-
Die
Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung der winkelabhängigen
Entfernung zu den Teilbereichen eines in Teilbereiche untergliederten Messobjekts
mittels Lichtstrahlen, mit wenigstens einer Lichtstrahlen abgebenden
Sendeeinrichtung, mit wenigstens einem die abgegebenen Lichtstrahlen auf
das Messobjekt werfenden, optischen Element und mit wenigstens einer
die am Messobjekt gestreuten und/oder vom Messobjekt reflektierten
Lichtstrahlen erfassenden Empfangseinrichtung, wobei zumindest die
Empfangseinrichtung mit Mitteln zur Bestimmung einer ersten physikalischen
Größe der vom Messobjekt reflektierten und/oder
am Messobjekt gestreuten Lichtstrahlen zur Entfernungsbestimmung verbunden
ist.
-
Derartige
Messsysteme sind bereits bekannt und dienen zur berührungsfreien
Entfernungsmessung, mittels welcher ein Raumwinkelbereich der Umgebung
des Messsystems erfasst und räumlich möglichst
punktförmig aufgelöst wird, so dass nach dem Messvorgang
Entfernung der in diesem Bereich befindlichen Messobjekte angegeben
werden können. Die er fasste physikalische Größe
zur Entfernungsbestimmung ist dabei die Phasenverschiebung einer
Amplitudenmodulation der reflektierten und/oder gestreuten Lichtstrahlen
gegenüber den ursprünglich ausgesandten Lichtstrahlen.
Hierbei wird zur Erzielung einer räumlich möglichst
punktförmigen Auflösung das Messobjekt gedanklich
und durch die dem verwendeten Verfahren zugrundeliegende Auflösungsgenauigkeit
in Teilbereiche untergliedert, wobei jeder Teilbereich bei der Auswertung
der Messergebnisse näherungsweise als Punkt betrachtet
wird, für den durch den Messvorgang die Entfernung und das
Reflektionsvermögen als Datenwert vorliegen.
-
Aus
den gewonnenen Daten lässt sich insbesondere ein dreidimensionales
Abbild des Messobjektes erzeugen.
-
In
der Praxis sind Messsysteme bekannt, mit denen scannende Verfahren,
Verfahren unter Verwendung von mischenden, bildgebenden Detektoren und
triangulierende Verfahren ausführbar sind.
-
Hierbei
kombinieren scannende Verfahren die Laufzeitmessung eines sich als
Strahl ausbreitenden Wellenphänomens, beispielsweise Licht,
Schall, Radar, mit einer Scanvorrichtung, die diesen Strahl über
einen Bildbereich, der das Messobjekt umfasst, lenkt. Üblich
sind dabei Scanvorrichtungen, die in eine oder zwei Raumrichtungen
bewegbar sind, beispielsweise durch Rotation, Schwingung, Verschiebung
einer entsprechend ausgebildeten Leitvorrichtung für das
Wellenphänomen, und die so einen ein- oder zweidimensionalen
Objektbereich erfassen können. Nachteilig ist hierbei,
dass die durch die Scannvorrichtung, insbesondere eine eingesetzte
Scanmechanik, vorgegebene starre Abfolge der ausgemessenen Bildpunkte
eingehalten werden muss. Hieraus resultiert, dass ein Entfernungsbild
zunächst vollständig aufgebaut werden muss, bevor
eine zweite Messung erfolgen kann, was eine starke Einschränkung
an die Geschwindigkeit des durchgeführten Verfahrens bedeutet.
-
Die
bekannten Verfahren unter Verwendung von mischenden bildgebenden
Detektoren erlauben es, für moduliertes Licht pixelweise
die Phasenbeziehung zwischen ausgesandtem und empfangenem Licht
zu ermitteln. Es ist jedoch technologisch bedingt schwierig, mit
derartigen Verfahren hohe Genauigkeiten und wegen der üblicherweise
limitierten Lichtleistung hohe Messraten zu erreichen, da das Gesichtsfeld
vollständig ausgeleuchtet und abgebildet werden muss und
Schwierigkeiten durch Nichtlinearitäten des Mischprozesses
entstehen. Insbesondere besteht bei vorgegebener sicherer Beleuchtungsstärke
meist das Problem, dass die zum Erreichen genügender Genauigkeit
nötigen Belichtungszeiten zu lang sind, weil die Lichtmenge
auf alle Empfangspixel aufgeteilt werden muss.
-
Triangulierende
Verfahren werden häufig als Projektionsverfahren realisiert.
Hierbei wird von einem Projektor ein räumlich-zeitliches
Muster auf den Objektbereich projiziert. Dieses Muster wird durch eine
Optik aus einer anderen Perspektive wieder erfasst, und aus den
Verzerrungen und der Größe des Musters wird auf
die Entfernung zu den einzelnen beleuchteten Punkten geschlossen.
Meist besteht das Muster dabei aus kodierten Streifensequenzen,
deren einzelne Streifen sich mit Bildverarbeitungstechniken identifizieren
lassen. Nachteilig ist dabei, dass die Bildpixel ausreichend lange
belichtet werden müssen und dass die entstehende Datenmenge
digitalisiert, von der Aufnahmeeinheit in einen Rechner übertragen
und dort bearbeitet werden muss. Jeder dieser Schritte kann die
Bearbeitungszeit pro Bild und damit die erreichbare Messrate limitieren.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Messsystem der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei dem die erreichbare Messrate gegenüber
dem bekannten Verfahren erhöht ist.
