Was sind optische Filter?

Optische Filter dienen dazu, das Licht abhängig von dessen Wellenlänge (Farbe) zu beeinflussen bzw. zu filtern. Das Licht kann dafür, abhängig von dessen Wellenlänge, transmittiert (durchgelassen), absorbiert ("geschluckt") oder reflektiert (zurückgeworfen) werden. Ziel dabei kann zum Beispiel sein, blaues Licht durchzulassen und rotes Licht zu reflektieren/absorbieren. Optische Filter unterscheiden sich in der Funktionsweise grob dahingehend, dass es Farbgläser und Interferenz-Filter (dielektrisch beschichtete Gläser) gibt. Beide Typen haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, da deren Funktionsweise verschieden ist.

Wie funktionieren optische Filter?

Optische Farbgläser

Bei Farbgläsern wird das Material (Glas) dotiert, so dass abhängig von der Wellenlänge das Licht transmittiert (durchgelassen) oder absorbiert (geschluckt) wird. Dabei kann die Dotierung so variiert und angepasst werden, dass die spektralen Eigenschaften (Lichtfarbe) des Filters einen Langpass-Filter, Kurzpass-Filter, Bandpass-Filter, Multiband-Filter oder Neutral-Filter ergeben. Das absorbierte Licht wird dabei in Wärme umgewandelt und ist nicht mehr im System in Form von Licht verfügbar. Das kann hilfreich sein, um nicht nutzbares (Stör-) Licht zu reduzieren und damit die Qualität (Kontrast) des Ergebnisses zu verbessern. Die Oberflächenqualität (Keilfehler, Ebenheit) des optischen Filters kann zudem nachträglich durch mechanische Verfahren verbessert werden. Ein signifikanter Nachteil der Farbgläser ist allerdings, dass deren spektralen Eigenschaften nicht „beliebig“ hergestellt werden können und sie daher für typische Anwendungen in der Fluoreszenzmikroskopie und Laserphysik nicht ausreichen. Gängige Anwendungsgebiete sind dagegen die Fotografie und Schutzgläser für gefährliche Lichtquellen.

Optische Interferenz-Filter

Interferenz-Filter nutzen, wie der Name schon sagt, das physikalische Phänomen der Interferenz. Interferieren können alle Schwingungen/Wellen (Licht, Wasser, Schall, etc.), wobei sie sich (wenn sie geeignet aufeinander treffen) gegenseitig verstärken bzw. abschwächen können. Diesen Effekt nutzt man, um bei optischen Filtern definierte Wellenlängen zu transmittieren bzw. reflektieren. Aufeinandertreffen lässt man die Wellen, indem man sie an unterschiedlich dicken Schichten unterschiedlicher Materialien transmittieren/reflektieren lässt. Diese Schichten werden dazu sehr dünn (im Nanometerbereich) auf ein Trägersubstrat (Glas) aufgetragen. D.h. ein Teil des Lichtes geht durch die erste Schicht durch und ein Teil wird reflektiert. Der transmittierte Teil wird an der folgenden Grenzschicht (2. Schicht) wiederum zu einem Teil transmittiert und reflektiert. Die beiden reflektierten Anteile von unterschiedlichen Reflexionsebenen treffen auf dem „Rückweg“ wieder aufeinander und können daher miteinander interferieren. Daraus ergeben sich Wellenlängen, die nur transmittiert und andere, die nur reflektiert werden.

Was hier exemplarisch mit einer Schicht skizziert ist, sind bei komplexen (steilkantigen) optischen Filtern hunderte Schichten unterschiedlicher Materialien, die reproduzierbar auf ein Trägermaterial gleichmäßig und eben aufgetragen werden.

Mehr zu diesem Thema finden Sie in der Präsentation von Turan Erdogan, IDEX/Semrock:
» Construction of Optical Filters (PDF)

In den Bereichen der Mikroskopie und Laserphysik werden heutzutage fast ausschließlich Interferenz-Filter verwendet, da die spektralen Eigenschaften wesentlich definierter und extremer umsetzbar sind. Wenn das transmittierte und reflektierte Licht weiter genutzt werden soll, werden Strahlenteiler verwendet. Diese unterscheiden sich von den optischen Interferenz-Filtern dahingehend, dass sie, anstatt unter 0 Grad, typischerweise unter 45 Grad verbaut werden.

