DE102007010649B3

DE102007010649B3 - Verfahren und Vorrichtung zur adaptiven Änderung der Integrationszeit eines Infrarotsensors

Info

Publication number: DE102007010649B3
Application number: DE200710010649
Authority: DE
Inventors: Siegbert Dühring; Jürgen Dr. Zettner
Original assignee: Thermosensorik GmbH
Current assignee: DCG Systems GmbH
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2027-03-03
Also published as: WO2008107117A1; DE102007010649B8

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur adaptiven Änderung der Integrationszeit eines Infrarotsensors (6), dessen Dynamikbereich optimal zum interessierenden Temperaturbereich des zu untersuchenden Objektes (7) automatisch angepasst werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein fortlaufendes Intensitätsbild des zu prüfenden Objekts (7) mit einer Grundeinstellung der Integrationszeit aufgenommen wird, welches anschließend in ein Temperaturbild umgerechnet wird, aus dem hinsichtlich des interessierenden Temperaturbereiches ein optimierter Einstellwert der Integrationszeit ermittelt wird, der für die Aufnahme mindestens eines der darauffolgenden Bilder verwendet wird. Dabei sollen die in Frage kommenden Integrationszeiten in der elektronischen Schaltung (5) am Infrarotsensor (6) gespeichert werden. Die Auswahl der in der elektronischen Schaltung (5) am Infrarotsensor (6) gespeicherten Integrationszeit kann abhängig von und synchron zur Ansteuerung einer Anregungsquelle (3) erfolgen. Somit kann die Integrationszeit eines Infrarotsensors (6) mit der verwendeten Anregungsquelle (3) genau abgestimmt und dementsprechend die zeitliche Abfolge der ausgewählten Integrationszeiten den am zu untersuchenden Objekt (7) zu erwartenden Temperaturen angepasst werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf automatische Änderung der Integrationszeit eines Infrarotsensors, dessen Dynamikbereich optimal zum interessierenden Temperaturbereich des zu untersuchenden Objektes dynamisch angepasst werden soll.
Die bildgebende Thermographie hat sich seit Jahren als berührungslose und zerstörungsfrei Prüfungsmethode etabliert (Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing/Xavier P. V. Maldague. – John Wiley & Sons, Inc., 2001). Nach dieser Methode wird der von einem angeregten Prüfling ausstrahlende Wärmefluss in Form eines Bildes mit mindestens einer Infrarotkamera erfasst, zu einer Recheneinheit weiter übertragen und dort manuell oder mittels Bildverarbeitung ausgewertet. Um ein gewonnenes Bild maximal korrekt auswerten zu können, soll aber der Dynamikbereich des verwendeten Infrarotsensors zu dem Intensitätsbetreich der beobachteten Szene optimal angepasst werden.
Es ist Stand der Technik, dass die Ansteuerung eines Sensors auf Basis der Helligkeit des von ihm aufgenommenen Bildes durchgeführt werden kann ( DE 4130941 A1 , DE 69616159 T2 ). Dies funktioniert korrekt nur im konventionellen Wellenbereich. Im infraroten Wellenbereich versagen solche Methoden, da die Intensität des von dem Infrarotsensor aufgenommenen Signals von der Temperatur des zu untersuchenden Objektes abhängig ist. Dabei weist das Temperatur-Intensitäts-Verhältnis eines aufgenommenen Signals grundsätzlich eine nicht lineare Abhängigkeit auf (Taschenbuch der Physik/Horst Stöcker. – Verlag Harri Deutsch, 1998).
Ferner kann der benutzte Dynamikbereich eines auf einem Infrarotsensor basierenden Messsystems dadurch beeinflusst werden, dass das Intensitätssignal der aufgenommenen Strahlung kontrolliert und gesteuert wird ( WO 9610164 A1 ). Hier wird das Intensitätssignal dieser Strahlung vor dem Analog-Digital-Wandler seinem Eingangsbereich angepasst. Dies bezieht sich jedoch auf den Dynamikbereich nicht des Infrarotsensors sondern des Analog-Digital-Wandlers und führt außerdem zu gleichzeitiger Verstärkung des Rauschens des Intensitätssignals.
