Fieber ist meist ein Hinweis auf eine Infektionskrankheit. Auch wenn die erhöhte Temperatur nicht unbedingt durch das Corona-Virus verursacht sein muss, sollte die Ursache geprüft werden. Hat man dieses Symptom bei einem Reisenden erkannt, können anschließend gezielte Tests durchgeführt und weitere Sofortmaßnahmen ergriffen werden. Vorteil der Temperaturmessung per Wärmebildkamera besteht dabei in ihrer Massentauglichkeit. Zudem ist die Prozedur berührungslos, dauert nur wenige Sekunden und lässt sich automatisieren. So kann man sie auf dem Flughafen, bei Grenzkontrollen oder in anderen Schleusensituationen anwenden, ohne die Bewegungsfreiheit der Menschen nennenswert einzuschränken.

Für eine schnelle und relativ zuverlässige Temperaturmessung am menschlichen Gesicht ist der innere Lidwinkel am Auge am besten geeignet. Anders als an der Stirn, die durch Schwitzen deutlich abkühlen kann, ist die Temperatur an dieser Stelle konstant. Sie lässt sich anhand der Infrarotstrahlung bestimmen, die von der Körperoberfläche ausgeht. Die meisten Wärmebildkameras erfassen diese Strahlung ähnlich wie normale Digitalkameras mit einem Bildsensor, der bis zu einer Million Pixel besitzt. Jedes Pixel dieses Bildsensors ist ein winziges sogenanntes Bolometer, ein wenige Quadratmikrometer kleiner thermischer Empfänger. Er ist 150 Nanometer dünn und wird durch die Wärmestrahlung innerhalb von 10 Millisekunden um etwa ein Fünftel des Temperaturunterschiedes zwischen Objekt- und Eigentemperatur erwärmt. Aus der Summe dieser Werte wird der Temperaturverlauf auf der erfassten Oberfläche berechnet. In der optischen Darstellung entsteht daraus das Wärmebild mit den bekannten Farbschattierungen: je heller, desto wärmer.

Verfahren und Einsatzbereiche

Außer dem Bolometer gibt es weitere Verfahren, um die Temperatur berührungslos und optisch zu messen. So erfassen bestimmte Sensortypen die Wellenlänge der Strahlung und leiten daraus die Temperatur ab. Wellenlängendetektion und Bolometer werden aber nicht nur für die Fiebermessung beim Menschen genutzt. Eine weitere typische Anwendung ist die Suche nach Temperaturlecks in der Isolierung von Gebäuden. Weniger bekannt, aber ebenfalls weit verbreitet ist der Einsatz der Thermographie für die Qualitätskontrolle. Ob Metall, Kunststoff oder Glas, bei thermischen Verarbeitungsschritten hängt die Qualität des Produkts oft von einer präzise eingestellten Temperatur ab. Deshalb werden Prozesse wie Heißwalzen, Laminieren oder Glashärten häufig mit Wärmebildkameras überwacht. Bei Solarzellen entdeckt die Thermographie Schäden in der Struktur anhand von stromfressenden „Hotspots“. 

Auch in der Sicherheitstechnik spielt die Thermografie eine wichtige Rolle. Ein Wärmescan kann zum Beispiel überhitzte elektrische Komponenten in einem Schaltschrank sichtbar machen oder heiß laufende Lager in Maschinen, lange bevor sie einen kritischen Zustand erreichen.

