Prof. Dr. Matthias Brinkmann - Hochschule Darmstadt - Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften


FB MN der Hochschule Darmstadt

Optische Filter


Auf dieser Seite stelle ich unsere aktuellen Arbeiten und Ergebnisse im Bereich Optische Filter vor, welche wir in Lehre und Forschung verwenden. Diese Darstellung lebt und verändert sich ständig.
Über konstruktive Kritik, Anregungen und Ergänzungen der Leserinnen und Leser freue ich mich sehr!

Matthias Brinkmann (im August 2019)

Inhalte dieser Seite:


Einführung und Grundlagen


Optische Filter sind Komponenten, welche bestimmte Wellenlängen-Anteile des einfallenden Lichtes entfernen bzw. abschwächen. Die folgende Abbildung veranschaulicht dies:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Hier fällt weißes Licht, das sich aus "allen Spektralfarben" zusammensetzt, auf eine Filterplatte, welche nur den "grünen bis roten" Wellenlängenbereich durchlässt. Das austretende, gefilterte Licht hat daher eine orange-rote Farbe, weil der blaue Anteil und Teile des grünen Lichts fehlen. Es handelt sich hierbei um einen "Orangefilter", weil nur das orange-rote Licht passieren kann.
Man kann das Verhalten von optischen Filtern sehr genau analysieren, und zwar mit einem sogenannten Spektrometer. Wir verwenden hier das LAMBDA 650 UV/Vis Spectrophotometer von PerkinElmer. Mit diesem Gerät messen wir die sogenannte (Optische) Transmission der Filter im sichtbaren Wellenlängenbereich von 300 nm (Beginn der Ultraviolett(UV)-Strahlung) über den gesamten sichtbaren(VIS) Wellenlängenbereich bis hin zu 800 nm (Beginn der Infrarot(IR)-Strahlung).
Unter der Spektralen Transmission eines Filters versteht man das Verhältnis von Austretender (gefilterter) Lichtleistung zu Einfallender Lichtleistung, aufgetragen gegen die Licht-Wellenlänge (also die zugehörige Spektralfarbe). Die folgende Abbildung zeigt die Spektrale Transmission eines Orangefilters:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Aus dem Kurvenverlauf erkennt man, dass die Transmission vom UV (300 nm) bis ca. 560 nm Null ist, d.h. dieser Wellenlängenbereich wird durch den Filter blockiert. Für Wellenlängen über 620 nm werden ca. 90% des einfallenden Lichts durchgelassen. Die Farbe des austretenden Lichts ist also orange-rot. Die folgende Abbildung (links) zeigt ein Foto des Filters, welcher auf einem Lichtkasten liegt:

Er besteht aus Farbglas der Stärke 3 mm und besitzt eine Kantenlänge von 40 mm. Das Farbfeld rechts neben dem Foto zeigt eine Computersimulation der Filterfarbe aufgrund des gemessenen Transmissionsverlaufs (siehe unten).

Diese Art von Filter nennt man Kantenfilter, da sich in einem sehr kleinen Wellenlängenbereich (hier 550 nm - 620 nm) die Transmission von 0 auf "fast 1" (>0.85) ändert.
Wieso lassen Filter im transparenten Wellenlängenbereich (fast) nie 100% des Lichts durch? Dies liegt an folgender Eigenschaft von Glas-Luft-Oberflächen:

Nahezu unabhängig von der Lichtwellenlänge werden an der Vorder- und Rückseite der Filterplatte ca. 4% des Lichts zurück reflektiert. Das bedeutet, dass auch im roten Wellenlängenbereich, in dem das Filterglas (nahezu) kein Licht absorbiert, die spektrale Leistung des austretenden Lichts stets um ca. 8% (oder mehr) reduziert ist.

