فیلتر فرکانس و فیلتر نوری چیست؟ انواع و کاربرد در اسپکتروفتومتر

فیلتر فرکانس یا انتخابگر فرکانس ابزاری است که بخش هایی از یک سیگنال را بر اساس فرکانس آنها عبور می دهد و بخش های دیگر را تضعیف یا مسدود می کند. فیلترهای فرکانس هم در مدارهای الکترونیکی برای سیگنال های صوتی و رادیویی کاربرد دارند و هم در اپتیک برای نور؛ در حالت دوم به آنها فیلتر نوری گفته می شود.

فیلترهای فرکانس در پردازش صوت، پردازش تصویر، سیستم های مخابراتی، سیستم های کنترل و دستگاه های طیف سنجی ضروری هستند. در این مقاله ابتدا مفهوم کلی فیلتر فرکانس و انواع آن را توضیح می دهیم و سپس به طور ویژه به فیلترهای نوری و کاربرد آنها در اسپکتروفتومترها می پردازیم.

انواع فیلتر فرکانس بر اساس باند عبور

فیلترهای فرکانس، چه الکترونیکی و چه نوری، بر اساس محدوده ای که عبور می دهند به چهار نوع اصلی تقسیم می شوند:

نکته مهم در فیلترهای نوری: در اپتیک، فیلترها معمولا بر اساس طول موج توصیف می شوند. چون فرکانس و طول موج رابطه عکس دارند، یک فیلتر پایین گذر فرکانسی در واقع طول موج های بلند را عبور می دهد. به همین دلیل در اپتیک از اصطلاحات فیلتر عبور طول موج بلند و فیلتر عبور طول موج کوتاه (یا فیلترهای لبه) استفاده می شود تا ابهامی ایجاد نشود.

فیلترهای فرکانس الکترونیکی

در مدارهای الکترونیکی، فیلترها با استفاده از قطعاتی مانند مقاومت، خازن و سلف ساخته می شوند. ساده ترین فیلتر، فیلتر RC است که از یک مقاومت و یک خازن تشکیل شده و فرکانس قطع آن از این رابطه به دست می آید:

f = 1 / (2π × R × C)

نمونه هایی از کاربرد فیلترهای الکترونیکی:

• پردازش صدا: فیلتر پایین گذر نویز فرکانس بالا (مانند خش) را حذف می کند و فیلتر بالاگذر نویز فرکانس پایین (مانند وزوز برق) را کاهش می دهد. اکولایزرها نیز مجموعه ای از فیلترها هستند.

• مخابرات: در گیرنده های رادیویی ، فیلتر میان گذر فقط سیگنال ایستگاه مورد نظر را عبور می دهد. در فرستنده ها نیز فیلترها از ارسال فرکانس های ناخواسته جلوگیری می کنند.

• منابع تغذیه: حذف نوسانات و نویز از ولتاژ خروجی

• حسگرها و ابزار دقیق: حذف نویز از سیگنال اندازه گیری

• پردازش تصویر: در پردازش تصویر، فرکانس مکانی مطرح است؛ فیلتر پایین گذر تصویر را نرم و نویز را کم می کند و فیلتر بالاگذر لبه ها و جزئیات را برجسته می کند.

فیلتر نوری چیست؟

فیلتر نوری قطعه ای است که برخی طول موج ها را عبور می دهد و برخی دیگر را جذب یا بازتاب می کند. در اسپکتروفتومترها و طیف سنج ها، فیلترهای نوری برای انتخاب طول موج، حذف نور ناخواسته، کاهش شدت نور و کالیبراسیون دستگاه استفاده می شوند.

فیلترهای نوری از موادی با ویژگی های نوری ویژه، مانند شیشه رنگی، پلیمر، لایه های نازک دی الکتریک یا فلز، ساخته می شوند و با سازوکارهای مختلفی کار می کنند:

• فیلترهای جذبی

• فیلترهای تداخلی

• فیلترهای چگالی خنثی

• قطبشگرها

فیلتر نوری جذبی

فیلترهای جذبی طول موج های مشخصی از نور را جذب و بقیه را عبور می دهند. این فیلترها از شیشه رنگی، ژلاتین یا فیلم های پلیمری حاوی رنگ ها یا رنگدانه ها ساخته می شوند. رنگدانه بر اساس ساختار شیمیایی خود، طول موج های خاصی را جذب می کند. با انتخاب نوع رنگدانه و تنظیم غلظت و ضخامت آن، می توان فیلترهایی برای محدوده های مختلف طول موج طراحی کرد.

مزایا:

• ارزان و مقاوم

• عملکرد مستقل از زاویه تابش نور

• مناسب برای فیلترهای لبه و فیلترهای جداکننده مرتبه

محدودیت ها:

• لبه های طیفی نسبتا نرم و باند عبور پهن

• گرم شدن در نورهای شدید، چون نور جذب می شود.

