DE102016212266B4

DE102016212266B4 - Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene

Info

Publication number: DE102016212266B4
Application number: DE102016212266.5A
Authority: DE
Inventors: Jens Schick; Uwe Weigele
Original assignee: Myestro Interactive GmbH
Current assignee: Tripleye De GmbH
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2036-07-06
Also published as: DE102016212266A1

Abstract

Vorrichtung (1; 17; 22; 31; 32; 33; 36; 37; 39; 42; 44; 51; 52; 55; 59) zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes (2, 3) von einer Referenzebene (4a)
- mit einer abbildenden Optik (4), mit der Abbildungslicht (6) geführt ist, zur Abbildung des Objektes (2, 3) in eine Bildebene (8),
- mit einem im Strahlengang des Abbildungslichts (6) der abbildenden Optik (4) nachgeordneten Rasterelement-Array (9; 40; 53) mit mindestens einem Rasterelement (10; 54), welches zumindest zeitweise in eine Rasterelement-Position in einer Rasteranordnung (x, y) bringbar ist, wobei das mindestens eine Rasterelement (10; 54) zwischen mindestens zwei Schaltstellungen umstellbar ist,
- mit mindestens einem dem Rasterelement-Array (9; 40; 53) im Strahlengang des Abbildungslichts (6) nachgeordneten Fotosensor (12; 64; 78),
- wobei der Fotosensor (12; 64; 78) zumindest einer Gruppe (30) von Rasterelement-Positionen zugeordnet ist,
- wobei in einer ersten der mindestens zwei Schaltstellungen des Rasterelements (10; 54), nämlich in der Fotosensor-Schaltstellung (10a), das Abbildungslicht (6) vom Rasterelement (10; 54) hin zum zugeordneten Fotosensor (12; 64; 78) geführt ist,
- wobei in einer weiteren der mindestens zwei Schaltstellungen des Rasterelements (10; 54), nämlich in der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung (10b), das Abbildungslicht (6) vom Rasterelement (10; 54) so geführt ist, dass es nicht auf den zugeordneten Fotosensor (12; 64; 78) trifft,
- mit einer Steuereinrichtung (16), die mit dem Rasterelement-Array (9; 40; 53) in Signalverbindung steht,
- wobei die Rasterelement-Positionen einer jeweiligen Gruppe (30) über die Steuereinrichtung (16) sequenziell so angesteuert sind, dass während eines Messzeitraums nicht mehr als genau ein Rasterelement (10; 54) innerhalb der Gruppe (30) von Rasterelement-Positionen in der Fotosensor-Schaltstellung (10a) vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Distanz eines Objektes von einer Referenzebene.
Eine derartige Vorrichtung ist bekannt aus der WO 2012/110 924 A1 . Aus der WO 2016/092 451 A1 ist ein optischer Detektor bekannt. Zudem ist ein Verfahren zur Pixelsteuerung wenigstens eines räumlichen Modulators für Licht (Spatial Light Modulator, SLM) beschrieben. Aus dem Datenblatt „1.3-MEGAPIXEL CMOS ACTIVE-PIXEL DIGITAL IMAGE SENSOR MT9M413“ des Unternehmens Micron Technology, Inc., Version 3.0 1/04 EN, 2004, ist ein CMOS-Bildsensor bekannt. Die US 2011/0 134 249 A1 offenbart ein Sensorsystem zur optischen Detektion und Entfernungsbestimmung.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der Distanz eines Objektes von einer Referenzebene derart weiterzubilden, dass Anforderungen an einen Fotosensor und an eine Auswertung eines Fotosignals reduziert sind.
Diese Aufgabe ist gemäß einem ersten Aspekt erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Das Rasterelement-Array wirkt bei dieser Vorrichtung als Lichtdiskriminator, der sicherstellt, dass nur Abbildungslicht auf den Fotosensor trifft, welches eine Rasterelement-Position eines Rasterelements in der Fotosensor-Schaltstellung erreicht. Hierüber lässt sich eine effektive Auswahl eines Objektbereiches erzielen. Das Rasterelement-Array kann benachbart zu einer Bildebene der abbildenden Optik angeordnet sein. Bei dieser Bildebene kann es sich um eine Zwischen-Bildebene handeln, die über eine weitere abbildende Optik hin in den Bereich einer Anordnungsebene des Fotosensors abgebildet wird. Über die Steuereinrichtung kann ein Rasterelement-Scan durch die Rasterelement-Positionen der mindestens einen Gruppe durchgeführt werden. Soweit genau eine Gruppe von Rasterelement-Positionen vorliegt, beinhaltet diese Gruppe alle bei der Messung genutzten Rasterelemente des Rasterelement-Arrays. Bei der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung kann es sich um eine Ablenk-Schaltstellung eines optisch wirksamen Rasterelements handeln. Das Rasterelement-Array kann genau ein Rasterelement aufweisen, welches insbesondere in Form einer Lochblende ausgeführt sein