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Was ist eine Wärmebildkamera und wie funktioniert sie?

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Eine Wärmebildkamera ist ein Bildgebungsgerät, das Infrarotstrahlung aus einer Szene erfasst und in ein sichtbares Wärmebild, auch Thermogramm genannt, umwandelt. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Kamera benötigt sie kein reflektiertes sichtbares Licht, um das Bild zu erzeugen.

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Eine Wärmebildkamera ist ein Bildgebungsgerät, das Infrarotstrahlung aus einer Szene erfasst und in ein sichtbares Wärmebild, auch Thermogramm genannt, umwandelt. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Kamera benötigt sie kein reflektiertes sichtbares Licht, um das Bild zu erzeugen.

Infrarotoptiken bündeln die Strahlung auf eine Detektoranordnung. Der Detektor wandelt die empfangene Energie in elektrische Signale um, und die Kameraelektronik verarbeitet diese Signale zu einem Graustufen- oder Farbbild. Eine radiometrische Wärmebildkamera kann zudem anhand von Kalibrierungsdaten und Messwerten die scheinbaren Oberflächentemperaturen abschätzen.

Kurz gesagt: Eine Wärmebildkamera macht Unterschiede in der Infrarotstrahlung sichtbar.

Handgeführte oder fest installierte Wärmebildkameras: Ein Leitfaden für industrielle Anwendungen
Begriffe der Wärmebildtechnik, die Anfänger kennen sollten
Mehrere Begriffe beschreiben verwandte, aber nicht identische Konzepte:

Eine Wärmebildkamera oder ein Wärmebildgerät ist das Gerät, das aus Infrarotstrahlung ein Bild erzeugt.
Wärmebildtechnik ist der Prozess der Erstellung und Auswertung dieses Bildes.
Ein Thermogramm ist das angezeigte oder aufgezeichnete Wärmebild.
Thermografie ist der strukturierte Einsatz der Wärmebildtechnik zur Beobachtung oder Messung, oft mit festgelegten Verfahren und Auswertungsmethoden.
Eine Infrarotkamera kann eine Wärmebildkamera bezeichnen, der Begriff kann jedoch auch eine Nahinfrarotkamera beschreiben, die weiterhin auf reflektierte Infrarotstrahlung angewiesen ist.
Diese Unterscheidung ist wichtig, da sowohl eine Nahinfrarot-Nachtsichtkamera als auch eine Wärmebildkamera Graustufenbilder erzeugen können, dabei jedoch unterschiedliche Bereiche des Spektrums erfassen. Wärmebildkameras reagieren in erster Linie auf Strahlung, die von Oberflächen in ihrem Betriebsbereich emittiert und reflektiert wird; Nahinfrarotsysteme benötigen in der Regel eine externe oder Umgebungslichtquelle.

Wärmebildkamera vs. herkömmliche Kamera
Merkmal Wärmebildkamera Herkömmliche Kamera für sichtbares Licht
Haupteingabe Infrarotstrahlung in ihrem Betriebsbereich Reflektiertes sichtbares Licht
Sichtbares Licht Nicht erforderlich Erforderlich aus der Umgebung oder von einer Lichtquelle
Bild Wärmebildmuster oder Thermogramm Sichtbare Farben, Texturen und Formen
Typische Optik Infrarotdurchlässige Linsenmaterialien Optisches Glas oder transparente Polymere
Temperaturdaten Nur in radiometrischen Systemen verfügbar Normalerweise nicht verfügbar
Beide Systeme nutzen Optik, einen Detektor, Elektronik und Bildverarbeitung, sind jedoch für unterschiedliche Wellenlängenbereiche ausgelegt. Gewöhnliches Glas, das für sichtbares Licht durchlässig ist, blockiert einen Großteil der langwelligen Infrarotstrahlung, die von gängigen Wärmebildkameras genutzt wird. Wärmebildsysteme erfordern daher Linsen und Schutzscheiben, die speziell für ihr Spektralband ausgewählt sind.

Eine Wärmebildkamera kann in völliger Dunkelheit ein Bild erzeugen, indem sie sich auf Temperaturunterschiede in der Szene stützt. Eine Kamera für sichtbares Licht liefert Oberflächenfarben und vertraute visuelle Details, die ein Wärmebild nicht bietet.

