Wärmebildkamera

Wärmebildkamera Eine Wärmebildkamera an einem Polizeihubschrauber Wärmebildkamera für Bau und Elektroinstallationen. Typische Erfassungstemperaturen liegen bei −10 bis 400 °C bei einer Auflösung von 0,05 K, die im IR-Spektrum zwischen 8 bis 14 µm gemessen werden.

Eine Wärmebildkamera (auch als Thermografie-, Thermal- oder Infrarotkamera oder beim Militär als Wärmebildgerät, WBG, bezeichnet) ist ein Gerät ähnlich einer herkömmlichen Kamera, das jedoch Infrarotstrahlung empfängt und – im Gegensatz zu einem Pyrometer – die IR-Strahlung als Bild des Objektes wiedergibt. Teilweise wird auch die Bezeichnung FLIR für Forward Looking Infrared verwendet, die aber gleichzeitig eine Marke (FLIR Systems) ist.

Die Infrarotstrahlung liegt im Wellenlängenbereich von ca. 0,7 µm bis 1000 µm. Wärmebildkameras nutzen allerdings aufgrund der typischen Emissionswellenlängen in der Nähe der Umgebungstemperatur den Spektralbereich von ca. 3,5 bis 15 µm (mittleres und langwelliges Infrarot). Dieser Bereich ist auch für die Messung und bildliche Darstellung von Temperaturen im Umgebungstemperaturbereich geeignet, wenn der Emissionsgrad bekannt ist. Dieser streut allerdings materialabhängig sehr zwischen 0,012 und 0,98 – entsprechend ungenau kann die Temperaturzuordnung ausfallen.

Da die normale Atmosphäre in diesem Bereich weitgehend transparent ist, stört die seitliche Einstrahlung der Sonne sowie künstlicher Lichtquellen kaum, solange die Distanz nur einige Meter beträgt. Bei größeren Entfernungen kann die Eigenstrahlung der Luft das Ergebnis verfälschen.

Theorie

→ Hauptartikel: Thermografie

Thermografie ist ein berührungsloses bildgebendes Verfahren, das die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung (mittleres Infrarot) eines Objektes oder Körpers sichtbar macht. Bei der Thermografie werden Temperaturverteilungen auf Flächen und Gegenständen erfasst und dargestellt. Zusätzlich zur passiven Temperaturmessung kann auch eine aktive Bestrahlung durch Infrarotstrahler erfolgen. Darauf basieren beispielsweise Verfahren zur Materialprüfung.

Die Wärmebildkamera wertet nur Unterschiede der empfangenen Leistung aus, weshalb Objekte mit stark unterschiedlichem Emissionsfaktor einen großen Messfehler (scheinbaren Temperaturunterschied) ergeben können. An jeder Wärmebildkamera lässt sich der vermutete Emissionsfaktor vorwählen. Strahlungsmessungen sind also mit Vorsicht zu betrachten.

Technik

Graustufenbild Falschfarben-Wärmebild eines Hundes Infrarot-Film eines schlafenden Neugeborenen

Aufgebaut ist die Kamera im Prinzip wie eine normale elektronische Kamera für sichtbares Licht, die Sensoren unterscheiden sich aber in Aufbau und Funktionsweise je nach zu detektierender Wellenlänge. Es ist nicht möglich, mit herkömmlichen Filmen sehr langwellige Strahlung aufzunehmen, weil die fotoempfindliche Emulsion auch in verpacktem Zustand durch die thermische Eigenstrahlung „belichtet“ würde.

Bilder, die von Infrarotkameras erzeugt werden, liegen zunächst als Intensitätsinformation vor. Wärmebildkameras stellen diese üblicherweise in Graustufen dar, gängige Kameramodelle sind in der Lage, bis zu 256 (8 bit) Graustufen aufzulösen. Allerdings ist es für den menschlichen Betrachter nicht möglich, derart feine Graustufungen aufzulösen; es ist daher nützlich, Bilder in Falschfarben-Darstellung zu erzeugen, wozu fast alle Wärmebildkameras in der Lage sind. Der komplette sichtbare Farbraum des Auges bietet mehr Unterscheidung als reine (Grau-)Helligkeitsunterschiede. Im so eingefärbten Bild ist die „Helligkeit“, die auf eine thermische Anomalie hinweist, durch eine Änderung der angezeigten Farbe repräsentiert anstatt durch unterschiedliche Graustufen. Für die Einfärbung der Grauwert-Bilder stehen gewöhnlich verschiedene Farbpaletten zur Verfügung. Oft wird der hellste (wärmste) Teil des Bildes weiß, die Zwischentemperaturen werden in Gelb- und Rottönen und die dunklen (gleich kälteren) Teile des Bildes in Blautönen dargestellt. In der militärischen Anwendung wird normalerweise eine Falschfarbendarstellung nicht verwendet, da die Erkennbarkeit des Bildgegenstands für den menschlichen Betrachter hierdurch reduziert wird.