Aus diesem Grund wird oft von der Angabe der Optischen (Gesamt-)Transmission auf die Optische Reintransmission übergegangen, bei der die Reflektionsverluste von ca. 8% "korrigiert" werden. Häufig trägt man die Reintransmission in der sogenannten Diabatie-Skala auf:

Bei diesem Diagramm ist auf der y-Achse nicht die Reintransmission aufgetragen, sondern die Diabatie "D":

Die Werte für D laufen hier von 0 bis 3.5. Zur besseren Orientierung sind aber im Diagramm gestrichelte Zusatzlinien eingezeichnet, an denen die zugehörigen Werte der Reintransmission stehen.
Die Diabatie-Skala wählt man bei Optischen Filtern gerne, weil man hierin den Anfang und das Ende der Absorptions-Kante besser erkennen kann, da die Wertebereiche <0.1 und >0.9 für die Reintransmission auf der Diabatie-Skala vergrößert dargestellt sind.

Zum Abschluss dieser Einführung soll noch auf das Thema Farbwahrnehmung in Zusammenhang mit Optischen Filtern eingegangen werden. Dabei wird das sehr komplexe Thema der menschlichen Farbwahrnehmung hier nur insofern vorgestellt, als es für die Interpretation der Filterfarben benötigt wird:
Wenn wir mit dem menschlichen Auge auf ein Farbspektrum sehen, welches beispielsweise durch ein Prisma erzeugt wird, so sehen wir die reinen Spektralfarben, welche sich genau einer Licht-Wellenlänge zuordnen lassen. Schauen wir aber beispielsweise auf den hier vorgestellten Farbfilter, so lässt dieser nicht nur Licht von genau einer Wellenlänge durch sondern von einem ganzen Wellenlängenbereich (hier von grün-gelb bis tiefrot). Die Farbsensoren in unserem Auge können diese vielen verschiedenen Wellenlängen allerdings nicht einzeln detektieren, sondern sie führen eine gewisse "Farbmittelung" durch, welche in unserem Gehirn als ein spezieller Farbeindruck wahrgenommen wird. Dabei können neben den reinen Spektralfarben auch "andere Farben entstehen" wie beispielsweise Braun, Rosa oder Pink, welche es als Spektralfarben gar nicht gibt.
Es existieren verschiedene Farbmetrik-Systeme, welche versuchen, alle wahrnehmbaren Farbeindrücke darzustellen. Das bekannteste ist das CIE-System und der dazugehörige sogenannte CIE-Farbschuh:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Image-Gamut_couleurs.png des Autors mit Acronym: Papy77 und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Alle wahrnehmbaren Farben liegen in dem farbigen Gebiet in der (x;y)-Ebene. Die x-Koordinate gibt dabei die Entwicklung der Farben von Blau nach Rot an, die y-Koordinate stellt den Weg von blau nach grün dar. Auf dem oberen gekrümmten Rand des Farbschuhs verlaufen die Spektralfarben von Tiefblau (440 nm) über Grün bis Tiefrot (680 nm). Das untere gerade verlaufende Randstück ist die Purpur-Linie von Tiefrot nach Tiefblau. Auf dieser Gerade liegen die Purpur-Farben Pink und Rosa, welche keiner (einzelnen) Spektrallinie entsprechen.
Innerhalb des Farbschuhs liegen alle wahrnehmbaren Farben, welche sich aus beliebigen Spektralverteilungen erzeugen lassen. Jede diese Farben besitzt eine eindeutige (x;y)-Koordinatenposition. In der "Mitte" des Farbschuhs bei (x=1/3;y=1/3) liegt der "farblose" Weißpunkt.
Nach einem definierten mathematischen Standardverfahren lässt sich aus jeder spektralen Lichtverteilung ein CIE-Farbpunkt (x;y) berechnen. Die spektrale Verteilung des aus einem Optischen Filter austretenden Lichts hängt allerdings sowohl von der spektralen Transmission des Filters (siehe oben) als auch von dem Spektrum des einfallenden Lichts ab. D.h. bei der Bestimmung des (x;y)-Punkts eines Filters muss man zusätzlich die verwendete Lichtquelle, insbesondere deren Spektrum, angeben. Es gibt eine Auswahl an Standard- oder Norm-Lichtquellen.
Hier wird allerdings zur Vereinfachung im folgenden die "ideale Weißlicht-Quelle" angenommen, d.h. die spektrale Verteilung der Lichtleistung wird stets als konstant, also unabhängig von der Wellenlänge, gesetzt.
Damit errechnet sich der Farbpunkt des obigen Orangefilters zu (0.651;0.321). Dieser Punkt ist in den oben abgebildeten Farbschuh eingezeichnet. Er liegt, wie vermutet, im Orange-Rot-Bereich.
Hat man den CIE-Farbpunkt des Filters bestimmt, so lässt sich dieser mit verschiedenen Methoden in die digitalen RGB-Farbwerte (jeweils 0...255) für PC_Monitore umrechnen. Für unseren Orangefilter und die gewählte Monitor-Farbnorm erhalten wir: R=243;G=22;B=0. Neben dem oben abgebildeten Foto des Orangefilters ist ein Farbfeld mit genau diesen RGB-Werten dargestellt ("Simuliert").
Vergleicht man (mit seinen Augen!) die beiden Farben, so findet sich eine sehr große Ähnlichkeit (in diesem Fall!). Aber Achtung: Das menschliche Auge kann kleine Farbunterschiede sehr gut auflösen. Diese hohe Übereinstimmung tritt nicht immer auf, insbesondere bei den sogenannten "Pastell-Farben" in der Nähe des Weißpunkts. Dies liegt an den unterschiedlichen Farbkalibrierungen der aufnehmenden Kamera und des Monitors. Der hier dargestellte qualitative "visuelle Farbvergleich" darf daher nicht überbewertet werden.

