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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bildgebungsverfahren zum Erfassen eines Objekts, wobei ein Bild des Objekts mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-(THz-)Frequenzbereich synthetisch erzeugt wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine Bildgebungsvorrichtung zum Erfassen eines Objekts mit Hilfe von THz-Strahlung.
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Elektromagnetische Strahlung im Terahertz-(THz)-Frequenzbereich bietet gegenüber anderen Frequenzbereichen des elektromagnetischen Spektrums erhebliche Vorteile:
- • viele optische undurchsichtige Materialien sind im THz-Frequenzbereich transparent,
- • THz-Strahlung ist nicht ionisierend und wird daher aus biomedizinischer Sicht als sicher betrachtet,
- • bestimmte rotatorische, translatorische oder vibronische Molekülanregungen weisen eine Resonanzfrequenz im THz-Frequenzbereich auf und
- • THz-Strahlung zeigt eine geringe Streuung verglichen mit optischen Frequenzen und ist daher insbesondere zur Verwendung in industriellen Umgebungen, in denen es beispielsweise vermehrt zur Staubbildung kommt, geeignet.
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Seit einiger Zeit wird daher versucht, den THz-Frequenzbereich für bildgebende Anwendungen, insbesondere in der Medizintechnik, in der Sicherheitstechnik sowie in der Prozesskontrolle und Produktüberprüfung, zugänglich zu machen.
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Dabei werden auch Verfahren der sogenannten synthetischen Bildgebung verwendet. Das Prinzip der synthetischen Bildgebung im engeren Sinne, welche häufig auch als Bildgebung mit synthetischer Apertur bezeichnet wird, besteht darin, die Momentaufnahme einer Antenne oder eines Objektivs mit großer Apertur durch eine Mehrzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmen einer bewegten Antenne oder eines bewegten Objektivs mit kleiner Apertur oder auch durch eine Mehrzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden oder zeitgleich erfolgenden Aufnahmen einer Mehrzahl ortsfester Antennen oder ortsfester Objektive mit kleiner Apertur zu ersetzen.
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Das bekannteste System zur synthetischen Bildgebung ist das sogenannte Synthetic Aperture Radar (kurz: SAR). Dabei werden die Sende- und die Empfangsantenne eines Radarsystems, welches beispielsweise auf einem Flugzeug montiert ist, an einem Objekt vorbeibewegt. Für stationäre Anwendungen, beispielsweise zur Überwachung von Personen mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich sind Systeme bekannt, die statt eines einzigen Paars von Sende- und Empfangsantennen, die sich relativ zu dem Objekt in Bewegung befinden, eine Vielzahl von Sende- und Empfangsantennen verwenden, welche das Objekt unter unterschiedlichen Winkeln abbilden und deren Signale nach dem SAR-Prinzip ausgewertet werden. Dabei können zum Empfang der von einem Objekt reflektierten oder durch dieses transmittierten Wellen entweder die Sendeantennen selbst oder getrennte Empfangsantennen verwendet werden. Um eine möglichst gute räumliche Auflösung zu erhalten, wird das von einer einzigen Sendeantenne abgestrahlte Signal mit einer Vielzahl von Empfangsantennen empfangen.
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Gemeinsam ist allen diesen Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, dass Sendeantennen und Empfangsantennen die gleiche Fläche bedecken, so dass die Strahlpfade der abgestrahlten Strahlung und der vom Objekt reflektierten Strahlung aufeinander liegen. Um mit diesen bekannten Vorrichtungen und Verfahren ein Objekt aus verschiedenen Perspektiven zu betrachten, müssen das Objekt und die Vorrichtung zur synthetischen Bilderzeugung relativ zu einander bewegt werden.
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Dem gegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bilderfassung bereitzustellen, welche es ermöglichen, ein Objekt aus einer Mehrzahl von Perspektiven bildlich zu erfassen, ohne dass das Objekt und die Vorrichtung zur Bilderfassung relativ zueinander bewegt werden.
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Zumindest eine der oben genannten Aufgaben wird erfindungsgemäß durch ein Bildgebungsverfahren zum Erfassen eines Objekts gelöst, wobei ein Bild des Objekts mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich synthetisch erzeugt wird, wobei die elektromagnetische Strahlung so abgestrahlt wird, dass das Objekt unter einer Beleuchtungsrichtung beleuchtet wird und wobei die von dem Objekt reflektierte oder durch das Objekt transmittierte Strahlung unter einer Blickrichtung empfangen wird, wobei die Beleuchtungsrichtung und die Blickrichtung voneinander verschieden sind.
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Zumindest eine der oben genannten Aufgaben wird auch gelöst durch eine Bildgebungsvorrichtung zum Erfassen eines Objekts mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Bildes eines Objekts mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich mit einer synthetischen Abbildung, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines Bildes so eingerichtet ist, dass die elektromagnetische Strahlung so abgestrahlt wird, dass das Objekt im Betrieb der Vorrichtung unter einer Beleuchtungsrichtung beleuchtet wird, und wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines Bildes so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb der Vorrichtung die von dem Objekt reflektierte oder die durch das Objekt transmittierte elektromagnetische Strahlung unter einer Blickrichtung empfängt, wobei die Beleuchtungsrichtung und die Blickrichtung voneinander verschieden sind.
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Soweit im Folgenden Aspekte der Erfindung im Hinblick auf das Bildgebungsverfahren beschrieben werden, so gelten diese auch für die entsprechende Bildgebungsvorrichtung und umgekehrt. Soweit das Bildgebungsverfahren mit einer Bildgebungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird, so weist diese die entsprechenden Einrichtungen hierfür auf. Insbesondere sind Ausführungsformen der Bildgebungsvorrichtung zum Ausführen nachfolgend beschriebener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
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Der THz-Frequenzbereich der elektromagnetischen Strahlung im Sinne der vorliegenden Anmeldung liegt in einem Frequenzbereich von 10 GHz bis 10 THz.
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Gemäß einer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Abstrahlungselementen zum Abstrahlen der elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich verwendet sowie eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Empfangselementen zum Empfangen der von den Abstrahlungselementen abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung. Dies ermöglicht zum Einen eine Bilderzeugung mit synthetischer Apertur, zum Anderen jedoch insbesondere die Aufnahme einer Mehrzahl von Bildern aus unterschiedlichen Blickrichtungen bzw. Perspektiven.
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Dabei ist in einer Ausführungsform die Mehrzahl der voneinander beabstandeten Abstrahlungselemente und/oder die Mehrzahl der von voneinander beabstandeten Empfangselemente in einer, insbesondere ausgedehnten, Ebene angeordnet.
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Um eine Abbildung mit synthetischer Apertur zu ermöglichen sind in einer Ausführungsform der Erfindung die Abstrahlungselemente und die Empfangselemente so angeordnet, dass sie zwei voneinander verschiedene, vorzugsweise zueinander senkrechte, Richtungen aufspannen oder dass die zweite Richtung in einer mit der ersten Richtung einen Winkel einschließenden Ebene angeordnet ist. Davon umfasst ist insbesondere eine Anordnung, bei der sowohl die Abstrahlungselemente als auch die Empfangselemente in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Abstrahlungselemente entlang einer ersten Geraden angeordnet sind und die Empfangselemente entlang einer zweiten Geraden angeordnet sind, wobei die erste und zweite Geraden senkrecht zueinander sind. Ebenfalls umfasst ist eine Konfiguration, in der die Abstrahlungselemente auf einer ersten Gruppenantenne entlang einer ersten Geraden angeordnet sind und die Empfangselemente auf einer zweiten Gruppenantenne entlang einer zweiten Geraden angeordnet sind, wobei sich die erste Gerade in einer Ebene erstreckt, die einen Winkel von 90° mit der zweiten Geraden bildet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Abstrahlungselemente von einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Einzelantennen einer flächig ausgedehnten, vorzugsweise ebenen, phasengesteuerten Gruppenantenne gebildet und die Empfangselemente werden von einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Einzelantennen einer flächig ausgedehnten, phasengesteuerten Gruppenantenne gebildet.
