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Optische Filter
Edmund Optics GmbH

Optische Filter

Fachbegriffe für Filter | Fertigungsverfahren | Auswahlhilfe| Anwendungsbeispiele

Einführung zu optischen Filtern

Ein optischer Filter lässt selektiv einen Teil des optischen Spektrums durch und blockiert andere Teile. Die optischen Filter von Edmund Optics werden in den Bereichen Mikroskopie, Spektroskopie, chemische Analyse sowie Bildverarbeitung eingesetzt und sind in einer Vielzahl verschiedener Filtertypen und Präzisionsstufen verfügbar. In diesem Anwendungshinweis finden Sie eine Beschreibung der verschiedenen Technologien für die Herstellung von EO-Filtern, Definitionen einiger Kernspezifikationen sowie eine Beschreibung der verschiedenartigen Filter von Edmund Optics.

FACHBEGRIFFE FÜR OPTISCHE FILTER

Während Filter und andere optische Komponenten viele gemeinsame Spezifikationen aufweisen, gibt es dennoch eine Vielzahl an Spezifikationen, die einzigartig für Filter sind und die man verstehen sollte um in der Lage zu sein effektiv den besten Filter für die gewünschte Anwendung auswählen zu können.

Zentralwellenlänge (ZWL):

Die Zentralwellenlänge, die in der Charakterisierung von Bandpassfiltern verwendet wird, beschreibt den Mittelpunkt der spektralen Bandbreite über welche hinweg der Filter lichtdurchlässig ist. Bei traditionell beschichteten Filtern liegt die maximale Transmssion normalerweise nahe der Zentralwellenlänge, während hartbeschichtete Filter in Allgemeinen ein relativ flaches Transmissionsprofil über die spektrale Bandbreite haben.

Bandbreite

Der Begriff Bandbreite wird teilweise gleichbedeutend mit Halbwertsbreite verwendet und gibt an, in welchem Wellenlängenbereich ein Filter einfallendes Licht transmittiert. In manchen Fällen bezieht sich die Bandbreite auch auf das Ende der vollen Transmission, statt auf die 50 %-Punkte.

Zentralwellenlänge und Halbwertsbreite
Abb.1: Zentralwellenlänge und Halbwertsbreite

Halbwertsbreite (Full-Width-Half Maximum (FWHM)):

Die Halbwertsbreite beschreibt die spektrale Bandbreite über welche ein Bandpassfilter lichtdurchlässig ist. Die obere und untere Grenze der Bandbreite ist als die Wellenlänge definiert, bei welcher der Filter 50% der maximalen Transmission aufweist. Beträgt die maximale Transmission des Filters beispielsweise 90%, dann beschreibt die Wellenlänge bei welcher der Filter 45% Transmission aufweist die obere und untere Grenze der Halbwertsbreite. Halbwertsbreiten von 10 nm oder weniger werden als engbandig bezeichnet und häufig zur Aufreinigung von Laserlinien oder zum Nachweis chemischer Substanzen verwendet. Halbwertsbreiten von 25 - 50 nm werden häufig in Bildverarbeitungsanwendungen verwendet., während Halbwertsbreiten größer als 50 nm als breitbandig bezeichnet werden und typischerweise in der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt werden.

Zentralwellenlänge und Halbwertsbreite

Blockungsbereich

Der Blockungsbereich ist der Wellenlängenbereich, in dem der Filter das einfallende Licht definiert abschwächt (Abb.2). Der Grad der Blockung wird in der Regel als optische Dichte angegeben.

Blockungsbereich
Abb.2: Blockungsbereich

 

Steigung:

Die Steigung ist eine Spezifikation, die häufig für Kantenfilter angegeben wird, um die Bandbreite über welche der Filter von hoher Blockung zu hoher Transmission übergeht zu definieren. Die Steigung wird normalerweise als ein Prozentsatz der Grenzwellenlänge angegeben und kann von einer Vielzahl an Anfangs- und Endpunkten ausgehend spezifiziert werden. Bei Edmund Optics wird die Steigung typischerweise als Abstand vom Punkt bei dem die Transmission 10% beträgt bis zum Punkt an dem diese auf 80% ansteigt spezifiziert. Beispielsweise würde man bei einem 500 nm Langpassfilter mit 1% Steigung einen Übergang von 10% zu 80% Transmission über eine Bandbreite von 5 nm erwarten.

