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Eigenschaften von Interferenzfiltern

Die spektralen Eigenschaften von Filtern werden oft über ein Transmissionsspektrum dargestellt. In einem solchen Spektrum wird der Anteil des Lichts einer bestimmten Wellenlänge angezeigt, der vom Filter durchgelassen wird.

Nebelfilter lassen Licht nur im Bereich eines schmalen Passbandes durch. Dieses wird charakterisiert durch seine Lage (Zentralwellenlänge), die maximale Transmission am Peak, die Halbwertsbreite des Passbandes  (fwhm, full width at half maximum), sowie der Steilheit der Flanken des Passbandes (je steiler, desto besser). Der "perfekte" Nebelfilter hat eine vorgegebene Bandbreite, eine Transmission von fast 100% innerhalb des Passbandes und komplette Blockierung außerhalb, sowie eine quasi-rechteckige Form des Passbandes.

Im Gegensatz zu Farbglasfiltern, bei denen das geblockte Licht absorbiert wird, entsteht die Filterwirkung bei Interferenzfiltern durch konstruktive und destruktive Interferenz an einer Folge von alternierenden dünnen dielektrischen Schichten. Das geblockte Licht wird dabei nicht absorbiert, sondern reflektiert.

Eine ausgezeichnete Einführung in das Design und die Theorie von Interferenzfiltern gibt es hier.

 

Welche spektralen Eigenschaften sollte ein Nebelfilter haben?

Die Aufgabe eines Nebel-Filters ist es, die spezifizierten Emissionslinien möglichst vollständig durch zu lassen und die übrigen Spektralbereiche möglichst vollständig zu blocken.

HeII

468.6 nm

H beta

486.1 nm

[OIII]

495.9 nm

[OIII]

500.7 nm

[NII]

654.8 nm

H alpha

656.3 nm

[NII]

658.4 nm

[SII]

671.7 nm

[SII]

673.1 nm

Ein Nebelfilter sollte von daher im Passband eine möglichst hohe Transmission von über 90% haben. Die Bandbreite des Filters sollte so groß wie nötig sein, damit die Emissionslinien nicht beschnitten werden, aber nicht größer, damit möglichst wenig Störlicht durchgelassen wird. Die Flanken des Passbandes sollten von daher möglichst steil sein. Um auch mit schnellen Optiken kompatibel zu sein, sollte das Passband an der langwelligeren Seite noch 1 bis 2 nm "Luft" haben, um auch bei einer Verschiebung des Passbandes keine Emissionslinie zu beschneiden (siehe unten).  Außerhalb des Passbandes sollte der Filter möglichst weit in den blauen und roten Spektralbereich hinein blockieren, zumindest so weit, dass der Bereich der Empfindlichkeit des skotopischen Sehens mit den Stäbchen von etwa 420 bis 600 nm abgedeckt ist.

Welches sind nun die wichtigen Emissionslinien von HII-Regionen und Planetarischen Nebeln? Für die visuelle Beobachtung sind dies nur sehr wenige Linien: Die OIII-Linien bei 501 nm und 496 nm (wobei die kurzwelligere Linie nur ein Drittel der Intensität hat) und die H-beta-Linie bei 486.1 nm. Die H-alpha-Linie bei 656 nm ist für die visuelle Deep-Sky-Beobachtung nicht relevant (siehe hier).

Der ideale OIII-Filter sollte breit genug sein, damit die beiden OIII-Linien bei 496 und 501 nm (grün) mit möglichst hoher Transmission durchgelassen werden. Der oben gezeigte Filter (Lumicon) hat bei beiden Linien eine Transmission von über 95% und eine Halbwertsbreite (fwhm) von 12 nm. Eine geringere Bandbreite ist kaum möglich, ohne dabei eine der beiden Linien zu beschneiden.

