الترشيح الضوئي

ترشيح ضويي

Optical Filtering -

الترشيح الضوئي

موحِّد اللون

جودة المرشّحات

تطبيقات الترشيح الضوئي

الترشيح الضوئيoptical filtering هو انتقاء أطوالٍ موجيَّة معينة من حزمة أطوال موجيَّة ضوئية بإدخال قطعة ضوئية في مسار الحزمة تسمى بالمرشّح الضوئي optical filter ، مثل الزجاج أو اللدائن (البلاستيك) المصبوغين الملوَّنين أو المطليين بطلاء سطحي، فتعمل على امتصاص مجال الأطوال الموجيَّة غير المرغوب فيه أو عكسه، ويوضح الشكل (1) مرشّحات زجاجية رُمز فيها إلى كل لون أو طوله الموجي الذي يسمح بإمراره. فيمثل السطر العلوي- على سبيل المثال- تدرجات من الرمادي حتى الأسود الذي يمنع مرور معظم الألوان المرئية، كما يظهر في العمود الأيمن معظم الألوان المكونة للضوء الأبيض، ويوجد فيما تبقى تدرجات لألوان مختلفة.

الشكل (1) بعض أنواع المرشّحات الضوئية.

لكي تكون عملية الترشيح فعالة يجب أن تكون منطقة حافات المرشِّح وبداية الطيف ونهايته (مجال الطيف النافذ أو المعكوس) حادَّة لمنع تشتت الضوء، ولاسيما في حالة استعمال ضوء الليزر. ويجب أن تكون درجة سماحية الترشيح للطول الموجي المراد ترشيحه عالية. إن ترشيح الطول الموجي 488 nm عند المستوى يعني أنه يُنفذ فقط 0.0001% من الأطوال الموجيَّة الأخرى خلال المرشِّح. ويمكن لبعض المرشِّحات أن تُمرر الأطوال الموجيَّة الطويلة فقط long pass filters، أو الأطوال الموجيَّة القصيرة فقط short pass filters، أو عصابة معينة من الأطوال الموجيَّة band pass filters، فتمنع الأخيرة مرور الأطوال الموجيَّة الأطول من الطول الموجي لطرف العصابة والأقصر من الطول الموجي لطرفها الآخر، وقد يكون نطاق نفوذيتها ضيقاً أو واسعاً؛ كما يمكن أن يكون الانتقال أو القطع بين الحد الأعلى والحد الأدنى للمرور حاداً أو تدريجياً. وهناك مرشِّحات تمرر طولاً موجياً وحيداً، أو مجالاً ضيقاً جداً من الأطوال الموجيَّة يقع ضمن عدة نانو مترات فتسمى مرشِّحات الشق notch filters.

ويمكن أن توظف عملية الترشيح للتقليل من الحزمة الضوئية المركبة بالمجمل من دون حذف أي مجال طول موجي، فتسمى مرشِّحات الكثافة المحايدة (ND) Neutral Density filter، وقد تكون هذه المرشِّحات من نوع مرشِّحات الامتصاص أو المرشِّحات العاكسة. ويمكن توظيفها مقسم حزمة يعمل على تمرير جزء من الحزمة وعكس الجزء الآخر.

وقد تعتمد عملية الترشيح على الخواص الاستقطابية للمرشّح فتسمى مرشّحات استقطابية polarization filters، إذ تعتمد الخواص الاستقطابية في بعض المواد اللامتماثلة المناحي على طول موجة الضوء الوارد واستقطابيته، وطول المسافة المقطوعة داخل المرشّح، إضافة إلى زاوية وروده. وتعتمد كمية الضوء النافذ من مرشّحين استقطابيين متتاليين على الزاوية بين استقطابيتي المرشّحين، إذ يدعى الأول المقطب والثاني المحلِّل، ومن ثم تستعمل منظومة مقطب - محلل للتحكم في شدة الضوء. ويؤثر طول المسار الضوئي ضمن المواد اللامتماثلة المناحي في نوع الاستقطاب، فعند ورود ضوء مستقطب خطياً على بلورة لامتماثلة المناحي فإنه يمكن أن يخرج منها إما مستقطباً إهليلجياً، وإما دائرياً، وإما خطياً، بعكس اتجاه استقطابه عند الدخول أو بنفس الاتجاه، وكأنه لم يتأثر بالبلورة، وعندها تسمى البلورة الصفيحة الموجيَّة لذلك الطول الموجي. ويمكن أن تستعمل الصفيحة الموجيَّة مرشّحاً ضمن منظومة مقطب-محلل متعامدين -عند وضعها بينهما- لطول موجة معين، بسبب عدم نفوذ الضوء المستقطب خطياً المقابل لذلك الطول الموجي، في حين تنفذ الأطوال الموجيَّة الأخرى نظراً لتغير استقطابها في أثناء مرورها في البلورة.

