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Die vorliegende Anmeldung betrifft Sensorvorrichtungen für Unterwasseranwendungen, mit einer derartigen Sensorvorrichtung ausgestattete Unterwasserfahrzeuge, insbesondere Tauchroboter, sowie entsprechende Verfahren.
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Ferngesteuerte, unbemannte Tauchroboter (auch kurz als ROV vom Englischen „Remotely Operated Vehicle” bezeichnet) werden für Installationen, Inspektionen oder Wartungsarbeiten an Strukturen unter Wasser verwendet, insbesondere bei Strukturen, zu welchen Industrietaucher keinen Zugang haben. Beispielsweise werden Arbeiten bei Wassertiefen größer als etwa 100 m im Regelfall ausschließlich mit derartigen Tauchrobotern durchgeführt.
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Ein derartiger Tauchroboter weist vereinfacht drei Komponenten auf: ein Trägersystem, welches beispielsweise einen Antrieb für den Tauchroboter aufweisen kann, eine Sensorvorrichtung und Manipulatoren oder Werkzeuge. Von der Sensorvorrichtung aufgenommene Sensordaten werden einem Operator des Tauchroboters beispielsweise als Videosignale übermittelt und beispielsweise aufbereitet auf einer Anzeige dargestellt. Auf Basis dieser ihm dargestellten Information gibt der Operator Steuerbefehle an den Tauchroboter, welcher diese Steuerbefehle in Bewegungen des Trägersystems und/oder Aktionen der Manipulatoren oder Werkzeuge umsetzt.
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Für die Effizienz solch einer Arbeitsweise ist es mit entscheidend, in welcher Qualität die Sensordaten verfügbar sind, auf deren Grundlage der Operator den Tauchroboter steuert.
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Herkömmlicherweise werden als Sensorvorrichtungen an Tauchrobotern Videosysteme, SONARe, teilweise auch bildgebende SONARe, oder scannende Laserentfernungsmesser eingesetzt.
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Videosysteme messen mit einem Bildsensor eine optische Reflektivität einer aufgenommenen Szene und liefern damit flächenhafte Informationen. Bilder entstehen dabei aus den Kontrasten der Reflektivität. Manche Strukturen in marinem Umfeld, beispielsweise sedimentbesetzte Strukturen, bieten aber häufig nur sehr schwache Kontraste, so dass Formen nur schwer erkennbar sind. Videosysteme weisen zudem typischerweise eine Beleuchtungsvorrichtung auf, welche die aufzunehmende Szene beleuchtet. Dies kann zu Streulicht führen, welches beispielsweise durch Schwebstoffe oder Trübungen in einem beleuchteten Wasserkegel entsteht. Dieses Streulicht überlagert auf dem Sensor die Signale, welche von der aufzunehmenden Szene herrühren, wodurch ein möglicherweise ohnehin geringer Kontrast weiter verschlechtert wird. Bei zu großen Mengen an Schwebstoffen im Wasser kann ein Videosystem völlig versagen. In diesem Fall muss der Operator beispielsweise seine Arbeit unterbrechen und ein Absetzen der Schwebstoffe abwarten.
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Scannende Laserentfernungsmesser arbeiten ebenfalls optisch, liefern jedoch eine andere Art von Rohdaten. Insbesondere generieren scannende Laserentfernungsmesser eine dreidimensionale Punktwolke basierend auf jeweiligen Abständen zu Oberflächen in Sichtlinie des Sensors bzw. in Richtung einer momentanen Ausrichtung eines verwendeten Lasers. In einem daraus generierten Bild entsteht Kontrast im Gegensatz zu Videosystemen aus Unterschieden des Abstandes einzelner Merkmale von Objekten einer Unterwasserszene zum Sensor, also einer Topographie der Unterwasserszene. Auch diese Systeme leiden unter von Schwebstoffen rückgestreutem Licht, was ebenfalls zum kompletten Ausfall der Sensorvorrichtung führen kann. Eine verbleibende effektive Sichtweite bei einer konstanten Trübung des Wassers durch Schwebstoffe ist für derartige Laserentfernungsmesser vergleichbar mit der eines Videosystems. Zudem existieren laufzeitmessende Laserentfernungsmesser, die im Prinzip anhand der Laufzeit auch Streulicht vom Licht eines gerade vermessenen Objekts unterscheiden können. Allerdings benötigen derartige Systeme einen Mindestabstand von Objekt von einigen zehn Metern und erreichen eine Tiefenauflösung von lediglich etwa 10 cm.