-
Zur
Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass das wenigstens
eine die abgegebenen Lichtstrahlen auf das Messobjekt werfende optische
Element die abgegebenen Lichtstrahlen aufteilt und/oder aufweitet,
so dass mehrere Teilbereiche des Messobjektes gleichzeitig durch
Lichtstrahlen beschienen werden, dass im Strahlengang der Lichtstrahlen
zwischen Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung ein Lichtmodulator
angeordnet ist, dass der Lichtmodulator eine Anordnung von Modulationszellen
hat, dass mit jeder Modulationszelle der auf einen Teilbereich des
Messobjekts fallende Lichtstrahl modulierbar ist und dass die Empfangseinrichtung mit
Mitteln zur Bestimmung einer zweiten physikalischen Größe
der vom Messobjekt reflektierten und/oder am Messobjekt gestreuten
Lichtstrahlen verbunden ist. Das Messsystem erfasst somit als Systemantwort
die am Messobjekt gestreuten oder von diesem reflektierten Lichtstrahlen
und bestimmt aus der Systemantwort wenigstens zwei physikalische,
reellwertige Größen, welche die Rekonstruktion
der gemittelten Laufzeit der Lichtstrahlen im Strahlengang erlauben.
-
Aus
der ersten und zweiten physikalischen Größe ist
beispielsweise der Transmissionskoeffizient und die Phasenverschiebung
einer Amplitudenmodulation der Lichtstrahlen oder eine andere Kenngröße,
aus der die gemittelte Laufzeit und die Abschwächung der
Lichtstrahlen im Strahlengang ableitbar ist, berechenbar.
-
Durch
das Messsystem ist somit ein in einem Raumwinkelbereich angeordnetes
Messobjekt erfassbar, und es ist die winkelabhängige Entfernung zu
verschiedenen Punkten auf dem Messob jekt bestimmbar, wobei das Messobjekt
durch die Auflösung des Messsystems gedanklich in Teilbereiche
untergliedert wird. Die Teilbereiche formen somit die einzelnen
Gebiete auf der dem Messsystem zugewandten Seite des Messobjektes,
zu denen mit dem Messsystem die jeweilige Entfernung von einem Referenzpunkt
ermittelbar ist. Diese Entfernungen ergeben sich aus der Laufzeit
der Lichtstrahlen unter Kenntnis der Lichtgeschwindigkeit in dem
den Strahlengang der Lichtstrahlen durchsetzenden Medium.
-
Durch
die Aufteilung der Lichtstrahlen, die durch brechende, reflektierende
und/oder beugende optische Elemente oder weitere Maßnahmen
bewirkt sein kann, sind zur Messung mehrere Teilbereiche der gedanklichen
Unterteilung auf dem Messobjekt gleichzeitig beleuchtbar. Durch
die Modulationszellen des Lichtmodulators ist hierbei steuerbar,
welche Teilbereiche beleuchtet werden sollen und welche nicht, beziehungsweise
welche Teilbereiche mit welcher Intensität beleuchtet werden
sollen. Durch die Empfangseinrichtung sind diese gleichzeitig auf
die verschiedenen Teilbereiche des Messobjektes fallenden und an
diesen Teilbereichen gestreuten und/oder von diesen Teilbereichen
reflektierten Lichtstrahlen erfassbar, wobei aus den erfassten Daten,
beispielsweise einer relativen Phasenverschiebung der reflektierten
und/oder gestreuten Lichtstrahlen beziehungsweise deren Amplitudenänderung
gegenüber dem ausgesendeten Signal, des Transmissionskoeffizienten,
gemittelt über die erfassten Lichtstrahlen, zwischen Sende-
und Empfangseinrichtung, oder aus weiteren Daten, welche die Dämpfung
und/oder eine gemittelte Laufzeit von am Messobjekt gestreuten und/oder
vom Messobjekt reflektierten Lichtstrahlen zwischen Sende- und Empfangseinrichtung
charakterisieren.
-
Die
Erfindung bietet den Vorteil, dass reflektierte und/oder gestreute
Lichtstrahlen von verschiedenen Teilbereichen des Messobjektes simultan
erfassbar sind, so dass bereits nach wenigen Messvorgängen
mit unterschiedlichen Ansteuerungen der Modulationszellen ein grobes,
dreidimensionales Abbild des sichtbaren Anteils des Messobjekts
berechenbar ist. Eine Überwachung der Zustände
der Modulationszellen ist nicht notwendig, da bereits eine diskrete
Abstufung der Zustände, welche die ansteuerbaren Modulationszellen
einnehmen können, ausreichend für eine Berechnung
des dreidimensionalen Abbilds ist. Zu dieser Berechnung ist es beispielsweise
ausreichend, wenn das Ansteuersignal des Lichtmodulators berücksichtigt
wird, wobei der Ausfall einzelner Modulationszellen oder deren Fehlansteuerung
für die Berechnung oft zu unerheblichen Veränderungen
des Rechenergebnisses führt. Ein mit Vorteil verwendbarer
Berechnungsalgorithmus ist in der Veröffentlichung D.
Takhar et al.: A New Compressive Imaging Camera Architecture using
Optical-Domgin Compression, in Charles A. Bouman at el. (Ed.): Computational
Imaging IV, SPIE Proceedings 6065 (2006) beschrieben.
-
Vorzugsweise
wird für jede physikalische Größe der
zeitliche Verlauf in einem Zeitfenster erfasst, wobei das Zeitfenster
wenigstens durch die unterschiedlichen Ankunftszeiten der von den
verschiedenen Teilbereichen reflektierten und/oder an diesen gestreuten
Lichtstrahlen an der Empfangseinrichtung bestimmt ist.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass aus der ersten
physikalische Größe eine insbesondere gemittelte
Laufzeit der Lichtstrahlen von der Sendeeinrichtung zur Empfangseinrichtung
bestimmbar ist. Diese physikalische Größe kann
beispielsweise durch eine Phasenverschiebung der an der Empfangseinrichtung
gemessenen Amplitudenmodulation der Lichtstrahlen gegenüber
der an der Sendeeinrichtung eingestellten Amplitudenmodulation gegeben
sein. Es hat sich herausgestellt, dass sich selbst bei einer Überlagerung von
Beiträgen der unterschiedlichen Teilbereiche des Messobjekts
in der Empfangseinrichtung die Amplitudenmodulation, die beispielsweise
aus einem konstanten Anteil und einen variablen Anteil oder aus Pulsen
besteht, des empfangenen Lichtsignals von der des ursprünglichen
Lichtsignals im Wesentlichen durch eine Phasenverschiebung des zeitlich
variablen Anteils und eine Abschwächung unterscheidet.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass aus der zweiten
physikalische Größe ein insbesondere gemittelter
Transmissionskoeffizient der reflektierten und/oder gestreuten Lichtstrahlen
bestimmbar ist. Insbesondere liefert die zweite physikalische Größe
somit ein Maß für die Abschwächung der
Lichtstrahlen zwischen Sende- und Empfangseinheit.