Wo sich thermisches Infrarot im Spektrum einordnet
Sichtbares Licht ist nur ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums. Infrarotstrahlung hat längere Wellenlängen als sichtbares Licht und wird üblicherweise in Nah-, Kurz-, Mittel- und Langwellenbereiche unterteilt. Die genauen Grenzen variieren je nach Anwendungsbereich, daher ist das dokumentierte Spektralband einer Kamera aussagekräftiger als die pauschale Bezeichnung „Infrarot“.

Die Nahinfrarot-Bildgebung ähnelt der gewöhnlichen Fotografie: Ein Sensor erfasst das von der Szene reflektierte Infrarotlicht, oft mit Hilfe einer Beleuchtungseinrichtung. Die Wärmebildtechnik nutzt Bereiche, in denen Objekte bei normalen oder erhöhten Temperaturen nachweisbare Strahlung abgeben. Viele ungekühlte Wärmebildkameras arbeiten im langwelligen Infrarotbereich, während andere Detektorsysteme je nach den jeweiligen Bildgebungs- oder Messanforderungen unterschiedliche Bereiche nutzen.

Objekte müssen nicht heiß sein, um Infrarotstrahlung abzugeben. Jedes Objekt oberhalb des absoluten Nullpunkts strahlt elektromagnetische Energie ab. Seine Temperatur, Oberflächenemissivität, Umgebung und spektralen Eigenschaften beeinflussen die Strahlung, die die Kamera erreicht.

Wie funktioniert eine Wärmebildkamera?
Funktionsprinzip einer Wärmebildkamera
1. Infrarotstrahlung erreicht das Objektiv
Objekte oberhalb des absoluten Nullpunkts senden elektromagnetische Strahlung aus. Bei normalen Temperaturen auf der Erde fällt ein Teil dieser Energie in die von Wärmebildkameras genutzten Infrarotbereiche. Die Menge, die die Kamera erreicht, hängt auch von der Oberflächenemissivität, Reflexionen, der Transmission und der Atmosphäre zwischen dem Zielobjekt und dem Objektiv ab.

2. Die Optik erzeugt ein Bild auf dem Detektor
Das Objektiv sammelt die Strahlung aus der Szene und bildet sie auf einem Detektorarray ab. Die Brennweite bestimmt das Sichtfeld: Ein Objektiv mit größerer Brennweite erfasst einen größeren Teil der Szene, während ein Objektiv mit kleinerer Brennweite mehr Detektorpixel auf ein entferntes Ziel richtet. Fokus und Lichtdurchlässigkeit des Objektivs beeinflussen die Qualität des an den Detektor gelieferten Signals.

3. Der Detektor erzeugt elektrische Signale
Viele ungekühlte Wärmebildkameras verwenden ein Mikrobolometer-Fokalebenenarray. Jedes Detektorelement absorbiert Infrarotstrahlung, ändert dabei geringfügig seine Temperatur und erzeugt ein messbares elektrisches Signal. Das Array erstellt eine räumliche Abbildung der von der Szene empfangenen Strahlung.

Andere Wärmedetektoren nutzen andere physikalische Mechanismen und erfordern unter Umständen eine Kühlung. Die Detektortechnologie beeinflusst Empfindlichkeit, Geschwindigkeit, spektrale Empfindlichkeit, Größe, Leistungsaufnahme und Kosten, doch die grundlegende Bildgebungskette bleibt dieselbe: Die Optik bildet eine Szene auf einem Array ab, und das Array wandelt die Strahlung in Signale um.

4. Die Elektronik wandelt die Detektorsignale in ein Thermogramm um
Die Kamera liest das Detektorarray aus, korrigiert und verarbeitet die Signale und ordnet ihnen sichtbare Graustufen- oder Farbwerte zu. Die angezeigte Farbpalette ist eine Frage der Visualisierungswahl. Weiß-Heiß-, Schwarz-Heiß- oder Mehrfarbenpaletten können die Interpretation verschiedener Muster erleichtern, doch eine Änderung der Farbpalette hat keinen Einfluss auf die Zieltemperatur.

Die automatische Bildskalierung kann den angezeigten Kontrast anpassen, wenn sich die Szene ändert. Eine Oberfläche kann daher in zwei Bildern heller oder dunkler erscheinen, ohne dass sich die Temperatur entsprechend ändert. Für zeitbasierte Vergleiche sollten Sie die Einstellungen für Temperaturbereich und -pegel festlegen; andernfalls kann sich die Darstellung unabhängig von der tatsächlichen Zieltemperatur ändern.