Optische Dichte

Die Optische Dichte beschreibt die Menge an Energie, die von einem Filter blockiert oder reflektiert wird. Ein hoher Wert zeigt eine geringe Transmission an, und eine geringe optische Dichte eine hohe Transmission. Optische Dichten von 6,0 oder mehr werden für Anwendungen verwendet bei denen eine extreme Blockung nötig ist, wie bei der Raman Spektroskopie oder Fluoreszenzmikroskopie. Optische Dichten von 3,0 - 4,0 sind ideal für die Trennung von Laserlinien oder deren Aufreinigung, Bildverarbeitungsanwendungen und zum Nachweis chemikalischer Substanzen geeignet, während optische Dichten von 2,0 oder weniger bestens zur Farbsortierung und Trennung von Spektralordnungen geeignet sind.

Optische Dichte
Abb.3: Optische Dichte

 

(1)$$ \text{Percent Transmission} = T = 10^{-\text{OD}} \times 100 \% $$
(2)$$ \text{OD} = - \log{\left(\frac{T}{100 \%} \right)} $$

Dichroitische Filter

Ein dichroitischer Filter ist ein Filter zur Transmission und Reflexion von Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge; Licht einer bestimmten Wellenlänge wird durchgelassen, Licht eines anderen Bereichs reflektiert (Abb.4). Dichroitische Filter werden häufig als Langpass- und Kurzpassfilter eingesetzt.

Beschichtung eines dichroitischen Filters
Abb.4: Beschichtung eines dichroitischen Filters

 

Cut-On-Wellenlänge eines Langpassfilters

Als "Cut-On-Wellenlänge" wird die Grenzwellenlänge eines Langpassfilters bezeichnet, bei der die Transmission 50% erreicht (λcut-on in Abb.5).

Obere Grenzwellenlänge
Abb.5: Obere Grenzwellenlänge

Cut-Off-Wellenlänge eines Kurzpassfilters

Als "Cut-Off-Wellenlänge" wird die Grenzwellenlänge eines Kurzpassfilters bezeichnet, bei der die Transmission auf 50 % abfällt (λcut-off in Abb.6).

Untere Grenzwellenlänge
Abb.6: Untere Grenzwellenlänge

 

Fertigungsverfahren für optische Filter

Im Allgemeinen absorbieren Filter unerwünschtes Licht durch Zugabe von gefärbtem Glass oder Farbstoffen, oder sie reflektieren dieses mit Hilfe von Interferenzbeschichtungen. Für die meisten Filter die EO anbietet werden speziell konziperte Interferenzbeschichtungen und ausgewählte Materialien verwendet, um das gewünschte Transmissionsprofil und Leistung zu erhalten. Hartbeschichtete optische Filter bestehen aus einem einzelnen Substrat mit dichten Beschichtungen und exzellenter optischer Leistung. Sie sind ideal für Anwendungen geeignet, welche hohe Präzision und Integration in OEM-Systeme erfordern, da sie auf die Anforderungen an Haftung, Verschleiß, Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die im MIL-C-48497A festgelegt sind, ausgelegt sind. Traditionell beschichtete optische Filter bestehen normalerweise aus mehreren Schichten absorbierender Materialien, Interferenzbeschichtungen und metallischen Schichten, die zusammen laminiert werden, um einen günstigen, effizienten Filter zu erhalten. Die Komplexität solcher Zusammenbauten schränkt jedoch die optische Leistung und die Beständigkeit der Filter gegenüber Umwelteinflüssen ein. Nichtsdestotrotz sind traditionell bschichtete Filter ideal für die Labor- und analytische Instrumentation geeignet. Farbglasfilter und andere absorbierende Filter wie Plastik Filter und Wratten Filter, enthalten Elemente, Komponenten, Farbstoffe oder andere Färbemittel im Ausgangssubstrat, um die Spektraleigenschaften des Filters zu beeinflussen. Die resultierenden Filter sind recht preisgünstig, haben aber weniger wünschenswerte optische Eigenschaften, als vergleichbare beschichtete Filter. Absorbierende Filter werden typischerweise in Beleuchtungs- und Sensorikanwendungen verwendet.

