EP4069072A1

EP4069072A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontaktfreien bestimmung von zeitlichen farb- und intensitätsveränderungen bei objekten

Info

Publication number: EP4069072A1
Application number: EP20815781.8A
Authority: EP
Inventors: Jan Sperrhake; Thomas Pertsch; Maria Nisser; Michal RAPCZYNSKI; Ayoub Al-Hamadi; Chen Zhang; Gunther Notni
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg; Universitaetsklinikum Jena; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg; Universitaetsklinikum Jena; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-10-12
Also published as: US12053267B2; DE102020108064A1; US20220409078A1; WO2021110531A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontaktfreien Bestimmung von zeitlichen Färb- und Intensitätsveränderungen bei Objekten in einer Szene, beispielsweise in Sportzentren oder Krankenhäusern, aber auch von Pflanzen. Zur Überwachung des Gesundheitszustandes oder zur Leistungsdiagnostik bei Sportlern sind im Stand der Technik eine Reihe von Verfahren bekannt, die jedoch überwiegend auf Kontakt zu den Personen angewiesen sind. Die Färb- und Intensitätsveränderungen beziehen sich auf Licht bestimmter Wellenlängen, das entweder das Objekt selbst aktiv abstrahlt, beispielsweise eine LED, oder das von dem Objekt bei Beleuchtung teilweise absorbiert oder geschwächt wird und daher nicht vollständig zurückgestrahlt wird. Unter dem Begriff „Farbveränderungen" werden dabei im Wortsinn in der Regel Änderungen in der Wellenlänge bezeichnet, d.h. beispielsweise die Verlagerung eines Reflexionsmaximums oder Transmissionsmaximums innerhalb enger Wellenlängenbereiche. Unter dem Begriff „Intensitätsveränderungen" werden in der Regel Veränderungen in der maximalen Reflexion oder Transmission bei einer konstanten Wellenlänge bezeichnet. Im Bereich sportlich-medizinischer Anwendungen versteht man unter „Farbveränderungen" allerdings ebenfalls Intensitätsveränderungen, weil diese subjektiv und nur scheinbar durch Änderung der Helligkeit eine Farbveränderung hervorzurufen scheinen, was aber tatsächlich für eine einzelne Farbe bzw. Wellenlänge nicht der Fall ist, sondern nur für den Gesamteindruck, den die Mischung aller Farben bzw. Wellenlängen hervorruft: Ändert sich die Intensität einer Schwerpunktfarbe, so entsteht für einen Betrachter insgesamt in der Farbmischung der einzelnen Wellenlängen ein anderer farblicher Gesamteindruck. Als Beispiel sei hier Gelbsucht bei Menschen, insbesondere Neugeborenen angeführt: Die höhere Konzentration von Bilirubin im Blut führt zu einer verstärkten Reflexion im Wellenlängenbereich zwischen (420) nm und (450) nm und damit zu der deutlichen gelberen Farbwahrnehmung der Haut als bei gesunden Menschen.

Description

Titel

Verfahren und Vorrichtung zur kontaktfreien Bestimmung von zeitlichen Färb- und Intensitätsveränderungen bei Objekten

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontaktfreien Bestimmung von zeitlichen Färb- und Intensitätsveränderungen bei Objekten in einer Szene, beispielsweise in Sportzentren oder Krankenhäusern, aber auch von Pflanzen. Zur Überwachung des Gesundheitszustandes oder zur Leistungsdiagnostik bei Sportlern sind im Stand der Technik eine Reihe von Verfahren bekannt, die jedoch überwiegend auf Kontakt zu den Personen angewiesen sind. Die Färb- und Intensitätsveränderungen beziehen sich auf Licht bestimmter Wellenlängen, das entweder das Objekt selbst aktiv abstrahlt, beispielsweise eine LED, oder das von dem Objekt bei Beleuchtung teilweise absorbiert oder geschwächt wird und daher nicht vollständig zurückgestrahlt wird. Unter dem Begriff „Farbveränderungen“ werden dabei im Wortsinn in der Regel Änderungen in der Wellenlänge bezeichnet, d.h. beispielsweise die Verlagerung eines Reflexionsmaximums oder Transmissionsmaximums innerhalb enger Wellenlängenbereiche. Unter dem Begriff „Intensitätsveränderungen“ werden in der Regel Veränderungen in der maximalen Reflexion oder Transmission bei einer konstanten Wellenlänge bezeichnet. Im Bereich sportlich-medizinischer Anwendungen versteht man unter „Farbveränderungen“ allerdings ebenfalls Intensitätsveränderungen, weil diese subjektiv und nur scheinbar durch Änderung der Helligkeit eine Farbveränderung hervorzurufen scheinen, was aber tatsächlich für eine einzelne Farbe bzw. Wellenlänge nicht der Fall ist, sondern nur für den Gesamteindruck, den die Mischung aller Farben bzw. Wellenlängen hervorruft: Ändert sich die Intensität einer Schwerpunktfarbe, so entsteht für einen Betrachter insgesamt in der Farbmischung der einzelnen Wellenlängen ein anderer farblicher Gesamteindruck. Als Beispiel sei hier Gelbsucht bei Menschen, insbesondere Neugeborenen angeführt: Die höhere Konzentration von Bilirubin im Blut führt zu einer verstärkten Reflexion im Wellenlängenbereich zwischen 420 nm und 450 nm und damit zu der deutlichen gelberen Farbwahrnehmung der Haut als bei gesunden Menschen.

Stand der Technik Um beispielsweise eine Leistungsdiagnose bei Sportlern vorzunehmen, werden von einer zu untersuchenden Person ein Elektrokardiogramm (EKG) zur Bestimmung der Herzfrequenz und der Herzratenvariabilität sowie das Verfahren der Photoplethysmographie (PPG) zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung verwendet. Beide Verfahren sind kontaktbasiert, gelten jedoch aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit, Objektivität und Validität als Gold- Standardverfahren. Ihr großer Nachteil liegt zum einen darin, dass es sich um kontaktbasierte Methoden handelt, d.h. immer nur eine Person gleichzeitig beobachtet werden kann und zudem speziell geschultes Fachpersonal für das exakte Anlegen und Aufbringen der für die Messung notwendigen Elektroden zwingend nötig ist. Beispielsweise muss die Haut durch Desinfektion und gegebenenfalls durch Rasur vorbereitet werden; für die Platzierung der Elektroden sind anatomische Kenntnisse erforderlich. Der zeitliche Aufwand ist zudem beträchtlich, um die Vergleichbarkeit der gewonnenen Daten zu gewährleisten. Ein weiterer Nachteil entsteht durch die Notwendigkeit der kontaktbasierten Elektroden, die direkt auf die Haut aufgebracht werden müssen. Die Messung der betreffenden Person muss somit in einem geschlossenen Umfeld durchgeführt werden, um die Privatsphäre zu schützen. Zwar lassen sich EKG und PPG durch Multisensor-Systeme gekoppelt und gemeinsam messen, solche Systeme sind jedoch stets nur einer einzigen Person zugeordnet.

Auch für die Überwachung des Gesundheitszustandes von Patienten in einem Krankenhaus werden kontaktbasierte Systeme wie das EKG und das PPG verwendet. Gerade im Krankenhaus, wo es wünschenswert wäre, mehrere Personen gleichzeitig zu überwachen, liegt in dieser kontaktbasierten Methode ein Nachteil, da zur Erfassung mehrerer Personen zeitgleich mehrere Systeme vorgehalten und parallel betrieben werden müssten. Die Anschaffungskosten sind entsprechend hoch.

Andererseits sind im Stand der Technik auch kontaktfreie Messmethoden bekannt, welche jedoch nicht dafür eingesetzt werden, den Leistungs- oder Gesundheitszustand von Personen zu erfassen. Beispielsweise erfolgt die Untersuchung von Böden und Pflanzenbeständen bei der Erdbeobachtung aus der Luft oder per Satellit, wozu übliche Spektrometer verwendet werden, die ein Bild aufgeschlüsselt in viele Wellenlängen wiedergeben. Die Auswertung solcher Daten ist insbesondere dann mit einem besonders hohen Aufwand verbunden, wenn es um spezielle spektrale Eigenschaften geht, die beispielsweise als Indikator für den Zustand oder die Belastung von Wäldern oder Ackerböden dienen. Eine Aufschlüsselung nach Tiefeninformationen, die beispielsweise erkennen ließen, ob der Waldboden oder die Baumwipfel vermessen werden, ist bei dieser Vorgehensweise nicht vorgesehen.

Es hat sich herausgestellt, dass bestimmte Vitalparameter wie der Puls und der Blutsauerstoffgehalt auch kontaktfrei gemessen werden können: Anhand von leichten Färb- und Intensitätsveränderungen in der Haut, welche sich aus der Reflexion und Absorption bestimmter Wellenlängen des Hämoglobins im Blut und dessen periodisch schwankende Füllung in Gefäßen an diversen Hautstellen ergeben, lassen sich diese Parameter bestimmen.

