Neue Kameratechnik des Fraunhofer IPMS Multispektrale Kamera mit nur einer Optik

Mit der Multispektralkamera aufgenommenes Bild im sichtbaren und infraroten Spektralbereich
Mit der Multispektralkamera aufgenommenes Bild im sichtbaren und infraroten Spektralbereich

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden haben eine hochauflösende Kamera entwickelt, die mit mehreren Detektoren durch ein Objektiv deckungsgleiche Bilder für unterschiedliche Spektralbereiche erzeugt.

Die neue Technik ermöglicht gegenüber bestehenden Systemen zur multispektralen Bildaufnahme preisgünstige Aufbauten mit vereinfachter Bilddatennachverarbeitung. Ein erster Prototyp wird auf der Optatec vom 7.-9. Juni in Frankfurt am Main erstmals der Fachöffentlichkeit vorgestellt.

Ob in der Sicherheitstechnik zur Überwachung von Flughäfen, Tunneln und Bahnhöfen, in der Automobiltechnik bei Fahrerassistenzsystemen, in der Fernerkundung und Umweltanalytik oder in der Medizintechnik und industriellen Messtechnik: Für viele Anwendungen ist es wünschenswert oder sogar notwendig, spektral breitbandige Bildinformationen zu bekommen. Zusätzlich zum sichtbaren Spektralbereich ist besonders der infrarote Spektralbereich mit Wellenlängen oberhalb einiger Mikrometer interessant und bietet weitere Bildinformationen, die im Sichtbaren unzugänglich, jedoch für viele Anwendungen wie etwa in der Gebäudetechnik, in der Feldüberwachung oder in der Qualitätsprüfung der Elektronikproduktion nützlich sind.

Derzeit am Markt erhältliche Systeme nutzen für unterschiedliche Spektralbereiche jeweils angepasste Optiken, Materialien und Komponenten. Für Objektive im infraroten Spektralbereich lassen sich beispielsweise keine klassischen Gläser verwenden, weil diese dort nicht transparent sind. Hier kommen oft Linsen aus teuren Halbleitermaterialien zum Einsatz. Darüber hinaus ist eine Bildaufnahme mit mehreren Kameras aus unterschiedlichen Richtungen stets mit einer Parallaxe behaftet, die bei der exakten Zuordnung der Bilddaten eine aufwändige Nachverarbeitung erfordert.

»Diese Nachteile lassen sich mit unserer multispektralen Kamera beheben, die mit mehreren Detektoren durch nur eine Optik deckungsgleiche, parallaxefreie Bilder erzeugt«, sagt Dr. Sebastian Meyer, Geschäftsfeldleiter am Fraunhofer IPMS. »Die Verwendung eines Objektivs, dessen optische Funktionsflächen aus Spiegeln bestehen, bietet wegen der Farbfehlerfreiheit von Spiegeln nicht nur die Chance, handelsübliche Kamerasysteme zu ersetzen, sondern ermöglicht auch völlig neue Anwendungen, für die Gewicht und Bauraum kritisch sind.«

Um die Chance zu nutzen, hat das Forscher-Team von Sebastian Meyer ein vollreflektives, multispektrales Kamerasystem entwickelt, das zwei Bildsensoren für unterschiedliche Spektralbereiche hinter einem gemeinsamen Objektiv nutzt. Das Objektiv ist dabei als spezielle Schiefspiegleroptik ausgelegt, die bauartbedingt die in bisherigen Systemen auftretenden chromatischen Aberrationen oder Zentralabschattungen vermeidet. Die einzelnen Spiegelflächen werden zur Korrektur geometrischer Abbildungsfehler zumindest teilweise asphärisch ausgeführt und für hohe Reflektivität über einen breiten Spektralbereich mit geeigneten Vergütungsschichten versehen. Dieser Ansatz ermöglicht eine parallaxefreie simultane Bildaufnahme in verschiedenen Spektralbereichen durch ein gemeinsames Objektiv, so dass erstens eine nachträgliche Datennachbearbeitung der beiden Bilder und zweitens das bisher benötigte zweite Objektiv entfällt. Weil das Objektiv farbfehlerfrei ist, begrenzen nur noch die zur Verfügung stehenden Detektoren die Wahl der Spektralbereiche.

Die Forscher des Fraunhofer IPMS haben Objektiv und Bildsensoren mit Elektronik und Software in einem ersten Funktionsdemonstrator integriert. Besucher der Optatec, Fachmesse für optische Technologien, Komponenten und Systeme, können vom 7. bis 9. Juni 2016 in Frankfurt am Main den Prototypen und die Kompetenzen des Fraunhofer IPMS kennenlernen. Die Ausstellung befindet sich am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft D56 in Halle 3.