Was ist ein Mikrobolometer?

Ein Wärmebildgerät ist ein Gerät, das es ermöglicht, sowohl tagsüber als auch nachts bei allen Wetterbedingungen zu beobachten. Es arbeitet im thermischen Spektralbereich, der für das menschliche Auge unsichtbar ist, und ermöglicht so die Erkennung von Objekten, die für Nachtsichtgeräte, normale Videokameras und Kameras mit Infrarotbeleuchtung nicht zugänglich sind.

Das Schlüsselelement eines jeden Wärmebildgeräts ist der empfindliche Sensor. In modernen Modellen übernimmt diese Funktion ein Mikrobolometer, dessen Qualität und Eigenschaften direkt die Leistungsfähigkeit des Geräts und die Qualität des erzeugten Bildes bestimmen.

Was ist ein Mikrobolometer

Mikrobolometer ist ein ungekühltes Infrarot-Array, das aus einer großen Anzahl mikroskopischer empfindlicher Elemente – Pixel – besteht. Jedes Pixel reagiert auf thermische Strahlung, indem es seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur des beobachteten Objekts ändert.

Im Gegensatz zu gekühlten Infrarotsensoren bieten Mikrobolometer mehrere wesentliche Vorteile:

• kein kryogenes Kühlen erforderlich;
• kompakte Abmessungen;
• geringerer Energieverbrauch;
• hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer.

Dank dieser Eigenschaften werden Mikrobolometer in den meisten zivilen, jagdlichen und taktischen Wärmebildgeräten eingesetzt.

Wie ein Mikrobolometer funktioniert

Wärmebildgeräte funktionieren auf Basis der Änderung des elektrischen Widerstands empfindlicher Elemente unter dem Einfluss thermischer Strahlung. Beim Erwärmen ändert sich der Widerstand des Elements, was vom elektronischen System des Geräts erfasst und in ein visuelles Bild umgewandelt wird.

Gekühlte Bolometer (zum Beispiel in der Astronomie verwendet) erreichen eine extrem hohe Genauigkeit durch Kühlung auf Flüssigheliumtemperaturen. Mikrobolometer arbeiten jedoch ohne Kühlung und bieten ein optimales Gleichgewicht zwischen Messgenauigkeit, Kompaktheit und Energieeffizienz.

Moderne Mikrobolometer bestehen aus extrem miniaturisierten Strukturen:

• Die Größe eines einzelnen Pixels kann 11 Mikrometer betragen;
• Empfindliche Elemente sind in einer Höhe von etwa 2,5 µm aufgehängt;
• Die Breite der Tragfüße beträgt nur 1,5 – 1,8 µm.

Je kleiner die Strukturelemente des Arrays sind, desto höher ist die Detailgenauigkeit und Schärfe des Bildes, das das Wärmebildgerät erzeugen kann. Daher konzentriert sich die Weiterentwicklung der Wärmebildtechnologie zunehmend auf die Verbesserung der Mikrostrukturen.

Schritte der Bildentstehung:

1. Das Objekt strahlt Infrarotwärme aus.
2. Die Strahlung trifft auf das Mikrobolometer-Array.
3. Jedes Pixel erwärmt sich und ändert seinen Widerstand.
4. Die Elektronik verarbeitet das Signal und erzeugt das Wärmebild.

Als Ergebnis sieht der Benutzer ein kontrastreiches Bild der Temperaturunterschiede, selbst bei völliger Dunkelheit.

Empfindlichkeit des Mikrobolometers und NETD-Parameter

Eine der gebräuchlichsten Technologien zur Herstellung von Mikrobolometer-Arrays ist VOx (Vanadiumoxid). Solche Arrays zeichnen sich durch hohe Empfindlichkeit und geringe Geräuschpegel aus, was eine qualitativ hochwertigere und informativere Bilddarstellung ermöglicht.

Der wichtigste Parameter, der die Empfindlichkeit eines Wärmebildgeräts beschreibt, ist NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) – die rauschäquivalente Temperaturdifferenz. Dieser Wert definiert den minimalen Temperaturunterschied, den das Wärmebildgerät erkennen kann.

Die Empfindlichkeit wird in Millikelvin (mK) gemessen:

• bis 20 mK – sehr hohe Empfindlichkeit (Patriot 2);
• 20–30 mK – professionelles Niveau;
• 30–50 mK – mittleres Niveau;
• über 50 mK – Basisebene.

Je niedriger der NETD-Wert, desto empfindlicher ist der Infrarotsensor und desto besser kann das Wärmebildgerät geringe Temperaturunterschiede erkennen.

Warum Empfindlichkeit so wichtig ist

Hohe Empfindlichkeit des Mikrobolometers gewährleistet:

• zuverlässige Erkennung von Objekten mit minimalen Temperaturunterschieden;
• effektivere Arbeit bei Nebel, Regen, Rauch und hoher Luftfeuchtigkeit;
• Reduzierung des Bildrauschens;
• klarere und detailliertere Konturen von Zielen;
• erhöhte Erkennungsreichweite.

In der Praxis kann ein Wärmebildgerät mit niedrigem NETD-Wert eine Person, ein Tier oder eine Maschine unter Bedingungen erkennen, bei denen ein weniger empfindliches Gerät nur einen verschwommenen Wärmehintergrund anzeigt.

Das Mikrobolometer wird zu Recht als das „Herz“ des Wärmebildgeräts bezeichnet, und seine Empfindlichkeit beeinflusst direkt die Effizienz und den praktischen Wert des Geräts. Bei der Auswahl von Wärmebildtechnik sollte man nicht nur auf die Auflösung des Arrays oder die Vergrößerung achten, sondern vor allem auf den NETD-Wert. Dank des neuen Arrays mit einem NETD von weniger als 18 mK erzeugt Patriot 2 von Nvectech Bilder mit außergewöhnlicher Klarheit und Detailgenauigkeit, sodass der Benutzer selbst kleinste Temperaturunterschiede erkennen, die Konturen von Objekten genau bestimmen und ein vollständiges Bild selbst bei völliger Dunkelheit oder unter widrigen Wetterbedingungen erhalten kann.

Die hohe Empfindlichkeit des Mikrobolometers garantiert ein klares, informatives Bild und einen zuverlässigen Betrieb des Wärmebildgeräts unter realen Einsatzbedingungen.