Светофильтр

Светофи́льтр

Устройство, меняющее спектральный состав и энергию падающего на него оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света). Основной характеристикой С. является спектральная зависимость его Пропускания коэффициента τ (или оптической плотности (См. Оптическая плотность) D = —lgτ), т. е. зависимость τ или D от частоты (длины волны) излучения. Селективные С. предназначены для отрезания (поглощения) или выделения каких-либо участков спектра. В сочетании с приёмниками света (См. Приёмники света) эти С. изменяют спектральную чувствительность (См. Спектральная чувствительность) приёмников. Нейтральные С. более или менее равномерно ослабляют поток излучения в определённой области спектра. Действие С. может быть основано на любом оптическом явлении, обладающем спектральной избирательностью, — на поглощении света (См. Поглощение света) (абсорбционные С.), отражении света (См. Отражение света) (отражательные С.), интерференции света (См. Интерференция света) (интерференционные С.), дисперсии света (См. Дисперсия света) (дисперсионные С.) и пр.

Наиболее распространены стеклянные абсорбционные С., которые отличаются постоянством спектральных характеристик, устойчивостью к воздействию света и температуры, высокой оптической однородностью. промышленностью выпускается более 100 марок цветных стекол для С. На рис. 1 приведены спектральные кривые пропускания некоторых из них. Используя одно, два, а иногда и три стекла и меняя их толщину, можно получать С. с разнообразными спектральными свойствами. Абсорбционные С. из окрашенной желатины и др. органических материалов применяются реже вследствие их низких механической прочности и термической устойчивости, а также довольно быстрого выцветания. Положительными качествами таких С. являются большое разнообразие спектральных характеристик и простота изготовления. Жидкостные абсорбционные С. используют сравнительно редко. К их достоинствам относится возможность изготовления в лабораторных условиях и плавное изменение характеристик С. при изменении концентраций компонентов раствора. В некоторых случаях, например для выделения ультрафиолетовой области спектра, применяют газовые абсорбционные С. Полупроводниковые С. иногда используют в инфракрасной области спектра, где они обладают резкими границами пропускания.

Отражающие селективные и нейтральные С. изготовляют нанесением металлических плёнок на кварцевую или стеклянную подложку. Селективные отражающие С. с различными кривыми отражения получают также, комбинируя слои разной толщины в многослойных диэлектрических зеркалах (см. Зеркало, Оптика тонких слоев (См. Оптика тонких слоёв)).

Интерференционные С. (один из них схематически изображен на рис. 2) состоят из двух полупрозрачных зеркал (например, слоев серебра) и помещенного между ними слоя диэлектрика оптической толщиной (См. Оптическая толщина) λ/2, λ, 3λ/2 (λ — длина волны в максимуме пропускания). В проходящем свете интерферируют лучи, непосредственно прошедшие через С. и отражённые 2, 4, 6 и более раз от полупрозрачных слоев; в отражённом свете интерферируют лучи, отражённые 1, 3, 5 и более раз. В результате в проходящем свете остаются лучи с длиной волны, равной удвоенной толщине слоя диэлектрика, а в отражённом эти лучи отсутствуют. Кривые пропускания таких С. показаны на рис. 3. Интерференционные С. выделяют узкие области спектра (до 15—20 А) с меньшими потерями света, чем абсорбционные. Их недостатком является наличие значительного фона вне полос пропускания и зависимость положения этих полос от угла падения лучей света. Интерференционно — поляризационные С., в которых используется явление интерференции поляризованных лучей, могут выделять сверхузкие спектральные области (до долей ангстрема) при полном отсутствии фона. Однако такие С. применяют редко, главным образом в астрофизических исследованиях, т. к. они представляют собой сложные оптические системы, очень чувствительные к температуре и другим внешним влияниям.

В дисперсионных С. максимум пропускания (минимум отражения) приходится на ту длину волны λ₀, для которой равны преломления показатели (См. Преломления показатель) (ПП) двух сред n₁ и n₂. Чем больше спектральное удаление от λ₀, тем больше отличаются n₁ от n₂ и тем меньше пропускание (см. Френеля формулы). Выделение спектрального интервала более эффективно, если вещество с ПП n₁ (погруженное в среду с ПП n₁) размельчить. Обычно дисперсионные С. изготовляют из порошков бесцветных стекол, залитых органическими жидкостями. Изменяя ПП жидкости, изменяют λ₀. То же происходит при изменении температуры. Высокая температурная чувствительность приводит к необходимости термостатирования дисперсионных С., что ограничивает их использование.

С. служат для выделения или устранения требуемой спектральной области в научных исследованиях, в фотометрии, спектрофотометрии, колориметрии, сочетаются почти со всеми оптическими приборами и спектральными приборами. В фотографической и кинематографической практике их применяют для уменьшения рассеяния дымкой, улучшения цветопередачи и передачи светотени, съёмки в инфракрасных лучах. В светотехнике они употребляются для сигнализации, цветного освещения, изменения цветовой температуры источников света. С. необходимы во всех случаях, когда нужно избежать нежелательного нагревательного действия инфракрасного излучения, фотохимических и иных действий ультрафиолетового излучения, либо ослабить или исправить спектральный состав видимого излучения (так, они являются основным элементом многих защитных очков (См. Очки)). Без С. невозможна инфракрасная, ультрафиолетовая и люминесцентная микроскопия. Эти примеры не исчерпывают чрезвычайного многообразия областей применения С.

Лит.: Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И., Техника и практика спектроскопии, М., 1972; Каталог цветного стекла, М., 1967; Баранов С. С., Хлудов С. В., Шпольский Э. В., Атлас спектров пропускания прозрачных окрашенных плёнок, М. — Л., 1948; Оптические материалы для инфракрасной техники, М., 1965; Крылова Т. Н., Альбом спектральных кривых коэффициентов отражения тонких непоглощающих слоев на поверхности стекла, Л., 1956; Розенберг Г. В., Оптика тонкослойных покрытий, М., 1958; Ангерер Э., Техника физического эксперимента, пер. с нем., М., 1962; Шерклифф У., Поляризованный свет, пер. с англ., М., 1965.

Т. И. Вейнберг.

Рис. 1. Спектральные кривые пропускания некоторых стеклянных абсорбционных светофильтров толщиной 3 мм. τ— коэффициент пропускания, λ— длина волны света (1 нм = 10Å). Диапазон длин волн 200—400 нм соответствует близкому ультрафиолетовому излучению, 400—700 нм — видимому излучению, 700—1200 нм — близкой инфракрасной области спектра.

Рис. 2. Схематическое изображение простейшего интерференционного светофильтра. Между двумя тонкими слоями серебра, служащими полупрозрачными зеркалами, расположен слой диэлектрика оптической толщиной λ/2 (λ — длина волны в максимуме пропускания). Для защиты от повреждений и удобства обращения светофильтр заключён между двумя стеклянными пластинками.

Рис. 3. Кривые пропускания интерференционных светофильтров с серебряными полупрозрачными зеркалами при различных значениях коэффициента отражения R серебряных слоев. τ — коэффициент пропускания. Максимум пропускания — при длине волны λ₀ = 5600 Å (560 нм).