DE3812560C2 - Thermokamera - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Thermokamera der im Ober­ begriff des Anspruches 1 genannten Art.

Thermokameras zur Erfassung temperaturauswertbarer Videobilder sind vielseitig zur Ermittlung der Tempe­ raturen von Objekten, insbesondere auch in der Indu­ strie, anwendbar.

Thermokameras der eingangs genannten Art sollen als Detektor einen infrarotempfindlichen Bildwandler auf­ weisen, der den Bildpunkten zugeordnete elektronische Signale abgibt, die als Videobild erfaßt und ausgewer­ tet werden können.

Nach dem Stand der Technik sind derartige Thermokame­ ras bekannt, die mit einem pyroelektrischen Vidikon als Bildwandler ausgerüstet sind. Im Gegensatz zu Standardvidikons mit Empfindlichkeitsmaximum im sicht­ baren Spektralbereich bzw. nahen IR, wie sie für Fern­ sehkameras verwendet werden, besitzen die pyroelektri­ schen Vidikons aufgrund ihrer besonderen Konstruktion ein Empfindlichkeitsmaximum im fernen Infrarot, also bei einer Wellenlänge von etwa 10 µm. Solche Thermoka­ meras sind hervorragend geeignet zur Erfassung von Temperaturen im Bereich der Zimmertemperatur. Der wohl bekannteste Einsatzzweck ist das Erstellen von Tempe­ raturbildern von Wohnhausaußenflächen zur Ermittlung von Energiesparmöglichkeiten. Ein solches pyroelektrisches Vidikon ist bekannt aus dem Prospekt "Pyricon Thermal-Television Pickup Tubes" Thomson-CSF Electron Tube Division (1985).

Nachteilig bei solchen mit pyroelektrischen Vidikons ausgerüsteten Thermokameras ist der konstruktionsbe­ dingt sehr hohe Preis und die Tatsache, daß diese auf­ grund ihrer speziellen Eignung für Wellenlängenberei­ che im fernen IR weniger gut geeignet sind für höhere Temperaturen ab einigen 100°C, bei denen die thermi­ sche Strahlung bei wesentlich kürzeren Wellenlängen liegt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine für höhere Temperaturen ab einigen 100°C geeignete kostengünstige Thermokamera zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Thermokamera verwendet als Bildwandler, einen handelsüblichen Bildwandler mit spektralem Empfindlichkeitsmaximum im sichtbaren Bereich bzw. im nahen IR. Derartige Bildwandler stehen z. B. in Form von Vidikons für Fernsehkameras zu äußerst günstigen Preisen zur Verfügung, wodurch die Kamera wesentlich verbilligt wird. Der spektrale Emp­ findlichkeitsbereich solcher Bildwandler reicht über den sichtbaren Bereich in das nahe IR hinein. Für hö­ here Temperaturen ab einigen 100°C, vorzugsweise über 500°C, läßt sich unter Zuhilfenahme von Filterein­ richtungen der spektrale Empfindlichkeitsbereich der Kamera so legen, daß er unterhalb der Wellenlänge des Maximums der Planckschen Strahlungskurve der höchsten im Bild auftretenden Temperatur einen schmalbandigen Wellenlängenbereich erfaßt. Mit Hilfe dieses schmal­ bandigen Empfindlichkeitsbereiches im angegebenen Wellenlängenbereich wird eine sehr hohe Temperatur­ auflösung erreicht, da an dieser Stelle sich die Planckschen Strahlungskurven für Körper unterschied­ licher Temperatur am stärksten unterscheiden. Die relativen Intensitätsunterschiede unterschiedlicher Temperaturen sind hier erheblich größer als im Bereich des Strahlungsmaximums oder bei höheren Wellenlängen, bei denen die pyroelektrischen Vidikons empfindlich sind, die deshalb bei höheren Temperaturen erhebliche Temperaturauflösungsprobleme haben. Es ergibt sich insgesamt eine Thermokamera, die zu kostengünstigen Preisen mit hoher Temperaturauflösung zur Verfügung steht.

