DE102018108809A1 - Kamerasystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kamerasystem (1), umfassend:- wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung (2), welche für elektromagnetische Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich von etwa 900 nm bis etwa 1700 nm sensitiv ist, und welche mehrere nebeneinander in Zeilen und Spalten angeordnete Sensorelemente zur Erfassung einzelner räumlicher Bildpunkte aufweist;- wenigstens eine Optik (3), welche in das Kamerasystem (1) einfallende elektromagnetische Strahlung auf die wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung (2) abbildet;- wenigstens zwei verschiedene Spektralfilter (4x,4y,4z,4w), welche der wenigstens einen Infrarotdetektoreinrichtung (2) vorschaltbar oder vorgeschaltet sind und welche jeweils in unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen lichtdurchlässig sind;- eine Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung (5), welche dazu eingerichtet ist, eine Bildaufnahme wenigstens annähernd derselben Szene mit der wenigstens einen Infrarotdetektoreinrichtung (2) unter Vorschalten der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter (4x,4y,4z,4w) derart durchzuführen, dass Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter (4x,4y,4z,4w) erzeugt werden, wobei jeder von der wenigstens einen Infrarotdetektoreinrichtung (2) erfasste räumliche Bildpunkt mit spektralen Informationen entsprechend der vorgeschalteten wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter (4x,4y,4z,4w) versehen wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Kamerasystem, umfassend wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung, welche für elektromagnetische Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich von etwa 900 nm bis etwa 1700 nm sensitiv ist.
• Derzeitige Kamerasysteme mit Detektoren, welche im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR / Shortwave infrared) von 900 nm bis 1700 nm empfindlich bzw. sensitiv sind, erzeugen keine spektralen Informationen der aufgenommenen Bilder oder Szenen. Obwohl der Spektralbereich frequenzmäßig eine ganze Oktave im elektromagnetischen Spektrum umfasst und größer als der visuelle Spektralbereich ist, nutzen viele derzeitige Anwendungen nur die integrale Strahlung über den gesamten Spektralbereich. Darstellungen erfolgen meist integral über die Wellenlänge üblicher Weise in schwarz-weiß bzw. Graustufen. Spektrale Auflösungen und farbige Darstellungen in diesem Wellenlängenbereich existieren bislang lediglich bei der Fernerkundung mit Spektrometern bzw. aufwändigen Spektralfiltern.
• Die Erzeugung von spektralen Informationen oder die Erstellung einer Farbmetrik im kurzwelligen Infrarotbereich ist jedoch in Verbindung mit einem weniger aufwändigen und kostspieligen HD-TV Kamerasystem sehr vorteilhaft. Zum einen ist eine verbesserte Bildgebung mit den erzeugten spektralen Informationen möglich. Beispielsweise kann eine Durchdringung von Rauch und Nebel auf kurzen Distanzen erfolgen. Spektralbereiche, die durch die Feuchtigkeit in der Atmosphäre oder die durch Streulicht besonders beeinträchtigt sind, können in der Darstellung nicht berücksichtigt bzw. weggelassen werden. Es kann sowohl eine Darstellung in einem RGB-Raum als sogenannte Falschfarbendarstellung erfolgen oder als ein Graustufenbild.
• Eine zweite Stärke bei der Nutzung von kurzwelligen Infrarotkamerasystemen ist die Möglichkeit, offensichtlich für den im visuellen Bereich oder mittleren Infrarotbereich getarnte Objekte durch Nutzung des kurzwelligen Infrarots zu enttarnen. Die Information über ein zu beobachtendes Objekt lässt sich deutlich erhöhen, wenn dieses in verschiedenen Spektralbereichen beobachtet bzw. abgebildet wird. Die Beobachtung eines Objekts in verschiedenen Spektralbereichen erlaubt generell eine verbesserte Analyse der dem Objekt eigenen Absorptions-, Reflexions-, Transmissions- und/oder Abstrahlcharakteristik, sodass eine spezifische Eigenschaft oder das Objekt als solches leichter identifiziert werden kann. So können beispielsweise zwei im sichtbaren Spektralbereich identisch erscheinende Objekte in einem infraroten (IR) Spektralbereich voneinander unterschieden werden, sofern sie verschiedene Temperaturen aufweisen.
• Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kamerasystem der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, und welches insbesondere dazu in der Lage ist, spektrale Informationen eines im kurzwelligen Infrarotbereich aufgenommenen Bildes zu erzeugen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst.
• Erfindungsgemäß wird ein, insbesondere hochauflösendes, Kamerasystem vorgeschlagen, umfassend:
• - wenigstens eine, insbesondere zweidimensionale Infrarotdetektoreinrichtung, welche für elektromagnetische Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich von etwa oder genau 900 nm bis etwa oder genau 1700 nm sensitiv oder empfindlich ist und welche mehrere nebeneinander in Zeilen und Spalten angeordnete Sensorelemente zur Erfassung räumlicher Bildpunkte aufweist;
• - wenigstens eine Optik, welche in das Kamerasystem einfallende elektromagnetische Strahlung auf die wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung abbildet;
• - wenigstens zwei verschiedene Spektralfilter, welche der wenigstens einen Infrarotdetektoreinrichtung vorschaltbar oder vorgeschaltet sind und welche jeweils in unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen lichtdurchlässig sind;
• - eine Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, eine Bildaufnahme wenigstens annähernd derselben Szene mit der wenigstens einen Infrarotdetektoreinrichtung unter Vorschalten der wenigstens zwei Spektralfilter derart durchzuführen, dass Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter erzeugt werden, wobei jeder von der wenigstens einen Infrarotdetektoreinrichtung erfasste räumliche Bildpunkt mit spektralen Informationen entsprechend der vorgeschalteten wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter versehen wird.
• Die Erfindung verfolgt das Ziel, ähnlich wie bei der RGB-Bildaufnahme von CCD- oder CMOS-Kamerasensoren, den Bildsensor mit mindestens zwei unterschiedlichen Spektralfiltern zu belichten (z. B. sequenziell durch ein Filterrad) und die Spektralinformation durch eine eigene Farbmetrik für den kurzwelligen Infrarotbereich zu erzeugen. Speziell entwickelte Transformationen können die Darstellung in einem RGB-Raum als Falschfarbendarstellung (spectral coded false color) übernehmen. Da viele Objekte ein auffälliges spektrales Verhalten im Bereich von 900 nm bis 1700 nm zeigen, kann eine Fähigkeitserweiterung speziell bei der Enttarnung dieser Objekte erzielt werden. Ebenso kann die Detektion von Wasser, beispielsweise in Form von Feuchtigkeit oder Nebel, verbessert werden. Zudem kann bei Infrarotspektralbändern, welche von einem Wasserabsorptionsband dominiert werden (z. B. bei etwa 1440 nm) diese herausgerechnet bzw. nicht berücksichtigt werden, sodass die Reichweite erhöht werden kann. Durch die Definition einer Farbmetrik im kurzwelligen Infrarotbereich ergibt sich die Möglichkeit einer hyperspektralen oder multispektralen Auflösung und einer Darstellung mit nur einem Sensor. Eine Nachrüstung in vorhandene Produkte ist mit relativ wenig Änderungsaufwand möglich. Zudem erlaubt eine standardisierte Farbmetrik die Vergleichbarkeit der Bilder. Erfindungsgemäß kann die Bildaufnahme zeitgleich oder zeitversetzt erfolgen. Bei einer zeitgleichen Bildaufnahme wird eine entsprechende Strahlteileranordnung mit weiteren Infrarotdetektoreinrichtungen, d. h. mehrere Messkanäle oder eine Art Bayer-Filter wie bei der RGB-Bildaufnahme benötigt.
