Kameratechnik für Thermografie und Infrarot

Die Wärmebildkamera ist das Handwerkszeug des Thermografen. Lernen Sie die Eigenschaften und Leistungen einer Hochleistungs-Scannerkamera für das thermische Infrarot kennen.

Eine Vorbemerkung

Ich bin kein Händler und verkaufe keine Kameras, ich beschreibe hier nur meine Kamera.
Ich verleihe die Kamera auch nicht (no way !), ich komme selber zu Ihnen.

Diese Webseite beschreibt die technische und physikalische Leistungsfähigkeit meiner eigenen Thermografiekamera. Das ist eine VarioCAM hr, gebaut von Jenoptik. Der Typ ist eine ungekühlte, aber thermisch stabilisierte Mikrobolometerkamera mit Wechselobjektiven und einer geometrischen Auflösung von 640 * 480 Pixel, also VGA, die im langwelligen IR-Bereich zwischen 7 und 14 µm arbeitet . Das muß nicht heißen, daß die (besseren) Modelle der anderen Hersteller nichts vergleichbares leisten würden, es ist einfach historisch bedingt, daß ich bei diesem Modell gelandet bin.

Das Funktionsprinzip meiner Thermografiekamera

Diese Skizze zeigt, wie eine Mikrobolometerkamera schematisch aufgebaut ist. Durch das Objektiv wird das Objekt auf einen Sensor projiziert. Die Infrarotstrahlung wird dabei von einem winzig kleinen Plättchen absorbiert, das nur an den Ecken mit dem Grundsubstrat verbunden ist. Durch die Absorption von Lichtenergie wird das Plättchen etwas wärmer und ändert damit seinen elektrischen widerstand. Der wird dann gemessen. Die absorbierte energie wird dann langsam wieder an das Substrat abgestrahlt, so daß nach kurzer zeit erneut gemessen werden kann. Da das Plättchen nur wenige Nanogramm wiegt, ist eine Messung mit bis zu 50 Hz möglich.

Ein Thermogramm entsteht dadurch, daß 640 dieser Pixel nebeneinander in insgesamt 480 Zeilen angeordnet sind, die eine Matrix von 16 * 12 mm Gesamtausdehnung bilden. Damit ist ein Pixel 25 µm im Quadrat groß. Diese Bildmatrix wird alle 20 Millisekunden ausgelesen, im kamerainternen Controller zu einem Bild zusammen gesetzt, abgespeichert und auf einem Display als Livebild angezeigt.

Mikrobolometersensoren brauchen keine Kühlung, sie arbeiten bei Raumtemperatur. Das bedeutet aber, daß sie nicht nur das IR vom Objekt empfangen, sondern auch die Infrarotemission aller Kamerabauteile inklusive des Sensors selber. dadurch entsteht ein hoher Hintergrund, der aber sehr rauscharm ist und deshalb vom eigentlichen Nutzsignal in Echtzeit abgezogen wird. Damit dieses Abziehen des hintergrunds immer exakt erfolgt, wird innerhalb der kamera ein erhheblicher Aufwand getrieben: Zum einen wird das Subtrat des Sensors thermisch stabilisiert, damit kurzzeitige Schwankungen der Eigenemission unterbunden werden. Weiter unterbricht die Kamera in regelmäßigen Zeiträumen den Strahlengang mit einem Chopper, um die absolute Drift des Hintergrunds einzumessen. Das macht eine Mikrobolometerkamera ausgesprochen genau. Allerdings ist es prinzipbedingt notwendig, das die Kamera sich einige Minuten auf die Umgebungstemperatur anpassen kann, wenn Präzisionsmessungen vorgenommen werden müssen.