-
Die
Mittelung erfolgt hierbei jeweils über die Teilbereiche
des Messobjektes.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste
und die zweite physikalische Größe gemeinsam eine
komplexe Komponente der Systemantwort durch die reflektierten und/oder
gestreuten Lichtstrahlen beschreiben. Hierbei ergibt sich die Systemantwort
aus einer näherungsweisen mathematischen Beschreibung des Messsystems,
bei dem die ausgesandten, vorzugsweise amplitudenmodulierten, Lichtstrahlen
als Vektoren dargestellt werden und die Einwirkung des Messobjekts
auf die Lichtstrahlen durch Beugung, Streuung und/oder Reflektion
als Matrix mit komplexen Einträgen dargestellt wird. Die
Systemantwort ist in dieser Beschreibung durch das Resultat der
Anwendung der Matrix auf den Vektor gegeben.
-
Gemäß einer
Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die
Anordnung der Modulationszellen des Lichtmodulators ein regelmäßiges
Gitter bildet, die Positionen der einzelnen Modulationszellen also
durch geometrische Symmetrietransformationen, insbesondere Drehungen
und/oder Verschiebungen, mathematisch ineinander überführbar sind.
Beispielsweise sind diese Modulationszellen in einer Ebene angeordnet
und formen ein Gitter mit rechteckiger, quadratischer, schiefwinkliger,
dreieckiger oder sechseckiger oder anderer Elementarzelle, oder
die Modulationszellen sind auf einem Ausschnitt einer gedachten
Kugeloberfläche angeordnet und/oder sind voneinander um
einen festen Winkel beabstandet. Von Vorteil ist bei diesen Anordnungen, dass
ein vorgegebener Raumwinkelbereich, das Sichtfeld des Messsystems,
durch die durch die Größe der Modulationszellen
bedingte Auflösungsgrenze des Messsystems den Sichtbereich
gedanklich gleichmäßig in Teilbereiche unterteilt,
so dass eine Entfernungsmessung zu einem im Sichtbereich angeordneten
Messobjekts unabhängig von der konkreten Anordnung des
Messobjekts im Sichtbereich und von der konkreten Ausformung des
Messobjekts durchführbar ist. Insbesondere sind die Randbereiche
des Sichtbereichs gut auflösbar. Somit ist das Messsystem
zur Herstellung eines dreidimensionalen Abbilds eines vor Messung
unbekannten Messobjekts, das in den Sichtbereich gelangt, geeignet.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Modulationszellen durch
klappbare Spiegelchen eines Mikrospiegelarrays gebildet werden.
Vorzugsweise weisen die Spiegelchen zwei stabile Lagen auf, zwischen
denen durch ein entsprechendes Steuersignal gewechselt werden kann.
Diese Spiegelchen sind damit getrennt voneinander ansteuerbar, und können
in dem Lichtmodulator, also dem Mikrospiegelarray, so ausgerichtet
und ausgebildet sein, dass jedes Spiegelchen in einer Position die
Lichtstrahlen von der Sendeeinheit über das Messobjekt
zu der Empfangseinheit lenkt und in der anderen Position die Lichtstrahlen
in einen Lichtsumpf oder dergleichen lenkt, wodurch im letzteren
Fall die Lichtstrahlen von der Sendeeinheit nicht zur Empfangseinrichtung
gelangen können. Hierbei lenkt jedes Spiegelchen in der
einen Position einen Anteil der Lichtstrahlen der Sendeeinheit in dem
in einem bestimmten Raumwinkelbereich befindlichen Teilbereich des
Messobjektes beziehungsweise leitet die von diesem Teilbereich reflektierten beziehungsweise
an diesem Teilbereich gestreuten Lichtstrahlen zur Empfangseinrichtung
oder unterbindet in der anderen Position, dass der genannte Teilbereich
Lichtstrahlen von der Sendeeinrichtung zur Empfangseinrichtung reflektiert
und/oder streut. Durch die Stellung der Spiegelchen sind somit unterschiedliche
Muster von Lichtstrahlen in dem Sichtbereich und somit auf ein in
dieses befindliches Messobjekt werfbar beziehungsweise unterschiedliche Anteile
durch Selektion der reflektierten beziehungsweise gestreuten Lichtstrahlen
nach unterschiedlichen Mustern in der Empfangseinrichtung auswertbar.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Modulationszellen durch
modulierbare Zellen eines transparenten oder reflektierenden LCD-Schirms
gebildet werden. Vorzugsweise sind diese Modulationszellen in Stufen zwischen
ganz oder nahezu vollständig durchlässig und ganz
oder nahezu vollständig absorbierend schaltbar, beispielsweise
in zwei oder mehr Stufen.
