Zeitkonstante von Bolometern

Die thermische Zeitkonstante von Bolometern beschreibt, wie schnell ein Bolometer auf Änderungen der einfallenden Infrarotstrahlung reagiert. Sie gibt an, mit welcher Geschwindigkeit das Bolometer Temperaturänderungen in der beobachteten Szene erfasst und darauf reagiert. Genauer gesagt ist die thermische Zeitkonstante die Zeit, die das Bolometer benötigt, um etwa 63 % (1 – 1/e) seiner Endtemperatur zu erreichen, wenn es einer sprunghaften Änderung der einfallenden Strahlung ausgesetzt wird. Diese Zeitkonstante steht in direktem Zusammenhang mit der Belichtungszeit.

Eine kürzere thermische Zeitkonstante bedeutet, dass das Bolometer schneller auf Temperaturänderungen reagiert, was es ideal für Anwendungen macht, die schnelle thermische Messungen erfordern. Eine längere Zeitkonstante hingegen führt zu einer langsameren Reaktion, was in Anwendungen vorteilhaft sein kann, bei denen Signalstabilität und Rauschreduktion wichtiger sind als Reaktionsgeschwindigkeit. In der Praxis wird die Zeitkonstante durch die Materialien und das Design des Bolometers beeinflusst. So werden Mikrobolometer, die in ungekühlten Infrarotkameras verwendet werden, mit Materialien und Strukturen entwickelt, die Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit so optimieren, dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Empfindlichkeit und Ansprechzeit entsteht.

Amorphes Silizium (a:Si) als Bolometermaterial weist typischerweise eine Zeitkonstante von etwa 7 ms auf, während Vanadiumoxid (VOx) eine Zeitkonstante von rund 15 ms besitzt. Nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem muss ein Signal mit einer Frequenz abgetastet werden, die mehr als doppelt so hoch ist wie seine maximale Frequenz. In der Praxis wird meist eine Überabtastung durchgeführt, um Aliasing-Effekte zu vermeiden.

Die maximal zulässige Szenenfrequenz entspricht der halben Bildfrequenz der Infrarotkamera. Wenn die Kamera beispielsweise mit 32 Hz arbeitet, sollte die Szenenfrequenz unter 16 Hz liegen. In diesem Fall ist die Zeitkonstante des Bolometermaterials deutlich kürzer als die Belichtungszeit von 62 ms.