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2022 | Book

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Infrarot-Kameras

Grundlagen, Technologien und Systeme

Authors: Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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About this book

Dieses Fachbuch führt in die Besonderheiten des Infrarot und seiner abbildenden Systeme ein und beschreibt die technischen und physikalischen Grundlagen. Ein komplettes Modell des Beobachtens im Infraroten wird vorgestellt, das mit den technischen Daten der Infrarot-Kamera unter Hinzunahme von psychophysiologischen Eigenschaften des menschlichen Sehens die Systemleistung berechnet. Das Buch ist geeignet zur Einführung in das Thema, zum Selbststudium, als Unterlage für Kurse und als Nachschlagewerk.

Die ZielgruppenNutzer und potenzielle Nutzer von Infrarot-KamerasStudierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften

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Table of Contents

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung

Zusammenfassung

Infrarot-Kameras wurden zunächst hauptsächlich entwickelt, weil man mit ihnen in der Dunkelheit sehen kann. Inzwischen geht ihr Einsatzbereich weit darüber hinaus. Dieses Buch soll seinen Leser in die Grundlagen der Infrarot-Kameras einführen; in den ersten Kapiteln so weit, dass es bei Auswahl und Bedienung unterstützt. Die späteren Kapitel gehen weiter in die Tiefe, mit dem Ziel der Befähigung solche Kameras zu bewerten, in Systemen einzusetzen und zu modifizieren.

Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Kapitel 2. Infrarotbilder

Zusammenfassung

Der Begriff „Infrarotbilder“ hat zwei unterschiedliche Bedeutungen. Die erste bezieht sich auf die Abbildung in der Kamera. Das Objektiv der IR-Kamera sammelt infrarote Strahlung, sichtbares Licht wird in der Regel im Objektiv abgeblockt. Das Infrarot wird fokussiert und formt in der Bildebene der Kamera das Abbild der Umgebung: ein „Infrarotbild“. Diese Intensitätsverteilung wird mit der Sensormatrix punktweise gemessen und für den Nutzer auf einem Monitor im Sichtbaren dargestellt. Die Darstellungsweise kann variiert werden. Auch dieses sichtbare Endprodukt wird „Infrarotbild“ genannt. Das ist die weit überwiegende Bedeutung, wenn von „Infrarotbildern“ gesprochen wird, und wir betrachten in diesem Kapitel die Eigenschaften und die Nutzung dieser Infrarotbilder.

Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Kapitel 3. Infrarotkameras

Zusammenfassung

Dieses Kapitel geht genauer auf die technischen Eigenschaften der Infrarotkameras und ihrer Baugruppen ein. Zunächst werden handelsübliche Beispiele vorgestellt. Ihre Empfindlichkeit ist Grundlage für die Bewertung der kleinsten erkennbaren Temperaturdifferenz von Objekten.

Die Funktion der meisten IR-Sensorarrays beruht auf zwei physikalische Grundprinzipien, die in den Abschnitten „Bolometer“ und „Photonendetektoren“ beschrieben werden.

Wesentlich sind auch die Eigenschaften der Objektive. Vorgestellt werden die notwendigen Grundlagen und Parameter für den Vergleich von IR - Optiken aus typischen Datenblättern. Die Beugung zum Beispiel hat im Infrarot größeren Einfluss als im Sichtbaren wegen der bis über zehnmal größeren Wellenlängen.

Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Kapitel 4. Thermische Strahlung

Zusammenfassung

Grundlage für Infrarot-Bildgebung ist die thermische Strahlung von Objekten. Als Basis werden die physikalischen Eigenschaften der Wärmestrahlung genauer betrachtet. Einfache Modellvorstellungen sind überraschend gut und hilfreich für das Verständnis der wesentlichen Prozesse von und mit Wärmestrahlung. Die detaillierte Betrachtung des Flusses der Strahlung vom Objekt zum Sensorarray benötigt eine differentielle mathematische Behandlung, die hier nach der allgemeinen Definition vorgestellt wird. Die quantitative Größe der durch eine IR-Kamera erfassten Strahlung ist wichtig zum einen für die Messung einer Objekttemperatur mit der Kamera, zum anderen für die Entwicklung und Analyse der Kamerasysteme selber. Solche Betrachtungen erlauben zum Beispiel, zu berechnen, ob eine IR-Kamera im mittleren IR oder im langwelligen Infrarot besser geeignet ist, um Temperaturunterschiede gut aufzulösen.

Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Kapitel 5. Atmosphäre

Zusammenfassung

Auf dem Weg von der Strahlungsquelle zum Empfänger, z. B. dem Wärmebildgerät, wird die Strahlung durch zwei Effekte abgeschwächt. Zum einen durch die geometrische Ausbreitung, wobei die Energie von der Quelle ausgehend sich auf eine mit der Entfernung ausdehnende Kugeloberfläche verteilt, was zu einer Abnahme der Bestrahlungsstärke mit 1/r2 führt. Der andere Effekt ist die Schwächung der Strahlung durch Wechselwirkung mit Molekülen und Schwebeteilchen beim Durchlaufen der Atmosphäre. Die dabei auftretenden Vorgänge bei Absorption und Streuung der Strahlung sind Gegenstand dieses Kapitels.

Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Kapitel 6. Optische Abbildung

Zusammenfassung

Für die Optik von Wärmebildgeräten gelten dieselben Gesetze wie für Kameras im visuellen Wellenlängenbereich, also die Gesetze der Linsen, der Spiegel, der Bündelbegrenzung und der Beugung. Dennoch gibt es im Infraroten einige Unterschiede, auf die in diesem Kapitel besonders eingegangen wird: Die Linsenmaterialien haben zum Teil eine wesentlich höhere Brechzahl, die außerdem stark temperaturabhängig ist. Eine der Konsequenzen davon ist, dass auf die Reflexionsminderung durch Vergütungsschichten besondere Sorgfalt aufgewendet werden muss. Für die Auswahl einer Optik reicht meist die Linsengleichung aus, die Gegenstandsweite, Bildweite und Brennweite miteinander verbindet. Genauere Berechnungen werden hergeleitet, exemplarisch durchgeführt, und entstehende Abbildungsfehler werden.

Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Kapitel 7. Detektor

Zusammenfassung

Die grundlegende Funktion des Detektors besteht darin, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das ein Maß für die auftreffende Strahlungsleistung ist. Man kann den Detektor auch als Wandler ansehen, der Infrarot-Strahlungsenergie in elektrische Signale umsetzt. Zur Realisierung von Infrarot-Detektoren stehen zwei Prinzipien zur Verfügung: Thermische Effekte und – vereinfacht ausgedrückt – Umwandlung von Photonen in Elektronen. Unter Einbeziehung des Rauschens charakterisiert man die Brauchbarkeit eines Detektorelements durch seine Strahlungsempfindlichkeit. Die geometrische Anordnung der Detektorelemente in einer Detektormatrix bestimmt die erreichbare räumliche Auflösung eines Wärmebildes. Der Detektor wird mit einem Kühler, sofern erforderlich, und Schaltungen zur Herausführung der Signale zum Detektormodul zusammengefasst. Vorgestellt und bewertet werden unterschiedliche Detektortechnologien.

Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Kapitel 8. Signalverarbeitung und Bilddarstellung

Zusammenfassung

Signalverarbeitung ist notwendig für drei Aufgaben: einerseits zur Korrektur der Signale der einzelnen Detektorelemente, zum zweiten zur Anpassung der Darstellung an den Bedarf des Beobachters und zum dritten zur automatischen Auswertung von Bilddaten.

