Spezifikation optischer Filter

Mit der steigenden Nachfrage nach hochpräzisen optischen Filtern steigt auch die Notwendigkeit, die Kosten für die Endprodukte zu senken. Obwohl solche Filter besonders hohe Anforderungen an die Beschichtung stellen, werden sie für die vorgesehene Anwendung oft zu hoch spezifiziert, was den optischen Entwurfs- und Herstellungsprozess unnötig kompliziert macht und die Kosten des Endprodukts in die Höhe treibt. Indem sie die tatsächlichen Anforderungen der Anwendung ermitteln und Alternativen prüfen, können die Entwickler von Instrumenten oder optischen Systemen Hochleistungsanforderungen zu einem wettbewerbsfähigen Preis erfüllen.

Der Markt für hochleistungsfähige diagnostische und biomedizinische Instrumente ist im Aufschwung begriffen. Damit einher geht die Zunahme modernster Forschungstechniken und der Bedarf an Instrumenten, die interne optische Systeme und/oder Komponenten enthalten. Dieses Nachfragewachstum wiederum treibt den Wettbewerb zwischen den Optikherstellern an und setzt hohe Erwartungen der Kunden in Bezug auf die Kosten und die Leistung der Instrumente.

Zu den begehrtesten optischen Elementen, die diesen Wettbewerb antreiben, gehören biomedizinische Filter. Die Industrie verwendet viele Filtertypen in biomedizinischen Anwendungen wie Fluoreszenzmikroskopie, Durchflusszytometrie und Raman-Spektroskopie. In der Fluoreszenzmikroskopie werden beispielsweise hochpräzise Bandpassfilter in Verbindung mit einem dichroitischen 45°-Strahlenteiler verwendet, um eine diskrete Trennung von Anregungs- und Emissionswellenlängen zu erreichen und gleichzeitig das Signal-Rausch-Verhältnis im Fluoreszenzbild zu maximieren.

Bei einem Raman-Spektroskopiesystem hingegen kann ein Laserlinien-Notchfilter eingesetzt werden, um den störenden Hintergrund des Ramanlasers zu entfernen, und ein ultrascharfer Langpass-Kantenfilter, um die Rayleigh-Streuung stark abzuschwächen.

Angesichts der Genauigkeit, die bei solchen biotechnologischen Anwendungen erforderlich ist, müssen die verwendeten Filter sehr anspruchsvolle Spezifikationen erfüllen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein Fluoreszenzfilter eine bessere Blockierung als OD6, eine Transmission im Durchlassbereich von mehr als 90 % und eine Flankensteilheit (hier definiert als Wellenlängenabstand zwischen 50 % Transmission und OD >4) <0,5 % erfordert.

Die Herstellung eines Filters mit solchen Leistungsspezifikationen erfordert ein praktikables Design und einen hochwertigen Beschichtungsprozess. Bei einer komplexen Beschichtung werden selbst geringfügige Herstellungsfehler sichtbar, weshalb die Entwickler vor der Filterherstellung mehrere wichtige Designaspekte berücksichtigen müssen.

Biomedizinische Filtereigenschaften

Ein wichtiger Aspekt biomedizinischer Filter sind ihre inhärent dicken Beschichtungen, die sich direkt aus den engen Cut-on/Cut-off-Toleranzen und der Breitbandabdeckung ergeben, die sie erreichen sollen. So kann die Beschichtungsdicke eines Bandpassfilters im sichtbaren Bereich zwischen 8 μm und mehr als 30 μm je Oberfläche liegen, je nach Grad und Ausmaß der Blockierung. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Beschichtungsdichte. Ein poröser Film weist eine Spektralverschiebung auf, wenn er unterschiedlichen thermischen Bedingungen oder Feuchtigkeitsschwankungen ausgesetzt ist (d. h. wenn er eine Vakuumdruckkammer verlässt und mit der Atmosphäre in Kontakt kommt). Da biomedizinische Filter Toleranzen bei der mittleren Wellenlänge und der Halbwertsbreite in der Größenordnung von ±2 nm aufweisen müssen, reicht eine geringe spektrale Verschiebung aus, um ein nicht konformes Filter zu erhalten. Die Beschichtung muss daher so dicht sein, dass sie im Laufe der Zeit nur eine minimale oder gar keine spektrale Verschiebung aufweist. Nicht jedes Abscheideverfahren eignet sich für die Herstellung von Beschichtungen, die solche anspruchsvollen spektralen Anforderungen erfüllen. Die Technologie muss in der Lage sein, die Schichtdicke genau zu steuern, um eine robuste Beschichtung mit einer minimalen Verschiebung zu erzeugen. Nur wenige Beschichtungstechnologien bieten die erforderlichen Fähigkeiten zu einem kosteneffizienten Endpreis. Delta Optical Thin Film hat festgestellt, dass nur die Advanced Plasma Source (APS)-Technologie und die Magnetron-Sputter-Technologie diese anspruchsvollen Beschichtungsdesigns effizient herstellen können.

