Wie funktioniert eine Infrarotkamera? Grundlegendes

Teil 1 – Grundlegendes

Beginnen wir mit einer anderen Frage – wo ist eigentlich der Unterschied zwischen einer Infrarot- bzw. Wärmebildkamera und einer „normalen“ Digitalkamera wie sie zum Beispiel auch in Handykameras vorkommen? Diese grundlegende Frage versuchen wir zuerst zu beantworten um einen Überblick zu bekommen, mit Details werden wir uns später noch befassen.

Inhalt der Artikelserie

Teil 1 – Grundlegendes

Teil 2 – Temperaturbestimmung

Teil 3 – Emissionskoeffizient

Teil 4 – Die Messgleichung

Das elektromagnetische Spektrum

Zunächst deutet der Name schon etwas an – es geht um unterschiedliche Arten von Licht oder Strahlung. Da Digitalkameras in etwa das ablichten sollen was wir mit unseren Augen sehen arbeiten diese im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (kurz „sichtbares Licht“). Dieser liegt ca. bei Wellenlängen von $ 400 – 700 \; \text{nm}$.

Im Folgenden werden die Begriffe „Licht“ und „elektromagnetische Strahlung“ oder kurz „Strahlung“ austauschbar verwendet – Licht ist nichts anders als das.

Eine Wärmebildkamera dagegen bedient sich eines Bereichs der bei größeren Wellenlängen liegt. Wo genau dieser Ausschnitt sich befindet hängt dann unter anderem vom Detektor ab den die Kamera verwendet. Angesiedelt sind allerdings alle üblicherweise zwischen $1-12 \; \mu \text{m}$. Warum das so ist werden wir später noch sehen.

Damit haben wir einen ersten Unterschied zwischen Wärmebildkamera und Digitalkamera festgestellt – sie arbeiten in unterschiedlichen Regionen des elektromagnetischen Spektrums. Die WB-Kamera kann für Menschen nicht sichtbare Strahlung detektieren.

Das ist aber noch nicht alles.

Reflektierte und emittierte Strahlung

Macht man mit dem Handy ein Foto passiert folgendes: Das Licht der vor einem liegenden Szenerie trifft auf das Linsensystem der Kamera und kommt schließlich bei einem Detektor an. Dieses Licht wird aber nicht von den Gegenständen selbst abgegeben sondern kommt dabei ursprünglich von irgendwelchen Lichtquellen. Sonne, Lampen oder Kerzen zum Beispiel.

Der wichtige Punkt ist: Der allergrößte Teil von dem was wir sehen ist reflektiertes sichtbares Licht. Der Großteil der Dinge in unserer Welt emittiert nur wenig im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums.

Alles emittiert elektromagnetische Strahlung

Dinge in unsrer Welt geben zwar wenig Strahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums ab ABER sehr wohl in anderen Bereichen. Bei der Frage nach dem wieviel und in was für einem Wellenlängenbereich ist etwas Physik hilfreich.

Im einfachsten Fall wird dies alles durch das Planck’sche Strahlungsgesetz beschrieben.

\[w(\lambda,T) = \frac{2hc^2}{\lambda^5}\left(\exp{\left(\frac{hc}{\lambda k_B T}\right)}-1\right)^{-1} \]

Mit $c$ als Lichtgeschwindigkeit, $h$ dem Planck’schen Wirkungsquantum, $\lambda$ der Wellenlänge, $k_B$ der Boltzmann Konstante und $T$ der absoluten Temperatur des Körpers.

Es sagt uns alles was wir wissen wollen. Es sagt uns welche Leistung pro Fläche ein Körper bei einer bestimmten Temperatur in Form von Strahlung in einen bestimmten Abschnitt des Raumes pro Wellenlänge abgibt. Sehen wir uns also an wie das abgegebene Spektrum für verschiedene Temperaturen eines Körpers aussieht.

Die Temperaturen sind hierbei in der Einheit Kelvin angegeben. Da 0K=-273.15°C entsprechen also 300K in etwa 27°C.

Was zunächst auffällt ist, dass das Maximum der Kurve stark wächst mit höheren Temperaturen. Von 300K auf 400K hat sich die Höhe des Maximums mehr als verdoppelt, von 400K auf 500K findet sogar eine Verdreifachung statt! Auch wandert das Maximum bei höheren Temperaturen immer weiter nach links, verschiebt sich also in kurzwelligere Bereiche.

Warum 1-12 Mikrometer?

Das Planck’schen Strahlungsgesetz zeigt, wie man am Beispiel in obiger Graphik sehen kann, warum Wärmebildkameras im Bereich $ 1-12 \mu \text{m}$ arbeiten. Objekte mit „alltäglichen“ Temperaturen geben hier ein Maximum an Strahlung ab, und wie viel genau hängt eben von ihrer Temperatur ab! Das kommt uns sehr gelegen – immerhin soll ja mit einer Infrarotkamera die Temperatur bestimmt werden. Das mit dem Maximum ist dagegen wichtig weil so viel Strahlung wie möglich für die Detektion zur Verfügung stehen sollte.

Man kann sich das so vorstellen: Wer schon einmal versucht hat, im Finstren ein Foto zu machen wird festgestellt haben, dass man dieses besonders leicht verwackeln kann und die Bilder somit unscharf werden. In diesen Fällen verlängert die Kamera automatisch die Belichtungszeit, und zwar so, dass genug Licht ankommt damit am Kamerasensor noch ein ausreichend hohes Signal entsteht. Damit erkauft man sich aber eben ein eventuell verwackeltes Bild. Ausreichend hoch heißt in diesem Zusammenhang übrigens einfach: nicht komplett schwarz – das fotografierte Objekt soll sich vom Hintergrund abheben. Am hellichten Tag tritt dieses Problem nicht auf, da gibts ausreichend Licht.

Für Wärmebildkameras ist im Wellenlängenbereich quasi $1 – 12\mu \text{m}$ immer Tag. Dort geben Objekte genug Strahlung ab die detektiert werden kann.

Um abschließend eine weitere Antwort zur ursprünglichen Frage zu geben: Eine Digitalkamera detektiert hauptsächlich reflektierte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum, während eine Infrarotkamera im Infrarotspektrum EM Strahlung sensibel ist.

Soweit so gut. Natürlich ist hier noch nicht Schluss, in Folgeartikeln werden wir sehen, dass doch nicht alles ganz so einfach ist wie hier beschrieben.