Einfach schärfer! Verbesserte Temperatur-Messauflösung bei Wärmebildkameras

Im Vergleich zu Digitalkameras haben Infrarot-Detektoren nur eine geringe Auflösung. Dieser Umstand sorgt besonders dann für Probleme, wenn man extrem kleine Objekte erkennen und messen möchte. Die Messobjekte sind oft sogar kleiner als ein einzelner Pixel. Im schlimmsten Falle trägt das kleine Messobjekt nur einen Bruchteil zu der gesamten gemessenen Strahlung bei, was dazu führt, dass es eventuell im Hintergrund untergeht und nicht mehr erkennbar ist. Sollte es groß genug sein, um einen signifikanten Anteil zur Strahlung beizutragen, wird der Messwert durch den Einfluss aus dem Hintergrund zu einem Wert zwischen der Temperatur des Messobjekts und der des Hintergrunds tendieren, d.h. für die Messung, dass meist nur ein verfälschter Wert ermittelt wird. Dieses Problem ist in der Mikroelektronik bekannt, wo Objekte thermografiert werden, die eine besonders kleine und feine Auflösung erfordern. Die SuperResolution-Technologie bietet die Möglichkeit – ohne den Einsatz eines größeren Detektors mehr echte Temperaturmesswerte abzubilden und somit kleinere Messobjekte korrekt zu messen. Dabei handelt es sich nicht um ein einfaches Interpolationsverfahren, wie bilineare oder bikubische Interpolation, bei dem künstliche Zwischenwerte ohne zusätzlichen Informationsgewinn erzeugt werden. Solche künstlich erzeugten Werte können niemals die Nachbarwerte übersteigen, was insbesondere bei kleinen Objekten aber notwendig wäre, um z.B. Hotspots zu erkennen. Im Gegensatz dazu erhöht das neue Verfahren die Messauflösung und die Detailtreue – der originale Signalverlauf kann rekonstruiert werden (Bild 2). Es werden also echte Messwerte berechnet, die vergleichbar mit der Aufnahme einer Kamera mit höherer Detektorauflösung sind. Die geometrische Auflösung eines SuperResolution-Wärmebildes wird somit deutlich verbessert, wodurch in der Praxis das sogenannte \’kleinste messbare Objekt\‘ bei gleicher Distanz zwischen Thermograf und Messobjekt deutlich kleiner wird. Der Thermograf muss nicht näher an sein Messobjekt herangehen und kann dennoch bei der Analyse des Wärmebilds am PC deutlich mehr Details erkennen, ohne dass er einen größeren Detektor verwenden muss (Bild 3). Die SuperResolution-Technolgie bietet folgende Vorteile: – viermal so viele Messwerte im Wärmebild – verbesserte geometrische Auflösung (IFOVgeo) des Wärmebilds um den Faktor 1,6 – messbare Objekte werden um den Faktor 1,6 kleiner (IFOVmeas) – deutlich mehr Details für die Analyse am PC und somit qualitativ und quantitativ bessere Auswertungsmöglichkeiten im Thermografie- Bericht Physikalische Grundlagen Die zum Patent angemeldete Technologie kombiniert zwei bekannte Verfahren: (a) Super-Sampling bzw. Überabtastung und (b) Dekonvolution bzw. Entfaltung. Beim sogenannten Super-Sampling wird bei jeder Aufnahme eine Sequenz von mehreren leicht gegeneinander versetzten Bildern abgespeichert. Aus dieser Bildersequenz wird ein höher aufgelöstes Bild berechnet. Hierbei werden die durch den natürlichen Tremor (vom lateinischen: tremere = zittern) bei jedem Menschen vorhandenen minimalen Bewegungen bei der Thermografie-Aufnahme genutzt. Es entsteht so eine Sequenz von zufällig minimal gegeneinander versetzten Bildern. Ein spezieller Algorithmus nutzt diese zusätzlichen Informationen und Messwerte, um ein höher aufgelöstes Bild des thermografierten Objekts zu erzeugen. Bei der sogenannten Dekonvolution wird durch die genaue Kenntnis der Eigenschaften des Infrarot-Objektivs die Bildqualität erhöht. Dies geschieht durch die Verrechnung der Abbildungseigenschaften des Objektivs mit dem Wärmebild. a) Super-Sampling: Bolometer-Detektoren für