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Die Gruppenantenne weist in einer Ausführungsform sowohl Antennen als Abstrahlungselemente als auch Antennen als Empfangselemente auf. Dabei sind die Abstrahlungselemente und die Empfangselemente vorzugsweise voneinander verschiedene Elemente der gleichen Gruppenantenne.
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Die Beleuchtungsrichtung bezeichnet im Sinne der vorliegenden Anmeldung diejenige Richtung, in welche in einer strahlenoptischen Betrachtung die Strahlen der THz-Strahlung zu dem Objekt verlaufen. Insbesondere bezeichnet die Blickrichtung diejenige Richtung von einer Abstrahlungseinrichtung zu einem Fokus oder Brennpunkt auf dem Objekt.
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Die Blickrichtung bezeichnet im Sinne der vorliegenden Anmeldung diejenige Richtung, in welche in einer strahlenoptischen Betrachtung eine Empfangseinrichtung schaut. Insbesondere bezeichnet die Blickrichtung diejenige Richtung von einer Empfangseinrichtung zu einem Fokus oder Brennpunkt der Empfangseinrichtung auf dem Objekt.
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Unter der Beleuchtungsrichtung einer Mehrzahl von Abstrahlungselementen im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird diejenige Richtung verstanden, in welcher die Mehrzahl von Abstrahlungselementen die elektromagnetische Strahlung fokussieren, wenn es sich um ein synthetisches Bildgebungsverfahren mit einer physikalischen Strahlsteuerung handelt, oder diejenige Richtung, in welche die Mehrzahl von Abstrahlungselementen die elektromagnetische Strahlung rechnerisch bzw. algorithmisch fokussieren, wenn es sich um ein synthetisches Bildgebungsverfahren mit digitaler, d. h. rein rechnerischer, Strahlsteuerung handelt.
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Die Blickrichtung einer Mehrzahl von Empfangselementen ist in einer Ausführungsform mit einer physikalischen Strahlsteuerung diejenige Richtung, auf die die Mehrzahl von Empfangselementen fokussiert ist, oder in einer Ausführungsform mit einer digitalen, d. h. rein rechnerischen Strahlsteuerung diejenige Richtung, in welche die Mehrzahl von Empfangselementen algorithmisch schaut.
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Dabei kann in einer Ausführungsform der Erfindung als Beleuchtungsrichtung diejenige Richtung definiert werden, die sich aus der Verbindung des Schwerpunkts der verwendeten Mehrzahl von Abstrahlungselementen und dem Fokus dieser Mehrzahl von Abstrahlungselementen ergibt. Dabei kann in einer Ausführungsform der Erfindung die Blickrichtung als diejenige Richtung definiert werden, die sich als Verbindung zwischen dem Fokus und dem Schwerpunkt der Mehrzahl von Empfangselementen ergibt.
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Im Sinne dieser Definition sind bei Systemen aus dem Stand der Technik die Beleuchtungsrichtung und die Blickrichtung identisch. Sie schließen keinen Winkel zwischen sich ein. Ist in einer Ausführungsform der Erfindung das Objekt zwischen dem Schwerpunkt einer Mehrzahl von Abstrahlungselementen und dem Schwerpunkt einer Mehrzahl von Empfangselementen angeordnet, d. h. erfolgt die Messung in Transmission, so schließen die Beleuchtungsrichtung und die Blickrichtung einen Winkel von 180° ein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung schließen die Beleuchtungsrichtung und die Blickrichtung einen Winkel in einem Bereich von 10° bis 180°, vorzugsweise in einem Bereich von 20° bis 170° ein.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden die Mehrzahl von Abstrahlungselementen zwei Beleuchtungsrichtungen aus und die Mehrzahl von Empfangselementen bilden zwei Blickrichtungen aus, wobei je eine Beleuchtungsrichtung und eine Blickrichtung zusammenfallen.
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In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte auf: Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich mit mindestens einer Strahlungsquelle, Abstrahlen der elektromagnetischen Strahlung von einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Abstrahlungselementen, Einstellen der Phasenlagen der von einem jedem Abstrahlungselement abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung, Einbringen eines Objekts in die von den Abstrahlungselementen abgestrahlte elektromagnetische Strahlung und Empfangen der elektromagnetischen Strahlung mit Einkoppeln der von den Abstrahlungselementen abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung in eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Empfangselementen, Einstellen der Phasenlagen der in ein jedes Empfangselement eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung sowie kohärentes Überlagern der von den Empfangselementen empfangenen elektromagnetischen Strahlung, wobei das Einstellen der Phasenlagen der von den Abstrahlungselementen abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung und das Einstellen der Phasenlagen der von den Empfangselementen empfangenen elektromagnetischen Strahlung getrennt voneinander so erfolgen, dass die Mehrzahl von Abstrahlungselementen zusammen eine Beleuchtungsrichtung aufweisen und die Mehrzahl von Empfangselementen zusammen eine Blickrichtung aufweisen, wobei die Beleuchtungsrichtung und die Blickrichtung voneinander verschieden sind.
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Dazu weist die erfindungsgemäße Bildgebungsvorrichtung in einer Ausführungsform auf, mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich, eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Abstrahlungselementen zum Abstrahlen der elektromagnetischen Strahlung, eine Einrichtung zum Einstellen der Phasenlagen der von einem jeden Abstrahlungselement abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung, einem Strahlungsempfänger zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung mit einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Empfangselementen zum Einkoppeln der von den Abstrahlungselementen abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung in den Strahlungsempfänger, einer Einrichtung zum Einstellen der Phasenlagen der in ein jedes Empfangselement eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung und einer Einrichtung zum kohärenten Überlagern der von den Empfangselementen empfangenen elektromagnetischen Strahlung, wobei die Einrichtungen zum Einstellen der Phasenlagen so eingerichtet sind, dass im Betrieb der Vorrichtung das Einstellen der Phasenlagen der von den Abstrahlungselementen abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung und die Phasenlagen der von den Empfangselementen empfangenen elektromagnetischen Strahlung getrennt voneinander so erfolgt, dass die Mehrzahl von Abstrahlungselementen zusammen eine Beleuchtungsrichtung aufweisen und die Mehrzahl von Empfangselementen zusammen eine Blickrichtung aufweisen, wobei die Beleuchtungsrichtung und die Blickrichtung voneinander verschieden sind.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bildgebungsverfahrens werden die Phasenlagen der von den einzelnen Abstrahlungselementen abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung zueinander so eingestellt werden, dass die Abstrahlungselemente einen Fokus ausbilden, der in oder auf dem Objekt liegt, und die Phasenlagen der in die Empfangselemente eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung zueinander so eingestellt werden, dass die Empfangselemente einen Fokus haben, der in oder auf dem Objekt liegt, wobei der Fokus der Abstrahlungselemente und der Fokus der Empfangselemente zusammenfällt und wobei zum Erfassen des Objekts der Fokus der Abstrahlungselemente und der Fokus der Empfangselemente das Objekt abtasten.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bildgebungsvorrichtung ist dazu die Einrichtung zum Einstellen der Phasenlagen der Abstrahlungselemente so eingerichtet, dass die Phasenlagen der von den einzelnen Abstrahlungselementen abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung im Betrieb der Vorrichtung zueinander so eingestellt werden, dass die Abstrahlungselemente einen Fokus ausbilden, der in oder auf dem Objekt liegt, und die Einrichtung zum Einstellen der Phasenlagen der Empfangselemente so eingerichtet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung die Phasenlagen der in die Empfangselemente eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung zueinander so eingestellt werden, dass die Empfangselemente einen Fokus haben, der in oder auf dem Objekt liegt, wobei der Fokus der Abstrahlungselemente und der Fokus der Empfangselemente zusammenfällt und wobei die Vorrichtung eine Abtasteinrichtung aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb der Vorrichtung zum Erfassen des Objekts der Fokus der Abstrahlungselemente und der Fokus der Empfangselemente das Objekt abtasten.
