Streuung (Scatter)

Streuung ist ein physikalisches Phänomen, bei dem Licht von seinem vorhersehbaren Weg abgelenkt wird und seine geradlinige Ausbreitung ändert. In der Temperaturmesstechnik spielt Streuung eine wichtige Rolle, da gestreutes Licht den Detektor erreichen und ein zusätzliches Signal erzeugen kann. Dies führt zu einer geringeren Temperaturgenauigkeit und zu einer reduzierten Bildqualität in Wärmebildkameras.

Es gibt zwei Hauptarten der Streuung: Volumenstreuung und Oberflächenstreuung.
Bei der Volumenstreuung findet die Lichtwechselwirkung innerhalb des Materials oder mit Bestandteilen der Atmosphäre statt. Rayleigh-Streuung tritt bei sehr kleinen Teilchen auf, wenn die Strahlung durch Atome oder Moleküle beeinflusst wird, deren Größe deutlich kleiner ist als die verwendete Wellenlänge (r << λ). Diese Streuung entsteht, wenn die Wärmestrahlung des Objekts durch die Atmosphäre zum Messgerät gelangt. Rayleigh-Streuung kann durch die Verwendung längerer Wellenlängen deutlich reduziert werden – ein Grund, warum Wärmebildtechnik besonders für Brandbekämpfungsanwendungen geeignet ist, bei denen Staub oder Rauch auftreten.

Bei etwas größeren Teilchen (r < λ) tritt Mie-Streuung auf, die stärker nach vorne gerichtet ist. Sie betrifft hauptsächlich Aerosole wie Staub oder Luftverschmutzung. Diese Streuung hängt stärker von der Wellenlänge des gestreuten Lichts ab und verteilt es tendenziell gleichmäßiger. Für Teilchen, die größer als die Wellenlänge sind, dominiert die geometrische Streuung. Diese wird häufig als optische Streuung bezeichnet, wenn sie innerhalb des optischen Systems auftritt. Beim Durchgang durch massive Materialien wie optische Fenster oder Linsen wird das Licht durch Inhomogenitäten im Material oder durch Defekte wie Verunreinigungen gestreut. Dabei wird ein Großteil des Lichts in Vorwärtsrichtung gestreut, während ein kleiner Teil rückwärts gestreut wird.

Oberflächenstreuung entsteht direkt an der Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Medien und wird durch Unebenheiten oder Mikrorauigkeiten der Oberfläche verursacht. Sie hängt unmittelbar von der Fertigungsqualität des optischen Elements ab – je höher die Oberflächenrauigkeit, desto stärker wird das Licht gestreut und diffus reflektiert.

Sowohl Oberflächen- als auch Volumenstreuung (innerhalb des Geräts) führen zu einem Kontrastverlust im Wärmebild. Zur Quantifizierung dieses Phänomens kann die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) verwendet werden. Darüber hinaus kann Lichtstreuung zu einer fehlerhaften Temperaturmessung führen, die als Size of Source Effect (SSE) bezeichnet wird. Dies geschieht, wenn die Strahlung von den Streupunkten ausgeht und von internen optischen oder mechanischen Komponenten reflektiert wird. In solchen Fällen führen Oberflächen- und Volumenstreuung zu einer künstlich erhöhten Temperaturanzeige und müssen daher auf ein Minimum reduziert werden. Dies erfordert hochwertige Linsenmaterialien, effektive Antireflexbeschichtungen, präzise Linsenbearbeitung, fundiertes optomechanisches Designwissen sowie eine exakte Kalibrierung des Messgeräts.