Titel

Wärmebildkamera

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontaktfreien Vermessung einer Temperatur eines auf einer Oberfläche befindlichen Messbereichs.

Stand der Technik

Vorrichtungen und Verfahren zur kontaktfreien Vermessung einer Oberflächentemperatur eines Messbereichs sind im Stand der Technik bekannt und finden vielseitig Anwendung, beispielsweise zur Sicherheitsüberprüfung elektrischer Schaltungen, zur Fehlersuche in maschinellen Abläufen oder zur Identifikation unzureichender Wärmeisolation im Rahmen einer Wärme- und/oder Kältedämmung. Oftmals werden zum Entdecken und Lokalisieren von Wärmequellen und/oder Wärmesenken Infrarotthermometer verwendet, die gegenüber konventionellen Temperaturmessgeräten den Vorteil des kontaktfreien und schnellen Messens aufweisen und sich somit insbesondere dann einsetzen lassen, wenn zu vermessende Bereiche nur schwer oder gar nicht zugänglich sind. Die Temperaturmessung mittels eines infrarotsensitiven Thermometers basiert dabei auf Detektion von Wärmestrahlung, d.h. Infrarotstrahlung insbesondere in einem Wellenlängenbereich zwischen 3 μηη und 50 μηη, die von jedem Gegenstand abhängig von seiner Temperatur, insbesondere seiner Oberflächentemperatur, mit unterschiedlicher Intensität emittiert wird. Aus einer gemessenen Intensität der emittierten Wärmestrahlung mittels des Temperaturmessgeräts kann eine Oberflächentemperatur des emittierenden Körpers bestimmt werden. Im Stand der Technik bekannte Infrarotthermometer lassen sich im Wesentlichen in zwei Ausführungsformen unterscheiden. Vorrichtungen erster Art, sogenannte Spot-Thermometer, weisen typischerweise einen Infrarotsensor, eine Linse und eine Anzeige auf. Die Kombination, d.h. insbesondere die Anordnung des Infrarotsensors mit der Linse, gibt ein typischerweise kegelförmiges, bevorzugt kleines Messvolumen vor, aus dem Wärmestrahlung nachgewiesen wird. Ist die Vorrichtungen erster Art auf eine Oberfläche eines Gegenstands ausgerichtet, bildet der Schnitt des Messvolumens mit der Oberfläche des Gegenstands einen Messbereich. Ein Teil der von diesem Messbereich ausgehenden Wärmestrahlung wird von der Vorrichtung erster Art detektiert, wobei aus der gemessenen Intensität der Wärmestrahlung eine mittlere Oberflächentemperatur in dem Messbereich ausgewertet und mittels der Anzeige ausgegeben wird. Mit Hilfe einer zusätzlichen Laservorrichtung, die derart ausgerichtet ist, dass beispielsweise der Mittelpunkt des Messbereichs während einer Messung durch den Laserstrahl markiert wird, lässt sich die kontaktlose Temperaturmessung mit dem Ort der vorgenommenen Messung korrelieren. US 6,659,639 AI und US 2009/0304042 AI beschreiben Vorrichtungen und Verfahren eines Messgeräts dieser Art.

Infrarotthermometer einer zweiten Art, sogenannte Wärmebildkameras, weisen typischerweise einen infrarotsensitiven Bildsensor, ein Linsensystem sowie einen Bildschirm auf und erlauben, ähnlich einer im visuellen Spektralbereich arbeitenden Kamera, einen zu untersuchenden Gegenstand im infraroten Bereich des Strahlungsspektrums zu vermessen und auf dem Bildschirm als zwei-dimensionales, farbkodiertes Abbild des Gegenstands auszugeben. Mittels einer derartigen Wärmebildkamera lassen sich Wärmequellen und Wärmesenken leicht anhand der Farbkodierung der Temperaturdaten erkennen und lokalisieren. US 2009/0302219 AI und US 7,652,251 AI beschreiben Vorrichtungen und Verfahren dieser zweiten Art.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine handgehaltene Wärmebildkamera zur kontaktfreien Vermessung einer Temperatur eines auf einer Oberfläche befindlichen Messbereichs vorgeschlagen, die zumindest eine Detektorvorrichtung bestehend aus mindestens einer Detektionsfläche mit einer Vielzahl von Pixeln zur Detektion von aus dem Messbereich abgestrahlter Wärmestrahlung sowie zur Erzeugung von Detektionssignalen basierend auf einer detektierten Wärmestrahlung, eine Optik zur Abbildung von aus dem Messbereich abgestrahlter Wärmestrahlung auf die Detektionsfläche unter Beleuchtung einer Mehrzahl von Pixeln, sowie eine Auswertevorrichtung zum Empfangen und Auswerten von Detektionssignalen der Detektorvorrichtung, wobei jedes Pixel der Detektorvorrichtung mit der Auswertevorrichtung signaltechnisch verbindbar ist, aufweist.

Erfindungsgemäß ist die Wärmebildkamera dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe des Messbereichs unter Verwendung der Optik veränderbar ist, die Auswertevorrichtung basierend auf Detektionssignalen zumindest einer Mehrzahl beleuchteter Pixel der Detektorvorrichtung eine Auswertung der Temperatur des

Messbereichs durchführt und die Auswertevorrichtung und/oder die Detektorvorrichtung eine Binning-Architektur aufweist, die eine signaltechnische Zusammenfassung von Pixeln, insbesondere zur Erhöhung der Wärmestrahlungsempfindlichkeit der Detektorvorrichtung, vorsieht.

„Wärmebildkamera" bezeichnet eine Vorrichtung zum kontaktfreien Vermessen einer Temperatur eines auf einer Oberfläche befindlichen Messbereichs unter Ausgabe zumindest einer die Temperatur betreffenden Information, vorteilhaft eines oder mehrerer Temperaturmesswerte, besonders vorteilhaft eines aus einer Vielzahl von Temperaturmesswerten zusammengesetzten Wärmebilds. Zur

Vereinfachung der Beschreibung wird im Folgenden mit „Auswerten einer Temperatur", „Bestimmen einer Temperatur", „Temperaturmesswert" oder dergleichen jeweils eine die Temperatur der Oberfläche in dem Messbereich betreffende Information gemeint, vorteilhaft ein oder mehrere, insbesondere auch gemittelte, Temperaturmesswerte, besonders vorteilhaft ein aus einer Vielzahl von Temperaturmesswerten zusammengesetztes Wärmebild.

Unter dem „Messbereich" wird ein geometrischer, lokal begrenzter Bereich verstanden, der eine Menge von Teilchen des Gegenstands umfasst, deren Wärmestrahlung den Gegenstand in Richtung der Wärmekamera verlässt und von dieser zumindest teilweise erfasst wird. Je nach Material des Gegenstands, insbesondere je nach Transparenz des Gegenstands für Infrarotstrahlung, können Teilchen von der Wärmebildkamera erfasst werden, die sich unterschiedlich weit in dem Gegenstand befinden. Insbesondere kann unter „Gegenstand" neben einem Festkörper auch ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit und ein Gas verstanden werden, dessen Temperatur in analoger Weise vermessen werden kann. Zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung wird mit „Messbereich" insbesondere der Bereich auf einer Gegenstandsoberfläche gekennzeichnet, der sich im Wesentlichen aus der Schnittmenge zwischen einem Messvolumen - das Volumen aus dem die erfindungsgemäße Vorrichtung Wärmestrahlung erfasst - und einer Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstands ergibt. Je nach Materialeigenschaft des Gegenstands kann dieser Messbereich aber auch Wärmestrahlung aus tieferen Schichten des Gegenstands umfassen.

Erfindungsgemäß weist die Wärmebildkamera zumindest eine Detektorvorrichtung, eine Optik, insbesondere eine abbildende Optik, sowie eine Auswertevorrichtung auf.

Die Optik ist vorgesehen, aus dem Messbereich emittierte Wärmestrahlung im Infrarotspektrum, vorzugsweise im mittleren Infrarotspektrum im Wellenlängenbereich zwischen 3 μηη und 50 μηη, auf eine Oberfläche der aus Sicht des Gegenstands hinter der Optik angeordneten Detektorvorrichtung der Wärmebildkamera zu projizieren, bevorzugt ein Abbild des Messbereichs auf eine Oberfläche der Detektorvorrichtung zu projizieren, besonders bevorzugt ein Abbild des Messbereichs auf eine Oberfläche der Detektorvorrichtung zu fokussieren. Unter „vorgesehen" soll im Folgenden speziell „programmiert", „ausgelegt", „konzipiert" und/oder„ausgestattet" verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion „vorgesehen" ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt oder dazu ausgelegt ist, die Funktion zu erfüllen. Dazu weist die Optik vorteilhaft Wärmestrahlung lenkende, leitende, bündelnde und/oder anderweitig in der räumlichen Ausbreitung beeinflussende optische Komponenten auf, insbesondere beispielsweise Linsen, Fresnel-Linsen, Spiegel, Gitter, Lichtleiter, Prismen, diffraktive Elemente oder andere, einem Fachmann sinnvoll erscheinende optische Komponenten, mittels derer sich die Wärmestrahlung auf die Oberfläche der Detektorvorrichtung projizieren lässt. Vorzugsweise können diese Komponenten insbesondere aus feuchteempfindlichen Salzen wie beispielsweise Natriumchlorid und Silbersalz oder aus einkristallinen

Halbleitermaterialien wie beispielsweise Germanium oder Zinkselenid bestehen.

