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Thermografische Optiken − alles über Wärmebildkameras

Doch bevor es mit den technischen Grundlagen weitergeht, sei noch eine Anmerkung vorweg erlaubt: Natürlich können Wärmebildkameras (englisch: Thermal Imaging Cameras) auch im Dunkeln, sprich zur Nachtsicht verwendet werden. Es hat sich allerdings die etwas unscharfe Trennung zwischen Nachtsichtgeräten und Wärmebildkameras etabliert, so dass wir auch hier diese Gepflogenheit übernehmen.

Die technischen Grundlagen der Wärmebildkameras:

Wildschweinrotte in Pulsar Wärmebildkamera
Eine Wildschweinrotte aufgenommen mit einer weitreichenden Wärmbildkamera von Pulsar.

Im Gegensatz zu Nachtsichtgeräten nutzen Wärmebildkameras ein völlig anderes Prinzip der zu beobachtenden physikalischen Körper (hier Gegenstände und/oder Lebewesen), um ein Abbild dieser zu liefern. Nachtsichtgeräte nutzen die Reflexion von abbildenden Strahlen auf Körpern aus. Dies kann das auch bei Nacht noch vorhandene Restlicht sein oder das von einer mitgeführten Strahlungsquelle abgegebene (fürs menschliche Auge unsichtbare) Licht. Letztgenanntes liegt hier in der Regel im nahen IR-Bereich.

Wärmebildkameras dagegen erzeugen ein Bild aus der thermischen Eigenstrahlung von physikalischen Körpern oder besser: der unterschiedlich starken Eigenstrahlung der Körper, aber auch der thermischen Unterschiede innerhalb desselben Körpers. Das Ganze funktioniert, weil jeder Körper elektromagnetische Strahlung emittiert (aussendet) und absorbiert (aufnimmt). Und auch bei der Wärmestrahlung handelt es sich um eine Form elektromagnetischer Strahlung.

Terrier durch Leupold LTO Tracker beobachtet
Ein Terrier, betrachtet durch das Leupold LTO Tracker im Black-Highlight-Modus bei - 3° C, daher der helle Hintergrund.

Dabei ist bemerkenswert, dass ein physikalischer Körper sogar noch unmittelbar vor dem Erreichen des absoluten Nullpunkts für die Temperatur (0°K = -273,15°C) eine gewisse innere Energie besitzt. Die Elektronen in den Atomen, aus denen sich der Körper zusammensetzt sind, schwingen. Diese Bewegungen sind die Quelle für ein elektromagnetisches Feld, denn elektromagnetische Wellen entstehen auch immer dann, wenn Ladungen beschleunigt werden. Bei steigender Temperatur schwingen die Elektronen schneller und damit wächst auch die Energie der Strahlung. Bei hohen Temperaturen liegt ein Teil der emittierten Strahlung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums: Je höher die Temperatur, desto größer der Anteil des energiereicheren, kurzwelligen blauen Lichts. Diesen Effekt kann man auch beobachten, wenn man einen Eisenstab erhitz: Er glüht von dunkel- über hellrot und gelb zu weiß, je heißer er wird. Das bedeutet also, dass ein Körper auch bei normalen Temperaturen "glüht". Das kann man mit bloßem Auge nur nicht sehen, weil es sich im langwelligen Infrarot abspielt und zwar bei Wellenlängen im Mikrometerbereich von etwa 3,5 bis 15 μm (mittleres und langwelliges Infrarot).