• Durch die Erfindung werden erfasste räumliche Bildpunkte (Pixel) im kurzwelligen Infrarotbereich in vorteilhafter Weise mit spektralen Informationen entsprechend der vorgeschalteten Spektralfilter versehen.
• Die wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter können umfassen:
• - wenigstens einen ersten Spektralfilter, welcher in einem ersten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 900 nm bis etwa 1300 nm lichtdurchlässig und vorzugsweise bei etwa 1000 nm maximal lichtdurchlässig ist;
• - wenigstens einen zweiten Spektralfilter, welcher in einem zweiten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 1000 nm bis etwa 1400 nm lichtdurchlässig und vorzugsweise bei etwa 1200 nm maximal lichtdurchlässig ist;
• - wenigstens einen dritten Spektralfilter, welcher in einem dritten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 1200 nm bis etwa 1600 nm lichtdurchlässig und vorzugsweise bei etwa 1400 nm maximal lichtdurchlässig ist; und/oder
• - wenigstens einen vierten Spektralfilter, welcher in einem vierten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 1300 nm bis etwa 1700 nm lichtdurchlässig und vorzugsweise bei etwa 1600 nm maximal lichtdurchlässig ist.
• Durch eine derartige Wahl der Spektralfilter wird der kurzwellige Infrarotbereich komplett abgedeckt. Die Infrarotspektralbereiche weisen eine ausreichende Überlappung auf, sodass die Spektralinformationen in vorteilhafter Weise berechenbar sind. Der dritte Spektralfilter deckt ein dominierendes Wasserabsorptionsband bei etwa 1440 nm ab.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung können vier Spektralfilter vorhanden sein.
• Vorteilhaft ist es, wenn wenigstens einer der unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereiche ein, insbesondere dominierendes Wasserabsorptionsband umfasst.
• Hierdurch wird es ermöglicht, einen Messkanal der von Streulicht oder von der Feuchtigkeit bzw. dem Dunst oder dem Nebel in der Atmosphäre besonders beeinträchtigt ist, bei der Erstellung des Gesamtbildes nicht zu berücksichtigen, da dort in der Regel nur wenig nutzbare Information vorhanden ist. Durch diese Maßnahme kann in vorteilhafter Weise die Gesamtauflösung verbessert werden. Somit ergibt sich die Möglichkeit durch Weglassen des entsprechenden Spektralfilters Störstrahlung aus dem Wasserabsorptionsband zu unterdrücken oder auf der anderen Seite Wasseranteile in dem Bild entsprechend hervorzuheben. Eine Feuchtigkeitsdetektion bzw. eine Detektion von Wasser ist somit ebenfalls möglich. Beispielsweise könnten mit trockenen Blättern getarnte Objekte in einem Wald mit ansonsten feuchten Blättern an den Bäumen erkannt, bzw. identifiziert werden.
• Vorteilhaft ist es, wenn sich die unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereiche der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter teilweise, insbesondere um mehrere Nanometer, vorzugsweise zu wenigstens etwa 50 % überlappen, wenn sie spektral benachbart sind bzw. nebeneinander liegen.
• Durch eine zumindest teilweise Überlappung der unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereiche, insbesondere um mehrere Nanometer, können für jede Wellenlänge mindestens zwei Messwerte in unterschiedlichen Messkanälen erfasst werden. Die einfallende elektromagnetische Strahlung wird sozusagen auf eine bestimmte Anzahl - mindestens zwei - von Messkanälen verteilt. Diese Messkanäle zeichnen sich durch spektral unterschiedliche Empfindlichkeiten aus und die Empfindlichkeitskurven als Funktion der Wellenlänge sind dabei geeignet zu wählen. Aus den einzelnen Messwerten der verschiedenen Kanäle ist die Wellenlänge des jeweils einfallenden Lichts rechnerisch mindestens durch Quotientenbildung eindeutig ermittelbar. Die geeigneten Spektralempfindlichkeitskurven können durch verschiedene Spektralfilter und/oder unterschiedliche Infrarotdetektoren gebildet werden. Hierzu wird auf die DE 197 44 565 A1 verwiesen. Man erhält unterschiedliche Messwerte in den Messkanälen und kann daraus auf die Wellenlänge schließen. Dieser Effekt wird bei der vorliegenden Erfindung in ähnlicher Weise genutzt.
• Die wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter können wechselbar, insbesondere schwenkbar oder verschiebbar sein, und/oder in einen Filterwechsler mit wenigstens zwei Positionen, insbesondere einem Filterrad, angeordnet sein. Die Spektralfilter können beispielsweise als mehrschichtige dielektrische Interferenzfilter ausgeführt sein. Als Spektralfilter kommen ferner auch Strahlteilelemente, z. B. in Form von reflektierenden Filtern, oder dergleichen in Betracht.
• Die wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung kann ein InGaAs (Indium-GalliumArsenid)-Detektor oder ein MCT (Quecksilber-Kadmium-Tellurid)-Detektor sein.
• Zum Einsatz können zweidimensionale InGaAs-Detektoren für die Detektion im kurzwelligen Infrarotbereich von 900 nm bis 1700 nm kommen. Derartige Infrarotdetektoreinrichtungen weisen mehrere nebeneinander in Zeilen und Spalten abgeordnete Sensorelemente zur Erfassung einzelner Bildpunkte (Pixel) auf (z. B. mit einer Auflösung von 640 x 512 Bildpunkten).
• Die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein multispektrales Bild der aufgenommenen Szene durch eine Überlagerung oder Kombination bzw. Addition der Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen zu erzeugen. Die Bildsignale der aufgenommenen Szene können in einem Bildspeicher abgelegt und als Summenbild oder dergleichen angezeigt oder ausgegeben werden. Beispielsweise können für jeden Bildpunkt bzw. Pixel die Messwerte in den verschiedenen Messkanälen, d. h. die spektralen Informationen der vorgeschalteten wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter addiert werden. Die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung bzw. die Bildverarbeitungseinheit kann dazu eingerichtet sein, die Bildinhalte in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen miteinander zu verrechnen. Falls mehrere Infrarotdetektoreinrichtungen bzw. Sensoren zum Einsatz kommen, kann die Bildverarbeitungseinheit dazu eingerichtet sein, die getrennten Bildinhalte von wenigstens zwei der Detektoren in Echtzeit miteinander zu verrechnen. Hierzu werden die Bilddaten in Echtzeit elektronisch überlagert und positioniert.
• Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei der Überlagerung oder Kombination der Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen die Bildsignale eines Infrarotspektralbereichs, welcher ein, insbesondere dominierendes Wasserabsorptionsband umfasst, nicht berücksichtigt werden. Hierdurch kann die Gesamtauflösung des Bildes verbessert werden, wenn das aus dem Wasserabsorptionsband (z. B. bei 1440 nm) resultierende Streulicht nicht bei der Überlagerung verwendet wird.
• Die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein RGB-Farbbild der aufgenommenen Szene durch eine Überlagerung oder Kombination der Bildsignale aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen zu erzeugen, wobei den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen jeweils ein RGB-Farbkanal zugeordnet wird.