Erfindungsgemäß ist die Wärmebildkamera dazu vorgesehen, eine Größe des auf einer Oberfläche befindlichen Messbereichs unter Verwendung der Optik veränderbar einzustellen. Vorteilhaft kann eine Brennweite der Optik der

Wärmebildkamera derart veränderbar, insbesondere zoombar, eingestellt werden, dass eine Anpassung der Größe des Messbereichs über eine Anpassung des mittels der Optik abgebildeten Bildausschnitts möglich ist. Dies gibt einem Benutzer der Wärmebildkamera den Vorteil, sowohl sich einen Überblick über eine zu untersuchende Oberfläche unter Verwendung eines großen Messbereichs zu verschaffen als auch Details der zu untersuchenden Oberfläche unter Verwendung eines kleinen Messbereichs zu untersuchen. Eine derartige Veränderung der Größe des Messbereichs kann auf unterschiedliche Weise realisiert sein, bevorzugt beispielsweise mittels einer Optik, die vorteilhaft eine Einstellung verschiedener Brennweiten in Stufen oder besonders vorteilhaft auch stufenlos erlaubt. Entsprechend der in Folge der veränderbaren, insbesondere zoombaren, Optik veränderbaren Abbildung der aus dem Messbereich emittierten Wärmestrahlung auf die Detektorvorrichtung kann ein beleuchteter Bereich der Detektionsfläche der Detektorvorrichtung, insbesondere ein auf der Detektionsfläche erzeugter Infrarotlichtfleck, in Abhängigkeit eines

Abstands zwischen dem die Wärmestrahlung aussendenden Gegenstand und der Wärmebildkamera sowie der exakten Einstellung der veränderbaren Optik im Allgemeinen veränderlich sein. Die Detektorvorrichtung erfasst aus dem Messbereich abgestrahlte und mittels der abbildenden Optik auf deren Oberfläche projizierte Wärmestrahlung und erzeugt basierend auf der detektierten Intensität ein Detektionssignal. Dazu weist die Detektorvorrichtung an einer der Optik zugewandten Oberfläche eine zweidimensionale Detektionsfläche auf, die aus einer Vielzahl Matrix-artig angeordneter Pixel besteht. Jedes der Pixel der Detektorvorrichtung kann dabei - Beleuchtung mittels Wärmestrahlung vorausgesetzt - eine Bildinformation, insbesondere eine aus einem Raumwinkel des Messbereichs emittierte Wärmestrahlung, vorzugsweise eine auf das Pixel eingestrahlte Intensität der aus einem Raumwinkel des Messbereichs emittierten Wärmestrahlung, ermitteln und daraus ein Detektionssignal erzeugen, wobei das von jedem Pixel generierte Detektionssignal anschließend zur Bestimmung einer Temperatur herangezogen werden kann, vorteilhaft an eine Auswertevorrichtung weitergeleitet werden kann, besonders vorteilhaft von der Auswertevorrichtung einzeln und/oder in Kombination mit anderen Pixeln der Vielzahl von Pixeln der Detektorvorrichtung ausgewertet werden kann.

Mittels der abbildenden Optik der Wärmebildkamera, insbesondere mittels der zoombaren Optik, kann vorteilhaft eine Beleuchtung einer Mehrzahl von Pixeln mit von aus dem Messbereich abgestrahlter Wärmestrahlung erreicht werden. Je nach Abstand zwischen der Wärmebildkamera und dem Gegenstand sowie je nach Einstellung der Größe des auf dessen Oberfläche befindlichen Messbereichs kann dabei eine unterschiedliche Anzahl von Pixeln der Detektorvorrichtung beleuchtet werden.

Jedes Pixel der Detektorvorrichtung stellt ein strahlungsempflindliches, insbesondere infrarotlichtempfindliches, Element dar und ist vorgesehen, Strahlung aus dem Infrarotbereich, insbesondere dem mittleren Infrarotbereich im Wellenlängenbereich zwischen 3 μηη und 50 μηη, zu erfassen und in ein Signal, insbesondere ein elektrisches Detektionssignal, umzuwandeln. Typischerweise sind die von derartigen strahlungsempfindlichen Elementen erzeugten Detektionssignale abhängig von einer auf dem Element auftreffenden Wärmestrahlungsintensität. Beispiele für infrarotlichtempfindliche Elemente sind unter anderem Fotodioden, Bolometer, pyroelektrische Sensoren, PIN-Dioden, Avalanche Photo Dioden (APD), (modulierte) CCD-Chips und CMOS-Pixel, allerdings können aber auch andere, einem Fachmann sinnvoll erscheinende, beispielsweise auf Siliziumsensoren, Indium-Gallium-Arsenid-Sensoren, Bleisulfid-Sensoren, Indium-Antimon-Sensoren, Cadmium-Quecksilber-Tellurid- Sensoren, Gallium-Arsenid-Quantentopf-Sensoren, Cadmium-Quecksilber- Tellurid-Sensoren oder dergleichen basierende infrarotlichtempfindliche Elemente verstanden werden. Die Anzahl der Vielzahl Matrix-artig angeordneter Pixel, beispielsweise insbesondere 80*80 Pixel, bevorzugt 360*240 Pixel, besonders bevorzugt 640*480 Pixel, definiert die Auflösung der Wärmebildkamera, insbesondere die Auflösung eines mittels der Wärmebildkamera gemessenen Wärmebilds.

Erfindungsgemäß ist jedes der Vielzahl von Pixeln der Detektorvorrichtung mit der Auswertevorrichtung direkt oder indirekt über weitere zwischengeschaltete Bauelemente signaltechnisch verbindbar. Insbesondere kann eine indirekte signaltechnische Verbindung der Pixel mit der Auswertevorrichtung auch über Schaltelemente, beispielsweise Multiplexer oder andere Selektionsschaltungen, die dazu ausgelegt sind, Detektionssignale mehrerer Pixel selektiv weiterzuleiten, realisiert werden. Auf diese Weise kann insbesondere erreicht werden, dass Detektionssignale einzelner Pixel oder einer Gruppe von Pixeln unabhängig von Detektionssignalen anderer Pixel an die Auswerteeinrichtung weitergeleitetet und von dieser ausgewertet werden können.

Unter der Auswertevorrichtung zum Empfangen und Auswerten von Detektionssignalen der Detektorvorrichtung soll eine Vorrichtung verstanden werden, die zumindest einen Informationseingang zur Annahme von Detektionssignalen, eine Informationsverarbeitungseinheit zur Bearbeitung, insbesondere Auswertung der angenommenen Detektionssignale, sowie eine Informationsausgabe zur Weitergabe der bearbeiteten und/oder ausgewerteten Detektionssignale aufweist. Vorteilhaft weist die Auswerteeinheit Komponenten auf, die zumindest einen Prozessor, einen Speicher und ein Betriebsprogramm mit Auswerte- und Berechnungsroutinen umfassen. Insbesondere können die elektronischen Bauteile der Auswertevorrichtung auf einer Platine (Leiterplatte) angeordnet sein, bevorzugt auf einer gemeinsamen Platine mit einer Steuervorrichtung der Wärmebildkamera zur Steuerung der Wärmebildkamera, und besonders bevorzugt in Form eines Mikrokontrollers. Des Weiteren können die Steuervorrichtung und die Auswertevorrichtung besonders bevorzugt auch als ein einzelnes Bauteil ausgeführt sein. Die Auswertevorrichtung ist dazu vorgesehen, von der Detektorvorrichtung erzeugte Detektionssignale, insbesondere von den mit der Auswertevorrichtung signaltechnisch verbundenen, insbesondere verbindbaren, Pixeln der Detektorvorrichtung erzeugte Detektionssignale, zu empfangen, auszuwerten und basierend auf Detektionssignalen zumindest einer Mehrzahl beleuchteter Pixel der Detektorvorrichtung eine Auswertung der Temperatur des Messbereichs durchzuführen. Bevorzugt ist die Auswertevorrichtung dazu vorgesehen, basierend auf Detektionssignalen zumindest einer Mehrzahl beleuchteter Pixel der Detektorvorrichtung eine Auswertung eines oder mehrerer

Temperaturmesswerte, insbesondere auch gemittelter Temperaturmesswerte, besonders bevorzugt eines Wärmebilds durchzuführen. Die ausgewertete Information, insbesondere ein erzeugter Temperaturmesswert und/oder ein Wärmebild, kann von der Auswertevorrichtung zur weiteren Verarbeitung und/oder Ausgabe einem Benutzer der Wärmebildkamera mittels einer

Ausgabevorrichtung und/oder einem externen Gerät mittels einer Datenkommunikationsschnittstelle bereitgestellt werden.

