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光学フィルターは、異なる波長の光を選択的に透過させる 装置であり、通常は光路内のガラス面またはプラスチックデバイスとして実装され、バルクで染色されているか、干渉コーティングが施されています。フィルターの光学特性は、その周波数応答によって完全に記述され、これは、入力信号の各周波数成分の振幅と位相がフィルターによってどのように変化するかを示します。[ 1 ]
フィルターは大きく分けて2つのカテゴリーに分類されます。物理的に最も単純なのは吸収フィルターで、次に干渉フィルターやダイクロイックフィルターがあります。光学イメージングに使用される多くの光学フィルターは透明に製造されていますが、光源に使用されるフィルターの中には半透明なものもあります。
光学フィルターは、特定の波長範囲、つまり色を選択的に透過させ、残りの光を吸収します。通常、長波長のみを透過させる（ロングパス）、短波長のみを透過させる（ショートパス）、または長波長と短波長の両方を遮断する波長帯域を透過させる（バンドパス）ことができます。透過帯域は狭くも広くもなり得ます。最大透過率と最小透過率の間の遷移またはカットオフは、急激にも緩やかにもなり得ます。単一の帯域ではなく2つのピークを持つなど、より複雑な透過特性を持つフィルターもあります。[ 2 ]これらは通常、従来写真撮影に使用されてきた古い設計です。より規則的な特性を持つフィルターは、科学技術作業に使用されます。[ 3 ]
光学フィルターは、写真撮影（吸収フィルターだけでなく、特殊効果フィルターも時折使用される）、多くの光学機器、舞台照明の色調整などに広く用いられています。天文学では、光学フィルターは、例えばフィルムやセンサーに影響を与え、目的の赤外線を覆い隠してしまう可視光を排除して赤外線を研究するなど、目的のスペクトル帯域に光を限定するために使用されます。また、蛍光顕微鏡や蛍光分光法などの蛍光応用においても、光学フィルターは不可欠です。
写真用フィルターは光学フィルターの一種であり、ここで説明する内容の多くが当てはまります。写真用フィルターは、科学研究用に設計されたフィルターのように、精密に制御された光学特性や明確に定義された透過曲線は必要とせず、多くの実験用フィルターよりも大量に、それに応じて低価格で販売されています。星空効果フィルターなど、写真用効果フィルターの中には、科学研究には適さないものもあります。
一般的に、光学フィルターは波長の変化に応じて入射光の一定割合を透過します。これは分光光度計で測定されます。線形材料の場合、各波長の吸収は他の波長の存在とは無関係です。ごく少数の材料は非線形であり、透過率は入射光の強度と波長の組み合わせに依存します。透明な蛍光材料は、吸収スペクトルを持つ光学フィルターとして、また発光スペクトルを持つ光源としても機能します。
また一般的に、透過しない光は吸収されます。強い光の場合、フィルターが著しく加熱されることがあります。ただし、光学用語の吸収率とは、入射光の減衰を指し、減衰のメカニズムは問いません。鏡、干渉フィルター、金属メッシュなどの一部のフィルターは、透過しない光の大部分を反射または散乱します。
特定の波長の光におけるフィルターの（無次元）光学的密度は次のように定義されます。ここで、Tはその波長におけるフィルターの（無次元の）透過率である。
光学フィルターは当初、液体を充填したガラス壁のセルを用いて作られ、現在でも特殊な用途で使用されています。現在では、最も幅広い色を選択できるカラーフィルムフィルターが利用可能で、元々は動物性ゼラチンから作られていましたが、現在では用途に応じて酢酸セルロース、アクリル、ポリカーボネート、ポリエステルなどの熱可塑性樹脂が一般的に使用されています。これらは20世紀初頭にWrattenによって写真撮影用として標準化され、またカラーゲルメーカーによって劇場用としても標準化されました。
現在では、様々な無機化合物や有機化合物を添加したガラス製の吸収フィルターが数多く存在する。着色ガラス製の光学フィルターは、透過率の仕様を正確に満たすように製造するのは難しいものの、一度製造されれば耐久性と安定性に優れている。
