-
Projektionsvorrichtung zum Projizieren eines zu projizierenden Objekts Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zum
- – wobei die Projektionsvorrichtung eine Lichtquelle, eine Kondensoroptik und eine Abbildungsoptik aufweist,
- – wobei die Lichtquelle mittels der Kondensoroptik in den Bereich der Eintrittspupille der Abbildungsoptik abgebildet wird,
- – wobei das zu projizierende Objekt im Lichtweg des von der Lichtquelle emittierten Lichts angeordnet ist,
- – wobei das zu projizierende Objekt mittels der Abbildungsoptik nach außerhalb der Projektionsvorrichtung abgebildet wird,
- – wobei das zu projizierende Objekt variierbar ist, so dass es je nach Art der Variierung jeweils eine von mehreren Strukturen bildet.
Projizieren eines zu projizierenden Objekts,
-
Derartige Projektionsvorrichtungen sind allgemein bekannt. Sie werden insbesondere bei Vermessungseinrichtungen eingesetzt, um ein zu vermessendes dreidimensionales Objekt mit einer Struktur zu beleuchten. Bei bekannter Struktur und bekannter Positionierung und Orientierung der Projektionsvorrichtung sowie ebenfalls bekannter Positionierung und Orientierung einer oder mehrerer Erfassungseinrichtungen kann auf diese Weise die dreidimensionale Gestalt des zu vermessenden Objekts anhand von Bildern des zu vermessenden Objekts rechnerisch ermittelt werden, die mittels der Erfassungseinrichtungen erfasst werden. Die entsprechende Vorgehensweise ist beispielsweise als so genannte Streifenprojektion bekannt.
-
Die Struktur wird auf dem zu vermessenden Objekt dadurch erzeugt, dass ein zu projizierendes Objekt eine korrespondierende Struktur aufweist und das zu projizierende Objekt mittels einer Projektionsvorrichtung der eingangs genannten Art auf das zu vermessende Objekt abgebildet wird. Zur Optimierung der Vermessung ist im Stand der Technik weiterhin bekannt, mehrere Messungen vorzunehmen, wobei das zu projizierende Objekt von Messung zu Messung variiert wird. Insbesondere können in dem Fall, dass die von dem zu projizierenden Objekt gebildeten Strukturen Streifenmuster sind, die Orientierung des Streifenmusters, die Position der Streifen quer zur Orientierung des Streifenmusters und der Abstand der Streifen voneinander variiert werden.
-
Um eine qualitativ hochwertige Vermessung des zu vermessenden Objekts zu ermöglichen, muss die Schärfentiefe – also der Bereich in Richtung der optischen Achse der Projektionsvorrichtung, innerhalb dessen das zu projizierende Objekt scharf abgebildet wird – möglichst groß sein. Dies erfordert vom Ansatz her eine möglichst kleine wirksame Apertur der Abbildungsoptik. Andererseits soll die Beleuchtungsstärke der auf das zu vermessende Objekt abgebildeten Struktur möglichst hoch sein. Dies erfordert vom Ansatz her einen möglichst hohen Lichtdurchsatz und somit eine große wirksame Apertur der Abbildungsoptik.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Projektionsvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sowohl eine große Schärfentiefe als auch ein hoher Lichtdurchsatz möglich sind.
-
Die Aufgabe wird durch eine Projektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
- – dass die wirksame Form der Lichtquelle variierbar ist und
- – dass die Projektionsvorrichtung eine Steuereinrichtung aufweist, mittels derer die wirksame Form der Lichtquelle in Abhängigkeit von der von dem zu projizierenden Objekt gebildeten Struktur eingestellt wird.
-
Dadurch kann der Lichtdurchsatz – zumindest für manche Strukturen – optimiert werden, ohne die Schärfentiefe nennenswert negativ zu beeinflussen.
-
Die Streifenmuster können Binarmuster (schwarz/weiß) sein. Vorzugsweise handelt es sich um Graustufenmuster. Insbesondere können die Streifenmuster simsförmig moduliert sein. Derartige Muster sind Fachleuten allgemein bekannt.