Des Weiteren kann die Auswerte- und/oder die Steuervorrichtung gespeicherte Korrektur- und/oder Kalibriertabellen und/oder Routinen zur Kalibrierung aufweisen, die es erlauben, Auswerteergebnisse zu interpretieren und/oder umzurechnen und/oder zu inter- und/oder extrapolieren sowie die Wärmebildkamera insbesondere hinsichtlich eines Temperaturwertes, insbesondere hinsichtlich eines gemessenen Temperaturmesswertes, zu kalibrieren.

Erfindungsgemäß weist die Auswertevorrichtung und/oder die Detektorvorrichtung eine Binning-Architektur auf, die eine signaltechnische Zusammenfassung von Pixeln der Detektorvorrichtung zur Erhöhung der Wärmestrahlungsempfindlichkeit der Detektorvorrichtung ermöglicht.

Dabei ist unter„Binning-Architektur" eine Architektur und/oder eine Vorrichtung gemeint, die eine signaltechnische Zusammenfassung von mindestens zwei Pixeln, insbesondere von benachbarten Pixeln, bevorzugt von Pixeln vorgebbarer Anzahl, erlaubt. Unter „signaltechnisch zusammenfassen" und

„signaltechnischer Zusammenfassung" soll dabei insbesondere verstanden werden, dass mindestens zwei Pixel, bevorzugt auch eine Mehrzahl von Pixeln, derart signaltechnisch zusammengefasst, vorteilhaft zusammengeschaltet, besonders vorteilhaft kombiniert werden, dass ein einzelnes Detektionssignal der zusammengeschalteten Pixel ausgegeben wird. Alternativ kann unter „signaltechnischer Zusammenfassung" auch verstanden werden, dass mehrere Detektionssignale, erzeugt von mehreren Pixeln, zu einem Detektionssignal zusammengefasst, vorteilhaft zusammengeschaltet, besonders vorteilhaft kombiniert werden. Die signaltechnische Zusammenfassung kann dabei bereits mittels der Detektorvorrichtung selbst, beispielsweise vorteilhaft bei der Verwendung von CCD-Sensoren möglich, erfolgen, wobei auf diese Weise die mindestens zwei, vorzugsweise die mehreren Pixel zu einem „Pixel- Block" zusammengefasst werden. Da die Detektionssignale einzelner Pixel der Detektorvorrichtung unabhängig voneinander weitergegeben und/oder ausgewertet werden können, kann alternativ und/oder zusätzlich auch die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt sein, eine signaltechnische Zusammenfassung von Pixeln der Detektorvorrichtung, insbesondere auch von deren Detektionssignalen, vorzusehen. Dabei lässt sich das erzeugte zusammengefasste Detektionssignal als von einem virtuellen Bildpunkt, bestehend aus mindestens zwei bzw. vorteilhaft mehreren Pixeln, interpretieren.

Eine signaltechnische Zusammenfassung von Pixeln kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen, bevorzugt als analoge Addition physikalischer Ladung beitragender Pixel oder als digitale Addition digitalisierter Werte. Insbesondere kann eine signaltechnische Zusammenfassung von Detektionssignalen mehrerer Pixel vorteilhaft mittels eines Kombinierers, beispielsweise unter Verwendung eines ODER-Gatters, umgesetzt sein.

Erfindungsgemäß kann auf diese Weise realisiert werden, dass Bereiche bestehend aus mindestens zwei, vorteilhaft bestehend aus einer Mehrzahl von Pixeln, zu Pixel-Blöcken oder virtuellen Bildpunkten derart signaltechnisch zusammengefasst oder kombiniert werden, dass vorteilhaft eine höhere Signalempfindlichkeit pro Pixel-Block bzw. pro virtuellem Bildpunkt der Detektorvorrichtung erreicht wird und sich ein Signal- Rauschverhältnis des jeweiligen Pixel-Blocks bzw. des virtuellen Bildpunkts verbessert. Mit der Zusammenfassung von Pixeln wird die Auflösung der Detektorvorrichtung, d.h. insbesondere auch eine Auflösung eines gemessenen Wärmebilds, entsprechend der Anzahl zusammengefassten Pixel reduziert. In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera ist die Auswertevorrichtung und/oder die Detektorvorrichtung dazu vorgesehen, eine signaltechnische Zusammenfassung von Pixeln zur Erhöhung der Wärmestrahlungsempfindlichkeit in Abhängigkeit der Intensität der auf die Detektionsfläche eingestrahlten Wärmestrahlung durchzuführen.

Viele lichtempfindliche Elemente, insbesondere infrarotlichtempfindliche Elemente, liefern abhängig von einer auftreffenden Lichtintensität ein insbesondere elektronisches Detektionssignal. Allerdings begrenzt bei geringer Intensität des eingestrahlten Lichts oftmals ein hohes Rauschen verglichen mit der tatsächlich detektierbaren Intensität die Nachweisgenauigkeit des lichtempfindlichen Elements. Dies ist insbesondere bei elektronischen Sensoren oftmals der Fall. Erfindungsgemäß lässt sich dieses dem erzeugten Detektionssignal überlagerte Rauschsignal effektiv und vorteilhaft reduzieren, indem Pixel zur Erhöhung der Wärmestrahlungsempfindlichkeit in Abhängigkeit der Intensität der auf die Detektionsfläche eingestrahlten Wärmestrahlung zusammengefasst werden können.

Die Zusammenfassung der Pixel kann dabei auf unterschiedliche Weise, insbesondere basierend auf unterschiedlichen Anforderungen an eine Auswertung und hinsichtlich unterschiedlicher Ziele, durchgeführt werden. Vorteilhaft lassen sich jeweils mehrere oder auch die Gesamtheit der Vielzahl von Pixeln zu einem oder mehreren Pixel-Blöcken oder einem oder mehreren virtuellen Bildpunkten zusammenfassen, sodass das von jedem Pixel-Block oder virtuellen Bildpunkt erzeugte Detektionssignal hinsichtlich seines Signal- Rauschverhältnisses verbessert, bevorzugt optimiert ist. Besonders vorteilhaft kann die Zusammenfassung von mehreren Pixeln auch selektiv erfolgen, beispielsweise insbesondere beschränkt auf durch eingestrahlte Wärmestrahlung beleuchtete Pixel und vorteilhaft unter Ausschluss nicht beleuchteter Pixel. Dadurch kann die Zusammenfassung von Pixeln in Anpassung an einen von eingestrahlter Wärmstrahlung beleuchteten Teilbereich der Detektionsfläche, insbesondere an einen auf der Detektionsfläche befindlichen Infrarotlichtfleck, durchgeführt werden, sodass Signal- Beiträge nicht beleuchteter Pixel, insbesondere Signal- Beiträge, die lediglich ein unerwünschtes Hintergrundrauschen darstellen, aus der Bestimmung der Temperatur des Messbereichs auf der Oberfläche ausgenommen werden. Dies ist in besonderem Maße für Randbereiche der beleuchteten Detektionsfläche von Vorteil.

Beispielsweise kann in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmebildkamera die Detektorvorrichtung und/oder die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt sein, zunächst in einer Vorabmessung unter Verwendung eines Schwellwertes zu ermitteln, welche Pixel der Detektionsfläche tatsächlich Wärmestrahlung detektieren und welche Pixel lediglich Hintergrundstrahlung in Form von Rauschen detektieren. Ferner kann dabei auch die Intensität der jeweils mit jedem Pixel detektierten Wärmestrahlung festgestellt werden.

Anschließend können für die tatsächliche Messung der Temperatur lediglich die Detektionssignale der von der Wärmestrahlung beleuchteten Pixel verwendet werden, die insbesondere basierend auf der vorab ermittelten Intensität zur Reduktion des statistischen Rauschens vorteilhaft selektiv zusammengefasst werden.

