Optiken (Optics)

Optik umfasst die Lehre von der Erzeugung, Ausbreitung, Wechselwirkung und Detektion von Licht. Werden diese Prinzipien auf technische Prozesse angewendet, spricht man häufig von Photonik. Optische Elemente wie Linsen und Spiegel sind entscheidend, um Strahlung gezielt auf Detektoren zu lenken und zu fokussieren. Dieser Prozess ist ein wesentlicher Bestandteil bildgebender Systeme, die in zahlreichen Anwendungen – unter anderem in der Temperaturmessung – eingesetzt werden.

Um die Ausbreitung des Lichts zu steuern, werden optische Elemente verwendet, die die Strahlung formen und hauptsächlich auf einen Detektor fokussieren. Die Abbildung erfolgt meist über ein Linsen- oder Spiegelsystem. Für Temperaturmessungen werden Spiegel in der Regel mit einer reflektierenden Metallschicht versehen. Diese Beschichtung ist weitgehend unabhängig vom Wellenlängenbereich des Geräts und verursacht daher keine nennenswerten Farbfehler. Instrumente mit integrierten reflektierenden Komponenten leiden hauptsächlich unter komplexen Off-Axis-Designs oder durch Sekundärspiegel bedingte Abschattungen, die den Bildkontrast verringern.

Als Alternative zu reflektierenden Elementen können Linsen zur Strahlungsformung eingesetzt werden. Der Strahl durchläuft das optische Element und wird durch Brechung in der Bildebene fokussiert. Beim Durchgang durch die Linsenflächen entstehen jedoch unerwünschte Reflexionen, die zu Transmissionsverlusten führen. Das Linsenmaterial selbst absorbiert und streut Licht, was typischerweise Farbabweichungen über alle genutzten Wellenlängenbereiche hinweg verursacht. Um diese Abweichungen zu minimieren, muss das geeignetste Material ausgewählt werden. Dabei werden Materialien mit unterschiedlichen Dispersions­eigenschaften kombiniert, um Farbfehler zu verringern. Je mehr Linsen integriert werden, desto mehr Freiheitsgrade stehen zur Reduzierung von Abbildungsfehlern zur Verfügung. Während früher sphärische Oberflächen für die Entwicklung von Infrarotoptiken verwendet wurden, sind heute asphärische Linsenformen gängig, um die Größe und das Gewicht der Optiken zu reduzieren und die Entwicklung beugungsbegrenzter Systeme zu fördern. Für den mittleren Infrarotbereich (MWIR) wird häufig Silizium als Kristallmaterial eingesetzt, während Germanium für den langwelligen Infrarotbereich (LWIR) bevorzugt wird. Fortschritte in der Technologie haben dazu geführt, dass Infrarot-Chalkogenidgläser zunehmend für thermografische Anwendungen verwendet werden.

Ein optisches System besteht aus Linsen oder reflektierenden Elementen sowie einer Blende zur Steuerung der Strahlungsausbreitung. Die wichtigsten Parameter eines optischen Systems sind die Brennweite, die Blendenzahl (F-Nummer) und der verwendete Wellenlängenbereich. Während die Brennweite mit dem Bildwinkel der Kamera zusammenhängt, ist die F-Nummer entscheidend für eine hohe optische Auflösung und damit für ein hohes D:S-Verhältnis. Die F-Nummer (N) steht außerdem in direktem Zusammenhang mit der NETD der Kamera. Eine NETD ist an eine F-Nummer von N=1 gekoppelt; wird die F-Nummer auf N=2 erhöht, steigt die NETD um den Faktor 4. In der Praxis führt eine niedrige F-Nummer (große Blendenöffnung) zu komplexeren Linsendesigns und größeren Bauformen im Vergleich zu Optiken mit höheren F-Nummern. Für anspruchsvolle Temperaturmessungen sind niedrige F-Nummern bei Wärmebildanwendungen jedoch unerlässlich. Aufgrund der immer kleiner werdenden Pixelgrößen moderner Sensoren kann eine gute optische Auflösung nur mit einer wettbewerbsfähigen F-Nummer und geringen optischen Aberrationen erreicht werden. Beides zusammen kann zu beugungsbegrenzten Systemen für präzise Temperaturmessungen führen.