Wer sich weiter über die Themen dieses Abschnitts informieren möchte, kann dies u.a. hier tun:
Wikipedia: Farbfilter
Wikipedia: Filter (Optik)
Wikipedia: Licht
Wikipedia: Diabatie
Wikipedia: Spektrometer
Wikipedia: Farbe
Wikipedia: CIE-Normvalenzsystem

Typen von Optischen Filtern


Aufgrund des physikalischen Prinzips unterscheidet man zwei Arten von Optischen Filtern:

  • Absorptionsfilter und
  • Dielektrische Filter

Die folgende Abbildung illustriert den Unterschied:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Absorptionsfilter


Absorptionsfilter (links in der vorherigen Abbildung) sind Platten oder Folien unterschiedlicher Dicke aus Farbglas oder Farb-Kunststoff. Bei den verwendeten Materialien handelt es sich meistens um transparente Grund-Gläser oder -Kunststoffe (sogenannte Klar-Gläser bzw. -Kunststoffe), welche zusätzlich "färbende Stoffe" enthalten, die bestimmte Wellenlängenbereiche des Lichts absorbieren. Absorption bedeutet in diesem Fall, dass das absorbierte Licht im Filter "verschwindet" und entweder in Wärme umgewandelt oder im Material mehrfach gestreut wird. Werden die Farbstoffe homogen chemisch im Grundmaterial gebunden, wird das Licht durch elektronische Anregung absorbiert. Bei den sogenannten Anlaufgläsern wird durch eine spezielle Wärmebehandlung im Grundglas eine weitere kolloidale Phase erzeugt, die das Licht, speziell die kurzwelligen Anteile (Blau-Grün), durch Mehrfachstreuung "vernichtet".
Die folgende Abbildung illustriert die Dotierung von Klar-Kunststoff (hier Plexiglas) mit einem (oder mehreren) Farbstoff(en), der (oder die) im grün-roten Wellenlängenbereich stark und im blauen Bereich weniger stark absorbieren:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Dabei entspricht die Hintergrundfarbe der Kurvenbeschriftungen in etwa dem Farbton des gefilterten Lichts. Der Klar-Kunststoff (weiße Kurve) besitzt von 400 nm bis 800 nm eine hohe Transmission (unter 400 nm beginnt die sogenannte UV-Absorptionskante, welche jedes Material aufweist). Aufgrund der konstant hohen Spektralen Transmission ändert das (ideal) weiße Licht beim Durchgang durch den Filter seinen Farbort (= Farbpunkt im Farbschuh) nur wenig, nämlich von (1/3;1/3) auf (0,34;0,34). Beim Durchgang durch den Farbfilter (schwarze Kurve) ändert sich der Farbton allerdings auf Blau-Grün mit (0,16;0,22).

