ترشيح ضوئي
الترشيح الضوئي optical filtering هو التقانة التي تسمح بإمرار مجال محدّد من الأطوال الموجية للأشعة الصادرة عن جسم مضيء دون غيرها أو بتوضيح وتصحيح خيال جسم مضيء تشكل عبر منظومة ضوئية، ويمكن أن تجمل هذه العمليات تحت عنوان المعالجة البصرية (الضوئية) optical processing. إن المرشحات الضوئية هي الأدوات التي تقوم بهذه العملية وهي مفيدة دائماً وقد تكون ضرورية أحياناً، فجميعنا يعرف ضرورة استخدام مرشح عند مراقبة كسوف الشمس وهي ضرورية أيضاً عند مراقبة العمليات الصناعية التي تصدر إشعاعات عالية الشدة مثل اللِّحام الكهربائي أو عند استخدام الليزر.
وتقوم المرشحات الضوئية بدور مهم الآن في بث المعلومات الضوئية لتشكيل الصور ونقلها من مكان إلى آخر، ويشبه دورها شكلياً ما تقوم به المرشحات الكهربائية في دارات النقل الإلكتروني للبث الإذاعي والتلفزيوني. وكثيراً ما توجد مرشحات مشابهة تستخدم في المجال غير المرئي مثل المجال ما تحت الأحمر أو المجال فوق البنفسجي الذي قد يصل إلى مجال الأشعة السينية. تصنف المرشحات عادة في ثلاثة أصناف رئيسية: المرشحات السعوية (أو مرشحات الكثافة) والمرشحات الحاجبة والمرشحات الطورية، وتختلف فيما بينها باختلاف آلية عملها، وقد توجد مرشحات تستخدم أكثر من صنف من هذه الأصناف.[1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
المرشحات السعوية (مرشحات الكثافة)
وتسمى أحياناً المرشحات اللونية، وهي أولى المرشحات التي استخدمت في التصوير الضوئي، وتعتمد على الامتصاص[ر] الانتقائي لبعض الألوان أو التواترات والسماح لألوان أخرى بالمرور دون امتصاص يذكر. كانت تصنع على شكل صفائح زجاجية ملونة، وذلك بإضافة بعض الشوائب الخاصة إلى الزجاج العادي. ومازالت تصنع الآن بهذا الشكل وأضيف لها مرشحات لدائنية مصبوغة. تصنع عادة في ثلاثة ألوان رئيسية: أحمر وأخضر وأزرق، تمكننا من التحكم في شدة الضوء النافذ من كل منها لنحصل على الألوان المرغوبة سواء للتصوير أو الطباعة أو الإسقاط الضوئي. وتفيد أيضاً في تصحيح صورة ما وألوانها نتيجة اختلاف حساسية مادة غشاء لوح التصوير للألوان المختلفة فتغير من توزع شدة إضاءة الجسم الأصلية، فنقوم بتصنيع مرشح مناسب يعيد الألوان إلى طبيعتها الأصلية نتيجة التحكم في توزع شدتها من جديد. ويقوم المرشح بتوهين شدات الألوان كلها بصورة متساوية، فيسمى عندئذ بالمرشح الحيادي Neutral filters، نحتاج هذا النوع من المرشحات عند ضرورة تخفيض شدة الإضاءة إلى المستوى الذي تتحمله العين مثلاً. ويصنع نوع منها للوقاية من الأشعة الحرارية التي تقع عادة في مجال ما تحت الأحمر أو للوقاية من الأشعة فوق البنفسجية، فتسمى تبعاً لذلك مرشحات باردة ومرشحات حارة.
يعتمد عمل هذه المرشحات على مقدرة امتصاصها في مجالات مختلفة. وقد يكون الوسط الذي يقوم بالامتصاص سائلاً موجوداً ضمن وعاء صلب، أو غازياً فيضاف إلى معامل امتصاص الصلب ما يقوم به السائل أو الغاز من امتصاص. وغالباً ما توجد عتبة في معامل الامتصاص للجسم الصلب تفصل بين مجالين الأول يسمح للتواترات بالمرور، أما المجال الثاني فهو ممنوع وامتصاصه عالٍ. أما في السوائل والغازات فغالباً ما تتمتع بمجالات ضيقة من الامتصاص العالي تسمى مرشحات عصابية. يظهر في (الشكل 1) ما يحدث لأشعة الشمس بعد عبورها غلاف الهواء ناظمياً، والذي يحوي بخار ماء فيعمل الجو عمل المرشح، إذ تكون الطاقة التي تحملها الأشعة الشمسية موزعة بصورة مستمرة على الأطوال الموجية قبل دخول الجو، الجزء العلوي من المنحنى، بينما تصبح موزعة بصورة تحتوي نوافذ وعصابات امتصت في الجو، أشير إليها بأسهم.
