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奥林巴斯显微镜,光过滤的基本内容

2014-02-11  发布者:admin 

 大多数常见的天然和人造光源发出的大范围覆盖整个可见光光谱的波长,具有一定延伸到紫外和红外区以及。 对于简单的照明应用,如室内房间的灯,手电筒,现货和汽车前灯,和许多其他消费,商业和技术应用,在较宽的波长范围是可以接受的,相当有用。

然而,在许多情况下,需要缩小光为需要的颜色或频率的选定区域的具体应用的波长范围内。 这个任务可以通过使用该发送某些波长专门的过滤器很容易地完成,并有选择地吸收,反射,折射,衍射或不需要的波长。 过滤器被构建成各种各样的形状和物理尺寸,并且可以被用来从几百纳米除去或通过波长带的大小不等,下降到一个单一的波长。 换言之,光的排除或限制通过过滤器的数量可以是窄的小频带的波长或一样宽,在整个可见光谱。

许多过滤器通过吸收光的工作,而另一些不必要的反射光,但通过波长的选定区域。 光的色温可以微调与过滤器,以产生具有明亮的日光,黄昏的天空,室内钨丝灯照明,或者两者之间的一些变化的特性光的光谱。过滤器是用来调节颜色的区域的对比度,因为它们代表了黑白摄影或添加在彩色摄影的特殊效果非常有用。专门二向色滤光片可用于极化光,而吸热过滤器可以限制红外线波长(和热),只允许可见光通过。 有害紫外线可以从可见光被完全除去的过滤器,或所​​有波长(紫外线,可见光和红外光)的强度可以通过中性密度滤光片降低至特定范围。 最复杂的筛选操作的干扰的原理,可以进行调整,以通过狭窄的频带(或什至一个单一的波长,见图1)的光,同时反射所有其它在特定方向上。

吸收滤波器

直到二十世纪初,液体过滤器,染色玻璃大块是过滤光线的主要手段。 许多芳香有机化工原料生产色彩鲜艳的解决方案溶解于酒精或水时,和早期的摄影师和科学家这些提供了范围广泛的吸收过滤器。 1856年,英国化学家威廉·珀意外地发现了一种天然物质,被称为苯胺紫红或mauveine,试图合成从煤焦油中的药物奎宁。 他发现,化学制作漂亮的深紫色色解决方案溶于酒精时,实现其巨大潜力使染料产品。 珀的努力导致了许多合成染料,从而催生了一个产业,是负责生产几乎所有的染料目前使用的。

今天,吸收过滤器是由有色滤光玻璃或合成凝胶主要由和表示最大的一类,最广泛使用的类型的过滤器的应用程序,不需要传输波长的精确定义。 常用的分离波长的宽波段(见图2),吸附过滤器也有助于阻止短的波长而透射较长的。 这些过滤器通常是可获得的在玻璃的形式,对已涂,混合,或浸渍有从天然和合成来源获得的有机和无机染料的塑料膜的玻璃,乙酸盐,明胶或碱。 其中在玻璃和聚合物的过滤器所用的材料是稀土过渡元素,胶体染料(如硒化物),以及具有能产生相当尖锐的吸收变高消光系数的其它分子。

玻璃或在过滤器的制造中使用的聚合物的质量是重要的,并且应该是光学级,并提供密度和颜色在过滤器的整个表面上的均匀性。 过滤器的玻璃或塑料仅通过吸收光衰减,所以光谱性能取决于厚度和过滤材料的光学密度。 增加厚度会产生不想要的波长的阻塞电平的相应增加,同时也降低了峰值的带内传输,引起衰减的吸收带的端部。

明胶过滤器是最符合成本效益和良好的光学过滤器可以买到,使得这种选择的过滤材料用于各种各样的应用程序(包括光学显微镜),尽管所需要的柔和处理。 光学玻璃滤光片,也是极好的,不过一般都是无法满足所有的消费,工业,科学应用。 乙酸酯过滤器通常用于非成象应用中,需要对质量和精度是不重要的是有用的。 通常,乙酸过滤器用于在舞台照明,照片放大,投影装置,以及类似的目的。 塑料涂层的过滤器也限于在使用中适于醋酸纤维过滤嘴的那些应用程序。

