Licht

Dichroitische Filter

Dichroismus

Dichroismus basiert auf Interferenzen. Schichten mit unterschiedlicher Brechzahl in der Dichte sorgen dafür, dass ein Teil der Strahlung reflektiert und gebeugt wird. Beträgt nun die Grenzschicht in der Auftragsdicke die halbe Wellenlänge der entsprechenden Lichtfarbe, so entsteht eine destruktive Interferenz – das heißt, ein Wellenberg und ein Wellental heben sich auf. In der Summe wird kein Licht reflektiert.

Sind dagegen bei durchgelassenem Licht die Grenzschichten ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Lichts, so addieren sich die Wellenberge, so dass eine konstruktive Interferenz vorliegt. Ein dichroitischer Filter besteht in der Regel aus ca. 20 bis 50 extrem dünnen Schichten, die auf einen Glaskörper, meist Borosilikat-Glas, das eine Arbeitstemperatur bis 400°C erlaubt, in Vakuumtechnik aufgetragen werden. Die Stärke der Schichten muss also sehr exakt und über die Fläche äußerst homogen aufgetragen werden. Auf diese Weise kommt – je nach Betrachtungswinkel – die Vielfalt der Farben zustande.

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Prinzipbild Dichro
Prinzip der Reflexion je nach Auftrittswinkel auf dem beschichteten Glasträger

Diese Interferenzfarben treten aber nur bei sehr dünnen Schichten auf und z. B. nicht an Glasscheiben. Dies hat damit zu tun, dass das „normale“ Licht aus vergleichsweise kurzen, einzelnen Wellenzügen besteht und die Interferenz nur bei den Teilstrahlen ein und desselben Wellenzuges auftritt. Die zur Interferenz Anlass gebenden Schichten müssen also dünner sein als etwa ein halber Wellenzug lang ist. Damit wird auch deutlich, warum sich bei Änderung des Betrachtungswinkels bei einem dichroitischen Filter auch die Farbwiedergabe ändert, obwohl der Filter für eine exakte Farbe gefertigt wurde.

 

FArbort änderung durch Winkeländerung
Filter mit der Hand gedreht: Links ist die Farbe, die auf den Hintergrund durchgelassen wurde. Mittig ist der Filter, der in der Hand gehalten wird. Rechts ist die Farbe, die vom Filter reflektiert wird. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

 

Wirkweise eines Dichroitischen Filter
Dichroismus ist nur bei sehr dünnen Schichten möglich, wenn die Gesamtlänge eines einzelnen Lichtstrahls mehr als doppelt so lang ist wie die Schichtdicke. Einzelne Lichtstrahlen sind nur ca. 1.000 nm lang (außer bei Laserlicht). (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Ein dichroitischer Filter besteht wie zuvor erwähnt aus ca. 20 bis 50 extrem dünnen Schichten, die auf einen Glaskörper in Vakuumtechnik aufgetragen werden. Das Auftragen der Schichten muss in der Dicke sehr exakt und über die Fläche sehr homogen sein. Für den Interferenzeffekt benötigt man die Hälfte der Wellenlänge des betreffenden Lichts, demnach muss die Schicht genau diese Dicke annehmen. Das sind bei einem zu filternden Gelb mit 570 nm immerhin ca. 285 nm oder 0,000285 Millimeter und dies über die gesamte Trägerfläche. Hier werden die Qualitäts- und Preisunterschiede der verwendeten dichroitischen Filter deutlich: Standard-Toleranzen erstrecken sich um die 10 bis 15 nm. Qualitativ höherwertige Filter weisen dagegen eine Toleranz von nur 5 nm oder geringer auf.

Bezieht man diese Toleranz auf unser Beispiel Gelb mit 580 nm, so können wir bei Betrachtung im Farbdreieck eine Verschiebung um 5 nm bereits erkennen. Umso schwerwiegender ist die Verschiebung um 15 nm, was eindeutig einen Grün- oder Orangestich zur Folge hat. Dies wird besonders ärgerlich, wenn man Filter unterschiedlicher Herstellungs-Chargen, sei es als Ersatzteil oder Moving Lights zur Erweiterung des vorhandenen Equipments, kauft. Einige Geräte lassen sich bei der CMY-Einheit aus diesem Grund auch mit einem Offset „kalibrieren“, bei dem dann die Farbe, bei einem gleichen DMX-Wert, stärker in den Strahlengang hineingefahren wird als bei den „nicht kalibrierten“ Geräten. Diese Option hilft bei Filtern mit großen Toleranzen ein wenig weiter.

Weiterhin ist jede Verunreinigung beim Auftragen der Schichten ein großes Problem, wie auch die Inhomogenität der Schichten selber. So reichen wenige Prozentpunkte bei einer fehlenden Rot-Interferenz in einem Blaufilter aus, um die Farbe verwaschen aussehen zu lassen.

Ein weiteres Qualitätsmerkmal ist die Anzahl der aufgebrachten Schichten: Je mehr Schichten verwendet werden, umso steiler sind die Flanken der Transmissionskurve, und umso reiner kann eine Farbe wiedergegeben werden.

 

Die Qualität der verwendeten dichroitischen Filter macht sich in folgenden Punkten bemerkbar:

  1. Wie sind die Farben C, M, Y aufeinander abgestimmt?
  2. Wie gesättigt (rein) sind die Farben?
  3. Wie stark unterscheiden sich die Farben in mehreren Scheinwerfern?
  4. Wird die Farbe in gleicher Qualität auch noch nach z. B. einem Jahr geliefert, oder ist es dann ein gänzlich anderer Farbton?
CIE Farbdreieck mit Farborten
Die Qualität der verwendeten Dichroiten kann man auch an den Farborten im Farbdreieck erkennen. (Bild: Herbert Bernstädt)

 


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