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Thermografie
Grundlagen: Für die Thermografie, die Aufnahme von Bildern mit Wärmestrahlen gibt es verschiedene Methoden, wobei aber die meisten auf Grund finanzieller Hindernisse für den Bastler ausscheiden. Käufliche Wärmebildkameras arbeiten meist mit speziellen CCD-Sensoren aus Infrarot-epfindlichen Halbleitern oder Arrayfeldern von Mikrobolometern. Neben diese speziellen Bauteilen verwenden die Kameras zudem noch Linsenoptiken aus Germanium oder Silizium. alles in Allem sehr teure und nicht leicht zu beschaffende Bauteile.
Eine Ausweg bietet die Anwendung von einfachen Detektoren in Verbindung mit einem mechanischen Scansystem und Hohlspiegeln zur Fokussierung der Strahlung. So werden weder teure Bildsensoren noch teure Linsenoptiken benötigt.
Der Nachteil eines mechanischen Scansystems ist natürlich die Zeit die benötigt wird ein Bild aufzunehmen. Je nach System kann es bis zu einer Stunde dauern ein Bild einzuscannen. Dafür hat man die Möglichkeit mit den verschiedensten Wellenlängen zu arbeiten. Der Bereich hängt nur vom Reflektionsvermögen des Spiegels und den Empfindlichkeitsbereich des eingesetzten Detektors ab.
Der Scanner:
Die Mechanik des Scanners ist einfach aufgebaut.Die Verstellung der X- oder Azimut-Achse erfolgt mit einer horizontalen Aluscheibe mit einem zentralen Kugellager. Am Umfang der Scheibe sitzen drei kleine Kugellager auf den sich die Scheibe dreht. Den Antrieb besorgt ein Schrittmotor über einen Zahnriemen. Auf dieser horizontalen Scheibe sitzt die Halterung der Y- oder Elevation-Achsen Verstellung. Auch diese besteht aus einer Kugel gelagerten, vertikalen Scheibe die mit einem Schrittmotor und Zahnriemen angetrieben wird.Auf dieser Scheibe wird mittels Flach-Aluteilen der Empfänger befestigt.Für die großen Scheiben wurden keine Zahnscheiben verwendet, große Zahnscheiben sind sehr teuer, da die Reibung der Riemen auf der glatten Fläche schon groß genug ist einen Kraftschluss zu gewährleisten. Zur Erfassung einer Referenzstellung beider Achsen sind mechanische Endschalter angebracht.
 
Der Empfänger:
Der eigentliche Empfänger besteht aus einem Hohlspiegel und einem Detektor, ähnlich einer Empfangsanlage fürs Satellitenfernsehen. Für die folgenden Versuche wurden drei Detektoren im Fokus des Spiegels befestigt.Für den thermische Strahlungsbereich um 10 µm wurde ein Thermoelement, für den sichtbaren Bereich eine Fotodiode BPX 34 und für das nahe Infrarot eine Germaniumfotodiode TP50 eingebaut. Das Thermoelement stammt aus einem billigen Infrarotthermometer von Conrad Elektronik. Germaniumfotodioden sind nicht einfach zu bekommen, ersatzweise kann man auch von einem Germaniumtransistor (z.B. OC602 o.ä.) den Lack abkratzen und diesen als Fotodiode verwenden. Um die Auflösung zu verbessern sitzen Thermoelement und die Fotodioden hinter Blenden mit circa 0,6 mm Durchmesser.
Elektronik:
Die Elektronik des Thermoscanners besteht aus zwei Komponenten. Den Antrieb der Schrittmotore des Scanners erfolgt mittels einer >Treiberkarte<. Das Aufzeichnen der Detektorsignale geschieht mit einer >Verstärkerkarte<. Beide Platinen sind Bestandteile des schon an anderer Stelle erwähnten >>Universal Mess Systems<< . Die Darstellung, Verarbeitung und Speicherung der gescannten Bilder erfolgt auf einem am Mess System angeschlossenen PC.
Schrittmotortreiber:
 Verstärkerkarte:
Der Schrittmotortreiber arbeitet mit zwei Treibern TB6560HQ. Die Leistungsbrücken dieser Schaltungen sind in der Lage Motore mit bis zu 40V und 3,5A anzutreiben. Eine Besonderheit der Schaltung ist die Fähigkeit zum Mikroschrittbetrieb. Neben Halbschritt,Viertelschritt sind auch Achtelschritte möglich. Dadurch wird die mögliche Auflösung des Scanners stark vergrößert. Die Verstärkerkarte hat drei unabhänige Verstärkerkanäle. Die einzelnen Kanäle bestehen aus einem Eingangsverstärker und einer Ausgangsstufe. Die Eingangsstufe sind Differenzverstärker AD524 deren Verstärkungsfaktor in 4 Stufen 1x, 10x, 100x und 1000x umgeschaltet werden kann. Die Ausgangsstufe dient zur Offsetkompensation um das Ausgangssignal in den Bereich des AD-Wandlers zu bringen.
Für die folgenden Bilder wurde ein Glas mit heißem Wasser (ca. 60°C) links, eine Lötstation und ein kalter Aluklotz rechts abgebildet. Vom Thermoelement wird sowohl das heiße Wasser wie auch der heiße Lötkolben abgebildet, die Germaniumdiode sieht nur die heiße Lötspitze und natürlich das Umgebungslicht. Die Siliziumdiode sieht nur das Umgebungslicht.
Zum Vergleich wurde auch ein Bild mit einer professionellen Wärmebildkamera AVIO TVS-600 aufgenommen. Dieses Bild, rechts, hat natürlich eine wesentlich bessere Qualität und Auflösung, aber diese Thermokamera kostet auch um die 5000€.
Diese Kamera hat ein Objektiv aus Germaniumlinsen. Der eigentliche Sensor besteht aus sogenannten Mikrobolometern, ein Array aus winzigen, temperaturabhängigen Widerständen, meist aus Vanadiumoxid. Solche Bildaufnehmer können bei Raumtemperatur arbeiten.
Im Gegensatz dazu mußten die auf dem Fotoeffrekt beruhenden HgCdTe-Aufnehmer früherer Kameras stark gekühlt werden was ihre Herstellung noch teurer machte. Nur mit den neuen Mikrobolometern sind Thermokameras im Preisegment unter 10000€ überhaupt machbar wobei allerdings die Empfindlichkeit der HgCdTe-Kameras nicht erreicht wird.
Eine Vorteil der thermisch arbeitenden Bolometer ist allerdings dass sie einen viel weiteren Bereich erfassen, der im Prinzip vom Radiospektrum bis zum Röntgenbereich geht.
Besonders deutlich werden warme Gegenstände wenn das Thermobild mit einer Farbtabelle in ein Falschfarbenbild umgewandelt wird. Kennt man den Emissionsfaktor der Oberflächen der Gegenstände kann man nach einer Kalibierung den unterschiedlichen Temperaturen verschiedene Farben zuordnen. Dieses Prinzip der Temperaturmessung nennt man Pyrometrie. Pyrometrie wird oft zur berührungslosen Temperaturmessung verwendet.
Auch die Wärmestrahlung eines Menschen ist mit der Thermoelementscanner messbar. Da die Aufnahme eines Bildes aber etwa 20 Minuten dauert ist das nichts für ungeduldige Personen denn man darf sich während der Aufnahmedauer nicht bewegen.