Optický filtr - Optical filter

Skládané případy filtrů Cokin

Optický filtr je zařízení, které selektivně vysílá světlo různých vlnových délek , obvykle realizován jako sklo letadla, nebo plastové zařízení v optické dráze , které jsou buď barvená ve hmotě, nebo mají interferenční povlaky. Tyto optické vlastnosti filtrů jsou kompletně popsány jejich frekvenční charakteristiky , který určuje, jak se velikost a fáze každé frekvenční složky vstupní signál je upraven filtrem.

Filtry většinou patří do jedné ze dvou kategorií. Fyzicky nejjednodušší je absorpční filtr; pak existují interferenční nebo dichroické filtry . Mnoho optických filtrů se používá pro optické zobrazování a jsou vyráběny tak, aby byly průhledné ; některé použité pro světelné zdroje mohou být průsvitné .

Optické filtry selektivně přenášejí světlo v určitém rozsahu vlnových délek , tj. Barev , přičemž absorbují zbytek. Obvykle mohou procházet pouze dlouhé vlnové délky (longpass), pouze krátké vlnové délky (shortpass) nebo pásmo vlnových délek, blokující delší i kratší vlnové délky (bandpass). Passband může být užší nebo širší; přechod nebo omezení mezi maximálním a minimálním přenosem může být ostrý nebo postupný. Existují filtry se složitější přenosovou charakteristikou, například se dvěma špičkami spíše než s jediným pásmem; toto jsou obvykle starší designy tradičně používané pro fotografování; k vědecké a technické práci se používají filtry s pravidelnějšími charakteristikami.

Optické filtry se běžně používají ve fotografii (kde se občas používají filtry se speciálními efekty a absorpční filtry), v mnoha optických přístrojích a pro barevné osvětlení pódia . V astronomii se používají optické filtry k omezení světla procházejícího do požadovaného spektrálního pásma, např. Ke studiu infračerveného záření bez viditelného světla, které by ovlivnilo film nebo senzory a zahltilo požadované infračervené záření. Optické filtry jsou také nezbytné ve fluorescenčních aplikacích, jako je fluorescenční mikroskopie a fluorescenční spektroskopie .

Fotografické filtry jsou zvláštním případem optických filtrů a platí zde velká část materiálu. Fotografické filtry nepotřebují přesně kontrolované optické vlastnosti a přesně definované přenosové křivky filtrů určených pro vědeckou práci a prodávají se ve větším množství za odpovídajícím způsobem nižší ceny než mnoho laboratorních filtrů. Některé filtry s fotografickými efekty, například filtry s hvězdným efektem, nejsou pro vědeckou práci relevantní.

Měření

Obecně daný optický filtr při změně vlnové délky propouští určité procento přicházejícího světla. Toto se měří pomocí spektrofotometru . Jako lineární materiál je absorpce pro každou vlnovou délku nezávislá na přítomnosti jiných vlnových délek. Velmi málo materiálů je nelineárních a propustnost závisí na intenzitě a kombinaci vlnových délek dopadajícího světla. Transparentní fluorescenční materiály mohou fungovat jako optický filtr s absorpčním spektrem a také jako světelný zdroj s emisním spektrem .

Také obecně je světlo, které není přenášeno, absorbováno ; pro intenzivní světlo to může způsobit výrazné zahřátí filtru. Optický termín absorbance se však týká útlumu dopadajícího světla bez ohledu na mechanismus, kterým je zeslabeno. Některé filtry, jako zrcadla , interferenční filtry nebo kovové sítě, odrážejí nebo rozptylují většinu nepropusteného světla.

( Bezrozměrná ) optická hustota filtru při konkrétní vlnové délce světla je definována jako

{\ displaystyle -\ log _ {10} T,}

kde T je (bezrozměrná) propustnost filtru na dané vlnové délce.

Absorpční

Optická filtrace byla nejprve provedena s kapalinou plněnými buňkami se skleněnými stěnami; stále se používají ke zvláštním účelům. Nejširší rozsah výběru barev je nyní k dispozici jako barevný filmový filtr, původně vyrobený ze zvířecí želatiny, ale nyní obvykle termoplast, jako je acetát , akryl , polykarbonát nebo polyester, v závislosti na aplikaci. Byly standardizovány pro fotografické použití společností Wratten na počátku 20. století a také výrobci barevných gelů pro použití v divadle .

Nyní existuje mnoho absorpčních filtrů vyrobených ze skla, do kterých byly přidány různé anorganické nebo organické sloučeniny . Přestože jsou optické filtry z barevného skla těžší na výrobu přesných specifikací propustnosti, jsou po výrobě odolnější a stabilnější.

