Wärme-Energie deckt einen Teil des elektromagnetischen Spek­trums ab und wird von allen Gegenständen und Lebewesen abgestrahlt. Je höher die Temperatur ist, desto mehr Wärme-Energie wird abgestrahlt. Wärmebildkameras erkennen diese für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung und wandeln sie in ein visuelles Bild um, das die Temperaturunterschiede auf dem jeweiligen Objekt oder im jeweiligen Bereich sichtbar macht. Mit Wärmebildkameras, die die Wärmestrahlung und die zugehörigen Temperatur-Unterschiede in Echtzeit erkennen und aufzeichnen, können Ingenieure und Forscher Wärmemuster, Wärmeverteilung, Wärmelecks und andere temperaturtechnische Faktoren bei Anlagen und Systemen, Produkten und Prozessen erkennen und präzise messen. Einige Kameras erkennen selbst Tempera­turunterschiede von 0,02 °C.

Die Kameras sind mit moderner ­Detektortechnologie und erweiterten mathematischen Algorithmen ausgestattet, um Messungen im Temperaturbereich zwischen –80 und +3000 °C zu ermöglichen. Dabei kombinieren Wärmebildkameras für F+E-Anwendungen eine hohe Bilderfassungsleistung und präzise Temperaturmessung mit Werkzeugen und Softwarelösungen zur weiterführenden Analyse und Berichterstellung.

Gekühlte Wärmebildkameras

Bei einer gekühlten Wärmebildkamera wird der Bildsensor in einen Kryokühler eingebaut. Dieser senkt die Sensortemperatur auf ein besonders niedriges, kryogenes Niveau. Diese Absenkung ist notwendig, um das Wärme-induzierte Rauschen permanent auf ein Niveau zu reduzieren, das unterhalb des Signalpegels liegt, den der erfasste Gegenstand oder Bereich an die Umgebung abstrahlt. Kryokühler bestehen aus beweglichen Teilen, die mit äußerst geringen mechanischen Toleranzen gefertigt werden und sich mit der Zeit abnutzen, sowie einer gewissen Menge Helium, die allmählich durch die Gasdichtungen nach außen entweichen kann.

Gekühlte Wärmebildkameras besitzen von allen Kameratypen die besten Empfindlichkeits-Eigenschaften und können selbst geringste Temperaturunterschiede zwischen einzelnen Gegenständen erkennen. Sie lassen sich speziell zur Bilderfassung im mittelwelligen (MWIR) und langwelligen Band (LWIR) des Infrarotspektrums herstellen, in denen der Wärmekontrast aufgrund der physikalischen Schwarzkörperstrahlung am stärksten ist. Der Wärmekontrast steht für die Signaländerung bei einer entsprechenden Temperaturänderung des Zielobjekts. Je höher der Wärmekontrast ausfällt, desto einfacher lassen sich die betreffenden Zielobjekte vor einem ­Hintergrund erkennen, der nicht ­wesentlich kälter oder wärmer ist als sie selbst.

Ungekühlte Wärmebildkameras

Ungekühlte Infrarotkameras sind Wärmebildkameras, deren Bildsensor nicht durch einen Kryokühler gekühlt ­werden muss. Eine gängige Detektor-Bauweise basiert auf dem Mikro­bolometer, einem winzigen Vanadiumoxid-Widerstand mit hohem Temperaturkoeffizienten, der auf einem ­Siliziumelement mit großer Oberfläche, niedriger Wärmekapazität und ­guter Wärme-Isolierung montiert wird. Ändert sich die Temperatur im überwachten Bereich, ändert sich auch die Bolometer-Temperatur. Diese Änderungen werden zunächst in elek­trische Signale und anschließend in aussagekräftige Bildinformationen für das menschliche Auge umgewandelt. Ungekühlte Sensoren werden speziell zur Bilderfassung im langwelligen Band (LWIR) des Infrarotspektrums gefertigt.

Ungekühlte Kameras sind generell deutlich preisgünstiger als gekühlte ­Infrarotkameras. Sie lassen sich mit ­weniger Produktionsschritten und demzufolge auch in größeren Stückzahlen herstellen. Zudem benötigen ungekühlte Kameras weniger Vakuumverpackungen und kommen ohne die kostspieligen Kryokühler aus. Gleichzeitig bestehen sie aus weniger beweglichen Teilen und haben trotz ähnlicher Nutzungsbedingungen häufig eine längere Lebensdauer.

Welche Kriterien können Anwender ­zugrunde legen, wenn sie zwischen einem gekühltem und einem ungekühltem System wählen müssen?

Das Für und Wider

Die Entscheidung für oder gegen eine teure, gekühlte Wärmebildkamera hängt von den jeweiligen Anwendungsanforderungen ab: Geht es beispielsweise darum, selbst kleinste Tem­peratur-Unterschiede innerhalb kurzer Zeitabstände zu erkennen, sich schnell bewegende oder erwärmende Ziel­objekte zu messen, das Wärmeprofil oder die Temperatur eines sehr kleinen Zielobjekts zu erkennen oder zu messen, die Wärme-Objekte in einem ganz bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums sichtbar zu machen oder die Wärmebildkamera mit anderen Messinstrumenten zu synchronisieren, dann ist eine gekühlte Wärmebildkamera die beste Wahl.

Der Faktor Geschwindigkeit

Ein Autorad, das sich mit 32 km/h dreht: Links (mit gekühlter Wärmebildkamera) sieht es so aus, als stehe das Rad. Der Grund: die hohe Bilderfassungsrate der gekühlten Kamera. Bei ungekühlter Kamera erscheinen die Radspeichen durchsichtig und verzerrt.

