Wie funktioniert eine Wärmebildkamera?

Das Herzstück einer Wärmebildkamera: Der Focal Plane Array

Das Herzstück einer Wärmebildkamera ist in der Regel ein Focal Plane Array (FPA). Das ist ein integrierter Bildsensor mit Größen von 20.000 bis zu 1 Million Pixel.

Jeder Pixel selbst ist ein 17 x 17 bis 35 x 35 μm² großes Mikrobolometer. Solche 150 Nanometer dünnen thermischen Empfänger werden durch die Wärmestrahlung innerhalb von 10 ms um ca. ein Fünftel des Temperaturunterschiedes zwischen Objekt- und Eigentemperatur erwärmt.

Eine derart hohe Empfindlichkeit wird durch eine extrem geringe Wärmekapazität in Verbindung mit einer vorzüglichen Isolation der IR-Kamera zur evakuierten Umgebung erreicht.

Der Absorptionsgrad der teiltransparenten Empfängerfläche wird durch Interferenz der hindurch gelassenen und danach auf der Oberfläche des Siliziumchips reflektierten Lichtwelle mit der nachfolgenden Lichtwelle erhöht. [2]

Zur Nutzung dieses Eigeninterferenzeffektes muss die aus Vanadiumoxid oder amorphem Silizium bestehende Bolometerfläche mittels spezieller Ätztechniken in ca. 2 μm Entfernung vom Ausleseschaltkreis positioniert werden.

Die flächen- und bandbreitenbezogene spezifische Detektivität der hier beschriebenen FPAs erreicht Werte um 109 cm Hz1/2 / W. Sie ist damit anderen thermischen Sensoren, wie sie beispielsweise in Pyrometern eingesetzt werden, um eine Größenordnung überlegen.

Mit der Eigentemperatur des Bolometers ändert sich wiederum dessen Widerstand, der in ein elektrisches Spannungssignal gewandelt wird. Schnelle 14 bit A/D-Wandler digitalisieren das zuvor verstärkte und serialisierte Videosignal. Eine digitale Signalverarbeitung berechnet für jeden einzelnen Pixel einen Temperaturwert und erzeugt in Echtzeit die bekannten Falschfarben- bzw. Wärmebilder.

Wärmebildkameras benötigen eine recht aufwendige Kalibrierung, bei der jedem Pixel bei verschiedenen Chip- bzw. Schwarzstrahler-Temperaturen eine Reihe von Empfindlichkeitskennwerten zugeordnet werden muss. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit werden die Bolometer-FPAs bei definierten Temperaturen mit großer Regelgenauigkeit thermostatiert.

Übertragung & Auswertung von Wärmebildern

Durch die Entwicklung immer leistungsfähigerer, kleinerer und zugleich preisgünstigerer Laptops, UMPCs, Netbooks und Tablet-PCs wird es neuerdings möglich, deren

• große Displays zur Wärmebilddarstellung,
• optimierte Li-Ion Akkus zur Stromversorgung,
• Rechenkapazität zur flexiblen und qualitativ hochwertigen Echtzeitsignaldarstellung
• Speicherkapazität zur zeitlich praktisch unbegrenzten Wärmebildvideoaufzeichnung sowie
• Ethernet-, Bluetooth-, WLAN- und Softwareschnittstellen zur Integration des Thermografiesystems in die Anwendungsumgebung 

zu nutzen.

Die standardisierte, überall verfügbare USB 2.0 Schnittstelle erlaubt dabei Datenübertragungsraten von

• 30 Hz mit 320 x 240 Pixel Bildauflösung und von
• 120 Hz bei Bildgrößen von 20.000 Pixel.

Die 2009 eingeführte USB 3.0-Technik ist sogar für XGA-Wärmebildauflösungen von bis zu 100 Hz geeignet. Durch Nutzung des Webcam-Prinzips im Thermografiebereich ergeben sich völlig neue Produkteigenschaften mit einem erheblich verbesserten Preis-Leistungs-Verhältnis. Die Wärmebildkamera ist dabei über die 480 MBaud-Schnittstelle in Echtzeit mit dem Windows©-basierten Computer verbunden, der gleichzeitig die Stromversorgung übernimmt.