Vorteilhaft sind dabei die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Auf diese Weise wird der sichtbare Spek­ tralbereich unterdrückt. Aufnahmen auch von schwache Strahlern können also in beleuchteten Räumen ohne Störung durchgeführt werden.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Bei den meisten Bildwandlern mit Emp­ findlichkeitsmaximum im sichtbaren Bereich liegen die oberen Empfindlichkeitsgrenzen im nahen IR bei etwas über 1 µm, also in einem für die vorliegende Erfindung als obere Grenze des Empfindlichkeitsbereiches geeig­ neten Wert. Die Filtereinrichtung kann dadurch verein­ facht werden.

Schließlich sind vorteilhaft die Merkmale des Anspru­ ches 4 vorgesehen. Halbleiterbildwandler, insbesondere solche vom Typ CCD, sind heutzutage für Videokameras äußerst kostengünstig verfügbar und erlauben die Kon­ struktion einer erfindungsgemäßen Thermokamera mit optimalen Kosten- und Leistungswerten, wie sich in Versuchen herausgestellt hat.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungs­ gemäßen Thermokamera und

Fig. 2 ein Wellenlängen/Intensitätsdiagramm zur Wirkungsweise der Erfindung.

Fig. 1 zeigt stark schematisiert eine erfindungsgemäße Thermokamera 1, mit der drei auf unterschiedlichen Temperaturen T₁, T₂ und T₃ befindliche Objekte erfaßt werden sollen.

Die Temperaturen liegen in einem Beispiel bei

T₁ = 1400°C,
T₂= 1500°C und
T₃= 1600°C.

Die Thermokamera 1 soll ein Videobild erstellen, in dem diese Temperaturen auswertbar sind.

Zu diesem Zweck weist die Thermokamera 1 einen Bild­ wandler 2 auf, der als CCD-Halbleiterchip mit einer größeren Zahl in einer Fläche angeordneter optoemp­ findlicher Elemente ausgebildet ist. Erfindungsgemäß werden solche handelsüblichen CCD′s vorgesehen, die für Fernsehkameras oder Nachtsichtgeräte kostengünstig zur Verfügung stehen, die also ein Empfindlichkeitsma­ ximum im sichtbaren Bereich bzw. im nahen IR aufwei­ sen.

Über die dargestellten Leitungen ist der Bildwandler 2 an eine Schaltung 3 angeschlossen, die ein Videosignal auf einer Ausgangsleitung 4 abgibt, die zu einer nicht dargestellten Bildauswerteinrichtung führt.

Die dargestellten Objekte werden mittels einer Linse 5 auf dem Bildwandler 2 abgebildet. Diese Linse kann bei der erfindungsgemäßen Konstruktion aus üblichen opti­ schen Glassorten bestehen, welche bis zum nahen Infra­ rotbereich strahlungsdurchlässig sind. Die Kamera weist ferner ein Filter 6 auf, welches nur oberhalb einer Wellenlänge l₁ durchlässig ist.

Handelsübliche CCD′s, die als Bildwandler 2 verwendbar sind, weisen eine Obergrenze der spektralen Empfind­ lichkeit auf, die bei einer Wellenlänge l₂ von etwa 1,2 µm, also im nahen IR liegt. Die Thermokamera 1 hat also einen Empfindlichkeitsbereich, der zwischen den Grenzen l₁ und l₂ liegt. Sollte für den jeweiligen Anwendungszweck dieser Empfindlichkeitsbereich zu breit sein, also insbesondere die obere Begrenzung bei l₂ zu hoch liegen, so können spezielle schmalbandigere Filtereinrichtungen anstelle des Filters 6 vorgesehen sein.

In Fig. 2 sind die im Temperaturgleichgewicht von schwarzen Körpern abgestrahlten Intensitäten über der Wellenlänge aufgetragen, und zwar für die drei in Fig. 1 dargestellten Objekte mit den erwähnten Temperaturen T₁, T₂ und T₃, die also bei 1400°, 1500° und 1600°C liegen. Die Intensitäts/Wellenlängenkurve stellt die bekannte Plancksche Strahlungskurve dar. Die Intensi­ tätsmaxima verschieben sich mit steigenden Temperatu­ ren zu niedrigeren Wellenlängen (Wiensches Verschie­ bungsgesetz).