Der oben gezeigte OIII-Filter (Baader) ist mit 9nm Bandbreite engbandiger als der Lumicon und sollte von daher besser geeignet sein, ungewolltes Kontinuumslicht zu blockieren. Der Filter hat jedoch eine Transmission von nur 86% auf der OIII-Emissionslinie bei 501 nm und von lediglich 21%  auf der schwächeren OIII-Linie bei 496 nm. Der Filter beschneidet somit die spezifizierten OIII-Linien relativ stark. Dieser Filter kann trotzdem nutzbringend angewendet werden, wenn man sich auf helle OIII-Objekte beschränkt, wie zum Beispiel den Zirrus-Nebel oder helle PN, oder wenn man an einem Standort mit stark aufgehelltem Himmel beobachtet. Unter guten Bedingungen ist die Beobachtung von schwachen OIII-Objekten jedoch deutlich schwieriger als mit dem Lumicon-Filter.

Da der H-beta-Filter nur eine einzelne Emissionslinie bei 486 nm (blau) durchlassen muss, sind hier geringere Bandbreiten möglich als beim OIII-Filter. Der oben gezeigte Filter (Lumicon) hat bei der H-beta-Linie eine Transmission von fast 96% bei einer Bandbreite von lediglich 9 nm.

UHC-Filter lassen sowohl die OIII-Linien als auch die H-beta-Linie (grün und blau) passieren und sind von daher breitbandiger ausgelegt. Der oben gezeigte Filter (Astronomik) hat für die H-beta- und die beiden OIII-Linien Transmissionswerte von 92%, 95% und 96% und eine Halbwertsbreite von 33nm. Wie man im obigen Transmissionsspektrum leicht sehen kann, könnte dieser Filter durchaus noch 5 bis 6 nm schmäler ausfallen bei gleicher hoher Transmission auf den drei Linien. In neueren UHC-Filtern von  Astronomik wird dies umgesetzt, diese haben eine Halbwertsbreite von 28 nm bei ähnlichen Linientransmissionen wie im oben gezeigten Filter. Die neueren UHC-Filter von Lumicon erreichen noch leicht bessere Werte mit einer Halbwertsbreite von 24 nm und Transmissionswerten von durchgängig über 95% auf den drei Emissionslinien.

 

Einfluss von "Leaks" auf die Leistungsfähigkeit von Filtern

Während photographisch genutzte Filter über einen möglichst breiten spektralen Bereich blocken sollten, ist dies für visuell genutzte Filter nicht so wichtig, wenn dafür Peak-Transmission und Halbwertsbreite optimal sind. Untenstehende Abbildung zeigt die Transmissionskurve eines Lumicon OIII-Filters (weiß), der zusätzliche Durchlassbereiche ("Leaks") unter 430nm hat, während die blaue Linie die relative spektrale Empfindlichkeit des dunkeladaptierten Auges anzeigt. Die rote Fläche ist der Durchlass des Filters gewichtet mit der spektralen Empfindlichkeit des Auges. Ein Vergleich der relativen Flächenanteilen zeigt deutlich, dass solche Durchlassfenster außerhalb der Hauptempfindlichkeitsbereiche des Auges zweitrangig sind und vielmehr die Halbwertsbreite des Passbandes ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit des Filters ist.

Die untenstehende Graphik zeigt zwei UHC-Filter, die beide vergleichbar gute Transmission auf den relevanten H-beta- und OIII-Linien haben, aber eine unterschiedliche Halbwertsbreite von 27 bzw. 58nm besitzen. Beide Filter haben somit ein ähnliche Transmission auf der gewünschten Spektrallinie (und damit ein ähnlich großes "Signal"), aber der breitere Filter lässt etwa doppelt so viel ungewünschtes Licht durch (entsprechend doppelt so viel "Rauschen"). Das "Signal-zu-Rausch-Verhältnis" des breiteren Filters ist somit nur halb so groß wie das des schmaleren Filters.

 

Ist ein Passband im roten Spektralbereich sinnvoll für einen UHC Filter?

Das ist eine interessante Frage und noch vor ein paar Jahren hätte ich geantwortet: "Nein, das ist weitestgehend egal, solange man nicht damit photographiert".

Inzwischen bin ich mir da nicht mehr so ganz sicher. Viele alte und lichtschwache PN emittieren einen signifikante Anteil ihres Lichts in den NII Linien bei 654.8 und 658.4nm, welche direkt neben der H-alpha Linie bei 656.3nm liegen (siehe z.B. hier). Im Gegensatz zur H-alpha Linie, welche immer von der visuell besser gelegenen, wenn auch nur ein Drittel so starken H-beta Linie im Blauen begleitet wird, haben diese NII-Linien keine solchen Gegenstücke.