أدخل التصوير الملون إمكانية التحكم بالألوان استناداً إلى فكرة كان أول من استخدمها فورييه. تعتمد هذه الفكرة تحليل الضوء أو إذا أردنا الإشارة إلى مركباتها وشدات كل منها تبعاً لتواتراتها (لترددها)، ثم تصنع مرشحات من أفلام ملونة تعيد توزيع الشدات على التواترات فتحذف قسماً منها حذفاً كاملاً أو تضعف بعضها وتقوي بعضها الآخر، تسمى مثل هذه المرشحات مرشحات فورييه الزمانية (لاعتمادها على التواتر الذي هو مقلوب الزمن الدوري).
المرشحات الحاجبة
تحتوي هذه المرشحات مناطق عاتمة تماماً ومناطق شفافة تماماً. فتزيل المناطق العاتمة أجزاء محددة من صدر الموجة[ر] التي تسهم في تشكيل الخيال. تكون هذه المناطق صغيرة الأبعاد عادة بحيث تظهر آثار الانعراج بوضوح، فيدخل مقلوب أبعاد هذه المناطق في الحساب فتدعى تواترات مكانية spatial prequencies. ويتكون الخيال بتجميع الأشعة الصادرة عن كامل صدر الموجة أو عن كامل الجسم أولاً فنحصل على طيف التواتر المكاني، قياساً على طيف التواتر الزماني، وإذا ما أدخلنا مرشحاً حاجباً وفق نظام معين أمكن حذف بعض الآثار غير المرغوبة الناتجة عن الانعراج أو الزيوغ بأشكالها المختلفة. وإذا لم يكن المرشح مكوّناً من مناطق عاتمة أو شفافة تماماً فسيدخل في النوع الثالث وهو المرشحات الطورية.
المرشحات الطورية
هي مرشحات تعتمد على ما يحصل عند تداخل شعاعين أو أكثر قطعت مسارات ضوئية مختلفة (ثخانات ضوئية مختلفة)، فهي إما تداخلية وإمّا مكانية (انعراجية) spatial filters وإما استقطابية تعتمد ظاهرة الاستقطاب، وقد يستعمل تركيب من هذه الآليات. المرشحات التداخلية: عندما تصادف حزمة ضوئية سطحاً يفصل بين وسطين مختلفين في قرينة انكسارهما سينعكس جزء منها وينكسر جزء آخر وفق زاويتين محددتين تماماً بقانوني الانعكاس والانكسار وينتثر جزء في جميع الاتجاهات الأخرى.
تعتمد شدات الأنواع الثلاثة أو الطاقة التي تحملها كل حزمة على زاوية الورود وقرينتي الانكسار وصقالة السطح أو خشونته. وإذا كان الوسط الثاني محدداً بسطح ثان، كأن تكون صفيحة زجاجية في هواء، فسيحدث عند السطح الثاني ما حدث عند السطح الأول من انعكاس وانكسار وانتثار، لكننا نطبق التوزع الآن على الحزمة التي وصلت السطح الثاني بعد أن تكون قد عانت بعض الامتصاص عند اجتيازها الوسط الثاني. وبطبيعة الحال يجب أن يكون مجموع طاقات الأنواع المختلفة مساوياً للطاقة الواردة على السطح. ويعبر عن التوزع عادة بمعاملات مناسبة. فهناك مثلاً معامل الانعكاس أو الانعكاسية الذي هو نسبة الشدة المنعكسة إلى الشدة الواردة. وهناك معامل النفاذ الذي هو نسبة الشدة النافذة إلى الشدة الواردة، وهناك معامل الامتصاص ويستنتج معامل الانتثار عادة بطرح مجموع العوامل الداخلة من الواحد تعبيراً عن حفظ الطاقة. ويعطى معامل الانعكاس من أجل ورود ناظمي مثلاً بالعلاقة
R=(n2-n1/n2+n1)2
من أجل سطح صقيل وهو للزجاج العادي بحدود 4٪.
