会社のニュース 様々な種類の光学フィルターの原理と応用

さまざまな種類の光学フィルターの原理と応用

光学フィルター は、光の特定の波長を選択効果（吸収、干渉、回折など）によって制御することを中核原理とする重要な光学部品であり、それによってスペクトル選択や強度制御などの機能を達成します。

1. フィルターの基本的な動作原理
さまざまな種類のフィルターは、主に3つのクラスに分類される異なるメカニズムで動作します。

1. 1.1. 吸収フィルター: 材料の選択的吸収に基づいています。特定の波長に対して、フィルター材料（金属酸化物を添加したガラス、有機染料膜など）の光吸収特性を利用します。不要な光は熱に変換されて消散し、ターゲット波長のみが通過します。

2. 1.2. 干渉フィルター: 薄膜干渉効果に基づいています。高屈折率（例：二酸化チタン）と低屈折率（例：二酸化ケイ素）の複数の膜を交互にガラス基板にコーティングします。光が膜界面で反射と透過することによって生じる建設的干渉（ターゲット波長を通過させるため）と破壊的干渉（他の波長を抑制するため）を利用して、正確なフィルタリングを実現します。

3. 1.3. 回折フィルター: 光の回折による分離の原理に基づいています。周期的な格子構造（例：ストライプ、グリッド）が基板表面にエッチングされます。異なる波長の光が異なる角度で回折する現象を利用して、複合光を単色光に分解し、ターゲット波長を選択します。

2. フィルターの典型的なアプリケーションシナリオ
フィルターの用途は、光学、電子工学、医学など、数多くの分野に及びます。その中核的な機能は、「光のフィルタリング」を通じて実際的な問題を解決することです。

1. 2.1. 撮像と写真撮影:

   • (1).迷光の除去: 偏光フィルター（一種の干渉フィルター）は、表面（例：水面、ガラスのグレア）からの反射光をフィルタリングし、写真の被写体をより鮮明にすることができます。

   • (2).露出の制御: ニュートラルデンシティフィルター（NDフィルター、吸収または干渉タイプ）は、スペクトル全体で光の強度を一様に減衰させ、明るい条件下での長時間露光を可能にします。

   • (3).色補正: カラーフィルターを使用して画像の色調を調整します。

2. 2.2. 生物学的および医学的検出:

   • (1).蛍光顕微鏡:3つのフィルター（励起フィルター、ダイクロイックミラー/ビームスプリッター、蛍光フィルター）のセットを使用して、励起光と蛍光シグナルを正確に分離し、細胞内の蛍光標識されたタンパク質やウイルス（例：COVID-19蛍光検査など）の観察を可能にします。

   • (2).スペクトル分析: 近赤外線フィルターと分光計を組み合わせて、血液中のヘモグロビン濃度を分析し（700〜900 nm帯域での光吸収特性を介して）、非侵襲的な血糖値検出を可能にします。

3. 2.3. 光通信およびレーザー技術:

   • (1).波長分割多重化（WDM）: 光ファイバー通信では、干渉型のバンドパスフィルターを使用して、異なる波長（例：1310 nm、1550 nm）の光信号を単一のファイバーに結合して伝送し、通信容量を大幅に増加させます。

   • (2).レーザー保護: エッジフィルターまたはノッチフィルターは、レーザーシステムで使用され、動作波長（例：532 nmの緑色光）を通過させながら、高エネルギーのポンプ光をブロックし、オペレーターと機器を保護します。

光学フィルターの基本原理は、「光波長の精密制御」です。その用途は、さまざまなシナリオで「どのような光が必要で、どのような光を排除する必要があるか」という問題を解決します。日常の写真撮影から高度な航空宇宙技術まで、フィルターの役割は、光の生成、伝送、検出の全プロセスに浸透しており、現代の光学システムにおいて不可欠な「光学スイッチ」となっています。