Filtres Optiques

Terminologie des Filtres | Techniques de Fabrication | Guide de Sélection| Exemples d´Application

Introduction aux filtres optiques

Un filtre optique transmet de manière sélective une partie du spectre optique et en rejette d'autres. Les filtres optiques d'Edmund Optics sont couramment utilisés en microscopie, spectroscopie, analyse chimique et vision industrielle. Plusieurs types et niveaux de précision de filtres sont disponibles. Cette note d'application décrit les différents types de filtres d'Edmund Optics, les différentes technologies employées pour créer ces filtres, ainsi que les définitions de certaines spécifications clé.

Terminologie concernant les filtres

Bien que les filtres partagent de nombreuses spécifications avec d’autres composants optiques, il existe un certain nombre de spécifications uniques propres aux filtres devant être connues et comprises pour pouvoir déterminer le filtre le mieux adapté à votre application.

Longueur d’onde centrale (Central Wavelength, CWL)

La longueur d’onde centrale, utilisée dans la définition de filtres passe-bande, correspond au point médian de la bande spectrale sur laquelle le filtre transmet. Les Filtres Optiques à Traitement Traditionnel ont tendance à atteindre une transmission maximale à proximité de la longueur d’onde centrale, tandis que les Filtres Optiques à Traitement Dur présentent généralement un profil de transmission relativement plat le long de la bande spectrale.

Largeur de Bande

La Largeur de Bande est une gamme de longueur d'onde utilisée pour désigner une partie spécifique du spectre qui traverse l'énergie incidente au travers d'un filtre. La largeur de bande est aussi appelée la FWHM (Figure 1).

Figure 1: Illustration de la Longueur d'Onde Centrale et de la Largeur de Bande à Mi-Hauteur

Largeur à mi-hauteur (Full Width-Half Maximum, FWHM) :

La largeur à mi-hauteur désigne la bande spectrale sur laquelle un filtre passe-bande transmet. Les limites supérieure et inférieure de cette bande sont définies au niveau des longueurs d’onde où le filtre atteint 50 % de la transmission maximale. Par exemple, si la transmission maximum du filtre est de 90 %, les longueurs d’onde auxquelles le filtre atteint 45 % de transmission définissent les limites supérieure et inférieure de la largeur à mi-hauteur. Les largeurs à mi-hauteur inférieures ou égales à 10 nm sont considérées comme bandes passantes étroites et sont souvent utilisées pour les applications de nettoyage laser et de détection chimique. Les largeurs à mi-hauteur de 25 à 50 nm sont souvent utilisées dans les applications de vision industrielle. Les largeurs à mi-hauteur de plus de 50 nm sont considérées comme larges bandes et sont le plus souvent utilisées dans les applications de microscopie de fluorescence.

Figure 2: Illustration d'une Gamme de Blocage

Pente :

La pente est une spécification souvent définie sur les filtres de coupure, comme les filtres passe-bas et passe-haut, pour décrire la bande passante sur laquelle le filtre passe d’un blocage élevé à une transmission élevée. Indiquée comme pourcentage de longueur d’onde de blocage, la pente peut être spécifiée à partir d’une multitude de points de départ et de fin. Généralement, Edmund Optics définit la pente comme la distance du point de transmission à 10 % au point de transmission à 80 %. Par exemple, on attend d’un filtre passe-haut de 500 nm avec une pente d’1 % de passer d’une transmission à 10 % à une transmission à 80 % sur une bande passante de 5 nm (1 % de 500 nm).

Densité optique (Optical Density, OD) :

La densité optique désigne la quantité d’énergie bloquée ou rejetée par un filtre. Une valeur de densité optique élevée indique un niveau de transmission faible, tandis qu’une valeur de densité optique faible traduit un niveau de transmission élevé. Les densités optiques supérieures ou égales à 6 sont utilisées pour des besoins en blocage extrêmes, par exemple dans le cadre de la spectroscopie de Raman ou de la microscopie de fluorescence. Les densités optiques de 3,0 à 4,0 sont idéales pour la séparation laser et le nettoyage laser, les applications de vision industrielle et de détection chimique, tandis que les densités optiques inférieures ou égales à 2,0 sont parfaitement adaptées au tri de couleurs et à la séparation d’ordres spectraux.

Figure 3: Illustration de la Densité Optique

Filtre Dichroïque

Un Filtre Dichroïque est un type de filtre utilisé pour transmettre ou réfléchir la lumière, en fonction de la longueur d'onde. Une gamme de longueur d'onde spécifique sera transmise, tandis qu'une autre gamme sera réfléchie ou absorbée (Figure 4). Les filtres dichroïques sont habituellement utilisés pour les applications passe-haut et passe-bas.

Figure 4: Illustration d'un Filtre Dichroïque

Longueur d'Onde de Coupure Cut-On

La Longueur d'Onde de Coupure Cut-On est un terme utilisé pour désigner la longueur d'onde à partir de laquelle la transmission sera supérieure à 50 % dans un filtre passe-haut. La longueur d'onde de coupure cut-on est indiquée par λ_cut-on sur la Figure 5.

Figure 5: Illustration de la Longueur d'Onde de Coupure Cut-On

Longueur d'Onde de Coupure Cut-Off

La Longueur d'Onde de Coupure Cut-Off est un terme utilisé pour désigner la longueur d'onde à partir de laquelle la transmission sera inférieure à 50 % dans un filtre passe-bas. La longueur d'onde de coupure cut-off est indiquée par
λ_cut-off sur la Figure 6.

Figure 6: Illustration de la Longueur d'Onde de Coupure Cut-Off

TECHNIQUES DE FABRICATION D'UN FILTRE OPTIQUE

Filtres Absorbants et Dichroïques

Le large éventail de filtres optiques peuvent être divisé en deux catégories principales : absorbant et dichroïque. La différence entre les deux ne concerne pas ce qu'ils filtrent, mais comment ils le filtrent. Dans un filtre absorbant, la lumière est bloquée sur la base des propriétés d'absorption du substrat de verre utilisé. En d'autres termes, la lumière qui est bloquée ne se réfléchit pas hors du filtre, mais elle est plutôt absorbée et contenue dans le filtre. Dans les applications pour lesquelles le bruit est indésirable, un filtre absorbant est idéal. Les filtres absorbants ont également pour autre avantage de ne pas être très sensible aux angles. La lumière incidente arrivant sur le filtre peut être normale ou être déviée de quelques angles par rapport à la normale sans que le filtre ait ses propriétés de transmission et d'absorption dégradées.

Inversement, un filtre dichroïque fonctionne en réfléchissant les longueurs d'ondes indésirables, tout en transmettant la partie désirée du spectre. Dans certaines applications, il s'agit d'un effet voulu car la lumière peut être séparée par longueur d'onde en deux autres sources de lumière. Ceci est réalisé en ajoutant une ou plusieurs couches de matériaux de divers indices de réfraction, pour exploiter la nature d'interférence des ondes lumineuses. Dans les filtres interférentiels, la lumière se déplace à travers un matériau à plus faible indice et se réfléchit sur un matériau à indice plus élevé. Seule la lumière d'un certain angle et d'une certaine longueur d'onde interfèrera de manière constructive avec le faisceau entrant et traversera le matériau, tandis que toute autre lumière interfèrera de manière destructive et se réfléchira sur le matériau (Figure 7). Pour plus d'informations sur l'interférence, lire la documentation sur l' Optique 101 : Niveau 1 Fondements théoriques.

Figure 7: Dépôt de Couches Multiples de Matériaux Différents à Indice Élevé et Faible sur un Substrat de Verre

Contrairement aux filtres absorbants, les filtres dichroïques sont extrêmement sensibles aux angles. Lorsqu'ils sont utilisés à n'importe quel angle différent de leur conception première, les filtres dichroïques ne peuvent pas répondre aux spécifications initialement indiquées en matière de transmission et de longueur d'onde. En règle générale, l'augmentation de l'angle d'incidence avec un filtre dichroïque, déplacera le filtre vers des longueurs d'onde plus courtes (c.-à-d. vers des longueurs d'onde plus bleues), et la diminution de l'angle le déplacera vers des longueurs d'onde plus hautes (c.-à-d. vers des longueurs d'onde plus rouges).

Exploration des Filtres Passe-Bande Dichroïques

Les filtres passe-bande sont utilisés dans une large gamme de secteurs d'activité et peuvent être soit dichroïques, soit en substrat de couleur. Les filtres passe-bande dichroïques sont fabriqués selon deux techniques différentes : traditionnelle et par pulvérisation à haute résistance. Les deux techniques réalisent leur propriétés de transmission et de réflexion uniques par un dépôt de couches de différents matériaux à faible et haut indice de réfraction haut et faible indice, sur des substrats de verre. Selon l'application, il peut y avoir plus de 100 couches déposées sur la surface d'un substrat donné.

