Kalibration von Thermokameras
Wie und womit werden Wärmebildkameras kalibriert? Was ist der NUC-Abgleich?
Kalibration
Da sowohl der Sensor als auch die Optik der Wärmebildkamera nichtlineare Eigenschaften besitzen sowie weitere Strahlungsintensität abhängige Faktoren die Messergebnisse beeinflussen, ist eine Korrektur der Messfähigkeit der Wärmebildkamera über eine Kalibrierung notwendig, welche auch typischerweise der letzte Schritt im Produktionsprozess derselben ist. Während der Kalibrierung müssen alle möglichen ”Kombinationen” des Messsystems kalibriert werden, d.h. für jeden Messbereich, für jedes (Wechsel-)Objektiv und jeden Filter, sowie bei Detektortypen mit verschiedenen wählbaren Integrationszeiten oder Bildfrequenzen auch für alle diese. Umso mehr dieser Optionen verfügbar sind, um so mehr einzelne Kalibrierprozesse (in exponentiell ansteigender Anzahl) sind dann erforderlich.
Kalibrierverfahren
Der Kalibrationsprozess besteht darin, die von einem Referenzhohlstrahler mit einer bekannten Emission von mindestens 99,9% (bei hochgenauen Referenzstrahlern bis zu 99,9999%) emittierte Strahlung zu erfassen und das digitalisierte Detektorsignal pixelweise so lange zu korrigieren, bis der berechnete Temperaturwert (unter Berücksichtigung des Emissionswertes des Referenzstrahlers) mit der bekannten Referenztemperatur übereinstimmt. Dann wird dieser Vorgang immer wieder auf einer immer höheren Temperatur des Referenzstrahlers (mit dem der angestrebten Messgenauigkeit entsprechenden Häufigkeit der Stützpunkte) bis zum Ende des aktuellen Messbereichs wiederholt. Das Ergebnis dieser Tätigkeit ist dann eine Kalibrierdatendatei mit einer Korrekturcharakteristik für jedes einzelne Pixel des Matrixdetektors für diesen einen Messbereich und bei der aktuell verwandten Optik.
NUC-Abgleich
Um die Unterschiede zwischen einzelnen Pixeln (Einzeldetektoren) der Detektormatrix zu korrigieren, verwendet man einen Abgleich (Ungleichheits-Korrekturverfahren, englisch NUC = Non-Uniformity Correction). Dessen Auslösung wird üblicherweise durch die Software/Firmware gesteuert, um das maximale Rauschen des Thermogrammes (und damit die thermische Auflösung) zu garantieren, welche für die Thermokamera spezifiziert ist. Der Prozess beginnt mit der Detektion einer streng homogenen Fläche, dann folgt der Abgleich der Einzelpixel. Die Vergleichsfläche kann hierbei ein Shutter (geschlossene Segmentblende, eingeschwenkte Referenzfläche, geschlossenes Blendenrad) sein, oder sogar die Objektivkappe. Die Software vergleicht die von jedem Einzeldetektor erfassten Messwerte mit dem Referenzwert, kompensiert danach die Differenz und speichert schließlich die Korrekturwerte je Pixel ab. Hiernach arbeitet die Kamera unter Nutzung dieser Korrekturwerte weiter, wodurch minimale Pixeldifferenzen (geringstes Rauschen) erreicht werden.
Mit der Zeit verschlechtert sich dies durch den Drift der Pixel wieder, der Vorgang muss also von Zeit-zu-Zeit wiederholt werden. Bei Photonendetektoren (die wegen ihrer geregelten Kühlung und ihrer Arbeitsweise einen stabilen Arbeitspunkt haben) ist NUC nur nach Einschalten bzw. Messbereichs- oder Objektivwechsel notwendig. Das bei Mikrobolometern auftretende (fortlaufende, aber zueinander unterschiedlich starke) Abdriften der Einzelpixel macht eine regelmäßige Wiederholung notwendig. Hier ein wichtiger Hinweis noch: Der NUC-Abgleich ist keine „Eigenkalibration“, die absolute Temperaturmessfähigkeit der Thermokamera wird dadurch weder kontrolliert noch berichtigt.
(Ausschnitt aus Foto © Workswell)
(Abbildung © Eric Rahne)
(Abbildung © Eric Rahne)
Fortsetzung
Weitere Informationen zur Gerätetechnik der Wärmebildkameras findest Du hier:
Grundlegender Aufbau
Aus welchen Hauptbestandteilen besteht eine Wärmebildkamera?
Infrarot-Detektoren
Was sind thermische Sensoren, was sind Photonendetektoren?
Objektive & Filter
Was sind die Materialien für IR-Objektive und Spektralfilter?
Signalverarbeitung
Welchen Einfluss haben die Detektor-Ausleseverfahren auf das resultierende Wärmebild?
Bildbearbeitung
Mit welchen Verfahren und "Tricks" werden gut aussehende Wärmebilder erzeugt?
Geräteparameter
Welchen Einfluss haben die messtechnischen Parameter auf die Anwendbarkeit?