Die geometrische Auflösung von kommerziellen Thermografiekameras ist beträchtlich niedriger als bei Kameras für den sichtbaren Spektralbereich. Sie liegt typischerweise bei 160 × 120, 320 × 240 oder 384 × 288 Bildpunkten (Pixel). Neuerdings werden auch Detektoren mit 640 × 480 Pixeln eingesetzt. Durch Micro Scanning kann die Kameraauflösung auf bis zu 1280 × 960 verbessert werden. Die Auflösung bestimmt im Zusammenspiel mit den eingesetzten Objektiven beziehungsweise dem Gesichtsfeld (Field of View) der Kamera den kleinsten definierbaren Messfleck des Thermografiesystems. Erste Wärmebildkameras sind auch in Smartphones erhältlich.

Optik

Durch ein aus Linsen bestehendes Objektiv wird ein Bild auf einen elektronischen Bildsensor projiziert.

Übliche Kameras arbeiten passiv (d. h. ohne eigene Lichtquelle) im Wellenlängenbereich von 8 bis 14 µm und verwenden eine Optik aus Germanium, welches für diese Wellenlängen durchlässig ist, aber im Vergleich zu Glaslinsen etwa 100 mal mehr kostet. Daneben eignen sich auch einkristalline Halbleitermaterialien wie Silizium oder Zinkselenid. Im Prinzip verwendbar, aber für praktische Anwendungen wegen Feuchteempfindlichkeit ungeeignet sind dagegen Salze wie Natriumchlorid (Kochsalz), Silbersalze oder Chalkogenide.

Wandler-Materialien

Es existieren verschiedene Verfahren, nach denen infrarote Bildsensoren funktionieren.

Typen

Thermografiekameras können in zwei Arten unterteilt werden:

Gekühlte Infrarotdetektoren

Gekühlte Infrarotdetektoren arbeiten nach dem inneren Fotoeffekt, das heißt, sie bestehen aus einem Array aus Fotoempfängern. Die Detektoren sind gewöhnlich in einem vakuumversiegelten Gehäuse untergebracht und werden kryogenisch gekühlt. Die Arbeitstemperatur der Detektoren liegt dabei typischerweise zwischen 4 K und 110 K, wobei ein üblicher Wert bei rund 80 K (etwas über der Siedetemperatur von Stickstoff) liegt. Damit sind die Detektoren in der Regel viel kälter als die zu beobachtenden Objekte, wodurch sich die thermische Empfindlichkeit (Temperaturauflösung) des Thermografiesystems gegenüber den ungekühlten Systemen entscheidend erhöht. Ein Nachteil dieser Methode: Fällt die Kühlung des Detektors aus, ist das Thermografiesystem blind.

Weitere Nachteile gekühlter Systeme sind die erhöhten Anschaffungs- und Betriebskosten sowie die mitunter langen Anlaufzeiten, bis das System den Detektor auf Betriebstemperatur herunter gekühlt hat. Dem gegenüber steht die herausragende Bildqualität im Vergleich zu ungekühlten Systemen.

Die Infrarotdetektoren gekühlter Systeme bestehen meist aus speziellen Halbleiter-Materialien.

Damit die Eigenstrahlung der Kamera und des Detektors die Messung nicht beeinflusst, werden die nach dem photoelektrischen Effekt arbeitenden Detektoren auf Temperaturen im Bereich um 70 K gekühlt. Früher wurde für die Kühlung oft flüssiger Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid verwendet, moderne Kameras arbeiten meist mit Peltierelementen, sehr genaue Modelle für wissenschaftliche Anwendung sowie viele Geräte im militärischen Bereich dagegen mit Stirlingkühlern.