Ferner lassen sich Anteile oder die Gesamtheit der Pixel der Detektionsfläche, insbesondere auch selektiv gewählte Pixel, mit dem Ziel der Erzeugung eines Mittelwertes signaltechnisch zusammenfassen, sodass jeweils über die zusammengefassten Pixel gemittelte Detektionssignale, insbesondere ein über die Gesamtheit der Pixel gemitteltes Detektionssignal, ausgegeben werden. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn ein Interesse an über zumindest Teilbereiche des Messbereichs gemittelte Temperaturmesswerte besteht. Durch Zusammenfassung der Gesamtheit der Pixel wird insbesondere ein die gesamte Detektionsfläche der Detektorvorrichtung abdeckender Pixel-Block oder ein virtueller Bildpunkt erzeugt, wobei das erzeugte Detektionssignal insbesondere einer Mittelung der auf die Detektionsfläche eingestrahlten Wärmestrahlung entspricht. In dieser Verwendungsform weist die erfindungsgemäße Wärmebildkamera die Funktionalität eines Spot-Thermometers auf.

In Folge einer zunehmenden Zusammenfassung von Pixeln wird die Ortsauflösung der Detektorvorrichtung zunehmend verringert, bei gleichzeitiger Verbesserung eines Signal- Rauschverhältnisses sowie zunehmender Mittelung der einzelnen Detektionssignale der Pixel. Folglich kann eine Zusammenschaltung von Pixeln vorteilhaft zur Erhöhung des Signal- Rauschverhältnisses und/oder zur verstärkten Mittelwertbildung der auf die einzelnen Pixel eingestrahlten Wärmestrahlung durchgeführt werden, insbesondere in Abhängigkeit der Intensität eingestrahlter Wärmestrahlung durchgeführt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera ist die Auswertevorrichtung und/oder die Detektorvorrichtung dazu vorgesehen, mit abnehmender Intensität der auf die Detektionsfläche eingestrahlten Wärmestrahlung eine zunehmende Anzahl von Pixeln zur Erhöhung der Wärmestrahlungsempfindlichkeit signaltechnisch zusammenzufassen.

Mit abnehmender Intensität der auf die Detektionsfläche eingestrahlten Wärmestrahlung nimmt typischerweise das Signal- Rauschverhältnis elektronischer Sensoren, insbesondere auch infrarotlichtempfindlicher Sensoren, ab, sodass derjenige Signalanteil, der auf ein statistisches Rauschen des Sensors zurückzuführen ist, im Verhältnis zum tatsächlich interessierenden und zu messenden Signal steigt und das Messergebnis zunehmend ungenauer wird. Erfindungsgemäß kann dieser Genauigkeitsverlust in Folge sinkender Intensität eingestrahlter Wärmestrahlung durch Zusammenfassen einer zunehmenden Anzahl von Pixeln ausgeglichen werden, sodass trotz abnehmender eingestrahlter Intensität Messergebnisse hoher Genauigkeit erhalten werden.

Bevorzugt kann mit abnehmender Intensität eingestrahlter Wärmestrahlung eine Zusammenfassung einer zunehmenden Anzahl von Pixeln beleuchteter Teilbereiche der Detektionsfläche - vorteilhaft derjenigen Pixel, die durch den Lichtfleck auf der Detektionsfläche abgedeckt sind - durchgeführt werden. Somit werden Signal- Beiträge nicht beleuchteter Pixel, insbesondere Signal- Beiträge, die lediglich ein unerwünschtes Hintergrundrauschen darstellen, aus der Bestimmung der Temperatur des Messbereichs auf der Oberfläche ausgenommen.

Besonders vorteilhaft ist das Zusammenfassen einer zunehmenden Anzahl von Pixeln mit einer Intensitätsabnahme der auf die Detektionsfläche eingestrahlten Wärmestrahlung in Folge einer zunehmenden Verkleinerung des Messbereichs korreliert. Wird mittels der Optik der Messbereich verkleinert, d.h. insbesondere mittels der Optik gezoomt, so wird typischerweise weniger Wärmestrahlung aus dem verkleinerten Messbereich auf die Detektorvorrichtung abgebildet. Folglich sinkt ebenfalls die eingestrahlte Intensität. Einer Abnahme der Messgenauigkeit mit zunehmender Verkleinerung des Messbereichs auf der Oberfläche kann erfindungsgemäß also durch Zusammenfassen einer zunehmenden Anzahl von

Pixeln entgegengewirkt werden, sodass trotz abnehmender eingestrahlter Intensität Messergebnisse hoher Genauigkeit erhalten werden können. Durch die Zusammenfassung von Pixel zunehmender Anzahl nimmt die Ortsauflösung der Detektorvorrichtung allerdings ab, sodass der verkleinerte, insbesondere gezoomte, Messbereich lediglich mit geringerer Anzahl getrennt auflösbarer Pixel vermessen werden kann. Da typischerweise im Falle eines stark verkleinerten Messbereichs eine gemittelte, nicht-ortsaufgelöste Temperatur im Sinne einer Punktmessung von Interesse ist - vergleiche Funktionalität und Anwendung des Spot-Thermometers - kann die Auswertevorrichtung und/oder die Detektorvorrichtung besonders vorteilhaft dazu vorgesehen sein, mit abnehmender Intensität der eingestrahlten Wärmestrahlung zunehmend mehr Pixel zusammenzufassen, bis schließlich, vorteilhaft bei Einstellen des kleinsten möglichen Messbereichs, die Zusammenfassung aller Pixel der Detektorvorrichtung durchgeführt wird und das ermittelte Messergebnis einer mittleren Temperatur in dem Messbereich auf der Oberfläche entspricht. Auf diese Weise kann ein stufenloser Übergang von einer indbesondere hochauflösenden Wärmebildkamera zu einem punktuell messenden Spot- Thermometer realisiert sein, sodass im Prinzip zwei unterschiedliche Funktionalitäten - Kamera und Spot- Messgerät - in einem Gerät vereint werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera weist die Auswertevorrichtung und/oder die Detektorvorrichtung eine variable Binning-Architektur auf, die insbesondere eine signaltechnische Zusammenfassung von Pixeln unterschiedlicher Anzahl erlaubt.

Durch Ausführung der Binning-Architektur als variable Binning-Architektur ist es vorteilhaft möglich, beliebige Pixel der Detektorvorrichtung, insbesondere Pixel beliebiger Zeilen und/oder Spalten der Detektorvorrichtung, signaltechnisch zusammenzufassen, insbesondere zu kombinieren. Ferner kann auch eine signaltechnische Zusammenfassung von Pixeln auf unterschiedliche Weise vorgesehen sein, insbesondere unter Verwendung unterschiedlich arbeitender Kombinierer. Beispielsweise kann derart zwischen analoger Zusammenfassung durch physikalische Ladungsaddition und digitaler Zusammenfassung durch Addition digitalisierter Werte gewechselt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera weist die Auswertevorrichtung und/oder die Detektorvorrichtung eine symmetrische Binning-Architektur auf.

Unter„symmetrischer Binning-Architektur" soll insbesondere verstanden werden, dass die Pixel der Detektorvorrichtung in symmetrischer, insbesondere punkt- und/oder spiegelsymmetrischer, Weise zusammengefasst werden können. Insbesondere kann beispielsweise vorgesehen sein, dass Pixel, die jeweils einen identischen Abstand zum geometrischen Mittelpunkt der Detektionsfläche aufweisen, in im Wesentlichen ringförmigen Strukturen zusammengefasst werden können. Vorteilhaft kann eine Zusammenfassung von Pixeln auch jeweils punktsymmetrisch zum geometrischen Mittelpunkt der Detektionsfläche erfolgen, sodass beispielsweise eine Zusammenfassung zweier erster Pixel punktsymmetrisch bezüglich des geometrischen Mittelpunkts der Detektionsfläche zu einer Zusammenfassung zweier weiterer Pixel erfolgt. Auf diese Weise erlaubt die symmetrische Binning-Architektur der Auswertevorrichtung und/oder der Detektorvorrichtung die Realisierung einer besonders einfachen und wirtschaftlich vorteilhaften variablen Binning- Architektur.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera ist die Größe des Messbereichs unter Verwendung der Optik in mindestens zwei Stufen veränderbar.

Erfindungsgemäß ist die Wärmebildkamera dazu vorgesehen, eine Größe des auf der Oberfläche befindlichen Messbereichs unter Verwendung der Optik veränderbar einzustellen. Insbesondere ist eine veränderbare Optik mit dem Vorteil verbunden, dass ein Benutzer der Wärmebildkamera sich sowohl einen Überblick über eine zu untersuchende Oberfläche unter Verwendung eines großen Messbereichs verschaffen kann als auch Details der zu untersuchenden Oberfläche des Gegenstands unter Verwendung eines kleinen Messbereichs untersuchen kann. Eine Veränderung der Größe des Messbereichs kann kostensparend und besonders wirtschaftlich mittels einer Optik realisiert werden, die unterschiedliche und veränderbare, insbesondere feste, Brennweiten in mindestens zwei Stufen, vorteilhaft in mehreren Stufen, aufweist. Diese lassen sich beispielsweise durch zueinander verschiebbare, tauschbare, in den optischen Pfad ein- und ausklappbare optische Komponenten, vorteilhaft durch Mittel zur Umschaltung zwischen optischen Pfaden, insbesondere Spiegel, Prismen oder dergleichen, realisieren.