-
In der Regel umfassen jedoch die von dem zu projizierenden Objekt gebildeten Strukturen Streifenmuster. Die Strukturen können beliebiger Natur sein. Beispielsweise kann es sich um Ringmuster oder ein Gitterkreuz handeln. Im Fall eines Streifenmusters kann das Variieren des zu projizierenden Objekts die Orientierung des Streifenmusters umfassen. Erfindungsgemäß wird in diesem Fall die wirksame Form der Lichtquelle von der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Orientierung des Streifenmusters eingestellt. Insbesondere kann in diesem Fall die wirksame Form der Lichtquelle von der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Orientierung des Streifenmusters derart eingestellt werden, dass die Lichtquelle als Anzahl länglicher Leuchtstreifen betrieben wird, deren Orientierung mit der Orientierung des Streifenmusters übereinstimmt.
-
Das Variieren des zu projizierenden Objekts kann die Position der Streifen quer zur Orientierung des Streifenmusters gesehen umfassen. In diesem Fall wird die wirksame Form der Lichtquelle von der Steuereinrichtung unabhängig von der Position der Streifen quer zur Orientierung des Streifenmusters gesehen eingestellt. Selbstverständlich muss in diesem Fall das zu projizierende Objekt zusätzlich auf mindestens eine andere Art variierbar sein, wobei die wirksame Form der Lichtquelle in Abhängigkeit von dieser anderen Art der Variierung eingestellt wird. Die andere Art der Variierung kann insbesondere die bereits erwähnte Orientierung des Streifenmusters sein.
-
Weiterhin kann das Variieren des zu projizierenden Objekts den Abstand der Streifen voneinander umfassen. In diesem Fall kann die wirksame Form der Lichtquelle von der Steuereinrichtung alternativ unabhängig vom Abstand der Streifen oder in Abhängigkeit vom Abstand der Streifen voneinander eingestellt werden. Falls die Steuereinrichtung die wirksame Form der Lichtquelle unabhängig vom Abstand der Streifen einstellt, muss das zu projizierende Objekt zusätzlich auf mindestens eine andere Art variierbar sein, wobei die wirksame Form der Lichtquelle in diesem Fall in Abhängigkeit von dieser anderen Art der Variierung eingestellt wird. Die andere Art der Variierung kann insbesondere die bereits erwähnte Orientierung des Streifenmusters sein. Weiterhin ist möglich, dass der Steuereinrichtung vorgebbar ist, ob sie beim Einstellen der wirksamen Form der Lichtquelle den Abstand der Streifen voneinander berücksichtigt oder nicht.
-
Die Projektionsvorrichtung weist – sowohl im Stand der Technik als auch bei der vorliegenden Erfindung – eine im Bereich der Abbildungsoptik angeordnete Blende auf. Die wirksame Öffnung der Blende ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass für mindestens eine wirksame Form der Lichtquelle in mindestens einer Richtung nicht die Blende, sondern die wirksame Form der Lichtquelle den Lichtdurchsatz bestimmt.
-
Die Lichtquelle kann nach Bedarf ausgebildet sein. Beispielsweise kann sie als Gruppe von einzeln ansteuerbaren Leuchtelementen ausgebildet sein. Die Leuchtelemente können beispielsweise als lichtemittierende Dioden ausgebildet sein. Als lichtemittierende Dioden können alternativ Leuchtdioden oder Laserdioden verwendet werden. Ebenso können die Leuchtelemente als Elemente eines zweidimensionalen LCOS-Arrays (liquid cristal an silicon), als Elemente eines LCD (liquid cristal display), als Elemente eines DMD (digital mirror device) oder als Blitzröhren ausgebildet sein. Weiterhin kann die Lichtquelle (mindestens) ein optisch strahlformendes Element umfassen, beispielsweise einen Reflektor oder eine Zylinderlinse.
-
Die Anordnung der einzeln ansteuerbaren Leuchtelemente kann ebenfalls nach Bedarf sein. Beispielsweise können sie ein zweidimensionales Raster oder mehrere linienartige Strukturen bilden.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
-
1 schematisch eine Projektionsvorrichtung,
-
2 schematisch ein zu projizierendes Objekt mit verschiedenen Strukturen,
-
3 schematisch eine Lichtquelle in verschiedenen Betriebsarten,
-
4 ein Ablaufdiagramm und
-
5 schematisch eine Blende mit in die Blende projizierten wirksamen Formen der Lichtquelle.
