Wärmebildkameras
Wellenlängen und Farben des Lichts
Grundsätzlich
Jedes Objekt sendet infrarote Strahlung (IR-Strahlung) aus. Das menschliche Auge kann diese aber nicht wahrnehmen.
Der Wellenlängenbereich des für Menschen sichtbaren Lichts (Regenbogen) reicht von Rot – ca. 780 nm bis Violett – ca. 380 nm (1 nm ≙ 0,000’001 mm).
Infrarotstrahlung
Der Infrarotbereich beginnt im fern langwelligen Infrarotbereich ab ca. 780 nm und reicht bis weit jenseits der 3’000 nm.
Zivile Wärmebildkameras nutzen üblicherweise einen Wellenlängenbereich von ca. 700 nm bis 1’400 nm.
Visualisierung
Um die IR-Strahlung sichtbar zu machen, wird sie von einem Detektor erfasst, der die Strahlungsenergie in elektrische Signale umwandelt.
Unterschiedlich starke Signale werden in unterschiedlichen Farben am okularseitigen Display der Wärmebildkamera angezeigt.
Im Grunde übersetzen Wärmebildkameras also Wellenlängen aus dem Infrarot-Spektrum in für Menschen wahrnehmbare Wellenlängen (Farben).
Darstellungsarten
- White – Hot – wärmere Bereiche werden heller, kältere dunkler dargestellt
- Black – Hot – wärmere Bereiche werden dunkler, kältere heller dargestellt
- Red – Hot – wärmere Bereiche werden rot dargestellt, der Rest des Bildes wird White – Hot dargestellt
- Rainbow – White – Hot mit Fehlfarben / Hellere Bereiche sind wärmer
Aufbau von Wärmebildkameras
Grundsätzlich
Eine Wärmebildkamera erkennt, misst und visualisiert die abgestrahlte Infrarotenergie von Objekten.
Mit einer Wärmebildkamera kann man nicht in Objekte hineinsehen, sondern lediglich deren Oberflächentemperatur sichtbar machen.
Objektiv
Das Objektiv dient, wie bei allen optischen Geräten, zur Fokussierung des parallelen Strahlengangs auf den Detektor. Anders als bei traditionellen optischen Geräten, besteht die Objektivlinse aus entsprechend belegten Glassorten, die nur für infrarotes Licht durchlässig sind. Bei professionellen / militärischen Geräten sind die Linsen aus Germanium (schwarz) gefertigt.
Bei den meisten Geräten befindet sich der Fokusring am oder kurz hinter dem Objektiv.
Viele Hersteller geben die Apertur an – üblicher Weise beträgt sie 1.0
Detektor
Wie bereits eingehend erwähnt, wandelt der Detektor die eingehende Strahlungsenergie in elektrische Signale um.
Die Steuereinheit der Wärmebildkamera verarbeitet diese Information zu darstellbaren Bildern, die auf dem Display angezeigt werden.
Weiters kommen verschiedenste Algorithmen zum Einsatz, die
- das Rauschen minimieren;
- das Bild schärfen;
- die Farbdarstellung berechnen;
- uvm.
Display
Als Display kommen klassische Monitortechnologien zum Einsatz.
OLED – Dieses Display besteht aus einer Matrix von einzeln ansteuerbaren RGB-LED’s.
LCOS – Ist die ältere, aber nicht kategorisch schlechtere Technologie. Im Vergleich zu OLED sind hier zusätzliche Baugruppen wie Polarisationsfilter und eine Displaybeleuchtung erforderlich.
Subjektiv werden meist OLED Displays als angenehmer empfunden.
Okular
Die Funktion des Okulars unterscheidet sich nicht von traditionellen optischen Geräten.
Das Okular fungiert als Lupe, um das Display zu fokussieren.
Diese Funktion wird als Dioptrienausgleich bezeichnet. Der Verstellbereich wird in Dioptrien (+/-) angegeben.
Funktion der Rauschunterdrückung
Kenngrößen
Objektivdurchmesser
Analog zu klassischen optischen Geräten – desto größer der Objektivdurchmesser, desto größer die Strahlungsenergie am Detektor.
Im Low-Cost Bereich beträgt der Objektivdurchmesser unter 10 mm, bei Mittelklassegeräten von 15 mm bis 25 mm und bei Oberklassegeräten von 30 mm bis 40 mm. Größere Objektivdurchmesser sind nur bei den absoluten Top-Geräten zu finden.
Brennweite
Gibt den Abstand vom Objektiv zum Detektor an. Desto höher die Brennweite, desto enger der Blickwinkel.
Sehfeld
Gibt den horizontalen und vertikalen Erfassungswinkel in Grad an (z.B. 10,5° / 8,4°). Der größere Winkel ist der horizontale Winkel.
Alternativ wird auch der abgebildete Bereich im Abstand von 100 oder 1000 m angegeben, z.B. 18,3 m x 14,6 m / 100 m.
Detektortyp - Bauart
VOx – (Vanadium-Oxid) ist das derzeit am häufigsten verwendete Sensormaterial.
aSi – (Amorphes Silizium), wird derzeit in Europa erst ab einer Empfindlichkeit von 50 mK in Verkehr gebracht.
Im Wesentlichen spielt das Sensormaterial nur eine untergeordnete Rolle. Wichtiger sind die Pixelanzahl und die Empfindlichkeit des Detektors.
Die Ergänzung “ungekühlt” oder “uncooled” ist unerheblich, da Geräte für den jagdlichen Einsatz immer ohne Kühlung ausgeführt sind.
Detektor - Empfindlichkeit (NETD)
Die Empfindlichkeit des Sensors beschreibt den minimalen Temperaturunterschied, der dargestellt werden kann und wird in Grad Kelvin (mK ≙ 0,001 °K) angegeben.
Mittelklassegeräte bewegen sich von 30 mK bis 45 mK, Topgeräte bei ca. 20 mK.
Detektor - Auflösung
Gibt die Anzahl der Pixel des Sensors an, z. B. 160 x 120 px (Aufsatzgerät Mobiltelefon), 384 x 288 (Mittelklasse Beobachtungsgerät), 640 x 512 px (Obere Mittelklasse) und 1280 x 1024 px (Topqualität).
Detektor - Pixelintervall
Gibt den Abstand der Pixel an. Standard ist derzeit 12 µm.
Vergrößerung (optisch)
Gibt die Vergrößerung bzw. den Zoombereich des Gesamtsystems an, wobei – im Gegensatz zum digitalen Zoom – die gesamte Sensorfläche abgebildet wird.
Vergrößerung (digital)
Vergrößert die Abbildung, indem nur ein Ausschnitt des Sensorbildes dargestellt wird, wodurch die Abbildung bei steigender Vergrößerung grobkörniger wird.
Display
Am Display wird das elektronisch aufbereitete Signal dargestellt.
Wie bereits erwähnt, geht der Trend derzeit zu den OLED Displays. Die Displayauflösung kann dabei nicht zu groß sein, um eine möglichst detailgenaue Darstellung zu ermöglichen.
Erfassungsdistanz
Ist die Entfernung, bei der eine Fläche von ca. 1,5 x 0,5 m vom Sensor als Punkt erkannt wird.
