Abhängigkeit von Reflexion und Abstand an einer optischen Messeinrichtung?

[wkrug]

Hallo Leute,

Ich bin gerade dabei einen Vegetationsindex Messer zu bauen.
Dabei werden Pflanzen mit Leuchtdioden unterschiedlicher Wellenlänge angestrahlt und die Reflexion dabei als Maß für den Vegetationsindex verwendet.
Als LED's habe ich 30° 1W LED's mit 5 verschiedenen Wellenlängen 595, 670, 690, 740, 780nm verwendet, die um einen Licht Frequenz Wandler ( TSL235 ) herum angeordnet sind.
Diesem Lichtsensor ist eine CARCLO Linse mit 23° Öffnungswinkel ( Eigentlich zum fokussieren von High Power LED's gedacht ) angebaut.

Wenn man mit dieser Anordnung eine weisse Fläche anstrahlt, sind die Reflexionen, der einzelnen Wellenlängern, stark von der Entfernung der Fläche zu der Sensoreinheit abhängig ( 30 bis 70cm hab ich ausprobiert ) . Eigentlich hätte ich eine gleichmässige Abnahme der Reflexionen bei allen Wellenlängen erwartet.
Tatsächlich wird jede Wellenlänge mit einer anderen intensität abhängig von der Entfernung reflektiert.
Warum das so ist ist eine große Frage?
Wäre es eventuell besser die Optik weg zu lassen und Stattdessen ein lichtundurchlässiges Rohr als seitliche Abschattung für den Sensor zu verwenden - Wer hat damit Erfahrung?
Hat noch jemand eine andere mögliche Idee?

Ich weiß, das Thema ist reichlich speziell, aber eventuell findet sich doch der Eine oder Andere Spezialist.

[PICture]

Hallo!

Tatsächlich wird jede Wellenlänge mit einer anderen intensität abhängig von der Entfernung reflektiert.
Warum das so ist ist eine große Frage?

Die Intensität wird von einer Farbe der abstrahlender Fläche abhängig (reine Physik). Nur deshalb sehen wir verschiedene Farben beim Anfall vom weissen Licht.

Beispielweise in voller Dunkelheit wird eine grüne mir rotem Licht bestrahlte Fläche schwarz, weil alle Farben ausser grün vollständig absorbiert werden.

Übrigens, ein Vegetationsindex Messer ist mir bisher ganz unbekannt und scheint sehr interessant zu sein.

[oberallgeier]

... LED's mit 5 verschiedenen Wellenlängen 595, 670, 690, 740, 780nm
... Wenn man mit dieser Anordnung eine weisse Fläche anstrahlt, sind die Reflexionen ...

Das mit der abstandsabhängigen Intensitätsabnahme ist mir rätselhaft. Aber ich bin nicht firm auf dem Gebiet Farbenlehre und Optik.

Eins kann ich sagen: es ist nicht sichergestellt, dass eine weiße Wand alle von Dir gewählten Wellenlängen weitgehend reflektiert oder gleichmässig reflektiert! Weiß kann ja durch komplementärfarbene Pigmente entstehen. WENN Du in der Farbreflexion der Wandfarbe ein Loch um - beispielsweise - 570, 690 nm hast, dann ist Dein Weißreflektions-Test für die Tonne. Ähnlich wie bei Graukarten für photographische Tests müsstest Du feststellen, ob das reflektierte Licht ein homogenes Spektrum hat (wenn das Auflicht homogen ist) oder ob markante Löcher dabei sind. Interessant wäre dann auch festzustellen, ob schräg reflektiertes Licht das gleiche Spektrum hat . . . Diese zwei Fragen stellen sich mir, da ich mir nicht vorstellen kann, dass verschiedene (reflektierte) Lichtfarben unterschiedlich weit strahlen. Das hieße ja, dass die Luft in Deiner Testumgebung unterschiedliche Farben unterschiedlich absorbiert . . . das kommt mir wirklich rätselhaft vor.

Ich kann mir aber mit einer gewissen Mühe vorstellen, dass einzelne Farben unterschiedlich stark divergent reflektiert werden - und dann könnte dieses Messergebnis entstehen. Dann könnten Farben die breit gestreut reflektiert werden aus der Nähe noch recht "komplett" da sein und in der Entfernung stärker abnehmen als solche die eng gestreut reflektiert werden.