Die technische Entwicklung thermografischer Sensoren:

Die Technik, um diese Wellenlängenbereiche für Sichtgeräte auszunutzen, ist vergleichsweise jung. Dagegen gehen die Anfänge der Wärmestrahlungsdetektion von Körpern schon bis ins 19. Jahrhundert zurück. Ebenso wie das menschliche Auge können auch konventionelle optische Geräte diese Art der Wärmestrahlung nicht erfassen. Es mussten also neue Komponenten dafür entwickelt werden. Dies betrifft hauptsächlich die Optiken und die Sensoren. Objektive aus Glas absorbieren die entsprechende Wärmestrahlung. Anstelle lichtbrechender Glassorten kamen daher zum Beispiel Kristalle aus Steinsalz oder Zinksalzen in Betracht. Diese Salzkristalle bringen allerdings einen großen Nachteil mit: Sie reagieren empfindlich auf Feuchtigkeit. Aktuell nutzt man deshalb überwiegend Optiken aus Halbleitermaterialien, vorzugsweise Germanium. Das macht das Ganze dann natürlich erheblich teurer.

Darstellung unterschiedlicher Farbmodi des Leupold LTO Tracker
Einige Wärmebildgeräte bieten verschiedene Farbmodi für die Anzeige des thermographischen Bildes zur Wahl. Oben die sechs Modi von Leupolds Einsteigergerät, allerdings vom Hersteller nach eigenen Angaben zu Illustrationszwecken optimiert.

Für die Sensoren verwendet man sogenannte Bolometer, auch bereits im 19. Jahrhundert erfunden. Die Bolometer wurden im Laufe der Zeit zu Mikrobolometern weiterentwickelt, welche ein auf sie geworfenes Wärmebild detektieren und als Signal zur Darstellung auf einen Bildschirm weiterleiten. Ein Bolometer besteht aus elektrisch leitenden Halbleitermaterialien, die unterschiedliche Widerstandswerte für unterschiedliche Temperaturen aufweisen, sogenannte Thermistoren. Es handelt sich hierbei um NTC-Widerstände. Dabei steht NTC für "Negative Temperature Coefficient", sprich: bei diesen elektrischen Leitern nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur ab. Um kontinuierlich für den gewünschten Zweck einsatzbereit zu sein, muss die eingestrahlte Wärme aber gegebenenfalls wieder abgeführt werden. Höchstempfindliche Sensoren werden daher gekühlt. Mikrobolometer aus Standard-Wärmebildkameras können bei Raumtemperatur ohne Kühlung betrieben werden, benötigen jedoch eine Temperaturstabilisierung und müssen von Zeit zu Zeit kalibriert werden, um die unvermeidliche thermische Drift der Sensoren zu kompensieren. Bei modernen Kameras kann man die Kalibrierung von Hand auslösen. Während dessen ist das Bild aber nicht stabil. Allerdings wurde der Zeitbedarf für eine Kalibrierung bei den Topmodellen inzwischen so weit gesenkt, dass er kaum noch eine Viertelsekunde beträgt und daher auch während der Beobachtung verschmerzbar ist. Manche Geräte erlauben die Wahl einer automatischen, halbautomatischen oder ausschließlich benutzerinduzierten Kalibrierung. Im günstigsten Fall kann man so die Kalibrierung auch durchführen, wenn die Kamera gerade nicht zum Beobachten/Detektieren gebraucht wird.

Was Sie über die Bildauflösung von Wärmebildkameras wissen sollten:

Entscheidend für die Bildqualität ist auch hier die Auflösung der Sensoren, und zwar einerseits die Temperaturauflösung des Mikrobolometers und andererseits die örtliche Bildauflösung desselben. Die Temperaturempfindlichkeit wird gegenüber dem Rauschen betrachtet und in Kelvin angegeben, das heißt die Grenzempfindlichkeit ist die Temperaturdifferenz, die gerade vom Rauschen unterschieden werden kann. Sie liegt meist unter einem Kelvin (oder wem es vertrauter klingt: unter einem Grad, eine Verwechslung mit der Celsius-Skala ist hier unbedenklich, da der Temperaturunterschied pro Grad auf beiden Temperaturskalen jeweils identisch ist).