Für extrem schwache Objekte, die bevorzugt in NII strahlen, und unter exzellenten Beobachtungsbedingungen wäre somit ein UHC Filter mit optimalem Passband im Roten für die NII und H-alpha Linie unter Umständen der Filter der Wahl. Dass das Passband hier zum roten Ende hin offen ist, ist nicht weiter tragisch, da der Empfindlichkeitsabfall unserer Photorezeptoren hier einen "natürlichen" cut-off bildet. Wie gesagt, ich bin mir nicht sicher, ob wir in dem Bereich bei den für die oben genannten üblichen Intensitäten überhaupt noch etwas wahrnehmen können. Falls irgend jemand hierzu schon Vergleichsbeobachtungen gemacht hat, würde mich das sehr interessieren.

 

Einfluss von nicht-senkrechtem Einfall auf die Position des Passbandes

Die nominale Position des Passbandes eines Interferenz-Filters ist in der Regel angegeben für einen senkrechten Einfall des Lichtbündels. Wird der Filter wie üblich zwischen Spiegel/Objektiv und Okular eingesetzt, liegt ein *fast senkrechter* Einfall vor und das Passband des Filters ist quasi nicht verändert. Es gibt jedoch Situationen, in denen größere Abweichungen vom normalen Einfall vorliegen, zum Beispiel wenn

Aufzählung

der Filter um einen bestimmten Winkel gekippt ist

Aufzählung

der Filter zwischen Okular und Auge benutzt wird (z.B. mit Ferngläsern oder beim Filter-Blinking)

Aufzählung

sehr schnelle Optiken verwendet werden (siehe weiter unten)

Unter solchen Bedingungen verändert sich das Passband:

Aufzählung

es wird blau-verschoben, d.h. das Transmissionsmaximum verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen

Aufzählung

die maximale Transmission verringert sich etwas

Aufzählung

die Form des Passbandes verändert sich und das Passband verbreitert sich etwas

Ist die Abweichung vom normalen Einfall, θ, kleiner als 25°, kann die verschobene Position des Passbandes, λθ, berechnet werden mit

,,

wobei λ0 die nominale Position des Passbandes bei senkrechtem Einfall und neff der effektive Brechungsindex der dielektrischen Schichten des Filters ist. Typischerweise haben Interferenzfilter ein neff von 1.45 oder 2.0, abhängig von der Wahl des verwendeten Dielektrikums, welche letztendlich von den genauen Anforderungen an den Filtern und den gewünschten Spezifikationen abhängt. Filter mit breiteren Passbändern (wie z.B. typische UHC- oder Deep-Sky-Breitband-Filter) werden üblicherweise mit High-Index-Spacern hergestellt ( neff 2.0). Filter mit extrem schmalen Passbändern und/oder sehr steilen Flanken erfordern die Verwendung von Low-Index-Spacern  ( neff 1.45). Dieser Typ Filter hat eine größere Passbandverschiebung als die Filter mit High-Index-Spacern, was ein Nachteil sein kann.

Hier ist als Beispiel ein engbandiger Interferenzfilter mit Low-Index-Spacern (Baader OIII), dessen Transmissionskurve unter verschiedenen Winkeln θ gemessen wurde.

Die Blauverschiebung des Transmissionsmaximums, die leichte Verringerung der Peak-Transmission und die Veränderung der Form des Passbandes sind in dieser Grafik alle sehr auffallend.