Infrarotkameras bestehen aus einer Matrixanordnung einzelner Pixel, welche die Strahlung aufnehmen und in ein elektrisch auswertbares Signal umwandeln. Zur thermischen Isolation ist die Pixelmatrix in einem Vakuumgehäuse untergebracht. Jedes Pixel besteht wiederum aus einer dünnen Bolometer-Membran, die an feinen Beinchen über einem Substrat angebracht ist. Zwischen den einzelnen Pixeln gibt es kleine Abstände zur thermischen Isolation. Durch diese soll ein Übersprechen, also der Wärmefluss von einem Pixel auf die Nachbarpixel, verhindert werden. Allerdings entsteht auch so eine Lücke zwischen den einzelnen Pixeln, in der keine Strahlung detektiert werden kann. Des Weiteren ist nicht die gesamte Pixel-Fläche empfindlich für Strahlung. Die Absorption der Strahlung findet nur im inneren Teil der Pixelmembran statt, d.h. dass es zwischen den Pixeln \’blinde Stellen\‘ gibt, in denen keine Infrarot-Strahlung detektiert wird. Wenn nun ein Objekt sehr klein ist, kann es sein, dass das emittierte Signal direkt in eine solche \’blinde Stelle\‘ fällt und damit praktisch verloren geht. Das klassische Super-Sampling-Prinzip löst dieses Problem, indem die gesamte Detektormatrix um eine halbe Pixelbreite in jede Richtung verschoben und die so entstandene Bildsequenz zu einem Bild zusammengesetzt wird. Die Lücken zwischen den Pixeln werden so mit zusätzlichen Informationen gefüllt und die Grenzfrequenz des Detektors verbessert. b) Dekonvolution: Die Abbildung eines Objektes wird mathematisch beschrieben durch die Konvolution (Faltung) der Objektstrahlung mit der Übertragungsfunktion der Kamera. Als Dekonvolution wird die Umkehrung einer Faltung zweier Funktionen bezeichnet. Man versteht hierunter also einen mathematischen Algorithmus, welcher, aus der Kenntnis von lediglich dem Ergebnis der Faltung – hier dem Ausgangssignal – und der Übertragungsfunktion, auf das Eingangssignal schließen lässt. Dies bedeutet, dass mit dem Ausgangssignal der Bolometer und der Kenntnis der Objektiv-Eigenschaften der Wärmebildkamera das Eingangssignal – also die tatsächliche Strahlung der thermografierten Objekte – rekonstruiert wird. Das Ergebnis ist ein schärferes Wärmebild. Dekonvolution funktioniert übrigens auch unabhängig von Super-Sampling, d.h. für den Thermografen, dass seine Wärmebilder sogar ohne Anwendung von Super-Sampling, d.h. ohne Nutzung des natürlichen Tremors, schärfer werden. SuperResolution ist die Kombination von Super-Sampling und Dekonvolution in einem Algorithmus und führt zu einer deutlich höheren geometrischen Auflösung des Wärmebilds. Die verbesserte Auflösung und Schärfe lässt sich durch Betrachtung von verschieden schmalen Schlitzblenden nachweisen. Dabei stellt man eine Schlitzblendenmaske mit vertikalen Öffnungen, die immer feiner werden und einen geringeren Abstand zueinander haben, vor einen schwarzen Flächenstrahler mit konstanter Temperatur. Ohne SuperResolution-Technologie sieht man, mit zunehmender Dichte der Schlitze und abnehmendem Abstand, ein verschwommenes Bild (Bild 4, oben). Der gleiche Vorgang mit SuperResolution-Technologie resultiert in einem gesamtheitlich schärferen Bild, welches trotz der Verkleinerung der Schlitze und der engeren Abstände noch deutlich mehr Details erkennen lässt (Bild 4, unten). Die genauere Analyse zeigt, wie problematisch eine zu geringe Detektorauflösung ist: Es entstehen Artefakte durch Aliasing und die gemessene Temperatur weicht stark ab. Die Testo SuperResolution-Technologie ist in allen Kamera-Modellen der Baureihen 875, 876, 881, 882, 885 und 890 verfügbar. Sogar bereits ausgelieferte Wärmebildkameras dieser Baureihen können durch ein Upgrade der Kamera-Software nachgerüstet werden. www.testo.de SENSOR+TEST Halle 11