Auf die unterschiedlichen Arten und Besonderheiten von Absorptionsfilter wird in den nächsten Abschnitten näher eingegangen.

Dielektrische Filter


Im Gegensatz zu Absorptionsfiltern findet die spektrale Filterung bei Dielektrischen Filtern (auch Interferenzfilter genannt) nicht im Glas- oder Kunststoff-Material statt sondern in einer oder beiden Oberflächen (siehe rechte Darstellung in obiger Abbildung). Normalerweise bestehen dielektrische Filter aus Klar-Glas- oder Klar-Kunststoff-Platten (also ohne Farbstoffe), welche allerdings an einer oder beiden Oberflächen eine spezielle optische Beschichtung aufweisen. Dieses Schichtsystem ist ein Stapel aus Schichten unterschiedlicher Materialien (mit unterschiedlichen Brechzahlen) und Schichtdicken (in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts). Dringt das weiße Licht in diese Schichtsysteme ein, so gibt es Wellenlängenbereiche, bei denen das Licht (nahezu komplett) reflektiert wird und daher den Filter nicht passieren kann. Das reflektierte Licht ist die Komplementärfarbe zum transmittierten Licht (siehe unten). Die gleiche Technik wird auch beim Ver- oder Entspiegeln von Brillengläsern angewandt. Für andere Wellenlängenbereiche tritt an der Beschichtung nur wenig oder gar keine Reflexion auf. Das Licht kann hier den Filter passieren. Die Ursache für diese wellenlängenabhängige Reflexion am Schichtsystem liegt in der sogenannte Mehrfachinterferenz. Die zugehörige Theorie kann hier nicht dargestellt werden, daher wird auf die Literatur-Empfehlungen am Ende dieses Abschnitts verwiesen.
Die folgende Abbildung zeigt die Spektrale Transmission eines Dielektrischen Filters, bei dem das Schichtsystem aus mehr als 10 Einzelschichten aufgebaut ist:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Die gestrichelte schwarze Linie deutet dabei den Verlauf der Transmission des Klarglases an. Das Schichtsystem verändert die Spektrale Transmission dahingegend, dass in regelmäßigen (Wellenlängen-) Abständen "relativ scharfe Einbrüche" der Transmission auftreten, beispielsweise bei 580 nm (Grün) und 740 nm (Rot). Der Farbeindruck dieses Filters (bei idealem Weiß) liegt bei (0,30;0,30), d.h. sehr nahe beim Weißpunkt, allerdings leicht in Richtung Blau verschoben.

Vergleicht man die hier gezeigten Spektralen Transmissionskurven von Absorptionsfiltern mit denen von Dielektrischen Filtern, so fällt im Vergleich auf, dass bei Dielektrischen Filtern die wellenlängenabhängige Änderung (sprich die Kurven-Steigung) viel stärker sein kann als bei Absorptionsfiltern. Dies ist ein charakteristische Merkmal, durch das man die beiden Filtertypen gut unterscheiden kann.

Rein mit dem Auge kann man aber auch leicht erkennen, um welchen Filtertyp es sich handelt. Dazu vergleicht man die Ansicht einer Filterplatte im Durchlicht (also beispielsweise auf einem Lichtkasten legen) und im Auflicht (beispielsweise auf ein schwarze Tuch oder Pappe legen):

  • Ein Absorptionsfilter erscheint im Durchlicht farbig hell, während er im Auflicht dunkel schwarz aussieht, weil er keine Strahlung reflektiert:
  • Ein Dielektrischer Filter hingegen reflektiert diejenigen Wellenlängen, die nicht passieren können (siehe oben), d.h. im Auflicht sieht man die jeweilige Komplementärfarbe:

Zudem ändert sich im Durchlicht auch schon beim Kippen eines Dielektrischen Filters dessen Farbe ein wenig.

