Wärmebild- oder Infrarotkamera

Der Unterschied zwischen Infrarotkameras und Wärmebildkameras

Infrarot- und Wärmebildkameras werden oft in einem Atemzug genannt, doch sie haben unterschiedliche Aufgaben und Fähigkeiten. Im weitesten Sinne sind Wärmebildkameras eine spezielle Untergruppe der Infrarotkameras. Alle Wärmebildkameras sind Infrarotkameras, aber nicht alle Infrarotkameras sind in der Lage, Temperaturen zu messen, wie es Wärmebildkameras tun.

Der Begriff „Infrarotkamera“ kann sich auf jede Kamera beziehen, die Infrarotstrahlung erfasst, einschließlich Geräten für die Nachtsicht oder für spezielle Bildverarbeitungsanwendungen. Eine Wärmebildkamera, auch als Infrarot-Thermografiekamera bezeichnet, ist ein Infrarotgerät, das darauf ausgelegt ist, Oberflächentemperaturen zu erfassen und kompensierte sowie kalibrierte Temperaturdaten zu liefern.

Bei Optris werden die Begriffe Infrarotkamera und Wärmebildkamera oft synonym verwendet, da die Unterscheidung zwischen ihnen im alltäglichen Sprachgebrauch nicht streng ist. Da alle Optris-Kameras radiometrisch sind und im Infrarotbereich arbeiten, ist die praktische Unterscheidung zwischen den beiden Begriffen weniger entscheidend, und beide werden üblicherweise für dieselben Produkte verwendet.

Wärmebildkameras sind so konstruiert, dass sie emittierte Infrarotenergie direkt messen und in ein Temperaturkartenbild umwandeln. Eine Wärmebildkamera erfasst die Wärmesignaturen aller Objekte in ihrem Sichtfeld und erzeugt ein Thermogramm – ein Bild, bei dem die Pixelintensität oder Farbe die Temperatur des Objekts angibt. Diese Wärmebildkameras arbeiten radiometrisch.

Eine radiometrische Wärmebildkamera wurde unter Berücksichtigung der Physik der Wärmestrahlung, des Sensorverhaltens und der optischen Transmission anhand bekannter Temperaturstandards kalibriert. Dadurch enthält das Ausgabebild für jedes Pixel absolute Temperaturinformationen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Infrarotkameras liefert eine Wärmebildkamera Temperaturwerte statt nur Helligkeitsstufen. Jedes Pixel im Wärmebild entspricht einer realen, messbaren Oberflächentemperatur. Die Daten können neben der visuellen Inspektion auch für quantitative Analysen, die Prozesssteuerung und die automatisierte Entscheidungsfindung genutzt werden. Optris-Wärmebildkameras werden als radiometrisch bezeichnet, da es sich um kalibrierte Instrumente zur Temperaturmessung handelt und nicht nur um Geräte zur Infrarot-Visualisierung.

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Einsatzzwecke verwenden Infrarot- und Wärmebildkameras unterschiedliche Sensortechnologien. Eine typische Infrarotkamera für den Nah-IR-Bereich nutzt möglicherweise einen Sensor auf Siliziumbasis oder eine Bildverstärkerröhre, um IR-Photonen knapp jenseits des sichtbaren Lichts zu erfassen. Diese Sensoren behandeln IR-Strahlung ähnlich wie sichtbares Licht, und das Ergebnis ist ein Bild, bei dem die Helligkeit der Menge an IR-Licht entspricht, die auf jedes Pixel trifft.

Eine Wärmebildkamera hingegen verwendet in der Regel anstelle eines herkömmlichen Fotosensors ein Mikrobolometer oder eine andere Anordnung von Wärmedetektoren. Mikrobolometer sind winzige Wärmesensoren, die häufig aus Materialien wie Vanadiumoxid oder amorphem Silizium bestehen und deren elektrischer Widerstand sich ändert, wenn sie durch einfallende Infrarotstrahlung erwärmt werden. Jedes Pixel in der Sensoranordnung absorbiert die IR-Energie der Szene und erwärmt sich proportional zum einfallenden Infrarotfluss. Die Wärmebildkamera wandelt diese Veränderungen für jedes Pixel in elektrische Signale um. Da die Wärmedetektoren auch ohne einfallende Strahlung ein Signal erzeugen, weist jedes Pixel einen Dunkelwert auf, der einen Offset bildet, der von den Messwerten abgezogen werden muss. Daher führt eine Wärmebildkamera regelmäßige Selbstkalibrierungen durch, die als Ungleichmäßigkeitskorrektur bezeichnet werden, um die Genauigkeit über den gesamten Detektor hinweg aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck bedeckt ein Shutter-Flag, das geschwärzt ist, um wie ein schwarzer Körper zu wirken, den Detektor in regelmäßigen Abständen, um das aktuelle Dunkelbild aufzuzeichnen. Diese Werte werden dann von den nachfolgenden Bildern abgezogen. Während der Aufwärmphase erfordert die Temperaturdrift des Chips häufige Flag-Zyklen, um die Genauigkeit aufrechtzuerhalten.

