
Leica Wärmebildkameras.
Wie das Bild in der Nacht entsteht.
Jeder Körper gibt permanent elektromagnetische Strahlen ab. Diese setzen sich aus der reflektierten Strahlung von Lichtquellen und der Wärmestrahlung zusammen. Unser Auge kann jedoch nur die reflektierte Strahlung verarbeiten, und zwar im Bereich des sichtbaren Lichts. Ein großer Teil der reflektierten Strahlung im ultravioletten und im infraroten Bereich kann vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden. Klassische Jagdoptiken wie Ferngläser und Zielfernrohre sind für die möglichst verlustarme Weitergabe des sichtbaren Lichts optimiert. Der prädestinierte Linsenwerkstoff hierfür ist Glas, da es das sichtbare Spektrum zu weit über 90 % transmittiert.
In der Nacht sind nur sehr schwache Lichtquellen verfügbar, sodass kaum Licht durch die Umwelt reflektiert wird. Hier ist das Auge durch das Spektrum des sichtbaren Lichts an seiner Leistungsgrenze angelangt, sodass ein detailliertes Sehen nicht mehr möglich ist.

Technische Hilfsmittel wie Restlichtverstärker sind in der Lage, das mit bloßem Auge nicht sichtbare sogenannte „nahe infrarote Spektrum“ zu detektieren und über eine Elektronik in sichtbares Licht auf einem Bildschirm umzuwandeln. Bei völliger Dunkelheit kann eine künstliche Reflexion durch zusätzliche Infrarotstrahler erzeugt werden. Diese Technik hat gleich drei Nachteile, und zwar die begrenzte Reichweite, die Abhängigkeit von Infrarot-Lichtquellen und den fehlenden Kontrast.
An dieser Stelle setzt die Wärmebildtechnik an. Wärmebildgeräte arbeiten nicht mit reflektierter elektromagnetischer Strahlung, sondern mit der von jedem Körper abstrahlenden Wärme. Sogar Eis strahlt Wärme ab, so wie jeder Körper mit einer Temperatur, die höher als –273 °C liegt. Damit ist die Wärmebildtechnik völlig unabhängig vom Tageslicht oder von künstlichen Strahlungsquellen. Insbesondere nimmt das Wärmebildgerät sehr feine Temperaturunterschiede von zum Teil nur 0,01 °C wahr, die in ein sehr kontrastreiches Bild im sichtbaren Spektrum umgewandelt werden. Je höher die Temperatur eines Körpers, umso mehr Energie wird von jedem Pixel des Wärmebildsensors aufgenommen. Als Resultat der Wärmeeinstrahlung aller Einzelpixel ergibt sich ein Schwarz-Weiß-Bild mit vielen Graustufen. Jede Graustufe steht für einen Temperaturunterschied von wenigen Hundertstel Grad Celsius. Dieses Schwarz-Weiß- Bild kann dann durch digitale Bildverarbeitung im Gerät in verschiedene Farbskalierungen umgewandelt werden, z. B. in Regenbogenfarben, White Hot, Black Hot oder Red Hot.
Auch Wärmebildgeräte haben, wie eine Videokamera, ein Objektiv, das die einfallenden Strahlen (hier Wärme) bündelt und auf den Sensor fokussiert. Jedoch bestehen die Linsen hier nicht aus Glas, sondern aus Germanium, Zinksulfid, Zinkselenid oder Siliziumwerkstoffen. Diese Werkstoffe transmittieren die Wärmestrahlung optimal, während Glas nur einen Bruchteil dieses Spektrums weitergibt. Die Fertigung von Germaniumlinsen ist jedoch sehr aufwendig und teuer, was sich auch im Preis von Wärmebildgeräten niederschlägt.

Die gebündelten Wärmestrahlen treffen nun auf einen speziellen Sensor, auch Mikrobolometer genannt. Dieser Sensor detektiert Infrarotstrahlung des mittleren und langwelligen Bereichs und dient in einer zweidimensionalen Anordnung als Bildsensor. Der Sensor gibt ein elektronisches Signal an einen Prozessor, der die Informationen der einzelnen Pixel auswertet und über einen Bildschirm in ein für das Auge verwertbares Bild umwandelt. Ein Okular sucht man bei Wärmebildgeräten vergeblich. Vergrößert wird in der Regel über einen Digitalzoom.
Resolution
Resolution is the number of pixels (detector cells) in horizontal and vertical arrangement (e.g. 640 x 480). As a rule, the higher the number of pixels, the higher the quality of the image obtained. Higher resolution usually means a higher purchase price.
Pitch
Pitch is the size of an individual detector cell (a pixel) in micrometers (e.g. 17 μm or 12 μm). The current state of the art is 12 μ m. A smaller pixel pitch does not necessarily mean a better image. Often, for a similarly good image at 12 μm compared to 17 μm, more elaborate optics are required.
NETD (Noise Equivalent Temperature Difference)
NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) is a measure of detector sensitivity. NETD indicates the smallest temperature difference perceived by the sensor and is given in millikelvin (mK). In principle, a lower value is better, but NETD measurements are not standardized. Device performance can only be defined to a limited extent via NETD; the optics concept and the image processing are decisive.
Frame rate
Frame rate in hertz (Hz), or sometimes fps (frames per second), is a criterion for smooth image display during moving observation. Here, higher is better. The current state of the art is 50 Hz.
f-number
f-number (or f-stop) is the ratio of focal length to the effective lens diameter. An f-number around 1.0 is ideal.
Housing
Various aspects are decisive when choosing a material for the housing. Cost-effectiveness, manufacturability and – increasingly important at present – material availability. The properties of modern plastics are no longer inferior to those of traditional materials such as aluminum or magnesium alloys.
a-Si and VOx
a-Si and VOx describe the carrier material of the detector. VOx stands for vanadium oxide, a-Si for amorphous silicon. While a-Si was the preferred material years ago, VOx is now in the lead.
Display
Today’s thermal cameras are equipped with organic LED or AMOLED displays, or LCD or LCoS displays with high resolution. However, display size should always be considered in relation to the sensor’s resolution. Resolution, in conjunction with the optics, determines the performance of the device.
NUC
NUC (Non Uniformity Correction) is the internal calibration of the sensor. It compensates for adverse influences such as the temperature increase of the device/ optics during operation, which can have a negative effect on image quality. This is done either by a mechanical shutter, by image processing algorithms, or simply by covering the lens with a protective cap or by hand.