Leica Wärmebildkameras

Leica Wärmebildkameras.

Wissen, worum es geht.

Moderne Wärmebildtechnik:
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.

Moderne Wärmebildtechnik 1

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.

Moderne Wärmebildtechnik 2

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.

Qualitätskriterien von Wärmebildgeräten.

Auflösung

Anzahl der Pixel (Detektorzellen) in horizontaler und vertikaler Anordnung (z. B. 640 x 480). Je höher die Anzahl der Pixel, desto höher in der Regel die Qualität des gewonnenen Bildes. Eine höhere Auflösung bedeutet meist auch einen höheren Anschaffungspreis.

Pitch

Größe einer einzelnen Detektorzelle (eines Pixels) in Mikrometer (bspw. 17 µ m oder 12 µ m). Aktueller Stand der Technik sind 12 μm. Ein kleiner Pixel-Pitch bedeutet nicht zwangsläufig ein besseres Bild. Oftmals ist für ein vergleichbar gutes Bild in 12 µ m im Vergleich mit 17 µm eine aufwendigere Optik notwendig.

Detektorempfindlichkeit (NETD)

Detektorempfindlichkeit (NETD) zeigt den kleinsten wahrnehmbaren Temperaturunterschied des Sensors an und wird in Millikelvin (mK) angegeben. Grundsätzlich ist ein niedriger Wert besser; allerdings sind die NETD-Messungen nicht normiert. Die Geräteleistung selbst lässt sich nur bedingt über die NETD definieren, da vor allem das Optikkonzept und die Bildverarbeitung ausschlaggebend sind.

Bildwiederholungsfrequenz

Bildwiederholungsfrequenz in Hertz (Hz) oder manchmal auch fps (Bilder pro Sekunde) ist ein Kriterium für flüssige Bilddarstellung bei bewegter Beobachtung. Hier gilt: je höher, desto besser. Stand der Technik ist aktuell 50 Hz.

f-Nummer

f-Nummer beschreibt das Verhältnis optische Brennweite zum wirksamen Objektivdurchmesser. Optimal ist eine f-Nummer um 1.0.

Gehäuse

Für die Wahl des Gehäusematerials sind verschiedene Aspekte ausschlaggebend. Wirtschaftlichkeit, Fertigbarkeit und – aktuell immer wichtiger – Materialverfügbarkeit. Moderne Kunststoffe stehen in ihren Eigenschaften traditionellen Materialien wie Aluminium oder Magnesiumlegierungen in nichts mehr nach.

a-Si und VOx

a-Si und VOx beschreiben das Trägermaterial des Detektors. VOx steht für Vanadiumoxid, a-Si für amorphes Silizium. War vor Jahren a-Si noch das bevorzugte Material für die Detektorherstellung, hat sich aktuell VOx durchgesetzt.

Display

Moderne Wärmebildkameras sind mit Organic-LED- und AMOLED-Displays sowie LCD- oder LCoS-Displays mit hoher Auflösung ausgestattet. Die Displaygröße sollte hier aber auch immer in Relation zu der Auflösung des Sensors betrachtet werden, der in Verbindung mit der Optik die Leistungsfähigkeit des Gerätes bestimmt. 

NUC

NUC Non Uniformity Correction ist die interne Kalibrierung des Sensors. Sie gleicht Störeinflüsse wie z. B. die Temperaturerhöhung des Gerätes/der Optik im Betrieb aus, die sich negativ auf die Bildqualität auswirken können. Dies erfolgt entweder über einen mechanischen Shutter (Verschluss), über Bildverarbeitungsalgorithmen oder simpel durch das Abdecken des Objektives mit Schutzdeckel oder der Hand.