Kostenfaktoren

Bei der Entwicklung und Spezifikation von Komponenten für ein optisches System sind die Kosten immer ein kritischer Faktor. Biomedizinische Filter kosten mehr als ihre weniger präzisen Äquivalente, da das Erreichen einer hohen Leistung zusätzliche Konstruktions- und Fertigungsprozesse erfordert. Leistungsunterschiede können sogar die Kosten für eine ähnliche biomedizinische Filterfamilie erhöhen, z. B. ein Bandpassfilter mit OD4-Dämpfung gegenüber einem mit OD6. Der einzige Unterschied zwischen den Filtern besteht darin, dass der eine Filter in Bezug auf die Sperrtiefe und die Durchlassbandtransmission leistungsfähiger ist und daher eine dickere Beschichtung aufweist, was einen höheren Zeitaufwand bei der Herstellung erfordert. Um Geld zu sparen, sollten Entwickler eine Systemanalyse durchführen, um die tatsächlich benötigte Sperrung zu ermitteln. Natürlich gibt es Situationen, in denen das System unbedingt eine umfangreiche Sperrung benötigt, um effektiv arbeiten zu können, aber allzu oft geben Entwickler eine zu hohe Blockierung an, weil sie eine tiefere/breitere Sperrung nicht mit einem erheblichen Kostenanstieg in Verbindung bringen.

Spezifikation des optischen Materials

Um Geld zu sparen, ist es auch nützlich, die Kostentreiber bei der Filterspezifikation zu verstehen. Wenn Sie beispielsweise ein Angebot für einen kundenspezifischen Filter anfordern, können die Anforderungen, die Sie an das optische Substrat stellen, die Vorlaufzeit und die Kosten für das Teil erheblich beeinflussen. Im Folgenden finden Sie einige wichtige Überlegungen zur Spezifikation des Filtermaterials:

Substratmaterial

Es ist wichtig, ein Substrat zu verwenden, das für die Wellenlänge der Anwendung geeignet ist. Für eine hohe Transmission im ultravioletten Bereich wählen Sie Quarzglas oder ein gleichwertiges Material. Für eine hohe Durchlässigkeit im Infraroten sollten Sie dagegen ein Material wie Germanium oder Zinksulfid wählen. Es ist auch wichtig zu wissen, wo das Glas durchlässig ist und wo extreme Absorptionsbanden auftreten. Der Transmissionsbereich hängt in hohem Maße vom Glasindex ab, da dieser den prozentualen Verlust aufgrund von Fresnel-Reflexionen bestimmt. Die meisten biomedizinischen Filter benötigen eine hohe und flache Transmission für den vorgesehenen Anwendungsbereich. Um die Kosten und die Vorlaufzeit für das Material zu senken, sollten Sie jedoch undurchsichtige und spezielle Gläser vermeiden, wenn ein BK7- oder Borofloatglas ausreicht. Hochwertiges Quarzglas zum Beispiel kostet im Durchschnitt 10-mal mehr als ein Glas wie Borofloat33. Ebenso sind farbige Gläser, die zu einer tiefen und/oder erweiterten Sperrung beitragen können, oft teuer und müssen speziell bestellt werden. Ein weiterer Faktor bei der Auswahl von Filtern für Fluoreszenzanwendungen ist die Autofluoreszenz des Substrats. Eine Autofluoreszenz des Substrats, die bei der Anwendungswellenlänge nicht berücksichtigt wird, könnte das System schwächen. Es gibt Abhilfemaßnahmen, wie z. B. das Hinzufügen einer Sperrschicht nach dem Glas, um die Fluoreszenz abzuschwächen, aber der beste Ansatz ist die Minimierung der Autofluoreszenz durch eine sorgfältige Substratauswahl. Die Daten zeigen, dass die meisten Quarzgläser eine gute Wahl sind, wobei ausgewählte BK7-Materialien dicht dahinter liegen.

