Wärmebildkamera - Thermographic camera

Bild eines Pommerns, aufgenommen im mittleren Infrarot ("thermisches") Licht ( Falschfarbe )

Eine Wärmebildkamera (auch genannt eine Infrarot - Kamera oder Wärmebildkamera , thermische Kamera oder Wärmebildkamera ) ist ein Gerät , das ein Bild unter Verwendung erzeugt Infrarot (IR) -Strahlung, ähnlich eine gemeinsame Kamera dass bildet ein Bild unter Verwendung von sichtbarem Licht . Anstelle des 400–700 Nanometer (nm) Bereichs der sichtbaren Lichtkamera sind Infrarotkameras für Wellenlängen von etwa 1.000 nm (1  Mikrometer oder µm) bis etwa 14.000 nm (14 µm) empfindlich . Das Erfassen und Analysieren der von ihnen bereitgestellten Daten wird als Thermografie bezeichnet .

Geschichte

Entdeckung und Erforschung der Infrarotstrahlung

Infrarot wurde 1800 von Sir William Herschel als eine Form der Strahlung jenseits von rotem Licht entdeckt. Diese "Infrarotstrahlen" (infra ist die lateinische Vorsilbe für "unten") wurden hauptsächlich zur thermischen Messung verwendet. Es gibt vier Grundgesetze der IR-Strahlung: das Kirchhoffsche Gesetz der Wärmestrahlung , das Stefan-Boltzmann-Gesetz , das Plancksche Gesetz und das Wiensche Verschiebungsgesetz . Die Entwicklung von Detektoren konzentrierte sich bis zum Ersten Weltkrieg hauptsächlich auf den Einsatz von Thermometern und Bolometern . Ein bedeutender Schritt in der Entwicklung von Detektoren erfolgte 1829, als Leopoldo Nobili unter Nutzung des Seebeck-Effekts das erste bekannte Thermoelement schuf und ein verbessertes Thermometer herstellte, eine rohe Thermosäule . Er beschrieb dieses Instrument Macedonio Melloni . Zunächst entwickelten sie gemeinsam ein stark verbessertes Instrument. Anschließend arbeitete Melloni allein und schuf 1833 ein Instrument (eine Multielement- Thermosäule ), das eine Person in 10 Metern Entfernung erkennen konnte. Der nächste bedeutende Schritt zur Verbesserung der Detektoren war das Bolometer, das 1880 von Samuel Pierpont Langley erfunden wurde . Langley und sein Assistent Charles Greeley Abbot verbesserten dieses Instrument weiter. Bis 1901 konnte es die Strahlung einer Kuh aus 400 Metern Entfernung erkennen und reagierte empfindlich auf Temperaturunterschiede von hunderttausendstel (0,00001 °C) Grad Celsius. Die erste kommerzielle Wärmebildkamera wurde 1965 für die Inspektion von Hochspannungsleitungen verkauft.

Die erste fortschrittliche Anwendung der IR-Technologie im zivilen Bereich war möglicherweise ein 1913 patentiertes Gerät zur Erkennung von Eisbergen und Dampfschiffen mit einem Spiegel und einer Thermosäule. Dies wurde bald vom ersten genauen IR-Eisbergdetektor übertroffen, der nicht verwendet wurde Thermosäulen, 1914 von RD Parker patentiert. Darauf folgte 1934 der Vorschlag von GA Barker, das IR-System zur Erkennung von Waldbränden zu verwenden. Die Technik wurde erst 1935 wirklich industrialisiert, als sie zur Analyse der Erwärmungsgleichmäßigkeit in heißen Stahlbändern verwendet wurde.

