Infrarot Radiometrie

Als Radiometrie bezeichnet man die quantitative Messung von Strahlungsintensitäten. Welcher Bruchteil der emittierten Strahlung von einem Detektor in ein Signal umgewandelt wird, hängt neben der Geometrie und Art der strahlenden Oberfläche wesentlich von der Detektorgeometrie ab.

Reale Objekte wie die Wasseroberfläche emittieren weniger Strahlung als ein schwarzer Strahler. Das Verhältnis der Emission zu der eines schwarzen Strahlers bei gleicher Temperatur wird als spektrale Emissivität bezeichnet und hängt von der Wellenlänge ab. Für die gesamte Strahlungsbilanz eines realen Körpers ergibt sich aus Gründen der Energieerhaltung [Wolfe and Zissis, 1978]:

Dabei ist der Bruchteil der auftreffenden Strahlung, der den Körper durchdringt, ohne absorbiert zu werden, und der Bruchteil, der an der Oberfläche reflektiert wird.

Die Wasseroberfläche verhält sich für Beobachtungswinkel, die kleiner als 55 gegen die Oberflächennormale geneigt sind, wie ein Lambertscher Strahler [Gaussorgues, 1994].

Für einen abbildenden Infrarotdetektor ergibt sich, daß unabhängig von der Entfernung und der Neigung einer Lambertscher Oberfläche, die Strahldichte gemessen wird [Haußecker, 1996], und so eine eindeutige Zuordnung der Temperatur der Oberfläche möglich ist.

Die gesamte spezifische Ausstrahlung R(T) (Gleichung 2.9) einer Oberfläche entspricht der Fläche unter der Planck-Kurve. Ein Detektor, der nur innerhalb eines bestimmten Spektralbereichs empfindlich ist, empfängt nur den Teil

der gesamten spezifischen Ausstrahlung der Oberfläche.

Das Integral (2.13) liefert unabhängig von der Wahl des Spektralbereichs immer eine eindeutige Abhängigkeit von der Temperatur, da die Plancksche Strahlungskurve eines Körpers höherer Temperatur immer über der eines Körpers mit niedrigerer Temperatur liegt. Somit kann die Wahl des empfindlichen Spektralbereichs eines Detektors nach anderen Gesichtspunkten, wie z.B. dem thermischen Kontrast, optimiert werden.

Als thermischen Kontrast bezeichnet man das Verhältnis zwischen der Intensität in einem Wellenlängenintervall der Strahlung eines Objektes mit der Temperatur vor einem Hintergrund mit der Temperatur und der Gesamtintensität. In Abbildung 2.5 ist der thermische Kontrast für die Spektralbereiche von 3-5 m und 8-12 m bei verschiedenen Temperaturen graphisch dargestellt. Dieser ist für den Spektralbereich von 3-5 m wesentlich größer als für 8-12 m, da dort die Planck-Kurve exponentiell ansteigt, während sie bei 8-12 m ihr Maximum erreicht.

Mit Hilfe der Relationen und kann die spektrale, spezifische Ausstrahlung (Gleichung 2.6) in eine photonbezogene Strahlungsdichte umgerechnet werden. Diese gibt die Anzahl der emittierten Photonen pro Sekunde, Raumwinkel, Fläche und Wellenlänge an. Daraus kann abgeschätzt werden, daß bei einer Temperatur von 20C und einer Wellenlänge von 4 m ungefähr Photonen auf ein Detektorelement einfallen [Jähne and Haußecker, 1996]. Schon nach kurzer Zeit wäre der Detektor überbelichtet. Durch Kühlung des Detektorarrays kann die Anzahl der Photonen erheblich reduziert werden (Stefan-Boltzmann Gesetz, ). Diese Eigenschaft der Infrarot-Radiometrie macht kommerzielle Bildsensoren im infraroten Spektralbereich sehr teuer, da diese gekühlt werden müssen.

Als Detektoren für Strahlungsintensitäten werden hauptsächlich Thermoelemente, Bolometer und Halbleiterdetektoren verwendet:

• Bei einem Thermoelement wird der Seebeck-Effekt ausgenutzt. Lötet man zwei Drähte aus verschiedenen Metallen an beiden Enden zusammen und schaltet in den Draht ein Voltmeter, so zeigt dies eine Thermospannung an, die abgesehen von den Eigenschaften des Metalls, nur von der Temperaturdifferenz der beiden Lötstellen abhängt. Seebeck endeckte diese Thermospannung im Jahre 1822. Solche Thermoelemente bieten den Vorzug großer Empfindlichkeit und geringer Trägheit, benötigen allerdings immer eine konstante Referenztemperatur.

    
  

  Abbildung: Strahlungsintensitätsmessung mit einem Thermoelement. Die einfallende Strahlung erwärmt das Absorberelement. Der Temperaturunterschied zur Referenztemperatur an den Lötstellen der beiden Metalle erzeugt eine Thermospannung. Quelle: [Higgins, 1994b].
  

• Ein Bolometer nützt die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Temperatur aus. Metalle leiten um so schlechter, je heißer sie sind, bei Halbleitern ist es umgekehrt. Die Intensität der Strahlung wird so durch eine Widerstandsänderung eines Stoffes bei dessen Erwärmung gemessen. Weit verbreitet ist heute z.B. der Widerstandsdraht Pt, der auch in der Kalibriereinheit (Abschnitt 5.1.1) zur Messung der Temperatur verwendet wird.

    
  

  Abbildung: Strahlungsintensitätsmessung mit einem Bolometer. Die einfallende Strahlung erwärmt das Absorberelement und ändert seinen elektrischen Widerstand. Der Widerstand wird indirekt durch ein Galvanometer bestimmt. Quelle: [Higgins, 1994b].
  

• Bei einem Halbleiterdetektor werden durch den inneren Photoeffekt bewegliche Ladungsträger (meist paarweise) aus dem Detektormaterial durch Lichteinstrahlung freigesetzt. Die Ladungsträger werden durch ein angelegtes elektrisches Feld getrennt, und der entstehende Photostrom kann gemessen werden.

    
  

  Abbildung: Strahlungsintensitätsmessung mit einem Halbleiterelement. Die einfallende Strahlung erzeugt durch den inneren Photoeffekt freie Elektronen, die durch das elektrische Feld abgesaugt werden. Der erzeugte Photostrom kann mit einem Galvanometer gemessen werden. Quelle: [Higgins, 1994a].
  

Hauptbestandteil der verwendeten Meßapparatur ist eine Infrarot-Kamera. Jedes Sensorelement des CCD-Chips der Kamera stellt einen Halbleiter-Detektor für elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich dar. Die mit dem CCD-Chip gemessene Intensität hängt von der Temperatur ab. Somit stellt die Kamera zusammen mit der verwendeten Infrarotoptik eine Anordnung dar, mit der die Temperaturverteilung einer Strahlungsquelle bestimmt werden kann.