Die Temperaturskalen meiner Thermografiekamera

	Grundlagen	Der Einsatzbereich hängt von der Öffnung des Objektivs ab. Beide Objektive können in den Stufen 1.0, 2.0, 4.0 und 8.0 kameraintern abgeblendet werden, um das meßbare Temperaturspektrum zu vergrößern. Jeder der vier Blendenstufen ist getrennt kalibriert. Die Kalibrierung beginnt bei -40 °C (237 Kelvin), aber die Kamera ist empfindlich genug, um Wärmestrahlung von noch wesentlich kälteren Körpern aufzunehmen. Das Limit liegt erfahrungsgemäß bei ungefähr -120 °C (153 Kelvin)
	Kryogener Bereich -120 °C bis -40 °C ( Blende 1.0, nicht kalibriert )	Anwendungen für Thermografie in diesem kalten Bereich sind: Extreme Kältetechnik Überprüfung von Kühlanlagen Meteorologie, Klimatologie und Polarforschung Nachweis von atmosphärischem Dunst und Staub Planetenastronomie Man muß sich aber darüber im klaren sein, daß diese sehr kleinen IR-Signale nicht mehr über eine hinreichend verläßliche Kalibrierung einer Temperatur zugeordnet werden. In diesem Kryobereich wird die Kalibrierkurve in der Kamera einfach extrapoliert und das ist nur sehr bedingt zulässig. Knapp unterhalb der Kalibriergrenze ist das noch hinreichend genau, aber weiter weg werden die dann angezeigten Temperaturen sehr unzuverlässig.
	Umgebungsbereich -40 °C bis +120 °C ( Blende 1.0, kalibriert )	Typische Anwendungen für Thermografie in diesem Umgebungsbereich sind: Überprüfung von Wärmedämmungen Bauphysik Analyse von Schäden an Gebäuden Revision von Kraftwerks- und Industrieanlagen Energieeinsparung und Umweltschutz Normale Kältetechnik Überprüfung von Kühlanlagen wie Kühl- und Tiefkühlhäusern sowie Klimageräten Elektrotechnik und Elektronik Kriminalistik, Spurensuche und Rettungswesen Medizin (Blutgefäße, Hautmedizin, Krebsdiagnostik) Biologie (Bakterielle Aktivität, Insekten, Verhaltensforschung) Landwitschaft (Silofutter, Verrottungsprozesse, Stallklima) Nahrungsmittelproduktion (Brauereiwesen, Wein- und Sektkeller) Waldbranddetektion (Verborgene Feuer, unterirdische Glut) Meteorologie, Klimatologie (Wolkentemperaturen) Mondastronomie Diese Liste läßt sich beliebig erweitern und ist sicher unvollständig.
	Mitteltemperaturbereich +0 °C bis +300 °C (Blende 2.0, kalibriert)	Typische Anwendungen für Thermografie in diesem warmen Bereich sind: Überprüfung von Wärmeisolierungen von Heißwasser- und Dampfleitungen Überprüfung von Kraftwerks- und Industrieanlagen Überprüfung von Wärmetauschern, Öfen, Kaminen und Kesseln Biologie und Medizin (Sterilisation und Dekontamination) Nahrungsmittelproduktion (Sterilisation, Verpackung und Konservierung)
	Hochtemperaturbereich +100 °C bis +600 °C (Blende 4.0, kalibriert)	Typische Anwendungen für Thermografie in diesem heißen Bereich sind: Überprüfung von Wärmeisolierungen von Dampfleitungen und Abgaskanälen Überprüfung von Wärmetauschern, Öfen und Kesseln Kontrolle der Abkühlung von Glas Chemieindustrie
	Höchsttemperaturbereich +400 °C bis +1200 °C (Blende 8.0, kalibriert)	Typische Anwendungen für Thermografie in diesem Verbrennungsbereich sind: Brenner und Öfen Verbrennungsforschung und -kontrolle Glasproduktion Metallurgie Ganz wichtig: Flammen selber sind nicht mit einer Langwellen-IR-Kamera aufnehmbar, sofern sie nicht große Mengen an festem Staub enthalten: Gase sind Linienstrahler und keine Kontinuumsstrahler, so daß viele Flammen mehr oder minder transparant sind.

Temperaturgenauigkeit, Ortsauflösung und Bildwinkel der Thermokamera

Spektrale
Empfindlichkeit

Meine VarioCAM hr ist für den langwelligen, thermischen Infrarotbereich empfindlich. Das ist der Bereich zwischen 7 und 14 µm. Die Optiken innerhalb der Thermokamera und die Wechselobjektive bestehen aus monokristallinem Germanium und sind allesamt mit einer Antireflexschicht für diesen Wellenlängenbereich versehen. Durch die Vielzahl der Oberflächen wird das spektrale Arbeitsband hochselektiv begrenzt, obwohl der transparente Bereich von Germanium viel breiter wäre. Dadurch arbeitet die IR-Kamera ausschließlich im hochtransparenten Langwellenfenster der Luft, so daß athmosphärische Störungen durch Eigenemissionen der Luft sehr wirksam ausgefiltert werden.

Im sogenannten Langwellenfenter ist die Lufthülle der Erde gleichzeitig fast völlig durchsichtig und Körper mit ungefähr Raumtemperatur haben dort ihr Emissionsmaximum, eine sehr glückliche Kombination, die die Thermografie zu einem hochsensiblen Meßverfahren macht.