Erste Thermografiekamera

1929 erfand der ungarische Physiker Kálmán Tihanyi die infrarotempfindliche (Nachtsicht) elektronische Fernsehkamera für die Flugabwehr in Großbritannien. Die erste entwickelte amerikanische Thermografiekamera war ein Infrarot-Linienscanner. Dies wurde 1947 vom US-Militär und Texas Instruments erstellt und dauerte eine Stunde, um ein einzelnes Bild zu produzieren. Während verschiedene Ansätze untersucht wurden, um die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Technologie zu verbessern, war einer der wichtigsten Faktoren das Scannen eines Bildes, das die Firma AGA mit einem gekühlten Fotoleiter vermarkten konnte.

Das erste Infrarot-Linescan-System war das britische Yellow Duckling Mitte der 1950er Jahre. Dies verwendete einen sich kontinuierlich drehenden Spiegel und Detektor mit einer Y-Achsen-Abtastung durch die Bewegung des Trägerflugzeugs. Obwohl es bei der beabsichtigten Anwendung der U-Boot-Verfolgung durch Kielwassererkennung erfolglos war, wurde es für die landgestützte Überwachung verwendet und wurde zur Grundlage des militärischen IR-Linienscans.

Diese Arbeit wurde am Royal Signals and Radar Establishment in Großbritannien weiterentwickelt, als sie entdeckten, dass Quecksilber-Cadmium-Tellurid ein Photoleiter ist, der viel weniger Kühlung benötigt. Honeywell in den Vereinigten Staaten entwickelte auch Arrays von Detektoren, die bei einer niedrigeren Temperatur abkühlen konnten, aber sie scannten mechanisch. Dieses Verfahren hatte mehrere Nachteile, die unter Verwendung eines elektronischen Abtastsystems überwunden werden konnten. 1969 patentierte Michael Francis Tompsett von der English Electric Valve Company in Großbritannien eine Kamera, die pyroelektronisch scannte und nach mehreren anderen Durchbrüchen in den 1970er Jahren ein hohes Leistungsniveau erreichte. Tompsett schlug auch eine Idee für Festkörper-Wärmebild-Arrays vor, die schließlich zu modernen hybridisierten Einkristall-Schicht-Bildgebungsgeräten führte.

Intelligente Sensoren

Einer der wesentlichen Entwicklungsbereiche von Sicherheitssystemen war die Fähigkeit, ein Signal intelligent auszuwerten sowie vor Bedrohungen zu warnen. Unter der Ermutigung der strategischen Verteidigungsinitiative der USA begannen „intelligente Sensoren“ aufzutreten. Dies sind Sensoren, die Sensorik, Signalextraktion, -verarbeitung und -verständnis integrieren könnten. Es gibt zwei Haupttypen von intelligenten Sensoren. Einer, ähnlich einem sogenannten " Vision-Chip ", wenn er im sichtbaren Bereich verwendet wird, ermöglicht eine Vorverarbeitung unter Verwendung intelligenter Abtasttechniken aufgrund des zunehmenden Wachstums von integrierten Mikroschaltungen. Die andere Technologie ist eher anwendungsorientiert und erfüllt durch Design und Struktur ihr Vorverarbeitungsziel.

Gegen Ende der 1990er Jahre bewegte sich die Nutzung von Infrarot in Richtung ziviler Nutzung. Die Kosten für ungekühlte Arrays sanken dramatisch, was zusammen mit der deutlichen Zunahme der Entwicklungen zu einem Dual-Use- Markt führte, der sowohl zivile als auch militärische Anwendungen umfasst. Zu diesen Anwendungen gehören Umgebungskontrolle, Gebäude-/Kunstanalyse, funktionelle medizinische Diagnostik sowie Fahrzeugführungs- und Kollisionsvermeidungssysteme .

Theorie der Arbeitsweise

Ein Wärmebild, das Temperaturschwankungen in einem Heißluftballon zeigt.