有几个优点玻璃和聚合物的吸收滤波器,包括其相对较低的成本和稳定性下的多种气候条件和操作条件。 此外,该过滤器与光吸收的化学物质在整个过滤材料,而不是沉积在表面上混合构成,因此它们不容易破坏轻微划伤或擦伤。 玻璃吸收过滤器还具有耐腐蚀性油的指纹和危险的烟雾和污染其他来源的化学侵蚀,而聚合物为基础的过滤器一般不享受这种豁免权。 最后,玻璃和聚合物的过滤器是不敏感的入射照明光的角度,并且由于当过滤器被安置在远离所述垂直增加的有效厚度提供均匀的光谱特性,除了在吸收微小变化。

玻璃和聚合物过滤器的主要缺点是它们对热和易感性在长时间使用修改过的光传输特性的灵敏度。 还有一种选择有限的眼镜可用于那些需要特定的光学级玻璃,而不是基于聚合物材料的应用。 时相比,干涉滤光片带通滤波器吸收通常具有较差的斜坡的特点,而且往往显示低峰值透过率值。 此外,因为它们依赖于厚度来支配的频谱性能,玻璃和聚合物过滤器比其它类型的滤波器设计的专门应用用处不大。 此外,多数长通滤光片眼镜是由高自发荧光,这有时可避免与自身荧光水平低于其玻璃对口代聚合物为基础的过滤器的困扰。

过滤器专门术语

使用由不同制造商描述的滤波器特性的术语可能会造成混淆,主要是因为过滤器按产品编号或由他们过滤性能的某些方面经常提到。 很少有全行业的过滤器的命名标准。 然而,过滤器可以根据在过滤操作和波长透射或吸收曲线的描述中使用的术语进行分类。 一般而言,有两种基本类型的调节特定波长的发射滤波器,如下所述。

带通滤波器(图3)发射波长的能带和块的上面和下面指定的传输范围内的所有的光。 这些过滤器的特征在于相对于由它们的中心波长(CWL)带宽 ,也被称为全宽半高传输(FWHM)的光学性能。 的中心波长从波长的算术平均值计算峰值发送的50%,而带宽(FWHM)是波长的带通曲线,其中光传输是其峰值的50%的边缘之间测得的范围(纳米)或最大值。

边缘过滤器也通常被称为长通短通过滤器(以下简称LPSP,分别),并根据它们的切口上或截止波长的峰值发送的50%进行编目(参见图3)。 长波通滤波器传输较长的波长和块短的波长,而短通滤波器具有传递或传送短的波长,同时阻止其他人的相反的特性。 边缘过滤器,在一般情况下,有一个很陡的斜率与从光的发射和堵塞的过渡区域中的效率(传输和阻断域之间的边界)来计算平均传输值,而不是以上的波长的整个范围通过或由过滤器传输。 在过去,术语高通低通常被用于表示边缘的过滤器,但现在气馁,因为它们更准确地是指频率,而不是波长。

过滤器的吸收或传输特性文件,在定义过滤器作用的关键因素,通常呈现在一个波长的曲线的形式(在纳米;见图1-4)与光密度,吸收,或过滤器的传输特性。 光密度被定义为吸光度,根据公式(透射率的倒数)的对数(基数为10):

OD (Optical Density) = log(A)

其中:

A (Absorbance) or Opacity = 1/T (Transmittance)

和,因此:

OD = log(1/T) = -log(T)

其中T是光的通过过滤器被发射的百分比,OD为光学密度,A是在过滤器中的染料或其他吸光物质的吸光度值。 当指带通或截止的区域中的过滤器,大多数制造商绘出传输值,它是波长的透射率,除以100,与波长产生的光谱特性。 然而,由于过滤器可以通过除吸收其他阻挡光,光密度是由哪一个更准确的方法,以评估滤波器传输访问,并且是最常用的标准由科学调查。 为了避免混淆,仔细辨别是否吸收或发射值被雇用超过被检查的波长范围来表征筛选器操作是很重要的。 这些应该在频谱图的纵坐标明确界定。

