- Wie funktioniert Thermografie eigentlich ?  -

 
Die Physik des Infrarotlichts

Grundlagen

Die beiden Wissenschaftler Stefan und Boltzmann entdeckten vor 150 Jahren das Naturgesetz, daß alle Körper Energie in Form von Lichtwellen ausstrahlen und Max Planck erklärte dann um die Jahrhundertwende, wie dieses Phänomen zustandekommt. Für Körper bei Raumtemperatur ist dieses Licht allerdings unsichtbar, denn es strahlt im Infraroten. Nur wenige Tiere wie einige Schlangen und Insekten können diese Strahlung direkt wahrnehmen, wir Menschen brauchen dazu spezielle Kameras.

Die Helligkeit des abgestrahlten Infrarotlichtes hängt dabei sehr stark von der Temperatur ab. Den Zusammenhang beschreibt das Gesetz von Stefan und Boltzmann. Dieser starke Zusammenhang wird für die Thermografie ausgenutzt, indem der Helligkeit an einem Bildpunkt die entsprechende Temperatur entsprechend dem Naturgesetz zugeordnet wird.

Ein Beispiel ist ein glühendes Stück Metall. ist es sehr heiß, so leuchtet es sehr hell. Kühlt es ab, so wird sein Glühen immer röter und dunkler: Das maximum der Lichtausstrahlung verschiebt sich mit sinkender Temperatur immer weiter zum langwelligen Spektralbereich hin und die Intensität nimmt stark ab. Erreicht die Temperatur die Umgebungstemperatur, so ist das Maximum der Abstrahlung in das ferne Infrarot gerutscht. Dise Wellenlängen werden von Thermografie-Kameras beobachtet.
Nahes Infrarot Der Infrarotbereich des Elektromagnetischen Strahlungsspektrums ist selber wiederum in verschiedene Unterbereiche eingeteilt, die sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Unter nahem Infrarot verstehen wir den Bereich, der sich unmittelbar am langwelligen Ende des sichtbaren Lichtes, dem Rot bei 0,78 µm, anschließt und etwa bis 3 µm Wellenlänge geht. In diesem Spektralbereich kann noch mit ganz normalen Gläsern und Spiegeln gearbeitet werden. Bis etwa 1,1 µm Wellenlänge funktionieren ganz normale SW-Videokameras und sogenannte IR-Filme. Diser nahe IR-Bereich wird häufig mit dem ganz anders gearteten Mittelwellen- und thermischen IR verwechselt.
Mittelwellen-IR Unsere Lufthülle läßt nicht jede beliebige IR-Wellenlänge hindurch, aber sie weist verschiedene Bereiche auf, in denen sie wieder durchsichtig wird, weshalb man für diese Bereiche Spezialkameras baut. Eines der bedeutensten Fenster liegt bei 3,5 bis 5 µm Wellenlänge. In diesem mittleren IR-Bereich muß schon zu Sondermaterialien wie Halbleiter und Kristallen gegriffen werden, wenn man Linsen machen möchte. Auch versagt hier chemischer Film, so daß man hier zu elektronischen Sensoren greift. dieser bereich ist besonders wichtig, wenn es um die Thermografie höherer Temperaturen oder die Messung von Absorption geht.
Thermisches oder
Langwellen-Infrarot		 Wenn ein Körper etwa Umgebungstemperatur hat, so ist die Lichtabstrahlung bei 10 µm Wellenlänge am stärksten. Genau in diesem Bereich wird die Luft der erde sehr durchsichtig. Dieses transparente Fenster im Spektrum erstreckt sich von 8 µm bis etwa 12,5 µm Wellenlänge. Wegen des dort liegenden Abstrahlungsmaximums nennt man es thermisches Infrarot. In diesem Fenster findet der Löwenanteil der Wiederabstrahlung der Energie statt, die die Erde von der Sonne in Form von sichtbarem Licht erhält. In diesem Bereich arbeiten für Umgebungstemperatur ausgelegte Thermografiekameras besonders empfindlich und daher hochgenau. Was schon für den Mittelwellenbereich gilt, ist hier erst recht wichtig: Es kann nur mit wenigen Spezialmaterialien für die Optik und ganz speziellen elektronischen IR-Sensoren erfolgreich gearbeitet werden.
Submillimeterwellen An den Spektralbereich des thermischen IR schließt sich der Grenzbereich zwischen Licht und Radiowellen an. Hier absorbiert der in der Luft enthaltene Wasserdampf die Strahlung schon auf kurzen Strecken, zudem ist es sehr schwierig, Sensoren für diesen recht unerforschten Wellenlängenbereich zu bauen. Daher hat der Submillimeterbereich in der Thermografie keine Bedeutung.