يمكن تغيير معامل الانعكاس لسطح معين بإلباس سطحه بطبقة رقيقة من مادة مناسبة وبثخانة معينة، وقد يكون الإلباس بعدة طبقات. إن وجود هذه الطبقة يزيد عدد السطوح، ولرقتها فإن الأشعة المنعكسة عن السطح الأول ستتداخل مع الأشعة المنعكسة عن سطحها الثاني التي تقاربها بالشدة، وتختلف عنها في المسار الذي قطعته. ويمكن أن يكون التداخل بناءً يقوي بعضها بعضاً أو هداماً يضعف بعضها بعضاً حسب فرق المسير الضوئي الذي يجعل بالمقابل نصف طول الموجة أو ربع طول الموجة. يظهر الشكل 2 تغير انعكاسية الزجاج بعد إلباسه بطبقة سمكها يقابل ربع طول الموجة من مادة قرينة انكسارها 1.38 في المجال المرئي. ويلاحظ أن الانعكاسية تقارب الصفر عند الطول الموجي 0.6 μm بينما ترتفع الانعكاسية عند المجال فوق البنفسجي. تعد هذه المميزة صفة عامة للمرشحات ذات الطبقة الواحدة، وإذا أريد إنقاص الانعكاسية لمجال من الأطوال الموجية نستخدم عدة طبقات. ونلاحظ أن اقتراب الانعكاسية من الصفر يقابله نفاذية عالية، ويظهر واضحاً بذلك معنى الترشيح.
المرشحات المكانية
ظهرت الحاجة إلى استخدام هذا النوع من المرشحات أول مرة عند تشكيل أخيلة أجسام صغيرة الأبعاد بوساطة المجهر، مما اضطر إلى تصغير فتحة المنظومة الضوئية تصغيراً يجعل ظاهرة الانعراج مؤثرة في وضوح الخيال. كان ذلك باستخدام الضوء العادي غير المترابط طورياً، سواء مكانياً أو زمانياً نتيجة الإصدار المستقل زمنياً للمصادر الضوئية وما يقابله مكانياً. أما الآن باستخدام ضوء مترابط مثل ضوء الليزر فقد جعل التأثير يمتد إلى أجسام كبيرة الأبعاد وصار ينظر إلى نقاط مختلفة من الجسم وكأنها منابع ضوئية مترابطة تبدي ظواهر انعراج وتداخل عامة، ولابد للتحكم في جودة الخيال من استخدام تحليل وترشيح يليها لتوضيح الصورة بشكل صنعي.
يعتمد التصوير العادي على توزع شدة الإضاءة في المنظر الأصلي وعلى ما تقوم به المنظومة الضوئية عند تشكيلها خيال المنظر. ويعبر عن هذه العملية عادة بدالة النقل، ويدخل فيها مميزات لوحة التصوير (أو الكاشف). ولا يؤخذ في الحسبان فروق المسارات الضوئية المختلفة بسبب عدم ترابطها. أما عندما تكون مترابطة لابد من أخذ ذلك في الحسبان وإضافة بعضها إلى بعض مع أطوارها المقابلة لفروق المسارات الضوئية. وبما أن لوحة التصوير تتأثر بالشدة فقط فلابد من إضافة متغير آخر يؤثر في الشدة ومرتبط بالطور، وهذا ما نحصل عليه عند استخدام حزمتين إحداهما مرجعية والأخرى صادرة عن الجسم، فنحصل على صورة كاملة المعلومات أو ما يسمى بالهولوغرام.