Die zeitliche Analyse von Farbschwankungen wird jedoch bisher hauptsächlich bei der Charakterisierung der Stabilität von Leuchtdioden eingesetzt. Hierzu werden sogenannten nanooptische Filter verwendet, die aufgrund speziellen Wechselwirkungsmechanismen Licht bestimmter Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche filtern können. Solche nanooptischen Elemente werden beispielsweise in einem Artikel von S. Junger et al. „Multispectral CMOS sensors with on-chip nanostructures for wavelength monitoring of LED devices”, erschienen in Proceedings of SPIE (8641 ), Seite 86411 B (2013), beschrieben. Die nanooptischen Filter werden dabei vor die Kamera gesetzt, um durch Austauschbarkeit eine einfache Anpassung an andere Wellenlängen zu ermöglichen, wenn beispielsweise andere LED vermessen werden sollen. Es handelt sich hierbei um rein statische, zweidimensionale Messungen auf kleinstem Raum.

Es gibt jedoch zahlreiche Situationen, in denen die gleichzeitige Überwachung der Vitalparameter mehrerer Personen wünschenswert ist, jedoch aufgrund der oben genannten Einschränkungen insbesondere bei kontaktbasierten Messmethoden nicht durchführbar ist, beispielsweise bei der Leistungsdiagnostik in Sportzentren oder auch bei der Überwachung von Patienten im Krankenhaus, insbesondere auf neonatologischen Stationen. Hier kommt hinzu, dass die Patienten die kontaktbasierte Überwachung als unangenehm empfinden könnten.

Beschreibung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der die kontaktfreie Bestimmung von zeitlichen Färb- und Intensitätsveränderungen bei mehreren Objekten gleichzeitig mit anschließender Analyse erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur kontaktfreien Bestimmung von zeitlichen Färb- und Intensitätsveränderungen bei Objekten - insbesondere auch gleichzeitig bei mehreren Objekten - in einer Szene gelöst, welches im Folgenden beschrieben wird. Bei der „Szene“ kann es sich beispielsweise um einen geschlossenen Raum in einem Sportzentrum oder in einem Krankenhaus handeln, aber auch um ein größeres Areal im Freien, beispielsweise ein Fußball oder Baseballfeld. Der Begriff „Objekt“ umfasst alles, bei dem die Messung zeitlicher Färb- und Intensitätsveränderungen Aufschluss über den Zustand des Objektes geben können, beispielsweise Leuchtdioden oder Pflanzen, insbesondere jedoch Personen, die sich in der Szene auch frei bewegen können. Die Objekte sind in der Szene verteilt und Ziel ist es, die interessierenden Färb- und Intensitätsveränderungen in bestimmten Bereichen aller Objekte gleichzeitig zu messen und anhand der Färb- und Intensitätsveränderungen Rückschlüsse auf spezifische Parameter, die den Zustand der Objekte beschreiben, zu ziehen.

Dazu wird zunächst eine stereoskopische Übersichtskarte der Szene erzeugt, indem ein erstes monoskopisches Übersichtsbild der Szene aus einer vorgegebenen ersten Blickrichtung und ein zweites monoskopisches Übersichtsbild aus einer vorgegebenen zweiten Blickrichtung in einem ersten Spektralbereich detektiert werden. Die erste und die zweite Blickrichtung sind voneinander verschieden, ihre Lage zueinander bekannt. Die beiden monoskopischen Übersichtsbilder werden zu der stereoskopischen Übersichtskarte verrechnet, aus der dann schließlich die räumlichen Positionen von zu vermessenden Objekten bestimmt werden. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dazu eine erste und eine zweite Übersichtskamera vorgesehen. Die beiden Kameras detektieren jeweils den gleichen Wellenlängenbereich oder die gleiche Wellenlänge und sind unter einer festen, vorgegebenen ersten bzw. zweiten Blickrichtung auf die Szene ausgerichtet. Vorzugsweise schneiden sich die Blickrichtungen in einem Punkt in oder hinter der Szene, so dass anhand dieses Punktes und einer Bezugsachse Blickwinkel festgelegt werden können. Die Informationen, die mit den Übersichtskameras detektiert werden, sind unabhängig von den zeitlichen Färb- und Intensitätsveränderungen, die detektiert werden sollen, dienen jedoch dazu, die Lage und gegebenenfalls auch die Bewegung und Bewegungsrichtung von Objekten in der Szene zu identifizieren. Je schneller sich ein Objekt bewegt, desto mehr Übersichtsbilder müssen aufgenommen und Übersichtskarten berechnet werden, sofern keine näherungsweise Bestimmung der Bewegung möglich ist.

In einem zweiten Schritt wird ein zweidimensionales Detailbild aus einer vorgegebenen dritten Blickrichtung, deren Lage in Bezug auf die erste und zweite Blickrichtung bekannt ist, in einem zweiten Spektralbereich detektiert. Die dritte Blickrichtung kann von der ersten und zweiten Blickrichtung verschieden sein, was die Verrechnung ggf. erleichtert. Sie kann aber auch einer der beiden Blickrichtungen entsprechen. Beispielsweise kann eine Kamera sowohl für ein Übersichtsbild als auch für ein Detailbild verwendet werden. Die Aufnahme des zweidimensionalen Detailbildes erfolgt vorzugsweise simultan mit der Aufnahme der Übersichtsbilder, so dass die Bildinhalte einen identischen Moment abbilden, oder unmittelbar vor oder nach deren Aufnahme, wenn sich beispielsweise das Objekt nicht bewegt. Zur Aufnahme wird eine Detailkamera verwendet, welche aus der dritten Blickrichtung auf die Szene gerichtet ist. Das zweidimensionale Detailbild wird dann auf die stereoskopische Übersichtskarte projiziert. Anhand von Messkriterien, die in Abhängigkeit von Parametern, auf die aus den Färb- und Intensitätsveränderungen Rückschlüsse gezogen werden sollen, vorgegeben sind, werden Messflächen als interessierende Bereiche in der Szene ausgewählt. Dies erfolgt - ebenso wie die Verrechnung der zwei monoskopischen Übersichtsbilder zur stereoskopischen Übersichtskarte - in einer dazu ausgebildeten Recheneinheit. Die Lage aller drei Blickrichtungen zueinander ist bekannt, sie schneiden sich vorzugsweise in einem Punkt im hinteren Bereich der Szene oder hinter der Szene. Da die Lage der Kameras zueinander bekannt ist, lässt sich eine geometrische Kalibrierung der Lage der Detailkamera in Bezug auf die Lage der Übersichtskameras vornehmen. Anhand dieser Kalibrierung lassen sich dann Transformationsmatrizen für eine eineindeutige Transformation der räumlichen Bilddaten des stereoskopischen Bildes auf die zweidimensionalen Bilddaten des Detailbildes und umgekehrt ermitteln. Durch die Projektion des zweidimensionalen Detailbildes auf die stereoskopische Übersichtskarte lässt sich die Lage von Messflächen, welche auch als interessierende Bereiche (ROI - regions of interest) bezeichnet werden, unter Berücksichtigung ihrer Lage und ggf. Verzerrung im Raum, festlegen. Auf diese Weise lassen sich optimale Messbereiche definieren, beispielsweise Hautstellen bei Personen, an denen aufgrund einer guten Durchblutung eine besonders starke Farbveränderung messbar ist, wie die Stirn, der Hals oder die Handgelenke.

Für die Aufnahme des Detailbildes ist es vorteilhaft, eine Detailkamera zu verwenden, welche eine sehr hohe Auflösung aufweist, insbesondere eine Auflösung, die höher als die der Übersichtskameras ist, damit die Messflächen möglichst genau identifiziert werden können. Für die Aufnahme des Übersichtsbildes reicht in der Regel eine etwas geringere Auflösung, da die dreidimensionalen Strukturen, die durch Punkte und Vektoren beispielsweise als Gitter dargestellt werden können, in der Regel Ausdehnungen aufweisen, die sich über einen größeren Bereich von Pixeln erstrecken. Beispielsweise lassen sich Übersichtskameras mit einer Auflösung von 832 x 632 Pixeln und Detailkameras mit einer Auflösung von 1280 x 1024 Pixeln verwenden; mit diesen Auflösungen lassen sich gerade in geschlossenen Räumen gute Ergebnisse erzielen. Je detailreicher eine Szene ist, desto höher sollten die Auflösungen der Kameras gewählt werden. Übersichtskameras mit höherer Auflösung lassen sich jedoch verwenden, um ggf. weitere Parameter bestimmen zu können. Sind alle Kameras identisch mit identischer Auflösung, kann die Auswertung u.U. vereinfacht werden.

Nach Festlegung der Messflächen wird aus einer vierten Blickrichtung, deren Lage in Bezug auf die anderen drei Blickrichtungen ebenfalls bekannt ist, von den Messflächen in mindestens einem in Abhängigkeit von den Messkriterien vorgegebenen Messspektralbereich abgestrahltes Licht orts- und wellenlängenaufgelöst in einer kontinuierlich aufgenommenen Serie von Messbildern detektiert. Dazu wird eine entsprechende Messkamera verwendet. Vorteilhaft weist die Messkamera, bzw. der Flächendetektor zur Registrierung der Bilddaten dieser Kamera die gleiche Auflösung auf wie die Detailkamera - also beispielsweise 1280 x 1024 Pixel, da auf diese Weise eine pixelweise Zuordnung der Messflächen erleichtert wird. Die Detektion erfolgt ortsaufgelöst, d.h. mittels eines Flächendetektors, beispielsweise einem CMOS-Sensor. Die Detektion erfolgt aber - wenn mindestens zwei Messspektralbereiche vorgegeben sind, auch wellenlängenaufgelöst, womit gemeint ist, dass die Spektralbereiche unabhängig voneinander auf demselben Flächendetektor detektiert werden.