-
Der
Lichtmodulator kann im Strahlengang der Lichtstrahlen zwischen Sendeeinrichtung
und Messobjekt oder im Strahlengang der Lichtstrahlen zwischen Messobjekt
und Empfangseinrichtung angeordnet sein, oder es können
mehrere Lichtmodulatoren vorgesehen sein, von denen wenigstens ein Lichtmodulator
im Strahlengang der Lichtstrahlen zwischen Sendeeinrichtung und
Messobjekt und wenigstens ein Lichtmodulator im Strahlengang der Lichtstrahlen
zwischen Messobjekt und Empfangseinrichtung angeordnet sind. Im
letztgenannten Fall ist eine Erhöhung der Auflösung
des Messsystems erreichbar, in dem die Anordnungen der Modulationszellen
der Lichtmodulatoren gegeneinander einen Versatz aufweisen, der
kleiner ist als die räumliche Ausdehnung einer Modulationszelle.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Modulationszellen unabhängig
voneinander ansteuerbar sind. Somit sind beliebige Modulationsmuster
realisierbar, so dass eine beliebige, vorzugsweise dem zu erfassenden
Messobjekt angepasste Abfolge von Ansteuerungen der Modulationszellen
realisierbar ist. Vorzugsweise wird eine Abfolge gewählt,
für die zur Rekonstruktion des dreidimensionalen Abbildes
ein geringstmöglicher Rechenaufwand erforderlich ist.
-
Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass
die Empfangseinrichtung mit Mitteln zur Bestimmung der Amplitude der
reflektierten Lichtstrahlen verbunden ist. Somit ist beispielsweise
auch das Reflektionsvermögen der einzelnen Teilbereiche
rekonstruierbar, wodurch nicht nur ein die Entfernungsinformation
wiedergebendes Abbild des Messobjektes berechenbar ist, sondern
auch Helligkeitsinformationen des Messobjektes, beispielsweise durch
ein Reflektionskoeffizienten berücksichtigendes Abbild,
gewinnbar sind.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass im Strahlengang
der Lichtstrahlen zwischen Messobjekt und Empfangseinrichtung wenigstens
ein optisches Element angeordnet ist, mittels welchem die Empfangseinrichtung die Überlagerung
der von den Teilbereichen des Messobjektes reflektierten und/oder
der an den Teilbereichen des Messobjektes gestreuten Lichtstrahlen
empfängt. Somit ist vorteilhaft eine Anzahl von Empfangssensoren
in der Empfangseinrichtung verwendbar, die deutlich unter der für
eine vergleichbare Auflösung erforderlichen Anzahl von
Sensoren eines Sensorarrays bekannter Bauart liegt. Beispielsweise ist
ein einziges Sensorelement in der Empfangseinrichtung bereits ausreichend,
wenn eine genügende Anzahl von aufeinanderfolgenden Messvorgängen durchgeführt
wird. Es sind somit in dem erfindungsgemäßen Messsystem,
insbesondere in der Empfangseinrichtung, Sensorelemente verwendbar,
die nur aufwendig und kostenintensiv herstellbar sind. Die Gesamtauflösung
des Messsystems kann somit erhöht werden, indem die Größe
der Modulationszellen verkleinert und/oder die Zahl der Modulationszellen
erhöht wird, ohne dass die Anzahl der Sensorelemente in
der Empfangseinrichtung erhöht werden muss. Die Herstellungskosten
der Empfangseinrichtung stellen somit bei vorgegebener Mindestauflösung
keine Einschränkung an den für die Lichtstrahlen
verwendeten Frequenzbereich dar. Hierbei und in der gesamten Anmeldung
werden unter Lichtstrahlen allgemein elektromagnetische Strahlen
verschiedener Frequenzbereiche, im sichtbaren und auch im nicht
sichtbaren infraroten beziehungsweise ultravioletten Bereich, auch
Radarstrahlen verstanden.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sendeeinrichtung Mittel
zur Amplitudenmodulation der abgegebenen Lichtstrahlen hat und an
die Empfangseinrichtung Mittel zur Bestimmung der gemittelten Laufzeit
der Lichtstrahlen aus der Phasenverschiebung der Amplitudenmodulation
der empfangenen Lichtstrahlen gegenüber den abgegebenen
Lichtstrahlen angeschlossen sind. Beispielsweise kann eine Amplitudenmodulation
durch Modulierung von speziellen, an den Berechnungsalgorithmus
angepassten Wavelets oder durch Lichtpulse, wobei im letzteren Fall
die Laufzeit durch den zeitlichen Abstand zwischen ausgesendetem
und empfangenen Puls bestimmt wird, oder durch allgemeinere Modulationsverfahren,
beispielsweise zeitlich periodische Modulationsverfahren, realisiert
sein. Durch eine Erfassung der überlagerten Lichtstrahlen
mit einem Sensorelement oder mit wenigen Sensorelementen in der
Empfangseinrichtung ergibt sich ein gemittelter Wert für
die Laufzeit, woraus mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtstrahlen
Entfernungen berechenbar sind.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Empfangseinrichtung
wenigstens eine Fotodiode und dieser zugeordnete Empfangselektronik
hat. Diese Fotodiode bildet das wenigstens eine Sensorelement der
Empfangseinrichtung und ist vorzugsweise auf einen für
den Messvorgang ausgewählten Frequenzbereich abgestimmt,
in welchem die Frequenzen der von der Sendeeinrichtung ausgesendeten
Lichtstrahlen liegen.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sendeeinrichtung und
die Empfangseinrichtung eine gemeinsame optische Achse definieren
und/oder das die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung räumlich
zueinander nahe in einer Einheit integriert sind. Hierdurch sind
vorteilhaft Parallaxen ausschließbar.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Messsystem ist ein Verfahren
zur Bestimmung der winkelabhängigen Entfernung zu den Teilbereichen
eines in Teilbereiche untergliederten Messobjektes mittels Lichtstrahlen
ausführbar, wobei ein mit optischen Elementen aufgeweiteter
Lichtstrahl auf die Teilbereiche des Messobjekts geworfen wird,
eine Empfangseinrichtung von dem Messobjekt reflektierte und/oder
am Messobjekt gestreute Lichtstrahlen empfängt, ein Lichtmodulator
im Strahlengang des Lichtstrahls zwischen Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung angeordnet
ist, der Lichtmodulator den Strahlengang des Lichtstrahls gemäß einer
Abfolge von Modulationsmustern moduliert, wobei die Modulationsmuster aus
Pixeln zusammengesetzt sind und die Pixel den Teilbereichen auf
dem Messobjekt entsprechen, zu jedem Modulationsmuster die gemittelte
Laufzeit eines Lichtstrahls zwischen Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung
und die Amplitude der vom Messobjekt reflektierten und/oder am Messobjekt
gestreute Lichtstrahlen bestimmt wird und aus diesen Daten für
die Abfolge von Modulationsmustern die Entfernung zu den Teilbereichen
des Messobjektes berechnet wird. Hierbei sind die Pixel durch die
Größe der Modulationszellen des Lichtmodulators
bestimmt. Die Modulationsmuster sind je nach Ansteuerung der Modulationszellen
des Lichtmodulators aus an- oder ausgeschalteten Lichtstrahlen beziehungsweise
Lichtstrahlen mit verminderter Intensität zusammengesetzt.