Infrarotenergie ist nur ein Teil des elektromagnetischen Spektrums , das Strahlung von Gammastrahlen , Röntgenstrahlen , Ultraviolett , einem dünnen Bereich des sichtbaren Lichts , Infrarot , Terahertzwellen , Mikrowellen und Radiowellen umfasst . Diese sind alle verwandt und unterscheiden sich in der Länge ihrer Welle (Wellenlänge). Alle Objekte emittieren in Abhängigkeit von ihrer Temperatur eine bestimmte Menge an Schwarzkörperstrahlung .

Generell gilt: Je höher die Temperatur eines Objekts, desto mehr Infrarotstrahlung wird als Schwarzkörperstrahlung emittiert . Eine spezielle Kamera kann diese Strahlung ähnlich wie eine gewöhnliche Kamera sichtbares Licht erkennen. Es funktioniert sogar bei völliger Dunkelheit, da das Umgebungslichtniveau keine Rolle spielt. Dies macht es nützlich für Rettungseinsätze in verrauchten Gebäuden und unter Tage.

Ein wesentlicher Unterschied zu optischen Kameras besteht darin, dass die Fokussierlinsen nicht aus Glas bestehen können, da Glas langwelliges Infrarotlicht blockiert. Typischerweise beträgt der Spektralbereich der Wärmestrahlung 7 bis 14 µm. Es müssen spezielle Materialien wie Germanium , Calciumfluorid, kristallines Silizium oder neu entwickelte spezielle Chalkogenidgläser verwendet werden. Außer Calciumfluorid sind alle diese Materialien ziemlich hart und haben einen hohen Brechungsindex (für Germanium n=4), was zu einer sehr hohen Fresnel-Reflexion von unbeschichteten Oberflächen führt (bis zu mehr als 30%). Aus diesem Grund sind die meisten Objektive für Wärmebildkameras entspiegelt. Die höheren Kosten dieser Spezialobjektive sind ein Grund, warum Thermografiekameras teurer sind.

In Benutzung

Thermografisches Bild eines Kattas

Bilder von Infrarotkameras neigen dazu, monochrom zu sein, da die Kameras im Allgemeinen einen Bildsensor verwenden , der verschiedene Wellenlängen der Infrarotstrahlung nicht unterscheidet . Farbbildsensoren erfordern eine komplexe Konstruktion, um Wellenlängen zu unterscheiden, und Farbe hat außerhalb des normalen sichtbaren Spektrums weniger Bedeutung, da die unterschiedlichen Wellenlängen nicht einheitlich in das vom Menschen verwendete Farbsehenssystem abgebildet werden.

Manchmal werden diese monochromatischen Bilder in Pseudofarbe angezeigt , wobei Farbänderungen anstelle von Intensitätsänderungen verwendet werden, um Änderungen im Signal anzuzeigen. Diese Technik, die als Density-Slicing bezeichnet wird , ist nützlich, da Menschen zwar einen viel größeren Dynamikbereich bei der Intensitätserkennung haben als die Farbe insgesamt, aber die Fähigkeit, feine Intensitätsunterschiede in hellen Bereichen zu sehen, ziemlich begrenzt ist.

Zur Verwendung bei der Temperaturmessung sind die hellsten (wärmsten) Teile des Bildes üblicherweise weiß gefärbt, Zwischentemperaturen rot und gelb und die dunkelsten (kühlsten) Teile schwarz. Neben einem Falschfarbenbild sollte eine Skala angezeigt werden, um Farben und Temperaturen in Beziehung zu setzen. Ihre Auflösung ist deutlich geringer als bei optischen Kameras, meist nur 160 x 120 oder 320 x 240 Pixel, obwohl teurere Kameras eine Auflösung von 1280 x 1024 Pixel erreichen können. Thermografiekameras sind viel teurer als ihr sichtbares Spektrum Pendants, obwohl Low-Performance - Add-On - Wärmebildkameras für Smartphones für Hunderte von Dollar im Jahr 2014 Higher-End - Modellen werden häufig als als verfügbar wurde mit doppeltem Verwendungszweck und export beschränkt, insbesondere wenn die Auflösung 640 x 480 oder höher ist, es sei denn, die Bildwiederholfrequenz beträgt 9 Hz oder weniger. Der Export von Wärmebildkameras wird durch die International Traffic in Arms Regulations geregelt .