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Für die Erzeugung einer Abbildung mit synthetischer Apertur muss neben der Intensität der elektromagnetischen Strahlung auch deren Phasenlage von den Strahlungsempfängern erfasst werden. Dafür ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass ein Strahlungsempfänger ein kohärenter Empfänger ist, in dem die von den jeweiligen Strahlungsquellen abgestrahlte elektromagnetische Strahlung mit einem Referenzsignal gemischt wird, um Intensität und Phasenlage der zu erfassenden elektromagnetischen Strahlung bestimmen zu können.
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Für eine kohärente Erfassung wird in einer Ausführungsform der Strahlungsempfänger mit einem Referenzsignal versorgt, das phasenstarr an die von einem Abstrahlungselement abgestrahlte elektromagnetische Strahlung gekoppelt ist.
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Dabei sind die Abstrahlungselemente in einer Ausführungsform mit mindestens einer Strahlungsquelle verbunden. Jedes Empfangselement hingegen bildet einen Bestandteil eines Strahlungsempfängers, so dass die Gruppenantenne eine Mehrzahl von Strahlungsempfängern aufweist, die vorzugsweise der Anzahl von Empfangselementen entspricht.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Gruppenantenne ein elektronisch steuerbares Reflektor-Array mit einer Mehrzahl von Einzelantennen. Ein solches Reflektor-Array arbeitet im Ergebnis wie ein Spiegel, d. h. es weist selbst weder eine Strahlungsquelle noch einen Strahlungsempfänger auf, sondern seine Einzelantennen empfangen die von den Strahlungsquellen abgestrahlte elektromagnetische Strahlung und strahlen diese selbst auch wieder ab. Dabei ermöglicht es ein elektronisch steuerbares Reflektor-Array, die Phasenlage einer jeden abstrahlenden oder empfangenden Antenne einzustellen und zu steuern. Auf diese Weise lässt sich das steuerbare Reflektor-Array dazu benutzen, die Reflexionsrichtung zu steuern und eine stark richtende Reflexion bzw. fokussierende Reflexion zu erzeugen. Eine solche Ausführungsform einer phasengesteuerten Gruppenantenne wird auch als Reflect-Array bezeichnet.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Beleuchtungsrichtung und die Blickrichtung, die voneinander verschieden sind, dadurch realisiert, dass die elektromagnetische Strahlung von Abstrahlungselementen einer ersten Gruppenantenne abgestrahlt wird und diese elektromagnetische Strahlung in Empfangselemente einer zweiten Gruppenantenne eingekoppelt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtung und Blickrichtung dadurch realisiert, dass die elektromagnetische Strahlung von Abstrahlungselementen eines ersten Abschnitts einer Gruppenantenne abgestrahlt wird und die elektromagnetische Strahlung in Empfangselemente eines zweiten Abschnitts derselben Gruppenantenne eingekoppelt wird, wobei der erste und der zweite Abschnitt zumindest teilweise getrennte Flächen der Gruppenantenne belegen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtung und die Blickrichtung dadurch realisiert, dass die elektromagnetische Strahlung von Abstrahlungselementen eines ersten Abschnitts einer Gruppenantenne abgestrahlt wird und dass die elektromagnetische Strahlung in Empfangselemente desselben ersten Abschnitts der Gruppenantenne eingekoppelt wird, wobei die abgestrahlte elektromagnetische Strahlung über mindestens einen Spiegel geleitet wird, bevor sie in die Antennen eingekoppelt wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird die elektromagnetische Strahlung über mindestens zwei zueinander unter einem Winkel angeordnete Spiegel geleitet und das Objekt wird zwischen den Spiegeln bereitgestellt.
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In einer alternativen Ausführungsform wird die elektromagnetische Strahlung über einen Spiegel geleitet, wobei das Objekt zwischen dem Spiegel und der Gruppenantenne bereitgestellt wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird die elektromagnetische Strahlung in einem ersten Schritt auf einem Strahlpfad von den Abstrahlungselementen zu den Empfangselementen über einen ersten Spiegel geleitet und in einem zweiten Schritt auf einem Strahlpfad von den Abstrahlungselementen zu den Empfangselementen über einen zweiten Spiegel geleitet, wobei der erste und der zweite Spiegel unter einem Winkel zueinander angeordnet sind und wobei das Objekt zwischen dem ersten Spiegel und der Gruppenantenne und zwischen dem zweiten Spiegel und der Gruppenantenne bereitgestellt wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird das zu erfassende Objekt relativ zu dem Spiegel bewegt.
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Dabei erfolgt eine solche Bewegung des Objekts relativ zu dem Spiegel in einer Ausführungsform auf einem Transportpfad, welcher ein vorgegebener Weg ist, den das Objekt während der Bilderfassung durchläuft.
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Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Transporteinrichtung geschehen, insbesondere die ein Förderband, die auf dem Transportpfad angeordnet ist und an der im Betrieb der Vorrichtung das Objekt aufnehmbar ist. Alternativ kann sich das Objekt, beispielsweise mit Hilfe eines Transportwagens, entlang dem Transportpfad bewegen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Transporteinrichtung transparent für die elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich, sodass der Spiegel von den Abstrahlungselementen her betrachtet unter oder hinter der Transporteinrichtung angeordnet sein kann.
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Unter der synthetischen Erzeugung eines Bildes oder synthetischer Bildgebung werden im Sinne der vorliegenden Erfindung zwei voneinander zu unterscheidende Verfahren verstanden. Dies ist zum Einen ein in dieser Anmeldung als physikalische Strahlsteuerung bezeichnetes Verfahren, bei dem tatsächlich die gleichzeitig von einer Mehrzahl von Abstrahlungselementen abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in einem Brennpunkt konstruktiv interferiert, während die Empfangselemente so arbeiten, dass sie gezielt Strahlung von diesem Fokuspunkt empfangen. Alternativ dazu kann die Strahlformung digital erfolgen. Die Richt- und Fokussierwirkung wird dabei lediglich algorithmisch, d. h. bei einer rechnergesteuerten Auswertung der empfangenen Signale, bewirkt. Ein solches Verfahren wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung als digitale Strahlsteuerung (Digital Beam Steering) bezeichnet.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur physikalischen Strahlsteuerung die Phasenlagen der von den einzelnen Abstrahlungselementen abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung zueinander so eingestellt, dass die Abstrahlungselemente einen Fokus ausbilden, der in oder auf dem Objekt liegt und die Phasenlagen der in die Empfangselemente eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung werden zueinander so eingestellt, dass die Empfangselemente einen Fokus haben, der in oder auf dem Objekt liegt, wobei der Fokus der Abstrahlungselemente und der Fokus der Empfangselemente zusammenfallen und wobei zum Erfassen des Objekts der Fokus der Abstrahlungselemente und der Fokus der Empfangselemente das Objekt abtasten.
