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Die Erfindung betrifft ein spezielle
Anwendung geeignet spektrometrisch modifizierter Wärmebildkameras
oder bildgebender IR Flächen-Detektor-Array
Anordnungen in Kombination mit spezieller Bildbearbeitungssoftware
zum Zwecke einer ortsaufgelösten
Echtzeit-Feststellung von vereisten Oberflächenstellen auf beliebigen
Oberflächen
wobei Anwendungen im Straßenverkehr
und in der Luftfahrt an erster Stelle stehen.
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Es besteht ein erheblicher Bedarf
an zuverlässigen
Warnsystemen in Straßenfahrzeugen,
die den Fahrer rechtzeitig vor Eisglätte oder auch „Aqua-Planing" Gefahren warnen.
Allein in Europa kommen derzeit pro Jahr über 40.000 Menschen bei Verkehrsunfällen ums
Leben und über
1,7 Millionen werden dabei verletzt. Die sozialen Kosten betragen über 160
Milliarden Euro. Gleichermaßen
ist bekannt, dass ein großer
Prozentsatz dieser fatalen Unfälle
auf schlechte Straßenverhältnisse
und unangepasste Fahrweise beruhen. Daher wurden seit Jahren Vorschläge unterbreitet,
wie zuverlässig
und rechtzeitig vor diesen Gefahren gewarnt werden kann. Ähnlicher
Bedarf an einer schnellen und zuverlässigen Eis-Detektion besteht
in der Luftfahrt, hier besonders bei der Überwachung von Hubschrauberrotoren.
Patentrecherchen zu diesem Thema verweisen auf über 100 Anmeldungen zur Lösung dieses Problems.
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Die einfachste Methode einer genaueren Wettervorhersage
versagt im Straßenverkehr,
da hochaufgelöste
lokale Vorhersagen bisher unmöglich sind
bzw. Brücken
und andere Einflussgrößen dabei unberücksichtigt
bleiben. Eine weitere Methode, die vor Eisbildung warnen soll, besteht
in der Messung der Temperatur kurz über der Straßenoberfläche vom Auto
aus oder in dem Aufwand von in der Straße eingelassenen Temperatursensoren
mit Anzeige an den Straßenpfosten.
Wegen der Gefrierpunktserniedrigung durch Streusalz-Ausbringung
sagen aber Temperaturen unter Null Grad mit oder ohne Feuchtigkeitsmessung
nichts über
eine Eisbildung aus.
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Versuche zur Eiserkennung Ultraschall-Sensoren
(in der Schifffahrt als SONAR – Technik
bekannt), wie z.B. in
US 4,628,736 oder
US 5,095,754 beschrieben,
oder Radarmethoden einzusetzen, wie z.B. in
US 5,497,100 beschrieben, scheitern
erstens an der Zuverlässigkeit
der stofflichen Identifikation von Oberflächenschichten und zweitens
an der geforderten Schichtdicken-Messgenauigkeit. Beide Verfahren
analysieren bekanntermaßen
die Laufzeit von an Schichtgrenzen reflektierten Ultraschall- oder Mikrowellen
und berechnen daraus Entfernungen oder Abstände bzw. Schichtdicken. Darüber hinaus ist
die Wechselwirkung von Radarstrahlung und Materie sehr komplex und
bis heute Gegenstand der Forschung. Entsprechend schwierig ist auch
die problemorientierte quantitative Analyse von Radarbildern, da
sie auf überwiegend
schwer nachvollziehbaren Zusammenhängen basieren. Oft werden bei
ihrer Interpretation nur die geometrischen und morphologisch-strukturellen
Aspekte näher
betrachtet. Eine zuverlässige
chemische Identifizierung von Wasser in seiner flüssigen und
festen Form findet bei beiden Methoden nicht statt. Das
DE 197 18623 A1 beschreibt
den Einsatz polarisierter Mikrowellen zur Eis-Detektion unter Berücksichtung
der Oberflächenrauhigkeit
aber ebenfalls ohne chemische Identifizierung. In
US 5,243,185 wird eine weitere Methode
zur Eiserkennung vorgeschlagen bei der die Verschiebung des Polarisationsgrades
einer reflektierten polarisierten Strahlung ausgewertet wird.
