Techniklexikon

Filter

Frequenzabhängiges elektrisches Netzwerk (Netzwerk, elektrisches) zur Aussiebung (Betonung) oder Unterdrückung (Abschwä chung) ausgewählter Frequenzbereiche. Die Amplitudenfrequenzdarstellung (Ampli-tudenfrequenzgang) von F. weist einen oder mehrere — Durchlaß- bzw. Sperrbereiche auf, nach deren Anordnung die F. eingeteilt werden in Tiefpaß TP, Hochpaß HP, Bandpaß BP und Bandsperre BS. F. enthalten prinzipiell frequenzabhängige passive Bauelemente, wie Spulen oder Kondensatoren, die bei F. mit steileren Übergängen von den Durchlaß- zu den Sperrbereichen schwingungsfähige Kreise (Resonatoren) bilden. Um in der niederfrequenten Schaltungstechnik die hier sehr voluminösen und nicht integrationsfähigen Spulen zu vermeiden, werden im Frequenzbereich bis etwa 100 kHz die Resonatoren durch Kondensatoren, Widerstände und Verstärker realisiert (Tiefpaß, aktiver; Hochpaß, aktiver). In der hochfrequenten Technik sind die F. passive LC-Netzwerke. Digitale Filter erfordern die Digitalisierung des analogen Signals. Ihr Einsatz beschränkt sich aus Kostengründen heute noch auf Spezialfälle in der kommerziellen Technik. In der Fotografietechnik: Filter haben die Aufgabe, gewisse Strahlungsanteile des sichtbaren Lichts und der angrenzenden Spektralbereiche dem Aufnahme- bzw. Kopierlicht durch Absorption zu entziehen und somit deren Auswirkung auf die lichtempfindlichen Emulsionen während der Belichtung zu verhindern. In der Schwarzweißfotografie sind vor allem Farbfilter maßgeblich daran beteiligt, Farbkontraste in visuell äquivalente Graukontraste umzusetzen (Kontrastfilter). In der Farbfotografie dienen sie der Korrektur von Farbtemperaturschwankungen in der Beleuchtung (Konversionsfilter). Für Schwarzweiß- und Farbaufnahmen gleichermaßen bedeutend sind die UVa-Filter (auch Dunst-, Haze- oder Skylightfilter genannt) und Polarisationsfilter. Die ersteren vermeiden die übermäßige Belichtung der Filme als Folge einer erhöhten Ultraviolett-Einstrahlung, letztere dienen der Beseitigung von Reflexen auf spiegelnden Flächen und damit einer kontrastreicheren Wiedergabe. Für Aufnahmen auf Infrarot-Materialien werden Infrarotfilter benötigt, um die Einwirkung sichtbaren Lichtes auf die fotografische Schicht zu verhindern. Schließlich steht für die experimentelle Fotografie eine Vielzahl von Trickfiltern zur Verfügung. Im Bereich der Reproduktion von Aufnahmen werden Kopierfilter für die Farbfilterung bei Vergrößerungen und Reproduktionsfilter für die Herstellung von Farbauszügen (u. a. für den Druck) eingesetzt. Bei sämtlichen Aufnahme- und Reproduktionstechniken müssen entsprechende Filterfaktoren bei der Ermittlung der korrekten Belichtungswerte berücksichtigt werden. OptikElektronik, Halbleiterphysik, 1) Elektronik: Schaltungen zum definierten Festlegen von Frequenzbereichen, in denen Signale übertragen werden können. In der Regel dienen Filter dazu, Signale oder Signalgruppen von anderen Signalen zu trennen. Filter für analoge Signale werden aus passiven Bauteilen, d.h. Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen (passive Filter) oder mit Operationsverstärkern (aktive Filter) realisiert. Wandelt man die analogen Signale in digitale um, so können Filter ganz aus digitalen Schaltungen bestehen (digitale Filter). Filter werden nach vier Gruppen unterschieden: Tiefpass für Signale unterhalb einer Grenzfrequenz, Hochpass für Signale oberhalb einer Grenzfrequenz, Bandpass für Signale innerhalb eines begrenzten Frequenzbereiches und Bandsperre für Signale ausserhalb eines begrenzten Frequenzbereiches. Dazu kommen noch Allpässe, die nur eine frequenzabhängige Phasendrehung aufweisen und zur Phasenentzerrung und Signalverzögerung eingesetzt werden.

Filter werden durch Übertragungsfunktionen beschrieben. Die höchste Potenz der Frequenz in der Übertragungsfunktion legt die Ordnung des Filters fest. Für die Tiefpass-Übertragungsfunktion, die aus einer Konstanten im Zähler und einem Nennerpolynom besteht, werden vielfach bekannte Polynome eingesetzt, die dem Filter typische Übertragungseigenschaften geben. Dies sind: Bessel-Polynome (Bessel-Filter) mit einem optimalen Rechteckübertragungsverhalten, aber nicht so steilem Frequenzgangverlauf oberhalb der Grenzfrequenz, Butterworth-Polynome (Butterworth-Filter) mit einem möglichst langen horizontalen Frequenzgangverlauf und einem scharfen Abknicken des Frequenzganges bei der Grenzfrequenz und Tschebyschow-Polynome (Tschebyschow-Filter) mit einem noch steileren Frequenzgang oberhalb der Grenzfrequenz, aber einer Welligkeit im Frequenzgang unterhalb der Grenzfrequenz. Die beiden letzteren zeigen bei Rechtecksignalen ein Überschwingen.

2) Optik: Bauelemente, die ausschliesslich Licht einer bestimmten Wellenlänge transmittieren. Die Charakteristik eines Filters wird dabei durch den wellenlängenabhängigen spektralen Transmissionsgrad beschrieben. Die unerwünschte Wellenlänge wird bei optischen Filtern entweder absorbiert (Massefilter) oder reflektiert (Interferenzfilter). Massefilter bestehen meistens aus einem ursprünglich transparenten Material (z.B. Glas oder Quarz), denen Farbstoffe beigemengt wurden. Solche Filter sind z.B. Graufilter, die einen für alle sichtbaren Wellenlängen annähernd konstanten Transmissionsgrad zeigen.

Interferenzfilter bestehen aus einem transparenten Material (z.B. Glas oder Quarz), auf das viele dünne Schichten mit abwechselnd hoher und niedriger Brechzahl aufgedampft sind. Eine in das Material eindringende Welle wird an den Brechzahl-Übergängen teilweise reflektiert. Haben die Schichten eine Dicke von ca. einer Viertelwellenlänge, erfahren die reflektierten Teile konstruktive Interferenz. Für alle anderen Wellenlängen entsprechen die Phasenunterschiede nicht genau einer Wellenlänge, so dass die Wellen destruktiv interferieren.

Interferenzfilter können mit verschiedenen spektralen Bandbreiten und Transmissionsgraden oder auch als Kantenfilter hergestellt werden.