DE3909434A1 - Einrichtung zur visuellen betrachtung der chlorophyllfluoreszenz in der umwelt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur visuellen Betrachtung der Chlorophyllfluoreszenz in der Umwelt.

Aus den verschiedensten Gründen, sowohl im militärischen als auch im wissenschaftlichen Bereich, kann es wichtig werden, in der Umwelt, in der die Menschen leben, die chlorophyllhaltigen Pflanzen von anderen Gegenständen unterscheiden zu können. Es ist bekannt, daß im Verlaufe der Photosynthese, die in den chlorophyllhaltigen Teilen lebendiger Pflanzen unter Lichteinwirkung stattfindet, eine Fluoreszenzstrahlung entsteht, deren Wellenlänge zwischen etwa 685 und 710 nm liegt. Die Existenz dieser Fluoreszenzstrahlung wurde bereits verschiedentlich wissen­ schaftlich ausgenutzt, beispielsweise, um den Grad der Schädigung bestimmter Pflanzen festzustellen, wie in der DE-PS 33 02 510, oder zur pauschalen Feststellung des Vorhandenseins von Pflanzen, wie in der WO 86/00 420. Bei diesen Einrichtungen wurden auch bereits Filter eingesetzt, welche aus dem gesamten dargebotenen Umgebungslicht den­ jenigen spektralen Bereich herausfilterten, in welchem die Chlorophyllfluoreszenz auftritt. Bei diesen Geräten erfolgte jedoch die Erfassung und Auswertung des Lichtes, welches das Filter durchtrat, quantitativ auf elektrischem Wege und nicht visuell. Eine direkte Unterscheidungsmöglich­ keit derjenigen Objekte in der betrachteten Umgebung, die als lebendige Pflanze Chlorophyll enthalten, und anderer, insbesondere toter Objekte ist mit derartigen Einrichtungen nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Umwelt mit Hilfe des menschlichen Auges betrachtet und durchmustert werden kann, wobei sich die nicht chlorophyllhaltigen Gegenstände deutlich von den chlorophyllhaltigen Gegenständen abheben sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung ein optisches Filter enthält, welches außer im spektralen Bereich der Chlorophyllfluoreszenz zwischen etwa 680 und 800 nm mindestens eine zusätzliche Durchlässigkeitsbande im Bereich zwischen 400 nm und 525 nm aufweist.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene zusätzliche Durchlässig­ keitsbande im kurzwelligeren Bereich findet sich bei den oben erwähnten bekannten Einrichtungen zur Untersuchung der Chlorophyllfluoreszenz nicht. Sie erklärt sich aus physiologischen Besonderheiten des menschlichen Auges. Zum einen ist bekannt, daß das menschliche Auge bei Hellig­ keit im langwelligen Bereich empfindlicher ist (Helligkeits­ empfindlichkeit) als in der Dunkelheit (Dunkelheitsempfind­ lichkeit). Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene zusätz­ liche Bande wird das Auge des Betrachters in den Zustand der "Helligkeitsempfindlichkeit" gebracht. Hierdurch kann es die im langwelligen Bereich (rot) liegende Chlorophyll­ fluoreszenz besser erkennen als dies bei Verwendung eines Filters wäre, welches ausschließlich im Bereich der Chloro­ phyllfluoreszenz durchlässig ist. Ein zweiter Effekt der zusätzlichen, kurzwelligen Durchlässigkeitsbande des erfin­ dungsgemäß eingesetzten Filters ist, daß bei geeigneter Wahl der Höhe und der Lage des Maximums dieser Bande die Farben derjenigen Gegenstände, die kein Chlorophyll ent­ halten, praktisch unverändert und natürlich bleiben. Be­ trachtet man somit durch eine erfindungsgemäße Einrichtung beispielsweise ein grünes Auto im (grünen) Wald, so erscheint das Auto in seiner natürlichen grünen Farbe vor einem roten Hintergrund, der von dem Chlorophyllfluoreszenzlicht aus­ sendenden Wald gebildet wird.

Das erfindungsgemäße Filter kann unmittelbar vor das mensch­ liche Auge gehalten werden oder beispielsweise in Ferngläser eingesetzt werden.

Es ist aber auch möglich, daß dem Filter eine Fernsehkamera­ röhre nachgeschaltet ist, deren Bild auf einem Farbfernseh­ monitor visuell betrachtbar ist. Durch die elektrische Nachbearbeitung des das Filter passierenden Lichtes läßt sich ein noch höheres Auflösungsvermögen erzielen.