Neben den "reinen" Absorptionsfiltern und Dielektrischen Filtern ist auch die "Kombination" möglich, also dielektrische Schichtsysteme auf Farbglas-Platten.

Wer sich weiter über die Themen dieses Abschnitts informieren möchte, kann dies u.a. hier tun:
Wikipedia: Glas und Farbglas
Wikipedia: Kunststoffe
Wikipedia: Plexiglas
Wikipedia: Dünne Schichten

Absorptionsfilter aus Glas


Wir verfügen über mehr als 100 optisch charakterisierte Absorptionsfilter aus Glas. Im folgenden werden hiervon einige (Serien) vorgestellt:

Langpass-Kantenfilter


Die folgende Abbildung zeigt eine Serie an Langpass-Filtern, bei der die Kante vom Blauen über Grün in den roten Bereich verschoben wird:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

In dieser Darstellung entspricht die Farbe der Transmissionskurven in etwa den Farbtönen des gefilterten Lichts. Das folgende Diagramm zeigt dazu nochmals die Auftragung in der Diabatie-Darstellung:

Die SCHOTT-AG bietet beispielsweise mit den Filterglas-Serien GG (Gelb-Glas), OG (Orange-Glas) und RG (Rot-Glas) solche Materialien an.
Zur Charakterisierung der Absorptionskanten kann man für jeden Filter diejenige Wellenlängen angeben, bei denen als Reintransmission 1% (linke Pfeilspitze), 50% (weißes Quadrat) und 90% (rechte Pfeilspitze) vorliegen. Die folgende Abbildung zeigt somit einen Überblick über die Kanteneigenschaften der Serie:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Interessant ist in diesem Zusammenhang auch die Auftragung der CIE-Farbkoordinaten (x;y) für diese Filterserie im CIE-Farbschuh:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Image-Gamut_couleurs.png des Autors mit Acronym: Papy77 und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Liegt die Kante im Blauen, so werden fast alle Spektralfarben durchgelassen und folglich starten wir in der Nähe des Weißpunkts. Verschiebt sich die Kante in Richtung Grün-Gelb, so bewegen sich die Farbkoordinaten zum Gelb-Wert der Spektralkurve. Bei weiterer Kantenverschiebung in Richtung Tiefrot laufen die Koordinaten entlang der Spektralkurve hin zum Rot-Endpunkt.

Brauntöne


Die "Farbe Braun" ist im Wesentlichen ein Gemisch aus allen Spektralfarben, wobei die Rot- und Gelb-Anteile höher sind als Bau und Grün. Durch Farbfilter erreicht man dies (bei ideal weißer Lichtquelle), indem man einen Langpassfilter mit breiter Absorptionskante verwendet. In der folgenden Abbildung sind die Transmissionskurven von zwei entsprechenden Filter dargestellt und zum Vergleich ein Langpassfilter mit schmaler Absorptionskante:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Dabei entspricht die Farbe der Transmissionskurven wiederum in etwa den Farbtönen des gefilterten Lichts. In der folgenden Abbildung sind die zugehörigen Braun-Farbkoordinaten im CIE-Farbschuh eingezeichnet:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Image-Gamut_couleurs.png des Autors mit Acronym: Papy77 und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Blau-Filter