 
Die Natur der Wärmestrahlung

Das Stefan-Boltzmann-
Gesetz

Die Physiker Stefan und Boltzmann stellten ein Gesetz auf, mit dem der Zusammenhang der Lichtabstrahlung und der Körpertemperatur hergestellt werden kann:

I = e * s * ( T^4 )

Dabei ist I die Intensität in Watt pro Quadratmeter, e der Emissionskoeffizient, s die Stefan-Boltzmannkonstante (5,667e-8) und T die absolute Temperatur, gemessen in Kelvin, also mit dem absoluten Nullpunkt als Bezugstemperatur. Das bedeutet, daß es dann vollkommen dunkel wird, wenn die Temperatur am absoluten Nullpunkt angekommen ist. Thermografie funktioniert im Prinzip also immer.

Wichtig ist die Abhängigkeit der abgestrahlten Intensität in der vierten Potenz von der Temperatur. Das bedeutet, daß eine geringe Temperaturänderung schon einen sehr großen Unterschied in der Helligkeit ausmacht. Das ist die Ursache dafür, daß Thermografie ein hochgenaues Verfahren zur Temperaturmessung ist
Das Wien'sche
Verschiebungsgesetz		 Der Physiker Wien beschrieb den Zusammenhang des Abstrahlungsmaximums und der Temperatur in einem einfachen Gesetz, also nichts anderes, wie rot ein glühendes Stück Eisen bei einer bestimmten Temperatur ist:

lmax = 2980 µm*K / T

Hierbei ist lmax die Wellenlänge, bei der das meiste Licht abgestrahlt wird und T die absolute Temperatur, gemessen in Kelvin. Nehmen wir unsere Zimmertemperatur von 20 °C, so erhalten wir eine absolute Temperatur T von 293 Kelvin und ein Abstrahlungsmaxiumum bei 10,17 µm, also mitten im thermischen IR-Bereich.
Emission Leider ist nichts in der Natur ganz perfekt. Die Aussendung von Licht aufgrund der eigenen Temperatur erfolgt mit einem gewissen Wirkungsgrad, der das Verhältnis des tatsächlich ausgesandten Lichtes zum theoretisch möglichen ist. Diesen Faktor nennt man den Emissionskoeffizienten e . Die Natur meint es aber gut und gibt allen nichtmetallischen Stoffen einen Emissionskoeffizienten zwischen 0,98 (Blattgrün) und etwa um 0,92 (Gips) mit. Wenn Thermografie an nicht elektrisch leitenden Oberflächen (also auch lackierten Metallen) vorgenommen wird, so ist die Emissionskorrektur sehr klein.

Metalle sind jedoch elektrisch leitend und weichen sehr stark von e = 1 ab. Die Abweichung hängt ebenso stark vom Blickwinkel, vom Material, von der Oberflächenrauhigkeit und vom Korrosionszustand ab, so daß hier in jedem Fall mit einer Kalibriermessung der Emissionskoeffizient gemessen werden muß, um verläßliche Temperaturmessungen zu bekommen. Routinierte Thermografie-Dienstleister führen solche absolut notwendigen Kalibrationen standardmäßig unaufgefordert durch. Ein Nachschlagen in Listen reicht in keinem Fall aus.

Was geschieht mit der Differenz zum nur theoretisch möglichen Idealfall e = 1 ? Mit dem Wirkungsgrad (1-e) wird die thermische Abstrahlung der Umgebung reflektiert. Daher ist es für Präzisionsmessungen unverzichtbar, die gemittelte Strahlungstemperatur der Umgebung zu messen, da dieser Effekt bei der Berechnung der Oberflächentemperatur aus der gemessenen Intensität berücksichtigt werden muß. Dazu wird eine spezielle Fisheyeoptik auf Spiegelbasis verwendet.
Absorption Auf längere Aufnahmedistanzen hin wird die verbleibende Absorbtion der Luft im Infraroten wirksam. Ein Teil der Infrarotstrahlung wird absorbiert und in eine Temperaturerhöhung der Luft umgewandelt. dadurch reduziert sich die Intensität invers exponentiell mit der Entfernung vom Aufnahmeobjekt. Darunter mischt sich immer mehr die Eigenemission der Luft.

Dieser Effekt ist allerdings in der thermografischen Praxis irrelevant, da er sich erst ab mehreren Kilometern Abstand merklich auswirkt. Wenn die Aufnahmedistanzen unter 100 Metern liegen kann die Absorbtion selbst bei diesigem Wetter ruhigen Gewissens vernachlässigt werden.

