Grundlagen Wärmebildkamera

Präsentation zum Thema: "Grundlagen Wärmebildkamera"—  Präsentation transkript:

1 Grundlagen Wärmebildkamera

2 Agenda 1 Allgemeines Grundlagen Historische Entwicklung
Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4 Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

3 Wärmebild Allgemeines Unterschied zum optischen Bild
Reflexion VISUELLES BILD WÄRMEBILD Wärmestrahlung

4 Wärmebild Allgemeines Von der Wärmestrahlung zum Wärmebild
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:

5 Nachsichtgerät Allgemeines Funktion und Aufbau
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

6 Nachtsichtgerät Allgemeines Funktion und Aufbau
- 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

7 Nachsichtgerät Allgemeines Anwendungsbeispiele
Zivile Anwendung Wild im Wald Grenzkontrolle Bildquelle:www. waffen-faude.de, cgi.ebay.at und triebel-shop Wild auffinden nach einem Verkehsunfall Militarische Anwendung

8 Nachsichtgerät Allgemeines Funktion und Aufbau
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 und Euro. Infrarot-Nachtsichtgeräte werden mittlerweile nicht mehr hergestellt, was nicht an der Leistung liegt, sondern am Gewicht. - Infrarot: Unsichtbare Wärmestrahlung, die im Lichtspektrum (siehe Übersicht  Nachtsichtgeräte) zwischen dem roten Licht und den kürzesten Radiowellen liegt

9 Agenda 1 Allgemeines Grundlagen Historische Entwicklung
Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4 Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

10 ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG
Wärmebildkamera Grundlagen ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG 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

11 PRISMA Wärmebildkamera Grundlagen Sir Isaac Newton, 1666
Weißes Licht besteht aus einem Spektrum an Farben Licht ist nicht “unteilbar” wie man bis dahin dachte PRISMA

12 Wärmebildkamera Grundlagen
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.

13 Wärmebildkamera Grundlagen
Herschel’s Entdeckung: Blau- am kältesten, Rottöne am wärmsten Jenseits von rot wird es noch wärmer! Gamma- strahlen Röntgen- UV IR Radiowellen Wellenlänge in µm 0,4 0,8 3 15 6 8 14 sichtbar nahes mittleres fernes Infrarot Arbeitsbereich der Wärmebildkamera 8 – 14 µm

14 Wärmebildkamera Grundlagen
Wärmestrahlung wird von allen Gegenständen abgestrahlt Wird verursacht durch die Bewegung und Rotation der Moleküle in der Materie Die molekulare Aktivität nimmt mit der Temperatur zu Die infrarote Strahlung nimmt zu mit steigener molekularer Aktivität

15 Wärmebildkamera Grundlagen
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

16 Wärmebildkamera Grundlagen
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

17 Wärmebildkamera Grundlagen
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

18 Wärmebildkamera Grundlagen
ABSCHWÄCHUNG DER WÄRMESTRAHLUNG - DURCH ATMOSPHÄRE Strahlungsdämpfung durch Wechselwirkungen mit Bestandteilen der Atmosphäre: Gase, Aerosole, Wasserdampf, u.a. IR - optische Fenster: 1.: bis 2,5 µm 2.: 2/3 bis µm 3.: bis µm Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für optische Strahlung :

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Wärmebildkamera Grundlagen Unterschied zwischen sichtbarem Licht und infraroter Strahlung: Sichtbares Licht: sichtbares Licht wird durch z.B. Rauchpartikel geblockt Infrarot: infrarote Strahlung geht durch Rauch hindurch /\/\/\/\/\/\/\/\/\ /\/\/\/

20 Wärmebildkamera Grundlagen
Ursachen -Interpretationsfehler -Sichtverhältnisse Wärmestrahlung WÄRMEBILD Ursachen - Rauch - Wassernebel - Ruß - unverbrannte und verbrannte organische und anorganische Bestandteile Aber : Empfindlichkeit im Bereich 8-12 µm und Temperaturauflösung von 0,05 K gewährleisten „ausreichenden Durchblick“

21 Wärmebilder Grundlagen
Detektieren - Auswertung – Darstellung 1°C 17°C 48°C 125°C 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

22 Agenda 1 Allgemeines Grundlagen Historische Entwicklung
Funktionsprinzip einer Kamera 4 Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

23 Wärmebildkamera Historische 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 amorphes Silikon (aSi) Weltweit sind heute ca Wärmebildkameras im Einsatz Weiteste Verbreitung: USA, Großbritannien, Deutschland

24 Wärmebildkamera Historische Entwicklung
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 1995 Herstellung in den USA und GB, A und CN.