Besonders vorteilhaft können die mindestens zwei Stufen derart gewählt sein, dass in einer ersten Stufe der Messbereich vorzugsweise groß realisiert ist, während in der zweiten Stufe der Messbereich vorzugsweise klein realisiert ist. Auf diese Weise sind mindestens zwei unterschiedliche Größen des Messbereichs vorsehbar, die sich bevorzugt signifikant voneinander unterscheiden, sodass sich mittels der Optik vorteilhaft eine mindestens zweistufige, einfache und schnelle Veränderung der Größe des Messbereichs realisieren lässt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera ist die Größe des Messbereichs unter Verwendung der Optik stufenlos veränderbar.

Vorteilhaft kann auf diese Weise erreicht werden, dass sich die Größe des Messbereichs beliebig zwischen einer maximalen und einer minimalen Größe, die jeweils durch die Optik vorgegeben werden, variieren lässt. Insbesondere lässt sich somit ein Messbereich vorteilhaft an einen den Bediener der Wärmebildkamera interessierenden Oberflächenbereich des Gegenstands anpassen, sodass sich die mittels der Wärmebildkamera gemessene Temperatur ebenfalls vorteilhaft nur auf den tatsächlich interessierenden Bereich auf der Oberfläche bezieht.

Bevorzugt lässt sich eine stufenlos veränderbare Optik unter Verwendung von Linsenmitteln realisieren, die, insbesondere beweglich zueinander angeordnet, zur Änderung der Größe des Messbereichs geeignet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Wärmebildkamera weisen die Linsenmittel zumindest ein verstellbares Linsensystem zum Ändern der Größe des Messbereichs auf. Ein verstellbares Linsensystem kann dazu unter anderem eine oder mehrere Linsen aufweisen, die für Wärmestrahlung, d.h. Strahlung im mittleren Infrarotbereich, durchlässig sind und dazu dienen, Infrarotstrahlung aus dem Messbereich auf die Detektionsfläche der Detektorvorrichtung zu leiten, insbesondere zu projizieren. Ein derartiges verstellbares Linsensystem erlaubt vorteilhaft, die Größe des Messbereichs schnell, zuverlässig, definiert und erfindungsgemäß stufenlos einzustellen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera weist die Auswertevorrichtung und/oder die Detektorvorrichtung eine Kalibriervorrichtung zum Kalibrieren der Auswertevorrichtung und/oder der Detektorvorrichtung auf, die dazu vorgesehen ist, die Auswertevorrichtung bzw. die Detektorvorrichtung basierend auf gespeicherten Informationen und/oder gemessenen Informationen, insbesondere basierend auf einer in einem Messbereich gemessenen Temperatur T _c , zu kalibrieren.

Die Auswertevorrichtung und/oder die Detektorvorrichtung kann vorteilhaft vorgesehen sein, Auswerteergebnisse zu interpretieren und/oder umzurechnen und/oder zu inter- und/oder extrapolieren sowie die Wärmebildkamera insbesondere hinsichtlich eines Temperaturwertes, insbesondere hinsichtlich eines gemessenen Temperaturmesswertes T _c , zu kalibrieren. Neben der Kalibrierung auf Grundlage eines Temperaturmesswertes T _c kann eine Kalibrierung auch mittels gespeicherter Korrektur- und/oder Kalibriertabellen und/oder Kalibrierwerten und/oder Routinen zur Kalibrierung erfolgen.

Insbesondere zur absoluten Bestimmung von Temperaturmesswerten kann eine Kalibrierung der Wärmebildkamera, insbesondere eine Kalibrierung der Auswerte- und/oder der Detektorvorrichtung, vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Kalibriermessung, mittels der ein Temperaturmesswert T _c in einem eingestellten Messbereich, insbesondere in einem Messbereich verhältnismäßig kleiner Größe, ermittelt wird, als Grundlage zur Festlegung einer absoluten Temperaturskala und somit zur Kalibrierung der Wärmebildkamera dienen. Alle dann folgenden Messungen, insbesondere auch Messungen unter Verwendung anderer Messbereiche, insbesondere auch unter Verwendung von Messbereichen anderer Größe, werden anschließend in Bezug zu dieser Kalibriermessung ausgewertet. Somit kann beispielsweise ein Temperaturmesswert T _c , der in einem kleinen Messbereich, bevorzugt in dem kleinsten einstellbaren Messbereich der Wärmebildkamera, ermittelt wurde, als Grundlage einer Kalibrierung der Wärmebildkamera für alle folgenden Messungen dienen, die insbesondere alle Größen des Messbereichs umfassen können. Bevorzugt eignet sich zur Kalibrierung ein gemittelter, bevorzugt besonders genauer, Messwert, der in dem kleinsten einstellbaren Messbereich der Wärmebildkamera ermittelt wurde.

Besonders vorteilhaft kann somit ein Messergebnis, das unter Verwendung eines Messbereichs kleiner Größe erhalten wird, also insbesondere ein möglichst genauer Temperaturmesswert, zur kalibrierten, insbesondere optimierten, Auswertung von Detektionssignalen genutzt werden, die unter Verwendung von Messbereichen insbesondere anderer Größe gemessen werden. Dabei soll unter „optimierter Auswertung" insbesondere verstanden werden, dass die der Kalibrierung zu Grunde liegende Temperaturmessung genutzt wird, zumindest eine Auswerteroutine und/oder einen Auswertevorgang der Auswertevorrichtung zu beeinflussen, vorteilhaft zu verbessern und/oder zu optimieren, besonders vorteilhaft zu kalibrieren und somit verbesserte und/oder genauere Auswertungen von nachfolgenden Detektionssignalen zu ermöglichen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera ist die Kalibriervorrichtung dazu vorgesehen, die Auswertevorrichtung und/oder die Detektorvorrichtung basierend auf einer Detektion von Hintergrundstrahlung zu kalibrieren.

Auf diese Weise kann vorteilhaft erreicht werden, dass ein einem Detektionssignal überlagertes Hintergrundrauschen, insbesondere derjenige Anteil des Detektionssignals, der auf eine Detektion von Hintergrundstrahlung zurückzuführen ist, aus dem gemessenen Detektionssignal eliminiert werden kann. Folglich kann somit eine deutliche Genauigkeitssteigerung der Wärmebildkamera erreicht werden, die sich insbesondere bei der Vermessung verhältnismäßig niedriger Temperaturen positiv auswirkt. In einer besonders einfachen Ausführungsform der Funktionalität der Kalibiervorrichtung kann beispielsweise ein Kalibriersignal bei verschlossener Optik (beispielsweise unter Verwendung eines Objektivdeckels) auf Basis eines durch Hintergrundstrahlung erzeugten Rauschsignals ermittelt werden, wobei anschließend bei der Auswertung aller folgenden Temperaturmesswerte das Kalibriersignal von den gemessenen Detektionssignalen subtrahiert wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera ist eine Ausgabevorrichtung, insbesondere ein Display und/oder eine kabellose Datenkommunikationsschnittstelle, zur Ausgabe einer Temperaturmessung vorgesehen.

Eine Ausgabevorrichtung der Wärmebildkamera kann bevorzugt in Form einer Datenkommunikationsschnittstelle und/oder eines Bildschirms vorgesehen sein. Bevorzugt verwendet eine Datenkommunikationsschnittstelle ein standardisiertes Kommunikationsprotokoll zu einer Übertragung von elektronischen, insbesondere digitalen Daten an insbesondere externe Geräte. Dazu kann die Datenkommunikationsschnittstelle vorteilhaft eine drahtlose Schnittstelle, insbesondere beispielsweise eine WLAN-, Bluetooth-, Infrarot-, NFC-, RFID- Schnittstelle oder eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende drahtlose Schnittstelle aufweisen. Alternativ kann die Datenkommunikationsschnittstelle auch einen kabelgebunden Adapter aufweisen, beispielsweise einen USB- oder Mikro-USB-Adapter. Ein Bildschirm, insbesondere ein Display, kann vorgesehen sein, die ausgewerteten Informationen betreffend eine Temperatur eines auf einer Oberfläche befindlichen Messbereichs, bevorzugt auch ein Wärmebild, darzustellen und somit direkt einem Bediener der Wärmebildkamera auszugeben. Beispielhaft kann ein Display als Flüssigkristall-, Dünnschichttransistor-, Surface-Conduction- Electron- Emitter-, Plasma-, Leuchtdioden- oder Feldemissions-Bildschirm ausgestaltet sein. Besonders vorteilhaft kann ein Touch- Display verwendet werden, mittels dem zusätzlich zur Ausgabe der Informationen auch Eingaben durch einen Bediener der Wärmebildkamera möglich sind.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera ist eine im visuellen Spektrum arbeitende Kamera vorgesehen, ein visuelles Bild des Messbereichs aufzunehmen, das gemeinsam mit der Temperaturmessung ausgegeben werden kann.

