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Farbfilter
Mit Hilfe von Farbfiltern (englisch: Gels) können bestimmte spektrale Anteile aus einer Lichtstrahlung gefiltert werden. Dieses geschieht über das Prinzip der subtraktiven Farbmischung. Dabei werden bestimmte spektrale Anteile (Wellenlängen) der Lichtstrahlung vom Filter absorbiert oder reflektiert (Absorption, Reflektion), andere Wellenlängenbereiche werden durchgelassen (Transmission).
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Pigment-Farbfilter
Bei Pigment-Farbfiltern sind feine Pigmente in ein Trägermaterial eingebettet, die bestimmte Wellenlängen des einfallenden Lichts absorbieren. Diese Absorption hat ein Erhitzen des Trägermaterials zur Folge. Je nach Filterbeschaffenheit und Material führt dies zum Ausbleichen der Farbe oder zur Zerstörung des Trägermaterials. Die Transmission hängt entscheidend von der Filterfarbe ab. Je dunkler (viele Pigmente) ein Farbfilter ist, desto mehr Licht wird vom Filter bei gleichzeitiger Erhitzung des Filtermaterials absorbiert. So lassen bestimmte tiefblaue Filter nur 10-20 % des einfallenden Lichtes passieren, wohingegen helle Filter (wenig Pigmente) bis zu 90 % des einfallenden Lichtes durchlassen. Die Flanken der Transmissionskurven von Pigment-Farbfiltern sind relativ flach, wodurch keine auf bestimmte Wellenlängen abgestimmten reinen und gesättigten Farben erzeugt werden können. Konversionsfilter zur Farbtemperaturanpassung (siehe auch Kapitel Farbtemperatur) absorbieren nur einen kleinen Teil des einfallenden Lichts, so dass eine geringe Helligkeitsreduktion beobachtet werden kann. Die Farbgenauigkeit und Reproduzierbarkeit von Pigment-Farbfiltern sind sehr gut (bei Polyester- und Polycarbonatfiltern) bis relativ genau (bei Gelatinefiltern und Farbgläsern). Bestehen Farbfilter aus einem brennbaren Trägermaterial, muss dieses nach DIN 4102 selbstverlöschend sein. Filterfolien habe üblicherweise eine Dicke von 0,02 mm bis 0,03 mm.
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Gelatinefilter
Gelatinefilter sind sehr preisgünstig und vielseitig in der Anwendung. Sie sind jedoch nicht hitzebeständig, werden bei hohen Temperaturen spröde und können sich entzünden. Ebenfalls verändern Gelatinefilter beim Einsatz die Farbe. Bei Berührung mit Wasser lösen sich Gelatinefilter auf.
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Farbgläser
Farbgläser werden durch den Zusatz von verschiedenen Metallen wie Eisen, Kobalt oder Kupfer erzeugt. Diese Metalle werden zum flüssigen Glas zugesetzt und bewirken eine farbliche Veränderung des Materials. Farbgläser können auch durch eine farbliche Behandlung der Oberfläche erzeugt werden. Farbgläser sind sehr farb- und hitzebeständig über die gesamte Lebensdauer (Dauertemperatur 110°C; Spitzentemperatur 460°C). Sie sind jedoch sehr teuer, haben eine geringe Farbauswahl und sind durch Größe, Gewicht und Zerbrechlichkeit nur beschränkt einsetzbar. Ebenso sind exakte Farbnuancen einer Farbe bei verschiedenen Fertigungsdurchgängen nicht problemlos reproduzierbar. Ein inhomogenes Erhitzen beim Betrieb der Farbgläser kann ein Zerplatzen derselben auslösen, wodurch ein Sicherheitsproblem gerade bei gehängten Scheinwerfern entsteht. Farbgläser haben eine Dicke von ca. 2 mm bis 4 mm.
