Оптический фильтр — это устройство, которое избирательно пропускает свет различных длин волн , обычно реализуемое в виде стеклянной плоскости или пластикового устройства на оптическом пути , которые либо окрашены в массе, либо имеют интерференционные покрытия. Оптические свойства фильтров полностью описываются их частотной характеристикой , которая определяет, как величина и фаза каждого частотного компонента входящего сигнала изменяются фильтром. [1]
Фильтры в основном относятся к одной из двух категорий. Самый простой, физически, это абсорбционный фильтр; затем идут интерференционные или дихроичные фильтры . Многие оптические фильтры используются для оптической визуализации и производятся прозрачными ; некоторые, используемые для источников света, могут быть полупрозрачными .
Оптические фильтры избирательно пропускают свет в определенном диапазоне длин волн , то есть цветов , поглощая при этом остаток. Обычно они могут пропускать только длинные волны (длинноволновые), только короткие волны (коротковолновые) или полосу длин волн, блокируя как длинные, так и короткие волны (полосовые). Полоса пропускания может быть уже или шире; переход или отсечка между максимальной и минимальной передачей может быть резкой или постепенной. Существуют фильтры с более сложной характеристикой пропускания, например, с двумя пиками, а не с одной полосой; [2] это, как правило, более старые конструкции, традиционно используемые для фотографии; фильтры с более регулярными характеристиками используются для научных и технических работ. [3]
Оптические фильтры обычно используются в фотографии (где иногда используются некоторые фильтры со специальными эффектами, а также поглощающие фильтры), во многих оптических приборах и для цветного освещения сцены . В астрономии оптические фильтры используются для ограничения света, проходящего в интересующую спектральную полосу, например, для изучения инфракрасного излучения без видимого света, который мог бы повлиять на пленку или датчики и подавить желаемое инфракрасное излучение. Оптические фильтры также необходимы в флуоресцентных приложениях, таких как флуоресцентная микроскопия и флуоресцентная спектроскопия .
Фотографические фильтры являются частным случаем оптических фильтров, и большая часть материала здесь применима. Фотографическим фильтрам не нужны точно контролируемые оптические свойства и точно определенные кривые пропускания фильтров, разработанных для научной работы, и они продаются в больших количествах по соответственно более низким ценам, чем многие лабораторные фильтры. Некоторые фильтры с фотографическим эффектом, такие как фильтры со звездным эффектом, не имеют отношения к научной работе.
В общем, данный оптический фильтр пропускает определенный процент входящего света при изменении длины волны. Это измеряется спектрофотометром . Как линейный материал, поглощение для каждой длины волны не зависит от наличия других длин волн. Очень немногие материалы являются нелинейными , и пропускание зависит от интенсивности и комбинации длин волн падающего света. Прозрачные флуоресцентные материалы могут работать как оптический фильтр со спектром поглощения , а также как источник света со спектром испускания .
Также в общем случае свет, который не пропускается, поглощается ; для интенсивного света это может вызвать значительный нагрев фильтра. Однако оптический термин поглощение относится к ослаблению падающего света, независимо от механизма, с помощью которого он ослабляется. Некоторые фильтры, такие как зеркала , интерференционные фильтры или металлические сетки, отражают или рассеивают большую часть непропущенного света.
( Безразмерная ) оптическая плотность фильтра на определенной длине волны света определяется как, где T — (безразмерный) коэффициент пропускания фильтра на этой длине волны.
Оптическая фильтрация впервые была выполнена с использованием заполненных жидкостью стеклянных ячеек; [ требуется ссылка ] они все еще используются для специальных целей. Самый широкий выбор цветов теперь доступен в виде цветных пленочных фильтров, изначально изготовленных из животного желатина , но теперь обычно из термопластика, такого как ацетат , акрил , поликарбонат или полиэстер , в зависимости от применения. Они были стандартизированы для использования в фотографии Враттеном в начале 20-го века, а также производителями цветного геля для использования в театре .
В настоящее время существует множество поглощающих фильтров, изготовленных из стекла , к которому были добавлены различные неорганические или органические соединения [ требуется цитата ] . Оптические фильтры из цветного стекла, хотя их сложнее изготовить с точными характеристиками пропускания, более долговечны и стабильны после изготовления. [ требуется цитата ]
В качестве альтернативы дихроичные фильтры (также называемые «отражательными» или «тонкопленочными» или «интерференционными» фильтрами) могут быть изготовлены путем покрытия стеклянной подложки серией оптических покрытий . Дихроичные фильтры обычно отражают нежелательную часть света и пропускают остальную часть.
Дихроичные фильтры используют принцип интерференции . Их слои образуют последовательный ряд отражающих полостей, которые резонируют с желаемыми длинами волн. Другие длины волн деструктивно нейтрализуют или отражают, поскольку пики и впадины волн перекрываются.
Дихроичные фильтры особенно подходят для точной научной работы, поскольку их точный цветовой диапазон можно контролировать толщиной и последовательностью покрытий. Они обычно намного дороже и деликатнее, чем абсорбционные фильтры.
Их можно использовать в таких устройствах, как дихроичная призма камеры , для разделения луча света на различные цветные компоненты.
Базовым научным инструментом этого типа является интерферометр Фабри–Перо . Он использует два зеркала для создания резонирующей полости. Он пропускает длины волн, кратные резонансной частоте полости.
Эталоны — это еще одна вариация: прозрачные кубы или волокна, полированные концы которых образуют зеркала, настроенные на резонанс с определенными длинами волн. Они часто используются для разделения каналов в телекоммуникационных сетях , которые используют мультиплексирование с разделением по длине волны на оптических волокнах большой протяженности .
Монохроматические фильтры пропускают только узкий диапазон длин волн (по сути, один цвет).
Термин «инфракрасный фильтр» может быть неоднозначным, поскольку его можно применять к фильтрам, пропускающим инфракрасное излучение (блокирующим другие длины волн) или блокирующим только инфракрасное излучение.
Инфракрасные фильтры используются для блокировки видимого света, но пропускают инфракрасное излучение; они используются, например, в инфракрасной фотографии .
Инфракрасные отсекающие фильтры предназначены для блокировки или отражения инфракрасных длин волн, но пропускают видимый свет. Фильтры среднего инфракрасного диапазона часто используются в качестве теплопоглощающих фильтров в устройствах с яркими лампами накаливания (например, в слайд- и диапроекторах ) для предотвращения нежелательного нагрева из-за инфракрасного излучения. Существуют также фильтры, которые используются в твердотельных видеокамерах для блокировки ИК из-за высокой чувствительности многих датчиков камер к нежелательному ближнему инфракрасному свету.
Ультрафиолетовые (УФ) фильтры блокируют ультрафиолетовое излучение, но пропускают видимый свет. Поскольку фотопленка и цифровые датчики чувствительны к ультрафиолету (который в изобилии присутствует в небесном свете), а человеческий глаз — нет, такой свет, если его не отфильтровывать, делал бы фотографии отличными от сцены, видимой людям, например, делая изображения далеких гор неестественно размытыми. Фильтр, блокирующий ультрафиолет, делает изображения ближе к визуальному виду сцены.
Как и в случае с инфракрасными фильтрами, существует потенциальная неоднозначность между фильтрами, блокирующими УФ-излучение, и фильтрами, пропускающими УФ-излучение; последние встречаются гораздо реже и обычно известны как фильтры, пропускающие УФ-излучение, и полосовые фильтры УФ-излучения. [4]
Фильтры нейтральной плотности (ND) имеют постоянное затухание во всем диапазоне видимых длин волн и используются для уменьшения интенсивности света путем отражения или поглощения его части. Они определяются оптической плотностью (OD) фильтра, которая является отрицательной величиной десятичного логарифма коэффициента пропускания . Они полезны для увеличения фотографической экспозиции. Практическим примером является размытие водопада при его фотографировании при ярком свете. В качестве альтернативы фотограф может захотеть использовать большую диафрагму (чтобы ограничить глубину резкости ); добавление фильтра ND позволяет это сделать. Фильтры ND могут быть отражающими (в этом случае они выглядят как частично отражающие зеркала) или поглощающими (кажутся серыми или черными).
Фильтр длинных волн (LP) — это оптический интерференционный или цветной стеклянный фильтр, который ослабляет более короткие волны и пропускает (сужает) более длинные волны в активном диапазоне целевого спектра (ультрафиолетовый, видимый или инфракрасный). Фильтры длинных волн, которые могут иметь очень крутой наклон (называемые краевыми фильтрами), описываются длиной волны отсечки при 50 процентах пикового пропускания. Во флуоресцентной микроскопии фильтры длинных волн часто используются в дихроичных зеркалах и барьерных (эмиссионных) фильтрах. Использование старого термина «фильтр нижних частот» для описания фильтров длинных волн стало редкостью; фильтры обычно описываются в терминах длины волны, а не частоты, и « фильтр нижних частот », без уточнений, будет пониматься как электронный фильтр .