Die einzelnen Sensorelemente haben unterschiedliche Empfindlichkeiten mit technologietypischer Streuung und zeigen auch unterschiedliche Alterung. IR-Kameras haben in der Regel eine automatische Inhomogenitätskorrektur. Sie hat grundlegende Bedeutung für die erreichbare Erfassung von Temperaturunterschieden.

Wichtig ist auch die Optimierung der Bildwiedergabe für den Beobachter, zum Beispiel durch Regelung von Kontrast und Helligkeit. In diesem Zusammenhang gewinnt die automatische Analyse von Bilddaten an Bedeutung und Verbreitung.

Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Kapitel 9. Gerätekonzepte

Zusammenfassung

Als die Wärmebildgeräte aufkamen, wurden sie im Vergleich, und zu einem gewissen Grad in Konkurrenz, zu den seit Jahrzehnten existierenden Radargeräten gesehen. In Anlehnung an die beim luft-und raumgestützten Radar gebräuchlichen Varianten des boden-, seit- oder vorausblickenden Gerätes sah man beim Wärmebildgerät die Verwandtschaft am ehesten zum vorausblickenden Radar. Daher rührt die im englischen Sprachraum gebräuchliche und gelegentlich auch im Deutschen verwendete Bezeichnung Forward Looking Infra-Red (= FLIR XE „FLIR“ ). Heute hat die ursprüngliche Bedeutung hinter dieser Bezeichnung nur noch historischen Charakter. Dieses Kapitel folgt der historischen Entwicklung der Wärmebildgerätekonzepte bis zu den heutigen Infrarotkameras.

Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Kapitel 10. Bewertung der Geräteleistung

Zusammenfassung

Die Bewertung von Infrarotkameras ist nur einfach, wenn zwei Systeme verglichen werden, die sich nur in einem einzelnen technischen Parameter unterscheiden. Wenn zum Beispiel eine der Kameras deutlich mehr Pixel hat, ansonsten aber alles gleich ist (wie Empfindlichkeit, Rauschen, Gewicht und Preis). Das ist aber selten gegeben: Kameras mit mehr Pixeln bei gleicher Fläche haben zum Beispiel oft größeres Rauschen der einzelnen Detektorelemente.

Die Bewertung kann sich meist nicht auf die optimale Wahl einzelner Parameter stützen, sondern muss den Nutzen des gesamten Systems im Sinne der Aufgabe beurteilen. Notwendig dazu sind letztlich detaillierte Beobachterversuche. Alternativ oder vorbereitend kann man das gesamte System einschließlich des Beobachters modellieren. Die Blöcke eines solchen Modells werden beschrieben und erklärt.

Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Kapitel 11. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

Die Entwicklung von IR-Matrixdetektoren (IR Focal Plane Arrays) hat zu IR-Kameras geführt, die sich von der Bildgenerierung nur unwesentlich von Kameras für den visuellen Spektralbereich unterscheiden. Das ist die Basis der Nutzung der Wärmebildtechnik in vielen Einsatzfeldern. Als ein Zweig der militärischen Aufklärung wurde und wird die Entwicklung der Wärmebildtechnik weiter mit Priorität vorangetrieben, da die Überlegenheit bezüglich der „Aufklärungsreichweite“ eine zentrale Forderung ist. Im kommerziellen Bereich ist die Wärmebildtechnik mit dem Typ „Thermographiegeräte“ weit verbreitet, wird aber auch durch den Einsatz in Fahrzeugen vor allem durch ungekühlte IR-Kameras vorangetrieben. Wohin der Weg in den nächsten Jahren führen wird zeigt ein Rückblick und eine Standortbestimmung aus denen zukünftige Entwicklungstrends abgeleitet werden.

Arnulf Wallrabe, Maurus Tacke, Reinhard Ebert

Backmatter

Title: Infrarot-Kameras
Authors: Arnulf Wallrabe
Maurus Tacke
Reinhard Ebert
Copyright Year: 2022
Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-38542-2
Print ISBN: 978-3-658-38541-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-38542-2

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