Auflösung im
Temperaturbereich

Die Genauigkeit der Messungen hängt ebenso von der Einsatztemperatur ab. Es gibt 4 Kalibrierbereiche, davon ist der für Raumtemperatur von - 40 °C bis +120 °C der empfindlichste. Damit ergeben sich die von mir selber gemessenen Kennwerte:

0,3 K absolute Genauigkeit ohne Referenz im Raumtemperaturbereich.
0.1 K absolute Genauigkeit mit einem Schwarzkörperstrahler als Referenz.
0.03 K relative Genauigkeit in einem Bild.
0.01 K und besser als relative Genauigkeit in einer aufaddierten Bildserie.

Das thermische Auflösungsvermögen der Kamera wird natürlich vom Rauschen begrenzt, das man im Fachjargon NETD nennt. Das liegt bei meinem Kameraexemplar um die 30 Millikelvin für ein Einzelbild. Bekanntermaßen kann man den Signal-Rauschabstand dadurch steigern, indem man eine Anzahl N von Thermogrammen aufaddiert und dann den Mittelwert bildet. Damit wird der Rauschabstand SN und die Wurzel aus N gesteigert. Nachteil dieser Methode ist, daß das Objekt während der Aufnahme stillstehen muß.

Räumliches
Auflösungsvermögen

Die räumliche Auflösung wird von der Brennweite des Objektivs und der Sensorgröße bestimmt. Ein Pixel meiner VarioCAM hr hat eine Kantenlänge von 25 µm, der Sensor selber ist 640 mal 480 Pixel groß, umfasst also eine Fläche von 16 mal 12 mm.

Derzeit betreibe ich diese Kamera mit zwei hochwertigen Wechselobjektiven, das Weitwinkel IR 1.0 / 12,5 mm und das Normaltele IR 1.0 / 30 mm. Ohne einen elektronischen Zoom zu bemühen, ergeben sich diese beiden Auflösungen:

30 * 23 Grad für das IR 1.0/30mm (Auflösung 2,8 Bogenminuten oder 0,81 Millirad)
65 * 51 Grad für das IR 1.0/12.5 mm (Auflösung 6,1 Bogenminuten oder 1,77 Millirad)

In diesem Normalmodus wird das durch die Wellenlänge des thermischen IR gesetzte theoretische Auflösungslimit zwar noch nicht erreicht, man kommt ihm aber schon recht nahe. Das Streuscheibchen nach Airy ist bei der Objektivlichtstärke von 1.0 und einer Wellenlänge von 10 µm ca 13 µm im Durchmesser groß.

Das ist aber nicht das Maximum an Auflösung: Die Kamera hat einen Superresolution-Modus, wo mit einer internen Taumelscheibe vier Thermogramme nacheinander aufgenommen werden, wobei sie jeweils vertikal und horizontal um ein halbes Pixel verschoben werden. Zum einen sind diese Thermogramme durch die Überlagerung noch rauschärmer und dazu verdoppelt sich die Auflösung auf 1280 mal 960 Pixel.

In diesem Hires-Modus wird die theoretische Auflösungsgrenze, die das recht langwellige thermische IR nach dem Airy-Limit schon erreicht. Der Nachteil ist halt, daß der Hires-Modus nur mit statischen Objekten funktioniert, denn die Aufnahme der vier leicht verschobenen und dann überlagerten Bilder dauert einige Sekunden, in den sich das Objekt nicht bewegen darf.

Aufnahme-
geschwindigkeit

Die Jenoptik VarioCAM hr ist eine thermische IR-Kamera mit einem ungekühlten, aber thermisch stabilisierten Flächensensor. Dieser Sensor wird mit 50 Hz, also alle 20 Millisekunden vollständig abgetastet. Die Firmware der hochentwickelten kamera bietet dabei einige programmierbare Aufnahmemodi:

	Ein Einzelbild wird innerhalb weniger Millisekunden festgehalten, wenn man kurz auf die Aufnahmetaste drückt.. Die Reaktionszeit ist also sehr kurz und mit einer gewöhnlichen, hochwertigen Digitalkamera zu vergleichen.
	Es gibt einen Reihenmodus, wo die Kamera aufeinanderfolgende Thermogramme im internen Speicher ablegt. Dieser Speicher ist bis zu 860 Thermogramme lang. Die Aufnahmefrequenz kann dabei von 20 Millisekunden bis in den Sekundenbereich gehen.
	Ab 10 Sekunden Aufnahmeabstand kann jeder beliebige Zeitraum eingestellt werden, wobei dann alle Thermogramme gleich auf das Speicherkärtchen abgelegt werden. Hierbei ist die Aufnahmekapazität nur noch vom Speicherplatz begrenzt..