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SONAR (vom Englischen „Sound Navigation And Ranging”) ist ein akustisches Verfahren zur Abstandsbestimmung unter Wasser. Es ist sehr verbreitet im militärischen Bereich, wird aber auch in der zivilen Schifffahrt zur Messung der Wassertiefe oder zum Aufspüren von Fischschwärmen eingesetzt. Mit SONAR-Vorrichtungen wird ebenfalls eine Topographie einer Szene bestimmt. Dank den eingesetzten Schallfrequenzen werden SONAR-Vorrichtungen praktisch nicht durch Trübungen und Schwebstoffe behindert. Damit umgehen derartige Sensorvorrichtungen die oben beschriebenen Nachteile optischer Systeme. Allerdings weisen auch SONAR-Vorrichtungen Einschränkungen auf, die ihren Einsatz in Tauchrobotern einschränken. Diese betreffen vor allem die Auflösung (typischerweise größer 25 mm), den minimal möglichen Arbeitsabstand (einige zehn Meter) und den Energieverbrauch (einige hundert Watt) typischer SONAR-Vorrichtungen. Gerade für Einsätze mit Manipulation an Installationen sind SONAR-Vorrichtungen daher kaum geeignet, da derartige Anwendungen üblicherweise eine Sensorvorrichtung erfordern, welche einen Arbeitsabstand kleiner als 10 m aufweist, z. B. im Bereich von 3 m oder weniger.
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Aus der
WO 2012-050775 A1 ist ein optisches Interferometer-System variabler Sensitivität bekannt, welches auch zum Einsatz unter Wasser verwendet werden kann. Die
US 3,278,753 A offenbart ein Unterwasserdeketionssystem, bei welchem zurückgestreutes Licht detektiert wird.
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Ein weiteres Interferenzsystem für Unterwasserbeobachtungen ist aus der
US 4,193,088 A bekannt.
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Die
US 6,495,833 B1 setzt ein Interferenzverfahren, insbesondere die optische Kohärenztomographie, ein, um unter einer Oberfläche, insbesondere unter einer Bemalung, liegende Schichten eines Werkstücks zu analysieren.
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Weitere Interferometrie-Messanordnungen sind aus der
US 7,920,270 B2 oder der
US 2011/0043661 A1 bekannt, wobei letztere auch eine optische Kohärenztomographie benutzt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorvorrichtung für Unterwasseranwendungen bereitzustellen, welche die oben beschriebenen Nachteile ganz oder zumindest teilweise vermeidet und insbesondere in einem für Manipulatoren und Werkzeuge an Tauchrobotern geeigneten Arbeitsabstand, beispielsweise bis zu 3 m, arbeitet, eine hinreichend gute optische Auflösung bietet, möglichst topographische Informationen liefert und möglichst wenig unter Streulicht von Schwebstoffen leidet.
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Diesbezüglich wird eine Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 13 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
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Erfindungsgemäß wird eine Sensorvorrichtung für Unterwasseranwendungen bereitgestellt, umfassend eine Interferenzmessanordnung zum Detektieren einer Interferenz zwischen einem Referenzlichtstrahl und einem von einem Unterwasserobjekt reflektierten Messlichtstrahl.
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Derartige Interferenzmessanordnungen sind bei anderen Anwendungen, insbesondere medizinischen Anwendungen, in Verwendung. Es hat sich herausgestellt, dass derartige herkömmliche Interferenzmessanordnungen aus der Medizintechnik mit relativ geringfügigen Änderungen für Unterwasseranwendungen geeignet gemacht werden können. Beispielsweise kann ein Durchstimmbereich, eine Wellenlänge und/oder Kohärenzlänge einer verwendeten Lichtquelle, insbesondere einer Laserlichtquelle, entsprechend angepasst werden, z. B. um einen geeigneten Arbeitsabstand sicherzustellen. Zu bemerken ist, dass die Begriffe „Lichtstrahl” und „Licht” sich nicht notwendigerweise auf Licht im sichtbaren Bereich beziehen, sondern auch Licht in anderen Spektralbereichen, z. B. ultraviolettes Licht oder Infrarotlicht, umfassen können.
