Оптический фильтр — это устройство, избирательно пропускающее свет разных длин волн , обычно реализованное 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 фильтр изменяет величину и фазу каждого частотного компонента входящего сигнала. [1]
Фильтры в основном относятся к одной из двух категорий. Физически самым простым является абсорбционный фильтр; тогда есть интерференционные или дихроичные фильтры . Многие оптические фильтры используются для получения оптических изображений и изготавливаются прозрачными ; некоторые используемые источники света могут быть полупрозрачными .
Оптические фильтры избирательно пропускают свет в определенном диапазоне длин волн , то есть цветов , поглощая при этом остальную часть. Обычно они могут пропускать только длинные волны (длинный проход), только короткие волны (короткий проход) или диапазон длин волн, блокируя как более длинные, так и более короткие волны (полоса пропускания). Полоса пропускания может быть уже или шире; переход или отсечение между максимальной и минимальной передачей может быть резким или постепенным. Существуют фильтры с более сложной характеристикой пропускания, например, с двумя пиками, а не с одной полосой; [2] чаще всего это старые конструкции, традиционно используемые для фотографии; фильтры с более регулярными характеристиками используются для научно-технических работ. [3]
Оптические фильтры обычно используются в фотографии (где иногда используются фильтры со специальными эффектами, а также поглощающие фильтры), во многих оптических инструментах и для цветного освещения сцены . В астрономии оптические фильтры используются для ограничения света, проходящего в интересующий спектральный диапазон, например, для изучения инфракрасного излучения без видимого света, который может повлиять на пленку или датчики и подавить желаемый инфракрасный диапазон. Оптические фильтры также необходимы во флуоресцентных приложениях, таких как флуоресцентная микроскопия и флуоресцентная спектроскопия .
Фотофильтры представляют собой частный случай оптических фильтров, и большая часть изложенного здесь материала применима. Фотофильтрам не нужны точно контролируемые оптические свойства и точно определенные кривые пропускания фильтров, предназначенных для научной работы, и они продаются в больших количествах по соответственно более низким ценам, чем многие лабораторные фильтры. Некоторые фильтры с фотографическими эффектами, например фильтры с эффектом звезды, не имеют отношения к научной работе.
В общем, данный оптический фильтр пропускает определенный процент входящего света при изменении длины волны. Это измеряется спектрофотометром . _ Поскольку материал является линейным, поглощение каждой длины волны не зависит от присутствия других длин волн. Очень немногие материалы являются нелинейными , и коэффициент пропускания 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 излучения .
Также, как правило, непроходящий свет поглощается ; для интенсивного света, что может привести к значительному нагреву фильтра. Однако оптический термин «поглощение» относится к ослаблению падающего света независимо от механизма его ослабления. Некоторые фильтры, такие как зеркала , интерференционные фильтры или металлические сетки, отражают или рассеивают большую часть непрошедшего света.
( Безразмерная ) оптическая плотность фильтра при определенной длине волны света определяется как
Оптическая фильтрация впервые была осуществлена с помощью заполненных жидкостью ячеек со стеклянными стенками; [ нужна цитация ] они до сих пор используются для специальных целей. Самый широкий выбор цветов теперь доступен в виде цветных пленочных фильтров, первоначально изготовленных из животного желатина , но теперь обычно из термопласта, такого как ацетат , акрил , поликарбонат или полиэстер, в зависимости от применения. Они были стандартизированы для фотографического использования компанией Wratten в начале 20 века, а также производителями цветных гелей для использования в театре .
Сейчас существует множество поглотительных фильтров, изготовленных из стекла , в которые добавлены различные неорганические или органические соединения . Оптические фильтры из цветного стекла, хотя их сложнее изготовить в соответствии с точными спецификациями пропускания, после изготовления более долговечны и стабильны. [ нужна цитата ]
Альтернативно, дихроичные фильтры (также называемые «отражающими», «тонкопленочными» или «интерференционными» фильтрами) могут быть изготовлены путем покрытия стеклянной подложки рядом оптических покрытий . Дихроичные фильтры обычно отражают нежелательную часть света и пропускают оставшуюся часть.
