Thermografie: Verborgene Details für präzise Analysen enthüllen

Wir lieben die warmen Strahlen der Sommersonne, genießen die Abkühlung mit einem kalten Getränk oder einem erfrischenden Bad im Pool. Wir schätzen die warme Berührung eines anderen Menschen, genießen heißen Tee oder einen wärmenden Kamin im Winter. Wir fühlen Temperatur, aber wir können sie mit unseren Augen nicht „sehen“.

Thermografische Kameras machen jenen Teil des elektromagnetischen Spektrums sichtbar, der unseren Augen verborgen bleibt. Da praktisch jedes Objekt in unserer Umgebung thermische Strahlung emittiert, können Thermografiekameras ein Bild der Umgebung sogar in absoluter Dunkelheit erzeugen. Beim Einsatz für Sicherheit & Überwachung bleibt wenig vor einer Thermografiekamera verborgen.

Mit vollständiger radiometrischer Kalibrierung können diese Kameras nicht nur Temperaturunterschiede sichtbar machen, sondern absolute Temperaturmessungen liefern. Eine Thermografiekamera mit VGA-Sensor und 60 Hz Bildrate kann mehr als 18,4 Millionen einzelne Temperaturmessungen pro Sekunde liefern.

Miniaturisierung und Leistungsoptimierung

Die Herstellung einer einfachen Thermografiekamera, die Wärme visualisiert (also die relative Wärmeverteilung einer Szene detektiert und in ein angezeigtes Bild übersetzt), ist nicht mehr State-of-the-Art. Man kann sein iPhone für unter 200 Dollar mit einem Thermografie-Add-on ausstatten. Die echte technische Herausforderung beginnt mit steigenden Anforderungen an Empfindlichkeit und Messgenauigkeit – Anzeige kleinster Temperaturunterschiede oder möglichst präzise Temperaturmessung – bei gleichzeitiger Miniaturisierung der Thermografiekamera und Erfüllung der Leistungsanforderungen des breiteren Marktes.

Heutige führende Hersteller thermografischer Kameras vereinen sowohl das niedrigste NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) als auch die beste Temperaturmessgenauigkeit in einem einzigen Gerät. Historisch waren diese Hochleistungskameras empfindlich und präzise – aber auch groß und schwer. Hier eröffnen die Trends der Miniaturisierung und Systemintegration neue Anwendungen für Thermografiekameras.

Immer mehr Anwendungen nutzen Thermografiekameras, verknüpft mit anderen Sensoren wie Farbvideokameras oder LiDAR-Sensoren. Die Anwendungen sind vielfältig und reichen von intelligenten Überwachungskameras für öffentliche und private Sicherheit bis zur Gebäudeautomation; von Fertigungsprozesskontrolle bis zu Hilfsmitteln für Feuerwehr und Rettungsdienste; von Nachtsichtlösungen für autonome Fahrzeuge bis zur vorausschauenden Wartung.

Schlüssel-Leistungsparameter

So vielfältig diese Anwendungen sind, so vielfältig sind auch die Anforderungen an Thermografiekamera-Technologie, Miniaturisierung und Systemintegration – Messcharakteristika, Detektoren, Optiken, Datenschnittstellen, Gehäuse und andere Design- und Fertigungsparameter müssen für die spezifische Anwendung optimiert werden. Allerdings ist die einfache Integration in anwendungsspezifische Systemlösungen eine besondere Herausforderung für viele OEMs und Systemintegratoren, da leistungsstarke Thermografiekameras oft nur als Standardprodukte mit begrenzter Konfigurierbarkeit angeboten werden.

Die effektivsten Thermografiekameras sind darauf ausgelegt, diese Herausforderungen zu meistern und genau diese Marktlücke zu füllen. Drei Bereiche, in denen Thermografiekamera-Leistung und einfache Integration beeinflusst werden, sind Detektor, radiometrische Fähigkeiten der Kamera und die angebotenen optischen & elektrischen Features.

Detektortechnologie

Fortgeschrittene Detektortechnologie verringert ständig den Pixel-zu-Pixel-Abstand. Dieser Trend wurde weitgehend von der Smartphone-Industrie getrieben und war bei sichtbaren Kameras am deutlichsten, hat aber auch Thermografiekameras verbessert. Je kleiner der Detektor-Pixel-Pitch – bei Erhalt oder Verbesserung der Empfindlichkeit (NETD) und Rauschleistung – desto effektiver ist eine Thermografiekamera. Kleinerer Pitch unterstützt allgemein geringeren Stromverbrauch, kleinere mechanische Designconstraints und kann meist langsamere f/# Optiken accommodieren (weitere System-Größen- und Gewichtsersparnisse). Zusätzlich ermöglichen kleinere Pixel-Pitch FPAs auch höherauflösende Thermografiekameras ohne signifikante Strafe bei Größe, Gewicht und Leistung.

Radiometrische Leistungsmerkmale

Radiometrische Leistungsmerkmale umfassen die Erweiterung von Region-of-Interest (ROI)-Messungen auf vollständige radiometrische Messungen auf jedem Pixel der FPA, verbesserte Temperaturmessgenauigkeit und erweiterte Zieltemperaturbereiche.