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Die Interferenzmessanordnung kann dabei beispielsweise als Weißlichtinterferometer oder als optische Kohärenztomographievorrichtung (OCT, vom Englischen „Optical Coherence Tomography”) eingerichtet sein. Verschiedene Arten der optischen Kohärenztomographie können dabei verwendet werden, beispielsweise optische Kohärenztomographie im Zeitbereich (Time Domain OCT), optische Kohärenztomographie im Fourier-Bereich (Fourier Domain OCT) oder optische Kohärenztomographie, bei welcher eine Wellenlänge der Lichtquelle kontinuierlich durchgestimmt wird (englisch „Swept Source OCT”).
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Zum Abrastern eines Objekts oder einer Szene kann dabei insbesondere das Objekt oder eine Unterwasserszene mit mehreren Objekten mit einem Messlichtstrahl abgerastert werden, beispielsweise mittels eines beweglichen Spiegels wie eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) oder einer anderen zur Ablenkung geeigneten Einrichtung. Verschiedene Arten von Detektoren können zum Detektieren der Interferenz zum Einsatz kommen, beispielsweise CCD-Sensoren, CMOS-Sensoren, Photomultiplier, pin-Dioden, Avalanche-Photodioden (APD) oder dergleichen. Ein derartiger Detektor kann spektral selektiv oder breitbandig sein und mit einem Beugungsgitter ausgerüstet sein. Es kann ein Einzeldetektor vorgesehen sein, es können jedoch auch mehrere Detektorzellen in einer Detektorzeile oder einem Detektorfeld angeordnet sein.
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Mit derartigen Vorrichtungen lässt sich bei manchen Ausführungsbeispielen bei einem Arbeitsabstand von 3 m eine Tiefenauflösung von 1 mm erreichen.
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Die Sensorvorrichtung weist weiter eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der gemessenen Interferenz auf. Die Auswerteeinrichtung ist eingerichtet, anhand einer Intensität des Signals zwischen Reflexionen von Schwebstoffen oder Trübungen und Reflexionen von relevanten Oberflächen von Strukturen zu unterscheiden. Hierdurch kann eine Beeinflussung einer Messung durch Schwebstoffe oder Trübungen reduziert oder sogar beseitigt werden.
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Die von der Interferenzmessanordnung detektierte Interferenz kann von der Auswerteeinrichtung zu zweidimensionalen Bilder und/oder zu dreidimensionalen Darstellungen von Oberflächen verarbeitet werden. Auf Basis der detektierten Interferenz kann auch ein dreidimensionales Modell erstellt werden und mit vorab gespeicherten Daten, beispielsweise CAD-Daten, verglichen werden. Hiermit können beispielsweise Abweichungen eines Unterwasserobjekts von den gespeicherten Daten, beispielsweise Planungsdaten des Unterwasserobjekts, detektiert werden.
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Detailliertere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Tauchroboters gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 ein Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
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3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die im Folgenden detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich zur Veranschaulichung von Implementierungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung gedacht und sind nicht als den Bereich der Erfindung einschränkend auszulegen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Auf der anderen Seite ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Implementierung von Ausführungsbeispielen der Erfindung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale zu den dargestellten aufweisen.
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In 1 ist ein Tauchroboter 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, welcher über eine Fernsteuereinrichtung 19 von einem Operator fernsteuerbar ist.
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Der Tauchroboter 10 umfasst einen Träger 11. Der Träger 11 ist mit einem Antrieb 12, beispielsweise einem Schraubenantrieb und entsprechenden Rudern, und mit einer Schnittstelle 13 ausgestaltet. Über die Schnittstelle 13 kann der Tauchroboter 10 über ein oder mehrere Kabel 104 Daten mit der Fernsteuereinrichtung 19 austauschen. Zu diesem Zweck verfügt die Fernsteuereinrichtung 19 über eine entsprechende Schnittstelle 103. Beispielsweise kann so über Signale der Antrieb 12 angesteuert werden, um den Träger 11 und somit den gesamten Tauchroboter 10 nach Wunsch zu bewegen.