あるいは、ダイクロイックフィルター（「反射型」「薄膜型」「干渉型」フィルターとも呼ばれる）は、ガラス基板に一連の光学コーティングを施すことによって作製できる。ダイクロイックフィルターは通常、不要な光を反射し、残りの光を透過する。
ダイクロイックフィルターは干渉の原理を利用しています。その層は、目的の波長と共鳴する反射空洞を連続的に形成します。波の山と谷が重なり合うことで、他の波長は打ち消し合ったり反射したりします。
ダイクロイックフィルターは、コーティングの厚さや配列によって正確な色域を制御できるため、精密な科学研究に特に適しています。ただし、吸収フィルターに比べてはるかに高価で、取り扱いも非常に繊細です。
これらは、カメラのダイクロイックプリズムなどの装置で使用され、光線を異なる色の成分に分離するために使用される。
この種の基本的な科学機器はファブリ・ペロー干渉計です。これは2枚の鏡を用いて共振器を形成し、共振周波数の整数倍の波長の光を照射します。
エタロンは別のバリエーションで、透明な立方体または繊維で、研磨された端面が特定の波長に共鳴するように調整された鏡を形成します。これらは、長距離光ファイバー上で波長分割多重方式を使用する通信ネットワークにおいて、チャネルを分離するためによく使用されます。
単色フィルターは、狭い範囲の波長（実質的には単一の色）のみを透過させる。
「赤外線フィルター」という用語は曖昧な場合があり、赤外線を透過させる（他の波長を遮断する）フィルターにも、赤外線のみを遮断するフィルターにも適用される可能性がある。
赤外線透過フィルターは、可視光を遮断しつつ赤外線を透過させるために使用されます。例えば、赤外線写真撮影などに用いられます。
赤外線カットオフフィルターは、赤外線波長を遮断または反射し、可視光を透過するように設計されています。中赤外線フィルターは、明るい白熱電球を使用する機器（スライドプロジェクターやオーバーヘッドプロジェクターなど）において、赤外線放射による不要な発熱を防ぐための吸熱フィルターとしてよく使用されます。また、多くのカメラセンサーは不要な近赤外線に非常に敏感であるため、ソリッドステートビデオカメラで赤外線を遮断するために使用されるフィルターもあります。
紫外線（UV）フィルターは紫外線を遮断しますが、可視光線は透過させます。写真フィルムやデジタルセンサーは紫外線（空の光に豊富に含まれる）に敏感ですが、人間の目は敏感ではないため、紫外線を遮断しないと、写真が実際の景色とは異なって見えてしまいます。例えば、遠くの山々の写真が不自然にぼやけて見えるといった具合です。紫外線遮断フィルターを使用することで、実際の景色に近い画像を撮影できます。
赤外線フィルターと同様に、紫外線遮断フィルターと紫外線透過フィルターの間には潜在的な曖昧さがあります。後者ははるかに一般的ではなく、通常は紫外線透過フィルターや紫外線バンドパスフィルターとして明示的に知られています。[ 4 ]
ニュートラルデンシティ（ND）フィルターは、可視光波長範囲全体にわたって一定の減衰率を持ち、光の一部を反射または吸収することで光の強度を低下させるために使用されます。フィルターの光学濃度（OD）は、透過係数の常用対数の負の値で表されます。NDフィルターは、写真の露光時間を長くするのに役立ちます。実例としては、明るい光の下で滝を撮影する際に、滝をぼかすことが挙げられます。また、写真家はより大きな絞り値を使用したい場合（被写界深度を制限するため）、NDフィルターを追加することでそれが可能になります。NDフィルターには、反射型（その場合は部分的に反射する鏡のように見えます）と吸収型（灰色または黒色に見えます）があります。
ロングパス（LP）フィルターは、対象スペクトルの有効範囲（紫外線、可視光、または赤外線）において、短い波長を減衰させ、長い波長を透過させる光学的干渉フィルターまたは着色ガラスフィルターです。非常に急峻な傾斜を持つロングパスフィルター（エッジフィルターと呼ばれる）は、ピーク透過率の50%におけるカットオン波長で表されます。蛍光顕微鏡では、ロングパスフィルターはダイクロイックミラーやバリア（発光）フィルターで頻繁に使用されます。ロングパスフィルターを説明するために古い用語「ローパス」を使用することは一般的ではなくなりました。フィルターは通常、周波数ではなく波長で表され、特に断りのない限り「ローパスフィルター」は電子フィルターであると理解されます。
