Entscheidend für die Bildqualität ist die Temperaturauflösung
In diesem Abschnitt werden die gängigsten Objektive und ihre Rolle (gelegentlich ihre "Nebenwirkungen") betrachtet, anschließend wird auf die thermische Auflösung von Wärmebildkameras sowie den Temperaturmessbereich eingegangen, der die Messfähigkeit nur teilweise beeinflusst.
Standardobjektiv
Je nach Pixelauflösung des Detektors der Wärmebildkamera kann mit diesen Objektiven eine geometrische Auflösung von etwa 2,4 - 0,6 mrad bei einem Sichtfeld von ungefähr 20×15°–30×25° erreicht werden.
Teleobjektiv
Verglichen mit Standardobjektiven wird typischerweise bei Halbierung des Sichtfelds in beiden Dimensionen eine doppelt so gute (numerisch halbierte) geometrische Auflösung erzielt. Es gibt auch "größere" Teleobjektive, die eine Viertelung oder sogar Zehntelung der Sichtfeldgrößen und der geometrischen Auflösung bieten, was die geometrische Auflösung entsprechend verbessert.
Weitwinkelobjektiv
Verglichen mit Standardobjektiven kann typischerweise eine Verdopplung des Sichtfelds in beiden Dimensionen erreicht werden, jedoch geht damit eine Halbierung (numerisch Verdoppelung) der geometrischen Auflösung einher. Es gibt auch sogenannte Superweitwinkelobjektive, mit denen die Vervierfachung der Sichtfeldgrößen und der geometrischen Auflösung möglich ist (bei gleichzeitiger Viertelung der geometrischen Auflösung).
Vorsatzlinsen, Makroobjektive
Die primäre Rolle dieser Objektive besteht darin, die minimale Messdistanz der Standardobjektive oder Teleobjektive zu verringern, sodass sehr kleine Objekte gemessen werden können, auch aus Entfernungen, die den Anforderungen an die geometrische Auflösung entsprechen.
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| Abbildung 1: Auflösung des Wärmebilds mit Makro- oder Mikroskopobjektiv [Quelle: InfraTec] |
Mikroskopobjektive
Mikroskopobjektive werden für die Messung besonderer kleiner Objekte verwendet. Sie werden in der Regel nur auf individuelle Bestellung gefertigt, ihre Darstellungsfähigkeiten ähneln denen optischer Mikroskope (natürlich im Bereich der Wärmestrahlungswellenlängen). Ihr praktischer Nachteil liegt neben ihrer Größe, ihrem Gewicht und ihren Kosten auch in ihrer minimalen Tiefenschärfe gemäß den optischen Gesetzen.
Durchdachter Einsatz erforderlich
Es muss besonders auf den oft vollkommen falschen Einsatz von Weitwinkelobjektiven hingewiesen werden. Wenn beispielsweise das Problem bestand, dass bei Einhaltung der geometrischen Auflösungsgrenze aus einer bestimmten maximalen Messdistanz nur ein Teil des zu messenden Objekts (z. B. ein Schaltschrank) auf einem Wärmebild festgehalten werden konnte, führt der Einsatz eines Weitwinkelobjektivs zur Erweiterung des Sichtfelds nicht nur nicht zur Lösung unseres Problems, sondern verschlechtert unsere Situation sogar. Denn durch das Weitwinkelobjektiv, das in beide Richtungen das doppelte Sichtfeld liefert, wird aufgrund der halbierten geometrischen Auflösung unsere Messung nur noch aus höchstens der Hälfte der bisherigen Entfernung durchgeführt.
Das Sichtfeld unserer Messung hat sich also tatsächlich nicht vergrößert (es ist genau gleich geblieben), aber neben der Bildverzerrung kann der Betrachtungswinkel der Objektoberfläche - insbesondere zum Rand hin - ziemlich schräg sein. Dies hat weitere negative Auswirkungen auf die Genauigkeit und Auswertbarkeit unserer Messung. (Anmerkung: Weitwinkelobjektive haben hauptsächlich bei der Infrarotthermografie von Gebäuden eine echte Berechtigung. Bevor sie in anderen Bereichen eingesetzt werden, muss sorgfältig überlegt werden, ob neben dem erreichten größeren Sichtfeld nicht andere, potenziell schwerwiegendere optische oder messtechnische Nachteile entstehen.)
Thermische Auflösung von Wärmebildkameras
Insbesondere wenn die zu messenden Temperaturen nahe am unteren Grenzwert des aktuellen Messbereichs der Wärmebildkamera liegen, bestimmt die Temperaturauflösung entscheidend die Bildqualität. Die NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) ist der effektive Wert des Eigenrauschens der Wärmebildkamera, ausgedrückt als Temperaturdifferenz des Objekts, die ein gleich großes elektrisches Signal erzeugt. Dieser Parameter, der die Temperaturauflösung der Wärmebildkamera charakterisiert, wird in der Regel bei 30 °C festgelegt. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass dieser Wert mit der Verringerung der Objekttemperatur nahezu exponentiell ansteigt.