Dadurch, dass nur Bilddaten in den Messflächen registriert und anschließend ausgewertet werden müssen, lässt sich der Datenstrom wesentlich reduzieren. Die Bildrate, d.h. die Anzahl der Bilder, die pro Sekunde aufgenommen werden ( frame rate) hängt davon ab, welche Art von Objekten vermessen werden sollen und wie stark sich die Objekte in der Szene bewegen. Werden beispielsweise statische Objekte wie Pflanzen aus einer statischen Position über einen längeren Zeitraum beobachtet, so erfolgen hier Farbänderungen eher über einen längeren Zeitraum. In diesem Fall reicht es beispielsweise aus, im Abstand von mehreren Minuten, Stunden oder Tagen Bilder aufzunehmen, wobei dann in der Regel gleichzeitig auch wieder eine Übersichtskarte und ein Detailbild erzeugt werden, um eventuelle Lageänderungen kompensieren zu können. Bei Neugeborenen hingegen wird man eine Bildrate von mindestens 15 oder 20 Bildern pro Sekunde wählen, um eine hohe Pulsrate, d.h. die Anzahl der Herzschläge pro Minute, korrekt erfassen zu können. Ähnlich wird man bei Sportlern verfahren, wobei hier in der Regel auch immer wieder zwischen zwei Serien von Messbildern neue Übersichtskarten und Detailbilder erzeugt werden müssen, da sich die Sportler in der Regel schneller bewegen. Die Anzahl der Übersichtskarten und Detailbilder kann reduziert werden, wenn zwischen der Aufnahme von zwei solchen Datensätzen zu verschiedenen Zeitpunkten die Objekte hinsichtlich einer Bewegung analysiert werden und auf diese Weise auch eine Verlagerung der Messflächen prognostiziert werden kann. Andernfalls werden nahezu kontinuierlich Übersichtskarten und Detailbilder bestimmt sowie Messbilder von jeweils aktualisierten Messflächen aufgenommen, wobei die Bildrate, mit der die Messbilder aufgenommen werden, letztlich die Bildrate des Gesamtsystems bestimmt, da eine höhere Bildrate für andere Kameras nur zu einem nicht verwertbaren Überschuss an Informationen führen würde. Alle Kameras sind bevorzugt in der Lage, mit derselben maximalen Bildrate wie die Messkamera aufzunehmen.

Durch die Verwendung einer stereoskopischen Übersichtskarte lässt sich die Zuverlässigkeit der Messungen erhöhen, da die räumliche Lage der Messobjekte in der Szene berücksichtigt werden kann und entsprechende Korrekturen im Bild vorgenommen werden können. Durch die Projektion des zweidimensionalen Detailbildes lassen sich erfasste Messflächen auf den Objekten gegen perspektivische Verzerrungen korrigieren. Ebenfalls können auf diese Weise verfälschte Messdaten oder solche mit geringer Zuverlässigkeit ( reliability ) ausgeschlossen werden. Insgesamt verbessert sich auf dieser Weise die Sicherheit der Messung. Mit Hilfe der Projektion kann außerdem die genaue Position gemessener Signale, d.h. der reflektierten Farben, bestimmt werden, was bei der Beobachtung einer Gruppe sich bewegender Objekte vorteilhaft ist. Die Messung erfolgt dabei nur für Wellenlängen in mindestens einem in Abhängigkeit von den Messkriterien - letzten Endes also in Abhängigkeit von den Parametern, auf die Rückschlüsse gezogen werden sollen - vorgegebenen Messspektralbereich. Handelt es sich nur um eine einzige Wellenlänge, die überwacht werden muss, so kann ein entsprechender Filter, der nur Licht in dem vorgegebenen Messspektralbereich durchlässt, der Messkamera im Strahlengang vorgeschaltet werden. Der vorgegebene Messspektralbereich kann dabei - in Abhängigkeit von den Parametern, auf die Rückschlüsse gezogen werden sollen - sehr eng gewählt werden und nur eine Wellenlänge hindurchlassen, wenn z.B. nur Intensitätsschwankungen untersucht werden, oder aber einen breiteren Wellenlängenbereich, wenn auch Farbschwankungen gemessen werden sollen. Beispielsweise lässt sich der Messspektralbereich auf 420 nm bis 450 nm festlegen, wenn man Patienten mit Gelbsucht überwacht, da in diesem Bereich Bilirubin, welches dann in höherer Konzentration vorhanden ist, reflektiert. Andere beispielhafte Messspektralbereiche liegen zwischen 630 nm und 750 nm für den Bereich der sichtbaren Hb- Bande (Hb - Hämoglobin) und zwischen 800 nm und 940 nm für den Bereich der Hb-Bande im nahen Infrarot.

Im letzten Schritt werden die an den Messflächen detektierten Daten in den Messbildern auf zeitliche Variation der Farbe und/oder Intensität analysiert die Ergebnisse der Analyse werden dann ausgegeben. Dies erfolgt in der Regel mit der Recheneinheit, die dazu ausgebildet ist, in der Serie von Messbildern die zeitliche Variation der Intensität und/oder der Farbe des Lichts in dem mindestens einen Messspektralbereich zu analysieren und die Ergebnisse an eine entsprechende Ausgabeeinheit zu übermitteln. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Monitor handeln, eine Speichereinheit, oder - wenn die Werte kritisch sind - ein Signalgeber, der Bereitschaftspersonal alarmiert.

Beispielsweise lässt sich anhand von zeitlichen Farbschwankungen im nahen Infrarot- Wellenlängenbereich bei einer Wellenlänge von etwa 830 nm in einem Bereich von +/- 50 nm um diese Wellenlänge die Pulsrate eines Sportlers oder eines Neugeborenen ableiten, wobei nur die Werte der Messflächen, die auf freien Hautpartien, wo die Adern in geringer Tiefe verlaufen, angeordnet sind, analysiert werden.

Vorteilhaft ist es aber, wenn mit der Vorrichtung und dem Verfahren auch weitere interessierende Parameter beobachtet werden können, beispielsweise der Sauerstoffgehalt im Blut, wozu Messungen bei einer Wellenlänge von etwa 660 nm notwendig sind: Aus dem Verhältnis der gemessenen Intensitäten beider Wellenlängen lässt sich die relative Sauerstoffsättigung des im Blut gebundenen Hämoglobins messen. Zu diesem Zweck wird das Messbild in mindestens zwei vorgegebenen Messspektralbereichen orts- und wellenlängenaufgelöst detektiert. Um gleichzeitig eine Orts- und Wellenlängenauflösung sowie eine Beschränkung auf die Messflächen für beide Wellenlängen zu erreichen, wird vorteilhaft ein Filterelement verwendet, dass als nanooptische Filtermatrix ausgestaltet ist. Diese ist auf einen flächenförmigen Messsensor, der das von den Messflächen abgestrahlte Licht in der Messkamera detektiert, aufgebracht. Die nanooptische Filtermatrix weist für den Zweck der Detektion zweier Messspektralbereiche zwei Arten von Filterstrukturen auf. Erste Filterstrukturen dienen der Filterung eines ersten Messspektralbereichs und zweite Filterstrukturen der Filterung eines zweiten Messspektralbereichs. Erste und zweite Filterstrukturen sind dabei in der nanooptischen Filtermatrix vorzugsweise schachbrettartig angeordnet. Dabei überdeckt jeder der Filterstrukturen einen größeren Bereich von Pixeln. Die Wirkung der nanooptischen Filterelemente basiert auf dem Phänomen der außerordentlichen optischen Transmission ( extraordinary optical transmission), welches bei der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit periodisch angeordneten Löchern nanoskopischer Größe auftritt. Die spektrale Selektivität lässt sich mittels des Materials - beispielsweise Gold oder Silizium -, der Anordnungsperiode (pitch) der Löcher und des Durchmessers der Löcher festlegen. Sollen noch weitere Messspektralbereiche analysiert werden, so kann eine entsprechend erweiterte Schachbrettstruktur mit drei oder mehr Typen von Filterstrukturen verwendet werden.

Auf diese Weise erfolgt die Messung der ausgewählten Messspektralbereiche bzw.