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Polyesterfilter
Polyesterfilter sind heute wegen ihrer großen Farbauswahl und Vielseitigkeit sehr weit verbreitet. Farbpigmente werden dabei entweder auf der Oberfläche aufgetragen, in die Oberfläche eingelassen oder mit dem ganzen Material vermischt. Polyesterfilter sind wärmebeständig bis zu einen Bereich von 146° C, nicht brennbar und bewahren über einen langen Zeitraum ihre Originalfarbe (Dauertemperatur 125°C; Spitzentemperatur 300°C). Sie werden überwiegend für helle Farbtöne verwendet oder für solche Farbstoffe, die nicht in Polycarbonatfilter eingebracht werden können. Filter aus Polyester sind preiswert und als Rollen oder Bogen erhältlich.
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Polycarbonatfilter
Polycarbonatfilter bieten die besten Eigenschaften als Farbträger. Sie sind bis zu einer Temperatur von 163°C wärmebeständig (Dauertemperatur 160°C; Spitzentemperatur 225°C) und nicht brennbar. Herstellungsverfahren und Farbauswahl sind vergleichbar mit Polyesterfiltern, wobei Polyesterfilter jedoch einfacher herzustellen und somit preiswerter in der Anschaffung sind. Besonders temperaturresistente Polycarbonatfilter werden unter der Produktbezeichnung HT (Lee) und Supergel (Rosco) angeboten.
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Dichroitische Farbfilter (Interferenz-Filter)
Dichroitische Farbfilter (Dichroismus: gr.-lat. di = zwei; chroma = Farbe) filtern das Licht über das Interferenz-Prinzip. Sie bestehen aus einem üblicherweise 3 mm dicken Glasträger bestehend aus sich wenig ausdehnenden Glassubstraten (Borosilikatglas), auf den eine Vielzahl von dünnen Oxydschichten aufgedampft wird. Die Dicke (d) der einzelnen Oxydschichten entspricht einem Viertel der Wellenlänge (λ) einer bestimmten (gewünschten) Farbe, dividiert durch den Brechungsindex (ns) der Oxydschichten (d=λ/4ns). Das Interferenz-Prinzip bewirkt eine Transmission der ausgewählten Wellenlänge (Farbe) bei gleichzeitiger Ausspiegelung (Reflektion) aller anderen Wellenlängen (Farben). An den verschiedenen Oxydschichtgrenzen werden bestimmte Anteile der Lichtstrahlung reflektiert und transmittiert. So kommt es zu einer großen Anzahl von Reflektionen zwischen den einzelnen Schichten. Die auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmten Schichtdicken bewirken auslöschende und verstärkende Interferenzen zwischen den reflektierten Lichtanteilen. Die Interferenz erzeugt eine Phasenverschiebung einiger reflektierter Wellenlängen um 180°, so dass sich die Reflektionen durch die Überlagerung der Wellenberge mit den Wellentälern aufheben. Alleine die ausgewählte Wellenlänge unterliegt keiner Phasenverschiebung, so dass diese Wellenlänge durch alle Schichten reflektiert wird und schließlich den Glasträger als monochromatisches Licht verlässt.
Die ausgespiegelte Farbe entspricht der Komplementärfarbe der transmitierten Farbe. Durch die Totalreflektion aller anderen Wellenlängen ist die Wärmebelastung für den Glasträger sehr gering, weil kaum Energie im Träger absorbiert wird. Da die Dicken der einzelnen Oxydschichten auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt werden, müssen einfallende Lichtstrahlen genau senkrecht und am besten parallel auf die Oberfläche des Glasträgers auftreffen. Tritt eine Verschiebung des Lichtstrahls von der senkrechten Achse auf, verlängert sich der Weg des Lichtstrahls durch die Oxydschichten. Der verlängerte Laufweg durch die Oxydschichten bewirkt eine Farbverschiebung, da andere Wellenlängenanteile durchgelassen bzw. ausgespiegelt werden. Bereits eine Veränderung des Eintrittswinkels um 20° bewirkt eine sichtbare Farbverschiebung. Eine Farbverschiebung ist auch bei einem Abstrahlwinkel von mehr als 40° zu beobachten. In diesem Fall kommt es zu farbigen Ausfransungen und Ringen an den Rändern des Lichtfeldes.