In der Atmosphären- und der Weltraumforschung kommt ein weiteres Verfahren zur Temperaturbestimmung zum Einsatz: der Quantentopf-Infrarot-Photodetektor (englisch: quantum well infrared photodetector, QWIP). Er besteht aus abwechselnden, sehr dünnen Halbleiterschichten und nutzt einen Quanteneffekt. Die Schichten schränken die quantenmechanischen Zustände ein, die ein Teilchen dort einnehmen kann. Eintreffende Infrarotwellen beeinflussen den Zustand. Daraus lassen sich aussagekräftige Bilder gewinnen. Wärmebildkameras, die diese Methode nutzen, zeichnen sich durch besonders hochauflösende „Farben“ im Bereich bis zu 10 mK aus. Zudem gibt es Thermografieverfahren, die nicht auf die vorhandene Wärmestrahlung setzen, sondern mit einer aktiven Beleuchtung quasi den Spieß umdrehen: Eine Infrarot-Lichtquelle leuchtet wie ein gewöhnlicher Foto-Scheinwerfer die beobachtete Szenerie aus, die Kamera wird zum Nachtsichtgerät. Dieses Verfahren wird zum Beispiel bei Antiterror-Einsätzen in dunklen Räumen verwendet. Für die Zielpersonen bleibt das Infrarotlicht unsichtbar.

Antriebslösungen zum Fokussieren und Zoomen

Welche Methode auch angewandt wird, für die Messung und Bildgebung müssen immer elektromagnetische Wellen gesammelt, gebündelt und zu den jeweiligen Empfängern gelenkt werden. Im Prinzip funktioniert das so ähnlich wie beim sichtbaren Licht in der „normalen“ Fotografie und es finden die gleichen optischen Elemente Verwendung: Zum Fokussieren und Zoomen werden Linsen verschoben, Blenden eingestellt, Filter in Position gebracht und Verschlüsse betätigt. Beim bolometrischen Verfahren müssen zudem die Wärme-Pixel in kurzen Abständen neu kalibriert werden, damit Punkte mit gleicher Temperatur im Bild gleich hell erscheinen. Dazu wird bei den meisten Geräten ein schwarzer Shutter automatisch vor den Sensor geschoben, um alle Pixel auf denselben Wert zu justieren. Je schneller dieser Shutter sich bewegt, desto kürzer ist die Totzeit, also die Zeitspanne in der nicht gemessen werden kann.

Für all diese Anwendungen sind Antriebe gefragt, die möglichst effizient arbeiten, kompakt bauen und sich präzise ansteuern lassen. Zudem sollten sie gut in die Anwendung integrierbar sein – so wie die DC-Kleinstantriebe und kleinen Schrittmotoren von Faulhaber. Für Fokus und Zoom werden in optischen Geräten beispielsweise häufig DC-Kleinstmotoren der Serie 1524...SR eingesetzt. Die edelmetallkommutierten DC-Motoren mit 15 mm Durchmesser und 24 mm Länge arbeiten rastmomentfrei, liefern ein Drehmoment von 2,8 mNm bei einem geringen Stromverbrauch und sind obendrein aufgrund der hohen Leistungsdichte mit einem Gewicht von 18 g sehr leicht. Selbst wenn Antriebe in sehr klein dimensionierten Mikro-Objektiven Platz finden sollen, gibt es passende Motoren. Hier lassen sich DC-Kleinstmotoren mit Durchmessern von lediglich 8 oder 10 mm integrieren, die ebenfalls durch ihre Leistungsdichte überzeugen.

Für die Bewegung von Filtern und Shuttern bieten sich oft Schrittmotoren an, zum Beispiel der Typ DM0620 in Verbindung mit einer integrierten Spindel. Der Zweiphasen-Scheibenmagnet-Schrittmotor ist bei einem Durchmesser von 6 mm lediglich 9,5 mm lang und liefert pro Umdrehung 20 Schritte. Zudem finden sich im umfangreichen Produktprogramm viele weitere Motoren, die sich für den Einsatz in optischen Geräten eignen und das einschließlich passender Getriebe, Encoder und weiterem Zubehör. Für praktisch jede Anwendung lässt sich deshalb eine geeignete Lösung finden. Die Antriebskomponenten haben sich bereits seit vielen Jahren in konventionellen optischen Systemen bewährt. Das gilt auch für die automatische, motorisierte Ausrichtung der Kameras auf Schwenk-Neige-Gestellen. 

Autoren
Andreas Seegen, Leiter Marketing, Faulhaber
Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee