Wärmebildtechnik – Verborgene Details sichtbar machen

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

Wärmebildkameras machen diesen Teil des elektromagnetischen Spektrums sichtbar, der unseren Augen verborgen ist. Da praktisch jedes Objekt in unserer Umgebung Wärmestrahlung aussendet, können Wärmebildkameras auch bei absoluter Dunkelheit ein Bild der Umgebung erzeugen. Beim Einsatz für Sicherheit und Überwachung bleibt einer Wärmebildkamera wenig verborgen.

Mit vollständiger radiometrischer Kalibrierung können diese Imager nicht nur Temperaturunterschiede sichtbar machen, sondern eine absolute Temperaturmessung liefern. Eine Wärmebildkamera mit einem VGA-Sensor und einer Bildrate von 60 Hz kann mehr als 18,4 Millionen einzelne Temperaturmessungen pro Sekunde liefern.

Miniaturisierung und Leistungsoptimierung

Die Herstellung einer einfachen Wärmebildkamera, die Wärme visualisiert (d. h. die relative Wärmeverteilung einer betrachteten Szene erkennt und in ein angezeigtes Bild übersetzt), ist nicht mehr Stand der Technik. Sie können Ihr iPhone mit einem Wärmebildkamera-Add-On für weniger als 200 US-Dollar ausstatten. Die eigentliche technische Herausforderung beginnt mit steigenden Anforderungen an Empfindlichkeit und Messgenauigkeit – kleinste Temperaturunterschiede anzuzeigen oder Temperaturen so genau wie möglich zu messen – bei gleichzeitiger Miniaturisierung der Wärmebildkamera und dennoch Erfüllung der Leistungsanforderungen des breiteren Marktes.

Die heute führenden Hersteller von Wärmebildkameras vereinen sowohl die niedrigste NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) als auch die beste Temperaturmessgenauigkeit in einem einzigen Gerät. Früher waren diese Hochleistungskameras empfindlich und genau – aber auch groß und schwer. Hier eröffnen die Trends der Miniaturisierung und Systemintegration neue Anwendungen für Wärmebildkameras.

Immer mehr Anwendungen nutzen Wärmebildkameras und verknüpfen sie mit anderen Sensoren wie Farbvideokameras oder LiDAR-Sensoren. Die Anwendungen sind vielfältig und reichen von intelligenten Überwachungskameras für die öffentliche und private Sicherheit bis hin zur Gebäudeautomation; von der Fertigungsprozesskontrolle bis hin zu Hilfsmitteln für Feuerwehr und Rettungsdienste; von Nachtsichtlösungen für autonome Fahrzeuge bis hin zu vorausschauender Wartung.

Schlüsselleistungsparameter

So vielfältig diese Anwendungen sind, so vielfältig sind auch die Anforderungen an die Miniaturisierung und Systemintegration der Wärmebildtechnik – Messeigenschaften, Detektoren, Optiken, Datenschnittstellen, Gehäuse und weitere Design- und Fertigungsparameter müssen für die jeweilige Anwendung optimiert werden. Die einfache Integration in anwendungsspezifische Systemlösungen stellt jedoch für viele OEMs und Systemintegratoren eine besondere Herausforderung dar, da leistungsstarke Wärmebildkameras oft nur als Standardprodukte mit eingeschränkter Konfigurierbarkeit angeboten werden.

Die effektivsten Wärmebildkameras sind darauf zugeschnitten, diese Herausforderungen zu meistern und genau diese Marktlücke zu schließen. Drei Bereiche, in denen die Leistung von Wärmebildkameras und die einfache Integration beeinträchtigt werden, sind der Detektor, die radiometrischen Fähigkeiten der Wärmebildkamera und die angebotenen optischen und elektrischen Funktionen.

Fortschrittliche Detektortechnologie reduziert ständig den Pixel-zu-Pixel-Abstand. Dieser Trend wurde weitgehend von der Mobiltelefonindustrie vorangetrieben und war am deutlichsten bei sichtbaren Kameras, hat aber auch zur Verbesserung von Wärmebildkameras beigetragen. Je kleiner der Pixelabstand des Detektors ist – unter Beibehaltung oder Verbesserung der Empfindlichkeit (NETD) und des Rauschverhaltens – desto effektiver ist eine Wärmebildkamera. Ein kleinerer Abstand unterstützt im Allgemeinen einen geringeren Stromverbrauch, kleinere mechanische Designbeschränkungen und kann normalerweise langsamere f / #-Optiken aufnehmen (weitere Systemgröße und Gewichtseinsparungen). Darüber hinaus ermöglichen FPAs mit kleinerem Pixelabstand auch Wärmebildkameras mit höherer Auflösung ohne erhebliche Einbußen bei Größe, Gewicht und Leistung.

Zu den radiometrischen Leistungseigenschaften gehören die Erweiterung von reinen ROI-Messungen (Region of Interest) zu vollständigen radiometrischen Messungen an jedem Pixel des FPA, verbesserte Temperaturmessgenauigkeit und erweiterte Zieltemperaturbereiche.