Alternativ ist auch eine solche Einrichtung denkbar, bei welcher dem Filter ein Restlichtverstärker nachgeschaltet ist, der ein visuell betrachtbares Farbbild entwirft. Nachtlichtgeräte, die mit einem Restlichtverstärker arbeiten und ähnlich einem Fernglas zu handhaben sind, sind an und für sich bekannt. Sie können im wesentlichen unverändert mit einem erfindungsgemäßen Filter ausgestattet werden.

Schließlich ist es auch möglich, einen im wesentlichen handelsüblichen fotografischen Apparat für die erfindungs­ gemäßen Zwecke einzusetzen. In diesem Falle ist ein licht­ empfindlicher Farbfilm vorgesehen, auf welchen das Licht, welches das Filter durchtreten hat, durch eine Abbildungs­ optik abgebildet wird. Bei der Betrachtung des entwickelten Farbbildes treten dann die sehphysiologischen Wirkungen des erfindungsgemäßen Filters ein.

Zur Optimierung des sogenannten "Weißabgleiches", also des natürlichen, subjektiven Farbeindruckes derjenigen Objekte, die kein Chlorophyll enthalten, kann die Durch­ lässigkeitskurve des Filters maßgeschneidert werden. Im allgemeinen läßt sich dies dadurch erreichen, daß das Filter aus mehreren, hintereinander gelegten Einzelfiltern zusammengesetzt ist, wobei die spektrale Durchlässigkeits­ kurve des Filters durch Faltung der spektralen Durchlässig­ keitskurven der Einzelfilter entsteht. Unter Verwendung handelsüblicher, für andere Einsatzzwecke gedachter Einzel­ filter ist es so möglich, ein Filter mit den erfindungs­ wesentlichen Eigenschaften aufzubauen.

Ein zusätzlicher Parameter zur Optimierung des Weißabglei­ ches ist dann gegeben, wenn die über den gesamten Wellen­ längenbereich integrierte Durchlässigkeit der Einzelfilter unterschiedlich ist. Durch Wahl der integrierten Durchlässig­ keit lassen sich nämlich ebenfalls Lage und Höhe des Maximums der zusätzlichen kurzwelligen Durchlässigkeitsbande beein­ flussen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Filter zur visuellen Betrachtung der Chlorophyllfluoreszenz in der Umwelt;

Fig. 2 schematisch die Durchlässigkeitscharakteristik eines Filters nach Anspruch 1;

Fig. 3 schematisch die Durchlässigkeitscharakteristiken zweier Filter, aus denen die Durchlässigkeits­ charakteristik nach Fig. 2 angenähert werden kann;

Fig. 4 schematisch die Durchlässigkeitscharakteristiken dreier Filter, aus denen ebenfalls in besserer Feinabstimmung eine Durchlässigkeitscharakteristik entsprechend der Fig. 2 erhalten werden kann;

Fig. 5 die Durchlässigkeitscharakteristiken dreier im Handel erhältlicher Filter entsprechend etwa den Verhältnissen in Fig. 4;

Fig. 6 drei Durchlässigkeitscharakteristiken handels­ üblicher Filter, ähnlich der Fig. 5;

Fig. 7 schematisch eine Einrichtung zur visuellen Betrach­ tung der Chlorophyllfluoreszenz mit Hilfe einer Fernsehkameraröhre;

Fig. 8 schematisch eine Einrichtung zur visuellen Betrach­ tung der Chlorophyllfluoreszenz mit Hilfe eines Restlichtverstärkers;

Fig. 9 schematisch eine Einrichtung zur Aufzeichnung der Chlorophyllfluoreszenz auf einem fotografi­ schen Medium.

In Fig. 1 ist schematisch ein Filter dargestellt, welches ingesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist und seinerseits aus zwei Einzelfiltern 2, 3 zusammengesetzt ist. Ein drittes Einzelfilter 4 (gestrichelt dargestellt) kann ggf. noch hinzugefügt werden.

Das Filter 1 dient der direkten Betrachtung der Umwelt durch das menschliche Auge 5; es soll die direkte Erkennung der Chlorophyllfluoreszenz, die alle lebenden, chlorophyll­ haltigen Pflanzen bei Lichteinstrahlung aussenden, erleich­ tern.