Den Abstand zwischen den einzelnen Bildelementen im Sensor nennt man den Pixelpitch. Je geringer der Abstand der einzelnen thermoempfindlichen Elemente zueinander auf einem Bildsensor ausfällt, desto höher ist die mögliche Auflösung bei gegebener Größe des Sensors. Desto geringer ist aber auch die Energie, die auf die einzelne Diode trifft. Für den jagdlich ambitionierten Durchschnittsanwender noch im preislich vertretbaren Rahmen liegende Geräte kommen mit Ortsauflösungen der Bolometer, also mit einem Pixelpitch, von 25 μm, 17 μm und neuerdings 12 μm.

Liemke Milan 35 an einem Helm befestigt
Das Liemke Milan 35 für knapp 8.000,- € zählt zu den High-End-Geräten im zivilen Bereich. Es hat einen 12-μm-Pitch-Sensor mit 640x480 Pixeln, einen 2-8x Zoom und wiegt unter 400 g.

Aus verschiedenen Gründen ist es nicht opportun, Sensoren mit immer kleineren Abständen zu fertigen. Neben der Problematik, dass mit schwindender Energie pro Pixel auch die elektronischen Probleme wie etwa das Rauschen zunehmen, kann die Auflösung auch aus physikalischen Gründen nicht beliebig gesteigert werden. Das liegt an der Beugung der Wellen, die abhängig von der Öffnung des abbildenden Objektivs von einem mehr oder minder idealen Punkt zu einem verwaschenen Beugungsscheibchen werden. Weil wir hier im Vergleich zu den Lichtwellenlängen im erheblich langwelligeren Bereich arbeiten, sind die Grenzen hier schneller erreicht. Die Anzahl der Sensoren beträgt bei gängigen Geräten 384x288 Pixel bis zu 640x480 Pixel. Im Zusammenwirken mit einer Optik unterschiedlicher Brennweite ergeben sich die Bildfeldgrößen des beobachtbaren Bildfelds. So wie in der Digitalfotografie gelten die gleichen Grundsätze von Sensorgröße und Vergrößerung in Relation zur Brennweite des Objektivs. Stichwort: Bildwinkel und Formfaktor. Beim Lesen von Datenblättern muss man aber genau darauf achten, dass man die Sensorauflösung und nicht die Bildschirmauflösung studiert. Für ein entspanntes Beobachten beim Schwenken der Wärmebildkamera kommt es sehr darauf an, dass die Bildwiederholfrequenz in einem höheren Bereich liegt. Will heißen, dass der Sensor so oft in der Sekunde ausgelesen und ein neues Bild erzeugt wird, dass der Schwenk kein Ruckeln des Bildes bewirkt. Waren vor nicht langer Zeit noch unkomfortable 4-Hertz-Versionen auf dem Markt, so sorgen heutige 25 bis hin zu 50 Hz für ein ruckelfreies und angenehmes Empfinden beim Schwenken.

Der Preisrahmen liegt für anspruchsvolle, also mehr als nur für bloße Detektionsaufgaben geeignete, Wärmebildgeräte etwa zwischen 1.000,- und 5.000,- €. Nach oben sind wenig Grenzen gesetzt bis hin zu den beim Militär eingesetzten Apparaten, die allerdings für den Normalbenutzer weder wirtschaftlich sinnvoll noch meist überhaupt erhältlich sind.

Es soll auch nicht unerwähnt bleiben, dass nicht nur mit Hilfe der fernen (thermischen) Infrarotstrahlung abbildende Systeme gebaut werden können, sondern dass auch langwelligere Strahlung im Millimeterbereich für Sichtgeräte genutzt wird. Der besondere Vorteil besteht hier darin, dass die Millimeterwellen, auch durch Wände und andere Hindernisse hindurchzudringen und damit auch normalerweise unsichtbare Objekte zu detektieren vermögen. Diese Technik wird auch für Minenspürgeräte und die noch immer in der öffentlichen Diskussion stehenden Körperscanner etwa an Flughäfen genutzt. Es muss aber auch gesagt werden, dass man sich hier erst am Anfang einer vielversprechenden Entwicklung befindet.