La différence entre les filtres traités de manière traditionnelle et les filtres traités par pulvérisation réside dans le nombre de couches de matériau sur le substrat. Avec les filtres passe-bande traités de manière traditionnelle, des couches de matériaux à indice variable sont déposées sur des substrats multiples qui sont ensuite empilés les uns sur les autres. Par exemple, imaginez l'illustration à la Figure 7 répétée jusqu'à 100 fois et même davantage. Cette technique produit un filtre épais et permet de réduire la transmission. Cette réduction de la transmission est provoquée par la lumière incidente qui traverse et est absorbée et/ou est réfléchie par plusieurs couches de substrat. Inversement, pour les filtres passe-bande par pulvérisation, des matériaux à indices variables sont déposés sur un substrat unique seulement (Figure 8). Cette technique conduit à des filtres minces à haute transmission. Pour plus d'informations sur les techniques de fabrication, lire la documentation sur l'Introduction aux Traitements Optiques. Lisez la note d'application sur Les Avantages des Traitements Durs pour vous aider à sélectionner le filtre approprié à votre application.

Figure 8: Filtre Traditionnel (Gauche) et Filtre par Pulvérisation (Droite)

TYPES DE FILTRES OPTIQUES

Pour vous aider à comprendre les similitudes et les différences entre la multitude de filtres optiques disponibles aujourd'hui, venez examiner dix catégories parmi les plus populaires. Le guide de sélection ci-dessous contient une brève description, ainsi que des images d'échantillons de produits et des courbes de performance pour faciliter la comparaison.

Guide de Sélection de Filtre Optique
Image du Filtre	Type de Filtre Optique et Courbe
	Filtres Passe-Bande [Voir la Courbe de Performance] Les filtres passe-bande ont une transmission de bande extrêmement étroite (< 2 nm à 10 nm) ou large (50 nm et 80 nm) sur tout le substrat. Ils sont particulièrement sensibles aux angles. Aussi une grande prudence doit être apportée lors du montage et de l'intégration de ces derniers dans un système optique. Des filtres par pulvérisation doivent être choisis pour optimiser la transmission des longueurs d'onde sélectionnées.
	Filtres Passe-Haut [Voir la Courbe de Performance] Les filtres passe-haut transmettent toutes les longueurs d'onde situées au-delà de la longueur d'onde de coupure cut-on spécifiée. Les filtres passe-haut comprennent les miroirs froids, les filtres de verre colorés et les filtres Thermoset ADC (moule optique en plastique).
	Filtres Passe-Bas [Voir la Courbe de Performance] Les filtres passe-bas transmettent toutes les longueurs d'onde situées au-dessous de la longueur d'onde de coupure cut-off spécifiée. Les filtres passe-bas incluent des filtres de coupure IR, des miroirs chauds, et des verres anticaloriques.
	Verres Anticaloriques [Voir la Courbe de Performance] Les verres anticaloriques transmettront la lumière du visible et absorberont le rayonnement infrarouge. L'énergie absorbée est ensuite dissipée sous forme de chaleur dans l'air, autour du verre. Un refroidissement par air forcé est généralement recommandé pour enlever l'excès de chaleur. Le verre absorbant la chaleur peut également être utilisé en tant que filtre passe-bas.
	Miroirs Froids [Voir la Courbe de Performance] Les miroirs froids sont des types de filtres dichroïques spécifiques qui sont conçus pour avoir une réflectivité élevée dans le spectre du visible, tout en maintenant une transmission élevée dans l'infrarouge. Les miroirs froids ont été conçus pour être utilisés dans toute application comportant une accumulation de chaleur pouvant causer des dommages ou des effets indésirables.
	Miroirs Chauds[Voir la Courbe de Performance] Les miroirs chauds sont des types de filtres dichroïques spécifiques qui sont conçus pour avoir une réflectivité élevée dans le spectre infrarouge et pour avoir une transmission élevée dans le visible. Les miroirs chauds sont principalement utilisés dans les systèmes de projection et d'éclairage.
	Filtres Notch[Voir la Courbe de Performance] Les filtres Notch sont conçus pour bloquer une largeur de bande pré-sélectionnée tout en transmettant toutes les autres longueurs d'onde situées dans la gamme de conception du filtre. Les filtres Notch sont utilisés pour enlever une seule longueur d'onde laser, ou à bande étroite de longueur d'onde, d'un système optique.
	Filtres Colorés[Voir la Courbe de Performance] Les filtres colorés sont fabriqués à partir de substrats ayant une absorption intrinsèquement différente et des propriétés de transmission sur une région spectrale spécifique. Les filtres colorés sont souvent utilisés comme filtres passe-haut et passe-bande. La frontière entre la transmission et le blocage est moins marquée, comparée à certains filtres traités.
	Filtres Dichroïques[Voir la Courbe de Performance] Les filtres dichroïques sont traités avec des films minces permettant d'atteindre la transmission et un pourcentage de réflexion souhaités sur un spectre donné. Ils sont souvent utilisés comme filtres colorés (à la fois additifs et soustractifs). Les filtres dichroïques sont légèrement sensibles aux angles mais sont beaucoup plus indulgents que les filtres interférentiels.
	Filtres à Densité Neutre (ND)[Voir la Courbe de Performance] Les filtres à Densité Neutre (DN) sont conçus pour réduire la transmission de façon uniforme sur toute une partie d'un spectre, ultraviolet et visible, visible, ou infrarouge. Il existe deux types de filtres ND : absorbants et réfléchissants. Le type absorbant absorbe la lumière qui n'est pas transmise par le filtre, tandis que le type réflechissant réfléchit la lumière dans la direction où elle provient. Une attention toute particulière doit être apportée lors de l'utilisation du type réfléchissant, pour veiller à ce que toute la lumière réfléchie n'interfère pas avec l'installation de l'application. Les filtres ND sont souvent utilisés pour empêcher tout éblouissement ou toute surexposition des caméras et autres détecteurs.

