellest väiksema lainepikkusega laineid (harilikult nähtava valguse piirkond ja ultraviolettvalgus). Ka kõrgpääsufiltrid võivad omada järsku tõusu ja seega on neid hea kasutada kindla lainepikkuste vahemiku eemaldamiseks või läbi laskmiseks. Kõrgpääsufiltrite hulka kuuluvad näiteks infrapunakiirgust eemaldavad filtrid – filtrid, mis lasevad läbi nähtavat valgust ja neelavad või peegeldavad infrapunakiirgust.
Ribapääsufilter.
Ribapääsufiltrid lasevad läbi ainult teatud kindlasse lainepikkuste kitsasse ribasse (2–10 nm) või vahemikku (50–80 nm) kuuluvaid lainepikkusi. Ribapääsufiltrid on eriti tundlikud langemisnurga muutuste suhtes, seepärast tuleb neid hoolikalt käsitseda.
Ribatõkkefilter.
Ribatõkkefiltrid on kujundatud tõkestama teatud lainepikkuste vahemikku, samal ajal lastes läbi kõik teised lainepikkused filtri ette antud töövahemikus. Ribatõkkefiltreid kasutatakse näiteks laserikiire blokeerimiseks või mõne kitsa lainepikkuste vahemiku eemaldamiseks optilisest süsteemist.
Filtrite rakendused.
Fotograafias.
Fotograafias kasutatakse filtreid eelkõige efektide saamiseks, värvide esiletõstmiseks või aparatuuri kaitseks. Näiteks aitavad filtrid vähendada peegeldusi, kaitsta kaamera läätsi ja osaliselt või täielikult takistada valguse kogust, mis fotoaparaati pääseb.
Mustvalgeid pilte jäädvustavad kaamerad ei tee vahet värvidel, aga valgusfiltri kasutamine kaameras suurendab märgatavalt kontrasti värvide vahel. Esemete ja kehade kujutised, mis on filtriga sama värvi, muutuvad heledamaks ja vastandvärvi kehad muutuvad tumedamaks. Näiteks kui meil on kaks tabletti – üks punane ja teine roheline, siis monokromaatse kaameraga pilti tehes tekib mustvalge kujutis, kus nii punane kui ka roheline näivad ühtemoodi hallid ja neid on raske eristada. Kui aga kasutada kaamera sees punast filtrit, muutub punane tablett helehalliks ja roheline tablett tumedamaks halliks. Sarnaselt saaksime kasutades rohelist filtrit – roheline tablett muutuks toonilt heledamaks ja punane tumedamaks halliks.
Spektrite mõõtmisel.
Teaduses kasutatakse optilisi filtreid spektrite mõõtmiseks. Näiteks fluorestsentsi ja Raman-hajumise mõõtmisel kasutatakse klaasfiltreid ergastava valguse puhastamiseks ja soovimatu kiirguse lainepikkuste eemaldamiseks.
Raman-spektroskoopias võivad ribapääsu-, ribatõkke- ja madalpääsufiltrid kõvasti parendada mõõtetulemusi. Ribapääsfilter paigaldatakse laserikiire teele laseri ja mõõdetava proovi vahele. See kindlustab, et proovi peale pääseb vaid laserist tuleva lainepikkusega valgus ja teiste lainepikkustega lained on blokeeritud. Kui laseri valgus jõuab proovi pinnale, nihkub lainepikkus Raman-hajumise tõttu ning sisaldab palju nõrga intensiivsusega signaale. Sellepärast on oluline blokeerida laserist väljuva valguse lainepikkus, mis võib peegelduda proovilt endalt või proovi alusplaadilt. Selleks kasutatakse võimalikult terava servaga ribatõkkefiltreid, mis eemaldavad kitsa lainepikkuste vahemiku, mille võimalikult keskkoha lähedal asub laserikiire lainepikkus.