مرشح بصري

المرشح البصري هو جهاز ينقل الضوء بشكل انتقائي بأطوال موجية مختلفة ، ويُصنع عادةً على شكل لوح زجاجي أو جهاز بلاستيكي في المسار البصري ، إما مصبوغًا في بنيته أو مطليًا بطبقات تداخل . تُوصف الخصائص البصرية للمرشحات بشكل كامل من خلال استجابتها الترددية ، والتي تحدد كيفية تعديل المرشح لسعة وطور كل مكون ترددي للإشارة الواردة. ^{[ 1 ]}

تنقسم المرشحات في الغالب إلى فئتين رئيسيتين. أبسطها من الناحية الفيزيائية هو المرشح الامتصاصي ؛ ثم هناك مرشحات التداخل أو المرشحات ثنائية اللون . تُستخدم العديد من المرشحات البصرية في التصوير البصري وتُصنع لتكون شفافة ؛ بينما يمكن أن تكون بعض المرشحات المستخدمة في مصادر الضوء شبه شفافة .

تُمرر المرشحات الضوئية الضوء بشكل انتقائي ضمن نطاق محدد من الأطوال الموجية ، أي الألوان ، بينما تمتص ما تبقى منها. وعادةً ما تسمح بمرور الأطوال الموجية الطويلة فقط (مرشح تمرير الأطوال الموجية الطويلة)، أو الأطوال الموجية القصيرة فقط (مرشح تمرير الأطوال الموجية القصيرة)، أو نطاق من الأطوال الموجية يحجب الأطوال الموجية الطويلة والقصيرة معًا (مرشح تمرير النطاق). وقد يكون نطاق التمرير أضيق أو أوسع؛ وقد يكون الانتقال أو القطع بين أقصى وأدنى نفاذية حادًا أو تدريجيًا. توجد مرشحات ذات خصائص نفاذية أكثر تعقيدًا، على سبيل المثال ذات قمتين بدلًا من نطاق واحد؛ ^{[ 2 ]} وهذه عادةً ما تكون تصاميم قديمة تُستخدم تقليديًا في التصوير الفوتوغرافي؛ أما المرشحات ذات الخصائص الأكثر انتظامًا فتُستخدم في الأعمال العلمية والتقنية. ^{[ 3 ]}

تُستخدم المرشحات البصرية على نطاق واسع في التصوير الفوتوغرافي (حيث تُستخدم أحيانًا بعض مرشحات المؤثرات الخاصة بالإضافة إلى المرشحات الامتصاصية)، وفي العديد من الأجهزة البصرية ، ولتلوين إضاءة المسرح . في علم الفلك، تُستخدم المرشحات البصرية لحصر الضوء المار في النطاق الطيفي المطلوب، على سبيل المثال، لدراسة الأشعة تحت الحمراء دون الضوء المرئي الذي قد يؤثر على الفيلم أو أجهزة الاستشعار ويُطغى على الأشعة تحت الحمراء المرغوبة. كما تُعد المرشحات البصرية ضرورية في تطبيقات التألق الضوئي، مثل مجهر التألق الضوئي وقياس طيف التألق الضوئي .

تُعدّ المرشحات الفوتوغرافية حالةً خاصةً من المرشحات البصرية، وينطبق عليها الكثير مما ورد هنا. لا تحتاج هذه المرشحات إلى خصائص بصرية دقيقة ومنحنيات نفاذية محددة بدقة كما هو الحال في المرشحات المصممة للأبحاث العلمية، ولذا تُباع بكميات أكبر وبأسعار أقل مقارنةً بالعديد من مرشحات المختبرات. بعض مرشحات التأثيرات الفوتوغرافية، مثل مرشحات تأثير النجوم، غير مناسبة للأبحاث العلمية.

بشكل عام، يسمح أي مرشح ضوئي بمرور نسبة معينة من الضوء الساقط مع تغير الطول الموجي. ويُقاس ذلك باستخدام مطياف ضوئي . وباعتبارها مادة خطية، فإن امتصاص كل طول موجي يكون مستقلاً عن وجود أطوال موجية أخرى. أما المواد غير الخطية فهي قليلة جدًا ، وتعتمد نفاذيتها على شدة الضوء الساقط ومجموع أطوال موجاته. ويمكن للمواد الفلورية الشفافة أن تعمل كمرشح ضوئي، بطيف امتصاص ، وأيضًا كمصدر ضوئي ، بطيف انبعاث .

بشكل عام، يُمتص الضوء غير النافذ ؛ وفي حالة الضوء الشديد، قد يتسبب ذلك في ارتفاع درجة حرارة المرشح بشكل ملحوظ. مع ذلك، يشير مصطلح الامتصاص البصري إلى توهين الضوء الساقط، بغض النظر عن آلية التوهين. بعض المرشحات، كالمرايا ومرشحات التداخل والشبكات المعدنية، تعكس أو تشتت جزءًا كبيرًا من الضوء غير النافذ.

