광학 필터

광학 필터 또는 옵티컬 필터(optical filter)는 다양한 파장의 빛을 선택적으로 투과시키는 장치로, 일반적으로 광경로에 있는 유리판이나 플라스틱 장치로 구현되며, 자체적으로 염색되어 있거나 간섭 코팅이 되어 있다. 필터의 광학 특성은 주파수 응답으로 완전히 설명되며, 이는 들어오는 신호의 각 주파수 구성 요소의 크기와 위상이 필터에 의해 어떻게 수정되는지를 지정한다.Transmission curves of many filters for monochrome photography, Schneider, p.1  Optical Filter Design and Analysis: A Signal Processing Approach, Christi K. Madsen, Jian H. Zhao, Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Inc., ISBNs: 0-471-18373-3 (Hardback); 0-471-21375-6 (Electronic) (PDF)

필터는 주로 두 가지 범주 중 하나에 속한다. 물리적으로 가장 간단한 것은 흡수 필터이고, 다음으로 간섭 또는 이색 필터가 있다. 많은 광학 필터는 광학 이미징에 사용되며 투명하게 제조된다. 일부 광원에 사용되는 필터는 반투명할 수 있다.

광학 필터는 특정 파장 범위, 즉 색의 빛을 선택적으로 투과시키고 나머지는 흡수한다. 일반적으로 장파장만 통과(장파장 통과), 단파장만 통과(단파장 통과), 또는 특정 파장 대역만 통과시키고 더 길거나 짧은 파장은 차단(대역 통과)할 수 있다. 통과 대역은 좁거나 넓을 수 있으며, 최대 투과와 최소 투과 사이의 전환 또는 차단은 급격하거나 점진적일 수 있다. 단일 대역 대신 두 개의 피크를 갖는 등 더 복잡한 투과 특성을 가진 필터도 있다.Transmission curves of many filters for monochrome photography, Schneider. See Redhancer 491 for a very complex curve with many peaks (PDF) 이러한 필터는 일반적으로 사진에 전통적으로 사용되던 오래된 디자인이며, 보다 규칙적인 특성을 가진 필터는 과학 및 기술 작업에 사용된다.

광학 필터는 사진 (일부 특수 효과 필터와 흡수 필터가 사용되기도 함), 많은 광학 기기, 그리고 무대 조명에 색을 입히는 데 일반적으로 사용된다. 천문학에서 광학 필터는 관심 있는 스펙트럼 대역으로 빛을 제한하는 데 사용된다. 예를 들어, 필름이나 센서에 영향을 미치고 원하는 적외선을 압도할 수 있는 가시광선 없이 적외선 복사를 연구하는 데 사용된다. 광학 필터는 형광현미경 및 형광 분광학과 같은 형광 응용 분야에서도 필수적이다.

사진 필터는 광학 필터의 특정 경우이며, 여기에 있는 많은 내용이 적용된다. 사진 필터는 과학 작업을 위해 설계된 필터와 같이 정확하게 제어된 광학 특성과 정밀하게 정의된 투과 곡선을 필요로 하지 않으며, 많은 실험실 필터보다 더 많은 양이 판매되고 가격도 그에 비례하여 저렴하다. 스타 효과 필터와 같은 일부 사진 효과 필터는 과학 작업과 관련이 없다.

측정

일반적으로 주어진 광학 필터는 파장이 변함에 따라 들어오는 빛의 특정 비율을 투과시킨다. 이는 흡수 분광법에 의해 분광광도계로 측정된다. 선형 물질의 경우 각 파장의 흡수는 다른 파장의 존재와 무관하다. 극히 일부 물질은 비선형이며, 투과율은 입사광의 강도와 파장 조합에 따라 달라진다. 투명한 형광 물질은 흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼을 가진 광원으로 광학 필터 역할을 할 수 있다.