Beispiel:
Bei einer minderwertigen Wärmebildkamera führt eine Temperaturauflösung von ±120 mK (+/-0,12°C) bei 30°C in der Praxis bereits bei 0°C zu einem "leichten" Rauschen von ±0,25°C. Da dieser Wert pro Pixel zu verstehen ist, beträgt die gesamte Temperaturauflösung des Wärmebilds nur 0,5°C (da die Pixel unabhängig voneinander und von ihrer Position bis zum maximalen Wert fehlerhaft sein können). Die Temperatur einer Oberfläche, die im Wärmebild visuell als zusammenhängend erkennbar ist, muss jedoch mindestens das Doppelte des oben genannten Werts von den umgebenden Wärmebildpixeln abweichen - daher beträgt die minimale Temperaturdifferenz, die die Erkennbarkeitsgrenze darstellt, in diesem Beispiel fast 1°C!
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| Abbildung 2: Links mit unzureichender thermischer Auflösung, rechts mit ausreichender thermischer Auflösung Wärmebild [Quelle: PIM] |
Aus dem Gesagten ist leicht erkennbar, dass es Anwendungsbereiche für Wärmebildkameras gibt, bei denen die thermische Auflösung der Kamera einer der wesentlichsten qualitativen (messtechnischen) Faktoren ist, während sie in anderen Bereichen keine signifikante Bedeutung hat. Die thermische Auflösung gilt als kritischer Parameter in folgenden Anwendungen:
Temperaturmessbereich(e)
Es besteht oft der Bedarf, dass die Wärmebildkamera auch "höhere" Temperaturen messen kann. Als ob dies eine schwierige Aufgabe wäre! Aber das ist es nicht. Die meisten (sogar günstigsten) Wärmebildkameras messen mindestens bis 120 °C, aber es gibt auch eine Vielzahl von Low-Cost- und Standard-Wärmebildkameras mit erweitertem Messbereich bis 200, 250 oder 350 °C. Viel interessanter ist die Frage, ab welcher Temperatur ihre Messfähigkeit beginnt, in welcher Auflösung (mit wie vielen Bits Digitalisierung) und in wie vielen wählbaren Messbereichen sie ihre gesamte Messfähigkeit abdecken. Denn nur mit all diesen Informationen wird deutlich, wie leistungsfähig bzw. genau (qualitativ) die jeweilige Wärmebildkamera ist.
Der erste zu erwähnende qualitative Parameter bezieht sich auf die Digitalisierung der Temperaturwerte. Es gibt 12, 14 oder sogar 16-Bit-Geräte, die innerhalb ihres kritischen niedrigsten (oder einzigen) Messbereichs Temperaturen von 160, 200, 240 oder sogar 360 °C abdecken. Die erwartete Genauigkeit ist sehr unterschiedlich: Eine 12-Bit-Low-Cost-Wärmebildkamera mit einem einzigen Messbereich von –10 °C bis +350 °C hat gerade einmal eine Digitalisierungsauflösung von 360 K/4096 = ±87,9 mK, während bei einer professionellen Wärmebildkamera (mit mehreren wählbaren Messbereichen) dieser Wert bei 160 K/65536 = ±2,4 mK liegt. Das ist ein signifikanter Unterschied! Das zweite wesentliche technische Merkmal ist die untere Grenze des Messbereichs der Wärmebildkamera, da gerade die Messung niedriger Temperaturen gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz am schwierigsten ist (hierbei geben Körper nur minimal Strahlung ab). Diese Aufgabe ist also diejenige, die messtechnisch Schwierigkeiten bereitet und - beschrieben durch den bereits erwähnten NETD-Faktor - auf das eigene Rauschen der Wärmebildkamera zurückzuführen ist, am kritischsten. Entsprechend sind die meisten Low-Cost-Wärmebildkameras gerade einmal in der Lage, kalibrierte Messungen ab 0 °C durchzuführen, einige Modelle können mit stolzen –10 °C als untere Grenze aufwarten, und nur sehr selten gibt es eine untere Grenze von –20 °C. Im Gegensatz dazu sind professionelle Langwellen-Infrarotgeräte bereits ab –40 °C in der Lage, gemäß ihren Spezifikationen präzise (und kalibrierte) Messungen durchzuführen. Bei vielen Aufgaben (z. B. bei externen Gebäudethermografie-Messungen, biologischen oder Umweltschutzmessungen) ist dies der entscheidende Parameter für die Anwendbarkeit der Wärmebildkamera, da garantiert auch Messpunkte mit Temperaturen weit unter 0 °C auftreten.
Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu
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