Aus der Abfolge der gemäß der Ansteuerung des
Lichtmodulators verwendeten Modulationsmuster und der diesen jeweils
zugeordneten Messdaten ist ein dreidimensionales Abbild des sichtbaren
Bereich des Messobjektes berechenbar, wenn die verwendeten Muster
eine mathematische Unabhängigkeitsbedingung erfüllen.
-
Gemäß einer
Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass nach einer
Abfolge von Modulationsmustern die winkelabhängige Entfernung
zu Teilbereichen des Messobjektes berechnet wird, dass anschließend
oder während der Berechnung weitere Daten zu einer weiteren
Abfolge von Modulationsmustern bestimmt werden und dass aus diesen
weiteren Daten und den vorher bestimmten Daten die winkelabhängige
Entfernung zu den Teilbereichen des Messobjektes mit verfeinerter
Winkelauflösung bestimmt wird. Hierbei umfassen die Daten
we nigstens die von der Empfangseinheit aus den empfangenen Lichtstrahlen
ermittelten Daten. Somit sind vorteilhaft in einem ersten Messgang
grob winkelaufgelöste Entfernungsmessdaten für
das gesamte Messfeld gewinnbar, aus denen anschließend nach
problemspezifischen Kriterien interessante Unterbereiche, sogenannte
regions of interest, extrahiert werden können, wobei die
Bilderzeugungsstrategie so angepasst werden kann, dass nur noch
diese Unterbereiche zur Erzielung einer höheren Winkelauflösung
ausgeleuchtet werden. Die von dem Messsystem erzeugte Datenmenge
ist somit gegenüber herkömmlichen Verfahren drastisch
reduzierbar.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Muster
der weiteren Abfolge von Modulationsmustern auf der Grundlage der
aus den vorher bestimmten winkelabhängigen Entfernungen
zu den Teilbereichen des Messobjektes erzeugt und/oder berechnet
werden. Als uninteressant erkannte Teilbereiche oder Teilbereiche,
die nur geringfügige Veränderungen der Entfernung
aufweisen, beispielsweise ein Hintergrund, vor dem das Messobjekt
angeordnet ist, können für Messvorgänge
mit verfeinerter Winkelauflösung ausgeblendet werden, wodurch
das Messverfahren insgesamt beschleunigt wird.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass auf der
Grundlage der berechneten winkelabhängigen Entfernung zu
den Teilbereichen des Messobjektes ein dreidimensionales Abbild
des Messobjektes bestimmt und/oder mit einem Visualisierungsmittel
angezeigt wird. Dieses Abbild kann beispielsweise als Relief oder
als Relief mit Helligkeits- beziehungsweise Farbinformationen oder
auch Falschfarbeninformation im nicht sichtbaren Frequenzbereichen
des Lichts vorliegen, wobei die Visualisierungsmittel vorzugsweise
ein Display, ein Display mit gekoppelter 3D-Brille für einen
Betrachter und/oder eine holographische Anzeigeeinheit umfassen.
Alternativ kann die gewonnene Information über die winkelabhängige
Entfernung auch zur Überwachung eines Raumbereiches, beispielsweise
zur Sicherheitsüberwachung von Raumbereichen auf ungewolltes
beziehungsweise unbefugtes Eindringen von Gegenständen
oder Personen, verwendet werden.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
in den Figuren näher erläutert. Dabei zeigt in
schematisierter Form die
-
1 ein
Messsystem zur Entfernungsmessung nach dem Stand der Technik,
-
2 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Messsystems mit zwischen Sendeeinrichtung und Messobjekt angeordnetem
Mikrospiegelarray,
-
3 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Messsystems mit zwischen Sendeeinrichtung und Messobjekt angeordnetem LCD-Schirm
und
-
4 ein
drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Messsystems mit zwischen Messobjekt und Empfangseinrichtung angeordnetem Lichtmodulator.
-
In
der 1 ist zunächst ein aus dem Stand der
Technik bekanntes und im Ganzen mit 1 bezeichnetes Messsystem
zu erkennen, mit welchem durch Bestrahlung mit Lichtstrahlen Entfernungen
ermittelt werden sollen. Das von der Sendeelektronik der Sendeeinrichtung 3 erzeugte,
modulierte Signal wird über ein als Laserdiode ausgebildetes
Sendeelement 2 und eine Faseroptik auf ein Ablenkspiegel 6 gelenkt,
wobei auch andere koaxiale Einkopplungstechniken, beispielsweise
rein faser optischer Art, denkbar sind. Der Ablenkspiegel 6 ist
wie durch die Doppelpfeile 6a und 6b illustriert
kontinuierlich beweglich, wobei der Doppelpfeil 6a eine
Rotation des Spiegels um eine Achse und der Doppelpfeil 6b ein
Schwenken des Spiegels um eine andere Achse beschreiben und die
genannten Bewegungen einzeln oder kombiniert ausführbar
sind. In der 1 dient der Ablenkspiegel 6 der
Ablenkung des Sendesignals auf die zu messende Oberfläche 7 eines
Messobjekts sowie der Ablenkung der vom Objekt zurückgeworfenen Empfangssignale
auf eine lichtsammelnde Optik 8 der Empfangseinrichtung 5.