二向色滤光片是通过涂覆或光学级或低质量的基片,包括聚合物和玻璃,用薄膜以类似于干涉滤光器的方式,以实现特定的波长传输特性的制造。 然而,二向色滤光片是不敏感于入射照明角度为干涉滤光器,并且它们也不是作为波长选择性。 在大多数情况下,该术语分色为具有100纳米或更通带滤波器反射波段为大约两倍宽和含有包括波长的互补色保留。 因此,二向色滤光器的特点是,它们产生不同的颜色时,通过反射或透射的光照亮。 这些过滤器通常用作无论是增加或减少的彩色滤光片的对比度增强,机器视觉,或分色。 在一般情况下,二向色滤光片提供比窄带通干涉滤光器一个较大的光圈和更适合于应用在不涉及图像形成时,如传统​​的摄影照明,印刷,和舞台灯光。

测定光密度单位,一个滤光器的阻塞电平 (也称为衰减电平 )是其波长不在于滤波器的通带被抑制过度的频谱扩展范围的程度的一种度量。 在这个概念相结合, 阻断范围 (或衰减范围 )是指波长在其中一个过滤器保持一个指定的阻塞电平(参见图3)的范围内。 还涉及一种过滤器的衰减电平,是这种现象称为串扰 ,它定义了两个过滤器放置在一起以串联(堆叠后端到背面)与光束的最小衰减电平。 重叠(参见图4(a)),叠滤波器的传输频带之间可能变得重要时吸收或发射波长的光谱由串扰影响到显著程度。

一个滤波器的传输频带的斜率被用来确定通过波长和那些阻止了过滤器之间的过渡的陡度。 此配置文件是尤其重要的,边缘过滤器,依赖于非常尖锐的斜坡定义分开传输波长不同于封锁过滤器的窄波长边界区域。 作为一个例子,图4中的光谱(b)表示2的边缘的过滤器具有显著不同道具有不相等的尺寸的相关联的边界区域,但是相似的通频带。 在不存在的光谱图中,一个滤光器的斜率可以通过识别的波长在指定的阻挡或衰减电平进行说明。

切断切上值指的是窄波长区域指定从一个高的传输速率低的传输(衰减)率,反之亦然的转换。 截止常常用来表示一个短通滤波器的波长位置,而截止点通常是保留来表示一个长通滤光片的波长位置。 在这两种情况下,50%的绝对传输的波长是用来指示开始的过渡。

过滤器的光轴和入射光束之间的角度被称为入射角 ,并且可以对过滤器性能的一个显著影响,特别是对于干扰滤波器。 大多数的过滤器被设计成用于具有零度入射角,被称为垂直入射 ,其中所述过滤器被定位成其光束的光路上的光轴重合的应用程序。 然而,几种类型的干扰的滤波器,包括分束器和二色镜,被设计,以便正确地执行它们的功能也可以设置在相对于所述光束成45度角(入射等于45度的角度)。 玻璃和聚合物的吸收过滤器可以不考虑入射角被利用,但几种类型的滤波器被称为角度敏感并且具有非常依赖于照明的入射角度的性能特点。 这些过滤器,主要是薄膜干涉及声光滤波器,不应该被用来以比由制造商指定的其它任何角度。

色彩补偿,转换和平衡滤波器

属于的吸收滤波器,颜色补偿,转换和光均衡滤波器的类别是最经常用来修改钨和钨 - 卤素灯照明的色温。柯达制造的雷登系列颜色补偿和均衡器,它是专为广泛的实验室和工业应用的频谱。 这些过滤器包括用合适的染料混合并分散在明胶中以达到所需的光谱特性的胶体碳。 色彩补偿滤镜的色彩平衡和转换过滤器,因为它们通过衰减可见光光谱,而不是微调整体频谱性能的主要是红色,绿色和/或蓝色区域控制颜色不同。 它们被简称为前缀CC,Color Compensating,接着过滤标称峰值密度范围从约0.025至0.5,再乘以100,并与过滤器的颜色的大写首字母结尾(例如:M代表品红色)。 因此,缩写为0.3标称峰值密度的黄色色彩补偿滤镜将是:CC30Y。 除了柯达系列,各种其他制造商的类似的过滤器可作为染色凝胶,丙烯酸聚合物,或二色性玻璃。