Bei ungekühlten Detektoren sind die Temperaturunterschiede an den Sensorpixeln winzig; ein Unterschied von 1 °C an der Szene induziert nur einen Unterschied von 0,03 °C am Sensor. Die Pixel-Reaktionszeit ist auch ziemlich langsam, im Bereich von mehreren zehn Millisekunden.

Die Thermografie findet viele andere Anwendungen. Feuerwehrleute verwenden es beispielsweise, um durch Rauch zu sehen , Personen zu finden und Brandherde zu lokalisieren. Mithilfe von Wärmebildkameras lokalisieren Techniker für die Wartung von Stromleitungen überhitzte Verbindungen und Teile, ein verräterisches Zeichen für deren Versagen, um potenzielle Gefahren zu eliminieren. Wo Wärmedämmung fehlerhaft wird, Baukonstruktion können Techniker Wärmelecks siehe die Wirkungsgrad der Kühlung oder Heizung Klimaanlage zu verbessern.

Heiße Hufe weisen auf eine kranke Kuh hin

Wärmebildkameras sind auch in einigen Luxusautos installiert, um den Fahrer zu unterstützen ( Auto-Nachtsicht ), die erste ist der 2000er Cadillac DeVille .

Einige physiologische Aktivitäten, insbesondere Reaktionen wie Fieber , bei Menschen und anderen warmblütigen Tieren können auch mit thermografischer Bildgebung überwacht werden. Gekühlte Infrarotkameras können bei großen Astronomie Forschung gefunden werden Teleskope , auch diejenigen , die nicht Infrarot - Teleskopen .

Typen

Ein thermografisches Bild einer Schlange um einen Arm, das den Kontrast zwischen warm- und kaltblütigen Kreaturen zeigt

Thermografiekameras lassen sich grob in zwei Typen unterteilen: solche mit gekühlten Infrarot-Bilddetektoren und solche mit ungekühlten Detektoren.

Gekühlte Infrarotdetektoren

Ein thermografisches Bild mehrerer Eidechsen
Wärmebildkamera und Bildschirm in einem Flughafenterminal in Griechenland. Eine Wärmebildkamera kann Fieber erkennen , eines der Anzeichen einer Infektion .

Gekühlte Detektoren sind typischerweise in einem vakuumversiegelten Gehäuse oder Dewar enthalten und werden kryogen gekühlt. Die Kühlung ist für den Betrieb der verwendeten Halbleitermaterialien notwendig. Typische Betriebstemperaturen reichen von 4 K (−269 °C) bis knapp unter Raumtemperatur, abhängig von der Detektortechnologie. Die meisten modernen gekühlten Detektoren arbeiten je nach Typ und Leistungsstufe im Bereich von 60 Kelvin (K) bis 100 K (-213 bis -173 °C).

Ohne Kühlung würden diese Sensoren (die ähnlich wie herkömmliche Digitalkameras Licht erkennen und umwandeln, aber aus anderen Materialien bestehen) von ihrer eigenen Strahlung „geblendet“ oder überflutet werden. Die Nachteile gekühlter Infrarotkameras bestehen darin, dass sie sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb teuer sind. Kühlung ist sowohl energie- als auch zeitaufwendig.