Die Hardware von Wärmebildkameras

USB galt früher als reines Bürokommunikationsmedium. Die im Gegensatz zu FireWire überaus große Verbreitung dieses Interface-Standards hat zahlreiche Entwicklungen initiiert, die die Industrietauglichkeit der Schnittstelle und damit die Nutzbarkeit von USB 2.0-Endgeräten - und hier vor allem von USB IR-Kameras - erheblich verbessert haben.

Dazu gehören:

• schleppkettenfähige und bis zu 200°C belastbare Kabel mit Leitungslängen von bis zu 10 m [3]
• bis zu 100 m CAT5E (Ethernet)-Kabelverlängerungen mit Signalverstärkern
  
• optische Glasfaser-USB-Modems für Leitungslängen von bis zu 10 km

Auf Grund der hohen Bandbreite des USB-Busses können beispielsweise fünf 120 Hz IR-Kameras mit einem Standardhub über 100 m Ethernetleitung mit dem Laptop verbunden werden.

Die wasserdichten, vibrations- und schockbeständigen Wärmebildkameras der optris PI Serie genügen der Schutzklasse IP 67 und sind damit auch auf den robusten Einsatz an Test- und Prüfständen geeignet. 45 x 45 x 62 mm³ Größe und 200 g Gewicht vermindern dabei den Aufwand für Kühlgehäuse und Luftblasvorsätze erheblich.

Unumgänglich: Die Offsetkalibrierung

Aufgrund der thermischen Drift von Bolometern und deren On-Chip-Signalverarbeitung benötigen alle messenden Infrarotkameras im Abstand von wenigen Minuten eine Offsetkorrektur.

Zu diesem Zweck wird ein geschwärztes Metallteil motorisch vor den Bildsensor bewegt. Dadurch wird jedes Bildelement mit gleicher, bekannter Temperatur referenziert. Während einer solchen Offsetkalibrierung sind Wärmebildkameras natürlich blind. Um diesen störenden Effekt zu minimieren kann man durch ein externes Steuerpin die Offsetkorrektur zu einem geeigneten Zeitpunkt initiieren.

Gleichzeitig wurden die Kameras so konzipiert, dass die Dauer der Eigenkalibrierung möglichst kurz ist: Der Einbau entsprechend schneller Aktoren erlaubt die Eigenreferenzierung innerhalb von 250 ms. Dies ist vergleichbar mit der Dauer eines Augenlidschlages und damit für viele Messprozesse akzeptabel.

Bei Bandprozessen, bei denen plötzliche Hot Spots detektiert werden sollen, können oftmals zeitnah generierte „gute“ Referenzbilder im Sinne einer dynamischen Differenzbildmessung genutzt werden. Dadurch wird ein Dauerbetrieb ohne mechanisch bewegtes Element möglich.

Gerade beim Einsatz der Kamera in der 10,6 μm-CO2-Laserbearbeitungstechnik hat sich die Möglichkeit des extern gesteuerten Verschlusses des optischen Kanals bei gleichzeitig unabhängiger Signalisierung des optomechanisch geschützten Betriebszustandes der Kamera bewährt.

Auf Grund guter Filterblockung können Temperaturmessungen bei allen anderen im Bereich von 800 nm bis 2,6 μm arbeitenden Bearbeitungslasern in situ durchgeführt werden.

Haupteinsatzgebiete der hier beschriebenen optris PI IR-Kameras sind:

• Analyse von dynamischen Wärmeprozessen bei der Produkt- und Prozessentwicklung
  
• Stationärer Einsatz zur kontinuierlichen Beobachtung und Regelung thermischer Vorgänge
• Gelegentliche Nutzung als portables Messgerät im Instandhaltungsbereich und zur Detektion von Wärmelecks
• Flugthermografie für vom Boden aus schwer einsehbare Flächen

Aber auch im F&E-Bereich erweist sich die Möglichkeit einer 120 Hz Videoaufzeichnung als vorteilhaft. Dadurch können thermische Vorgänge, die nur kurzzeitig im Gesichtsfeld der Kamera sind, später bequem in Zeitlupe analysiert werden.