Im nächsten Leben werde ich mich mehr um optische Erscheinungen kümmern, das scheint ein interessantes Gebiet zu sein . . . .

[PICture]

Genau!

Die Hauptsache ist, dass man sicher ist, dass weiss wirklich weiss ist. Die Pflanzen sind es aber angeblich kaum.

Ich denke, dass man zuerst die Luft (Mischung von diversen Gasen) mit Spiegel forschen müsste, um ihre Absorbtion genau zu kennen.

[wkrug]

Das mit der unterschiedlichen Streuung bei verschiedenen Wellenlängen scheint mir plausibel.
Ich werd mal versuchen eine andere Weisse Fläche ( bisher hab ich eine Depronplatte benutzt ) zu finden und gucken, ob da der gleiche Effekt auftritt.
Ich hab dem Sensor jetzt ein 10mm Rohr mit 4cm Länge verpasst. Dabei tritt der Effekt nur mehr im Nahbereich bis etwa 30cm auf.
Es könnte also auch mit der Linsengeometrie am Optosensor ( ist ne Fresnellinse ) zusammen hängen.
Ich muss mal gucken, ob ich in meinem Fundus noch ne alte Schwarz Weiss Kamera hab, die auch auf infrarotes Licht reagiert.
Eventuell lässt sich der Fehler damit etwas eingrenzen.

Da ich nur relativ geringe Längen durch die Luft habe, maximal 70cm, würde ich eine unterschiedliche Absorbtion bei den doch recht nah beieinander liegenden Wellenlängen durch die Luft ausschließen.

Bei den Pflanzen ist es so, das es da zwischen 700 und 740nm einen steilen Sprung zwischen Absorbtion und Reflexion gibt.
Die Steilheit und die genaue Lage dieses Überganges ist ein Maß für den Chlorophyll Gehalt und somit der aufgenommenen Stickstoffmenge.
Wer mag, kann ja mal nach dem Begriff REIP ( Red Edge Inflection Point ) googeln.

[Besserwessi]

Die weisse Fläche wird weniger das Problem sein, sondern die Justierung der Optik. Egal wie die Weisse Farbe aufgebaut ist, wird fast alles Licht weitgehend isotrop in alle Richtungen gestreut. Kleine Unterschiede gibt es bei glänzenden oder hochglänzenden Flächen, da geht ein Teil in die mehr oder weniger gerichtete Reflexion. Das sollte aber alles von der Wellenlänge unterschiedlich sein.

Wie viel Licht auf den Sensor kommt, hängt unter anderem Davon ab, wie sich der Empfindliche Bereich des Empfängers und des Senders überschneiden. Dabei können besonders die verschiedenen LEDs ein Problem werden, da die Fläche nicht ganz gleichmäßig ausgeleuchtet wird, und dann auch noch abhängig vom Abstand.

Für jede Farbe wird man als Funktion des Abstandes in der Regel bei einem Abstand ein mehr oder weniger breites Maximum beim Signal finden. Etwas das sollte der Abstand für die Messung sein. Wenn es nicht passt sollte die Optik (an der LED) nachjustiert werden bis alle Farben etwa beim gewünschten Abstand ihr Maximum haben. Ganz unabhängig vom Abstand bekommt man es aber nicht, nur ein mehr oder weniger breites Maximum. Für eine größere Toleranz beim Abstand sind insgesamt große Abstände von Vorteil.

[wkrug]

Für eine größere Toleranz beim Abstand sind insgesamt große Abstände von Vorteil

Im Prinzip stimmt das und kommt auch mit meinen Messungen hin.
Allerdings wird das Teil nicht unter Laborbedingungen zum Einsatz kommen, sondern im Ausseneinsatz.
Und da ist ein grosser Abstand wegen des herrschenden Fremdlichtes problematisch.
Da wäre ein geringerer Abstand besser.
Irgendwo werd ich da einen Kompromiss finden müssen.
Den Abgleich der Helligkeit hab ich mit einstellbaren Stromquellen für die verschiedenfarbigen LED's realisiert.
Da die ja auch nicht alle gleich effizient sind.

