Spektrale Auflösung erklärt

Eine der wichtigen Eigenschaften eines Spektrometers ist die spektrale Auflösung. Sie sagt aus, wie fein unterschiedliche schmale Wellenlängen als einzelne Ausschläge bzw. Peaks sichtbar gemacht werden können.

Ein Beispiel: Ein Spektrometer ist sensibel für Wellenlängen von 420nm bis 780nm. Der messbare Bereich ist also 360nm breit. Die spektrale Auflösung beträgt 12nm, d.h. es wären 360/12=30 Peaks gleichzeitig messbar.

Teilweise wird angenommen, dass die Anzahl an Sensor-Pixeln über die Auflösung bestimmt. Ein Spektrometer mit einer 256-Pixel-Sensorzeile hätte dann bei einem Messbereich von 360nm eine spektrale Auflösung 360/256=1.4nm.

Das macht auf den ersten Blick Sinn, denn das einfallende Licht wird doch auf diese 256 Pixel verteilt, oder? Das stimmt tatsächlich, allerdings ist zu diesem Zeitpunkt mit dem Licht innerhalb des Geräts schon einiges passiert.

Bei einem Spektrometer sind hauptsächlich drei Elemente für die effektive spektrale Aulösung verantwortlich: der Spalt, das Beugungsgitter und die schon erwähnte Sensorzeile (bei manchen Designs werden Spalt und/oder Beugungsgitter durch andere Komponenten ersetzt, die aber jeweils denselben Zweck erfüllen).

Je schmaler der Eintritts-Spalt gewählt wird, desto feiner kann das eingehende Signal aufgelöst werden. Der Spalt kann jedoch nicht unendlich fein gewählt werden, denn irgendwann wird die ankommende Strahlung so stark gebeugt, dass sie sich hinter dem Spalt überlagert und das Resultat wieder unscharf wird.

Da die Beugung von der Wellenlänge abhängt (hier anhand eines Regenbogens erklärt) gibt es nicht die optimale Spaltbreite - sie ist stattdessen von dem Messbereich abhängig, für den das Spektrometer entwickelt wurde.

Ähnliches gilt für die nächste Etappe der einfallenden Strahlung: dem Beugungsgitter. Die Aufgabe dieses Elements ist es, die verschiedenen, sich überlagernden Wellenlängen so aufzufächern, dass sie mit gleichmäßigen Abständen die volle Breite der Sensorzeile bestrahlen.

Zwischen Spalt und Gitter bzw. Gitter und Sensorzeile befinden sich zudem Linsen, die sich in der Praxis nicht ganz wie perfekte theoretische Elemente benehmen, sondern durch Unreinheiten oder minimale Schwankungen im Fertigungsprozess leichte Abweichungen zum geplanten Verhalten haben können. In der Praxis ist heutzutage das Design von Spalt und Gitter jedoch von weit größerer Bedeutung.

spektrale Auflösung messen

Die erwartbare spektrale Auflösung lässt sich berechnen, wenn der geplante Messbereich bekannt ist. Auf diese Weise kombinieren Hersteller Spalte, Gitter und Sensorzeile zu einem Messinstrument, dass zum geplanten Anwendungsfall passt.

Die in der Praxis erreichte spektrale Auflösung lässt sich jedoch auch empirisch erfassen. Dazu werden Lichtquellen ausgemessen, von denen bekannt ist, dass sie sehr schmalbandige Peaks bei einer ganz bestimmten Wellenlänge haben, z.B. Quecksilberdampflampen. Der gemessene Peak sollte dabei deutlich schmaler als die zu erwartende spektrale Auflösung sind.

Misst man nun eine solche Strahlungsquelle und betrachtet das Ergebnis, dann wird sich ein Peak ergeben, der breiter ist.

Dieser Peak kann nun ausgemessen werden. Spektrale Auflösung ist definiert als FWHM - Full Width Half at Maximum, zu deutsch Halbwertsbreite. Es wird also die Breite des Peaks gemessen, und zwar an der Stelle, an der der gemessene Peak genau die Hälfte des maximalen Ausschlags erreicht hat (siehe Visualisierung).

Ist eine hohe spektrale Auflösung immer optimal?

Nein. Wie bei vielen anderen Messinstrumenten gibt es auch bei Spektrometern immer einen Kompromiss zwischen Auflösung und Sensitivität. Je höher die spektrale Auflösung ist, desto weniger Photonen kommen an einem einzelnen Pixel der Sensorzeile an. Unterschreitet die Anzahl an Photonen eine bestimmte Grenze, dann ist das Signal nicht mehr vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden -ganz ähnlich wie bei beim verrauschten Handyfoto einer Nachtaufnahme. Es kommt also ganz auf den Einsatzweck an: Wenn klar ist, dass man für eine Messung genügend Zeit und ein starkes Signal zur Verfügung hat, dann kann ein Spektrometer mit sehr feiner spektraler Auflösung gewählt werden. Das ist das typische Szenario für Laborspektrometer.

Müssen jedoch viele Messungen innerhalb einer Sekunde absolviert werden, etwa bei der kontinuierlichen Messung von durchlaufenden Produkten in einer Fertigungslinie, dann ist die Sensitivität von größerer Bedeutung. Das ist das typische Anwendungfeld für sog. Prozess-Spektrometer bzw. Inline-Spektrometer. Diese Geräte sind darauf optimiert, in Sekundenbruchteilen ein eindeutiges Ergebnis zu liefern.

 

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