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In
DE 4040842 A1 wird eine lichtoptische Methode
zur Eiserkennung vorgeschlagen. Da sich das Spektrum von Wasser
und Eis im Infrarotspektrum unterscheiden, kann man durch einen
Spektrenvergleich die Anwesenheit von Eis feststellen. Dazu wurde
ein Monochromator mit einem Diodenarray-Detektor verwendet. Diese
Anordnung ist sehr aufwendig und wenig robust. In einem weiteren
Patent
DE 4008280 wird
eine Reflektionsmethode vorgeschlagen, bei dem die Straßenoberfläche mit
einer breitbandigen Lichtquelle bestrahlt und das reflektierte Licht
innerhalb zwei Wellenlängenbereichen
simultan gemessen wird. Nachteil dieses Verfahrens liegt bei den
beiden Auswertwellenlängen,
die zwischen 2700 nm und 3200 nm Gegen. Bei diesen Wellenlängen beträgt die Eindringtiefe
der Infrarotstrahlung in Wasser oder Eis nur wenige Mikrometer.
Daher kann man mit dieser Methode nur eine äußerst dünne Oberflächenschicht feststellen, d.h.
eine meist vorhandene dünne
Wasserschicht auf einer Eisschicht verhindert eine zuverlässige Anzeige
der letzteren.
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In
DE 19506550 A1 wird eine verbesserte Anordnung
zu einer Realzeit Eis- und Wasser-Identifikation durch NIR Spektrometrie
beschrieben, die nur 4 robuste und preiswerte optische Filter benutzt. Hierbei
konnten Messgenauigkeiten bei der Eis- oder Wasserschichtdicken
Messung von ca. 20 % realisiert werden. Die hierbei angewandte Methode
der diffusen Reflexion NIR Spektrometrie bei Wellenlängen um
1000 nm weist den Vorteil einer zuverlässigen Stoffidentifikation
(molekularer Fingerabdruck) verbunden mit einer ausreichenden Empfindlichkeit auf.
Bei dieser Wellenlänge
dringen die IR-Strahlen ca. 15 mm in Wasser und ca. 25 mm in Eis
ein, so dass beide auch zusammen (z.B. Wasser auf Eis) bestimmt
werden können.
Nachteil der in diesem Patent beschriebenen Vorrichtung unter Benutzung
der Methode der diffusen NIR Reflexionsspektrometrie ist allerdings,
dass man nur ein integrales Signal der gesamten mit NIR Licht ausgeleuchteten
Fahrbahnoberfläche vor
einem Fahrzeug erhält.
Lokal begrenzte, tiefe Pfützen
in Spurrinnen oder lokal begrenzte Eisstellen, über die die Fahrzeugräder laufen,
können
bisher bei allen beschriebenen Verfahren nicht erkannt werden.
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Die Aufgabe der vorliegende Erfindung
ist es, diese Nachteile, dass bisher kein Verfahren lokal begrenzte
Eis- und Wasserstellen
sichtbar machen kann, zu beseitigen. Zusätzlich ist auch Aufgabe der vorliegen
Erfindung diese bildgebende Echtzeit-Darstellung auch mit einer
eindeutigen chemischer Identifikation zu versehen. Sie hat als weitere
Aufgabe, diese Gefahrenstellen bildlich im Rahmen eines gesamten
Objektbildes durch eine klare Fehlfarbendarstellung hervorzuheben
oder eine computer-gestützte
Voraus-Warnung vor einem direkten Überfahren dieser Stellen zu
geben.
