INHALTSVERZEICHNIS

• Überblick
  • Was ist der Unterschied zwischen Pyrometrie und Thermorgrafie?
  • Typische Anwendungsbereiche
• Physikalische Grundlagen der Infrarotstrahlung
  • Messobjekte in der Realität und Einflussgrößen
• Bildentstehung in Thermalkameras
  • Athermalisation
  • Infrarotsensor (Detektor)
• Abgrenzung: Bildkalibrierung vs. Temperaturkalibrierung
  • Bildkalibrierung (Flat-Field-Korrektur)
  • Temperaturkalibrierung (Blackbody-Referenz)
• Effektiver Erfassungsbereich und Johnson-Kriterien
• Wie vergleicht man Thermalkameras bezüglich der TR (Thermal Radiometry)?
• Zusammenfassung

Überblick

Thermalkameras, auch Wärmebildkameras genannt, sind optoelektronische Systeme zur Erfassung von Infrarotstrahlung. Sie ermöglichen die Visualisierung von Temperaturunterschieden auf Objektoberflächen und funktionieren unabhängig von sichtbarem Licht. 

Was ist der Unterschied zwischen Pyrometrie und Thermorgrafie?

Die Pyrometrie dient zur berührungslosen nahen Temperaturmessung und wird im Regelfall für große Temperaturbereiche zwischen -50 und +3000 °C eingesetzt (Handthermometer). Im Gegensatz zu einem Pyrometer (welches am Gerät nur die Temperaturmesswerte wiedergibt) erhalten wir von einer Thermalkamera eine komplette Bilddarstellung. Strenggenommen ist eine Thermalkamera ebenfalls ein Pyrometer.

Typische Anwendungsbereiche

Thermalkameras werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt, darunter:

• Brandfrüherkennung und Temperaturüberwachung
• Perimeterschutz und Sicherheitsüberwachung
• Industrielle Prozesskontrolle
• Wartung und Instandhaltung (z. B. Erkennung von Überhitzung)
• Verkehrsinfrastruktur und kritische Anlagen

Wir unterscheiden Thermalkameras je nach Anwendungsfall:

-> Thermalkameras für die Perimeter-Überwachung

-> Thermalkameras für die Temperaturmessung und Auswertung (Thermal Radiometry)

Physikalische Grundlagen der Infrarotstrahlung

Jede Form elektromagnetischer Strahlung ist durch eine spezifische Wellenlänge gekennzeichnet. Objekte mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts (-273,15 °C) emittieren kontinuierlich Strahlung, die in Relation zur Temperatur des Körpers und zur Wellenlänge steht.

Verweis: Plancksches Strahlungsgesetz – Wikipedia 

Die Stärke dieser Infrarotstrahlung steigt mit zunehmender Temperatur des Objekts.

Für das menschliche Auge ist Infrarotstrahlung nicht sichtbar. Thermalkameras sind jedoch in der Lage, Strahlung im Wellenlängenbereich von etwa 8 bis 14 Mikrometern (µm) zu detektieren. Dieser Bereich wird auch als langwelliges Infrarot (LWIR ) bezeichnet und eignet sich besonders zur Temperaturmessung unter realen Umgebungsbedingungen.

Übersicht der Infrarot-Bereiche:

Das langwellige Infrarot (LWIR) von (7 bis 14) μm unterliegt sehr geringen atmosphärischen Einflüssen. Durch diesen Umstand können auch im Außenbereich Messaufgaben über größere Entfernungen hinweg durchgeführt werden.

Messobjekte in der Realität und Einflussgrößen

Praktisch wird in der Regel mit sogenannten schwarzen Körpern gerechnet. Ein schwarzer Körper ist ein idealisiertes Modell eines Körpers, der elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen vollständig absorbiert. In der Realität treten jedoch verschiedene Störeinflüsse auf, wie etwa die Reflexion von Strahlung aus anderen Quellen, die die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinträchtigen können.

 Einiger dieser Einflussgrößen der Messobjekte sind als Beispiel:

• Die Materialzusammensetzung 

Verweis: https://de.wikipedia.org/wiki/Emissionsgrad

• Die Oxidschicht auf der Oberfläche
• Die Rautiefe der Oberfläche
• Der Winkel zur Flächennormalen
• Die Temperatur
• Der Polarisationsgrad

Bildentstehung in Thermalkameras

Die von Objekten abgegebene Infrarotstrahlung wird durch die Infrarot-Optik (oft mit Germanium-Linsen) der Kamera auf einen Detektor (Sensor) fokussiert. 

Die Germaniumlinsen werden beschichtet mit einer Hartkohlenstoffbeschichtung (Diamatähnlich) für die Außenbereichstauglichkeit und sollten nicht eingesetzt werden bei Umgebungstemperaturen über 100°C!

Athermalisation

Bei Thermalkameras kann sich aufgrund der Umgebungstemperatur (und damit auch aufgrund der Temperatur der Kamera) das Objektivmaterial verändern und die Linsen verformen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient und der thermische Brechungskoeffizient von Infrarotmaterialien sind viel höher als die von sichtbaren Gläsern, was zu einer Verschiebung des Brennpunkts der Linse führt. 

Gefahr: Defokusierung, das Bild wird unscharf und es können sich "Halo" Effekte bilden.

Bei den Thermalkameras wird deshalb meist einer dieser Arten der Athermalisation des Objektivs eingesetzt:

• Die elektromechanische Athermalisierung beruht auf motorgesteuerten Linsengruppen anhand von Temperatursensoren.
• Bei der mechanischen Athermalisierung werden die Linsenelemente (Linseneinheit und/oder Objektivgehäuse) um einen Betrag bewegt, der die thermische Defokussierung ausgleicht. Verschiedene Abstandsmaterialien können hierzu verwendet werden, mit einer entsprechend großen Bandbreite an Ausdehnungskoeffizienten. Bestimmte Anordnung/Positionierung der Linseneinheiten.
• Die optisch passive Athermalisierung eliminiert die thermisch bedingte Defokussierung im System durch die Kombination geeigneter Linsenmaterialien, die zusammen die thermische Fokusverschiebung kompensieren.

Infrarotsensor (Detektor)

Der Sensor ist das zentrale Element der Thermalkamera. Er wandelt die empfangene Infrarotstrahlung in elektrische Signale um. Grundsätzlich wird zwischen ungekühlten (uncooled) und gekühlten (cooled) Sensoren unterschieden.

In der Regel bieten wir von unserer Seite nur Thermalkameras mit ungekühlten Infrarotdetektoren an. Hierzu steht bei den Kameras meist im Datenblatt folgende Angabe: VOx UFPA -> Dies steht für Vanadiumoxid-Uncooled Focal Plane Array.

Das resultierende Wärmebild stellt Temperaturunterschiede visuell in Graustufen dar. Die meisten Kameras sind in der Lage 8bit (256 Graustufen) darzustellen. Das bedeutet praktisch ebenfalls, dass maximal 256 unterschiedliche Temperaturdifferenzen abbildbar sind.

Dabei werden die nativen Graustufen für die Perimeter-Überwachung verwendet, um schnell im Bild eine Person erkennen zu können. Da jedoch das menschliche Auge schwer Graustufen unterscheiden kann, wird für die Anwendung der Temperaturmessung meist eine andere Farbenskalar verwendet. Die Darstellung basiert ausschließlich auf Temperaturdifferenzen und ist nicht von sichtbarem Licht abhängig. Dadurch können Thermalkameras auch bei vollständiger Dunkelheit, Rauch, Nebel oder Staub zuverlässig eingesetzt werden.

Abgrenzung: Bildkalibrierung vs. Temperaturkalibrierung

Es ist wichtig zwischen zwei Kalibrierungsarten zu unterscheiden:

• Bildkalibrierung: Optimierung der Bildhomogenität und Reduktion von Sensorartefakten
• Temperaturkalibrierung: Sicherstellung korrekter absoluter Temperaturwerte

Während für reine Detektions- und Sicherheitsanwendungen oft eine Bildkalibrierung ausreicht, ist für messtechnische Anwendungen eine zusätzliche Temperaturkalibrierung erforderlich.

Bildkalibrierung (Flat-Field-Korrektur)

Die Bildkalibrierung dient der Verbesserung der Bildhomogenität und der Reduktion sensorbedingter Artefakte. Sie gleicht Abweichungen einzelner Pixel aus, die durch Fertigungstoleranzen, Eigenerwärmung oder Umgebungseinflüsse entstehen.

Typische Merkmale:

• erfolgt meist automatisch über einen internen Shutter
• auch als Flat-Field-Korrektur (FFC) bezeichnet
• verbessert Kontrast und Bildgleichmäßigkeit
• relevant für Detektions- und Überwachungsanwendungen

Während der Kalibrierung kann das Bild kurzzeitig einfrieren oder ausgeblendet werden.

Temperaturkalibrierung (Blackbody-Referenz)

Die Temperaturkalibrierung ist erforderlich, wenn eine Thermalkamera zur präzisen Temperaturmessung eingesetzt wird. Dabei wird das Kamerasystem mit einer Referenzwärmequelle abgeglichen. Hierzu kommen sogenannte Blackbody-Referenzen (umgangssprachlich „Black Box“) zum Einsatz. Diese besitzen einen definierten Emissionsgrad und eine stabile, bekannte Temperatur.