Dichroický filtr

Alternativně mohou být dichroické filtry (také nazývané „reflexní“ nebo „tenké filmy“ nebo „interferenční“ filtry) vyrobeny potažením skleněného substrátu řadou optických povlaků . Dichroické filtry obvykle odrážejí nežádoucí část světla a přenášejí zbytek.

Dichroické filtry využívají princip interference . Jejich vrstvy tvoří sekvenční sérii reflexních dutin, které rezonují s požadovanými vlnovými délkami. Ostatní vlnové délky se destruktivně ruší nebo odrážejí, protože vrcholy a žlaby vln se překrývají.

Dichroické filtry jsou zvláště vhodné pro přesnou vědeckou práci, protože jejich přesný rozsah barev lze řídit tloušťkou a posloupností povlaků. Obvykle jsou mnohem dražší a choulostivější než absorpční filtry.

Mohou být použity v zařízení, jako je dichroický hranol části kamery oddělit paprsek světla do různých barevných složek.

Základním vědeckým nástrojem tohoto typu je interferometr Fabry – Pérot . K vytvoření rezonující dutiny používá dvě zrcadla. Prochází vlnovými délkami, které jsou násobkem rezonanční frekvence dutiny.

Etalony jsou další variací: průhledné kostky nebo vlákna, jejichž leštěné konce tvoří zrcadla naladěná tak, aby rezonovala se specifickými vlnovými délkami. Ty se často používají k oddělení kanálů v telekomunikačních sítích, které používají multiplexování dělení na vlnových délkách na dálkových optických vláknech .

Monochromatické

Monochromatické filtry umožňují průchod pouze úzkým rozsahem vlnových délek (v podstatě jedné barvy).

Infračervený

Termín „infračervený filtr“ může být nejednoznačný, protože jej lze použít pro filtry procházející infračerveným zářením (blokování jiných vlnových délek) nebo pro blokování infračerveného záření (pouze).

Infračervené procházející filtry se používají k blokování viditelného světla, ale procházejí infračervené; používají se například v infračervené fotografii .

Infračervené mezní filtry jsou navrženy tak, aby blokovaly nebo odrážely infračervené vlnové délky, ale propouštěly viditelné světlo. Středně infračervené filtry se často používají jako filtry pohlcující teplo v zařízeních s jasnými žárovkami (jako jsou diapozitivy a zpětné projektory ), aby se zabránilo nežádoucímu zahřívání v důsledku infračerveného záření. Existují také filtry, které se používají v polovodičových videokamerách k blokování IR kvůli vysoké citlivosti mnoha kamerových senzorů na nežádoucí blízké infračervené světlo.

Ultrafialový

Ultrafialové (UV) filtry blokují ultrafialové záření, ale propouštějí viditelné světlo. Vzhledem k tomu, že fotografický film a digitální senzory jsou citlivé na ultrafialové záření (které je ve světlících hojně), ale lidské oko nikoli, takové světlo by, pokud by nebylo odfiltrováno, vypadalo jinak než na scéně viditelné pro lidi, například při vytváření snímků vzdálených hory působí nepřirozeně mlhavě. Filtr blokující ultrafialové záření přibližuje obrázky vizuálnímu vzhledu scény.

Stejně jako u infračervených filtrů existuje potenciální nejednoznačnost mezi filtry blokujícími ultrafialové záření a filtry procházejícími ultrafialovým zářením; posledně jmenované jsou mnohem méně časté a obvykle jsou výslovně známy jako ultrafialové filtry a ultrafialové pásmové filtry.

Neutrální hustota

Filtry s neutrální hustotou (ND) mají konstantní útlum v celém rozsahu viditelných vlnových délek a používají se ke snížení intenzity světla odrazem nebo absorpcí jeho části. Jsou specifikovány optické hustoty (OD) filtru, který je negativní na dekadického logaritmu na součinitele prostupu . Jsou užitečné pro prodloužení fotografických expozic. Praktickým příkladem je, aby vodopád vypadal rozmazaně, když je fotografován za jasného světla. Alternativně může fotograf chtít použít větší clonu (aby omezil hloubku ostrosti ); přidání ND filtru to umožňuje. ND filtry mohou být reflexní (v takovém případě vypadají jako částečně reflexní zrcadla) nebo absorpční (šedé nebo černé).

Dlouhá přihrávka

Longpass (LP) Filter je filtr s optickým interferenčním nebo barevným sklem, který zeslabuje kratší vlnové délky a přenáší (prochází) delší vlnové délky přes aktivní rozsah cílového spektra (ultrafialové, viditelné nebo infračervené). Longpass filtry, které mohou mít velmi ostrý sklon (označované jako hranové filtry), jsou popsány mezní vlnovou délkou na 50 procentech špičkového přenosu. Ve fluorescenční mikroskopii se longpass filtry často používají v dichroických zrcadlech a bariérových (emisních) filtrech. Používání staršího výrazu „dolní propust“ k popisu filtrů s dlouhým průchodem se stalo neobvyklým; filtry jsou obvykle popisovány spíše vlnovou délkou než frekvencí a „ dolní propust “ bez kvalifikace by byla chápána jako elektronický filtr .

Band-pass

Pásmové filtry přenášejí pouze určité pásmo vlnových délek a jiné blokují. Šířka takového filtru je vyjádřena v rozsahu vlnových délek, které propouští, a může být cokoli od mnohem menšího než Ångström po několik stovek nanometrů. Takový filtr lze vytvořit kombinací filtru LP a SP.

Příklady pásmových filtrů jsou Lyotův filtr a interferometr Fabry – Pérot . Oba tyto filtry lze také nastavit tak, aby si uživatel mohl zvolit centrální vlnovou délku. Pásmové filtry se často používají v astronomii, když člověk chce pozorovat určitý proces se specifickými přidruženými spektrálními čarami . Dutch Otevřená Telescope a švédský Solar Telescope jsou příklady, kdy jsou používány Lyot a filtry Fabry-Perot.

Shortpass

Shortpass (SP) Filter je filtr s optickým interferenčním nebo barevným sklem, který zeslabuje delší vlnové délky a přenáší (prochází) kratší vlnové délky přes aktivní rozsah cílového spektra (obvykle ultrafialové a viditelné oblasti). Ve fluorescenční mikroskopii se shortpass filtry často používají v dichromatických zrcadlech a excitačních filtrech.

Rezonanční filtry s řízeným režimem

Relativně nová třída filtrů zavedená kolem roku 1990. Tyto filtry jsou obvykle filtry v odrazu, to znamená, že jsou zářezovými filtry v přenosu. Skládají se ze své nejzákladnější formy vlnovodu substrátu a mřížky subwavelength nebo 2D otvoru. Takové filtry jsou normálně transparentní, ale když je vzrušený režim vedený vlnovodem excitován, stanou se vysoce reflexními (záznam přes 99% experimentálně) pro konkrétní polarizaci , úhlové orientace a rozsah vlnových délek. Parametry filtrů jsou navrženy správnou volbou parametrů mřížky. Výhodou těchto filtrů je několik vrstev potřebných pro filtry s velmi úzkou šířkou pásma (na rozdíl od dichroických filtrů) a potenciální oddělení mezi spektrální šířkou pásma a úhlovou tolerancí, když je excitován více než 1 režim.

Filtry s kovovou mřížkou

Filtry pro submilimetrové a blízké infračervené vlnové délky v astronomii jsou mřížky s kovovými oky, které jsou naskládány dohromady a vytvářejí filtry LP, BP a SP pro tyto vlnové délky.

Polarizátor

Dalším druhem optického filtru je polarizátor nebo polarizační filtr, který podle své polarizace blokuje nebo propouští světlo . Často jsou vyrobeny z materiálů, jako je Polaroid, a používají se pro sluneční brýle a fotografování . Odrazy, zejména od vody a mokrého povrchu vozovek, jsou částečně polarizované a polarizované sluneční brýle část tohoto odraženého světla zablokují, což rybáři umožní lepší pohled pod hladinu vody a lepší vidění pro řidiče. Světlo z jasně modré oblohy je také polarizované a v barevné fotografii se používají nastavitelné filtry, které ztmavují vzhled oblohy bez vnášení barev do jiných objektů, a v barevné i černobílé fotografii k ovládání zrcadlových odrazů od objektů a voda. Mnohem starší než gmrf (těsně nad) tyto první (a některé ještě) používají jemnou síťovinu integrovanou v objektivu.

Polarizované filtry se také používají k prohlížení určitých typů stereogramů , takže každé oko uvidí odlišný obraz z jednoho zdroje.

Obloukové svařování

An zdroj arc vyhlásí viditelného světla, které mohou být škodlivé pro lidské oči. Proto musí optické filtry na svářečských kuklách splňovat ANSI Z87: 1 (specifikace ochranných brýlí), aby byly chráněny lidské vidění.

Některé příklady filtrů, které by poskytovaly tento druh filtrování, by byly zemní prvky vložené nebo potažené sklem, ale prakticky řečeno, dokonalé filtrování není možné. Dokonalý filtr by odstranil konkrétní vlny a ponechal spoustu světla, aby pracovník viděl, na čem pracuje.

Klínový filtr

Klínový filtr je optický filtr konstruovaný tak, že jeho tloušťka se mění kontinuálně nebo po krocích ve tvaru klínu. Filtr se používá k modifikaci rozdělení intenzity v paprsku záření. Je také známý jako lineárně proměnný filtr (LVF). Používá se v různých optických senzorech, kde je požadována separace vlnových délek, např. V hyperspektrálních senzorech.

Languages

In other projects