تنتمي المرشحات في معظمها إلى إحدى فئتين؛ مرشّحات الامتصاص absorption filters، والمرشحات التداخليةinterference filters .

تتكون الأولى من ركائز من الزجاج أو البلاستيك تحوي جزيئات صبغية منتظمة يمكن لها أن تمتص كمية كبيرة من الضوء غير المرغوب فيه. أما الثانية التي ينتمي إليها عدة أنواع من المرشّحات، مثل المرشّحات المزدوجة اللون dichroic، والعاكسة reflective فهي مرشّحات تعتمد على عكس المجال الموجي غير المرغوب فيه، وتتألف من ركائز شفافة من الزجاج أو الكوارتز مُرسَّب عليها عدة طبقات من مواد عازلة متناوبة بقرينة انكسار عالية ثم منخفضة وبسماكة مساوية لربع طول الموجة للمجال المرغوب بعكسه. تسمح هذه الطريقة بعكس الأطوال الموجيَّة غير المرغوب فيها بدقة عالية وبكمية تعتمد على عدد الطبقات ولكن ضمن مجال ضيق (الشكل 2)، حيث يحدث التداخل البناء والهدام بين الأشعة المنعكسة من مختلف الطبقات. أما النفوذية فتتحدد بالعوامل التالية: سمك الطبقات العازلة وعددها، وزاوية الورود على المرشّح.

الشكل (2) المرشّحات التداخلية.

يمكن استعمال المرشّحات التداخلية لعكس تحليل الألوان، وهي لا تُنتج تألقاً بذاتها كما في مرشّحات الامتصاص، ويمكن استخدامها لتمرير المجالات الموجيَّة القصيرة والمحدودة. أما عيوبها فتتلخص بالقدرة المنخفضة على منع الحزم الضوئية أو إنفاذها، وتكون خواصها النفوذية والانعكاسية غير مطلقة، ويجب الانتباه لها عند استعمال حزمة ضوئية مؤلفة من أطوال موجيَّة مختلفة.

عند وضع المرشّح التداخلي على الزاوية 45 درجة فإن الأطوال الموجيَّة النافذة المصمم لها تظل نافذة. أما الأطوال الموجيَّة غير النافذة تصميمياً فتنعكس، وعندها يسمى المرشّح مرآة مزدوجة اللون (الشكل3)، وهو يستعمل عادة لفصل مجالات الأطوال الموجيَّة المختلفة وتوجيه حزمها إلى الكاشف المناسب.

الشكل (3) المرشحات المزدوجة اللون.

تختلف خصائص المرشّحات باختلاف زاوية ورود الضوء عليها؛ لذلك من المهم قياس النفوذ والانعكاس للمرشّح عند الزاوية المطلوبة .

هناك أنواع أخرى من المرشّحات تعتمد على شبكات الانعراج كالتي تستعمل لفصل الألوان، فتخرج الألوان المختلفة بزوايا مختلفة، وهذا مما يسهل اختيار اللون المناسب لترشيحه منها. كما تتكون شبكات صوتية- ضوئية نتيجة تطبيق موجة جهد صوتية عالية في سائل أو في جسم صلب لتعطي أمواجاً مستقرة تختلف قرائن انكسار البطون فيها عن قرائن انكسار العقد، وهذا يمكنها من القيام بعمل شبكة انعراج مؤقتة إذا وجدت الأمواج الصوتية المستقرة، فيمكنها عكس الأطوال الموجيَّة من خلال شبكة الانعراج المكونة داخلها، غير أنها لا تستطيع عكس الطول الموجي المقابل عكساً تاماً، إذ يقع مردود عاكسيتها بين 40 و60%، وينخفض مردودها مع ارتفاع درجة حرارتها. ويمكن أيضاً تصنيع بعض أنواع الألياف الضوئية التي تقوم بعمل أدلة ضوئية مرشّحة تقوم على نقل أطوال موجيَّة معينة، في حين تسبب ضياعاً كبيراً للأطوال الموجيَّة الأخرى داخلها.