Typische Merkmale:

• Abgleich der gemessenen Temperaturwerte mit Referenzwerten
• intern oder extern im Sichtfeld der Kamera realisiert
• notwendig für messtechnische Anwendungen und Brandfrüherkennung
• erhöht Genauigkeit und Langzeitstabilität

Effektiver Erfassungsbereich und Johnson-Kriterien

Der effektive Erfassungsbereich einer Thermalkamera beschreibt die Fähigkeit, Objekte innerhalb einer Szene zu detektieren, zu erkennen oder eindeutig zu identifizieren. Diese Leistungsbewertung erfolgt häufig anhand der sogenannten Johnson-Kriterien. 

Die Johnson-Kriterien definieren Mindestanforderungen an die Anzahl von Bildpixeln, die ein Objekt abdecken muss, um eine bestimmte Bewertungsstufe zu erreichen:

Detektion

Ein Objekt gilt als detektiert, wenn es sich eindeutig vom Hintergrund abhebt. Dafür muss das Objekt mindestens etwa 1,5 Pixel im Bild einnehmen.

Erkennung

Von Erkennung spricht man, wenn die Objektklasse bestimmt werden kann, beispielsweise ob es sich um ein Tier, eine Person oder ein Fahrzeug handelt. Hierfür sind in der Regel mindestens 6 Pixel über die Objektbreite erforderlich.

Identifizierung

Die Identifizierung erlaubt eine eindeutige Bestimmung und detaillierte Beschreibung des Objekts. Dafür muss das Objekt mindestens 12 Pixel oder mehr im Bild abdecken.

Diese Kriterien dienen als technische Richtlinie zur Planung von Kamerapositionen, Objektivwahl und Überwachungsdistanzen.

Wie vergleicht man Thermalkameras bezüglich der TR (Thermal Radiometry)?

Um Thermalkameras zu vergleichen findet man im Datenblatt folgende Angaben:

NETD @ 25°C F1.0

Der NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) gibt den kleinstmöglichen Temperaturunterschied an, den der Sensor der Kamera noch erfassen kann und wird in mK (Millikelvin) gemessen.

(Temperaturdifferenz zweier Graustufen)

Je niedriger die Zahl, desto besser die thermische Empfindlichkeit.

Kameras sollten aber nicht nur durch einen Vergleich ihrer NETD-Spezifikationen bewertet werden, da es kein standardisiertes Messprotokoll gibt

Typischer wert des NETD: 50 mK

IFOV

Die räumliche Auflösung beschreibt, wie gut ein Sensor nahe beieinanderliegende Objekte unterscheiden kann.

IFOV beschreibt die Größe eines einzelnen Pixels auf der Messfläche.

Der IFOV-Wert wird in der Einheit mrad (miliRadiant) angegeben.

Je kleiner der IFOV-Wert in mrad ist, umso besser ist sein Wirkungsgrad und umso genauer können Körpertemperaturen registriert und gemessen werden. 

Umgekehrt ausgedrückt: Je größer der Öffnungswinkel des Objektives einer Wärmebildkamera ist, umso höher (also schlechter) ist der IFOV-Wert.

Im IFOV beschrieben sind deshalb folgende Werte:

-> Pixelgröße des Sonsors in μm

-> Die Brennweite

Typischer Wert des IFOV: 1,70 mrad

Die Sensorauflösung

Hinsichtlich der Auflösung bedeutet eine höhere Pixelzahl auch eine bessere Bildqualität. Die Anzahl der Pixel pro Spalte, z. B. 384 × 288 Pixel, liefert ein quantitatives Maß für die Auflösung. Mehr Pixel bedeutet also eine schärfere und detailliertere Darstellung des Bildes.

Achtung! Oft wird im Datenblatt eine hochskalierte Auflösung angegeben. Hier muss muss unbedingt die eigentliche Thermalsensorgröße betrachtet werden, auch gerade im Zusammenhang mit Bi-Spektral-Kameras.

Zusammenfassung

Thermalkameras nutzen die von Objekten emittierte Infrarotstrahlung zur berührungslosen Temperaturerfassung. Durch die Auswertung von Temperaturunterschieden ermöglichen sie zuverlässige Detektion, Erkennung und Identifizierung von Objekten auch unter schwierigen Umweltbedingungen. Die Johnson-Kriterien bieten dabei eine bewährte Grundlage zur technischen Bewertung der Leistungsfähigkeit von Wärmebildsystemen.