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Dazu weist in einer Ausführungsform der Erfindung die Vorrichtung zur Bilderfassung eine elektronische Steuerung auf, die so eingerichtet ist, dass sie zur elektronischen Strahlsteuerung die Phasenlagen der von den Einzelantennen der phasengesteuerten Gruppenantenne abgestrahlte Strahlung steuert, und die so eingerichtet ist, dass sie die Phasenlagen der einzelnen Strahlungsempfänger steuert. Dabei erfolgt die Steuerung der Phasenlagen der einzelnen Strahlungsempfänger vor der kohärenten Überlagerung.
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Damit bei einem Verfahren zur digitalen Strahlsteuerung mit einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Abstrahlungselementen und einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Empfangselementen eine optische Abbildung erzeugt werden kann, wird mit einem einzigen Empfangselement zumindest die von zwei Abstrahlungselementen abgestrahlte elektromagnetische Strahlung erfasst.
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Eine digitale Strahlsteuerung setzt jedoch voraus, dass die von den einzelnen Abstrahlungselementen abgestrahlten Signale bzw. die elektromagnetische Strahlung im signaltheoretischen Sinne orthogonal zueinander, d. h. voneinander unterscheidbar, sind. Dadurch können Intensität und Phase für jedes Paar von Abstrahlungselementen und Empfangselementen unabhängig voneinander gemessen werden.
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Für das Erreichen einer solchen Unterscheidbarkeit der elektromagnetischen Strahlung von den einzelnen Abstrahlungselementen gibt es verschiedene Verfahren zum Kodieren der einzelnen Abstrahlungselemente. Beispielsweise erfolgt die Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung von den einzelnen Strahlungsquellen zeitlich nacheinander, d. h. seriell (Zeitmultiplex). In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung von den einzelnen Abstrahlungselementen gleichzeitig, d. h. parallel. Bei einer solchen gleichzeitigen Abstrahlung muss die von den einzelnen Abstrahlungselementen abgestrahlte Strahlung selbst eindeutig identifizierbar sein. Dazu bietet sich beispielsweise an, dass die einzelnen Abstrahlungselemente anhand der Frequenz der von ihnen abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung unterscheidbar sind (Frequenzmultiplex). Darüber hinaus ist es alternativ möglich, die von den einzelnen Abstrahlungselementen abgestrahlte elektromagnetische Strahlung durch Aufprägen eines Modulationsmusters eindeutig identifizierbar zu machen.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit digitaler Strahlsteuerung weist dieses die Schritte auf: Erfassen einer Istwert-Phasendifferenz und einer Istwert-Signalabschwächung der elektromagnetischen Strahlung zwischen mindestens einem Abstrahlungselement und jedem aus einer Mehrzahl von Empfangselementen, in das die von dem Abstrahlungselement abgestrahlte elektromagnetische Strahlung eingekoppelt wird, oder Erfassen einer Istwert-Phasendifferenz und einer Istwert-Signalabschwächung der elektromagnetischen Strahlung zwischen einer Mehrzahl von Abstrahlungselementen und mindestens einem Empfangselement, in das die von dem jeweiligen Abstrahlungselement abgestrahlte elektromagnetische Strahlung eingekoppelt wird, Berechnen eines zwei oder dreidimensionalen Bildes mit einer Mehrzahl von Bildpunkten, wobei für jeden Bildpunkt die folgenden Schritte ausgeführt werden: a) Auswählen eines gemeinsamen Fokus für die Blickrichtung und für die Beleuchtungsrichtung an einem Ort im Raum, für den der Bildpunkt berechnet werden soll, b) Berechnen jeweils einer Sollwert-Phasendifferenz und einer Sollwert-Signalabschwächung für jedes Abstrahlungselement für einen Strahlpfad der elektromagnetischen Strahlung von dem jeweiligen Abstrahlungselement bis zu dem in Schritt a) ausgewählten Ort im Raum, c) Berechnen jeweils einer Sollwert-Phasendifferenz und einer Sollwert-Signalabschwächung für jedes Empfangselement für einen Strahlpfad der elektromagnetischen Strahlung von dem in Schritt a) ausgewählten Ort im Raum bis zum Empfangselement, d) Berechnen eines Intensitätswerts und eines Phasenwerts für den Schritt a) ausgewählten Ort im Raum durch Korrelation der Istwerte und der Sollwerte mit den Schritten: i) Korrigieren der Istwert-Phasendifferenz und der Istwert-Signalabschwächung für alle Kombinationen aus einem Abstrahlungselement und einem Empfangselement mit der Sollwert-Phasendifferenz und der Sollwert-Signalabschwächung für das Abstrahlungselement und der Sollwert-Phasendifferenz und der Sollwert-Signalabschwächung für das Empfangselement, ii) komplexes Überlagern aller korrigierten Istwert-Phasendifferenzen und Istwert-Signalabschwächungen für den in Schritt a) ausgewählten Ort im Raum.
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Aus den erfassten Signalen für jedes Paar aus einem Abstrahlungselement und einem Empfangselement, insbesondere der Amplitude und der Phasenlage der erfassten elektromagnetischen Strahlung an einem jeden der beteiligten Empfangselemente, lässt sich auf die genaue Geometrie eines sich in den Strahlpfaden befindlichen Objekts rückschliessen.
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Dazu weist in einer Ausführungsform die Vorrichtung zur Bilderfassung eine Auswerteeinrichtung auf, die so eingerichtet ist, dass sie das zuvor beschriebene Verfahren, d. h. eine digitale Strahlformung ausführen kann.
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In einer Ausführungsform mit digitaler Strahlsteuerung wird das zu erfassende Objekt im Wesentlichen ungerichtet von den einzelnen Strahlungsquellen bestrahlt.
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Eine digitale Strahlsteuerung wird, soweit sie wie in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Gewinnung von Abstandsinformation über ein Objekt dient, auch als kohärentes Multiple Input Multiple Output-(MIMO-)Radar bezeichnet.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Laufzeit oder der Weglänge der elektromagnetischen Strahlung zwischen jeweils einem Abstrahlungselement und einem Strahlungsempfänger bestimmt und aus einer Mehrzahl von Laufzeiten eine perspektivische Ansicht des Objekts berechnet. Das heißt, in einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Bilderfassung mit Hilfe von Radar (RAdio Detection And Ranging).
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Grundsätzlich stehen für eine Laufzeit- bzw. Weglängenmessung der elektromagnetischen Strahlung zwischen einem Abstrahlungselement und einem Empfangselement mehrere voneinander zu unterscheidende Verfahren zur Verfügung, welche alle die gleiche Information über den Abstand zwischen dem zu erfassenden Objekt und dem Abstrahlungselement bzw. dem Empfangselement liefern.
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In einer Ausführungsform sind die Strahlungsquellen bzw. die Abstrahlungselemente so eingerichtet, dass im Betrieb der Vorrichtung die Frequenz der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung variiert wird, wobei die Änderung der Frequenz gegenüber der Zeit vorzugsweise konstant ist. Eine solche Ausführungsform wird auch als Frequency-Modulated-Continious-Wave-(FMCW-)Radar bezeichnet.
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Dabei weist der Strahlungsempfänger vorzugsweise eine Einrichtung zum Bestimmen der Differenzfrequenz zwischen einem Referenzsignal und der von dem Strahlungsempfänger empfangenen elektromagnetischen Strahlung auf, wobei aus der Differenzfrequenz die Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung zwischen dem Abstrahlungselement und dem Empfangselement mit einer geeigneten Einrichtung berechnet wird.
