DE102012206472A1

DE102012206472A1 - Projektionssystem mit statischen mustererzeugungselementen und mehreren optischen kanälen zur optischen 3d-vermessung

Info

Publication number: DE102012206472A1
Application number: DE102012206472A
Authority: DE
Inventors: Andreas Breitbarth; Gunther Notni; Peter Kühmstedt; Peter Schreiber; Marcel Sieler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-04-20
Also published as: DE102012206472B4; WO2013156576A1

Abstract

Ein Projektionssystem zur Projektion zumindest eines Musters auf zumindest ein in einer Messobjektregion befindliches Objekt umfasst eine erste Lichtquelle, eine zweite Lichtquelle, eine erste Projektorgruppe und eine zweite Projektorgruppe. Sowohl die erste Projektorgruppe als auch die zweite Projektorgruppe umfasst mehrere zweidimensional angeordnete Projektoreinheiten. Jede Projektoreinheit umfasst ein statisches Mustererzeugungselement, eine in einer Durchleuchtungsrichtung vor dem statischen Mustererzeugungselement liegende Feldlinse und eine in der Durchleuchtungsrichtung hinter dem statischen Mustererzeugungselement liegenden Projektionslinse. Jede Projektoreinheit ist konfiguriert, auf von der ersten bzw. zweiten Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges Teilmuster zu projizieren. Die erste Projektorgruppe ist der ersten Lichtquelle und die zweite Projektorgruppe der zweiten Lichtquelle zugeordnet. Die erste bzw. zweite Projektorgruppe ist konfiguriert, eine erste bzw. zweite Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die ein erstes bzw. zweites resultierendes Muster ergeben und somit mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet das erste bzw. zweite resultierende Muster innerhalb der Messobjektregion zu erzeugen. Die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle sind unabhängig voneinander ansteuerbar, so dass das erste resultierende Muster und das zweite resultierende Muster zu verschiedenen Zeiten oder mit verschiedenen Helligkeiten projiziert werden können.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Projektionssystem zur Projektion zumindest eines Musters auf zumindest ein in einer Messobjektregion befindliches Objekt. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Messsystem zur Bestimmung von räumlichen Koordinaten mindestens eines Objekts mittels aktiver Objektbeleuchtung. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Projizieren zumindest eines Musters auf zumindest ein sich in einer Messobjektregion befindliches Objekt. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von räumlichen Koordinaten mindestens eines Objekts mittels aktiver Objektbeleuchtung. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung und/oder Bestimmung räumlicher Koordinaten mindestens eines makroskopischen Gegenstands unter aktiver Objektbeleuchtung mittels eines Multiapertur-Projektionssystems in zweidimensionaler Anordnung.
Die dreidimensionale Vermessung makroskopischer Gegenstände ist unter anderem durch Einsatz aktiver Objektbeleuchtung und auf der Basis von Triangulationsalgorithmen möglich. Der Vorteil aktiver Objektbeleuchtung gegenüber Ansätzen, die ausschließlich mit Umgebungslicht arbeiten, liegt in der musterabhängigen ein- oder eineindeutigen Zuordnung von Kamera- und/oder Projektorpunkten, welche als Basis von Triangulationsalgorithmen zwingend notwendig ist. Die Exaktheit und Verlässlichkeit dieser Zuordnungen bildet die Basis der Genauigkeit späterer 3D-Ergebnisse (siehe die mit [2] bezeichnete Referenz in der Referenzliste am Ende der Beschreibung).
Die Präzision einer dreidimensionalen Koordinatenbestimmung hängt unter anderem von einer gegebenen oder mit der Vermessung gleichzeitig durchgeführten Systemkalibrierung ab (siehe Referenzen [4], [5]). Diese Kalibrierung ist so lange gültig, so lange keine Art von Verschiebungen und/oder Deformationen innerhalb des 3D-Messsensors, welcher üblicherweise aus einem Projektionssystem und mindestens einer Kamera besteht, stattgefunden hat. Für Messumgebungen, in denen hohe Geschwindigkeiten des Messsensors erreicht werden (müssen) und unter Umständen hohe Beschleunigungskräfte wirken, gerät die notwendige Systemkalibrierung häufig aufgrund der Vielzahl an einzelnen Bestandteilen im Sensorsystem oder den Systemeinheiten an ihre Toleranzgrenze [14], [3].
Ein Teilgebiet der dreidimensionalen Vermessung ist die Koordinatenbestimmung hochdynamischer Objekte. Um in diesem Bereich die Verschmierungen bzw. Bewegungsunschärfe innerhalb jeder Aufnahme möglichst gering zu halten, sind an diese Anforderung angepasste Projektions- und Kamerasysteme notwendig. Angepasst bedeutet hierbei, dass der Dynamik innerhalb des Messaufbaus insbesondere mit sehr kurzen Projektionszeiten als auch Belichtungszeiten der Aufnahmesysteme entgegen gewirkt werden muss. Da die Modulation bzw. der Kontrast der projizierten Muster im Objektraum bei der 3D-Vermessung mit aktiver Beleuchtung eine wesentliche Rolle für die Ergebnisgenauigkeit spielt [20], ist im Gegenzug das Vorhandensein einer hinreichend großen Beleuchtungsintensität notwendig.
Für die aktive Objektbeleuchtung bei der 3D-Vermessung bzw. 3D-Rekonstruktion kommen bisher weitgehend Projektionssysteme mit DMD-(engl.: „Digital Micromirror Device”), LCoS-(engl.: „Liquid Crystal on Silicon”) oder LCD-Technologie (engl.: „Liquid Crystal Display”) zum Einsatz [17], [3], [1]. Des Weiteren existieren auch Ansätze, bei denen Diaprojektoren der Beleuchtung dienen oder es werden Laser als Lichtquellen genutzt [15]. Für eine robuste und hochpräzise Bestimmung der räumlichen Koordinaten des zumindest einen zu vermessenden Objekts ist im Allgemeinen die Verwendung einer Sequenz verschiedener oder über die Zeit räumlich veränderter Muster notwendig [13]. In speziellen Anwendungsfällen und unter Randbedingungen bezüglich maximaler Oberflächengradienten an das zu vermessende Objekt ist auch die Verwendung so genannter Single-Shot-Analysen (Einzelaufnahmeanalyse) möglich [8].
Für den Bereich hochdynamischer Messobjekte sind zum Umgehen großer, nicht handhabbarer Bewegungsunschärfe (größer 1/200 der Kameraauflösung einer Richtung) innerhalb einzelner Messaufnahmen sehr kurze Belichtungszeiten durch das Sensorsystem notwendig. Zum Erzielen einer für präzise Messaufgaben ausreichend differenzierten Intensitätsverteilung der projizierten Grauwertmuster im Messobjektraum ist bei den zu verwendenden Belichtungszeiten eine ausreichend starke Beleuchtung wünschenswert. Der Begriff Grauwertmuster wird hierin als eine Intensitätsverteilung bei einer Wellenlänge oder innerhalb eines Wellenlängenbereichs oder innerhalb mehrerer Wellenlängenbereiche verstanden und ist somit nicht auf Grautöne beschränkt, sondern kann sich auch auf andere Farben beziehen. Hinreichende Beleuchtungsintensitäten bei Belichtungszeiten im unteren Millisekundenbereich und darunter sind bisher ausschließlich mit Lasersystemen als Lichtquelle möglich. Die Verwendung von DMD-, LCoS- und LCD-Projektoren besitzt vier wesentliche Nachteile, weshalb deren Einsatz für hochdynamische Anwendungen ausscheidet:

– Helligkeiten größer 1000 ANSI-LUMEN erfordern typischerweise eine große Baugröße (typischerweise mindestens 30 cm × 10 cm), insbesondere eine große Bautiefe (größer 20 cm). Beispielsweise ist von der Firma LG Business Solutions der Projektor BW286 erhältlich, der allerdings die erwähnte große Baugröße aufweist [9].
– die Geschwindigkeit von Consumer-Produkten ist häufig auf 50 Hz oder 60 Hz beschränkt. Unter Zuhilfenahme eines technischen Tricks bei der Grauwertprojektion sind mit dafür geeigneten Farbprojektoren ohne Farbrad 150 Hz bzw. 180 Hz möglich [6], [7]. Spezielle Ansteuersysteme erzielen eine maximale Frequenz von 500 Hz bei der Projektion von 8-Bit-Grauwertverteilungen [19].
– Verschiebungen und/oder Deformationen innerhalb des Sensorsystems können bei hochdynamischen Einsatzgebieten aufgrund der Vielzahl mechanischer Einzelelemente auftreten [3].
– Digitalprojektionen sind in ihrer Auflösung durch eine feste Anzahl von Bildelementen beschränkt, was insbesondere bei der Glattheit der Projektion trigonometrischer Funktionen durch zwangsläufige Diskretisierung und Quantisierung von Nachteil ist [11], [12].

Es wäre wünschenswert, ein Projektionssystem zur Verfügung zu haben, das eine kompakte Bauweise mit einer hohen Beleuchtungsintensität des/der projizierten (Streifen-)Muster und/oder einer hohen Musteränderungsfrequenz verbindet. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch wünschenswert, ein Projektionssystem zur Verfügung zu haben, das zumindest eine hohe Beleuchtungsintensität mit einer hohen Musterwechselfrequenz und/oder einem hohen Wirkungsgrad (unter Umständen auch im Hinblick auf die von dem Projektionssystem produzierten Abwärme) kombiniert.
Zumindest eine dieser Aufgaben und/oder eventueller weiterer Aufgaben wird durch ein Projektionssystem nach Anspruch 1, ein Messsystem nach Anspruch 15, ein Verfahren zum Projizieren eines Musters nach Anspruch 17, ein Verfahren zur Bestimmung von räumlichen Koordinaten nach Anspruch 21 und ein Computerprogramm nach Anspruch 24 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Projektionssystem zur Projektion eines Musters auf zumindest ein in einer Messobjektregion befindliches Objekt. Das Projektionssystem umfasst eine erste Lichtquelle, eine zweite Lichtquelle, eine erste Projektorgruppe und eine zweite Projektorgruppe. Die erste Projektorgruppe umfasst mehrere zweidimensional angeordnete Projektoreinheiten. Jede Projektoreinheit umfasst ein statisches Mustererzeugungselement, eine in einer Durchleuchtungsrichtung vor dem statischen Mustererzeugungselement liegende Feldlinse und eine in der Durchleuchtungsrichtung hinter dem statischen Mustererzeugungselement liegenden Projektionslinse. Jede Projektoreinheit der ersten Projektorgruppe ist konfiguriert, auf von der ersten Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges Teilmuster zu projizieren. Die erste Projektorgruppe ist der ersten Lichtquelle zugeordnet und konfiguriert, eine erste Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die ein erstes resultierendes Muster ergeben und somit mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet das erste resultierende Muster innerhalb der Messobjektregion zu erzeugen. Auch die zweite Projektorgruppe umfasst mehrere zweidimensional angeordnete Projektoreinheiten, wobei jede Projektoreinheit ein statisches Mustererzeugungselement, eine in einer Durchleuchtungsrichtung vor dem statischen Mustererzeugungselement liegende Feldlinse und eine in der Durchleuchtungsrichtung hinter dem statischen Mustererzeugungselement liegenden Projektionslinse umfasst. Ebenso ist jede Projektoreinheit der zweiten Projektorgruppe konfiguriert, auf von der zweiten Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges Teilmuster zu projizieren. Die zweite Projektorgruppe ist der zweiten Lichtquelle zugeordnet und konfiguriert, eine zweite Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die ein zweites resultierendes Muster ergeben und somit mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet das zweite resultierende Muster innerhalb des Messobjektraums zu erzeugen. Die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle sind unabhängig voneinander ansteuerbar, so dass das erste resultierende Muster und das zweite resultierende Muster zu verschiedenen Zeiten oder mit verschiedenen Helligkeiten projiziert werden können.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Projizieren eines Musters auf ein sich in einer Messobjektregion befindliches Objekt. Das Verfahren umfasst das Erzeugen eines ersten Ansteuersignals für eine erste Lichtquelle und das Erzeugen eines ersten resultierendes Musters mittels der ersten Lichtquelle und einer ersten zugeordneten Projektorgruppe, die mehrere zweidimensional angeordnete Projektoreinheiten umfasst. Jede Projektoreinheit umfasst ihrerseits ein statisches Mustererzeugungselement, eine in einer Durchleuchtungsrichtung vor dem statischen Mustererzeugungselement liegende Feldlinse und eine in der Durchleuchtungsrichtung hinter dem statischen Mustererzeugungselement liegenden Projektionslinse. Jede Projektoreinheit ist konfiguriert, auf von der ersten Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges Teilmuster zu projizieren, so dass die erste Projektorgruppe der ersten Lichtquelle zugeordnet ist und konfiguriert ist, eine erste Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die ein erstes resultierendes Muster ergeben und somit mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet das erste resultierende Muster innerhalb der Messobjektregion zu erzeugen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erzeugen eines zweiten Ansteuersignals für eine zweite Lichtquelle.