• Durch diese Maßnahmen kann ein sogenanntes Falschfarbenbild erzeugt werden, wobei beispielsweise eine visuell rote Farbe dem Bereich 900 nm bis 1.100 nm, eine visuell grüne Farbe dem Bereich 1.100 nm bis 1.300 nm und eine visuell blaue Farbe dem Bereich von 1.500 bis 1.700 nm zugeordnet wird.
• Die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, aus den Bildsignalen der unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereiche Farbwertanteile für wenigstens zwei räumliche Bildpunkte zu bestimmen und mittels einer Differenzbildung, insbesondere einer auf der Euklidischen Metrik basierten Differenz zu vergleichen. Gleichsam kann für den kurzwelligen Infrarotspektralbereich eine Farbmetrik eingeführt werden.
• Die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, zur Objekterkennung in dem aufgenommenen Bild vorab bestimmte, vorzugsweise gespeicherte, Farbwertanteile von Objekten und/oder Objektoberflächen mit in dem aufgenommen Bild bestimmten Farbwertanteilen mittels einer Differenzbildung, insbesondere einer auf der Euklidischen Metrik basierten Differenz zu vergleichen.
• Hierzu können vorab experimentelle Labormessungen durchgeführt werden, indem spektrale Tarnungsstrukturen (Tarnstoffe etc.) oder weitere natürliche Stoffe (Laub, Erde etc.) gemessen werden. Die spektralen Eigenschaften vieler Oberflächen sind bekannt und können bestimmt werden. Dadurch können beispielsweise synthetische Oberflächen (Uniformen, Fahrzeuge) enttarnt werden. Auch ist ein Nachweis von Erdveränderungen z. B. zum Nachweis von vergrabenen Minen möglich. Außerdem können Bodenschätze aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenreflektion aufgespürt werden. Die spektralen Eigenschaften bzw. Farbwertanteile der Objekte können einer Farbmetrik zugeführt werden und in einem aufgenommen Bild evtl. wiedererkannt werden, wenn diese innerhalb von Toleranzbereichen der Helligkeitswerte der einzelnen kurzwelligen Infrarotspektralbereiche liegen.
• Sehr vorteilhaft ist es, wenn jeweils bei einem Wechsel der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter eine Strahlablenkung der in das Kamerasystem einfallenden elektromagnetische Strahlung horizontal oder vertikal wenigstens annähernd um +/- ½ Bildpunkt erfolgt. Durch diese Maßnahme kann die Auflösung des Kamerasystems in der Art eines Microscannens weiter erhöht werden. Hierzu kann der Filterwechsler mit entsprechenden Mitteln versehen sein, beispielsweise mit schräggestellten Flächen. Es können jedoch auch Prismen o.ä. zum Einsatz kommen. Bei vier verschiedenen Spektralfiltern kann die Abfolge der Strahlablenkung etwa wie folgt vorgenommen werden: 1. Filterwechsel + ½ Bildpunkt horizontal, 2. Filterwechsel + ½ Bildpunkt vertikal, 3. Filterwechsel - ½ Bildpunkt horizontal, 4. Filterwechsel - ½ Bildpunkt vertikal.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Nachfolgend sind anhand der Zeichnung prinzipmäßig Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben. Funktionsgleiche Elemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
• Es zeigen:
• 1 Eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kamerasystems;
• 2 ein schematisches Diagramm mit vier unterschiedlichen Transmissionskurven in den kurzwelligen Infrarot-Spektralbereichen;
• 3 Darstellungen von Graustufenbildern, welche unter Vorschalten von vier verschiedenen Spektralfiltern erhalten werden;
• 4 ein erstes Chromatizitätsdiagramm von Spektralfarben im kurzwelligen Infrarotbereich;
• 5 ein zweites Chromatizitätsdiagramm von Spektralfarben im kurzwelligen Infrarotbereich;
• 6 eine Darstellung von Farbwertanteilen für den gleichen Farbton (1150 nm) und unterschiedlichen Farbsättigungen im kurzwelligen Infrarotbereich;
• 7 eine Darstellung einer Veränderung von Farbwertanteilen der reinen Spektralfarben in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
• 8 eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines Kolorimeters für den kurzwelligen Infrarotbereich; und
• 9 eine schematische Darstellung eines Bildaufnahmevorgangs mit einem erfindungsgemäßen Kamerasystem.
• In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kamerasystem 1 dargestellt, umfassend:
• - wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung 2, welche für elektromagnetische Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich von etwa 900 nm bis etwa 1700 nm sensitiv ist, und welche mehrere in 1 nicht näher dargestellte nebeneinander in Zeilen und Spalten angeordnete Sensorelemente zur Erfassung einzelner räumlicher Bildpunkte aufweist;
• - wenigstens eine Optik 3, welche in das Kamerasystem 1 einfallende elektromagnetische Strahlung (durch eine gestrichelte Linie L angedeutet) auf die wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung 2 abbildet;
• - wenigstens zwei verschiedene gestrichelt angedeutete Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w, welche der wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung 2 vorschaltbar oder vorgeschaltet sind und welche jeweils in unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen lichtdurchlässig sind;
• - eine Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 5, welche dazu eingerichtet ist, eine Bildaufnahme wenigstens annähernd derselben Szene mit der wenigstens einen Infrarotdetektoreinrichtung 2 unter Vorschalten der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w derart durchzuführen, dass Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w erzeugt werden, wobei jeder von der wenigstens einen Infrarotdetektoreinrichtung 2 erfasste räumliche Bildpunkt mit spektralen Informationen entsprechend der vorgeschalteten wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w versehen wird.
• Wie aus 2 ersichtlich, können vier verschiedene Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w mit zugehörigen Spektraltransmissionskurven T_x(λ), T_y(λ), T_z(λ) und T_w(λ) vorhanden sein.
• Die vier verschiedenen Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w umfassen:
• - wenigstens einen ersten Spektralfilter 4x, welcher in einem ersten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 900 nm bis etwa 1300 nm lichtdurchlässig und vorzugsweise bei etwa 1000 nm maximal lichtdurchlässig ist;
• - wenigstens einen zweiten Spektralfilter 4y, welcher in einem zweiten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 1000 nm bis etwa 1400 nm lichtdurchlässig und vorzugsweise bei etwa 1200 nm maximal lichtdurchlässig ist;
• - wenigstens einen dritten Spektralfilter 4z, welcher in einem dritten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 1200 nm bis etwa 1600 nm lichtdurchlässig ist und vorzugsweise bei etwa 1400 nm maximal lichtdurchlässig ist; und/oder
• - wenigstens einen vierten Spektralfilter 4w, welcher in einem vierten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 1300 nm bis etwa 1700 nm lichtdurchlässig und vorzugsweise bei etwa 1600 nm maximal lichtdurchlässig ist.
• In 2 ist des Weiteren die spektrale Transmission bzw. Absorption der Atmosphäre mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. In 2 ist auf der horizontalen Achse die Wellenlänge X und auf der vertikalen Achse die Lichtdurchlässigkeit bzw. Transmissivität aufgetragen. Wie aus 2 weiter ersichtlich, überdeckt wenigstens einer der unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereiche, nämlich der dritte kurzwellige Infrarotspektralbereich von etwa 1200 nm bis etwa 1600 nm ein insbesondere dominierendes Wasserabsorptionsband 6. Die unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereiche der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w überlappen sich teilweise, insbesondere um mehrere Nanometer, vorzugsweise wenigstens 50% wenn sie spektral benachbart sind. Die Spektralfilter 4x, 4y, 4w sind vorzugsweise auch so gewählt, dass deren maximale Lichtdurchlässigkeiten im Bereich der Maxima der Beleuchtungsstärken liegen.