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Diese Aufgabe wird durch eine neuartige
Anwendung von bekannten Wärmebildkameras
oder den ihnen zugrunde liegenden flächenförmigen IR empfindlichen Detektor-Array
Anordnungen, verbunden mit bekannten zusätzlichen spektroskopischen Vorrichtung
zur Einstellung eines engen analytselektiven Wellenlängenbereichs
während
einer Aufnahme und verbunden mit bekannten Bildbearbeitungssoftware-Entwicklungen
gelöst.
Moderne Wärmebildkameras
mit NIR, IR, FIR empfindlichen Flächen Array Detektoren sind
inzwischen in der Lage, normalerweise ohne zusätzliche analytselektive Filter selbst
geringste Temperaturdifferenzen bei bewegten Objekten als Echtzeit-Video
(> 60 Bilder pro Sekunde)
und in hoher Auflösung
zu erfassen. Diese sogenannten „focal plane array" IR Detektoren bestehen aus
einer planen Fläche
von vielen Mikrodetektoren und haben – wie die CCD-Entwicklungen
im Konsumerbereich – eine
neue Ära
der molekularen Schwingungsspektroskopie (NIR, IR, FIR, Raman) eingeleitet:
das spektroskopische Abbilden von Objekten bei einem stark eingeschränkten Spektralbereich
(spektrales Fenster = optischer Bandpass). Inzwischen gibt es für den NIR
und IR Bereich preiswerte auf InGaAs Halbleiter beruhende „focal
plane arrays, die auch bei Raumtemperatur ausreichend empfindlich arbeiten
(spectra analyse Vol 31 N° 228,
2002).
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Bevorzugt werden „high-speed" Wärmebildkameras
ihrem Strahlengang oder einfach vor ihrer Linse mit geeigneten,
wasser- bzw. eisselektiven Strahlungsfiltern mit festem oder variablem
Wellenlängendurchlassbereich
versehen. Dazu werden akusto-optische „tunable" Filter (AOTF) oder durchstimmbare Flüssigkristall
Filter für
schnelle Wellenlängen-Scans
verwendet. Da sich der spektrale Durchlassbereich dieser Filter
im ms-Bereich über
einen bestimmten Wellenlängenbereich
verändern lässt, werden
mit dieser bevorzugten Anordnung komplette diffuse Reflexionsspektren
hinter jedem Pixel eines Flächen
Detektor Arrays erhalten. Mit Detektoren aus InGaAs und InSb mit
320×256
Pixel können
so beispielsweise über
70.000 Spektren pro Minute aufgezeichnet werden. Da die Reflexionsspektren
den stoffspezifischen, spezifischen molekularen Fingerabdruck enthalten,
ist durch diese Anordnung eine Stoffidentifizierung – wie in
der Analytischen Chemie üblich – von jedem
Pixel mittels einer geeigneten Software abrufbar. Im vorliegenden
Fall wird nicht das komplette IR Spektrum zur Identifikation aller
so detektierbaren chemischen Verbindungen benötigt, sondern es reicht eine
Betrachtung der Objekte bei der Wellenlänge des zu lokalisierenden Stoffes
(Wasser oder Eis). Vorhandene Software (z.B. ThermaCam Researcher
2001) erlaubt eine Subtraktion kompletter Bilder. Eine weitere Bildbearbeitungssoftware
(z.B. Fa. Inframetrics) erlaubt die Entzerrung von Bildern, um sie
mit Vorlagen oder Referenzbildern deckungsgleich zu machen. Bei
den heutigen Rechenleistungen selbst preiswerter Computer mit komplexen
3-D Szenen, ist die Massenanwendung bei einem Warnsystem für Straßenfahrzeuge
kein technisches Problem mehr.
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Die 1 zeigt
ein aus der Literatur entnommenes IR-Spektrums des Sonnenlichtes
mit zahlreichen Absorptionsbanden von Wasser und anderen natürlich vorkommenden
Stoffen in der Atmosphäre.