25 Historische Entwicklung Ein Modell-Überblick

26 Historische Entwicklung Erste Generation
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

27 Historische Entwicklung Erste Generation
Die ersten Geräte waren Röhrenkameras mit „rundem“, recht unscharfen Bild. Moderne Kameras arbeiten nach der BST (Barium-Strontium-Titanat) oder Mikrobolometer-Technologie Ganz früher gab es auch noch Röhrengeräte, die hatten ein rundes Bild. Unterschied BST zu Mikrobolometerkamera (laut Fa. MSA): Beide Kameratypen erkennen Pixel (Bildpunkte) IR-Energie auf einem Aufnahmechip. Da bei BST Kameras diese Pixel miteinander verbunden sind, kann hier das Phänomen “Auslaufen” vorkommen. Das passiert, wenn ein Pixel einem hohen Maß an IR-Energie ausgeliefert ist. Die Energie „läuft in die benachbarten Pixel aus“, was zu verschwommenen Bildern ohne scharfe Konturen führen kann. Bei Mikrobolometer Kameras sind die Pixel ohne Verbindung untereinander direkt mit dem Mikroprozessor verbunden. Da die Pixel bei Mikrobolometer Kameras also einzeln angesteuert werden, tritt ein „Auslaufen“ nicht auf und es entsteht ein schärferes Bild. Röhrenkamera-Bild BST- oder Mikrobolometerkamera-Bild

28 Historische Entwicklung Allgemeine Trends
Optimierungen in den letzten Jahren Insgesamt verbesserte Bilddarstellung (Auswertung) Farbige Darstellung der Hitzezonen Direkte Temperaturanzeige Übertragungsmöglichkeit nach außen… Die wichtigste Neuerung ist allerdings die Verkleinerung (=Gewichtsersparnis) der Kameras Das Gewicht der Evo 5000 beträgt ca. 1,5 kg

29 Historische Entwicklung BST-Technologie
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

30 Historische Entwicklung Microbolometer
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

31 Agenda 1 Allgemeines Grundlagen Historische Entwicklung
Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4 Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

32 Wärmebildkamera Funktionsprinzip
Wie entsteht ein Wärmebild ? IR Linse LCD Bildschirm Elektronisches Signal F.P.A /\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/ /\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/ /\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/ IR Strahlung IR Detektor Signal Prozessor F.P.A. = Focal Plane Array

33 Detector Shutter / FPA Preamp Iris or Chopper Detector IR Lens
Wärmebildkamera Funktionsprinzip Object / Scene IR Lens Shutter / Iris or Chopper FPA Detector Detector Preamp Display Digital Image Processing

34 Detector Shutter / FPA Preamp Iris or Chopper Detector IR Lens
Wärmebildkamera Funktionsprinzip Object / Scene IR Lens Shutter / Iris or Chopper FPA Detector Detector Preamp Display Digital Image Processing 34 |

35 Digital Image Processing Detector Preamp Display
Wärmebildkamera Funktionsprinzip Digital Image Processing Detector Preamp 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.

36 Wärmebildkamera Funktionsprinzip
IR Mikrobolometer-Detektor

37 Wärmebildkamera Funktionsprinzip
Interpretation von Wärmebildern: Heisse Objekte → Weiss oder helle Darstellung Kalte Objekte → Schwarz oder dunkle Darstellung Heisses Wasser Kaltes Wasser

38 Agenda 1 Allgemeines Grundlagen Historische Entwicklung
Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4 Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

39 Wärmebildkamera Einsatzanforderungen
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 Sinne Sehen X Schmecken X Hören X Riechen X Tasten  Zeit Stressniveau

40 Agenda 1 Allgemeines Grundlagen Historische Entwicklung
Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4 Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

41 Agenda 1 Allgemeines Grundlagen Historische Entwicklung
Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera 4 Einsatzanforderung 5 Aufbau einer Wärmbildkamera

42 Wärmebildkamera Bauteile einer Kamera
LCD Display LCD Gehäuse IR Objektiv Hinteres Gehäuse IR Sensor mit Signal- verarbeitung Frontgehäuse Schalter 42 |

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.