Interferenzfilter

Grundidee und Kenngrößen

Interferenzfilter und Interferenzspiegel sind optische Bauelemente, die Licht je nach Frequenz beziehungsweise Wellenlänge filtern oder spiegeln. Bei sichtbarem Licht entspricht das einer farbabhängigen Wirkung. Ob man von Filter oder Spiegel spricht, hängt davon ab, ob das durchgelassene Licht oder das reflektierte Licht genutzt wird. Meist bestehen solche Bauelemente aus dünnen dielektrischen Schichten auf einem Träger, zum Beispiel als Bragg-Spiegel. Es gibt aber auch Bauformen nach Art eines Fabry-Perot-Interferometers.

Das Verhalten hängt von der Wellenlänge λ, dem Einfallswinkel AOI (angle of incidence) und teilweise vom Polarisationszustand p des Lichts ab. Wichtige Größen sind der spektrale Transmissionsgrad τ(λ, AOI, p), also das Verhältnis von durchgelassener zu einfallender Strahlungsleistung, der spektrale Reflexionsgrad ρ(λ, AOI, p), also das Verhältnis von reflektierter zu einfallender Strahlungsleistung, und der spektrale Absorptionsgrad α(λ, AOI, p), also der Anteil, der im Bauelement in eine andere Energieform, etwa Wärme, umgewandelt wird. Der Transmissionsgrad kann auch über die optische Dichte D angegeben werden: τ(λ, AOI, p) = 10^-D(λ, AOI, p). Die spektrale Streuung ist die Summe des nicht gerichteten, also diffusen, spektralen Transmissions- und Reflexionsgrades. Für die spektrale Beschreibung wird bei Transmission und Reflexion der gerichtete Anteil betrachtet.

Arten und Aufbau

Interferenzfilter und -spiegel lassen sich nach Material und spektraler Wirkung einteilen. Bei der Materialwahl gibt es zwei Hauptformen: Eine Gruppe nutzt sehr dünne, teildurchlässige metallische Schichten, oft zwei Metallschichten mit einer Abstandsschicht dazwischen, ähnlich einem Fabry-Perot-Interferometer. Die zweite Gruppe nutzt Interferenz in einem Stapel aus mehreren dielektrischen Schichten unterschiedlicher Materialien.

Nach der spektralen Wirkung unterscheidet man Bandpassfilter, Bandsperrfilter, Langpassfilter, Kurzpassfilter und polarisierende Strahlteiler. Ein Bandpassfilter lässt ein bestimmtes Wellenlängenband gut durch und reflektiert oder absorbiert kürzere und längere Wellenlängen. Ein Bandsperrfilter sperrt einen bestimmten Wellenlängenbereich, lässt aber kürzere und längere Wellenlängen durch. Ein Langpassfilter lässt lange Wellenlängen gut durch und kurze schlecht; ein Kurzpassfilter wirkt umgekehrt. Ein polarisierender Strahlteiler lässt eine Polarisation, typischerweise p-Polarisation, gut durch und die dazu orthogonale Polarisation, typischerweise s-Polarisation, schlecht. Bauelemente mit unterschiedlichem Transmissions- oder Reflexionsgrad für zwei Wellenlängenbereiche heißen dichroitisch; bei drei Bereichen spricht man von trichroitisch. Interferenzfilter können schmalbandige Linienfilter oder breitbandige Bandfilter sein.

Klassische Interferenzfilter bestehen zum Beispiel aus Glas als Trägerschicht, einer teildurchlässigen metallischen Spiegelschicht aus Silber oder Aluminium, einer dünnen transparenten dielektrischen Schicht und einer zweiten Spiegelschicht. Die Dicke l der dielektrischen Schicht bestimmt, welche Wellenlängen gefiltert werden. Der Transmissionsgrad der Spiegelschichten beeinflusst die Güte: Dünne Spiegelschichten führen zu einem breiten Maximum des transmittierten Frequenzbandes und hoher Intensität, also zu geringer Filtergüte. Moderne dielektrische Filter bestehen oft nur aus nichtmetallischen transparenten Schichten auf einem transparenten Substrat. Die Schichten haben meist unterschiedliche Brechungsindizes; ihre Dicken liegen etwa zwischen zehn und tausend Nanometern. Die Anzahl der Schichten kann von wenigen bis zu mehreren hundert reichen.