Bei der Fernerkundung mittels Thermografie ist der Effekt jedoch nicht zu vernachlässigen. Hier sind mit Kalibrationsmessungen die Konstanten in der Strahlungstransportgleichung einzumessen und in der Auswertung zu berücksichtigen. Das ist die Aufgabe der Software des Thermografiedienstleisters.
Streuung Ein weiterer Effekt ist die Streuung von langwelligem IR-Licht an feinsten Tröpfchen und Staub in der Luft, ein Effekt, der sich wie die Absorbtion auch nur über längere Distanzen auswirkt. Die Streuung bewirkt, daß ein teil der Energie eines Lichtstrahls vom direkten Weg abgelenkt wir, aber eben mit einer bestimmten Verteilung dennoch den Sensor der Thermografiekamera erreicht. Dadurch kann die Streuung durch moderne Bildverarbeitung aus den Thermogrammen herausgerechnet werden.
Der Einfluß der Erdathmosphäre

Die Transparenz der
Erdathmosphäre



In der Natur stimmt zufällig das spektrale Maximum der Wärmestrahlung mit einem transparenten Fenster unserer Atmosphäre überein. In den meisten Bereichen des Infrarotspektrums wird die Strahlung durch Wasser, Kohlendioxid und Spurengase wie Ozon und Methan absorbiert. Zwei bedeutende transparente Bereiche verbleiben aber, eins von 3 bis 5 , das andere bei 8 bis 12 Mikrometer. Beide Fenster werden zur Thermografie benutzt, das kürzerwellige für hohe Temperaturen, das langwelligere für den Raumtemperaturbereich. Das sogenannte Langwellen-Fenster ist nur von einer schwachen Absorptionslinie des Ozon betroffen. Das bedeutet, daß es sich besonders für Fernbeobachtungen wie Metereologie, Sucheinsätze und Astronomie eignet.
Wolken & Dunst Wolken sind der Freund der Thermografen. Sie verhalten sich wegen ihrer Ausdehnung wie feste undurchsichtige Körper, die die Temperatur der Luftschicht annehmen, in der sie sich bilden. Sie sorgen dafür, daß sich der Strahlungsaustausch bei Außenarbeiten in genau beobachtbaren und begrenzten Werten hält. Deshalb ist eine durchgehende Bewölkung für thermografische Außenaufnahmen optimal. Zudem schirmen sie die direkte Sonneneinstrahlung ab.

Dunst ist für die gewöhnliche Thermografie auf kurze Distanzen (einige 10 Meter) völlig belanglos, wirkt sich aber stark auf Absorbtion und Streuung von IR-Licht auf große Distanzen aus. Er stellt den Übergang zwischen der durchsichtigen Luft und den wie als Festkörper erscheinenden Wolken dar.
Der Treibhauseffekt Just for Info: Der sogenannte Treibhauseffekt hat viel mit dem thermischen Infrarot zu tun. Unter diesem effekt versteht man den Vorgang, daß sichtbares Sonnenlicht vom festen Erdboden und ein wenig auch von unserer Lufthülle absorbiert wird und sich die aufgefangene Energie in einer Temperaturerhöhung auswirkt. Nun strahlt jeder warme Körper wiederum Licht in den kalten Weltraum ab, aber aufgrund des Wienschen Gesetzes im thermischen Infrarot. Genau da liegt das große Transparenzfenster der Erdatmosphäre. Schiebt man nun ein Stück Glas zwischen Himmel und Erde, so ist dieses thermische IR-Fenster versperrt, weil Glas im Langwellen-IR undurchsichtig ist. Die Wärme kann nicht mehr entweichen und der raum unter dem Glas erwärmt sich stark. Nun haben Gase wie Kohlendioxid, die FCKW und Schwefelhexafluorid die gleiche Eigenschaft wie Glas: Sie versperren dem kuehlenden IR-Licht den Weg und wirken so wie ein gigantisches Glashaus. Wenn sich zuviel von diesen Gasen in der Lufthülle ausbreiten, dann könnte es dem Globus schnell zu warm werden. Mit allen Folgen.
Sensortechnik

