Filtre optique - Optical filter

Caisses empilées de filtres Cokin

Un filtre optique est un dispositif qui transmet sélectivement la lumière de différentes longueurs d'onde , généralement mis en œuvre sous la forme d'un plan de verre ou d' un dispositif en plastique dans le chemin optique , qui sont soit teints dans la masse, soit dotés de revêtements interférentiels . Les propriétés optiques des filtres sont complètement décrites par leur réponse en fréquence , qui spécifie comment l'amplitude et la phase de chaque composante de fréquence d'un signal entrant est modifiée par le filtre.

Les filtres appartiennent pour la plupart à l'une des deux catégories. Le plus simple, physiquement, est le filtre absorbant ; puis il y a les filtres interférentiels ou dichroïques . De nombreux filtres optiques sont utilisés pour l' imagerie optique et sont fabriqués pour être transparents ; certains utilisés pour les sources lumineuses peuvent être translucides .

Les filtres optiques transmettent sélectivement la lumière dans une plage particulière de longueurs d' onde , c'est-à-dire les couleurs , tout en absorbant le reste. Ils peuvent généralement ne laisser passer que des longueurs d'onde longues (passe-long), des longueurs d'onde courtes uniquement (passe-court) ou une bande de longueurs d'onde, bloquant à la fois les longueurs d'onde plus longues et plus courtes (passe-bande). La bande passante peut être plus étroite ou plus large ; la transition ou la coupure entre la transmission maximale et minimale peut être nette ou progressive. Il existe des filtres avec des caractéristiques de transmission plus complexes, par exemple avec deux pics plutôt qu'une seule bande ; ce sont plus généralement des modèles plus anciens traditionnellement utilisés pour la photographie; des filtres aux caractéristiques plus régulières sont utilisés pour les travaux scientifiques et techniques.

Les filtres optiques sont couramment utilisés en photographie (où certains filtres à effets spéciaux sont parfois utilisés ainsi que des filtres absorbants), dans de nombreux instruments optiques et pour colorer l' éclairage de scène . En astronomie, les filtres optiques sont utilisés pour restreindre la lumière transmise à la bande spectrale d'intérêt, par exemple pour étudier le rayonnement infrarouge sans lumière visible qui affecterait le film ou les capteurs et submergerait l'infrarouge souhaité. Les filtres optiques sont également essentiels dans les applications de fluorescence telles que la microscopie à fluorescence et la spectroscopie de fluorescence .

Les filtres photographiques sont un cas particulier des filtres optiques, et une grande partie du matériel ici s'applique. Les filtres photographiques n'ont pas besoin des propriétés optiques contrôlées avec précision et des courbes de transmission définies avec précision des filtres conçus pour le travail scientifique, et se vendent en plus grandes quantités à des prix proportionnellement inférieurs à ceux de nombreux filtres de laboratoire. Certains filtres à effet photographique, tels que les filtres à effet d'étoile, ne sont pas pertinents pour le travail scientifique.

La mesure

En général, un filtre optique donné transmet un certain pourcentage de la lumière entrante lorsque la longueur d'onde change. Ceci est mesuré par un spectrophotomètre . En tant que matériau linéaire, l'absorption pour chaque longueur d'onde est indépendante de la présence d'autres longueurs d'onde. Très peu de matériaux sont non linéaires et la transmittance dépend de l'intensité et de la combinaison de longueurs d'onde de la lumière incidente. Les matériaux fluorescents transparents peuvent fonctionner comme un filtre optique, avec un spectre d' absorption , et aussi comme une source lumineuse , avec un spectre d'émission .

En général aussi, la lumière qui n'est pas transmise est absorbée ; pour une lumière intense, cela peut provoquer un échauffement important du filtre. Cependant, le terme optique absorbance fait référence à l' atténuation de la lumière incidente, quel que soit le mécanisme par lequel elle est atténuée. Certains filtres, comme les miroirs , les filtres interférentiels ou les mailles métalliques, réfléchissent ou diffusent une grande partie de la lumière non transmise.

La densité optique ( sans dimension ) d' un filtre à une longueur d' onde particulière de la lumière est définie comme

-\log _{10}T,

où T est la transmittance (sans dimension) du filtre à cette longueur d'onde.

Absorbant

Le filtrage optique a d'abord été effectué avec des cellules à paroi de verre remplies de liquide; ils sont encore utilisés à des fins spéciales. La plus large gamme de sélection de couleurs est désormais disponible sous forme de filtres à film coloré, fabriqués à l'origine à partir de gélatine animale, mais maintenant généralement un thermoplastique tel que l' acétate , l' acrylique , le polycarbonate ou le polyester selon l'application. Ils ont été standardisés pour une utilisation photographique par Wratten au début du 20e siècle, ainsi que par des fabricants de gels de couleur pour une utilisation théâtrale .

Il existe aujourd'hui de nombreux filtres absorbants en verre auxquels ont été ajoutés divers composés inorganiques ou organiques . Les filtres optiques en verre coloré, bien que plus difficiles à fabriquer selon des spécifications de transmission précises, sont plus durables et stables une fois fabriqués.

Filtre dichroïque

Alternativement, des filtres dichroïques (également appelés filtres "réfléchissants" ou "film mince" ou "interférentiels") peuvent être fabriqués en revêtant un substrat de verre d'une série de revêtements optiques . Les filtres dichroïques réfléchissent généralement la partie indésirable de la lumière et transmettent le reste.

Les filtres dichroïques utilisent le principe d' interférence . Leurs couches forment une série séquentielle de cavités réfléchissantes qui résonnent avec les longueurs d'onde souhaitées. D'autres longueurs d'onde s'annulent ou se réfléchissent de manière destructive lorsque les pics et les creux des ondes se chevauchent.

Les filtres dichroïques sont particulièrement adaptés aux travaux scientifiques précis, car leur gamme de couleurs exacte peut être contrôlée par l'épaisseur et la séquence des revêtements. Ils sont généralement beaucoup plus chers et délicats que les filtres à absorption.

Ils peuvent être utilisés dans des dispositifs tels que le prisme dichroïque d'une caméra pour séparer un faisceau de lumière en différentes composantes colorées.

L'instrument scientifique de base de ce type est un interféromètre de Fabry-Pérot . Il utilise deux miroirs pour établir une cavité résonante. Il laisse passer des longueurs d'onde qui sont un multiple de la fréquence de résonance de la cavité.

Les étalons sont une autre variante : des cubes transparents ou des fibres dont les extrémités polies forment des miroirs réglés pour résonner avec des longueurs d'onde spécifiques. Ceux-ci sont souvent utilisés pour séparer les canaux dans les réseaux de télécommunications qui utilisent le multiplexage par répartition en longueur d'onde sur des fibres optiques longue distance .

Monochromatique

Les filtres monochromatiques ne laissent passer qu'une plage étroite de longueurs d'onde (essentiellement une seule couleur).

Infrarouge

Le terme "filtre infrarouge" peut être ambigu, car il peut être appliqué à des filtres pour laisser passer l'infrarouge (bloquant d'autres longueurs d'onde) ou pour bloquer l'infrarouge (uniquement).

Les filtres infrarouges sont utilisés pour bloquer la lumière visible mais laisser passer l'infrarouge ; ils sont utilisés, par exemple, en photographie infrarouge .

Les filtres de coupure infrarouge sont conçus pour bloquer ou réfléchir les longueurs d'onde infrarouges mais laisser passer la lumière visible . Les filtres infrarouges moyens sont souvent utilisés comme filtres absorbant la chaleur dans les appareils dotés d'ampoules à incandescence lumineuses (comme les projecteurs de diapositives et les rétroprojecteurs ) afin d'éviter un échauffement indésirable dû au rayonnement infrarouge. Il existe également des filtres qui sont utilisés dans les caméras vidéo à semi-conducteurs pour bloquer les IR en raison de la haute sensibilité de nombreux capteurs de caméra à la lumière proche infrarouge indésirable.

Ultra-violet

Les filtres ultraviolets (UV) bloquent le rayonnement ultraviolet, mais laissent passer la lumière visible. Étant donné que les films photographiques et les capteurs numériques sont sensibles aux ultraviolets (qui sont abondants dans les lucarnes) mais pas l'œil humain, une telle lumière, si elle n'est pas filtrée, rendrait les photographies différentes de la scène visible par les gens, par exemple en faisant des images de lointaines les montagnes semblent anormalement brumeuses. Un filtre bloquant les ultraviolets rend les images plus proches de l'apparence visuelle de la scène.

Comme pour les filtres infrarouges, il existe une ambiguïté potentielle entre les filtres bloquant les UV et les filtres UV ; ces derniers sont beaucoup moins courants et plus généralement connus explicitement sous le nom de filtres passe-UV et de filtres passe-bande UV.

Densité neutre

Les filtres à densité neutre (ND) ont une atténuation constante sur toute la gamme des longueurs d'onde visibles et sont utilisés pour réduire l'intensité de la lumière en réfléchissant ou en absorbant une partie de celle-ci. Ils sont spécifiés par la densité optique (DO) du filtre, qui est le négatif du logarithme commun du coefficient de transmission . Ils sont utiles pour allonger les expositions photographiques. Un exemple pratique consiste à rendre une cascade floue lorsqu'elle est photographiée sous une lumière vive. Alternativement, le photographe peut vouloir utiliser une plus grande ouverture (afin de limiter la profondeur de champ ) ; l'ajout d'un filtre ND le permet. Les filtres ND peuvent être réfléchissants (auquel cas ils ressemblent à des miroirs partiellement réfléchissants) ou absorbants (apparaissant gris ou noir).

Longue passe

Un filtre passe-haut (LP) est un filtre d'interférence optique ou en verre coloré qui atténue les longueurs d'onde plus courtes et transmet (passe) les longueurs d'onde plus longues sur la plage active du spectre cible (ultraviolet, visible ou infrarouge). Les filtres passe-long, qui peuvent avoir une pente très forte (appelés filtres de bord), sont décrits par la longueur d'onde de coupure à 50 pour cent de la transmission de crête. En microscopie à fluorescence, les filtres passe-haut sont fréquemment utilisés dans les miroirs dichroïques et les filtres barrières (d'émission). L'utilisation de l'ancien terme « passe-bas » pour décrire les filtres passe-haut est devenue rare ; les filtres sont généralement décrits en termes de longueur d'onde plutôt que de fréquence, et un « filtre passe-bas », sans qualification, serait compris comme un filtre électronique .

Passe-bande

Les filtres passe-bande ne transmettent qu'une certaine bande de longueur d'onde et en bloquent d'autres. La largeur d'un tel filtre est exprimée dans la gamme de longueurs d'onde qu'il laisse passer et peut aller de beaucoup moins d'un ngström à quelques centaines de nanomètres. Un tel filtre peut être réalisé en combinant un filtre LP et un filtre SP.

Des exemples de filtres passe-bande sont le filtre de Lyot et l' interféromètre de Fabry-Pérot . Ces deux filtres peuvent également être rendus accordables, de sorte que la longueur d'onde centrale puisse être choisie par l'utilisateur. Les filtres passe-bande sont souvent utilisés en astronomie lorsqu'on veut observer un certain processus avec des raies spectrales associées spécifiques . Le télescope ouvert néerlandais et le télescope solaire suédois sont des exemples d'utilisation des filtres Lyot et Fabry-Pérot.

Passe courte

Un filtre passe-bas (SP) est un filtre d'interférence optique ou en verre coloré qui atténue les longueurs d'onde plus longues et transmet (passe) les longueurs d'onde plus courtes sur la plage active du spectre cible (généralement la région ultraviolette et visible). En microscopie à fluorescence, les filtres passe-bas sont fréquemment utilisés dans les miroirs dichromatiques et les filtres d'excitation.

Filtres à résonance en mode guidé

Une classe de filtres relativement nouvelle introduite vers 1990. Ces filtres sont normalement des filtres en réflexion, c'est-à-dire des filtres coupe-bande en transmission. Ils consistent dans leur forme la plus basique d'un guide d'ondes de substrat et d'un réseau de sous- longueurs d'onde ou d'un réseau de trous 2D. De tels filtres sont normalement transparents, mais lorsqu'un mode guidé de fuite du guide d'ondes est excité, ils deviennent hautement réfléchissants (un record de plus de 99% expérimentalement) pour une polarisation , des orientations angulaires et une plage de longueurs d'onde particulières. Les paramètres des filtres sont conçus par un choix approprié des paramètres de réseau. L'avantage de tels filtres est le peu de couches nécessaires pour les filtres à bande passante ultra-étroite (contrairement aux filtres dichroïques), et le découplage potentiel entre la bande passante spectrale et la tolérance angulaire lorsque plus d'un mode est excité.

Filtres à mailles métalliques

Les filtres pour les longueurs d'onde submillimétriques et proches de l'infrarouge en astronomie sont des grilles en mailles métalliques qui sont empilées pour former des filtres LP, BP et SP pour ces longueurs d'onde.

Polariseur

Un autre type de filtre optique est un polariseur ou filtre de polarisation, qui bloque ou transmet la lumière en fonction de sa polarisation . Ils sont souvent fabriqués à partir de matériaux tels que le Polaroid et sont utilisés pour les lunettes de soleil et la photographie . Les reflets, en particulier de l'eau et des surfaces de route mouillées, sont partiellement polarisés, et les lunettes de soleil polarisées bloqueront une partie de cette lumière réfléchie, permettant au pêcheur de mieux voir sous la surface de l'eau et d'avoir une meilleure vision pour un conducteur. La lumière d'un ciel bleu clair est également polarisée et des filtres réglables sont utilisés dans la photographie couleur pour assombrir l'apparence du ciel sans introduire de couleurs dans d'autres objets, et dans la photographie couleur et noir et blanc pour contrôler les reflets spéculaires des objets et l'eau. Bien plus anciens que le gmrf (juste au-dessus) ces premiers (et certains encore) utilisent un maillage fin intégré dans l'objectif.

Les filtres polarisés sont également utilisés pour visualiser certains types de stéréogrammes , de sorte que chaque œil voit une image distincte à partir d'une seule source.

Soudage à l'arc

Une source d'arc émet une lumière visible qui peut être nocive pour les yeux humains. Par conséquent, les filtres optiques sur les masques de soudage doivent être conformes à la norme ANSI Z87:1 (une spécification de lunettes de sécurité) afin de protéger la vision humaine.

Quelques exemples de filtres qui fourniraient ce type de filtrage seraient des éléments de terre noyés ou enduits sur du verre, mais en pratique, il n'est pas possible de faire un filtrage parfait. Un filtre parfait supprimerait des ondes particulières et laisserait beaucoup de lumière pour qu'un travailleur puisse voir sur quoi il travaille.

Filtre en coin

Un filtre en coin est un filtre optique construit de telle sorte que son épaisseur varie en continu ou par étapes sous la forme d'un coin. Le filtre est utilisé pour modifier la distribution d' intensité dans un faisceau de rayonnement. Il est également connu sous le nom de filtre variable linéairement (LVF). Il est utilisé dans divers capteurs optiques où la séparation des longueurs d'onde est requise, par exemple dans les capteurs hyperspectraux.

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