Gekühlt oder ungekühlt?

Wärmebildkameras mit einem gekühlten Detektor haben einige Vorteile gegenüber solchen mit ungekühltem Detektor. Allerdings sind sie auch teurer. Eine moderne gekühlte Wärmebildkamera hat einen Bildsensor mit einem integrierten Kryokühler, der die Sensortemperatur auf tiefe (krygene) Temperaturen absenkt. Diese Absenkung ist notwendig, um das wärmeinduzierte Rauschen permanent auf ein Niveau zu reduzieren, das unterhalb des Signalpegels liegt, den der erfasste Gegenstand oder Bereich an die Umgebung abstrahlt.

Kryokühler sind mit beweglichen Teilen ausgestattet, die mit äußerst geringen mechanischen Toleranzen gefertigt werden und sich mit der Zeit abnutzen. Zusätzlich sind sie mit einer bestimmten Menge Helium befüllt, die allmählich durch die Gasdichtungen nach außen entweicht. Irgendwann nach 10.000-13.000 Betriebsstunden muss der Kryokühler erneuert werden.

Die Vorteile der ungekühlten Kameras führen zwangsläufig zur folgenden Frage: Wann ist es besser, für Anwendungen in Forschung und Wissenschaft eine gekühlte Wärmebildkamera zu verwenden?

Die Antwort lautet: Das hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.

Sie wollen oder müssen selbst kleinste Temperaturunterschiede innerhalb kurzer Zeitabstände erkennen, stets die bestmögliche Bildqualität nutzen, sich schnell bewegende oder erwärmende Zielobjekte messen, das Wärmeprofil oder die Temperatur eines sehr kleinen Zielobjekts erkennen oder messen, die Wärmeobjekte in einem ganz bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums sichtbar machen oder Ihre Wärmebildkamera mit anderen Messinstrumenten synchronisieren? Dann ist eine gekühlte Wärmebildkamera für Sie in jedem Fall die beste Wahl.

Vergleichsbeispiele

Hochgeschwindigkeit

Diese Infrarotbilder zeigen im Vergleich die Aufnahmen eines sich mit 32 km/h drehenden Autorades. Das linke Bild wurde mit einer gekühlten Wärmebildkamera aufgenommen. Man könnte meinen, dass sich das Rad nicht dreht, sondern steht. Dieser Eindruck resultiert aus der besonders hohen Bilderfassungsrate der gekühlten Kamera, die das Rad mitten in der Bewegung gestochen scharf abbilden kann. Die Bilderfassungsrate der ungekühlten Kamera ist dafür einfach zu gering, weshalb die Radspeichen transparent erscheinen.

Räumliche Auflösung

Die Wärmebilder zeigen im Vergleich die jeweils maximale Vergrößerung bei Nahaufnahmen, die mit einem gekühlten und einem ungekühlten Kamerasystem möglich sind. Das linke Bild wurde von einer gekühlten IR-Kamera mit 4-fach-Makroobjektiv und 13 μm Detektorabstand aufgenommen. Das Resultat ist ein 3,5 μm großer Messpunkt. Das rechte Bild wurde von einer ungekühlten IR-Kamera mit 1-fach-Makroobjektiv und 25 μm Detektorabstand aufgenommen. Das Resultat ist ein 25 μm großer Messpunkt. Gekühlte Kameras erfassen kürzere Infrarot-Wellenlängen und haben daher im Vergleich zu ungekühlten Kameras in der Regel eine bessere Vergrößerungsleistung. Da gekühlte Kameras höhere Empfindlichkeitswerte haben, können Objektive mit mehreren oder stärkeren optischen Elementen verwendet werden, um eine bessere Vergrößerungsleistung zu erzielen, ohne dadurch den Signalrauschabstand zu verschlechtern.

Empfindlichkeit

Häufig lässt sich nur schwer abschätzen, welche Vorteile die besseren Empfindlichkeitseigenschaften einer gekühlten Wärmebildkamera bieten. Denn wie muss man sich den geringfügigen Empfindlichkeitsunterschied von 50 mK bei einer ungekühlten Wärmebildkamera gegenüber 20 mK bei einer gekühlten Wärmebildkamera in der Praxis vorstellen? Um dies zu veranschaulichen, haben wir ein kleines Experiment gemacht. Jemand hat seine Hand einige Sekunden lang auf eine Wand gelegt, um darauf einen entsprechenden Wärmeabdruck zu hinterlassen. Die ersten beiden Bilder zeigen den Abdruck, direkt nachdem die Hand wieder von der Wand weggenommen wurde. Und das zweite Bildpaar zeigt dieselbe Wärmesignatur zwei Minuten später. Wie man sieht, erkennt die gekühlte Kamera immer noch einen Großteil der Wärmesignatur, die ungekühlte Kamera dagegen nur noch einen schwachen Rest davon. Die gekühlte Kamera kann also im Vergleich zur ungekühlten Kamera geringere Temperaturunterschiede wesentlich länger erkennen und besser darstellen. Das bedeutet, dass die gekühlte Kamera detailreichere Bilder Ihrer Zielobjekte liefert und selbst kleinste Temperaturunterschiede darauf erkennen lässt.“

Spektralfilter

Einer der größten Vorteile von gekühlten Wärmebildkameras ist, dass man damit eine einfache Spektralfilterung vornehmen kann, die Details sichtbar und Messungen möglich macht, die mit ungekühlten Wärmebildkameras entweder unsichtbar bleiben würden oder gänzlich unmöglich wären. Im ersten Beispiel haben wir einen Spektralfilter verwendet, der sich entweder in einer Filterhalterung hinter dem Objektiv oder direkt in der Dewar-Detektorbaugruppe befindet, um eine offene Flamme mit Wärmebildtechnik für das menschliche Auge "transparent" zu machen. In unserem Beispiel ging es dem Anwender darum, die Verbrennung von Kohlepartikeln direkt in einer offenen Flamme zu messen und zu charakterisieren. Mit einem Spektral-Infrarotfilter, mit dem man quasi durch die Flamme „hindurchsehen“ kann, haben wir bei einer gekühlten Kamera genau den spektralen Wellenlängenbereich der Flamme herausgefiltert, in dem diese für das menschliche Auge "transparent" und die Verbrennung der Kohlepartikel darin sichtbar wird. Das erste Bild wurde ohne diesen Flammenfilter aufgenommen, so dass darauf lediglich die Flamme selbst zu sehen ist. Auf dem zweiten Bild, das mit dem Flammenfilter aufgenommen wurde, ist die Verbrennung der Kohlepartikel jedoch deutlich zu erkennen.

Das zweite Beispiel zeigt die Aufnahme einer gekühlten IR-Kamera, bei der ein Stickstoffoxidfilter verwendet wurde, um den Stickstoffanteil in der Infrarotstrahlung „sichtbar“ zu machen. Die Anwendung bestand darin, eine bessere Lachgasmaske und ein besseres Auffangsystem zu entwickeln; wobei im ersten Bild das ältere und im zweiten Bild das neue Maskendesign gezeigt wird. Wie man sieht, entweicht beim älteren Maskendesign ein erheblicher Teil des Lachgases in den Raum, was aus verschiedenen Gründen bedenklich ist. Das neue Maskendesign zeigt nur eine geringe Undichtigkeit und scheint die bessere Lösung zu sein.