• انتخاب محدود در طراحی محدوده عبور

فیلتر نوری تداخلی

فیلترهای تداخلی از لایه های بسیار نازک موادی با ضریب شکست های متفاوت تشکیل شده اند که روی یک زیرلایه شیشه ای یا کوارتزی لایه نشانی شده اند. نور در مرز این لایه ها بازتاب می شود و پرتوهای بازتابی با هم تداخل می کنند. برای برخی طول موج ها تداخل سازنده است و نور عبور می کند و برای بقیه، نور بازتاب می شود. ضخامت و ضریب شکست هر لایه تعیین می کند کدام طول موج ها عبور کنند. برای آشنایی با اصول تداخل، مقاله تداخل سنجی نوری را بخوانید.

برخلاف فیلترهای جذبی، فیلترهای تداخلی نور ناخواسته را عمدتا بازتاب می دهند، نه جذب. به همین دلیل کمتر گرم می شوند.

انواع فیلترهای تداخلی:

• فیلتر میان گذر باریک: فقط یک محدوده بسیار باریک، گاهی تنها چند نانومتر، را عبور می دهد. بسیاری از این فیلترها بر پایه یک حفره تشدید بین دو آینه چندلایه ساخته می شوند.

• فیلتر لبه: طول موج های بلندتر یا کوتاه تر از یک طول موج مشخص را با لبه بسیار تیز عبور می دهد.

• فیلتر ناچ: یک محدوده بسیار باریک را مسدود می کند و بقیه را عبور می دهد.

• آینه دیکروئیک: نوعی فیلتر تداخلی که معمولا با زاویه ۴۵ درجه نصب می شود و طول موج های مختلف را جدا می کند؛ بخشی را بازتاب و بخشی را عبور می دهد. برای آشنایی بیشتر، مقاله آینه اپتیکی را بخوانید.

مزایا:

• لبه های بسیار تیز و امکان طراحی دقیق محدوده عبور

• عبور بالا در محدوده مورد نظر و مسدودسازی قوی در خارج از آن

• امکان ساخت باندهای عبور باریک یا پهن

محدودیت ها:

• حساس به زاویه تابش: با کج شدن فیلتر، محدوده عبور به سمت طول موج های کوتاه تر جابه جا می شود.

• قیمت بالاتر از فیلترهای جذبی

فیلترهای تداخلی اغلب در ترکیب با فیلترهای جذبی استفاده می شوند تا مسدودسازی در محدوده گسترده تری از طیف بهبود یابد.

فیلتر چگالی خنثی

فیلتر چگالی خنثی (ND) شدت نور را در محدوده گسترده ای از طول موج ها به طور تقریبا یکسان کاهش می دهد، بدون اینکه توزیع طیفی نور را تغییر دهد؛ تقریبا مانند عینک آفتابی که نور ورودی به چشم را کم می کند. این فیلترها دو نوع دارند:

• جذبی: از شیشه خاکستری که نور را جذب می کند.

• بازتابی: با یک پوشش فلزی نازک که بخشی از نور را بازتاب می دهد.

میزان کاهش نور با چگالی نوری (OD) بیان می شود که یک کمیت لگاریتمی است:

هر واحد افزایش چگالی نوری، شدت نور عبوری را ده برابر کاهش می دهد. در عکاسی، کاهش شدت نور به اندازه ۲ برابر را یک استاپ می نامند که تقریبا معادل چگالی نوری ۰.۳ است.

برای آشنایی بیشتر با فیلترهای ND و سایر روش های کاهش شدت نور، مقاله تضعیف کننده نوری را بخوانید.

قطبشگر

قطبشگر یا پلاریزور فیلتری است که فقط نوری با جهت قطبش مشخص را عبور می دهد. قطبشگرها برخلاف فیلترهای دیگر، نور را بر اساس قطبش آن انتخاب می کنند، نه بر اساس طول موج. قطبش به جهت نوسان میدان الکتریکی موج نور اشاره دارد و انواع مختلفی دارد:

• قطبش خطی: میدان الکتریکی در یک صفحه نوسان می کند.

• قطبش دایره ای: میدان الکتریکی با اندازه ثابت به دور جهت انتشار می چرخد.

• قطبش بیضوی: حالت کلی که در آن نوک بردار میدان الکتریکی روی یک بیضی حرکت می کند؛ قطبش خطی و دایره ای حالت های خاص آن هستند.

قطبشگرها در عکاسی برای کاهش بازتاب ها، در میکروسکوپ پلاریزان، در پلاریمتر برای اندازه گیری چرخش نوری محلول ها و در برخی اندازه گیری های طیف سنجی برای بررسی جهت گیری مولکول ها و حذف بازتاب های ناخواسته استفاده می شوند. برای آشنایی بیشتر، مقاله عینک آفتابی که به عینک های پلاریزه می پردازد را نیز بخوانید.