Wellenlängen jeweils ortsaufgelöst und jeweils aufgelöst nach Wellenlängen bzw. Spektralbereichen, d.h. die Messspektralbereiche werden unbeeinflusst voneinander detektiert, da die unter den Filterstrukturen angeordneten Pixel aufgrund der Filteranordnung entweder nur die eine oder die andere Wellenlänge bzw. den einen oder den andern Messspektralbereich detektieren, also tatsächlich nur die Intensität bei einer Wellenlänge bzw. in einem Wellenlängenbereich unbeeinflusst von der bzw. dem anderen messen. Dass Messsignal wird auf diese Weise bereits vor der endgültigen Auswertung durch die Recheneinheit, d.h. die verwendete Hardware vorbereitet. Im Gegensatz zu Rekonstruktionen aus überlagerten Messungen aus zwei Messspektralbereichen im RGB-Farbraum sind hier keine weiteren Berechnungen nötig und es wird tatsächlich nur die interessierende Farbe / Wellenlänge gemessen. Dadurch wird der Zeitaufwand beim Verarbeiten der Daten durch Software verringert, was die Latenz der Messung verringert und die Echtzeitfähigkeit erhöht. Darüber hinaus wird auch das Ableiten von Parametern aus den Daten genauer, wenn gar keine algorithmisch-numerischen Fehler auftreten.

Die Integration nanooptischer Filtermasken auf einen Bildsensor erleichtert außerdem eine Massenproduktion: Das Aufbringen oder Strukturieren der nanooptischen Filtermatrizen kann im gleichen Herstellungsschritt erfolgen wie das Einsetzen des Kamerasensors. Die Integration der nanooptischen Filterelemente erhöht außerdem die mechanische Robustheit gegenüber Erschütterungen oder Vibrationen des Messsystems und bedeutet eine Komprimierung gegenüber herkömmlichen Systemen, bei denen die Filter vor die Kamera aufgesetzt werden, wie es auch bei der Verwendung von nur einer Wellenlänge möglich ist. Die nanooptischen Filtermatrizen können beispielsweise mittels sogenannten Bondings auf den Kamerasensor aufgebracht werden, d.h. unter Verwendung eines unter UV-Strahlung aushärtenden Klebstoffs mit - im ausgehärteten Zustand - einem Brechungsindex ähnlich dem von Gläsern. Die Filtermatrix kann separat auf Wafern hergestellt, aus diesen ausgesägt und auf einen bestehenden Chip geklebt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Filtermatrizen direkt in den Herstellungsprozess von CMOS-Chips zu integrieren, beispielsweise mittels Elektronenstrahllithographie.

Zur Erhöhung der Genauigkeit der Übersichtskarte lässt sich - insbesondere in geschlossenen Räumen - die Projektion eines Musters auf die Szene einsetzen. Dabei wird zur Erzeugung der stereoskopischen Übersichtskarte ein Muster auf die Szene projiziert, welches in den monoskopischen Übersichtsbildern detektiert wird. Zur Projektion des Musters wird ein Musterprojektor verwendet, welcher im ersten Spektralbereich ein Muster auf die Szene projiziert. Hier lässt sich besonders bevorzugt das Verfahren der Streifenprojektion anwenden, d.h. das Muster ist bevorzugt streifenförmig, ohne auf diese Ausführung begrenzt zu sein; so lassen sich andere Muster, die deutliche Kontrastunterschiede erzeugen, wie Schachbrettmuster, ebenfalls verwenden. Der erste Spektralbereich umfasst vorzugsweise das nahe Infrarot, so dass ein projiziertes Muster nicht sichtbar und nicht störend für Menschen und andere Lebewesen ist. Beispielsweise lässt sich ein sogenannter NIR-GOBO-Projektor (NIR - nahes Infrarot, GOBO - GOes Before Optics) verwendet werden, wie er beispielsweise in dem Artikel „GOBO projection for 3D measurements at highest frame rates: a performance analysis” von S. Heist et al., erschienen in Light: Science & Applications (2018)7:71 beschrieben ist. Vorteilhaft überlappen sich der erste Spektralbereich und der zweite Spektralbereich nicht, so dass die Aufnahme der Übersichtsbilder und des Detailbildes simultan erfolgen kann, ohne dass hier eine gegenseitige Beeinflussung stattfindet. Das Detailbild wird in der Regel im für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich aufgenommen, wohingegen die Übersichtsbilder im - bevorzugt nahen - Infrarotbereich aufgenommen werden, um Irritationen zu vermeiden. Für die Aufnahme der Übersichtsbilder, insbesondere bei Verwendung einer Musterprojektion ist es besonders vorteilhaft, wenn die Szene mit einer zusätzlichen Lichtquelle beleuchtet wird, welche Licht ausschließlich im ersten Spektralbereich, also beispielsweise im nahen Infrarot abstrahlt. Dies erhöht die Genauigkeit der Übersichtsmessung und damit der stereoskopischen Übersichtskarte.

Wie bereits erläutert sind die Blickrichtungen aller Kameras zueinander bekannt bzw. die Kameras gegeneinander geometrisch kalibriert. Beispielsweise lassen sich die erste und die zweite Übersichtskamera, die Detailkamera und die Messkamera auf einem Kreisbogenausschnitt anordnen, wobei bevorzugt die erste und zweite Übersichtskamera in Endpunkten des Kreisbogenausschnitts angeordnet sind, um einen möglichst großen Winkelabstand, der für die Genauigkeit der 3D-Messung vorteilhaft ist, zu realisieren. Alle Blickrichtungen schneiden sich dann in einem Punkt in der Szene oder hinter dieser.

Eine wesentlich kompaktere Anordnung erhält man, wenn die erste und die zweite Übersichtskamera auf einen ersten Kreisbogenausschnitt angeordnet sind und die Detailkamera sowie die Messkamera auf einen zweiten Kreisbogenausschnitt. Die beiden Kreisbogenausschnitte überschneiden sich dann in einem von Null verschiedenen Winkel, bevorzugt in einem Winkel von 90°. In die Mitte, wo sich die beiden Kreisbogenausschnitte schneiden, kann der optionale Musterprojektor platziert werden. Eine solche Anordnung lässt sich dann als Baueinheit in ein Gehäuse integrieren, wobei die geometrische Kalibrierung beim Zusammenbau erfolgt. Diese Baueinheit kann dann flexibel eingesetzt werden und ist ohne Hilfsmittel transportabel.

Verfahren und Vorrichtung lassen sich insbesondere zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit im Sport einsetzen. Medizinische Anwendungen bestehen im Monitoring der Biosignale von Patienten in ambulanter oder stationärer Umgebung. Auch in der Intensivmedizin können Vitalparameter gerade bei Patienten, deren Vitalparameter instabil sind, komplikationsloser gemessen werden, da keine Elektroden angelegt werden müssen. Dies ist insbesondere auch bei der Überwachung von besonders bewegungsfreudigen Patienten, wie Neugeborenen, vorteilhaft.

Eine weitere mögliche Anwendung besteht in der Detektion der Beanspruchung am Arbeitsplatz innerhalb eines betrieblichen Gesundheitsmanagements. In der psychologischen Diagnostik können emotionale und physische Stresswerte von Patienten mit emotionalen Dysfunktionen, wie sie beispielsweise nach Traumata oder bei angeborenen psychischen Erkrankungen auftreten, gemessen und eingeschätzt werden. Ein häufiges Problem hier ist die mangelnde Selbsteinschätzung solcher Patienten über die Höhe ihres Stresslevels und fehlende Kommunikation durch Gestik und Mimik gegenüber einem Therapeuten oder Arzt. Bei Erkrankungen wie Autismus kommt erschwerend hinzu, dass kontaktbasierte Vitalsensoren nicht oder nur unter starkem Stress an Patienten angebracht werden können. Ein kontaktfreies System ermöglicht es sowohl den Therapeuten bei seiner Arbeit zu unterstützen als auch Feedback und Training für die Patienten zu liefern. Pulsrate und Sauerstoffgehalt können hier allerdings nur Indizien für ein Stressniveau sein und nicht allein zur Bewertung herangezogen werden; weitere individuelle und subjektive Parameter sollten ebenfalls berücksichtigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung eignen sich auch zur Überwachung von Orten mit großen Menschenmengen, wie Bahnhöfen oder Flughäfen. Durch die gleichzeitige Messung von Vitalparametern und Einschätzung von Stresswerten kann zum einen eine beschleunigte Hilfe bei medizinischen Notfällen gewährleistet werden, im Sinne eines Frühwarnsystems. Beispielsweise lässt sich anhand der mittels der Messkamera aufgenommenen Daten nicht nur die Pulsrate bestimmen, sondern auch die zeitliche - den Herzrhythmus widerspiegelnde - Pulsfolge. Treten hier Unregelmäßigkeiten in bestimmten, bekannten Mustern auf, so können diese beispielsweise auf einen Herzinfarkt hindeuten, der von dem System erkannt wird. Zum anderen können Personen mit erhöhten Stresswerten als potentielle Bedrohung für die Sicherheit gesondert überwacht werden, um gegebenenfalls Sicherheitsmaßnahmen einzuleiten. Eine hohe Pulsrate könnte hier als Vorauswahl für Personen dienen, die dann einer genaueren Verhaltensanalyse unterzogen werden.

