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Grundlagen Wärmebildkamera

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Agenda

1 Allgemeines

2 Grundlagen

3 Historische Entwicklung

3 Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera

4 Einsatzanforderung

5 Aufbau einer Wärmbildkamera

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Reflexion

VISUELLES BILD

WÄRMEBILD

Wärmestrahlung

Wärmebild Allgemeines Unterschied zum optischen Bild

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Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oder Bolometer). Im kurzwelligen Bereich werden Halbleiterdetektoren verwendet – auch Digitalkameras eignen sich dafür, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich auch spezielle fotografische Filme. Bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterempfänger oder pyroelektrische Sensoren (Anwendung z. B. im PIR-Bewegungsmelder) verwendet.Bildgebende Sensoren haben für die Thermografie, die Infrarotastronomie (Blick durch interstellare Staubwolken möglich) und Nachtsichtgeräte Bedeutung.Im Lauf der Zeit wurden die unterschiedlichsten Infrarotstrahler entwickelt, um Infrarotstrahlung zu erzeugen

Quelle:http://de.wikipedia.org/wiki/Infrarotstrahlung

Wärmebild AllgemeinesVon der Wärmestrahlung zum Wärmebild

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Restlichtverstärker:

Das Restlicht wird vorne in der Objektiv-Linse gesammelt und durch eine Reihe optischer Linsen an die elektronische Verstärkerröhre oder E.I.T. (Electronic Intensifier Tube) genannt, weitergegeben.Gesammelte Energie schlägt Elektronen aus dem Schirm der Kathode. Die selbe Energie baut ein hochstatisches Feld auf und schleudert Elektronen zum phosphoreszierenden Schirm, eine empfindliche Schicht am Ende der Verstärkerröhre. Die Elektronen schlagen mit einer hohen Geschwindigkeit auf diesen Schirm und bringen ihn auf diese Art und Weise zum erleuchten.Dieser Vorgang produziert ein Bild, welches durch die Okular-Linse vergrößert wird.Wenn man nun durch die Okular-Linse schaut, scheint es, als würde man durch ein übliches Optisches Gerät schauen, man sieht das Bild jedoch in monochronem Grün.

Die Okular-Linse dient zusätzlich, zum Einstellen der individuellen Sehstärke.Die Objektiv-Linse dient zur Justierung des Fokus anhand der Sehstärke

Nachsichtgerät Allgemeines Funktion und Aufbau

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- Kathode: Der Pol, der an den Minuspol einer Spannung angelegt wird um Strom zu erhalten ist die Kathode

- Hochstatisches Feld: Elektrisch aufgeladenes Spannungsfeld, das bei Auftreffen der Energie (Infrarot oder Restlicht) Elektronen freisetzt

- Okular: Dem Auge zugewandte Linse eines optischen Gerätes

Nachtsichtgerät Allgemeines Funktion und Aufbau

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Nachsichtgerät Allgemeines Anwendungsbeispiele

Zivile Anwendung

Militarische Anwendung

GrenzkontrolleWild im Wald

Wild auffinden nach einem Verkehsunfall

Bild

quel

le:w

ww

. waf

fen-

faud

e.de

, ww

w.b

ljv.a

t, cg

i.eba

y.at

und

trie

bel-s

hop

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Thermal- und Infrarot- Nachtsichtgeräte

Ein thermales Nachtsichtgerät ist im Grunde eine Weiterentwicklung des passiven Infrarot-Nachtsichtgerätes. Beide liefern Bilder von Wärmestrahlungen. Der Unterschied dieser beiden Nachtsichtgeräte ist, dass das passive Nachtsichtgerät das Ziel erst mit einem Infrarotstrahl bestrahlen muss. Im Krieg ist das infrarote Nachtsichtgerät weniger geeignet, da der Gegner durch den Strahl die Position des Anderen erfährt.Das Thermal-Nachtsichtgerät jedoch nimmt die Wärmestrahlen des Ziels auf, ohne sich sichtbar zu machen. Allerdings kostet es zwischen 10.000 und 15.000 Euro.Infrarot-Nachtsichtgeräte werden mittlerweile nicht mehr hergestellt, was nicht an der Leistung liegt, sondern am Gewicht.

Nachsichtgerät Allgemeines Funktion und Aufbau

- Infrarot: Unsichtbare Wärmestrahlung, die im Lichtspektrum (siehe Übersicht Nachtsichtgeräte) zwischen dem roten Licht und den kürzesten Radiowellen liegt

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Agenda

1 Allgemeines

2 Grundlagen





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• Infrarote Strahlung hat die gleiche Natur / Ursprungsort wie Licht

• Sie breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus

• Der Unterschied zwischen Licht und Infrarot ist die Wellenlänge

• Das Elektromagnetische Spektrum definiert andere Arten von

elektromagnetischer Strahlung in unserer Umgebung

ELEKTROMAGNETISCHESTRAHLUNG

WärmebildkameraGrundlagen

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Weißes Licht besteht aus einem Spektrum an Farben

Licht ist nicht “unteilbar” wie man bis dahin dachte

Sir Isaac Newton, 1666

PRISMA


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Sir William Herschel, 1800

Variieren die Farben des Spektrums in der Temperatur?