Absorbierende und dichroitische Filter

Die Vielfalt der optischen Filter lässt sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: Absorptionsfilter und dichroitische Filter. Der Unterschied zwischen den beiden Varianten liegt in der Art der Blockung. Bei einem Absorptionsfilter wird Licht vom verwendeten Glas absorbiert und in innere Energie, bzw. Wärme, umgewandelt. Absorptionsfilter sind ideal für Anwendungen, bei denen Rauschen durch unerwünschtes Licht ein Problem ist. Absorptionsfilter haben außerdem den Vorteil, dass die Blockung nicht winkelabhängig ist. Das Licht kann in einem breiten Winkelbereich auf den Filter fallen, und trotzdem behält der Filter seine Transmissions- und Absorptionseigenschaften.

Ein dichroitischer Filter dagegen reflektiert unerwünschte Wellenlängen und lässt den gewünschten Teil des Spektrums durch. So können beide Wellenlängenbereiche getrennt voneinander genutzt werden, was in vielen Anwendungen hilfreich ist. Erreicht wird dies durch die Beschichtung des Filters. Diese besteht aus einer oder mehreren dünnen Schichten aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Die entstehenden Teilreflektionen interferieren gezielt und unterdrücken, für bestimmte Wellenlängenbereiche, die Reflektion oder Transmission (siehe Abb.7). Weitere Informationen über Interferenz finden Sie unter Optik 101: Stufe 1, Theoretische Grundlagen.

Mehrlagige dichroitische Filterbeschichtung
Abb.7: Mehrlagige dichroitische Filterbeschichtung

Im Gegensatz zu Absorptionsfiltern sind dichroitische Filter extrem winkelabhängig. Fällt Licht auf dichroitische Filter mit einem anderen Einfallswinkel als in der Konstruktion vorgesehen, verändern sich die effektiven Schichtdicken und damit auch die Designwellenlänge. Somit können dichroitische Filter die angegebenen Spezifikationen für Transmission und Wellenlänge nicht einhalten, wenn der Einfallswinkel nicht stimmt. Als Faustregel gilt, dass bei einem größereren Einfallswinkel die Designwellenlänge sinkt, und bei einem niedrigereren Einfallswinkel steigt. Zudem kann sich eine zunehmende Polarisationsabhängigkeit ergeben.

Dichroitische Bandpassfilter

Bandpassfilter werden in vielen Anwendungen eingesetzt und können entweder als dichroitische Filter oder als Farbglasfilter ausgeführt sein. Dichroitische bzw. beschichtete Bandpassfilter werden wiederum in zwei Varianten unterschieden: konventionell bedampfte Filter und gesputterte, bzw. hart beschichtete Filter. Bei beiden Verfahren werden die spezifischen Transmissions- und Reflexionseigenschaften durch Abscheidung mehrerer Materialschichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex auf Glassubstraten erreicht. Je nach Anwendung können 100 oder mehr Lagen auf einer einzigen Substratoberfläche abgeschieden werden.

Der Unterschied zwischen konventionell beschichteten Filtern und hart beschichteten Filtern liegt in der Anzahl der Substratschichten. Bei konventionell beschichteten Bandpassfiltern werden mehrere Substrate beschichtet, die dann hintereinander angeordnet werden. Dieses Verfahren ergibt einen dicken Filter mit eingeschränkter Transmission. Diese reduzierte Transmission wird dadurch verursacht, dass das einfallende Licht von mehreren Substratschichten absorbiert bzw. reflektiert wird. Bei hart beschichteten Bandpassfiltern dagegen, können nahezu beliebig viele Schichten auf ein einziges Substrat aufgetragen werden. Es ist nicht notwendig, mehrere zu verwenden. Dieses Verfahren ergibt dünnere Filter mit hoher Transmission. Abbildung 8 zeigt die Unterschiede der beiden Varianten auf. Zusätzliche Informationen zu den Herstellungsverfahren finden Sie unter: Einführung zu optischen Beschichtungen. Im Anwendungshinweis Vorteile von harten Beschichtungen finden Sie nähere Informationen zur Auswahl des richtigen Filters für Ihre Anwendung.

Konventioneller Filter (links) und hart beschichteter Filter (rechts)
Abb.8: Konventioneller Filter (links) und hart beschichteter Filter (rechts)

FILTER FÜR JEDEN EINSATZZWECK

Um die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den vielen heute angebotenen Filtern zu erläutern, stellen wir die zehn wichtigsten Varianten vor. Die folgende Auswahlhilfe enthält eine Kurzbeschreibung, Abbildungen von Beispielprodukten sowie Kennlinien, die den Vergleich erleichtern sollen.