バンドパスフィルターは、特定の波長帯域のみを透過させ、それ以外の波長帯域を遮断します。このようなフィルターの幅は、透過させる波長範囲で表され、1オングストローム未満から数百ナノメートルまで様々です。このようなフィルターは、LPフィルターとSPフィルターを組み合わせることで作製できます。
バンドパスフィルターの例としては、リオフィルターとファブリ・ペロー干渉計が挙げられます。これらのフィルターはどちらも波長可変にすることができ、中心波長をユーザーが選択できます。バンドパスフィルターは、特定のスペクトル線を伴う特定のプロセスを観測したい場合に天文学でよく使用されます。オランダオープン望遠鏡[ 5 ]とスウェーデン太陽望遠鏡[ 6 ] は、リオフィルターとファブリ・ペローフィルターが使用されている例です。
ショートパス（SP）フィルターは、対象スペクトルの有効範囲（通常は紫外線および可視光領域）において、長波長を減衰させ、短波長を透過させる光学的干渉フィルターまたは着色ガラスフィルターです。蛍光顕微鏡では、ショートパスフィルターは二色性ミラーや励起フィルターによく用いられます。
1990年頃に登場した比較的新しいタイプのフィルターです。これらのフィルターは通常、反射型フィルター、つまり透過型ノッチフィルターです。最も基本的な構成は、基板導波路とサブ波長グレーティングまたは2次元ホールアレイからなります。このようなフィルターは通常は透明ですが、導波路の漏洩モードが励起されると、特定の偏光、角度方向、波長範囲において高い反射率（実験的には99%を超える記録）を示します。フィルターの特性は、グレーティングパラメータを適切に選択することで設計されます。このようなフィルターの利点は、超狭帯域フィルターに必要な層数が少ないこと（ダイクロイックフィルターとは対照的）、および複数のモードが励起された場合にスペクトル帯域幅と角度許容範囲を分離できる可能性があることです。
天文学におけるサブミリ波および近赤外線波長用のフィルターは、金属メッシュグリッドを積み重ねてLP、BP、SPフィルターを形成するものである。
もう 1 つの光学フィルターは偏光子または偏光フィルターで、光の偏光に応じて光を遮断または透過します。これらはポラロイドなどの素材で作られていることが多く、サングラスや写真撮影に使用されます。特に水面や濡れた路面からの反射は部分的に偏光しており、偏光サングラスはこの反射光の一部を遮断し、釣り人が水面下をよりよく見ることができ、ドライバーの視界も向上させます。澄んだ青空からの光も偏光しており、カラー写真では他の物体に色を付けずに空の外観を暗くするために、またカラー写真と白黒写真の両方で物体や水面からの鏡面反射を制御するために、調整可能なフィルターが使用されます。gmrf (すぐ上) よりはるか古いこれらの最初の (そして現在でも一部は) レンズに組み込まれた細かいメッシュを使用しています。
偏光フィルターは、特定の種類のステレオグラムを観察する際にも使用され、単一の光源からそれぞれの目が異なる画像を見ることができるようにします。
アーク放電は、可視光線、赤外線、紫外線を放出し、これらは人間の目に有害となる可能性があります。そのため、溶接ヘルメットの光学フィルターは、人間の視力を保護するために、ANSI Z87:1（安全メガネの規格）に適合していなければなりません。
このようなフィルタリングを実現するフィルターの例としては、ガラスに埋め込まれたりコーティングされたりした地球の元素などが挙げられますが、実際には完璧なフィルタリングは不可能です。理想的なフィルターは特定の波長を除去しつつ、作業者が作業対象を視認できるだけの光を十分に残すものです。
ウェッジフィルターは、厚さがウェッジの形状で連続的または段階的に変化するように構成された光学フィルターです。このフィルターは、放射ビームの強度分布を変更するために使用されます。線形可変フィルター（LVF）とも呼ばれます。波長分離が必要なさまざまな光学センサー、例えばハイパースペクトルセンサーで使用されます。[ 7 ]