Ferner umfasst das Verfahren das Erzeugen eines zweiten resultierendes Musters mittels der zweiten Lichtquelle und einer zweiten zugeordneten Projektorgruppe, die mehrere zweidimensional angeordnete Projektoreinheiten umfasst, wobei jede Projektoreinheit ein statisches Mustererzeugungselement, eine in einer Durchleuchtungsrichtung vor dem statischen Mustererzeugungselement liegende Feldlinse und eine in der Durchleuchtungsrichtung hinter dem statischen Mustererzeugungselement liegenden Projektionslinse umfasst und konfiguriert ist, auf von der zweiten Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges Teilmuster zu projizieren. Die zweite Projektorgruppe ist der zweiten Lichtquelle zugeordnet und konfiguriert, eine zweite Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die ein zweites resultierendes Muster ergeben und somit mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet das zweite resultierende Muster innerhalb der Messobjektregion zu erzeugen. Das Erzeugen des ersten Ansteuersignals und des zweiten Ansteuersignals unabhängig voneinander erfolgt, so dass das erste resultierende Muster und das zweite resultierende Muster zu verschiedenen Zeiten und/oder gleichzeitig mit verschiedenen Helligkeiten projiziert werden können.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren darauf, dass die Streifenmuster, die für eine auf Streifenprojektion basierende 3D-Vermessung bzw. 3D-Koordinatenbestimmung auf das/die Objekt(e) projiziert werden müssen, sich durch ein Zusammenwirken von einer Vielzahl an Teilmustern erzeugen lassen. Jedes Teilmuster wird dabei von einer Projektoreinheit auf das Objekt projiziert, welche ein eigenes statisches Mustererzeugungselement und eine eigene Projektionsoptik umfasst. Die statischen Mustererzeugungselemente bieten eine hohe Präzision des darauf enthaltenen Musters, sowohl was die räumlichen Strukturen des Musters angeht, als auch eine kontinuierliche oder nahezu kontinuierliche Grauwertauflösung. Im Vergleich zu anderen Bildgebern (insbesondere Bildgebern zur Darstellung veränderlicher Bildinhalte, z. B. DMD-, LCoS- oder LCD-basierte Bildgeber) weisen statische Musterelemente meist geringere Transmissions- bzw. Reflektionsverluste auf. Die mehreren Projektoreinheiten lassen sich in Form eines Multiapertur-Systems anordnen, sodass die für die Multiapertur-Systeme typischen Eigenschaften im vorliegenden Fall für die Projektion von Streifenmustern ausgenutzt werden können.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auch auf der Erkenntnis, dass es im Rahmen der Streifenprojektion für einen Musterwechsel ausreicht, die Lichtquellen individuell anzusteuern, oder die (mittlere) von der Lichtquelle projizierte Helligkeit zu variieren. Dies basiert unter anderem auf der Zuordnung der jeweiligen Projektorgruppen zu den jeweiligen Lichtquellen und der Tatsache, dass die zu projizierenden Muster bereits durch die statischen Mustererzeugungselemente vorgegeben sind. Des Weiteren ist für die Durchführung einer Musterprojektion (zum Beispiel im Rahmen einer Streifenprojektion zur 3D-Vermessung eines Objekts) in der Regel nur eine begrenzte Anzahl von vorbestimmten Mustern erforderlich. Es ist somit nicht notwendig, beispielsweise einen digitalen Bildgeber bei jedem Musterwechsel neu mit dem nächsten darzustellenden Muster zu programmieren oder zu laden, welches unter Umständen mehrere Millionen einzelner Pixel aufweisen kann. Da dieses Umprogrammieren oder Neuladen des Bildgebers bei Ausführungsbeispielen entfällt, kann sich die Durchführung eines Musterwechsels auf das Aktivieren/Deaktivieren bzw. das Variieren der Helligkeit von einer Lichtquelle oder mehreren Lichtquellen beschränken, was sehr schnell durchgeführt werden kann und somit bei Bedarf eine hohe Musterwechselfrequenz ermöglicht.
Das auf das zumindest eine Objekt projizierte Muster kann als Gesamtmuster bezeichnet werden. Das Gesamtmuster kann sich aus der ersten Mehrzahl von Teilmustern ergeben, die von der ersten Projektorgruppe auf das zumindest eine Objekt projiziert werden. Alternativ kann sich das Gesamtmuster aus der zweiten Mehrzahl von Teilmustern ergeben, die von der zweiten Projektorgruppe auf das zumindest eine Objekt projiziert werden. Es ist auch möglich, dass sich das Gesamtmuster aus der ersten Mehrzahl von Teilmustern und der zweiten Mehrzahl von Teilmustern ergibt, die von der ersten Projektorgruppe und der zweiten Projektorgruppe (und gegebenenfalls einer oder mehreren zusätzlichen Projektorgruppen samt zugeordneter/zugeordneten Lichtquelle(n)) auf das zumindest eine Objekt projiziert werden. Die Teilmuster bzw. die statischen Mustererzeugungselement, die innerhalb der zweiten Projektorgruppe vorgesehen sind, können verschieden von den Teilmustern in der (ersten) Projektorgruppe sein. In diesem Fall werden sich typischerweise unterschiedliche Gesamtmuster ergeben, die auf das zumindest eine Objekt projiziert werden, in Abhängigkeit davon, ob die (erste) Lichtquelle, die zweite Lichtquelle oder sowohl die erste als auch die zweite Lichtquelle aktiviert sind. Dieses Schema lässt sich auch auf mehr als zwei Projektorgruppen und mehr als zwei Lichtquellen ausdehnen. Alternativ können die weiteren Teilmuster auch identisch zu den Teilmustern sein. Dennoch können sich in Abhängigkeit von der Aktivierung der Lichtquelle oder der weiteren Lichtquelle unterschiedliche Gesamtmuster ergeben, die darauf beruhen, dass die Projektorgruppe und die weitere Projektorgruppe in der Regel räumlich versetzt zueinander angeordnet sind und es somit beispielsweise zu einer entsprechenden räumlichen Versetzung der jeweiligen Gesamtmuster zueinander kommt. Auf diese Weise kann auch ein so genanntes Phasenschieben des Streifenmusters erzielt werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass die Lichtquelle und die weitere Lichtquelle (gegebenenfalls auch noch weitere Lichtquellen, die noch weiteren Projektorgruppen zugeordnet sind) unabhängig voneinander ansteuerbar sind, sodass die Teilmuster und die weiteren Teilmuster zu verschiedenen Zeiten oder mit verschiedenen mittleren Helligkeiten auf das zumindest eine Objekt projiziert werden können.
Das resultierende Muster oder das darauf basierende Gesamtmuster kann sich mittels einer Überlagerung, einer teilweisen Überlappung oder Aneinanderfügen der Teilmuster ergeben. Insbesondere kann sich das Gesamtmuster zumindest zeitweise aus einer Überlagerung der Teilmuster der ersten Projektorgruppe und der Teilmuster von der zweiten Projektorgruppe ergeben.
Das Projektionssystem kann mehrere Lichtquellen und mehrere Projektorgruppen umfassen, wobei jede Projektorgruppe einer Lichtquelle zugeordnet ist und die mehreren Projektorgruppen in zumindest einen ersten Projektorcluster und einen zweiten Projektorcluster von Projektorgruppen zusammengefasst sind. Die erste und zweite Projektorgruppe sind typischerweise ein Teil der mehreren Projektorgruppen, bzw. gehören zu diesen. Die erste und zweite Lichtquellen sind typischerweise ein Teil der mehreren Lichtquellen, bzw. gehören zu diesen. Die statischen Mustererzeugungselemente im ersten Projektorcluster sind unterschiedlich zu den statischen Mustererzeugungselementen im zweiten Projektorcluster. Die Projektorgruppen des ersten Projektorclusters können räumlich zusammenhängend angeordnet sein. Sämtliche Projektorgruppen des ersten Projektorclusters können in einem zusammenhängenden Bereich angeordnet sein, in welchem ausschließlich die Projektorgruppen des ersten Projektorclusters vorhanden sind. Als Alternative ist es auch möglich, dass die Projektorgruppen des ersten Projektorclusters in zumindest einer Richtung alternierend mit den Projektorgruppen des zweiten Projektorclusters und eventueller weiterer Projektorgruppen angeordnet sind. Beispielsweise können die Projektorgruppen des ersten Projektorclusters und eines zweiten Projektorclusters schachbrettartig angeordnet sein (bei drei oder mehr Projektorclustern entsprechend einem verallgemeinerten Schachbrettmuster). In den meisten Fällen werden die einzelnen Projektorgruppen in einer Ebene angeordnet sein, die senkrecht zur Hauptprojektionsrichtung des Projektionssystems verläuft, in welcher die verschiedenen Projektorgruppen in zumeist zweidimensionaler Anordnung angeordnet sind. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Projektorgruppen in Form eines Zylindersegments oder Kugelsegments, das zum Messobjektraum hin konkav ist, angeordnet sind.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Lichtquelle für einen Wechsel einer Intensität des ausgesendeten Lichts mit einer Wechselfrequenz zwischen 1 Hz und 1 MHz konfiguriert sein. Ein bevorzugter Frequenzbereich für die Wechselfrequenz liegt dabei zwischen 10 kHz und 500 kHz und weiter bevorzugt zwischen 50 kHz und 500 kHz. Ein weiterer möglicher Frequenzbereich für die Wechselfrequenz erstreckt sich von 1 Hz bis 500 Hz. Lichtemittierende Dioden (LED) weisen beispielweise eine genügend geringe Trägheit auf, um auch bei diesen relativ hohen Frequenzen angesteuert zu werden und entsprechend zu reagieren. Ein komplettes Ein- bzw. Ausschalten der Lichtquelle kann als ein Wechsel der Intensität des ausgesendeten Lichts bzw. als ein Spezialfall davon angesehen werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann zumindest die erste Projektorgruppe und/oder die zweite Projektorgruppe eine monolithisch integrierte Bauweise oder einen gestapelten Multilagen-Aufbau (engl.: „(stacked) wafer level optics”) aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können zumindest zwei oder mehrere oder sämtliche Projektorgruppen des Projektionssystems innerhalb einer monolithisch integrierten Komponente vorgesehen sein. Als Alternative zu einer monolithischen Integration der Projektorgruppe oder von mehreren Projektorgruppen ist es auch denkbar, einen Halbleiterchipstapel vorzusehen, wobei in den verschiedenen gestapelten Halbleiterchips die verschiedenen Komponenten (statisches Mustererzeugungselement und Projektionsoptik bzw. deren Bestandteile) strukturiert sind. Unter Umständen kann sogar die Lichtquelle oder eine Vielzahl von Lichtquellen in einem derartigen Chipstapel integriert werden. Auch eine Chipstapel-Integration oder eine monolithische Integration einer Kamera oder von Kamerakomponenten mit dem Projektionssystem oder mit Projektionssystemkomponenten ist denkbar.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren, in denen gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet sind, näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Projektionssystems gemäß Ausführungsbeispielen, sowie ein Objekt, auf das ein Streifenmuster projiziert wird;
2 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Überlagerung gleicher Intensitätsverteilungen durch mehrere Projektorgruppen mit dem Ergebnis einer in Summe hohen Beleuchtungsstärke;
3 eine schematische Visualisierung eines musterabhängig minimalisierten Projektionssystems aus arrayförmig angeordneten Einzelprojektoren als perspektivische Seitenansicht (links) und Frontansicht (rechts);
4 eine schematische Visualisierung eines geteilten Projektionssystems gemäß Ausführungsbeispielen;
5 eine schematische Ansicht eines lichtstarken Miniprojektors als Triangulationseinheit neben einer Kamera gemäß Ausführungsbeispielen;
6 eine schematische Setupskizze eines 3D-Messsystems bestehend aus zwei integrierten Kameras und einem Projektionssystem mit ausreichend Licht für hochdynamische Objekte gemäß Ausführungsbeispielen;
7 eine schematische Perspektivdarstellung einer Projektorgruppe und Lichtquelle eines Projektionssystems gemäß Ausführungsbeispielen, sowie des resultierenden Streifenmusters;
8 eine schematische Perspektivdarstellung von zwei Projektorgruppen und zwei Lichtquellen eines Projektionssystems gemäß Ausführungsbeispielen, sowie des symbolisch dargestellten Gesamtmusters;
9 eine schematische Hierarchiedarstellung von Komponenten eines Projektionssysstems gemäß Ausführungsbeispielen;
10 eine schematische Hierarchiedarstellung von projizierten Mustern;
11 eine schematische Seitenansicht eines Projektionssystems gemäß Ausführungsbeispielen;
12 eine schematische Seitenansicht eines Projektionssystems gemäß weiteren Ausführungsbeispielen;
13 eine schematische Darstellung von Signalverläufen von Ansteuersignalen für zwei Lichtquellen der Projektoreinheit gemäß Ausführungsbeispielen;
14 eine schematische Darstellung eines Ansteuersignals für eine Lichtquelle und eines Auslösesignals für die Kamera einer Vorrichtung zur Bestimmung von räumlichen Koordinaten gemäß Ausführungsbeispielen; und
15 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Projizieren eines Musters gemäß Ausführungsbeispielen.
