Filtre (optique)

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher
Page d'aide sur l'homonymie Pour les articles homonymes, voir Filtre.

En optique, un filtre est un dispositif qui laisse passer une partie du rayonnement lumineux, sans autrement affecter son cheminement.

Les filtres sont utilisés en photographie, dans de nombreux instruments d'optique, comme ceux utilisé en astronomie, ainsi que dans l'éclairage de scène de spectacle.

On distingue quatre types de filtrage :

Filtrage par absorption[modifier | modifier le code]

Ils sont composés d'un colorant diffusé dans un support. Ces colorants absorbent certaines longueurs d'onde, l'énergie est restituée sous forme de chaleur. La couleur perçue s'explique de la même manière que pour les solutions en chimie, étudiées par la spectrométrie d'absorption.

Le support varie :

  • les filtres par absorption sont souvent fait de verres auxquels des composés organiques ou inorganiques ont été ajoutés ;
  • le support peut être en gélatine, dans lesquels des colorants organiques peuvent être dissous à basse température dans un milieu chimiquement peu actif. Les filtres en gélatine, d'une épaisseur très uniforme et optiquement homogènes, sont prévus pour s'insérer dans les faisceaux lumineux des systèmes formateurs d'images (appareils photographiques, par exemple)[2] ;
  • le support peut être en acétate de cellulose ou en une autre matière plastique, moins coûteuse que la gélatine et que le verre, dans les applications où la précision des filtres gélatine n'est pas nécessaire, comme pour colorer des faisceaux lumineux d'éclairage.

Filtrage de couleurs[modifier | modifier le code]

Ces filtres peuvent être caractérisés par leur transmittance T (fraction de l'intensité lumineuse qui passe) en fonction de la longueur d'onde. On peut aussi utiliser la notion d'absorbance, souvent appelée aussi densité (optique), A=-log(T).

Courbe de la transmittance d'un verre coloré bleu en fonction de la longueur d'onde. Il laisse passer le bleu, l'infrarouge et une part de rouge trop petite pour changer sa longueur d'onde dominante.

Ce type de filtre présente une bande passante en longueur d'onde large (plusieurs dizaines de nanomètres, sur les 300 nm de la plage des longueurs d'onde visibles). Ce ne sont donc pas des filtres sélectifs dans le sens qu'ils laissent passer un grand nombre de différentes lumières monochromatiques. Les filtres de rouge à jaune et bleus peuvent cependant avoir des indices de pureté d'excitation très élevé, dépassant les 95 %[3] aussi bien que moduler finement les couleurs, comme dans le cas des filtres correcteurs de couleur.

La figure ci-contre présente un exemple de transmittance d'un verre coloré. On remarque sur cette courbe qu'un filtre coloré laisse passer de nombreuses longueurs d'onde. Ces verres sont utilisés :

Filtres à ultraviolets[modifier | modifier le code]

Les filtres à ultraviolets, généralement en verre, apparaissent transparents, mais ils absorbent les ultraviolets, évitant le voile des pellicules photographiques par des rayons invisibles. Ils évitent le pâlissement des bleus du ciel.

Filtre à infrarouges[modifier | modifier le code]

Des filtres à infrarouge, absorbant ce rayonnement invisible, sont généralement intercalés, dans les appareils photographiques numériques, dans le flux formateur d'image juste avant le capteur, sensible aux infrarouges, afin que ceux-ci ne voilent pas l'image, et que d'éventuelles sources infrarouge dans le champ n'apparaissent pas comme des points brillants. De plus, les optiques étant généralement conçues pour corriger les aberrations chromatiques dans le domaine visible mais pas dans l'infrarouge, les filtres à infrarouge sont utilisés pour améliorer le stigmatisme des systèmes d'imagerie dont le capteur est sensible aux infrarouges.

Filtres de densité neutre[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Filtre ND.

Les filtres à densité neutre ou filtres ND sont des filtres à absoption destinés à diminuer la luminosité indépendamment de la longueur d'onde (ce n'est pas toujours exactement le cas en réalité).

Ils permettent au photographe d'augmenter le temps de pose sans modifier l'ouverture et inversement.

On les utilise aussi en laboratoire, lorsque la luminosité est trop importante pour les appareils de mesure, notamment lorsque la source lumineuse est un laser.

Filtrage de polarisation[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Polariseur.

