Filtro óptico

Un filtro óptico es un dispositivo que transmite selectivamente luz de diferentes longitudes de onda , generalmente implementado como una lámina de vidrio o un dispositivo de plástico en la trayectoria óptica , que están teñidos en masa o tienen recubrimientos de interferencia . Las propiedades ópticas de los filtros se describen completamente mediante su respuesta en frecuencia , que especifica cómo la magnitud y la fase de cada componente de frecuencia de una señal entrante se modifican por el filtro. ^{[ 1 ]}

Los filtros se dividen principalmente en dos categorías. El más sencillo, desde el punto de vista físico, 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 ser transparentes ; algunos utilizados para fuentes de luz pueden ser translúcidos .

Los filtros ópticos transmiten selectivamente la luz en un rango específico de longitudes de onda , es decir, colores , mientras que absorben el resto. Generalmente, 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 las más largas como las más cortas (paso banda). La banda de paso puede ser más estrecha o más ancha; la transición o corte entre la transmisión máxima y mínima puede ser abrupta o gradual. Existen filtros con características de transmisión más complejas, por ejemplo, con dos picos en lugar de una sola banda; ^{[ 2 ]} estos suelen ser diseños más antiguos, tradicionalmente utilizados en fotografía; los filtros con características más regulares se utilizan en trabajos científicos y técnicos. ^{[ 3 ]}

Los filtros ópticos se utilizan habitualmente en fotografía (donde ocasionalmente se emplean filtros de efectos especiales, además de filtros de absorción), en numerosos instrumentos ópticos y para colorear la iluminación escénica . En astronomía , se utilizan para restringir el paso de la luz 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 enmascararía la radiación infrarroja deseada. Los filtros ópticos también son esenciales en aplicaciones de fluorescencia, como la microscopía de fluorescencia y la espectroscopía de fluorescencia .

Los filtros fotográficos constituyen un caso particular de filtros ópticos, y gran parte de la información aquí presentada resulta aplicable. Los filtros fotográficos no requieren las propiedades ópticas controladas con precisión ni las curvas de transmisión definidas con exactitud de los filtros diseñados para investigación científica, y se venden en mayores cantidades a precios consecuentemente más bajos que muchos filtros de laboratorio. Algunos filtros de efectos fotográficos, como los filtros de efecto estrella, no son relevantes para la investigación científica.

En general, un filtro óptico transmite un cierto porcentaje de la luz incidente a medida que cambia la longitud de onda. Esto se mide con un espectrofotómetro . En un 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 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 produce dicha atenuación. 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 a una longitud de onda de luz particular se define como$${\displaystyle -\log _{10}T}$$donde T es la transmitancia (adimensional) del filtro en esa longitud de onda.

El filtrado óptico se realizaba inicialmente con celdas de vidrio rellenas de líquido; aún se utilizan para fines especiales. La gama más amplia de selección de color se encuentra ahora en los filtros de película de color, originalmente fabricados con gelatina animal , pero que actualmente suelen ser termoplásticos 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 geles de color para uso teatral .

Actualmente existen numerosos filtros absorbentes fabricados con vidrio al que se le han añadido diversos compuestos inorgánicos u orgánicos. Los filtros ópticos de vidrio coloreado, si bien son más difíciles de fabricar con especificaciones de transmitancia precisas, resultan más duraderos y estables una vez fabricados.

Alternativamente, se pueden fabricar filtros dicroicos (también llamados filtros reflectantes, de película delgada o de interferencia) 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 al superponerse los picos y valles de las ondas.

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 los recubrimientos. 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 crear una cavidad resonante. Permite el paso de 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 sintonizados para resonar con longitudes de onda específicas. Se utilizan a menudo para separar canales en redes de telecomunicaciones que emplean multiplexación por división de longitud de onda en fibras ópticas de larga distancia .

Los filtros monocromáticos solo permiten el paso de un rango estrecho de longitudes de onda (básicamente un solo color).

El término "filtro infrarrojo" puede resultar ambiguo, ya que puede aplicarse a filtros que dejan pasar la radiación infrarroja (bloqueando otras longitudes de onda) o que bloquean únicamente la radiación infrarroja.

Los filtros infrarrojos se utilizan para bloquear la luz visible pero dejar pasar la infrarroja; se utilizan, por ejemplo, en la fotografía infrarroja .

Los filtros de corte infrarrojo están diseñados para bloquear o reflejar las longitudes de onda infrarrojas, pero permiten el paso de la luz visible . Los filtros de infrarrojo medio 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 existen filtros que se utilizan en cámaras de vídeo de estado sólido para bloquear la radiación infrarroja 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 permiten el paso de la luz visible. Dado que las películas fotográficas y los sensores digitales son sensibles a la luz ultravioleta (abundante en la luz del cielo), pero el ojo humano no lo es, si esta luz no se filtra, las fotografías se verían diferentes de la escena visible para las personas; por ejemplo, las imágenes de montañas lejanas aparecerían borrosas de forma antinatural. Un filtro que bloquea la luz ultravioleta reproduce las imágenes de forma más fiel a la realidad.