5. Radiometrische Systeme schätzen die Temperatur
Nicht jede Wärmebildkamera liefert kalibrierte Temperaturwerte. Eine reine Bildaufnahmekamera zeigt den relativen Infrarotkontrast an. Eine radiometrische Kamera nutzt Kalibrierungsdaten und ein Messmodell, um die scheinbare Oberflächentemperatur für qualifizierte Pixel oder Bereiche zu schätzen.

Dieses Modell kann Emissivität, reflektierte scheinbare Temperatur, Entfernung, atmosphärische Transmission und Transmission durch externe Optik berücksichtigen. Das Ergebnis ist am zuverlässigsten, wenn das Zielobjekt den Messbereich ausfüllt, der Fokus scharf ist, die Oberflächeneigenschaften bekannt sind und Umwelteinflüsse kontrolliert werden.

Die Kamera misst die Temperatur also nicht durch Kontakt. Sie schätzt die Temperatur anhand der Strahlung, die den Detektor erreicht. Das Thermogramm und die Temperaturberechnung sind miteinander verbundene Ergebnisse, aber sie sind nicht dasselbe.

Gekühlte und ungekühlte Wärmedetektoren
Photon M615L gekühltes Mittelwellen-Infrarotmodul
Turing A640 ungekühltes Infrarotmodul (Bildgebung), ungekühltes Wärmebildmodul
Ein ungekühlter Detektor arbeitet nahe seiner Umgebungstemperatur und benötigt keine kryogene Kühlvorrichtung. In dieser Kategorie sind Mikrobolometer-Fokalebenen-Arrays weit verbreitet. Sie reagieren, wenn absorbierte Infrarotstrahlung die Temperatur und den elektrischen Widerstand jedes Detektorelements verändert.

Ein gekühlter Detektor wird auf einer deutlich niedrigeren Betriebstemperatur gehalten, um das vom Detektor erzeugte Rauschen zu reduzieren. Je nach Bauweise kann er eine höhere Empfindlichkeit, eine schnellere Ansprechzeit oder den Betrieb in einem anderen Infrarotband ermöglichen. Die Kühlvorrichtung erhöht zudem die Größe, den Stromverbrauch, die mechanische Komplexität, die Anlaufzeit sowie den Wartungsaufwand.

Diese Unterscheidung lässt sich nicht einfach in eine Qualitätsrangliste umsetzen. Der geeignete Detektor hängt von der Bildgebungsaufgabe und dem Systemdesign ab. Für einen Einsteiger ist der wesentliche Punkt, dass beide Ansätze dieselbe übergeordnete Funktion erfüllen: Sie wandeln eine von der Optik erzeugte Infrarotszene in elektrische Signale um, die zu einem Bild verarbeitet werden können.

Reine Bildgebungskameras und radiometrische Wärmebildkameras
Eine reine Bildgebungskamera ist darauf ausgelegt, den relativen Infrarotkontrast darzustellen. Sie kann zeigen, dass sich ein Bereich von einem anderen unterscheidet, ohne den Pixeln kalibrierte Temperaturwerte zuzuweisen. Dies reicht für Aufgaben aus, bei denen Erkennung, Beobachtung oder Musteränderungen wichtiger sind als die Temperaturmessung.

Eine radiometrische Kamera verfügt zusätzlich über Kalibrierungsdaten und ein Messmodell. Sie schätzt die scheinbare Oberflächentemperatur anhand der empfangenen Strahlung und Korrekturparameter wie Emissivität, reflektierte scheinbare Temperatur, Entfernung, atmosphärische Bedingungen und Transmission durch qualifizierte externe Optik. Die verfügbaren Eingabeparameter und Messfunktionen hängen vom jeweiligen System ab.

„Radiometrisch“ bedeutet nicht, dass jeder angezeigte Wert gleichermaßen zuverlässig ist. Fokus, Zielgröße, Oberflächeneigenschaften, Reflexionen, Umgebungsbedingungen, Kalibrierbereich und Messaufbau beeinflussen das Ergebnis nach wie vor. Der Unterschied betrifft daher die Leistungsfähigkeit und die Methode, nicht eine automatische Aussage über die Messgenauigkeit.