Das empfangene Licht wird auf ein als Fotodiode ausgebildetes Empfangselement 4 gebündelt.
Die Sende- und die Empfangseinrichtung 3, 5 weisen
die nötige Elektronik auf, um aus dem Vergleich von Sende-
und Empfangssignal Abschwächungs-, Phasen- oder Laufzeitinformationen
zu gewinnen. Da kleine Abweichungen der Spiegelstellung großen
Strecken auf der Oberfläche 7 entsprechen, ist
eine Lageerfassung der Stellung des Ablenkspiegels 6 unabdingbar,
um die gemessene Entfernung einer Position auf der Oberfläche 7 zuordnen
zu können.
-
Diese
Laufzeitinformation wird dann einer Weiterverarbeitung in einer
Weiterverarbeitungseinheit 15 unterzogen, um nach einem
scannenden Abtasten der Oberfläche 7 Entfernung
beziehungsweise Abschwächung für die Gesamtheit
der Winkelsegmente zu gewinnen. Somit ist nach einer Rasterabtastung
des Messobjektes ein dreidimensionales Abbild gewinnbar.
-
2 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein
im Ganzen mit 1 bezeichnetes Messsystem zur Bestimmung
der winkelabhängigen Entfernung zu den Teilbereichen 20, 21 eines
in Teilbereiche 20, 21 untergliederten Messobjekts 22 hat
eine Lichtstrahlen 23 aussendende Sendeeinrichtung 24.
Diese Lichtstrahlen 23 werden durch ein optisches Element,
ein Objektiv 25, auf die vom Objektiv 25 aus sichtbare
Oberfläche des in einer Entfernung 46 angeordneten
Messobjekts 22 geworfen.
-
Das
Messsystem 1 hat weiter eine Empfangseinrichtung 26,
die über eine Signalverarbeitung 28 mit Mitteln
zur Laufzeitbestimmung der Lichtstrahlen von der Sendeeinrichtung 24 zur
Empfangseinrichtung 26 verbunden ist.
-
Das
Objektiv 25 ist mit einer Kollimationsvorrichtung 29 gemeinsam
so eingerichtet, dass die von der Sendeeinrichtung 24 abgegebenen
Lichtstrahlen 23 aufgeteilt und der Strahl insgesamt aufgeweitet wird,
so dass mehrere Teilbereiche 20 des Messobjekts 22 gleichzeitig
durch Lichtstrahlen 30 beschienen werden. Im Strahlengang
zwischen Sendeeinrichtung 24 und Messobjekt 22,
insbesondere zwischen der Kollimationsvorrichtung 29 und
dem Objektiv 25, ist ein als Lichtmodulator wirkendes Mikrospiegelarray 31 angeordnet,
welches aus klappbaren Spiegelchen 32, 33 zusammengesetzt
ist. Die klappbaren Spiegelchen 32, 33 sind jeweils
für sich zwischen einer ersten Position 32 und
einer zweiten Position 33 durch ein von einer Steuerelektronik 34 erzeugtes
Steuersignal klappbar, wobei ein in einer Position 32 befindliches
Spiegelchen die auf dieses fallenden Lichtstrahlen 23 durch
das Objektiv 25 auf das Messobjekt 22 leitet,
während ein in einer Position 33 befindliches
Spiegelchen 33 den auf dieses fallenden Anteil der Lichtstrahlen 23 in
einen Lichtsumpf 35 leitet und somit ausblendet. Durch
eine Ansteuerung der Spiegelchen 32, 33 des Mikrospiegelarrays 31 mit
der Steuerelektronik 34 sind somit Anteile der von der
Sendeeinrichtung 24 erzeugten Lichtstrahlen 23 ein-
beziehungsweise ausblendbar, wodurch ein in den Spiegelchen 32, 33 entsprechende
Pixel unterteiltes Lichtmuster auf die Oberfläche des Messobjektes 22 geworfen
wird. Diese Pixel untergliedern das Messobjekt gedanklich in Teilbereiche 20, 21, wobei
in Abhängigkeit von dem durch eine Stellung der Spiegelchen 32, 33 des
Mikrospiegelarrays 31 erzeugten Modulationsmuster auf dem
Messobjekt 22 jeweils aktive Teilbereiche 20 beleuchtet
werden und Lichtstrahlen 36 reflektieren, die in der Empfangseinrichtung 26 detektiert
werden, während passive Teilbereiche 21 bei dem
vorliegenden Modulationsmuster nicht beleuchtet werden und somit
nicht zu dem in der Empfangseinrichtung 26 detektierten
Lichtsignal beitragen.
-
Die
Spiegelchen des als Lichtmodulator wirkenden Mikrospiegelarrays 31 sind
in einem in einer Ebene liegenden, rechteckigen Gitter, also einem Gitter
mit rechteckiger Elementarzelle, angeordnet, wobei die Abstände
der Gitterpunkte voneinander einheitlich sind, da die einzelnen
Modulationszellen 32, 33 eine einheitliche Größe
aufweisen.
-
Die
Sendeeinrichtung 24 weist zur Erzeugung der Lichtstrahlen 23 eine
als Sendeelement wirkende Laserdiode 37 auf, die durch
eine Sendeelektronik 38 angesteuert wird. Die Sendeelektronik 38 erzeugt
hierzu ein moduliertes Signal, durch das die Amplitude der von der
Laserdiode 37 ausgesendeten Lichtstrahlen 23 zeitlich
moduliert wird. Die Empfangseinrichtung 26 hat demgegenüber
einen Detektor 39, der die von dem Messobjekt 27 reflektierten Lichtstrahlen 27 erfasst.