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Ein derartiges Verfahren zum Messen des Abstands zwischen dem Abstrahlungselement bzw. dem Empfangselement und dem zu erfassenden Objekt funktioniert dann insbesondere gut, wenn die Frequenz der erzeugten elektromagnetischen Strahlung über die Zeit kontinuierlich variiert wird, sodass jeder Zeitpunkt der Abstrahlung eindeutig durch die abgestrahlte Frequenz kodiert ist.
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Alternativ zur Verwendung eines FMCW-Radars wird in einer Ausführungsform der Erfindung impulsförmige elektromagnetische Strahlung abgestrahlt und aus der Laufzeit einer Mehrzahl von Impulsen einer Ansicht des Objekts berechnet. Die Laufzeit eines Impulses mit einer gegenüber der zu erfassenden Distanz kurzen Impulsdauer lässt sich einfach bestimmen. Dazu kann beispielsweise die Laufzeit zwischen Abstrahlungselement und dem zu erfassenden Objekt bzw. dem Empfangselement mit der Laufzeit eines Referenzimpulses über einen bekannten Weg verglichen werden. Ein solches Verfahren wird auch als Impuls-Radar bezeichnet.
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Alternativ wird eine Mehrzahl von Frequenzen zeitlich nacheinander erzeugt und abgestrahlt und der Strahlungsempfänger ist so eingerichtet, dass er die Phase der elektromagnetischen Strahlung für jede einzelne Frequenz relativ zu einem Referenzsignal erfasst. Aus der Messung der relativen Phasenlagen der einzelnen Strahlungskomponenten mit einer Mehrzahl von voneinander verschiedenen Frequenzen lässt sich ebenfalls die Laufzeit bzw. der Laufweg zwischen Abstrahlungselement und Objekt bzw. Objekt und Empfangselement eindeutig bestimmen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird aus einer Mehrzahl von Bildern mit voneinander verschiedenen Brennebenen ein perspektivisches Bild des Objekts berechnet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird mit Hilfe eines tomografischen Algorithmus ein perspektivisches Bild des Objekts berechnet. Zur Erzeugung eines Bildes mit Informationen über die dreidimensionale Struktur eines Objekts mittels tomografischer Verfahren, werden zunächst nacheinander Bilder des Objekts mit voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtungen und/oder Blickrichtungen erzeugt. In einer Ausführungsform wird zum Erzeugen eines jeden Bildes das Objekt, beispielsweise mit einem schwach fokussierten Strahl, abgerastert. Eine Variation der Beleuchtungsrichtung und/oder Blickrichtung erfolgt beispielsweise, indem sukzessive verschiedene Flächenbereiche der Gruppenantenne adressiert werden und/oder verschiedenen Strahlpfade über unterschiedliche Spiegel realisiert werden und/oder die Bilder für unterschiedliche Positionen eines bewegten Objektes aufgenommen werden. Abschließend wird die Mehrzahl von Bildern algorithmisch zu einer perspektivischen oder dreidimensionalen Ansicht des Objekts verrechnet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Bilderfassungsvorrichtung.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bilderfassungsvorrichtung.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bilderfassungsvorrichtung.
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4 zeigt eine Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bilderfassungsvorrichtung.
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5 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bilderfassungsvorrichtung.
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6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bilderfassungsvorrichtung.
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7 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Bilderfassungsvorrichtung mit einer Transporteinrichtung in einer Schnittebene senkrecht zur Transportrichtung.
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8 zeigt eine schematische Schnittansicht der Bilderfassungsvorrichtung aus 7 in der gleichen Schnittebene wie 7, jedoch mit anderen Strahlpfaden.
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9 zeigt eine schematische Schnittansicht der Bilderfassungsvorrichtung aus 7 und 8 in einer Schnittebene parallel zur Transportrichtung.
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10 zeigt eine schematische Schnittansicht der Bilderfassungsvorrichtung aus 7 bis 9 in der gleichen Schnittebene wie 9, jedoch mit anderen Strahlpfaden.
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11 zeigt eine schematische Schnittansicht der Bilderfassungsvorrichtung aus 7 bis 10 in der gleichen Schnittebene wie 9 und 10, jedoch mit weiteren Strahlpfaden.
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In den nachfolgend beschriebenen Figuren sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Alle der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bildgebungsvorrichtung sowie des mit diesen realisierbaren Bildgebungsverfahrens beruhen darauf, dass ein Bild eines Objekts 2 mit Hilfe einer synthetischen Abbildung mit elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich aufgenommen wird. Dabei ist es für die vorliegende Erfindung insbesondere wesentlich, dass die Beleuchtungsrichtung 20 und die Blickrichtung 42 für alle gezeigten Vorrichtungen voneinander verschieden sind.
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Anhand von 1 werden nun die Beleuchtungsrichtung 20 und die Blickrichtung 42 im Sinne der vorliegenden Anmeldung definiert. Die Beleuchtungsrichtung 20 ist aus Sicht der Abstrahlungselemente 21, welche die elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich abstrahlen, definiert. Diese ergibt sich als Vektor zwischen dem Schwerpunkt einer Mehrzahl von Abstrahlungselementen 21 und einem Fokus 22 der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 23. Dabei ist es unerheblich, ob der Fokus 22 ein physikalischer Fokus mit einer tatsächlichen konstruktiven Überlagerung des elektrischen Feldes der elektromagnetischen Wellen ist oder ein durch einen Algorithmus berechneter Fokus.
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Die Blickrichtung 42 wird von einer Mehrzahl von Empfangselementen 24 aus betrachtet definiert. Die Blickrichtung 42 entspricht einem Vektor zwischen dem Schwerpunkt der Mehrzahl von Empfangselementen 24 und dem Fokus 25, welcher von der Mehrzahl der Empfangselemente 24 gebildet wird. Dabei ist es wie für die Beleuchtungsrichtung auch unerheblich, ob der Fokus 25 für die von der Mehrzahl von Empfangselementen 24 empfangene elektromagnetische Strahlung 26 im THz-Frequenzbereich gebildete Fokus 25 ein physikalischer Fokus ist oder ein algorithmisch berechneter.
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Dabei fallen in allen Ausführungsformen die Foki 22, 25 der Abstrahlungselemente 21 bzw. der Empfangselemente 24 im Wesentlichen zusammen.
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Im Sinne dieser Definition schließen die Beleuchtungsrichtung 20 und die Blickrichtung 42 gemäß der Ausführungsform aus 1 einen Winkel von 180° ein.
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In der Ausführungsform aus 1 wird die elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich 23 von einer Mehrzahl von Abstrahlungselementen 21, d. h. Antennen, einer ersten Gruppenantenne 27 abgestrahlt. Die durch das Objekt 2 transmittierte Strahlung 26 wird dann von einer Mehrzahl von Empfangselementen 24, d. h. Antennen, einer zweiten Gruppenantenne 28 empfangen.
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Hier wird nur der für die Erfindung wesentliche Strahlengang von einer Mehrzahl von Abstrahlungselementen 21 einer ersten Gruppenantenne 27 zu einer Mehrzahl von Empfangselementen einer zweiten Gruppenantenne 28 beschrieben. Allerdings können mit einer Ausführungsform, bei der die beiden Gruppenantennen 28, 27 sowohl Antennen zum Abstrahlen als auch zum Empfangen, d. h. Abstrahlungselemente 21 und Empfangselemente 24, aufweisen, auch noch folgende Strahlengänge realisiert werden:
- • von der zweiten Gruppenantenne 28 mit einer Mehrzahl Antennen als Abstrahlungselementen zu der ersten Gruppenantenne 27 mit einer Mehrzahl von Empfangselementen,
- • in Reflexionsgeometrie von einer Mehrzahl von Antennen als Abstrahlungselementen 21 zu einer Mehrzahl von Empfangselementen 24 auf der gleichen ersten Gruppenantenne 27,
- • in Reflexionsgeometrie von einer Mehrzahl von Antennen als Abstrahlungselementen 21 der zweiten Gruppenantenne 28 zu einer Mehrzahl von Antennen als Empfangselementen 23 der gleichen zweiten Gruppenantenne 28.