کاربرد فیلترهای نوری در اسپکتروفتومتر

فیلترهای نوری در اسپکتروفتومترها و طیف سنج ها نقش های متنوعی دارند:

• انتخاب طول موج در فتومترها: در فتومترها و کالریمترهای ساده، به جای توری پراش، از فیلترهای میان گذر برای انتخاب طول موج اندازه گیری استفاده می شود. این دستگاه ها ساده و ارزان هستند و برای اندازه گیری در چند طول موج ثابت، مانند برخی آزمون های آب، مناسب اند.

• جداسازی مرتبه های پراش: در طیف سنج های توری پراش، نور یک طول موج در مرتبه دوم ممکن است در همان زاویه نور طول موج دو برابر در مرتبه اول پراشیده شود. فیلترهای عبور طول موج بلند این همپوشانی را حذف می کنند. برای آشنایی بیشتر، مقاله توری پراش چیست را بخوانید.

• بررسی نور سرگردان: فیلترهای لبه یا محلول های قطع کننده که نور زیر یک طول موج را کاملا جذب می کنند، برای اندازه گیری نور سرگردان دستگاه استفاده می شوند.

• کالیبراسیون طول موج: فیلتر اکسید هولمیوم که قله های جذبی تیز در طول موج های مشخص دارد، برای بررسی صحت طول موج اسپکتروفتومتر استفاده می شود.

• بررسی صحت فوتومتری: فیلترهای چگالی خنثی با جذب گواهی شده، برای بررسی دقت جذب اندازه گیری شده توسط دستگاه استفاده می شوند.

• کاهش شدت نور: فیلترهای ND شدت نور را طوری تنظیم می کنند که سیگنال در محدوده خطی آشکارساز باقی بماند و اشباع نشود.

• طیف سنجی فلورسانس: فیلتر تحریک، آینه دیکروئیک و فیلتر گسیل نور تحریک را از نور فلورسانس ضعیف جدا می کنند.

• طیف سنجی رامان: فیلترهای ناچ یا لبه نور بسیار قوی لیزر را حذف می کنند تا سیگنال ضعیف رامان اندازه گیری شود. برای آشنایی بیشتر، مقاله طیف سنجی رامان را بخوانید.

برای اطلاعات بیشتر درباره پارامترهای عملکرد اسپکتروفتومتر مانند نور سرگردان و صحت طول موج، مقاله دستگاه اسپکتروفتومتر را بخوانید.

مشخصات فنی مهم فیلترهای نوری

سوالات متداول

فیلتر فرکانس چیست؟

ابزاری که بخش هایی از یک سیگنال را بر اساس فرکانس آنها عبور می دهد و بقیه را تضعیف یا مسدود می کند. فیلترهای فرکانس در الکترونیک برای سیگنال های الکتریکی و در اپتیک برای نور استفاده می شوند.

انواع فیلتر فرکانس کدام اند؟

پایین گذر، بالاگذر، میان گذر و میان نگذر.

تفاوت فیلتر جذبی و تداخلی چیست؟

فیلتر جذبی نور ناخواسته را با رنگدانه جذب می کند، ارزان و مستقل از زاویه است، اما لبه های نرم دارد. فیلتر تداخلی با تداخل نور در لایه های نازک کار می کند، لبه های بسیار تیز دارد و نور ناخواسته را بازتاب می دهد، اما به زاویه تابش حساس است.

چگالی نوری ۲ یعنی چه؟

یعنی فیلتر فقط یک درصد نور را عبور می دهد و شدت نور را صد برابر کاهش می دهد.

فیلترهای نوری در اسپکتروفتومتر چه کاربردی دارند؟

انتخاب طول موج در فتومترها، جداسازی مرتبه های پراش، بررسی نور سرگردان، کالیبراسیون طول موج و صحت فوتومتری، کاهش شدت نور و جداسازی نور در طیف سنجی فلورسانس و رامان.

جمع بندی

فیلتر فرکانس بخش هایی از یک سیگنال را بر اساس فرکانس عبور می دهد و بقیه را تضعیف می کند و در چهار نوع پایین گذر، بالاگذر، میان گذر و میان نگذر ساخته می شود. در اپتیک، این فیلترها بر اساس طول موج توصیف می شوند و انواع اصلی آنها شامل فیلترهای جذبی، تداخلی، چگالی خنثی و قطبشگرها هستند. فیلترهای جذبی ارزان و مستقل از زاویه هستند، فیلترهای تداخلی لبه های تیز و دقت بالا دارند، فیلترهای چگالی خنثی شدت نور را بدون تغییر طیف کاهش می دهند و قطبشگرها نور را بر اساس قطبش انتخاب می کنند. در اسپکتروفتومترها، فیلترهای نوری برای انتخاب طول موج، حذف نور ناخواسته و کالیبراسیون دستگاه نقش مهمی دارند.

برای آشنایی با محصولات اپتیکی بلورآزما، به بخش محصولات مراجعه کنید.