Im Prinzip kann jede Absorptionsbande des Wassers auch zum selektiven
(fingerprint) quantitativen Nachweis herangezogen werden. Es handelt sich
hier allerdings um ein Transmissionsspektrum (durchstrahlter Gasraum),
das beim Nachweis von Wasser und Eis auf Oberflächen nicht erhalten wird. Hierzu
muss die von einer Oberfläche
diffus reflektierte IR Strahlung herangezogen werden. Da ein Teil der
IR Strahlung in die Probe eindringt bevor sie diffus reflektiert
wird, zeigen diffuse Reflexionsspektren ebenfalls den Fingerabdruck
der zu analysierenden Probe. Hier zeigt allerdings nur der NIR Bereich
um 1μm bei
Wasser oder Eis die größte Eindringtiefe
von bis zu ca. 30 mm. In umfangreichen Vorarbeiten wurden diffuse
Reflexionsspektren von Wasser und Eis im gesamten IR Wellenlängenbereich
unter realen Bedingungen und mit unterschiedlichen Untergrüden aufgenommen,
wobei sich vielfältige
Unterschiede, die zur Differenzierung zwischen Wasser und Eis herangezogen
werden können,
ergeben haben. Die 2 zeigt
als Beispiel ein diffuses NIR Reflexionsspektrum von Wasser und
Eis im Wellenlängenbereich
800 – 1100
nm (K. Cammann Hrg.: Instrumentelle Analytische Chemie, S. 5-48,
Spektrum Verlag 2001). Daraus ist ersichtlich, dass sich die Absorptionsbande
des Wassers bei ca. 975 nm bei der Eisbildung um ca. 50 nm in den
Bereich längerer
Wellenlängen
verschiebt. Damit wird eine eindeutige Identifizierung von Wasser
und Eis durch mehrere neue spektrometrische Methoden ermöglicht,
die bisher zu einer abbildenden Eis-Detektion nicht beschieben wurden.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt
vorteilhafte Anwendungen einer digitalen IR-Video-Kamera mit ihrem
entsprechend empfindlichen flächigen
IR Detektor-Array oder nur des letzteren mit einer entsprechenden Abbildungsoptik
zusammen mit verschiedenen Vorrichtungen zu einer optimalen Wellenlängenselektion
zum Zwecke eines Wasser- und Eisnachweises. Um Wasser- und Eisstellen
mit solchen IR Kameras sichtbar zu machen, werden, wie 2 andeutet, optische Filter
mit Durchlässigkeiten
im Absorptionsbandenbereich von Wasser oder Eis in den Strahlengang
gebracht.
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In einer vorteilhaften Anordnung
werden die bildgebenden IR Flächen-Array-Detektoren
mit 4 Interferenzfiltern mit den in
2 eingezeichneten spektralen
feststehenden Durchlassbereichen versehen wobei die spektralen Informationen,
wie in
DE 19506550
A1 beschrieben, hier aber ortsaufgelöst und bildhaft mit einer Software
(z.B. matlab) ausgewertet werden. Die Filter werden mittels Strahlenaufteilung
oder mittels eines rotierenden Filterhalters schnell abwechselnd
in den Strahlengang gebracht. Aus der Höhe der Absorptionsbande (Lichtschwächung im
betrachteten IR Bandpass Bereich wird mittels der empirischen Kubelka-Munk-Gleichung
nach Kalibrierung auf die Schichtdicke der Eis- oder Wasserschicht
im Millimeterbereich geschlossen. Bei diesen Wellenlängen erscheinen
wegen der spezifischen Absorption von IR Strahlung an den Stellen, wo
sich Wasser oder Eis auf den digitalisierten Bildern befinden, dann
dunklere Flecken als sich die benachbarte Oberfläche ohne diese molekülspezifische Absorption
in Reflexion darstellt. Der schematische Aufbau einer solchen Bildauswertung
ist in
3 dargestellt.
