Was ist ein IR-Cut Filter – und warum brauchen eingebettete Bildverarbeitungsanwendungen einen solchen Filter?

In den letzten Jahren hat sich die Videoüberwachung bei Tag und Nacht über die traditionelle Überwachung kritischer Infrastrukturen hinaus entwickelt. Im Allgemeinen erfassen Systeme wie CMOS- und CCD-Kameras genaue Bilder bei Tageslicht. Ihre Sensoren können Nahinfrarotlicht erkennen, das für das menschliche Auge unsichtbar ist. Dies kann zwar eine wichtige Funktion für Nachtsichtaufnahmen sein, aber das Infrarotlicht verfälscht die Farben der aufgenommenen Bilder bei Tageslicht.

Im heutigen Technologie-Donnerstags-Blog erfahren Sie, wie Sie einen IR-Cut Filter in Ihren Kameramodulen einsetzen können, um sowohl bei Tag als auch bei Nacht (bei schlechten Lichtverhältnissen) eine hervorragende Bildqualität zu gewährleisten.

Bevor wir uns näher mit dem IR-Cut Filter befassen, sollten wir einen kurzen Blick darauf werfen, was “Infrarot” bedeutet.

Was ist Infrarot?

Infrarot (IR) wird auch als Strahlungsenergie bezeichnet. Es handelt sich dabei um elektromagnetische Strahlung, die längere Wellenlängen als das sichtbare Licht hat. Normalerweise kann das menschliche Auge Licht mit einer Wellenlänge zwischen 320 nm und 760 nm wahrnehmen. Der IR-Bereich liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen 700 nm und 1000 nm.

Das ist weit mehr als das, was ein menschliches Auge sehen kann – denn nur NIR-Kameras können Bilder in diesem Wellenlängenbereich erfassen.

Was ist ein IR-Cut Filter?

Ein IR-Cut Filter ist ein mechanischer Verschluss, der den IR-Bereich blockiert oder durchlässt und so ein hochwertiges Bild mit echter Farbwiedergabe liefert – unabhängig von Tag oder Nacht.

Im Gegensatz zum menschlichen Auge können Kamerasensoren IR-nahes Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums erkennen. Um das Bild der menschlichen Wahrnehmung anzunähern, sind die meisten OEM-Kameras mit einem IR-Cut Filter ausgestattet, der nur das sichtbare Licht durchlässt und damit das unerwünschte IR-Licht reflektiert.

Nachfolgend finden Sie Beispielbilder mit und ohne IR-Cut Filter:

Wie funktioniert ein IR-Cut Filter?

In der Regel wird ein IR-Cut Filter zwischen den Bildsensoren und dem Objektiv platziert, wie unten dargestellt.

Dieser Filter wird durch einen Motor oder mit Hilfe eines Elektromagneten gesteuert. Wenn der IR-Filter tagsüber eingeschaltet ist, hilft er, das IR-Licht zu blockieren und lässt nur das sichtbare Licht durch. Dieses Verfahren wird als Echt Tag-Nacht (True Day Night, TDN) bezeichnet, da es tagsüber Echtfarbbilder und nachts Schwarzweiß- oder Nachtsichtbilder liefert. Es stellt sicher, dass die Bildfarben nicht gestört werden, und erzeugt eine echte Darstellung der Farben – wie sie das menschliche Auge natürlich sieht.

Wenn der IR-Filter in der Nacht oder bei schlechten Lichtverhältnissen ausgeschaltet wird, können IR- und andere Lichtquellen den CCD/CMOS-Sensor erreichen. Der Bildsensor wiederum absorbiert genügend Licht – und die Kamera schaltet in den Schwarz-Weiß-Modus, der für IR-Licht empfindlicher ist.

Ein IR-Cut Filter kann in Geräten mit hellen Glühbirnen eingesetzt werden, um unerwünschte Erwärmung zu verhindern.

Wenn Sie mehr über NIR-Bildgebung erfahren möchten, lesen Sie bitte den Artikel Was ist NIR-Bildgebung und wie funktionieren NIR-Kameras?

Lassen Sie uns nun die Vorteile der Verwendung eines IR-Cut Filters im Detail besprechen.

Drei Gründe für die Verwendung eines IR-Cut Filters

1. Vermeidung von Farbverfälschungen – Im Allgemeinen führt IR-Licht tagsüber zu Farbverfälschungen. Um dieses Problem zu lösen, wird ein IR-Cut Filter verwendet, um die Störung durch IR-Licht während des Tages vom Bildsensor fernzuhalten. Wenn das Licht unter ein bestimmtes Niveau fällt, schwenkt der Filter automatisch aus dem Weg, so dass das IR-Licht nicht auf den Bildsensor trifft. Außerdem schaltet die Kamera in den Schwarz-Weiß-Modus, um das IR-Licht optimal zu nutzen.
2. Erzielung realistischer Farben – Der IR-Cut Filter in einer Farbkamera kann realistische Farben bei weißem Licht erzielen. Im Allgemeinen ist das vom menschlichen Auge wahrgenommene Farbspektrum im Vergleich zu dem von einer CCD-Kamera wahrgenommenen Spektrum recht begrenzt. Insbesondere im nahen IR-Bereich des Spektrums ist der Unterschied in der Empfindlichkeit erheblich. Wenn kein IR-Cut Filter verwendet wird, erscheint eine große Menge an Infrarotlicht, was zu seltsamen Farben führt.
3. Farbkorrektur in Objektiven – In vielen Fällen ist es schwierig, abbildende Optiken zu entwickeln, die sowohl das sichtbare Spektrum als auch das nahe IR-Spektrum abdecken. Daher haben viele Objektive unterschiedliche Schärfentiefen für das sichtbare und das IR-Spektrum. In solchen Fällen schneidet der IR-Cut Filter einen beträchtlichen Teil des gesammelten Lichts ab und sorgt für eine Farbkorrektur der Objektive. Bitte sehen Sie sich die folgende Abbildung an, um den Unterschied zwischen dem Ausgang eines Standardobjektivs und dem Ausgang eines farbkorrigierten Objektivs zu verstehen:

Eingebettete Bildverarbeitungsanwendungen, die auf IR-Cut Filter angewiesen sind

Einige der eingebetteten Bildverarbeitungsanwendungen, bei denen ein IR-Cut Filter zum Einsatz kommt, werden im Folgenden beschrieben:

Videokonferenzen

Bei einer Videokonferenzkamera sollten die Objektive eine hohe Bildqualität und ein großes Sichtfeld (field of view, FOV) gewährleisten und gleichzeitig eine sehr geringe Verzerrung aufweisen. Daher hilft ein IR-Cut Filter bei der Erzeugung präziser Farbbilder mit Farb-CCD- oder CMOS-Kameras. Der Filter blockiert die Übertragung von IR-Licht, während er sichtbares Licht durchlässt. Er kann durch Absorptions- oder Reflexionsoptiken hergestellt werden. Die Absorptionsfilter werden aus speziellem optischem Glas hergestellt, um die Strahlung im nahen IR-Bereich zu absorbieren. Im Vergleich dazu sind die Reflexionsfilter Kurzpass-Interferenzfilter, die IR-Licht mit hoher Effizienz reflektieren.

Automatische Nummernschild-Erkennung (Automatic Number Plate Recognition, ANPR)

Von einem ANPR-System wird erwartet, dass es das Nummernschild eines Fahrzeugs auf der Grundlage eines von einer ANPR-Kamera aufgenommenen Bildes genau erkennt. Dies kann durch eine Kombination von Schritten erfolgen, wie z. B. die Erfassung des realen Bildes, die Lokalisierung und Identifizierung einzelner Zeichen auf dem Nummernschild und die Erkennung des optischen Zeichens. Bei Nacht kann eine Farbkamera mit einem IR-Cut Filter klare Bilder aufnehmen. Daher hilft sie bei der Erkennung des individuellen Symbolbildes auf dem Nummernschild, der Anzahl der Zeichen auf dem Nummernschild und der Texthelligkeit (dunkler Text auf hellem Hintergrund oder heller Text auf dunklem Hintergrund).

Um zu erfahren, wie die Nummernschilderkennung mit der Global-Shutter-Kamera von e-con und dem Raspberry Pi4 funktioniert, lesen Sie bitte den Artikel Automatische Nummernschilderkennung mit der Global Shutter Kamera von e-con Systems und dem Raspberry Pi4.

Intelligentes Überwachungssystem

Heutzutage sind die meisten CCTV-Kameras mit IR-Beleuchtung ausgestattet. Der IR-Cut Filter wird vor den Kameras mit einem Nachtsicht-Sensor angebracht. Das menschliche Auge kann das IR-Beleuchtungslicht nicht wahrnehmen, aber der Kamerasensor kann es perfekt erkennen. Im Monochrom-Modus hat die IR-Strahlung bei guter Bildqualität tagsüber einen großen Einfluss auf das Bild. Außerdem sind intelligente Überwachungskameras mit Nachtsichtfunktion mit einem IR-Sperrfilter ausgestattet, der die Strahlen abschirmt und so ein genaues Bild liefert.

NIR-Kameras von e-con Systems

Mit mehr als 18 Jahren Erfahrung im Bereich der Kameratechnologie hat e-con Systems ein breites Portfolio an NIR-Kameras entwickelt. PFB die umfassende Liste der NIR-Kameras von e-con Systems.

• See3CAM_CU135M – 4K Monochrom USB 3.1 Gen 1 Kamera
• See3CAM_CU55M – 5MP Monochrom-USB-NIR-Kamera
• See3CAM_CU27 – Sony® Starvis™ IMX462 Hochempfindliche USB-3.1 Gen 1 Tageslichtkamera
• See3CAM_20CUG – 2MP OV2311 Monochrome Global-Shutter-Kamera
• See3CAM_CU30 – 3,4 MP USB-Tageslichtkamera
• Conversa® – USB-Tageslichtkamera mit Mikrofon

Ich hoffe, dieser Artikel hat Ihnen etwas Licht in die Funktionsweise eines IR-Cut Filters gebracht. Wenn Sie weitere Fragen zu diesem Thema haben, hinterlassen Sie bitte einen Kommentar. Wir werden uns so schnell wie möglich bei Ihnen melden.

Wenn Sie daran interessiert sind, eingebettete Kameras in Ihre Produkte zu integrieren, schreiben Sie uns bitte an camerasolutions@e-consystems.com. Sie können auch unseren Kameraselektor besuchen, um einen vollständigen Überblick über das Kamera-Portfolio von e-con Systems zu erhalten.