在一个系列中的每个颜色补偿滤波器控制单个颜色的量,而通过1其余两种颜色的一个或两个。 在这种方式中,颜色补偿滤波器能够引入任何细微变化到光源的色平衡的,或者它们可以补偿在光谱输出的不足。 为一系列的蓝色(通过CC50B CC025B)补偿滤波器的可见吸收光谱示于图5。 主要最小值出现在范围380-490纳米的过滤器都在这个系列中,它传递一个广大的蓝色波长和过滤器不同的绿色,黄色和红色波长金额。

干涉滤光片

在带通滤波器设计的最新技术成果,导致了价格相对低廉的建设薄膜干涉滤光片具有波长选择和传输性能的重大改进。 这些过滤器操作通过发送一个选择的波长区域具有效率高,同时又拒绝,通过反射和相消干涉,所有其他的波长。 现代的干扰滤波器的建模法布里 - 珀罗干涉仪,由查尔斯·法布里和阿尔弗雷德·佩罗设计在19世纪末期后,与应用于光学平面的透明玻璃表面薄膜的多层构造。 原来的干涉仪包括具有由一个小的空气间隙,其大小可以通过平移1反射​​镜的一个或两个可以改变分离的两个部分透明镜的装置。 今天,更复杂的干涉仪利用多种机制来测量光束之间的干扰,并且通常采用的干涉滤光器和反射镜制造过程中监测薄膜厚度。

干涉滤光片就可以生产出非常尖锐的传输斜坡,从而导致陡峭的截止点和截止的过渡边界,大大超过这些标准所吸附过滤展出。 以生产现代干涉滤光片,电介质材料的连续层,与厚度值的四分之一和二分之一的目标波长之间的范围内,沉积在光学平玻璃或聚合物表面在真空中。 光入射在多层电介质表面上或者通过过滤器以建设性的加固传送或反射,并通过破坏性干扰减小的幅度(参见图6)。 的带通滤波器,它是由多层介电表面的性质决定的,确定光被允许发送和乘通过过滤器时,反射的波长。 那未加强和由滤波器传递阻断波长的光被反射掉,并从光路取出。

用于制造干涉滤光器的介电材料通常是具有特定折射率的非导电材料。 传统的带通干涉滤光器是使用硫化锌,硒化锌,氟化铝钠(也称为冰晶石制造),但这些涂层具有吸湿性,必须从环境中通过一个保护涂层绝缘。 此外,锌和冰晶石盐从低通滤波器的传输特性和温度不稳定,这进一步降低了它们的性能受到影响,即使它们是简单和相对便宜的制造。 该薄膜的盐层的沉积之后,玻璃或氧化硅的耐磨保护涂层的最后一层被添加。

引入的金属氧化物(也称为硬涂层 )的半透明层的成薄膜涂层技术已经减轻了许多与干涉滤波器相关联的环境问题,并显着提高其温度稳定性。 薄涂层的金属和盐,每一个独特的折射率,被应用于具有交替的高和低折射率的值的连续层。 这种设计的关键因素是不同的折射率的两种电介质材料(其中一个比另一个高得多),这是负责部分反射入射光的向前和向后的通过过滤器和产生的干扰效果,结果在波长选择之间的界面。 钢筋和发送波长值是由散布的电介质层的厚度和折射率决定。 即使薄涂层本身是透明的,光波反射,并通过介电材料传输的干扰,以产生色彩艳丽,似乎是从过滤器表面发出。

介电涂层通常捆绑成单位称为 ,其被构造为三至五个交替的盐和金属氧化物(有时是纯金属的)层由氟化镁更宽层分开地称为衬垫 (参见图7)。 隔板生产皆对应到连四分之一或二分之一波长的整数倍,以反射或透射的光在与所述电介质层的注册的厚度。 增加模腔用于建立一个干涉滤光器的数量产生一个比例增加切口上的斜率和截止波长的传输边界。 过滤器具有高达15叠腔可有总数超过75个人的介电层和显示带宽只有几纳米大小的。