Hierzu weist das Filter 1 die in Fig. 2 schematisch darge­ stellte spektrale Durchlässigkeitskurve auf. Diese ist gekennzeichnet durch eine hohe Lichtdurchlässigkeit im langwelligen Bereich, insbesondere im Bereich von etwa 680 nm bis mindestens 800 nm, in welchem die Chlorophyllfluores­ zenz angesiedelt ist. Über die Transmission in diesem Bereich, der für die Erfassung der Chlorophyllfluoreszenz selbstverständlich notwendig ist, hinaus findet sich in der Durchlässigkeitskurve des Filters 1 mindestens eine zusätz­ liche Durchlässigkeitsbande im Bereich zwischen etwa 400 nm und etwa 525 nm. Diese zusätzliche Bande erfüllt eine doppelte Funktion:

Zum ersten dient sie dazu, gemeinsam mit dem im langwelligen Bereich durchgelassenen Licht dem Betrachter die Umgebung - soweit sie nicht chlorophyllhaltig ist - etwa in natür­ lichen Farben erscheinen zu lassen. Durch die genaue Lage des Maximums der zusätzlichen Bande sowie der Durchlässig­ keit an der Stelle dieses Maximums läßt sich ein sogenannter "Weißabgleich" des menschlichen Auges durchführen, bei welchem der subjektive Farbeindruck am natürlichsten ist. Betrachtet man somit durch ein Filter mit der Durchlässig­ keitskurve/entsprechend Fig. 2 die Umwelt, in der sich sowohl lebendige, chlorophyllhaltige Pflanzen als auch unbelebte Gegenstände befinden, die keine Chlorophyllfluo­ reszenzstrahlung aussenden, so heben sich die chlorophyll­ haltigen Gegenstände rot gegenüber den anderen Gegenständen ab, die im wesentlichen ihre natürliche, bekannte Farbe beibehalten.

Die zweite Funktion der zusätzlichen, im kurzwelligeren Bereich liegenden Durchlässigkeitsbande des Filters 1 berücksichtigt eine physiologische Besonderheit des mensch­ lichen Auges: Die spektrale Empfindlichkeit des Auges ist nämlich in der Dunkelheit eher zu kürzeren Wellenlängen verschoben, während das Maximum der spektralen Empfindlich­ keit des Auges in der Helligkeit bei größeren Wellenlängen liegt. Aufgrund der zusätzlichen Durchlässigkeitsbande des Filters 1 arbeitet das menschliche Auge mit der sogenannten "Hellempfindlichkeit, ist also in dem Wellenlängenbereich, in welchem die Chlorophyllfluoreszenz auftritt, empfindlicher als es dies ohne die zusätzliche Bande wäre. Dies erleichtert das Erkennen der Chlorophyllfluoreszenz erheblich.

Die in Fig. 2 dargestellte Gesamtcharakteristik der spek­ tralen Durchlässigkeit des Filters 1 läßt sich, wie dies bereits der Fig. 1 zu entnehmen ist, im allgemeinen durch Hintereinanderschalten mehrerer Einzelfilter mit unterschied­ lichen Durchlässigkeitskurven erzielen. Ein schematisches Beispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Diese zeigt die Durch­ lässigkeitskurven der Einzelfilter 2 und 3 von Fig. 1, aus denen durch Faltung eine Gesamtdurchlässigkeitskurve, ähnlich der Fig. 2 gewonnen wird. Das Filter 2 erscheint dem Auge in der Farbe blau-rot und weist ein Durchlässigkeits­ maximum bei etwa 450 nm auf. Darüber hinaus ist es im Bereich über etwa 685 nm weitgehend durchlässig. Das Filter 3 ist für das menschliche Auge gelb; es schneidet im wesent­ lichen Licht mit einer Wellenlänge unterhalb von 500 nm ab. Durch die Kombination der beiden Einzelfilter 2, 3 ergibt sich eine Gesamtdurchlässigkeitskurve für das Filter 1 mit einer Bande, deren Maximum etwa bei 470 nm liegt, sowie mit einem breiten Durchlässigkeitsbereich über etwa 700 nm.