Eine Signalverarbeitung 28 vergleicht die im Detektor 39 gemessenen
Signale, welche die zeitlich veränderliche Amplitude der
reflektierten Lichtstrahlen 27 charakterisieren, mit den von
der Sendeelektronik 38 erzeugten, modulierten Signalen
und bestimmt hieraus die mittlere Laufzeit und Amplitudenabschwächung
des Lichtstrahls zwischen Laserdiode 37 und Detektor 39.
Da der Detektor 39 hinter einer Sammeloptik 40 angeordnet
ist, erfasst er eine Überlagerung aller von den aktiven
Teilbereichen 20 reflektierten Lichtstrahlen 27,
weshalb aus den Detektorsignalen mit der Signalverarbeitung 28 und einer
dieser nachgeschalteten Datenverarbeitungs- und Steuereinheit 41 lediglich
ein gemittelter Wert für die Laufzeit der von den aktiven
Teilbereichen 20 reflektierten Lichtstrahlen berechenbar
ist. Für ein durch die Steuerelektronik 34 vorgegebenes Modulationsmuster
auf dem Messobjekt 22 wird somit in dem Detektor 39 ein
Detektorsignal erzeugt, das mathematisch einer Projektion der Entfernungsinformation
zu den Teilbereichen 20, 21 des Messobjektes 22 auf
ein Element der verwendeten Messbasis im Sinne der in D.
Takhar et al: A New Compressive Imaging Camera Architecture using
Optical-Domain Compression dargestellten Theorie des compressive
sensing entspricht. Durch eine Abfolge von Modulationsmustern, für
die jeweils das am Detektor 39 erfassbare Signal in weiterverarbeitbare
Daten umgesetzt wird, ist die ursprüngliche Information, also
die winkelabhängige Entfernung der in den einzelnen Teilbereichen 20, 21 liegenden
Oberflächenpunkte des Messobjekts 22 von Detektor 29 und
Laserdiode 37, aus der ermittelten Datenreihe rekonstruierbar.
-
3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem
im Ganzen mit 1 bezeichneten Messsystem sind Bestandteile,
welche dieselbe Funktion ausfüllen wie bei dem Messsystem
gemäß 1, mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet.
-
Das
Messsystem 1 gemäß 3 unterscheidet
sich von dem gemäß 2 insbesondere
dadurch, dass zwischen der Kollimationsvorrichtung 29 und
dem Objektiv 25 ein als Lichtmodulator wirkender LCD-Schirm 42 angeordnet
ist, durch den die Lichtstrahlen 23 hindurchtreten. Dieser
LCD-Schirm 42 ist in einzelne, modulierbare Zellen 43, 44 unterteilt,
die einzeln getrennt voneinander durch die Steuerelektronik 34 ansteuerbar
sind. Durch die Steuerelektronik 34 sind die einzelnen
modulierbaren Zellen zwischen einem durchlässigen Zustand 43 und
einem undurchlässigen Zustand 44 schaltbar, wodurch ein durch
die Datenverarbeitungs- und Steuereinheit 41 vorgegebenes
Modulationsmuster auf die Oberfläche des Messobjektes 22 geworfen
wird. Der Detektor 39 erfasst, wie zu 1 beschrieben,
die von den aktiven Teilbereichen 20 reflektierten Lichtstrahlen 27.
Die Signalverarbeitung 28 wertet diese Signale aus und
leitet die gewonnenen Daten zur Berechnung der winkelabhängigen
Entfernung zu den Teilbereichen 20, 21, also des
dreidimensionalen Abbilds oder Reliefs des Messobjekts, in der Datenverarbeitungs-
und Steuereinheit 41 weiter.
-
4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei wieder
gleichwirkende Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen im Vergleich
zu 1 und 2 bezeichnet sind.
-
Das
Messsystem 1 gemäß 4 unterscheidet
sich von den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 insbesondere
dadurch, dass der Lichtmodulator 42 im Strahlengang der
Lichtstrahlen 23, 30, 27 zwischen Messobjekt 22 und
Detektor 39, also hinter dem Messobjekt 22 angeordnet
ist. Der Lichtmodulator ist als LCD-Schirm 42 ausgebildet, dessen
durch die Steuerelektronik 34 einzeln ansteuerbare, modulierbare
Zellen zwischen einem durchlässigen Zustand 43 und
einem undurchlässigen Zustand 44 für
Lichtstrahlen schaltbar sind. Hierdurch sind Anteile der mit der
Sammeloptik 47 erfassten reflektierten Lichtstrahlen 27 ein-
beziehungsweise ausblendbar, wobei die ausgeblendeten Anteile nicht im
Detektor 39 erfassbar sind.
-
Durch
die Aufteilung des LCD-Schirmes 42 in modulierbare Zellen 43, 44 wird
wiederum die Oberfläche des Messobjekts 22 gedanklich
in einzelne Teilbereiche 20, 21 unterteilt. Für
jede Ansteuerung des LCD-Schirms 42 tragen reflektierte
Lichtstrahlen von unterschiedlichen, aktiven Teilbereichen 20 bei,
während die reflektierten Lichtstrahlen der passiven Be reiche 21,
die im weiteren Strahlengang durch die Ansteuerung der Modulationszellen 43, 44 des
LCD-Schirms 42 nicht in dem Detektor 39 erfassbar
sind, nicht beitragen. Der LCD-Schirm 42 ist zur Erfassung
des von dem Messobjekt 22 reflektierten Lichtes hinter
einer Sammeloptik 47 und vor einer weiteren Sammeloptik 40 angeordnet.