Der extreme Marktwettbewerb in den Branchen Spiele, virtuelle und erweiterte Realität, Smartphones, Telekommunikation und autonome Fahrzeuge hat die elektronischen Verarbeitungsmöglichkeiten dramatisch erhöht und gleichzeitig den Platzbedarf der Komponenten und den Stromverbrauch gesenkt. Infolgedessen haben Entwickler von Wärmebildkameras eine größere Auswahl an Optionen für elektronische Komponenten zur Auswahl, die es vor einigen Jahren noch nicht gab. Die größere Auswahl an Komponentenoptionen erleichtert auch das Design und die Integration von kompakteren, effizienteren und leistungsstärkeren Systemen. Inzwischen haben sich auch optische und opto-mechanische Fertigungstechniken weiterentwickelt, die es Designern ermöglichen, herkömmliche Optiken durch nicht-traditionelle Optiken zu ersetzen, um die Größe und das Gewicht optischer Unterbaugruppen weiter zu reduzieren. Diese breiteren Branchentrends, gepaart mit kontinuierlichen Detektor- und radiometrischen Fortschritten im Wärmebildsegment, können OEMs und Systemintegratoren ein breites Spektrum an Flexibilität bieten, wenn die richtige Wärmebildkamera diese Optionen unterstützt.

Marktbeispiel für radiometrische Wärmebildkameras

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

Um einige der im vorherigen Abschnitt identifizierten Schlüsselleistungsparameter zu veranschaulichen, konzentrieren wir uns auf den ersten Eintrag in der Tabelle, das JENOPTIK EVIDIR. EVIDIR alpha ist eine Familie kompakter „Plug-and-Play“-Infrarotbildkameras, die eine Vielzahl von Standardkonfigurationsoptionen bieten, wie z. B. Videoformat (VGA oder QVGA), Bildrate, mechanischer Verschluss oder langzeitstabiler verschlussloser Betrieb, mehrere Standard-Kommunikationsschnittstellen (USB, GigE und CMOS) und Objektivoptionen, um Sichtfelder des Imagers von 5 Grad bis 60 Grad zu ermöglichen.

Die Imager sind als eigenständige Geräte voll funktionsfähig, wurden jedoch so konzipiert, dass sie die Integration in OEM-Anwendungen (Original Equipment Manufacturer) erleichtern. Der „Toolbox“-Ansatz von EVIDIR mit verfügbaren Konfigurationsoptionen wird für eine einfache Anpassung verwendet. Optionen wie Objektive, Verschluss, Videoformat und Kommunikationsschnittstelle sind modular aufgebaut, sodass der Kunde sie optimal für seine Anwendung kombinieren kann.

Die QVGA- und VGA-Versionen sowohl des Imagers als auch der radiometrischen Imager haben gemeinsame mechanische, optische, elektrische und Befehlsschnittstellen, um eine einfache Aufrüstbarkeit zu ermöglichen und die OEM-Entwicklungszeit zu minimieren. Die Bildgeber basieren auf hochmodernen, ungekühlten Mikrobolometer-Focal-Plane-Arrays mit 12 μm Pixel und stabilen, gleichmäßigen Wärmebildern mit einem NETD-Standard von mehr als 30 mK. Der Imager-Kern ist ein Stapel aus zwei Platinen, der aus dem Focal-Plane-Array (in eine gedruckte Schaltungsanordnung integriert) und der Prozessorplatine besteht.

Das native Ausgabeformat des Imagers ist CMOS, und OEM-Integratoren können dieses Format verwenden, um Größe und Stromverbrauch zu minimieren, oder eine Schnittstellenkarte auswählen, um die Ausgabe in die gewünschten Standardbildformate (z. B. USB oder GigE) zu konvertieren. CMOS-Versionen des Imagers verbrauchen <950 mW für einen QVGA-Imager, der mit 60 Hz läuft. Das Aluminiumgehäuse des Imagers misst 20 mm × 30 mm × 30 mm und wiegt 27 g ohne Objektiv. Es gibt verschiedene Objektivadapter, mit denen eine Vielzahl von handelsüblichen Objektiven verwendet werden können, um die Anwendung optimal abzustimmen. Radiometrische Kameras erhalten eine verbesserte Kalibrierung, sind aber ansonsten identisch mit den Imager-Versionen.

Zusammenfassung

Die hochmodernen Wärmebildkameras von heute bieten OEMs eine Alternative zu früheren QVGA- und VGA-Wärmebildkameras und radiometrischen Kameras auf dem Markt mit höherer Leistung und geringeren Kosten. Bei entsprechendem Design ermöglicht die kundenspezifische Anpassung von Wärmebildkameras OEMs, die Kamera an ihre Anwendung anzupassen und die Kosten zu minimieren.

Kontinuierliche Branchenverbesserungen werden den Kunden genau das richtige Produkt für ihre Bedürfnisse bieten, einschließlich SXGA-Sensoren (1280 × 1024) mit 12 μm Abstand, verbesserter XGA-Sensor (1024 × 768) und VGA-Technologie (640 × 480), Auflösungsverbesserung, Subframes, digitaler elektronischer Zoom (E-Zoom) und elektronische Bildstabilisierung, Shutter- oder Shutterless-Betrieb, zusätzliche wählbare Bildraten und optionale elektrische Schnittstellen wie CameraLink.

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