Andere Einsatzgebiete bei entsprechende Anpassung der nanooptischen Filterelemente für die entsprechenden Wellenlängen bestehen in der Biologie beispielsweise in der Messung charakteristischer Wellenlängen für den Chlorophyllgehalt - beispielsweise bei den Fluoreszenzwellenlängen 435 nm und 675 nm von Chlorophyll - in Pflanzen, um deren Gesundheit zu bestimmen. Die Aufnahme der Übersichtsbilder kann hier passiv, d.h. ohne aktive Beleuchtung oder sonstige Wechselwirkung mit dem Objekt durchgeführt werden.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibunq der Zeichnunqen

Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das grundlegende Prinzip eines Verfahrens zur kontaktfreien Bestimmung von zeitlichen Farbveränderungen bei Objekten,

Fig. 2a-b mögliche Realisierungen von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 3a-b den grundsätzlichen Aufbau eines nanooptischen Filters sowie das

Zusammenwirken mit einem CMOS-Sensor,

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung eines nanooptischen Filterelements, Fig. 5 ein nanooptisches Filterelement für zwei Wellenlängen, Fig. 6 die Anordnung eines nanooptischen Filterelements in einer Kamera und Fig. 7 die Transmissionseigenschaften eines solchen nanooptischen Elements für zwei beispielhafte Wellenlängenbereiche. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In Fig. 1 ist zunächst der prinzipielle Ablauf eines Verfahrens zur kontaktfreien Bestimmung von zeitlichen Farbveränderungen bei mehreren Objekten in einer Szene dargestellt. Auf der linken Seite von Fig. 1 ist zunächst eine Szene 1 symbolhaft dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Raum in einem Fitnesscenter oder Sportzentrum, einen Bereich eines Stadions beispielsweise im Bereich der Laufbahn, oder auch um Stationen oder Zimmer eines Krankenhauses handeln, um einige Beispiele zu nennen. Auch Waldgebiete oder Felder, Plantagen oder Teile davon etc. können solche Szenen sein. In der Szene befindet sich dann mindestens ein Objekt, dessen Farbveränderungen zu messen sind. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Pflanze oder mehrere Pflanzen, um technische Geräte, die Licht abstrahlen, oder aber um Menschen, deren Vitalparameter beispielsweise überwacht werden sollen, handeln. Die Szene wird mit drei verschiedenen Kamerasystemen, die jeweils ein oder mehrere Kameras umfassen, aufgenommen, um eine Überwachung der entsprechenden Parameter und deren Auswertung zu ermöglichen. Das erste Kamerasystem umfasst eine erste Übersichtskamera 2, welche aus einer vorgegebenen ersten Blickrichtung auf die Szene 1 gerichtet ist, sowie eine zweite Übersichtskamera, welche aus einer vorgegebenen zweiten Blickrichtung auf die Szene 1 gerichtet ist. Beide Blickrichtungen sind voneinander verschieden, jedoch bekannt, so dass eine geometrische Kalibrierung der beiden Kameras möglich ist. Beispielhafte Aufbauten sind in Fig. 2a und 2b gezeigt.

Jede der beiden Übersichtskameras 2, 3 nimmt ein monoskopisches Übersichtsbild der Szene 1 in einem ersten Spektralbereich auf. Die beiden monoskopischen Übersichtsbilder werden zu einer stereoskopischen Übersichtskarte verrechnet, welche auch die Tiefeninformationen der Objekte, also deren Abstand zu den Kameras oder einem sonstigen Bezugspunkt enthält, so dass grundsätzlich die räumliche Position aller zu vermessenden Objekte in der Szene 1 , d.h. in allen drei Raumkoordinaten eines kartesischen Systems, bekannt ist.

Um die Szene 1 besser auszuleuchten und eine genauere Übersichtskarte zu erhalten, kann es vorteilhaft sein, die Szene mit einer gesonderten Lichtquelle 4, welche Licht im ersten Spektralbereich abstrahlt, zu beleuchten. Um Irritationen bei lebenden Objekten und Wechselwirkungen mit Umgebungslicht zu vermeiden, wird als erster Spektralbereich bevorzugt ein Bereich im nahen Infraroten gewählt, welches den Wellenlängenbereich zwischen etwa 780 nm und etwa 3000 nm umfasst. Eine solche Lichtquelle 4 zur gesonderten Beleuchtung der Szene ist in Fig. 2a, bei der alle Kameras auf einem Kreisbogen angeordnet sind, dargestellt. Eine Erhöhung der Genauigkeit lässt sich auch oder zusätzlich erreichen, wenn zur Erzeugung der stereoskopischen Übersichtskarte ein Muster auf die Szene 1 projiziert wird, welches in den monoskopischen Übersichtsbildern detektiert wird. Die Anordnung umfasst dazu einen in Fig.

2a dargestellten Musterprojektor 5, welcher im ersten Spektralbereich ein Muster auf die Szene 1 projiziert, bevorzugt ein streifenförmiges oder schachbrettförmiges Muster. Gerade für die Projektion eines Musters eignet sich dann besonders gut ein Wellenlängenbereich als erster Spektralbereich, welcher für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist, wie das nahe Infrarot. Der erste Spektralbereich ist selbstverständlich nicht ausschließlich auf das nahe Infrarot beschränkt, es lassen sich auch Wellenlängen größer als 3000 nm verwenden, und auch Wellenlängen im sichtbaren Bereich oder kleiner sind denkbar, wenn es sich beispielsweise nicht um lebende Objekte handelt, die vermessen werden.

Die Übersichtskameras 2 und 3 können eine hohe Auflösung aufweisen, müssen aber nicht, da hier im Prinzip nur die Lage der Objekte im Raum bestimmt werden soll, die dann in einzelne Flächen zerlegt werden, deren Ausdehnung jedoch in der Regel größer ist als die Ausdehnung von einem Pixel eines in einer Kamera verwendeten Sensors.

Simultan oder unmittelbar vor oder nach der Aufnahme der Übersichtsbilder wird ein zweidimensionales Detailbild aus einer vorgegebenen dritten Blickrichtung, deren Lage in Bezug auf die erste und zweite Blickrichtung bekannt ist, in einem zweiten Spektralbereich detektiert. Die dritte Blickrichtung kann von den ersten beiden verschieden sein oder mit einer von diesen übereinstimmen. Dazu wird eine Detailkamera 6 verwendet, die eine möglichst hohe Auflösung aufweist. Die Aufnahme des Detailbildes erfolgt in einem zweiten Spektralbereich, der vorzugsweise vom ersten Spektralbereich verschieden ist. Vorzugsweise erfolgt die Aufnahme im für ein menschliches Auge sichtbaren Spektralbereich, d.h. im Spektralbereich zwischen etwa 380 nm und etwa 780 nm. Das zweidimensionale Detailbild wird auf die stereoskopische Übersichtskarte projiziert, was mit Hilfe einer Recheneinheit erfolgt. Anhand von Messkriterien, die in Abhängigkeit von Parametern, auf die aus den Färb- und Intensitätsveränderungen Rückschlüsse gezogen werden sollen, werden dann Messflächen als interessierende Bereiche in der Szene ausgewählt. Bei Sportlern im Training an speziell dafür vorgesehenen Geräten oder auch bei Neugeborenen sind dies beispielsweise Bereiche freiliegender Haut wie Hals, Stirn oder Handgelenke, die sich für die Bestimmung der Vitalparameter anhand von Farbveränderungen verwenden lassen. Aufgrund der Projektion lassen sich auch störende Einflüsse, die die Messung der Färb- und Intensitätsveränderungen in den identifizierten Bereichen verfälschen könnten, berücksichtigen und korrigieren. Solch störenden Einflüsse sind beispielsweise die Lage der Messobjekte relativ zur Kamera, Schattenwürfe oder perspektivische Verzerrungen. Durch die Festlegung von Messflächen, die definierten Bereichen auf einem Sensor einer Kamera entsprechen, lässt sich der Aufwand für die spätere Auswertung wesentlich reduzieren.

Nach der Auswahl der Messflächen wird aus einer vierten Blickrichtung, deren Lage in Bezug auf die anderen drei Blickrichtungen ebenfalls bekannt und damit geometrisch kalibrierbar ist, Licht, welches von den Messflächen abgestrahlt wird, in mindestens einem Messspektralbereich, welcher anhand von den Messkriterien vorgegeben ist, ortsaufgelöst in einer kontinuierlich aufgenommenen Serie von Messbilden detektiert. Dazu wird eine Messkamera 7 verwendet, welche aus der vierten Blickrichtung auf die Szene gerichtet ist.

In der Serie von Messbildern werden dann die an den Pixeln eines Flächendetektors gemessenen Färb- und Intensitätswerte in dem mindestens einen vorgegebenen Messspektralbereich, die den jeweiligen Messflächen zugeordnet sind, auf zeitliche Variation der Intensität und / oder Farbe dieses Lichts in dem mindestens einen Messspektralbereich analysiert, wozu eine Recheneinheit 8 verwendet wird, welche auch die Informationen aus den anderen Bildern verarbeitet. Die Ergebnisse der Analyse werden dann gespeichert und / oder ausgegeben; sollten sich kritische Veränderungen - beispielsweise bei den Vitalparametern eines Sportlers - ergeben, so können auch entsprechende Warnsignale ausgegeben oder verantwortliche Personen benachrichtigt werden. Im Falle von der Überwachung der Vitalparameter von Patienten kann dies beispielsweise der diensthabende Arzt sein.

