Die Vorteile der LWIR-SLS-Wärmebildkameras

Wärmebildkameras haben die Art und Weise, wie wir thermische Messungen im Bereich der Forschung und Wissenschaft durchführen, grundlegend verändert. In den letzten Jahren haben wir bedeutende Fortschritte bei der Anzeige- und Kameraelektronik erlebt, welche die Grenzen von Auflösung, Geschwindigkeit und Empfindlichkeit sprengen. Daher sind wir in der Lage, selbst die schwierigsten Anforderungen an die thermische Prüfung zu lösen, wie z.B. die Hochgeschwindigkeits-Temperaturmessung bei Airbags, die Fehleranalyse bei Elektronik im Mikrometerbereich und die optische Gasabbildung bei transluzenten Gasen. Doch erst mit der Einführung von Materialien mit verspannter Schicht des Typs II (SLS – Strained Layer Superlattice) konnten wir signifikante Fortschritte in der Wärmebildtechnik verzeichnen. Dieses neuartige Detektormaterial bringt die Leistung der Wärmebildkamera in Einklang mit ihrer integrierten Ausleseschaltung (ROIC) und den elektronischen Gegenstücken der Kamera. Die Integration von SLS in handelsübliche Wärmebildkameras ermöglicht eine neue langwellige IR-Lösung mit deutlichen Verbesserungen in Sachen Geschwindigkeit, Temperaturbereich, Gleichmäßigkeit und Stabilität, die im Vergleich zu analogen Detektormaterialien wesentlich preiswerter ist.

Geschwindigkeitsverbesserungen

SLS funktioniert sowohl im langwelligen als auch im mittleren Infrarotbereich. Die größten Leistungsvorteile ergeben sich mit entsprechender Filterung im LWIR-Band. Zu den wichtigsten Vorteilen von SLS gehören die kurzen Integrationszeiten bzw. Einzelbild-Aufnahmegeschwindigkeiten im Vergleich zu anderen Infrarot-Kameramaterialien. In den Tabellen 1 und 2 sind die Unterschiede der Leistungswerte zwischen LWIR SLS und MWIR-Indiumantimonid (InSb) dargestellt. Beim Blick auf den ersten Temperaturbereich in der ersten Zeile ist erkennbar, dass die SLS-Einzelbildaufnahme im Vergleich zu MWIR um den Faktor 12,6 schneller ist.

Schnellere Schnappschussgeschwindigkeiten ermöglichen es Ihnen Stop-Motion-Aufnahmen bei sich extrem schnell bewegenden Zielen durchzuführen, um genaue Temperaturmessungen zu erhalten. Bei zu langer Integrationszeit kann eine Unschärfe im resultierenden Bild die Temperaturmessung beeinträchtigen. Ebenso ermöglichen höhere Schnappschussgeschwindigkeiten schnellere Bildraten. Die langen Integrationszeiten von InSb und anderen Detektormaterialien führen häufig dazu, dass die Kamera mit einer Bildrate arbeitet, die unter der des Detektors liegt. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie verwenden eine Kamera, die mit einer Auflösung von 640 x 512 Pixeln bei 1000 Bildern pro Sekunde aufnehmen kann, aber sie arbeitet in einem Bandpass, der eine Integrationszeit von 1,2 ms benötigt. Die Kamera würde aufgrund der längeren Integrationszeit nicht ihr volles Bildratenpotenzial erreichen können. Dies kann bei der Aufnahme von sich schnell erwärmenden Messobjekten zu Problemen führen. Eine langsamere Abtastung kann dazu führen, dass der thermische Transient des zu prüfenden Teils ungenau charakterisiert wird, wobei möglicherweise eine kritische Temperaturspitze während des Startzyklus auf einer Elektronikplatine übersehen wird.

Größere Temperaturbereiche

Ein weiterer Vorteil der LWIR-SLS-Wärmebildkameras sind die größeren Temperaturbereiche. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, besitzt die LWIR-SLS-Kamera einen Starttemperaturmessbereich von -20 °C bis 150 °C mit einer einzigen Integrationszeit. Um denselben Temperaturbereich mit MWIR-InSb zu erreichen, müssten drei Integrationszeiten (Superframe) durchlaufen werden, die jeweils einen anderen Temperaturmessbereich repräsentieren. Das Durchlaufen von drei Temperaturmessbereichen zur Erstellung eines Superframes für den vollständigen Temperaturbereich -20 °C bis 150 °C bedeutet, dass immer nur ein Superframe für drei von der Kamera aufgezeichnete Einzelbilder entsteht. Das führt zu dreimal mehr Arbeit bei der Kalibrierung der Kamera und zu einer Reduzierung der Gesamt-Bildrate um ein Drittel.

Beim Blick auf die Tabellen 1 und 2 sehen wir außerdem, dass noch ein weiterer Punkt beachtet werden muss: Mit LWIR-SLS-Kameras können größere Temperaturbereiche gemessen werden, bevor ein ND-Filter notwendig wird. Die untersuchte SLS-Kamera ermöglicht ohne ND-Filter Messungen bis 650 °C, eine MWIR-InSb-Kamera kann ohne ND-Filter lediglich bis 350 °C messen. Teilweise liegt dies daran, dass SLS im LWIR-Band arbeitet, InSb im MWIR-Band.