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Damit die Abstrahlungselemente 21 elektromagnetische Strahlung abstrahlen können, sind diese mit mindestens einer Strahlungsquelle (in 1 nicht gezeigt) verbunden. Dem gegenüber sind die Antennen als Empfangselemente 24 so ausgestaltet, dass sie einen Bestandteil eines kohärenten Strahlungsempfängers bilden. Dies gilt auch für alle anderen Gruppenantennen der in den anderen Figuren gezeigten Ausführungsformen.
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Wie auch für die weiteren Ausführungsformen der 2 bis 11 gibt es grundsätzlich zwei voneinander zu unterscheidende Möglichkeiten, die Vorrichtung aus 1 so zu betreiben, dass ein Bild des Objekts 2 mit Hilfe einer synthetischen Abbildung erzeugt wird.
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Dabei beruht das erste Verfahren auf einer synthetischen, aber physikalischen Strahlsteuerung und Fokussierung sowohl der von den Abstrahlungselementen 21 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 23 als auch der Empfangselemente 24.
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Alternativ dazu kann das Objekt 2 von den einzelnen Abstrahlungselementen 21 ungerichtet oder vorzugsweise parallel beleuchtet werden und die Empfangselemente 24 sind ebenfalls zunächst ungerichtet. Eine Fokussierung erfolgt dann rein rechnerisch bei der Auswertung der Signale von den einzelnen Empfangselementen 24.
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In beiden Varianten sind die Phasenlagen der elektromagnetischen Strahlung der von den einzelnen Abstrahlungselementen 21 abgestrahlten elektromagnetischen THz-Strahlung 23 einstellbar und müssen eingestellt werden. Dabei bedeutet das Einstellen der Phasenlagen im Sinne der vorliegenden Anmeldung, dass die Phasenlagen zumindest bekannt sind.
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Im Falle einer physikalischen Strahlfokussierung und Steuerung werden die Phasenlagen der von den einzelnen Abstrahlungselementen 21 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen so gesteuert, dass diese in bestimmten Bereichen konstruktiv interferieren, während sie in anderen Bereich destruktiv interferieren. Insbesondere sind die Phasenlagen der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen der einzelnen Abstrahlungselemente 21 so gesteuert, dass die Strahlung 23 einen Fokus 22 ausbildet, in dem die Strahlung konstruktiv interferiert.
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Es versteht sich, dass bei einer solchen synthetischen Abbildung mit einer Phasesteuerung der von den Abstrahlungselementen 21 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 23 die einzelnen Abstrahlungselemente zueinander kohärent sein müssen und alle die gleiche Frequenz der abgestrahlten Strahlung 23 aufweisen.
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Auf gleiche Weise werden die Phasenlagen der Empfangselemente 24 so gesteuert, dass die Mehrzahl von Empfangselementen 24 zusammen auf einen Fokus 25 blicken, welcher mit dem Fokus 22 der Abstrahlungselemente 21 zusammenfällt.
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Zu diesem Zweck sind die erste Gruppenantenne 27 und die zweite Gruppenantenne 28 mit einer Steuereinrichtung verbunden (in 1 nicht gezeigt), welche die Steuerung der Phasenlagen der einzelnen Abstrahlungselemente 21 sowie der einzelnen Empfangselemente 24 vornimmt.
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Um mit einer solchen physikalischen Strahlsteuerung und -fokussierung eine Abbildung des Objektes 2 erzeugen zu können, tasten während der Bildaufnahme die Foki 22, 25 der Abstrahlungselemente 21 bzw. der Empfangselemente 24 das Objekt ab. Dabei erfolgt die Abtastung des Objekts nicht nur in der in 1 gezeigten Brennebene, sondern die Brennebene selbst kann auch zwischen der ersten Gruppenantenne 27 und der zweiten Gruppenantenne 28 frei gewählt bzw. verschoben werden.
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Alternativ dazu kann die synthetische Abbildung auch erzeugt werden, ohne dass ein Phasenschieben auf Seiten der Abstrahlungselemente 21 und Empfangselemente 24 so erfolgt, dass tatsächlich eine konstruktive Feldüberlagerung in den Foki stattfindet.
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Alternativ dazu kann die in 1 gezeigte Bildgebungsvorrichtung, jedoch auch alle weiteren gezeigten Vorrichtungen aus den 2 bis 11, mit einem Verfahren zur synthetischen Bildgebung betrieben werden, das ohne eine physikalische Strahlformung, d. h. eine tatsächliche konstruktive Überlagerung der einzelnen von den Abstrahlungselementen 21 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen in dem Fokus 22, auskommt, erfolgen. Dazu wird das Objekt 2 von den Abstrahlungselementen 21 ungerichtet, d. h. nicht physikalisch fokussiert, bestrahlt. Ebenso erfolgt keine Fokussierung der Empfangselemente 24 auf einen Fokus.
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Bei einer solchen Ausführungsform ist es wesentlich, dass die von den einzelnen Abstrahlungselementen 21 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung jeweils dem sie abstrahlenden Abstrahlungselement eindeutig zuordenbar ist. Dazu sind in einer Ausführungsform des Verfahrens, so wie es für die Vorrichtung gemäß 1 vorgesehen sein kann, die einzelnen Abstrahlungselemente 21 frequenzkodiert. Das heißt jedes der Abstrahlungselemente 21 emittiert elektromagnetische Strahlung mit einer anderen Frequenz.
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Da die Empfangselemente 24 auch in einer solchen Ausführungsform Bestandteile kohärenter Strahlungsempfänger sind, kann für jeden Strahlpfad zwischen einem Abstrahlungselement 21 und einem Empfangselement 24 die von den einzelnen Empfangselementen 24 empfangene elektromagnetische Strahlung jeweils die relative Phasenlage und Intensität der Strahlung erfasst werden.
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Um ein Bild zu erzeugen wird in der hier beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens eine Istwert-Phasendifferenz und eine Istwert-Signalabschwächung der elektromagnetischen Strahlung zwischen mindestens einem Abstrahlungselement 21 und jedem aus einer Mehrzahl von Empfangselementen 24, in das die von dem Abstrahlungselement 21 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung 23, 33, 35 eingekoppelt wird, erfasst.
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Alternativ dazu könnte auch eine Istwert-Phasendifferenz und eine Istwert-Signalabschwächung der elektromagnetischen Strahlung zwischen einer Mehrzahl von Abstrahlungselementen 21 und mindestens einem Empfangselement 24, in das die von dem jeweiligen Abstrahlungselement 21 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung 23, 33, 35 eingekoppelt wird, erfasst werden.