Ungekühlte Infrarotdetektoren

Ungekühlte Thermografiekameras nutzen Infrarot-Sensoren, die durch thermoelektrische Kühler, Peltierelemente, auf konstanter Temperatur gehalten werden, um Signaldrift der Empfänger-Elemente zu verringern. Sie werden meist nahe der Umgebungstemperatur thermostatiert. Alle modernen ungekühlten Systeme arbeiten nach dem Prinzip der Änderung von Widerstand, Spannung oder Stromstärke bei Aufheizung des Detektors durch die Infrarotstrahlung. Diese Änderungen werden gemessen und mit den Werten bei Betriebstemperatur verglichen. Hieraus ermittelt man die aufgenommene Strahlungsmenge und errechnet – unter Zuhilfenahme eines voreingestellten Emissionsfaktors – eine Temperatur.

Ungekühlte Detektoren verwenden pyroelektrische oder Mikrobolometer-Arrays. Sie sind als kompakte Module (sog. Wärmebildsensoren) verfügbar. Die Auflösungen dieser Kompaktmodule gehen typisch von 320 × 240 Pixel bis 1.024 × 768 Pixel mit Messentfernungen im Bereich ca. 1 bis 10 m. Bildauslesefrequenzen gehen bis etwa 50 Hz. Neben den klassischen analogen Bildsignalen (PAL, NTSC) werden vor allem auch digitale Schnittstellen (USB, LAN, WLAN, Bluetooth) unterstützt.

Physikalische Grundlagen

Die Detektorzelle eines Mikrobolometerarrays besteht aus einer nur wenige Mikrometer dicken, strahlungsempfindlichen Scheibe, welche durch zwei gebogene Kontakte über dem eigentlichen Detektor gehalten wird (so genannte Mikrobridges). Die Scheiben bestehen aus einem Material mit einem stark temperaturabhängigen Widerstand (zum Beispiel Vanadiumoxid). Die einfallende Infrarotstrahlung wird absorbiert und führt zu einer Temperaturerhöhung des Scheibchens, was wiederum den Widerstand ändert. Der gemessene Spannungsabfall wird als Messsignal ausgegeben.

Pyroelektrische Sensoren liefern dagegen nur bei Temperaturänderung eine Spannung mit sehr hoher Quellimpedanz.

Sowohl Mikrobolometerarrays als auch pyrometrische Sensoren benötigen einen mechanischen Verschluss oder zumindest eine periodische Abschattung des Bildsensors. Der Grund ist bei pyrometrischen Sensoren, dass diese nur auf Temperaturänderungen reagieren können. Bei Bolometerarrays dient der Verschluss dazu, ein Dunkelbild zu gewinnen, welches als sensorspezifische Referenz (jedes Pixel besitzt einen individuell unterschiedlichen Widerstand) vom aufgenommenen Bild Pixel für Pixel abgezogen wird.

Typische Anwendungsgebiete

Bauthermografie: ungedämmte Außenwand defekter Kabelanschluss an einem Schütz (ein spezielles Relais)

Die Entwicklung neuer Technologien und der damit verbundene Preisverfall bei den Thermografiesystemen hat wesentlich zur Verbreitung dieser Technologie geführt. Die Verbesserung der eingesetzten Objektive und die Entwicklung professioneller Software für Analyse und Berichtserstellung erweitern die Einsatzmöglichkeiten der Infrarot-Thermografie fortlaufend.

Zivile Anwendung

Ein Feuerwehrmann sucht mit einer Wärmebildkamera nach Glutnestern Mobile Wärmebildkamera Kürzlich betretene Fläche im Wärmebild

Im zivilen Bereich werden vorwiegend ungekühlte Infrarotdetektoren verwendet. Es gibt Handgeräte, welche zum Beispiel den Temperaturbereich von −20 °C bis 900 °C abdecken und eine thermische Empfindlichkeit (Noise Equivalent Temperature Difference, NETD) von 0,025 K erreichen. Oft können Objektive mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln verwendet werden; die Bilder können gespeichert oder an einen PC übertragen werden.

Anwendungen:

Militärische Anwendung

Modell einer PARS 3 LR mit passivem IR-CCD-Sensor in der Raketenspitze zur Zielsuche

Im militärischen Bereich werden Wärmebildgeräte (WBG) zum Beobachten und Aufklären bei Dunkelheit oder schlechter Sicht genutzt. Das WBG-X des Kampfpanzers Leopard 2 basiert beispielsweise auf einem Detektor aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid (engl.: mercury cadmium tellurid, MCT), der auf ca. −190 °C gekühlt wird, was eine Vorlaufzeit von ungefähr 15 Minuten verlangt. Die Anzeige ist grün-monochrom mit einer wählbaren Polarität von schwarz oder weiß, so dass Wärmequellen besonders hell oder dunkel erscheinen. Bei ausreichendem Temperaturunterschied einzelner Objekte kann man einen beobachteten Geländeabschnitt sehr gut erkennen.