تُعرَّف الكثافة الضوئية ( غير البُعدية ) للمرشح عند طول موجي معين للضوء على النحو التالي:$${\displaystyle -\log _{10}T}$$حيث T هي نفاذية المرشح (بدون أبعاد) عند ذلك الطول الموجي.

بدأ الترشيح البصري باستخدام خلايا زجاجية الجدران مملوءة بسائل، ولا تزال تُستخدم لأغراض خاصة. أما اليوم، فتتوفر أوسع تشكيلة من الألوان على شكل مرشحات أفلام ملونة، كانت تُصنع في الأصل من الجيلاتين الحيواني ، ولكنها تُصنع الآن عادةً من مواد لدن بالحرارة مثل الأسيتات أو الأكريليك أو البولي كربونات أو البوليستر ، وذلك حسب التطبيق. وقد وضع وارن معاييرها للاستخدام في التصوير الفوتوغرافي في أوائل القرن العشرين، كما قام مصنّعو جل الألوان بتوحيدها للاستخدام في المسرح .

تتوفر الآن العديد من المرشحات الامتصاصية المصنوعة من الزجاج المضاف إليه مركبات عضوية أو غير عضوية متنوعة . وعلى الرغم من صعوبة تصنيع المرشحات البصرية الزجاجية الملونة وفقًا لمواصفات النفاذية الدقيقة، إلا أنها أكثر متانة واستقرارًا بعد تصنيعها.

بدلاً من ذلك، يمكن صنع المرشحات ثنائية اللون (وتسمى أيضاً المرشحات "العاكسة" أو "الرقيقة" أو "التداخلية") عن طريق طلاء ركيزة زجاجية بسلسلة من الطلاءات البصرية . عادةً ما تعكس المرشحات ثنائية اللون الجزء غير المرغوب فيه من الضوء وتسمح بمرور الجزء المتبقي.

تعتمد المرشحات ثنائية اللون على مبدأ التداخل . تشكل طبقاتها سلسلة متتابعة من التجاويف العاكسة التي تتناغم مع الأطوال الموجية المطلوبة. أما الأطوال الموجية الأخرى فتتلاشى أو تنعكس بشكل هدام عندما تتداخل قمم وقيعان الموجات.

تُعدّ المرشحات ثنائية اللون مناسبة بشكل خاص للأعمال العلمية الدقيقة، إذ يُمكن التحكم بدقة في نطاق ألوانها من خلال سُمك طبقاتها وتسلسلها. وعادةً ما تكون أغلى ثمناً وأكثر حساسية من مرشحات الامتصاص.

يمكن استخدامها في أجهزة مثل الموشور ثنائي اللون في الكاميرا لفصل شعاع الضوء إلى مكونات ملونة مختلفة.

الجهاز العلمي الأساسي من هذا النوع هو مقياس التداخل فابري-بيرو . يستخدم مرآتين لتكوين تجويف رنيني، ويمرر أطوال موجية تكون مضاعفات لتردد رنين التجويف.

تُعدّ الإيتالونات نوعًا آخر من أنواع الألياف الضوئية: مكعبات أو ألياف شفافة تُشكّل أطرافها المصقولة مرايا مُضبوطة على الرنين مع أطوال موجية مُحدّدة. تُستخدم هذه الألياف غالبًا لفصل القنوات في شبكات الاتصالات التي تستخدم تقنية تقسيم الطول الموجي على الألياف الضوئية لمسافات طويلة .

لا تسمح المرشحات أحادية اللون إلا بمرور نطاق ضيق من الأطوال الموجية (لون واحد أساسًا).

قد يكون مصطلح "مرشح الأشعة تحت الحمراء" غامضًا، حيث يمكن تطبيقه على المرشحات التي تسمح بمرور الأشعة تحت الحمراء (مع حجب الأطوال الموجية الأخرى) أو على المرشحات التي تحجب الأشعة تحت الحمراء (فقط).

تُستخدم المرشحات التي تسمح بمرور الأشعة تحت الحمراء لحجب الضوء المرئي ولكنها تسمح بمرور الأشعة تحت الحمراء؛ وهي تُستخدم، على سبيل المثال، في التصوير بالأشعة تحت الحمراء .

صُممت مرشحات قطع الأشعة تحت الحمراء لحجب أو عكس أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء مع السماح بمرور الضوء المرئي . تُستخدم مرشحات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة غالبًا كمرشحات ماصة للحرارة في الأجهزة المزودة بمصابيح متوهجة ساطعة (مثل أجهزة عرض الشرائح وأجهزة العرض العلوي ) لمنع التسخين غير المرغوب فيه الناتج عن الأشعة تحت الحمراء. كما توجد مرشحات تُستخدم في كاميرات الفيديو ذات الحالة الصلبة لحجب الأشعة تحت الحمراء نظرًا لحساسية العديد من مستشعرات الكاميرا العالية للضوء القريب غير المرغوب فيه من الأشعة تحت الحمراء.