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Um aus diesen gemessenen Daten ein zweidimensionales oder dreidimensionales Bild mit einer Mehrzahl von Bildpunkten zu berechnen werden für jeden Bildpunkt die folgenden Schritte ausgeführt:
- a) Auswählen eines gemeinsamen Fokus 22, 25 für die Blickrichtung 21 und für die Beleuchtungsrichtung 20 an einem Ort im Raum für den der Bildpunkt berechnet werden soll,
- b) Berechnen jeweils einer theoretischen Sollwert-Phasendifferenz und einer theoretischen Sollwert-Signalabschwächung für jedes Abstrahlungselement 21 für einen Strahlpfad der elektromagnetischen Strahlung von dem jeweiligen Abstrahlungselement 21 bis zu dem in Schritt a) ausgewählten Ort im Raum,
- c) Berechnen jeweils einer Sollwert-Phasendifferenz und einer Sollwert-Signalabschwächung für jedes Empfangselement 24 für einen Strahlpfad der elektromagnetischen Strahlung von dem in Schritt a) ausgewählten Ort im Raum bis zum Empfangselement 24,
- d) Berechnen eines Intensitätswerts und eines Phasenwertes für den in Schritt a) ausgewählten Ort im Raum durch Korrelation der Istwerte und der Sollwerte mit den Schritten
- – Korrigieren der Istwert-Phasendifferenz und der Istwert-Signalabschwächung für alle Kombinationen aus einem Abstrahlungselement 21 und einem Empfangselement 24 mit der Sollwert-Phasendifferenz und der Sollwert-Signalabschwächung für das Abstrahlungselement 21 und der Sollwert-Phasendifferenz und der Sollwert-Signalabschwächung für das Empfangselement 24,
- – komplexes Überlagern aller korrigierten Istwert-Phasendifferenzen und Istwert-Signalabschwächungen für den in Schritt a) ausgewählten Ort im Raum.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform, welche nur mit einer einzigen Gruppenantenne 29 auskommt. Dabei weist die Gruppenantenne 29 eine gemischte Anordnung von Abstrahlungselementen 21 und Empfangselementen 24 auf.
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Dabei wird der Einfachheit halber für die Ausführungsform aus 2 davon ausgegangen, dass Abstrahlungselemente 21 und Empfangselemente 24 abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann jeder Flächenabschnitt eines solchen Phased-Arrays 29 sowohl zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich dienen als auch zu deren Empfang.
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Um auch in dieser Ausführungsform zu gewährleisten, dass die Beleuchtungsrichtung 20 und die Blickrichtung 21 nicht identisch sind, sondern einen Winkel zueinander einschließen, der größer als 0° ist, erfolgt die Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung von Abstrahlungselementen 21, d. h. Antennen, eines ersten Abschnitts 30 der Gruppenantenne während die elektromagnetische Strahlung von Antennen 24 eines zweiten Abschnittes 31 derselben Gruppenantenne 29 empfangen wird.
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Dabei belegen in der dargestellten Betriebssituation der Ausführungsform aus 2 der erste Abschnitt 30 und der zweite Abschnitt 31 vollständig voneinander getrennte Flächen der gleichen Gruppenantenne 29. Es können jedoch auch Betriebssituationen auftreten, in denen die Flächenabschnitte 30 und 31 einander teilweise überlappen, wobei immer noch gewährleistet ist, dass die Beleuchtungsrichtung 20 und die Blickrichtung 21 einen Winkel zueinander einschließen.
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3 zeigt schematisch eine weitere alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bildgebungsvorrichtung, welche wie die Ausführungsform aus 2 mit nur einer einzigen Gruppenantenne 29 auskommt. Wieder ist die Gruppenantenne 29 ein Phased-Array, das abwechselnd angeordnete Abstrahlungselemente 21 und Empfangselemente 24 in Form von Einzelantennen aufweist. Die voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtung 20 und Blickrichtung 21 sind in dieser Ausführungsform dadurch realisiert, dass die Abstrahlung und der Empfang der elektromagnetischen Strahlung zwar von Abstrahlungselementen 21 und Empfangselementen 24 desselben Abschnitts 32 des Phased-Arrays 29 erfolgen, jedoch die abgestrahlte elektromagnetische Strahlung 33 zunächst über einen Spiegel 34 geleitet wird. Dieser lenkt die Strahlung 33 dann auf das Objekt 2. Die von dem Objekt 2 reflektierte Strahlung fällt dann unter einer von der Beleuchtungsrichtung 20 verschiedenen Blickrichtung 21 auf die Empfangselemente 24 des Phased-Arrays 29.
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4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform mit nur einer einzigen Gruppenantenne 29, wobei die Vorrichtung das Objekt 2 in Transmission durchstrahlt. Die von den Abstrahlungselementen 21 der Gruppenantenne 29 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung 35 wird vor dem Objekt 2 über einen Spiegel 36 geleitet. Auch hinter dem Objekt wird die dann von den Empfangselementen 24 der Gruppenantenne 29 zu empfangene Strahlung 37 ebenfalls über einen Spiegel 38 geleitet. Auf diese Weise wird eine sich von der Beleuchtungsrichtung 20 unterscheidende Blickrichtung 21 realisiert, wobei wie bei der Ausführungsform aus 1 die Beleuchtungsrichtung und die Blickrichtung einen Winkel von 180° zueinander einschließen.
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Auch die 5 und 6 zeigen jeweils Ausführungsformen mit nur einer einzigen Gruppenantenne bzw. einem einzigen Phased-Array 29 mit jeweils einer Mehrzahl von abwechselnd angeordneten Antennen als Abstrahlungselemente 21 und als Empfangselemente 24. Dabei ist in beiden Ausführungsformen das Objekt 2 zwischen der Gruppenantenne 29 und einem bzw. zwei Spiegeln angeordnet.
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Bei der Ausführungsform aus 5 wird die elektromagnetische Strahlung über einen Spiegel 39 geleitet, wobei das Objekt 2 zwischen dem Spiegel 39 und der Gruppenantenne 29 bereitgestellt wird.
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Bei der Ausführungsform aus 6 hingegen wird die elektromagnetische Strahlung in Strahlrichtung zunächst über einen ersten Spiegel 40 geleitet und dann über einen zweiten Spiegel 41, wobei der erste und der zweite Spiegel 40, 41 unter einem Winkel zueinander angeordnet sind und wobei das Objekt 2 zwischen dem ersten Spiegel 40 und der Gruppenantenne 29 und zwischen dem zweiten Spiegel 41 und der Gruppenantenne 29 bereitgestellt wird.
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7 bis 11 zeigen schematische Schnittansichten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bilderfassungsvorrichtung.
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In der dargestellten Ausführungsform dient die Bilderfassungsvorrichtung 1 zur bildlichen Erfassung eines Pakets 2 aus Pappkarton. Aufgrund der für die THz-Strahlung transparenten Eigenschaften von Pappe ermöglicht die erfindungsgemäße Bilderfassungsvorrichtung 1 nicht nur die Abbildung der Oberflächen 3 des Pakets 2, sondern auch eine Abbildung des Inhalts des Pakets 2. Das Paket wird mit Hilfe eines Förderbands 4 während des Betriebs der Vorrichtung 1 entlang einem Transportpfad mit einer Transportrichtung 13 bewegt. Dabei steht die Transportrichtung 13 senkrecht zur Schnittebene der Schnittansichten aus 7 und 8.
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In der in 7 bis 11 dargestellten Ausführungsform weist die Bilderfassungsvorrichtung eine flächig ausgedehnte, phasengesteuerte Gruppenantenne 5 mit einer Mehrzahl von Einzelantennen auf. Die Gruppenantenne 5 umfasst dabei eine zweidimensionale flächige Anordnung von Einzelantennen 6 als Abstrahlungselemente und Empfangselemente. Jede der Einzelantennen 6 der Gruppenantenne 5 ist entweder mit einer Strahlungsquelle 7 verbunden oder bildet Teil eines Strahlungsempfängers 8.