• Die wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w können wechselbar, insbesondere schwenkbar oder verschiebbar sein, und/oder in einem Filterwechsler mit wenigstens zwei Positionen, insbesondere einem Filterrad 7 angeordnet sein (siehe auch 7 und 8). Falls z. B. 25 multispektrale Bilder pro Sekunde für die Darstellung erzeugt werden sollen, müssen bei vier verschiedenen Spektralfiltern 4x, 4y, 4z, 4w 100 Spektralbilder pro Sekunde aufgenommen werden, also sind 100 Filterwechsel pro Sekunde notwendig.
• Die wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung 2 kann ein insbesondere zweidimensionaler InGaAs-Detektor oder ein MCT-Detektor sein.
• In 3 sind mit den Spektralfiltern 4x, 4y, 4z, 4w aufgenommene Bilder 8x, 8y, 8z und 8w angedeutet. Sehr deutlich ist erkennbar, dass das Bild 8z durch die Verringerung der Bestrahlungsstärke, welche durch das dominierende Wasserabsorptionsband 6 verursacht wird, wesentlich schlechtere Bildinformationen liefert.
• Die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 5 kann dazu eingerichtet sein, ein multispektrales Bild der aufgenommenen Szene durch eine Überlagerung oder Kombination der Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen zu erzeugen.
• Bei der Überlagerung oder Kombination der Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen können die Bildsignale eines Infrarotspektralbereichs bzw. Spektralfilters 4z, welcher ein insbesondere dominierendes Wasserabsorptionsband 6 umfasst, nicht berücksichtigt werden.
• Die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 5 kann dazu eingerichtet sein, ein RGB-Farbbild der aufgenommenen Szene durch eine Überlagerung oder Kombination der Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen zu erzeugen, wobei den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen jeweils ein RGB-Farbkanal zugeordnet wird. Dadurch kann ein sogenanntes Falschfarbenbild erzeugt werden.
• Die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 5 kann dazu eingerichtet sein, aus den Bildsignalen der unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereiche Farbwertanteile für wenigstens zwei räumliche Bildpunkte zu bestimmen und mittels einer Differenzbildung, insbesondere einer auf der Euklidischen Metrik basierten Differenz zu vergleichen.
• Die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 5 kann ferner dazu eingerichtet sein, zur Objekterkennung in dem aufgenommenen Bild vorab bestimmte, vorzugsweise gespeicherte, Farbwertanteile von Objekten und/oder Objektoberflächen mit in dem aufgenommen Bild bestimmten Farbwertanteilen mittels einer Differenzbildung, insbesondere einer auf der Euklidischen Metrik basierten Differenz zu vergleichen.
• Jeweils bei einem Wechsel der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w kann eine Strahlablenkung der in das Kamerasystem 1 einfallenden elektromagnetische Strahlung (L) horizontal oder vertikal wenigstens annähernd um +/- einen halben Bildpunkt erfolgen.
• Der verwendete kurzwellige Infrarotspektralbereich (SWIR-Bereich) zwischen 900 nm und 1700 nm ist ein spektral breiterer Wellenlängenbereich als der des sichtbaren Lichts. Aus dem Stand der Technik bekannte SWIR-Kameras erzeugen ein Grauwertbild unter Verwendung der Intensität über das gesamte Spektralband. Objekte können jedoch in diesem Bereich ein völlig anderes spektrales Verhalten haben. Pflanzen haben eine hohe Reflexion am unteren Ende des SWIR-Bereichs und flüssiges Wasser hat beispielsweise ein starkes Absorptionsband um 1440 nm.
• Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den SWIR-Bereich in eine geeignete Anzahl von Spektralmesskanälen aufzuteilen, um detailliertere Informationen aus einem aufgenommenen Bild zu extrahieren. Um diese Informationen zu erhalten, folgt der Vorschlag einem Konzept, das dem Farbsehen des menschlichen Auges ähnelt. Analog zu den drei Arten von Farbrezeptoren des Auges werden vier spektrale Messkanäle für das kurzwellige Infrarot definiert. Jeder Bildpunkt wird somit nun durch vier Farbwerte anstelle einer einzelnen Graustufe charakterisiert.
• Für eine umfassende Charakterisierung eines Objekts ist eine spezielle SWIR-Farbmessung durch Auswahl geeigneter Filter mit geeigneter Bandbreite und spektraler Überlappung möglich. Eine spektrale Empfindlichkeit, Algorithmen zur Berechnung von SWIR-Farbwerten, eine Unterscheidung von SWIR-Farbwerten durch NEWD (Noise Equivalent Wavelength Difference) und eine spektral kodierte Falschfarbenbilddarstellung werden vorgeschlagen.
• Im Folgenden werden Prinzipien der SWIR-Farbmessung vorgeschlagen, welche auch Gegenstand der Erfindung sein können.
• Das Ergebnis einer radiometrischen Messung, die mittels vier spektralen Messkanälen im kurzwelligen Infrarotbereich erfolgt, kann ähnlich wie ein Farbreiz durch das menschliche Auge verarbeitet werden, mit dem Unterschied, dass nun ein Quadrupel von Werten vorliegt.
• Der Abbildungsprozess in der SWIR-Region ist dem Sichtbaren auch insofern sehr ähnlich, als eine Strahlungsquelle benötigt wird, um die Szenerie zu beleuchten. Im Labor kann typischerweise eine künstliche Quelle wie eine Glühlampe verwendet werden, während man draußen auf natürliches Tageslicht (von der Sonne oder dem Himmel) angewiesen ist.
• Daher wird die von einem interessierenden Objekt reflektierte SWIR-Strahlung nicht ausschließlich durch den spektralen Reflexionsgrad R(λ) des Objekts, sondern auch durch die spektrale Verteilung S(A) der Lichtquelle bestimmt. Der spektrale Strahlungsfluss, der vom Objekt kommt, entspricht dem Farbreiz φ(λ) = S(λ) · R(λ) in der Trichromie.
• Außerdem hängt die Ausgabe eines Kolorimeters nicht nur von den Spektraltransmissionskurven T_x(λ), T_y(λ), T_z(λ) und T_w(λ) der zur Trennung der spektralen Messkanäle ausgewählten Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w ab, sondern auch von der spektralen Detektivität D(λ) des implementierten Detektors bzw. der Infrarotdetektoreinrichtung 2. In einem SWIR-Kolorimeter kommt häufig ein InGaAs-Detektor zum Einsatz.
• Daher führt eine kolorimetrische Messung zu dem nachfolgenden Quadrupel von Farbwerten, die alle vorgenannten Effekte berücksichtigen: $$\begin{array}{c}\text{X}={\text{k}}_{\text{x}}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\mathrm{\phi }\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot {\text{T}}_{\text{x}}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda };}\\ \text{Y}={\text{k}}_{\text{y}}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\mathrm{\phi }\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot {\text{T}}_{\text{y}}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda };}\\ \text{Z}={\text{k}}_{\text{z}}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\mathrm{\phi }\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot {\text{T}}_{\text{z}}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda };}\\ \text{W}={\text{k}}_{\text{w}}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\mathrm{\phi }\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot {\text{T}}_{\text{w}}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda }\mathrm{.}}\end{array}$$