Durch die Bildbearbeitungs-Software Entwicklungen der Bildsubtraktion
oder Kontraststeigerung werden allein oder in Kombination mit chemometrischer
Software feinere Unterschiede in der Pixelbelichtung entscheidend
besser sichtbar und in frei wählbaren
Fehlfarben dargestellt. Die
4 verdeutlicht,
wie hinter jedem Pixel (Einzel-IR-Mikro-Detektor im μm Bereich)
der IR Flächenarray
Detektoren bei einem schnellen Wellenlängen-Scan ein komplettes IR
Spektrum und eine dreidimensionale Information entsteht, die zur
genauen chemischen Identifizierung der dort abgebildeten Stoffoberfläche zur Verfügung steht.
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In einer weiteren vorteilhaften Anordnung werden
inzwischen entwickelte, wellenlängenmodulierte,
variable optische IR Filter auf mindestens einem Wendepunkt einer
Absorptionsbanden-Flanke benutzt. Bei Anwesenheit von Eis oder Wasser
sind letztere (Schichtdicken-abhängig)
mehr oder weniger steil, so dass bei periodischen Wellenlängen-Bandpass
Verschiebungen Schichtdicken-proportionale Intensitätsschwankungen
des diffus reflektierten IR-Lichtes entstehen, aus deren absolute
Intensitätslage
verglichen zum allgemeinen nicht-selektiv ausgewählten Wellenlängenbereich
und aus deren Amplitude und Phasenlage die Anwesenheit und Dicke von
Wasser- und Eisoberflächenschichten
auch rein elektronisch ermittelt werden kann. Dazu reicht bereits
ein einziges, variables Filter auf der längerwellenlängigen Seite der Wasserabsorptionsbande
zusammen mit einer Trendanalyse aus, denn nach
2 verschiebt sich diese Flanke bei einer
Eisbildung um ca. 50 nm zum Bereich längerer Wellenlängen. Wenn
sich die in der
2 eingezeichnete rechte
Wasser-Absorptionsbandenflanke bei der Eisbildung und einem feststehenden
Bandpass-Modulationsbereich des optischen IR Filters aus dem Bandpass
Bereich entfernt, nimmt die Lichtintensitätsmodulation analog wie bei
einer flacher verlaufenden Verstärker-Kennlinie
ab, um bei der zentralen Absorptionswellenlänge ein Minimum zu erreichen
und um nach dem Passieren der nunmehr Eis darstellenden zentralen
Absorptionsbande mit anderer Phasenlage wieder anzusteigen. Dies
ermöglicht
eine schnelle elektronische Überwachung
einer Eisbildung. Als Alternative zu AOTF und variablen Flüssigkristall
Filtern können
nach
DE 3617123 auch
einfache Interferenzfilter bei unterschiedlichen Bestrahlungswinkeln
dazu verwendet werden. Letzteres verschiebt ebenfalls den Bandpassbereich.
Besonders einfach lassen sich die elektrisch modulierbaren Flüssigkristallfilter
ohne bewegliche Teile in den Strahlengang einer Wärmekamera
bringen.
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In einer anderen vorteilhaften Anordnung von
Wärmebildkamera
(oder eines bildgebenden NIR, IR, FIR Detektor-Arrays) und geeigneter
Filter zur zuverlässigen
und selektiven Detektion von Eis- oder Wasserschichten auf Straßenoberflächen wird die
Verwendung der nicht variierbarer Filter bezüglich der Empfindlichkeit dadurch
verbessert, dass die betreffenden Wellenlängenfenster abwechselnd in
den Strahlengang gebracht werden, so dass sie einmal neben der Absorptionsbande
und danach genau im Zentrum der betreffenden Absorptionsbande die Lichtmessung
erlauben. Daraus folgende periodische Helligkeits- bzw. Intensitätsunterschiede
auf dem Detektor-Array bei Anwesenheit von Wasser oder Eis werden
frequenz- und phasenselektiv elektronisch vom Untergrund herausselektiert
und bildlich dargestellt. Die 5 zeigt
schematisch den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung, die dazu
geeignet ist, gefährliche
Wasser- oder Eisschichten auf Straßenoberflächen räumlich aufgelöst darzustellen.