Dichroitische Filter lassen sich sehr genau fertigen, wodurch eine exakte Filterung bzw. Durchlässigkeit für bestimmte Wellenlängenbereiche erreicht werden kann. Die Oxydschichten müssen absolut eben auf dem Glasträger aufgebracht sein, um Farbverschiebungen (Unterschied zur Ausgangsfarbe) zu vermeiden. Je nach Qualität und Preis ergeben sich gewisse Toleranzbereiche, die zwischen 5 und 15 nm liegen können. Eine Toleranz von 15 nm bedeutet jedoch bereits eine deutliche Farbverschiebung. Ebenso können dichroitische Filter der gleichen Farbe aus unterschiedlichen Fertigungsdurchgängen leichte Farbdifferenzen aufweisen.
Der Transmissionsgrad von dichroitischen Filtern ist bis zu 40 % größer als bei Pigment-Farbfiltern. Ebenso sind die Flanken der Transmissionskurve wesentlich steiler, wodurch sehr reine und gesättigte Farben erzeugt werden können. Dichroitische Farbfilter sind bis zu einer Temperatur von 400° C dauerhaft farbstabil bei einer sehr langen Lebensdauer (Dauertemperatur 230°C; Spitzentemperatur 490°C). In Farbmischsystemen werden häufig dichroitische Farbfilter mit den Farben Cyan, Magenta und Gelb eingesetzt, mit denen über eine subtraktive Farbmischung nahezu alle Farben gemischt werden können.
In Reflektorsystemen werden dichroitische Farbfilter als Kaltlichtreflektoren eingesetzt. Kaltlichtreflektoren transmittieren alle Wellenlängen des Infrarotbereichs und reflektieren alle anderen Wellenlängen des sichtbaren Spektrums. Im Gegensatz zu Pigmentfiltern sind dichroitische Farbfilter jedoch sehr teuer und nur für wenige Einsatzzwecke wirtschaftlich sinnvoll.
Wichtige Punkte im Umgang mit dichroitischen Farbgläsern
- Eintrittswinkel max. ≤ 20°
Lichtstrahlen müssen möglichst senkrecht auf der Beschichtung auftreffen - Austrittswinkel max. ≤ 40°
Der Austrittswinkel darf nicht größer als 40 sein - Max. Temperatur ≤ 90° C/cm2
Trotz der guten thermischen Eigenschaften des Filters darf die Temperatur 90° C/cm2 nicht überschreiten. Dies gilt gerade im Zusammenhang mit der Hot-Spot-Charakteristik vieler Scheinwerferoptiken - Positionierung der Beschichtung in Richtung Leuchtmittel
- Vorsicht vor Glasbruch
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Filtersysteme für dichroitische Farbfilter
Dichroitische Farbfilter werden sehr häufig in Farbmischsystemen für Multifunktionsscheinwerfer (Moving Lights, Tageslicht-Flächenleuchten usw.) verwendet. Dabei besteht üblicherweise, je nach Hersteller, das Farbmischsystem aus verschiedenen dichroitischen Filtern der drei subtraktiven Grundfarben Cyan, Magenta und Yellow (CMY). Mit einer Anordnung von einem oder mehreren dichroitischen Farbfiltern der Farben CMY kann mittels der subtraktiven Farbmischung eine Vielzahl von unterschiedlichen Farben erzeugt werden. Die Qualität der erzeugten Farben hängt dabei ganz entscheidend von den Filtereigenschaften der einzelnen dichroitischen Farbfilter ab.
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Lineare Blockmischeinheiten
Dichroitische Farbfilter lassen sich sehr einfach als homogene Flächen herstellen. Dies machen sich lineare Blockmischeinheiten zunutze, indem zwei gegenüberliegende homogene Filterscheiben der gleichen Farbe mit einem Schrittmotor in den Strahlengang eines Scheinwerfers gefahren werden, so dass sich die Scheiben in der Mitte des Lichtkegels treffen. Werden zwei weitere Filterscheiben einer anderen Farbe in den Lichtstrahl gefahren, entsteht über die subtraktive Farbmischung der verschiedenen Filterfarben eine Mischfarbe. Einen großen Nachteil von linearen Blockmischeinheiten stellen die Glaskanten dar, die beim Zusammenfahren der einzelnen Filterscheiben in den Lichtkegel gefahren werden. An diesen Glaskanten können unkontrollierbare Reflexionen und Brechungen auftreten, die sich auf die resultierende Farbe auswirken und eine unhomogene Farbverteilung bei Mischfarben erzeugen. Da es unmöglich ist, die Filterscheiben hundertprozentig auf Stoß zu fahren, bleibt in der Lichtkegelmitte immer ein kleiner weißer Spalt zurück. Das Problem kann durch eine versetzte Anordnung der Filterscheiben vermieden werden, wobei es jedoch auch hier an den Filterkanten zu Reflexionen und Brechungen kommt. Diese Probleme der unhomogenen Farbverteilung von linearen Blockmischeinheiten lassen sich besonders bei Profil-Scheinwerfern beobachten. Wash-Scheinwerfer zeichnen hingegen den Lichtstrahl weicher, wodurch die unhomogene Farbverteilung etwas gemildert wird.