Auswahlhilfe für optische Filter
MusterbildFiltertyp – Beispielkurve
Bandpassfilter Bandpassfilter [Kurve anzeigen]
Bandpassfilter haben ein definiertes Transmissionsband und blocken das übrige Licht. Je nach Verwendungszweck können die Filter sehr schmalbandig (< 2 - 10 nm) oder auch breitbandig (50 - 80 nm) sein. Sie sind besonders winkelabhängig, daher müssen diese Filter besonders sorgfältig ausgerichtet werden, egal in welchem optischen System. Wenn eine möglichst hohe Transmission wichtig ist, dann sollten auf jeden Fall hart beschichtete Filter eingesetzt werden.
Langpassfilter Langpassfilter [Kurve anzeigen]
Langpassfilter lassen alle Wellenlängen durch, die länger sind als die angegebene Designwellenlänge. Zu dieser Kategorie gehören auch Kaltlichtspiegel, verschiedene Farbglasfilter und Thermoset Kunststoff-Filter.
Kurzpassfilter Kurzpassfilter [Kurve anzeigen]
Kurzpassfilter lassen alle Wellenlängen durch, die kürzer sind als die angegebene Designwellenlänge. Zu dieser Kategorie gehören auch IR-Sperrfilter, Infrarotspiegel und Wärmeschutzglas.
Wärmeschutzgläser Wärmeschutzgläser [Kurve anzeigen]
Wärmeschutzgläser lassen sichtbares Licht durch und absorbieren Infrarotstrahlung. Die absorbierte Energie wird dann als Wärme an die Luft hinter dem Glas abgegeben. Um eine zu hohe Wärmeentwicklung zu vermeiden, wird in der Regel ein Kühlgebläse empfohlen. Wärmeschutzglas kann auch als Kurzpassfilter eingesetzt werden.
Kaltlichtspiegel Kaltlichtspiegel [Kurve anzeigen]
Kaltlichtspiegel sind spezielle dichroitische Filter mit hoher Reflexion im sichtbaren Spektrum und hoher Transmission im Infrarotspektrum. Kaltlichtspiegel eignen sich für alle Anwendungen, bei denen durch Wärmestau Schäden oder Nebenwirkungen verursacht werden können.
Infrarotspiegel Infrarotspiegel[Kurve anzeigen]
Infrarotspiegel sind spezielle dichroitische Filter mit hoher Reflexion im Infrarotspektrum und hoher Transmission im sichtbaren Spektrum. Infrarotspiegel werden vor allem in Projektor- und Beleuchtungssystemen eingesetzt.
Notchfilter Notchfilter [Kurve anzeigen]
Notchfilter blocken ein bestimmtes Spektralband und transmittieren alle anderen Wellenlängen im Auslegungsbereich des Filters. Notchfilter werden verwendet, um eine einzelne Laserwellenlänge bzw. ein schmales Band an Wellenlängen in einem optischen System zu entfernen.
Farbglasfilter Farbglasfilter [Kurve anzeigen]
Farbglasfilter werden aus Substraten mit unterschiedlichen Absorptions- und Transmissionseigenschaften gefertigt. Farbglasfilter sind als Langpass- und Bandpassfilter erhältlich. Der Übergang zwischen Transmission und Blockung ist weniger steil als bei beschichteten Filtern.
Dichroitische Filter Dichroitische Filter [Kurve anzeigen]
Dichroitische Filter werden beschichtet, um die gewünschten Transmissions- und Reflexionseigenschaften in einem bestimmten Spektrum zu erhalten. Sie werden oft als additive oder subtraktive Farbfilter eingesetzt. Dichroitische Filter zeigen zwar ebenfalls eine Winkelabhängigkeit, aber nicht so stark ausgeprägt, wie bei manch anderen Interferenzfiltern.
Neutraldichtefilter (ND-Filter) Neutraldichtefilter (ND-Filter) [Kurve anzeigen]
Neutraldichtefilter (ND-Filter) sollen die Transmission, in einem bestimmten Wellenlängenbereich, gleichmäßig abschwächen. Erhältlich sind ND-Filter für das ultraviolette, sichtbare und infrarote Spektrum. Es gibt zwei Arten von Neutraldichtefiltern: Absorptionsfilter und Reflexionsfilter. Der Absorptionsfilter absorbiert das Licht, das nicht durch den Filter durchgelassen wird, der Reflexionsfilter reflektiert das Licht. Bei der Verwendung von Reflexionsfiltern müssen Sie besonders darauf achten, dass das reflektierte Licht nicht die Anwendungs stört. Neutraldichtefilter werden oft verwendet, um den Blooming-Effekt und eine Überbelichtung bei Kameras und anderen Detektoren zu verhindern.