Bevor im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der Figuren näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen gleiche Elemente oder funktionell gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind. Die Beschreibung von Elementen mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen ist daher gegenseitig austauschbar und/oder in verschiedenen Ausführungsbeispielen aufeinander anwendbar.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Projektionssystems 20 zur Projektion eines Musters auf ein in einer Messobjektregion (Messobjektraum) befindliches Objekt 1. Ein derartiges Projektionssystem kann zum Beispiel im Rahmen der 3D-Vermessung von Objekten mittels Streifenprojektion und/oder aktiver Beleuchtung verwendet werden. Im Rahmen der aktiven Objektbeleuchtung wird ein bekanntes Streifenmuster 2 auf das zumindest eine Objekt 1 projiziert, wie dies in 1 schematisch angedeutet ist. Das Streifenmuster 2 kann, wie in 1 beispielhaft dargestellt, linienförmige helle und dunkle Bereiche umfassen, die relativ abrupt ineinander übergehen. Alternativ ist auch denkbar, dass das Streifenmuster einen z. B. sinusförmigen Grauwertverlauf aufweist, d. h. die Grauwerte ändern sich in einer Richtung gemäß einer Sinusfunktion im Wesentlichen kontinuierlich oder mit hinreichend hoher Grauwertauflösung.
Das Projektionssystem 20 ist konfiguriert, das Streifenmuster bzw. Gesamtmuster 2 auf das Objekt 1 zu projizierenden. Ein entsprechender Projektionsbereich 29 des Projektionssystems 20 ist in 1 angedeutet. Der Projektionsbereich 29 ergibt sich aus der Schnittmenge eines ersten Projektionsbereichs 29-1 und eines zweiten Projektionsbereichs 29-2, die einer ersten Projektorgruppe 25-1 bzw. einer zweiten Projektorgruppe 25-2 zugeordnet sind. Anhand einer von einer Kamera bereitgestellten optischen Aufnahme und einer Information über das zum Zeitpunkt der Aufnahme auf das Objekt 1 projizierte Streifenmuster 2 können im Rahmen einer 3D-Vermessung die räumlichen Koordinaten des Objekts 1 ermittelt werden, sofern diese Koordinaten innerhalb des Projektionsbereichs 29 und auch innerhalb eines Aufnahmebereichs der Kamera liegen. Die räumlichen Koordinaten beziehen sich typischerweise auf den Ort des Objekts 1 und auch auf eine räumliche Form der Oberfläche des Objekts 1.
Das Projektionssystem 20 umfasst eine erste Lichtquelle 22-1 und eine zweite Lichtquelle 22-2. Das Projektionssystem umfasst auch eine erste Projektorgruppe 25-1 und eine zweite Projektorgruppe 25-2. Die erste Projektorgruppe 25-1 umfasst mehrere Projektoreinheiten 30-1, 30-2, 30-3 und 30-4. Die zweite Projektorgruppe 25-2 umfasst ebenfalls mehrere Projektoreinheiten 30-5, 30-6, 30-7 und 30-8. Die erste Projektorgruppe 25-1 ist der Lichtquelle 22-1 zugeordnet. Die zweite Projektorgruppe 25-2 ist der zweiten Lichtquelle 22-2 zugeordnet. Die Projektoreinheiten 30-1 bis 30-4 der ersten Projektorgruppe 25-1 strukturieren das von der ersten Lichtquelle 22-1 ausgesendete Licht und projizieren jeweils entsprechende Teilmuster auf das Objekt 1. Die auf das Objekt 1 projizierten Teilmuster bilden zusammen das eine resultierende Muster. Die Kombination der projizierten Teilmuster kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist, dass die Teilmuster sich konstruktiv überlagern. Auf diese Weise kann insbesondere in den hellen Bereichen des resultierenden Musters eine höhere Helligkeit erzielt werden, als mit nur einem Teilmuster. Eine andere Möglichkeit ist, dass die Teilmuster vertikal und/oder horizontal aneinandergefügt werden. In analoger Weise projiziert die zweite Projektorgruppe 25-2 eine zweite Mehrzahl von Teilmustern, die gemeinsam ein zweites resultierendes Muster ergeben. Das Gesamtmuster 2 entspricht zum Beispiel entweder dem ersten resultierenden Muster, dem zweiten resultierenden Muster oder, bei gleichzeitiger Beleuchtung durch die erste und zweite Lichtquellen 22-1, 22-2, einer Kombination des ersten und des zweiten resultierenden Musters. Jede Projektorgruppe 25-1, 25-2 stellt ein optisches Mehrkanalsystem dar, wobei ein optischer Kanal durch jeweils eine der Projektoreinheiten 30-1 bis 30-8 realisiert wird. Innerhalb der Projektorgruppen 25-1, 25-2 sind die Projektoreinheiten meist zweidimensional in einer Ebene angeordnet.
Ausführungsbeispiele stellen Algorithmen und technische Realisierungen für die 3D-Rekonstruktion und Vermessung mindestens eines aktiv beleuchteten Gegenstands vor, bei dem die Projektion mit Musterwechseln im hohen dreistelligen und auch vierstelligen Hertzbereich liegt. Diesen Schaltzeiten im einstellen Mikrosekundenbereich und darunter liegen lichtemittierende Dioden (LED) als lichtgebende Elemente (Lichtquellen) zugrunde, die mit Hilfe passender Treiber bzw. LED-Reglern und statischen Mustern als für die Projektion strukturgebende Elemente Musterwechsel in den Frequenzbereichen von 1 Hz bis 1 MHz ermöglichen.
Insbesondere kann eine parallele/verschachtelte Anordnung aus zweidimensional angeordneten Einzelprojektoren (Projektoreinheiten 30-1 bis 30-4 bzw. 30-5 bis 30-8 in 1) vorgesehen sein, deren Einzelprojektionsbilder sich in einer definierten Entfernung konstruktiv zu einem Gesamtbild (resultierendes Streifenmuster bzw. Gesamtmuster 2 in 1) zumindest teilweise überlagern (siehe Referenzen [18], [16]). Aus Gründen der einfacheren Darstellung innerhalb des schematischen Blockschaltbilds von 1 sind die eigentlich zweidimensional angeordneten Einzelprojektoren 30-1 bis 30-4 bzw. 30-5 bis 30-8 in einer eindimensionalen Anordnung gezeigt. Jede der Projektorgruppen (umfassend die Projektoreinheiten 30-1 bis 30-4 bzw. 30-5 bis 30-8 am Beispiel von 1), korrespondiert zu einer einzeln ansteuerbaren Beleuchtungseinheit (Lichtquellen 22-1 bzw. 22-2), sodass durch schnelle elektronische Ansteuerung dieser Lichtquellen die hochdynamische Darstellung einer Bildsequenz und/oder Bildüberlagerung möglich wird. Das System ist im Wesentlichen lediglich durch die Trägheit der Lichtquelle und ihrer Ansteuerelektronik limitiert. Die bisherigen Einschränkungen, die aus der Verwendung eines digitalen Bildgebers resultieren (z. B. die benötigte Zeit zum Übertragen eines neuen darzustellenden Bildinhalts an den digitalen Bildgeber) entfallen. Durch Verwendung von LEDs mit entsprechender Pulsweitenmodulationsansteuerung (PWM-Ansteuerung) lassen sich somit in der Praxis verschiedenste Projektionszeiten eines jeweiligen Musters realisieren. Die PWM-Ansteuerung, deren Grundtakt ein Vielfaches der maximal möglichen Musterwechsel pro Sekunde sein kann, dient auch als Regelmöglichkeit der wahrnehmbaren Helligkeit eines jeden Projektionsmusters. Diese Tatsache und das Vorhandensein mehrerer statischer Muster in dem Beispiel arrayförmiger Anordnung innerhalb des Projektionssystems ermöglichen ein gewichtetes Addieren bzw. Überlagern der vorhandenen Muster und damit die Bereitstellung weiterer Intensitätsverteilungen innerhalb des Projektionsraums.
Ermöglicht wird damit beispielhaft im Bereich des 3D-Messens auf Basis so genannter Phasenmuster ein Acht-Phasen-Schieben auf Grundlage von ausschließlich drei oder vier statischen Phasenmustern, sowie nahezu jede weitere Anzahl an Phasenschritten (räumliche Verschiebung ein und desselben Musters) aus einer beliebigen Anzahl von Grundmustern. Die Möglichkeit eines extrem schnellen Musterwechsels bleibt dabei erhalten.
Die möglichen Anwendungsbeispiele eines Projektionssystems oder eines entsprechenden Verfahrens gemäß Ausführungsbeispielen liegen vor allem im Bereich der dreidimensionalen Oberflächenvermessung bzw. Koordinatenbestimmung makroskopischer Objekte durch Anwendung aktiver Musterprojektion, insbesondere durch Projektion von Grauwertverteilungen auf Basis trigonometrischer Funktionen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass abweichend von diesen Anwendungsbeispielen auch andere Anwendungen denkbar sind. Ebenso ist es nicht grundsätzlich ausgeschlossen, dass andere Muster oder Strichmuster bei Grauwertverteilungen auf Basis trigonometrischer Funktionen verwendet werden können. Ferner können die verschiedenen Lichtquellen 22-1 und 22-2 auch konfiguriert sein, Licht in unterschiedlichen Farben oder unterschiedlichen Wellenlängenbereichen auszustrahlen, so dass sich dadurch ein Gesamtmuster ergibt, das als weitere Information (neben einer Grauwertinformation) eine Farbinformation beinhaltet.
