19.02.2020 • Didaktik

Unsichtbares sichtbar machen

Günstige Infrarotkameras, die auf Smartphones aufsetzbar oder in diesen bereits integriert sind, eröffnen einen neuen Blick auf die Welt.

Infrarotkameras haben sich längst als wertvolle Analysegeräte im Anlagenbau und vorbeugender Instandhaltung etabliert. Dazu kommen Anwendungen in der Gebäudethermographie, Gasdetektion, Sicherheitstechnik, beim Militär, aber auch für die Visualisierung im Physikunterricht. Obwohl diese Möglichkeiten schon lange bekannt sind, beschränkten die hohen Anschaffungskosten den Einsatz dieser Technik im Wesentlichen auf Industrie, Militär und Wissenschaft.

Abb. 1 Die St. Pauls Cathedral in London, aufgenommen mit einer...
Abb. 1 Die St. Pauls Cathedral in London, aufgenommen mit einer Flir-One-Pro-Kamera (Foto: Vollmer, Möllmann)..

Der technische Fortschritt hat inzwischen jedoch die Preise deutlich nach unten gedrückt, sodass mittlerweile einfache Geräte bereits unterhalb von 500 Euro angeboten werden. Dazu zählen insbesondere Infrarot‐(IR)‐Kameras für Smartphones, die im Wellenlängenbereich von 8 bis 14 µm arbeiten. Ein großer Vorteil ist ihre Kompaktheit, damit sind sie zusammen mit dem Smartphone und dessen eingebauter Kamera für das sichtbare Spektrum fast immer verfügbar. So gestatten sie schnelle Schnappschüsse alltäglicher Phänomene, bei denen nicht immer die Physik oder Technik, sondern durchaus die Schönheit des Motivs im Mittelpunkt steht (Abbildung 1). Gerade deshalb haben solche einfachen IR‐Kameras das Potenzial eines zukünftigen Massenprodukts. Für naturwissenschaftlich Interessierte sind sie überdies wunderbare physikalische Spielzeuge (Abbildung 2).

Infrarotkameras nutzen die Tatsache, dass jedes Objekt mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Temperaturnullpunkts elektromagnetische Strahlung aussendet. Bei undurchsichtigen Körpern und Beobachtungswinkeln, die relativ zur Oberflächennormale klein sind, hängt diese Strahlung nur von der Temperatur ab, abgesehen von einer – häufig konstanten – materialabhängigen Größe, dem Emissionsgrad. Deshalb kann ein in diesem Spektralbereich empfindlicher und geeichter Sensor die Oberflächentemperaturen solcher Objekte berührungslos bestimmen. Bei typischen Umgebungstemperaturen um 300 K wird ein Großteil der Strahlung im thermischen Infrarot zwischen 3 und 15 µm Wellenlänge abgestrahlt. Die gebräuchlichsten IR‐Kameras, auch die der Smartphoneaufsätze, arbeiten mit Mikrobolometer‐Detektoren

Abb. 2 Ein im sichtbaren Licht undurchsichtiger Müllsack lässt einen Teil der...
Abb. 2 Ein im sichtbaren Licht undurchsichtiger Müllsack lässt einen Teil der Infrarotstrahlung durch. Deshalb wird der Mensch darunter sichtbar. Das Brillenglas ist für die Strahlung undurchsichtig und erscheint wegen der niedrigeren Temperatur dunkler als die Hautoberfläche (Foto: Vollmer, Möllmann).

In der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit stellen Michael Vollmer und Klaus-Peter Möllmann drei Kameramodelle und ihre Technik und speziellen Eigenschaften vor. Eine Variante sind Kameraaufsätze, die mit fast jedem beliebigen modernen Smartphone verbunden werden können. Sie sind einige Zentimeter klein und wiegen weniger als 40 g. Die zweite Variante ist ein Smartphone mit bereits integrierter IR‐Kamera. Dieser Artikel steht zum freien Download zur Verfügung. 

Originalveröffentlichung

M. Vollmer, K.-P. Möllmann, Unsichtbares sichtbar gemacht, Phys. Unserer Zeit 51(1), 29 (2020); https://doi.org/10.1002/piuz.201901551

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