几乎任何类型的滤波器可以被设计和使用薄膜干涉涂层的技术,包括带通,shortpass,长通,二向色分束器,中性密度,以及各种反射镜构成。 如上所讨论的,层和腔的数量被用来控制,具有非常高的精度,标称波长,带宽,和过滤器的阻塞程度。 过滤器具有多个传输频带,如复杂的三频带的滤波器,以便流行荧光显微镜(见图1)中,可以制造使用了这种技术。

用的薄膜干涉滤光器阻断得到的高度仅适用于有限的波长范围,超出该有效阻挡脱落显着。 的范围内可以通过添加辅助成分,如宽带阻滞剂在峰值传输值的妥协进行扩展,但往往。 另外,在薄膜的生产中使用的涂层材料中的透明性的范围是有限的。 一旦超出范围,这些涂层可以变得高度吸收,而不是高度反射或透射,从而降低了过滤器的效率。 涂层的吸收特性也可以是波长相关的,所以用于长通滤波器相同的涂层通常不会在紫光和紫外线区域的波长下进行充分的。 最后,干涉薄膜涂层是照明的入射角敏感。 作为该角度的增加,涂层的光谱特性倾向于移向较短的波长(光谱为蓝移 )。 另一个缺点是,干涉涂层往往产生偏振光在高入射角,效果并不总是理想的。 不管在薄膜涂层中发现的缺陷,这种技术仍然是用于在各种各样的应用波长选择最合适的一个。

中性密度滤光片

在各种应用中广泛使用,中性密度过滤器是在彩色的(似烟色玻璃)中性灰色,并设计跨越任一小的波长或在整个波长范围,以减少透射光强度均匀而不改变照明的频谱分布。 中性密度​​过滤器是理想的,用于控制在光学显微镜下,在那里它们被普遍采用明场,微分干涉相衬和荧光照明(其中高强度弧光灯不能用一个可调电源,以控制电压调节照明的强度)。

中性密度​​过滤器分为两类:吸收和反射,通过吸收或反射波长(或整个可见光光谱)的所选择的频带中工作,分别。 吸收的中性密度滤波器是从整个玻璃浸渍稀土类元素的乳液构成,并且能够在相对于所述照明源的任何方位使用。 这些过滤器不受划痕,并且不需要必要的明胶,聚合物,反射,和其他较弹性的过滤器小心处理技术。 反射型中性密度过滤器由一薄的金属涂层蒸发到玻璃表面中的一个制成,并且必须插入到面向照明源的反射面的光路。 因为表面涂层​​容易出现划痕和擦伤,这些过滤器应小心处理。

示于图8是一系列共同的中性密度滤光片的可见光吸收的访问。 如可在图中可以看出,这些滤波器在整个可见光(400〜700纳米)光谱范围内显示相对恒定的消光系数。 该系列中的每个中性密度过滤器,从ND-0.3-ND-70在图8中,有一个增量下的消光系数。 这个过滤器设置统称为调节光照强度均匀的一系列的过滤器。

吸收型中性密度过滤器使用的明胶,聚合物,或已浸渍的或溶解的材料,以减少透明度的玻璃基板制成。 柯达雷登中性密度滤光片很受欢迎,并且均采用了专有的明胶薄膜的这些过滤器是已知的。 含有有机染料的选定补体的胶体碳悬浮液中混合液体明胶,直到所需的中性密度。 然后这个组合涂覆到支撑玻璃基板上,直到它形成一个非常薄的厚度均匀的膜。 干燥后,将膜从基板剥离,并涂有漆来保护。请注意,即使中性密度,颜色补偿,以及其他雷登过滤器是由一个漆罩面层的保护,但它们仍然容易受到损害(特别是从划痕),并且应仅在边缘处或在弯道中进行处理。另一种方法是把它们放到一个简单的金属框架,由多个厂商提供保护的明​​胶滤镜。切勿将明胶滤镜温度超过50摄氏度长时间。同样重要的是,这些过滤器不能靠得太近显微镜的钨 - 卤灯,或其他工具,以避免热损伤。

规格为最常用的中性密度过滤器示于表1。每个中性密度过滤器是由一个字母数字代码,指定ND-XX,其中XX是由过滤器所发送的平均透光率。因此,一个ND-60过滤器发送(或传送)60%的来自光源的入射光,以及ND-0.1滤光器透射入射光的0.1%。

