Schneller und günstiger

Vorteile von LWIR-Wärmebildkameras mit SLS-Detektoren

Mit der Einführung von Strained Layer Superlattice (SLS) Typ II Detektoren ist es gelungen, die Leistung von Wärmekameras auf das Niveau der integrierten Schaltkreise zum Auslesen des Bildsignals (ROICs) und der Kameraelektronik zu bringen. Durch die Integration von SLS in Wärmekameras können neue Langwellen-IR-Lösungen mit deutlichen Verbesserungen bei Geschwindigkeit, Temperaturbereich, Uniformität und Stabilität angeboten werden, die preislich zudem unterhalb analoger Detektormaterialien liegen.

Bild 1 a: Bild einer Kaffeetasse direkt nach dem Starten einer LWIR-Wärmebildkamera (a, links) mit MCT-Detektor; (b, rechts) mit SLS-Detektor (Die dargestellten Bilder zeigen eventuell nicht die tatsächliche Auflösung der Kamera. Die Bilder dienen nur zur Veranschaulichung.) (Bild: Flir Systems GmbH)

Bild 1 b (Bild: Flir Systems GmbH)

SLS funktioniert sowohl im langwelligen als auch im mittleren IR-Bereich. Die größten Leistungsvorteile ergeben sich mit entsprechender Filterung im LWIR-Band. Zu den wichtigsten Vorteilen gehören die kurzen Integrationszeiten bzw. Einzelbild-Aufnahmegeschwindigkeiten im Vergleich zu anderen IR-Kameramaterialien. In Tabelle 1 sind die Unterschiede der Leistungswerte zwischen LWIR-SLS (Tab. 1a) und MWIR-Indiumantimonid (InSb) (Tab. 1b) dargestellt. Beim Blick auf den ersten Temperaturbereich in der ersten Zeile ist erkennbar, dass die SLS-Einzelbildaufnahme im Vergleich zu MWIR um den Faktor 12,6 schneller ist.

InSb-Detektorkamera

Höhere Einzelbild-Aufnahmegeschwindigkeiten ermöglichen Zeitlupenaufnahmen schneller Objekte für präzise Temperaturmessungen. Wenn die Integrationszeiten zu lang sind, werden die Aufnahmen unscharf, was die Temperaturauslesungen beeinträchtigen kann. Entsprechend ermöglichen höhere Einzelbild-Aufnahmegeschwindigkeiten auch höhere Bildraten. Die langen Integrationszeiten bei InSb und anderen Detektormaterialien führen dazu, dass die Kameras mit Bildraten arbeiten, die unterhalb des Maximums des Detektors liegen. Ein typisches Beispiel wäre eine Kamera, die bei 640×512 mit 1.000fps aufzeichnet, aber in einem Band arbeitet, das eine Integrationszeit von 1,2ms erfordert. Die Kamera kann wegen der langen Integrationszeit ihre volle potenzielle Bildrate nicht erreichen. Dies kann zu Problemen führen, wenn Objekte aufgenommen werden, die sich schnell aufheizen. Langsames Sampling kann dazu führen, dass das Temperaturverhalten des untersuchten Teils falsch charakterisiert wird.

Tabelle 1 a: Leistungsdaten von (a) LWIR-SLS-Kameras und (b) MWIR-InSb-Kameras (Bild: Flir Systems GmbH)

Tabellle 1 b (Bild: Flir Systems GmbH)

Größere Temperaturbereiche

Ein weiterer Vorteil der LWIR-SLS-Wärmebildkameras sind ihre größeren Temperaturbereiche. Tabelle 1a zeigt, dass die LWIR-SLS-Kamera einen Anfangstemperaturbereich von -20 bis +150°C mit einer einzigen Integrationszeit hat. Um das gleiche Temperaturband bei MWIR-InSb zu erreichen, müssten drei Integrationszeiten durchlaufen werden (Superframe). Jede würde einen anderen Temperaturbereich repräsentieren. Das Durchlaufen von drei Temperaturbereichen zur Erstellung eines Superframe für den vollständigen Temperaturbereich von -20 bis +150°C bedeutet aber, dass immer nur ein Superframe für drei von der Kamera aufgezeichnete Einzelbilder entsteht. Dies ist gleichbedeutend mit einem dreifachen Arbeitsaufwand beim Kalibrieren der Kamera sowie eine auf ein Drittel reduzierte Gesamtbildrate. Beim Blick auf Tabelle 1 sehen wir außerdem, dass noch ein weiterer Punkt beachtet werden muss: Mit LWIR-SLS-Kameras können höhere Temperaturbereiche gemessen werden, bevor ein ND-Filter notwendig wird. Die untersuchte SLS-Kamera ermöglicht ohne ND-Filter Messungen bis 650°C, eine MWIR-InSb-Kamera kann ohne ND-Filter lediglich bis 350°C messen. Teilweise liegt dies daran, dass SLS im LWIR-Band arbeitet, InSb im MWIR-Band. In Bild 2 ist die spektrale Strahlungsleistung eines idealen schwarzen Strahlers bei 30°C dargestellt. Die Fläche unter der Kurve steht für die Leistung innerhalb dieses Wellenbandes, die beim LWIR-Band wesentlich größer ist als beim MWIR-Band. In Bild 3 sehen wir, dass beim Aufheizen von Objekten die Kurvenmaxima der jeweiligen spezifischen Ausstrahlungen nach links wandern, die abfallenden Bereiche nach rechts.

