광학 필터

광학 필터는 스펙트럼의 일부는 선별적으로 투과시키고 나머지는 차단시키는 역할을 하는 광학 부품입니다. 에드몬드 옵틱스에서 취급하는 광학 필터는 현미경, 분광, 화학 분석, 머신 비전에서 주로 사용되는 다양한 필터 유형 및 정밀도로 제공됩니다. 이번 어플리케이션 노트는 EO의 광학 필터에 사용되는 다양한 기술, 주요 스펙 정의를 비롯해 필터의 여러 가지 유형에 관해 다룹니다.

핵심 광학 필터 용어

필터는 기타 광학 부품과 스펙 면에서 많은 부분이 동일하긴 하지만 필터에만 해당하는 몇 가지 고유의 스펙이 존재하므로 사용자의 어플리케이션에 가장 적합한 필터를 효과적으로 파악하고 선택하기 위해 이점을 반드시 이해해야 합니다.

중심 파장 (Central Wavelength)

중심 파장(CWL)은 bandpass filter의 최대 투과율, 또는 notch filter의 최대 반사율을 나타내는 데 사용되곤 합니다. 하지만, 이 용어는 일반적으로 잘못 사용되고 있습니다. CWL은 사실 투과율이 최대 투과율의 50%인 파장 사이의 중심점으로 정의되며 FWHM(Full Width at Half Maximum)으로 부릅니다. Interference filters의 경우 최대 간섭 파장은 대개 중심 파장이 아닙니다. CWL 및 FWHM에 대한 도해는 그림 1을 참조하십시오.

대역폭 (Bandwidth)

대역폭은 필터를 통해 입사 에너지를 통과시키는 스펙트럼의 특정 영역을 나타내는 데 사용되는 파장 범위입니다. 대역폭은 FWHM으로도 부릅니다(그림 1).

Center Wavelength and Full Width at Half Maximum

그림 1: 중심 파장과 Full Width at Half Maximum 도해

Full Width-Half Maximum (FWHM)

FWHM(반치전폭)은 Bandpass filter가 투과시키는 스펙트럼 대역폭을 나타냅니다. 이러한 대역폭의 상한과 하한은 필터가 최대 투과율의 50%를 달성하는 파장에서 정의됩니다. 예를 들어 필터의 최대 투과율이 90%라면, 필터가 45%의 투과율을 달성할 때의 파장이 FWHM의 상한과 하한을 규정합니다. 10nm 이하의 FWHM은 좁은 대역으로 간주되어 대개 레이저 클리닝과 화학물 검출에 사용됩니다. 25 - 50nm의 FWHM은 머신 비전 용도에 주로 사용됩니다. 50nm 이상의 FWHM는 광대역으로 간주되어 주로 형광 현미경 검사에 사용됩니다.

차단 범위 (Blocking Range)

차단 범위는 필터에 의해 감쇄되는 에너지의 스펙트럼 범위를 나타내는 데 사용되는 파장 간격입니다(그림 2). 차단 정도는 보통 optical density로 지정됩니다.

그림 2: 차단 범위 도해

Slope

슬로프(경사도)는 높은 차단에서 높은 투과로 전환하는 필터의 대역폭을 나타내며, 쇼트패스나 롱패스 필터와 같은 엣지 필터를 정의하는 사양 중 하나입니다. Cut-wavelength의 백분율로 표기되는 슬로프는 다양한 시작점과 끝점에서 지정될 수 있습니다. 에드몬드 옵틱스는 일반적으로 10% 투과 지점에서 80% 투과 지점 사이의 거리를 슬로프로 지정합니다. 예를 들어 슬로프가 1%인 500nm 롱패스 필터는 5nm (500nm의 1%) 대역폭에서 10% 투과가 80% 투과로 전환됨을 예상할 수 있습니다.

Optical Density (OD)

광학 밀도는 필터에 의해 차단되거나 거절되는 에너지의 양을 나타냅니다. 광학 밀도의 수치가 높으면 투과율은 낮고, 반대로 수치가 낮으면 투과율은 높음을 의미합니다. 6 이상의 광학 밀도는 라만 분광법이나 형광 현미경 검사에서처럼 극히 높은 차단성이 필요한 용도에 적합합니다. 3.0 - 4.0 사이의 광학 밀도는 레이저 분리 및 클리닝, 머신 비전 및 화학 검출에 적합하며 2.0 이하의 광학 밀도는 색상 분류 및 스펙트럼 차순 분리에 적합합니다.