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An dem Träger 11 ist weiterhin eine Sensorvorrichtung 14 dargestellt. Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die Sensorvorrichtung 14 eine Interferenzmessanordnung auf, um mittels eines Messlichtstrahls 18 eine Unterwasserszene oder einen Teil hiervon, beispielsweise ein Unterwasserobjekt 17, zu vermessen. Ein Ergebnis dieser Vermessung, beispielsweise Rohdaten oder bereits in dem Tauchroboter 10 verarbeitete Daten, kann dann über die Schnittstelle 13 zu der Fernsteuereinrichtung 19 übertragen werden. Ausführungsbeispiele derartiger Sensorvorrichtungen mit Interferenzmessanordnungen werden später unter Bezugnahme auf 2 detaillierter erläutert. Die Messanordnung kann in einem entsprechenden wasserdichten Gehäuse untergebracht sein.
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An dem Träger 11 ist weiterhin ein Roboterarm 15 mit einem Werkzeug 16 angebracht. Mittels des Roboterarms 15 und des daran angebrachten Werkzeugs 16 kann beispielsweise das Unterwasserobjekt 17 bearbeitet werden, beispielsweise zu Wartungszwecken bei Unterwasserstrukturen oder Unterwassereinrichtungen, zur Entnahme von Proben wie Gesteinsproben und dergleichen. Bewegungen des Roboterarms 15 und des Werkzeugs 16 können ebenfalls von einem Operator über die Schnittstelle 13 mittels der Fernsteuereinrichtung 19 gesteuert werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch mehr als ein Roboterarm 15 vorgesehen sein, und/oder es können verschiedene Werkzeuge 16 oder Manipulatoren an einem Roboterarm bereitgestellt sein.
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Von der Sensorvorrichtung 14, insbesondere deren Interferenzmessanordnung, detektierte Interferenzmuster können ausgewertet werden (beispielsweise in dem Tauchroboter 10 und/oder in der Fernsteuereinrichtung 19) und auf einer Anzeige 101 der Fernsteuereinrichtung 19 visualisiert werden. Basierend auf dieser Visualisierung, beispielsweise einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen Visualisierung, kann der Operator über eine Eingabeeinrichtung 102 der Fernsteuereinrichtung 19 den Tauchroboter 10 steuern, beispielsweise den Antrieb 12, den Roboterarm 15 oder das Werkzeug 16. Die Eingabeeinrichtung 102 kann hierzu herkömmliche Eingabeelemente wie eine Tastatur, einen Steuerknüppel, und dergleichen umfassen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die Anzeige 101 auch einen berührungsempfindlichen Bildschirm umfassen, welcher dann gleichzeitig die Eingabeeinrichtung 102 oder einen Teil hiervon bildet.
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Die Interferenzmessanordnung der Sensorvorrichtung 14 kann beispielsweise auf Basis einer Weißlichtinterferenz oder einer optischen Kohärenztomographie (OCT) arbeiten. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Sensorvorrichtung zusammen mit einer Auswerteeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in 2 schematisch dargestellt. Die Sensorvorrichtung der 2 umfasst insbesondere eine im Zeitbereich arbeitende OCT-Messanordnung. Wie später näher erläutert werden wird, können auch andere Arten von OCT-Messanordnungen oder andere Interferenzmessanordnungen verwendet werden.