Um den sogenannten "Weißabgleich", also den natürlichen subjektiven Farbeindruck, zu verbessern, kann dem Filter, wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet, noch ein viertes Einzelfilter 4 hinzugefügt werden. Bei diesem Ausführungs­ beispiel können dann die einzelnen Durchlässigkeitskurven etwa so aussehen, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist. Die Durchlässigkeitskurven für die Einzelfilter 2 und 3 entspre­ chen im wesentlichen den Kurven der Fig. 3. Das Einzelfilter 4 hat eine Durchlässigkeitskurve mit einer verhältnismäßig breiten Bande, die ein Maximum bei etwa 460 nm aufweist. Dieses Einzelfilter 4 öffnet für Wellenlängen über etwa 700 nm und erscheint bei visueller Betrachtung hellblau. Durch die Hinzufügung des Einzelfilters 4 wird die Gesamtcharak­ teristik, die sich durch die Faltung der Kurven 2, 3, 4 von Fig. 4 ergibt, gegenüber der Gesamtcharakteristik, die sich durch Faltung der Kurven 2 und 3 von Fig. 3 ergibt, geringfügig modifiziert. Sowohl die Lage als auch die Höhe des Maximums der zusätzlichen, kurzwelligeren Bande werden geringfügig verschoben. Auf diese Weise lassen sich durch Einsatz herkömmlicher, handelsüblicher Einzelfilter Gesamt­ filter 1 maßschneidern, die einen möglichst natürlichen, subjektiven Beobachtungseindruck erzielen.

In Fig. 5 ist ein Beispiel für tatsächliche, handelsübliche Einzelfilter 2, 3, 4 dargestellt; diese Figur entspricht etwa der Fig. 4, welche schematisch die Grundzüge deutlich machen sollte.

Auch Fig. 6 zeigt die Durchlässigkeitskurven dreier handels­ üblicher Einzelfilter 2, 3, 4, diesmal aber aus Übersicht­ lichkeitsgründen in Ordinatenrichtung gegeneinander versetzt. Im Gegensatz zu den Kurven der Fig. 5 weisen hier die Einzelfilter 2, 3, 4 unterschiedliche Gesamtdurchlässigkeit (also über das gesamte Spektrum hinweg integriert) auf. Das Einzelfilter 2 besitzt eine Gesamtdurchlässigkeit Y ₂ von 1,5%, das Einzelfilter 3 eine Gesamtdurchlässigkeit Y ₃ von 20% und das Einzelfilter 4 eine Gesamtdurchlässig­ keit Y ₄ von 30%. Durch die unterschiedlichen Gesamtdurch­ lässigkeiten Y ₂, Y ₃, Y ₄ können ebenfalls die spektralen Positionen der Durchlässigkeitsbereiche sowie die Höhen der Maxima der entstehenden Banden beeinflußt werden, was zum "Weißabgleich" eingesetzt werden kann.

Das in Fig. 1 dargestellte Filter 1 läßt sich nicht nur zur unmittelbaren Betrachtung der Umwelt mit dem Auge sondern auch zur visuellen Betrachtung unter Einschaltung von weiteren Hilfsmitteln verwenden.

In Fig. 7 ist ein Beispiel für eine derartige Einrichtung dargestellt. Sie umfaßt wiederum ein Filter 101 mit im wesentlichen der in Fig. 2 dargestellten Gesamtdurchlässig­ keitskurve. Dem Filter 101 ist eine Abbildungsoptik 106 vorgeschaltet, welche ein Bild von der betrachteten Umwelt auf eine Fernsehkameraröhre 107 abbildet. Das von der Fernsehkameraröhre 107 empfangene Bild kann dann auf einem Farbbildmonitor betrachtet werden. Zwar gelten die physio­ logischen Besonderheiten des menschlichen Auges (Hellempfind­ lichkeit und Dunkelempfindlichkeit) für die Fernsehkamera­ röhre 107 selbstverständlich nicht; diese Besonderheiten werden aber dann bei der visuellen Betrachtung des Fernseh­ bildes wieder relevant.

Auch die in Fig. 8 schematisch dargestellte Einrichtung umfaßt ein Filter 201, welches aus Einzelfiltern 202, 203, 204 ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten Filter 1 zusammengesetzt ist. Das Licht, welches das Filter 201 durchdringt, wird von einer Abbildungsoptik 206 auf einen Restlichtverstärker 208 abgebildet. Das vom Restlichtver­ stärker 208 entworfene Bild wird dann direkt vom mensch­ lichen Auge 205 betrachtet. Erneut hat die zusätzliche, im kurzwelligeren Bereich liegende Bande in der Durch­ lässigkeitscharakteristik des Filters 201 keine Bedeutung bei der Bildverarbeitung durch den Restlichtverstärker 208, wird dann aber bei der Betrachtung des vom Restlicht­ verstärker 208 erzeugten Bildes durch das menschliche Auge 205 relevant.