그림 3: Optical Density 도해

(1)$$ \text{Percent Transmission} = T = 10^{-\text{OD}} \times 100 \% $$

(2)$$ \text{OD} = - \log{\left(\frac{T}{100 \%} \right)} $$

Dichroic Filter

Dichroic Filter는 파장에 따라 빛을 투과 또는 반사시키는 데 사용되는 필터 유형입니다. 특정 파장 범위의 빛은 투과되고 특정 파장 범위의 빛은 반사 또는 흡수됩니다(그림 4). Dichroic filters는 보통 longpass 및 shortpass 용도로 사용됩니다.

그림 4: Dichroic Filter 코팅 도해

Cut-On 파장

Cut-On 파장은 longpass filter에서 투과율이 50% 처리량까지 증가하는 파장을 설명하는 데 사용되는 용어입니다. Cut-on 파장은 그림 5에서 λ_cut-on으로 표시되어 있습니다.

그림 5: Cut-on 파장 도해

Cut-Off 파장

Cut-Off 파장은 shortpass filter에서 투과율이 50% 처리량까지 감소하는 파장을 설명하는 데 사용되는 용어입니다. Cut-off 파장은 그림 6에서 λ_cut-off으로 표시되어 있습니다.

그림 6: Cut-off 파장 도해

광학 필터 제조 기술

Absorptive과 Dichroic Filters

광범위한 광학 필터는 absorptive 및 dichroic의 두 가지 주요 카테고리로 분류할 수 있습니다. 두 가지 필터의 차이는 필터링 대상에 있는 것이 아니라 필터 방식에 있습니다. Absorptive filter에서는 사용하는 유리 기판의 흡수 특성에 따라 빛이 차단됩니다. 다시 말해, 차단되는 빛이 필터에서 반사되는 것이 아니라 필터 안에 흡수 및 저장됩니다. 원치 않는 빛으로 인해 시스템에 생기는 노이즈가 골칫거리인 경우 absorptive filter가 적합합니다. Absorptive filters는 또한 각도에 민감하지 않다는 별도의 장점도 갖고 있습니다. 광범위한 각도에서 빛이 들어올 수 있으며, 그래도 필터는 투과 및 흡수 특성을 유지합니다.

이와 반대로 dichroic filter는 원치 않는 파장을 반사하고 스펙트럼의 원하는 부분은 투과시키는 방식으로 작동합니다. 일부의 경우 파장별로 빛을 두 개의 소스로 분리할 수 있기 때문에 이는 바람직한 효과입니다. 이 효과는 다양한 굴절률의 소재 layer를 하나 또는 여러 개 추가해 광파의 간섭 특성을 활용함으로써 얻어집니다. 간섭 필터에서 낮은 굴절률의 매질을 통과하는 빛은 높은 굴절률의 매질에서 반사됩니다. 특정 각도와 파장의 빛만 입사광과 보강 간섭 현상을 일으키고 매질을 통과합니다. 다른 모든 빛은 상쇄 간섭을 일으키고 매질에서 반사됩니다(그림 7). 간섭 현상에 대한 자세한 내용을 보려면 광학 기본 지식: 레벨 1 이론적 토대를 참조하십시오.

Deposition of Multiple Layers of Alternating High and Low Index Materials onto a Glass Substrate

그림 7: 높은 굴절률의 소재와 낮은 굴절률의 소재를 유리 기판에 여러 번 증착

Absorptive filters와 달리, dichroic filters는 각도에 아주 민감합니다. 의도한 설계 각도 이외의 다른 각도에 사용할 경우 dichroic filters는 본래 표시된 투과 및 파장 규격을 충족시킬 수 없습니다. 경험적으로 볼 때 dichroic filter에서 입사각을 증가시키면 보다 짧은 파장으로 편이되며(즉, 청색 파장으로 편이) 각도를 줄이면 긴 파장으로 편이됩니다(즉, 적색 파장으로 편이).

Dichroic Bandpass Filters 알아보기

Bandpass filters는 업계에서 폭 넓게 사용되며 dichroic 또는 color substrate 일 수 있습니다. Dichroic bandpass filters는 전통적인 hard sputtered 방식 또는 hard coated 방식의 두 가지 서로 다른 기술로 제작됩니다. 두 가지 기술은 높은 굴절률의 소재와 낮은 굴절률의 소재를 유리 기판에 여러 번 반복 증착함으로써 독특한 투과 및 반사 특성을 확보합니다. 실제로, 용도에 따라 유리 기판 한 면에 100개 이상의 레이어를 증착할 수 있습니다.