Was zeigt ein Wärmebild?
Ein Thermogramm stellt Unterschiede in der Infrarotstrahlung dar, die den Detektor erreicht. Bei vielen undurchsichtigen Oberflächen umfasst das Signal sowohl von der Oberfläche abgegebene Strahlung als auch von der Umgebung stammende, von ihr reflektierte Strahlung. Auch die Atmosphäre und die Optik können das empfangene Signal beeinflussen.

Deshalb ist ein heller Bereich nicht automatisch ein heißes Objekt. Eine polierte Oberfläche mit niedrigem Emissionsgrad kann eine wärmere Quelle außerhalb des Bildes reflektieren. Eine Oberfläche mit hohem Emissionsgrad weist in der Regel einen direkteren Zusammenhang zwischen der emittierten Strahlung und der Oberflächentemperatur auf.

Wärmebildkameras zeigen eher Oberflächenmuster als innere Strukturen. Ein verdecktes Rohr kann die sichtbare Wandoberfläche erwärmen und ein indirektes Muster erzeugen, doch die Kamera sieht nicht durch die Wand hindurch. Gewöhnliches Glas erscheint in gängigen Langwellensystemen meist als reflektierende Oberfläche oder Infrarotreflexion und nicht als transparentes Fenster.

Bei der Auswertung sollte das Thermogramm mit Materialeigenschaften, Betriebsbedingungen, vergleichbaren Bauteilen und einer separaten Verifizierungsmethode kombiniert werden, wenn die Entscheidung von Bedeutung ist.

Ebenso dient die Farbpalette nicht der Temperaturmessung. Weißglüh-, Schwarzglüh- und Mehrfarbpaletten ordnen dem verarbeiteten Signal sichtbare Farbtöne zu, damit eine Person Muster interpretieren kann. Automatische Pegel- und Spannweitenanpassung können diese Farbtöne bei Änderungen der Szene neu zuordnen. Zwei Bilder können daher unterschiedliche Farben für dieselbe scheinbare Temperatur oder ähnliche Farben für unterschiedliche Temperaturen verwenden, es sei denn, Skala und Einstellungen sind bildübergreifend festgelegt.

Bilddetails ergeben sich aus der gesamten Bildgebungskette. Das Objektiv muss das Ziel auf ausreichend viele Detektorelemente fokussieren, der Detektor muss ein ausreichendes Signal erhalten, und die Bildverarbeitung muss den erfassten Kontrast darstellen, ohne irreführende Erwartungen zu wecken. Ein großes Display oder ein vergrößertes Bild stellt keine Szenendetails wieder her, die von der Optik und dem Detektor nicht erfasst wurden.

Wofür werden Wärmebildkameras eingesetzt?
Wärmebildkameras kommen überall dort zum Einsatz, wo Temperaturverläufe oder Infrarotkontraste Informationen liefern, die sichtbare Bilder nicht direkt wiedergeben können.

Zu den gängigen Anwendungsbereichen gehören:

Überprüfung elektrischer Anschlüsse und Geräte auf abnormale Erwärmung
Beobachtung mechanischer Temperaturverläufe und Prozessoberflächen
Ermittlung von Wärmeverlusten an der Gebäudehülle, fehlender Dämmung oder feuchtigkeitsbedingter Muster
Erfassung des thermischen Verhaltens für Forschung und Produktentwicklung
Überwachung definierter Bereiche bei Dunkelheit oder schlechten Sichtverhältnissen
Nicht alle diese Anwendungen erfordern dieselbe Kamera. Einige benötigen kalibrierte Temperaturmessungen, während andere lediglich eine zuverlässige Bildgebung erfordern. Zielgröße, Entfernung, Temperaturbereich, erforderliche Detailgenauigkeit und Datenworkflow bestimmen die geeignete Konfiguration.

berührungslose Temperaturmessung für schnelle Inspektionen von Leistungsschaltern
berührungslose Temperaturmessung für schnelle Inspektionen von Leistungsschaltern
Raythinks Überblick über Anwendungen der Thermografie bietet weitere Beispiele aus Industrie- und Überwachungsumgebungen. Bei jeder Anwendung sollte das Wärmebild als zu interpretierender Hinweis betrachtet werden – nicht als automatische Diagnose der Grundursache.

