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Die Wärmebildkamera ist das Handwerkszeug des Thermografen. Lernen Sie die Eigenschaften und Leistungen einer Hochleistungs-Scannerkamera für das thermische Infrarot kennen.
DittiéThermografie verkauft keine Kameras. Interessieren Sie sich für das benutzte Modell, steht Ihnen InfraTec gerne zur Verfügung. |
 Das
Funktionsprinzip einer
Scannerkamera |
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Grundlagen
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Um einen Blick in die infrarote Welt zu tun, brauchen wir spezielle Kameras. Diese Kameras basieren auf besonderen Sensoren, die für inrarotes Licht empfindlich sind, vergleichbar mit Videokameras, nur eben für wesentlich größere Wellenlängen. Die Alchemisten der Halbleiterindustie haben heraus gefunden, daß CCD's und Dioden aus dem Material HgCdTe (QuecksilberCadmiumTellurid) am besten im gewünschten Infrarotbereich funktionieren. Diese Technik ist ein bißchen aufwendig, denn der Sensor strahlt ja auch wie alle anderen warmen Gegenstände auch. Wir müssen ihn also weit unter die Umgebungstemperatur abkühlen, um zu vermeiden, daß wir uns selber blenden. Sehr gut dazu eignet sich flüssiger Stickstoff. |
| Bilderzeugung durch
mechanisches Abscannen |
Diese Skizze zeigt das Funktionsprinzip einer Infrarot-Scanner-Kamera. Das Herzstück ist eine Photodiode in einem Dewar mit Fenster, die auf 77 Kelvin herabgekühlt wird. Eine Einzellinse fokussiert das eintreffende Licht auf den 50 mal 50 Mikrometer großen Sensor. Weil die Diode direkt auf der optischen Achse arbeitet und das Linsenmaterial Germanium faktisch frei von chromatischer Aberation im thermischen IR ist, eignet sich ein asphärischer Meniskus als Objektiv sehr gut. Die Blendenöffnung ist 1.0 bei 35 mm Brennweite. Das Bild wird durch zwei Scannerspiegel vor dem Objektiv erzeugt. Der horizontale Scannerspiegel vibriert mit 270 Hertz um seine senkrechte Achse, während der vertikale Scannerspiegel sich in 0.8 Sekunden auf und ab bewegt, so daß in 0.8 Sekunden jeweils ein Bild mit 300 mal 200 Pixeln entsteht. Um eine gleichförmige Belichtung für jedes Pixel zu erreichen, ist die Spiegelbewegung eine Dreiecksfunktion. Damit das Innere vor Staub und Feuchtigkeit geschützt wird, ist ein Eintrittsfenster vor die ganze Optik eingebaut. Das Signal des Sensors wird mit der Bewegung der Scannerspiegel synchronisiert und dann mit 16 Bit Auflösung digitalisiert und auf einer PCMCIA-S-Ramkarte abgespeichert. Das garantiert eine hohe Mobilität der Kamera. Sie ist nicht größer als eine professionelle Videokamera. |
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| Eine Alternative: Die
Focal-Plane-Array-Kamera |
Das Scannerprinzip ist bei der Bildqualität in Sachen Temperaturauflösung, Rauschen und Genauigkeit kaum zu übertreffen, dennoch hat sie den Nachteil, daß sie nur alle 0,8 Sekunden ein Bild liefert und schnell bewegte Objekte verzerrt erscheinen. Wenn schnelle Aufnahmegeschwindigkeit gefragt ist, dann ist eine Thermografiekamera mit einem Flächensensor gefragt. Solche Kameras funktionieren genauso wie die elektronischen Fotoapparate, nur daß hier spezielle Sensoren und Sondermaterialien verwendet werden. Wenn eine Bildqualität gefordert ist, die annähernd an die von Scannerkameras heranreicht, dann sind solche Kameras und ihr Einsatz recht kostspielig. | |
| Physikalisches Funktionsprinzip |
Thermografiekameras "sehen" Wärmestrahlung. Das ist nichts anderes als gewöhnliches Licht, nur daß es viel längere Wellenlängen aufweist als das Licht, was wir sehen können oder was gewöhnlicher IR-Film aufzeichnen kann. Wie das langwellige IR-Licht entsteht und wie es sich verhält, kann man auf der Seite Physikalische Grundlagen nachlesen. |
| Die
Aufnahme von Thermogrammen |
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Grundlagen
