Infrarotfenster und Infrarotfilter (IR-Filter)

In der Optik ist ein IR-Filter ein optisches Element, das dazu dient, bestimmte spektrale Eigenschaften des Lichts auszuwählen oder zu unterdrücken. Solche Filter sind besonders wichtig in Anwendungen, bei denen eine exakt definierte Wellenlänge an ein Analysesystem weitergeleitet werden soll, während andere Wellenlängen ausgefiltert werden. IR-Filter werden häufig einfach als Infrarotfilter bezeichnet.

IR-Filter basieren in der Regel auf einem Substrat, das für den gewünschten Wellenlängenbereich eine hohe Transmissionsrate aufweist. Wenn die Materialeigenschaften selbst für die Lichtauswahl verantwortlich sind, spricht man von einem Absorptionsfilter. Durch die Anpassung der Materialdicke kann die Filterwirkung graduell verändert werden, um die gewünschten spektralen Eigenschaften zu erreichen und ein geeignetes Wellenband zu definieren.

Dielektrische, Dünnschicht- oder Interferenzfilter hingegen wirken als reflektierende Filter. Diese Filter absorbieren das Licht nicht, sondern wählen es durch Reflexion oder Transmission aus. Sie bestehen aus mehreren dünnen Schichten eines dielektrischen Materials mit unterschiedlichem Brechungsindex, die typischerweise durch Vakuumbeschichtung auf das Substrat aufgebracht werden. Interferenzeffekte begünstigen die Transmission bestimmter Wellenlängen. Diese IR-Filter müssen das Wellenband auf den gewünschten Bereich begrenzen und gleichzeitig atmosphärische Absorptionsbereiche vermeiden, die die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinträchtigen können. Aus diesem Grund werden häufig Bandpassfilter verwendet, die die unteren und oberen Grenzwellenlängen definieren und so das Lichtspektrum effektiv auf beiden Seiten begrenzen.

Bevor das Licht den Detektor erreicht, wird sein charakteristisches Emissionsspektrum durch die Transmissions­eigenschaften der optischen Elemente und die spektrale Empfindlichkeit des Detektors verändert. Bei der Temperaturmessung wird dieser Prozess hauptsächlich durch das Plancksche Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers bestimmt. Aufgrund der großen Bandbreite dieses Spektrums wird in der Regel ein bestimmter Bereich gewählt, der sowohl zur spektralen Empfindlichkeit des Detektors als auch zu einem atmosphärischen Fenster passt.

In der Praxis emittieren viele Materialien keine kontinuierliche Schwarzkörperstrahlung, sondern weisen spektrale Emissionsmaxima auf, die sich stark mit der Wellenlänge verändern. Ein hoher Emissionsgrad ist dabei vorteilhaft, da er eine stärkere Strahlungsintensität für das Messgerät bedeutet. Durch das Verständnis dieser Zusammenhänge kann das Wellenband gezielt auf den relevanten Spektralbereich begrenzt werden. So kann beispielsweise die Temperaturmessung von Kunststoffen bei einer bestimmten Wellenlänge besonders effektiv sein. Während eine Messung mit einem breitbandigen Standardfilter bei Kunststofffolien ungenaue Ergebnisse liefern kann, ermöglicht die Messung bei 3,43 µm – etwa bei Polyethylen – eine deutlich präzisere Temperaturbestimmung.