Herschel benutzte ein Prisma , um das Licht in seine Einzelfarben zu teilen und entdeckte so den Infrarotbereich.


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Blau- am kältesten, Rottöne am wärmsten

Jenseits von rot wird es noch wärmer!

Herschel’s Entdeckung:


Gamma-Gamma-strahlenstrahlen

Röntgen-Röntgen-strahlenstrahlen UVUV IRIR RadiowellenRadiowellen

WellenlängeWellenlängein µmin µm

0,40,4 0,80,8 33 151566 88 1414

sichtbarsichtbarnahesnahes

IRIRmittleresmittleres

IRIR fernes Infrarotfernes Infrarot

ArbeitsbereichArbeitsbereichder Wärmebildkamerader Wärmebildkamera

8 – 14 µm8 – 14 µm

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Wärmestrahlung wird von allen Gegenständen abgestrahltWird verursacht durch die Bewegung und Rotation der Moleküle in der Materie

Die molekulare Aktivität nimmt mit der Temperatur zuDie infrarote Strahlung nimmt zu mit steigener molekularer Aktivität

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Was ist infrarote Strahlung ?

• Infrarote Strahlung ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums

• Es ist eine Energie, die von uns als Wärme wahrgenommen wird

• Alle Körper über dem absoluten Nullpunkt von 0 °K oder – 273 °C absorbieren infrarote Strahlung

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Was ist ein Wärmebild ?

Wärmebilder sind: - die Erkennung von infraroter Strahlung - die Umwandlung der Energieaufnahme in ein sichtbares Bild

Ein Wärmebild ist die Darstellung unterschiedlicher Temperaturen eines Objektes (oder einer Person)

1°C 17°C 48°C 125°C

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Unterschied zwischen sichtbarem Licht und infraroter Strahlung:

Sichbares Licht:

- Teil des elektromagnetischen Spektrum, welches das menschliche Auge erkennen und verarbeiten kann - Spektralfarben: Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot

Infrarot:

-Teil des Spektrums ausserhalb des sichbaren Bereiches (hinter dem roten Licht)

- Infrarote Wellenlänge: nah = 0,75 - 1,5 µm

mittel = 3,0 - 8,0 µm lang = 8,0 - 15,0 µm für Feuerwehren geeignet

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ABSCHWÄCHUNG DER WÄRMESTRAHLUNG - DURCH ATMOSPHÄRE

IR - optische Fenster: 1.: bis 2,5 µm 2.: 2/3 bis 5 µm 3.: 8 bis 12 µm

Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für optische Strahlung :

Strahlungsdämpfung durchWechselwirkungen mit Bestandteilen

der Atmosphäre:Gase, Aerosole, Wasserdampf, u.a.


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Unterschied zwischen sichtbarem Licht und infraroter Strahlung:

Sichtbares Licht:

sichtbares Licht wird durch z.B. Rauchpartikel

geblockt

Infrarot:

infrarote Strahlung geht

durch Rauch hindurch

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WÄRMEBILD Wärmestrahlung

Ursachen- Rauch- Wassernebel- Ruß- unverbrannte und verbrannte organische und anorganische Bestandteile

Ursachen-Interpretationsfehler-Sichtverhältnisse

Aber : Empfindlichkeit im Bereich8-12 µm und Temperaturauflösung von 0,05 K gewährleisten „ausreichenden Durchblick“


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Eine weitere Voraussetzung für die Anwendung von Wärmebildkamera´s (kurz WBK) ist eine Temperaturdifferenz.Die daraus resultierenden Ergebnisse werden im Bild darsgestellt.

Stand der Technik : 0,05 ° C

1°C 17°C 48°C 125°C

Detektieren - Auswertung – Darstellung

WärmebilderGrundlagen

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Agenda

1 Allgemeines

2 Grundlagen


3 Funktionsprinzip einer Kamera



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WärmebildkameraHistorische Entwicklung

Geschichte der Wärmebildkameras

Die Technologie wurde um 1960 ursprünglich für das Militär entwickelt

1987 kam die erste Kamera für die Feuerwehr auf den Markt

Wärmebildkameras sind die bedeutendste Innovation für Feuerwehren in den letzten 15 Jahren

Heute gibt es drei Sensoren aus verschiedenen Materialien, welche für bei Wärmebildkameras verwendet werden:

barium strontium tinanat (BST), Vanadium Oxid (VOx), und amorphesSilikon (aSi)

Weltweit sind heute ca. 60.000 Wärmebildkameras im Einsatz Weiteste Verbreitung: USA, Großbritannien, Deutschland

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die Wärmebildkamera ist größte Innovation im Feuerwehrwesen der letzten Zehn Jahre

zahlenmäßig führend: USA-GB-D; England -Pionier der Entwicklung

rasche Verbreitung inEuropa nach der Interschutz Hannover 1995Herstellung in den USA und GB, A und CN.