Einzelbilder können somit nachträglich aus einer solchen Videosequenz mit voller geometrischer und thermischer Auflösung gewonnen werden. 

Außerdem bieten austauschbare Optiken, einschließlich eines Mikroskopvorsatzes, zahlreiche Möglichkeiten der Anpassung des Gerätes an unterschiedliche Messaufgaben: Während 6° Objektive eher zur Beobachtung von Details aus größerer Entfernung verwendet werden, kann man mit einem Mikroskopvorsatz Objekte von 4 x 3 mm² Größe mit einer geometrischen Auflösung von 25 x 25 μm² vermessen.

Beim stationären Einbau der Wärmebildkameras erweist sich deren optisch isoliertes Prozessinterface als vorteilhaft, bei dem aus dem Wärmebild generierte Temperaturinformationen als Signalspannung weitergeleitet werden.

Außerdem können flächenbezogene Emissionsgrade bzw. berührungslos oder berührend gemessene Referenztemperaturen dem Kamerasystem über einen Spannungseingang mitgeteilt werden.

Zur Qualitätsdokumentation kann ein weiterer Digitaleingang Schnappschüsse oder Videosequenzen auslösen. Solche einzelproduktbezogenen Bilder können automatisch auf zentralen Servern abgelegt werden.

Im Folgenden werden zwei Beispiele für den Einsatz von Wärmebildkameras etwas genauer erläutert:

Optimierung von Fertigungsprozessen in der Kunststoffindustrie

Die Herstellung von Kunststoffteilen, wie PET-Flaschen, erfordert eine definierte Erwärmung des sogenannten Preforms, um beim Blasformen der Flasche eine homogene Materialstärke zu garantieren.

Die Fertigungsanlage wird bei Testläufen nur mit wenigen 20 mm dicken Rohlingen bei voller Arbeitsgeschwindigkeit von etwa einem Meter pro Sekunde betrieben. Da der Zeitpunkt des Durchlaufs der Probekörper variieren kann, muss eine Videosequenz bei 120 Hz aufgezeichnet werden, um das Temperaturprofil eines Preforms zu messen.

Die Kamera wird dabei so positioniert, dass sie der Bewegung des Materials aus einem schrägen Winkel - ähnlich dem letzten Wagen eines fahrenden Zuges - hinterher schaut. Im Ergebnis erhält man das für die Einstellung von Heizparametern wichtige Temperaturprofil aus einer IR-Videosequenz.

Zeilenkamera-Einsatz in Glashärtungsanlagen

Nachdem Baugläser in ihre endgültige Form geschnitten wurden, müssen sie oftmals oberflächengehärtet werden. Dies geschieht in Härtungsanlagen, in denen das zugeschnittene Glas in einem Ofen auf ca. 600°C erwärmt wird.

Nach dieser Erwärmung wird das Material mittels bewegter Rollen aus der Ofen- in eine Luftkühlsektion transportiert, wo die Oberfläche schnell und gleichmäßig abgekühlt wird. Dadurch entsteht die für Sicherheitsgläser wichtige feinkristalline, gehärtete Struktur. Diese Struktur, und mithin die Bruchfestigkeit des Glases, hängt von einer möglichst gleichmäßigen Erwärmung aller Teilflächen ab.

Da Ofengehäuse und Kühlsektion nahe beieinander liegen, ist eine Beobachtung der aus dem Ofen transportierten Glasflächen nur durch einen schmalen Spalt möglich. Im Wärmebild erscheint das Material deshalb nur in wenigen Zeilen.