Mittels einer im visuellen Spektrum arbeitenden Kamera, bevorzugt mittels eines visuellen Bildsensors zur Erfassung einer sichtbaren, insbesondere visuellen, Strahlung eines Bildbereichs, kann vorteilhaft ein auf detektierter sichtbarer Strahlung basierendes Kamerabild erzeugt werden. Bevorzugt umfasst der visuelle Bildbereich den Messbereich der Wärmekamera zumindest teilweise, besonders bevorzugt vollständig. Als Bildsensor kommen Vorrichtungen in Frage, die sichtbare Strahlung zwischen 380 nm und 780 nm Wellenlänge erfassen und daraus ein Kamerabild erstellen. Das Kamerabild kann insbesondere als ein elektronisches Bildsignal ausgestaltet sein. Beispiele für einen erfindungsgemäßen Bildsensor sind unter anderem CCD-Bildsensoren oder CMOS-Bildsensoren. Unter einem Bildbereich im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird die Menge der Teilchen verstanden, von denen sichtbare Strahlung ausgeht, die der Bildsensor erfasst.

Besonders vorteilhaft kann die Auswerte- und/oder die Steuervorrichtung ein Bild erstellen und mittels einer Ausgabevorrichtung ausgeben. Besonders bevorzugt kann das visuelle Bild gemeinsam mit der Temperaturmessung ausgegeben werden. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß erreicht werden, dass ein Benutzer der Wärmebildkamera während der Messung mit seinem Blick nicht zwischen der Wärmebildkamera und dem auf dem Objekt befindlichen Messbereich hin- und herwechseln muss, da der Bildschirm vorteilhaft sowohl zum Anvisieren des Messbereichs als auch zum Ablesen der ermittelten Temperatur verwendet werden kann. Der Benutzer kann sich dadurch besonders vorteilhaft auf ein exaktes Ausrichten der Wärmebildkamera, insbesondere auch auf ein exaktes Einstellen der Größe des Messbereichs, und auf das Ablesen der Messdaten konzentrieren.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera kann das visuelle Bild zumindest teilweise mit der Temperaturmessung überlagert oder überblendet ausgegeben werden. Besonders vorteilhaft kann die Auswerte- und/oder die Steuervorrichtung ein visuelles Bild gemeinsam mit einer Temperaturmessung, insbesondere gemeinsam mit einem Temperaturmesswert und/oder gemeinsam mit einem gemessenen Wärmebild, ausgeben. Dabei kann ein ausgegebenes gemeinsames Bild zumindest teilweise mittels Überlagerung, Überblendung, Beschneidung zumindest eines Teils des Kamerabilds mit zumindest einer mittels der Wärmebildkamera erzeugten Information, insbesondere einer gemessenen Temperatur eines auf einer Oberfläche befindlichen Messbereichs, bevorzugt mit zumindest einem Teil eines erzeugten Wärmebilds, erzeugt werden.

Auf diese Weise kann eine vorteilhaft intuitive und leicht interpretierbare Darstellung sowohl der Messergebnisse als auch der visuellen Bilder realisiert werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der handgehaltenen Wärmebildkamera ist ein Projektionsmodul vorgesehen, das zur Erzeugung einer sichtbaren Markierung des Messbereichs dient. Dabei weist das Projektionsmodul insbesondere eine Lichtquelle im sichtbaren Bereich des Strahlungsspektrums, bevorzugt eine einen kollimierten Lichtstrahl erzeugende Lichtdiode oder Laserdiode, auf, die zur Erzeugung einer Lichtmarkierung auf der Oberfläche des Gegenstands geeignet ist. Ferner können weitere Mittel zur Strahlformung vorgesehen sein, beispielsweise Kollimatorlinse, Spiegel, Prismen oder dergleichen. Bevorzugt kann mittels des Projektionsmoduls auch ein Lichtmuster aus dem im Wesentlichen kollimierten Lichtstrahl erzeugen werden, sodass sich Muster, beispielsweise in Form eines Vielecks, Kreuzes oder eines Kegelschnitts, insbesondere eines Kreises, auf die Oberfläche projizieren lassen. Diese Ausführungsform ist mit dem Vorteil verbunden, dass sich der Messbereich auch ohne Betrachtung eines Bildschirms einem Ort auf der Oberfläche des Gegenstands zuordnen lässt, insbesondere auch dessen Ausdehnung erkennen lässt, sodass besonders vorteilhaft eine sehr schnell Ausrichtung der Wärmebildkamera auf einen zu untersuchenden Gegenstand und Einstellung der gewünschten Größe des Messbereichs durch den Benutzer möglich ist. Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur kontaktfreien Vermessung einer Temperatur eines auf einer Oberfläche befindlichen Messbereichs, insbesondere ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen handgehaltenen Wärmebildkamera, vorgeschlagen, wobei Pixel einer Detektorvorrichtung der Wärmebildkamera zur Erhöhung einer Wärmestrahlungsempfindlichkeit der

Detektorvorrichtung in Abhängigkeit einer Intensität eingestrahlter Wärmestrahlung unter Verwendung einer Binning-Architektur der Detektorvorrichtung und/oder einer Auswertevorrichtung signaltechnisch zusammengefasst werden, und zumindest die Temperatur des Messbereichs basierend auf Detektionssignalen zumindest einer Mehrzahl beleuchteter Pixel der Detektorvorrichtung ausgewertet wird.

Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren einem Benutzer der Wärmebildkamera ermöglichen, präzise Temperaturmessungen in Messbereichen verschiedener Größe durchzuführen, die sich insbesondere in

Stufen, bevorzugt stufenlos mittels einer Optik der Wärmebildkamera einstellen lassen. Auf diese Weise kann ein Benutzer der Wärmebildkamera beispielsweise Temperaturen in großen Messbereichen im Rahmen einer Übersichtsmessung ermitteln, oder gezielt mittels Einstellung eines kleinen Messbereichs Temperaturen in einem Messbereich reduzierter Größe, bevorzugt punktuell, untersuchen. Während bei der Verwendung eines kleinen Messbereichs ein Gegenstand gezielt abgefahren werden muss, um eine Wärmequelle oder Wärmesenke zu lokalisieren, kann das erhaltene Messergebnis vorteilhaft als besonders genau und als auf lokal begrenztem Messbereich ermittelt angesehen werden. Hingegen erlaubt die Verwendung eines großen Messbereichs eine schnelle und intuitive Ermittlung von Temperaturverläufen, insbesondere unter Verwendung eines aus der Temperaturmessung erzeugten Wärmebilds, sodass insbesondere anhand einer Farbkodierung von auf einem Display der Wärmebildkamera ausgegebenen Temperaturmessdaten, bevorzugt einem Wärmebild, sich warme und/oder kalte Oberflächen augenblicklich erkennen lassen.

Insbesondere kann ein Benutzer der Wärmebildkamera mittels der Optik der Wärmebildkamera einen Messbereich besonders klein einstellen, d.h. auf ein Detail des zu untersuchenden Gegenstands zoomen, um in einem möglichst genau und lokal sehr begrenzten Messbereich einen Temperaturmesswert zu bestimmen. Erfindungsgemäß erlaubt die mit abnehmender Intensität eingestrahlter Wärmestrahlung, insbesondere also auch mit abnehmender Größe des eingestellten Messbereichs, durchgeführte signaltechnische Zusammenfassung einer zunehmenden Anzahl von Pixeln der Detektorvorrichtung unter Verwendung einer Binning-Architektur der Detektorvorrichtung und/oder der Auswertevorrichtung einem Anstieg des Signal- Rauschverhältnis, der ebenfalls mit abnehmender Intensität eingestrahlter Wärmestrahlung erfolgt, entgegenzuwirken.

Zeichnungen

Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreicher Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche Elemente.