-
Gemäß 1 weist eine Projektionsvorrichtung eine Lichtquelle 1, eine Kondensoroptik 2 und eine Abbildungsoptik 3 auf. Die Lichtquelle 1, die Kondensoroptik 2 und die Abbildungsoptik 3 knnen in einer mechanischen Grundkonstruktion 4 angeordnet sein. Die Kondensoroptik 2 und die Abbildungsoptik 3 sind in 1 als einfache Linsen dargestellt. Diese Darstellung ist jedoch nur schematisch. In der Praxis können die Optiken 2, 3 Linsensysteme, Spiegel, Prismen usw. umfassen. Weiterhin können im Strahlengang – sei es vor der Kondensoptik 2, sei es zwischen den Optiken 2, 3, sei es hinter der Abbildungsoptik 3 – weitere optische Elemente wie beispielsweise (Polarisations-)Strahlteiler, Spiegel, Prismen, Polarisatoren, Filter usw. angeordnet sein.
-
Mittels der Projektionsvorrichtung soll ein zu projizierendes Objekt 5 projiziert werden. Das zu projizierende Objekt 5 ist gemäß 1 im Lichtweg des von der Lichtquelle 1 emittierten Lichts angeordnet. Das von der Lichtquelle 1 emittierte Licht liegt in der Regel im sichtbaren Bereich. Es kann sich jedoch alternativ um UV-Licht oder um IR-Licht handeln. Entscheidend ist, dass die von der Lichtquelle 1 emittierte elektromagnetische Strahlung mittels optischer Elemente beeinflussbar ist.
-
Das zu projizierende Objekt 5 ist gemäß 1 in der Nähe der Kondensoroptik 2 angeordnet. Alternativ könnte das zu projizierende Objekt 5 von der Kondensoroptik 2 beabstandet sein oder – bei komplexeren Kondensoroptiken 2 – innerhalb der Kondensoroptik 2 angeordnet sein.
-
Die Lichtquelle 1 wird – wie bei derartigen Projektionsvorrichtungen allgemein üblich – mittels der Kondensoroptik 2 in den Bereich der Eintrittspupille der Abbildungsoptik 3 abgebildet. Das zu projizierende Objekt 5 wird – wie bei derartigen Projektionsvorrichtungen ebenfalls allgemein üblich – mittels der Abbildungsoptik 3 nach außerhalb der Projektionsvorrichtung, beispielsweise nach außerhalb der mechanischen Grundkonstruktion 4, abgebildet.
-
Das zu projizierende Objekt 5 ist variierbar, so dass es je nach Art der Variierung jeweils eine von mehreren Strukturen bildet. Das Variieren kann – nicht aber muss – mittels einer Steuereinrichtung 6 erfolgen, die Bestandteil der Projektionsvorrichtung ist. Die Steuereinrichtung 6 kann alternativ innerhalb oder außerhalb der mechanischen Grundkonstruktion 4 angeordnet sein.
-
Die von dem zu projizierenden Objekt 5 gebildeten Strukturen können gemäß 2 beispielsweise Streifenmuster umfassen – siehe 2 links oben. Das Variieren des zu projizierenden Objekts 5 kann beispielsweise das Einstellen der Orientierung des Streifenmusters umfassen, vgl. in 2 die beiden oberen Darstellungen. Alternativ oder zusätzlich kann das Variieren des zu projizierenden Objekts 5 die Position der Streifen quer zur Orientierung des Streifenmusters umfassen, vgl. in 2 die beiden linken Darstellungen. Alternativ oder zusätzlich kann das Variieren des zu projizierenden Objekts 5 den Abstand der Streifen voneinander umfassen, vgl. in 2 die beiden unteren Darstellungen. Die Struktur kann im Falle eines Streifenmusters somit durch drei Parameter α, φ, a beschrieben werden, wobei der Parameter α für die Orientierung, der Parameter φ für die Position und der Parameter a für den Abstand (bzw. die Periodizität) charakteristisch ist.
-
Erfindungsgemäß ist die wirksame Form der Lichtquelle 1 variierbar. Insbesondere wird die wirksame Form der Lichtquelle 1 mittels der Steuereinrichtung 6 in Abhängigkeit von der von dem zu projizierenden Objekt 5 gebildeten Struktur eingestellt, vorzugsweise automatisch eingestellt. Dies wird nachfolgend in Verbindung mit den 3 und 4 näher erläutert.
