Pixelabstand in der Infrarot-Thermografie

Pixelabstand in der Infrarot-Thermografie: Warum größer immer noch besser ist

Zu den wichtigsten Parametern, die die Leistungsfähigkeit einer fest installierten Infrarotkamera bestimmen, gehört der Pixelabstand. Der Pixelabstand bezeichnet den Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Pixel auf dem Thermosensor. Diese Eigenschaft spielt sowohl für die Bildqualität als auch für die Genauigkeit der Temperaturmessung eine entscheidende Rolle.

Dieser Artikel beleuchtet die technische Bedeutung des Pixelabstands, erläutert aktuelle Trends im Sensordesign und vergleicht zwei Infrarotkameramodelle von Optris: die PI640i mit einem Pixelabstand von 17 µm und die Xi640 mit einem Pixelabstand von 12 µm.

Der in Mikrometern gemessene Pixelabstand bezeichnet den Abstand zwischen den einzelnen Detektorelementen eines Infrarotsensors. Kleinere Pixelabstände ermöglichen es, mehr Pixel auf einer bestimmten Sensorfläche unterzubringen, was zu einer besseren geometrischen Auflösung führt. In der Thermografie beeinflusst der Pixelabstand jedoch auch die thermische Empfindlichkeit. Größere Pixel erfassen über einen bestimmten Zeitraum mehr Infrarotstrahlung, was zu einer höheren Signalstärke und einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis führt.

Jüngste Fortschritte in der Mikrobolometer-Technologie haben es ermöglicht, Thermosensoren mit kleineren Pixelabständen herzustellen. Arrays mit 12-µm- und sogar 10-µm-Detektoren werden immer häufiger eingesetzt. Dieser Trend hin zu kleineren Pixeln wird durch den Bedarf an kompakteren und leichteren Kameradesigns vorangetrieben, die sich einfacher in kleinere oder räumlich begrenzte Industriesysteme integrieren lassen. Darüber hinaus ermöglichen kleinere Pixel eine kostengünstigere Produktion, da das Sensormaterial effizienter genutzt wird und eine höhere Pixelanzahl auf einer bestimmten Sensorfläche realisiert werden kann. Dies ermöglicht detailreiche Wärmebilder bei kleineren optischen Formaten.

Trotz der Vorteile kleinerer Pixelabstände werden größere Pixel weiterhin bevorzugt, wenn eine hohe Genauigkeit bei der Temperaturmessung und eine hohe thermische Empfindlichkeit entscheidend sind. Die PI640 mit einem Pixelabstand von 17 µm verdeutlicht diesen Vorteil durch ihre hohe und zuverlässige thermische Leistungsfähigkeit. Die größere Pixelfläche ermöglicht eine höhere Aufnahme von Infrarotenergie pro Pixel, was zu stärkeren thermischen Signalen und einer besseren Signalintegrität führt. Diese Eigenschaft führt zu einer niedrigeren Noise Equivalent Temperature Difference (NETD), wodurch sowohl die Genauigkeit als auch die Wiederholbarkeit der Messungen verbessert werden. Darüber hinaus sind größere Pixel insbesondere bei niedrigen Emissionsgraden oder niedrigen Temperaturen weniger anfällig für thermisches Rauschen und bieten eine höhere Robustheit in anspruchsvollen Industrieumgebungen.

Diese Eigenschaften machen Sensoren mit größeren Pixelabständen ideal für die kontinuierliche Zustandsüberwachung, die Metallverarbeitung, die Elektronikfertigung und andere Anwendungen, die präzise thermische Messungen erfordern.

Die folgenden Bilder zeigen den Unterschied in der Wärmebildqualität zwischen der PI640 und der Xi640, wobei beide dieselbe Gebäudestruktur aufnehmen.

Der Grund dafür wird deutlicher, wenn man das optische Verhalten auf Detektorebene betrachtet, wie in Abbildung 4 dargestellt. Diese Abbildung zeigt eine Draufsicht auf Bolometer-Arrays mit unterschiedlichen Pixelabständen. In diesem Beispiel ist das optische System für beide Konfigurationen identisch. Unter diesen Bedingungen wird die Leistung des Abbildungssystems durch die Anzahl der Pixel und die grundlegenden physikalischen Gesetze der Lichtausbreitung begrenzt, insbesondere durch die durch die optische Apertur festgelegte Beugungsgrenze.

Im Mittelpunkt dieser Begrenzung steht die Airy-Scheibe, ein Beugungsmuster, das den kleinstmöglichen Brennpunkt angibt, den ein Objektiv erzeugen kann. Wenn Licht durch eine kreisförmige Blende, wie beispielsweise ein Objektiv, fällt, läuft es nicht in einem perfekten Punkt zusammen, sondern bildet einen zentralen hellen Bereich, der von konzentrischen Ringen umgeben ist. Dieser zentrale Bereich ist die Airy-Scheibe, und ihr Durchmesser bestimmt die beugungsbegrenzte Spotgröße des optischen Systems. Der Durchmesser der Airy-Scheibe steht in umgekehrtem Verhältnis zur Blendengröße und in direktem Verhältnis zur Wellenlänge des Lichts. Längere Wellenlängen, wie beispielsweise im Infrarotbereich, erzeugen naturgemäß größere Airy-Scheiben als sichtbares Licht.

Bei einer Verringerung des Pixelabstands, beispielsweise von 17 µm auf 12 µm, verfügt der Sensor zwar über eine höhere Pixelanzahl, doch die optische Auflösung ändert sich nicht, da die Größe der Airy-Scheibe nicht abnimmt. Somit verteilt sich die gleiche Menge an Infrarotstrahlung auf mehr, kleinere Pixel. Das bedeutet, dass mehrere Pixel abgetastet und kombiniert werden müssen, um die gesamte Strahlungsleistung eines einzelnen beugungsbegrenzten Spots zu erfassen. In der Praxis kann dies den Einfluss des Ausleserauschens verstärken und das Signal-Rausch-Verhältnis verringern, was sich negativ auf die Leistung der Temperaturmessung auswirkt.

Zudem lassen theoretische Auflösungsverbesserungen, die mit kleineren Pixeln einhergehen, oft die realen Grenzen bei der Objektivkonstruktion und -fertigung außer Acht. Die Herstellung von Optiken, die Merkmale im Maßstab kleinerer Pixel vollständig auflösen können, ohne Verzerrungen oder Ausrichtungsprobleme zu verursachen, ist kompliziert und kostspielig. Mängel bei der Objektivfertigung, der Gleichmäßigkeit der Beschichtung und den Toleranzen bei der mechanischen Montage schränken oft die effektive Auflösung und den Kontrast ein, die das System erreichen kann – unabhängig vom Pixelabstand des Sensors.

In diesem Experiment vergleichen wir zwei Infrarotkameras mit unterschiedlichen Pixelabständen – eine mit 17 µm und die andere mit 12 µm –, um zu untersuchen, wie gut sie Temperaturen messen.

Die Analyse befasst sich mit der umschlossenen Energie, die angibt, wie viel Infrarotstrahlung in einem bestimmten Bereich des Bildes gesammelt wird. Um dies zu beurteilen, beleuchten wir zunächst die gesamte Bildebene mit einer großflächigen Schwarzkörperquelle. Dies gewährleistet, dass jedes Pixel die volle Infrarotintensität erhält. Wir projizieren das Bild deutlich größer als ein einzelnes Pixel, um eine Unterabtastung zu vermeiden.

Zwischen dem Schwarzkörper und der Kamera befindet sich eine einstellbare Blende, mit der gesteuert wird, wie groß das strahlende Objekt erscheint. Bei vollständig geöffneter Blende nimmt das zentrale Pixel die meiste Energie auf. Wenn sich die Blende schließt, gelangt weniger Energie in die Fokusebene der Kamera, und durch Beugung verteilt sich die Energie auf mehrere Pixel, wodurch die auf ein einzelnes Pixel fokussierte Energiemenge verringert wird.

Abbildung 5 veranschaulicht den Versuchsaufbau: ein Schwarzkörper bei 100 °C mit einer variablen Blende davor. Die Kameras beobachten den Aufbau, und der Einfachheit halber analysieren wir die Temperaturantwort über eine einzelne Pixelzeile im Fokalebenen-Array.