Fig. 2a und 2b zeigen zwei mögliche Anordnungen für die in einer Vorrichtung zur kontaktfreien Bestimmung von zeitlichen Färb- und Intensitätsschwankungen bei Objekten einer Szene verwendeten Elemente. Bei dem in Fig. 2a gezeigten Aufbau sind die erste Übersichtskamera 2, die zweite Übersichtskamera 3, die Detailkamera 6 und die Messkamera 7 auf einem Kreisbogenausschnitt angeordnet, die Blickrichtungen schneiden sich in einem Punkt in der Szene 1 . Optional ist ein Musterprojektor 5 mit einer Lichtquelle 4, welche Licht im ersten Spektralbereich abstrahlt, vorgesehen. Der Musterprojektor kann auch mit einer der beiden Übersichtskameras 1 , 2 identisch bzw. in diese integriert sein; auch auf diese Weise lässt sich ein stereoskopisches Übersichtsbild erzeugen. Die in Fig. 2a gezeigte Anordnung benötigt relativ viel Platz, da aber der Abstand zwischen den beiden Übersichtskameras 1 und 2 recht groß gewählt werden kann, ist die Genauigkeit bei Verwendung dieser Anordnung besonders hoch, sie eignet sich daher insbesondere auch für die Überwachung größerer Szenen, bei denen Übersichtskarten mit hoher Genauigkeit erzeugt werden sollen. Es lassen sich auch mehr als zwei Übersichtskameras verwenden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Auch eine Kopplung mehrerer Vorrichtungen, deren Messkameras aus verschiedenen Blickrichtungen auf die Szene gerichtet sind, ist möglich, um beispielsweise eine Szene mit vielen sich bewegenden Objekten, aufzunehmen, um möglichst zu verhindern, dass Objekte völlig verdeckt und somit einer Messung nicht zugänglich sind.

Bei der in Fig. 2b gezeigten Anordnung sind hingegen die erste und die zweite Übersichtskamera 2, 3 auf einem ersten Kreisbogenausschnitt angeordnet. Die Detailkamera 6 und die Messkamera 7 sind auf einem zweiten Kreisbogenausschnitt angeordnet, und beide Kreisbogenausschnitte schneiden sich in einem Winkel von 90°. Im Schnittpunkt der Kreisbogenausschnitte befindet sich der optionale Musterprojektor 5. Auch hier sind alle Kameras mit ihren Blickrichtungen so ausgerichtet, dass diese sich in einem Punkt in der Szene 1 oder dahinter schneiden, um die Kameras geometrisch kalibrieren zu können. Der in Fig. 2b bezeigte Aufbau der Vorrichtung ist kompakt, daher auch ohne größeren Aufwand transportierbar, beispielsweise zwischen verschiedenen Räumen einer Sporteinrichtung oder eines Krankenhauses; der Aufbau kann als eigene, kompakte Baueinheit ausgestaltet sein, die optional auch eine Recheneinheit 8 beinhaltet.

Die Anzahl der Messbilder, welche pro Sekunde für fixierte Messflächen aufgenommen werden, hängt von der Art der zu messenden Färb- und Intensitätsveränderungen und der damit zusammenhängenden Parameter zusammen. Im Falle der Bestimmung von Vitalparametern bei Sportlern oder Patienten sollte die Anzahl der Bilder, die pro Sekunde aufgenommen wird, nicht unter 15 liegen, um aussagekräftige Messungen zur erhalten, die eine zuverlässige Bestimmung der Pulsrate erlauben. Der Chlorophyllgehalt von Pflanzen andererseits muss nicht mit einer solch hohen Bildrate überwacht werden, hier reichen wesentlich größere Abstände von mehreren Stunden bis zu mehreren Tagen. Auch die Rate, mit der Übersichts- und Detailbilder aufgenommen werden, anhand welcher die Messflächen festgelegt werden, hängt von den Charakteristika der Szene ab. Bei der Überwachung des Chlorophyllgehalts von Pflanzen kann beispielsweise vor jeder Aufnahme eines Messbildes eine erneute Kalibrierung der Messflächen durch Aufnahme von Übersichtsbildern und einem Detailbild erfolgen. Werden hingegen sich schnell bewegende Sportler hinsichtlich ihrer Vitalfunktionen überwacht, so kann die Rate, mit der Übersichts- und Detailbilder aufgenommen werden, durchaus im Bereich von einer Zehntelsekunde oder darunter liegen. Bei eher ruhig liegenden Patienten hingegen reicht eine Festlegung der Messflächen in den Abstand von einer bis zu mehreren Minuten in der Regel aus. Denkbar ist auch, die Messungen nicht kontinuierlich zu machen, sondern nur sporadisch, bei Patienten beispielsweise im Abstand von mehreren Stunden ein- bis zweimal, wobei dann jeweils vor jeder Messung der Färb- und Intensitätsveränderungen eine Übersichtskarte bestimmt und ein Detailbild aufgenommen werden

Die Anzahl der vorgegebenen Messspektralbereiche, in denen die Färb- und / oder Intensitätsveränderungen gemessen und analysiert werden sollen, hängt von den Parametern ab, auf die Rückschlüsse gezogen werden sollen. Für die Überwachung von Leuchtdioden oder Pflanzen kann es ausreichen, die Messung nur in einem einzigen Messspektralbereich durchzuführen. Dies kann in der Regel mit Filtern erreicht werden, die vor ein Objektiv der Messkamera gesetzt werden, was eine einfache Anpassung an verschiedene Situationen, in denen nur in einem Messspektralbereich gemessen werden muss, erlaubt.

Problematisch ist jedoch die orts- und wellenlängenaufgelöste Bestimmung der Färb- und Intensitätsveränderungen, wenn pro Messfläche diese Änderungen in zwei oder mehr Messspektralbereichen gemessen und analysiert werden sollen. Ein Beispiel dafür bilden die Vitalparameter von Sportlern oder Neugeborenen, wo zeitliche Farbschwankungen - gemeint sind hier wie eingangs erwähnt Intensitätsschwankungen einer oder mehrerer Farben, die sich in einer Änderung des Gesamtfarbeindrucks niederschlagen - bei einer Wellenlänge von etwa 750 nm, 830 nm oder 940 nm dazu verwendet werden können, die Pulsrate der betreffenden Person zu bestimmen. Mit einer zusätzlichen Messung von Intensitätsschwankungen bei einer Wellenlänge von etwa 660 nm oder alternativ auch bei etwa 750 nm lässt sich die Sauerstoffsättigung des im Blut gebundenen Hämoglobins bestimmen, wozu die gemessenen Intensitäten beider Wellenlängen ins Verhältnis gesetzt werden müssen, d.h. bei der Wellenlänge von 830 nm müssen nicht nur Farbschwankungen, sondern auch zeitliche Intensitätsschwankungen bestimmt werden. Diese Werte müssen für beide Wellenlängen also gleichzeitig bestimmt werden, um die relative Sauerstoffsättigung des Hämoglobins messen zu können. Die beiden Wellenlängen liegen zwar etwa 150 nm auseinander, jedoch überlappen die beiden Messspektralbereiche, die vermessen werden sollten, um auch absolute Farbschwankungen in der Wellenlänge berücksichtigen zu können, in dem Bereich dazwischen. Würde ein einziger Vorsatzfilter wie im Stand der Technik verwendet, der zwei Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche hindurchlässt, so würde in jedem Pixel die Intensität beider, relativ nah zueinander gelegenen Wellenlängen in der Summe detektiert werden, woraus sich jedoch nicht die Intensitätsänderungen jeder einzelnen der Wellenlängen ableiten lassen würden.

Aus diesem Grund wird, wenn das Messbild in mindestens zwei vorgegebenen Messspektralbereichen detektiert werden soll, eine nanooptische Filtermatrix verwendet, welche so angeordnet ist, dass eine orts- und wellenlängenaufgelöste Detektion des von den Messflächen abgestrahlten Lichts möglich ist. Die Messkamera 7 verfügt in der Regel über einen Flächendetektor als Sensor, beispielsweise einem CMOS-Sensor. Um die orts- und wellenlängenaufgelöste Messung zu ermöglichen, wird die nanooptische Filtermatrix direkt auf den Messsensor aufgebracht.

Die nanooptische Filtermatrix, die in der Vorrichtung zur kontaktfreien Bestimmung von zeitlichen Intensitäts- und Farbschwankungen bei Objekten einer Szene 1 verwendet werden kann, soll im Folgenden anhand der Figuren 3-5 näher erläutert werden.

