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バンドパスフィルタのチュートリアル


バンドパスフィルタのチュートリアル


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Bandpas Filter Layers
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この図に示されている層の数は実際のバンドパスフィルタにおける層の数を表すものではありません。また図の縮尺率も実物と整合してはいません。

バンドパスフィルタの構造

バンドパスフィルタは基板の表面に物質の層を重ねて作成されます。その中には、一般にスペーサ層で分離された、いくつかの誘電体多層膜が含まれます。誘電体多層膜は、低屈折率と高屈折率の誘電体が交互に重なった多数の層で構成されています。誘電体多層膜内の各層の厚さはλ/4で、λはバンドパスフィルタの中心波長(つまり、フィルタを通る波長の中で最も高い透過率を示す波長)です。スペーサ層は誘電体多層膜の間に配置されます。その厚さは(nλ)/2で、nは整数です。スペーサ層は、色ガラス、エポキシ、色素、金属または誘電体の層で形成することができます。誘電体多層膜に挟まれたスペーサ層によりファブリペロー共振器が形成されます。フィルタは保護と取り扱いやすさのために、刻印付きの金属製リング内に取り付けられています。

フィルタ動作の概要

ファブリペロー共振器は、そこで強め合うように干渉する中心波長とその両側の狭い波長域の光を効率的に伝搬させ、その一方で弱め合うように干渉する通過帯域外の光の伝搬を阻止します。しかし中心波長の両側で阻止できる波長域は大きくありません。フィルタのこの阻止帯域を広げるために、阻止帯域が広い材料を使用したり、あるいはその材料をスペーサ層や基板にコーティングしたりします。このような材料は帯域外の入射光を効率的に遮断しますが、通過帯域内の透過量も低減させます。

bandpass filter, forward versus backward transmission
上のプロット図の測定には、フィルタFB800-10ならびにFB800-40を使用しました。

フィルタの透過方向

フィルタの縁に刻印されている矢印は、推奨する光の透過方向を示しています。フィルタは、どちらの面を光源に向けても機能しますが、コーティング面を向けた方が良いと言えます。そうすることで、強い帯域外の光を遮断するために基板や色付きガラスフィルタの層がそれを吸収することで発生する、あらゆる熱的な影響やダメージの可能性を最小限に抑制します。右の図は、フィルタを低強度の広帯域光で照射し、測定された透過率を波長の関数としてプロットしたものです。このプロット図により、フィルタの透過方向は透過する光の強度やスペクトルにあまり影響しないことが分かります。前向きと後向きでの透過率曲線の小さな差は、フィルタを取り外してひっくり返し、そして再び冶具に取り付ける際に生じた入射角のわずかな変化による可能性があります。

フィルタは、フィルタ表面にコリメート光を垂直に入射して使用するように作られています。非コリメート光や表面に垂直に入射されていない光では、中心波長(透過率がピークとなる波長)が短波長方向にシフトし、透過領域(通過帯域)の形状が変化します。入射角度を僅かに変化させることで、通過帯域を狭い範囲で効率的に調整できます。入射角度を大きく変化させると中心波長も大きく移動しますが、通過帯域の形状を著しく歪ませ、さらに重要なことですが通過帯域の透過率を大きく低下させる原因になります。

フィルタの温度

フィルタの温度を変えることで、バンドパスフィルタの中心波長を僅かにチューニング(フィルタの動作範囲にわたり約1 nm)することができます。これは主にフィルタの層の僅かな熱膨張または熱収縮によって起こります。


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