Erhöhung der geometrischen Auflösung mit MicroScan

Eine der zentralen Innovationen der High-End-Kameraserien ImageIR® und VarioCAM® High Definition ist MicroScan. . Mithilfe dieser Funktion lässt sich die genutzte Pixelanzahl gegenüber der nativen Pixelanzahl des jeweils verwendeten FPA-Detektors vervierfachen. Das ermöglicht Thermografie in deutlich besserer Bildqualität. Anwender können mit einer Wärmebildkamera Thermogramme mit geometrischen Auflösungen bis zu (2.560 × 2.048) IR-Pixeln erstellen. Solche Aufnahmen mit mehr als 5,2 Megapixeln zeigen Messobjekte ausgesprochen fein aufgelöst.

InfraTec Glossar MicroScan - Thermogramm mit Hand und Lupe

Das bewirkt MicroScan

Je nach Betrachtungsrichtung hat MicroScan folgende Wirkung.  

Es ...

  • vervierfacht die Pixelanzahl
  • verdoppelt die räumliche Abtastrate und damit die (räumliche) Nyquist-Frequenz des Messsystems
  • halbiert das Pixelraster
  • reduziert Aliasingartefakte
  • verbessert die Bildqualität deutlich

 

Was der Unterschied zwischen der Verwendung des nativen Detektorformates einer Wärmebildkamera und des unter Einsatz von MicroScan zustande gekommenen Bildformates praktisch bedeutet, lässt sich am besten bildlich darstellen. Der folgende Vergleich zeigt die Aufnahmen eines Siemenssterns – jeweils ohne und mit aktivierter MicroScan-Funktion. In beiden Abbildungen sind je zwei rote, kreisförmige Markierungen erkennbar. Innerhalb des großen Kreises übersteigt die Frequenz der Strahlen des Siemenssterns die Nyquist-Frequenz des Detektors. Der kleinere Kreis umschließt den Teil des Siemenssternes, in dem die Frequenz der Strahlen die Nyquist-Frequenz mit MicroScan übersteigt. Aus Gründen der mechanischen Stabilität trägt der Siemensstern hier aber keine Strahlenstruktur mehr sondern ist kompakt.

InfraTec Glossar MicroScan - Aliasing

Darstellung des Siemenssterns ohne aktivierte MicroScan-Funktion

InfraTec Glossar MicroScan - Aliasing

Darstellung des Siemenssterns mit aktivierter MicroScan-Funktion - Vervierfachung der Pixelanzahl und Halbierung des Pixelrasters

Aliasing und Nyquist-Frequenz

Das Beispiel des Siemenssterns offenbart die deutliche Verbesserung der Abbildungsqualität mit MicroScan. Die nichtlinearen Verzerrungen, welche im Bild ohne MicroScan deutlich hervortreten, entstehen durch die Abbildung auf das Pixelraster des Detektors und werden als Aliasing bezeichnet. Es handelt sich um Effekte, die sich nicht durch die Anwendung softwarebasierter Filter beseitigen lassen.

Aliasing tritt auf, wenn die Abtastfrequenz eines Messinstrumentes niedriger ist als die Hälfte der Frequenz des gemessenen Signals. Diese Frequenz nennt man auch Nyquist-Frequenz:

ƒnyquist = ½ · ƒabtast

In unserer Anwendung handelt es sich allerdings nicht um eine zeitliche Frequenz, die in Hz angegeben wird, sondern um räumliche Frequenzen mit der Einheit m-1 (1 / Meter). Die Abtastfrequenz einer Wärmebildkamera ergibt sich aus dem Kehrwert des sogenannten Pixel-Pitch, des Abstandes zwischen der Mitte zweier benachbarter Pixel. Angenommen, dieser Pixel-Pitch eines Thermogramms entspräche einer Distanz von 2 mm auf dem Messobjekt, so wäre die Nyquist-Frequenz 1/2 * 1/ (2 mm) = 0,25 mm-1. Strukturen im Objekt, die eine Periodizität < 4 mm haben, erzeugen damit Aliasingartefakte.