Im NIR Bereich reichen dazu die üblichen
Halogenscheinwerfer aus. Natürlich
sind auch andere konstruktive Vorrichtungsaufbauten denkbar, die
aber alle auf das Prinzip dieses ortsaufgelösten „chemischen Sehens" dessen Anwendung
zum Nachweis verschiedenster vereister Oberflächen (Straßen, Helikopter Rotoren, Flugzeugflügeln usw.)
erfindungsgemäß ist, beruhen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anwendung
von abbildenden zweidimensionalen Detektor-Arrays oder NIR-IR-FIR
Wärmekameras
mit einem zusätzlichen,
molekülselektivem
optischen Filter mit einem Durchlassbereich entsprechend der Wellenlänge der
Absorptionsbanden von Wasser und Eis ist die automatische Kompensation
von Sonnenlichtvariationen. Selbst wenn bei Wolkenabdeckung Strahlung
bei der Wellenlänge
der Wasser Absorptionsbanden im Sonnenlicht geschwächt die
Objektoberfläche
erreicht und bei den nicht abbildenden Methoden eine Wasserschicht
vortäuschen,
so trifft dieses Licht auch auf nicht mit Wasser bedeckte Oberflächen, die
dann Bezugspunkte bilden und durch eine Bildsubtraktion eine Korrektur
erlauben. Beim Betrachten der Oberfläche mit einer IR-Absorptionsbande
erscheinen wasserbedeckte Flecken wegen der Absorption in Reflexion
dunkler (weniger reflektiertes IR Licht) als nichtbedeckte Oberflächenstellen.
Analoges gilt für
Eis, wenn die zu prüfende
Oberfäche
mit ausgewählten
Absorptionswellenlängen des
Eises beobachtet wird. Zur Korrektur von Schattenbildungen, die
bei allen Wellenlängen
gleich ablaufen, werden IR-Oberflächenbilder
von anderen Wellenlängen
außerhalb
der Bereiche der Wasser- oder Eis-Absorption ausgewählt oder
auch über
den gesamten spektralen Empfindlichkeitsbereich der Kamera. Diese
IR Bilder oder Filmsequenzen werden analog der Wolkeninterferenz
durch eine Bildbearbeitungssoftware mit denen, bei einer Wasser-
oder Eis-Absorptionswellenlänge
aufgenommenen verglichen. Wasser- oder Eisflecken erscheinen dabei
in Reflexion dunkler als unbedeckte Oberflächen. Diese Stellen können mit
bekannter Bildbearbeitungssoftware dann ich unterschiedlichen Fehlfarben
zur leichteren Erkennung dargestellt werden.
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In einem weiteren vorteilhaften Aufbau
wird ein durch eine geeignete Abbildungsoptik verkleinertes Abbild
der zu prüfenden
Oberfläche
wie bei einem Zwei-Strahl-Spektral-Photometer einmal durch ein Filter
mit einer Absorptionswellenlänge
von Wasser oder Eis und parallel dazu durch ein Filter mit einer Referenzwellenlänge, bei
der weder Wasser noch Eis eine IR Absorption zeigt, geleitet. Dies
kann bekanntlich, dem Stand der Technik entsprechend, mittels rotierender
Umlenkspiegel oder mittels eines halbdurchlässigen Spiegels erfolgen. Durch
die Verwendung eines weiteren halbdurchlässigen Spiegels nach dem ersten
lässt sich
der Strahlengang weiter aufteilen, sodass Wasser- und Eisfilter
sowie die Referenzpunkte simultan einsetzbar werden, wenn beide
physikalischen Zustände
interessieren sollten. In einer weiteren Version werden Strahlengang
Aufspaltungen mittels gegabelter fiberoptischen Lichtleitfasern
durchgeführt,
wobei hier keine beweglichen Teile notwendig werden.
