Fraunhofer IMS IR-Sensor für Wellenlängen oberhalb 5 Mikrometer kommt ohne Kühlung aus

Infrarotkameras sehen mehr als das bloße Auge und können beispielsweise den Straßenverkehr sicherer machen. Bei Kameras für den fernen infraroten Wellenlängenbereich muss der Sensor jedoch ständig gekühlt werden, was aufwändig und kostspielig ist. Ein neuartiger Detektor funktioniert nun auch bei Raumtemperatur.

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

CADFEM Germany GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Nachts unterwegs auf der unbeleuchteten Landstraße: Die kurvige Strecke ist schwer einzusehen, noch dazu ist es nebelig. Dementsprechend vorsichtig fährt der Autofahrer – und sieht das Reh auf der Straße dennoch erst, als es fast zu spät ist. Mit einer Vollbremsung verhindert er im letzten Moment einen Zusammenprall.

In solch einer Situation können Infrarotkameras für mehr Sicherheit sorgen. Denn Objekte, die ungefähr Körpertemperatur haben, leuchten im fernen infraroten Wellenlängenbereich von 10 µm von sich aus. Detektoren in der Kamera nehmen diese Wärmestrahlung auf und orten die Wärmequelle. Dadurch könnte der Fahrer Menschen oder Tiere erkennen, lange bevor das Abblendlicht sie erfasst. Andere Verkehrsteilnehmer würden durch die unsichtbare Infrarotstrahlung nicht beeinträchtigt.

Bildgebender Sensor bei Raumtemperatur

Das Problem: Infrarotkameras für den Wellenlängenbereich oberhalb von 5 µm mögen es frostig, der Sensor muss ständig auf etwa —193 °C heruntergekühlt werden. Zwar gibt es heute schon ungekühlte Imager für den fernen Infrarotbereich, allerdings werden diese überwiegend für militärische Anwendungen eingesetzt und sind am europäischen Markt kaum verfügbar.

Das soll sich nun ändern: Forschern aus dem Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg ist es gelungen, einen bildgebenden Sensor für den fernen Infrarotbereich zu fertigen, der bei Raumtemperatur funktioniert. „In Deutschland wären wir die ersten, die eine solche Technologie anbieten“, sagt Dr. Dirk Weiler, Wissenschaftler am IMS.

Mikrobolometer liefert digitales Signal

Herzstück des IRFPA (Infrared Focal Plane Array)-Sensors ist ein Mikrobolometer, ein temperaturabhängiger Detektor, der langwelliges Infrarotlicht absorbiert. Um ein zweidimensionales Bild zu erzeugen, sind mehrere Mikrobolometer auf einem Array zusammengefasst. Nimmt nun der Mikrobolometer Licht von einer Wärmequelle auf, führt das zu einem Temperaturanstieg in seinem Inneren und ändert seinen elektrischen Widerstand.

Ein Auslesechip wandelt diesen Widerstandswert dann direkt in ein digitales Signal um. Auch das war bisher nicht ohne einen weiteren Zwischenschritt möglich: Normalerweise wird der elektrische Impuls zuerst in ein analoges Signal übersetzt und anschließend mit Hilfe eines Analog/Digital-Konverters digitalisiert. „Wir setzen bei unserem Imager einen ganz spezifischen Konverter, einen Sigma-Delta-Wandler, ein. So ist es uns gelungen, direkt ein digitales Signal zu erzeugen“, erklärt Weiler.

Mobile Kameras für den Brandschutz

Da die aufwändige und kostenintensive Kühlung nicht mehr nötig ist, eröffnen sich neben dem Einsatz im Automobil noch weitere Anwendungsfelder. „Vor allem im Bereich von mobilen Geräten dürfte sich durch die neue Entwicklung einiges tun“, ist sich Weiler sicher. Denn ohne Kühlmechanismus lässt sich nicht nur Gewicht sparen.

Auch die Akkuleistung und damit die Betriebszeit des mobilen Geräts erhöht sich, da die Energieversorgung für die Kühlung wegfällt. Ein potenzielles Einsatzgebiet für mobile Infrarotkameras ist der Brandschutz, etwa um versteckte Glutnester aufzuspüren oder Personen in verrauchten Gebäuden zu lokalisieren.

Erste Labortests mit dem neuen Sensorelement waren erfolgreich: Die Forscher konnten bereits einige Infrarotbilder aufnehmen.

(ID:352281)