Aufnahme von Wärmebildern mittels Silizium-CCD-Matrixdetektoren

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein Wärmebildsystem, basierend auf herkömmlichen Silizium-CCD-Matrixkameras, vorgestellt. Vorrangiges Ziel dabei ist die Aufnahme von Wärmebildern im Temperaturbereich zwischen 350°C und 550°C zur Bestimmung und Visualisierung der Oberflächentemperatur von erhitzten Metallteilen. Besondere Beachtung findet in diesem Zusammenhang der Einfluss der Objekt-Emissivität, die aufgrund unbekannter oder veränderlicher Oberflächeneigenschaften oft variiert bzw. gänzlich unbekannt ist. Das vorgestellte Messsystem ist zu diesem Zweck als Verhältnispyrometer ausgelegt, d.h. es werden zwei Bildaufnahmen der gleichen Szene in jeweils unterschiedlichen Spektralbereichen angefertigt und durch anschließende Verhältnisbildung einer entsprechenden Temperaturauswertung zugeführt. Um bei diesen relativ niedrigen Temperaturen auch hinreichende Bildsignale generieren zu können, wird vor allem die spektrale Empfindlichkeit des CCD-Siliziums bei etwa 1µm genutzt. Zusätzlich werden Bildverarbeitungsmethoden (Multiskalenanalyse mittels Wavelets und Platelets) vorgestellt, die zu einer Verbesserung der Bild- und Temperaturauflösung dieser Aufnahmen führen, wobei neben dem Gauß'schen Kamerarauschen auch das poissonverteilte Photonenrauschen berücksichtigt wird. Neben der theoretischen Einführung in die erforderlichen Grundlagen der Optik und Thermografie bildet die Modellierung des gesamten Abbildungsvorganges einen besonderen Schwerpunkt. Anhand von Wärmebildaufnahmen eines Schwarzkörper-Kalibrierofens und Aufnahmen aus dem Inneren eines Wärmebehandlungsreaktors (Plasmareaktor) werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Messtechnik im angesprochenen Temperaturbereich dargestellt.<br />

In the present thesis a thermal imaging device, based on a standard silicon CCD matrix camera, is presented. The main focus lies in the determination and visualisation of surface temperatures of heated metal parts in the temperature range of 350°C to 550°C. Special attention is given to the influence of the emissivity of metals, which is often unknown as the actual surface conditions may be changing or unknown. The measurement system is based on the principles of ratio pyrometry, in which two images of the same scene, each taken in different spectral bands, are used to determine the temperature. The imaging device utilises primarily the CCD-silicon's spectral sensitivity for wavelengths around 1µm. This is due to the small signal intensities in the temperature range investigated. Additionally, image-processing methods (based on multiscale analysis with wavelets and platelets) taking into account Gaussian camera noise and Poisson photon noise are incorporated. These lead to improved image quality and accuracy of measurements. Besides the theoretical introduction into the necessary fundamentals of optics and thermography, special focus is put on the modelling of the imaging chain. Hence all components (camera, filters, lens) of the imaging system have to be characterised accurately - especially with regard to the choice of the spectral filters. On the basis of exemplary thermal images of a blackbody-radiation source and measurements conducted on metallic parts inside a nitriding reactor (plasma reactor), the potentials and limits of the measurement system are discussed.