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Die Vorrichtung der 2 umfasst eine Lichtquelle 20, insbesondere eine Laserlichtquelle. Allgemein können als Laserlichtquelle beispielsweise Festkörperlaser, Faserlaser oder Hableiterlaser verwendet werden. Emittiertes Laserlicht kann beispielsweise in einem Wellenlängenbereich von 400 bis 550 nm aufweisen. Dieser Wellenlängenbereich ist für Unterwasseranwendungen besonders geeignet, da Wasser in diesem Spektralbereich seine geringste Absorptionsstärke aufweist. Beispielsweise kann ein frequenzverdoppelter ND:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm verwendet werden. Eine Kohärenzlänge der Laserlichtquelle liegt dabei bevorzugt in einem Bereich größer oder gleich 5 m, bevorzugt größer oder gleich 10 m. Wird bei manchen Anwendungen eine Durchstimmbarkeit der Lichtquelle 20 benötigt, beispielsweise bei manchen Arten der optischen Kohärenztomographie, liegt ein Durchstimmbereich bevorzugt in einer Größenordnung von etwa 100 GHz, beispielsweise größer 50 GHz. Mit einer derartigen Auslegung der Lichtquelle 20 ist die Vorrichtung für einen Unterwassereinsatz geeignet, insbesondere bei Tauchrobotern. Während bei herkömmlichen in der Medizintechnik eingesetzten Anordnungen zur optischen Kohärenztomographie ein Arbeitsabstand im Bereich von 3 mm und eine Auflösung im Bereich von 1 μm liegt, kann mit einer derartigen Auflösung ein Arbeitsabstand in der Größenordnung von 3 m bei einer Auflösung in der Größenordnung von 1 mm erzielt werden, was die Interferenzmessanordnung geeignet zur Anwendung bei Tauchrobotern wie beispielsweise in 1 beschrieben macht.
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Von der Lichtquelle 20 emittiertes Licht wird über eine optische Faser, beispielsweise eine Glasfaser, zu einem Faserkoppler 21 geleitet. Der Faserkoppler 21 spaltet das von der Lichtquelle 20 erzeugte Licht in einen Referenzlichtstrahl und einen Messlichtstrahl auf. Der Referenzlichtstrahl 21 wird über eine weitere optische Faser und eine Optik 22 zu einem Spiegel 23 gelenkt. Der Spiegel 23 reflektiert den Referenzlichtstrahl über die Optik 22 zurück zu dem Faserkoppler 21. Wie durch einen Pfeil 218 angedeutet ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Spiegel 23 beweglich, so dass eine optische Weglänge des Pfades des Referenzlichtstrahls variiert werden kann.
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Während die Optik 22 sowie weitere nachfolgend erwähnte Optiken zur Vereinfachung in 2 als einzige Linse dargestellt ist, können derartige Optiken auch mehrere Linsen und/oder andere optische Elemente aufweisen. Die verwendeten Optiken, beispielsweise eine Optik 27, werden ebenfalls verglichen mit medizinischen Anwendungen auf den für Unterwasseranwendungen erforderlichen Arbeitsabstand angepasst.
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Der Messlichtstrahl wird von dem Faserkoppler über eine Glasfaser, eine Optik 24 und einen feststehenden Spiegel 25 zu einem beweglichen Spiegel 26 oder anderen beweglichen Element gelenkt. Von dem beweglichen Spiegel 26 reflektiertes Licht wird über eine Optik 27 zu einem Unterwasserobjekt 28 einer Unterwasserszene gelenkt. Der bewegliche Spiegel 26 ist wie durch einen Pfeil 219 angedeutet beweglich und wird zur Bewegung von einer Scansteuerung 210 angesteuert, um das Unterwasserobjekt 28 oder einen anderen Bereich einer interessierenden Unterwasserszene abzurastern. Der bewegliche Spiegel 219 kann dabei beispielsweise als mikroelektromechanisches System (MEMS), als Galvo-Spiegel oder als Polygonspiegel ausgestaltet sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann bei der Strahlablenkung ein akustooptischer Modulator (AOM) oder ein elektro-optischer Modulator (EOM) eingesetzt werden. Der bewegliche Spiegel 26 und die Scansteuerung 210 können dabei derart ausgelegt sein, dass beispielsweise pro Sekunde einige hunderttausend axiale Schnitte aufgezeichnet werden können, wobei auch bei anderen Ausführungsbeispielen geringere Abtastgeschwindigkeiten möglich sind.
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Zu beachten ist auch, dass das optische System zur Strahlablenkung anders aufgebaut sein kann als in 2 dargestellt. Beispielsweise kann der Spiegel 25 und/oder die Optik 27 weggelassen sein, und der Messlichtstrahl kann beispielsweise direkt von einer Optik wie der Optik 24 zu einem beweglichen Element zur variablen Strahlablenkung wie dem beweglichen Spiegel 26 gelangen.