또한 일반적으로 투과되지 않는 빛은 흡수된다. 강한 빛의 경우 필터가 크게 가열될 수 있다. 그러나 광학 용어인 흡광도는 감쇠 메커니즘에 관계없이 입사광의 감쇠를 나타낸다. 거울, 간섭 필터 또는 금속 메시와 같은 일부 필터는 투과되지 않는 빛의 대부분을 반사하거나 산란시킨다.

빛의 특정 파장에서 필터의 (무차원) 광학 밀도는  와 같이 정의되는데, 여기서 는 해당 파장에서 필터의 (무차원) 투과율이다.

흡수
광학 필터링은 처음에 액체가 채워진 유리 벽 셀로 이루어졌으며, 여전히 특수 목적에 사용된다. 가장 넓은 색상 선택 범위는 현재 유색 필름 필터로 제공되며, 원래는 동물성 젤라틴으로 만들어졌지만 이제는 일반적으로 응용 분야에 따라 아세테이트, 아크릴, 폴리카보네이트, 또는 폴리에스터와 같은 열가소성 플라스틱으로 만들어진다. 이들은 20세기 초 Wratten에 의해 사진용으로, color gel 제조업체에 의해 극장용으로 표준화되었다.

현재는 다양한 무기화학 또는 유기화학 화합물이 첨가된 유리로 만든 흡수 필터가 많이 있다. 유색 유리 광학 필터는 정확한 투과율 사양에 맞춰 만들기 어렵지만, 일단 제조되면 더 내구성이 뛰어나고 안정적이다.

이색 필터

다른 방법으로는 이색 필터("반사" 또는 "박막" 또는 "간섭" 필터라고도 함)는 유리 기판에 일련의 광학 코팅을 코팅하여 만들 수 있다. 이색 필터는 일반적으로 빛의 원치 않는 부분을 반사하고 나머지를 투과시킨다.

이색 필터는 간섭 원리를 사용한다. 이들의 층은 원하는 파장과 공명하는 일련의 반사 공동을 형성한다. 다른 파장은 파동의 피크와 트로프가 겹치면서 파괴적으로 상쇄되거나 반사된다.

이색 필터는 코팅의 두께와 순서에 따라 정확한 색상 범위를 제어할 수 있으므로 정밀 과학 작업에 특히 적합하다. 일반적으로 흡수 필터보다 훨씬 비싸고 섬세하다.

이 필터는 사진기의 이색 프리즘과 같은 장치에서 광선을 다른 색상 구성 요소로 분리하는 데 사용될 수 있다.

이 유형의 기본 과학 기기는 파브리-페로 간섭계이다. 두 개의 거울을 사용하여 공명 공동을 설정한다. 이 공동의 공명 주파수의 배수인 파장을 통과시킨다.

에탈론은 또 다른 변형이다. 광택 처리된 끝부분이 특정 파장과 공명하도록 조율된 거울을 형성하는 투명한 큐브 또는 광섬유이다. 이들은 장거리 광섬유에서 파장 분할 다중화를 사용하는 통신 네트워크에서 채널을 분리하는 데 자주 사용된다.

단색
단색 필터는 좁은 범위의 파장(본질적으로 단일 색상)만 통과시킨다.

적외선
"적외선 필터"라는 용어는 적외선을 통과시키는 필터(다른 파장 차단) 또는 적외선을 차단하는 필터(적외선만)를 모두 지칭할 수 있으므로 모호할 수 있다.

적외선 통과 필터는 가시광선을 차단하지만 적외선을 통과시키는 데 사용된다. 예를 들어, 적외선 사진술에 사용된다.

적외선 차단 필터는 적외선 파장을 차단하거나 반사하지만 가시광선을 통과시키도록 설계되었다. 중적외선 필터는 종종 밝은 백열등 (예: 슬라이드 영사기 및 오버헤드 프로젝터)이 있는 장치에서 적외선 복사로 인한 원치 않는 가열을 방지하기 위한 열 흡수 필터로 사용된다. 또한 많은 카메라 센서의 원치 않는 근적외선에 대한 높은 민감도 때문에 IR을 차단하기 위해 고체 비디오 카메라에 사용되는 필터도 있다.