Eigenschaften von optischen Filtern

Transmission und Blockung von optischen Filtern

Eine wichtige Eigenschaft von optischen Filtern ist deren spektrale Charakteristik. Dabei bildet die wellenlängenabhängige Transmission und Blockung das Hauptmerkmal. Die Transmission von optischen Filtern wird in % angegeben und grenzt im optimalen Fall an 100%. Die Blockung von optischen Filtern wird in OD (optische Dichte) angegeben und ist eine logarithmische Darstellung. "OD0" entspricht einer Blockung von 0 bzw. einer Transmission von 100% – eine Blockung von OD1 entspricht einer Transmission von 10%, OD2 entspricht 1%, OD3 entspricht 0,1%, etc.

Bei Interferenz-Filtern ist mittlerweile eine Blockung von gemessenen OD6 gängig, was einer Transmission von 0,0001% entspricht. Berechnete Blockungen können noch viel höher sein – wobei es schwierig ist, diese akkurat zu messen. Solch hohe Kontraste (nahezu 100% Transmission und Blockung mit OD6) sind mit Farbgläsern (für naheliegnde spektrale Punkte) nicht annähernd zu erreichen, weshalb sie für die Fluoreszenzmikroskopie nicht in Frage kommen.

Wichtig: Das parallele Hintereinanderreihen von optischen Interferen-Filtern erhöht die Blockung nur marginal, da das nicht transmittierte Licht reflektiert und nicht absorbiert wird - wobei es einen Trick gibt, den wir Ihnen gerne bei Bedarf weitergeben.

Weitere Informationen finden Sie in der Präsentation von Turan Erdogan, IDEX/Semrock: » Coherence and Combining Filters (PDF)

Winkel bei optischen Filtern

Der "CHA" (Cone Half Angle / halber Kegelwinkel) und "AOI" (Angle of Incidence / Einfallswinkel ) beeinflussen bei den optischen Interferenz-Filtern das transmittierte Spektrum. Die Schichtdicken auf dem Substrat sind abhängig von der einfallenden Wellenlänge. Wenn sich nun der Winkel des einfallenden Lichtes ändert, dann ändert sich auch relativ dazu der Weg des Lichts durch die aufgebrachte Schicht – und damit die spektralen Eigenschaften des optischen Filters.

Kurz gefasst verschiebt sich das transmittierte Spektrum des Filters ins Kurzwellige, wenn der Einfallswinkel bei den optischen Filtern von 0 Grad abweicht. Bei kleinen Winkeln (bis 5 Grad) ist das nicht ausschlaggebend bzw. kann sogar mit dem Schichtdesign abgefangen werden.

Welche optischen Filter gibt es?

Optische Kurzpassfilter

Optische Kurzpass Filter transmittieren das Licht im kurzwelligen Bereich und blocken das Licht im langwelligen Bereich. Eine Grenzwellenlänge definiert die Kante und abhängig von der Qualität und Komplexität des Filters, ist diese Kante unterschiedlich steil. Je mehr Schichten aufgetragen werden, desto schneller/steiler fällt die Kante ab und, abhängig von der Anwendung, kann mehr wertvolles Licht genutzt werden.

Als Beispiel dient hier der 532 nm-Filter » 532 SP Edge Basic (Art.-Nr. F76-535). In der Darstellung der Transmission des optischen Kurzpass Filters ist die Kante bei 532 nm, in Verbindung mit der Transmission im kurzwelligen Bereich und die weite Blockung bis hin zu 1200 nm gut zu erkennen.

Beim Betrachten der Kante in der Blockungs-Darstellung wird ersichtlich, wie steil die Kante abfällt. Innerhalb von 3–4 nm wird eine Blockung von sechs Größenordnungen von OD0,1 hin zu OD6 erreicht.

Eine Liste mit optischen Kurzpass Filtern bei AHF finden Sie hier:

Optische Langpassfilter

Optische Langpass Filter sind invers zum optischen Kurzpass Filter. D.h. sie transmittieren das Licht im langwelligen Spektrum und blocken das kurzwellige Spektrum. Auch hier gibt es eine Grenzwellenlänge, die den Bereich der Transmission von der Blockung trennt. Als Beispiel dient hier der Langpass Filter » 473 LP Edge Basic (Art.-Nr. F76-472).