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Von dem Unterwasserobjekt 28 reflektiertes Licht gelangt auf dem umgekehrten Lichtweg, d. h. über die Optik 27, den beweglichen Spiegel 26, den Spiegel 25 und die Optik 24 wieder zu dem Faserkoppler 21. Dort interferiert der reflektierte Messlichtstrahl mit dem von dem Spiegel 23 reflektierten Referenzlichtstrahl. Die Überlagerung des reflektierten Messlichtstrahls und des reflektierten Referenzlichtstrahls wird über eine optische Faser zu einem Detektor 29 gelenkt, um die Interferenz zu detektieren.
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Verschiedene Arten herkömmlicher Detektoren können dabei zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann der Detektor 29 eine Avalanche-Photodiode, eine pin-Diode, einen Photomultiplier, einen CCD-Sensor und/oder einen CMOS-Sensor umfassen. Der Detektor kann spektral selektiv ausgelegt sein, insbesondere für eine Wellenlänge der Lichtquelle 20 empfindlich ausgelegt sein, um so beispielsweise Licht von anderen Quellen ausschließen zu können. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Detektor 29 auch als breitbandig empfindlicher Detektor ausgelegt sein. Die spektrale Selektivität kann beispielsweise durch ein (nicht dargestelltes) vor dem Detektor 29 angeordnetes Filter realisiert werden. Es kann ein Einzeldetektor bereitgestellt werden, beispielsweise eine einzige Avalanche-Photodiode oder pin-Diode. Es kann jedoch auch eine zeilenförmige oder feldförmige Anordnung derartiger Detektorelemente bereitgestellt sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen, beispielsweise bei später noch zu diskutierenden optischen Kohärenztomographiemessanordnungen, welche im Fourier-Bereich arbeiten, kann ein Beugungsgitter vor dem Detektor 29 angeordnet sein.
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Die mit dem Detektor 29 detektierte Interferenz wird einer Auswerteeinrichtung 211 zugeführt, welche die detektierte Intensität mit einer z-Position, welche sich aus der Position dese Spiegels 23 ergibt, korrelieren und somit ein Signal I(z) ausgeben. Die Auswerteeinrichtung 211 wandelt das Signal von dem Detektor 29 insbesondere in Abhängigkeit von der Position des Spiegels 23 in eine Rückstreustärke als Funktion von z, d. h. dem Abstand des vermessenen Objekts 28 (oder anderer Rückstreuquelle) von der Messanordnung. Diese Wandlung erfolgt in einer von medizinischen OCT-Vorrichtungen grundsätzlich bekannten Weise. Zusammen mit einer Stellung des beweglichen Spiegels 26, welcher eine Abrastposition in x- und y-Richtung einstellt, ergeben sich somit in einer Einrichtung 212 Rohdaten, welche die von dem Detektor 29 gemessene Intensität I in Abhängigkeit von x, y, z, d. h. I(x, y, z) umfassen, was einer Punktwolke entspricht.
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Zu bemerken ist, dass die dargestellte Messanordnung das Licht teilweise mittels optischer Fasern zu den verschiedenen Elementen leitet. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die optischen Fasern auch ganz oder teilweise durch eine Freistrahloptik ersetzt sein.
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Die Rohdaten I(x, y, z), d. h. die Rückstreuintensität für ein jeweiliges Raumelement, kann beispielsweise in einem Speicher 213 abgelegt werden. Der Speicher 213 kann dabei einen Festkörperspeicher, eine Festplatte, einen optischen Datenträger und/oder andere herkömmliche Speichereinrichtungen umfassen.
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Zudem können die Rohdaten in Einrichtungen 214–217 ausgewertet werden.
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In einer Einrichtung 214 werden auf Basis der Rohdaten eine Oberflächenerkennung und/oder ein Rendering durchgeführt. Zur Erkennung der Oberfläche kann dabei insbesondere das stärkste Rückstreusignal, d. h. diejenige Stelle z, bei welcher I(z) für gegebenes x und y sein Maximum hat, als Oberflächenposition z für dieses gegebene x und y definiert werden. Dabei wird ausgenützt, dass Rückstreuung von Schwebstoffen oder anderen Trübungen im Regelfall deutlich schwächer sind als Rückstreuungen von festen Oberflächen. Somit können auf diese Weise Strukturen durch trübe Medien hindurch detektiert werden.