Funktionsweise

Die Wirkung beruht auf Interferenz an dünnen Schichten. Trifft Licht auf ein solches Bauelement, wird es an jeder optischen Grenzfläche nach den Fresnel-Formeln teilweise transmittiert und teilweise reflektiert. Dadurch entstehen mehrere Teilstrahlen. Diese werden in der Schicht weiter reflektiert und gebrochen, sodass auf beiden Seiten des Bauteils viele parallel austretende Strahlen gleicher Frequenz entstehen.

Weil der Interferenz eine Strahlteilung vorausgeht, spricht man von Amplitudenteilung. Das unterscheidet sich von Interferenz durch Beugung, etwa beim Doppelspaltversuch, bei der man von Wellenfrontteilung spricht. Zur einfachen Erklärung betrachtet man zunächst schwache Reflexion und vernachlässigt Mehrfachreflexionen. Dann genügt es, zwei Teilwellen zu betrachten, zum Beispiel R0 und R1. Werden diese Parallelstrahlen durch eine Sammellinse, etwa das Auge, zusammengeführt, interferieren sie. Wegen der verschiedenen Weglängen in der dünnen Schicht besitzen sie nach der Reflexion einen Gangunterschied Δ.

Für ein einfaches Modell gilt: Δ = 2nl + a. Dabei ist l die Schichtdicke, n der Brechungsindex der dünnen Schicht und a ein eventuell durch Reflexionen zusätzlich erzeugter Gangunterschied. Je nach Gangunterschied werden bestimmte Wellenlängen ausgelöscht (destruktive Interferenz) oder verstärkt (konstruktive Interferenz). Das hängt von der Schichtdicke l und vom Einfallswinkel θ ab. Vollständige Interferenz setzt voraus, dass die interferierenden Strahlen dicht nebeneinander parallel verlaufen und kohärent sind, dass ihre Amplituden gleich groß sind und dass die Phasenverschiebung für destruktive Interferenz (2n−1)·180° mit n = 1, 2, 3, 4, … oder für konstruktive Interferenz n·360° mit n = 0, 1, 2, 3, … beträgt.

Herstellung und Entwurf

Schichtsysteme für Interferenzfilter werden heute meist durch Kathodenzerstäubung, auch Sputtern genannt, hergestellt. Das gilt besonders für aufwändige Filter mit hohen Genauigkeitsanforderungen. Einfachere Filter, zum Beispiel für Entspiegelungen, werden auch durch Aufdampfen von Schichten hergestellt. Durch bessere Steuerungsmöglichkeiten bei Prozessanalyse und Anlagen werden aber auch komplexere Filter zunehmend durch Bedampfung herstellbar.

Der Entwurf dielektrischer Schichtfolgen geschieht mit aufwändigen Simulationsprogrammen. Als Eingabedaten dienen die optischen Eigenschaften der Materialien, insbesondere Brechungsindex und Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge sowie Dispersion, außerdem das gewünschte Transmissions- oder Reflexionsspektrum, gegebenenfalls abhängig vom Einfallswinkel. Das Programm gibt das simulierte Spektrum und die Schichtenfolge aus. Es gibt Schnittstellen, mit denen eine Beschichtungsanlage direkt angesteuert werden kann. Die Berechnung erfolgt iterativ und kann je nach Komplexität Sekunden bis mehrere Stunden dauern (Stand 2015). So lassen sich auch Filter mit komplizierten Anforderungen, zum Beispiel Mehrband-Filter, entwerfen und herstellen.

Anwendungen

Interferenzfilter werden in vielen optischen Geräten eingesetzt. Dielektrische Filter bestehen ohne metallische Schichten aus dielektrischen Schichten bestimmter Dicken und wechselnder Brechungsindizes. Antireflexbeschichtungen, auch Vergütungsschichten oder reflexmindernde Schichten genannt, nutzen destruktive Interferenz der reflektierten Strahlen auf optischen Bauteilen und verbessern die Transmission durch konstruktive Interferenz bestimmter Wellenlängen. Auch andere optische Bauelemente nutzen Interferenzen, zum Beispiel die Lummer-Gehrcke-Platte.