Tabelle 2: Leistungswerte einer LWIR-Kamera mit MCT-Detektor (Bild: Flir Systems GmbH)

Die Leistungsänderung über verschiedene Temperaturen hinweg ist im LWIR-Band weniger dramatisch als im MWIR-Band. Deshalb kann der LWIR-SLS-Detektor über- bzw. Unterbelichtungen innerhalb einer gegebenen Integrationszeit besser vermeiden als der MWIR-InSb-Detektor. Dabei ist zu beachten, dass die Leistungsänderung im MWIR-Band substanziell ist. Beim Aufheizen eines Objekts würde die Kamera innerhalb einer einzigen Integrationszeit schnell eine Sättigung erreichen. Insgesamt lässt sich sagen, dass mit SLS schwierige Anwendungen bearbeitet werden können, bei denen sich ein Objekt schnell über einen großen Temperaturbereich aufheizt. Die Nutzung des LWIR-Bandes ist jedoch nicht der einzige Faktor. Wenn wir LWIR-Kadmium-Quecksilber-Tellurid-Detektoren (LWIR-MCT-Detektoren) betrachten, wird deutlich, dass ihre Bereiche ähnlich begrenzt sind wie bei MWIR-InSb-Detektoren. Die LWIR-MCT-Kameras haben nicht nur kleinere einzelne Bereiche pro Integrationszeit, sondern benötigen auch bei niedrigeren Werten einen ND-Filter zum Abschneiden des Signals (Tabelle 2).

Verbesserte Uniformität und Stabilität bei geringeren Kosten

Bild 2: Spektrale Strahlungsleistung eines idealen schwarzen Strahlers bei 30°C (Bild: Flir Systems GmbH)

Zu den weiteren Merkmalen der LWIR-SLS-Kameras im Vergleich zu anderen gekühlten LWIR-Kameras gehören die Verbesserungen bei Uniformität und Stabilität während der Abkühlungsvorgänge, insbesondere im Vergleich zu LWIR-MCT-Kameras. LWIR-MCT-Detektoren leiden generell unter geringer Uniformität und Stabilität. Deshalb muss nach jedem Einschalten einer LWIR-MCT-Kamera die letzte Uniformitätskorrektur erneuert werden (Bild 1a). Dies ist ein Problem bei Feldanwendungen, bei denen es ungünstig ist, wenn aufgrund von Umweltbedingungen häufig Verstärkung, Offset und problematische Pixelmaps korrigiert werden müssen. Bei solchen Anwendungen wird die Kamera häufig ferngesteuert, weil sie sich in einer Testkammer befindet oder von außerhalb einer Explosionszone gesteuert werden muss. LWIR-SLS-Kameras ähneln hier MWIR-InSb-Kameras: Messungen können direkt nach dem Einschalten beginnen (Bild 1b). Die im Labor durchgeführte Uniformitätskorrektur funktioniert auch im Feld. Es sind keine zusätzlichen Schritte notwendig. Maximal müssen einzelne Offset-Korrekturen mit dem internen NUC-Flag in der Kamera durchgeführt werden. Das NUC bleibt auch bei mehreren Abkühlvorgängen über längere Zeiträume hinweg erhalten. Bei der für diesen Artikel getesteten Kamera war seit der Erstinbetriebnahme vor einem Jahr kein neues NUC erforderlich. SLS-Kameras sind teurer als vergleichbare MWIR-InSb-Modelle, aber 40 Prozent günstiger als vergleichbare LWIR-MCT-Kameras. Wenn eine Anwendung also kürzere Belichtungszeiten, größere Temperaturbereiche oder eine spektrale Signaturen benötigt, die nur mit gekühlten LWIR-Detektor-Kameras realisiert werden können, bieten SLS-Kameras klare Kosten- und Uniformitätsvorteile im Vergleich zu derzeit verfügbaren LWIR-MCT-Detektor- Produkten.

Fazit

Bild 3: Spezifische Ausstrahlungen schwarzer Körper bei verschiedenen Temperaturen (Bild: Flir Systems GmbH)

SLS-LWIR-Detektormaterialien erscheinen äußerst attraktiv, weil sie eine perfekte Nische im Leistungs-/Preisspektrum belegen. Sie bieten kürzere Integrationszeiten und größere Temperaturbereiche als MWIR-InSb- und LWIR-MCT-Materialien, sowie bessere Uniformität, Stabilität und niedrigere Preise als LWIR- MCT-Kameras. Ein SLS-LWIR-Detektor ist eine perfekte Option, wenn eine Anwendung diese spezielle Mischung von Leistung und Preis verlangt.