Beispielsweise haben Wärmebildkameras angesichts des jüngsten Ausbruchs des neuen Corona-Virus eine sehr wichtige Stellung eingenommen. Das Vorhandensein von Krankheitserregern kann möglicherweise nicht direkt erkannt werden. Aber seien wir ehrlich: Kein Gerät kann Fieber, das Hauptsymptom einer Virusinfektion, aus sicherer Entfernung besser erkennen als eine Infrarotkamera. Kein Wunder, dass es mittlerweile ein fester Bestandteil am Eingang von Einkaufszentren und anderen öffentlichen Orten ist.

Daher ist ein sorgfältiges Verständnis der Funktionsweise von Wärmebildkameras von entscheidender Bedeutung. Wenn Sie sich mehr Wissen aneignen, können Sie Ihre Wärmebildkamera optimal nutzen, da sie unser Leben auf der Erde revolutioniert hat. Und im Großen und Ganzen können Sie produktiver und effizienter arbeiten, wenn Sie einen reibungslosen Ablauf gewährleisten möchten.

Im Inneren einer Wärmebildkamera: wie es funktioniert

Zu wissen, was Infrarotstrahlung ist, ist eine Sache, sie zu erfassen, eine andere. Wir müssen verstehen, dass die Wärmebildtechnik, wie wir sie heute kennen, das Produkt eines langen und mühsamen Prozesses ist, dessen Perfektionierung Jahrzehnte gedauert hat. Einerseits sind unsere Wärmebildkameras heute leistungsstark und benutzerfreundlich. Sie sind nicht nur schwer und teuer, im Gegensatz zu denen, die vor Jahrzehnten von der Feuerwehr verwendet wurden.

Da Wärmebildkameras darauf ausgelegt sind, Wärmeenergie in der Umgebung zu erfassen, sind ihre Hauptkomponenten auf die Verarbeitung von Infrarotstrahlung ausgelegt. Dies gilt insbesondere für Eingabeeinheiten. Die Rede ist von Linsen und Sensoren, dem Weg, den Infrarotstrahlung zurücklegen muss.

Objektiv

Stellen Sie sich das Objektiv einer Wärmebildkamera wie Ihr Augenlid vor. Wenn Ihre Augenlider nicht geöffnet sind, können Sie Ihre Umgebung nicht sehen. Eine Wärmebildkamera muss ihrerseits über eine Linse verfügen, die IR und seine verschiedenen Frequenzen durchlässt. Nur dann kann der Sensor das Signal verarbeiten.

Dies ist der größte Unterschied zwischen einer Infrarotkamera und einer Standardkamera (der Kamera Ihres Telefons). Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras dürfen die Objektive von Infrarotkameras nicht aus Glas bestehen. Beachten Sie, dass Glas langwellige Infrarotstrahlung (LWIR) blockiert, die Frequenz, die für Wärmebildaufnahmen am nützlichsten ist.

Daher bestehen Linsen meist aus Germanium, Zinkselenid, Calciumfluorid oder Saphir. Dadurch kann das Objektiv den elektromagnetischen Spektrumbereich der Wärmestrahlung von 7 bis 14 μm abdecken. Da die meisten dieser Materialien einen hohen Brechungsindex haben, ist es wichtig, die Linse mit einer Antireflexionsbeschichtung zu versehen, um die Durchbiegung zu korrigieren.

Sensor

Das Herzstück einer Wärmebildkamera ist der Sensor. Hier passiert die Infrarotstrahlung den Wärmemelder. Dieser Detektor reagiert direkt auf den Wärmeanstieg, der durch die Absorption des einfallenden Infrarotlichts entsteht.

Im Laufe der Zeit gibt es jedoch zwei herausragende Möglichkeiten, die Arbeit zu erledigen. Eine neuere und heute gebräuchliche Technik sind Mikrobolometer, während ein anderer Ansatz die Verwendung pyroelektrischer Materialien ist. Einzelheiten sind wie folgt.

Mikrobolometer

Im Prinzip ist ein Mikrobolometer ein strahlungsempfindliches Gerät. Das erste Bolometer wurde vom amerikanischen Physiker und Astronomen Samuel Pierpont Langley (1834 - 1906) erfunden.

Jede Strahlung, die direkt auf das absorbierende Element des Mikrobolometers trifft, führt zu einem entsprechenden Temperaturanstieg. Je mehr Energie absorbiert wird, desto höher ist die Temperatur.

