HDRC-Quotienten-PyroCam Anwendung des HDRC- Prinzips in der bildgebenden Temperaturmesstechnik

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1 HDRC-Quotienten-PyroCam Anwendung des HDRC- Prinzips in der bildgebenden Temperaturmesstechnik Thermografie mit hohem Dynamikumfang Franz X. Hutter, Daniel Brosch, Joachim N. Burghartz, Heinz-Gerd Graf, Markus Strobel; alle: Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS Chips), Stuttgart Kurzfassung Das High Dynamic Range CMOS (HDRC) Prinzip ermöglicht in der Bildverarbeitung einen Intensitätshub von mehr als 120 db. Szenenbereiche mit hohen und niedrigen Leuchtdichten können räumlich eng benachbart sein, ohne dass es zu Überstrahlungen und damit zu Informationsverlusten in den dunkleren Bereichen kommt. Dazu kommen die über den gesamten Intensitätsbereich konstante Farbtreue und die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit des Verfahrens. Diese Eigenschaften machen HDRC- Kameras auch interessant für den Bau von Thermografie-Geräten, da der Intensitätshub der Planckschen Temperaturstrahlung in einer flächenhaften Temperaturverteilung ebenfalls in der o.a. Größenordnung liegen kann. Insbesondere bei der Materialbearbeitung mit Lasern, bei Hochleistungslampen oder bei Umformprozessen treten solche hochdynamischen Temperaturverteilungen auf. Bei allen Arten von Temperaturstrahlungs-Messgeräten bleibt immer die Aufgabe, den Emissionsgrad, den die strahlende Oberfläche hat, zu kompensieren. Im Falle einer vielfach nach unterschiedlichen Materialien und Aufblickrichtungen differenzierten Oberfläche ist eine geschlossene Darstellung der gültigen Emissionsgrade nicht realisierbar. Daher kompensiert das vorgestellte Thermografie-Gerät die Emissionsgrade selbsttätig indem es in jedem Bildpunkt in zwei unterschiedlichen Spektralbereichen misst und durch Quotientenbildung den lokalen Emissionsgrad eliminiert. Das Quotientensignal eines jeden Bildpunktes trägt danach die von dessen Oberflächeneigenschaften unabhängige Temperaturinformation. In einem ersten Schritt wurde eine Standard-HDRC-Farbkamera mit einer neuen Auswerte- Software versehen, die die Funktion der HDRC-Kamera mit der Quotientenbildung vereint. Damit wurden verschiedene Temperaturszenen beobachtet und dokumentiert. Gegenwärtig sind eine Optimierung der optischen Filter und deren Integration auf dem Kamerachip in Arbeit. In der Endstufe sollen Kamera und Filter vollkommen monolithisch ausgeführt sein und Temperaturen von 600 C bis 3000 C durchgehend darstellen.

2 1. Pyrometrie im Temperaturbereich von 600 C 3000 C Für den mittleren und hohen Temperaturbereich, der vor allem für die Umformung der hoch schmelzenden Metalle, für die Schweiß- und Härtetechnik, sowie die Steuerung und Überwachung von Öfen und Reaktoren (Keramik-, Glas-, Zementherstellung) wichtig ist, sind Strahlungsthermometer (Pyrometer) mit einem Detektor aus Silizium erste Wahl. Aufgrund der ausgereiften Si-Technologie lassen sich die Detektoren und ihre periphere Elektronik zu einem großen Teil on chip integrieren, so dass sich kostengünstige und zuverlässige Detektorsysteme ergeben. Die halbleiter-physikalischen Eigenschaften von Silizium, insbesondere die spektrale Empfindlichkeit, die Strahlung lediglich im Wellenlängenbereich von etwa nm erfasst, lassen nur eine relativ hohe untere Temperaturschwelle (~ 550 C) zu. Da eine Si-Photodiode im Kurzschlussbetrieb über wenigstens 7 Dekaden hinweg linear auf die einkommende Strahlungsleistung antwortet, ist die obere Temperaturschwelle für den Detektor dagegen unproblematisch ( 3000 C). Aufgrund der linearen Signalwandlung und verarbeitung können bei den meisten derzeitigen Si-Pyrometern maximal drei Dekaden des Detektorsignals verarbeitet werden. Die Folge ist eine Beschränkung des Arbeitsbereiches auf wenige hundert Kelvin ansonsten sind die Auswerteschaltungen übersteuert. Diese Pyrometer werden durchweg mit gestaffelten Temperaturbereichen angeboten und es existiert eine große Vielfalt an Geräten. 2. HDRC-Prinzip Das HDRC (High Dynamic Range CMOS) Prinzip wird in [1], [2] erläutert. Es erlaubt aufgrund der logarithmischen Kompression der erfassten Strahlstärken einen Arbeitshub von mehr als 120 db. Dieser Bereich kann zur Darstellung eines Temperaturbereiches von ungefähr 600 C bis über 3000 C verwendet werden. Es ist keine Anpassung von Blendenwerten im Verlaufe dieses Hubes notwendig, da keine Sättigung des Detektors eintritt. 3. Quotientenbildung Die logarithmische Kennlinie hat unmittelbare Auswirkung auf die Quotientenbildung. Der Quotient aus den Signalen zweier benachbarter Pixel reduziert sich auf die Signal-Differenz. Diese Differenzbildung ist einfach durchzuführen. Je zwei benachbarte Pixel bilden zusammen eine Informationseinheit. Sie haben unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit und die Quotientenbildung ist dann sinnvoll, wenn sich der Emissionsgrad in dem betrachteten Wellenlängenintervall nur schwach verändert. Da er als Vorfaktor in die