-
Somit
entsteht für jedes Ansteuerungsmuster des LCD-Schirms 42 in
der rückwärtigen Strahlprojektion ein Modulationsmuster
auf dem Messobjekt 22, welches gleichwirkend ist zu den
in 2 beziehungsweise 3 beschriebenen
Modulationsmustern.
-
Wie
bei den zu 2 beziehungsweise zu 3 beschriebenen
Ausführungsbeispielen sind die mit der Signalverarbeitung 28 gewonnenen
Daten zu den Detektorsignalen des Detektors 39 in der Datenverarbeitungs-
und Steuereinheit auswertbar und mit einem Visualisierungsmittel 45 darstellbar.
-
In
den Messsystemen 1 der 2 bis 4 ist
nun ein Messverfahren ausführbar, das im Folgenden näher
beschrieben wird. Dieses Verfahren ist als Steuerungsprogramm in
der Datenverarbeitungs- und Steuereinheit 1 implementiert.
Die Datenverarbeitungs- und Steuereinheit 1 legt eine Abfolge
von Modulationsmustern fest, welche an die Steuerelektronik 34 zur
Ansteuerung des Lichtmodulators 31, 42 weitergegeben
werden. Die Steuerelektrode 34 bewirkt nun eine zeitlich
aufeinanderfolgende Abfolge von Ansteuerungen der Modulationszellen 32, 33, 43, 44,
durch welche die einzelnen Teilbereiche 20, 21 der
mit Lichtstrahlen 30 beschienenen Oberfläche des
Messobjekts 22 als aktive Teilbereiche 20 beziehungsweise
passive Teilbereiche 21 zu einem Detektorsignal im Detektor 39 beitragen
beziehungsweise nicht beitragen. Aus diesem Detektorsignal wird
eine zeitliche Abfolge von Mess daten gewonnen, die an die Datenverarbeitungs-
und Steuereinheit 41 zurückgegeben werden.
-
Diese
gewonnenen Daten werden mit den an die Sendeelektronik 38 zur
Ansteuerung der Laserdiode 37 übermittelten Daten
zur Bestimmung der über die aktiven Teilbereiche 20 gemittelten
Laufzeit der Lichtstrahlen 27, 30 sowie der über
die aktiven Teilbereiche 20 gemittelten Reflektionskoeffizienten
in der Datenverarbeitungs- und Steuereinheit 41 verwendet.
Aus der zeitlichen Abfolge der Messdaten ist somit ein dreidimensionales
Abbild des Messobjektes 22 berechenbar, wobei das Abbild
zunächst eine geringere Auflösung aufweisen kann,
als die Unterteilung des Lichtmodulators 31, 42 in
Modulationszellen 32, 33, 43, 44 erlauben
würde.
-
Die
Datenverarbeitungs- und Steuereinheit wertet nun das gewonnene Abbild
aus und identifiziert Bereiche, in denen sich die Aufnahme eines
Abbilds mit erhöhter Auflösung lohnen würde.
Aus dieser Auswertung wird nun eine neue Abfolge von angepassten
Modulationsmustern ermittelt, die in den identifizierten Bereichen
des Messobjekts 22 eine Aufnahme eines Abbilds mit erhöhter
Auflösung gestatten.
-
Diese
Abfolge von Modulationsmustern wird nun erneut an die Steuerelektronik 34 übermittelt, und
es werden die mit der Signalverarbeitung erfassten Daten zu den
Detektorsignalen des Detektors 39 erfasst und wie beschrieben
ausgewertet.
-
Somit
liegt anschließend ein Abbild des Messobjektes 22 vor,
das Entfernungsinformationen und gegebenenfalls Helligkeitsinformationen und/oder,
insbesondere bei Verwendung von Lichtstrahlen 23 unterschiedlicher
Frequenz, Farbinformationen des Messobjekts 22 darstellen,
welches in uninteressanten, beispielsweise wenig veränderlichen,
Berei chen eine geringere Auflösung hat, während
in Bereichen, in denen eine genauere Auflösung lohnenswert
wäre, tatsächlich auch eine höhere Auflösung
angeboten wird. Die Bereiche, für welche eine geringere
Auflösung benötigt wird, können beispielsweise
auch durch den Hintergrund und/oder die Umgebung des Messobjekts 22 gegeben
sein.
-
Bei
dem Messsystem 1 ist zwischen einer Sendeeinrichtung 24 für
Lichtstrahlen 23 und einer Empfangseinrichtung 26 für
von einem Messobjekt 22 zurückgeworfenen Lichtstrahlen 27 ein
Lichtmodulator 31, 42 vorgesehen, wobei durch
eine Ansteuerung der den Lichtmodulator 31, 42 bildenden
Modulationszellen 32, 33, 43, 44 festlegbar
ist, welche Teilbereiche 20 des Messobjekts 22 zu
dem an die Empfangseinrichtung 26 reflektierten Lichtstrahl
beitragen. Die Empfangseinrichtung 26 hat hierzu einen Detektor 39,
der reflektierte Lichtstrahlen von verschiedenen Teilbereichen 20 des
Messobjekts 22 erfasst und zur gemittelten Laufzeitbestimmung
der Lichtstrahlen 23, 27, 30 auswertet.
Aus der so bestimmten Laufzeit ist durch zeitliche Abfolge der Ansteuerung
des Lichtmodulators 31, 42 nach unterschiedlichen
Modulationsmustern ein dreidimensionales Abbild des Messobjekts 22 berechenbar.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - D. Takhar
et al.: A New Compressive Imaging Camera Architecture using Optical-Domgin
Compression, in Charles A. Bouman at el. (Ed.): Computational Imaging
IV, SPIE Proceedings 6065 (2006) [0013]
- - D. Takhar et al: A New Compressive Imaging Camera Architecture
using Optical-Domain Compression [0044]