Diese Temperaturänderung kann direkt mit einem Widerstandsthermometer gemessen werden. und als elektronisches Signal ausgelesen, um ein elektronisches Bild zu erzeugen. Im Wesentlichen besteht ein Mikrobolometer aus einer dünnen Metallschicht, die dann über eine thermische Verbindung direkt mit einem (thermostatischen) Thermoreservoir verbunden ist.

Das Sensorarray beherbergt Tausende von Detektorpixeln, die in einem Raster angeordnet sind. Man weiß, dass jedes Pixel im Array auf direkt auftreffende Infrarotstrahlung reagiert und einen Widerstand erzeugt, der dann in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann. Das Signal jedes Pixels wird durch Anwendung einer mathematischen Formel verarbeitet, die die Grundlage für eine Farbkarte der erfassten Objekttemperatur bildet. Das anschließende Farbbild wird dann zur Anzeige an die Verarbeitungseinheit der Kamera gesendet.

Beachten Sie, dass jedes Pixel für eine höhere Genauigkeit über ein Mikrobolometer verfügt. Daher ist die Auflösung von Wärmebildkameras im Vergleich zu Smart-TVs oder normalen Kameras recht gering. Tatsächlich gilt 640x480 bereits als hohe Auflösung für Wärmebildkameras.

Mikrobolometerbasierte Wärmebildkameras werden auch als ungekühlte Wärmebildkameras bezeichnet, da für den Betrieb des Mikrobolometersensors kein separater Kühlmechanismus erforderlich ist. Der unmittelbare Vorteil besteht darin, dass diese IR-Kameras im Vergleich zu herkömmlichen gekühlten Modellen leichter sind.

Pyroelektrisches Material

Hierbei handelt es sich um Wärmebildkameras, die gekühlte Sensordetektoren verwenden. Ein leuchtendes Beispiel ist Lithiumtantalat. Das Material erzeugt als direkte Reaktion auf Temperaturänderungen winzige Spannungen. In diesem Sinne erkennt es Infrarotphotonen direkt. Es handelt sich eher um Photovoltaik- als um ungekühlte, auf Mikrobolometern basierende Wärmebildkameras, die Photoleitfähigkeit nutzen.

Obwohl sie viele Vorteile bieten, wie z. B. Infraroterkennung über große Entfernungen und genauere Temperaturdifferenzergebnisse, werden gekühlte Wärmekameras nach und nach durch ungekühlte Geräte ersetzt. Dies liegt vor allem an den teureren Preisen und den sperrigen Gehäusen.

Diese Infrarotdetektoren sind nach heutigen Maßstäben schwer, da ihre Bildsensoren in Kryokühler integriert werden müssen. Erschwerend kommt hinzu, dass die beweglichen Teile in Kryokühlern mit der Zeit einem Verschleiß unterliegen.

Bildprozessor

Nach der Erfassung der Infrarotstrahlung müssen die Daten verarbeitet werden, um die auf dem Bildschirm der Infrarotkamera angezeigte Ausgabe zu erstellen. Die Datenverarbeitung umfasst Vorverarbeitung, Merkmalsextraktion und Klassifizierung. Beachten Sie, dass die Filterung zum Entfernen von Rauschen oder unerwünschten Daten verwendet wird. Dabei werden Algorithmen oder mathematische Gleichungen genutzt, um visuelle Bilder zu erzeugen.

Ausstellung

Dabei werden die Daten des Kameraprozessors in elektronische Signale umgewandelt. Denken Sie daran, dass diese Daten von jedem Pixel (nicht gekühlt) entnommen werden. Durch die Anwendung mathematischer Algorithmen kann eine Farbkarte generiert werden. Dies stellt eine deutliche thermische Signatur des untersuchten Objekts dar. Bisher waren achromatische oder Schwarz-Weiß-Darstellungen bei Wärmebilddarstellungen üblich.

Über ThermTec

ThermTec ist ein weltweit führender Hersteller von Produkten im Bereich Infrarot-Wärmebildtechnologien und bietet die neuesten und besten Wärmetechnologien und -lösungen, die die Art und Weise, wie Menschen die Welt wahrnehmen, verbessern und so sicherere und effizientere Lebens- und Arbeitsbedingungen für die Menschheit schaffen.