Nicht-Einheitlichkeits-Korrektur (NUC)

Die Nichtgleichmäßigkeitskorrektur (NUC – Non-Uniformity Correction) ist ein entscheidender Prozess beim Betrieb von Infrarotkameras. Ihr Zweck besteht darin, die systembedingten Nichtgleichmäßigkeiten in den aufgenommenen Wärmebildern zu kompensieren. Infrarotkameras – insbesondere solche mit ungekühlten Mikrobolometer-Sensoren – weisen häufig Unterschiede in der Reaktion einzelner Pixel auf thermische Strahlung auf. Diese Unterschiede können durch Abweichungen in der Empfindlichkeit der Detektoren, elektronisches Rauschen oder Umwelteinflüsse verursacht werden. Ohne Korrektur würden diese Nichtgleichmäßigkeiten die Bildqualität und Messgenauigkeit erheblich beeinträchtigen und zu falschen Temperaturwerten sowie schlechter Bilddarstellung führen.

Die Nichtgleichmäßigkeitskorrektur verbessert die Genauigkeit der Wärmebilder, indem sie die interne Infrarotstrahlung der Kameraoptik erfasst und das Bild entsprechend anpasst. Während der Durchführung einer NUC wird bei den meisten Infrarotkameras der optische IR-Pfad vorübergehend blockiert, indem ein Verschlussmechanismus mit einer flachen, hoch emittierenden Oberfläche in den Strahlengang geschoben wird.

Alle thermischen Detektoren erzeugen auch ohne einfallende Strahlung ein Signal, das als „Dunkelwert“ bezeichnet wird. Bei Focal-Plane-Array-Detektoren (FPA) besitzt jedes Pixel einen eigenen Dunkelwert, auch „Dark Image“ oder „Dark Frame“ genannt. Dieser Dunkelwert stellt ein Signaloffset dar, das durch die Eigenstrahlung des Detektors verursacht wird, und muss vom gemessenen Signal subtrahiert werden, um den tatsächlichen Messwert zu berechnen. Das Dark Frame hängt von der Temperatur der FPA-Ebene ab – bei Bolometern ist dieser Effekt besonders ausgeprägt. Eine Änderung der Chiptemperatur des Bolometers führt zu deutlich größeren Spannungsschwankungen am Ausgang als die gleiche Temperaturänderung des Messobjekts.

Um das aktuelle Dark Frame zu bestimmen, verwendet die Kamera eine sogenannte „Flagge“ (engl. Shutter Flag). Diese Flagge ist eine kleine Platte, die durch einen elektrischen Antrieb in den Strahlengang bewegt werden kann und auf der dem Detektor zugewandten Seite geschwärzt ist, um sich wie ein Schwarzkörper zu verhalten. Zur Verkleinerung des Gesamtsystems kann die Flagge auch aus Lamellen bestehen.

Wenn die Flagge den Detektor abdeckt, werden die Signale aller Pixel als aktuelles gültiges Dark Frame gespeichert. Diese Werte werden anschließend von jedem folgenden Bild subtrahiert, sobald die Flagge wieder geöffnet ist. Besonders während der Aufwärmphase driftet die Chiptemperatur, was zu erheblichen Abweichungen in der berechneten Objekttemperatur führt. Diese Drift muss durch regelmäßiges Aktivieren der Flagge (periodisches NUC-Zyklusverfahren) korrigiert werden.

To determine the actual dark frame, an imager uses the flag, also called a „shutter flag“. The flag is a small plate that can be moved by an electrical drive into the optical path and is blackened on the side facing the detector to ensure it behaves like a black body. To reduce the overall size of the device, a flag could be made from lamellas.

When the flag covers the detector, the signals of all pixels are stored as the current valid dark frame. These values are then subtracted from any succeeding frame after the flag is reopened. Especially during the warm-up time, the chip temperature drifts, causing a significant drift in the calculated target temperature, which must be corrected by periodically cycling the flag.