DE102006048767B4

DE102006048767B4 - Vorrichtung zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems

Info

Publication number: DE102006048767B4
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: DCG Systems GmbH
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: DE102006048767A1

Abstract

Vorrichtung zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems für die Aufnahme und Auswertung thermischer Bilder, die aus mindestens zwei Teilmustern ausgebildet ist, welche unterschiedlich starke Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen, sodass diese Teilmuster unterschiedlich helle Bereiche darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermisch strahlender Körper (2) mit mindestens einem Teilmuster (3) in einem Gehäuse (1) untergebracht ist, das den thermischen Einfluss der Umgebung auf den strahlenden Körper (2) unterbindet, wobei die Frontplatte (6) des Gehäuses (1) mit mindestens einer Aussparung (7) als ein weiteres Teilmuster (8) ausgebildet ist, sodass ein gemeinsames Muster mit mindestens zwei unterschiedlich hellen Bereichen zusammengebildet wird, wobei nur der thermisch strahlende Körper (2) temperaturgeregelt werden muss, um den Kontrast zwischen den Teilmustern (3, 8) zu stabilisieren.

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 Wärmefluss-Thermographie hat sich seit Jahren als berührungslose und zerstörungsfreie Methode zur Materialprüfung etabliert. Nach dieser Methode wird die von einem erwärmten Prüfling emittierte Infrarotstrahlung mit mindestens einer Infrarotkamera bildlich erfasst (Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing/Xavier P. V. Maldague. – John Wiley & Sons, Inc., 2001). Die Infrarotbilder werden zu einer Recheneinheit übertragen und dort manuell oder mittels Bildverarbeitung ausgewertet. Um aber ein gewonnenes Bild exakt auswerten zu können, muss das Infrarotsystem justiert und kalibriert sein. Dazu dient die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Es ist Stand der Technik, dass eine radiometrische Kalibrierung eines Infrarotsystems mit Hilfe eines beheizten Körpers, des sogenannten Schwarzen Strahlers, durchgeführt wird. Ein schwarzer Strahler soll jedoch eine homogene, möglichst schwarze Oberfläche ohne Strukturierung aufweisen. Damit werden insbesondere keine definiert unterschiedlich hellen Bereiche erzeugt, die aber, z. B. in Form von Testmustern, zur geometrischen Kalibrierung eines Infrarotsystems (z. B. Verzeichnungskorrektur, Schärfeverlauf, etc.) notwendig sind. Deswegen stellt die geometrische Kalibrierung 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 im visuellen Strahlungsbereich eine Justierung sowie eine Kalibrierung eines Bildverarbeitungssystems mit Hilfe verschiedener Muster, die auf einem Prüfling aufgebracht bzw. aufprojiziert sind, durchgeführt werden kann ( DE 4218971 A1 ).
Die Helligkeit und die Schärfe eines aufgenommenen Bildes können auch mit einer vordefinierten Kante eines Testobjektes, die zwischen einer Oberfläche und einem Hintergrund liegt, überprüft werden ( DE 10326032 B4 ), sofern ausreichender Kontrast zwischen Objekt und Hintergrund besteht. Danach kann dieses Objekt auch 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 Hinter grundes nicht mehr unterschieden werden kann. Hierfür sind insbesondere drei Effekte verantwortlich:

• Die meisten visuellen Farbstoffe sind im Infrarot „schwarz".
• Überlagerung durch Umgebungsstrahlung führt zu einer zusätzlichen Reduzierung des Kontrastes.
• Durch Wärmeeintrag aus der Umgebung bzw. Wärmeaustrag in die Umgebung kann die Oberflächentemperatur der zu prüfenden Objekte – und damit deren Strahlungsdichte – unkontrollierbar schwanken.

Zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems ist eine Vorrichtung bekannt ( US 3986384 ). Diese Vorrichtung umfasst einen thermisch strahlenden Körper, dessen aufzunehmende Fläche aus mindestens zwei Teilmustern besteht, die unterschiedlich große Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen. Somit stellt dieses Testmuster unterschiedlich helle Bereiche im Infrarotbereich dar. Die strahlenden Teilmuster dieser Vorrichtung beeinflussen sich jedoch gegenseitig und sind darüber hinaus dem Einfluss aus deren Umgebung ausgesetzt. Daher sollen beide Teilmuster streng, und zwar einzeln, kontrolliert und geregelt werden. Trotzdem können dabei wesentliche Schwankungen des Kontrastes auf dem Testmuster auftreten.
Es ist ein weiteres Testmuster zur Kalibrierung eines Infrarotsystems bekannt ( WO 03/076885 A1 ), das aus mehreren Teilmustern ausgebildet ist. Diese Teilmuster weisen einzeln eine spiegelnde bzw. absorbierende Oberfläche auf und stellen damit unterschiedlich helle Bereiche im Infrarotbereich darstellen. Diese Testmuster sollen mit einem noch größeren Aufwand kontrolliert und geregelt werden, damit die entsprechenden einzelnen Teilmusterpaare einen stabilen Kontrast aufweisen.
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 4.
Erfindungsgemäß wird ein Schwarzer Strahler als Basis der angemeldeten Vorrichtung genutzt.
Gemäß Anspruch 1 besteht die Vorrichtung zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems aus einem thermisch strahlenden Körper mit mindestens einem Teilmuster, der in einem Gehäuse untergebracht ist. Dieses Gehäuse, dessen Frontplatte mit mindestens einer Aussparung als ein weiteres Teilmuster ausgebildet ist, unterbindet den thermischen Einfluss der Umgebung auf den strahlenden Körper. Somit bilden der thermisch strahlende Körper und das Gehäuse zusammen ein Muster mit mindestens zwei unterschiedlich hellen Bereichen, wobei nur der thermisch strahlende Körper temperaturgeregelt werden muss, um den Kontrast zwischen den Teilmustern zu stabilisieren.
Gemäß Anspruch 2 wird ein Luftspalt zwischen der Frontplatte und dem strahlenden Körper eingebaut. Dieser Luftspalt dient zur Minimierung des thermischen Einflusses der Frontplatte auf den strahlenden Körper sowie zur Konstanthaltung der Temperatur des Teilmusters auf der Frontplatte durch Umspülung mit Luft. Somit wird die Stabilisierung des Kontrastes zwischen den Teilmustern gewährleistet, die sich auf der Frontplatte bzw. auf dem thermisch strahlenden Körper befinden.
Gemäß Anspruch 3 ist der Luftspalt variabel ausgebildet. Somit wird er zur Optimierung des Kontrastes zwischen den Teilmustern auf der Frontplatte und auf dem strahlenden Körper verwendet.
Um eine normgerechte Kalibrierung durchführen zu können, ist gemäß Anspruch 4 mindestens eines der Teilmuster auf der Frontplatte und auf dem strahlenden Körper als genormtes Muster ausgebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie ihre Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile werden anhand der 1–2 erläutert. Es wird gezeigt:
1 zeigt schematisch die Vorrichtung zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems, die so ausgebildet ist, dass die aufzunehmende Fläche des thermisch strahlenden Körpers als erstes Teilmuster und die Oberfläche der Frontplatte als zweites Teilmuster zusammen ein Testmuster bilden. Die Vorrichtung ist dabei sowohl detailliert (1, a) als auch zusammengebaut (1, b) dargestellt.
2 zeigt schematisch Testmuster, welche durch die Frontplatte der Vorrichtung mit ihren Aussparungen zusammen mit dem thermisch strahlenden Körper im Hintergrund gebildet werden.
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 in einem Bild zu erzielen, das mit einem Infrarotsystem von einem Testmuster (9) aufgenommen wird, soll dieses Testmuster folgendermaßen ausgebildet werden: Die aufzunehmende Oberfläche (3) des thermisch strahlenden Körpers (2) und die restliche aufzunehmende Oberfläche (8) der Frontplatte (6) mit Aussparungen (7) sollen die unterschiedlich großen Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen. Dabei wird die Oberfläche der Frontplatte (6) als Teilmuster (8) und die tiefliegende aufzunehmende Oberfläche des thermisch strahlenden Körpers (2), die durch die Aussparungen (7) der Frontplatte (6) hindurch aufgenommen wird, als anderes Teilmuster (3) des Testmusters (9) dienen. Somit entsteht ein Testmuster (9), das mindestens zwei unterschiedlich helle Bildbereiche enthält (1). Von diesem Muster kann ein kontrastreiches Bild aufgenommen werden, das zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems verwendet werden kann.
Der Kontrast des erzeugten Bildes soll allerdings kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert werden. Um dies einfach und effektiv zu gestalten, soll der thermisch strahlende Körper (2) in einem Gehäuse (1) untergebracht werden. Dabei wird der thermische Einfluss der Umgebung auf den strahlenden Körper (2) unterbunden. Um diesen Effekt zu verstärken, und zur Befestigung des thermisch strahlenden Körpers (2), kann eine Schutzblende (4) vor dem thermisch strahlenden Körper (2) eingebaut werden. Somit muss nur der thermisch strahlende Körper (2) temperaturgeregelt werden, um den Kontrast zwischen den Teilmustern (3) und (8) zu stabilisieren.
Der Luftspalt (10) zwischen der Frontplatte (6) der angemeldeten Vorrichtung und dem thermisch strahlenden Körper (2) wird ebenfalls zur Kontraststabilisierung benutzt. Dieser Luftspalt (10) dient zur Minimierung des thermischen Einflusses der Frontplatte (6) auf den strahlenden Körper (2), sowie zur Konstanthaltung der Temperatur des Teilmusters (8) auf der Frontplatte (6). Ersteres nutzt die thermisch isolierende Wirkung einer Luftschicht, letzteres wird durch die Ermöglichung einer Umspülung des Teilmusters (8) mit Luft bewirkt. Somit wird die Stabilisierung des Kontrastes zwischen den Teilmustern (3) und (8) gewährleistet. Der Luftspalt (10) kann beispielsweise auch mit einem anderen Gas durchgespült werden, um eine stärkere Ausprägung des oben beschriebenen Effektes zu erreichen.
Die Breite des Luftspalts (10) wird einfach und effektiv mit Hilfe der variabel einstellbaren Abstandshalter (5) justiert und somit zur Optimierung des Kontrastes zwischen den Teilmustern (3) und (8) verwendet.
Ein Testmuster (3) oder Testmuster (8) kann unabhängig von seiner Ausführung ganz unterschiedliche Muster darstellen (2). Dabei kann ein Testmuster als genormtes Muster, z. B. als Siemensstern, USAF 1951 Resolution Target, IEEE Resolution Target, NBS 1963A Resolution Target usw. (2, a, b), ausgebildet werden. Dies ermöglicht eine standardisierte Justierung eines Infrarotsystems.
Andererseits können anwendungsspezifische Testmuster kreiert werden (2, c). Damit kann jetzt auch im infraroten Bereich sowohl die Justierung bzw. der Selbsttest als auch die Kalibrierung eines industriellen Bildverarbeitungssystems mit Hilfe bekannter Methoden durchgeführt werden, womit eine einfache, schnelle und sichere Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems u. a. unter industriellen Bedingungen gewährleistet wird.