Fig. 3a zeigt auf der linken Seite den grundsätzlichen Aufbau eines als nanooptische Filtermatrix 9 ausgestalteten Filterelements mit ersten Filterstrukturen 10, welche der Filterung eines ersten Messspektralbereichs dient. In ein Trägermaterial 11 , beispielsweise Gold oder Silizium, sind Löcher 12 mit im Wesentlichen quadratischer Form angeordnet, wobei die Löcher auch eine runde Form aufweisen oder schlitzförmig ausgebildet sein können. Die Löcher 12 formen ein Array oder eine Matrix, die hier gezeigte 3x3-Struktur wird auch als sogenanntes Nanohole-Array (NHA) bezeichnet. Die Löcher haben einen - der Kantenlängen entsprechenden - Durchmesser d, gleiche Kanten sind voneinander mit einem Abstand P beabstandet. Jedes der Löcher 12 weist einige 100 nm an Durchmesser auf, die Größe der in Fig. 3a gezeigten Struktur liegt etwa zwischen 10 gm und 15 gm. Neben 3x3-Strukturen sind in Abhängigkeit von der Messsituation auch andere Größen für die einzelnen Matrixelemente denkbar, beispielsweise 4x4 oder 5x5. 3x3-Strukturen bilden jedoch das Optimum, da einerseits in jedem Matrixelement eine recht große Fläche zur Messung eines der Spektralbereiche zur Verfügung gestellt wird, und andererseits die Wellenlängenauflösung mit einer hohen Genauigkeit in der Ortsauflösung erfolgt.

Die Wellenlängenselektivität wird im Wesentlichen von drei Parametern beeinflusst: vom Durchmesser bzw. der Kantenlänge d der Löcher, vom Abstand - dem pitch - P zweier Löcher 12 zueinander sowie von der Dielektrizitätskonstante bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Trägermaterials 11 .

Fig. 3b zeigt die Anordnung der nanooptischen Filtermatrix 9 auf einem flächenförmigen Messsensor 13, beispielsweise einem CMOS-Chip. Die nanooptische Filtermatrix 9 ist direkt auf dem flächenförmigen Messsensor 13 aufgebracht, beispielsweise durch Bonden. Während Licht vieler Wellenlängen auf das nanooptische Filterelement trifft, ist der Filter so strukturiert, dass er idealerweise nur eine Wellenlänge li durchlässt, mit einer Bandbreite von maximal 100 nm bis 150 nm, so dass zum einen die Farbschwankungen in der Wellenlänge zwar registriert werden können, zum anderen aber die Durchlassbereiche zweier Filterstrukturen möglichst wenig überlappen. Die nanooptische Filtermatrix 9 für eine bestimmte Wellenlänge ist für diese Wellenlänge zwar maximal durchlässig, jedoch wird auch der übrige Spektralbereich im Bereich von maximal +/- 75nm um diese Wellenlänge hindurchgelassen, allerdings nur stark abgeschwächt. Die Intensitätsschwankungen interessieren jedoch nur in einem kleinen Bereich um die zentrale Peak-Wellenlänge, bei der das Filterelement die höchste Empfindlichkeit bzw. höchste Transmission aufweist.

Fig. 4 zeigt nun die Realisierung einer nanooptischen Filtermatrix 9, welche für zwei Peak- Wellenlängen transmissiv ist. Der Bereich auf der linken Seite entspricht der in Fig. 3b gezeigten Konfiguration, diese erste Filterstruktur 10 ist für einen ersten Messspektralbereich transmissiv. Auf der rechten Seite ist eine zweite Filterstruktur 14 gezeigt, welche kleinere Löcher als die erste Filterstruktur 10 aufweist, wobei der Abstand P bei der ersten Filterstruktur 10 und der zweiten Filterstruktur 14 identisch ist. Die zweite Filterstruktur 14 ist für einen zweiten Messspektralbereich um eine Zentralwellenlänge oder Peak-Wellenlänge Ä2 durchlässig. Während auf der linken Seite nur die Wellenlänge li durchgelassen wird, so ist die rechte Seite nur für die Wellenlänge Ä2 durchlässig bzw. für jeweils die um diese Zentralwellenlängen definierten Messspektralbereiche. Auf diese Weise kann Licht gleichzeitig orts- und wellenlängenaufgelöst - letzteres meint die spektrale Auflösung nach Messspektralbereichen - detektiert werden. Indem nun die ersten und zweiten Filterstrukturen 10, 14, wie in Fig. 5 gezeigt, schachbrettartig angeordnet werden - jede der Filterstrukturen entspricht einer nanooptischen Filtermatrix 9 -, und diese schachbrettartige Struktur auf dem flächenförmigen Messsensor 13 angeordnet und mit diesem verbunden wird, ist eine orts- und wellenlängenaufgelöste Detektion über den gesamten Messsensor 13 möglich. Jede der ersten Filterstrukturen 10 und der zweiten Filterstrukturen 14 überdeckt dabei einen Bereich von einem oder einer geringen Anzahl von mehreren Pixeln, so dass sichergestellt ist, dass jeder Messfläche mehrere der ersten Filterstrukturen 10 und der zweiten Filterstrukturen 14 zugeordnet sind. Im Falle monochromatischer Pixel - was aufgrund der verwendeten Farbfilterung möglich ist - überdeckt eine der Filterstrukturen, d.h. ein „Loch“, ein Pixel oder ein ganzzahliges Vielfaches davon, so dass sichergestellt ist, dass nicht auf einem Pixel zwei Wellenlängenbereiche detektiert werden. Bei Farbsensoren werden in der Regel vier Subpixel zu einem Pixel zusammengefasst, für diese Pixel gilt dann das gleiche, wie für die monochromatischen.

Der Einbau in die Kamera ist beispielhaft in Fig. 6 gezeigt, hier trifft einfallendes Licht auf ein Linsensystem 15 einer Messkamera 7. Über die nanooptische Filtermatrix 9 bestehend aus den ersten Filterstrukturen 10 und den zweiten Filterstrukturen 14 werden nun orts- und wellenlängenaufgelöst die interessierenden Wellenlängen aus Richtung der Messflächen detektiert. Da hier bereits mittels Hardware die Separierung der entsprechenden Wellenlängen erfolgt, wird weniger Zeit bei der Prozessierung der Daten durch Software benötigt, was zu erhöhter Echtzeitfähigkeit und verringerter Latenz der Messung führt. Auch der Herstellungsprozess wird im Hinblick auf eine Massenproduktion vereinfacht, da die Aufbringung oder Strukturierung der Nanooptik im gleichen Herstellungsschritt erfolgen kann, wie das Einsetzen des Kamerasensors. Die Integration der nanooptischen Filterelemente auf dem Sensor erhöht dabei auch die Robustheit hinsichtlich Erschütterungen oder Vibrationen.

Der Aufbau kann zudem etwas kompakter gestaltet werden, da ein Filter vor der Messkamera nicht mehr nötig ist.

Der Einsatz eines Kamerasystems, wie es beispielhaft in Fig. 2b mit seinen einzelnen Komponenten gezeigt ist, eignet sich besonders für die Überwachung von Personen in geschlossenen Räumen. Beispielsweise können Frühgeborene oder Neugeborene in einer entsprechenden neonatologischen Station, oder Sportler in einem Trainingsraum überwacht werden. Das Kamerasystem kann als festes Messinstrument installiert werden, beispielsweise kann es so ausgerichtet werden, dass es von der Decke oder der Wand auf die zu überwachenden Personen gerichtet wird, bei Neugeborenen beispielsweise auf das Bett oder dem Wickeltisch. Das Kamerasystem erfasst zunächst mit den beiden Übersichtskameras 2, 3 den Körper der Person. Mit dem simultan aufgenommenen Detailbild der Detailkamera 6, welches auf die aus den Übersichtsbildern erzeugte Übersichtskarte projiziert wird, lassen sich Bereiche freiliegender Haut markieren, welche den Messflächen entsprechen. Bei der späteren Analyse werden nur die Messflächen betrachtet. Die Messkamera 7 sowie die nanooptischen Filterstrukturen sind darauf ausgelegt, Wellenlängen um eine Zentralwellenlänge von 830 nm und von 660 nm durchzulassen, wobei die ersten Filterstrukturen 10 für die eine Wellenlänge und die zweiten Filterstrukturen für die andere Wellenlänge durchlässig sind. Aus den zeitlichen Farbschwankungen - in der medizinischen Anwendung handelt es sich in diesem speziellen Fall eigentlich um Intensitätsschwankungen bei einer Wellenlänge - im nahen Infraroten bei der Wellenlänge von 830 nm, welche sich aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmen der Messflächen ableiten lassen, lässt sich direkt die Anzahl der Herzschläge pro Minute, die Herzrate bestimmen. Mit Hilfe der zweiten Filterstrukturen 14 wird der Spektralbereich um eine Wellenlänge von etwa 660 nm von den Messflächen detektiert, aus dem Verhältnis der gemessenen Intensitäten der beiden Wellenlängen - hier werden jeweils die Maximalwerte der Intensitätsverteilungen verglichen - lässt sich die relative Sauerstoffsättigung des im Blut gebundenen Hämoglobins bestimmen. Mit Hilfe sogenannter Look-Up-Tabellen können diese Werte referenziert und in quantitative absolute Werte umgerechnet werden.

Ein Beispiel für eine Messung der beiden Wellenlängen ist in Fig. 7 für einen beliebigen Zeitpunkt der Aufnahme der Messbildserie dargestellt. Die durchgezogene Linie entspricht dem spektralen Bereich, der von den ersten Filterstrukturen 10 durchgelassen wird mit einem Transmissionsmaximum hier bei etwa 850 nm. Die gestrichelte Linie entspricht dem Spektrum, welches von den zweiten Filterstrukturen 14 durchgelassen wird mit einem Maximum bei etwa 660 nm.