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Der große Vorteil dieser Technik ist die Kombination aus einem richtigen Bild und einer Temperaturinformation für jeden Bildpunkt. Das nennt man Thermografie. Wir sind in der Lage, in einem Blick zu überschauen, wie warm ein Objekt ist. Um Informationen in drei Dimensionen (eine ist die Bildbreite, die zweite die Bildhöhe und die dritte die lokale Temperatur) darstellen zu können, brauchen wir eine Technik, die man Falschfarbenverfahren nennt. |
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Das erste Bild zeigt, was die Kamera sieht ... Das hier ist ein Schiff, beladen mit feuchter Steinkohle, auf dem Rhein. Die Kohle und das Flußwasser sind kalt, so daß die Kamera nur wenig Infrarotlicht empfängt. Der Rumpf des Schiffs ist schon wärmer, so daß er schon im mittleren Bereich "leuchtet". Der Auspuff für den Dieselmotor ist heiß: Eine Menge an Licht erreicht die Kamera. Es ist schwierig, einen Unterschied zu normalen, im visuellen Licht aufgenommenen Fotonegativen zu bemerken. | |
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Das zweiteBild ist wie ein glühendes Stück Eisen eingefärbt. Schwarz bedeutet kalt, rot schon wärmer, von gelb nach weiß immer heißer werdend. Das Glühen von Metall ist übrigens der selbe Effekt, den man in der Thermografie benutzt, nur bei einem wesentlich höheren Temperaturniveau. Die Lesbarkeit des Bildes wird durch das Einfärben mit den Glühfarben deutlich verbessert. | |
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Das dritte Bild zeigt, wie es ausschaut wenn man "kalte" und "warme" Farben der Temperaturinformation aus dem Rohbild zuordnen. Das Ergebnis ist eine "Pop Art" Färbung, die dafür gesorgt hat, daß wir sowas für ein typisches Thermografiebild halten. Nichtsdestotrotz kann man mit dieser Falschfarbentechnik damit sehr kleine Temperaturunterschiede sichtbar machen. |
| Temperaturskala
der Scannerkamera |
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Grundlagen
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Der Einsatzbereich hängt von der Öffnung der asphärischen Objektivlinse ab. Sie kann in den Stufen 1.0, 2.0, 4.0 und 8.0 abgeblendet werden, um das meßbare Temperaturspektrum zu vergrößern. Jeder der vier Blendenstufen ist getrennt kalibriert. Die Kalibrierung beginnt bei -40 °C (237 Kelvin), aber die Kamera ist empfindlich genug, um Wärmestrahlung von wesentlich kälteren Körpern aufzunehmen. Das Limit liegt bei ungefähr -120 °C (153 Kelvin) |
| Kryogener Bereich
-120 °C bis -40 °C ( Blende 1.0, nicht kalibriert ) |
Typische Anwendungen für
Thermografie in diesem kalten Bereich sind:
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| Umgebungsbereich
-40 °C bis +100 °C ( Blende 1.0, kalibriert ) |
Typische
Anwendungen für Thermografie in diesem Umgebungsbereich sind:
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| Mitteltemperaturbereich
+40 °C bis +400 °C (Blende 2.0, kalibriert) |
Typische Anwendungen für
Thermografie in diesem warmen Bereich sind:
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| Hochtemperaturbereich
+100 °C bis +800 °C (Blende 4.0, kalibriert) |
Typische Anwendungen für
Thermografie in diesem heißen Bereich sind:
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| Höchsttemperaturbereich
+200 °C bis +1200 °C (Blende 8.0, kalibriert) |
Typische Anwendungen für
Thermografie in diesem Verbrennungsbereich sind:
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| Temperaturgenauigkeit,
Ortsauflösung und Bildwinkel der Scannerkamera |
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Auflösung im
Temperaturbereich |
Die Genauigkeit der Messungen
hängt ebenso von der Einsatztemperatur ab. Durch die Kalibrierung,
die Sensorkühlung runter bis auf 77 K und die 16 Bit
Auflösung des AD-Wandlers ist die Genauigkeit sehr hoch. Der
normale Rauschpegel eines Bildes beträgt um
die 0,02 Kelvin. Das Rausch-Signal-Verhältnis kann noch durch die
Aufaddition
von Bildern gesteigert werden.