Es ist bekannt, dass im Infrarotbereich ein Intensitätsbild in ein Temperaturbild umgerechnet werden kann, wobei die Messdaten in z. B. zwei verschiedene Bereiche der Temperatur bzw. Strahlungsintensität sortiert werden ( DE 1020055010754 A1 ). Diese werden dann dem entsprechenden zu untersuchenden Material zugeordnet. Auf den Dynamikbereich des Infrarotsensors wird dabei kein Einfluss ausgeübt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur automatischen Änderung der Integrationszeit eines Infrarotsensors zu schaffen, mit dem die bestmögliche Ausnutzung der Dynamik eines Infrarotsensors gewährleistet wird. Mit diesem Verfahren kann der Dynamikbereich des Infrarotsensors optimal zum interessierenden Temperaturbereich des zu untersuchenden Objektes angepasst werden. Eine entsprechende Vorrichtung soll dabei dieses Verfahren zu ermöglichen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 7.
Patentgemäß erfolgt die automatische Anpassung der Integrationszeit eines Infrarotsensors auf der Basis des Temperaturbildes, das aus einem fortlaufenden Intensitätsbild umgerechnet wird.
Gemäß Anspruch 1 wird mindestens ein aus einer fortlaufenden Bildfolge stammendes Intensitätsbild des zu prüfenden Objektes mit einem Infrarotsensor aufgenommen. Dies soll mit einer Grundeinstellung seiner Integrationszeit durchgeführt werden. Dabei wird das aufgenommene Intensitätsbild in ein Temperaturbild umgerechnet. Aus den auf dem zu untersuchenden Objekt auftretenden Temperaturen wird ein charakteristischer Temperaturwert nach Standardmethoden der aktiven Thermographie ermittelt. Dieser charakteristische Temperaturwert wird dazu benutzt dem ermittelten Temperaturbereich den entsprechenden Einstellwert der Integrationszeit des Infrarotsensors zuzuordnen, der für die Aufnahme mindestens eines der darauffolgenden Bilder verwendet werden soll. Damit kann eine Verfälschung der Messergebnisse sowohl durch Übersteuerung des Infrarotsensors als auch durch sein Eigenrauschen sowie das Rauschen der verwendeten Analog-Digital-Wandlung weitgehend ausgeschlossen werden.
Ein passender Einstellwert der Integrationszeit des Infrarotsensors kann gemäß Anspruch 2 durch seinen Index zugeordnet werden. Die in Frage kommenden Integrationszeiten sowie ihre Indices sind dabei in einer Tabelle zusammengefasst, die in der elektronischen Schaltung, welche zusammen mit dem Infrarotsensor eine Infrarotkamera bildet, zwischengespeichert wird. Dann kann ein charakteristischer Temperaturwert aus dem umgerechneten Temperaturbild eines fortlaufenden Intensitätsbildes ermittelt werden. Der diesem Wert entsprechende Temperaturbereich wird einem Index zugeordnet, wobei dieser der dazu passenden Integrationszeit entspricht. Damit kann eine wesentlich schnellere und einfachere Anpassung der Integrationszeit eines Infrarotsensors zur aufgenommenen Szene durchgeführt werden.
Gemäß Anspruch 3 kann die Ermittlung einer Integrationszeit eines Infrarotsensors, auf einem festgelegten Ausschnitt des Intensitätsbildes erfolgen. Dadurch kann ebenso eine wesentlich schnellere und einfachere Anpassung der Integrationszeit eines Infrarotsensors zur aufgenommenen Szene durchgeführt werden. Darüber hinaus kann die Änderung der Integrationszeit eines Infrarotsensors nicht nur an die ganze aufgenommene Szene sondern präzise an einen enthaltenen Bereich, z. B. an ein zu untersuchendes Objekt, angepasst werden.