Im Gegensatz zu den Langpass-Rotfiltern gibt es keine "perfekten Kurzpass-Blaufilter", welche das kurzwellige Licht bis zu einer Absorptionskante durchlassen. Stattdessen werden Blaufilter durch Farbstoffe erzeugt, die das grüne Licht breitbandig absorbieren. "Übrig" bleiben der Blaue Wellenlängenbereich und "Reste" des (Infra-)Roten. Die folgende Abbildung zeigt die Transmissionskurven einer Vielzahl von solchen Blaufiltern:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Die nächste Abbildung zeigt die zugehörigen "satten" blauen Farbtöne und Farbkoordinaten im CIE-Farbschuh:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Image-Gamut_couleurs.png des Autors mit Acronym: Papy77 und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Filter für Pastell-Blau


Reduziert man den blauen Farbstoff im Glas, so lässt der Filter im Grünen Wellenlängenbereich einen Teil des Lichts durch. Auf diese Weise erhält man (bei weißem Einfallslicht) blaue Pastelltöne:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Dabei entspricht die Farbe der Transmissionskurven wiederum in etwa den Farbtönen des gefilterten Lichts. Im CIE-Farbdiagramm kann man auf diese Weise einen "Weg" vom "satten" Blau zum Weißpunkt "legen":

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Image-Gamut_couleurs.png des Autors mit Acronym: Papy77 und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Grün/Türkis-Filter


Um den Grünen Wellenlängenbereich herauszufiltern, werden weitere Farbstoffe verwendet, die Blau und Rot stark absorbieren. Die folgende Abbildung zeigt die Spektrale Transmission von "klassischen" Grün-Filtern:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Verändert man die Farbstoff-Konzentration und -Zusammensetzung, so können zusätzlich Teile des Blauen Spektrums passieren, man erhält Türkis-Filter:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Dabei entspricht die Farbe der Transmissionskurven wiederum in etwa den Farbtönen des gefilterten Lichts. Die Farbtöne dieser Grün- und Türkisfiltern wurden in folgenden CIE-Farbschuh eingetragen:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Image-Gamut_couleurs.png des Autors mit Acronym: Papy77 und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Filter für Pastell-Grün und -Türkis


Reduziert man bei den Grün-/Türkis-Filtern die Farbstoffkonzentration, so erweitertet sich der Grün-Transmissionsbereich bis in das Blaue und Rote Gebiet. Auf diese Weise erhält man (bei weißem Einfallslicht) Grüne/Türkise Pastelltöne:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Dabei entspricht die Farbe der Transmissionskurven wiederum in etwa den Farbtönen des gefilterten Lichts. Im CIE-Farbdiagramm liegen diese Farbtöne auf der linken (grün/blauen) Seite des Weißpunkts:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Image-Gamut_couleurs.png des Autors mit Acronym: Papy77 und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Neben den erzeugten Farbtönen haben diese Filter noch eine Bedeutung für die Herstellung sogenannter V_lambda-Filter, welche die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges wiedergeben.

Grau- oder Neutraldichte-Filter


Graufilter reduzieren die spektrale Leistung einer Lichtquelle wellenlängenunabhängig, d.h. die Spektrale Transmission hängt nicht, oder nur wenig von der Wellenlänge ab. In der Praxis ist es sehr schwer, geeignete Materialien für Absorptionsfilter zu finden, die über einen großen Wellenlängenbereich die gleiche Spektrale Transmission aufweisen. Die folgende Abbildung zeigt hierzu einige Beispiele:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Fast jede Einzelkurve variiert im Wellenlängenbereich 300 - 800 nm um mehr als 20%. Schränkt man den Wellenlängenbereich allerdings auf 450 - 650 nm ein, so verlaufen die Transmissionskurven relativ konstant und man kann eine gemittelte Transmission berechnen. Diese Werte sind für die verwendeten Filter in folgender Abbildung dargestellt:

Für diese Filter zeigt die folgende Abbildung noch die Farbkoordinaten, welche (trotz Schwankung der Spektralen Transmission im Blauen und Roten) sehr nahe am Weißpunkt (hier schwarz markiert) liegen:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Image-Gamut_couleurs.png des Autors mit Acronym: Papy77 und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