Die Software erlaubt nun eine spezielle Darstellung, bei der das Bild der Glasoberflächen aus Zeilen bzw. Zeilengruppen generiert wird. Die Kamera misst den Spalt diagonal, sodass sich bei einer 48°-Optik ein Gesichtsfeld von 60° ergibt.

Da Glas in Abhängigkeit von der Oberflächenbeschichtung unterschiedliche Emissionsgrade haben kann, misst ein IR-Thermometer auf der nicht beschichteten Unterseite die genaue Oberflächentemperatur bei der für Glasoberflächen optimalen Wellenlänge von 5 μm.

Luft-Thermografie mit Leichtgewicht-Kameras

Neben den standardisierten Schnittstellenkonzepten ist es mittlerweile möglich, Infrarotkameras in Leichtbauweise herzustellen, die in Verbindung mit einem Mini-PC, wie der optris PI NetBox, problemlos auf ferngesteuerte Fluggeräte (z.B. Quadrocopter) installiert werden können.

Damit lassen sich Wärmebildaufnahmen aus der Luft realisieren, die insbesondere zur Kontrolle weitläufiger Anlagen, beispielsweise im Photovoltaikbereich, genutzt werden können.

Mitgelieferte Thermografie-Software garantiert Flexibilität

Da USB IR-Kameras, die ab Windows XP bereits im Betriebssystem integrierten Standard USB Video Class bzw. HID-Treiber verwenden, entfällt jegliche Treiberinstallation.

Die einzelpixelbezogene Echtzeitkorrektur der Videodaten und Temperaturberechnung finden im PC statt. Die für 20.000 Sensorpixel erstaunlich gute Bildqualität erreicht man durch einen aufwändigen softwarebasierten Rendering-Algorithmus, der Temperaturfelder im VGA-Format berechnet.

Die Anwendersoftware zeichnet sich durch hohe Flexibilität und Portabilität aus. Über Standardfunktionen hinaus gehören zu den Eigenschaften der optris PIX Connect Thermografie-Software:

• Zahlreiche Daten und Wärmebildexportfunktionen zur Unterstützung von Reporten und Offline-Analysen
• Gemischte skalierbare Farbpaletten
• Horizontale bzw. vertikale Liniendarstellungen
• Beliebig viele Messfeldern mit separaten Alarm-Optionen
• Auf Referenzbildern basierende Differenzvideodarstellungen

Die Software bietet zudem einen Layout-Modus, der unterschiedlichste Darstellungsmodi speichert und restauriert.

Ein Videoeditor ermöglicht die Bearbeitung der radiometrischen AVI-Dateien. Solche Dateien können mit der mehrfach parallel nutzbaren Software auch offline analysiert werden.

Zu den Videoaufnahmemodi gehören intermittierende Betriebsarten, die die Aufnahme langsamer thermischer Vorgänge und deren schnelle Betrachtung gestatten.

Die Übergabe von Echtzeitdaten an andere Programme erfolgt über eine ausführlich dokumentierte DLL als Bestandteil eines Software Development Kits. Über die DLL-Schnittstelle können auch alle anderen Kamerafunktionen gesteuert werden. Alternativ kann die Software mit einem seriellen (Com-)Port kommunizieren und so beispielsweise direkt eine RS422-Schnittstelle ansprechen. 

Literaturreferenzen

1. VDI/VDE Richtlinie, Technische Temperaturmessungen - Spezifikation von Strahlungsthermometern, Juni 2001, VDI 3511 Blatt 4.1
2. Trouilleau, C. et al.: High-performance uncooled amorphous silicon TEC less XGA IRFPA with 17 μm pixel-pitch; “Infrared technologies and applications XXXV”, Proc. SPIE 7298, 2009
3. Schmidgall, T.; Glänzend gelöst – Fehlerdetektion an spiegelnden Oberflächen mit USB 2.0 - Industriekameras, A&D Kompendium 2007/2008, S. 219
4. Icron Technology Corp.; Options for Extending USB, White Paper, Burnaby; Canada, 2009