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    Optische Filter

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Interferenzfilter

Diese Filtergläser haben ebenfalls eine Vielzahl von Bezeichnungen, die nach der Wirkungsweise benannt sind: Tageslicht durchlässige Filter, UV-Sperrfilter, UV- und IR-Sperrfilter oder Bandpass-Filter fallen alle in diese Kategorie. Ihre Funktionsweise beruht auf der Durchlässigkeit bestimmter Wellenlängenbereiche und dem Auslöschen anderer Frequenzen aufgrund von Interferenzen.

Vereinfachtes Prinzip eines Interferenzfilters

Prinzip Interferenzfilter

Dazu werden mehrere metallische Reflexionsschichten und dünne, dielektrische farblose Schichten auf das Klarglas aufgedampft. An jeder Grenzfläche zwischen zwei Materialien unterschiedlicher Brechzahl wird die auftreffende elektromagnetische Strahlung durchgelassen und in einen reflektierenden Anteil aufgespalten. An den vielen Schichten entstehen sehr viele Teilstrahlen, die sich überlagern und auslöschen können.

 

Physikalische Grundlagen der Interferenzfilter

 

Das Auftreten von Interferenzerscheinungen ist typisch für die Welleneigenschaft elektromagnetischer Strahlung, also unseres Lichtes. Kohärente schwingende Wellenzüge gleicher Wellenlänge und gleichen Polarisationszustandes, die sich überlagern, addieren oder kompensieren sich gegenseitig je nach Phasenlage und Amplitude der elektrischen Feldstärke.
Interferenzfilter nutzen das Phänomen der Interferenz aus, um bestimmte Spektralbereiche der elektromagnetischen Strahlung bevorzugt zu transmittieren oder zu reflektieren. Um diesen Effekt zu erreichen, wird auf ein neutrales Glas ein Vielzahl von dünnen Schichten unterschiedlicher Brechzahlen aufgebracht. Die optische Dicke dieser Schichten beträgt meist ein Viertel einer vorgegebenen Zentralwellenlänge oder ein Vielfaches davon ("Lambda-Viertel-Schichten"). Beim Auftreffen der elektromagnetische Strahlung auf solche Schichten wird an jeder Grenzfläche zwischen zwei Materialien unterschiedlicher Brechzahl die auftreffende Strahlung in einen durchgelassenen, reflektierten und absorbierten Anteil aufgespalten. An jeder weiteren Grenzfläche finden erneut entsprechende Aufspaltungen statt, sodass insgesamt sehr viele Teilstrahlen entstehen, die sich überlagern und konstruktiv oder destruktiv miteinander interferieren.

Prinzip der destruktiven Interferenz

Interferenzschicht

Da dieser Effekt extrem Wellenlängen-abhängig ist, müssen viele Schichten mit unterschiedlichen Dicken kombiniert werden um einen größeren Wellenlängenbereich abzudecken.
Je nach verwendeten aufgedampften Metallen lässt sich so eine große Vielfalt an spektralen Charakteristiken bezüglich hoher Transmission oder hoher Reflexion erzeugen.

 

UV-Sperrfilter (UV-Cut)

sperren die Wellenlängen des Spektrums, die kleiner als rund 400nm sind.

Spektrum UV-Sperrfilter

 

Hohe UV-Anteile können teilweise im Tageslicht bei Außenanwendungen oder bei der Verwendung von Quecksilberdampflampen und Fluoreszenzlampen entstehen. Auch beim Einsatz von UV-Strahlung direkt in der Applikation will man dieses oftmals blocken und nur z.B. die damit angeregte Fluoreszenz eines Klebstoffes beobachten, die meistens im  UV-Bereich Licht absorbieren, aber im sichtbaren Licht wieder abstrahlen.  Durch das Blocken des UV-Anteils werden kontrastreichere Bilder erzeugt, da der chromatische Längsfehler (chromatische Aberration) und chromatische Querfehler vermieden wird. Ein möglicher Blaustich wird ebenfalls vermieden.

Der UV-Sperrfilter wirkt äußerlich betrachtet fast komplett durchsichtig, zeigt also auch beim Einsatz mit einer Farbkamera keine farbverfälschende Wirkung.