Da bei einer Infrarotaufnahme es sich sehr oft um eine Bildsequenz handelt, kann gemäß Anspruch 4 die Ermittlung und Einstellung einer Integrationszeit eines Infrarotsensors während der Aufnahme einer Bildsequenz erfolgen. Dadurch kann eine dynamische Anpassung der Integrationszeit eines Infrarotsensors zu unterschiedlichen Bildern einer Bildsequenz und damit eine höhere Flexibilität der Auswertung erreicht werden.
Gemäß Anspruch 5 kann die Einstellung der optimierten Integrationszeit eines Infrarotsensors auf unterschiedlichen Bereichen des Infrarotsensors bis hin zu einzelnen Pixeln unabhängig von einander erfolgen. Dies wird eine höhere Flexibilität der Bildauswertung sowie eine höhere Präzision des Dynamikbereiches des Infrarotsensors zu einem zu untersuchenden Objekt gewährleisten.
Das beschriebene Verfahren kann mit Hilfe einer entsprechenden Vorrichtung realisiert werden. Diese Vorrichtung besteht beispielsweise aus einer Recheneinheit, einem Infrarotsensor, mindestens einer Anregensquelle, mit welcher das mit dem Infrarotsensor aufgenommene Objekt zwecks zerstörungsfreier Prüfung angeregt wird, und einer zu dieser Anregungsquelle zugehörigen Steuerungseinheit. Dabei sollen die in Frage kommenden Integrationszeiten in der elektronischen Schaltung am Infrarotsensor gespeichert werden. Gemäß Anspruch 6 wird die Auswahl der in der elektronischen Schaltung am Infrarotsensor gespeicherten Integrationszeit abhängig von und synchron zur Ansteuerung der Anregungsquelle erfolgen. Somit kann die Integrationszeit eines Infrarotsensors mit der verwendeten Anregungsquelle genau abgestimmt und dementsprechend die zeitliche Abfolge der ausgewählten Integrationszeiten den am zu untersuchenden Objekt zu erwartenden Temperaturverlauf angepasst werden.
Gemäß Anspruch 7 kann die Auswahl der Integrationszeit nach erfolgtem Start mindestens einer Anregungsquelle abhängig von der mittels mindestens eines Temperatursensors am zu untersuchenden Objekt gemessenen Temperaturen erfolgen. Dadurch wird eine direkte Anpassung der Integrationszeit eines Infrarotsensors zur Temperatur des zu untersuchenden Objektes möglich.
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 der Zeichnung. Es wird gezeigt:
1 zeigt die schematische Darstellung eines Messaufbaus. Dieser besteht aus einer Mess- und Recheneinheit (1), einer Anregungsquelle (3), einem zugehörigen Steuergerät (2), sowie einer Infrarotkamera (4), welche einen bildgebenden Infrarotsensor (6) und eine zugehörige elektronische Schaltung (5) enthält. Das zu untersuchende Objekt (7) wird zwecks zerstörungsfreier Prüfung durch die Anregungsquelle (3) (z. B. ein Laser oder eine Blitzlampe) erwärmt.
2 zeigt die schematische Darstellung eines Messaufbaus, der im Unterschied zur 1 ein Temperaturmessgerät (8) enthält, mit welchem die Temperatur an einem zu untersuchenden Objektes (7) gemessen und in einen Digitalwert gewandelt werden kann.
3 zeigt die schematische Darstellung eines Messaufbaus, der im Unterschied zur 2 anstatt eines Temperaturmessgeräts (8) einen Temperatursensor (9) am zu untersuchenden Objekt (7) enthält.
Als Beispiel kann eine Vorrichtung genommen werden, mit der ein Bild bzw. eine Bildsequenz von einem zu untersuchenden Objekt (7) mit einem Infrarotsensor (6) aufgenommen wird.