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In einer weiteren bevorzugten Anordnung
erlaubt auch ein preiswertes, lineares (eindimensionales), IR empfindliches
Detektor-Array mit einer geeigneten Abbildungsoptik eine bildhafte
Darstellung. Dazu wird die abzubildende Oberfläche zunächst optisch vertikal oder
horizontal zu einer in einer Richtung verzerrten balkenförmigen Darstellung „gestaucht" und danach dieses
schmale Balkenbild entlang eines linear variablen Interferenzfilters
(Interferenzverlaufsfilter) bewegt. Auf diese Weise entstehen nach
dem Filterdurchgang zahlreiche gestauchte Balkenbilder der zu prüfenden Oberfläche, die
nur einen begrenzten Wellenlängenbereich
umfassen. Nach einer optischen Entzerrung liegen so spektral selektierte
Abbildungsserien der Oberfläche
vor, die denen entsprechen, die mit einem Detektorarray und spektral
abstimmbaren Filtern aufgenommen werden. Daher wird hierbei die
gleiche Bildbearbeitungs- bzw. Chemometrie-Software verwendet. Die
Relativbewegung entlang des Interferenzverlaufsfilters (Wellenlängen Scan)
wird mittels oszillierender oder rotierender Spiegel erreicht.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen speziellen
Anwendungsanordnung wird das Prinzip der negativen optischen Filterung
benutzt, wobei auf optische Filter ganz verzichtet wird. Hierbei
werden die Reflexionsbilder der auf Wasser oder Eis zu prüfenden Oberfläche nach
geeigneter IR Beleuchtung und Abbildungsoptik mittels Strahlenteilung
anstelle durch optische Filter durch Küvetten geeigneter optischer
Weglänge
geleitet bevor sie das Detektor-Array erreichen. Diese Küvetten sind
mit Wasser bzw. Eis gefüllt.
Die Schichtdicke wird so gewählt,
dass unter Berücksichtigung
der IR Lichtquelle mindesten eine Absorptionsbande dieser Stoffe
im Empfindlichkeitsbereich der Detektoren weit unter 50 % Transmission
fällt.
Durchstrahlt das abgebildete Oberflächen-Reflexionslicht diese
Küvetten
so, werden im Allgemeinen alle Wellenlängen von Wasser- bzw. Eis-IR-Absorptionsbanden
in diesem Strahlengang ausgeblendet (negative Filterung). Das heißt, diese digitalen
Bilder der diffusen Reflexion einer zu prüfenden Oberfläche stellen
letztere ohne diese stoffspezifischen Wellenlängen dar. Bei einem Vergleich
dieser digitalen Bilder mit denen, ohne die aufgenommene Strahlung
durch diese Küvetten
zu leiten, erscheinen wasser- oder eisbedeckte Oberflächenpositionen
selektiv heller als ihre Umgebung, weil die IR Bandenabsorption
bei der diffusen Reflexion selten zu einem Transmissionsgrad in
der Gegend von 0 % führt.
Bei der digitalen Differenzbildung der digitalen Oberflächenbilder
treten dann nur bei den Positionen mit Wasser- oder Eisbedeckung
Intensitätsunterschiede
auf, die verstärkt
und mittels eindeutiger Fehlfarben optisch gut dargestellt werden können. Diese
nicht dispersive Anordnung erfordert bei Echtzeit Wiedergabe ebenfalls
eine zeitlich rasch wechselnde Strahlenführung (mit bzw. ohne Küvetten Durchleitung).
Mit dieser Frequenz fallen dann auch die Helligkeitsunterschiede
bei den Differenzbildern an.
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Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung
betrifft die Art und Weise der Warnung vor dem Gefahren durch Aqua-Planing oder Eisstellen
auf Oberflächen.