© Flir Systems

Gekühlte Kameras zeichnen sich im Vergleich zu ungekühlten Kameras durch wesentlich höhere Bilderfassungsgeschwindigkeiten aus – die Hochgeschwindigkeits-Thermografie ermöglicht Belichtungszeiten im Mi­krosekundenbereich. Damit lassen sich sichtbare Bewegungen in dynamischen Szenen einfangen und mit bis zu 62.000 Bildern pro Sekunde aufzeichnen. Typische Anwendungen sind unter anderem thermische und dynamische Analysen von Turbinenschaufeln in Strahltriebwerken, Überschallprojektilen und Explosionen sowie die Überprüfung von Kraftfahrzeugreifen und Airbags.

Gekühlte Kameras bieten besonders schnelle Reaktionszeiten und ­verwenden einen globalen Auslöser. Das heißt, sie können alle Bildpunkte (Pixel) auf einmal auslesen – und nicht Zeile für Zeile, wie es bei ungekühlten Kameras der Fall ist. Dadurch sind ­gekühlte Kameras in der Lage, ver­zerrungsfreie Bilder auch von schnell bewegten Objekten aufzunehmen und präzise Messungen daran aus­zuführen.

Die räumliche Auflösung

Eine Elektronikplatine zum Vergleich der jeweils maximalen Vergrößerung bei Nahaufnahmen. Oben mit 4-fach-Nahbereichsobjektiv und gekühlter Kamerakombination aufgenommen, unten mit 1-fach-Nahbereichsobjektiv und ungekühlter Kamerakombination.

© Flir Systems

Da gekühlte Kameras kürzere Infrarot-Wellenlängen erfassen, besitzen sie im Vergleich zu ungekühlten Kameras in der Regel auch eine bessere Ver­größerungsleistung. Aufgrund ihrer ­höheren Empfindlichkeitswerte lassen sie sich mit mehreren oder stärkeren ­optischen Elementen bestücken, die ihre Vergrößerungsleistung erhöhen, ohne ihren Signalrauschabstand zu beeinträchtigen.

Weitere Vorteile, die sich aus den besseren Empfindlichkeits-Eigenschaften einer gekühlten Wärmebildkamera ergeben, zeigt ein einfacher Praxistest: Um zu demonstrieren, was der kleine Unterschied zwischen einer Empfindlichkeit von 50 mK bei einer ungekühlten Kamera und 20 mK bei einer gekühlten Kamera in der Praxis bedeutet, wird das Bild einer Hand aufgenommen, die jemand für wenige Sekunden auf eine Wand legt, damit diese einen entsprechenden 'Wärme-Abdruck' darauf hinterlässt. Anschließend werden Wärmebilder aufgenommen: zum einen direkt, nachdem die Hand wieder von der Wand weggenommen wurde, und zum anderen zwei Minuten später. Während die gekühlte Kamera selbst zwei Minuten später noch einen Großteil der Wärmesignatur des Handabdrucks erkennt, erfasst die ungekühlte Kamera lediglich einen kleineren Rest davon. Das heißt, die gekühlte Kamera kann geringere Temperatur-Unterschiede wesentlich länger erkennen und umfangreicher darstellen. Ergo bedeutet die höhere Empfindlichkeit der gekühlten Kamera in der Praxis, dass sich mit ihr detailreichere Bilder der Zielobjekte aufnehmen lassen und auch kleinste Temperaturunterschiede darauf erkannt werden.

Spektralfilter-Einsatz

Bild einer offenen Flamme, auf­ge­nommen mit einer gekühlten Wärmebildkamera ohne (links) und mit Spektralflammenfilter (rechts).

© Flir Systems

Einer der größten Vorteile gekühlter Wärmebildkameras ist, dass Anwender eine Spektralfilterung vornehmen können. Diese macht Details sichtbar und ermöglicht Messungen, die mit un­gekühlten Wärmebildkameras unsichtbar bleiben würden oder unmöglich wären. Ein Beispiel zur Veranschaulichung ist eine offene Flamme, die mit Wärmebildtechnik für das menschliche Auge 'durchsichtig' zu machen ist: Hierfür wird ein Spektralfilter verwendet, der sich entweder in einer Filterhalterung hinter dem Objektiv oder direkt in der Dewar-Detektorbaugruppe befindet. Dem Anwender ging es im konkreten Fall darum, die Verbrennung von Kohlepartikeln direkt in einer offenen Flamme zu messen und zu charakterisieren. Mit einem Spektral-Infrarotfilter wurde bei einer gekühlten Kamera genau das spektrale Wellenband der Flamme herausgefiltert, in dem diese für das menschliche Auge 'durchsichtig' und die Verbrennung der Kohlepartikel darin sichtbar wird. Ohne Flammenfilter ist nur die Flamme selbst zu sehen.

Erfassung in ­Hoch­geschwindigkeit

Dank ihrer präzisen Synchronisation und Auslösung eignen sich gekühlte Kameras insbesondere für hochsensible Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Im Snapshot-Modus kann beispielsweise die 'A6750sc' von Flir alle Bildpunkte eines Wärme-Ereignisses gleichzeitig erfassen. Dies ist vor allem beim präzisen Erfassen sich schnell bewegender Objekte wichtig – herkömmliche ungekühlte Wärmebildkameras liefern in einem solchen Fall in der Regel nur stark verzerrte Bilder.