DE102006048767A1

DE102006048767A1 - Vorrichtung zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems

Info

Publication number: DE102006048767A1
Application number: DE102006048767A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dipl.-Phys. Neumann; Michael Dr. Weidner; Roman Dr.-Ing. Louban; Jürgen Dr. Zettner; Bernd Dr. Spellberg
Original assignee: Thermosensorik GmbH
Current assignee: Thermosensorik GmbH
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: DE102006048767B4

Abstract

Vorrichtung zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems, welches insbesondere zur Aufnahme und Auswertung thermischer Bilder einsetzbar ist, die einen thermisch strahlenden Körper (2) in einem Gehäuse (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzunehmende Fläche des thermisch strahlenden Körpers (2) aus mindestens zwei Teilmustern (3) besteht, die unterschiedlich große Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen und aus denen ein Testmuster (4) ausgebildet ist, sodass dieses Testmuster (4) unterschiedlich helle Bereiche im Infrarotbereich darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems, welches zur Aufnahme und Auswertung thermischer Bilder einsetzbar ist.
Die bildgebende Thermographie hat sich seit Jahren als berührungslose und zerstörungsfreie Methode zur Materialprüfung etabliert. Nach dieser Methode wird der von einem erwärmten Prüfling abgestrahlte Wärmefluss in Form eines Bildes mit mindestens einer Infrarotkamera erfasst, welches zu einer Recheneinheit weiter übertragen und dort manuell oder mittels Bildverarbeitung ausgewertet wird (Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing/Xavier P.V. Maldague. – John Wiley & Sons, Inc., 2001). Um ein gewonnenes Bild auswerten zu können, muss aber das Infrarotsystem justiert und kalibriert sein.
Es ist Stand der Technik, dass eine radiometrische Kalibrierung eines Infrarotsystems mit Hilfe eines beheizten Körpers in einem Gehäuse, des sogenannten Schwarzen Strahlers, durchgeführt wird.
Eine Justierung eines Infrarotsystems, die die Einstellung sowohl der Helligkeit als auch der Schärfe des aufgenommenen Bildes beinhaltet, sowie eine geometrische Kalibrierung eines solchen Systems stellen bisher ein erhebliches Problem dar. Dieses Problem wird bei einer industriellen Anwendung eines Infrarotsystem noch verschärft, da hier eine einfache, schnelle und sichere Routine verlangt wird.
Es ist bekannt, dass eine Justierung sowie eine Kalibrierung eines Bildverarbeitungssystems mit Hilfe verschiedener Muster, die auf einen Prüfling aufgebracht bzw. projiziert sind, durchgeführt werden kann ( DE 42 189 71 A1 ). Solche Muster können jedoch von einer Infrarotkamera nicht kontrastreich genug aufgenommen werden. Die Qualität der aufgenommenen Bilder soll erheblich verbessert werden, damit eine Auswertung dieser Bilder überhaupt möglich wird ( DE 102 02 163 A1 ). Eine Bildschärfung durch Bildverarbeitungsmethoden verzerrt allerdings das genutzte Testmuster und führt damit zur Verfälschung der Ergebnisse. Außerdem verlangt eine Verstärkung des Bildkontrastes mit Hilfe einer adaptiven Abbildungsfunktion mit einer nichtlinearen Kennlinie ( DE 102 02 163 A1 ) einen großen Aufwand für jede einzelne Justierung bzw. Kalibrierung.
Ferner kann die Helligkeit und die Schärfe eines aufgenommenes Bildes an einer vordefinierten Kante, die zwischen einer Oberfläche und einem Hintergrund liegt, überprüft werden ( DE 103 26 032 B4 ). Dabei werden die auf der Oberfläche und auf dem Hintergrund gewonnenen Helligkeitswerte sowie die ermittelte Halbbreite der zwischen der Oberfläche und dem Hintergrund liegenden Kante ausgewertet und für die Justierung bzw. für einen Selbsttest eines Bildverarbeitungssystems genutzt.
Nach der Justierung eines Bildverarbeitungssystems kann ein vordefiniertes Objekt, das ausreichenden Kontrast zu seinem Hintergrund aufweist, als Endmaß für eine geometrische Kalibrierung des Systems verwendet werden.
Solche Methoden versagen jedoch im infraroten Wellenlängenbereich, da zwischen den dunklen und hellen Bereichen eines Testmusters bzw. eines Endmaßes und seines Hintergrundes nicht mehr unterschieden werden kann. Hierfür sind insbesondere zwei Effekte verantwortlich:

• Die meisten visuellen Farbstoffe sind im Infrarot „schwarz".
• Überlagerung durch Umgebungsstrahlung führt zu einer zusätzlichen Reduzierung des Kontrastes.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur einfachen, schnellen und sicheren Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems zu schaffen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 9.
Erfindungsgemäß wird ein Schwarzer Strahler als Basis der angemeldeten Vorrichtung genutzt.
Gemäß Anspruch 1 besteht die aufzunehmende Fläche des thermisch strahlenden Körpers aus mindestens zwei Teilmustern, die unterschiedlich große Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen. Aus diesen Teilmustern wird ein Testmuster ausgebildet, welches durch die im Infrarot unterschiedlich hell erscheinenden Teilmuster ein kontrastreiches Bild darstellt.
Gemäß Anspruch 2 wird das Testmuster als mindestens ein externes Teil mit mindestens einer Aussparung in dessen Oberfläche ausgebildet. Dieses externe Teil soll vor dem thermisch strahlenden Körper, der als mindestens ein Teil ausgebildet ist, positioniert werden. So wird die tiefliegende aufzunehmende Fläche des thermisch strahlenden Körpers durch die Aussparungen des externen Teils hindurch als ein Teilmuster dienen. Mit der Oberfläche des externen Teils wird das andere Teilmuster dargestellt, welches zur Erzeugung des kompletten Testmusters notwendig ist. Erfindungsgemäß wird ein solches Testmuster im Infrarot die Bildbereiche mit unterschiedlichen Strahldichten aufweisen und somit ein Bild mit hohem Kontrast zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems liefern können.
Unabhängig von seiner Ausführung wird das Testmuster gemäß Anspruch 3 aus mindestens zwei Teilmustern mit unterschiedlichen Emissionsvermögen ausgebildet. Somit können die unterschiedlich großen Strahlungsdichten im Infrarotbereich von verschiedenen Teilmustern erzielt werden, auch wenn sie gleiche Temperatur aufweisen.
Gemäß Anspruch 4 werden die einzelne Teilmuster des Testmusters unabhängig von seiner Ausführung auf unterschiedliche Temperaturen geheizt, damit sie auch bei gleichen Emissionsvermögen unterschiedlich große Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen können.
Die Ansprüche 3 und 4 können auch in Kombination eingesetzt werden.
Um eine größere Präzision der angemeldeten Vorrichtung zu ermöglichen, sollen die Teilmuster des Testmusters gemäß Anspruch 5 unabhängig von seiner Ausführung einzeln temperaturregelbar sein. Dabei kann jedes einzelne Teilmuster sowohl geheizt als auch gekühlt werden. Auf diese Art und Weise kann der notwendige Kontrast des Testmusterbildes erreicht werden.
Die Temperierung (Heizung und/oder Kühlung) der einzelnen Teilmuster des Testmusters kann unabhängig von seiner Ausführung gemäß Anspruch 6 jeweils durch mindestens ein Peltierelement erfolgen. Ein Peltierelement vereinigt sowohl die Heiz- als auch die Kühlmöglichkeit in einem einzigen Bauteil, sodass stufenlos vom Heiz- in den Kühlbetrieb und umgekehrt übergegangen werden kann. Dies ermöglicht insbesondere dann eine präzise Regelung, wenn Temperaturen in der Nähe der Umgebungstemperatur gefordert sind.
Um eine größere Flexibilität der angemeldeten Vorrichtung zu schaffen, soll das Testmuster gemäß Anspruch 7 austauschbar ausgebildet werden.
Das Testmuster der angemeldeten Vorrichtung kann unabhängig von seiner Ausführung unterschiedliche Form und Anzahl der Teilmuster aufweisen. Um eine standardisierte Justierung eines Infrarotsystems zu gewährleisten, soll das Testmuster gemäß Anspruch 8 als genormtes Muster, z.B. als Siemensstern, USAF 1951 Resolution Target, IEEE Resolution Target, NBS 1963A Resolution Target, etc., ausgebildet werden.
Um eine Ausrichtbarkeit der angemeldeten Vorrichtung bezüglich zum Infrarotsystem zu schaffen, soll das Testmuster unabhängig von seiner Ausführung gemäß Anspruch 9 so positionierbar ausgebildet sein, dass es in horizontaler und/oder in vertikaler Richtung verschoben werden kann.
Die Einzelheiten der Erfindung sowie ihre weiteren Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen anhand der 1–3 erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Zeichnungen. Es wird gezeigt:
1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems, wobei das Testmuster so ausgebildet ist, dass die Teilmuster auf die aufzunehmende Fläche des thermisch strahlenden Körpers aufgebracht sind. Die Vorrichtung ist dabei sowohl detailliert (1, a) als auch zusammengebaut (1, b) dargestellt.
2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems, wobei das Testmuster als externes Teil mit Aussparungen auf seiner Oberfläche ausgebildet und vor dem thermisch strahlenden Körper positioniert ist. Die Vorrichtung ist dabei sowohl detailliert (2, a) als auch zusammengebaut (2, b) dargestellt.
3 zeigt schematisch erfindungsgemäße Testmuster, die als externe Teile mit Aussparungen auf ihren Oberflächen ausgebildet sind und einen thermisch strahlenden Körper im Hintergrund haben.
Als Beispiel kann ein Testmuster genommen werden, das auf der Basis eines sogenannten Schwarzen Strahlers, d.h. eines thermisch strahlenden Körpers (2) in einem Gehäuse (1), aufgebaut ist.
Um einen ausreichenden Kontrast auf einem Bild, das mit einem Infrarotsystem aufgenommen werden soll, zu erzielen, soll die aufzunehmende Fläche des thermisch strahlenden Körpers (2) folgendermaßen ausgebildet werden: Mindestens ein Teilmuster (3) wird auf die Oberfläche des Körpers (2) aufgebracht, damit ein Testmuster (4) entsteht, das mindestens zwei verschiedene Bereiche enthält (1). Sofern diese Bereiche unterschiedlich große Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen, werden sie als unterschiedlich helle Bildbereiche erscheinen. Damit wird ein kontrastreiches Bild erzeugt, das zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystem verwendet werden kann.
Das Testmuster (6) kann auch als externes Teil der angemeldeten Vorrichtung ausgebildet werden, das mindestens eine Aussparung (7) auf seiner Oberfläche enthält (2). Dieses Testmuster (6) soll vor dem thermisch strahlenden Körper (2) positioniert werden. Dabei wird seine Oberfläche als Teilmuster und die tiefliegende aufzunehmende Fläche des thermisch strahlenden Körpers (2), die durch die Aussparungen (7) des Testmusters (6) hindurch aufgenommen wird, als anderes Teilmuster (3) des Testmusters (6) dienen. Diese Teilmuster werden die unterschiedlichen Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen und somit die unterschiedlich hellen Bildbereiche darstellen können. Dementsprechend wird die Erzeugung eines kontrastreichen Bildes zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems gewährleistet.
Ein Testmuster (4) oder Testmuster (6) kann unabhängig von seiner Ausführung ganz unterschiedliche Muster darstellen (3). Dabei kann ein Testmuster als genormtes Muster, z.B. als Siemensstern, USAF 1951 Resolution Target, IEEE Resolution Target, NBS 1963A Resolution Target usw. (3, a, b), ausgebildet werden. Dies wird eine standardisierte Justierung eines Infrarotsystems ermöglichen.
Andererseits kann ein Testmuster anwendungsspezifisch kreiert werden. Dabei kann ein Muster bzw. ein vordefiniertes Objekt sowohl zur Justierung bzw. zum Selbsttest als auch zur Kalibrierung eines industriellen Bildverarbeitungssystems (3, c) mit Hilfe bekannter Methoden auch im infraroten Bereich verwendet werden.
Damit kann eine einfache, schnelle und sichere Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems u.a. unter industriellen Bedingungen gewährleistet werden.