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Auf Basis der in der Einrichtung 214 erkannten Oberfläche können verschiedene weitere Auswertungen und Darstellungen erzeugt werden. Beispielsweise kann in einer Einrichtung 215 eine zweidimensionale Visualisierung der vermessenen Szene oder eines vermessenen Unterwasserobjekts erzeugt werden, und/oder es kann in einer Einrichtung 216 eine dreidimensionale Visualisierung erzeugt werden. Derartige Visualisierungen können dann auf einer Anzeige wie der Anzeige 101 der 1 einem Operator dargestellt werden, welcher dann auf Basis dieser Visualisierungen einen Tauchroboter wie den Tauchroboter 10 der 1 steuern kann. Zudem kann in einer Einrichtung 217 ein dreidimensionales Modell der abgerasterten Unterwasserszene, beispielsweise des abgetasteten Szene, beispielsweise des abgetasteten Unterwasserobjekts 28, erstellt werden, beispielsweise in Form einer Punktwolke, welche eine Oberfläche des Objekts beschreibt. Dieses dreidimensionale Modell kann dann beispielsweise mit zuvor abgespeicherten Daten, beispielsweise CAD-Daten, verglichen werden. Auf diese Weise können Abweichungen des Objekts von den gespeicherten Daten erfasst werden, was beispielsweise auf eine Beschädigung hinweisen kann, welche dann mittels eines Tauchroboters behandelt werden kann. Die zuvor abgespeicherten Daten können auch beispielsweise ein bei einer vorherigen Inspektion des Objekts ermitteltes 3D-Modell sein, um beispielsweise Änderungen von untersuchten Unterwasserobjekten nachverfolgen zu können.
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Zu bemerken ist, dass die verschiedenen Einrichtungen zur Auswertung, insbesondere die Einrichtungen 211, 212 sowie 214 bis 217, nicht getrennt implementiert sein müssen, sondern auch zwei oder mehr dieser Einrichtungen in einer gemeinsamen Einheit implementiert sein können, beispielsweise in einem entsprechend programmierten Mikroprozessor oder einer anderen Rechnereinrichtung. Die Auswertung dieser Einrichtungen kann ganz oder teilweise bei der Messanordnung, beispielsweise innerhalb der Sensorvorrichtung 14 der 1 oder in dem Tauchroboter 10 der 1 vorgesehen sein, kann aber auch ganz oder teilweise in einer entfernten Einrichtung wie der Fernsteuereinrichtung 19 durchgeführt werden. In anderen Worten können beispielsweise über die Schnittstelle 13 der 1 bei manchen Ausführungsbeispielen Rohdaten übertragen werden, während bei anderen Ausführungsbeispielen auch bereits ausgewertete Daten übertragen werden können.
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Zudem ist zu bemerken, dass bei manchen Ausführungsbeispielen nur manche der dargestellten Arten der Auswertung implementiert sein können. Beispielsweise kann nur eine oder können nur zwei der Einrichtungen 215, 216 und 217 vorgesehen sein, oder Rohdaten der Messung können auf andere Weise als dargestellt ausgewertet werden.
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Die Interferenzmessanordnung des Ausführungsbeispiels der 2 ist als eine im Zeitbereich arbeitende optische Kohärenztomographieeinrichtung eingerichtet. Es können jedoch auch andere Interferenzmessanordnungen, insbesondere auch andere Arten optischer Kohärenztomographie, verwendet werden. Beispielsweise kann statt einer im Zeitbereich arbeitenden optischen Kohärenztomographieanordnung eine im Fourier-Bereich, d. h. Frequenzbereich arbeitende optische Kohärenztomographieeinrichtung verwendet werden. Hierfür kann statt des beweglichen Spiegels 23 ein feststehender Spiegel verwendet werden, und vor dem Detektor 29 kann ein Beugungsgitter angeordnet sein, um eine frequenzaufgelöste Detektion der Interferenz in dem Detektor 29 zu ermöglichen, d. h. eine nach Wellenlängen getrennte Interferenz. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen kann eine optische Kohärenztomographie mit durchgestimmter Wellenlänge (englisch „Swept Source OCT”) verwendet werden. Hierzu wird eine Wellenlänge des von der Lichtquelle 20 emittierten Lichtes kontinuierlich verändert. Über einen Zirkulator kann einem entsprechenden Detektor dann zusätzlich zu dem Interferenzmuster direkt der Anregungslichtstrahl zu Referenzzwecken zugeführt werden. Hierfür kann die Lichtquelle 20 wie bereits erwähnt einen Durchstimmbereich in der Größenordnung von 100 GHz bei einer Kohärenzlänge von etwa 10 m aufweisen.