  
• Die Integration erfolgt über den gesamten kurzwelligen Infrarotbereich. Die instrumentellen Konstanten k_i sind frei wählbar, können aber so berechnet werden, dass alle vier Farbwerte für ein perfektes mattweißes Ziel gleich sind. Diese Vorgehensweise stellt sicher, dass die Chromatizitätskoordinaten bzw. die Farbwertanteile für die Farbe „weiß“ alle gleich 0,25 sind.
• Die Farbwertanteile werden nachfolgend in Bezug auf die Farbwerte nach Verhältnissen so definiert, dass x + y + z + w = 1 gilt: $$\begin{array}{c}\text{x}=\text{X}/\left(\text{W}+\text{X}+\text{Y}+\text{Z}\right);\\ \text{y}=\text{Y}/\left(\text{W}+\text{X}+\text{Y}+\text{Z}\right);\\ \text{z}=\text{Z}/\left(\text{W}+\text{X}+\text{Y}+\text{Z}\right);\\ \text{w}=\text{W}/\left(\text{W}+\text{X}+\text{Y}+\text{Z}\right).\end{array}$$

  
• Jeder der vier Farbwertanteile definiert den relativen Anteil der vier oben definierten spektralen Messkanäle, die erforderlich sind, um mit der SWIR-Farbe einer Probe 12 (siehe 8) übereinzustimmen. Da die Summe der vier Farbwertanteile gleich 1 ist, müssen nur drei von ihnen angegeben werden, x, y und z; die dritte kann dann durch die Subtraktion von x, y und z von 1 berechnet werden.
• Die SWIR-Farbe der Probe 8 kann, wie aus 4 ersichtlich, durch einen Punkt in einem dreidimensionalen Chromatizitätsdiagramm spezifiziert werden, welches sich deutlich von dem zweidimensionalen CIE-Chromatizitätsdiagramm der Trichromie unterscheidet. Die SWIR-Primärfarben werden durch die Punkte (0/0/0), (1/0/0), (0/1/0) und (0/0/1) gekennzeichnet. Somit ist der maximale Raum durch einen Eckwürfel begrenzt. Der Ort aller Spektralfarben des kurzwelligen Infrarotspektralbereichs (angegeben in Nanometern nm) ist in dem dreidimensionalen Chromatizitätsdiagramm gemäß 4 aufgetragen.
• Die Oberfläche des SWIR-Farbdiagramms bzw. des Chromatizitätsdiagramms wird durch die Gesamtheit aller Strahlen definiert, die von einem weißen Punkt P (0,25 / 0,25 / 0,25) zum Spektralfarbenzug am Rand verlaufen. Der weiße Punkt P ist in den 4 und 5 durch ein schraffiertes Quadrat angedeutet. Jeder Punkt im Chromatizitätsdiagramm spezifiziert die SWIR-Farbart (Farbton und Sättigung) unabhängig von der Luminanz. Dies ist vorteilhaft in der Feldanwendung, bei der die Farbunterscheidung im Vordergrund steht und die Bestrahlungsstärke meist nicht überwacht wird.
• Eine reine Spektralfarbe hat die maximal mögliche Sättigung. Je mehr weiße Strahlung eingemischt wird, desto mehr nimmt die Sättigung ab und die Chromatizitätskoordinaten verändern sich derart, dass der Punkt im Chromatizitätsdiagramm auf einer geraden Linie bzw. linear zum weißen Punkt P hin verschoben wird (siehe 6). In 5 ist beispielhaft eine durchgezogene Linie 9 für die Spektralfarbe bzw. Wellenlänge 1150 nm aufgetragen. Sie verläuft vom Ort der Spektralfarbe 1150 nm bei den Koordinaten (0,23 / 0,74 / 0,01) direkt zum weißen Punkt P bei (0,25 / 0,25 / 0,25).
• Der Unterschied zwischen zwei Farben A und B kann mittels der Euklidischen Metrik berechnet werden, die auf die entsprechenden Punkte im Diagramm angewendet wird: $$\Delta {\text{C}}_{\text{SWIR}}={\left\{{\left({\text{x}}_{\text{A}}-{\text{x}}_{\text{B}}\right)}^2+{\left({\text{y}}_{\text{A}}-{\text{y}}_{\text{B}}\right)}^2+{\left({\text{z}}_{\text{A}}-{\text{z}}_{\text{B}}\right)}^2\right\}}^{1/2}.$$