Bei ruhenden Personen, beispielsweise Neugeborenen, lassen sich, wenn man auch die Übersichtsbilder mit hoher Auflösung aufnimmt, zusätzlich die Atemfrequenz und das Atemvolumen bestimmen, diese Werte können aus der dreidimensionalen Kontraktion und Ausdehnung des Brustkorbs abgeleitet werden. Übersichtsbilder müssen dazu dann in schnellerer Folge aufgenommen werden, mit einer Frequenz, die mindestens dem Doppelten der Atemfrequenz entspricht.

Mit der vorangehend beschriebenen Vorrichtung und dem darin implementierten Verfahren lassen sich wesentliche Vitalparameter bei Menschen, aber auch andere zu überwachende Parameter bei Pflanzen, technischen Gegenständen, welche Licht abstrahlen, etc. kontaktlos überwachen. Dies führt gegenüber herkömmlichen Methoden zum einen sowohl für die zu überwachenden Personen als auch für die Personen, die die Überwachung durchführen, gegenüber einer kontaktgebundenen Überwachung zu weniger Aufwand und ermöglicht außerdem die gleichzeitige Überwachung mehrerer Personen, beispielsweise hinsichtlich ihrer Vitalparameter. Außerdem können mehrere wesentliche Vitalparameter gleichzeitig mit hoher Genauigkeit evaluiert werden. Bezuqszeichenliste

1 Szene

2 erste Übersichtskamera

3 zweite Übersichtskamera

4 Lichtquelle

5 Musterprojektor

6 Detailkamera

7 Messkamera

8 Recheneinheit

9 nanooptische Filtermatrix

10 erste Filterstruktur

11 Trägermaterial

12 Loch

13 flächenförmiger Messsensor

14 zweite Filterstruktur

15 Linsensystem d Durchmesser

P Abstand

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zur kontaktfreien Bestimmung von zeitlichen Färb- und/oder Intensitätsveränderungen bei Objekten in einer Szene (1), bei dem: eine stereoskopische Übersichtskarte der Szene (1 ) erzeugt wird, indem ein erstes monoskopisches Übersichtsbild der Szene (1) aus einer ersten vorgegebenen Blickrichtung und ein zweites monoskopisches Übersichtsbild aus einer zweiten vorgegebenen, von der ersten verschiedenen Blickrichtung, in einem ersten Spektralbereich detektiert werden, die monoskopischen Übersichtsbilder zu der stereoskopischen Übersichtskarte verrechnet werden, und aus der stereoskopischen Übersichtskarte die räumlichen Positionen von zu vermessenden Objekten bestimmt werden, ein zweidimensionales Detailbild aus einer vorgegebenen dritten Blickrichtung, deren Lage in Bezug auf die erste und zweite Blickrichtung bekannt ist, in einem zweiten Spektralbereich detektiert wird, das zweidimensionale Detailbild auf die stereoskopische Übersichtskarte projiziert wird und anhand von Messkriterien, die in Abhängigkeit von Parametern, auf die aus den Färb- und/oder Intensitätsveränderungen Rückschlüsse gezogen werden sollen, Messflächen als interessierende Bereiche in der Szene (1) ausgewählt werden, aus einer vierten Blickrichtung, deren Lage in Bezug auf die anderen drei Blickrichtungen bekannt ist, von den Messflächen abgestrahltes Licht orts- und wellenlängenaufgelöst in einer kontinuierlich aufgenommenen Serie von Messbildern in mindestens einem in Abhängigkeit von den Messkriterien vorgegebenen Messspektralbereich detektiert wird und dabei die Messflächen in den Messbildern auf zeitliche Variation der Intensität und/oder der Farbe des Lichts in dem mindestens einen Messspektralbereich analysiert und die Ergebnisse der Analyse ausgegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Übersichtskarten und Detailbilder zu verschiedenen Zeitpunkten detektiert werden und die Objekte hinsichtlich einer Bewegung analysiert werden und, falls sich die Objekte bewegen, kontinuierlich Übersichtskarten bestimmt und Detailbilder sowie Messbilder von jeweils aktualisierten Messflächen aufgenommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messbild in mindestens zwei vorgegebenen Messspektralbereichen orts- und wellenlängenaufgelöst detektiert wird, wozu bevorzugt ein nanooptisches Filterelement verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der stereoskopischen Übersichtskarte ein Muster auf die Szene projiziert wird, welches in den monoskopischen Übersichtsbildern detektiert wird, wobei zur Projektion und Detektion des Musters Licht von Wellenlängen außerhalb des zweiten Spektralbereichs für die Aufnahme des Detailbildes verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Übersichtskarte Licht im infraroten Wellenlängenbereich verwendet wird und zur Erzeugung des Detailbildes Licht im visuell wahrnehmbaren Wellenlängenbereich.

6. Vorrichtung zur kontaktfreien Bestimmung von zeitlichen Färb- und/oder Intensitätsveränderungen bei Objekten in einer Szene (1), umfassend: eine erste Übersichtskamera (2), welche aus einer vorgegebenen ersten Blickrichtung auf die Szene (1) gerichtet ist und ein erstens monoskopisches Übersichtsbild der Szene (1) in einem ersten Spektralbereich aufnimmt, eine zweite Übersichtskamera (3), welche aus einer vorgegebenen zweiten Blickrichtung auf die Szene (1) gerichtet ist und ein zweites monoskopisches Übersichtsbild der Szene (1) im ersten Spektralbereich aufnimmt, wobei die erste Blickrichtung und die zweite Blickrichtung voneinander verschieden sind, eine Detailkamera (6), welche aus einer vorgegebenen dritten Blickrichtung, deren Lage in Bezug auf die erste und zweite Blickrichtung bekannt ist, auf die Szene (1) gerichtet ist und ein zweidimensionales Detailbild aufnimmt, eine Recheneinheit (8), welche das erste und das zweite monoskopische Übersichtsbild zu einer stereoskopischen Übersichtskarte verrechnet und anhand der Übersichtskarte die räumliche Positionen von zu vermessenden Objekten bestimmt, das zweidimensionale Detailbild auf die Übersichtskarte projiziert und anhand von Messkriterien, die in Abhängigkeit von Parametern, auf die aus den Färb- und/oder Intensitätsveränderungen Rückschlüsse gezogen werden sollen, Messflächen auf den Objekten als interessierende Bereiche in der Szene (1) auswählt, eine Messkamera (7), welche aus einer vorgegebenen vierten Blickrichtung, deren Lage in Bezug auf die anderen drei Blickrichtungen bekannt ist, auf die Szene (1 ) gerichtet ist und in einer kontinuierliche Serie von Messbildern von den Messflächen abgestrahltes Licht in mindestens einem in Abhängigkeit von den Messkriterien vorgegebenen Messspektralbereich orts- und wellenlängenaufgelöst detektiert wird, wobei die Recheneinheit (8) dazu ausgebildet ist, in der Serie von Messbildern die zeitliche Variation der Intensität und/oder der Farbe des Lichts in dem mindestens einen Messspektralbereich zu analysieren und die Ergebnisse an eine Ausgabeeinheit zu übermitteln.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Übersichtskamera (2, 3), die Detailkamera (6) und die Messkamera (7) auf einem Kreisbogenausschnitt angeordnet sind, wobei bevorzugt die erste und zweite Übersichtskamera (2, 3) in Endpunkten des Kreisbogenausschnitts angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Übersichtskamera (2, 3) auf einem ersten Kreisbogenausschnitt angeordnet sind, sowie die Detailkamera und die Messkamera auf einem zweiten Kreisbogenausschnitt angeordnet sind, welche sich in einem von 0° verschiedenen Winkel, bevorzugt 90° schneiden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spektralbereich außerhalb des von einem menschlichen Auge wahrnehmbaren Spektralbereichs liegt, bevorzugt im Infraroten, besonders bevorzugt im nahen Infrarot.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Szene (1 ) mit einer Lichtquelle (4) beleuchtet wird, welche Licht überwiegend oder ausschließlich im ersten Spektralbereich abstrahlt.

11 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, außerdem umfassend einen Musterprojektor (5), welcher im ersten Spektralbereich ein Muster auf die Szene (1 ) projiziert, wobei das Muster bevorzugt streifenförmig ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Messkamera (7) ein flächenförmiger Messsensor (13) zur Detektion des von den Messflächen abgestrahlten Lichts angeordnet ist, und auf dem flächenförmigen Messsensor (13) ein Filterelement aufgebracht ist, welches für Licht des mindestens einen Messspektralbereich durchlässig ist, wobei das Filterelement als nanooptische Filtermatrix (9) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkamera (7)zur Detektion von zwei vorgegebenen Messspektralbereichen ausgebildet ist, wozu die nanooptische Filtermatrix (9) erste Filterstrukturen (10) zur Filterung eines ersten Messspektralbereichs und zweite Filterstrukturen (14) zur Filterung eines zweiten Messspektralbereichs aufweist, wobei die ersten und zweiten Filterstrukturen (10, 14) bevorzugt schachbrettartig in der nanooptischen Filtermatrix (9) angeordnet sind.