Grundlagen ungekühltes Mikrobolometer

Erfahren Sie mehr über die Grundlagen von ungekühlten Mikrobolometern, wie sie funktionieren, ihre wichtigsten Eigenschaften und Anwendungen in der Infrarotbildgebung und Temperaturmessung.

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Infrarotkamera IRSX-Serie

Details

Wie ein Bolometer funktioniert

Mikrobolometer sind Wärmedetektoren, die in der Infrarotbildgebung und für Temperaturmessungen eingesetzt werden. Ein Mikrobolometer besteht aus einer Anordnung von wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen. Die auf die Detektoroberfläche auftreffende Infrarotstrahlung verändert den Widerstand der einzelnen Bolometerpixel, was zu einer Spannungsänderung führt.
Die elektrischen Signale werden dann von der Kamera verarbeitet und in ein digitales Bild umgewandelt. Dadurch wird die Intensität der Infrarotstrahlung sichtbar, was die Erkennung von Wärmeabweichungen und thermischen Mustern ermöglicht.

Weitere Informationen über ungekühlte IR-Detektoren finden Sie auf der Website des Frauenhofer IMS.

Rolling-Readout-Eigenschaften eines Mikrobolometers

Fast alle in der Praxis eingesetzten Mikrobolometer verwenden das Rolling-Readout-Verfahren. Das bedeutet, dass das Auslesen der Pixel über das Bolometer-Array gestaffelt erfolgt. Anstatt alle Elemente gleichzeitig auszulesen, werden sie einzeln oder in Gruppen (Zeile für Zeile) ausgelesen, ähnlich wie bei einer Kamera mit Rolling Shutter.

Dieser gestaffelte Ansatz trägt dazu bei, die Auswirkungen des Ausleserauschens auf das Signal zu verringern, da das Rauschen über die Zeit verteilt ist und die Bolometerelemente Zeit haben, sich vor dem nächsten Auslesen zu erholen.

Die Rolling-Readout-Funktion erfordert eine präzise Synchronisation zwischen dem Scanvorgang und der Datenerfassung, um genaue Messungen zu gewährleisten.

Die thermische Zeitkonstante des Bolometers liegt je nach Kameratyp zwischen 7 und 12 ms.

Typische Parameter eines Mikrobolometers

Hier sind die wichtigsten Merkmale eines Mikrobolometers:

Ansprechempfindlichkeit

Die Ansprechempfindlichkeit bezieht sich auf die Fähigkeit des Sensors, Temperaturänderungen in Änderungen des elektrischen Signals umzuwandeln. Sie wird normalerweise in Volt pro Watt (V/W) gemessen und ist ein Maß für die Empfindlichkeit des Mikrobolometers. Eine höhere Ansprechempfindlichkeit bedeutet eine größere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen.

Thermische Empfindlichkeit

Die thermische Empfindlichkeit ist ein Maß dafür, wie klein die Temperaturänderung ist, die das Mikrobolometer erkennen kann. Sie wird gewöhnlich in Einheiten wie mK (Millikelvin) pro Watt angegeben. Eine höhere thermische Empfindlichkeit bedeutet, dass der Sensor kleinere Temperaturunterschiede erkennen kann.

Rauschäquivalente Temperaturdifferenz (NETD)

NETD ist ein entscheidender Parameter, der die kleinste Temperaturdifferenz angibt, die das Mikrobolometer in Gegenwart von Rauschen erkennen kann. Sie wird normalerweise in mK gemessen und ist umgekehrt proportional zur thermischen Empfindlichkeit des Sensors. Niedrigere NETD-Werte weisen auf eine bessere Leistung bei Niedrigtemperaturkontrastbedingungen hin.

Spektralbereich

Mikrobolometer sind in der Regel für den Betrieb in bestimmten Infrarot-Wellenlängenbereichen ausgelegt, z. B. langwelliges Infrarot (LWIR), mittelwelliges Infrarot (MWIR) oder kurzwelliges Infrarot (SWIR). Der Spektralbereich bestimmt, welche Arten von Wärmequellen oder Objekten der Sensor erkennen kann.

Bildfrequenz

Die Bildrate eines Mikrobolometers gibt an, wie schnell es Wärmebilder erfassen und verarbeiten kann. Sie wird in der Regel in Bildern pro Sekunde (FPS) gemessen und variiert von Sensor zu Sensor. Höhere Bildraten sind für Anwendungen wünschenswert, die Echtzeitbilder oder -videos erfordern.

Thermische Zeitkonstante

Die thermische Zeitkonstante eines Mikrobolometers ist die Zeit, die der Sensor benötigt, um als Reaktion auf eine sprunghafte Änderung der einfallenden Strahlung etwa 63,2 % seiner Endtemperatur zu erreichen. Sie ist ein wichtiger Parameter für das Verständnis der Reaktionszeit des Sensors. Die thermische Zeitkonstante der IRSX-I-Kamera beträgt bis zu 12 ms.

Pixelgröße

Mikrobolometer sind Array-Sensoren mit mehreren einzelnen Pixeln. Die Größe der einzelnen Pixel bestimmt die räumliche Auflösung des Sensors. Kleinere Pixelgrößen können eine höhere räumliche Auflösung bieten, können aber die Empfindlichkeit beeinträchtigen.

Ungleichmäßigkeitskorrektur (NUC)

Bei Mikrobolometern kann die Empfindlichkeit von Pixel zu Pixel variieren, was zu Bildartefakten führt. Algorithmen zur Korrektur von Ungleichmäßigkeiten werden eingesetzt, um diese Schwankungen auszugleichen und ein einheitliches Bild zu liefern.

IR – Knowledge Base