EDIT!
Ich hab gerade mal einen Testlauf in der Dämmerung gemacht.
Die Werte scheinen mir plausibel zu sein.
Anscheinend ist es also so, das das Umgebungslicht der größere Störfaktor bei diesem Versuch ist.
Ich werd mal gucken, ob ich ein Infrarotfilter für die Wellenlängen um 700nm finde um das dem Sensor vorzuschalten.
Dadurch sollte sich der Tageslichteinfluss reduzieren lassen.
Die 585nm Wellenlänge wäre ohnehin nur für eine Vegetationsdichtebestimmung gewesen - Da werd ich dann darauf verzichten müssen.
Die Werte unten sind die Messwerte der Dämmerungsmessung - Wen es interessiert.
Von Links nach Rechts:
Ohne Beleuchtung, Messwert mit 585nm LED, Messwert mit 670nm LED, Messwert mit 700nm LED, Messwert mit 740nm LED, Messwert mit 780nm LED, Berechneter REIP Wert, Bodendeckungsgrad, CRC Prüfsumme.

Header    Ohne    585nm    670nm    700nm    740nm    780nm    REIP    Deckung    Checksumme
@    8    28    19    25    57    71    250    31    77
@    7    28    19    26    56    71    253    31    79
@    7    28    20    25    56    71    264    31    74
@    8    28    20    24    57    71    260    31    7F
@    8    28    19    25    57    71    250    31    77
@    7    28    19    25    57    71    250    31    78
@    7    28    19    25    57    70    243    31    7B
@    8    28    19    24    58    70    241    31    78
@    8    28    19    24    57    70    248    31    7E
@    8    28    18    25    56    70    245    32    71
@    7    29    18    24    56    69    243    32    70
@    8    29    18    23    57    68    235    32    79
@    8    29    18    23    56    68    242    32    78
@    8    29    17    24    55    68    238    32    7E
@    8    29    18    23    55    68    250    32    78
@    9    29    18    23    55    68    250    32    79
@    8    30    18    23    55    69    256    32    77
@    8    30    17    24    55    69    245    32    7D
@    8    30    17    24    56    69    237    32    7B
@    8    30    18    23    57    69    241    32    73
@    9    30    17    24    56    70    243    32    71
@    9    30    17    24    55    71    258    32    79
@    9    29    17    25    55    70    246    32    7E
@    9    29    18    24    56    69    243    32    7E
@    9    29    18    24    56    69    243    32    7E
@    8    29    18    24    56    68    237    32    7D
@    9    29    17    24    56    66    218    32    70
@    8    29    18    23    56    65    224    32    75
@    8    29    17    24    55    64    212    32    7A
@    8    29    17    24    54    63    213    32    7D
@    8    29    18    23    55    62    212    32    74
@    8    29    17    24    55    62    200    32    7F
@    8    30    17    23    56    63    206    32    74
@    8    29    17    24    55    64    212    32    7A
@    8    28    17    25    54    64    213    32    7A
@    9    28    16    26    53    65    214    32    78
@    9    28    16    26    54    65    207    32    7D
@    10    28    16    26    54    66    214    32    44
@    10    28    17    25    55    67    226    32    47
@    10    27    17    26    56    68    220    32    41
@    10    27    16    27    55    69    221    32    42
@    10    27    17    26    56    68    220    32    41
@    10    27    16    27    55    68    214    32    45
@    10    28    15    27    55    68    207    32    4B
@    9    29    15    27    55    68    207    32    72
@    9    29    16    26    56    67    206    32    7D
@    9    29    17    26    55    68    227    32    73
@    9    29    17    26    55    68    227    32    73
@    9    29    17    26    56    68    220    32    77
@    9    30    17    25    56    68    225    32    79
@    8    30    18    25    57    68    225    32    76
@    8    30    18    25    57    70    237    32    7C
@    8    29    19    25    58    70    236    32    7B
@    8    29    20    24    59    70    240    31    73
@    9    29    20    23    60    70    237    31    7F
@    9    29    20    24    59    72    251    31    70
@    9    28    20    24    59    73    257    31    76
@    8    28    20    25    59    73    252    31    73
@    8    28    20    25    58    73    260    31    73
@    8    28    19    26    58    73    250    31    79
@    9    28    19    26    57    74    264    31    77
@    8    28    19    27    57    74    260    31    73
@    8    29    19    26    57    74    264    32    74
@    8    29    19    26    56    73    266    32    70
@    8    29    19    27    55    73    271    32    74
@    8    29    19    26    57    72    251    32    74
@    8    30    19    25    58    72    248    32    78
@    9    30    19    24    59    72    245    32    74
@    9    30    19    25    58    72    248    32    79
@    9    30    20    24    58    72    258    32    73
@    9    30    20    23    59    71    250    32    7E
@    10    30    20    22    59    70    248    32    4F
@    10    29    20    23    59    70    244    31    49
@    10    29    20    24    60    71    238    31    4E
@    10    29    20    23    61    72    242    31    46
@    10    29    19    24    60    73    244    32    4E
@    10    29    18    25    60    72    228    32    45
@    10    29    17    26    58    72    231    32    4A
@    10    29    17    25    58    72    236    32    4E
@    10    28    17    25    58    72    236    32    4F
@    9    28    17    25    58    72    236    32    77
@    8    28    17    25    58    72    236    32    76
@    7    29    17    24    58    72    241    32    79
@    6    29    17    23    59    72    238    32    70

