Optischer Filter (Optical Filter)

Ein optischer Filter ist ein optisches Element, das dazu dient, bestimmte spektrale Eigenschaften des Lichts auszuwählen oder zu unterdrücken. Diese Filter sind in Anwendungen unverzichtbar, in denen die Transmission einer genau definierten Wellenlänge zu einem Analysator (Detektor) erforderlich ist, während andere Wellenlängen ausgefiltert werden.

Optische Filter basieren in der Regel auf einem Substrat, das für den gewünschten Wellenlängenbereich eine hohe Transmission aufweist. Wenn die Materialeigenschaften selbst für die Lichtselektion verantwortlich sind, spricht man von einem Absorptionsfilter. Durch die Anpassung der Materialdicke kann das Licht schrittweise gefiltert werden, um die gewünschten spektralen Eigenschaften zu erreichen und ein geeignetes Wellenband zu definieren.

Im Gegensatz dazu arbeiten dielektrische, Dünnfilm- oder Interferenzfilter als reflektierende Filter. Diese absorbieren das Licht nicht, sondern selektieren es durch Reflexion oder Transmission. Sie bestehen aus mehreren dünnen Schichten aus transparentem dielektrischem Material, die in der Regel per Vakuumbeschichtung auf das Substrat aufgebracht werden. Interferenzeffekte begünstigen dabei die Transmission bestimmter Wellenlängen. Diese Filter müssen das Wellenband auf den gewünschten Bereich begrenzen und gleichzeitig atmosphärische Absorptionsbereiche vermeiden, die die Temperaturmessgenauigkeit beeinträchtigen können. Daher werden häufig Bandpassfilter eingesetzt, die die unteren und oberen Grenzwellenlängen (Cut-on und Cut-off) definieren und das Lichtspektrum effektiv auf beiden Seiten begrenzen.

Bevor das Licht den Detektor erreicht, wird sein charakteristisches Emissionsspektrum durch die Transmission der optischen Elemente und die spektrale Empfindlichkeit des Detektors verändert. In der Temperaturmesstechnik wird dieser Prozess hauptsächlich durch das Planck’sche Strahlungsgesetz für Schwarzkörperstrahlung bestimmt. Aufgrund des breiten Spektralbereichs ist es üblich, einen bestimmten Wellenlängenbereich auszuwählen, der sowohl mit der spektralen Empfindlichkeit des Detektors als auch mit einem atmosphärischen Fenster übereinstimmt.

In der Praxis emittiert das Messobjekt oft kein kontinuierliches Schwarzkörperspektrum, sondern weist ausgeprägte Emissionsspitzen auf, deren Intensität stark von der Wellenlänge abhängt. Ein hoher Emissionsgrad ist dabei vorteilhaft, da er eine hohe Strahlungsintensität für das Messgerät liefert. Durch die Kenntnis dieses Verhaltens kann das Wellenband gezielt auf den relevanten Spektralbereich eingeschränkt werden. So misst beispielsweise das Gerät P3 die Temperatur von Kunststoffmaterialien bei einer spezifischen Wellenlänge. Während die Verwendung eines Standard-Breitbandfilters bei der Temperaturmessung von Kunststofffolien zu ungenauen Ergebnissen führen kann, ist die Messung bei 3,43 µm für Polyethylen besonders effektiv.