موحِّد اللون

موحِّد اللون monochromator جهاز يعمل آلياً في التحكم في وضع شبكات الانعراج فيه على اختيار حزمة ضيقة من الأطوال الموجية من حزمة عريضة المجال الموجي واردة عند مدخله، فيوجهه نحو مخرجه ليتم الاستفادة منها. فهو جهاز يمكن أن ينتج ضوءاً أحادي اللون. وله استخدامات عديدة في مجال العلوم والضوئيات (البصريات)؛ وذلك لأن العديد من الخصائص الضوئية للمواد تعتمد على الطول الموجي، ومن ثم يمكن تتبع خواصها مع تغير أطوالها الموجية. ويمكن أن تستخدم ظاهرة التبديد الضوئي في الموشور في موحد اللون لفصل الألوان الضوئية مكانياً، وتستخدم (شبكة الانعراج أو الموشور) في وضعية الانعكاس غالباً أو النفاذ.

يتألف الموشور العاكس من موشور مثلثي قائم (عادة نصف موشور متساوي الأضلاع) مع جانب واحد عاكس. يدخل الضوء من خلال السطح القائم وينعكس مرتين عنه للحصول على تبديد عالٍ. لا يمكن التحكم في التبديد أو الانعراج إلا إذا كانت الحزمة الداخلة متوازية، لذلك إما أن تدخل الحزمة بشكل متوازٍ، وإما أن تكون الأجهزة مزودة بجملة ضوئية لجعل الحزم الواردة متوازية (الشكل 4).

الشكل (4) الموشور العاكس

يمكن شرح آلية عمل الموحّد من خلال تصميم مشترك لتشيرني Czerny وتيرنر Turner كما هو موضح في الشكل (5)، يوجه منبع الإضاءة الواسعة النطاق A إلى فتحة الشق B، وتعتمد طاقة الضوء المتاحة للاستخدام على شدة المنبع الضوئي والمساحة التي يحددها الشق (الطول × العرض) وزاوية قبول النظام الضوئي. يوضع الشق في محرق مرآة منحنية (المجمع C) بحيث يكون ضوء الشق المنعكس عن المرآة متوزاياً فينعرج بالشبكة D. تجمع بعد ذلك الأشعة المنعرجة بمرآة أخرى E تعيد محرقة الضوء المبدد إلى فتحة الخروج F، ويمكن بتحريك الشبكة أو المرآتين التحكم في لون الضوء الخارج من هذه الفتحة، ومن ثم نحو المخرج G.

الشكل (5) المرشّحات المزدوجة اللون.

أما في موحّد اللون المعتمد على الموشور فيحل الموشور العاكس محل شبكة الانعراج، وفي هذه الحالة ينكسر الضوء بالموشور، فتنتشر ألوان الضوء الخارج. وبتحريك الشق يمكن الحصول على صورة كاملة عن الألوان المنتقاة من شق المدخل بالتتالي، وهكذا تكون مجموعة الألوان التي تخرج من شق المخرج تابعة لعرض شقي الدخول والخروج، ويجري التحكم فيها بضبط عرض الشقين معاً. يمكن تغيير شبكات الانعراج في الموحّد تبعاً للمجال الموجي المراد قياسه، فللأشعة فوق البنفسجية والمنطقة المرئية تستعمل عادة شبكة انعراج عدد أخاديدها (حزوزها) 300 -2000 أخدود/مم، والشبكة ذات العدد الواقع بين 1200-1400 أخدود/مم هي الأكثر شيوعاً. أما منطقة الأشعة تحت الحمراء فتستخدم شبكة عدد أخاديدها بين 10 و200 أخدود/مم. ويجب توخي الحذر في تصميم موحّد اللون العريض النطاق عند استخدام شبكة الانعراج؛ لأن رتب الانعراج يمكن أن تتداخل، لذلك تدرج أحياناً مرشّحات ذات النطاق العريض في المسار الضوئي للحزم المنعرجة للتخلص من رتب الانعراج العالية حتى لا تتداخل. ينفَّذ ذلك أحياناً باستخدام موشور والاستفادة من الرتبة المنعكسة، وعندها يعدّ أحد تصاميم موحّدات اللون ذات اللون المزدوج.