-
Gemäß 3 besteht die Lichtquelle 1 aus einer Gruppe von Leuchtelementen 7, beispielsweise einer Gruppe von lichtemittierenden Dioden (Laser- oder Leuchtdioden). Die Leuchtelemente 7 sind gemäß 3 (siehe dort links oben) beispielsweise als zweidimensionales Array angeordnet. Jedes Leuchtelement 7 ist von der Steuereinrichtung 6 ansteuerbar, vorzugsweise einzeln, also unabhängig von allen anderen Leuchtelementen 7. Alternativ ist es möglich, dass die Leuchtelemente 7 zu Untergruppen zusammengefasst sind, wobei jede Untergruppe zwar in sich einheitlich, aber unabhängig von allen anderen Untergruppen ansteuerbar ist.
-
Die oben genannte Ausgestaltung der Leuchtelemente 7 als lichtemittierende Dioden ist zwar bevorzugt, aber nicht zwingend. Alternativ können die Leuchtelemente 7 beispielsweise als Elemente eines zweidimensionalen LCOS-Arrays, als Elemente eines LCD, als Elemente eines DMD oder als Blitzröhren ausgebildet sein.
-
Gemäß 4 nimmt die Steuereinrichtung 6 in einem Schritt S1 eine Information über die Struktur des zu projizierenden Objekts 5 entgegen. Es ist möglich, dass die Information der Steuereinrichtung 6 von außen vorgegeben wird, beispielsweise von einem Bediener 8. Dies ist in 1 durch einen entsprechenden Pfeil A angedeutet. Alternativ kann der Steuereinrichtung 6 implizit bekannt sein, welche Struktur das zu projizierende Objekt 5 aufweist, beispielsweise weil die Steuereinrichtung 6 selbst die Struktur des zu projizierenden Objekts 5 durch entsprechendes Ansteuern des zu projizierenden Objekts 5 einstellt.
-
In einem Schritt S2 ermittelt die Steuereinrichtung 6 charakteristische Parameter α, φ, a der Struktur des zu projizierenden Objekts 5. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 6 im Falle eines Streifenmusters die Orientierung des Streifenmusters, den Abstand der Streifen und die Position der Streifen ermitteln. Die hierfür charakteristischen Parameter α, φ, a sind bereits erläutert worden.
-
In einem Schritt S3 ermittelt die Steuereinrichtung 6 einen Parameter α' für die wirksame Form der Lichtquelle 1. Die Steuereinrichtung 6 ermittelt den Parameter α' in Abhängigkeit von der Orientierung α des Streifenmusters. Die Steuereinrichtung 6 kann insbesondere den Parameter α' derart bestimmen, dass der Parameter α' mit dem Parameter α für die Orientierung des Streifenmusters übereinstimmt.
-
Zusätzlich kann ein Schritt S4 vorhanden sein. Wenn der Schritt S4 vorhanden ist, ermittelt die Steuereinrichtung 6 im Schritt S4 einen weiteren Parameter a' für die wirksame Form der Lichtquelle 1. Die Steuereinrichtung 6 bestimmt den weiteren Parameter a' in diesem Fall in Abhängigkeit vom Abstand a der Streifen des Streifenmusters voneinander.
-
Alternativ zum Schritt S4 kann ein Schritt S5 vorhanden sein. Im Schritt S5 bestimmt die Steuereinrichtung 6 ebenfalls den weiteren Parameter a' für die wirksame Form der Lichtquelle 1. Die Steuereinrichtung 6 bestimmt den weiteren Parameter a' in diesem Fall jedoch unabhängig vom Abstand a der Streifen des Streifenmusters.
-
Es ist sogar möglich, dass sowohl der Schritt S4 als auch der Schritt S5 vorhanden sind. In diesem Fall muss jedoch zusätzlich ein Schritt S6 vorhanden sein, in dem entschieden wird, ob der Schritt S4 oder der Schritt S5 ausgeführt wird. Beispielsweise kann zu diesem Zweck dem Schritt S1 ein Schritt S7 vorgeordnet sein, in dem der Steuereinrichtung 6 – beispielsweise vom Bediener 8 – vorgegeben wird, ob sie beim Einstellen der wirksamen Form der Lichtquelle 1 den Abstand der Streifen voneinander berücksichtigen soll oder nicht.
-
In einem Schritt S8 stellt die Steuereinrichtung 6 die wirksame Form der Lichtquelle 1 ein. Die Steuereinrichtung 6 stellt die wirksame Form der Lichtquelle 1 im Rahmen des Schrittes S8 selbstverständlich unter Berücksichtigung der Parameter α' und a' ein, die sie in den Schritten S3 und S4 bzw. S3 und S5 ermittelt hat.