UV- und IR-Filter


Zum Abschluss der Vorstellung unserer Glasfilter soll noch auf verschiedene Filter eingegangen werden, welche die UV- und/oder die IR-Strahlung blocken bzw. nur diese durchlassen.
Bei UV-Sperrfiltern wird dem Glas kein Farbstoff zugegeben, sondern die UV-Absorptionskante des Klar-Glases verwendet. Die Lage der Kante variiert zwischen den verschiedenen Glastypen. Die folgende Abbildung zeigt dies an einigen Beispielen:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Durch starke Dotierung mit Farbstoffen können auch Absorptionsfilter (NUR) für den kompletten sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugt werden. Im UV- und IR-Bereich sind diese (teil-)durchlässig. Für das menschliche Auge erscheinen diese Gläser undurchsichtig (schwarz):

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Wer sich weiter über die Themen dieses Abschnitts informieren möchte, kann dies u.a. hier tun:
(Anmerkung: Aus rechtlichen Gründen können keine automatischen Weiterleitungs-Links zu kommerziellen Anbietern verwendet werden)
Wikipedia: Neutraldichtefilter
Wikipedia: Infrarotfilter
Wikipedia: UV-Filter
F. Träger (Ed) "Springer Handbook of Lasers and Optics" (2012)
H. Bach, N. Neuroth (Eds) "The Properties of Optical Glass" Springer (1998)
J. Simmons, K. Potter "Optical Materials" Elsevier (2000)
M. Weber "Handbook of Optical Materials" CRC Press (2002)
S. Musikant "Optical Materials" Marcel Dekker (1987)
Schott Filtergläser im Internet
Hoya Filtergläser im Internet
Zeiss Filtergläser im Internet
Dachauer Spezialglas im Internet

Dielektrische Filter


Wie bereits oben beschrieben bestehen Dielektrische Filter aus einer komplexen Beschichtung auf einem (i.a. transparenten) Glas- oder Kunststoff-Substrat:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Heutige optische Beschichtungen bestehen meistens auf einer Vielzahl (bis zu 100) von Einzelschichten, welche die Spektrale Transmission in ganz besonderer Weise beeinflussen können. Im Allgemeinen ist der Schichtaufbau nicht bekannt, sondern Firmengeheimnis der Hersteller. Aus der gemessenen Spektralen Transmission lässt sich auch nur sehr selten auf die Details des Schichtsystems schließen.
Am einfachen Beispiel eines Einschicht-Filter (obige Abbildung rechts) soll hier die Wirkungsweise illustriert werden. Der oben dargestellte Einschichter bestehend aus einer ca. 570 nm dicken Schicht mit der hohen Brechzahl n=1.841. Er zeigt folgende Spektrale Transmission (gemessen: schwarz):

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Es zeigen sich die für Dielektrische Filter üblichen "Schwingungen" in der Spektralen Transmission. Für diesen einfachen Fall eines (bekannten) Einschicht-Filters kann man den Transmissionsverlauf auch analytisch berechnen (weiße Kurve) und dazu die auftretenden Minima nach einem bestimmten Prinzip nummerieren.

Es folgen einige weitere Beispiele für Dielektrische Farbfilter. Hier ein R-G-B-Farbfilter-Set:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Und hier ein C(yan)-Y(ellow)-M(agenta)-Farbfilter-Satz:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Die Farbkoordinaten beider Filtersätze sind in den folgenden CIE-Farbschuh eingetragen und spannen das jeweils eingezeichnete Farbdreieck für additive Farbmischung auf:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Image-Gamut_couleurs.png des Autors mit Acronym: Papy77 und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Abschließend soll hier ein spezieller (160 mm langer) Dielektrischer Gradientenfilter vorgestellt werden, bei dem sich die spektrale Transmission als Funktion des Ortes ändert, der Schichtaufbau also eine kontrollierte lokale Änderung aufweist:

Mit dem Spektrometer sind im Abstand von jeweils 10 mm entlang des Gradienten Transmissionsspektren aufgenommen worden:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Man erkennt sehr gut, wie sich das transmittierende Wellenlängenfenster entlang von 70 mm Filterlänge von Blau nach Rot verschiebt. Die zugehörigen Farborte sind im folgenden Diagramm dargestellt (weiße Kreise):

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Image-Gamut_couleurs.png des Autors mit Acronym: Papy77 und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Wie erwartet liegen die Farborte nahe an der Spektralkurve und in etwa an der Wellenlängenposition des jeweiligen Transmissionsmaximums (graue Quadrate).