Im Vergleich zu bisher bekannten Systemen zur aktiven Objektbeleuchtung bei der dreidimensionalen Vermessung bzw. Bestimmung räumlicher Koordinaten weisen Ausführungsbeispiele folgende Eigenschaften auf:

1. Ultraschnelle Musterwechsel im 8-Bit-Grauwertbereich: Die Verwendung einer großen Anzahl an einzeln betrachtet eher lichtschwachen LEDs ermöglicht mit geeigneten Treibern bzw LED-Reglern (z. B. MAXIM MAX16833, siehe Referenz [10]) ein ultraschnelles Beleuchten und Verdunkeln der Projektion strukturgebender Elemente und damit Wechsel zwischen verschiedenen Grauwertmustern bis in den unteren Megahertzbereich.
2. Hohe Projektionsintensität: Die Überlagerung einer beliebigen Anzahl gleicher Muster erzeugt auf dem zu vermessenden bzw. zu rekonstruierenden Objekt eine sehr hohe Projektionsintensität (siehe 2), die sowohl die Verwendung sehr kurzer Belichtungs- und damit Messzeiten ermöglicht, als auch das Arbeiten unter signifikantem Umgebungslicht realisiert. Das Projektionssystem 220 in 2 weist einen Projektorcluster 228 mit zwölf Projektorgruppen auf (in 2 symbolisch dargestellt), die durch Überlagerung der von ihnen auf das Objekt projizierten Muster das Gesamtstreifenmuster 202 ergeben.
3. Kompakte Bauweise: Durch Verwendung mehrerer Projektionsquellen lässt sich die Baugröße einer einzelnen Lichtquelle bei in Summe vergleichbarer Intensität gegenüber bekannten Projektionssystemen sehr kompakt halten. Die Anordnung dieser verschiedenen Quellen in Form eines zweidimensionalen Arrays ermöglicht weiter eine sehr kleine Tiefenausdehnung des Gesamtsystems und damit eine optimale Grundlage für ultramobile 3D-Messsysteme auf Basis aktiver Gegenstandsbeleuchtung. 3 zeigt schematisch eine Visualisierung der Baugröße eines musterabhängig minimalisierten Projektionssystems aus arrayförmig angeordneten Einzelprojektoren mit einer Gesamtlichtstärke größer 100 ANSI-LUMEN. Im linken Teil von 3 ist eine Seitenansicht mit einer Lüftereinheit des Projektionssystems zu sehen. Im rechten Teil von 3 ist eine Frontansicht des Projektionssystems schematisch dargestellt. Das Projektionssystem 320 umfasst zum Beispiel vier Projektorcluster 328-1 bis 328-4 mit je drei Projektorgruppen 325.
4. Quelllagenschiebung: Die Vielzahl einzelner Projektionsquellen ermöglicht eine räumliche Verschiebung der Quelllage der aktiven Gegenstandsbeleuchtung. Die sich daraus ergebende Relativbewegung zwischen Beleuchtungsquelle und zu vermessendem Gegenstand kann als Basis von Phasenschiebeverfahren verwendet werden. Liegen die Projektionsquellen nah beieinander, ist der synthetisch entstehende Phasenschritt zwischen zwei Projektionen (sehr) klein. Die vorliegende Erfindung sieht aber auch eine Sensorteilung als Option vor, bei der der starre Verbund aus arrayförmig angeordneten Projektorclustern (Projektorgruppen) aufgelöst wird. Der wesentliche Unterschied in 4 gegenüber der Darstellung in 2 liegt darin, dass mehrere Projektorcluster auf unterschiedlichen Punkten innerhalb des Messobjektraumes konvergieren und somit ein synthetisches Phasenschieben ermöglichen. 4 zeigt schematisch eine Visualisierung eines geteilten Projektionssystems. Wesentlich ist die Ausrichtung mehrerer Gruppen von Einzelprojektionen auf verschiedene Punkte im Raum. In 4 weist das Projektionssystem 420 zwei Projektorcluster 428-1 und 428-2 auf, die jeweils ein resultierendes Streifenmuster 402-1 bzw. 402-2 auf das Objekt projizieren. In dem in 4 dargestellten Beispiel umfasst jeder der Projektorcluster 428-1, 428-2 sechs Projektorgruppen, welche in 4 symbolisch dargestellt sind.
5. Projektionsgenauigkeit: Die Verwendung statischer Muster als für die Projektion strukturgebende Elemente erhöht die Projektionsgenauigkeit gegenüber Systemen mit beliebiger und zumeist digitaler Mustererzeugung, da zusätzlich keine Art von Quantisierung und Diskretisierung in eine feste Anzahl digitaler Pixelelemente stattfindet. Mittels chrombeschichteter Quarz- oder Glassubstraten lassen sich statische Mustererzeugungselemente herstellen, die einen sehr hohen Wirkungsgrad in Bezug auf Transmissionsverluste bzw. Reflektionsverluste haben.

Gemäß Ausführungsformen umfasst das Projektionssystem eine Anzahl zweidimensional angeordneter Projektorgruppen, jeweils bestehend aus Einzelprojektoren, wobei die Projektorgruppen jeweils einer separat ansteuerbaren Lichtquelle zugeordnet sind. Die Anzahl der Projektorgruppen kann im Prinzip beliebig gewählt werden, wobei insbesondere bei bestimmten Anwendungsfällen eine Projektorgruppe ausreichen kann. In den meisten Fällen wird man allerdings mehr als eine Projektorgruppe vorsehen. Bei zwei Projektorgruppen können durch eine individuelle Ansteuerung der entsprechenden zwei Lichtquellen in der Regel mindestens zwei verschiedene Streifenmuster projiziert werden. Bei Ausnutzung einer Möglichkeit der Überlagerung von Streifenmustern und eventuell einer individuellen Helligkeitssteuerung für die zwei Projektorgruppen sogar beträchtlich mehr als zwei realisierbare Gesamtmuster. Ebenfalls variabel ist die Anzahl verwendbarer, unterschiedlicher strukturgebender Elemente (statische Mustererzeugungselemente) bzw. zu projizierender Muster.
Je nach Anwendung lassen sich Baugrößen-optimiert und/oder der notwendigen Beleuchtungsintensität angepasst wenige oder zahlreiche Einzelprojektoren zu einem oder mehreren Array(s) vereinigen. Die Anordnung von Projektorcluster (Untermengen von Projektorgruppen) gleicher Muster ist ebenfalls anwendungs- und inhaltsabhängig und variabel.
Für den Einsatz in hochdynamischen Anwendungen mit hohen Beschleunigungskräften ist die hier vorgestellte Erfindung aufgrund ihrer Ausführbarkeit als im Wesentlichen monolithisches Gesamtsystem oder als Chipstapel-integriertes Gesamtsystem (z. B. mittels so genannter Die-Stacking-Technologie oder der System-in-Package-(SiP-)Technologie oder der sogenannten „wafer level optics” Technologie) ohne bewegte Einzelelemente, wie sie z. B. bei DMD-basierten Projektionssystemen auftreten, sehr gut geeignet.
Einige der vorgeschlagenen Ausführungsbeispiele bieten eine Miniaturisierungsmöglichkeit des Projektionssystems und damit der gesamten Vorrichtung zur Bestimmung von räumlichen Koordinaten eines Objekts. 5 zeigt schematisch eine mögliche Systemanordnung zur dreidimensionalen Vermessung makroskopischer Objekte. Dabei wird neben dem minimalisierten Projektionssystem (zwölf Projektorgruppen 525-1 bis 525-12 aufgeteilt in z. B. vier Projektorcluster in arrayförmiger Anordnung innerhalb einer Baugesamtgröße von ca. 4 cm × 5 cm × 1 cm) ausschließlich eine Kamera 580 zur Triangulation zu Rate gezogen. Die Verwendung einer zweiten Messkamera (beispielsweise rechts vom Array) und Triangulation zwischen den Kameras ist bei einem alternativen Ausführungsbeispiel auch realisierbar. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel umfasst ein erster Projektorcluster die Projektorgruppen 525-1 bis 525-3, ein zweiter Projektorcluster die Projektorgruppen 525-4 bis 525-6, ein dritter Projektorcluster die Projektorgruppen 525-7 bis 525-9 und ein vierter Projektorcluster die Projektorgruppen 525-10 bis 525-12. Andere Aufteilungen sind ebenfalls möglich. Allgemein gilt, dass als eine Triangulationsbasis für die Triangulation das Projektionssystem und die (zumindest eine) Kamera verwendet werden kann. In alternativen Ausführungsbeispielen mit zwei oder mehr Kameras ist es dagegen auch möglich, die Triangulationsbasis durch zwei oder mehr Kameras zu bilden. Eine weitere Alternative besteht darin, zumindest zwei Kameras und das Projektionssystem als Projektionsbasis zu verwenden.
Die zwölf Projektorgruppen 525-1 bis 525-12 bilden in Verbindung mit zwölf zugeordneten Lichtquellen (in 5 nicht sichtbar) die wesentlichen Bestandteile des Projektionssystems 520. Das Projektionssystem 520 stellt einen lichtstarken Miniprojektor dar, der als Triangulationseinheit neben der Kamera 580 verwendet werden kann.
Die Anzahl der Projektorcluster mit gleichem statischem Muster kann so gewählt werden, dass der Flux mit demjenigen bekannter miniaturisierter Projektionssysteme vergleichbar ist (ca. 100 ANSI-LUMEN). Im Detail bedeuten die gewählten Abkürzungen bzw. Symboliken folgendes:

– P_i, wobei i = 1...3: Phasenmuster, d. h. Grauwertverteilungen anhand einer trigonometrischen Funktion, wobei die einzelnen i Muster zueinander phasenverschoben sind
– sM: beliebig strukturiertes Muster, welches zur Periodenzuordnung innerhalb der so genannten Phasenmuster P_i verwendet wird.

Aus den oben angegebenen, beispielhaften Abmessungen von 4 cm × 5 cm ergibt sich, dass jede Projektorgruppe 525-1 bis 525-12 im Wesentlichen quadratisch mit einer Kantenlänge von ca. 1,25 cm ist. Die in 5 nicht dargestellten Lichtquellen können beispielsweise ebenfalls quadratisch mit einer Kantenlänge von ca. 1 cm ausgeführt werden. Andere Abmessungen und Formen sind selbstverständlich auch denkbar und möglich.
Jede der Projektorgruppen 525-1 bis 525-12 umfasst eine Vielzahl von Projektoreinheiten, beispielsweise zwischen zehn Projektoreinheiten und 500 Projektoreinheiten, beispielsweise zwischen 50 und 200 Projektoreinheiten und insbesondere ca. 100 Projektoreinheiten. Die Projektoreinheiten innerhalb einer Projektorgruppe können z. B. in einem Quadrat, in einem Rechteck, in einem Sechseck, d. h. hexagonal bzw. wabenförmig, kreisförmig oder dreieckig angeordnet sein. Auch jede Projektoreinheit für sich kann eine quadratische, rechteckige, dreieckige, sechseckige, kreisförmige oder andere Form haben.
6 zeigt eine schematische Setupskizze eines 3D-Messsystems bestehend aus zwei integrierten Kameras 680-1 und 680-2 und einem Projektionssystem 620 mit ausreichend Licht für hochdynamische Projekte. Das in 6 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel bietet eine Kombination hoher Lichtintensität, hoher Tiefenschärfe und vergleichsweise kompakter Bauform. Auch die Möglichkeit der Kombination aus Projektion und stereobasierter Bildaufnahme innerhalb eines stark begrenzten Bauraumes ist beispielhaft in 6 gezeigt. Des Weiteren wird eine Variante der Anordnung Projektorclustern zur Erzeugung von vier zueinander phasenverschobenen Mustern auf Basis trigonometrischer Funktionen gezeigt, die gegenüber bisherigen Projektionssystemen eine sehr große Beleuchtungsintensität (größer 800 ANSI-LUMEN) auf kleinem Bauraum (Tiefe: ca. 2 cm) besitzt und damit insbesondere für Outdoor-Anwendungen [20] und hochdynamische Vermessungen mit erzwungenermaßen sehr kurzen Belichtungszeiten geeignet ist.