中性密度​​滤镜规格
指定 密度 变速器 
(百分比)
ND-80 0.1 80
ND-70 0.15 70
ND-60 0.2 60
ND-50 0.3 50
ND-40 0.4 40
ND-30 0.5 30
ND-25 0.6 25
ND-20 0.7 20
ND-16 0.8 16
ND-13 0.9 13
ND-10 1.0 10
ND-1 2.0 1
ND-0.1 3.0 0.1
ND-0.01 4.0 0.01
表1

中性密度​​滤镜可堆叠在一起,实现对其中有没有可用的过滤器的密度值。 这些过滤器的堆积是一种添加剂的效果,使放置ND-50(密度= 0.3)和ND-60(密度= 0.2)过滤入光路相当于一个ND-30(密度= 0.5)这样放置筛选。 为0.30的密度的过滤器具有50%(ND-50,表1)的透射率,因此,它可以用来通过两个因素来降低照明亮度。 同样地,具有0.6的密度(ND-25,表1)的过滤器具有25%的透射率值(由四个因子减少照明强度),和密度1.0(ND-10.0,表1)的过滤器可以通过10倍(10%的透射率值)降低强度。

较旧的中性密度滤镜可获取微黄色调随着年龄的增长,以及一些较便宜的过滤器也可以显示某种程度的背景颜色。 如果引入的中性密度过滤器进入光学路径的结果不正确的色彩平衡,使用颜色补偿滤波器的光源返回到其适当的平衡。 其它因素,如内部散射和光学系统中的反射,可以改变的中性密度过滤器的有效密度,使它们从预期的密度值会发生变化。 出于这个原因,它以校准中性密度过滤器,关键测量是重要的。

紫外线和红外线过滤器

高能量的电弧灯,闪光管,和其他照明源经常会产生可能会干扰成像,或者使用传统的照相底片或捕捉数字图像时显著量的紫外线。 紫外线过滤器可以被插入到显微镜等光学系统的光路中,以除去残留的下方那些在可见光光谱(低于400纳米)的不需要的波长。 最常见的紫外线过滤器被设计为在摄影机镜头或CCD传感器前安装的,但是显微镜,望远镜,和厂家售后也提供这些过滤器适用于各种特定的应用程序。 大部分的紫外线过滤器是由特种玻璃制成的配方,但新的聚合物材料也可提供。 从透明柔性薄膜制成的光学级紫外长通滤波器可以切割成一定的尺寸,并与其他的带通滤波器结合使用。

红外截止滤波器被设计成通过可见光波长400和700纳米之间,同时阻止较高波长延伸到红外区(700〜2500 +纳米)。 这些过滤器通常用于保护红外线敏感的电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的红外波长。 与此相反,红外长通滤波器被用于需要阻挡可见光的应用,同时通过近红外波长。 正在开发新的聚合物材料具有用于发射红外线的选择的波段的优良特性。 特别是,热固性ADC滤波器具有非常高的传输值和低雾度,具有显著的耐磨性和耐化学性,使他们的理想shortpass和红外应用长通滤波器。 图9示出这两种紫外线滤波器,衰减波长几乎完全低于400纳米的光谱响应,以及​​红外截止滤光器的波长以上700纳米的非常强烈的吸收。

几乎90%的钨或钨 - 卤灯发射的辐射发生在红外波长,这与生产相关联的热量的形式。 汞和氙弧灯也产生相当多的热量。 红外线吸收或热的过滤器可用于除去不需要的红外波长和保护颜色校正凝胶剂,中性密度过滤器,昂贵的干涉滤光器,和被拍摄的对象,不受热损伤。

成功利用过滤器需要注意吸收和透射光谱,以及其他公布的滤波器特性的技术细节。关键是要建立围绕光源的物理特性,数字成像和传统的摄影标准,同时获得与真实世界的应用方面有扎实的经验中获得的过滤器的作用的事实了坚实的基础。有些滤镜纯粹用于技术应用,而另一些实施他们的艺术素质。不管目标函数,正确使用过滤器将极大地提高使用传统胶片摄影的质量,以及电子数码影像。