Die Kamera kann einige Minuten zum Abkühlen benötigen, bevor sie mit der Arbeit beginnen kann. Die am häufigsten verwendeten Kühlsysteme sind Peltier-Kühler, die zwar ineffizient und in ihrer Kühlleistung begrenzt sind, aber relativ einfach und kompakt sind. Um eine bessere Bildqualität zu erzielen oder um Objekte mit niedriger Temperatur abzubilden, werden Kryokühler mit Stirlingmotor benötigt. Obwohl die Kühlvorrichtung vergleichsweise sperrig und teuer sein kann, liefern gekühlte Infrarotkameras im Vergleich zu ungekühlten eine sehr gute Bildqualität, insbesondere von Objekten nahe oder unter Raumtemperatur. Darüber hinaus ermöglicht die höhere Empfindlichkeit gekühlter Kameras auch die Verwendung von Objektiven mit höherer F-Zahl , wodurch Hochleistungsobjektive mit langer Brennweite sowohl kleiner als auch kostengünstiger für gekühlte Detektoren werden.

Eine Alternative zu Stirling-Motorkühlern ist die Verwendung von Gasen, die unter hohem Druck abgefüllt werden, wobei Stickstoff eine gängige Wahl ist. Das unter Druck stehende Gas wird über eine Mikrodüse entspannt und über einen Miniaturwärmetauscher geleitet, was über den Joule-Thomson-Effekt zu einer regenerativen Kühlung führt . Für solche Systeme ist die Versorgung mit Druckgas für den Feldeinsatz ein logistisches Problem.

Zu den Materialien, die für die gekühlte Infrarotdetektion verwendet werden, gehören Photodetektoren auf Basis einer breiten Palette von Halbleitern mit schmaler Bandlücke, einschließlich Indiumantimonid (3-5 µm), Indiumarsenid , Quecksilber-Cadmium-Tellurid (MCT) (1-2 µm, 3-5 µm, 8-12 .) μm), Bleisulfid und Bleiselenid

Infrarot-Photodetektoren können mit Strukturen von Halbleitern mit hoher Bandlücke erzeugt werden, wie beispielsweise in Quantenwell-Infrarot-Photodetektoren .

Es gibt eine Reihe von supraleitenden und nicht supraleitenden gekühlten Bolometertechnologien.

Prinzipiell könnten supraleitende Tunnelübergangsbauelemente wegen ihres sehr engen Spalts als Infrarotsensoren verwendet werden. Kleine Arrays wurden demonstriert. Sie wurden nicht allgemein zur Verwendung verwendet, da ihre hohe Empfindlichkeit eine sorgfältige Abschirmung vor der Hintergrundstrahlung erfordert.

Supraleitende Detektoren bieten eine extreme Empfindlichkeit, wobei einige einzelne Photonen registrieren können. Zum Beispiel ESA ‚s Superconducting Kamera (SCAM) . Außerhalb der wissenschaftlichen Forschung werden sie jedoch nicht regelmäßig verwendet.

Ungekühlte Infrarotdetektoren

Ungekühlte Wärmebildkameras verwenden einen Sensor, der bei Umgebungstemperatur arbeitet, oder einen Sensor, der mit kleinen Temperaturkontrollelementen bei einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur stabilisiert wird. Moderne ungekühlte Detektoren verwenden alle Sensoren, die durch die Änderung von Widerstand , Spannung oder Strom arbeiten, wenn sie durch Infrarotstrahlung erwärmt werden. Diese Änderungen werden dann gemessen und mit den Werten bei der Betriebstemperatur des Sensors verglichen.

Ungekühlte Infrarotsensoren können auf eine Betriebstemperatur stabilisiert werden, um das Bildrauschen zu reduzieren, aber sie werden nicht auf niedrige Temperaturen gekühlt und erfordern keine sperrigen, teuren, energieverbrauchenden kryogenen Kühler. Dadurch werden Infrarotkameras kleiner und kostengünstiger. Ihre Auflösung und Bildqualität sind jedoch tendenziell niedriger als bei gekühlten Detektoren. Dies ist auf Unterschiede in ihren Herstellungsprozessen zurückzuführen, die durch die derzeit verfügbare Technologie begrenzt sind. Eine ungekühlte Wärmebildkamera muss auch mit ihrer eigenen Wärmesignatur umgehen.

