Wärmebildoptiken

Die Theorie hinter der Praxis

In den folgenden Absätzen haben wir unser Wissen zur Wärmebildtechnologie aufbereitet und unterteilt in die Bereiche allgemeine Funktionsweise, ein Lexikon mit allen wichtigen Begriffen und einer Sammlung der häufigsten Fragen rund um die Wärmebildtechnologie.

Wie funktionieren Wärmebildkameras?

Wärmebildtheorie

Wie arbeiten Wärmebildkameras und was unterscheidet sie von Nachtsichtgeräten?

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Häufige Fragen

Wir beantworten die häufigsten Fragen aus der Praxis zum Thema Wärmebildtechnologie

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Glossar

Hier geben wir einen Überblick über die wichtigsten Begriffe und Kennzahlen.

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Wärmebildtheorie

In der Vergangenheit wurde im Bereich Nachtsichttechnik auf Optiken mit Restlichtverstärker gesetzt.
Nun erobern Wä̈rmebildoptiken den Markt.
Doch wie arbeiten sie?

Um Wärmebildoptiken beschreiben und klassifizieren zu können, gibt es ein paar entscheidende Leistungsmerkmale, die zu beachten sind.

  • Anzahl der Detektorzellen (Pixel)
  • Detektorzellengröße (Pitch)
  • Detektorempfindlichkeit (mk)
  • Objektivdurchmesser (f-Nummer)
  • Optische Vergütung der Linsen
  • Software zur Bildoptimierung

Ungekühlte Wärmebildoptiken detektieren langwelliges Infrarotlicht im mittleren Infrarotbereich zwischen 8 und 13µm Wellenlänge und nutzen somit die Temperaturstrahlung von Körpern. Jeder Körper mit einer Temperatur von 
>0 Kelvin = -273°C erzeugt diese Infrarotstrahlung. Somit hat z. B. ein Eiswürfel auch eine messbare Wärmestrahlung.
Diese Strahlung, auch als elektromagnetische Wellen bekannt, wird mit Hilfe des Wärmebilddetektors sichtbar gemacht. Diese Wärmebildgeräte können mittlerweile Temperaturunterschiede von kleiner als 0,05°C messen. Sie machen also Energiestrahlen des Infrarotlichtes auf einem Bildschirm sichtbar. Die Funktionsweise ist völlig unabhängig von jeglichen sichtbaren Lichtverhältnissen.
Je wärmer der Körper ist, desto besser wird er erfasst und sichtbar gemacht. Wärmequellen werden mit diesen Optiken schnell erkannt und „leuchten“ deutlich in der Dunkelheit. Zusätzliche IR Lichtquellen, wie bei Restlichtverstärkern, sind nicht mehr notwendig.

Welche Vorteile hat eine Wärmebildkamera im Vergleich zu einem Restlichtverstärker?

  • Sie müssen weniger Gewicht tragen.
  • Sie bekommen mehr Reichweite für das gleiche Geld.
  • Sie haben kein “Röhrenraten” - die Detektorqualität ist sichtbar.
  • Sie benötigen keinen teuren verräterischen IR Aufheller.
  • Sie haben keinen technischen Verschleiß an der Optik.
  • Sie können ohne störende Reflektion im Bewuchs betrachten.
  • Sie können Wild schneller und auf höhere Distanzen erkennen.
  • Sie sehen sofort ob Frischlinge neben der Bache sind.

Häufige Fragen

Achten Sie darauf, dass die Optik mindestens 25 Hz Bildfrequenz hat. Überlegen Sie, welches Sehfeld Sie benötigen, da die Linsengröße einen Großteil der Kosten ausmacht. Vergleichen Sie Optiken in Ihrer engeren Auswahl bestenfalls in der Praxis, denn der reine Kennzahlenvergleich und der günstigere Preis führt zu einer raschen Enttäuschung. Eine Garantiezeit sollte mind. 3 Jahre betragen.

Für den Nahbereich bis 100m mit einer geringen Detailschärfe sind 160x120 Pixel ausreichend. Fü̈r eine mittlere Distanz bis 600m mit guter Detailerkennung sind 320x240 Pixel empfehlenswert. Fü̈r eine sehr gute Detailerkennung und höhere Distanzen bis zu 1.200m, benötigen Sie 640x480 Pixel Auflösung. Bei der Auswahl der für Sie richtigen Auflösung sollten Sie auch den Aspekt des Zooms berücksichtigen. Ein 4-fach Zoom ist erst bei einer Auflö̈sung von 640x480 Pixeln sinnvoll.

Beim digitalen Zoom wird das Darstellungsbild durch eine Vervielfachung der Pixel vergrößert. Dies bedeutet bei 4-fach Zoom und einer Detektorauflösung von 384x240 Pixel, dass der Bildausschnitt nur eine effektive Darstellung von 96x72 Pixel hat. Ein 4-fach Zoom ist erst bei einer Auflösung von 640x480 Pixeln sinnvoll.

Die Linsengröße, ausgedrückt mit der f-Nummer, sollte nach dem Hauptanwendungsgebiet ausgewählt werden. Je größer die Linse, desto besser die Bildqualität, und höher die Reichweite, aber desto kleiner das Sehfeld.

Bei einer reinen Stativgestützten oder statischen Betrachtung sind 9 Hz ausreichend. Für die Jagd empfehlen wir mindestens 25 Hz. Einen Unterschied zwischen 30 Hz und 50 Hz sieht man nur bei einer schnellen Bewegung der Optik.