  
• Ob zwei Farben A und B als unterschiedlich angesehen werden können, hängt von einem zu ermittelnden Fehlerbereich des Kolorimeters ab. Es werden unterschiedliche Schwellen in Bezug auf Farbton und Sättigung angegeben, welche auch mit dem Ort auf dem Chromatizitätsdiagramm variieren. Eine erste Schätzung der Fähigkeit, zwischen Spektralfarben zu unterscheiden, kann durch Berechnen der Variation der Chromatizitätskoordinate pro Wellenlängeneinheit ΔC_SWIR (λ) / Δλ, entlang einer Chromatizitätskurve 10 abgeleitet werden (siehe 7).
• An den Spitzen der Chromatizitätskurve 10 verursacht eine kleine Änderung der Wellenlänge eine relativ große Änderung der Chromatizitätskoordinaten und wird daher leichter detektiert als die gleiche Wellenlängenänderung in einem der Täler der Chromatizitätskurve 10. In der militärischen Anwendung hat dies eine gewisse Bedeutung für die Detektion und spektrale Identifizierung von Laserstrahlung (z. B. eines Laserzielmarkierers).
• Nachfolgend werden kolorimetrische Messungen mit einem 4-Kanal-SWIR-Radiometer beschrieben.
• Bei einem Filterkolorimeter beleuchtet eine Lichtquelle 11 abwechselnd eine Probe 12 und ein Weißstandard bzw. Standardziel 13 (siehe 8). Das reflektierte Licht wird spektral durch einen Satz von Bandpassfiltern in einem Filterrad 7 ausgewählt und dann von einem Detektor gemessen.
• Bei der vorgeschlagenen SWIR-Kolorimetrie wird die reflektierte Strahlung mit vier Spektralfiltern 4x, 4y, 4z, 4w anstelle von drei Filtern bei der Tristimulusfarbmessung gemessen. Als Ausgangssignal werden für das Standardziel 13 vier Messwerte (Mx₀, My₀, Mz₀ und Mw₀) erzeugt, die alle spektralen Informationen über die Lichtquelle 11, die Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w und die Infrarotdetektoreinrichtung 2 enthalten und zur Kalibrierung des Gerätes dienen. Das zweite Quadrupel der Werte (Mx, My, Mz und Mw) enthält zusätzlich das spektrale Reflexionsvermögen der Probe 12. Somit gilt: $$\begin{array}{cc}{\text{Mx}}_0=\text{k}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\text{S}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot {\text{T}}_{\text{x}}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda };}& \text{Mx}=\text{k}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\text{S}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot {\text{T}}_{\text{x}}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{R}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda };}\\ {\text{My}}_0=\text{k}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\text{S}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot {\text{T}}_{\text{y}}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda };}& \text{My}=\text{k}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\text{S}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot {\text{T}}_{\text{y}}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{R}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda };}\\ {\text{Mz}}_0=\text{k}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\text{S}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot {\text{T}}_{\text{z}}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda };}& \text{Mz}=\text{k}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\text{S}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot {\text{T}}_{\text{z}}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{R}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda };}\\ {\text{Mw}}_0=\text{k}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\text{S}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot {\text{T}}_{\text{w}}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda };}& \text{Mw}=\text{k}\cdot {\displaystyle \underset{900}{\overset{1700}{\int }}\text{S}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{Tw}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{D}\left(\mathrm{\lambda }\right)\cdot \text{R}\left(\mathrm{\lambda }\right)\text{d}\mathrm{\lambda }\mathrm{.}}\end{array}$$

