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El uso de filtros astronómicos está muy extendido tanto en el ámbito de los aficionados como de los profesionales. Un filtro, de los que trataré a continuación, es un elemento óptico, buena parte de las veces un cristal plano, que deja pasar unas longitudes de onda (colores) u otras. Mediante esta técnica de filtrado podemos rechazar buena parte del espectro electromagnético para concentrarnos en una sola banda.

Como siempre, veamos los aspectos fundamentales para poder entender el resto de la entrada. ¿Qué es el espectro electromagnético?

Toda la luz, tanto visible al ojo humano como no, está recogida en lo que llamamos espectro electromagnético. Como se vio en la entrada sobre polarimetría, la luz es una onda electromagnética, a diferente longitud de onda (picos entre dos crestas de esa longitud de onda) tendremos diferente “color” si estamos hablando de luz visible. Este espectro electromagnético recoge toda la luz, se extiende desde los rayos gamma que tienen longitudes de onda por debajo del tamaño atómico, hasta las kilométricas de las ondas de radio.

Nuestro margen de visión está centrado en un pequeño reducto del espectro electromagnético que tan sólo ocupa 400 nanómetros, es decir, tenemos un rango de sensibilidad de apenas 400 milmillonésimas de metro de longitudes de onda. Lo que da a entender que realmente nos estemos perdiendo gran parte de la luz que existe. Por encima de nuestro rango de visión se encuentra la luz infrarroja (la que da calor en las bombillas de rehabilitación) y por debajo la ultravioleta (la que nos pone morenos en la playa). Veámoslo en un gráfico de la gran web que es
XKCD

electromagnetic_spectrum

Espectro electromagnético (Fuente: XKCD)

Ahora ya podemos entender por qué el uso de filtros es sumamente importante. Cuando utilizamos un filtro estamos restringiendo el rango de “visión” a un estrecho margen, aún más estrecho que el visible si es necesario. Por ejemplo, en astronomía, que es probablemente la disciplina (junto a la interferometría) en la que más se depende de filtros muy estrictos en su rango de transparencia, es decir, de visión; con su uso podemos prácticamente eliminar la contaminación lumínica debida a las farolas y centrarnos solamente en las líneas de emisión (color en el que emite) de una nebulosa.

Me centraré en todo momento en la luz visible para simplificar los conceptos. Para conseguir esta restricción hay 4 tipos fundamentales de filtros que veremos detalladamente más adelante: filtros de color, paso ancho, interferenciales y “tunable filters”.

Filtros de color

Un filtro de color es básicamente un cristal suficientemente plano, no vale cualquier tipo de cristal, y con las caras aproximadamente paralelas entre sí. Si las caras no fuesen paralelas el cristal actuaría como dispersor y veríamos la descomposición de la luz en sus colores; y si además no son planas nos deformaría la imagen.

A este cristal planoparalelo se le aplica una serie de tintes en una o sus dos caras y un tratamiento antirreflejante en los filtros de buena calidad. Mediante la combinación de tintes se consigue dejar pasar unos colores u otros. De esta forma podemos ver “todo” de color verde, si se aplica un tinte que sólo deje pasar dicho color, azul, rojo, etc.

En cuanto al tratamiento antirreflejante, se verá con más detalle en el siguiente apartado.

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Filtro de color visto de frente y girado. Se ve como no existe cambio de tonalidad (Fuente: Elaboración propia)


Debido a que su selección de longitud de onda (colores) se basa en un tinte no existe variación de transmisión al rotar el filtro tal y como se ve en las imágenes anteriores.

Filtros de paso ancho (multicapa)

Un filtro de paso ancho es un paso intermedio entre un filtro de color y uno interferencial. Con filtro de paso ancho me estoy refiriendo en todo momento a aquellos que dejan pasar un amplio rango de longitudes de ondas, pero que funcionan por interferencia entre sus capas.

Estos filtros de paso ancho, como ya he dejado caer en el párrafo anterior, tienen un comportamiento basado en hacer interferir la luz entre distintos tratamientos que se aplica sobre todo a una de sus caras. Cuando damos un tratamiento muy específico parte de la luz se refleja en su superficie y parte se transmite. A su vez, esta luz transmitida se refleja en parte en el cristal y otra parte se transmite y es la que nos llega a nosotros. Si se aplican sucesivas capas de tintes de tal forma que se produzca interferencia entre ellas, seremos capaces de llegar a tener filtros mucho más restrictivos que los de color, aunque no hasta el punto de los interferenciales propiamente dichos.


Una forma muy fácil de identificar filtros de paso ancho con comportamiento interferencial es girándolos, tal y como se ve en la siguiente secuencia de imágenes.

UHC_1 UHC_2

UHC_3 UHC_4

UHC_5 UHC_6

Filtro interferencial tipo UHC visto en ángulos diferentes (Fuente: Elaboración propia)


Cuando rotamos un filtro de paso ancho con comportamiento interferencial su color va oscilando en función de la cantidad de capas de sustrato (tinte) que atraviese la luz. Por regla general, a mayor recorrido de la luz mayor alargamiento de la longitud de onda, es decir, mayor desplazamiento hacia tonos rojizos/rosáceos. Este comportamiento es muy poco deseable en fotografía, ya que si tenemos un objetivo/ocular de gran campo llegarán rayos de luz con una inclinación no despreciable. Estos rayos inclinados al atravesar mayor sustrato serán más absorbidos y resultará en un desplazamiento de su rango de trabajo. En otras palabras, tendremos un tinte radial en las imágenes.