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| Räumliches
Auflösungsvermögen |
Die räumliche
Auflösung wird von der Brennweite der Germaniumasphäre, der
Größe des
HgCdTe-Sensors und dem Gesichtsfeld bestimmt. Das Gesichtsfeld
kann in sechs Stufen im Verhältnis von 1 zu Wurzel( 2 ) durch
Variation der Scannerspiegelamplitude gezommt werden.
In den vier höheren Zoomstufen ist jedes Pixel mit einer bekannten Pointspreadfunktion gefaltet. Die Ursache dafür ist die Größe des Sensors, der ca. 4 Bogenminuten überblickt. Dadurch wird ab der Zoomstufe 2 das Bild ein wenig unschärfer. |
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| Aufnahme- geschwindigkeit |
Die Jenoptik Varioscan 3011 weist 3 verschiedene
Aufnahmegeschwindigkeiten je nach Zeilenzahl auf. das gilt für
Einzelbilder. Wenn Thermogrammserien gefragt sind, so läßt
der Timer frei programmierbare Geschwindigkeiten zu.
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| Möglichkeiten
der
Leistungssteigerung |
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Auflösung im
Temperaturbereich |
In den höheren Zoomstufen erscheint das unbearbeitete Original je nach Höhe der Zoomstufe durch Überschneidung der Aufnahmepixel unscharf. Dieser Effekt ist aber de facto verlustfrei zu korrigieren: Das Ursprungsbild kann einfach durch eine inverse Faltung des unverarbeiteten Thermogramms mit einer Quadratischen Funktion rekonstruiert werden. In der höchsten Zoomstufe wird dadurch eine räumliche Auflösung von einer Bogenminute erreicht. Die Korrektur ist aber aufgrund der dazu notwendigen Rechnerkapazität nicht vor Ort, sondern nur bei der endgültigen Auswertung im Labor-Computer möglich. |
| Räumliches
Auflösungsvermögen |
Ebenso kann die thermische Auflösung für Präzisionsmessungen über das Maß gesteigert werden, was die Kamera aufgrund ihres Konstruktionsprinzips sowieso schon bietet. Dazu werden Serien von Thermogrammen aufgenommen, die einander per Kreuzkorrelation überlagert und dann aufaddiert werden. Dadurch kann die erreichbare und reproduzierbare Temperaturauflösung auf 0,01 Grad (10 Millikelvin) gesteigert werden. Wenn dazu absolute Genauigkeit gefordert ist, so ist im Bildfeld ein Referenz-Hohlraumstrahler mit einer entsprechend hohen Präzision der Temperaturregelung anzuordnen. | |
| Bildwinkel | Reicht das Bildfeld nicht aus,
so gibt es zwei Möglichkeiten, sehr große Bildfelder zu
realisieren:
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| Auswertungsmöglichkeiten |
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Bildkapazität
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Die Anzahl der Bilder, die in einem Arbeitsgang aufgenommen werden können, ist nur durch die Speicherkapazität der PCMCIA-Einsteckkarte begrenzt. Das während der Arbeit die Karten einfach ausgewechselt werden können, ist die Speicherkapazität faktisch unbegrenzt. |
| Zeitreihen | Die Scannerkamera hat zwei
volle Aufnahmemodi, die Reihenaufnahmen zulassen und einen
Videoausgang:
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| Zeilenscanner | Das Zeilenscannerprinzip der Varioscankamera läßt einen besonderen Aufnahmemodus zu, den selbst schnelle Flächensensorkamera nicht bieten. Dazu wird der vertikale Ablenkspiegel festgelegt, so daß das Objekt nur in horizontaler Richtung abgescannt wird. Ein Scan dauert 4 Millisekunden. Die interne Speicherkapazität der Kamera läßt dabei 1800 Zeilenabtastungen, also 7,2 Sekunden Meßdauer zu. Durch diese Eigenschaft kann mit der Kamera sehr schnelle Aufheiz- beziehungsweise Abkühlvorgänge mit der vollen Genauigkeit der Kamera aufgezeichnet werden. | |
| Temperaturmessung
vor Ort |
Die Ausstattung der Kamera mit einem 10cm Bildschirm läßt eine Ad-Hoc-Temperaturmessung vor Ort zu, so daß direkt am Objekt über thermografische Befunde diskutiert werden kann. Dazu können bis zu 10 Temperaturmeßstellen im Bildfeld definiert werden. Jede Meßstelle mittelt dabei die Temperatur über ihre einstellbare Fläche und korrigiert sie mit einem variablen Emissionskoeffizienten. Das läßt eine sehr hohe Meßgenauigkeit und Vergleichsmessungen direkt an Ort und Stelle zu, ohne daß dazu eine Laborauswertung aufgenommener Thermogramme durchgeführt werden muß. | |
| Emission und Absorption | Eine Hochleistungskamera wie die Varioscan 3011 läßt selbstverständlich eine Korrektur der Emission und der Absorbtion per Software zu. Die Korrektur des Emissionskoeffizienten ist dabei unproblematisch, da die meisten mineralischen, nichtleitenden Materialien einen Koeffizienten zwischen 0,98 und 0,92 aufweisen. Dadurch ist der Meßfehler durch einen Irrtum in diesem Bereich mit etwa 0,1 °C und weniger extrem klein. Die Absorbtion der Luft ist erst auf sehr große Abstände hin von Belang. Im Bereich von einigen 10 bis 100 Metern kann sie vernachlässigt und auf 0 eigestellt werden. Sind Fernerkundungsmessungen notwendig, so ist eine Referenzmessung zur bestimmung der atmosphärischen Absorbtion notwendig. | |
| Nachträgliche Bearbeitung | Auf dem Speichermedium wird das komplette Signal des Infrarotsensors inklusive der Kalibrationsdaten aufgezeichnet. Die Skalierung des aktuellen Bildes auf dem Moinitor der Kamera spielt daher für die Aufzeichnung keine Rolle. Später kann die Skalierung beliebig verändert werden, ohne daß Information dadurch verfälscht oder verloren geht. Durch diese Aufzeichnungsmethode sind die Thermogramme dokumentenecht. |
| Kann
meine Kamera Ihrer
Anforderung genügen ? Reden wir miteinander: dittie(at)thermografie.de
oder direkt
02244 / 9049806 (at) bitte durch @ ersetzen |
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Eine wichtige Bemerkung |
Ich bin kein Händler, verkaufe
deshalb keine Kameras und kann nicht weiterhelfen, wenn
es um
die Anschaffung einer eigenen Kamera geht. Diese Leistungsbeschreibung
meiner
Kamera dient dazu, abzuwägen, ob das Werkzeug meiner
Thermografie-Dienstleistung
für Ihre Anwendung geeignet ist. |
| Infoecke |  - Was Sie schon
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wissen wollten ... |
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