In einer einfachen Version wird nur ein Echtzeit Kamerabild der
zu überprüfenden Oberfläche auf
einem Bildschirm dargestellt, bei dem aber die gefährlichen
Stellen ortsaufgelöst
mit Fehlfarben hervorgehoben werden. Die Intensität der ausgewählten Farben
steht dann für
die Schichtdicke. In einer weiteren Ausführungsform als Kraftfahrzeugwarnsystem
wird dieses Bild oder nur die gefährlichen Stellen auf die Windschutzscheibe
projiziert damit der Fahrer u.U. diesen Stellen noch ausweichen
kann. Die Methoden der Bildbearbeitungssoftware werden erfindungsgemäß auch dazu
benutzt, den Weg der Räder
in Bezug auf die gefundenen Gefahrenstellen automatisch zu berechnen,
so dass nur bei einem möglichen Überqueren
dieser Stellen mit einer zu hohen Geschwindigkeit ein klares Warnsignal
ohne visuelle Ablenkung des Fahrers gegeben wird. Erfindungsgemäß ist auch
eine automatische Geschwindigkeitsreduzierung eines Straßenfahrzeuges
möglich.
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1:
Transmissionsspektrum der Erdatmosphäre vom ultravioletten (UV)
bis zum fernen Infrarot (FIR) mit den unterschiediichen, angezeigten Absorptionsbanden
von Wasserdampf sowie CO2 und Ozon (nicht
angezeigt).
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2:
Diffuses Refexionsspektrum im nahen Infrarot (NIR) zwischen 800
und 11 Nanometer; 1 = (unterbrochene Kurve) Wasserspektrum
im Reflexionsgradbereich zwischen 18 und 23 % (linke Ordinatenskala); 2 =
(durchgezogene Kurve) Eis- bzw. Schneespektrum im Reflexionsgradbereich
zwischen 42 und 54 % (rechte Ordinatenskala); 3,4,5,6 = Durchlassbereiche
gängiger
Interferenzfilter zur traditionellen (nicht ortsaufgelösten) Auswertung
zur Berücksichtugung
unterschiedlichster Oberflächenhintergründe; schwarze
Pfeile: erfindungsgemäße Lichtdurchlassbereichsverschiebung
durch variable Filter in schematischer Darstellung → Fußpunkt der Pfeile
entspricht der Wasserabsorption (Wasser wird dunkler als wasserfreie
Umgebung dargestellt), Pfeilspitze entspricht der Eisabsorption
(Eis wird dunkler als eisfreie Umgebung dargestellt).
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3:
Schematische Darstellung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Aufbaus
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- 1 = diffus von der zu überprüfenden Oberfläche reflektiertes
Licht
- 2 = Eingangsoptik
- 3 = variables optisches Filter
- 4 = IR empfindliches Sensorarray (CCD oder Ähnliches)
- 5 = Signalvorverstärkung
- 6 = Digitalisierung und μ-Prozessor mit Software-gesteuerter
Differenzbildgebung
- 7 = Bildschirm mit ortsaufgelöster Darstellung von Wasser
oder Eis in Fehlfarben
- 4,5,6,7 = integriert in
Wärmebildkamera
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4:
Schematische Darstellung eines "chemischen
Sehens°
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- 1 = Sensorarray (z.B. CCD), hier beispielhaft nur
5 x 5 Pixel (erzeugt Abbildung);
- 2 = Komplettes Reflexionsspektrum eines auf dem angewählten Pixel
abgebildeten Teil eines Gegenstandes durch Zeit-versetztes Abfragen
des CCD Arrays (= Wellenlängen
Scan) betreffend der auftreffenden Lichtintensität;
- Abszisse zeigt schematisch, wie ein zeitlich moduliertes optisches
Filter vor einer Kamera unterschiedliche Spektralbereiche passieren
lässt;
- t = Zeitverlauf im Mikro- oder Millisekundenbereich;
- λ =
Wellenlängenbereich,
der Zeit-versetzt auf den angewählten
Pixelpunkt fällt
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5:
Schematische Darstellung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Aufbaus
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- 1 = Lichtquelle {z.B. Halogenscheinwerfer mit ausreichendem
NIR Anteil)
- 2 = Optik (eine oder mehrere Linsen)
- 3 = zu überprüfende Oberfläche
- 4 = gegabelter Lichtleiter
- 5 = optisches Filter mit variablen Durchlässigkeitsbereich
- 6 = IR-sensitives Sensor-Array (z.B. CCD)
- 7 = elektronische Verstärkung und μ-Prozessor