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Die Phasenlage jeder mit einer Strahlungsquelle 7 verbundenen Einzelantenne 6 ist mit Hilfe einer entsprechenden Steuerung frei und unabhängig von den anderen Einzelantennen einstellbar. Durch geeignetes Einstellen aller Phasen der von den Strahlungsquellen 7 bzw. der diesen zugeordneten Einzelantennen 6 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung kann der von der Gesamtheit der Einzelantennen 6, d. h. die Gruppenantenne 5, abgestrahlte Strahl in seiner Richtung gesteuert werden. Für diese Strahlsteuerung nutzt man aus, dass je nach Phasenlage die einzelnen von den Strahlungsquellen 7 erzeugten elektromagnetischen Wellen in bestimmten Bereichen konstruktiv interferieren, während sie in anderen Bereichen destruktiv interferieren.
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Auf gleiche Weise werden die Phasen der Strahlungsempfänger 8, d. h. die Phasenlagen ihrer Referenzsignale, so gesteuert, dass die einzelnen Strahlungsempfänger 8 bzw. die mit den Strahlungsempfängern 8 verbundenen Antennen 6 eine Richtungsselektivität aufweisen.
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In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung stellt die Gruppenantenne 5 daher eine physikalische Strahlsteuerung im Sinne der vorliegenden Anmeldung bereit. Zur Steuerung der Phasenlagen der Abstrahlungselemente 6 und der Empfangselemente 6 bzw. Strahlungsempfänger 8 ist die Gruppenantenne 5 mit einer Steuereinrichtung 9 verbunden. Diese dient gleichzeitig als Auswerteeinrichtung für die Strahlungsempfänger 8 der Gruppenantenne 5.
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Die Gruppenantenne 5 weist eine Ausdehnung auf, die sich in Querrichtung zur Transportrichtung des Transportpfads derart erstreckt, dass der Transportpfad in seiner gesamten Breite überdeckt wird und darüber hinaus die beiden seitlich neben dem Transportband 4 angeordneten Spiegel 10a, 10b überdeckt werden.
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In der Transportrichtung 13 wiederum überdeckt die Gruppenantenne 5 einen Abschnitt des Transportbands 4, der in etwa der Längenausdehnung der Spiegelanordnung 11a, 11b, 11c unter dem Transportband 4 entspricht, so wie dies in den 9 bis 11 gezeigt ist.
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In der dargestellten Ausführungsform ist das Transportband sowie seine Führungsstruktur 12 im Wesentlichen transparent für die von den Strahlungsquellen 7 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich, sodass die Strahlung durch diese hindurchtreten und von den in 3 bis 5 dargestellten Spiegeln 11a, 11b, 11c reflektiert werden kann.
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Die Spiegelanordnungen 10a, 10b, 11a, 11b, 11c ermöglichen es zum Einen, das zu erfassende Objekt 2 auf seinem Transportpfad aus unterschiedlichen Perspektiven bildlich zu erfassen. Zum Anderen gewährleisten die Spiegel aber überhaupt erst, dass die Beleuchtungsrichtung und die Blickrichtung auch für die Ausführungsform aus 7 bis 11 auseinanderfallen können. Die unterschiedlichen sich ergebenden Blickrichtungen sind in den einzelnen Abbildungen der 7 bis 11 beispielhaft dargestellt.
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7 zeigt eine fokussierte Bestrahlung des zu erfassenden Pakets 2 von oben, wobei an den Strahlungsempfängern gezielt die aus dem Paketinneren reflektierte Strahlung erfasst wird.
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Im Gegensatz dazu werden mit dem in 8 dargestellten Strahlengang mit Hilfe der Gruppenantenne 5 gleichzeitig zwei Bilder von den Seiten des Pakets 2 her, d. h. im Wesentlichen senkrecht zur Transportrichtung des Pakets 2, aufgenommen. Dazu sind die beiden Spiegel 10a, 10b aneinander derart gegenüberliegend angeordnet, dass der Transportpfad abschnittsweise zwischen ihnen verläuft. Diese Spiegelanordnung ermöglicht es zum Einen wie oben ausgeführt, zwei Bilder von den Seiten 12, 13 her des Pakets 2 aufzunehmen, wobei jeweils die aus dem Inneren des Pakets reflektierte Strahlung erfasst wird. Zum Anderen kann die Anordnung jedoch auch so betrieben werden, dass ein Bild in Transmission aufgenommen wird, wobei eine Seite der Gruppenantenne die Strahlungsquellen zur Verfügung stellt während die andere Seite die Strahlungsempfänger zur Verfügung stellt.
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Die 9 bis 11 zeigen nun Schnittansichten in einer Ebene parallel zur Transportrichtung 13 des Pakets 2 auf dem Transportpfad. Unterschiedliche Strahlpfade und damit Betrachtungs- bzw. Blickrichtungen auf das Objekt 2 werden dadurch bereitgestellt, dass die von den Strahlungsquellen abgestrahlte elektromagnetische Strahlung von den unter dem Transportband 4 angeordneten Spiegeln 11a, 11b, 11c in verschiedene Richtungen reflektiert werden kann.
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Die Spiegel 11a, 11b, 11c sind so angeordnet, dass sich der Transportpfad des Transportbandes 4 und damit das Objekt 2 zwischen der Gruppenantenne 5 mit den Strahlungsquellen 7 und Strahlungsempfängern 8 und den Spiegeln 11a, 11b, 11c erstreckt.
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Die Spiegel 11a, 11b, 11c sind in Transportrichtung 13 hintereinander angeordnet und der mittlere 11b der drei Spiegel 11a, 11b, 11c ist im Wesentlichen parallel zu dem Antennenarray der Gruppenantenne 5 ausgerichtet. Die beiden anderen Spiegel 11a, 11c schließen mit dem mittleren Spiegel 11b bzw. der Gruppenantenne 5 einen Winkel ein.
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Durch die Spiegelanordnung unter dem Transportpfad lassen sich bereits in einer einzigen Position des Pakets 2 auf dem Transportpfad in Transportrichtung 13 mehrere Strahlpfade von den Strahlungsquellen 7, über den Spiegel 11a zum Objekt 2 realisieren.
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Dadurch, dass sich das Objekt 2, so wie dies schematisch in den einzelnen 9 bis 11 dargestellt ist, auf dem Transportpfad bewegt, können seriell weitere Bilder unter anderen Betrachtungswinkeln, so wie dies in den Figuren gezeigt ist, aufgenommen werden.
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Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmalen oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
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Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und den vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt die Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
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Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen” nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine” oder „ein” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bilderfassungsvorrichtung
- 2
- Objekt
- 3
- Oberfläche des Objekts 2
- 4
- Transportband
- 5
- Gruppenantenne
- 6
- Einzelantenne
- 7
- Strahlungsquelle
- 8
- Strahlungsempfänger
- 9
- Steuer- und Auswerteeinrichtung
- 10a, 10b
- Spiegel
- 11a, 11b, 11c
- Spiegel
- 12
- Führungsstruktur
- 13
- Transportrichtung
- 20
- Beleuchtungsrichtung
- 21
- Abstrahlungselemente
- 22
- Fokus
- 23
- abgestrahlte elektromagnetische Strahlung
- 24
- Empfangselemente
- 25
- Fokus
- 26
- empfangene elektromagnetische Strahlung
- 27
- erste Gruppenantenne
- 28
- zweite Gruppenantenne
- 29
- Gruppenantenne
- 30
- erster Abschnitt der Gruppenantenne
- 31
- zweiter Abschnitt der Gruppenantenne
- 32
- Abschnitt der Gruppenantenne
- 33
- abgestrahlte elektromagnetische Strahlung
- 34
- Spiegel
- 35
- abgestrahlte elektromagnetische Strahlung
- 36
- Spiegel
- 37
- empfangene Strahlung
- 38
- Spiegel
- 39
- Spiegel
- 40
- Spiegel
- 41
- Spiegel
- 42
- Blickrichtung