Dementsprechend muss die Abtastfrequenz, mit der das Originalsignal gemessen wird, mehr als doppelt so hoch sein, wie die höchste im Originalsignal enthaltene Frequenz ƒsignal:

ƒabtast > 2 · ƒsignal

So funktioniert MicroScan bei der Kameraserie ImageIR®

In den Modellen der Kameraserie ImageIR® sorgt ein schnell rotierendes MicroScan-Rad, das in die Wärmebildkamera integriert ist, für die praktische Umsetzung von MicroScan. Im Rad befinden sich vier infrarotdurchlässige Planscheiben, die jeweils um einen exakt definierten Winkel gekippt sind. Die Verkippung sorgt dafür, dass die Abbildung auf dem Detektor für jede Planscheibe um je ein halbes Pixel-Pitch lateral versetzt wird. Diese Einzelaufnahmen werden in Echtzeit zu einem Thermogramm mit der vierfachen Anzahl an Pixeln zusammengeführt. Jedes Pixel im Bild stellt damit einen echten Temperaturmesswert dar und keinen interpolierten Bildpunkt.

Das alles geschieht nicht nur sehr präzise, sondern auch sehr schnell. Wie schnell, verdeutlicht das Beispiel der ImageIR® 8300 hp. Befindet sich die Wärmebildkamera mit (640 × 512) IR-Pixeln im Vollbildmodus bei ihrer maximalen Bildfrequenz, so dreht sich das MicroScan-Rad mit weit über 5.000 Umdrehungen pro Minute. Dank solch hoher Geschwindigkeiten können Anwender mit MicroScan auch Prozesse mit sich schnell bewegenden Messobjekten oder sich rasch ändernden Temperaturen thermografisch analysieren. Damit ist diese Technologie nicht nur für den Einsatz bis hin zur Mikrothermografie prädestiniert, sondern ebenso für verschiedenste Sicherheitsanwendungen.

InfraTec Glossar MicroScan - Vergleich

So funktioniert MicroScan bei der Kameraserie VarioCAM® High Definition

InfraTec Glossar MicroScan - VarioCAM HD head

Bei der Kameraserie VarioCAM® High Definition ist die MicroScan-Funktion über eine zwischen IR-Detektor und Optik positionierte, gekippte Germanium-Scheibe umgesetzt. Die Scheibe rotiert und lenkt den Strahlengang für alle Pixel der Sensormatrix ab. Vier Einzelbilder, aufgenommen nach je einer Vierteldrehung der Scheibe, werden anschließend zu einem hochauflösenden Thermobild zusammengefasst. Die Abbildung der einzelnen Bildpunkte erfolgt jeweils definiert versetzt, so dass die Abstände zwischen den Pixeln voll ausgefüllt werden. Der Füllfaktor, der das Verhältnis zwischen empfindlicher Zelle und Isolierung beschreibt, steigt auf 100 %. Somit entsteht eine lückenlose Abbildung des Messobjektes.

Wärmebildkameras von InfraTec mit MicroScan

Von diesen Vorteilen profitieren Nutzer der MicroScan-Funktion

Im alltäglichen Einsatz der Wärmebildkameras bewährt sich MicroScan vor allem durch einen augenscheinlichen Qualitätsgewinn hinsichtlich der Erkennbarkeit von Details. Die Aufnahmen zeigen die Messobjekte ausgesprochen fein aufgelöst. Das verdeutlicht ein Blick auf Kanten und Strukturen der Objekte: Auch schräge Objektkanten oder Rundungen werden selbst beim starken Vergrößern eines Bildausschnittes per Digitalzoom exakt abgebildet. Mit der Nutzung von MicroScan vereinfacht sich für Anwender das Auswerten und Analysieren im Bereich der Thermografie, weil auf den Aufnahmen einfach deutlich mehr Details zu erkennen sind. Die MicroScan-Funktion ist für den Dauerbetrieb geeignet und lässt sich zeitlich uneingeschränkt nutzen.

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