EXEMPLES D'APPLICATION

1^er Exemple : Imagerie Couleur

Les caméras monochromes ne peuvent pas différencier les couleurs. Cependant, l'ajout d'un filtre couleur augmente fortement le contraste entre les objets. Une bonne règle empirique est qu'un filtre couleur donné éclaircira les objets de la même couleur, tout en assombrissant les objets des couleurs opposées. Prenons un exemple dans lequel deux pilules rouges et deux pilules vertes sont reproduites avec une caméra monochrome. Les Figures 9a - 9d montrent les images réelles d'un échantillon en cours d'inspection et les différentes images données par la caméra utilisant des filtres couleur. Il est évident que sans filtre (Figure 9b), la caméra monochrome ne peut pas distinguer le rouge du vert et il serait ainsi impossible d'inspecter ces pilules dans un atelier. En utilisant un filtre rouge (Figure 9c), les objets de sa couleur opposée (c.-à-d. les pilules vertes) apparaissent grisées en raison d'un contraste d'image accru, et peuvent alors être facilement distingués par rapport aux pilules rouges. Inversement, lorsqu'on utilise un filtre vert (Figure 9d), les pilules rouges apparaissent en gris.

Figure 9a: Échantillon en Cours d'Inspection

Figure 9b: Image Reproduite sans Aucun Filtre

Figure 9c: Image Reproduite avec un Filtre Rouge

Figure 9d: Image Reproduite avec un Filtre Vert

2^ème Exemple : Spectroscopie Raman

Les résultats d'une application de spectroscopie Raman peuvent être grandement améliorés par l'utilisation de quelques filtres sélectionnés : filtre passe-bande à raie laser, filtre notch rugate, ou filtre passe-haut à raie laser. Pour obtenir les meilleurs résultats possibles, utilisez des filtres ayant des largeurs de bande aussi étroites que 1,2 nm et des densités optiques de OD 6,0. Le filtre passe-bande à raie laser est placé dans le chemin optique entre le laser et l'échantillon. Cela garantit le blocage de toute la lumière ambiante extérieure et le passage de la longueur d'onde raie laser. Une fois que la lumière incidente arrive sur l'échantillon, elle est dispersée en raison de la diffusion Raman et contient de nombreux modes ou signaux de faible intensité. Par conséquent, il devient très important de bloquer la lumière laser de haute intensité à l'aide d'un filtre notch centré aussi proche que possible sur la longueur d'onde laser. Si les modes d'excitation Raman se produisent très près de la raie laser, un filtre passe-haut raie laser peut alors être utilisé comme solution de rechange efficace. La Figure 10 illustre une configuration de spectroscopie Raman typique.

Figure 10: Configuration de la Spectroscopie Raman

Les filtres optiques sont utilisés dans une multitude d'applications qui vont au-delà des deux applications mentionnées ci-dessus : l'imagerie couleur et la spectroscopie Raman. Elles se rencontrent dans presque tous les aspects des secteurs de l'optique, d'imagerie, et de photonique. La compréhension des techniques de fabrication des filtres optiques et leur terminologie ainsi que de connaître les types de filtres disponibles aujourd'hui, permettent de choisir le meilleur filtre pour toute configuration.