Die Aufnahme von Thermogrammen

	Grundlagen	Der große Vorteil dieser Technik ist die Kombination aus einem richtigen Bild und einer Temperaturinformation für jeden Bildpunkt. Das nennt man *Thermografie. Wir sind in der Lage, in einem Blick zu überschauen, wie warm ein Objekt ist. Um Informationen in drei Dimensionen (eine ist die Bildbreite, die zweite die Bildhöhe und die dritte die lokale Temperatur) darstellen zu können, brauchen wir eine Technik, die man Falschfarbenverfahren* nennt.
		Das *erste* Bild zeigt, was die Kamera sieht ... Das hier ist ein Schiff, beladen mit feuchter Steinkohle, auf dem Rhein. Die Kohle und das Flußwasser sind kalt, so daß die Kamera nur wenig Infrarotlicht empfängt. Der Rumpf des Schiffs ist schon wärmer, so daß er schon im mittleren Bereich "leuchtet". Der Auspuff für den Dieselmotor ist heiß: Eine Menge an Licht erreicht die Kamera. Es ist schwierig, einen Unterschied zu normalen, im visuellen Licht aufgenommenen Fotonegativen zu bemerken.
		Das zweite Bild ist wie ein glühendes Stück Eisen eingefärbt. Schwarz bedeutet kalt, rot schon wärmer, von gelb nach weiß immer heißer werdend. Das Glühen von Metall ist übrigens der selbe Effekt, den man in der Thermografie benutzt, nur bei einem wesentlich höheren Temperaturniveau. Die Lesbarkeit des Bildes wird durch das Einfärben mit den Glühfarben deutlich verbessert.
		Das *dritte* Bild zeigt, wie es ausschaut wenn man "kalte" und "warme" Farben der Temperaturinformation aus dem Rohbild zuordnen. Das Ergebnis ist eine "Pop Art" Färbung, die dafür gesorgt hat, daß wir sowas für ein typisches Thermografiebild halten. Nichtsdestotrotz kann man mit dieser *Falschfarbentechnik* damit sehr kleine Temperaturunterschiede sichtbar machen.