Welche Bedienungsmöglichkeiten für Wärmebildkameras gibt es?

Wärmebild von Rehen in Falschfarben
Solche Wärmebildkamera-Anzeigen in Falschfarben eignen sich überhaupt nicht zum Ansprechen von Wild.

Nach den allgemeingültigen Eigenschaften von Wärmebildkameras sind nun auch die Bedienungsmöglichkeiten von Interesse. Diese sind jedoch naturgemäß geräteabhängig und etwaiger Komfort schlägt sich dann meist auch im Preis nieder. Fast alle Geräte bieten die Möglichkeit, ein detektiertes, Wärme abstrahlendes Objekt auf dem Bildschirm gegenüber der Umgebung entweder hell oder dunkel darzustellen. Man spricht von "hot-white" respektive "hotdark" oder auch "white-hot" bzw. "blackhot". Der Modus white-hot ist der Standardmodus. Welchen man wählt, hängt von der Situation ab, ist aber weitestgehend Geschmackssache. Daneben finden sich bei manchen Geräten auch Farbmodi, die die unterschiedlichen Temperaturbereiche eines Objekts in Falschfarben darstellen. Hier kann oft eine ganze Palette an Farben eingestellt werden. Nützlich ist dies eher bei der Darstellung eines Wärmeprofils hilfreich.

FLIR HS 324 Pro auf einer Messe präsentiert
Die FLIR HS 324 Pro platziert sich mit einem Preis von über 5000 Euro im Bereich zwischen den Einsteiger und Mittelklassegeräten. Es besitzt einen digitalen 2x Zoom und liefert Wärmebilder in einer Auflösung von 320x240 Pixeln.

Scharfstellung und Einstellung des Zoomfaktors erfolgen in der Regel wie bei anderen, bekannten Kameras auch. Oft kann man die Größe der Darstellung per Digitalzoom verändern. Das heißt, das Bild wird per Software größer gerechnet. Die Erkennbarkeit wird dadurch nicht immer besser, lediglich der Eindruck ändert sich entsprechend. Das sollte man im Hinterkopf haben, um einen vom Hersteller ausgelobten x-fachen Digitalzoom nicht überzubewerten.

Bei manchen Geräten können schadhafte Pixel des Sensors per Software ausgeblendet werden. Wichtig ist ebenfalls die Einstellung des Bildkontrastes und der Bildhelligkeit, weil einerseits je nach Szenario, und damit der Umgebungscharakteristik, Objekte sich gut oder weniger gut vom Hintergrund abheben. Manche Geräte bieten hier die Möglichkeit einer stufenlosen Justierung oder die Wahl aus verschiedenen Voreinstellungen. Die Eigenschaft des Auges, sich an die höchste Helligkeit im Bildfeld anzupassen, behindert in manchen Fällen die Bildbeurteilung, dem kann man mit den Reglern ebenfalls entgegenwirken.

Leupold LTO Tracker auf der Produktverpackung
Einstiegsklasse: Das etwa 14 cm lange und nur gut 200 g schwere LTO Tracker von Leupold für 999,- € bringt einen 6-fachen Digitalzoom mit und einen Sensor mit 206x156 Pixeln. Es eignet sich eher zum Aufspüren als zum Ansprechen von Wild.

Ein Menü zur Einstellung von Datum und Uhrzeit, Sprachauswahl, Einheiten, Geräteinformationen und Formatieren einer im Gerät befindlichen Speicherkarte gehören zum Grundumfang. Aufzeichnungsfunktionen können vom Hersteller mit viel Komfort vorgesehen werden. Sie reichen vom Foto in unterschiedlicher Auflösung bis hin zum Video. Auch die Kopplung mit diversen Aufzeichnungsgeräten ist mal mehr, mal weniger komfortabel. Sehr oft ist in den Kameras eine Speicherkarte eingebaut, auf die Bilder und Videos abgelegt werden können. Andere Geräte besitzen einen USB-Anschluss oder sind sogar WLAN-fähig und können das Bild so direkt etwa auf ein Smartphone übertragen.