WärmebildkameraHistorische Entwicklung

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Historische EntwicklungEin Modell-Überblick

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Röhren (Vidicon Tube)

erste Generation

entwickelt in den 70er Jahren

Technik ähnlich einer Fernsehkamera

sehr empfindlich gegen Temperatur und Stöße

begrenzte Haltbarkeit

für Feuerwehreinsatz eher ungeeignet

Historische EntwicklungErste Generation

Die ersten Geräte waren Röhrenkameras mit „rundem“, recht unscharfen Bild.

Röhrenkamera-Bild BST- oder Mikrobolometerkamera-Bild

Moderne Kameras arbeiten nach der BST (Barium-Strontium-Titanat) oder Mikrobolometer-Technologie

Historische EntwicklungErste Generation

Insgesamt verbesserte Bilddarstellung (Auswertung)

●Farbige Darstellung der Hitzezonen

●Direkte Temperaturanzeige

●Übertragungsmöglichkeit nach außen…

Die wichtigste Neuerung ist allerdings die Verkleinerung (=Gewichtsersparnis) der Kameras

Optimierungen in den letzten Jahren

Historische EntwicklungAllgemeine Trends

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BST – Barium-Strontium-Titanat

Entwicklung in den 80er Jahren

Sensor mit 320 x 240 Bildpunkten

nur Messung von Temperaturänderung möglich

rotierende Scheibe mit 30 U/min

mechanische Blende für Überstrahlungsschutz

8-bit-System mit 256 Graustufen

Historische EntwicklungBST-Technologie

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neueste Sensortechnik – seit 1992 für den zivilen Bereich verfügbar

Sensor mit 320 x 240 Bildpunkten Kleinbildkameras: 160 x 120

höhere Messempfindlichkeit

statische Messung mit 60 Bildern pro Sekunde

keine beweglichen Teile

12-bit-System mit 4096 Graustufen

Überstrahlungsschutz und Helligkeitskontrolle ohne mechanische Blende möglich

Historische EntwicklungMicrobolometer

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Agenda

1 Allgemeines

2 Grundlagen





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WärmebildkameraFunktionsprinzip

Wie entsteht ein Wärmebild ?

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IR StrahlungIR Strahlung IR DetektorIR Detektor Signal ProzessorSignal Prozessor

Elektronisches Signal

LCD BildschirmLCD BildschirmIRIRLinseLinse

F.P.A. = Focal Plane ArrayF.P.A. = Focal Plane Array

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IR LensShutter /Iris or

Chopper

DetectorPreamp

FPADetector

Digital ImageProcessing


Object /Scene

Display

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IR LensShutter /Iris or

Chopper

DetectorPreamp

FPADetector



Object /Scene

Display

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DetectorPreamp Display


Das thermische Bild wird durch den Sensor erst in elektrische Signale und dann mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoftware in ein sichtbares Bild umgewandelt, welches auf einem Bildschirm (z.B. LCD) dargestellt wird. Im Gegensatz zum BST Sensor führt die thermische Strahlung beim Microbolometer zu einer Widerstandsänderung und nicht zu einer Kapazitätsänderung. Das bedeutet, dass der Microbolometer Sensor auch ein Signal bei gleichbleibender Strahlungsintensität abgibt (z.B. unbewegtes Bild). Eine sich bewegende Scheibe (Chopper) ist daher nicht notwendig. Umso höher die Temperatur, umso höher das elektrische Signal und umso weißer wird das Pixel dargestellt. Wegen der erhöhten dynamischen Empfindlichkeit, kann der Microbolometer bis zu 60-mal pro Sekunde ein neues Bild abgeben. Dies führt zu einem weicheren und klareren Bild. Mit den MB Kameras wurde auch das erste mal die Farbdarstellung bei FW-Kameras eingeführt d.h. heiße Bereiche (bzw. gesättigte Bereiche des Bildes) können rot eingefärbt darrgestellt werden. Diese gibt einen schnellen visuellen Überblick über die Szene.


IR Mikrobolometer-Detektor


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Interpretation von Wärmebildern: • Heisse Objekte → Weiss oder helle Darstellung • Kalte Objekte → Schwarz oder dunkle Darstellung

Heisses WasserHeisses Wasser Kaltes WasserKaltes Wasser

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Agenda

1 Allgemeines

2 Grundlagen





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Sinne

Sehen X

Schmecken X

Hören X

Riechen X

Tasten

im Feuer erwarten Sie…

• erhöhte Lautstärke

• Feuer breitet sich aus - der Rückzug ist abgeschnitten ??

• abströmende Luft vom Pressluftatmer

• ansteigende Lufttemperatur

• ansteigende Körpertemperatur

• unsichtbare Hindernisse

• unsichtbare Risiken

• Opfer in Lebensgefahr?

Durch Menschen verursachte + natürliche Einflüsse

WBK kann helfen das „Sehen“ wesentlich zu verbessern

Zeit

Str

essn

ivea

u

WärmebildkameraEinsatzanforderungen

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2 Grundlagen





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Agenda

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2 Grundlagen





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SchalterFrontgehäuse

IR Sensor mit Signal-verarbeitung

IR Objektiv

HinteresGehäuse

LCD Display

LCD Gehäuse

WärmebildkameraBauteile einer Kamera

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

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