Warum die Spotgröße eine Rolle spielt

Eine Linse erfasst die vom Messfleck emittierte Infrarotenergie und fokussiert sie auf einen Detektor. Messungen auf Basis dieser Technologie können nur dann korrekt sein, wenn das Messobjekt größer als der vom Detektor erfasste Messfleck ist.

Für Optris Infrarotpyrometer und -kameras stehen typischerweise zwei Arten optischer Konfigurationen zur Verfügung. Standardoptiken erzeugen einen divergierenden Strahlengang. Daher wird der Messfleck mit zunehmendem Abstand zum Sensor größer. Fernfeldoptiken sind eine spezielle Variante der Standardoptik mit einem besonders schmalen Strahlengang. Dadurch kann auch bei einer Montage des Sensors in mehreren Metern Entfernung zum Messobjekt eine kleine Messfleckgröße beibehalten werden, weshalb sie für große Messabstände optimiert sind.

Nahfokusoptiken sind mit einer konvergierenden Strahlgeometrie ausgelegt. Das bedeutet, dass sich der Messfleck bis zu einer bestimmten Entfernung auf ein Minimum verkleinert und sich anschließend wieder vergrößert. Dadurch entsteht eine „Taille“ beziehungsweise ein Fokuspunkt, an dem das optische System die kleinste Messfleckgröße und die höchste räumliche Auflösung erreicht.

Viele Infrarotthermometer sind mit Festfokusoptiken ausgestattet, das heißt, sie sind für einen bestimmten Messabstand voreingestellt. Der Anwender muss ein Modell mit einem Fokusabstand auswählen, der möglichst genau zur jeweiligen Anwendung passt. Zwar sind auch außerhalb des voreingestellten Fokusabstands genaue Temperaturmessungen möglich, jedoch nimmt die optische Auflösung (D:S-Verhältnis) deutlich ab, da der optimale Fokus – und damit die kleinstmögliche Messfleckgröße – nur in einem festgelegten Entfernungsbereich erreicht wird.

Im Gegensatz dazu ermöglichen Infrarotthermometer mit variablem (einstellbarem) Fokus eine kontinuierliche Anpassung des Fokus an den gewünschten Messabstand. Dadurch wird jederzeit eine optimale optische Auflösung gewährleistet, da das D:S-Verhältnis für jeden gewählten Abstand maximiert wird. Geräte mit variablem Fokus eignen sich daher besonders für Anwendungen mit wechselnden Messabständen oder variierenden Zielgrößen und bieten eine höhere Flexibilität und Präzision über einen größeren Anwendungsbereich hinweg.

Verhältnis von Abstand zu Messfleckgröße bei der Pyrometrie

Bei Pyrometern beschreibt das Verhältnis von Abstand zu Messfleckgröße (D:S-Verhältnis) den Zusammenhang zwischen dem Messabstand und dem Durchmesser des von einem Infrarotpyrometer erfassten Messflecks. Konventionell bezeichnet das Verhältnis von Abstand zu Messfleckgröße in der Pyrometrie den Durchmesser eines schwarzen Strahlers, bei dem das Strahlungssignal im Vergleich zum Signal eines ausreichend großen schwarzen Strahlers um 10 % abgefallen ist.

Es gibt an, wie klein der Messfleck im Verhältnis zum Abstand zwischen Sensor und Messobjekt ist. Ein höheres D:S-Verhältnis entspricht bei einem bestimmten Abstand einer kleineren Messfleckgröße und ermöglicht damit präzisere Temperaturmessungen an kleinen oder weit entfernten Objekten. Mit zunehmendem D:S-Verhältnis verbessert sich die optische Auflösung. Ein niedrigeres D:S-Verhältnis erfordert dagegen, dass der Sensor näher am Messobjekt positioniert wird, damit der Messfleck vollständig vom Ziel ausgefüllt wird und Einflüsse des Hintergrunds sowie Messfehler minimiert werden.

Eine wichtige Leistungskenngröße ist das Verhältnis von Abstand zu Messfleckgröße D:S, das den Messabstand z mit dem effektiven Messfleckdurchmesser [math]d_m[/math] in Beziehung setzt.

[math]D:S=\frac{z}{d_{m}}[/math]

Obwohl die Messfleckgröße mit zunehmendem Abstand größer wird, bleibt das Verhältnis konstant. Bei Festfokusgeräten, beispielsweise kompakten Pyrometern, wird das D:S-Verhältnis dagegen nur für einen bestimmten Fokusabstand angegeben. Wird das Messobjekt aus dem Fokusbereich verschoben, verringert sich das D:S-Verhältnis, wodurch ein größerer Messfleck und mögliche Temperaturabweichungen entstehen.