1: Gehäuse
2: Thermisch strahlender Körper
3: Teilmuster
4: Testmuster als aufzunehmende Fläche des thermisch strahlenden Körpers (2)
5: Blende
6: Testmuster als externes Teil
7: Aussparungen auf Testmuster (6)
8: Optische Achse des Infrarotsystems

Claims

Vorrichtung zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems, welches insbesondere zur Aufnahme und Auswertung thermischer Bilder einsetzbar ist, die einen thermisch strahlenden Körper (2) in einem Gehäuse (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzunehmende Fläche des thermisch strahlenden Körpers (2) aus mindestens zwei Teilmustern (3) besteht, die unterschiedlich große Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen und aus denen ein Testmuster (4) ausgebildet ist, sodass dieses Testmuster (4) unterschiedlich helle Bereiche im Infrarotbereich darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmuster (6) als mindestens ein externes Teil mit mindestens einer Aussparung (7) in seiner Oberfläche ausgebildet und vor dem thermisch strahlenden Körper (2), der als mindestens ein Teil ausgebildet ist, positioniert wird, sodass die tiefliegende aufzunehmende Fläche des thermisch strahlenden Körpers (2) durch die Aussparungen (7) des Testmusters (6) hindurch als ein Teilmuster (3) sowie die Oberfläche des Testmusters (6) als anderes Teilmuster (3) unterschiedlich große Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen, damit sie unterschiedlich helle Bereiche im Infrarotbereich darstellen.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmuster (4) bzw. das Testmuster (6) aus mindestens zwei Teilmustern (3) mit unterschiedlichen Emissionsvermögen ausgebildet ist, sodass diese Teilmuster (3) auch bei gleicher Temperatur unterschiedlich große Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen können.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Teilmuster (3) des Testmusters (4) bzw. des Testmusters (6) auf unterschiedliche Temperaturen geheizt werden können, sodass sie auch bei gleichen Emissionsvermögen unterschiedlich große Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen können.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmuster (3) des Testmusters (4) bzw. des Testmusters (6) einzeln temperaturregelbar sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierung der einzelnen Teilmuster (3) des Testmusters (4) bzw. des Testmusters (6) jeweils durch mindestens ein Peltierelement erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmuster (4) bzw. das Testmuster (6) austauschbar ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmuster (4) bzw. das Testmuster (6) als genormtes Muster ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmuster (4) bzw. das Testmuster (6) so positionierbar ausgebildet ist, dass es in horizontaler und/oder in vertikaler Richtung verschoben werden kann.