Elektronische und optische Fortschritte

Extremer Marktkonkurrenz in Gaming, Virtual und Augmented Reality, Smartphone, Telekommunikation und autonomen Fahrzeugen hat die elektronischen Verarbeitungsfähigkeiten dramatisch erhöht, während Bauteil-Footprint und Stromverbrauch gesenkt wurden. Dadurch haben Thermografiekamera-Designer eine breitere Palette elektronischer Komponentenoptionen zur Auswahl, die vor einigen Jahren nicht existierten. Die größere Vielfalt an Komponentenoptionen erleichtert auch das Design und die Integration kompakterer, effizienter und leistungsstärkerer Systeme. Gleichzeitig haben sich optische und optomechanische Fertigungstechniken weiterentwickelt, was Designern erlaubt, konventionelle Optiken durch nicht-traditionelle Optiken zu ersetzen, um die Größe und das Gewicht optischer Unterbaugruppen weiter zu reduzieren. Diese breiteren Branchentrends, gekoppelt mit fortgesetzten Detektor- und radiometrischen Fortschritten im Thermografie-Segment, können OEMs und Systemintegratoren eine breite Palette an Flexibilität bieten, wenn die richtige Thermografiekamera diese Optionen unterstützt.

Marktbeispiel: Radiometrische Thermografiekameras

Tabelle 1 fasst eine Reihe wichtiger Leistungsparameter für fünf aktuelle radiometrische Thermografiekameras mit QVGA-Pixelformat zusammen.

Um einige der im vorherigen Abschnitt identifizierten Schlüssel-Leistungsparameter zu illustrieren, fokussieren wir uns auf den ersten Eintrag in der Tabelle, die JENOPTIK EVIDIR. EVIDIR alpha ist eine Familie kompakter „Plug-and-Play“ Infrarotkameras, die eine Vielzahl von Standardkonfigurationsoptionen bieten wie Videoformat (VGA oder QVGA), Bildrate, mechanischer Verschluss oder langzeitstabile verschlusslose Betriebsart, mehrere Standardkommunikationsschnittstellen (USB, GigE und CMOS) und Linsenoptionen, um Kamerasichtfelder von 5 bis 60 Grad zu ermöglichen.

Die Kameras sind als Stand-alone-Geräte voll funktionsfähig, wurden aber für die Integration in OEM-Anwendungen (Original Equipment Manufacturer) konzipiert. EVIDIRs „Werkzeugkasten“-Ansatz verfügbarer Konfigurationsoptionen wird für einfache Anpassung eingesetzt. Optionen wie Linsen, Verschluss, Videoformat und Kommunikationsschnittstelle sind modular, sodass der Kunde mischen und anpassen kann, um seine Anwendung bestmöglich zu bedienen.

Die QVGA- und VGA-Versionen sowohl der Kamera als auch der radiometrischen Kameras teilen gemeinsame mechanische, optische, elektrische und Befehlsschnittstellen, um einfache Aufrüstbarkeit zu ermöglichen und OEM-Entwicklungszeit zu minimieren. Die Kameras basieren auf State-of-the-Art 12 µm Pixel, ungecoolten Mikrobolometer-Fokalebenenarrays und stabilen, uniformen Thermobildern mit besser als 30 mK NETD Standard. Der Kamerakern ist ein Zwei-Platinen-Stapel bestehend aus der Fokalebene (integriert in eine Leiterplattenbaugruppe) und Prozessorplatine.

Das native Ausgabeformat der Kamera ist CMOS, und OEM-Integratoren können dieses Format nutzen, um Größe und Stromverbrauch zu minimieren, oder eine Schnittstellenplatine wählen, um die Ausgabe in gewünschte Standardbildformate (z. B. USB oder GigE) umzuwandeln. CMOS-Versionen der Kamera ziehen <950 mW für eine QVGA-Kamera bei 60 Hz. Das Kameragehäuse aus Aluminium misst 20 mm × 30 mm × 30 mm und wiegt 27 g ohne Linse. Es gibt verschiedene Linsenadapter, um eine Vielzahl von Standardlinsen zu nutzen, die die Anwendung bestmöglich bedienen. Radiometrische Kameras erhalten eine erweiterte Kalibrierung, sind ansonsten aber identisch mit den Kameraversionen.

Zusammenfassung

Heutige State-of-the-Art Thermografiekameras bieten OEMs eine höhere Leistung, kostengünstigere Alternative zu früheren QVGA- und VGA-Thermografie- und radiometrischen Kameras auf dem Markt. Wenn angemessen designed, erlaubt Thermografiekamera-Anpassung OEMs, die Kamera optimal auf ihre Anwendung zuzuschneiden und Kosten zu minimieren.

Fortgesetzte Branchenverbesserungen werden Kunden genau das richtige Produkt für ihre Bedürfnisse bieten, einschließlich SXGA (1280 × 1024) Sensoren mit 12 µm Pitch, Enhanced XGA (1024 × 768) Sensor und VGA (640 × 480) Technologie, Auflösungsverbesserung, Sub-Frames, digitaler elektronischer Zoom (e-Zoom) und elektronische Bildstabilisierung, Verschluss- oder verschlussloser Betrieb, zusätzliche wählbare Bildraten und optionale elektrische Schnittstellen wie CameraLink.

Dieser Artikel wurde von Dr. Daniel Brenner, MBA, Light & Optics Division, JENOPTIK Optical Systems GmbH (Jena, Deutschland) verfasst. Für weitere Informationen klicken Sie hier.