Nabij Infrarood (NIR) optische camera’s, het effect op de kleuren

Infrarood LED’s op camera’s voor NIR (nabij infrarood / near infrared)

Deze tekst is enigszins gevoelig voor kleine fouten. Help mee en geef correcties a.u.b. door.

Als een fabrikant heeft besloten om infrarood LED’s in te bouwen in een camera, is dat bedoeld om in het donker meer te kunnen zien. Infrarood licht is licht wat wij met het oog niet kunnen zien, maar wat de beeldsensor wel kan registeren. Het gereflecteerde infrarood licht wordt door de beeldsensor omgezet naar een helderheidswaarde en dat ziet er in de eerste instantie uit als een gewoon beeld. Nachtzicht is op deze manier mogelijk tot het bereik van wat de LED’s kunnen belichten.

Dit infrarode lichtspectrum bevindt zich nét naast ons “zichtbare” lichtspectrum (“onder” als je praat over frequentie, of “boven” als je praat over golflengte). Wij kunnen golflengtes waarnemen tussen ca. 380 en 800nm. Het door dit type camera gebruikte infrarode lichtspectrum wordt om die reden dan ook wel “nabij infrarood of Near Infrared (NIR)” genoemd. Het ligt net naast ons zichtbare lichtspectrum met een kleine overlap. Te denken valt aan golflengtes tussen ca. 750 en 1000nm.

Bron wikipedia

Maar de mate van reflectie van het infrarode licht op objecten geschiedt toch net iets anders dan wat er binnen ons zichtbare spectrum gebeurt. Als een object door ons als zwart wordt waargenomen, reflecteert het geen (of nauwelijks) licht binnen ons zichtbare spectrum. Zien wij een groen object, dan reflecteert er voornamelijk licht met golflengtes tussen 500 en 600 nm. Iedere kleur heeft dus zijn eigen golflengte en wordt bepaald door de mate van reflectie van verschillende golflengtes. De zon straalt wit licht uit en dat is in feite een mengeling van alle golflengtes. Filter je daar nu delen uit, houd je slechts stukken van bepaalde golflengtes over en dat maakt dat wij dat zien als een kleur.

De gebruikte verf of kleurstof in een object is dus eigenlijk een kleurenfilter. Wat niet wordt gereflecteerd, wordt geabsorbeerd.

Terugkomend op de nabij infrarood band (vanaf nu NIR genoemd); de mate van reflectie is daar weer heel anders dan in ons zichtbare spectrum. Wees daarom niet verrast als je zwarte trui ineens grijs of wit lijkt op een dergelijke NIR-camera. De fabrikant van je trui heeft een verf/kleurstof samengesteld die ongeveer werkt in het voor ons zichtbare lichtspectrum. Daarbuiten zal hem een zorg wezen en dat blijkt ook wel in de praktijk. NIR wordt vaker wél, dan niet gereflecteerd. Kleding en vegetatie (bomen en struiken) zien er dus vaak licht uit op zulke camera’s. Maar bij kleding is dit niet consequent! Verf/pigment van kleding wordt immers willekeurig samengesteld. Hier zie je een voorbeeld van een camera zonder NIR filter (links) en met NIR filter (rechts):

Het rechter beeld komt meer in de richting van wat wij zien. Toch hebben NIR camera’s een voordeel: infrarood licht kunnen wij niet zien, dus ideaal in nachtelijke situaties. De beste NIR bewakingscamera’s schakelen ’s nachts automatisch over door het infrarood filter van de sensor weg te schuiven. Meestal zijn NIR camera’s zwart-wit camera’s, omdat de kleuren er toch flets uit zouden zien. Bovendien waren zwart-wit sensoren toch al wat gevoeliger door het ontbreken van het Bayer filter in geval van een RGB sensor. Maar tegenwoordig zien we steeds vaker kleurencamera’s, waarschijnlijk omdat er selectiever omgegaan kan worden hoe gevoelig de sensor voor infrarood licht is.

Filter:
Een normale kleurencamera heeft dus standaard een infrarood filter voor de sensor. Deze blokkeert golflengtes vanaf ca. 750nm en hoger. UV filters worden ook wel toegepast, maar dat zit helemaal aan de andere kant van ons zichtbare lichtspectrum. Daar gaan we nu niet op in. Het blokkeren van infrarood licht is nodig omdat de sensor een veel grotere bandbreedte heeft dan alleen ons zichtbare lichtspectrum. Als je de infrarood reflectie van objecten gaat mengen met de zichtbare reflectie, krijg je rare fletse kleuren, omdat de sensor de infrarood reflectie gaat vertalen naar een soort helderheid. Vandaar de lichte kleur van de groene trui, de jas en vooral de bomen in bovenstaande linker foto’s.

Omgevingslicht invloed:
Hoe een kleur wordt “gemaakt” is eerder al uitgelegd. De lichtbron in dat voorbeeld was de zon en die straalt het hele lichtspectrum uit. Niet alle golflengtes even sterk, wat je wel kunt zien aan de kleur van de zon. Deze varieert bovendien ook nog met de tijd van de dag, etc. Wat voor ons een kleur bepaald, heeft dus te maken met de absorptie en reflectie van deze lichtbron. Stel dat een lichtbron alleen maar rood uitzendt (een rode lamp bijvoorbeeld) en er is verder geen enkele andere lichtbron en je gaat daar met een groene auto onder staan. Wat zie je dan? … een zwarte auto! De verf van de auto reflecteert immers alleen maar de golflengtes van rond de 550nm (groen). De rest wordt geabsorbeerd. De lamp zendt helemaal geen 550nm uit. Die was alleen maar rood en zou bijvoorbeeld licht kunnen uitstralen van 650nm golflengte. De verf van de auto absorbeert dat en heeft verder ook niets om nog te reflecteren. Wij zien met onze ogen dus een zwarte auto.

Maar in de praktijk produceert een lamp een mengsel van golflengtes, dus dat zal je niet zo snel zien. Ook is het niet vaak zo, dat er maar één type lamp in de omgeving staat, of dat het echt verduisterd is. Maar belangrijk is het wel om te weten, dat je pas een kleur kunt waarnemen, als deze golflengte bij de bron wordt gemaakt en door het object wordt gereflecteerd.

Praktijkproefjes:
Oranje neon lantaarnpalen zijn een leuk voorbeeld van lampen met beperkte uitgezonden golflengtes. Let eens op de kleuren van auto’s die daaronder rijden. Verder kun je proefjes doen met LED’s. De welbekende rode en groene LED’s hebben een hele kleine “bandbreedte” binnen het lichtspectrum wat golflengtes betreft. Pak eens een groene LED en plaats deze in een verduisterde omgeving (kijkdoos bijvoorbeeld). Neem een rood object laat die verlichten door de groene LED. Als het goed is, zie je een heel donker object, wat niet meer rood genoemd kan worden.

Niet verwarren met thermische camera’s
Nabij infrarood camera’s registreren licht, thermische (“warmtebeeld”) camera’s registreren warmtestraling. En dat gebeurt ook in de infrarood band (van nog hogere golflengtes, bijvoorbeeld shortwave-, midwave-, (very)longwave-infrared), maar mag niet verward worden met optische registratie van licht (near infrared). Licht en warmte zijn wel vergelijkbare elektromagnetische golven. De registratie (sensor), golflengte en het gedrag is alleen anders.

Links

 

Een reactie plaatsen