 

Einfluss von schnellen Optiken auf das Passband

Was hat das Ganze jetzt mit schnellen Optiken zu tun? Langsame Optiken (z.B. f/8 oder f/15) haben einen steileren Lichtkegel als schnelle Optiken (z.B. f/4), so dass bei den langsamen Optiken das Licht insgesamt senkrechter einfällt als bei schnellen Optiken. Der mittlere Einfallswinkel θeff einer gegebenen Optik kann berechnet werden, indem man den Einfallswinkel für die (mittlere) 71%-Zone der Eintrittspupille (bei Teleskopen ist das in der Regel das Objektiv) berechnet (f-Zahl einer f/4 Optik ist 4)

tan (θeff) = 0.71 d / 2f = 0.71/(2*f-Zahl)

Für ein f/4-Teleskop ergibt dies θeff = 5.1° und somit eine Verschiebung des Passbandes (z.B. für λ0 500nm) von etwa 1 nm, in Übereinstimmung mit den Messergebnissen oben. Einen Vergleich von Spektren die mit kollimiertem (senkrechtem) und konvergentem f/4-Lichtkegel aufgenommen wurden, gibt es hier.

Selbst mit einem f/4-Teleskop ist somit die Verschiebung relativ gering, selbst für einen engbandigen Low-Index-Filter, da selbst für solch schnelle Optiken der Lichtkegel noch relativ steil ist. Lediglich für sehr engbandige Filter oder für Filter, bei denen die durchzulassende Emissionslinie nahe am Rand des Passbandes liegt, wird diese Verschiebung die Leistung des Filters beeinträchtigen. Wird der Filter jedoch nicht zwischen Objektiv und Okular sondern zwischen Okular und Auge verwendet, verändert sich die Situation grundlegend. Hier ist der Winkelbereich, in dem die Strahlenbündel auf den Filter treffen, sehr viel größer und die Position des Transmissionsmaximums wird sich off-axis stark verschieben. Dies wird wahrgenommen als Farbverschiebung des Filters (im einfachsten Fall zum Blauen hin) je mehr man zum Rand des Gesichtsfelds schaut.

 

Filter-Transmissions-Spektren

Neben der optischen Qualität bestimmt die Transmissionscharakteristik in erster Linie den Nutzen von Nebelfiltern. Deshalb sind Transmissions-Spektren sehr hilfreich, wenn man sich beim Kauf für einen bestimmten Filter entscheiden muss.

Die untenstehenden Spektren sind Transmissions-Spektren von meinen eigenen Filtern sowie auch von Filtern von anderen. Alle Spektren wurden mit einem Hewlett-Packard G1103A (8453) Diodenarray Spektrophotometer gemessen.

Die Transmissionswerte sind für die Position der Spektrallinie selbst angegeben und gelten somit für genau senkrechten Einfall. Bei den sehr engbandigen Filtern sind in Klammer auch die Transmissionswerte für eine um 1nm langwelligere Position angegeben, entsprechend der Verschiebung hervorgerufen durch den dem mittleren Einfallswinkel für eine f/4-Optik.

Bei den Lumicon-Filtern wurde unterschieden zwischen den aktuellen Serien und den sehr alten laminierten Serien, die vor etwa 1995 hergestellt wurden, aber teilweise immer noch exzellente Ergebnisse zeigen (die Filter sind zum Teil schon 30 Jahre alt !!!).  Astronomik und ICS sind vom selben Hersteller und zeigen etwas breitere Durchlassfenster. Erst in den letzten Jahren wurden auch hier die Halbwertsbreiten optimiert.

 

Links zu allgemeinen Seiten über Interferenz-Filter

www.olympusmicro.com

www.astrodon.com

 

Links  auf andere Webseiten mit Transmissions-Spektren

André Knöfel   www.astroamateur.de      sehr umfassende Sammlung von Transmissions-Spektren

Thomas Klotzbücher    www.blackskynet.de      Sammlung von Transmissions-Spektren

Rob Brown  home.comcast.net/~mcculloch-brown     Sammlung von Transmissions-Spektren, auch im konvergenten (f/4) Strahlengang

Christian Buil  www.astrosurf.com/buil     Theorie und Sammlung von Transmissions-Spektren

Intercon  www.intercon-spacetec.de    Vergleich der Transmissionsspektren einiger "günstiger" Made-in-China-Filter

Peter Höbel  www.sonnen-filter.de     Transmissions-Spektren von Sonnenfiltern

 

Hersteller

Lumicon

Thousand Oaks

Astronomik

Omega Filters/DGM/   ebay store

Baader

Astrodon

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