Wärmebildtechnik: Wie funktioniert eine Wärmebildkamera?

Die lokale Erwärmung und damit die Aufdeckung von Schwachstellen in unserer Umwelt zu sehen, war schon immer das Faszinierende an der modernen Wärmebildtechnik. Infrarotkameras haben ihr Preis-Leistungs-Verhältnis drastisch verbessert, nicht zuletzt durch immer effektivere Verfahren zur Herstellung optischer Infrarot-Bildsensoren. Die Technologie ist kleiner und die Geräte sind robuster und sparsamer in der Leistungsaufnahme geworden. Aber wie funktionieren moderne Infrarotkameras?

Wärmebildtechnik  – So funktionieren Infrarotkameras

Wärmebildkameras funktionieren wie normale Digitalkameras: Sie haben ein Sichtfeld (FOV), das als Teleobjektiv 6°, als Standardobjektiv 23° und als Weitwinkelobjektiv 48° betragen kann. Je weiter Sie sich vom zu messenden Objekt entfernt haben, desto größer ist die Bandbreite der abgedeckten Bilder und damit der Teil des Bildes, der von einem einzigen Pixel abgedeckt wird. Das Gute an diesem Umstand ist, dass die Helligkeit der Leuchte unabhängig vom Abstand ist, wenn die Fläche groß genug ist. Die Temperaturmessung ist daher weitgehend unabhängig von der Entfernung zum Messobjekt.

Wärmestrahlung im mittleren Infrarotbereich leitet nur durch Optiken aus Germanium, Germaniumlegierungen, Zinksalzen oder Oberflächenniveaus. Im Vergleich zu herkömmlichen Objektiven, die man in großen Serien im sichtbaren Spektralbereich herstellt, sind solche beschichteten Optiken nach wie vor ein wesentlicher Kostenfaktor für Wärmebildkameras. Sie sind als sphärische 3-Linsen- oder asphärische 2-Linsen-Objektive am Markt und sind für thermometrisch korrekte Messungen, insbesondere für Kameras mit Wechselobjektiven, zu kalibrieren, um jeden die einzelnen Pixel zu aktivieren.

Das elektromagnetische Spektrum

Es handelt sich um verschiedene Arten von Licht oder Strahlung. Da Digitalkameras das, was wir mit unseren Augen sehen, erfassen sollen, arbeiten sie im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (kurzes „sichtbares Licht“). Dies liegt etwa bei einer Wellenlänge von 400-700nm.

Danach werden die Begriffe „Licht“ und „elektromagnetische Strahlung“ oder kurz „Strahlung“ austauschbar verwendet – Licht in der Wärmebildtechnik ist nichts anderes.

Eine Wärmebildkamera hingegen nutzt einen Bereich, der bei längeren Wellenlängen liegt. Die genaue Position dieses Bereichs hängt unter anderem von dem von der Kamera verwendeten Detektor ab. Sie befinden sich jedoch in der Regel alle zwischen 1-12μm

So entdeckten wir den ersten Unterschied zwischen einer Wärmebildkamera und einer Digitalkamera – sie arbeiten in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums. Die WB-Kamera kann Strahlung erkennen, die für den Menschen nicht sichtbar ist.

Reflektierte und emittierte Strahlung

waermebildtechnik wie funktioniert waermebildkameraWenn Sie ein Foto mit dem Handy machen, geschieht Folgendes: Das Licht aus der Landschaft vor Ihnen trifft auf das Linsensystem der Kamera und gelangt schließlich zu einem Detektor. Dieses Licht wird jedoch nicht von den Objekten selbst abgegeben, sondern stammt von allen Lichtquellen. Zum Beispiel Sonne, Lampen oder Kerzen.

Der wichtigste Punkt ist, dass das meiste von dem, was wir sehen, sichtbares Licht ist, das reflektiert wird. Die meisten Dinge in unserer Welt emittieren nur sehr wenig im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums.

Die Dinge in unserer Welt emittieren wenig Strahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums von ABER sehr gut in anderen Bereichen. Auf die Frage, wie viel und in welchem Wellenlängenbereich etwas Physik sinnvoll ist. Im einfachsten Fall wird dies alles im Planckschen Strahlungsgesetz beschrieben. Das Strahlungsgesetz von Planck bewertet für Körper mit unterschiedlichen Temperaturen.

Die Temperaturen werden in Kelvin angegeben. Da 0K = 273,15 ° C entspricht also 300K in etwa 27 ° C.

Auffällig ist in erster Linie, dass das Maximum der Kurve bei höheren Temperaturen stark wächst. Von 300K bis 400K hat sich die Höhe des Maximums mehr als verdoppelt, von 400K bis 500K hat sie sich sogar verdreifacht! Bei höheren Temperaturen bewegt sich das Maximum auch immer weiter nach links und verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen.

Warum 1-12 aber nun Mikron?

Das Strahlungsgesetz von Planck zeigt, warum die Wärmebildtechnik der Wärmebildkameras im Bereich von 1-12µm arbeiten. Objekte mit „alltäglichen“ Temperaturen emittieren ein Maximum an Strahlung, und wie viel genau hängt von ihrer Temperatur ab! Das ist für uns sehr nützlich – die Temperatur muss mit einer Infrarotkamera ermittelt werden. Die mit dem Maximum ist wichtig, denn es muss so viel Strahlung wie möglich zur Verfügung stehen.

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