Введение
Фильтры, избирательно пропускающие определенные цвета
Оптический фильтр – это устройство, которое избирательно пропускает свет различных длин волн, обычно выполненное в виде стеклянной пластины или пластикового элемента в оптическом тракте, окрашенного в объеме или имеющего интерференционные покрытия. Оптические свойства фильтров полностью описываются их частотной характеристикой, которая определяет, как изменяются амплитуда и фаза каждого частотного компонента входящего сигнала при прохождении через фильтр. Фильтры в основном относятся к одной из двух категорий. Самый простой по конструкции – абсорбционный фильтр, затем идут интерференционные или дихроические фильтры. Многие оптические фильтры используются для оптической визуализации и изготавливаются прозрачными; некоторые, применяемые для источников света, могут быть полупрозрачными. Оптические фильтры избирательно пропускают свет в определенном диапазоне длин волн, то есть цветов, поглощая остальной спектр. Они обычно пропускают только длинные длины волн (фильтры длинных волн), только короткие длины волн (фильтры коротких волн) или полосу длин волн, блокируя более длинные и более короткие длины волн (полосно-пропускающие фильтры). Пропускная полоса может быть узкой или широкой, а переход между максимальным и минимальным пропусканием – резким или плавным. Существуют фильтры с более сложными характеристиками пропускания, например, с двумя пиками вместо одной полосы; это, как правило, более старые конструкции, традиционно используемые в фотографии; фильтры с более регулярными характеристиками применяются в научных и технических работах. Оптические фильтры широко используются в фотографии (где иногда применяются специальные фильтры эффектов, а также абсорбционные фильтры), в различных оптических приборах и для окрашивания сценического освещения. 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 сенсоры и заглушить желаемый инфракрасный сигнал. Оптические фильтры также необходимы в приложениях флуоресценции, таких как флуоресцентная микроскопия и флуоресцентная спектроскопия. Фотографические фильтры являются частным случаем оптических фильтров, и большая часть представленной информации применима и к ним. Фотографические фильтры не требуют столь точно контролируемых оптических свойств и четко определенных кривых пропускания, как фильтры, предназначенные для научных исследований, и продаются в больших количествах по соответствующим более низким ценам, чем многие лабораторные фильтры. Некоторые фильтры для создания фотографических эффектов, такие как фильтры «звезда», не имеют отношения к научной работе.
Измерение
В общем, данный оптический фильтр пропускает определенный процент входящего света при изменении длины волны. Это измеряется с помощью спектрофотометра. Для линейного материала поглощение на каждой длине волны не зависит от присутствия других длин волн. Существует очень мало нелинейных материалов, у которых пропускание зависит от интенсивности и комбинации длин волн падающего света. Прозрачные люминесцентные материалы могут функционировать как оптический фильтр, имея спектр поглощения, а также как источник света, имея спектр излучения. Как правило, свет, который не проходит, поглощается; для интенсивного света это может привести к значительному нагреву фильтра. Однако оптический термин "поглощение" (absorbance) относится к ослаблению падающего света, независимо от механизма этого ослабления. Некоторые фильтры, такие как зеркала, интерференционные фильтры или металлические сетки, отражают или рассеивают большую часть не прошедшего света. (безразмерная) оптическая плотность фильтра при определенной длине волны света определяется как log(1/T), где T – (безразмерная) пропускаемость фильтра на этой длине волны.
Поглощающая
Оптическая фильтрация изначально проводилась в жидкостных ячейках со стеклянными стенками; они до сих пор используются для специальных целей. Наиболее широкий выбор цветовых фильтров сейчас представлен в виде цветных плёночных фильтров, изначально изготавливавшихся из животного желатина, но в настоящее время обычно из термопластиков, таких как ацетат, акрил, поликарбонат или полиэстер, в зависимости от области применения. Они были стандартизированы для фотографического использования компанией Wratten в начале XX века, а также производителями цветных гелей для театральных постановок. В настоящее время существует множество поглощающих фильтров, изготовленных из стекла с добавлением различных неорганических или органических соединений. Оптические фильтры из цветного стекла, хотя и сложнее в изготовлении с соблюдением точных характеристик пропускания, более долговечны и стабильны после производства.