In Fig. 9 schließlich ist eine fotografische Einrichtung zur visuellen Betrachtung der Chlorophyllfluoreszenz schema­ tisch dargestellt. Auch sie enthält ein Filter 301, welches aus drei Einzelfiltern 302, 303 und 304 entsprechend den Einzelfiltern 2, 3, 4 des Filters 1 von Fig. 1, zusammen­ gesetzt ist. Dem Filter 301 ist ein UV-Filter 309 vorge­ schaltet, dessen Funktion jedoch hier von untergeordneter Bedeutung ist. Das Licht, welches das UV-Filter 309 sowie das Filter 301 durchdringt, wird von einer Abbildungsoptik 306 auf einen lichtempfindlichen Film 310 abgebildet. Nach photografischer Entwicklung kann das auf dem licht­ empfindlichen Film 310 entstandene Bild visuell betrachtet werden. In diesem Augenblick kommen dann die beiden oben erwähnten Funktionen der zusätzlichen, kurzwelligeren Bande der Durchlässigkeitscharakteristik des Filters 301 zum Tragen. Selbstverständlich ist es bei der Einrichtung nach Fig. 9 notwendig, Filmmaterial zu verwenden, welches für Licht mit einer Wellenlänge bis zu ca. 800 nm empfind­ lich ist. Das üblicherweise auf dem Markt befindliche, insbesondere für den Fotoamateur bestimmte Filmmaterial ist hierfür weniger geeignet.

Betrachtet man durch eine der in den Fig. 1 bzw. 7 bis 9 dargestellten Einrichtungen direkt oder mittelbar etwa ein grünes Auto im Wald, so ist das normalerweise für das Auge nicht sofort erkennbare Auto hier inmitten eines roten Waldes in seiner natürlichen grünen Farbe leicht auszumachen. An diesem Beispiel wird die Verwendbar­ keit der beschriebenen Einrichtungen sowohl für militärische Zwecke oder Luftaufnahmen als auch für wissenschaftliche Untersuchungen ohne weiteres deutlich.

Bei allen oben anhand der Zeichnung erläuterten Ausführungs­ beispielen der Erfindung wurde das Gesamtfilter 1, 101, 201 bzw. 301 aus mehreren Einzelfiltern zusammengesetzt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, durch geeignete Farb­ mischungen bereits mit einem einzigen Filter die Durch­ lässigkeitscharakteristik zu erzielen, die schematisch in Fig. 2 dargestellt und für die Durchführung der Erfin­ dung von entscheidender Bedeutung ist.

Claims (6)

1. Einrichtung zur visuellen Betrachtung der Chlorophyll­ fluoreszenz in der Umwelt, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein optisches Filter (1; 101; 201; 301) enthält, welches außer im spektralen Bereich der Chlorophyllfluo­ reszenz zwischen etwa 680 und 800 nm mindestens eine zu­ sätzliche Durchlässigkeitsbande im Bereich zwischen 400 nm und 525 nm aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Filter (101) eine Fernsehkameraröhre (107) nachgeschaltet ist, deren Bild auf einem Farbfernsehmonitor visuell betrachtbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Filter (201) ein Restlichtverstärker (208) nachgeschaltet ist, der ein visuell betrachtbares Farbbild entwirft.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtempfindlicher Farbfilm (310) vorgesehen ist, auf welchem das Licht, welches das Filter (301) durch­ treten hat, durch eine Abbildungsoptik (306) abgebildet wird.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (1; 101; 201; 301) aus mehreren, hintereinander gelegten Einzelfiltern (2, 3, 4; 102, 103, 104; 202, 203, 204; 302, 303, 304) zusammen­ gesetzt ist, wobei die spektrale Durchlässigkeitskurve des Filters durch Faltung der spektralen Durchlässigkeits­ kurven der Einzelfilter entsteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die über den gesamten Wellenlängenbereich inte­ grierte Durchlässigkeit (Y ₂, Y ₃, Y ₄) der Einzelfilter (2, 3, 4) unterschiedlich ist.