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Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen können andere Interferenzmessanordnungen verwendet werden, beispielsweise eine Weißlichtinterferenzmessanordnung. Zudem können auch an anderen Stellen Detektoren eingesetzt werden, beispielsweise zur Messung einer Intensität des von der Lichtquelle 20 ausgehenden Lichtstrahls, oder zu anderen Zwecken. Während bei dem Ausführungsbeispiel der 2 der Detektor 29 vom Objekt 28 aus gesehen hinter dem beweglichen Spiegel 26 angeordnet ist (auch als de-scanned Detektion bezeichnet), kann der Detektor 29 bei anderen Ausführungsbeispielen auch vor dem beweglichen Spiegel 26 angeordnet sein, beispielsweise indem Licht zur Detektion vor dem beweglichen Spiegel 26 z. B. mittels eines Strahlteilers ausgekoppelt wird (auch als scanned Detektion bezeichnet). Im ersten (dargestellten) Fall steht das Abbild des angemessenen Objektpunktes auf dem Detektor still, was einen Einsatz eines kleinen Detektors ermöglicht und eine spektral aufgelöste Detektion erleichtern kann. Im zweiten Fall bewegt sich das Abbild des Objektpunktes, d. h. des Punktes, an dem der Messlichtstrahl auf dem Objekt 28 auftritt, über den Detektor, was die Verwendung eines entsprechend großen Detektors erfordert.
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Da diese verschiedene Arten von Interferenzmessanordnungen für sich genommen aus der Medizintechnik für Gewebeuntersuchungen bei geringen Arbeitsabständen bekannt sind, werden sie nicht nochmals detailliert erläutert. Wie oben bemerkt können derartige herkömmliche Anordnungen insbesondere durch entsprechende Anpassung der verwendeten Lichtquelle und/oder der verwendeten Optiken für den Einsatz bei Unterwasseranwendungen angepasst werden, d. h. geeignet gemacht werden.
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In 3 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Verfahren der 3 kann beispielsweise mittels der unter Bezugnahme auf 1 und 2 diskutierten Vorrichtungen implementiert sein. Verschiedene Abwandlungen und Modifikationen, welche in Bezug auf die Vorrichtungen der 1 und 2 diskutiert wurden, sind in entsprechender Weise auch auf das Verfahren der 3 anwendbar.
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In einem Schritt 30 wird ein Unterwasserobjekt, beispielsweise das Unterwasserobjekt 28, oder mehrere Unterwasserobjekte einer Unterwasserszene mit kohärentem Licht beleuchtet. Insbesondere kann das Unterwasserobjekt mit einem kohärentem Messlichtstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, abgerastert werden. Von dem Unterwasserobjekt zurückgeworfenes Licht wird mit einem Referenzlichtstrahl überlagert, und in Schritt 31 wird ein so entstehendes Interferenzmuster detektiert. Dabei kann beispielsweise bei einer optischen Kohärenztomographie im Zeitbereich eine optische Weglänge des Referenzlichtstrahls beispielsweise mit einem beweglichen Spiegel variiert werden, oder bei einer optischen Kohärenztomographie im Fourier-Bereich kann das Interferenzmuster vor der Detektion beispielsweise mit einem Gitter spektral aufgespalten werden. Auch kann das zur Beleuchtung des Unterwasserobjekts verwendete Licht spektral durchgestimmt werden.
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In Schritt 32 wird das so detektierte Interferenzmuster ausgewertet, beispielsweise wie unter Bezugnahme auf 2 detailliert erläutert.
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Wie aus den obigen Beschreibungen von Varianten der Ausführungsbeispiele ersichtlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Diese sind daher nur als Veranschaulichung zu verstehen.
