Ein heißes Bauteil soll in einer geschlossenen Prüfkammer untersucht werden. Die Wärmebildkamera steht außerhalb, zwischen Objektiv und Prüfling befindet sich eine Glasscheibe. Für das Auge ist das Bauteil gut sichtbar. Ob sich seine Temperatur durch die Scheibe messen lässt, hängt jedoch von anderen Eigenschaften ab.
Thermografie durch Glas ist unter bestimmten Voraussetzungen möglich. Entscheidend sind die spektrale Durchlässigkeit der Scheibe, der nutzbare Wellenlängenbereich des gesamten Kamerasystems und die Temperatur des Messobjekts. Eine gewöhnliche Wärmebildkamera für Instandhaltung kann durch normales Fensterglas keine Temperaturen dahinter messen. Spezielle SWIR-Kameras und geeignete Breitbandausführungen wissenschaftlicher Infrarotkameras eröffnen dagegen zusätzliche Möglichkeiten.
Dieser Beitrag zeigt, worauf es bei Wärmebildkameras für Forschung und Entwicklung ankommt und welche FLIR Systeme als technische Kandidaten infrage kommen.
Warum normale Wärmebildkameras nicht durch Fensterglas messen
Glas ist für sichtbares Licht transparent. Daraus lässt sich seine Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung nicht ableiten.
Viele Thermografiekameras arbeiten im langwelligen Infrarotbereich, kurz LWIR, häufig bei etwa 7,5-14 µm. In diesem Bereich ist normales Fensterglas praktisch undurchlässig. Die Kamera erfasst die Eigenstrahlung der Glasoberfläche und reflektierte Strahlung aus der Umgebung. Die Temperatur des Objekts hinter der Scheibe lässt sich daraus nicht direkt bestimmen.
Das betrifft auch hochwertige Handkameras. Eine höhere IR-Auflösung, ein empfindlicherer Detektor oder eine andere Farbpalette ändern die spektrale Durchlässigkeit des Glases nicht.
Für den Versuchsaufbau folgt daraus: Zuerst muss geklärt werden, welche Strahlung die Scheibe tatsächlich passieren lässt. Erst anschließend lässt sich eine geeignete Kamera auswählen.
SWIR und Breitband-MWIR: Welche FLIR Kameras kommen infrage?
Im kurzwelligen Infrarot können bestimmte Gläser ausreichend Strahlung übertragen. Dafür kommen sowohl SWIR-Systeme als auch wissenschaftliche Kameras infrage, deren Empfindlichkeit über den klassischen MWIR-Bereich hinaus zu kürzeren Wellenlängen reicht.
Die folgenden Systeme aus dem TOPA-Portfolio bieten dafür unterschiedliche Ansätze:
| FLIR System | Relevanter Spektralbereich | Einordnung für R&D |
|---|---|---|
| FLIR A6260 SWIR | SWIR, 0,9-1,7 µm, je Ausführung erweitert | FLIR nennt Messungen durch Standardglas ausdrücklich als Anwendung. Für Temperaturmessungen beschreibt der Hersteller entsprechend optimierte und kalibrierte Ausführungen für Temperaturen oberhalb von 400 °C. |
| FLIR A6700 MWIR InSb, A6750 MWIR InSb und A6780 MWIR | Breitbandausführungen mit 1,0-5,0 µm | Technische Kandidaten, wenn Glas, Objektiv, Filter und Kalibrierung eine nutzbare Messung im durchlässigen Teilbereich ermöglichen. |
| FLIR X6980-HS InSb und X8580-HS InSb | Breitbandausführungen mit 1,5-5,0 µm | Kandidaten für anspruchsvolle dynamische Untersuchungen. Die X6980-HS setzt den Schwerpunkt auf hohe Bildraten, die X8580-HS auf eine höhere räumliche Auflösung. |
Die Tabelle ist keine pauschale Eignungszusage für jede Glasscheibe. Bei den Breitbandkameras ergibt sich die grundsätzliche Eignung aus der möglichen spektralen Überlappung. Ob ausreichend thermische Strahlung ankommt, muss für den konkreten Aufbau geprüft werden.
SWIR-Bildgebung ist nicht automatisch Temperaturmessung
Eine SWIR-Kamera kann durch Glas ein deutliches Bild liefern, ohne dabei die Temperatur des abgebildeten Objekts zu erfassen. Bei niedrigen Objekttemperaturen kann das Bild überwiegend durch reflektiertes Licht entstehen.
Die A6260 ist deshalb für thermische Hochtemperaturmessungen interessant. Ihre Fähigkeit, durch Standardglas abzubilden, macht sie nicht zu einem Ersatz für die LWIR-Thermografie eines Elektronikbauteils bei beispielsweise 60 °C.
Die konkrete MWIR-Ausführung ist entscheidend
Innerhalb einer Kamerafamilie können unterschiedliche Spektralbereiche verfügbar sein. So unterscheiden sich beispielsweise die Breitbandvarianten A6750 und A6780 mit 1,0-5,0 µm von A6751 und A6781 mit 3,0-5,0 µm.
Für normales Glas darf die Eignung deshalb nicht allein aus der Bezeichnung "MWIR" oder "gekühlt" abgeleitet werden. Auch die Detektortechnologie allein reicht als Auswahlkriterium nicht aus.