Das Projektionssystem 620 umfasst sechs Projektorcluster bzw. Projektorgruppen-Untermengen 628-1, 628-2, 628-3, 628-4, 628-5 und 628-6. Jeder der Projektorcluster 628-1 bis 628-6 enthält eine bestimmte Anzahl von Projektorgruppen. Der erste Projektorcluster 628-1, der zweite Projektorcluster 628-2, der dritte Projektorcluster 628-3 und der vierte Projektorcluster 628-4 enthalten jeweils 24 Projektorgruppen, die in 6 durch Quadrate mit den Beschriftungen P1, P2, P3 bzw. P4 angedeutet sind. Im ersten Projektorcluster 628-1 und im vierten Projektorcluster 628-4 sind die jeweiligen Projektorgruppen P1 bzw. P4 jeweils in einem 3 × 8-Array angeordnet. Im zweiten Projektorcluster 628-2 und dritten Projektorcluster 628-3 sind die jeweiligen Projektorgruppen P2 bzw. P3 jeweils in einem 2 × 12-Array angeordnet. Der fünfte Projektorcluster 628-5 und der sechste Projektorcluster 628-6 umfasst jeweils drei Projektorgruppen sM. Wie im Zusammenhang mit 5 bereits erläutert, dienen die mit P_i bezeichneten Projektorgruppen der Projektion verschiedener Phasenmuster und die mit sM bezeichneten Projektorgruppen der Projektion beliebig strukturierter Muster, welche zur Periodenzuordnung innerhalb der Phasenmuster P_i verwendet werden können. Zur Periodenzuordnung eignen sich zum Beispiel Graycode-Muster, die die Eigenschaft aufweisen, dass sich von einem Wert (d. h. einer bestimmten Periode des Phasenmusters P_i entsprechend) zum nächsthöheren Wert (d. h. einer benachbarten Periode des Phasenmusters P_i entsprechend) nur ein Bit ändert.
Das Projektionssystem 620 weist in der linken oberen Ecke und der rechten unteren Ecke jeweils eine Aussparung auf, die 3 × 3 Projektorgruppen groß ist. Die erste Kamera 680-1 befindet sich in der rechten unteren Aussparung, die zweite Kamera 680-2 befindet sich in der linken oberen Aussparung. Gegebenenfalls können die Kameras 680-1 und 680-2 monolithisch mit dem Projektionssystem 620 integriert sein. Ferner ist es auch denkbar, dass den Kameras 680-1, 680-2 entsprechende Kamerachips mittels Chipstapel-Technik oder SiP-Technik an der Oberfläche eines zum Projektionssystem 620 gehörenden Halbleiterchips angeordnet werden. Als weitere Alternative ist denkbar, sowohl die Kameras 680-1, 680-2 als auch die einzelnen Projektorgruppen P_i an der Oberfläche einer Leiterplatte anzuordnen (leiterplattenintegriertes System oder platinenintegriertes System).
Die in der Aufbauskizze von 6 eingebrachten Projektorcluster 628-5 und 628-6 mit einem nahezu beliebig strukturierten Muster sM zur Auflösung von Mehrdeutigkeiten bei der Zuordnung einzelner Perioden innerhalb der P_i-Muster besitzen in Summe eine deutlich kleinere Anzahl Lichtquellen als jedes Projektorgruppencluster 628-1 bis 628-4 mit dem gleichen P_i-Muster als Grundlage für die strukturierte Lichtverteilung innerhalb des zu vermessenden Objektraums. Dies ist möglich, da im Gegensatz zu den P_i-Mustern, die die Grundlage für präzise Koordinateninformationen darstellen, mittels des/der sM-Muster(s) ausschließlich Entscheidungen zur Grobzuordnung getroffen werden müssen Hierfür sind möglichst hohe Helligkeitsmodulationen bzw. Grauwertkontraste innerhalb der Aufnahmen nicht zwingend notwendig. Ebenso ist die Positionierung der dazugehörigen LED-Projektorcluster 628-5, 628-6 innerhalb des Gesamtarrays von Projektorclustern nicht so sehr entscheidend.
Sollte es für das/die Messverfahren notwendig sein, mehrere verschiedene sM-Muster zu projizieren, so können dazugehörige LED-Projektorcluster an beliebiger Stelle innerhalb oder auch zusätzlich an dem Aufbau von 6 ein- bzw. angebracht werden.
7 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer Lichtquelle 22 und einer zugeordneten Projektorgruppe 725, die mehrere Projektoreinheiten 30-1 bis 30-9 umfasst. Abweichend von der hier beispielhaft dargestellten Anzahl von neun Projektoreinheiten kann natürlich auch eine beliebige Anzahl von Projektoreinheiten vorgesehen sein. Die im Vergleich zu realen Systemen eher geringe Anzahl von neun Projektoreinheiten, die die 7 dargestellte Projektorgruppe 725 aufweist, wurde zum Zweck der einfacheren und klareren Darstellung gewählt.
Die Lichtquelle 22 ist hier schematisch als Leuchtdiode (LED) dargestellt. Das von der Lichtquelle 22 ausgestrahlte Licht trifft auf die Projektoreinheiten 30-1 bis 30-9 (in 7 sind stellvertretend nur die Projektoreinheiten 30-1 und 30-8 bezeichnet) der Projektorgruppe 725, und zwar insbesondere auf eine jeweilige Feldlinse 33-1 bis 33-9 und ein jeweiliges statisches Mustererzeugungselement 32-1 bis 32-9 einer jeden Projektoreinheit 30-1 bis 30-9. Die statischen Mustererzeugungselemente 32-1 bis 32-9 können insbesondere chrombeschichtete, lichtdurchlässige Substrate sein, z. B. Glassubstrate oder Quarzsubstrate. Durch die Chrombeschichtung wird die Lichtdurchlässigkeit des Substrats lokal reduziert, so dass unterschiedliche Grauwertstufen dargestellt werden können. Es ist möglich, dass alle statischen Mustererzeugungselemente 32-1 bis 32-9 auf einem gemeinsamen lichtdurchlässigen Substrat mittels Chrombeschichtung oder einer anderen geeigneten Methode zur lokalen Veränderung der Lichtdurchlässigkeit des Substrats vorgesehen sind. Die Chrombeschichtung kann gerastert oder durch feine Linien strukturiert sein, so dass unterschiedliche Grauwerte mit unterschiedlicher Dichte der Rasterung bzw. der feinen Linien dargestellt werden können (sogenannte binäre Muster). Jede Projektoreinheit 30-1 bis 30-9 umfasst eine Projektionsoptik bestehend aus der jeweiligen Feldlinse 33-1 bis 33-9 und einer jeweiligen Projektionslinse 35-1 bis 35-9, die das von der Lichtquelle 22 ausgesendete und von dem jeweiligen Mustererzeugungselement 32-1 bis 32-9 strukturierte (mit einem Muster versehene) Licht auf einen Punkt oder einen Bereich fokussiert, der auf der Seite der Projektionsoptik liegt, die der Lichtquelle 22 entgegengesetzt ist. Bei Ausführungsbeispielen kann eine Köhlersche Beleuchtung des statischen Mustererzeugungselements verwendet werden. Gemäß dieser Beleuchtungsart wird eine Konfiguration bereitgestellt, die ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Projektionsfeld ermöglicht und Blendlicht von der Lichtquelle reduzierte. Dazu gehört eine Sammellinse (Feldlinsen 33-1 bis 33-9) für die Lichtquelle 22, mit der die Lichtquelle auf eine vordere Blende der Projektionslinse 35-1 bis 35-9 fokussiert werden kann. Somit ist es wiederum möglich, dass die Projektionslinse auf das statische Mustererzeugungselement 32-1 bis 32-9 fokussiert werden kann.
Die mehreren Projektoreinheiten 30-1 bis 30-9 wirken typischerweise in Form eines Multiapertursystems oder optischen Mehrkanalsystems zusammen, sodass sich aus einem entsprechenden Zusammenwirken der von den verschiedenen Projektoreinheiten 30-1 bis 30-9 projizierten Teilmustern das resultierende Streifenmuster 2 ergibt. Das resultierende Streifenmuster 2 ist in 7 so dargestellt, wie es aussieht, wenn es auf eine im Wesentlichen ebene Fläche projiziert wird, die orthogonal zu der Projektionsrichtung des Projektionssystems verläuft, was zum Zwecke einer einfacheren und klareren Darstellung in 7 und auch weiteren hierin enthaltenen Figuren so gewählt wurde. Wird das resultierende Streifenmuster 2 jedoch auf schräg zur Projektionsrichtung liegende Flächen oder gekrümmte Flächen projiziert, so scheint das Streifenmuster verformt, woraus sich die räumlichen Koordinaten der schrägen bzw. gekrümmten Fläche(n) bestimmen lassen.
8 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Projektionssystems mit zwei Projektorgruppen 825-1 und 825-2. In 8 weist das Projektionssystem zwei Projektorcluster auf, wobei jeder Projektorcluster jeweils eine der Projektorgruppen 825-1, 825-2 umfasst. Somit entspricht bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Projektorgruppe einem Projektorcluster. In komplexeren Ausführungsbeispielen kann zumindest einer der Projektorcluster mehrere Projektorgruppen umfassen. Die erste Projektorgruppe 825-1 umfasst Projektoreinheiten mit statischen Mustererzeugungselementen 832-1 bis 832-9. Die zweite Projektorgruppe 825-2 umfasst Projektoreinheiten mit statischen Mustererzeugungselementen 832-11 bis 832-19. Die statischen Mustererzeugungselemente 832-1 bis 832-9 der ersten Projektorgruppe 825-1 sind symbolisch mit einem „A” gekennzeichnet, um anzudeuten, dass diese ein resultierendes Muster „A” bzw. 2-1 erzeugen. Die statischen Mustererzeugungselemente 832-11 bis 832-19 der zweiten Projektorgruppe 825-2 sind symbolisch mit einem „B” gekennzeichnet, um anzudeuten, dass diese ein resultierendes Muster „B” bzw. 2-2 erzeugen. Die erste Projektorgruppe 825-1 ist einer ersten Lichtquelle 22-1 zugeordnet. Die zweite Projektorgruppe 825-2 ist einer zweiten Lichtquelle 22-2 zugeordnet. Je nachdem, welche der Lichtquellen 22-1 oder 22-2 zu einem gegebenen Zeitpunkt aktiviert ist, ergibt sich als Gesamtmuster entweder das Muster 2-1 oder das Muster 2-2 oder, bei gleichzeitiger Aktivierung, eine Überlagerung der Muster 2-1 und 2-2.
9 stellt schematisch eine Hierarchie der verschiedenen Komponenten eines Projektionssystems 20 gemäß Ausführungsbeispielen dar. Angefangen bei der niedrigsten Hierarchiestufe umfasst das Projektionssystem 2 in der Regel eine Vielzahl von Projektoreinheiten 930-1, 930-2, die gemeinsam eine Projektorgruppe 925-1 bilden. Der Projektorgruppe ist eine Lichtquelle 922 zugeordnet. Jede Projektoreinheit 930-1, 930-2 umfasst eine Feldlinse 933, ein statisches Mustererzeugungselement 932 und eine Projektionslinse 935. Die Feldlinse 933 und die Projektionslinse 935 können als Projektionsoptik der Projektoreinheit angesehen werden. Um eine Größenordnung anzugeben: Die Projektorgruppe 925-1 kann zum Beispiel 100 Projektoreinheiten 930-i umfassen, die in einem 10 × 10-Array angeordnet sind. Eine andere Anzahl von Projektoreinheiten pro Projektorgruppe und/oder eine andere Anordnung sind natürlich ebenso denkbar.