자외선
자외선 (UV) 필터는 자외선 복사를 차단하지만 가시광선을 통과시킨다. 사진 필름과 디지털 센서는 자외선(하늘빛에 풍부함)에 민감하지만 사람의 눈은 그렇지 않으므로, 걸러내지 않으면 사진이 사람이 보는 장면과 다르게 보일 수 있으며, 예를 들어 먼 산의 이미지가 부자연스럽게 흐릿하게 보일 수 있다. 자외선 차단 필터는 이미지를 장면의 시각적 모습에 가깝게 만든다.

적외선 필터와 마찬가지로 UV 차단 필터와 UV 통과 필터 사이에 잠재적인 모호성이 있다. 후자는 훨씬 덜 일반적이며, 일반적으로 UV 통과 필터 및 UV 대역 통과 필터로 명시적으로 알려져 있다.

ND 필터

ND(중성 밀도) 필터는 가시 파장 범위에 걸쳐 일정한 감쇠를 가지며, 빛의 일부를 반사하거나 흡수하여 빛의 강도를 줄이는 데 사용된다. 이들은 필터의 광학 밀도 (OD)로 지정되며, 이는 상용 로그의 음수값인 투과계수이다. 이는 사진 노출 시간을 길게 하는 데 유용하다. 실제적인 예로는 밝은 빛에서 폭포를 촬영할 때 흐릿하게 보이게 하는 것이다. 또는 사진가는 더 큰 조리개를 사용하고 싶을 수 있는데 (이는 피사계 심도를 제한하기 위함), ND 필터를 추가하면 이것이 가능해진다. ND 필터는 반사형(이 경우 부분적으로 반사되는 거울처럼 보임) 또는 흡수형(회색 또는 검정색으로 보임)일 수 있다.

장파장 통과
장파장 통과(LP) 필터는 대상 스펙트럼(자외선, 가시광선 또는 적외선)의 활성 범위에서 짧은 파장을 감쇠시키고 긴 파장을 투과(통과)시키는 광학 간섭 또는 유색 유리 필터이다. 매우 가파른 기울기(에지 필터라고 함)를 가질 수 있는 장파장 통과 필터는 최대 투과율의 50% 지점에서의 차단 파장으로 설명된다. 형광 현미경에서는 장파장 통과 필터가 이색성 거울과 장벽(방출) 필터에 자주 사용된다. 장파장 통과 필터를 설명하기 위해 구식 용어인 '저역 통과'를 사용하는 것은 드물어졌으며, 필터는 일반적으로 주파수보다는 파장으로 설명되며, '저역 통과 필터'는 자격 없이 전자 필터로 이해될 것이다.

대역 통과
대역 통과 필터는 특정 파장 대역만 투과시키고 다른 파장은 차단한다. 이러한 필터의 폭은 통과시키는 파장 범위로 표현되며 옹스트롬의 훨씬 작은 값부터 수백 나노미터까지 다양할 수 있다. 이러한 필터는 LP 필터와 SP 필터를 결합하여 만들 수 있다.

대역 통과 필터의 예로는 라이엇 필터와 파브리-페로 간섭계가 있다. 이 두 필터는 사용자 선택에 따라 중심 파장을 조절할 수 있도록 조절 가능한 형태로도 만들 수 있다. 대역 통과 필터는 특정 스펙트럼 선과 관련된 특정 과정을 관찰하고자 할 때 천문학에서 자주 사용된다. 네덜란드 오픈 망원경과 스웨덴 태양 망원경은 라이엇 필터와 파브리-페로 필터가 사용되는 예시이다.

단파장 통과
단파장 통과(SP) 필터는 대상 스펙트럼(보통 자외선 및 가시광선 영역)의 활성 범위에서 긴 파장을 감쇠시키고 짧은 파장을 투과(통과)시키는 광학 간섭 또는 유색 유리 필터이다. 형광 현미경에서는 이색성 거울과 여기 필터에 단파장 통과 필터가 자주 사용된다.