Die optischen Langpass Filter bei AHF finden Sie hier:

Optische Bandpassfilter

Optische Bandpass Filter sind eine Mischung aus einem Kurzpass Filter und einem Langpass Filter. Durch die Mischung wird ein Band generiert, das in einem spezifischen spektralen Bereich das Licht transmittiert und ansonsten reflektiert.

Als Beispiel dient hier der » Bandpass Filter 525/50 (Art.-Nr. F37-516):

Dieser optische Bandpass Filter transmittiert das Licht um die Zentralwellenlänge von 525 nm mit einer Bandbreite von 50 nm. Außerhalb des Bandes blockt der optische Filter die restlichen Wellenlängen. Es wird folglich ein Band aus dem Spektrum „ausgeschnitten“, das im Weiteren genutzt werden kann.

Optische Bandpass Filter bei AHF finden Sie hier:

Optische Multiband-Filter

Nicht nur ein (Transmissions-) Band kann bei einem optischen Bandpass Filter umgesetzt werden. Es gibt auch optische Filter für Dualband (zwei Bänder), Tripleband (drei Bänder), Quadband (vier Bänder) und Pentaband (fünf Bänder). Eine typische Anwendung für optische Multiband Filter ist die Fluoreszenzmikroskopie mit der Verwendung von mehreren Farbstoffen.

Als Beispiel dient hier ein optischer » Pentaband-Filter (Art.-Nr. F72-855) mit den Zentralwellenlängen bei 440 nm, 521 nm, 607 nm, 694 nm und 809 nm.

Optische Notch Filter

Ein optischer Notch Filter ist das Gegenteil von einem optischen Bandpass Filter. Anstatt, dass ein Band transmittiert wird, wie beim optischen Bandpass Filter, wird ein Band geblockt und das restliche Spektrum transmittiert. Wenn man daher die Blockung von einem optischen Notch Filter anschaut, gleicht sie der Transmission eines optischen Bandpass Filters. Typische Anwendungen für optische Notch Filter sind in der Laser-Physik zu finden. Hier wird i.d.R. mit einem optischen Notch Filter das Laserlicht geblockt und das restliche Licht genutzt. Als Beispiel dient hier der » 594 nm Notch-Filter (Art.-Nr. F40-593):

Strahlenteiler (Strahlteiler)

Optische Strahlenteiler haben die Besonderheit, dass sie nicht unter 0 Grad Einfallswinkel, wie bei den optischen Filtern, sondern unter 45 Grad Einfallswinkel genutzt werden. Sie dienen dazu, zwei Lichtpfade zu vereinen oder zu trennen. Z.B. wird bei der Fluoreszenzmikroskopie i.d.R. das Anregungslicht über den Strahlenteiler auf die Probe gelenkt und das von der Probe ausgehende Fluoreszenzsignal durch den Strahlenteiler hindurch zum Betrachter transmittiert.

Spektrale Eigenschaften von Strahlenteilern

Wie bei den optischen Filtern gibt es bei den Strahlenteilern auch Langpass-, Kurzpass-, Multibandpass-, Notch- und Neutral-Strahlenteiler. Bandpass-Strahlenteiler mit einem Band sind nicht üblich. Zu beachten ist im Allgemeinen, dass Strahlenteiler zwar eine hohe Transmission aufweisen können – allerdings keine hohe Blockung aufweisen. Die durchschnittliche Blockung von Strahlenteilern liegt bei etwa OD3 (O,1% Transmission) und kommt nicht an die hohe Blockung von optischen Filtern heran, die sich bei etwa OD6 (0,0001% Transmission) bewegt. D.h. Strahlenteiler werden verwendet um das Licht zu „sortieren“, aber nicht um ungewolltes Licht zu blocken – dafür kommen dann wieder optische Filter zum Einsatz.

Ebenheit von Strahlenteilern

Durch die Beschichtung auf das Substrat können Spannungen entstehen, die den Strahlenteiler krümmen. Das ist je nach Anwendung mehr oder weniger kritisch. Bei der klassischen Epi-Fluoreszenzanwendung (in Verbindung mit Lampen) wird das Bild von der Probe durch den Strahlenteiler transmittiert und hat damit wenig Einfluss auf die Abbildungsqualität. Hier reicht die Verwendung von Standard-Strahlenteilern aus. Kritischer wird es, wenn Laser zum Einsatz kommen und die Strahlqualität nicht beeinflusst werden soll. Wenn der Laser über den Strahlenteiler auf die Probe gelenkt wird, sollte ein Strahlenteiler mit erhöhter Ebenheit verwendet werden. Dafür gibt es spezielle Laser-Strahlenteiler, die konstruktionsbedingt deutlich ebener sind als die Standard-Strahlenteiler.

