Filter-Tipps vom Profi: Signalstörungen in optischen Systemen beheben

Strahlverzerrung, Geisterbilder, störende Hintergrundsignale oder Untergrundstrahlung sind Probleme, die bei Anwendern in der Optik und Photonik, der Fluoreszenzmikroskopie, der hochauflösenden Mikroskopie oder bei der Entwicklung von Handheld-Systemen als sehr störend wahrgenommen werden.

Von Dr. Ingrid Feuerbacher, AHF analysentechnik AG

Optische Systeme können unter anderem aus einer Kombination von Einzelkomponenten wie Bandpass-, Kurzpass-, Langpassfilter, Clean-Up-Filter, Strahlteiler oder dichroitische Filter („Dichroics“) bestehen. Diese müssen passend ausgewählt und gut aufeinander abgestimmt sein, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Obwohl in den Entwicklungsabteilungen die Simulation der Strahlengänge im Vorfeld durchgeführt wird, treten bei der Übertragung von der Theorie in die Praxis unerwartete Effekte auf.

Einstrahlwinkel beachten

Dem Anwender von optischen Filtern muss zuerst klar sein, dass die Spezifikation der Spektren immer unter einem Einstrahlwinkel von Null Grad, in der Regel bei „Random polarized“ Licht aufgenommen und dargestellt wird. Sobald der Einstrahlwinkel um ca. 5 Grad abweicht, ändert sich die spektrale Charakteristik der Filter in der Weise, dass sich das Spektrum zu kürzeren Wellenlängen verschiebt. Auch die Blockungseigenschaften der Filter ändern sich.

Im Gegensatz zu Anregungsfiltern, Emissionsfiltern oder Clean-Up-Filtern werden Strahlenteiler bzw. Dichroics immer unter einem Winkel ungleich 0 Grad eingesetzt. In der Regel sind es 45 Grad, es gibt aber auch Systeme, bei denen z.B. Strahlteiler mit 11,25 Grad eingesetzt werden (Octagon-Systeme). Die angezeigten Strahlenteiler oder Dichroic-Spektren auf unserer Website sind immer unter 45 Grad aufgenommen.

Ein Strahlteiler ersetzt keinen Sperrfilter

Generell unterscheidet sich ein Strahlteiler von einem Bandpassfilter auch darin, dass dieser keine Blockungseigenschaften hat. Der Unterschied zwischen maximaler und minimaler Transmission beträgt ca. zwei Größeneinheiten. Deshalb müssen vor dem Detektor immer zusätzliche Blockungsfilter eingebaut werden. Der Strahlenteiler ersetzt keinen Sperrfilter! Dies wird öfters falsch eingeschätzt. Da in der Praxis, insbesondere bei miniaturisierten Systemen, der Lichtweg nicht parallelisiert werden kann wie im Fall eines kompletten Mikroskopaufbaus, muss immer mit abweichenden spektralen Eigenschaften gerechnet werden.

Sind die Winkel hinreichend bekannt, dann kann eventuell per Simulation zurückgerechnet werden, welche Kante der Filter haben muss, damit die Transmissions- und Blockungseigenschaften auch unter realen Bedingungen noch erfüllt sind.

Hilfreicher Trick: Farbglasfilter verwenden

Ein weiterer „Trick“ kann in der Verwendung von Farbglasfiltern bestehen. Diese sind im Unterschied zu Interferenzfiltern nicht abhängig von der Winkeleinstrahlung. Sie behalten Ihre Transmissionseigenschaften auch unter schräg einfallendem Licht.

Auf den ersten Blick sehr geschickt, doch leider haben diese Filter den Nachteil, dass sie selbst Autofluoreszenz zeigen. Dies ist bei hochempfindlichen Systemen nicht tragbar. Außerdem sind diese Farbgläser bei weitem nicht so steilkantig wie Interferenzfilter und die Auswahl ist geringer. Dennoch kann bei manchen Systemen in der Kombination von Farbglas- und Interferenzfilter eine sehr geschickte Lösung erzielt werden.

Kleine Maßnahme, große Wirkung: Clean-Up-Filter

Ein weiterer Grund für unerwünschte Hintergrundstrahlung liegt in der Annahme, dass z.B. LEDs ein klar definiertes Spektrum haben. Ein sehr probates Mittel, um spektrale Schwankungen bei LEDs einzugrenzen, liegt in der Anwendung von sogenannten „Clean-Up“- oder auch Anregungsfiltern. Sie geben eine klare Begrenzung des spektralen Fensters, in dem die LED-Lichtquelle leuchtet.

Insbesondere bei Fluoreszenzanwendungen erweist sich diese kleine Maßnahme oftmals als sehr hilfreich. Sobald die Oberkante des Anregungsfilters klar definiert ist, kann man die Unterkante des Sperrfilters oder Emissionsfilters klarer definieren.

Die Blockung der Filter prüfen

Bei Fluoreszenzmessungen ist immer erstrebenswert, dass der Anregungsfilter und Emissionsfilter soweit spektral voneinander getrennt sind, dass „kein“ Anregungslicht mehr im Detektor erscheinen kann. Leider gibt es den Begriff „kein“ nicht wirklich – man spricht hier von Größenordnungen. Wenn der Sperrfilter im spektralen Bereich des Anregungsfilters eine Transmission von 0,0001% aufweist, dann hat dieser Sperrfilter eine Blockung von OD6 (OD= -log T), wobei die Transmission des Sperrfilters hier mit ca. 95% angenommen wird. Die Prüfung der Blockungsdaten stellen immer einen Schwerpunkt bei der Beurteilung der optischen Systeme dar.

Fragen Sie uns

Das Team von AHF analysentechnik unterstützt Sie gerne bei der Auswahl und Spezifikation der passenden Filter für Ihr optisches System und Ihre Anwendung. Wir können Ihnen auch die Daten unter unterschiedlichen Einstrahlwinkeln von Filtern zur Verfügung stellen, ebenso bei unterschiedlichen „Cone-half“ Winkeln. Es können auch die Transmissionsdaten und Blockungsdaten über einen weiten Wellenlängenbereich gezeigt werden. Desweiteren können die Transmissions- und Blockungsdaten sowohl für s-polarisiertes Licht, p-polarisiertes Licht und Random-polarisiertes Licht dargestellt werden.