Al igual que con los filtros infrarrojos, existe una posible ambigüedad entre los filtros que bloquean los rayos UV y los que los dejan pasar; estos últimos son mucho menos comunes y se conocen más comúnmente como filtros de paso UV y filtros de paso de banda UV. ^{[ 4 ]}

Los filtros de densidad neutra (ND) presentan una atenuación constante en todo el espectro de longitudes de onda visibles y se utilizan para reducir la intensidad de la luz al reflejarla o absorberla parcialmente. Se especifican mediante la densidad óptica (DO) del filtro, que es el negativo del logaritmo común del coeficiente de transmisión . Son útiles para alargar los tiempos de exposición fotográfica. Un ejemplo práctico es lograr que una cascada aparezca borrosa al fotografiarla con luz brillante. Alternativamente, el fotógrafo podría querer usar una apertura mayor (para limitar la profundidad de campo ); añadir un filtro ND lo permite. 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 las longitudes de onda más cortas y transmite (deja pasar) las 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 mediante 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 frecuentemente 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 ninguna especificación, se entendería como un filtro electrónico .

Los filtros de paso de banda solo transmiten una determinada longitud de onda y bloquean las demás. El ancho de banda de dicho filtro se expresa en el rango de longitudes de onda que deja pasar y puede variar desde mucho menos de un angstrom hasta unos pocos cientos de nanómetros. Este tipo de filtro se puede fabricar combinando un filtro de paso bajo (LP) y un filtro de paso único (SP).

Ejemplos de filtros de paso de banda son el filtro de Lyot y el interferómetro de Fabry-Pérot . Ambos filtros pueden ser sintonizables, de modo que el usuario puede seleccionar la longitud de onda central. Los filtros de paso de banda se utilizan con frecuencia en astronomía para observar un proceso determinado con líneas espectrales específicas asociadas . El Telescopio Abierto Holandés ^{[ 5 ]} y el Telescopio Solar Sueco ^{[ 6 ]} son ​​ejemplos donde se utilizan filtros de Lyot y Fabry-Pérot.

Un filtro de paso corto (SP) es un filtro de interferencia óptica o de vidrio coloreado que atenúa las longitudes de onda más largas y transmite (deja pasar) las 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 frecuentemente en espejos dicromáticos y filtros de excitación.

Una clase de filtros relativamente nueva, introducida alrededor de 1990. Estos filtros son normalmente filtros de reflexión, es decir, filtros de muesca en transmisión. En su forma más básica, consisten en una guía de onda de sustrato y una rejilla sublongitudinal o una matriz de orificios 2D. Estos filtros son normalmente transparentes, pero cuando se excita un modo guiado con fugas en la guía de onda, se vuelven altamente reflectantes (un récord experimental de más del 99 %) para una polarización , orientación angular y rango de longitud de onda específicos. Los parámetros de los filtros se diseñan mediante la selección adecuada de los parámetros de la rejilla. La ventaja de estos filtros radica en las pocas capas necesarias para filtros de ancho de banda ultraestrecho (a diferencia de los filtros dicroicos) y en el posible desacoplamiento entre el ancho de banda espectral y la tolerancia angular cuando se excita más de un modo.

En astronomía, los filtros para longitudes de onda submilimétricas y del infrarrojo cercano son rejillas de malla metálica que se apilan para formar filtros LP, BP y SP para estas longitudes de onda.

Otro tipo de filtro óptico es el polarizador o filtro de polarización, que bloquea o transmite la luz según su polarización . Suelen estar hechos de materiales como Polaroid y se utilizan en gafas de sol y fotografía . Los reflejos, especialmente los del agua y las superficies mojadas de la carretera, están parcialmente polarizados, y las gafas de sol polarizadas bloquean parte de esta luz reflejada, lo que permite a un pescador ver mejor debajo de la superficie del agua y a un conductor tener mejor visión. 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 objetos y agua. Mucho más antiguos que los gmrf (justo arriba), estos primeros (y algunos todavía) utilizan una malla fina integrada en la lente.

Los filtros polarizados también se utilizan para visualizar ciertos tipos de estereogramas , de modo que cada ojo vea una imagen distinta procedente 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 gafas de seguridad) para proteger la visión humana.

Algunos ejemplos de filtros que proporcionarían este tipo de filtrado serían elementos terrestres incrustados o recubiertos sobre vidrio, pero en la práctica no es posible lograr un filtrado perfecto. Un filtro perfecto eliminaría longitudes de onda específicas y dejaría pasar suficiente luz para que el trabajador pueda ver lo que está haciendo.

Un filtro de cuña es un filtro óptico construido de tal manera que su espesor varía de forma continua o escalonada en forma de cuña. El filtro se utiliza para modificar la distribución de intensidad en un haz de radiación. También se conoce como filtro de variación lineal (LVF). Se utiliza en diversos sensores ópticos donde se requiere separación de longitudes de onda, por ejemplo, en sensores hiperespectrales. ^{[ 7 ]}

• Filtro anti-aliasing
• Filtro astronómico
• Filtro de línea atómica
• Prisma dicroico
• Filtro (procesamiento de señales)
• Fluorómetro de filtro
• Filtro de Lyot
• Filtro fotográfico
• Sistema fotométrico
• Filtro Rugate
• Filtro caliente