La lumière étant une onde électromagnétique, on peut introduire sa polarisation, caractérisant l'évolution du champ électrique \vec E de cette onde en fonction du temps. Ce champ \vec E décrit généralement une ellipse. On parle donc de polarisation elliptique. Mais cette ellipse peut s'aplatir pour donner une polarisation rectiligne.

Dans le cas général, la lumière n'est pas composée d'un seul type de polarisation. C'est pourquoi on se sert de filtres permettant de sélectionner une polarisation particulière. Les plus courants sont les polariseurs : ils permettent de ne laisser passer que de la lumière polarisée rectilignement.

Pour manipuler cette polarisation on peut alors utiliser des matériaux biréfringents comme le quartz ou le spath d'Islande.

Les filtres polarisants sont d'usage courant en photographie d'extérieur, où leur densité n'est pas un obstacle. Les filtres polarisants absorbent environ les trois quarts d'une lumière non polarisée. Ils servent à rendre le bleu du ciel plus profond et à atténuer les reflets, car la lumière diffusée par le ciel et les réflexions sur les surfaces non métalliques sont polarisées. Le filtre, placé dans la position adéquate, absorbe plus ces rayonnements que le reste.

Filtres interférentiels[modifier | modifier le code]

Les filtres par réflexion sont obtenus en recouvrant leur surface avec différentes substances. Cette couche pouvant être contrôlée précisément, on utilise souvent ces filtres pour des instruments de haute précision. Ils sont cependant plus dispendieux et plus fragiles que les filtres par absorption.

Ces filtres par réflexion, contrairement aux verres colorés, permettent de sélectionner une partie du spectre lumineux beaucoup plus fine : ce sont des filtres sélectifs. La partie qui n'est pas transmise est réfléchie : ce sont des filtres dichroïques.

Ils fonctionnent sur le principe d'une cavité Fabry-Pérot : ils sont constituées de deux lames partiellement réfléchissantes. L'onde qui s'installe entre ces deux lames ne peut être constituée que de quelques longueurs d'onde bien définies. Ainsi ces filtres permettent de réduire fortement la bande passante de la lumière utilisée.

Ils sont souvent utilisés en optique afin de travailler en lumière quasi-monochromatique.

Filtres anti-caloriques[modifier | modifier le code]

Ces filtres sont utilisés afin de diminuer le transfert thermique de certaines lampes vers les instruments d'optique fragiles qui ne doivent pas trop chauffer.

Ils laissent passer la lumière visible, mais coupent le proche infrarouge, prépondérant dans les transferts thermiques.

On distingue ainsi les filtres dits miroirs chauds[4] qui réfléchissent l'infrarouge et laissent passer la lumière visible, et les filtres dits miroirs froids qui réfléchissent la lumière visible et transmettent l'infrarouge.

Filtrage spatial[modifier | modifier le code]

Article détaillé : filtrage spatial.

Le filtrage spatial consiste à sélectionner certaines fréquences de variation de la luminosité selon la position sur une ligne ou dans un plan.

Critères de qualité des filtres[modifier | modifier le code]

Les qualités exigées des filtres dépendent de leur usage. Lorsqu'ils sont dans des flux formateurs d'image, leur homogénéïté optique, leur état de surface, leur traitement antireflet multicouches, leur caractéristiques de diffusion minimale, toutes caractéristiques susceptibles d'altérer l'image, sont particulièrement importantes. Lorsqu'ils servent uniquement à contôler la lumière, comme dans les applications d'éclairage, d'autres qualités, comme la solidité, la masse, la résistance à la chaleur et le prix, entrent en jeu.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Kodak-Pathé, Filtres Kodak : pour usages scientifiques et techniques,‎ 1981 : Catalogue des filtres Wratten.
  • Schott, Optical filters,‎ 2013 (lire en ligne) — Filtres en verre.
  • Chris Weston, Filtres optiques et numériques pour la photo : techniques, savoir-faire et défis créatifs, Paris, Dunod,‎ 2010, 192 p. (ISBN 9782100543403, OCLC 708358917)

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia :

Liens externes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck,‎ 2013, p. 278.
  2. Kodak-Pathé 1981, p. 8.
  3. Filtres Wratten, éclairant D65, no 12, 15, 16, 21 à 29, 39, 47 à 50, Kodak-Pathé 1981
  4. (en) Alfred Thelen, « Design of a hot mirror: contest results », Applied Optics, vol. 35, no 25,‎ 1er septembre 1996, p. 4966-4977 (lire en ligne)