Die Projektorgruppe 925-1 ist einer Lichtquelle 922 zugeordnet. Die Projektorgruppe 925-1 ist in der Regel eine von mehreren Projektorgruppen, von denen in 9 eine Projektorgruppe 925-2 stellvertretend dargestellt ist. Eine weitere Lichtquelle (nicht dargestellt in 9) ist der Projektorgruppe 925-2 zugeordnet. Die mehreren Projektorgruppen 925-1, 925-2 bilden einen Projektorcluster 928-1. Diese Hierarchiestufe der Projektorcluster ist optional und dient insbesondere der Erhöhung der Helligkeit durch Vervielfachung der Lichtquellen und der Projektorgruppen. Innerhalb des Projektorclusters 928-1 dienen alle Projektorgruppen 925-1, 925-2 der Erzeugung eines resultierenden Musters. Die Lichtquellen, die den Projektorgruppen 925-1, 925-2 des Projektorcluster 928-1 zugeordnet sind, werden in der Regel gemeinsam angesteuert. Beispielhaft sei hier angegeben, dass ein Projektorcluster zwischen 10 und 40 Projektorgruppen aufweist.
Neben dem Projektorcluster 928-1 kann es noch einen oder mehrere weitere Projektorcluster 928-2 geben, wobei die Anzahl der Projektorcluster zum Beispiel zwischen 3 und 15 liegen kann. Ein Projektionssystem mit 10 Projektorclustern, 10 Projektorgruppen je Projektorcluster und 100 Projektoreinheiten je Projektorgruppe würde somit 10 × 10 × 100 = 10.000 Projektoreinheiten und 100 Lichtquellen aufweisen. Die Fläche einer Projektoreinheit beträgt zum Beispiel 1 mm², wodurch sich ein Flächenbedarf für das Projektionssystem von 10.000 mm² oder 100 cm² ergibt. Im Vergleich dazu hat ein 6-Zoll Wafer eine Fläche von ca. 17.600 mm² oder 176 cm².
10 stellt schematisch eine Hierarchie der projizierbaren Muster dar. Wenn man wiederum bei der niedrigsten Hierarchieebene anfängt, werden zunächst von den einzelnen Projektoreinheiten viele Teilmuster 1010-1, 1010-2 projiziert. Wenn die vielen Teilmuster 1010-1, 1010-2, die von einer Projektorgruppe projiziert werden, zusammenwirken (z. B. durch Überlagerung, teilweise Überlappung oder Aneinanderfügen), ergibt sich ein resultierendes Muster 1005-1. Das resultierende Muster 1005-1 ist somit zum Beispiel einer Projektorgruppe 925-1 (9) zugeordnet. Einer zweiten Projektorgruppe 925-2 ist zum Beispiel ein zweites resultierendes Muster 1005-2 zugeordnet. Wenn das Projektionssystem auch Projektorcluster aufweist, können zwei oder mehr der resultierenden Muster 1005-1, 1005-2 in der Kombination ein Cluster-Muster 1008-1 ergeben. Bei Aktivierung eines anderen Projektorclusters kann sich dementsprechend ein anderes Cluster-Muster 1008-2 ergeben. Das Gesamtmuster 2 ergibt sich nun aus den zu einem gegebenen Zeitpunkt projizierten Cluster-Mustern 1008-1, 1008-2. Man beachte, dass das Gesamtmuster 2 sich auch nur aus einem der Cluster-Muster 1008-1, 1008-2 oder einem der resultierenden Muster 1010-1, 1010-2 ergeben kann.
11 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Projektionssystems gemäß Ausführungsbeispielen. Insbesondere ist eine Projektorgruppe mit zugehöriger Lichtquelle dargestellt. Das von der Lichtquelle 22 ausgesendete Licht wird zunächst von einer Mehrzahl von bikonvexen Feldlinsen 33-1 bis 33-9 gebündelt. Von dort trifft das Licht auf die statischen Mustererzeugungselemente 32-1 bis 32-10 der Projektoreinheiten 30-1 bis 30-10. Zusätzlich zu den zehn dargestellten Projektoreinheiten 30-1 bis 30-10 können weitere Spalten von je zehn Projektoreinheiten (oder einer anderen Anzahl) vorgesehen sein, die z. B. hinter den in 11 sichtbaren Projektoreinheiten 30-1 bis 30-10 liegen. Auf diese Weise kann die Projektorgruppe 825 ein zweidimensionales Array von z. B. 100 Projektoreinheiten umfassen. Jede Projektoreinheit 30-1 bis 30-10 umfasst des Weiteren eine Projektionslinse 34-1 bis 34-10, die im dargestellten Fall aus einer bikonvexen Linse besteht. Andere Linsenformen (plankonvex, konvex-konkav, etc.) sind ebenfalls denkbar (gilt auch für die Feldlinsen 33-1 bis 33-9). Insbesondere ist es auch denkbar, dass die verschiedenen Linsen bzw. die Projektionsoptiken 34-1 bis 34-10 bezüglich ihrer jeweiligen eigenen optischen Achsen asymmetrisch sind. Zum Beispiel kann bei Ausführungsbeispielen die Verteilung der Projektionsoptiken 34-1 bis 34-10 eine Mehrzahl von Linsensegmenten aufweisen, die bezüglich ihrer Apertur unterschiedlich dezentriert sind. Die Mehrzahl der Linsensegmente kann so ausgelegt sein, um die Projektionen der diversen Mustererzeugungselemente 32-1 bis 32-10 auf einem Punkt oder in einem Bereich innerhalb des Messobjektraums bzw. des Projektionsraums zu lenken. Durch die Verwendung mehrerer unterschiedlicher dezentrierter Linsensegmente können die Projektionen der Teilbilder, die von den verschiedenen statischen Mustererzeugungselementen 32-1 bis 32-10 geliefert werden, direkt in diesen Bereich des Projektionsraums gelenkt werden, ohne dass dabei eine in Projektionsrichtung nachgeschaltete Feldlinse benötigt wird. Die Funktion solch einer nachgeschalteten Feldlinse kann somit durch die Gesamtheit der unterschiedlichen dezentrierten Linsensegmente bereitgestellt werden. Mit anderen Worten kann bei Ausführungsbeispielen durch die Verwendung eines Linsenarrays mit so genannten Lenslets, die aus unterschiedlich dezentrierten Linsensegmenten bestehen, die optische Funktion einer Feldlinse in das Linsenarray der Projektionsoptiken 34-1 bis 34-10 integriert werden. Somit wird eine separate Feldlinse nicht mehr benötigt.
12 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Projektorgruppe und Lichtquelle eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Projektionssystems für die aktive Objektbeleuchtung, zum Beispiel innerhalb einer Vorrichtung zur Bestimmung von räumlichen Koordinaten mindestens eines Objekts. Das Ausführungsbeispiel von 12 unterscheidet sich von dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Projektorgruppe zusätzlich noch jeweils eine Kollimatorlinse 23 umfasst. Die im Zusammenhang mit Ausführungsbeispiel von 11 genannten Abwandlungen sind auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 12 im Prinzip anwendbar, und zwar entweder auf die vorgeschalteten Feldlinsen 33-1 bis 33-10, die nachgeschalteten Projektionslinsen 35-1 bis 35-10 oder auf beide.
13 stellt schematisch mögliche Signalformen von Ansteuersignalen für zwei Lichtquellen eines Projektionssystems gemäß Ausführungsbeispielen dar. Das Ansteuersignal für eine erste Lichtquelle ist mit LED1 bezeichnet und das Ansteuersignal für eine zweite Lichtquelle ist mit LED2 bezeichnet. Beide Ansteuersignale sind hier als binäre Signale angenommen, die zwei Zustände annehmen können, nämlich logisch „0” und logisch „1”. Es sei angenommen, dass anfänglich beide Ansteuersignale im Zustand logisch „0” sind. Zu einem Zeitpunkt t = 0 wird das Ansteuersignal LED1 für die erste Lichtquelle auf den Zustand logisch „1” geschaltet. Dies führt dazu, dass das Projektionssystem ein erstes Muster (in 13 als Muster1 bezeichnet) auf das zumindest eine Objekt projiziert. Zu einem Zeitpunkt t = T wird das Ansteuersignal LED1 wieder auf den Zustand logisch „0” zurückgesetzt und dafür das Ansteuersignal LED2 für die zweite Lichtquelle auf den Zustand „1”. Das Projektionssystem projiziert nun ein zweites Muster (Muster2) auf das zumindest eine Objekt, da die zweite Lichtquelle einer zweiten Projektorgruppe zugeordnet ist, die entweder verschiedene statische Mustererzeugungselemente aufweist oder deren Teilmuster auf einem unterschiedlichen Punkt im Messobjektraum konvergieren oder beides. Zu einem Zeitpunkt t = 2 T wird nun auch wieder das Ansteuersignal LED1 eingeschaltet, d. h. auf den Zustand „1” gesetzt. Somit sind zwischen 2 T und 3 T beide Lichtquellen aktiv und es kommt zu einer gleichzeitigen Projektion der beiden resultierenden Strichmuster, was ein Gesamtmuster ergibt, das auf das zumindest eine Objekt projiziert wird. Zum Beispiel kann es zu einer Überlagerung von Muster1 und Muster2 kommen. Gerade bei Grauwertmustern, die auf der Basis von trigonometrischen Funktionen, wie Sinus oder Kosinus, erzeugt werden, können durch Überlagerungseffekte z. B. Phasenverschiebungen (wenn die zwei Muster dieselbe Ortsfrequenz, jedoch unterschiedliche Phasen haben) oder Schwebungen (wenn die zwei Muster unterschiedliche Ortsfrequenzen haben) erzeugt werden. Auf diese Weise ist es möglich, mit beispielsweise lediglich zwei unterschiedlichen Mustererzeugungselementen und zwei entsprechenden Projektorgruppen bereits drei verschiedene Streifenmuster zu erzeugen. Da derartige Signale mit relativ hohen Frequenzen bis in den Megahertzbereich erzeugt werden können, sind entsprechend schnelle Musterwechsel möglich. Zum Beispiel kann die in 13 verwendete Zeiteinheit T im Mikrosekundenbereich liegen. Leuchtdioden weisen relativ geringe Trägheiten auf, sodass Leuchtdioden prinzipiell geeignet sind, auf die Ansteuersignale LED1 und LED2 mit nahezu unmittelbarer Änderung ihrer Helligkeit zu reagieren. Wenn zusätzlich zu der individuellen Ansteuerbarkeit der Lichtquellen auch noch eine individuelle Helligkeitssteuerung für jede Lichtquelle vorgesehen wird, lässt sich die Anzahl der durch Überlagerung erzeugbaren Gesamtmuster sogar noch erhöhen.
14 zeigt schematische seitliche Signalverläufe eines Ansteuersignals für eine Lichtquelle des Projektionssystems (oben) und eines Auslösesignals für eine Kamera (unten). Die zwei in 14 dargestellten Signale erstrecken sich über ein Zeitintervall von 0 bis 2 T, welches zwei Musterphasen beinhalten. In der ersten Musterphase soll ein etwas dunkleres Streifenmuster projiziert werden, in der zweiten Musterphase ein etwas helleres Streifenmuster. Zu diesem Zweck ist das Ansteuersignal für die Lichtquelle pulsweitenmoduliert mit einer Periode T_PWM für die Pulsweitenmodulation (die Frequenz der Pulsweitenmodulation ist somit 1/T_PWM). In der ersten Musterphase ist das Tastverhältnis (engl.: „duty cycle”) des Steuersignals für die Lichtquelle relativ klein, d. h. die Lichtquelle wird nur während eines relativ kurzen Zeitabschnitts innerhalb jeder Pulsweitenmodulationsphase aktiviert und bleibt in der übrigen Zeit deaktiviert. Während der zweiten Musterphase ist das Tastverhältnis höher, sodass die Lichtquelle pro Pulsweitenmodulationsperiode länger leuchtet als während der Musterphase1. Im zeitlichen Mittel ist die von der Lichtquelle ausgestrahlte Helligkeit während der Musterphase1 dunkler als während der Musterphase2.