Es zeigen:

Figur 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmebildkamera in einer perspektivischen, schematischen Darstellung,

Figur 2 eine perspektivische, schematische Schnittdarstellung einer

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmebildkamera,

Figur 3a/b eine schematische Darstellung zweier möglicher Strahlengänge von

Wärmestrahlung in je einer Ausführungsform der Optik der erfindungsgemäßen Wärmebildkamera, in (a) unter Realisierung eines großen Messbereichs und in (b) unter Realisierung eines kleinen Messbereichs, eine schematische Darstellung einer Detektorvorrichtung, bestehend aus einer eine Vielzahl von Pixeln aufweisenden Detektionsfläche und einer Binning-Architektur

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 und Figur 2 zeigen eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmebildkamera 10 in perspektivischer Gesamtdarstellung bzw. in einer Schnittdarstellung, die den inneren Aufbau der Wärmebildkamera wiedergibt. Die Wärmebildkamera 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit einem Griff 14. Mit dem Griff 14 kann die Wärmebildkamera 10 während ihrer Benutzung bequem in einer Hand gehalten werden. Das Gehäuse 12 der Wärmebildkamera 10 weist weiterhin auf einer einem Benutzer während der Benutzung der Wärmebildkamera 10 zugewandten Seite eine Ausgabevorrichtung in Form eines Touch-Displays 16 sowie Bedienelemente 18 zur Benutzereingabe und Steuerung der Wärmebildkamera 10 auf. Auf der einem Benutzer abgewandten Seite des Gehäuses 12 ist eine Eintrittsöffnung 20 in dem Gehäuse 12 vorgesehen, durch die von einem Gegenstand ausgestrahlte, insbesondere aus einem Messbereich 22 (vergleiche Figur 3) auf einer Oberfläche des Gegenstands ausgestrahlte, Wärmestrahlung in die Wärmebildkamera 10 eintreten kann. Unmittelbar hinter der Eintrittsöffnung 20 befindet sich in einem Streulicht mindernden Lichttubus 24 ein Linsensystem 26' als Optik 26, bestehend aus zwei getrennten Linsenpaaren 28, wobei das der Eintrittsöffnung 20 abgewandte Linsenpaar 28b über eine Schiebevorrichtung 30 in seiner Position bezüglich dem der Eintrittsöffnung 20 zugewandten Linsenpaar 28a verschoben werden kann, insbesondere stufenlos verschoben werden kann. Die Linsenpaare 28, insbesondere die umfassten Linsen, sind für Strahlung im mittleren Infrarotbereich durchlässig und dienen primär der Abbildung, insbesondere der Projektion, bevorzugt der Fokussierung, von Wärmestrahlung auf die Detektorvorrichtung 32. Beide Linsenpaare 28 sowie die Eintrittsöffnung 20 sind kollinear entlang einer Achse 34 mit der Detektorvorrichtung 32 der Wärmebildkamera 10 angeordnet. Insbesondere ist auch der Abstand des Linsenpaars 28b zu der Detektorvorrichtung 32 verstellbar. Die Detektorvorrichtung 32 erfasst Wärmestrahlung aus dem infraroten Strahlungsspektrum, die ausgehend von dem Messbereich 22 auf einer zu untersuchenden Oberfläche kegelförmig in die Eintrittsöffnung 20 der Wärmebildkamera 10 eintritt und mittels Linsensystem 26' auf die Detektorvorrichtung 32, insbesondere auf eine der Eintrittsöffnung 20 zugewandte Detektionsfläche 36 (vgl. Figur 3) der Detektorvorrichtung 32 unter Beleuchtung einer Mehrzahl von Pixeln 40 (vgl. Figur 4) abgebildet wird. Bevorzugt ist eine Symmetrieachse des kegelförmigen Erfassungsbereichs 38 der Wärmebildkamera 10 ebenfalls entlang der Achse 34 ausgerichtet. Der Öffnungswinkel des kegelförmigen Erfassungsbereichs 38 lässt sich über die

Position des Linsenpaars 28b des verstellbaren Linsensystems 26, insbesondere über den Abstand des Linsenpaars 28b zu der Detektorvorrichtung 32 und dem Linsenpaar 28a, verändern. Dementsprechend kann die Größe des Messbereichs 22 über die Einstellung der Schiebevorrichtung 30 des verstellbaren Linsensystems 26 verändert werden.

Die Detektorvorrichtung 32 ist in der dargestellten Ausführungsform als ein zweidimensionales Detektorarray, bestehend aus einer Detektionsfläche 36 mit einer Vielzahl von Pixeln 40 (vgl. Figur 4), insbesondere mit 640*480 infrarotlichtempfindlichen Pixeln 40, vorgesehen. Jedes Pixel 40 erzeugt dabei basierend auf einer detektierten Wärmestrahlung, bevorzugt in Abhängigkeit einer detektierten Intensität eingestrahlter Wärmestrahlung, ein elektrisches Detektionssignal. Auf der einem Benutzer während der Benutzung der Wärmebildkamera 10 abgewandten Seite des Gehäuses 12 ist weiterhin eine im visuellen Spektrum arbeitende Kamera 42 vorgesehen, mittels der ein visuelles Bild des Messbereichs 22 aufgenommen wird, das gemeinsam mit der Temperaturmessung ausgegeben wird, insbesondere zumindest teilweise mit der Temperaturmessung überlagert oder überblendet ausgegeben wird. Die Kamera

42 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als ein CCD-Bildsensor realisiert. Ferner kann ein weiteres Linsensystem (nicht näher dargestellt), insbesondere ein variables Linsensystem, verwendet werden, um den mittels Kamera 42 betrachteten Bildausschnitt zumindest teilweise überlappend mit dem Messbereich 22 der Wärmebildkamera 10 zu realisieren. Auf der Unterseite der Wärmebildkamera 10 weist der Griff 14 eine Aufnahme 46 zur Aufnahme eines Energiespeichers auf, der beispielhaft als wiederaufladbarer Akkumulator oder Batterien ausgeführt sein kann. Auf einer Systemplatine 48, insbesondere einer Leiterplatte, sind die elektrischen

Bauteile der Wärmebildkamera 10 verschaltet. Ebenfalls sind auf der Systemplatine 48 eine Steuervorrichtung 50 und eine Auswertevorrichtung 52 untergebracht. Die Steuervorrichtung 50 stellt insbesondere eine Vorrichtung dar, die zumindest eine Steuerelektronik sowie Mittel zur Kommunikation mit den anderen Komponenten der Wärmebildkamera 10 umfasst, insbesondere Mittel zur Steuerung und Regelung der Wärmebildkamera 10. Die Steuervorrichtung 50 ist dazu vorgesehen, die Wärmebildkamera 10 zu steuern und deren Betrieb zu ermöglichen. Dazu ist die Steuervorrichtung 50 mit den anderen Komponenten des Messgeräts, insbesondere der Detektorvorrichtung 32, der Auswertevorrichtung 52, den Bedienelementen 18, dem Touch-Display 16 sowie der Datenkommunikationsschnittstelle 54 signaltechnisch verbunden. Die Auswertevorrichtung 52 dient dem Empfangen und Auswerten von Detektionssignalen der Detektorvorrichtung 32, wobei jedes Pixel 40 der Detektorvorrichtung 32 mit der Auswertevorrichtung 52 signaltechnisch verbindbar ist. Die Steuervorrichtung 50 und/oder die Auswertevorrichtung 52 und/oder die Detektorvorrichtung 32 umfasst darüber hinaus eine Kalibriervorrichtung (nicht näher dargestellt), mittels der die Auswertevorrichtung 52 und/oder die Detektorvorrichtung 32 basierend auf gespeicherten Informationen, insbesondere unter Verwendung von Kalibrierwerten und/oder - tabellen, und/oder gemessenen Informationen, insbesondere basierend auf einer in einem Messbereich gemessenen Temperatur T _c , kalibriert werden kann.

Ferner ist auf der Systemplatine 48 eine Datenkommunikationsschnittstelle 54, insbesondere eine WLAN- und/oder Bluetooth-Schnittstelle, untergebracht, die zur Ausgabe einer Temperaturmessung an ein externes Gerät vorgesehen ist.

Ebenfalls können weitere Sensoren 56 in, auf oder an dem Gehäuse 12 der Wärmebildkamera 10 untergebracht sein, die einer erweiterten Funktionalität der Wärmebildkamera 10 dienen. Beispielsweise können in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmebildkamera 10 weitere Sensor 56 aus einer Gruppe von Sensoren vorgesehen sein, die zumindest induktions-, kapazitäts-, Ultraschall-, temperatur-, feuchte-, strahlungs-, neigungs-, winkel-, magnetfeld-, beschleunigungs- sowie drehratensensitive Sensoren umfasst.

Ein durch einen Bediener der Wärmebildkamera 10 leicht erreichbarer und bedienbarer Schalter 58 dient dem Auslösen einer Temperaturmessung.