Zum Thema Bildqualität

	Meine HighEnd Kamera 640 * 480 Pixel direkt vom Sensor	Das Thermogramm zeigt ein typisches Ergebnis, das man von einem hochauflösenden Mikrobolometer erwarten kann. Detailfülle, Schärfe und eine gewaltige Übersicht, die das weitwinkel dank der hohen Chipauflösung zuläßt - alles noch mit erträglichem Rauschen. Das Thermogramm ist just out of the Cam und nicht nachbearbeitet.
	Eine preiswerte Kamera 160 * 120 Pixel klein, aber ehrlich	Nun zum Vergleich mit exakt demselben Motiv (Fenster im 1. OG zwischen den Balkonen) und vor allem im ganz exakt selben Maßstab: Das hier ist das Ergebnis, wenn man das Objekt im selben Maßstab mit einer sehr preiswerten IR-Kamera mit gerade mal 160 * 120 Pixeln aufnimmt. Es reicht gerade noch für ein Detail der Wohnanlage, wenn man dieselbe Auflösung anstrebt wie die das Thermogram einer Hochleistungskamera. Damit die kamera noch preiswerter wird, muß auch die eine oder andere Linse aus teurem Germanium eingespart werden, so daß das Thermogramm dezent unschärfer wird und auch das Rauschen darf ruhig etwas kräftiger sein. Um das zu kompensieren, wird halt die Farbe auf voll knallig gedreht.
	Billig, billiger, am billigsten 80 * 80 Pixel aber aufgeblasen	Es geht noch billiger ! Mittlerweile sind wir unter 1000 € für einen IR-Viewer. Das hier kommt dabei raus: 80 * 80 Pixel ergeben diesen Fleck. Damit der überhaupt was hermacht, wird der per Interpolation gut aufgeblasen, in diesem Beispiel um den Faktor 2. Ach ja, wollten wir Thermografie machen ? Scrollen Sie doch etwas aufwärts und vergleichen das mal mit der Übersichtsaufnahme einer richtig guten Kamera mit Weitwinkeloptik - was war gerade noch die Meßaufgabe ?
	Mit Tricksen mehr erreichen wollen ... 160 * 120 Pixel mit Webcamrahmen	Aber gute und damit große Mikrobolometersensoren sind superteuer - weit kostspieliger als manche Thermografiekamera selbst. Na , da gibts doch den probaten Trick, das kleine Thermobild einfach in ein viel größeres Webcambild reinzupflastern, um so wesentlich mer Auflösung eben mit der wirklich billigen Webcam zu erreichen: Das ist das Ergebnis, wobei hier die Webcam sogar noch einigermaßen scharf, wenn auch sehr farbschwach ist. Wissen wir jetzt mehr ? Nein, die thermische Information ist identisch mitt der einer einfachen Billig-IR-Kamera. Über die thermischen Eigenschaften des restlichen Gebäudes wissen wir nach wie vor nichts, lediglich die Lage des untersuchten Fensters ist etwas besser beschrieben. Das ist alles.
		Hinweis: Bei diesem Bildvergleich handelt es sich um Simulationen. Das Auflösungsvermögen und der Rauschwert sowie die Temperaturauflösung sind durch das NETD der Kameras aber klar definiert sind und auch die benutzten Farbskalen genau bekannt sind, ist dieser Vergleich absolut realistisch. All diese Werte für die Simulation sind den jeweiligen Herstellerangaben aus den Datenblättern entnommen. Anmerkung: Ich habe wirklich nicht vor, den Daseinssinn von IR-Kameras mit kleinem Chip anzuzweifeln. Eine Kleinkamera mit 160 * 120 Pixeln ist sehr schön geeignet, z.B. in der Instandhaltung punktuell Temperaturen zu messen, sozusagen ein bildgebendes Pyrometer. Oder wenn es nicht so auf die Bildqualität ankommt, wie z.B. bei Polizei oder Feuerwehr, schließlich will man ja nicht wissen, wie warm der Dieb im Gebüsch oder das Glutnest im Gebälk ist, sondern ob da überhaupt was ist. Genau dafür sind diese kleinen IR-Kameras gedacht. Nur bei 80 * 80 Pixel, da stellt sich dann wirklich die Frage der Gebrauchstauglichkeit.

Möglichkeiten der Leistungssteigerung

Räumliches
Auflösungsvermögen

Um das Auflösungsvermögen bzw. die Bildschärfe eines Thermogramms zu steigern gibt es zwei unterschiedliche Methoden:

Oft erscheint das unbearbeitete Original durch Überschneidung der Aufnahmepixel unscharf. Dieser Effekt ist aber fast verlustfrei zu korrigieren: Das Ursprungsbild kann einfach durch eine inverse Faltung des unverarbeiteten Thermogramms mit einer angepassten Funktion rekonstruiert werden. Dabei wird abgeschätzt, wie ein idealer Bildpunkt vorher verschmiert wurde, z.B. durch Einflüsse der Luft wie Streeung und Verwirbelung oder kleine Imperfektionen der abbildenden Optik. Die Korrektur ist aber aufgrund der dazu notwendigen Rechnerkapazität nicht vor Ort, sondern nur bei der endgültigen Auswertung im Labor-Computer möglich.

Die originale Auflösung meiner IR-Kamera beträgt 640 * 480 Pixel. Reicht ads nicht so aus, so bietet die Kamera einen eingebauten Superresolution-Modus, wobei hier vier Thermogramme nacheinander aufgenommen werden. Dabei entsteht eine Matrix aus zwei Reihen und zwei Spalten, wobei die jeweiligen Themogramme um ein halbes Pixel gegeneinander verschoben werden. Dadurch kann eine gemittelte Auflösung von 1280 * 960 Pixeln erzilt werden, die kamera stößt dabei in den Megapixelbereich vor, ws in der Thermografie schon die oberklasse an Auflösung darstellt. Durch das Faltungstheorem kannmathematisch abgeleitet werden, daß diese Auflösung echt vorhanden ist. Mit Hilfe der Wellenoptik läßt sich berechnen, daß das diese Auflösung der theoretischen, durch die endliche Wellenlänge des IR-Lichts gesetzten Auflösungsgrenze recht nahe kommt, sie aber nicht überschreitet und somit keine leere Vergrößerung entsteht.