Дихрофильтр
Альтернативно, дихроические фильтры (также называемые "отражающими", "тонкопленочными" или "интерференционными" фильтрами) могут быть изготовлены путем нанесения серии оптических покрытий на стеклянную подложку. Дихроические фильтры обычно отражают нежелательную часть света и пропускают остальную. Дихроические фильтры работают на принципе интерференции. Их слои формируют последовательную серию отражающих резонаторов, настроенных на нужные длины волн. Другие длины волн гасятся в результате деструктивной интерференции или отражаются при перекрытии пиков и впадин волн. Дихроические фильтры особенно хорошо подходят для точных научных исследований, поскольку их точный спектральный диапазон можно контролировать, изменяя толщину и последовательность покрытий. Они обычно значительно дороже и более хрупкие, чем поглощающие фильтры. Их можно использовать в устройствах, таких как дихроическая призма камеры, для разделения светового пучка на различные цветовые составляющие. Базовым научным прибором этого типа является интерферометр Фабри-Перо. Он использует два зеркала для создания резонансной полости, пропускающей длины волн, кратные частоте резонанса полости. Эталоны – еще одна разновидность: прозрачные кубики или волокна, полированные торцы которых образуют зеркала, настроенные на резонанс с определенными длинами волн. Они часто используются для разделения каналов в телекоммуникационных сетях, использующих мультиплексирование по длине волны в оптоволоконных линиях связи большой протяженности.
Монохроматические
Монохромные фильтры пропускают только узкий диапазон длин волн (фактически, один цвет).
Инфракрасная
Термин "инфракрасный фильтр" может быть неоднозначным, так как он может относиться к фильтрам, пропускающим инфракрасное излучение (блокируя другие длины волн), или к фильтрам, блокирующим инфракрасное излучение (только). Фильтры, пропускающие инфракрасное излучение, используются для блокирования видимого света, но пропускают инфракрасный свет; они применяются, например, в инфракрасной фотографии. Инфракрасные фильтры блокировки предназначены для блокирования или отражения инфракрасных длин волн, но пропускают видимый свет. Среднеинфракрасные фильтры часто используются в качестве теплопоглощающих фильтров в устройствах с яркими лампами накаливания (таких как слайд-проекторы и проекторы для демонстрации изображений) для предотвращения нежелательного нагрева, вызванного инфракрасным излучением. Также существуют фильтры, используемые в твердотельных видеокамерах для блокировки ИК-излучения из-за высокой чувствительности многих датчиков камер к нежелательному ближнему инфракрасному свету.
Ультрафиолетовые
Ультрафиолетовые фильтры блокируют ультрафиолетовое излучение, но пропускают видимый свет. Поскольку фотопленка и цифровые сенсоры чувствительны к ультрафиолету (который в изобилии содержится в дневном свете), а человеческий глаз – нет, этот свет, если его не отфильтровать, может исказить фотографии по сравнению с тем, что видит человек, например, сделать изображения дальних гор неестественно туманными. Ультрафиолетовый фильтр позволяет получить изображения, более соответствующие визуальному восприятию сцены. Как и в случае с инфракрасными фильтрами, существует потенциальная путаница между фильтрами, блокирующими УФ-излучение, и фильтрами, пропускающими УФ-излучение; последние встречаются гораздо реже и обычно называются УФ-пропускающими фильтрами или УФ-полосными фильтрами.
Нейтральная плотность
Фильтры нейтральной плотности (НД) обеспечивают равномерное ослабление света во всем диапазоне видимых длин волн и используются для уменьшения интенсивности света за счет отражения или поглощения его части. Они характеризуются оптической плотностью (OD), которая представляет собой отрицательный десятичный логарифм коэффициента пропускания. Они полезны для увеличения выдержки при фотосъемке. Типичный пример – создание эффекта размытости для водопада при ярком освещении. Кроме того, фотограф может захотеть использовать более широкую диафрагму (для уменьшения глубины резкости); применение НД-фильтра позволяет это сделать. НД-фильтры могут быть отражающими (в этом случае они выглядят как частично отражающие зеркала) или поглощающими (имеют серый или черный цвет).
Долгое прохождение
Долгопроходный (LP) фильтр – это оптический интерференционный или цветной стеклянный фильтр, который ослабляет более короткие длины волн и пропускает более длинные длины волн в активном диапазоне целевого спектра (ультрафиолетового, видимого или инфракрасного). Долгопроходные фильтры, которые могут иметь очень крутой наклон (так называемые краевые фильтры), характеризуются длиной волны, при которой достигается 50% от максимальной пропускаемости. В флуоресцентной микроскопии долгопроходные фильтры часто используются в дихроических зеркалах и барьерных (эмиссионных) фильтрах. Использование устаревшего термина "фильтр нижних частот" для описания долгопроходных фильтров встречается редко; фильтры обычно описываются по длине волны, а не по частоте, и "фильтр нижних частот", без дополнительных уточнений, понимается как электронный фильтр.
