Wie funktioniert ein scharfes Infrarotbild?

Wärmebildkameras tragen dazu bei, Produktionsprozesse schneller und sicherer zu machen und die Qualität der Endprodukte zu verbessern. Aber wie nimmt die Kamera das Bild auf und wie viele Pixel braucht sie dafür?

Mit einer Linse wird die Infrarotstrahlung eines Objekts auf einen Sensor fokussiert, der ein elektrisches Signal erzeugt, das proportional zur Strahlung ist. Das Signal wird verstärkt und über die anschließende digitale Signalverarbeitung in eine Ausgangsgröße umgewandelt, die der Objekttemperatur entspricht. Der Messwert kann auf einem Display angezeigt oder als Analogsignal dargestellt werden. Das Herzstück einer Wärmebildkamera, der Bildsensor, ist ein 150 Nanometer dickes Focal Plane Array (FPA), das zwischen 20.000 und einer Million Pixel haben kann. Die Pixel selbst bestehen aus Mikrobolometern mit einer Größe von 17 × 17 bis 35 × 35 µm², deren Widerstandswert sich ändert, wenn sie Wärmestrahlung absorbieren. Die Widerstandsänderung bewirkt eine Änderung der Signalspannung, die am Widerstand des Bolometers abfällt und anschließend analysiert wird.

Mehr Pixel bedeuten im Prinzip mehr Details. Da die Gesetze der Physik auch für Wärmebildkameras gelten, sind Sensoren mit einer hohen Megapixelzahl mit negativen Auswirkungen verbunden. Wie bei Digitalkameras für die Fotografie werden jetzt immer mehr Pixel auf derselben kleinen Fläche untergebracht. Dadurch hat jedes einzelne Pixel immer weniger Platz, um Wärmestrahlung einzufangen. Das bedeutet, dass die schwachen Signale verstärkt werden müssen. Dadurch erhöht sich jedoch das im Signal enthaltene Rauschen, was zu Störpixeln und Ungenauigkeiten bei der Temperaturmessung führt. Dem wird durch eine softwarebasierte Rauschunterdrückung entgegengewirkt, die das aufgenommene Bild retuschiert. Dies hat zur Folge, dass neben dem Rauschen auch feine Bildstrukturen geglättet werden. Einige der Infrarotkameras mit höherer Auflösung versuchen, den Detailreichtum zu verbessern, entweder durch Interpolation oder durch Überlagerung verschiedener Bilder, die durch mechanische Bewegungen des Chips im Subpixelbereich erzeugt werden.

Der überlastete Pixel

Neben dem Rauschen tritt noch ein zweites Problem auf: Vergleichbar mit einem Wasserglas können die immer kleiner werdenden einzelnen Pixel nur eine bestimmte Menge an Wärmestrahlung aufnehmen, bevor sie “überlaufen”. Wenn eine Bildregion während dieses “Blooming” exakt abgebildet wird, weisen andere Regionen Details auf, die nicht identifiziert werden können.

Aber die oft vernachlässigte Qualität des Kameraobjektivs spielt eine entscheidende Rolle. Was nützt ein Sensor mit der maximalen Anzahl von Pixeln, wenn das Objektiv die vom Messobjekt abgestrahlte Infrarotenergie nicht möglichst verlustfrei an den Bildsensor weiterleiten kann? Wenn das einzelne Pixel, das vom Objektiv vollständig aufgelöst werden kann, größer ist als das einzelne Pixel des FPA, wird mehr als ein Pixel auf einmal belichtet. Dies führt zu einer deutlichen Unschärfe. Erst wenn die Wechselwirkung zwischen Objektiv und Sensoren berücksichtigt wird, kann die tatsächliche Auflösung ermittelt werden.

Thermal image of a hot wire connecting electrical devices.

Jedes Pixel braucht Zeit und Speicherkapazität

Je höher die Auflösung einer Wärmebildkamera ist, desto eher treten neben den qualitativen Auswirkungen weitere unangenehme Nebenwirkungen auf. Die Datenflut, die bei der Aufnahme mit der Kamera entsteht, muss vor dem Speichern verarbeitet werden. Schnittstellen mit begrenzten Live-Datenübertragungsraten stellen dabei die erste Hürde dar. Die Datenübertragung nimmt dann eine gewisse Zeit in Anspruch und führt zu einer Verlangsamung der Abtastrate der Videofunktion. Der große Speicherplatz, den Wärmebilder auf dem Computer und den angeschlossenen Speichermedien einnehmen, sollte ebenfalls berücksichtigt werden.

Die korrekte Verwendung ist ein ebenso wichtiges Thema. Wärmebildkameras sind genau wie normale Digitalkameras mit einem Sichtfeld (FOV) ausgestattet, das bei einem Teleobjektiv 6°, bei einem Standardobjektiv 26° und bei einem Weitwinkelobjektiv bis zu 90° betragen kann. Je weiter man sich vom Objekt entfernt, desto größer wird der erfasste Bildbereich und damit auch der Bildausschnitt, den ein einzelner Pixel erfassen kann.

Die optische Auflösung des Messgeräts muss in Abhängigkeit von der Größe des Messobjekts und dem Abstand zwischen ihm und dem Sensor gewählt werden. Im Diagramm links wurde aufgrund des zu großen Messflecks die Wärmestrahlung der wesentlich kühleren Platine mit einbezogen, was zu einer stark verzerrten Temperaturmessung führt. Aus diesem Grund darf der Messfleck der Kamera nicht größer sein als die Größe des Messobjekts.

Aus diesem Grund sind bei sehr kleinen Messobjekten oder bei großen Abständen zwischen Wärmebildkamera und Messobjekt hohe Auflösungen unerlässlich. In einem von Optris durchgeführten Versuch wurden zwei verschiedene Auflösungen verwendet, um die Temperatur eines Drahtes in gleicher Entfernung und unter gleichen Umgebungsbedingungen zu messen. Während bei 640 x 480 Pixeln ein Hotspot von 70,4 °C genau erkannt wurde, ergab die Messung bei einer Auflösung von 80 x 80 Pixeln nur einen halb so hohen Wert.

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