Auflösung im
Temperaturbereich

Ebenso kann die thermische Auflösung für Präzisionsmessungen über das Maß gesteigert werden, was die Kamera aufgrund ihres Konstruktionsprinzips sowieso schon bietet. Dazu werden Serien von Thermogrammen aufgenommen, die einander per Kreuzkorrelation überlagert und dann aufaddiert werden. Dadurch kann die erreichbare und reproduzierbare Temperaturauflösung auf 0,01 Grad (10 Millikelvin) und sogar noch besser gesteigert werden. Dabei steigt das Rausch-Signal-Verhältnis mit der Wurzel aus der Anzahl der überlagerten Bilder an.

Wenn dazu absolute Genauigkeit gefordert ist, so ist im Bildfeld ein Referenz-Hohlraumstrahler mit einer entsprechend hohen Präzision der Temperaturregelung anzuordnen. Nur dann werden alle systematischen Meßfehler der kamera direkt ausgeglichen, weil sie sich auf Objekt und Referenzstrahler gleichermaßen auswirken.

Bildwinkel

Reicht das Bildfeld der beiden Objektive nicht aus, so gibt es zwei Möglichkeiten, sehr große Bildfelder zu realisieren:

Zusammensetzen von von Thermogrammserien zu einem Panorama, in dem die Thermokamera bei der Aufnahme vertikal und horizontal jeweils so verschwenkt werden, daß ein gewisser Überlappungsbereich verbleibt. Das resultierende Panorama wird im Laborcomputer nach einer geometrischen Entzerrung zu einem Gesamtbild zusammengesetzt. Dadurch sind komplette Panoramen über 360 ° möglich. Die Arbeitsmethodik ist sehr vergleichbar mit dem zusammensetzen von Panoramaaufnahmen in der Digitalfotografie, mit dem Unterschied, daß der etwas schwankende Offset meiner ungekühlten Mikrobolometerkamera angepaßt werden muß, um Temperatursprünge zu vermeiden.

Verwendung einer konvexen Spiegeloptik vor der Kamera, die in einem einzigen Thermogramm eine Fisheye-Perspektive zuläßt. Vorteil ist der geringe Speicher- und Auswertungsaufwand, so daß sich diese Aufnahmemethode sehr zu Serienaufnahmen eignet. Nachteil ist die geringe Auflösung und das Spiegelbild der Thermokamera im Bild.

