Infrarotthermographie

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1 Norbert Schuster, Valentin G. Kolobrodov Infrarotthermographie Zweite, überarbeitete und erweiterte Ausgabe WILEY- VCH WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

2 1 Technische Besonderheiten der Wärmebildtechnik Radiometrische Kette Prinzipien der räumlichen Abtastung Historische Fakten zur Thermographie 16 2 Mathematische Grundlagen zur Beschreibung der Signalverarbeitung Frequenzanalyse determinierter Signale Fraunhofersche Beugung Normiertes Beugungsbild PSF Übertragungsiunktion MTF Beschreibung nichtdeterminierter Signale Lineare Systeme Faltung Übertragungsfunktioa Rauschsignale Zeitliche und räumliche Abtastung Berechnungsbeispiele 42 3 Eigenstrahlung von Objekt und Hintergrund Energetische und photometrische Größen Strahlungsausbreitung Energiebilanz des Strahlungstransportes Strahlungsgesetze des Schwarzen Körpers Eigenstrahlung realer Körper Emissionsgrade realer Körper Berechnung der Eigenstrahlung Störquellen und thermischer Hintergrund Thermische Auflösung und Strahlungskontrast Berechnungsbeispiele 72 4 Atmosphärische Transmission Berechnung der Transmission infolge des in der Luft gelösten Wasserdampfes Berechnung der Transmission infolge des in der Luft vorhandenen Kohlendioxids Atmosphärische Fenster Berechnung des Transmissionsgrads infolge Streuung aus der Sichtweite 88

3 4.5 Berechnungsbeispiele 90 5 Optische Systeme Thermographische Abbildung Abbildungsbeziehungen Thermische Auflösung Räumliches Auflösungsvermögen Räumliche Abtastung Infrarotoptische Materialien Linsenmaterialien Antireflexbeläge Spiegelmaterialien Optomechanische Abtastung Abtastung mit Planspiegel Abtastung mit Spiegelpolygon Abtastung durch Polygonprismen Abtastung durch Drehkeilpaar Konzipierung des optischen Systems Sicherung der thermischen und räumlichen Auflösung Erfasstes Bildfeld FOV(fieldofview) Berechnung der IR-Optiken Ausführungsformen Linsenoptiken Spiegeloptiken Kepler-Vorsätze Makro- und Mikrothermographie Approximation der Modulationsübertragungsfunktion Berechnungsbeispiele Aufgaben zur selbständigen Lösung Infrarotstrahlungsempfänger Empfängerkenngrößen Empfindlichkeit (responsivity, sensibilite) Detektivität (detectivity, detectivite) Kleinste auflösbare Bestrahlungsstärkedifferenz Modulationsübertragungsfunktion Thermische Empfänger Arten thermischer Einelementempfänger Pyroelektrisches Vidikon Thermische Empfängerarrays Quantenempfänger Grundlegende Eigenschaften Funktionsprinzipien von IR-Quantenempfängern 176

4 6.3.3 Ausführungsformen Empfängerkühlung Flüssiggaskühlung Joule-Thomson-Kühlung Thermoelektrische Kühlung Stirling-Kühler Berechnungsbeispiele Signalverarbeitung Elektrisches Signal am Empfängerausgang Einstellung und Korrektur der Temperaturskala auf analogem Wege Möglichkeiten der digitalen Bildbearbeitung Abtastung und Rauschbandbreite Abtastung mit Einelementempfängern Abtastung mit Zeilenempfängern Bildaufnahme mit Matrixempfängern Berechnungsbeispiele Anzeigeeinheiten Charakteristika für Anzeigen Größe und Auflösung Lichttechnische Größen Farbwiedergabe Elektronenstrahlröhre Flüssigkristallanzeigen Plasma-Bildschirme Gesetze der visuellen Wahrnehmung Grundlegende Eigenschaften des Auges Aufbau und Bildentstehung Photometrische Eigenschaften Geometrisch-optische Eigenschaften Übertragungseigenschaften des menschlichen Auges Integrierende Wirkung des Auges Zeitkonstante des Auges Räumliche Integration Flimmern der angezeigten Szene Wahrnehmung des thermographischen Bildes Reaktionen bei der Objektwahrnehmung Referenzobjekte Entdeckungswahrscheinlichkeit Erkennungswahrscheinlichkeit Berechnungsbeispiele 247

5 10 Inhaltsverzeichnis 10 Bewertungskriterien für Wärmebildsysteme Auswahl des spektralen Arbeitsgebietes Übertragungsfunktion Rauschbegrenzte thermische Auflösung Verbindung von räumlicher und thermischer Auflösung Ableitung der MDTD-Beziehung Minimal auflösbare Temperaturdifferenz MRTD Reichweite von Wärmebildsystemen Rauschäquivalente Reichweite NER Entdeckungsreichweite unter Berücksichtigung der Integration durch das Auge MDRi Entdeckungsreichweite unter Berücksichtigung der Kontrastempfindung MDR Erkennungsreichweite MRR Berechnungsbeispiele Aufgaben zur selbständigen Lösung Prüfung von Wärmebildsystemen Messung des Videosignals Signalübertragungsfunktion Rauschsignal Rauschäquivalente Temperaturdifferenz Messung der Modulationsübertragungsfunktion Objektive MRTD-und MDTD-Messung Weiterentwicklung von Messmöglichkeiten Anwendungen Pyrometrie Messproblem Schmalbandige Messung Eliminierung des Emissionsgrades Breitbandige Messung Thermographische Diagnose Bauthermographie Medizinthermographie Vorbeugendeinstandhaltung Lock-in-Thermographie Kombination von visuellen Bildern und Thermogrammen Temperaturkontrolle in technologischen Prozessen Sicherheits-und Militärtechnik Objekt-und Brandschutz Passive Aufklärung Passive Fernerkundung Zielverfolgung Berechnungsbeispiele 331

6 LL 13 Entwicklungstendenzen Sichtgeräte Messkameras High-Speed-IR-Kameras Systeme mit großer Reichweite 340 Verwendete Formelzeichen. 342 Literaturverzeichnis 346 Sachwortverzeichnis 352