Am kritischsten ist die Ebenheit des Strahlenteilers, wenn das ganze Bild der Probe am Strahlenteiler reflektiert wird. Dann kommen die Imaging-Strahlenteiler zum Einsatz. Diese sind dafür ausgelegt und weisen eine außergewöhnliche Ebenheit auf.

Messen der Ebenheit

Generell ist zu beachten, dass die Angabe zur Ebenheit von den unterschiedlichen Herstellern nicht einheitlich und damit nicht direkt vergleichbar ist. Bitte treten Sie mit uns in Kontakt, wir beraten Sie gerne! Des Weiteren sind wir in der Lage, die Ebenheit von Strahlenteilern sehr genau zu messen. Somit können wir zum einen die Angaben der Hersteller prüfen und zum anderen auch Ihre Strahlenteiler vermessen, wenn Sie wissen wollen, wie eben diese sind.

Weitere Informationen zur Ebenheit von Strahlteilern finden Sie bei Turan Erdogan, IDEX/Semrock: Optical Filters: Flatness (PDF)

Strahlenteiler bei AHF finden Sie hier:

Optische Laser-Bandpass Filter

Eine weitere Besonderheit der Laser-Bandpass Filter sind optische Filter für Laser-Anwendungen. Laser haben die Eigenschaft, eine sehr definierte und sehr schmalbandige Wellenlänge zu haben. Ein optischer Filter, der genau diese Wellenlänge transmittiert und den Rest reflektiert, erfordert ein sehr schmales Transmissionsband – im Idealfall im Subnanometer-Bereich.

Als Beispiel dient hier der optische » Subnanometer-Bandpass Filter 589,5/1 (Art.-Nr. F97-589).

Die Schwierigkeit bei diesem Filter besteht neben dem sehr schmalen Band in der weiten Blockung. Die Unterdrückung der höher Harmonischen des Transmissionbands ist komplex und erfordert ein sehr vielschichtiges Filterdesign.

Fluoreszenz-Filter

In der Fluoreszenzmikroskopie werden optische Filter benötigt, welche die Anregungs- und Emissionsstrahlen aufreinigen. Dabei handelt es sich in der Regel um dielektrisch beschichtete Interferenzfilter.

Zunächst wird mit dem Anregungsfilter das meist weiße Licht der Anregungslampe spektral so gefiltert, dass nur der Teil hindurch kommt, mit dem die Fluoreszenzmarker angeregt werden können. Zum Beispiel bei dem grün fluoreszierenden Protein GFP wird im blauen Bereich angeregt. Das Emissionslicht des Fluoreszenzmarkers erfährt durch die Stokes-Verschiebung einen Shift zum langwelligeren Teil des Spektrums. Das aufgesammelte Fluoreszenzlicht wird anschließend durch den Emissionsfilter vom restlichen, gestreuten Anregungslicht getrennt. Wichtig dabei ist, dass der Anregungsfilter und der Emissionsfilter spektral keinen Überlapp haben, da es sonst zu einem sog. „bleed-through“, also Durchbluten oder Durchsickern des, im Vergleich zum Emissionslicht, sehr starken Anregungslicht kommt. Dadurch wird der sonst mögliche hervorragende Kontrast der Bilder zerstört. Hierbei ist insbesondere das „out-of-band-Blocking“, also die Unterdrückung nicht erwünschter Wellenlängen entscheidend. Deswegen bieten wir bei AHF analysentechnik ausschließlich optische High-end Filter an, die eine Blockung von OD6 bis OD8 in den relevanten spektralen Bereichen garantieren. Nur hierdurch kann das Fluoreszenzlicht quasi gegen einen komplett schwarzen Hintergrund gemessen werden, was dazu führt, dass bei ausreichender Dunkelheit im Raum einzelne Moleküle sichtbar gemacht werden können und sogar mit dem Auge beobachtet werden können.

Ein zweiter kritischer Punkt ist die Transmission der Filter. Nur wenn diese nah an die theoretische Grenze von >95% gelangen, können möglichst kurze Belichtungszeiten gewählt werden, wodurch die Marker geschont werden, weil weniger Licht zur Detektion benötigt wird.