Im unteren Teil von 14 ist das Kameraauslösesignal dargestellt. Das Kameraauslösesignal wechselt kurz nach dem Beginn der Musterphase1 von seinem anfänglichen Wert „0” zu dem Wert „1”. Auf diese Weise wird die Kameraaufnahme gestartet. Durch die Vielzahl der Beleuchtungsimpulse, die von der pulsweitenmodulierten Lichtquelle ausgesendet werden, wird das zumindest eine Objekt mehrmals während der ersten Musterphase beleuchtet. Die Kamera ist während der ersten Musterphase weitgehend durchgängig eingeschaltet, sodass die Kamera die von dem Objekt zur Kamera zurück reflektierten Helligkeitsinformationen in kumulierender Weise während der Musterphase1 integriert. Die während der Musterphase1 erfasste Bildinformation wird dann ausgelesen oder zwischengespeichert. Während der Musterphase2 geschieht im Wesentlichen dasselbe, nur dass das Objekt während jeder Pulsweitenmodulationsphase T_PWM länger beleuchtet wird und somit innerhalb der Musterphase2 im zeitlichen Mittel eine höhere mittlere Helligkeit des auf das Objekt projizierten Streifenmusters vorherrscht. Wie im Zusammenhang mit 13 erläutert, kann dies dazu führen, dass bei einer Überlagerung von zwei oder mehr Streifenmustern nicht nur die Helligkeit des Gesamtmusters verändert wird, sondern auch dessen Ortsphase und/oder Ortsfrequenz.
Damit die Kamera, die mit dem vorgestellten Projektionssystem möglichen schnellen Musterwechsel unterstützt, kann sie z. B. einen speziellen Bildchip aufweisen, der für jedes Pixel angrenzend an den aktiven Pixelbereich Speicherelemente (z. B. elektrische Kondensatoren oder CCD-Strukturen (engl.: „charge coupled device”) aufweist. Auf diese Weise können die während der verschiedenen Musterphasen generierten Bildinformationen zunächst auf dem Bildchip zwischengespeichert werden (z. B. als analoge Signale und/oder in Form von gespeicherter elektrischer Ladung), bevor sie sequentiell oder spaltenweise oder mittels eines sonstigen Ausleseverfahrens aus dem Bildchip ausgelesen und digitalisiert werden.
15 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Projizieren eines Musters auf ein Objekt gemäß Ausführungsbeispielen. Bei einem Schritt 1502 wird ein erstes Ansteuersignal für eine erste Lichtquelle erzeugt. Dann wird bei einem Schritt 1504 ein erstes resultierendes Muster mittels der ersten Lichtquelle und einer ersten zugeordneten Projektorgruppe erzeugt. Die erste Projektorgruppe umfasst mehrere zweidimensional angeordnete Projektoreinheiten, wobei jede Projektoreinheit ein statisches Mustererzeugungselement, eine in einer Durchleuchtungsrichtung vor dem statischen Mustererzeugungselement liegende Feldlinse und eine in der Durchleuchtungsrichtung hinter dem statischen Mustererzeugungselement liegenden Projektionslinse umfasst. Jede Projektoreinheit ist konfiguriert, auf von der ersten Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges Teilmuster zu projizieren, so dass die erste Projektorgruppe der ersten Lichtquelle zugeordnet ist und konfiguriert ist, eine erste Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die ein erstes resultierendes Muster ergeben und somit mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet das erste resultierende Muster innerhalb der Messobjektregion zu erzeugen.
Bei einem Schritt 1506 des in 15 dargestellten schematischen Flussdiagramms wird ein zweites Ansteuersignal für eine zweite Lichtquelle erzeugt. Man beachte, dass die Schritte 1502 und 1506 auch gleichzeitig oder parallel ablaufen können, so dass Ansteuersignale für die erste und zweite Lichtquelle gleichzeitig erzeugt werden können.
Bei einem Schritt 1508 wird ein zweites resultierendes Musters mittels der zweiten Lichtquelle und einer zweiten zugeordneten Projektorgruppe erzeugt. Die zweite Projektorgruppe umfasst mehrere zweidimensional angeordnete Projektoreinheiten, wobei jede Projektoreinheit ein statisches Mustererzeugungselement, eine in einer Durchleuchtungsrichtung vor dem statischen Mustererzeugungselement liegende Feldlinse und eine in der Durchleuchtungsrichtung hinter dem statischen Mustererzeugungselement liegenden Projektionslinse umfasst und konfiguriert ist, auf von der zweiten Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges Teilmuster zu projizieren. Die zweite Projektorgruppe ist der zweiten Lichtquelle zugeordnet und konfiguriert, eine zweite Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die ein zweites resultierendes Muster ergeben und somit mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet das zweite resultierende Muster innerhalb der Messobjektregion zu erzeugen. Auch für die Schritte 1504 und 1508 gilt, dass diese auch gleichzeitig und/oder parallel durchgeführt werden können. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, dass das erste resultierende Muster und das zweite resultierende Muster im gleichzeitig projiziert werden, wodurch sich durch Überlagerung dieser zwei resultierenden Muster ein neues Muster als Gesamtmuster ergibt.
Das Erzeugen des ersten Ansteuersignals und des zweiten Ansteuersignals kann unabhängig voneinander erfolgen, so dass das erste resultierende Muster und das zweite resultierende Muster zu verschiedenen Zeiten oder gleichzeitig mit verschiedenen Helligkeiten projiziert werden können.
Bei einer 3D-Vermessung können die räumlichen Koordinaten eines Objekts durch Durchführung einer optischen Aufnahme des Objekts mit darauf projiziertem Muster, einer bekannten Geometrie der statischen Mustererzeugungselemente und einer bekannten räumlichen Anordnung der Projektorgruppe und der für die optische Aufnahme benutzten Kamera zueinander bestimmt. Die bekannte räumliche Anordnung der Projektorgruppe und der Kamera zueinander kann zuvor durch eine Kalibrierung bestimmt werden, z. B. indem die Projektorgruppe und die Kamera senkrecht und in einer bestimmten Entfernung zu einer ebenen Fläche ausgerichtet werden.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens kann dieses zusätzlich noch einen optionalen Schritt zum Erzeugen eines weiteren Projektionsmusters mittels zumindest einer weiteren Lichtquelle und zumindest einer zugeordneten weiteren Projektorgruppe umfassen. Die Projektorgruppe umfasst dabei mehrere Projektoreinheiten, wobei jede Projektoreinheit ein statisches Mustererzeugungselement und eine Projektionsoptik umfasst und konfiguriert ist, auf von der Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges weiteres Teilmuster auf das zumindest eine Objekt zu projizieren, sodass die weitere Projektorgruppe konfiguriert ist, eine Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die auf dem zumindest einen Objekt ein resultierendes weiteres Streifenmuster ergeben. Das Projektionsmuster und das weitere Projektionsmuster werden typischerweise zu unterschiedlichen Zeiten erzeugt und auf das zumindest eine Objekt projiziert. Als Option ist vorgesehen, dass das Projektionsmuster und das weitere Projektionsmuster zumindest phasenweise gleichzeitig auf das zumindest eine Objekt projiziert werden.
Das Verfahren zum Projizieren oder zur Bestimmung von räumlichen Koordinaten kann weiterhin das Erzeugen eines zweiten modulierten Ansteuersignals für die Lichtquelle(n) zum Verändern einer mittleren Helligkeit des von der/den Lichtquelle(n) ausgestrahlten Lichts umfassen.
Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten mindestens eines makroskopischen Gegenstands durch Verwendung aktiver Objektbeleuchtung mittels eines Projektionssystems, bestehend aus zweidimensional angeordneten Projektorclustern oder Projektorgruppen mit einer Vielzahl eindeutig zugeordneter Lichtquellen.
Bei Ausführungsbeispielen ist jede Gruppe von Einzelprojektoren jeweils einer modulierbaren Lichtquelle zugeordnet und kann mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet genau eine Intensitätsverteilung innerhalb des Messobjektraums erzeugen.
Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung in der Lage, einen ultraschnellen Wechsel verschiedener Intensitätsverteilungen auf 8-Bit-Grauwertbasis im Messobjektraum im Kilo- und unteren Megahertzbereich durchzuführen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung in ihrem Effizienzgrad durch eine sehr hohe Beleuchtungsintensität bei einem gleichzeitig sehr kompakten Bauraum, insbesondere einer Bautiefe kleiner 3 cm und eines Footprints eines Projektorclusters (einer Projektorgruppe) kleiner 4 cm² gekennzeichnet.
Die Arrayanordnung der Projektorcluster (Projektorgruppen) kann insbesondere durch eine monolithische Bauweise eine große Unempfindlichkeit gegenüber starken Bewegungen und/oder Beschleunigungen während des Vorgangs der Projektion aufweisen.
Ausführungsbeispiele schaffen auch ein Verfahren zur Erzeugung zusätzlicher Intensitätsverteilungen durch (gewichtete) Überlagerung verschiedener Intensitätsverteilungen im Messobjektraum.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zur kombinierten Auswertung einzelner Intensitätsverteilungen und mindestens zweifach überlagerten Intensitätsverteilungen innerhalb eines Messvorgangs, Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten makroskopischer Objekte.
Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Quelllagenschiebung gleicher Intensitätsverteilungen pro Projektion an verschiedene Orte im Messobjektraum, z. B. innerhalb einer Messebene zum Phasenschieben.
Ausführungsbeispiele schaffen darüber hinaus ein Verfahren zur Kompensation der soeben erwähnten Quelllagenschiebung zur Datenauswertung innerhalb eines Vorgangs zur Objektvermessung bzw. Koordinatenbestimmung im Raum.
Ausführungsbeispiele schaffen auch eine Vorrichtung zur Erhöhung der Projektionsgenauigkeit insbesondere von Intensitätsverteilungen auf Basis trigonometrischer Funktionen gegenüber digital abbildenden Systemen.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist eine Verwendung einer Vorrichtung und/oder eines Verfahrens vorgesehen, wie in den vorhergehenden Absätzen beschrieben, und zwar insbesondere innerhalb hochdynamischer Messsituationen und/oder Umgebungen.
Ausführungsbeispiele sehen auch eine Verwendung einer Vorrichtung und/oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Absätze im Freiluft-Außenbereich unter Vorhandensein signifikant weiterer Beleuchtungsquellen (z. B. Tageslicht, Scheinwerferlicht von Fahrzeugen, etc.) vor.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
In der vorausgehenden detaillierten Beschreibung kann gesehen werden, dass verschiedene Merkmale in Ausführungsbeispielen zusammengruppiert sind. Diese Weise der Offenbarung soll nicht als Absicht verstanden werden, dass die beanspruchten Ausführungsbeispiele mehr Merkmale benötigen, als explizit in dem jeweiligen Anspruch erwähnt sind. Vielmehr ist es so, dass erfinderischer Inhalt in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Ausführungsbeispiels liegen kann. Daher sollen die folgenden Ansprüche hiermit als in die Beschreibung aufgenommen gelten, wobei jeder Anspruch für sich als ein separates Ausführungsbeispiel stehen kann. Obwohl jeder Anspruch für sich als separates Ausführungsbeispiel stehen kann, ist anzumerken, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren Ansprüchen beziehen kann – andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination dieses abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand von jedem anderen abhängigen Anspruch oder eine Kombination von jedem Merkmal mit anderen abhängigen und unabhängigen Ansprüchen umfassen oder einschließen können. Solche Kombinationen sind hierein vorgeschlagen, sofern nicht explizit ausgedrückt ist, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin ist auch beabsichtigt, dass Merkmale eines Anspruches in irgendeinen anderen unabhängigen Anspruch aufgenommen werden können, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig ist von dem unabhängigen Anspruch.
Es ist weiterhin anzumerken, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung implementiert sein können, die Mittel zum Ausführen der jeweiligen Schritte oder Aktionen dieses Verfahrens aufweist.
Weiterhin kann in manchen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt/Aktion in mehrere Unterschritte unterteilt werden oder mehrere Unterschritte enthalten. Derartige Unterschritte können in der Offenbarung des einzelnen Schritts enthalten und Teil der Offenbarung des einzelnen Schritts sein.