Dichroitische Spiegel werden unter anderem in größeren Videokameras mit drei CCD-Sensoren eingesetzt, um einfallendes Licht in den RGB-Farbraum aufzuteilen. Dazu werden zwei Spiegel benötigt, die in verschiedenen Wellenlängenbereichen reflektieren. Die frühere strenge Trennung zwischen Filtern und dichroitischen Spiegeln ist oft nicht mehr sinnvoll, weil Interferenzfilter häufig beide Funktionen erfüllen: Nicht transmittierte Wellenlängen werden reflektiert, sodass ein Lichtstrahl in zwei Strahlen mit komplementären Wellenlängenbereichen aufgeteilt werden kann.

Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die digitale Projektionstechnik. In einfachen Projektoren läuft ein schnell rotierendes Filterrad mit Segmenten aus Interferenzfiltern durch den Strahlengang. Mindestens nötig sind Rot, Grün und Blau für additive Farbmischung; oft kommen Cyan, Gelb und Weiß hinzu, um die Helligkeit auf Kosten der Farbsättigung zu erhöhen. Nachteile sind der Regenbogeneffekt bei schnellen Bewegungen und die schlechte Lichtausnutzung, weil nicht passende Wellenlängen verworfen werden. Hochwertigere Projektoren teilen das Licht vor den Bildgebern in rote, grüne und blaue Strahlen auf, nutzen sie gleichzeitig und vereinigen die Teilbilder anschließend wieder. Das ist aufwändiger und teurer, verbessert aber Bildqualität und Lichtausbeute.

Weitere Anwendungen gibt es in der stereoskopischen 3D-Projektion, in der Fluoreszenzmikroskopie, in der Lasertechnik und bei Reflexvisieren. Dichroitische Spiegel können Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen in einen gemeinsamen Strahlengang einkoppeln. Da sie Licht einer Wellenlänge sehr verlustarm spiegeln, eignen sie sich auch für hohe Laserleistungen. Kaltlicht- und Wärmespiegel sind spezielle dichroitische Spiegel: Ein Wärmespiegel lässt sichtbares Licht gut durch und reflektiert Infrarotlicht stark; ein Kaltlichtspiegel reflektiert sichtbares Licht und lässt infrarote Wärmestrahlung passieren, zum Beispiel in Kaltlichtspiegellampen.

Vor- und Nachteile sowie Normen

Ein großer Vorteil von Interferenzfiltern ist, dass nahezu beliebige Transmissions- und Reflexionsspektren hergestellt werden können. Für eine steile Flanke bei einer bestimmten Wellenlänge gibt es oft keine Alternative. Außerdem absorbieren Interferenzfilter in der Regel nur wenig Strahlungsleistung und erwärmen sich deshalb schwach. Klassische Farbfilter wirken dagegen durch Absorption ganzer Spektralbereiche und können sich stark erhitzen. Dielektrische Spiegel auf Interferenzbasis erreichen eine höhere Reflektivität als metallische Spiegel, besitzen hohe Zerstörschwellen und sind für gepulste Hochleistungslaser geeignet. Interferenzfilter bleichen außerdem nicht aus.

Nachteile sind die Winkelabhängigkeit und teils die Temperaturabhängigkeit. Der Einfallswinkel beeinflusst das gefilterte Frequenzband; bei größerem Winkel verschiebt es sich zu kürzeren Wellenlängen. Das kann zur Feinjustierung genutzt werden, verschlechtert aber bei nicht parallelem Lichtbündel die Güte des Filters. Bei porösen Schichten können Temperaturänderungen über den atmosphärischen Wasseranteil die Brechungsindizes geringfügig verändern. Weitere Nachteile sind höhere Kosten im Vergleich zu klassischen Farbfiltern, teilweise geringe Kratzfestigkeit mancher optisch guter Schichtmaterialien sowie Schwierigkeiten mit flexiblen Substraten, wenn dicke spröde Schichten oder hohe Beschichtungstemperaturen nötig sind.

Zur Spezifikation optischer Interferenzfilter gibt es die ISO-Norm ISO 9211 „Optik und Photonik – Optische Schichten“. Sie umfasst Teil 1 Begriffe, Teil 2 Optische Eigenschaften, Teil 3 Umweltbeständigkeit, Teil 4 Spezifische Prüfmethoden sowie Teile 5 bis 8 zu Mindestanforderungen an solche Schichtsysteme. Für Filtereigenschaften von Brillengläsern gilt die gesonderte Norm EN ISO 13666 „Augenoptik – Brillengläser – Vokabular“ (ISO 13666:1998), in Deutschland als DIN EN ISO 13666.