Um dies zu veranschaulichen, schauen wir uns die Grafik in Abbildung 1 an, welche die spektrale Strahlungsleistung eines idealen schwarzen Strahlers bei 30 °C zeigt. Der Bereich unter der Kurve stellt die Leistung innerhalb dieses Wellenbands dar, die beim LWIR-Band wesentlich größer ist als beim MWIR-Band. Wenn wir uns Abbildung 2 ansehen, stellen wir fest, dass sich der Spitzenwert der repräsentativen spektralen Strahlungsleistungskurve nach links verschiebt und nach rechts abfällt. Die Leistungsänderung des LWIR-Bands ist über eine Temperaturspanne hinweg weniger dramatisch als die des MWIR-Bands. Auf diese Weise kann der LWIR-SLS-Detektor im Vergleich zum MWIR-InSb-Detektor eine Über- oder Unterbelichtung bei einer bestimmten Integrationszeit vermeiden. Beachten Sie, dass die Leistungsänderung im MWIR-Band beträchtlich ist. Wenn sich also ein Objekt erwärmt, würde die Kamera bei einer einzigen Integrationszeit schnell sättigen.

Insgesamt lässt sich sagen, dass mit SLS schwierige Anwendungen bearbeitet werden können, bei denen sich ein Objekt sehr schnell über einen großen Temperaturbereich aufheizt, ein Verhalten, das zum Beispiel bei Verbrennungsuntersuchungen typisch ist.

Die Nutzung des LWIR-Bandes ist jedoch nicht der einzige Faktor. Wenn wir LWIR-Kadmium-Quecksilber-Tellurid-Detektoren (LWIR-MCT-Detektoren) betrachten, wird deutlich, dass ihre Bereiche ähnlich begrenzt sind wie bei MWIR-InSb-Detektoren. Die LWIR-MCT-Kameras haben nicht nur kleinere einzelne Bereiche pro Integrationszeit, sondern benötigen auch bei niedrigeren Werten einen ND-Filter zum Abschneiden des Signals (siehe Tabelle 3).

Verbesserte Uniformität und Stabilität bei geringeren Kosten

Zu den besten Merkmalen der LWIR-SLS-Kameras im Vergleich zu anderen gekühlten LWIR-Kameras gehören die dramatischen Verbesserungen bei Uniformität und Stabilität während der Abkühlungsvorgänge, insbesondere im Vergleich zu LWIR-MCT-Kameras. LWIR-MCT-Detektoren leiden generell unter geringer Uniformität und Stabilität. Deshalb muss nach jedem Einschalten einer LWIR-MCT-Kamera die letzte Uniformitätskorrektur erneuert werden (siehe Abbildung 3).

Dies stellt bei feldbasierten Anwendungen Probleme dar, die für Geräte ungünstig sind, die aufgrund von Umgebungsbedingungen eine Aktualisierung von Verstärkungs-, Versatz- und schlechten Pixelkarten erfordern. Zu diesen Anwendungen kann die Fernsteuerung der in einer Prüfkammer befindlichen Kamera oder die Steuerung der Kamera von außerhalb des Explosionsbereichs bei einer staatlichen Prüfanlage gehören. Im Vergleich dazu funktioniert eine LWIR-SLS-Kamera ähnlich wie eine MWIR-InSb-Kamera, d. h. Sie müssen diese lediglich einschalten und können dann mit dem Prüfen beginnen (siehe Abbildung 4). Die im Labor durchgeführte Uniformitätskorrektur funktioniert vor Ort genauso gut, ohne dass über eine eventuelle Ein-Punkt-Versatz-Aktualisierung mit dem internen Uniformitätskorrektur-Kennzeichen der Kamera hinaus zusätzliche Bilduniformitäts-Aktualisierungen durchgeführt werden müssen. Die Uniformitätskorrektur bleibt auch durch mehrfaches Abkühlen über einen langen Zeitraum erhalten. Bei der für diesen Artikel getesteten Kamera war seit dem ersten Einsatz der Kamera vor mehr als einem Jahr keine neue Uniformitätskorrektur erforderlich.

SLS-Kameras sind teurer als vergleichbare MWIR-InSb-Modelle, aber 40 Prozent günstiger als vergleichbare LWIR-MCT-Kameras. Wenn eine Anwendung also kürzere Belichtungszeiten, größere Temperaturbereiche oder spektrale Signaturen benötigt, die nur mit gekühlten LWIR-Detektor-Kameras realisiert werden können, bieten SLS-Kameras klare Kosten- und Uniformitätsvorteile im Vergleich zu derzeit verfügbaren LWIR-MCT-Detektor-Produkten.

Zusammenfassung

SLS-LWIR-Detektormaterialien erscheinen äußerst attraktiv, weil sie eine perfekte Nische im Leistungs-/Preisspektrum belegen. Sie bieten kürzere Integrationszeiten und weitere Temperaturbereiche als MWIR-InSb- und LWIR-MCT-Materialien, sowie bessere Uniformität, Stabilität und niedrigere Preise als LWIR-MCT-Kameras. Ein SLS-LWIR-Detektor ist eine perfekte Option, wenn Ihre Anwendung diese spezielle Mischung von Leistung und Preis verlangt.