Wärmebildgeräte haben gegenüber Nachtsichtgeräten den Vorteil, dass weder Restlicht vorhanden sein noch ein Infrarotscheinwerfer eingesetzt werden muss, der seinerseits sehr einfach entdeckt und ausgeschaltet werden kann. Weiter können auch tagsüber optisch gut getarnte Objekte in vielen Fällen aufgrund der Wärmesignatur leicht erkannt werden. Ein Verstecken von Wärmequellen ist – vor allem bei niedrigen Außentemperaturen – nur mit sehr großem Aufwand möglich.

Grenzen sind der Anwendung von WBG allerdings bei starkem Regen, Nebel oder Schneetreiben gesetzt.

Vorteile, Nachteile, Grenzen

Grenzen der Sensorik

Die vom Sensor erfasste und vermessene IR-Strahlung besteht aus mehreren Komponenten, die sich mit den Möglichkeiten aktueller Wärmebildkameras nicht durch Auswertung des Sensorbildes alleine trennen lassen:

Der Einfluss des Fremdlichts kann auch vom Beobachtungswinkel zur Oberfläche abhängen. Probeweises Abschatten von kleinen Messobjekten kann Hinweise auf den Einfluss von Fremdlicht geben.

Der Sensor selbst vermisst nur einen kleinen Teil des emittierten Spektrums, so dass einige der Effekte im sichtbaren Licht nicht auffallen müssen:

Vorteile

Die größten Vorteile sind:

Nachteile

Die Nachteile sind:

Literatur

Weblinks

Commons: Thermografie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien Wiktionary: Wärmebildkamera – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. ↑ Deutsches Patent- und Markenamt, Wort-/Bildmarken Nr. 003256567, 003256567 der FLIR Systems Inc, Wilsonville, USA
  2. ↑ André Schaller: Harter Bursche mit heißem Blick. In: c’t. Nr. 23/2020. Heise-Verlag, 2020, ISSN 0724-8679, S. 118–119. , Bericht über die Cat S62 Pro
  3. ↑ Ulrich Harten: Physik. 7. Auflage. Springer-Verlag GmbH, Deutschland 2017, ISBN 978-3-662-49753-1, 5.3.3 Wärmestrahlung, S. 161 ff.. 
  4. ↑ Jörg Böttcher: Kompendium Messtechnik und Sensorik: Kenndaten von Wärmebildsensoren. Abgerufen am 19. September 2019. 
  5. ↑ B. B. Lahiri, S. Bagavathiappan, T. Jayakumar, John Philip: Medical applications of infrared thermography: A review. In: Infrared Physics & Technology. Band 55, Nr. 4, 1. Juli 2012, S. 221–235, doi:10.1016/j.infrared.2012.03.007. 
  6. ↑ Hsin Wang, Dwight R. Wade Jr, Jack Kam: IR imaging of blood circulation of patients with vascular disease. In: Proc. SPIE 5405, Thermosense XXVI. Band 5405. International Society for Optics and Photonics, 2004, S. 115–123, doi:10.1117/12.545899. 
  7. ↑ Hairong Qi, P. T. Kuruganti, Zhongqi Liu: Early detection of breast cancer using thermal texture maps. In: Proceedings IEEE International Symposium on Biomedical Imaging. 2002, S. 309–312, doi:10.1109/ISBI.2002.1029255. 
  8. ↑ E. Y. -K. Ng: A review of thermography as promising non-invasive detection modality for breast tumor. In: International Journal of Thermal Sciences. Band 48, Nr. 5, 1. Mai 2009, S. 849–859, doi:10.1016/j.ijthermalsci.2008.06.015. 
  9. ↑ Mobile Wärmebildkamera im Anti-Doping-Einsatz. Badische Zeitung, 22. September 2008, abgerufen am 13. September 2014. 
  10. ↑ Andreas Griesinger: Wärmemanagement in der Elektronik. Springer-Verlag GmbH, Deutschland 2019, ISBN 978-3-662-58681-5, 17.5 Wärmebildkamera, S. 287 ff.. 
Normdaten (Sachbegriff): GND: 4581632-3