kann, welches sequenziell in die Rasterelement-Positionen der Rasteranordnung bringbar ist. Alternativ umfasst das Rasterelement-Array eine Vielzahl von Rasterelementen, die in der Rasteranordnung angeordnet sind. Der Fotosensor kann, wie in der WO 2012/110 924 A1 beschrieben, mehrere Sensorschichten aufweisen. Ein effektiver Abstand zwischen benachbarten Sensorschichten kann im µm- Bereich liegen und beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 µm und 100 µm. Der effektive Schichtabstand kann als tatsächlicher, räumlicher Abstand zwischen zwei Sensorschichten sich ergeben oder kann bei räumlich getrennter Anordnung der Sensorschichten, durch den Unterschied der optischen Weglängen der dann getrennt auf die beiden Sensorschichten auftreffenden Strahlengänge gebildet sein. Der Fotosensor kann eine Ausführung haben, die aus der Kameraoptik beispielsweise im Zusammenhang mit der Schärfentiefenmessung bzw. der Autofokus-Einstellung bekannt ist. Das Abbildungslicht kann genau eine Nutz-Wellenlänge aufweisen. Alternativ können mehrere Nutz-Wellenlängen des Abbildungslichts zur sensorischen Erfassung genutzt werden. Eine geeignete Auswahl der mindestens einen Nutz-Wellenlänge kann über eine entsprechende Farbfilterung erfolgen. Die Steuereinrichtung kann so ausgeführt sein, dass eine (unter-)gruppierte Ansteuerung mehrerer Unter-Rasterelemente, die gemeinsam ein Rasterelement bilden, zur gleichzeitigen Umstellung dieser Unter-Rasterelemente erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann eine gruppierte Ansteuerung mehrerer Rasterelemente zur gleichzeitigen Umstellung einer derartigen Rasterelement-Gruppe über die Steuereinrichtung erfolgen. Die Vorrichtung kann insgesamt beispielsweise in eine Lampe eines Kraftfahrzeugs integriert sein. Mittels der Vorrichtung lässt sich eine Objektdistanz bzw. ein Objektabstand präzise und mit optischen Standardkomponenten, die beispielsweise aus dem Bereich der Projektionstechnik bekannt sind, realisieren. Beleuchtungs- und Abbildungslicht, mit dem die Messvorrichtung arbeiten kann, kann durch ohnehin vorhandenes Umgebungslicht gebildet sein. Insbesondere ist es nicht zwingend erforderlich, eine eigene Lichtquelle, beispielsweise eine Laserlichtquelle, zur Erzeugung des Beleuchtungs- bzw. Abbildungslichts bereitzustellen. Soweit ausschließlich Umgebungslicht verwendet wird, muss nicht zwischen dem Beleuchtungs- und Abbildungslicht einerseits und dem Umgebungslicht andererseits unterschieden werden, was die Messung erleichtert. Die abbildende Optik kann mindestens eine Feldlinse beinhalten.
Eine Lichtfalle nach Anspruch 2 entsorgt das Abbildungslicht, welches nicht auf den Fotosensor treffen soll. Eine unerwünschte Erwärmung empfindlicher Komponenten der Vorrichtung bzw. unerwünschtes Störlicht auf dem Fotosensor werden vermieden.
Ein ortsauflösender Detektor nach Anspruch 3 kann zur zusätzlichen Bilderzeugung zum Überwachen der Arbeitsweise der Vorrichtung genutzt werden. Der ortsauflösende Detektor kann als CMOS-Sensor oder als CCD-Sensor ausgeführt sein. Ein spezieller CMOS-Sensor, mit dem auch Stereo-Bilder erzeugt werden können, ist bekannt aus der US 2014/0071244 A1 .
Als Mikrospiegel-Array nach Anspruch 4 kann ein Spiegelarray genutzt werden, welches im Bereich der mikroelektromechanischen Entwicklung beispielsweise in der Projektionstechnik verfügbar ist.
Das Rasterelement-Array kann als LCD-Array ausgeführt sein, wobei die einzelnen Rasterelemente als LCD-Pixel des Rasterelement-Arrays ausgeführt sind. In der Fotosensor-Schaltstellung kann ein solches LCD-Pixel zumindest teiltransparent geschaltet sein. In der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung kann ein solches LCD-Pixel absorbierend geschaltet sein.
Das Rasterelement-Array kann alternativ auch als Kerr-Array ausgeführt sein, wobei die einzelnen Rasterelemente dann als Kerr-Pixel des Rasterelement-Arrays ausgeführt sind. Eine weitere Alternative für das Rasterelement-Array ist ein Array aus Blenden, insbesondere ein Lochblenden-Array.
Eine Mehrzahl von Fotosensoren nach Anspruch 5 erlaubt eine parallel gruppenweise Objekterfassung über die jeweiligen Fotosensoren. Eine derartige Parallelverarbeitung beschleunigt die Distanzmessung. Die Mehrzahl von Fotosensoren kann auch als Mehrzahl von Fotosensor-Abschnitten ein und desselben Fotosensors gebildet sein.
Eine Lichtquelle nach Anspruch 6 ermöglicht eine umgebungslicht-unabhängige Objekt-Distanzmessung. Bei der Lichtquelle kann es sich um eine Laserlichtquelle handeln.