Es sind die Grenzen l₁ und l₂ des Empfindlichkeitsbe­ reiches E eingezeichnet, wobei l₁ durch Ausbildung des Filters 6 gerade auf die Grenze zum sichtbaren Bereich S gelegt ist, der etwa zwischen 0,4 µm und 0,8 µm liegt. Die Empfindlichkeitsgrenze l₂ des CCD-Bildwand­ lers 2 ist bei 1,2 µm eingezeichnet.

Ersichtlich liegt der Empfindlichkeitsbereich E unter­ halb des Maximums der Kurve T₃, also unterhalb der Wellenlänge des Maximums der Planckschen Strahlungs­ kurve der höchsten im Bild auftretenden Temperatur. Wie aus den Strahlungskurven T₁ , T₂ und T₃ ersichtlich ist, weisen diese im Bereich unterhalb ihrer Maxima die höchsten relativen Intensitätsdifferenzen auf. Würde der Empfindlichkeitsbereich E bei höheren Wel­ lenlängen also jenseits der Maxima liegen, so wären dort ersichtlich die auszuwertenden Intensitätsunter­ schiede erheblich geringer. Im eingezeichneten Bereich E zwischen den Grenzen l₁ und l₂ sind die ermittelten Intensitätswerte der dargestellten Strahlungskurven stark unterschiedlich und lassen sich daher im Video­ bild sehr leicht auswerten.

Der in Fig. 2 für ein Ausführungsbeispiel angegebene Empfindlichkeitsbereich E liegt zwischen der oberen Empfindlichkeitsgrenze l₂ des CCD-Bildwandlers 2 bei etwa 1,2 µm und der Grenze l₁ (bestimmt durch Filter 6) zum sichtbaren Bereich S bei 0,8 µm. Soll die Thermokamera 1 für wesentlich höhere Temperaturberei­ che eingesetzt werden, bei denen sich das Maximum der Strahlungskurve zu niedrigeren Wellenlängen ver­ schiebt, so muß die obere Grenze l₂ des Empfindlich­ keitsbereiches E zu kleineren Wellenlängen verschoben werden. Wie bereits erwähnt, können dazu zusätzliche Filter vorgesehen sein. Auch die untere Grenze l₁ des Empfindlichkeitsbereiches E kann anders gelegt werden. Beispielsweise muß für sehr hohe zu erfassende Tempe­ raturen l₁ durch geeignete Wahl des Filters 6 bis in den sichtbaren Bereich S hinein verschoben werden. Dann würde starke Beleuchtung unter Umständen aber stören und könnte zu Bildverfälschungen führen, was bei der Aufnahme zu berücksichtigen ist. Das könnte beispielsweise der Fall sein bei zu messenden Ober­ flächen hoher Temperatur aber niedriger Emission, z. B. bei polierten Flächen.

Anstelle des dargestellten CCD-Bildwandlers 2 läßt sich auch ein handelsübliches Vidikon verwenden mit einem Empfindlichkeitsmaximum im sichtbaren Bereich. Die Verhältnisse liegen dann ähnlich wie im darge­ stellten Fall.

Claims (4)

1. Thermokamera zur Erfassung eines temperaturaus­ wertbaren Videobildes mittels eines infrarotempfindli­ chen Bildwandlers, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildwandler (2) mit seinem spektralen Empfindlich­ keitsmaximum im sichtbaren Bereich (S) oder im nahen Infrarot ausgebildet ist und daß die Thermokamera (1) unter Zuhilfenahme einer Filtereinrichtung (6) einen schmalbandigen spektralen Empfindlichkeitsbereich (E) unterhalb der Wellenlänge des Maximums der Planckschen Strahlungskurve der höchsten im Bild auftretenden Temperatur (T₃) aufweist.

2. Thermokamera nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die untere Grenze (l₁) des Empfindlich­ keitsbereiches (E) oberhalb der Grenzwellenlänge des sichtbaren Spektralbereiches (S) liegt.

3. Thermokamera nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Grenze (l₂) des Empfindlichkeitsbereiches (E) durch die spek­ trale Empfindlichkeitsgrenze des Bildwandlers (2) ge­ geben ist.

4. Thermokamera nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Bildwandler ein Halbleiterbildwandler (2) vorgesehen ist.