Charakterisierung und Kompensation des Size-of-Source-Effekts in der Thermografie für genaue Temperaturmessungen

Die Thermografie ist ein berührungsloses und nicht-invasives Temperaturmessverfahren, das die Verteilung der emittierten Strahldichte der Oberfläche eines Messobjekts bestimmt. Hierzu werden Infrarotkameras mit speziellen Objektiven und Detektoren eingesetzt. Die Detektoren der Kameras liefern zunächst unkalibrierte, strahldichteproportionale Digitalwerte (Rohwerte), welche über eine aus dem Planckschen Gesetz abgeleitete Kalibrierfunktion in Temperaturwerte überführt werden.

Da die Parameter der Kalibrierfunktion von der spezifischen Kamera abhängen, wird jedes Gerät vom Hersteller vermessen und kalibriert. Bei diesem Vorgang wird eine Strahlungsquelle mit bekannter Temperatur und definierter Geometrie (z. B. ein Kreis mit 1 Zoll Durchmesser) verwendet, um die digitalen Rohwerte des Detektors als Antwort auf verschiedene definierte Temperaturstufen zu erfassen. Mit diesen Messdaten werden anschließend die Parameter der Kalibrierfunktion berechnet.

Ähnlich wie in der Kameratechnik im visuellen Wellenlängenbereich kann die optische Darstellung von Objekten in der Thermografie Abweichungen aufweisen. Beispielsweise ist das Auflösungsvermögen für kleine Strukturen (z. B. Liniengitter) durch Optik und Detektor begrenzt. Anders als in der Fotografie, wo die absolute Helligkeit bzw. der Kontrast oft nur eine qualitative Rolle spielt, bedingt diese optische Begrenzung in der Thermografie eine direkte Abhängigkeit des Messwerts von der Objektgröße. Dieses Phänomen wirkt sich somit unmittelbar auf die quantitative Genauigkeit der Temperaturwerte aus und wird als „Size-of-Source-Effekt“ (SSE) bezeichnet. Dieser führt zu einer der bedeutendsten systematischen Messabweichungen in der Infrarot-Thermografie und hängt von der abgebildeten Größe des Messobjekts ab. Der SSE kann im Wesentlichen auf zwei Ursachen zurückgeführt werden:

• Bei kleinen Objekten wird der SSE hauptsächlich mit Beugungsphänomenen in Verbindung gebracht.
• Bei großen Objekten sind optische Streuphänomene die Hauptursache.

Der SSE variiert je nach Konfiguration der Kamera (Objektiv, Detektor und ggf. optische Filter) und ist daher ein systematischer Fehler, welcher für jede Kamera individuell ist.

Im Rahmen eines geförderten Projekts zusammen mit der InfraTec GmbH wurde ein Kalibrierverfahren entwickelt, das geometrieunabhängige Temperaturmessungen mit Wärmebildkameras ermöglicht. Unabhängig von der Kamerakonfiguration sowie der Strahlertemperatur konnten die SSE-bedingten systematischen Messabweichungen mithilfe eines datenbasierten Kompensationsfilters signifikant reduziert werden. 
Aufbauend darauf wird in diesem Forschungsprojekt der SSE bei verschiedensten Kamerakonfigurationen systematisch erfasst. Ein zentraler Fokus liegt dabei auf der Untersuchung mathematischer Ansätze zur Modellierung des SSE sowie daraus abgeleiteter Kompensationsmethoden. Da sich die Eigenschaften thermografischer Bilder (z. B. das Rausch-Kontrast-Verhältnis sowie die Form und Größe thermischer Hot- oder Coldspots) erheblich unterscheiden, wird die Anwendbarkeit der einzelnen Modellansätze maßgeblich durch das jeweilige Szenario bestimmt. Daher gilt es, die Vor- und Nachteile dieser Modelle sowie der daraus resultierenden Kompensationsverfahren zu erforschen, um deren jeweilige Grenzen zu bestimmen. Auf diese Weise soll für beliebige Thermografiekameras die Abhängigkeit der gemessenen Temperatur von der Objektgröße minimiert und somit eine signifikante Steigerung der Messgenauigkeit der absoluten Temperaturmessung erreicht werden.
 

Miguel Méndez, M.Sc. 

Januar 2025 - Dezember 2027

1. Miguel Mendez; Jannik Ebert; Lars Sommerlade; Robert Schmoll; Andreas Kroll: Comparative Assessment of the Size-of-Source Effect in Middle and Long-Wavelength Infrared Cameras, QIRT Asia 2023 - The 4th Quantitative Infrared Thermography Conference, doi:10.21611/qirt.2023.16, 2023
2. Miguel Mendez; Robert Schmoll; Andreas Kroll: Rapid measurement of the Size-of-Source Effect by using an Iris aperture, Sensor and Measurement Science International Conference (SMSI) 2025, doi:10.5162/SMSI2025/D3.1, 2025
3. Jannik Ebert; Miguel Mendez; Robert Schmoll; Andreas Kroll: Assessing the Size-of-Source Effect in Thermography by Measuring the MTF with Consideration of Scattering Effects, 2025 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC),  doi:10.1109/I2MTC62753.2025.11079201, 2025
4. Miguel Mendez; Jannik Ebert; Lars Sommerlade; Robert Schmoll; Andreas Kroll: The size of source effect for middle- and long-wavelength infrared cameras: Assessment by direct measurements and a modulation transfer function approach, Quantitative Infrared Thermography Journal, 1 - 18, doi:10.1080/17686733.2025.2589712, 2025
5. Miguel Mendez; Robert Schmoll; Andreas Kroll: High-Resolution Characterization of the Size-of-Source Effect via a Continuously Variable Aperture, Journal of Sensors and Sensor Systems (JSSS), submitted, 2025
6. Jannik Ebert; Miguel Mendez; Robert Schmoll; Andreas Kroll: Modeling the Size-of-Source Effect in Thermography Using a Measured MTF Extended by a Parametric Scattering Model, The 18th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography, accepted, 2026
7. Miguel Mendez; Robert Schmoll; Andreas Kroll: Modeling the Size-of-Source Effect of Thermography Cameras: A Data-Driven PSF Approach, XL. Messtechnisches Symposium des Arbeitskreises der Hochschullehrer für Messtechnik e.V. (AHMT) - AHMT-Symposium 2026, accepted, 2026