Wärmebildkameras erfordern eine radiometrische Kalibrierung, um Sensorsignale präzise in Temperaturwerte umzuwandeln. Sie erfassen die Intensität der in jedem Pixel erfassten Infrarotstrahlung und leiten anhand interner Modelle und Kalibrierungsdaten die tatsächliche Temperatur des Objekts an diesem Pixel ab. Eine nicht-radiometrische Infrarotkamera liefert zwar möglicherweise ein ähnlich aussehendes Bild, doch die Pixelintensitäten stehen in keinem festen Verhältnis zur tatsächlichen Temperatur. Sie stellen lediglich relative Helligkeitswerte im Infrarotspektrum dar.
Wärmebildkameras visualisieren und messen Wärme, während andere IR-Kameras lediglich Licht im IR-Spektrum sichtbar machen.

Praktisches Anwendungsbeispiel zur Unterscheidung von Wärmebildkameras und reinen Infrarotkameras

In der Praxis sind alle Wärmebildkameras Infrarotkameras, bilden jedoch eine spezielle Kategorie, die für die radiometrische Thermografie ausgelegt ist. Man könnte viele Geräte als „Infrarotkameras“ bezeichnen, von Nachtsichtgeräten bis hin zu IR-empfindlichen Bildverarbeitungskameras, doch diese sind möglicherweise nicht thermografisch.

Beispielsweise könnte eine IR-Überwachungskamera bei Nacht den Bereich mit Nah-IR-Licht bestrahlen und das reflektierte IR-Licht erfassen, um ein klares Bild in der Dunkelheit zu erzeugen. Nicht-thermische Infrarotkameras können Bilder mit feinen Details von Objekten erzeugen, doch diese Bilder geben an sich keinen Aufschluss über die Temperaturen der Objekte, da die Kameras keiner radiometrischen Kalibrierung unterzogen werden und möglicherweise keinen integrierten Verschluss für Offset-Korrekturen besitzen.

Zur Veranschaulichung sei ein Beispiel aus der Industrie angeführt: Angenommen, wir haben einen Durchlaufofen in einer Fabrik und müssen sicherstellen, dass die Produkte auf 200 °C erhitzt werden. Eine am Ofenausgang installierte Wärmebildkamera kann die Temperatur jedes herauskommenden Gegenstands direkt messen und ein Wärmebild anzeigen, auf dem die Gegenstände hell leuchten, wenn sie die Zieltemperatur erreicht haben, und sogar einen Alarm auslösen, falls ein Gegenstand unterhitzt ist. Eine herkömmliche IR-Kamera würde, selbst wenn sie die Gegenstände im Dunkeln erkennen könnte, lediglich eine Graustufen- oder Falschfarbendarstellung auf Basis des IR-Kontrasts liefern. Sie würde die Gegenstände möglicherweise als leuchtend anzeigen, wenn sie rotglühend sichtbar sind, doch bei 200 °C leuchten sie möglicherweise nicht sichtbar. Während die Wärmebildkamera Messdaten liefert, die eine Prozesssteuerung ermöglichen, würde eine generische IR-Kamera lediglich eine visuelle Überprüfung ermöglichen.

Die Wahl zwischen Wärmebild- und Infrarotkameras

Die Entscheidung zwischen einer Infrarotkamera und einer Wärmebildkamera im technischen Kontext hängt letztlich von den benötigten Informationen ab.

Verwenden Sie eine Infrarotkamera (keine Wärmebildkamera), wenn eine visuelle Bildgebung im IR-Bereich ausreichend ist oder gewünscht wird. Wenn das Ziel darin besteht, ein Objekt im Dunkeln oder durch bestimmte optische Filter zu erkennen oder eine visuelle Inspektion unter IR-Beleuchtung durchzuführen, ist eine Standard-IR-Kamera geeignet. Diese Kameras sind in der Regel kostengünstiger als Wärmebildkameras und bieten eine höhere Bildauflösung und Bildschärfe zur Identifizierung von Objekten. In der industriellen Automatisierung werden IR-Kameras manchmal zusammen mit Kameras für den sichtbaren Bereich eingesetzt, um zusätzlichen Kontrast für eine verbesserte visuelle Analyse zu erzielen.

Verwenden Sie eine Wärmebildkamera, wenn tatsächliche Temperaturdaten benötigt werden. Wenn die Aufgabe die Überwachung oder Regelung der Temperatur umfasst, beispielsweise um einen Prozess innerhalb einer thermischen Toleranz zu halten, Geräte vor Überhitzung zu schützen oder thermische Anomalien zu erkennen, ist eine kalibrierte Wärmebildkamera unverzichtbar.