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Claims

Projektionssystem zur Projektion zumindest eines Musters auf zumindest ein in einer Messobjektregion befindliches Objekt, wobei das Projektionssystem umfasst: eine erste Lichtquelle; eine zweite Lichtquelle; eine erste Projektorgruppe, die mehrere zweidimensional angeordnete Projektoreinheiten umfasst, wobei jede Projektoreinheit ein statisches Mustererzeugungselement, eine in einer Durchleuchtungsrichtung vor dem statischen Mustererzeugungselement liegende Feldlinse und eine in der Durchleuchtungsrichtung hinter dem statischen Mustererzeugungselement liegenden Projektionslinse umfasst und konfiguriert ist, auf von der ersten Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges Teilmuster zu projizieren, so dass die erste Projektorgruppe der ersten Lichtquelle zugeordnet ist und konfiguriert ist, eine erste Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die ein erstes resultierendes Muster ergeben und somit mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet das erste resultierende Muster innerhalb der Messobjektregion zu erzeugen; und eine zweite Projektorgruppe, die mehrere zweidimensional angeordnete Projektoreinheiten umfasst, wobei jede Projektoreinheit ein statisches Mustererzeugungselement, eine in einer Durchleuchtungsrichtung vor dem statischen Mustererzeugungselement liegende Feldlinse und eine in der Durchleuchtungsrichtung hinter dem statischen Mustererzeugungselement liegenden Projektionslinse umfasst und konfiguriert ist, auf von der zweiten Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges Teilmuster zu projizieren, so dass die zweite Projektorgruppe der zweiten Lichtquelle zugeordnet ist und konfiguriert ist, eine zweite Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die ein zweites resultierendes Muster ergeben und somit mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet das zweite resultierende Muster innerhalb des Messobjektraums zu erzeugen, wobei die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle unabhängig voneinander ansteuerbar sind, so dass das erste resultierende Muster und das zweite resultierende Muster zu verschiedenen Zeiten oder mit verschiedenen Helligkeiten projiziert werden können.
Projektionssystem nach Anspruch 1, wobei ein auf das zumindest eine Objekt projizierte Muster als Gesamtmuster bezeichnet wird, das sich entweder aus der ersten Mehrzahl von Teilmustern ergibt, die von der ersten Projektorgruppe auf das zumindest eine Objekt projiziert werden, oder aus der zweiten Mehrzahl von Teilmustern ergibt, die von der zweiten Projektorgruppe auf das zumindest eine Objekt projiziert werden, oder aus zumindest der ersten Mehrzahl von Teilmustern und der zweiten Mehrzahl von Teilmustern ergibt, die von zumindest der ersten Projektorgruppe als auch der zweiten Projektorgruppe auf das zumindest eine Objekt projiziert werden.
Projektionssystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Teilmuster der zweiten Mehrzahl von Teilmustern verschieden von den Teilmustern der ersten Mehrzahl von Teilmustern sind.
Projektionssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle konfiguriert sind, während eines Zeitintervalls Licht mit variabler unterschiedlicher mittlerer Intensität auszustrahlen, so dass es zu einer gewichteten Überlagerung von zumindest dem ersten resultierenden Muster und dem zweiten resultierenden Muster kommt.
Projektionssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend eine Ansteuerschaltung für die Lichtquelle, wobei die Ansteuerschaltung konfiguriert ist, ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal für die Lichtquelle bereitzustellen.
Projektionssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Projektionssystem mehrere Lichtquellen und mehrere Projektorgruppen umfasst, wobei jede Projektorgruppe einer Lichtquelle zugeordnet ist und die mehreren Projektorgruppen in zumindest einen ersten Projektorcluster und einen zweiten Projektorcluster von Projektorgruppen unterteilt sind, wobei die statischen Mustererzeugungselemente im ersten Projektorcluster unterschiedlich sind von den statischen Mustererzeugungselementen in dem zweiten Projektorcluster.
Projektionssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die jeweiligen Projektoreinheiten von zumindest der ersten Projektorgruppe und der zweiten Projektorgruppe auf unterschiedliche Punkte konvergieren, so dass ein synthetisches Phasenschieben bereitgestellt wird.
Projektionssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Lichtquelle für einen Wechsel einer Intensität des ausgesendeten Lichts mit einer Wechselfrequenz zwischen 1 Hz und 1 MHz konfiguriert ist.
Projektionssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Projektionssystem eine Ausdehnung in einer Ausstrahlungsrichtung des ausgesendeten Lichts von 50 mm oder weniger hat.
Projektionssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest eine Projektorgruppe von erster Projektorgruppe und zweiter Projektorgruppe eine monolithisch integrierte Bauweise oder einen gestapelten Multilagen-Aufbau aufweist.
Projektionssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Projektionssystem mehrere Lichtquellen, mehrere zugeordnete Projektorgruppen und weiterhin eine Steuerung umfasst, die konfiguriert ist, eine Auswahlmenge der mehreren Lichtquellen anzusteuern, um mittels Überlagerung, Aneinanderfügen von Teilmustern oder einer Kombination davon ein bestimmtes Gesamtmuster auf das zumindest eine Objekt zu projizieren.
Projektionssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das erste resultierende Muster und das zweite resultierende Muster Intensitätsverteilungen auf Basis unterschiedlicher trigonometrischer Funktionen ergeben, die bei einer Überlagerung eine Intensitätsverteilung auf Basis einer weiteren unterschiedlichen trigonometrischen Funktion als Gesamtmuster ergeben.
Projektionssystem gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Projektoreinheiten zumindest einer Projektorgruppe statische Mustererzeugungselemente umfassen, die konfiguriert sind, ein Muster, beispielsweise ein Graycode-Muster, auf das zumindest eine Objekt zu projizieren, das für eine Periodenzuordnung innerhalb von weiteren Mustern verwendet werden kann, die von weiteren Projektoreinheiten auf das zumindest eine Objekt projiziert werden.
Projektionssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle jeweils zumindest eine lichtemittierende Diode umfassen.
Messsystem zur Bestimmung von räumlichen Koordinaten mindestens eines Objekts mittels aktiver Objektbeleuchtung durch Projizieren zumindest zwei bekannter Muster auf das zumindest eine Objekt, wobei das Messsystem umfasst: ein Projektionssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13; zumindest eine Kamera und eine Auswerteeinheit, die konfiguriert ist, bei Vorhandensein mehrerer räumlich beabstandeter Projektorgruppen mehrere verschiedene Projektionsgeometrieinformationen zu speichern und bei einer Bestimmung der räumlichen Koordinaten jeweils eine bestimmte Projektionsgeometrieinformation zu verwenden, die der Projektorgruppe oder den Projektorgruppen entspricht, mittels der das von der zumindest einen Kamera erfasste Muster oder Gesamtmuster auf das zumindest eine Objekt projiziert wurde.
Messsystem gemäß Anspruch 15, wobei die Bestimmung der räumlichen Koordinaten eine Triangulation umfasst und wobei eine entsprechende Triangulationsbasis zumindest gebildet wird durch: – das Projektionssystem und die zumindest eine Kamera, oder – die zumindest eine Kamera und zumindest eine weitere Kamera.
Verfahren zum Projizieren zumindest eines Musters auf zumindest ein sich in einer Messobjektregion befindliches Objekt, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen eines ersten Ansteuersignals für eine erste Lichtquelle; Erzeugen eines ersten resultierenden Musters mittels der ersten Lichtquelle und einer ersten zugeordneten Projektorgruppe, die mehrere zweidimensional angeordnete Projektoreinheiten umfasst, wobei jede Projektoreinheit ein statisches Mustererzeugungselement, eine in einer Durchleuchtungsrichtung vor dem statischen Mustererzeugungselement liegende Feldlinse und eine in der Durchleuchtungsrichtung hinter dem statischen Mustererzeugungselement liegenden Projektionslinse umfasst und konfiguriert ist, auf von der ersten Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges Teilmuster zu projizieren, so dass die erste Projektorgruppe der ersten Lichtquelle zugeordnet ist und konfiguriert ist, eine erste Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die ein erstes resultierendes Muster ergeben und somit mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet das erste resultierende Muster innerhalb der Messobjektregion zu erzeugen, Erzeugen eines zweiten Ansteuersignals für eine zweite Lichtquelle; Erzeugen eines zweiten resultierendes Musters mittels der zweiten Lichtquelle und einer zweiten zugeordneten Projektorgruppe, die mehrere zweidimensional angeordnete Projektoreinheiten umfasst, wobei jede Projektoreinheit ein statisches Mustererzeugungselement, eine in einer Durchleuchtungsrichtung vor dem statischen Mustererzeugungselement liegende Feldlinse und eine in der Durchleuchtungsrichtung hinter dem statischen Mustererzeugungselement liegenden Projektionslinse umfasst und konfiguriert ist, auf von der zweiten Lichtquelle ausgesendetes Licht zu wirken und ein jeweiliges Teilmuster zu projizieren, so dass die zweite Projektorgruppe der zweiten Lichtquelle zugeordnet ist und konfiguriert ist, eine zweite Mehrzahl von Teilmustern zu erzeugen, die ein zweites resultierendes Muster ergeben und somit mittels einer strukturgebenden Einheit für sich allein betrachtet das zweite resultierende Muster innerhalb der Messobjektregion zu erzeugen; wobei das Erzeugen des ersten Ansteuersignals und des zweiten Ansteuersignals unabhängig voneinander erfolgt, so dass das erste resultierende Muster und das zweite resultierende Muster zu verschiedenen Zeiten oder gleichzeitig mit verschiedenen Helligkeiten projiziert werden können.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei das Erzeugen des ersten Ansteuersignals umfasst: Erzeugen eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals für die erste Lichtquelle zum Verändern einer mittleren Helligkeit des von der ersten Lichtquelle ausgestrahlten Lichts.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei das erste resultierende Muster und das zweite resultierende Muster Intensitätsverteilungen auf Basis unterschiedlicher trigonometrischer Funktionen ergeben, die bei einer Überlagerung eine Intensitätsverteilung auf Basis einer weiteren unterschiedlichen trigonometrischen Funktion als Gesamtmuster ergeben.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei zumindest eines der ersten und zweiten resultierenden Muster ein Muster darstellt, beispielsweise ein Graycode-Muster, das für eine Periodenzuordnung innerhalb zumindest eines weiteren Musters verwendet werden kann, das als Phasenmuster dient.
Verfahren zur Bestimmung von räumlichen Koordinaten mindestens eines Objekts mittels aktiver Objektbeleuchtung durch Projizieren zumindest eines bekannten Musters auf das zumindest eine Objekt, wobei das Verfahren umfasst: Durchführung des Verfahrens zum Projizieren eines Musters gemäß Anspruch 17 oder 20; Erfassen des auf das zumindest eine Objekt projizierten resultierenden ersten oder zweiten Musters oder eines sich aus diesen ergebenden Gesamtmusters mittels zumindest einer Kamera und Bereitstellen einer entsprechenden optischen Aufnahme; Bestimmen der räumlichen Koordinaten des zumindest einen Objekts aus der optischen Aufnahme, einer bekannten Geometrie der statischen Mustererzeugungselemente und einer räumlichen Anordnung der Projektorgruppe und der zumindest einen Kamera zueinander.
Verfahren gemäß Anspruch 21, weiter umfassend: Abrufen einer gespeicherten Projektionsgeometrieinformation, die der ersten Projektorgruppe, der zweiten Projektorgruppe oder den ersten und zweiten Projektorgruppen entspricht, mittels der das resultierende Muster oder Gesamtmuster auf das zumindest eine Objekt projiziert wurde; und Verwenden der abgerufenen Projektionsgeometrieinformation bei einer Bestimmung der räumlichen Koordinaten.
Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, wobei die Bestimmung der räumlichen Koordinaten eine Triangulation umfasst und wobei eine entsprechende Triangulationsbasis zumindest gebildet wird durch: – das Projektionssystem und die zumindest eine Kamera, oder – die zumindest eine Kamera und zumindest eine weitere Kamera.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch einem der Ansprüche 17 bis 23, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.