Wer sich weiter über die Themen dieses Abschnitts informieren möchte, kann dies u.a. hier tun:
(Anmerkung: Aus rechtlichen Gründen können keine automatischen Weiterleitungs-Links zu kommerziellen Anbietern verwendet werden)
Wikipedia: Dünne Schichten
Wikipedia: Interferenzfilter
Wikipedia: Dünnschichttechnik
D. Kühlke "Optik" Harry Deutsch (2011)
Pedrotti et al. "Optik für Ingenieure" Springer (2008)
E. Hecht "Optik" De Gruyter (2014)
S1 Optics im Internet
Schott Filtergläser im Internet
Edmund Optics im Internet
Jenoptik im Internet
Hoya im Internet

Absorptionsfilter-Folien


Als Alternative zu Absorptionsfiltern aus Glas bieten sich absorbierende Filterfolien aus Kunststoff an, insbesondere für die Gebiete: Ambient- und Spezialbeleuchtung (z.B. für Werbung, Kunst und Design), Medientechnik (Kinofilm- und Fernseh-Produktionen, Fotographie) und Medizintechnik, aber durchaus auch im Bereich der Technischen Anwendungen. Beispielsweise seien hier die Firmen Rosco und LeeFilters mit jeweils weit über 200 verschiedenen Farbtönen erwähnt, welche in Farbmuster-Büchern zusammengestellt werden:

Die folgende Abbildung zeigt die Farbkoordinaten eines kleinen Teils des Filterfolien-Portfolios im Bereich der Rosa-Farbtöne:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Image-Gamut_couleurs.png des Autors mit Acronym: Papy77 und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Die folgende Abbildung zeigt die Spektralen Transmissionen von drei dieser Filtertypen:

(Diese Abbildung verwendet das Bild: Spectrum4websieEval.png der Autorin: Deborah S Krolls und ist daher auch unter der Lizenz: CC BY-SA 3.0 freigegeben)

Man beachte dabei die nötige optisch-mechanische Präzision, mit der diese Folien reproduzierbar in großem Maßstab (auf Rolle) hergestellt werden!

Bei der Betrachtung der Transmissionsspektren fällt auf, dass dem sich "langsam ändernden" spektralen Verlauf der absorbierenden Farbstoffe eine "schnelle" Schwingung überlagert ist, die zu kleinen Wellenlängen kurzwelliger wird. Dies ähnelt sehr dem Verhalten einer einzelnen optischen dünnen Schicht (siehe oben), und zwar mit einer "Optischen Weglänge" von ca. 4 µm:

Für eine nähere Analyse dieses Phänomens müsste man allerdings den (Schicht-)Aufbau der Folien kennen, welcher selbstverständlich zum Firmengeheimnis der Hersteller gehört. In den Produktinformationen gibt LeeFilters lediglich an, dass die Folien aus einem Polymer-Material sind, normalerweise eine Stärke im Bereich 100 µm aufweisen und die Farbstoffe durch Coating ein- oder aufgebracht werden. Weitere Informationen finden sich auch im Infomaterial von Rosco im Internet.

Wer sich weiter über die Themen dieses Abschnitts informieren möchte, kann dies u.a. hier tun:
(Anmerkung: Aus rechtlichen Gründen können keine automatischen Weiterleitungs-Links zu kommerziellen Anbietern verwendet werden)
LeeFilters im Internet
Rosco im Internet
Vanceva im Internet
hbernstaedt.de