تحجب مرشحات الأشعة فوق البنفسجية الأشعة فوق البنفسجية، لكنها تسمح بمرور الضوء المرئي. ولأن أفلام التصوير الفوتوغرافي والمستشعرات الرقمية حساسة للأشعة فوق البنفسجية (الموجودة بكثرة في ضوء السماء)، بينما العين البشرية ليست كذلك، فإن هذا الضوء، إن لم يُرشّح، سيجعل الصور تبدو مختلفة عن المشهد المرئي، كأن يجعل صور الجبال البعيدة تبدو ضبابية بشكل غير طبيعي. يُقدّم مرشح حجب الأشعة فوق البنفسجية صورًا أقرب إلى المظهر المرئي للمشهد.

كما هو الحال مع مرشحات الأشعة تحت الحمراء، يوجد لبس محتمل بين مرشحات حجب الأشعة فوق البنفسجية ومرشحات تمريرها؛ فالأخيرة أقل شيوعاً بكثير، وتُعرف عادةً بشكل صريح باسم مرشحات تمرير الأشعة فوق البنفسجية ومرشحات تمرير نطاق الأشعة فوق البنفسجية. ^{[ 4 ]}

تتميز مرشحات الكثافة المحايدة (ND) بتوهين ثابت عبر نطاق الأطوال الموجية المرئية، وتُستخدم لتقليل شدة الضوء عن طريق عكس أو امتصاص جزء منه. ويتم تحديدها من خلال الكثافة البصرية (OD) للمرشح، وهي معكوس اللوغاريتم العشري لمعامل النفاذية . وهي مفيدة لإطالة مدة التعريض الضوئي للصور. ومن الأمثلة العملية على ذلك جعل الشلال يبدو ضبابيًا عند تصويره في ضوء ساطع. أو قد يرغب المصور في استخدام فتحة عدسة أكبر (لتقليل عمق المجال )؛ ويُتيح استخدام مرشح الكثافة المحايدة ذلك. يمكن أن تكون مرشحات الكثافة المحايدة عاكسة (وفي هذه الحالة تبدو كالمرايا العاكسة جزئيًا) أو ماصة (تظهر باللون الرمادي أو الأسود).

مرشح التمرير الطويل (LP) هو مرشح تداخل بصري أو مرشح زجاجي ملون يعمل على إضعاف الأطوال الموجية القصيرة ونقل الأطوال الموجية الطويلة ضمن النطاق النشط للطيف المستهدف (الأشعة فوق البنفسجية، أو المرئية، أو تحت الحمراء). تتميز مرشحات التمرير الطويل، التي قد يكون لها انحدار حاد جدًا (يُشار إليها بمرشحات الحافة)، بطول الموجة عند نقطة القطع عند 50% من ذروة النقل. في مجهر التألق، تُستخدم مرشحات التمرير الطويل بكثرة في المرايا ثنائية اللون ومرشحات الحاجز (الانبعاث). أصبح استخدام مصطلح "التمرير المنخفض" القديم لوصف مرشحات التمرير الطويل غير شائع؛ إذ تُوصف المرشحات عادةً من حيث الطول الموجي وليس التردد، ويُفهم من مصطلح " مرشح التمرير المنخفض " دون تحديد أنه مرشح إلكتروني .

تسمح مرشحات تمرير النطاق بمرور نطاق معين من الأطوال الموجية فقط، بينما تحجب النطاقات الأخرى. ويُقاس عرض هذا المرشح بنطاق الأطوال الموجية التي يسمح بمرورها، ويتراوح بين أقل بكثير من أنغستروم واحد إلى بضع مئات من النانومترات. ويمكن تصنيع هذا المرشح بدمج مرشح تمرير منخفض ومرشح تمرير عالي.

من أمثلة مرشحات تمرير النطاق مرشح ليوت ومقياس التداخل فابري-بيرو . يمكن ضبط كلا المرشحين بحيث يختار المستخدم الطول الموجي المركزي. تُستخدم مرشحات تمرير النطاق بكثرة في علم الفلك عند الرغبة في رصد عملية معينة ذات خطوط طيفية محددة . يُعد التلسكوب الهولندي المفتوح ^{[ 5 ]} والتلسكوب الشمسي السويدي ^{[ 6 ]} مثالين على استخدام مرشحي ليوت وفابري-بيرو.