  
• Daher werden die Farbwerte der Probe 12 durch die Verhältnisse der Werte von Probe 12 und Standardziel 13 entsprechend abgeleitet: $$\text{X}=\text{Mx}/{\text{Mx}}_0;\text{ Y}=\text{My}/{\text{My}}_0;\text{ Z}=\text{Mz}/{\text{Mz}}_0;\text{ W}=\text{Mw}/{\text{Mw}}_0.$$

  
• Die Farbwertanteile der Probe 12 ergeben sich aus der Gleichung x + y + z + w = 1: $$\begin{array}{c}\text{x}=\text{X}/\left(\text{X}+\text{Y}+\text{Z}+\text{W}\right);\\ \text{y}=\text{Y}/\left(\text{X}+\text{Y}+\text{Z}+\text{W}\right);\\ \text{z}=\text{Z}/\left(\text{X}+\text{Y}+\text{Z}+\text{W}\right);\\ \text{w}=\text{W}/\left(\text{X}+\text{Y}+\text{Z}+\text{W}\right).\end{array}$$

  
• Das Ergebnis kann in einer SWIR-Farbskala aufgetragen und mit den Farben anderer Proben oder Referenzen verglichen werden.
• Das erfindungsgemäße Kamerasystem 1, welches mit vier, insbesondere in einem Filterrad 7 angeordneten, verschiedenen Spektralfiltern 4x, 4y, 4z, 4w versehen ist, kann dazu verwendet werden, um quantitative farbmetrische Messungen von Objekten 14 in der Szenerie durchzuführen (siehe 9). Als Lichtquelle 11 dient hierbei die Sonnen- bzw. die Himmelsstrahlung. Das Ausgabesignal des Kamerasystems 1 umfasst ein Quadrupel von Werten Mx, My, Mz und Mw bzw. von Werten Mx(pxl), My(pxl), Mz(pxl) und Mw(pxl) für jedes Sensorelement bzw. Detektorelement pxl (in den Figuren nicht näher dargestellt), welches mittels der Spektralfilter 4x, 4y, 4z, 4w gemessen wird. Unter Verwendung der Gleichungen (5) und (6) erfolgt die Auswertung der Chromatizitätskoordinaten auf die gleiche Weise wie bei der SWIR-Kolorimetrie, mit dem Unterschied dass anstelle von internen Referenzwerten Daten einer Werkskalibrierung als Referenz verwendet werden müssen.
• Der Kalibrierungsprozess kann mit einer geeigneten Strahlungsquelle und einem mattierten Glas als Diffusor durchgeführt werden. Für ein im Feld anzuwendendes Kamerasystem 1 (z. B. zur Überwachung oder Aufklärung) erscheint es vorteilhaft, eine Strahlungsquelle zu verwenden, die einen spektralen Strahlungsfluss nahe der Normlichtart D65 emittiert, da dies die typische Strahlung der nördlichen Himmelsbereiche simuliert. Die Himmelsstrahlung im SWIR-Spektralbereich weicht jedoch signifikant von dem spezifizierten D65-Schwarzkörper von 6504 K aufgrund von drei starken Absorptionsbanden von Wasserdampf ab, von denen der stärkste im Wellenlängenband von etwa 1350 nm bis fast 1500 nm liegt. Dies lässt sich jedoch durch geeignete Filter simulieren.
• Chromatizitätskoordinaten können somit jedem Bildpunkt bzw. Pixel der Szene zugeordnet werden, und die SWIR-Farbe verschiedener Objekte 14 kann quantitativ verglichen werden, um zu entscheiden, ob zwei Objekte gleich sind oder nicht. Zum Beispiel können Tarnfarben von natürlichem Grün oder sogar Tarnfarben unterschiedlicher Herkunft unterschieden werden. Da all dies in nur einem Bild durchgeführt wird, weisen offensichtlich alle Bildpunkte identische Lichtbedingungen auf. Variationen der Himmelsstrahlung sind von sehr geringer Wirkung.
• Bezugszeichenliste