Дихроичные фильтры используют принцип интерференции . Их слои образуют последовательную серию отражающих полостей, которые резонируют с нужными длинами волн. Другие длины волн разрушительно подавляют или отражают, поскольку пики и впадины волн перекрываются.
Дихроичные фильтры особенно подходят для точной научной работы, поскольку их точный цветовой диапазон можно контролировать с помощью толщины и последовательности нанесения покрытий. Обычно они намного дороже и деликатнее, чем абсорбционные фильтры.
Их можно использовать в таких устройствах, как дихроичная призма камеры , для разделения луча света на компоненты разного цвета.
Основным научным прибором этого типа является интерферометр Фабри-Перо . Он использует два зеркала для создания резонирующей полости. Он пропускает длины волн, кратные резонансной частоте резонатора.
Эталоны — еще один вариант: 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 в оптических волокнах большой протяженности .
Монохроматические фильтры пропускают только узкий диапазон длин волн (по сути, один цвет).
Термин «инфракрасный фильтр» может быть неоднозначным, поскольку он может применяться к фильтрам, пропускающим инфракрасное излучение (блокируя другие длины волн) или блокирующим только инфракрасное излучение.
Фильтры, пропускающие инфракрасное излучение, используются для блокировки видимого света, но пропускают инфракрасное излучение; они используются, например, в инфракрасной фотографии .
Инфракрасные фильтры предназначены для блокирования или отражения инфракрасных волн, но пропускают видимый свет. Фильтры среднего инфракрасного диапазона часто используются в качестве теплопоглощающих фильтров в устройствах с яркими лампами накаливания (таких как слайд-проекторы и диапроекторы ) для предотвращения нежелательного нагрева из-за инфракрасного излучения. Существуют также фильтры, которые используются в твердотельных видеокамерах для блокировки ИК-излучения из-за высокой чувствительности многих датчиков камеры к нежелательному ближнему инфракрасному свету.
Ультрафиолетовые (УФ) фильтры блокируют ультрафиолетовое излучение, но пропускают видимый свет. Поскольку фотопленка и цифровые датчики чувствительны к ультрафиолету (которого много в солнечном свете), а человеческий глаз - нет, такой свет, если его не фильтровать, сделал бы фотографии отличными от сцены, видимой людям, например, создавая изображения отдаленных объектов. горы кажутся неестественно туманными. Фильтр, блокирующий ультрафиолет, делает изображения более близкими 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 гораздо менее распространены и чаще известны как УФ-фильтры и полосовые УФ-фильтры. [4]
Фильтры нейтральной плотности (ND) имеют постоянное ослабление во всем диапазоне видимых длин волн и используются для уменьшения интенсивности света путем отражения или поглощения его части. Они определяются оптической плотностью (ОП) фильтра, которая является отрицательным значением десятичного логарифма коэффициента пропускания . Они полезны для увеличения продолжительности фотографической экспозиции. Практический пример: водопад выглядит размытым, если его сфотографировать при ярком свете. В качестве альтернативы фотограф может захотеть использовать большую диафрагму (чтобы ограничить глубину резкости ); добавление фильтра ND позволяет это сделать. ND-фильтры могут быть отражающими (в этом случае они выглядят как частично отражающие зеркала) или поглощающими (выглядящими серыми или черными).
Длиннопроходной (LP) фильтр — это оптический интерференционный фильтр или фильтр из цветного стекла, который ослабляет более короткие волны и пропускает (пропускает) более длинные волны в активном диапазоне целевого спектра (ультрафиолетовом, видимом или инфракрасном). Длиннопроходные фильтры, которые могут иметь очень крутой наклон (называемые краевыми фильтрами), характеризуются длиной волны среза при 50 процентах пикового пропускания. В флуоресцентной микроскопии длиннопропускные фильтры часто используются в дихроичных зеркалах и барьерных (эмиссионных) фильтрах. Использование старого термина «низкочастотный» для описания длиннополосных фильтров стало редкостью; фильтры обычно описываются с точки зрения длины волны, а не частоты, и под « фильтром нижних частот » без уточнений следует понимать электронный фильтр .
