Seit längerem werden z.B. zur Aufnahme von Wärmebildern im industriellen Umfeld oder an Hausfassaden mehr oder weniger großvolumige Wärmbildkameras eingesetzt. In den letzten wenigen Jahren wurden nun kleinvolumige Sensoren eingeführt, die Wärmebilder mit Auflösungen von z.B. 640 × 512 Pixel (um auf einen weit verbreiteten Typ zu referenzieren) und Messzeiten von deutlich unter einer Sekunde pro Bild erzeugen. Diese können über konventionelle Videoausgänge oder über eine Digitalschnittstelle ausgelesen werden. Es werden sowohl reine Sensorchips als auch komplette Miniatursensormodule mit integrierter Optik in verschiedensten Brennweiten angeboten.

Derartige Sensoren basieren ähnlich den Pyrometern auf der Auswertung der Infrarotstrahlung. Bild 132 zeigt das Prinzip. Eine Oberfläche wird mittels Optik auf einen 2D-Detektorchip abgebildet. Die bildaufnehmende Struktur ist ein in Pixel unterteiltes Flächenelement. Jedes Pixel wertet die durch die einfallende Strahlung generierte Erwärmung aus (sog. Bolometerprinzip).

Bild 132: Prinzip eines Wärmebildsensors

Die Struktur eines einzelnen Pixels zeigt Bild 133. Eine die eigentliche Infrarotstrahlung aufnehmende Membran aus typischerweise Vanadiumoxid (VOx) bzw. amorphem Silizium (a-Si) ist wärmeisoliert über einer darunterliegenden Ausleseelektronik aufgehängt. Die Aufhängung erfolgt über zwei Stäbe, die gleichzeitig als Elektroden dienen. Über diese Elektroden wird der elektrische Widerstand der Membran gemessen, der sich bei Erwärmung ändert. Die Membran nimmt zunächst nur einen Teil der einfallenden Strahlung auf. Der verbleibende Teil durchläuft die Membran, wird jedoch durch die darunter befindliche Reflektorschicht wieder zurückgeworfen. Da der Absand zwischen Reflektorschicht und Membran auf etwa 1/4 der mittleren Wellenlänge der typischen Infrarotstrahlung dimensioniert ist, ergibt sich eine Resonatorstruktur für eine maximale Absorption. Zur thermischen Isolation wird die Umgebung vakuumisoliert, was eine hierfür geeignete Gehäusung des Chips erfordert.

Bild 133: Pixelstruktur eines Mikrobolometerchips

Entsprechende Chips bzw. damit aufgebaute Sensormodule sind beispielsweise für folgende Wellenlängenbereiche erhältlich, wobei auch die typischerweise damit gemessenen Temperaturbereiche sowie Materialien der Messoberflächen aufgeführt sind:

0,8 … 1,1 μm       600 … 3.000 °C          Metalle, Glasschmelzen

1,4 … 1,6 μm       300 … 1.200 °C          Metalle, Keramik, Graphit

3 … 5 μm             100 … 500 °C              Metalle, Keramik

4,8 … 5,2 μm       200 … 1.250 °C          Glas

8 … 14 μm           -20 … 500 °C              diverse Oberflächen

Zum Vergleich: Sichtbares Licht umfasst Wellenlängen im Bereich von ca. 0,4 … 0,7 μm.

Aufgrund der bereits beim Pyrometer geschilderten Problematik des Einflusses verschiedener Messoberflächen auf das Messerergebnis ist bei Anwendungen mit Wärmebildsensoren meist mehr die flächige Temperaturverteilung von Interesse und nicht so sehr der genaue Temperaturmesswert an einzelnen Stellen. Um letzteres einigermaßen exakt zu messen, ist auch beim Wärmebildsensor eine Kalibrierung anhand einer spezifischen Messoberfläche vorzunehmen.

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