Traditional-coated filters와 hard-sputtered filters 사이의 차이점은 기판 레이어의 수에 있습니다. Traditional-coated bandpass filters에서는 여러 개의 기판에 다양한 굴절률의 레이어를 증착한 뒤 결합합니다. 예를 들어, 그림 7의 삽화에서 100번 이상 반복한다고 상상해 보십시오. 이 기술에서는 투과율이 낮은 두꺼운 필터가 만들어집니다. 이러한 투과율 감소는 입사광이 여러 개의 기판 레이어를 통과하다 흡수 및 반사되기 때문입니다. 이와 반대로 hard-sputtered bandpass filters에서는 다양한 굴절률의 소재가 단 하나의 기판에 증착됩니다(그림 8). 이 기술에서는 투과율이 높고 얇은 필터가 만들어집니다. 제작 기술에 대한 자세한 내용을 보려면 광학 코팅 소개를 참조하십시오. 용도에 알맞는 필터 선택을 위해 도움이 되는 Benefits of Hard Coatings를 읽어 보십시오.

Traditional Filter and Hard-Sputtered Filter

그림 8: Traditional Filter (왼쪽) 및 Hard-Sputtered Filter (오른쪽)

광학 필터 유형

오늘날 이용할 수 있는 다양한 optical filters광학 필터 사이의 유사점과 차이점 이해를 돕기 위해 가장 많이 쓰이는 유형의 필터 10가지를 검토해 보십시오. 다음 선택 가이드에는 간략한 설명과 함께 간단한 비교를 위한 제품 샘플 이미지, 그리고 성능 곡선이 포함되어 있습니다.

광학 필터 선택 가이드
샘플 이미지	광학 필터 유형 – 샘플 곡선
	Bandpass Filters [성능 곡선 보기] Bandpass filters는 기판 전체에 극히 좁은 대역(<2nm 미만부터 10nm까지) 또는 광대역(50nm 및 80nm) 투과율을 갖고 있습니다. 이 필터는 각도에 매우 민감하기 때문에 광학 시스템에 설치할 때 장착 및 배치에 주의해야 합니다. Hard sputtered filters는 선택된 파장의 투과를 극대화해야 할 때 선택합니다.
	Longpass Filters [성능 곡선 보기] Longpass 필터는 지정된 cut-on 파장보다 긴 파장을 모두 투과시킵니다. Longpass filters에는 cold mirrors, colored glass filters, 그리고 Thermoset ADC (optical cast plastic) filters가 포함됩니다.
	Shortpass Filters [성능 곡선 보기] Shortpass 필터는 지정된 cut-off 파장보다 짧은 파장을 모두 투과시킵니다. Shortpass filters에는 IR cutoff filters, hot mirrors, 그리고 heat absorbing glass가 포함됩니다.
	Heat Absorbing Glasses [성능 곡선 보기] Heat absorbing glasses는 가시광을 투과시키고 적외선 복사는 흡수합니다. 그런 다음 흡수된 에너지는 유리 주변 대기에 열로 방출됩니다. 초과 열 제거를 위해 강제 공기 냉각이 권장됩니다. Heat absorbing glass는 shortpass filters로도 사용할 수 있습니다.
	Cold Mirrors [성능 곡선 보기] 성능 곡선 보기] Cold mirrors는 가시광 스펙트럼에서 높은 반사율을 갖고 적외선 영역에서는 높은 투과율을 유지하도록 설계된 특별한 종류의 dichroic filters입니다. Cold mirrors는 축열이 기기 손상 또는 부정적 효과를 유발할 수 있는 모든 용도를 위해 설계되었습니다.
	Hot Mirrors[성능 곡선 보기] Hot mirrors는 적외선 스펙트럼에서 높은 반사율을 갖고 가시광 영역에서는 높은 투과율을 유지하도록 설계된 특별한 종류의 dichroic filters입니다. Hot mirrors는 주로 프로젝터 및 조명 시스템에 사용됩니다.
	Notch Filters [성능 곡선 보기] Notch filters는 사전 선택한 대역폭은 차단하고 필터의 설계 범위 안에서 다른 모든 파장은 투과시키도록 설계되어 있습니다. Notch filters는 광학 시스템에서 단일 레이저 파장, 또는 좁은 대역을 제거하는 데 사용됩니다.
	Color Substrate Filters [성능 곡선 보기] Color substrate filters는 특정 스펙트럼 영역에 걸쳐 다양한 흡수 및 투과 특성을 갖는 기판을 사용해 생산됩니다. Color substrate filters는 longpass 및 bandpass filters로 사용되는 경우가 많습니다. 일부 코팅 방식 필터에 비해 투과와 차단 사이의 경계는 뚜렷하지 않습니다.
	Dichroic Filters [성능 곡선 보기] Dichroic filters에는 주어진 스펙트럼에 걸쳐 원하는 투과 및 반사율을 확보하기 위한 박막이 코팅되어 있습니다. 이 필터는 color filters로 사용되는 경우가 많습니다(additive 및 subtractive 모두). Dichroic filters는 각도에 약간 민감하지만 간섭 필터보다는 덜 민감합니다.
	Neutral Density (ND) Filters [성능 곡선 보기] Neutral density (ND) filters는 자외선 및 가시광 또는 적외선과 같은 특정 스펙트럼 영역에 걸쳐 투과율을 고루 낮추도록 설계되어 있습니다. ND filters는 absorptive와 reflective의 두 가지 유형이 있습니다. Absorptive 유형은 필터를 통해 투과되지 않는 빛을 흡수하고 reflective 유형은 빛이 들어온 방향으로 반사시킵니다. 반사된 빛이 어플리케이션 설정에 방해가 되지 않도록 하려면 앞의 유형을 사용할 때 특별히 주의해야 합니다. ND filters는 카메라 및 기타 감지기의 노출 과다 또는 블루밍(blooming)를 막는 데 자주 사용됩니다.