Полосовые фильтры пропускают только определенную полосу длин волн и блокируют другие. Ширина такого фильтра выражается в диапазоне длин волн, который он пропускает, и может быть любой от намного меньше ангстрема до нескольких сотен нанометров. Такой фильтр можно сделать, объединив LP- и SP-фильтр.
Примерами полосовых фильтров являются фильтр Лио и интерферометр Фабри–Перо . Оба этих фильтра также можно сделать настраиваемыми, так что центральная длина волны может быть выбрана пользователем. Полосовые фильтры часто используются в астрономии, когда требуется наблюдать определенный процесс с определенными связанными спектральными линиями . Голландский открытый телескоп [5] и Шведский солнечный телескоп [6] являются примерами, где используются фильтры Лио и Фабри–Перо.
Фильтр короткого пропускания (SP) — это оптический интерференционный или цветной стеклянный фильтр, который ослабляет более длинные волны и пропускает (пропускает) более короткие волны в активном диапазоне целевого спектра (обычно ультрафиолетовой и видимой области). Во флуоресцентной микроскопии фильтры короткого пропускания часто используются в дихроматических зеркалах и возбуждающих фильтрах.
Относительно новый класс фильтров, представленный около 1990 года. Эти фильтры обычно являются фильтрами в отражении, то есть они являются режекторными фильтрами в пропускании. Они состоят в своей самой базовой форме из волновода-подложки и решетки субволновой длины или массива двумерных отверстий. Такие фильтры обычно прозрачны, но когда возбуждается направленная мода волновода с утечкой, они становятся высокоотражающими (экспериментально зафиксировано более 99%) для определенной поляризации , угловых ориентаций и диапазона длин волн. Параметры фильтров разрабатываются путем правильного выбора параметров решетки. Преимуществом таких фильтров является несколько слоев, необходимых для фильтров со сверхузкой полосой пропускания (в отличие от дихроичных фильтров), и потенциальное разделение между спектральной полосой пропускания и угловым допуском при возбуждении более 1 моды.
Фильтры для субмиллиметрового и ближнего инфракрасного диапазона длин волн в астрономии представляют собой металлические сетчатые сетки , которые укладываются друг на друга, образуя фильтры LP, BP и SP для этих длин волн.
Другой вид оптического фильтра — поляризатор или поляризационный фильтр, который блокирует или пропускает свет в соответствии с его поляризацией . Они часто изготавливаются из таких материалов, как Polaroid , и используются для солнцезащитных очков и фотографии . Отражения, особенно от воды и мокрых дорожных покрытий, частично поляризованы, и поляризованные солнцезащитные очки блокируют часть этого отраженного света, позволяя рыболову лучше видеть под поверхностью воды и лучше видеть водителю. Свет от ясного голубого неба также поляризован, и регулируемые фильтры используются в цветной фотографии, чтобы затемнить вид неба, не привнося цвета в другие объекты, а также в цветной и черно-белой фотографии, чтобы контролировать зеркальные отражения от объектов и воды. Гораздо старше gmrf (чуть выше), эти первые (и некоторые до сих пор) используют мелкую сетку, встроенную в объектив.
Поляризованные фильтры также используются для просмотра определенных типов стереограмм , благодаря чему каждый глаз видит отдельное изображение из одного источника.
Источник дуги излучает видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый свет, который может быть вреден для глаз человека. Поэтому оптические фильтры на сварочных масках должны соответствовать ANSI Z87:1 (спецификация защитных очков) для защиты зрения человека.
Примерами фильтров, которые могли бы обеспечить такую фильтрацию, могут служить элементы земли, встроенные или нанесенные на стекло, но на практике невозможно добиться идеальной фильтрации. Идеальный фильтр удалял бы определенные длины волн и оставлял бы достаточно света, чтобы рабочий мог видеть, над чем он/она работает.
Клиновидный фильтр — это оптический фильтр, сконструированный таким образом, что его толщина изменяется непрерывно или ступенчато в форме клина. Фильтр используется для изменения распределения интенсивности в луче излучения. Он также известен как линейно-переменный фильтр (LVF). Он используется в различных оптических датчиках, где требуется разделение длин волн, например, в гиперспектральных датчиках. [7]