-
3 zeigt einige mögliche wirksame Formen der Lichtquelle 1. Gemäß 3 – siehe die rechte und die beiden unteren Darstellungen in 3 – wird die Lichtquelle 1 in der Regel als Anzahl länglicher Leuchtstreifen 9 betrieben. Die Orientierung der Leuchtstreifen 9 stimmt mit der Orientierung der Streifen des Streifenmusters überein.
-
Die Anzahl an Leuchtstreifen 9 kann eins sein, siehe in 3 die beiden Darstellungen rechts oben und links unten. Alternativ kann die Anzahl an Leuchtstreifen 9 größer als eins sein, siehe rein beispielhaft die Darstellung in 3 rechts unten. Falls die Anzahl an Leuchtstreifen 9 größer als eins ist, ist die Anzahl und damit indirekt der Abstand der Leuchtstreifen 9 voneinander im Wesentlichen eine Funktion des Abstands a der Streifen des Streifenmusters.
-
Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, dass die Steuereinrichtung 6 die wirksame Form der Lichtquelle 1 in Abhängigkeit von der Orientierung des Streifenmusters einstellt. Eventuell kann die Steuereinrichtung 6 beim Einstellen der wirksamen Form der Lichtquelle 1 weiterhin den Abstand der Streifen voneinander berücksichtigen. Hingegen wird die wirksame Form der Lichtquelle 1 von der Steuereinrichtung 6 – zumindest in der Regel – unabhängig von der Position der Streifen quer zur Orientierung des Streifenmusters gesehen eingestellt. Weiterhin kann die Lichtquelle 1 (mindestens) ein optisch strahlformendes Element 1A – siehe 1 – umfassen. Das optisch strahlformende Element 1A kann beispielsweise als Reflektor oder als Zylinderlinse ausgebildet sein. Es kann ggf. zum Variieren der wirksamen Form der Lichtquelle 1 verwendet werden.
-
In aller Regel weist die Projektionsvorrichtung eine Blende 10 auf, die im Bereich der Abbildungsoptik 3 angeordnet ist. Die Blende 10 kann – rein faktisch – durch die geometrischen Abmessungen der Abbildungsoptik 3 bestimmt sein. Alternativ kann die Blende 10 ein separates Element der Projektionsvorrichtung sein. Die Lichtquelle 1 wird mittels der Kondensoroptik 2 auf die Blende 10 abgebildet. 5 zeigt eine entsprechende Darstellung. Gemäß 5 weist die Blende 10 eine wirksame Öffnung 11 auf. Rein beispielhaft ist die wirksame Öffnung 11 gemäß 5 als Quadrat mit einer Hochabmessung h und einer Querabmessung b dargestellt. Es kommen jedoch alternativ auch andere Öffnungsquerschnitte in Frage, insbesondere sechseckige oder im Wesentlichen runde Öffnungsquerschnitte.
-
Gemäß 5 ist die wirksame Öffnung 11 der Blende 10 derart dimensioniert, dass für mindestens eine wirksame Form der Lichtquelle 1 – beispielsweise die in 5 mit durchgezogenen Linien dargestellte Abbildung 1' der wirksamen Form der Lichtquelle – nicht die Blende 10, sondern die wirksame Form der Lichtquelle 1 den Lichtdurchsatz bestimmt. Gemäß der Darstellung von 5 gilt dies sowohl für die Höhen- als auch für die Querrichtung. Es liegt jedoch ebenso im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn die genannte Aussage nur in einer Richtung – hier also entweder die Höhenrichtung oder die Querrichtung – erfüllt ist. Dies ist in 5 durch die in 5 gestrichelt dargestellte Abbildung 1'' einer anderen möglichen wirksamen Form der Lichtquelle 1 angedeutet.
-
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Lichtquelle
- 1', 1''
- Abbildungen der wirksamen Form der Lichtquelle
- 1A
- optisch strahlformendes Element
- 2
- Kondensoroptik
- 3
- Abbildungsoptik
- 4
- Grundkonstruktion
- 5
- zu projizierendes Objekt
- 6
- Steuereinrichtung
- 7
- Leuchtelemente
- 8
- Bediener
- 9
- Leuchtstreifen
- 10
- Blende
- 11
- wirksame Öffnung
- a, a'
- Parameter
- A
- Pfeil
- b
- Querabmessung
- h
- Hochabmessung
- S1–S8
- Schritte
- α, α', φ
- Parameter