Para entender mejor este comportamiento interferencial veámoslo de una forma más esquemática.


interferencial 2

Funcionamiento de un filtro multicapa (Fuente: Elaboración propia,
basado en esquema del libro de E. Hecht “Optica”)


Apoyándonos en el esquema anterior, cuando incide la luz desde el aire, primero se encuentra con una capa con índice de refracción bajo (n
B) para después atravesar una de índice de refracción alto (nA), después otra de menor y así sucesivamente hasta llegar al cristal (filtro). Como ya he comentado antes, en cada paso de un medio a otro parte de la luz se refleja y parte vuelve de nuevo al medio. Con todos estos pasos se va restringiendo la cantidad de luz que pasa hasta llegar al rango deseado.

En cada cambio de índice de refracción, se produce una reflexión parcial de la luz, cuando sumamos todas las reflexiones parciales, con la inicial tenemos un patrón interferencial. Por esto es por lo que vemos un color diferente según variamos la inclinación del filtro.

Esta metodología de recubrimiento multicapas es también la utilizada en las lentes de gafa para evitar reflejos, ya que los sucesivos pasos también mejoran la transmisión de luz del cristal sin recubrimientos, amén de los tratamientos en objetivos, oculares, telescopios, etc. . Además, como curiosidad, este tipo de tratamientos son los que se usan en los espejos dieléctricos o con recubrimiento mejorado, al interferir la luz que se refleja en el espejo con la de la superficie interior del recubrimiento se mejora sustancialmente su reflectividad final. Al producirse un patrón interferencial “se suma” la luz incidente normal con la del recubrimiento, de ahí que se produzca un aumento de la transmisión o de la reflectividad.


Interferencial

Un filtro interferencial se basa en el efecto que ya se ha descrito en el apartado anterior (filtros de paso ancho). Pero, al contrario que en los filtros de paso ancho los interferenciales su construcción se basa en el siguiente esquema:

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Funcionamiento de un filtro interferencial tipo Fabry - Perot
(Fuente: Elaboración propia)


Como se puede ver, en el montaje tenemos dos cristales planos y paralelos entre sí, separados por un medio, este medio puede estar compuesto por tratamientos antirreflejantes, aceite o inclusive aire.

Para que un filtro interferencial “funcione” lo que se hace es controlar la distancia que separan los dos cristales paralelos y el índice de refracción del medio que está situado entre ellos. Como el medio de la
interfase es normalmente fijo, lo que se hace es controlar su índice de refracción. Hablando de otra forma, como sabemos a priori el material de los cristales que componen el filtro, sólo tendremos que colocar una interfase de un índice de refracción determinado y una anchura determinada, de esta forma conseguiremos que el filtro se comporte de una forma interferencial (tal y como se ha explicado en el apartado anterior) y se filtrará exclusivamente la banda de luz (color) que nos interesa. Este funcionamiento es básicamente el de un interferómetro de Fabry - Perot*. Por tanto, cuando tenemos un filtro interferencial, lo que tenemos en las manos es un interferómetro.

Cuando conseguimos variar de forma continua tanto la interfase como la separación de sus caras tenemos un filtro sintonizable (
tunable filter). De esta forma con un único filtro podremos hacer un recorrido amplísimo en todo el espectro electromagnético y siempre con una anchura espectral muy pequeña. Un filtro de este tipo está montado en el telescopio GTC del Roque de los Muchachos (Islas Canarias).

Veamos unas imágenes de un filtro interferencial comercial no sintonizable.

interferencial_1 interferencial_2

Filtro interferencial de Edmund Optics visto por sus dos caras
(Fuente: Elaboración propia)


Por supuesto, en un mismo filtro se pueden conjugar los 3 tipos de filtros en función de nuestras necesidades.

Por poner un ejemplo aplicable a los filtros de aficionado, uno que conjuga prácticamente la totalidad de filtros vistos son los filtros para observación solar en Hα. Estos están compuestos por tres filtros diferentes:

  • Filtro ERF (Energy Rejection Filter) este filtro es del segundo tipo, su cometido es bloquear la luz ultravioleta e infrarroja que resultan dañinas para el ojo humano.
  • Étalon que está compuesto por dos superficies altamente reflectantes y una interfase, este es el filtro Hα propiamente dicho. Mediante la variación en la separación (e inclinación) de las superficies reflectantes entre sí se consigue variar el paso de banda de dicho filtro. De esta forma se consigue un mayor o menor contraste entre diferentes zonas del Sol. Este filtro es de tipo interferencial, más concretamente de Fabry - Perot.
  • Filtro de bloqueo. Este filtro lo que hace es limpiar el haz de luz que procede del filtrado del étalon ya que en todo Fabry - Perot se producen armónicos (picos de luz en otras bandas no deseadas, ruido).
Cuando se apilan dos filtros de este tipo se consigue una reducción mayor del paso de banda del étalon, de ahí que con los “double stack” comerciales se aprecien un mayor contraste y una mayor definición en los detalles de la cromosfera solar.


*Los Fabry - Perot se caracterizan por tener una altísima precisión en el paso de luz, en otras palabras, su anchura espectral (color) es muy estrecha, lo que permite una alta capacidad de selección de color, es decir, un FWHM (anchura del pico de transmisión a mitad de altura) muy pequeña, menor a 0,1 nanómetros típicamente. Estos filtros también se utilizan como cámaras de resonancia en los láser de laboratorio.

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