Vor Beginn einer Messung wird von der Recheneinheit (1) eine Tabelle von mehreren in Frage kommenden Integrationszeiten in geordneter Reihenfolge an die elektronische Schaltung (5) übertragen und dort zwischengespeichert (1). Dadurch kann die benötigte Integrationszeit später über einen Index ausgewählt werden. Zusätzlich wird von der Recheneinheit (1) eine Tabelle für die zeitliche Abfolge der zu verwendenden Integrationszeiten festgelegt und ebenfalls an die elektronische Schaltung (5) übertragen. Diese Tabelle enthält eine beliebige Anzahl von Einträgen, jeweils bestehend aus einem Zahlenwert für die Verweildauer bei einer bestimmten Einstellung der Integrationszeit und aus einem Index, der auf einen bestimmten Einstellwert aus der zwischengespeicherten Tabelle von Integrationszeiten verweist.
Der Infrarotsensor (6) wird zunächst mit einem beliebigen, beispielsweise dem ersten, in der Tabelle gegebenen Einstellwert für die Integrationszeit betrieben.
Zeitgleich mit dem Start der Anregungsquelle (3) durch die Steuereinheit (2) gibt diese einen Startimpuls (Trigger) an die elektronische Schaltung (5) und startet damit den zuvor festgelegten zeitlichen Ablauf von verschiedenen Einstellungen der Integrationszeit. Die elektronische Schaltung (5) übernimmt selbständig, d. h. ohne weitere Anforderung durch die Recheneinheit (1), die Umschaltung der Integrationszeit des Infrarotsensors (6) jeweils nach Ablauf des zuvor festgelegten einzelnen Zeitabschnittes.
Die Temperatur des zu untersuchenden Objektes (7) kann direkt an ihm gemessen werden (2). Wie im zuvor beschriebenen Aufbau wird auch hier vor Beginn einer Messung von der Recheneinheit (1) eine Tabelle von mehreren Integrationszeiten an die elektronische Schaltung (5) übertragen und dort zwischengespeichert. In diesem Fall können die Integrationszeiten sinnvoller weise z. B. nach Größe sortiert werden. Zusätzlich wird von der Recheneinheit (1) eine Tabelle festgelegt und an die elektronische Schaltung (5) übertragen, welche jede dieser Integrationszeiten einem bestimmten Temperaturbereich zuordnet. Der entsprechende Temperaturbereich wird mittels der vom Temperaturmessgerät (3) gemessenen Temperatur bestimmt.
Das Temperaturmessgerät (3) erfasst die Temperatur an einem zu untersuchenden Objektes (7) und liefert diese Temperaturinformation in analoger oder bereits digitalisierter Form an die elektronische Schaltung (5). Die elektronische Schaltung (5) prüft, in welchen der zuvor festgelegten Temperaturbereiche der gemessene charakteristische Temperaturwert fällt. Danach wird der Infrarotsensor (6) fortan mit der diesem Temperaturbereich zugeordneten Integrationszeit betrieben.
Alternativ kann die vom Temperaturmessgerät (3) ausgegebene Temperaturinformation an die Recheneinheit (1) weiter geleitet werden – gestrichelt gezeichnet (2). In der elektronischen Schaltung (5) wird ebenso eine Tabelle von mehreren verschiedenen und beispielsweise nach Größe sortierten Integrationszeiten abgelegt, aus der über einen Index eine bestimmte Integrationszeit ausgewählt werden kann. Zusätzlich wird in der Recheneinheit (1) eine Tabelle festgelegt, mit welcher jeder Index einem Temperaturbereich zugeordnet wird.
Während der Messung prüft die Recheneinheit (1), in welchen der zuvor festgelegten Temperaturbereiche die mittels Temperaturmessgerät (3) gemessene Temperatur fällt. Je nach derart ermitteltem Temperaturbereich überträgt die Recheneinheit (1) einen Index an die elektronische Schaltung (5), mit welchem die diesem Temperaturbereich zugeordnete Integrationszeit aus der in der elektronischen Schaltung (5) zuvor zwischengespeicherten Tabelle ausgewählt wird. Die elektronische Schaltung (5) übernimmt dann die Umschaltung des Infrarotsensors (6) auf die gewählte Integrationszeit.
