Spektralfilter (Spectral Filter)

Ein Spektralfilter ist ein optisches Element, das dazu dient, bestimmte spektrale Eigenschaften des Lichts auszuwählen oder zu unterdrücken. Diese Filter sind unerlässlich für Anwendungen, bei denen eine genaue Wellenlänge an einen Analysator (Detektor) übertragen werden soll, während andere Wellenlängen ausgefiltert werden.

Spektralfilter basieren in der Regel auf einem Substrat, das im gewünschten Wellenlängenbereich eine hohe Transmissionsrate aufweist. Wenn die Materialeigenschaften selbst für die Auswahl des Lichts verantwortlich sind, spricht man von einem Absorptionsfilter. Durch die Anpassung der Materialdicke wird das Licht schrittweise gefiltert, um die gewünschten spektralen Eigenschaften zu erreichen und ein geeignetes Wellenband zu definieren.

Im Gegensatz dazu arbeiten dielektrische, Dünnschicht- oder Interferenzfilter als reflektierende Filter. Diese Filter absorbieren das Licht nicht, sondern selektieren es durch Reflexion oder Transmission. Sie bestehen aus mehreren dünnen Schichten eines brechenden dielektrischen Materials, die typischerweise mittels Vakuumbeschichtung auf das Substrat aufgebracht werden. Durch Interferenzeffekte wird die Transmission bestimmter Wellenlängen begünstigt. Solche Filter müssen das Wellenband auf den gewünschten Bereich beschränken und gleichzeitig atmosphärische Absorption vermeiden, die die Genauigkeit von Temperaturmessungen beeinträchtigen kann. Daher werden Bandpassfilter häufig verwendet, um die Grenzwellenlängen (cut-on und cut-off) zu definieren und das Lichtspektrum auf beiden Seiten effektiv zu begrenzen.

Bevor das Licht den Detektor erreicht, wird sein charakteristisches Emissionsspektrum durch die Transmissionscharakteristik der optischen Elemente und die spektrale Empfindlichkeit des Detektors verändert. Bei Temperaturmessungen wird dieser Prozess hauptsächlich durch das Plancksche Emissionsspektrum der Schwarzkörperstrahlung beeinflusst. Aufgrund der großen Bandbreite dieses Spektrums wird üblicherweise ein spezifischer Bereich ausgewählt, der sowohl mit der spektralen Empfindlichkeit des Detektors als auch mit einem atmosphärischen Fenster übereinstimmt.

In der Praxis emittiert das Zielmaterial häufig keine kontinuierliche Schwarzkörperstrahlung, sondern zeigt Emissionsspitzen, die sich mit der Wellenlänge deutlich verändern können. Ein hoher Emissionsgrad ist dabei vorteilhaft, da er zu einer stärkeren Strahlung für das Messgerät führt. Dieses Wissen ermöglicht es, das Wellenband auf den relevanten Spektralbereich zu begrenzen. Ein Beispiel hierfür ist das P3-Pyrometer, das die Temperatur von Kunststoffen bei einer spezifischen Wellenlänge misst. Während die Messung der Temperatur von Kunststofffolien in einem breiten Standardwellenband irreführend sein kann, ist die Messung bei 3,43 µm für Polyethylen besonders effektiv.