جودة المرشّحات

تتحدد جودة المرشّحات بوساطة خصائصها: الضوئية والحرارية والميكانيكة والكيميائية وجودة التصنيع. ففي حالة الخصائص الضوئية يجب الانتباه لثبات قرينة الانكسار وتبعيتها للأطوال الموجيَّة، وهي تعطى بمرتبتين بعد الفاصلة، وكذلك الانتباه لخسارة الانكسار بين الهواء ومادة المرشّح، وهي تابعة للانعكاسية R التي تحسب من العلاقة (1):

حيث إن قرينة انكسار الهواء تساوي 1، و قرينة انكسار المادة لطول موجي، وعلى هذا تحسب الخسارة تبعاً للقانون في العلاقة (2):

وأيضاً الانتباه للنفوذية والنفوذية الداخلية حيث العلاقة (3):

واعتماد نفوذية الطيف على درجة الحرارة وتأثيره في وضوح اللون (الخيال).

أما الخصائص الحرارية والميكانيكية فيجب أن يتمتع المرشّح بمقدرة ميكانيكية عالية، وهي عادة تكون بين 2.4 و2.8 غ/سم­­3، وبمتانة مادة المرشّح ونقاوة سطحها، وأن تكون مقسَّاة حرارياً لزيادة مقاومتها الحرارية، وأن تكون ناقليتها الحرارية جيدة لكي تتحمل ارتفاع درجات الحرارة ولاسيما عند استخدامها مع ضوء ليزر باستطاعات عالية نسبياً، ويفضَّل أن تتمتع بمعامل تمدد حراري منخفض؛ لأن تمددها في حواملها المغلقة قد يؤدي إلى انكسارها.

أما خصائصها الكيميائية فيجب أن تكون مقاومة لتشكيل البقعة وتأكل السطح نتيجة تعرضها لمواد حمضية أو قلوية أو رطوبة، إذ يوجد بعض المرشّحات التي تتأثر تأثراً شديداً بالرطوبة لذلك يجب الانتباه للتغيرات الجوية في أثناء استعمالها. وتجدر الإشارة إلى أن بعض المرشّحات قد تتغير مواصفاتها في أثناء تعرضها لحزمة شديدة الاستطاعة من ضوء فوق البنفسجي، وكلما قصر الطول الموجي زاد التغير، وتسمى هذه الظاهرة بظاهرة التشميس (القصْر) bleaching.

وأخيراً تتحدد جودة المرشّح أيضاً بجودة التصنيع، وذلك بقلة عدد الفقاعات أو ندرتها وانعدام الشوائب إلى حدٍّ بعيد إذ يصعب التخلص منها تخلصاً نهائياً في أثناء عملية التصنيع، ويمكن التخلص من جزء كبير من الفقاعات والشوائب بصقل السطح. كما يجب الانتباه لعدم وجود شقوق أو مناطق ذات قرينة انكسار مختلفة عن الركيزة وتجانس قرائن الانكسار على كامل المرشّح.

تطبيقات الترشيح الضوئي

تستخدم المرشّحات الضوئية عادة في التصوير الضوئي، وفي العديد من الأجهزة الضوئية، وفي الإضاءة الملونة للمنصات.

ومرشّحات التصوير هي نوع خاص من المرشّحات الضوئية، لا تحتاج إلى التحكم الدقيق في الخصائص الضوئية أو التحديد الدقيق لمنحنيات النفوذية للمرشّحات كما في المرشّحات المصممة للعمل العلمي والتقني ذات خصائص الترشيح الأكثر انتظاماً. وتباع مرشّحات التصوير ذات التأثير الفوتوغرافي بكميات كبيرة وبأسعار رخيصة نسبياً مقارنة بالمرشّحات التي تستعمل في المختبرات وفي بعض المرشّحات، مثل مرشّحات تأثير النجوم المستعملة في رصد النجوم.

تستعمل المرشّحات الضوئية في علم الفلك لتقييد مرور الضوء إلى النطاق الضوئي الطيفي المرغوب فيه، على سبيل المثال دراسة الأشعة تحت الحمراء من دون وجود الضوء المرئي الذي من شأنه أن يؤثر في فلم التصوير أو الحساسات ويطغى على الأشعة تحت الحمراء.

ويمكن استخدام المرشّحات نظارات واقية من أشعة الشمس، أو ضمن المخابر في أثناء استعمال منابع ضوئية شديدة الاستطاعة كالليزر.

وتستعمل المرشّحات في المجاهر الضوئية والاستقطابية لضبط كمية الضوء الساقطة على العينة وعلى عين المراقب.

فادي قمر

التصنيف : الكيمياء والفيزياء

النوع : الكيمياء والفيزياء

المجلد: المجلد السابع

رقم الصفحة ضمن المجلد :

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية