Un filtro óptico es un dispositivo que transmite selectivamente luz de diferentes longitudes de onda , generalmente implementado como un plano de vidrio o un dispositivo de plástico en el camino óptico , que se tiñen en la masa o tienen recubrimientos de interferencia . Las propiedades ópticas de los filtros se describen completamente por su respuesta de frecuencia , que especifica cómo el filtro modifica la magnitud y la fase de cada componente de frecuencia de una señal entrante. [1]
Los filtros pertenecen principalmente a una de dos categorías. El más simple, físicamente, es el filtro absorbente ; luego están los filtros de interferencia o dicroicos . Muchos filtros ópticos se utilizan para la formación de imágenes ópticas y se fabrican para que sean transparentes ; algunos de los que se utilizan para fuentes de luz pueden ser translúcidos .
Los filtros ópticos transmiten selectivamente la luz en un rango particular de longitudes de onda , es decir, colores , mientras absorben el resto. Por lo general, pueden dejar pasar solo longitudes de onda largas (paso largo), solo longitudes de onda cortas (paso corto) o una banda de longitudes de onda, bloqueando tanto longitudes de onda más largas como más cortas (paso de banda). La banda de paso puede ser más estrecha o más ancha; la transición o corte entre la transmisión máxima y mínima puede ser nítida o gradual. Hay filtros con características de transmisión más complejas, por ejemplo con dos picos en lugar de una sola banda; [2] estos son diseños más antiguos que se usan tradicionalmente para fotografía; los filtros con características más regulares se usan para trabajos científicos y técnicos. [3]
Los filtros ópticos se utilizan habitualmente en fotografía (donde se emplean ocasionalmente algunos filtros de efectos especiales, así como filtros absorbentes), en muchos instrumentos ópticos y para dar color a la iluminación escénica . En astronomía, los filtros ópticos se utilizan para restringir la luz que pasa a la banda espectral de interés, por ejemplo, para estudiar la radiación infrarroja sin luz visible que afectaría a la película o a los sensores y abrumaría la infrarroja deseada. Los filtros ópticos también son esenciales en aplicaciones de fluorescencia, como la microscopía de fluorescencia y la espectroscopia de fluorescencia .
Los filtros fotográficos son un caso particular de filtros ópticos, y gran parte del material que se presenta aquí es aplicable. Los filtros fotográficos no necesitan las propiedades ópticas controladas con precisión ni las curvas de transmisión definidas con precisión de los filtros diseñados para el trabajo científico, y se venden en mayores cantidades a precios correspondientemente más bajos que muchos filtros de laboratorio. Algunos filtros de efectos fotográficos, como los filtros de efectos de estrellas, no son relevantes para el trabajo científico.
En general, un filtro óptico determinado transmite un cierto porcentaje de la luz entrante a medida que cambia la longitud de onda. Esto se mide mediante un espectrofotómetro . Como material lineal, la absorción para cada longitud de onda es independiente de la presencia de otras longitudes de onda. Muy pocos materiales son no lineales y la transmitancia depende de la intensidad y la combinación de longitudes de onda de la luz incidente. Los materiales fluorescentes transparentes pueden funcionar como filtro óptico, con un espectro de absorción , y también como fuente de luz , con un espectro de emisión .
En general, la luz que no se transmite se absorbe ; en el caso de la luz intensa, esto puede provocar un calentamiento significativo del filtro. Sin embargo, el término óptico absorbancia se refiere a la atenuación de la luz incidente, independientemente del mecanismo por el cual se atenúa. Algunos filtros, como los espejos , los filtros de interferencia o las mallas metálicas, reflejan o dispersan gran parte de la luz no transmitida.
La densidad óptica ( adimensional ) de un filtro en una longitud de onda particular de luz se define como donde T es la transmitancia (adimensional) del filtro en esa longitud de onda.
El filtrado óptico se realizó primero con celdas de vidrio llenas de líquido; [ cita requerida ] todavía se utilizan para fines especiales. La gama más amplia de selección de colores está disponible ahora en forma de filtros de película de color, originalmente hechos de gelatina animal, pero ahora generalmente de un termoplástico como acetato , acrílico , policarbonato o poliéster , según la aplicación. Fueron estandarizados para uso fotográfico por Wratten a principios del siglo XX, y también por fabricantes de gel de color para uso en teatro .
En la actualidad, existen muchos filtros absorbentes fabricados con vidrio a los que se les han añadido diversos compuestos orgánicos e inorgánicos [ cita requerida ] . Los filtros ópticos de vidrio coloreado, aunque son más difíciles de fabricar según especificaciones de transmitancia precisas, son más duraderos y estables una vez fabricados. [ cita requerida ]
Alternativamente, los filtros dicroicos (también llamados filtros "reflectivos" o "de película delgada" o "de interferencia") se pueden fabricar recubriendo un sustrato de vidrio con una serie de recubrimientos ópticos . Los filtros dicroicos generalmente reflejan la parte no deseada de la luz y transmiten el resto.
Los filtros dicroicos utilizan el principio de interferencia . Sus capas forman una serie secuencial de cavidades reflectantes que resuenan con las longitudes de onda deseadas. Otras longitudes de onda se cancelan o reflejan destructivamente a medida que los picos y valles de las ondas se superponen.
Los filtros dicroicos son especialmente adecuados para trabajos científicos de precisión, ya que su gama cromática exacta se puede controlar mediante el grosor y la secuencia de las capas. Suelen ser mucho más caros y delicados que los filtros de absorción.
Se pueden utilizar en dispositivos como el prisma dicroico de una cámara para separar un haz de luz en componentes de diferentes colores.
El instrumento científico básico de este tipo es un interferómetro Fabry-Pérot . Utiliza dos espejos para establecer una cavidad resonante. Pasan longitudes de onda que son múltiplos de la frecuencia de resonancia de la cavidad.
Los etalones son otra variante: cubos o fibras transparentes cuyos extremos pulidos forman espejos ajustados para resonar con longitudes de onda específicas. Suelen utilizarse para separar canales en redes de telecomunicaciones que utilizan multiplexación por división de longitud de onda en fibras ópticas de larga distancia .
Los filtros monocromáticos sólo permiten el paso de un rango estrecho de longitudes de onda (esencialmente un solo color).
El término "filtro infrarrojo" puede ser ambiguo, ya que puede aplicarse a filtros para pasar el infrarrojo (bloqueando otras longitudes de onda) o para bloquear el infrarrojo (solamente).
Los filtros que dejan pasar el infrarrojo se utilizan para bloquear la luz visible pero dejar pasar el infrarrojo; se emplean, por ejemplo, en fotografía infrarroja .
Los filtros de corte de infrarrojos están diseñados para bloquear o reflejar las longitudes de onda infrarrojas, pero dejar pasar la luz visible . Los filtros de infrarrojos medios se utilizan a menudo como filtros de absorción de calor en dispositivos con bombillas incandescentes brillantes (como proyectores de diapositivas y retroproyectores ) para evitar el calentamiento no deseado debido a la radiación infrarroja. También hay filtros que se utilizan en cámaras de vídeo de estado sólido para bloquear los rayos infrarrojos debido a la alta sensibilidad de muchos sensores de cámara a la luz infrarroja cercana no deseada.
Los filtros ultravioleta (UV) bloquean la radiación ultravioleta, pero dejan pasar la luz visible. Dado que las películas fotográficas y los sensores digitales son sensibles a la radiación ultravioleta (que abunda en la luz del cielo), pero el ojo humano no, esa luz, si no se filtrara, haría que las fotografías se vieran diferentes de la escena visible para las personas, por ejemplo, haciendo que las imágenes de montañas distantes se vean borrosas de manera poco natural. Un filtro que bloquea la radiación ultravioleta hace que las imágenes se acerquen más a la apariencia visual de la escena.
Al igual que con los filtros infrarrojos, existe una posible ambigüedad entre los filtros que bloquean los rayos UV y los filtros que dejan pasar los rayos UV; estos últimos son mucho menos comunes y se conocen más explícitamente como filtros que dejan pasar los rayos UV y filtros que dejan pasar la banda UV. [4]
Los filtros de densidad neutra (ND) tienen una atenuación constante en todo el rango de longitudes de onda visibles y se utilizan para reducir la intensidad de la luz al reflejar o absorber una parte de ella. Se especifican mediante la densidad óptica (OD) del filtro, que es el negativo del logaritmo común del coeficiente de transmisión . Son útiles para hacer que las exposiciones fotográficas sean más largas. Un ejemplo práctico es hacer que una cascada se vea borrosa cuando se fotografía con luz brillante. Alternativamente, el fotógrafo puede querer usar una apertura más grande (para limitar la profundidad de campo ); agregar un filtro ND permite esto. Los filtros ND pueden ser reflectantes (en cuyo caso parecen espejos parcialmente reflectantes) o absorbentes (aparecen grises o negros).
Un filtro de paso largo (LP) es un filtro de interferencia óptica o de vidrio coloreado que atenúa longitudes de onda más cortas y transmite (deja pasar) longitudes de onda más largas en el rango activo del espectro objetivo (ultravioleta, visible o infrarrojo). Los filtros de paso largo, que pueden tener una pendiente muy pronunciada (denominados filtros de borde), se describen por la longitud de onda de corte al 50 por ciento de la transmisión máxima. En microscopía de fluorescencia, los filtros de paso largo se utilizan con frecuencia en espejos dicroicos y filtros de barrera (emisión). El uso del término antiguo "paso bajo" para describir los filtros de paso largo se ha vuelto poco común; los filtros generalmente se describen en términos de longitud de onda en lugar de frecuencia, y un " filtro de paso bajo ", sin calificación, se entendería como un filtro electrónico .
Los filtros de paso de banda solo transmiten una determinada banda de longitud de onda y bloquean otras. El ancho de un filtro de este tipo se expresa en el rango de longitud de onda que deja pasar y puede ser desde mucho menos de un Ångström hasta unos pocos cientos de nanómetros. Un filtro de este tipo se puede fabricar combinando un filtro LP y un filtro SP.
Ejemplos de filtros de paso de banda son el filtro Lyot y el interferómetro Fabry-Pérot . Ambos filtros también pueden configurarse para que el usuario pueda elegir la longitud de onda central. Los filtros de paso de banda se utilizan a menudo en astronomía cuando se desea observar un determinado proceso con líneas espectrales asociadas específicas . El Telescopio Abierto Holandés [5] y el Telescopio Solar Sueco [6] son ejemplos en los que se utilizan filtros Lyot y Fabry-Pérot.
Un filtro de paso corto (SP) es un filtro de interferencia óptica o de vidrio coloreado que atenúa longitudes de onda más largas y transmite (deja pasar) longitudes de onda más cortas en el rango activo del espectro objetivo (generalmente la región ultravioleta y visible). En microscopía de fluorescencia, los filtros de paso corto se emplean con frecuencia en espejos dicromáticos y filtros de excitación.
Una clase relativamente nueva de filtros introducidos alrededor de 1990. Estos filtros son normalmente filtros en reflexión, es decir, son filtros de muesca en transmisión. Consisten en su forma más básica en una guía de ondas de sustrato y una rejilla de sublongitud de onda o matriz de agujeros 2D. Estos filtros son normalmente transparentes, pero cuando se excita un modo guiado con fugas de la guía de ondas se vuelven altamente reflectantes (un récord de más del 99% experimentalmente) para una polarización particular , orientaciones angulares y rango de longitud de onda. Los parámetros de los filtros se diseñan mediante la elección adecuada de los parámetros de la rejilla. La ventaja de estos filtros son las pocas capas necesarias para filtros de ancho de banda ultra estrecho (en contraste con los filtros dicroicos), y el desacoplamiento potencial entre el ancho de banda espectral y la tolerancia angular cuando se excita más de 1 modo.
Los filtros para longitudes de onda submilimétricas y cercanas al infrarrojo en astronomía son rejillas de malla metálica que se apilan entre sí para formar filtros LP, BP y SP para estas longitudes de onda.
Otro tipo de filtro óptico es un polarizador o filtro de polarización, que bloquea o transmite la luz según su polarización . A menudo están hechos de materiales como Polaroid y se utilizan para gafas de sol y fotografía . Los reflejos, especialmente del agua y las superficies mojadas de la carretera, están parcialmente polarizados, y las gafas de sol polarizadas bloquearán parte de esta luz reflejada, lo que permite a un pescador ver mejor debajo de la superficie del agua y una mejor visión para un conductor. La luz de un cielo azul claro también está polarizada, y los filtros ajustables se utilizan en fotografía en color para oscurecer la apariencia del cielo sin introducir colores en otros objetos, y tanto en fotografía en color como en blanco y negro para controlar los reflejos especulares de los objetos y el agua. Mucho más antiguos que gmrf (justo encima) estos primeros (y algunos todavía) utilizan malla fina integrada en la lente.
También se utilizan filtros polarizados para ver ciertos tipos de estereogramas , de modo que cada ojo verá una imagen distinta de una única fuente.
Una fuente de arco emite luz visible, infrarroja y ultravioleta que puede ser dañina para los ojos humanos. Por lo tanto, los filtros ópticos de los cascos de soldadura deben cumplir con la norma ANSI Z87:1 (una especificación para anteojos de seguridad) para proteger la visión humana.
Algunos ejemplos de filtros que proporcionarían este tipo de filtrado serían elementos de tierra incrustados o recubiertos sobre vidrio, pero en la práctica no es posible realizar un filtrado perfecto. Un filtro perfecto eliminaría longitudes de onda específicas y dejaría suficiente luz para que un trabajador pueda ver lo que está haciendo.
Un filtro de cuña es un filtro óptico construido de manera que su espesor varía de forma continua o en pasos en forma de cuña. El filtro se utiliza para modificar la distribución de intensidad en un haz de radiación. También se lo conoce como filtro variable linealmente (LVF). Se utiliza en varios sensores ópticos donde se requiere separación de longitudes de onda, por ejemplo, en sensores hiperespectrales. [7]