Полосовые фильтры пропускают только определенный диапазон длин волн и блокируют другие. Ширина такого фильтра выражается в диапазоне длин волн, который он пропускает, и может составлять от гораздо 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 центральную длину волны может выбрать пользователь. Полосовые фильтры часто используются в астрономии, когда нужно наблюдать определенный процесс с определенными связанными спектральными линиями . Голландский открытый телескоп [5] и шведский солнечный телескоп [6] являются примерами использования фильтров Лио и Фабри–Перо.
Короткопроходной (SP) фильтр — это оптический интерференционный фильтр или фильтр из цветного стекла, который ослабляет более длинные волны и пропускает (пропускает) более короткие волны в активном диапазоне целевого спектра (обычно в ультрафиолетовой и видимой областях). В флуоресцентной микроскопии короткопропускные фильтры часто используются в дихроматических зеркалах и фильтрах возбуждения.
Относительно новый класс фильтров, представленный примерно в 1990 году. Обычно эти фильтры представляют собой фильтры на отражение, то есть режекторные фильтры на передачу. В своей основной форме они состоят из волновода-подложки и субволновой решетки или массива двумерных отверстий. Такие фильтры обычно прозрачны, но когда возбуждается вытекающая направленная мода волновода, они становятся сильно отражающими (рекорд более 99% экспериментально) для определенной поляризации , угловой ориентации и диапазона длин волн. Параметры фильтров определяются путем правильного выбора параметров решетки. Преимущество таких фильтров заключается в небольшом количестве слоев, необходимых для фильтров со сверхузкой полосой пропускания (в отличие от дихроичных фильтров), а также в потенциальной развязке между спектральной полосой пропускания и угловой допуском, когда возбуждается более одной моды.
Фильтры для субмиллиметровых и ближних инфракрасных волн в астрономии представляют собой металлические сетчатые сетки , которые складываются вместе, образуя фильтры LP, BP и SP для этих длин волн.
Другой вид оптического фильтра — поляризатор или поляризационный фильтр, который блокирует или пропускает свет в зависимости от его поляризации . Они часто изготавливаются из таких материалов, как Polaroid , и используются для солнцезащитных очков и фотографии . Отражения, особенно от воды и мокрой дороги, частично поляризованы, и поляризационные солнцезащитные очки будут блокировать часть этого отраженного света, позволяя рыболову лучше видеть поверхность воды и улучшая обзор водителю. Свет ясного голубого неба также поляризуется, а регулируемые фильтры используются в цветной фотографии, чтобы затемнить небо без придания цвета другим объектам, а также в цветной и черно-белой фотографии для контроля зеркальных отражений от объектов и вода. Эти первые (а некоторые и до сих пор) намного старше, чем gmrf (чуть выше), используют мелкую сетку, встроенную в объектив.
Поляризационные фильтры также используются для просмотра определенных типов стереограмм , так что каждый глаз видит отдельное изображение из одного источника.
Дуговой источник излучает видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый свет, который может быть вредным для глаз человека. Поэтому оптические фильтры сварочных масок должны соответствовать ANSI Z87:1 (спецификация защитных очков), чтобы защитить зрение человека.
Некоторыми примерами фильтров, обеспечивающих такую фильтрацию, могут быть заземляющие элементы, встроенные или нанесенные на стекло, но практически невозможно обеспечить идеальную фильтрацию. Идеальный фильтр удалит волны определенной длины и оставит много света, чтобы работник мог видеть, над чем он/она работает.
Клиновой фильтр представляет собой оптический фильтр, сконструированный таким образом, что его толщина изменяется непрерывно или ступенчато в форме клина. Фильтр используется для изменения распределения интенсивности в пучке излучения. Он также известен как линейно регулируемый фильтр (LVF). Он используется в различных оптических датчиках, где требуется разделение длин волн, например, в гиперспектральных датчиках. [7]