유도 모드 공명 필터
1990년경에 도입된 비교적 새로운 종류의 필터이다. 이 필터들은 일반적으로 반사 필터이며, 즉 투과에서 노치 필터이다. 가장 기본적인 형태는 기판 도파관과 서브파장 회절 격자 또는 2D 구멍 배열로 구성된다. 이러한 필터는 일반적으로 투명하지만, 도파관의 누설 유도 모드가 여기되면 특정 편광, 각도 방향 및 파장 범위에 대해 매우 반사성이 높아진다(실험적으로 99% 이상 기록). 필터의 매개변수는 격자 매개변수의 적절한 선택으로 설계된다. 이러한 필터의 장점은 초협대역 필터에 필요한 층이 적다는 것(이색 필터와 대조적으로), 그리고 1개 이상의 모드가 여기될 때 스펙트럼 대역폭과 각도 허용 오차 사이의 잠재적인 분리이다.

금속 망 필터

천문학에서 서브밀리미터 및 근적외선 파장용 필터는 금속 망 격자로, 이 파장용 LP, BP, SP 필터를 형성하기 위해 함께 쌓인다.

편광자
또 다른 종류의 광학 필터는 편광자 또는 편광 필터인데, 이는 빛의 편광에 따라 빛을 차단하거나 투과시킨다. 이들은 종종 폴라로이드와 같은 재료로 만들어지며 선글라스 및 사진술에 사용된다. 반사, 특히 물과 젖은 도로 표면에서의 반사는 부분적으로 편광되며, 편광 선글라스는 이 반사광의 일부를 차단하여 낚시꾼이 수면 아래를 더 잘 볼 수 있도록 하고 운전자의 시야를 개선한다. 맑은 푸른 하늘에서 오는 빛도 편광되며, 조절 가능한 필터는 컬러 사진에서 다른 물체에 색상을 도입하지 않고 하늘의 모습을 어둡게 하는 데 사용되며, 컬러 및 흑백 사진술 모두에서 물체와 물의 정반사를 제어하는 데 사용된다. g.m.r.f(바로 위)보다 훨씬 오래된 이 필터는 처음에는 (일부는 여전히) 렌즈에 통합된 미세 망을 사용한다.

편광 필터는 또한 특정 유형의 스테레오그램을 보기 위해 사용되므로, 각 눈은 단일 소스에서 별개의 이미지를 볼 수 있다.

아크 용접
아크 광원은 사람의 눈에 해로울 수 있는 가시광선, 적외선 및 자외선을 방출한다. 따라서 용접 헬멧의 광학 필터는 사람의 시력을 보호하기 위해 ANSI Z87:1 (보안경 사양)을 충족해야 한다.

이러한 종류의 필터링을 제공하는 필터의 몇 가지 예는 유리에 삽입되거나 코팅된 지구 원소일 수 있지만, 실용적으로는 완벽한 필터링을 하는 것은 불가능하다. 완벽한 필터는 특정 파장을 제거하고 작업자가 작업하는 것을 볼 수 있도록 충분한 빛을 남길 것이다.

웨지 필터
웨지 필터는 광학 필터의 일종으로, 두께가 웨지 모양으로 연속적으로 또는 단계적으로 변하도록 제작된다. 이 필터는 방사선 빔의 세기 분포를 수정하는 데 사용된다. 선형 가변 필터(LVF)라고도 한다. 파장 분리가 필요한 다양한 광학 센서, 예를 들어 초분광 센서에 사용된다.

 같이 보기 
 위신호 제거
 천문 필터
 원자선 필터
 이색 프리즘
 필터 (신호 처리)
 필터 형광계
 라이엇 필터
 필터 (사진술)
 측광계
 러게이트 필터
 따뜻한 필터

 각주