1

Kamerasystem

2

Infrarotdetektoreinrichtung

3

Optik

4x,4y,4z,4w

Spektralfilter

5

Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung

6

Wasserabsorptionsband

7

Filterrad

8x,8y,8z,8w

Bilder

9

durchgezogene Linie

10

Chromatizitätskurve

11

Lichtquelle

12

Probe

13

Standardziel

14

Objekt

T_x(λ),T_y(λ),T_z(λ),T_w(λ)

Spektraltransmissionskurven

S(λ)

spektrale Verteilung

R(λ)

spektraler Reflexionsgrad

P

weißer Punkt

L

einfallende elektromagnetische Strahlung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 19744565 A1 [0016]

Claims (13)

1. Kamerasystem (1), umfassend: - wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung (2), welche für elektromagnetische Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich von etwa 900 nm bis etwa 1700 nm sensitiv ist, und welche mehrere nebeneinander in Zeilen und Spalten angeordnete Sensorelemente zur Erfassung einzelner räumlicher Bildpunkte aufweist; - wenigstens eine Optik (3), welche in das Kamerasystem (1) einfallende elektromagnetische Strahlung (L) auf die wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung (2) abbildet; - wenigstens zwei verschiedene Spektralfilter (4x,4y,4z,4w), welche der wenigstens einen Infrarotdetektoreinrichtung (2) vorschaltbar oder vorgeschaltet sind und welche jeweils in unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen lichtdurchlässig sind; - eine Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung (5), welche dazu eingerichtet ist, eine Bildaufnahme wenigstens annähernd derselben Szene mit der wenigstens einen Infrarotdetektoreinrichtung (2) unter Vorschalten der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter (4x,4y,4z,4w) derart durchzuführen, dass Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter (4x,4y,4z,4w) erzeugt werden, wobei jeder von der wenigstens einen Infrarotdetektoreinrichtung (2) erfasste räumliche Bildpunkt mit spektralen Informationen entsprechend der vorgeschalteten wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter (4x,4y,4z,4w) versehen wird.
2. Kamerasystem (1) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter (4x,4y,4z,4w) umfassen: - wenigstens einen ersten Spektralfilter (4x), welcher in einem ersten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 900 nm bis etwa 1300 nm lichtdurchlässig und vorzugsweise bei etwa 1000 nm maximal lichtdurchlässig ist; - wenigstens einen zweiten Spektralfilter (4y), welcher in einem zweiten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 1000 nm bis etwa 1400 nm lichtdurchlässig und vorzugsweise bei etwa 1200 nm maximal lichtdurchlässig ist; - wenigstens einen dritten Spektralfilter (4z), welcher in einem dritten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 1200 nm bis etwa 1600 nm lichtdurchlässig und vorzugsweise bei etwa 1400 nm maximal lichtdurchlässig ist; und/oder - wenigstens einen vierten Spektralfilter (4w), welcher in einem vierten kurzwelligen Infrarotspektralbereich von etwa 1300 nm bis etwa 1700 nm lichtdurchlässig und vorzugsweise bei etwa 1600 nm maximal lichtdurchlässig ist.
3. Kamerasystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei vier verschiedene Spektralfilter (4x,4y,4z,4w) vorhanden sind.
4. Kamerasystem (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei wenigstens einer der unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereiche ein, insbesondere dominierendes Wasserabsorptionsband (6) umfasst.
5. Kamerasystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereiche der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter (4x,4y,4z,4w) teilweise, insbesondere um mehrere Nanometer, vorzugsweise zu wenigstens 50%, überlappen, wenn sie spektral benachbart sind.
6. Kamerasystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter (4x,4y,4z,4w) wechselbar, insbesondere schwenkbar oder verschiebbar sind, und/oder in einem Filterwechsler mit wenigstens zwei Positionen, insbesondere einem Filterrad (7) angeordnet sind.
7. Kamerasystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die wenigstens eine Infrarotdetektoreinrichtung (2) ein InGaAs-Detektor oder ein MCT-Detektor ist.
8. Kamerasystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, ein multispektrales Bild der aufgenommenen Szene durch eine Überlagerung oder Kombination der Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen zu erzeugen.
9. Kamerasystem (1) nach Anspruch 8, wobei bei der Überlagerung oder Kombination der Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen die Bildsignale eines Infrarotspektralbereichs, welcher ein, insbesondere dominierendes Wasserabsorptionsband (6) umfasst, nicht berücksichtigt werden.
10. Kamerasystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, ein RGB-Farbbild der aufgenommenen Szene durch eine Überlagerung oder Kombination der Bildsignale der aufgenommenen Szene in den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen zu erzeugen, wobei den unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereichen jeweils ein RGB-Farbkanal zugeordnet wird.
11. Kamerasystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, aus den Bildsignalen der unterschiedlichen kurzwelligen Infrarotspektralbereiche Farbwertanteile für wenigstens zwei räumliche Bildpunkte zu bestimmen und mittels einer Differenzbildung, insbesondere einer auf der Euklidischen Metrik basierten Differenz zu vergleichen.
12. Kamerasystem (1) nach Anspruch 11, wobei die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, zur Objekterkennung in dem aufgenommenen Bild vorab bestimmte, vorzugsweise gespeicherte, Farbwertanteile von Objekten und/oder Objektoberflächen mit in dem aufgenommen Bild bestimmten Farbwertanteilen mittels einer Differenzbildung, insbesondere einer auf der Euklidischen Metrik basierten Differenz zu vergleichen.
13. Kamerasystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei jeweils bei einem Wechsel der wenigstens zwei verschiedenen Spektralfilter (4x,4y,4z,4w) eine Strahlablenkung der in das Kamerasystem (1) einfallenden elektromagnetischen Strahlung (L) horizontal oder vertikal wenigstens annähernd um +/- ½ Bildpunkt erfolgt.

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