Gekühlte Sensoren

Sensoren für thermisches IR haben ein naturgegebenes Problem: Sie sehen sich zunächst einmal selber, weil sie einfach wie jeder Körper auch IR-Licht aufgrund ihrer Eigentemperatur aussenden. Dadurch würde ein sehr hoher störender Untergrund erzeugt, wenn diese Sensoren nicht sehr tief gekühlt werden. Für Halbleiterphysiker: Bei höheren Temperaturen überschreitet das thermische Rauschen die extrem niedriege Band-Gap-Schwelle des Sensormaterials, wodurch sich der Sensor selber blendet. Die Kühlung auf kryogene Temperaturen vermeidet diese schädlichen Effekte. 
Mikrobolometer 
Durch die moderne Mikroelektronik ist es möglich geworden, auch mit ungekühlten Sensoren eine sehr gute Abbildungsqualität zu erreichen. Diese Sensoren müssen nicht mehr tiefgekühlt, sondern nur noch temperaturstabilisiert werden. Sie funktionieren wie eine Matrix aus kleinen Widerständen, die ihren Widerstandswert mit der Bestrahlungsstärke ändern. Dabei sind diese Mikrobolometer genannten Sensoren praktisch gleich für alle Wellenlängen empfindlich, wo genau hängt nur von der Optik vorm Sensor ab.  Mikrobolometer sind nicht ganz so empfindlich wie kryogen gekühlte, aber mit sehr lichtstarken Optiken davor arbeiten sie etwa ab -40°C für sehr hochwertige und so ab -20 bis -10°C für einfache IR-Kameras.
Pyroelektrische
Sensoren		 Es ist möglich, Sensoren für thermisches Infrarot zu bauen, die nicht gekühlt werden müssen: man findet sie zum Beispiel in den sattsam bekannten Bewegungsmeldern. Gegenüber den gekühlten Sensoren haben sie bis auf die nicht notwendige Kühlung nur Nachteile: Sie brauchen entweder bewegte Motive, da sie keine statischen Objekte wahrnehmen können oder sie haben sehr hohe Rauschpegel und sind wegen der sehr hohen abzuziehenden Untergründe nur schlecht kalibrierbar. Für die Thermografie sind diese Sensoren weniger geeignet.
Exoten Für die Thermografie sind diese Sensoren aufgrund ihrer Unempfindlichkeit und ihrer Trägheit ohne Bedeutung: Damit sind Sensoren gemeint, die auf die Erwärmung reagieren, die durch die Absorbtion von IR-Licht (und anderer Strahlung) eintritt. Das sind die Thermosäulen und die Golayzellen. Weiterhin gibt es einige Halbleiterelemente, die ihren elektrischen Widerstand mit der Belichtung durch IR-Licht ändern. Auch sie sind sehr träge und unempfindlich, so daß sie sich nicht für die Thermografie eignen.
Kühltechnik Die einfachste Kühlung für Sensoren, die das brauchen, ist simpler flüssiger Stickstoff. Der Stickstoff wird in ein Dewar mit dem Sensor eingefüllt, in dem er dann langsam verdampft. Dabei wird die Temperatur des Sensors auf -196 °C gehalten und die eindringende Energie durch die Verdampfungswärme aufgenommen. Die heutige Isolationstechnik läßt Betriebsdauern von halben Tagen pro Füllung zu, so daß Meßabläufe durch andauendes Külmittelnachfüllen nicht gestört werden. Muß man noch tiefer kühlen, muß man zu verflüssigtem Helium greifen.

Sensoren für den Mittelwellenbereich brauchen nicht so stark gekühlt werden. Hier reicht eine mehrstufige Kühlung mit Peltierelementen aus. Nachteil der Peltierkühlung ist deren extrem hoher Stromverbrauch, so daß auch hier eine Kühlung mit Flüssigstickstoff wirtschaftlicher sein kann.

Eine neuere Entwicklung ist die Kühlung von IR-Sensoren mit kleinen Kühlmaschinen auf Basis des Stirling- oder des Pulsetube-Prozesses. Das macht von der Versorgung mit verflüssigten Gasen unabhängig, obwohl damit ebenfalls kryogene Temperaturen erreicht werden. Nachteil dieser Kühltechnik ist der hohe Preis und die begrenzte Lebensdauer der heliumgefüllten, extrem präzisen und entsprechend empfindlichen Kühlmaschinen.
 
Optik für das thermische Infrarot

Linsen

Normales Glas ist im mittleren und thermischen Infrarot einfach undurchsichtig und deshalb für die Anfertigung von Linsen unbrauchbar. In diesem Wellenlängenbereich muß man zu Sondermaterialen wie Kristallen (Calziumfluorid z.B.) und Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium greifen. Da Optikmaterialien für das thermische IR einen extrem hohen Brechungsindex aufweisen wirken sie sehr flach und benötigen zudem eine sehr aufwendige Antireflexvergütung. Aus diesem grund sehen Thermografiekameras sehr ungewöhnlich aus.
Spiegel Im Gegensatz zu den Linsen kann im gesamten Infrarotbereich mit ganz gewöhnlicher Spiegeloptik gearbeitet werden. Ganz normale Spiegelschichten aus Aluminium funktionieren mit fast 99-prozentigem Wirkungsgrad. Wird eine noch höhere Reflektivität gewünscht, so ist Gold das Material der Wahl. Wegen den sehr langen Wellenlängen im Infrarot sind die üblichen Schutzschichten gegen Verkratzen problemlos verwendbar.


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