Die Erfassung der Temperatur des zu untersuchenden Objektes (7) kann auch an ihm mit Hilfe eines Temperatursensor (9) erfolgen (3).
Damit kann eine einfache, schnelle und präzise automatische Änderung der Integrationszeit eines Infrarotsensors gewährleistet werden, mit welcher der Dynamikbereich eines Infrarotsensors optimal zum interessierenden Temperaturbereich des zu untersuchenden Objektes dynamisch angepasst werden wird.

1: Recheneinheit
2: Steuereinheit
3: Anregungsquelle
4: Infrarotkamera
5: Elektronische Schaltung
6: Infrarotsensor
7: Zu untersuchendes Objekt
8: Temperaturmessgerät
9: Temperatursensor

Claims

Verfahren zur adaptiven Änderung der Integrationszeit eines Infrarotsensors (6), welcher zusammen mit einer elektronischen Schaltung (5) eine Infrarotkamera (4) bildet und dessen Dynamikbereich optimal zum interessierenden Temperaturbereich des zu untersuchenden Objektes (7) automatisch angepasst werden soll, sodass die bestmögliche Ausnutzung der Dynamik des Infrarotsensors (6) gewährleistet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein aus einer fortlaufenden Bildfolge stammendes Intensitätsbild des zu prüfenden Objektes (7), das mit einer Grundeinstellung der Integrationszeit aufgenommen ist, in ein Temperaturbild umgerechnet wird, aus dem ein charakteristischer Temperaturwert aus den auftretenden Temperaturen nach Standardmethoden der aktiven Thermographie ermittelt wird und dazu benutzt wird, dem ermittelten Temperaturbereich den entsprechenden Einstellwert der Integrationszeit des Infrarotsensors (6) zuzuordnen, welcher für die Aufnahme mindestens eines der darauffolgenden Bilder verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrationszeit des Infrarotsensors (6) ein passender Einstellwert durch seinen Index zugeordnet wird, wobei die in Frage kommenden Integrationszeiten sowie ihre Indices in einer Tabelle zusammengefasst sind, die in der elektronischen Schaltung (5) am Infrarotsensor (6) zwischengespeichert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Integrationszeit des Infrarotsensors (6), die eine optimale Anpassung des Dynamikbereiches des Infrarotsensors (6) zum interessierenden Temperaturbereiches, des zu untersuchenden Objektes (7) gewährleistet, auf einem festgelegten Ausschnitt des Intensitätsbildes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung und Einstellung der Integrationszeit des Infrarotsensors (6), die eine optimale Anpassung des Dynamikbereiches des Infrarotsensors (6) zum interessierenden Temperaturbereich des zu untersuchenden Objektes (7) gewährleistet, während der Aufnahme einer Bildsequenz erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der optimalen Integrationszeit des Infrarotsensors (6) auf unterschiedlichen Bereichen des Infrarotsensors (6) bis hin zu einzelnen Pixeln unabhängig von einander erfolgt.
Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens zur adaptiven Änderung der Integrationszeit eines Infrarotsensors (6) gemäß Anspruch 1, 2 oder 5, wobei die Vorrichtung aus einer Recheneinheit (1), einem Infrarotsensor (6), einer Anregensquelle (3), mit welcher das mit dem Infrarotsensor (6) aufgenommene Objekt (7) zwecks zerstörungsfreier Prüfung angeregt wird, und einer zu dieser Anregungsquelle (3) zugehörigen Steuerungseinheit (2) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der in der elektronischen Schaltung (5) am Infrarotsensor (6) gespeicherten Integrationszeit abhängig von und synchron zur Ansteuerung der Anregungsquelle (3) erfolgt, sodass die zeitliche Abfolge der ausgewählten Integrationszeiten dem am zu untersuchenden Objekt (7) zu erwartenden zeitlichen Temperaturverlauf angepasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Integrationszeit nach erfolgtem Start mindestens einer Anregungsquelle (3) abhängig von der mittels mindestens eines Temperatursensors (9) am zu untersuchenden Objekt (7) gemessenen Temperaturen erfolgt.