Die Wärmebildkamera mit einem Pixelabstand von 12 µm zeigt die größte Abweichung bei der Temperaturmessung. Aufgrund ihrer höheren räumlichen Auflösung kann sie feinere Details erfassen, die tatsächlich minimal messbare Strukturgröße wird jedoch weiterhin durch optische Effekte und nicht allein durch die Pixelauflösung begrenzt. In der Infrarotbildgebung begrenzen die Beugung und die Eigenschaften des optischen Systems, wie scharf die Energie auf einen Pixel fokussiert werden kann.

Diese Ergebnisse zeigen, dass sich die Temperaturmesswerte eines kleinen Objekts selbst bei ähnlicher Optik und gleichem Sichtfeld zwischen verschiedenen Kameras deutlich unterscheiden können. Beide Kameras haben bei einer Entfernung von 1 Meter nahezu identische IFOV-Werte (etwa 1 mm), ihre Temperaturmessungen unterscheiden sich jedoch aufgrund der Art und Weise, wie die Energie auf Pixelebene verteilt und erfasst wird.

In diesem Fall erzielt die Kamera mit einem Pixelabstand von 17 µm eine höhere Genauigkeit bei der Temperaturmessung. Obwohl sie größere Pixel besitzt, erfasst sie mehr Infrarotenergie pro Pixel. Dies führt zu einer höheren Signalstärke und einer verbesserten Temperaturgenauigkeit. Um in dieser Situation ein kleines Objekt zu messen, muss die Kamera mit 17 µm Pixelabstand mindestens einen Bereich von 3×3 Pixeln abdecken, während die Kamera mit 12 µm Pixelabstand einen Bereich von 4×4 Pixeln benötigt, um genügend Energie zu erfassen und zuverlässige Temperaturmesswerte zu erzielen.

Tabelle. 1. Messergebnisse einer Kamera mit unterschiedlichem Pixelabstand.

Während kleinere Pixel, wie die 12 µm der Xi640, eine höhere räumliche Auflösung und kompaktere Kameradesigns ermöglichen, verbessern sie nicht zwangsläufig die Genauigkeit der Temperaturmessung. Tatsächlich erzielen größere Pixel, wie der Pixelabstand von 17 µm bei der PI640i, bei thermischen Anwendungen häufig bessere Ergebnisse, insbesondere wenn präzise berührungslose Temperaturdaten erforderlich sind.

Größere Pixel erfassen mehr Energie, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und Messfehler reduziert werden. Letztlich hängt die Auflösungsgrenze in der Thermografie nicht nur vom Pixelabstand, sondern auch von der Qualität des optischen Systems ab. Bei den meisten industriellen Anwendungen überwiegen die Vorteile einer höheren thermischen Empfindlichkeit durch größere Pixel gegenüber den theoretischen Auflösungsvorteilen dichterer Sensorarrays.

Diese Erkenntnis ist für Anwendungen wie Brandfrüherkennungssysteme von Bedeutung, bei denen die schnelle und präzise Erkennung kleiner Hotspots entscheidend ist. Infrarotkameras mit kleineren Pixelabständen können zwar eine höhere räumliche Auflösung bieten, sie können jedoch Schwierigkeiten haben, sehr kleine Ziele rechtzeitig mit der korrekten Temperatur zu erfassen. Dies liegt daran, dass jeder Pixel weniger Infrarotenergie aufnimmt, was zu schwächeren Signalen und möglicherweise verzögerten oder ungenauen Temperaturmesswerten führt. Wenn sich die thermische Signatur eines entstehenden Brandes über mehrere kleine Pixel verteilt, können Beugung und optische Grenzen dazu führen, dass die Spitzentemperatur niedriger erscheint, als sie tatsächlich ist. Kameras mit größeren Pixelabständen nehmen dagegen mehr Energie pro Pixel auf, wodurch kleine, intensive Wärmequellen zuverlässiger erkannt werden können. Bei sicherheitskritischen Anwendungen, bei denen der Zeitpunkt entscheidend ist, wie der Überwachung kritischer Infrastrukturen oder industrieller Bereiche hinsichtlich einer frühzeitigen Brandgefahr, kann die Fähigkeit, auch von kleinen oder weit entfernten Quellen genaue Temperaturmesswerte zu erfassen, die Reaktionszeit und die Effektivität des Systems erheblich beeinflussen.