Oberflächenqualität und kosmetische Qualität

Die dicken Beschichtungen, die bei biomedizinischen Filtern üblich sind, verstärken alle Oberflächenfehler im Glas. Daher sind die anspruchsvollen Spezifikationen für die Oberflächenqualität oft schwer zu erfüllen und wirken sich erheblich auf die Ausbeute nach der Beschichtung aus. Um die strengen Qualitätsanforderungen zu erfüllen, müssen oft höherwertige Substrate verwendet werden, was die Kosten erheblich steigern kann. Kunden lassen sich oft von kleinen Mängeln abschrecken, aber es ist wichtig zu erkennen, dass kosmetische Unvollkommenheiten die optische Leistung nicht unbedingt beeinträchtigen. Ein teureres Substrat kann ein optisch ansprechenderes Teil ergeben, aber die gleiche Beschichtung auf einem Substrat mit kleineren kosmetischen Mängeln kann die gleiche optische Leistung für weniger Geld bieten. Wenn die Kostenreduzierung ein Hauptmotivationsfaktor ist, sollten Sie weniger strenge Anforderungen an die kosmetische Qualität stellen.

Dicke und Form des Substrats

Sofern das betreffende optische System nicht eine einzigartige Konfiguration aufweist, sollten Sie nach Möglichkeit Standardgrößen für die Komponenten verwenden. Die meisten Anbieter von Optiken haben Standardgrößen auf Lager, während die Herstellung einer kundenspezifischen Größe eine längere Vorlaufzeit und einen höheren Preis pro Stück mit sich bringt. Es ist ratsam, sich bereits in der Entwurfsphase über die Verfügbarkeit von Größen zu informieren, um zu vermeiden, dass Sie alle kundenspezifischen Optiken bestellen müssen, die in Ihr System eingebaut werden sollen. Aufgrund von Skaleneffekten in den Bereichen Herstellung, Beschaffung, Beschichtungswerkzeuge und Testaufbau ist eine 25-mm-Standardgröße höchstwahrscheinlich deutlich günstiger als eine 24,7-mm-Sondergröße.

Oberflächengenauigkeit

Die dickeren, stärker beanspruchten Beschichtungen von biomedizinischen Filtern können die Ebenheit der Substratoberfläche beeinträchtigen, daher sollten Sie nur die wirklich benötigte Ebenheit angeben. Die Forderung nach einer Viertelwellengenauigkeit kann zusätzliche Fertigungsschritte nach sich ziehen und erfordert möglicherweise ein Ausgangssubstrat mit einer Achtelwelle oder besser, um nach der Beschichtung eine Viertelwelle zu erreichen. Eine enge Spezifikation für die Oberflächengenauigkeit erfordert auch eine Oberflächenmessung nach der Beschichtung und bedeutet oft, dass SiO2 auf der anderen Seite hinzugefügt werden muss, um Verformungen zu kompensieren. Wenn Sie die kritischen Spezifikationen in Ihrem Design verstehen, können Sie diese Kostentreiber sofort erkennen und sich darauf vorbereiten. In einigen Fällen kann eine enge Spezifikation für den Erfolg des Projekts unerlässlich sein. In anderen Fällen führen enge Spezifikationen nur dazu, dass das Budget unnötig aufgebläht wird, weil man mit einer lockereren Spezifikation die gleichen Ergebnisse hätte erzielen können. Um sowohl die Kosten- als auch die Leistungsziele zu erreichen, ist es wichtig zu wissen, was das Richtige ist. Eine Möglichkeit besteht darin, bereits in der Entwurfsphase eng mit einem Zulieferer zusammenzuarbeiten. Der Anbieter kann Entwicklern helfen, die mit dem Beschichtungsprozess nicht vertraut sind oder nicht wissen, wie sie einen Filter spezifizieren müssen, um die Systemanforderungen zu erfüllen. Der Anbieter kann auch dabei helfen, die Anforderungen der Anwendung in Beschichtungsanforderungen zu übersetzen und mit den Entwicklern durch mehrere Design-Iterationen hindurch zusammenzuarbeiten, um die optischen Spezifikationen sowohl hinsichtlich der Kosten als auch der Leistung zu optimieren. Suchen Sie nach einem Anbieter, der Folgendes bieten kann:

  • Große Auswahl an Standardprodukten, die eine schnelle Entwicklung von Prototypen und Design-Iterationen ermöglichen
  • Schnelle Bearbeitung und Rückmeldung zu kundenspezifischen Designs
  • Ausgezeichneter technischer Support und Online-Informationen, wie z. B. Filtertransmissions- und -sperrkurven
  • Bereitschaft zum OEM-Support, um einen schnellen Übergang von Prototypen zu kosteneffizienten Produktionsserien zu ermöglichen, ohne dass Designänderungen erforderlich sind

Mit einem solchen Anbieter-Support sind Entwickler gut positioniert, um die Möglichkeiten zur Kostenreduzierung beim Design biomedizinischer Instrumente optimal zu nutzen. Durch die Vermeidung von Überspezifizierungen können Entwickler die Kosten eindämmen, ohne die Systemleistung zu beeinträchtigen.

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