Anwendungsbeispiele

Beispiel 1: Besserer Kontrast durch Farbfilter

Monochrome Kameras können systembedingt keine Farben unterscheiden. Durch Einsatz eines passenden Farbfilters wird der Kontast zwischen den Objekten jedoch deutlich erhöht. Ein bestimmter Farbfilter stellt die Objekte in der gleichen Farbe heller dar, während Objekte mit der Komplementärfarbe dunkler erscheinen. Die Abbildungen 9a - 9d zeigen ein Beispiel mit zwei roten und zwei grünen Pillen, die mit einer monochromen Kamera und verschiedenen Farbfiltern aufgenommen wurden. Es ist deutlich zu erkennen, dass ohne Filter (Abb.9b) die monochrome Kamera nicht zwischen rot und grün unterscheiden kann. In einer Fabrik wäre es so nicht möglich, diese Pillen zu prüfen. Wird dagegen ein Rotfilter verwendet (Abb.9c), werden Objekte in der Komplementärfarbe (d. h. die grünen Pillen) aufgrund des höheren Bildkonstrasts grau dargestellt und können leicht von den roten Pillen unterschieden werden. Wird dagegen ein Grünfilter verwendet (Abb.9d), kehrt sich der Helligkeitseindruck gerade um.

Kontrastverstärkung: Zu prüfende Probe
Abb.9a: Kontrastverstärkung: Zu prüfende Probe
Kontrastverstärkung: Kein Filter
Abb.9b: Kontrastverstärkung: Kein Filter
Kontrastverstärkung: Rotfilter
Abb.9c: Kontrastverstärkung: Rotfilter
Kontrastverstärkung: Grünfilter
Abb.9d: Kontrastverstärkung: Grünfilter

 

Beispiel 2: Raman-Spektroskopie

Die Ergebnisse der Raman-Spektroskopie können durch Einsatz einiger bestimmter Filter deutlich verbessert werden: Laserlinienbandpassfilter, Notchfilter oder Laserlinienlangpassfilter. Um die besten Ergebnisse zu erreichen, sollten Sie Filter mit Bandbreiten von maximal 1,2 nm und optischen Dichten OD 6.0 verwenden. Der Laserlinienbandpassfilter wird im Strahlengang zwischen Laser und Probe platziert. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass externes Umgebungslicht geblockt wird und nur Licht mit der exakten Laserwellenlänge zur Probe gelangt. Durch die Raman-Streuung in der Probe wird die Wellenlänge des Lichts leicht verschoben und es entstehen viele verschiedene Lichtsignale mit äußerst geringer Intensität. Daher muss das sehr helle Laserlicht durch einen Notchfilter geblockt werden, der so genau wie möglich auf die Laserwellenlänge abgestimmt ist. Wenn die Ramanverschiebung sehr klein ist und das entstehende Signal sehr dicht an der Laserlinie liegt, kann ein Laserlinien-Langpassfilter als effiziente Alternative verwendet werden. Abbildung 10 zeigt eine typische Konfiguration für die Raman-Spektroskopie.

Konfiguration für die Raman-Spektroskopie
Abb.10: Konfiguration für die Raman-Spektroskopie

Optische Filter werden für unzählige Anwendungen verwendet, nicht nur für die beiden oben erwähnten. Filter finden sich in nahezu jedem Bereich der Optik, der Bildgebung und der Photonik; wenn Sie die Herstellungsverfahren optischer Filter, die wichtigsten Fachbegriffe und die heute angebotenen Filtervarianten kennen, können Sie jederzeit den besten Filter für alle Anwendungen auswählen.

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Optische Filter werden dazu genutzt spezifische Wellenlängen in einem optischen System zu selektieren. Der Nutzen und die verschiedenen Arten von Filtern werden in diesem leicht verständlichen Video vorgestellt.

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