[wkrug]

Ich hab mir Heute rotes Plexiglas besorgt, damit konnte ich die Tageslichtempfindlichkeit reduzieren.
Ich bin aber noch nicht ganz zufrieden damit.
Ich werd mal einen anderen Licht Frequenz Wandler versuchen.
Mein Versuchsobjekt wäre jetzt der TCS 3200 von TAOS - Vom großen C...
Ich möchte da vorerst nur mal das rote Sensorarray verwenden und gucken ob ich da bessere Ergebnisse krieg.
Der Infrarotfilter passt bei diesem Baustein für meine Anwendung schon ziemlich gut.
Ne Optik werd ich aber auch da brauchen ( Rohr oder Linse ).
Ich versprech mir da schon deshalb bessere Ergebnisse, weil die Anordnung aus einem Array und nicht einer einzelnen Fotodiode besteht.
Mal gucken, was die Praxis da spricht.

[wkrug]

Ich hab nun den TCS 3200 verwendet. Duch ein Rohr, das den Sensor und die Optik vor seitlicher Lichteinstrahlung schützt, wurde auch die Abstandsemfpindlichkeit zur Reflexionsfläche geringer.
Der Sensor funktioniert nun schon bei Dämmerlicht.
Bei voller Sonneneinstrahlung sind die Werte der Frequenzerhöhung ( Helligkeit der einzelnen LED's ) zu gering um sie vernünftig auswerten zu können.
Laut meinen Schätzungen müssten 5W LED's mit 20% Wirkungsgrad ausreichen um sicher auswertbare Ergebnisse auch bei vollem Tageslicht zu kriegen.
Leider kann ich solche LED's nicht mit den benötigten Wellenlängen ( 670, 700, 740 und 780nm ) finden.
Was ich gefunden habe sind 1W Emitter die immerhin 5mal mehr Infrarotlicht abgeben, als jene, die ich bis jetzt verwende.
Diese LED's werden, wie auch der Lichtsensor, eine Fokussier Optik erhalten.
Wenn ich neue Ergebnisse habe, werde ich berichten.

[Besserwessi]

So viel Licht sollte nicht nötig sein. Man kann durch Modulation das Licht der LEDs recht gut vom Hintergrundlicht (Sonne) trennen. Allerdings sind dafür die Sensoren mit Frequenzausgang nicht so gut geeignet, weil man da keine Verstärkung hat, die nur auf den modulierten Teil wirkt. Wenn man sich etwas anstrengt kann man aber auch sehr kleine Frequenzänderungen auch direkt messen. In der Sonne wäre ein Schirm gegen die direkte Sonneneinstrahlung schon sinnvoll. Ein Filter bringt dagegen eher wenig, denn auch das Licht der Sonne hat die meiste Intensität im Roten bzw, nahen IR Bereich. Das ist nur durch die Empfindlichkeit des Auges, dass wir Grün bzw. Gelb als besonders stark empfinden.

Ein Schutz vor einer seitlichen Leichteinstrahlung sollte selbstverständlich sein. Auch um eine Linse oder ähnliche Optik kommt man kaum herum, damit man bei größerem Abstand wirklich nur das Licht aus dem beleuchteten Teil sieht. Beim Focussieren muss man schon etwas aufpassen, denn es kommt auf den Überlapp aus dem Empfindlichen Bereich und dem ausgeleuchteten Teil an - einen der beiden wird man vermutlich deutlich größer als den anderen Wählen müssen, denn mit variablem Abstand verschieben sich die Bereiche gegeneinander.