Glasart, Dicke und Beschichtung gehören zur Messaufgabe
Fensterglas, Borosilikatglas und Quarzglas haben unterschiedliche Transmissionskurven. Hinzu kommen die Materialdicke und mögliche Beschichtungen. Auch Mehrfachverglasungen müssen als gesamter optischer Aufbau betrachtet werden.
Für die Planung sind deshalb Daten zur Transmission über der Wellenlänge erforderlich. Ein Wert für die sichtbare Lichtdurchlässigkeit beantwortet die Frage nach der Eignung für Thermografie nicht.
Je nach Glas kann ein bestimmter kurzwelliger Bereich nutzbar sein, während benachbarte Wellenlängen stark absorbiert werden. Eine allgemeingültige Grenzwellenlänge für sämtliche Glasarten wäre daher irreführend.
Wenn der Aufbau bei unterschiedlichen Scheibentemperaturen betrieben wird, muss auch deren Einfluss bewertet werden. Eine Prüfung mit einer kalten, sauberen Scheibe bildet einen späteren Versuch mit erwärmtem oder verschmutztem Messfenster nicht vollständig ab.
Objektiv, Filter und Kalibrierung müssen zusammenpassen
Der Spektralbereich des Detektors beschreibt nur einen Teil des Messsystems. Auch Objektiv, kamerainterne Fenster und Filter müssen die benötigten Wellenlängen übertragen.
Bei einer Breitbandkamera kann ein geeigneter Spektralfilter die Messung auf einen Bereich begrenzen, in dem die Scheibe ausreichend durchlässig ist. Ein Filter kann vorhandene Wellenlängen auswählen, aber keine zusätzliche Detektorempfindlichkeit erzeugen. Aus einer auf 3,0-5,0 µm beschränkten Kamera wird dadurch kein SWIR-System.
Die Temperaturkalibrierung muss zur verwendeten Kombination passen. Der Temperaturmessbereich einer Kamera ohne vorgeschaltete Scheibe gilt nicht automatisch auch für die Messung durch Glas. Gleiches gilt für die erreichbare Bildrate, wenn wegen des geringeren Signals längere Integrationszeiten erforderlich werden.
Vom erkennbaren Bild zu belastbaren Temperaturwerten
Ein Messfenster beeinflusst die Strahlung, die an der Kamera ankommt. Dazu gehören unter anderem:
- die durch das Fenster abgeschwächte Strahlung des Messobjekts,
- die Eigenstrahlung des Fensters,
- reflektierte Strahlungsanteile aus der Umgebung.
Für eine quantitative Messung müssen diese Einflüsse ausreichend beschrieben und berücksichtigt werden. Dazu gehören der Transmissionsgrad im tatsächlich genutzten Spektralbereich und die Fenstertemperatur.
Zusätzlich bleiben der Emissionsgrad des Prüflings und reflektierte Umgebungsstrahlung relevant. Die TOPA-Emissionsgradtabelle erläutert die Grundlagen. Tabellenwerte ersetzen jedoch keine Bewertung der konkreten Oberfläche und des verwendeten Wellenlängenbereichs.
Ein prozentualer Abschlag auf einen angezeigten Temperaturwert ist keine geeignete Korrektur. Ebenso wenig sollte ein frei gewählter Emissionsgrad lediglich dafür sorgen, dass ein einzelner Messpunkt plausibel erscheint.
Für R&D empfiehlt sich eine Validierung des vollständigen Aufbaus mit einer geeigneten Referenz, beispielsweise einem kalibrierten Schwarzkörperstrahler, über den vorgesehenen Temperaturbereich. Die Prüfung sollte auch die später verwendeten Kamera-, Filter- und Integrationszeiteinstellungen abdecken.
Wenn normales Glas ungeeignet ist: Ein passendes IR-Messfenster
Lässt die vorhandene Scheibe im benötigten Spektralbereich nicht genügend Strahlung durch, kann ein speziell ausgewähltes IR-Fenstermaterial die bessere Lösung sein. Für LWIR-Anwendungen ist beispielsweise Germanium ein gebräuchliches Material.
Auch IR-Inspektionsfenster zeigen das Prinzip: Ihr Material ist gezielt für die Übertragung von Infrarotstrahlung ausgelegt. Sie ermöglichen damit Messungen, die durch normales Fensterglas nicht möglich wären.
Die Auswahl für eine Prüfkammer muss zusätzlich zu den optischen Eigenschaften auch Temperatur, Druck beziehungsweise Vakuum und die mechanische Einbindung berücksichtigen. Ein für elektrische Inspektionen vorgesehenes Fenster ist nicht automatisch für jeden Laboraufbau geeignet.
So planen Sie Thermografie durch Glas für Ihr R&D-Projekt
Für die technische Bewertung sollten die folgenden Angaben vorliegen:
- Messobjekt und erwarteter Temperaturbereich.
- Glasart, Dicke, Beschichtung und möglichst eine spektrale Transmissionskurve.
- Temperatur und Betriebsbedingungen des Messfensters.
- Messabstand, erforderliche Detailauflösung und Geschwindigkeit des Vorgangs.
- Anforderung an die Messung: qualitative Beobachtung oder quantitative Temperaturwerte.
Auf dieser Grundlage lassen sich Kamera, Objektiv, Filter und Kalibrierung gemeinsam auswählen. Für unterstützte Kameras bietet FLIR Research Studio Möglichkeiten zur Aufzeichnung und Auswertung thermischer Versuche. Eine Auswertesoftware kann eine fehlende optische Durchlässigkeit allerdings nicht ausgleichen.