Bei einigen Filtersystemen werden die Filterscheiben mit einem konstanten Anstellwinkel in den Lichtstrahl gefahren. Der vom dichroitischen Farbfilter rückwärtig reflektierte spektrale Anteil der einfallenden Lichtstrahlung wird so auf Bereiche des Scheinwerfers mit einer guten Wärmeableitung gelenkt. Eine Überhitzung des Leuchtmittels wird dadurch verhindert. Die Schrittmotoren werden üblicherweise über das DMX-Protokoll mit 8 Bit Auflösung (255 Positionen des Farbfilters) angesteuert.
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Keilfilter
Keilfilter vermeiden die unhomogene Farbverteilung von linearen Blockmischeinheiten durch eine Anordnung von dichroitischen Dreiecksflächen auf einem Glasträger. Bei großflächigen Filteranordnungen (z. B. Tageslicht-Flächenleuchten) werden die Dreiecksflächen auf Filterscheiben angeordnet, die denen der linearen Blockmischeinheiten ähneln. Dabei sind die Dreiecksflächen so angeordnet, dass sie parallel ohne Überschneidung in den Strahlengang gefahren werden. Dazu müssen die Glasträger leicht versetzt angeordnet und mit einer Überlappung in den Strahlengang gefahren werden, um eine vollständige Filterfläche aus den Dreiecksflächen zu erzeugen. In der Regel werden die Keilfilter jedoch auf rotierende, runde Glasplatten aufgebracht. Mit zunehmender Rotation nehmen die Abstände zwischen den einzelnen Keilen ab, so dass nach einer ganzen Rotation ein vollflächiger Filter entsteht. Für eine sehr homogene Farbverteilung können auf dem Glasträger sehr kleine Abstände zwischen den Keilen realisiert werden. Ein Schrägstellen der Rotationsachse ist wegen der engen Anordnung mehrerer Glasscheiben unterschiedlicher Farben nicht möglich, so dass die rückwärtigen Reflexionen von der dichroitischen Oberfläche auf das Leuchtmittel zurückgeworfen werden. Je nach verwendeten Glasträgertypen entstehen deutliche Transmissionsverluste beim Durchdringen des Lichtstrahls durch den Glasträger. Aus diesem Grund verfügen rotierende Glasträger in der Nullstellung (weiß) über einen Ausschnitt, durch den bei weißem Licht ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden kann. Beim langsamen Einfahren einer Farbe in den Lichtstrahl schiebt sich jedoch die Glaskante des Ausschnitts durch den Lichtstrahl, so dass Reflexions- und Brechungseffekte an der Glaskante entstehen, die meistens deutlich zu bemerken sind.
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Verlaufsfilter
Verlaufsfilter sind mit einer vollständigen dichroitischen Farbfläche versehen. Die Beschichtung ist so ausgeführt, dass in einer Richtung der Farbfläche die Sättigung der Farbe stetig abnimmt, bis ein Weißwert (keine Beschichtung) erreicht ist. Somit entfällt die Brechungskante eines dichroitischen Dreieckkeils, an der Reflexions- und Brechungseffekte entstehen können. Verlaufsfilter sind sehr hochwertige Filter mit äußerst präzisen und homogenen Farbflächen. Verlaufsfilter sind jedoch im Gegensatz zu anderen Filterarten schwerer und damit teurer zu produzieren, so dass diese Filter meistens nur in hochwertigen Scheinwerfern eingesetzt werden.