Einige Geräte bieten auch das, was Jäger von ihren Zielfernrohren kennen, nämlich eine Abschätzung der Entfernung eines anvisierten Objekts mit Hilfe des Absehenbalkens. Bei den Zielfernrohren sind meist feste Absehen eingebaut oder im besten Fall Punkte mit definierten Abständen im Bildfeld sichtbar. Dagegen finden sich bei manchen Geräten einblendbare Hilfslinien, die verschiebbar sind. Grenzt man ein sichtbares Objekt damit bündig ein, kann die Entfernung direkt abgelesen werden.

Welche soll‘s denn sein? Tipps zum Kauf einer Wärmebildkamera.

Pulsar Accolade XP50 freigestellt
Frisch auf der SHOT Show 2018 vorgestellt: Das Pulsar Wärmebildfernglas Accolade XP50 mit einer Aufl ösung von 640x480 Pixeln und bis 1.800 m Erkennungsreichweite.

Vor dem Kauf sollte man sich zunächst über den primären Verwendungszweck im Klaren sein. Meist werden Wärmebildkameras jagdlich eingesetzt. Dabei wäre zu überlegen: 

  • Wie sind die Revierverhältnisse? 
  • Wird eher im Wald auf kürzeren Entfernungen gejagt oder will ich im offenen Gelände Wild erkennen und möglicherweise dann anpirschen?

Hiernach richten sich Sehfeld, Objektiv und damit Vergrößerung. Wer Reichweite benötigt, braucht Vergrößerung in Verbindung mit möglichst hoher Pixelanzahl. Über den Wert einer digitalen Vergrößerung wurde ja bereits gesprochen. Wie bei den Nachtsichtgeräten gelten als Kriterien Detektion, Erkennung, Identifikation. Oft sind diese Werte in den Datenblättern aufgeführt.

Bei den meisten Anwendern spielt natürlich auch die Wirtschaftlichkeit eine entscheidende Rolle bei der Kaufentscheidung. Man sollte nicht in veraltete Standards investieren, eher in den letzten technischen Stand. Natürlich geht aktuell der Trend in Richtung 12 μm Pixelpitch im zivilen Bereich, die Verfügbarkeit ist noch überschaubar und preislich hoch angesiedelt, aber die Entwicklung ist stark im Fluss. Auch die Stromversorgung ist zu beachten. Verwendet das Gerät teure Batterien oder können preisgünstige Akkus verwendet werden? Vielleicht ein externes Akkupack oder eine Powerbank? Des Weiteren sind Komfortmerkmale immer auch preistreibend, also hilft eine genaue Analyse, was brauche ich und was ist verzichtbar, bei der Kostenoptimierung.

Abschließend noch ein Tipp:

Auch hier gilt, wie schon zuvor bei den Nachtsichtgeräten, die Devise: Nicht nach Papierlage kaufen, sondern Geräte in der Praxis miteinander vergleichen. Die meisten Händler bieten solch eine Möglichkeit an. Auch eine vergleichende Beurteilung auf Ausstellungen und auf den einschlägigen Fachmessen kann dabei helfen, die eigene Präferenz zu bestimmen. Jedoch Vorsicht: Ein Probieren außerhalb des endgültigen Einsatzfeldes birgt immer die Gefahr von Fehlbeurteilungen in sich. 


Eine Einführung in das Thema Optronik haben wir bereits für Sie auf all4shooters.com veröffentlicht.

Beim Einsatz dieser Geräte sollten Sie die aktuellen gesetzlichen Regelungen für Nachtzieltechnik und Nachtsichttechnik beachten.

Noch viel mehr Informationen zu optoelektronischen Geräten erhalten Sie im VISIER Special 88 "Optronik", aus dem auch dieser Text stammt. Es ist aktuell noch für 9,90 € im VS Medien Online Shop bestellbar.

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