Ungekühlte Detektoren basieren meist auf pyroelektrischen und ferroelektrischen Materialien oder Mikrobolometer- Technologie. Aus dem Material werden Pixel mit stark temperaturabhängigen Eigenschaften gebildet, die von der Umgebung thermisch isoliert und elektronisch ausgelesen werden.

Wärmebild Dampflokomotive

Ferroelektrische Detektoren arbeiten nahe der Phasenübergangstemperatur des Sensormaterials; die Pixeltemperatur wird als stark temperaturabhängige Polarisationsladung gelesen . Die erreichte NETD von ferroelektrischen Detektoren mit f/1 Optik und 320x240 Sensoren beträgt 70-80 mK. Eine mögliche Sensoranordnung besteht aus Barium-Strontium-Titanat, das durch eine wärmeisolierte Verbindung aus Polyimid mit Bump-Bonds verbunden ist.

Silizium-Mikrobolometer können NETD bis zu 20 mK erreichen. Sie bestehen aus einer Schicht aus amorphem Silizium oder einem Dünnfilm- Vanadium(V)-Oxid- Sensorelement, das auf einer Siliziumnitrid- Brücke über der siliziumbasierten Abtastelektronik aufgehängt ist . Der elektrische Widerstand des Sensorelements wird einmal pro Frame gemessen.

Aktuelle Verbesserungen von ungekühlten Focal Plane Arrays (UFPA) konzentrieren sich hauptsächlich auf eine höhere Empfindlichkeit und Pixeldichte. Im Jahr 2013 kündigte DARPA eine Fünf-Mikron-LWIR-Kamera an, die ein 1280 x 720 Focal Plane Array (FPA) verwendet. Einige der für die Sensorarrays verwendeten Materialien sind amorphes Silizium (a-Si), Vanadium(V) -Oxid (VOx), Lanthan-Barium-Manganit (LBMO), Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Lanthan- dotiertes Blei-Zirkonat-Titanat (PLZT), Blei Scandium - Tantalat (PST), Blei - Lanthan - Titanat (PLT), Bleititanat (PT), Blei - Zink - Niobat (PZN), Blei - Strontium - Titanat (PSRT), Barium - Strontium - Titanat (BST), Bariumtitanat (BT), Antimon sulfoiodide ( SbSI) und Polyvinylidendifluorid (PVDF).

Anwendungen

Die Thermografiekamera eines Eurocopter EC135 Hubschraubers der Bundespolizei .

Ursprünglich für den militärischen Einsatz während des Koreakrieges entwickelt , sind Thermografiekameras langsam in andere so unterschiedliche Bereiche wie Medizin und Archäologie eingewandert. In jüngster Zeit hat die Senkung der Preise dazu beigetragen, die Einführung der Infrarot-Anzeigetechnologie voranzutreiben. Fortschrittliche Optiken und ausgeklügelte Softwareschnittstellen erhöhen die Vielseitigkeit von IR-Kameras weiter.

Aus dem Weltraum von WISE mit einer Wärmebildkamera betrachtet , erscheint der Asteroid 2010 AB78 röter als die Hintergrundsterne, da er den größten Teil seines Lichts bei längeren Infrarotwellenlängen emittiert. Im sichtbaren Licht und im nahen Infrarot ist es sehr schwach und schwer zu erkennen.

Spezifikationen

Einige Spezifikationsparameter eines Infrarot - Kamerasystem gibt Anzahl der Pixel , Bildrate , Responsivität , geräusch äquivalente Leistung , Rauschäquivalente Temperaturdifferenz (NETD), Spektralband, Abstand-zu-Punkt - Verhältnis (D: S), Naheinstellgrenze , Sensorlebensdauer, minimal auflösbare Temperaturdifferenz (MRTD), Sichtfeld , Dynamikbereich , Eingangsleistung sowie Masse und Volumen.

Siehe auch

Verweise