Grundlegende Einschränkungen und häufige Missverständnisse
Wärmebildkameras zeigen in erster Linie die von sichtbaren Oberflächen ausgehende Strahlung an. Sie geben keinen direkten Einblick in innere Strukturen. Ein verdecktes Bauteil kann zwar ein Temperaturmuster auf einer freiliegenden Oberfläche erzeugen, doch die Kamera erfasst dieses Oberflächenmuster und blickt nicht durch das Material hindurch.

Gewöhnliches Glas ist eine weitere häufige Quelle für Verwirrung. Glas, das für sichtbares Licht durchlässig ist, blockiert einen Großteil der langwelligen Infrarotstrahlung, die von vielen Wärmebildkameras genutzt wird. Die Kamera zeigt möglicherweise die Oberflächentemperatur des Glases oder reflektierte Infrarotstrahlung anstelle des dahinter liegenden Objekts an.

Reflektierende Materialien mit niedrigem Emissionsgrad können wie Infrarotspiegel wirken. Ein heller oder kühl erscheinender Bereich kann eine Reflexion der Umgebung sein und nicht die vom Betrachter erwartete Oberflächentemperatur. Auch Fokus und Zielgröße spielen eine Rolle: Wenn das Ziel nicht genügend Detektorelemente einnimmt, können sich sein Muster und die Temperaturschätzung mit dem Hintergrund vermischen.

Schließlich ist ein Thermogramm keine Diagnose. Es zeigt ein Infrarotmuster, das unter Berücksichtigung von Material, Belastung, Prozessbedingungen, Vergleichspunkt und Prüfverfahren interpretiert werden muss. Wichtige Entscheidungen sollten durch bestätigende Informationen untermauert werden.

Fazit
Eine Wärmebildkamera nutzt Infrarotoptik, um ein Bild auf einem Detektorarray zu erzeugen. Der Detektor wandelt Strahlung in elektrische Signale um, und die Elektronik verarbeitet diese Signale zu einem Thermogramm. Radiometrische Systeme fügen ein kalibriertes Modell zur Schätzung der Oberflächentemperatur hinzu.

Das Bild stellt die den Detektor erreichende Strahlung dar, sodass Fokus, Oberflächeneigenschaften, Reflexionen, Umgebungsbedingungen und Zielgröße die Interpretation beeinflussen. Das Verständnis dieser Kette bildet die Grundlage für den korrekten Einsatz von Wärmebildern.

Wenn Sie die industriellen Wärmebildkameras von Raythink evaluieren, prüfen Sie zunächst, ob die Aufgabe die Bildgebung, radiometrische Messungen oder beides erfordert – dies bestimmt den geeigneten Detektor, die Optik, die Kalibrierung und den Software-Workflow.

FAQ
Messen alle Wärmebildkameras die Temperatur?
Nein. Kameras, die ausschließlich Bilder liefern, zeigen den relativen Infrarotkontrast an. Radiometrische Kameras nutzen Kalibrierungsdaten und Messwerte, um die scheinbare Oberflächentemperatur zu schätzen.

Kann eine Wärmebildkamera in völliger Dunkelheit arbeiten?
Ja. Sie benötigt kein sichtbares Licht. Die Szene muss einen Infrarotkontrast aufweisen, damit sich das Zielobjekt vom Hintergrund abhebt.

Zeigen die Farben in der Wärmebilddarstellung die tatsächliche Farbe eines Objekts an?
Nein. Die Kamera ordnet dem verarbeiteten Infrarotsignal Graustufen- oder Pseudofarbenwerte zu. Die Farbpalette hilft dem Betrachter bei der Interpretation von Mustern, gibt jedoch nicht die sichtbare Farbe des Objekts wieder.

Kann eine Wärmebildkamera durch Wände hindurchsehen?
Nein. Wie im Artikel „Können Wärmebildkameras durch Wände hindurchsehen?“ ausführlicher erläutert, erfasst eine Wärmebildkamera normalerweise die Strahlung von der Wandoberfläche. Die Wärmeübertragung von einem verdeckten Objekt kann zwar ein indirektes Oberflächenmuster erzeugen, aber die Kamera bildet das Objekt nicht durch die Wand hindurch ab.

Ist Wärmebildtechnik dasselbe wie Nachtsicht?
Nicht unbedingt. Nahinfrarot-Nachtsichtsysteme erfassen reflektiertes Nahinfrarotlicht. Die Wärmebildtechnik erfasst Strahlung im thermischen Infrarotbereich und kann ein Bild ohne Beleuchtung im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich erzeugen.