In der Darstellung in Figur 3 sind die Komponenten der Optik 26 der aus Figur 1 und Figur 2 bekannten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmebildkamera 10 zu erkennen, umfassend insbesondere die Detektorvorrichtung 32 mit Detektionsfläche 36, Lichttubus 24, Linsensystem 26' bestehend aus einem der Eintrittsöffnung 20 zugewandten Linsenpaar 28a, einem der Eintrittsöffnung 20 abgewandten, stufenlos verschiebbaren Linsenpaar 28b, sowie der Eintrittsöffnung 20. Ferner sind zwei beispielhafte optische Strahlengänge 60 dargestellt, über die ein Messbereich 22, hier am Beispiel des Schriftzugs„ABCDE", auf die Detektionsfläche 36 abgebildet wird. Insbesondere wird in Figur 3a in einer ersten Anordnung des Linsensystems 26 ein großer Messbereich 22a, d.h. der gesamte Schriftzug„ABCDE", in Folge eines großen Erfassungsbereichs 38a der Optik 26 der Wärmebildkamera entsprechend Strahlengang 60a auf die Detektionsfläche 36 abgebildet. Dabei befindet sich das Linsenpaar 28b exemplarisch in einem verhältnismäßig großen Abstand zu der Detektorvorrichtung 32.

Demgegenüber wird in Figur 3b in einer zweiten Anordnung des Linsensystems 26 ein kleiner Messbereich 22b, d.h. nur ein Ausschnitt „C" des Schriftzugs „ABCDE", in Folge eines kleinen Erfassungsbereichs 38b der Optik 26 der Wärmebildkamera 10 entsprechend Strahlengang 60b auf die Detektionsfläche 36 abgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich das Linsenpaar 28b in einem verhältnismäßig kleinen Abstand zu der Detektorvorrichtung 32.

Zwischen den beiden gezeigten beispielhaften Strahlengängen 60 kann insbesondere stufenlos variiert werden, indem das Linsenpaar 28b per Schiebevorrichtung 30 in seiner Position verändert wird. Besonders vorteilhaft lässt sich auf diese Weise einfach und schnell die Größe des Messbereichs 22 auf dem Gegenstand insbesondere stufenlos variieren. Erfindungsgemäß weist die Auswertevorrichtung 52 und/oder die Detektorvorrichtung 32 eine Binning-Architektur 62 auf, die eine signaltechnische Zusammenfassung von Pixeln 40, insbesondere zur Erhöhung der Wärmestrahlungsempfindlichkeit der Detektorvorrichtung 32, ermöglicht. In Figur 4 ist eine erfindungsgemäße Detektorvorrichtung 32 dargestellt, die in einer beispielhaften Ausführungsform eine derartige Binning-Architektur 62 sowie eine eine Vielzahl von Pixeln 40 aufweisende Detektionsfläche 36 umfasst.

Die Detektionsfläche 36 der Detektorvorrichtung 32 weist exemplarisch 6 ^χ 6 ^χ 9=324 infrarotlichtempfindliche Pixel 40 auf, von denen eine Mehrzahl durch eingestrahlte Wärmestrahlung, die einen Lichtfleck 64 auf der Detektionsfläche 36 erzeugt, beleuchtet werden. Jedes Pixel 40 ist über elektrische Verschaltung entweder direkt oder über zwischengeschaltete elektrische Bauteile, insbesondere beispielsweise Multiplexer, mit einem Kombinierer 66 verbunden. Dabei ist ein Kombinierer 66 dazu vorgesehen, über einen Eingang 68 eingehende Detektionssignale, die insbesondere von verschiedenen Pixeln 40 kommen, über eine Kombinierfunktion, vorzugsweise ein ODER-Gatter, signaltechnisch zusammenzufassen, insbesondere zusammenzuschalten, insbesondere zu kombinieren. In Folge dessen werden Detektionssignale verschiedener infrarotlichtempfindlicher Pixel 40 angenommen und an einen

Ausgang 70 des Kombinierers 66 als ein zusammengefasstes, insbesondere kombiniertes, Detektionssignal der entsprechenden Pixel 40 ausgegeben. Der Ausgang 70 des Kombinierers 66 ist ferner signaltechnisch mit der Auswertevorrichtung 52 der Wärmebildkamera 10 verbunden.

Die signaltechnische Zusammenfassung erlaubt vorteilhaft eine Erhöhung der Wärmestrahlungsempfindlichkeit der Detektorvorrichtung 32, da in Folge des Zusammenschaltens ein dem Detektionssignal überlagertes, insbesondere statistisches, Rauschen verringert werden kann.

Besonders vorteilhaft lassen sich Pixel 40 variabel hinsichtlich Anzahl und Geometrie signaltechnisch zusammenfassen. Exemplarisch sind in Figur 4a jeweils neun Pixel 40 mit einem Kombinierer 66 verbunden, angedeutet durch eine signaltechnische Verbindung 72 einer als Pixel-Block 74 zusammengefassten Mehrzahl von neun Pixeln 40 zu einem Kombinierer 66. Eine derartige signaltechnische Verschaltung ist aus Gründen der Übersicht nur für vier Pixel-Blöcke 74 beispielhaft dargestellt.

Erfindungsgemäß kann mittels der variablen signaltechnischen Zusammenfassung von Pixeln 40 der Detektorvorrichtung 32 erreicht werden, dass in Abhängigkeit der Intensität der auf die Detektionsfläche 36 eingestrahlten Wärmestrahlung eine unterschiedliche Anzahl von Pixeln 40 zusammengefasst wird. Bevorzugt wird dabei mit abnehmender Intensität der auf die Detektionsfläche 36 eingestrahlten Wärmestrahlung eine zunehmende Anzahl von Pixeln 40 zur Erhöhung der Wärmestrahlungsempfindlichkeit signaltechnisch zusammengefasst.

Ferner erlaubt die Detektorvorrichtung 32, insbesondere unter Verwendung der Binning-Architektur 62, Detektionssignale nur derjenigen Pixel 40 an die Auswertevorrichtung 52 weiterzuleiten, die tatsächlich durch eingestrahlte

Wärmestrahlung beleuchtet sind, d.h. insbesondere durch den Lichtfleck 64 bedeckt sind. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine aktive Detektionsfläche 76 definiert, die bevorzugt durch eingestrahlte Wärmestrahlung beleuchtete Pixel 40 umfasst, anhand derer eine Auswertung der Temperatur durchgeführt werden soll. In Figur 4a sind die von dem Lichtfleck 64 bedeckten Pixel 40 über 14 Pixel-

Blöcke 74 signaltechnisch über Kombinierer 66 mit der Auswertevorrichtung 52 verbunden. Diese derart definierte aktive Detektionsfläche 76 ist durch eine bemusterte Fläche dargestellt. Pixel 40, die nicht Teil der aktiven Detektionsfläche 76 sind, werden im Rahmen der Auswertung von Detektionssignalen nicht berücksichtigt, sodass vorteilhaft ein vergleichsweise hoher Rausch-Anteil, zurückzuführen auf nicht beleuchtete Pixel 40, aus der Auswertung ausgenommen wird. Besonders vorteilhaft wird die aktive Detektionsfläche 76 bei allen Messungen, insbesondere bei allen eingestellten Größen des Messbereichs 22, optimal an die Größe des tatsächlich abgebildeten Lichtflecks 64 in der Detektionsfläche 36 angepasst, d.h. entsprechend minimiert.

Auf diese Weise werden gezielt die Detektionssignale von ausschließlich denjenigen einzelnen infrarotlichtempfindlichen Pixeln 40 ausgewertet, die tatsächlich Wärmestrahlung empfangen. Dadurch kann die aktive Detektionsfläche 76 reduziert und der Rauschbeitrag von Hintergrundstrahlung minimiert werden, was gleichbedeutend mit einer Verbesserung des Signal- Rausch-Verhältnisses ist. Die Bestimmung von Pixeln 40, die tatsächlich Wärmestrahlung empfangen, kann beispielsweise im Rahmen einer Vormessung und anschließendem Vergleich von gemessenen Detektionssignalen mit einem Schwellwert und/oder Kalibrierwerten der Wärmebildkamera 10 erfolgen.

In Figur 4b sind weitere Beispiele für Binning- Muster einer signaltechnischen Zusammenfassung von Pixeln 40 dargestellt. Während eine periodische Zusammenfassung von Pixeln 40 in jeweils 2*2-Pixel-Blöcke (links, vergleiche auch 3*3-Pixel-Blöcke in Figur 4a) eine besonders homogene und dadurch besonders schnelle und einfache Auswertung ermöglicht, kann mittels komplexerer Binning- Muster (rechts) eine verbesserte Anpassung an zu messende Lichtflecke 64 erfolgen. Beispielsweise kann besonders vorteilhaft eine feine Auflösung im Zentrum des Lichtflecks 64, entsprechend einer feinen Auflösung im Zentrum des Messbereichs 22, erreicht werden, während die Auflösung zu den Randbereichen des Lichtflecks 64, insbesondere entsprechend zu den Randbereichen des Messbereichs 22, abnimmt.