مرشح التمرير القصير (SP) هو مرشح تداخل بصري أو مرشح زجاجي ملون يعمل على إضعاف الأطوال الموجية الطويلة ونقل (تمرير) الأطوال الموجية القصيرة ضمن النطاق النشط للطيف المستهدف (عادةً ما يكون نطاق الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي). في المجهر الفلوري، تُستخدم مرشحات التمرير القصير بكثرة في المرايا ثنائية اللون ومرشحات الإثارة.

فئة جديدة نسبياً من المرشحات ظهرت حوالي عام 1990. هذه المرشحات عادةً ما تكون مرشحات انعكاس، أي أنها مرشحات حجب في حالة النقل. تتكون في أبسط صورها من دليل موجي ركيزة وشبكة محززة ذات أبعاد دون الطول الموجي أو مصفوفة ثقوب ثنائية الأبعاد. هذه المرشحات شفافة في العادة، ولكن عند إثارة نمط موجه متسرب في الدليل الموجي، تصبح عاكسة للغاية (بنسبة تزيد عن 99% تجريبياً) عند استقطاب معين ، وزوايا محددة، ونطاق أطوال موجية معين. تُصمم معلمات هذه المرشحات باختيار معلمات الشبكة المحززة المناسبة. من مزايا هذه المرشحات قلة عدد الطبقات اللازمة للحصول على مرشحات ذات نطاق ترددي ضيق للغاية (مقارنةً بالمرشحات ثنائية اللون)، وإمكانية فصل عرض النطاق الطيفي عن التسامح الزاوي عند إثارة أكثر من نمط واحد.

المرشحات المستخدمة في علم الفلك لأطوال الموجات دون المليمترية والأشعة تحت الحمراء القريبة عبارة عن شبكات معدنية يتم تكديسها معًا لتشكيل مرشحات LP و BP و SP لهذه الأطوال الموجية.

نوع آخر من المرشحات البصرية هو مرشح الاستقطاب ، الذي يحجب الضوء أو يسمح بمروره وفقًا لاستقطابه . غالبًا ما تُصنع هذه المرشحات من مواد مثل بولارويد ، وتُستخدم في النظارات الشمسية والتصوير الفوتوغرافي . تكون الانعكاسات، خاصةً من الماء وأسطح الطرق المبللة، مستقطبة جزئيًا، وتعمل النظارات الشمسية المستقطبة على حجب جزء من هذا الضوء المنعكس، مما يسمح للصياد برؤية أفضل تحت سطح الماء، ويُحسّن رؤية السائق. يكون ضوء السماء الزرقاء الصافية مستقطبًا أيضًا، وتُستخدم المرشحات القابلة للتعديل في التصوير الملون لتغميق مظهر السماء دون إضافة ألوان إلى الأجسام الأخرى، وفي كل من التصوير الملون والأبيض والأسود للتحكم في الانعكاسات اللامعة من الأجسام والماء. هذه المرشحات أقدم بكثير من مرشحات gmrf (المذكورة أعلاه)، حيث تستخدم في البداية (ولا يزال بعضها يستخدم) شبكة دقيقة مدمجة في العدسة.

تُستخدم المرشحات المستقطبة أيضًا لعرض أنواع معينة من الصور المجسمة ، بحيث ترى كل عين صورة مميزة من مصدر واحد.

يُصدر مصدر القوس الكهربائي ضوءًا مرئيًا وأشعة تحت الحمراء وأشعة فوق بنفسجية قد تكون ضارة بالعين البشرية. لذا، يجب أن تتوافق المرشحات البصرية الموجودة على خوذات اللحام مع معيار ANSI Z87:1 (وهو معيار خاص بنظارات السلامة) لحماية البصر.

من أمثلة المرشحات التي توفر هذا النوع من الترشيح العناصر الأرضية المدمجة أو المطلية على الزجاج، ولكن عمليًا، من غير الممكن تحقيق ترشيح مثالي. المرشح المثالي هو الذي يزيل أطوال موجية محددة ويترك كمية كافية من الضوء ليتمكن العامل من رؤية ما يعمل عليه.

مرشح الوتد هو مرشح بصري مصمم بحيث يتغير سمكه بشكل مستمر أو على مراحل على شكل وتد. يُستخدم هذا المرشح لتعديل توزيع شدة الإشعاع في حزمة ضوئية. يُعرف أيضًا باسم المرشح المتغير خطيًا (LVF). يُستخدم في العديد من أجهزة الاستشعار البصرية التي تتطلب فصل الأطوال الموجية، كما هو الحال في أجهزة الاستشعار فائقة الطيف. ^{[ 7 ]}

• مرشح مضاد للتشويش
• مرشح فلكي
• مرشح الخط الذري
• منشور ثنائي اللون
• مرشح (معالجة الإشارات)
• مقياس الفلورية المرشح
• مرشح ليوت
• مرشح تصويري
• نظام قياس الضوء
• مرشح روجيت
• مرشح دافئ