3 Signalcharakteristik eingeht, wird er durch die Quotientenbildung (Differenzbildung der Logarithmen) in guter Näherung eliminiert. Die Details dieser Vorgehensweise sind in [3] erläutert. Durch die Verwendung zweier benachbarter Pixel zur Quotientenbildung reduziert sich die lokale Auflösung des Bildsensors in jeder Dimension auf die Hälfte. 4. Modellrechnungen zur Auslegung Mit Hilfe von Modellrechnungen wurden die zu erwartenden Photoströme in den einzelnen Pixeln realitätsnah abgeschätzt und die Qotienten aus den blauen und roten benachbarten Pixelpaaren gebildet. Ein Kriterium für die Brauchbarkeit des Sensors ist der Quotientenhub über dem Temperaturintervall von 2500 K, gerechnet ab 800 K. Dieser Hub sollte aus Gründen der Genauigkeit und Auflösung so groß wie möglich sein. Andererseits begrenzen die Charakteristiken der Filter und der Photodioden diesen Hub es gilt, ein Optimum zu finden. In Bild 1 werden die auf dem Sensor und der Kamera installierten Filter, sowie die Photodioden der Pixel in Abhängigkeit von der Wellenlänge gezeigt. Die aus den Filtern errechenbaren effektiven Wellenlängen λ1 eff und λ2 eff sind in Tabelle 2 aufgeführt. 5. Realisierung - Ergebnisse Zur Demonstration der oben beschriebenen Thermografie-Sensorik wurde eine HDRC- Farbkamera umgerüstet und mit einer neuen Auswerte-Software betrieben. Die Kamera- Daten sind in Tabelle 1 zu sehen. Durch den Zwischenring (Breite 37 mm) wird die Nahaufnahme der Glühwendel einer Halogenlampe möglich. Die Umrüstung bestand aus zwei vorgeschalteten Filtern. Das erste Filter begrenzt den Spektralbereich auf nm, so dass UV- und IR-Anteile der Temperaturstrahlung nicht zur Auswirkung gelangen. Dies war mit Blick auf die spektralen Eigenschaften der RGB-Filter notwendig. Ein zweites Filter sperrt den Spektralbereich der grünen Farbkomponente im Bereich von nm. Auf diese Weise werden die blauen und roten Farbanteile spektral voneinander getrennt und können zur Quotientenbildung herangezogen werden. Tabelle 2 zeigt die Daten der Demonstrator-Kamera. Die Software ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht ablaufoptimiert, so dass die Framerate eingeschränkt ist. Die Daten der aus der Standardkamera abgeleiteten Pyro-Kamera sind in Tabelle 2 zu sehen. In Bild 2 ist das Ergebnis einer ersten Aufnahmenserie von der im Makroformat abgebildeten Glühwendel einer Halogenlampe dargestellt. Es zeigt, auch bei Temperaturen über 2000 C, ein kontrastund aussagereiches Bild, sowohl in der Real-, als auch in der Thermaldarstellung.

4 Tabelle 1: Kamera-Daten Typ Blende Brennweite Pixelarray Farbmuster Frames/s HDRC-VGAx f/ mm 768 x 496 Bayer 30 Tabelle 2: Pyrokamera-Daten Typ Eff. Pixelzahl Zwischenring Eff. Blende Quotient Frames/s Quotient 384 x mm f/5.6 Blau/Rot 15 Pixelgröße Füllfaktor Max. QE λ1 eff λ2 eff - 12 x 12 µm^2 30% 0,4 A/W 467 ± 12 nm 654 ± 9 nm - Spektralgang Filter / Detektoren [1] R-Filter B-Filter Si-Detektor G-Filter UV-/IR-Sperrfilter G-Sperrfilter [nm] Bild 1: Spektrale Empfindlichkeit der Pixel Spektralgang der verwendeten RGB- und Vorfilter

5 Realbild Temperaturbild 2300 C 800 C Bild 2: Realbild und Temperaturbild der Glühwendel einer Halogenlampe [1] DE [2] HDRC More than you can see, Imager and Camera Features, Firmenschrift, IMS Chips, Stuttgart, 2006 [3] VDI/VDE-Richtlinie 3511, Blatt 4