Filtre (optique)

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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 utilisés en astronomie, ainsi que pour l'éclairage de scène de spectacle.

On distingue quatre procédés de filtrage :

Filtrage par absorption[modifier | modifier le code]

Ces filtres sont composés d'un colorant diffusé dans un support. Ces colorants absorbent certaines longueurs d'onde ; l'énergie est restituée sous forme de chaleur. Le support varie :

  • en colorimétrie, on utilise des filtres liquides dans lequel le colorant est dissous[2] ;
  • 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)[3] ;
  • 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 du flux lumineux qui les traversent) en fonction de la longueur d'onde. On peut aussi utiliser la notion d'absorbance, souvent appelée aussi densité (optique), A=-log(T).

L'absorbance de ce type de filtre varie progressivement selon la longueur d'onde ; elle se représente sur une courbe présentant des ondulations, des bosses et des creux, plutôt que les transitions franches d'un filtre bloc donnant une couleur optimale, dont l'existence n'est que théorique. Il est parfois commode de réduire cette variation à une bande passante, en fixant un seuil d'absorbance. Cette bande passante est large de plusieurs dizaines de nanomètres, sur les 300 nm de la plage des longueurs d'onde visibles. On peut aussi caractériser ces filtres colorimétriquement par une longueur d'onde dominante et une pureté, ou par des coefficients CIE xyY. Une notice doit alors indiquer l'usage du filtre, car deux courbes de transmittance très différentes peuvent donner les mêmes caractéristiques colorimétriques.

Les filtres de rouge à jaune et bleus peuvent avoir des indices de pureté d'excitation très élevé, dépassant les 95 %[4] aussi bien que moduler finement les couleurs, comme dans le cas des filtres correcteurs de couleur, qui permettent de compenser de petites différences de température de couleur et de tendance entre les sources de lumière[5].

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.

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, en les atténuant cependant toutes.

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 infrarouges 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.

Inversement, des filtres laissant passer uniquement les infrarouges sont intercalés dans le flux lumineux en thermographie.

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 dans le domaine visible (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]

Articles détaillés : Polariseur et Lame à retard.

La lumière étant une onde électromagnétique, elle présente des propriétés de polarisation caractérisant l'évolution du champ électrique \vec E de cette onde en fonction du temps. Ce champ \vec E décrit généralement une ellipse, il prend régulièrement toutes les directions perpendiculaires à la direction de propagation. On parle donc de polarisation elliptique. Mais dans certains cas particuliers, cette ellipse peut s'aplatir pour donner une polarisation rectiligne  : le champ électrique garde alors toujours la même direction.

Les polariseurs, ou filtres polarisants, permettent de ne laisser passer que de la lumière polarisée rectilignement, quelle que soit la polarisation de la lumière incidente. Ils 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.

Les lames à retard, à l'inverse, modifient la polarisation de lumière les traversant. Par exemple, grâce à des les lames quart d'onde ou filtres quart d'onde[6], on peut obtenir une polarisation circulaire quelle que soit la polarisation de la lumière incidente. Ils sont utilisés avant les capteurs dont la réponse varie selon la polarisation.

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

Filtres dichroïques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Filtre dichroïque.

Egalement nommés filtres interférentiels, ces filtres par réflexion sont constitués d'une succession de minces couches ː leur principe repose sur l'interférence des réflexions successives sur chacun des dioptres rencontrés. Les interférences peuvent, selon l'épaisseur des couches et la longueur d'onde être constructives ou destructives. ̆̆En ce qui concerne le filtrage des couleurs, comparés aux verres colorés, ils 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. Les applications sont multiples.

  • Dans le cas des traitements antireflets les diverses réflexions interfèrent pour fortement s'atténuer. A l'inverse lorsque toutes réflexions sont en phase, on obtient des miroirs présentant un très fort facteur de réflexion.
  • Les filtres anti-caloriques sont utilisés afin de diminuer le transfert thermique de certaines lampes. Un réflecteur situé à l'arrière laisse passer les infra-rouges, tout en réfléchissant la lumière visible vers la partie à éclairer : ils sont nommés miroirs froids. A l'inverse, les miroirs chauds[7] réfléchissent l'infrarouge et laissent passer la lumière visible.
  • Le séparateur dichroïque des caméras tri-capteurs utilise ces propriétés pour orienter la lumière vers trois capteurs. Un premier filtre réfléchit les longueurs d'onde inférieures à 480 nm environ en direction d'un capteur qui délivrera le signal de la composante bleue. Le reste passe à travers pour toucher un deuxième filtre qui réfléchit les longueurs d'onde supérieures à 610 nm vers le deuxième capteur qui fournira l'information de la composante rouge. Enfin, ce qui passe atteint le capteur qui donnera la composante verte.
  • Ils sont aussi souvent utilisés en optique afin de travailler en lumière quasi-monochromatique.

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]

  • Maurice Françon, Séparation des radiations par les filtres optiques, Paris ; New York ; Barcelone, Masson,‎ 1984
  • Kodak-Pathé, Filtres Kodak : pour usages scientifiques et techniques,‎ 1981 : Catalogue des filtres Wratten.
  • 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]

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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. De même en spectrométrie d'absoption, la répartition spectrale des rayonnements qui traversent une solution donne une indication sur sa composition.
  3. Kodak-Pathé 1981, p. 8.
  4. Filtres Wratten, éclairant D65, no 12, 15, 16, 21 à 29, 39, 47 à 50, Kodak-Pathé 1981
  5. Kodak-Pathé 1981, p. 2 distingue les « filtres de conversion », les « filtres photométriques », « filtres correcteurs », selon l'importance de la correction de température de couleur et les « filtres compensateurs de couleur » pour compenser l'excès ou le manque de vert par rapport à la couleur de lumière du corps noir.
  6. Philippe Bellaïche, Les secrets de l'image vidéo, Eyrolles,‎ 2006 (ISBN 2-212-11783-3), p. 135
  7. (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)