Die Messfleckgröße ist als der Durchmesser eines Schwarzkörperziels definiert, bei dem das Signal im Vergleich zu einem Referenzsignal eines ausreichend großen schwarzen Strahlers um 10 % abfällt. Diese Definition berücksichtigt sphärische und chromatische Aberrationen, die effektive Detektorfläche sowie Streueffekte innerhalb des optischen Pfads. Eine geometrische Abschätzung des D:S-Verhältnisses auf Grundlage der Linsenparameter und der Detektorgröße ergibt sich aus der effektiven Apertur beziehungsweise dem Linsendurchmesser [math]D[/math], der Blendenzahl [math]\ f[/math] und der Sensorfläche des Detektors [math]A_S[/math].

[math]D:S=\frac{f\ \bullet\ D\ }{\sqrt{A_S}}[/math]

Bei Systemen mit beschichteten IR-Linsen und Detektorflächen, die deutlich größer als die Wellenlänge sind, nähert sich diese geometrische Abschätzung dem effektiven D:S-Verhältnis sehr gut an. In den meisten Fällen ist eine kleine Messfleckgröße und damit ein großes D:S-Verhältnis von Vorteil. Das Pyrometer kann dadurch auch kleine Messobjekte aus größeren Entfernungen erfassen. Allerdings ist eine präzise Ausrichtung des Geräts erforderlich, die aufgrund der hohen optischen Auflösung häufig mithilfe von Laser- oder Videosichtsystemen realisiert wird.

Typische D:S-Verhältnisse variieren abhängig vom Temperaturbereich und vom optischen Design. Für Niedertemperaturanwendungen (−50 °C bis 150 °C) werden moderate D:S-Verhältnisse verwendet. Für Hochtemperaturanwendungen (>150 °C), bei denen Detektoren bei kürzeren Wellenlängen arbeiten, sind D:S-Verhältnisse von 20:1 bis 300:1 üblich.

Messfeld bei Wärmebildkameras

Im Gegensatz zu Pyrometern, die Infrarotstrahlung von einem einzelnen Messfleck erfassen, verwenden Infrarotkameras zweidimensionale Focal-Plane-Arrays zur Erzeugung von Wärmebildern. Die Auflösung dieser Arrays wird jedoch durch die geringe Pixelgröße begrenzt, die häufig in derselben Größenordnung wie die Infrarotwellenlänge liegt. Dadurch ist die optische Auflösung grundsätzlich durch Beugung begrenzt, wodurch eine physikalische Grenze dafür entsteht, wie fein Details im Bild aufgelöst werden können.

Die räumliche Auflösung wird üblicherweise durch das Instantaneous Field of View [math]IFOV[/math] beschrieben – die Winkelgröße eines einzelnen Pixels:

[math]IFOV=\frac{FOV}{Number\ of\ Pixels}[/math]

Die Werte liegen je nach Optik und Auflösung der Kamera zwischen 0,3 und 15 Milliradiant. Aufgrund der kleinen Pixelabmessungen, die häufig mit der Infrarotwellenlänge vergleichbar sind, ist die Auflösung jedoch grundsätzlich durch Beugung begrenzt.

Das Measurement Field of View (MFOV) beschreibt den kleinsten messbaren Bereich, den ein einzelnes Pixel einer Infrarotkamera bei einem bestimmten Abstand zuverlässig auflösen kann. Es beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Abstand zum Messobjekt und der auf die Objektoberfläche projizierten Pixelfläche. Ein kleineres MFOV bedeutet eine höhere räumliche Auflösung und ermöglicht es der Kamera, feinere Temperaturunterschiede in kleineren Bereichen zu erkennen. Mit zunehmendem Abstand zum Objekt wächst die projizierte Fläche pro Pixel, wodurch die Genauigkeit lokalisierter Temperaturmessungen abnimmt. Um genaue Messwerte zu gewährleisten, muss das Messobjekt mehrere Pixel abdecken – typischerweise mindestens 3×3 –, um Mittelungseffekte und Einflüsse des Hintergrunds zu minimieren.