Mindestens 25 Hz Bildfrequenz, 320x240 Pixel Auflösung und 19mm Linse.

Definitiv. Stand der Technik im Bereich der ungekühlten Wärmebildoptiken sind VOx Detektoren mit einer Detektorzellengröße von 12 Mikrometer im Quadrat. Die Vorteile liegen auf der Hand: Kleinere Bauform, kleinere notwendige Linsen mit selbigen Sehfeld im Vergleich zu Detektoren mit größerem Pitch, somit Gewichtsersparnis, weniger Stromverbrauch und insbesondere eine schärfere und detailreichere Bilddarstellung durch die Verwendung neuester Bild- optimierungssoftware.

Binokulare Optiken ermöglichen ein stereoskopisches Sehen, das heißt ein Bild bekommt einen räumlichen Eindruck der Tiefe. Binokulare Optiken eignen sich besser für die Beobachtung auf weite Distanzen.

Eine schwarz/weiß Darstellung reicht aus. Wärmequellen sind hiermit einfacher und schneller erkennbar. Ein 4-fach Zoom ist erst bei einer Auflö̈sung von 640x480 Pixeln sinnvoll.

Glossar

Mikrobolometer
ist ein thermischer Sensor zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung und wird zur Detektion von mittlerem und langwelligem Infrarot eingesetzt. Als zweidimensionales Focal Plane Array (in Reihe aufgebaute Detektorzellen) stellen sie den Bildsensor von Wä̈rmebildkameras dar.
Spectral Response
Der Spektralbereich gibt an, welche Wellenlä̈nge das Licht haben muss, damit der Detektor das Licht erkennt. Je größer der Bereich, desto klarer und differenzierter ist das Bild.
Pixel
Anzahl der Detektorzellen. Ein Detektor mit einer Größe von 640x480 Pixel Auflösung hat 640 Bildpunkte in der Horizontalen mal 480 Bildpunkte in der Vertikalen. Dies entspricht einer Detektorenanzahl von 307.200 Bildpunkten, also 0,3 Megapixel. Je höher die Anzahl, desto schärfer das Bild und ein hoher Zoomfaktor vorteilhafter.
Pitch
Detektorzellengröße in Mikrometer im Quadrat (μm). Bei Detektoren mit 320x240 Pixel Auflösung meist 25μm oder 17μm. Bei 640x480 Pixel Auflösung sind meist 12μm Stand der Technik. Je kleiner die Pitchzahl, desto kleiner können Geräte gebaut werden.
Hertz (Hz)
Bildwiederholungsfrequenz in Hertz. Je höher die Hz-Zahl, desto wackelfreier das Bild bei bewegter Betrachtung.
FOV
steht für Field of View, beschreibt das Sehfeld und wird meist angegeben in Breite x Höhe auf 100m oder einer Winkelgröße (Winkel von der Objektivlinse abgehend). Je kleiner, desto eingeschränkter ist das Sehfeld im Nahbereich.
NETD
steht für Noise Equivalent Temperature Difference und beschreibt eine Kennzahl zum Messen der Temperatursensibilität und ist die entscheidende Kennzahl zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit eines Detektors. Wird in Millikelvin (mk) angegeben. Je kleiner diese Kennzahl, desto kontrastreicher ist das Bild.
f-Nummer
Die Blendenzahl gibt das Verhältnis der Brennweite (Linsenabstand zum Detektor) zum Durchmesser der wirksamen Eintrittspupille an. Je kleiner die f-Nummer, desto größer der Durchmesser der Objektivlinse, desto mehr Lichteinfall, desto kontrastreicher und schärfer das Bild.
ASi
steht fü̈r das Detektorträgermaterial Amorphes Silizium. Es verfügt über ein hohes Absorptionsvermögen von elektromagnetischen Wellen im optischen und nahinfrarotem Spektralbereich. Es ist wirtschaftlicher in der Herstellung, hat jedoch geringe Nachteile in der Bildqualität im Vergleich zu VOx Detektoren.
VOx
steht für das Detektorträgermaterial Vanadium Oxid und ist eine chemische Verbindung mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit und ist im Vergleich zu ASi Detektoren die technische bessere Variante.
LCoS
steht für Liquid Crystal on Silicon und beschreibt ein Display mit Flü̈ssigkristallen zur Bilddarstellung.
OLED / AMOLED
steht für Organic Light Emitting Diode bzw. Active Matrix Organic Light Emitting Diode und beschreibt ein Display mit Leuchtdioden zur Bilddarstellung. Im Vergleich zu LCoS-Displays besteht ein höhrer Kontrast und eine schnellere Reaktionszeit in der Bilddarstellung.
VGA
steht für Video Graphics Array und beschreibt einen Computer-Grafikstandard. Eine VGA-typische Bildauflösung ist 640x480 Pixel.
NUC Calibration
Steht für Non Uniformity Correction und beschreibt die Kalibrierung der Empfindlichkeit der einzelnen Pixel, so dass Punkte gleicher Temperatur im Bild gleich hell erscheinen. Die Kalibrierung erfolgt automatisch durch einen Shutter und ist bei den meisten Geräten durch ein Klickgeräusch hörbar. Bei manchen Geräten kann bzw. muss die Kalibrierung manuell durchgeführt werden. Anstelle eines Shutters kann das Objektiv auch manuell abgedeckt werden.
Polarität
Die meisten Optiken ermöglichen eine Darstellung der Wärmequellen in weiß, schwarz, rot oder Regenbogenfarben.