Auswertungsmöglichkeiten direkt vor Ort

	Bildkapazität	Die Anzahl der Bilder, die in einem Arbeitsgang aufgenommen werden können, ist eigentlich nur durch die Speicherkapazität der SD-Speicherkartekarte begrenzt. Das während der Arbeit die Karten einfach ausgewechselt werden können, ist die Speicherkapazität faktisch unbegrenzt. Dabei ist allerdings die maximale Aufnahmefrequenz auf ein Thermogramm alle 10 Sekunden bzw. 0,1 Hz begrenzt. Wenn die schnelle Aufnahmepufferung im internen Speicher genutzt, ist die maximale Anzahl auf 860 Thermogramme in voller Auflösung begrenzt. Dafür beträgt dann die Aufnahmefrequent bis zu 50 Hertz, also die volle kamerabedingte Geschwindigkeit.
	Zeitreihen	Die Scannerkamera hat zwei volle Aufnahmemodi, die Reihenaufnahmen zulassen und einen Videoausgang: Schnelle Zeitreihen: Die Jenoptik VarioCAM hr hat einen internen Speicher, der bis zu 860 Bilder in voller Geschwindigkeit festhält. Auf diese Weise können Sequenzen schneller Vorgänge mit voller Bildqualität aufgenommen werden. Die Aufnahmegeschwindigkeit kann dabei abgestuft von 0,02 bis 10 Sekunden variiert werden. Langsame Zeitreihen: Die Jenoptik VarioCAM hr besitzt einen frei programmierbaren Aufnahmetimer, der einen Mindestabstand der Aufnahmen von 10 Sekunden zuläßt und nach oben keine Grenze kennt. Die Anzahl der Aufnahmen einer Serie sind nur durch die Speicherkapazität begrenzt und kann etliche Zehntausend Thermogramme in voller Bildqualität betragen. Lange Überwachungen per Video: Zusätzlich zur Aufzeichnung der Thermogramme in voller Bilqualität bietet die Kamera auch einen Videoausgang, dessen Signal über ein Zusatzgerät auf jedem handelsüblichen Videorecorder oder per Harddisk-Recording aufgezeichnet werden kann. Dabei kann aber nur eine reduzierte Qualität erreicht werden, weil lediglich eine Temperaturskala eingeblendet wird und keine Kalibrierdaten mit aufgezeichnet werden.
	Temperaturmessung vor Ort	Die Ausstattung der Kamera mit einem sehr scharfen 10cm Bildschirm läßt eine Ad-Hoc-Temperaturmessung vor Ort zu, so daß direkt am Objekt über thermografische Befunde diskutiert werden kann. Dazu können mehrere Temperaturmeßstellen im Bildfeld definiert werden. Jede Meßstelle mittelt dabei die Temperatur über ihre einstellbare Fläche und korrigiert sie mit einem variablen Emissionskoeffizienten. Das läßt eine sehr hohe Meßgenauigkeit und Vergleichsmessungen direkt an Ort und Stelle zu, ohne daß dazu eine Laborauswertung aufgenommener Thermogramme durchgeführt werden muß. Man könnte sogar einen Schwellwert, z.B. die momentane Taupunktstemperatur einstellen. Ob so weit gehende Vorabauswertungen Sinn machen, ist ein anderes Thema.
	Emission und Absorption	Eine Hochleistungskamera wie die VarioCAM hr läßt selbstverständlich eine Korrektur der Emission und der Absorbtion per Software zu. Die Korrektur des Emissionskoeffizienten ist dabei unproblematisch, da die meisten mineralischen, nichtleitenden Materialien einen Koeffizienten zwischen 0,98 und 0,92 aufweisen. Dadurch ist der Meßfehler durch einen Irrtum in diesem Bereich mit etwa 0,1 °C und weniger extrem klein. Wenn aber mit einem Epsilon ungleich eins gearbeitet werden soll, dann muß das Epsilon selber gut bekannt sein oder gemessen werden. Dazu muß dann aber auch die Strahlungstemperatur im Halbraum kennen oder messen. Das ist richtig schwierig. Die Absorbtion der Luft ist erst auf sehr große Abstände hin von Belang. Im Bereich von einigen 10 bis 100 Metern kann sie vernachlässigt und auf 0 eigestellt werden. Sind Fernerkundungsmessungen notwendig, so ist eine Referenzmessung zur Bestimmung der atmosphärischen Absorbtion notwendig.
	Nachträgliche Bearbeitung	Auf dem Speichermedium wird das komplette Signal des Infrarotsensors inklusive der Kalibrationsdaten aufgezeichnet. Die Skalierung und Frabgebung des aktuellen Bildes auf dem Monitor der Kamera spielt daher für die Aufzeichnung keine Rolle. Später kann die Skalierung beliebig verändert werden, ohne daß Information dadurch verfälscht oder verloren geht. Durch diese Aufzeichnungsmethode sind die Thermogramme dokumentenecht.

Ein kleiner Blick in die Thermografiegeschichte

	Grundlagen	Um einen Blick in die infrarote Welt zu tun, brauchen wir spezielle Kameras. Diese Kameras basieren auf besonderen Sensoren, die für inrarotes Licht empfindlich sind, vergleichbar mit Videokameras, nur eben für wesentlich größere Wellenlängen. Lösung 1996: Die Alchemisten der Halbleiterindustie haben heraus gefunden, daß CCD's und Dioden aus dem Material HgCdTe (Quecksilber Cadmium Tellurid) am besten im gewünschten Infrarotbereich funktionieren. Diese Technik ist ein bißchen aufwendig, denn der Sensor strahlt ja auch wie alle anderen warmen Gegenstände auch. Wir müssen ihn also weit unter die Umgebungstemperatur abkühlen, um zu vermeiden, daß wir uns selber blenden. Sehr gut dazu eignet sich flüssiger Stickstoff. Ab den 2000ern verfügbar: Die sogenannten Mikrobolometer, wie sie auch noch in meiner aktuellen Kamera zum Einsatz kommen. Dabei wird durch Einstrahlung von IR-Licht ein winziger Widerstand ganz geringfügig erwärmt, worauf sich der Widerstandswert ändert. Dabei sind diese Bolometerwiderstände in einer Matrix angeordnet, wobei ein Bild entsteht. Während die Sensoren auf Basis von HgCdTe tief gekühlt werden müssen, funktionieren die Mikrobolometer bei Raumtemperatur.
	Bilderzeugung durch mechanisches Abscannen	Diese Skizze zeigt das Funktionsprinzip meiner Infrarot-Scanner-Kamera, die ich im Juli 1996 gekauft hatte. Das Herzstück ist eine Photodiode in einem Dewar mit Fenster, die auf 77 Kelvin herabgekühlt wird. Eine Einzellinse fokussiert das eintreffende Licht auf den 50 mal 50 Mikrometer großen Sensor. Weil die Diode direkt auf der optischen Achse arbeitet und das Linsenmaterial Germanium faktisch frei von chromatischer Aberation im thermischen IR ist, eignet sich ein asphärischer Meniskus als Objektiv sehr gut. Die Blendenöffnung ist 1.0 bei 35 mm Brennweite. Das Bild wird durch zwei Scannerspiegel vor dem Objektiv erzeugt. Der horizontale Scannerspiegel vibriert mit 270 Hertz um seine senkrechte Achse, während der vertikale Scannerspiegel sich in 0.8 Sekunden auf und ab bewegt, so daß in 0.8 Sekunden jeweils ein Bild mit 300 mal 200 Pixeln entsteht. Um eine gleichförmige Belichtung für jedes Pixel zu erreichen, ist die Spiegelbewegung eine Dreiecksfunktion. Damit das Innere vor Staub und Feuchtigkeit geschützt wird, ist ein Eintrittsfenster vor die ganze Optik eingebaut. Das Signal des Sensors wird mit der Bewegung der Scannerspiegel synchronisiert und dann mit 16 Bit Auflösung digitalisiert und auf einer PCMCIA-S-Ramkarte abgespeichert. Immerhin stammt diese Kamera aus dem Jahr 1996 und ist deshalb von der Elektronik und Kapazität her nicht mehr aktuell. Z.B. konnte man im internen Speicher nur 10 aufeinanderfolgende Bilder ablegen und auch auf die Speicherkarte passten durch nur 512 Thermogramme bis zum Wechsel der Speicherkarte. Und die Kamera wurde aus Bleiakkus in einem Uralt-Format betrieben, die sehr schnell von der Kapazität her in die Knie gingen. Der große Vorteil dieser Kamera ist einfach die hervorragende Bildqualität, was Stabilität und Rauschen angeht, eben weil nur ein einziges Pixel vorhanden ist und das auch noch kryogen auf 77 Kelvin gekühlt wurde. Die thermische Bildqualität ist bis heute nicht übertroffen, die geometrische war aber aufgrund der mechanischen Ungenauigkeiten eher mittelmäßig (aber auch nicht soooo schlecht). Der große Nachteil war einfach die völlig mangelhafte Haltbarkeit der Optik und Mechanik. Diese Scannerkamera war eine Laborschrankkamera, konstruiert für gelegentliche Nutzung in sauberer, trockener und warmer Umgebung. Und ich habe sie draußen bei Wind und Wetter benutzt, bis ihre Spiegel abkorridiert und die Elektronik zerfressen war. Zudem hat das ständige Eingießen von Flüssigstickstoff den Sensordewar langsam aber sicher undicht gemacht. Hinweis: Die Kamera existiert zwar noch, ist aber faktisch aufgrund des fortgeschrittenen Abnutzungsprozesses nicht mehr einsatzfähig. Schon aus diesem Grund ist ein Verleih ausgeschlossen. Sie ist nur noch ein Museumsstück.
	Die zweite Runde: Die Focal-Plane-Array-Kamera	Von 2004 bis 2009 habe ich eine Thermografiekamera betrieben, die mit einem ungekühlten, aber stabilisierten Mikrobolometer-Sensor der ersten Generation ausgestattet war. Diese Kamera hat die Schutzklasse IP54, kann also unter sehr rauhen Umweltbedingungen betrieben werden. So weit, so gut. Dazu hatte die Kamera Wechselobjektive, ich hatte davon sogar drei, ein Weitwinkel, ein Normal und ein praktisch nie gebrauchtes Teleobjektiv. Aufnahmemedium war eine CF-Karte, also auch was (fast) modernes. Der ganz prinzipbedingte Nachteil dieser ersten FPA-Kamera war, daß die erste Generation der Mikrobolometersensoren mit 320 * 240 Pixel schon eine ganz ausreichende Auflösung boten, aber der Rausch-Signalabstand mit 100 Millikelvin NETD einfach noch sehr sehr hoch lag und die Bilder teilweise recht heftig gefiltert werden mußten, um einigermaßen ansehnlich auszusehen. Der Vorteil war aber die trotz des hohen Bildrauschens ausgesprochen hohe Genauigkeit, gerade auch die absolute Genauigkeit von Temperaturmessungen. Hinweis: Diese Kamera habe ich seit dem Wechsel zu meiner aktuellen IR-Kamera im November 2009 nicht mehr.

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