Signalverarbeitung

Beispielsweise besteht ein Matrixdetektor mit 320×240 Pixel aus 78600 Einzeldetektoren. Zwecks Verringerung des Raum- und Energie­bedarfs (sowie der Kosten) wird nicht jeder Einzeldetektor mit einem eigenem Ausleseschaltkreis und A/D-Wandler versehen, um deren analoge Ausgangssignale zu digitalisieren. Statt dessen werden nur 240 Ausleseschaltungen – also für eine komplette Zeile – genutzt, mit denen durch 320 zeilenweise Auslesungen nacheinander alle Pixel der Matrix erfasst werden.

Hierfür wird zuerst die erste Zeile auf Null gesetzt und deren Integration neu gestartet, dann ein wenig später die zweite, dritte und die nachfolgenden Zeilen. Zwischenzeitlich läuft die Integrationszeit der ersten Zeile ab, so dass diese ausgelesen werden kann. Hiernach folgt dann die Auslesung der weiteren Zeilen, während die erste Zeile (und in Folge dann auch die übrigen) nach der jeweiligen Nullsetzung bereits erneut integriert. Dieser Kreisprozess kann auch als eine fortlaufende Integration aller Zeilen be­schrieben werden, welche zyklisch durch zeilenweise Auslesung und Nullsetzung kurz unterbrochen wird.

Die Folge des zeilenweisen Auslesens ist, dass sich (relativ zur Kamera) bewegende Objekte verzerrt dargestellt werden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. (Je schneller die Objektbewegung ist, desto höher ist die Verzerrung.) Der Grund hierfür ist die nicht zeitgleiche – sondern zeilenweise zeitversetzte – Erfassung der Einzelpixel.

Das Problem der Erfassung sich bewegender oder rotierender Objekte kann mit der „Snap-Shot”- Tech­nologie (Blitzlichtaufnahme) gelöst werden. Dieses simultane Aufnahmeverfahren ist jedoch nur bei schnellen Photonendetektoren (mit Integrationszeiten um 10 μs oder kürzer) sinnvoll. Thermische Detek­toren (z.B. Mikrobolometer) würden wegen ihrer um mehrere Größenordnungen langsamere Integration ohnehin das sich bewegende Objekt nur verschwommen bzw. verzerrt darstellen können.

Photonensensoren mit „Snap-Shot”-Fähigkeit führen die Messung (Signalintegration) an jedem Pixel gleichzeitig (also simultan) durch, dann werden die auf den Pixeln gemessenen Werte „eingefroren”. Als nächstes wird dann das Auslesen und die A/D-Wandlung wiederum nur Zeile für Zeile ausgeführt. Also auch hier erspart man sich Tausende von Ausleseschaltkreisen und A/D-Wandlern, genauso wie bei der zeilenweisen Auslesung. Die Verzerrung der Abbildung bewegter Objekte wird aber dadurch vermieden, dass das von allen einzelnen Sensoren gemessene Signal von demselben Zeitpunkt stammt.

Um eine noch schnellere Bilderfassung zu er­reichen, werden statt der Gesamtmatrix nur Teilbilder (sogenannte SubFrame) ausgelesen, was weniger Zeit benötigt. Leider bedeutet dies aber auch, dass nun weniger Details (weniger Pixel) angezeigt werden. Thermoka­meras mit dieser Teilbild-Technologie können beispielsweise – im Vergleich zum Vollbildmodus – ca. 4-mal so viele Thermogramme im Viertelbildmodus aufnehmen.

Der Detektor integriert natürlich auch weiterhin auf allen Pixeln gleichzeitig und friert auch alle Daten ein. Es wurde durch das Teilbild nur das Auslesen und die Digitalisierung auf den gewählten Bereich begrenzt und damit die Bildwiederholrate erhöht. Nachteilig ist die Bildfeldbegrenzung und damit die nur teilweise Ausnutzung der Detektorpixel: im Viertelbildmodus nur 25% aller Pixel des Detektors.

Binning ist das Zusammenschalten benachbarter Detektorpixel auf der Hardware-Ebene (also nicht nach­träglich per Software) zu „Großpixeln” (oder virtuellen Pixeln), wodurch eine höhere Empfindlichkeit, eine bessere thermische Auflösung und gleichzeitig eine schnellere Bildwiederholrate erreicht werden können. Nachteilig ist hierbei, dass sich die Gesamtzahl der entstehenden Messpixel entsprechend der jeweils zusammengefassten Pixelanzahl gegenüber der nativen Detektorpixelauflösung reduziert, d.h. die Pixel­auflösung des Ergebnisthermogramms sowie die geometrische Auflösung des Messsystems nimmt pro­portional ab. (Das Sichtfeld ändert sich dagegen nicht.)

Ausser der Erhöhung der Bildwiederholrate kann durch Binning gleichzeitig auch die Empfindlichkeit des Detektors verbessert werden, da die Reihenschaltung mehrere Pixel eine Aufaddierung derer Signale und damit eine proportionale Erhöhung des auswertbaren Nutzsignals mit sich bringt. Davon ausgehend, das das Rauschen statistisch verteilt ist, kann gleichzeitig mit einer Verbesserung des Signal-Rauschabstands und damit einer höheren thermischen Auflösung gerechnet werden. Letzteres kann man theoretisch durch die Parellelschaltung der Einzeldetektoren gezielt erwirken. Für beide Schaltungen gilt: Je mehr Pixel zusammengefasst werden, desto bessere Ergebnisse sind möglich – bei zunehmend höherer Bildwiederholfrequenz.