Das Verhältnis von Abstand zu Messfleckgröße kann mit der folgenden Formel abgeschätzt werden, wodurch ein effektiver Vergleich der Leistungsmerkmale von Kameras und Pyrometern ermöglicht wird:

[math]D:S=\frac{1\ }{MFOV}[/math]

Messfleckgröße für ideale Temperaturmessungen in der Infrarotpyrometrie und Thermografie

Messungen mit Infrarotgeräten können nur dann korrekt sein, wenn das Messobjekt größer als die Messfleckgröße des Infrarotgeräts ist. Für eine genaue Temperaturmessung sollte die Zielgröße mindestens der Größe des Messflecks entsprechen. Dadurch wird sichergestellt, dass das Messgerät mindestens 90 % der Energie des Messobjekts erfasst, wenn das Ziel genau der Größe des Messflecks entspricht.

Es ist entscheidend sicherzustellen, dass das Objekt größer als oder mindestens genauso groß wie der Messfleck ist. Nur Quotientenpyrometer können Objekte messen, die kleiner als der Messfleck sind, ohne dadurch Messungenauigkeiten zu verursachen, selbst bei einer Signalabschwächung von 80 %. Um eine genaue Messung sicherzustellen, sollte die Messfleckgröße eines Pyrometers bei dem angegebenen Messabstand stets überprüft werden.

Um zuverlässige und genaue Messungen sicherzustellen, sollte das Messobjekt den Messfleck vollständig ausfüllen – und idealerweise größer als dieser sein.

Dies ist insbesondere im Bereich von 8–14 µm von Bedeutung, da hier die Empfindlichkeit gegenüber Hintergrundeinflüssen aufgrund der breiten spektralen Empfindlichkeit besonders hoch ist. Das Verhältnis zwischen der Größe des Messobjekts und der Messfleckgröße hat einen erheblichen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Wenn das Messobjekt den Messfleck vollständig ausfüllt oder größer als dieser ist, erfasst der Sensor ausschließlich die Strahlung des Messobjekts und es tritt keine Temperaturabweichung auf. Ist der Messfleck jedoch größer als das Messobjekt, erfasst der Sensor zusätzlich Strahlung aus der Umgebung, die typischerweise kühler ist. Dadurch entsteht ein gemischtes Signal, das zu einer Unterschätzung der Temperatur führt. Das Ausmaß des Messfehlers hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Messobjekt und Umgebung sowie vom Anteil des Hintergrunds innerhalb des Messflecks ab.

Abbildung 3 veranschaulicht, wie eine unvollständige Ausfüllung des Messflecks durch das Messobjekt bei Infrarotsensoren im langwelligen Infrarotbereich (LWIR) zu erheblichen Temperaturfehlern führt. Wenn das Messobjekt den Messfleck vollständig ausfüllt, erfasst der Sensor ausschließlich die Strahlung des Messobjekts, wodurch genaue Temperaturmesswerte erzielt werden. Ist der Messfleck jedoch größer als das Messobjekt, erfasst der Sensor zusätzlich Strahlung aus der kühleren Umgebung. Das daraus resultierende Signal ist ein gewichteter Mittelwert, der zu zu niedrigen Temperaturmesswerten führt.

Das Ausmaß dieser Abweichung hängt stark von der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Messobjekt und Hintergrund sowie vom Anteil des Messobjekts innerhalb des Messflecks ab. Größere ΔT-Werte und eine geringere Ausfüllung des Messflecks durch das Messobjekt führen zu zunehmend größeren Fehlern. Wie dargestellt, kann bereits eine moderate Unterfüllung Abweichungen von mehr als −30 % verursachen, insbesondere bei großen Temperaturunterschieden.

Abbildung 4 veranschaulicht, wie sich die Messgenauigkeit verschlechtert, wenn der Infrarot-Messfleck größer als das Messobjekt ist. Mit abnehmendem Verhältnis von Zielgröße zu Messfleckgröße erfasst der Sensor zunehmend Strahlung aus der kühleren Umgebung, was zu einer deutlichen Unterschätzung der tatsächlichen Temperatur führt. Der Effekt variiert je nach spektraler Empfindlichkeit des Geräts. Langwellige Sensoren (z. B. 8–14 µm, mit „LT“ gekennzeichnet) weisen die größten Abweichungen auf, während kurzwellige Sensoren (z. B. im Bereich von 0,5–1 µm) weniger empfindlich auf eine unvollständige Ausfüllung des Messflecks reagieren. Für genaue Messwerte muss der Messfleck deutlich kleiner als das Messobjekt sein, insbesondere bei langwelligen Geräten.