 

Tageslicht durchlässige Filter (UV- und IR-Cut)für Farb-Kameras

 

Dieser Filtertyp wird sehr oft mit Farbkameras verwendet. Dieser Filter lässt das Licht von 400-700nm des sichtbaren Lichts durch, sperrt aber die Wellenlängenbereiche des ultravioletten und infraroten Lichts.

Spektrum Tageslicht durchlässiger Filter

Dazu werden auf ein absolut klares Filterglas mehrere Interferenzschichten auf beiden Seiten aufgedampft. Wie der UV-Sperrfilter vermeidet er die chromatische Aberration, die zu verwaschenen, flauen Bildern führen kann. Neben dem UV wird auch der IR-Anteil des Lichtes geblockt, der ebenfalls farbverfälschte Bilder erzeugen würde, da CCD-Sensoren auch eine recht hohe Empfindlichkeit im IR aufweisen, das dann wie Rot interpretiert würde. Bei Farbkameras ist dieser Filter sehr oft schon im Kameragehäuse noch vor dem Sensor eingebaut. Derselbe Effekt der Überbetonung von blauen und insbesondere roten Bildinformationen ist bei entsprechendem Licht auch bei einer monochromen Kamera zu beobachten, so dass dort dieser Filter ebenfalls verwendet wird.

Für Farb- wie Monochromkameras geeignet.

 

Scharfbandige Bandpass-Filter

 

Dieser Filtertyp wird sehr oft bei Laserapplikationen genutzt. Die Halbwertsbreite kann fast beliebige Breiten aufweisen (+/- 10, 25, 50 nm) und im Extremfall bei einer definierten Wellenlänge nur +/-  2 oder 5  nm betragen. Je schmaler der Bandpass-Bereich ist, desto geringer ist die Transmission des Filters. Diese Filter sind für Farb- wie für Monochromkameras geeignet. Für fast jede Wellenlänge gibt es passende Bandpassfilter mit unterschiedlichen Halbwertsbreiten.

Spektren Bandpassfilter

Typische technische Anwendungen:

  • Schutz der Kamera vor intensiven Laserstrahlen (z.B. Beschriftungslaser)
  • Beobachten von Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge bei Triangulationsverfahren
  • technisches Inspizieren des Fluoreszenzlichts von Klebstoffen basierend auf Anregung durch UV-Strahlung
  • Auswertung von schwach leuchtenden Lumineszenzeffekten oder Fluoreszenz-Erscheinungen in der Biochemie und Genetik

Wichtig für die Bildverarbeitung

Die zentrale Wellenlänge von Interferenzfiltern verschiebt sich bei Erwärmung des Glases  linear hin zu längeren Wellenlängen, mit zunehmendem Einfallswinkel des eintreffenden Lichtstrahls auf die Glasoberfläche verschiebt sich die zentrale Wellenlänge hin zu kürzeren Wellenlängen. Dies kann vor allem bei sehr scharfbandigen Bandpassfiltern in Kombination mit sehr weitwinkligen Objektiven zu negativen Effekten führen: So kann es am Bildrand zu Abschattungen kommen, weil durch extrem schräge Einfallswinkel die Filterwirkung so verschoben werden kann, dass der scharfbandige Bandpassfilter den Wellenlängenbereich des Lichts blockiert, den er eigentlich durchlassen soll.

 

Technische Angaben bei (Bandpass)-Filtern

  • Die Transmission (T) definiert die Lichtdurchlässigkeit des Filters bei einer bestimmten Wellenlänge oder einem ganzen Spektrum.
  • Meistens wird dabei die Peak- oder Zentralwellenlänge (ZWL) angegeben, bei der die maximale Transmission erreicht wird.
  • Die Mittelwellenlänge (MWL) definiert diejenige Wellenlänge des Lichtes, bei der noch 50 Prozent der maximalen Transmission vorliegt.
  • Die Halbwertsbreite (HWB, auch Bandbreite genannt) ist die Breite des Fensters in Nanometern, bei dem mindestens die Mittelwellenlänge erreicht wird.

 

 

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