يمكن أن تدرس التأثيرات الناجمة عن الانعراج ولتكن مثلاً الآثار الناجمة عن الأهداب من المرتبة الثانية فيصنع مرشحاً يحذف هذه الآثار ويوضع أمام عدسة من عدسات المنظومة الضوئية فتقوم بتوضيح الصورة. يظهر الشكل (3) منظومة بسيطة تستخدم هذه التقنية ويظهر الشكل (4) الصورة قبل استخدام المرشح وبعده. يعبر عن هذه المعالجة عادة بالمعالجة التواتراتية المكانية بوساطة متحولة فورييه المكانية ودالة النقل فنحصل لجسم معين ونمط معين على متحولة فورييه المكانية ويرافق هذه المتحولة رياضياً متحولة فورييه العكسية وتصنع المرشحات وفق متحولات فورييه عكسية مناسبة تحذف هذه الأنماط. ويمكن أن تتم عملية المعالجة الآن بمساعدة الحواسيب التي تغذى أولاً بمعلومات عن المنظومات الضوئية المستخدمة ودوال نقلها ثم يوضع الجسم وتمسحه إشارة ضوئية تخزن نتائج المسح عبر المنظومة. وقبل إظهار النتيجة خيالاً يقوم الحاسوب بترشيح مناسب فيحذف بعض المعلومات الناتجة عن الانعراج كأن يجعل حواف الأجسام حادة أو يحذف مثلاً أثر المسح النظامي الذي تقوم به الحزمة الإلكترونية لإظهار صورة معينة على شاشة التلفاز فهذه آثار غير مرغوبة لكن معروفة الآثار يمكن حذفها بالمعالجة الضوئية.
المرشحات الاستقطابية
يمكن استخدام خاصة استقطاب الضوء لصنع مرشحات تعتمد تغير الشدة المقابلة لتغيير استقطاب الضوء. إن الضوء والأمواج الكهرطيسية عموماً أمواج عرضية، أي إنّ الاضطراب عمودي على جهة الانتشار وهو ممثل بالحقل الكهربائي.
وإذا لم يأخذ هذا الحقل اتجاهاً ثابتاً خلال انتشار الضوء سمي الضوء ضوءاً غير مستقطب أو عادياً وإلا فهو مستقطب استقطاباً خطياً أو مستوياً. ويمكن الحصول على ضوء مستقطب إما بالانعكاس وإما بالانكسار وإما بمروره عبر بلورة ومواد ذات انكسار مضاعف، وتسمى هذه الأدوات مقطَبات. ويختلف الامتصاص الضوئي لكثير من المواد مع اختلاف استقطاب هذا الضوء بينما يبدي بعضها الآخر فعالية ضوئية فتكون قادرة على تدوير مستوي الاستقطاب إما باتجاه حركة عقارب الساعة وإما عكسها. ويستفاد من هاتين الخاصتين لصنع مرشحات استقطابية، فإذا ما استخدم مقطباً مثلاً أمام حزمة ضوء عادي سمح بمرور الأشعة المستقطبة في الاتجاه الذي يحدده ويمنع مرور الأشعة المستقطبة في اتجاهات أخرى فيخفف بذلك من شدة الأشعة النافذة، وهذا ما يستخدم عادة في بعض النظارات الشمسية وزجاج بعض السيارات. كما يمكن التعرف على بعض المواد إذا ما وجدت مواد أخرى مثل الصخور المكونة من عدة مواد كيميائية. فبسبب اختلاف امتصاصها للألوان المختلفة والاستقطابات المختلفة، أو بسبب اختلاف فعاليتها الضوئية ستظهر أجزاء المواد البلورية المختلفة في مظاهر متباينة عندما تضاء بضوء مستقطب ويستخدم مقطباً آخر، لكنه يدعى الآن محللاً، للنظر من خلاله إلى الأشعة النافذة أو المنعكسة ومن ثمّ نستطيع التعرف على هذه المواد البلورية ووفرتها أو عدم وفرتها. تستخدم طريقة الترشيح هذه في المجهر الاستقطابي، كما تستخدم في التصوير الملون وفق البولارويد.
تصنع بعض المقطبات بوضع بلورات صغيرة ضمن لدائن وتوجه في اتجاهات محددة قبل تبريدها، كما يمكن أن تقطع بعض البلورات في اتجاهات محددة لتعمل مقطبات مناسبة. وقد يكون الضوء الذي أضيء به الجسم ضوءاً مستقطباً كما في حالة بعض الليزرات التي تصور ضوءاً مترابطاً ومستقطباً في آن معاً.
طالع أيضاً
- مرشح (تصوير)
- Filter (signal processing)
- Filter fluorometer
- Lyot filter
- Dichroic filter
- Dichroic prism
- Atomic line filter
- مرشح دافئ
- Machine vision optical filters
المصادر
- ^ فوزي عوض. "الترشيح الضوئي". موسوعة العربية. Retrieved 2009-04-06.
مراجع للاستزادة
- بيير فلوري وجان بول ماتيو، الفيزياء العامة والتجريبية، ترجمة: توفيق المنجد، طاهر التربدار. وجيه السمان، مطبوعات المجلس الأعلى للعلوم.