용도 사례

예 1: Color Match Imaging

흑백 카메라는 본래 색상을 구분할 수 없습니다. 하지만 컬러 필터를 추가하면 물체 사이의 선명도가 크게 증가됩니다. 경험상 컬러 필터를 추가하면 동일한 색상의 물체가 더 밝아지며 반대 색상의 물체는 어두워집니다. 흑백 카메라로 빨간 색 알약 2개와 녹색 알약 2개를 촬영한 경우를 예로 들어 보겠습니다. 그림 9a - 9d는 검사 중인 샘플의 실제 이미지와 컬러 필터를 사용한 다양한 이미지를 보여 줍니다. 필터가 없는 경우(그림 9b), 흑백 카메라는 적색과 녹색을 구분할 수 없음을 확실히 알 수 있습니다. 공장에서 이 알약들을 검사하는 것은 불가능할 것입니다. 한 편, 적색 필터를 사용하면(그림 9c), 반대 색상의 물체(즉, 녹색 알약)가 이미지 선명도 증가로 인해 회색으로 보이게 되며 적색 알약과 쉽게 구분할 수 있습니다. 반대로, 녹색 필터를 사용하면(그림 9d), 적색 알약이 회색으로 보입니다.

그림 9a: 선명도 향상: 검사 중인 샘플

그림 9b: 선명도 향상: 필터 없음

그림 9c: 선명도 향상: 적색 필터

그림 9d: 선명도 향상: 녹색 필터

예 2: Raman Spectroscopy

Laser line , rugate notch 또는 laser line longpass와 같은 몇 가지 선택된 필터를 사용하면 Raman spectroscopy의 결과가 크게 개선될 수 있습니다. 최상의 결과를 얻으려면 대역폭이 1.2nm로 좁고 optical density가 OD 6.0인 필터를 사용하십시오. Laser line bandpass filter는 레이저와 샘플 사이의 optical path에 배치됩니다. 이렇게 하면 외부 주변광이 차단되고 laser line 파장만 통과됩니다. 샘플에 빛이 입사된 후 Raman scattering으로 인해 빛이 편이되며 많은 low intensity modes 또는 signals을 포함합니다. 따라서, notch filter를 레이저 파장에 최대한 가까이 정렬해 높은 강도의 레이저 광선을 차단하는 것이 매우 중요합니다. Raman excitation modes가 레이저 광선에 매우 근접해 발생하면 효과적인 대안으로 laser line long pass filter를 사용할 수 있습니다. 그림 10에서는 일반적인 Raman spectroscopy 설치에 대해 설명합니다.

그림 10: Raman Spectroscopy 설치

Optical filters는 이미 언급된 color match imaging 및 Raman spectroscopy 이외의많은 용도에 사용됩니다. Optical filters는 광학, 이미징 및 포토닉스 산업의 거의 전반에 사용됩니다. Optical filter 제작 기술, 핵심 용어, 그리고 오늘날 이용할 수 있는 필터 유형에 대한 이해는 어떤 설치를 위해서든 최상의 필터를 선택하는 데 도움이 됩니다.