Цветной фильтр

Цветной фильтр — это оптическое устройство или материал, предназначенный для избирательного пропускания или отражения электромагнитного излучения в определённом диапазоне длин волн видимого спектра, при одновременном ослаблении или полном подавлении излучения других длин волн. Цветные фильтры применяются для изменения спектрального состава света, выделения заданных цветовых компонентов, коррекции цветопередачи, а также в измерительных и художественных целях.

Принцип действия

Работа цветного фильтра основана на явлении избирательного поглощения (абсорбции), интерференции, дифракции или поляризации света. В зависимости от физического механизма различают абсорбционные, интерференционные, дифракционные и поляризационные фильтры.

• Абсорбционные фильтры — наиболее распространённый тип. Изготавливаются из окрашенного стекла, полимерных плёнок или желатиновых слоёв, в которые введены органические или неорганические красители. Краситель поглощает фотоны определённых энергий, переводя их в тепловую энергию или переизлучая на другой длине волны. Спектр пропускания такого фильтра определяется спектром поглощения красителя.
• Интерференционные фильтры — состоят из многослойных тонкоплёночных покрытий (диэлектрических или металлических), нанесённых на прозрачную подложку. Благодаря интерференции света на границах раздела слоёв, такие фильтры могут иметь очень узкую полосу пропускания (до нескольких нанометров) и высокую крутизну спада. Используются в спектроскопии, лазерной технике и астрономии.
• Дифракционные фильтры — основаны на дифракции света на периодических структурах (решетках). Позволяют выделять узкие спектральные линии, но менее распространены из-за сложности изготовления.
• Поляризационные фильтры — не являются цветными в классическом смысле, но в комбинации с другими элементами могут влиять на цветовой баланс (например, в ЖК-дисплеях).

Классификация

Цветные фильтры классифицируют по нескольким признакам.

По типу спектральной характеристики

• Широкополосные — пропускают широкий диапазон длин волн (например, жёлтые, оранжевые, зелёные). Часто используются для общей коррекции цветовой температуры.
• Узкополосные — пропускают лишь узкий интервал (например, 10–20 нм). Применяются в спектрофотометрии, флуоресцентной микроскопии и лазерной технике.
• Режекторные (заградительные) — блокируют определённый участок спектра, пропуская остальные. Используются, например, для подавления линии натрия в уличном освещении.
• Дихроичные — разделяют свет на два пучка с различным спектральным составом (например, в цветоделительных призмах видеокамер).

По материалу изготовления

• Стеклянные — изготавливаются из оптического стекла с добавлением оксидов металлов (кобальта, хрома, марганца, меди и др.). Отличаются высокой термостойкостью и долговечностью. Широко применяются в светофильтрах для фотоаппаратов, осветительных приборах и научных приборах.
• Полимерные (пластиковые) — изготавливаются из поликарбоната, акрила или полиэтилентерефталата с внедрёнными красителями. Дешевле стеклянных, но менее устойчивы к нагреву и ультрафиолету. Используются в светодиодных лампах, дисплеях, игрушках и декоративных целях.
• Желатиновые — тонкие плёнки на желатиновой основе, окрашенные органическими красителями. Легко режутся и монтируются, но хрупки и недолговечны. Исторически применялись в фотографии и кинематографе.
• Жидкостные — представляют собой кювету с окрашенным раствором. Используются в лабораторных условиях для точной настройки спектра.

Применение

Цветные фильтры находят применение в широком спектре областей.

Фотография и видеосъёмка

В фотографии и кинематографе цветные фильтры используются для коррекции цветовой температуры (например, конверсионные фильтры для баланса дневного и искусственного света), для усиления контраста (например, красный фильтр для неба), для создания специальных эффектов (например, фильтры с градиентом). Цифровые камеры, как правило, используют встроенные цветные фильтры на матрице (фильтр Байера), состоящие из массива красных, зелёных и синих микрофильтров.

Оптика и спектроскопия

В научных приборах (спектрофотометрах, флуориметрах, микроскопах) цветные фильтры выделяют определённые спектральные линии для анализа. Узкополосные интерференционные фильтры применяются в астрономии для наблюдения линий излучения туманностей (H-alpha, OIII, SII).

Освещение

В театральном и студийном освещении цветные фильтры (гели) используются для окрашивания светового потока. В светодиодных светильниках цветные фильтры могут применяться для коррекции спектра или создания декоративных эффектов. В автомобильной светотехнике цветные фильтры (жёлтые, красные, синие) используются для указателей поворота, стоп-сигналов и габаритных огней.

Дисплеи

В жидкокристаллических дисплеях (LCD) и органических светодиодных дисплеях (OLED) цветные фильтры являются неотъемлемой частью пиксельной структуры. Каждый пиксель состоит из трёх субпикселей (красного, зелёного и синего), каждый из которых имеет свой цветной фильтр. Без фильтров дисплей отображал бы только монохромное изображение.

Медицина и биология

В микроскопии цветные фильтры используются для повышения контраста (например, фазово-контрастные фильтры), для выделения флуоресцентных меток. В офтальмологии — в тестах на цветовосприятие (таблицы Рабкина, Ишихары).

Промышленность

В колориметрии и спектрофотометрии — для измерения цвета. В пищевой промышленности — для контроля качества продуктов. В металлургии — для анализа состава сплавов.

История

Первые цветные фильтры появились в XIX веке вместе с развитием цветной фотографии. В 1861 году Джеймс Клерк Максвелл продемонстрировал первую цветную фотографию, используя три чёрно-белых снимка, сделанных через красный, зелёный и синий фильтры. В начале XX века были разработаны первые промышленные стеклянные светофильтры (фирма Schott, Германия). В 1930-х годах появились желатиновые фильтры, а в 1960-х — интерференционные. С развитием полупроводниковой технологии в 1970–1980-х годах цветные фильтры стали неотъемлемой частью CCD- и CMOS-матриц. Современные технологии позволяют создавать фильтры с нанометровой точностью, используя методы фотолитографии и напыления.

Источники

• ГОСТ Р 8.654-2009 «ГСИ. Светофильтры. Общие технические условия».
• Бергман Л. «Физика и техника оптических фильтров». — М.: Мир, 1985.
• Заказнов Н. П. «Прикладная оптика». — М.: Машиностроение, 1988.
• «Encyclopedia of Optical Engineering» / Ed. by R. G. Driggers. — CRC Press, 2003.
• «Handbook of Optical Filters» / Ed. by J. A. Dobrowolski. — SPIE Press, 2004.