1: Gehäuse
2: Thermisch strahlender Körper
3: Oberfläche des thermisch strahlenden Körpers (2), die als Teilmuster dient
4: Schutzblende
5: Variabel einstellbarer Abstandshalter
6: Frontplatte mit Aussparungen (7)
7: Aussparungen auf der Frontplatte (6)
8: Oberfläche der Frontplatte (6), die als Teilmuster dient
9: Testmuster
10: Luftspalt zwischen der Frontplatte (6) und dem thermisch strahlenden Körper (2)
11: Optische Achse des Testmusters

Claims

Vorrichtung zur Justierung und Kalibrierung eines Infrarotsystems für die Aufnahme und Auswertung thermischer Bilder, die aus mindestens zwei Teilmustern ausgebildet ist, welche unterschiedlich starke Strahlungsdichten im Infrarotbereich aufweisen, sodass diese Teilmuster unterschiedlich helle Bereiche darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermisch strahlender Körper (2) mit mindestens einem Teilmuster (3) in einem Gehäuse (1) untergebracht ist, das den thermischen Einfluss der Umgebung auf den strahlenden Körper (2) unterbindet, wobei die Frontplatte (6) des Gehäuses (1) mit mindestens einer Aussparung (7) als ein weiteres Teilmuster (8) ausgebildet ist, sodass ein gemeinsames Muster mit mindestens zwei unterschiedlich hellen Bereichen zusammengebildet wird, wobei nur der thermisch strahlende Körper (2) temperaturgeregelt werden muss, um den Kontrast zwischen den Teilmustern (3, 8) zu stabilisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Frontplatte (6) und dem strahlenden Körper (2) vorhandener Luftspalt (10) zur Minimierung des thermischen Einflusses der Frontplatte (6) auf den strahlenden Körper (2) sowie zur Konstanthaltung der Temperatur des Teilmusters (8) auf der Frontplatte (6) durch Umspülung mit Luft dient und somit zur Stabilisierung des Kontrastes zwischen den Teilmustern (3, 8) verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (10) variabel ausgebildet ist und somit zur Optimierung des Kontrastes zwischen den Teilmustern (3, 8) verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Teilmuster (3, 8) als genormtes Muster ausgebildet ist.