Пропускная полоса
Пропускные фильтры пропускают только определенный диапазон длин волн, блокируя остальные. Ширина такого фильтра определяется диапазоном пропускаемых длин волн и может варьироваться от величин, значительно меньших одного ангстрема, до нескольких сотен нанометров. Такой фильтр можно создать, комбинируя фильтры LP и SP. Примерами пропускных фильтров являются фильтр Льота и интерферометр Фабри-Перо. Оба этих фильтра могут быть сделаны настраиваемыми, позволяя пользователю выбирать центральную длину волны. Пропускные фильтры часто используются в астрономии для наблюдения определенных процессов, связанных со специфическими спектральными линиями. Голландский открытый телескоп и Шведский солнечный телескоп – примеры инструментов, в которых применяются фильтры Льота и Фабри-Перо.
Короткий проход
Короткопроходный (SP) фильтр – это оптический интерференционный или цветной стеклянный фильтр, который ослабляет более длинные волны и пропускает более короткие волны в активном диапазоне целевого спектра (обычно ультрафиолетовой и видимой области). В флуоресцентной микроскопии короткопроходные фильтры часто применяются в дихроматических зеркалах и фильтрах возбуждения.
Резонансные фильтры с направляемым режимом
Относительно новый класс фильтров, появившийся около 1990 года. Эти фильтры обычно являются фильтрами отражения, то есть фильтрами подавления в пропускании. В своей простейшей форме они состоят из волновода на подложке и субволновой решетки или двумерного массива отверстий. Такие фильтры обычно прозрачны, но при возбуждении утекающей моды волновода они становятся высокоотражающими (в экспериментах достигнуто более 99%) для определенной поляризации, угловых ориентаций и диапазона длин волн. Параметры фильтров задаются путем правильного выбора параметров решетки. Преимуществами таких фильтров являются небольшое число слоев, необходимое для фильтров с ультраузкой полосой пропускания (в отличие от дихроических фильтров), и возможность разделения спектральной полосы пропускания и угловой толерантности при возбуждении более чем одной моды.
Фильтры с металлической сеткой
Фильтры для субмиллиметровых и ближнего инфракрасного диапазонов в астрономии — это металлические сетчатые решетки, которые складываются вместе для создания фильтров верхних (LP), нижних (BP) и полосовых (SP) частот для этих длин волн.
Поляризатор
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 в солнцезащитных очках и фотографии. Отражения, особенно от воды и мокрых дорожных покрытий, частично поляризованы, и поляризационные солнцезащитные очки блокируют часть этого отраженного света, позволяя рыбаку лучше видеть под поверхностью воды, а водителю – улучшить видимость. Свет от чистого голубого неба также поляризован, и регулируемые фильтры используются в цветной фотографии для затемнения неба, не влияя на цвет других объектов, а также в цветной и черно-белой фотографии для контроля бликов от объектов и воды. Эти фильтры, появившиеся гораздо раньше, чем g. m. r. f (упомянутые выше), в первых конструкциях (и в некоторых современных) используют тонкую сетку, встроенную в линзу. Поляризационные фильтры также применяются для просмотра определенных типов стереограмм, чтобы каждый глаз воспринимал отдельное изображение из одного источника.
Сварка дуги
Источник дуги излучает видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый свет, который может быть опасен для человеческих глаз. Поэтому оптические фильтры сварочных шлемов должны соответствовать стандарту ANSI Z87:1 (спецификации для защитных очков) для защиты зрения. Примеры фильтров, обеспечивающих такую фильтрацию, включают элементы, внедренные в стекло или нанесенные на его поверхность, однако на практике добиться идеальной фильтрации невозможно. Идеальный фильтр должен блокировать определенные длины волн, при этом обеспечивая достаточно света для видимости выполняемой работы.
Фильтр клиновой
Клинковый фильтр – это оптический фильтр, конструкция которого предполагает непрерывное или ступенчатое изменение его толщины по форме клина. Фильтр используется для модификации распределения интенсивности в пучке излучения. Он также известен как фильтр с линейно изменяемой прозрачностью (LVF). Он применяется в различных оптических сенсорах, где требуется разделение по длине волны, например, в гиперспектральных сенсорах.