Die Vorrichtung kann eine Scaneinrichtung zum Abscannen des Objektes aufweisen. Das Abscannen kann mit Beleuchtungslicht der Lichtquelle erfolgen. Die Scaneinrichtung kann mit einem Rasterelement-Scan der Steuereinrichtung zum Ansteuern der Schaltstellungen bzw. der Rasterelement-Positionen synchronisiert sein.
Ein Strahlteiler nach Anspruch 7 ermöglicht eine kompakte Führung des Abbildungslichts in der Vorrichtung. Die jeweiligen Abbildungslicht-Teilstrahlen können einerseits dem Fotosensor und andererseits einem weiteren ortsauflösenden Detektor zugeführt werden. Über den Strahlteiler ist auch ein Einkoppeln von Beleuchtungslicht möglich. Ein vom Strahlteiler transmittierter Anteil des Abbildungslichts kann dem Rasterelement-Array zugeführt werden. In der Fotosensor-Schaltstellung des Rasterelements kann das Abbildungslicht vom Strahlteiler reflektierend hin zum Fotosensor gelenkt werden.
Die vorstehend erwähnte Aufgabe ist gemäß einem zweiten Aspekt erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 8 angegebenen Merkmalen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine lichtunempfindliche Textur die Möglichkeit schafft, eine Kontrastauswertung auf der einzelnen Sensorschicht vorzunehmen, also zu entscheiden, wie nahe die jeweilige Sensorschicht einer tatsächlichen Bildebene bei der Objekt-Abbildung ist. Dies kann zur Objekt-Abstandsmessung genutzt werden.
Die Textur kann durch eine fotosensitive Schicht gebildet sein, auf der die Block-Strukturen aufgebracht sind. Die Block-Strukturen können als regelmäßiges oder als unregelmäßiges Gitter ausgeführt sein.
Die Textur kann gebildet sein durch ein Array von Sensorpixeln, wobei die Block-Strukturen gebildet werden durch nicht von der Auswerteeinrichtung ausgelesene Sensorpixel. Es resultiert eine Art virtuelle Textur, deren Anordnung und typische Größe durch Auswahl der nicht ausgelesenen Sensorpixel variiert werden kann. Dies ist für die Anpassung des Fotosensors an die jeweilige Sensoraufgabe von Vorteil.
Die Textur kann gebildet sein durch eine bereichsweise das Abbildungslicht durchlassende und bereichsweise das Abbildungslicht blockende Blendenstruktur, die im Abbildungslicht-Strahlengang vor dem Fotosensor angeordnet ist. Eine derartige Blendenstruktur kann als Multi-Pinhole und/oder als Bahtinov-Maske ausgeführt sein.
Die Sensorschichten können durch Sensorzeilen eines gekippt zur Bildebene angeordneten Sensor-Arrays gebildet sein. Die jeweils parallel zur Kippachse verlaufenden Sensorzeilen stellen dann eine jeweilige Sensorschicht dar, die jeweils einen individuellen Abstand zur Bildebene aufweist. Diese Sensorzeilen nehmen zwar lateral unterschiedliche Objekt-Belichtungsbereiche auf; dies spielt jedoch für die Distanzmessung keine Rolle.
Der Fotosensor hat eine Mehrzahl von Zwischen-Abbildungsoptiken, die das Abbildungslicht in den Bereich der jeweiligen Sensorschicht abbilden, wobei die Zwischenabbildung derart ist, dass auf den verschiedenen Sensorschichten eine Gesamtabbildung mit effektiv unterschiedlichem Abstand zur Bildebene erfolgt. Eine derartige Sensoroptik lässt sich aus wenigen Standard-Bauteilen fertigen. Es kann ein komplexer Fotosensor mit einem Sensorschicht-Stack vermieden werden. Im Extremfall kann jede der Sensorschichten räumlich von den anderen Sensorschichten getrennt ausgeführt sein, was deren Herstellung vereinfacht.
Die Sensoroptik kann eine Mehrzahl von Strahlteilern aufweisen. Diese ermöglichen es, den Abbildungslicht-Strahlengang in eine Mehrzahl von Teil-Strahlengängen aufzuteilen, wobei in jedem Teil-Abbildungslicht-Strahlengang dann mindestens eine Sensorschicht zur Distanzmessung angeordnet sein kann. Zur Vorgabe einer gewünschten optischen Weglänge in einem der Teil-Abbildungslicht-Strahlengänge kann beispielsweise ein einfacher Glaswürfel mit vorgegebener Stärke und vorgegebenem Brechungsindex eingesetzt sein.
Die Sensoroptik kann eine Mehrzahl von Strahlteiler-Prismen aufweisen.
Jeweils eine der Zwischen-Abbildungsoptiken kann das Abbildungslicht auf eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Sensorschichten abbilden. Es resultiert ein kompakter Strahlengang in der Sensoroptik.
Die eingangs erwähnte Aufgabe ist gemäß einem weiteren Aspekt erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 11 angegebenen Merkmalen.
Mit der Scaneinrichtung gemäß diesem dritten Aspekt wird eine Ortsauflösung erreicht, indem der erfasste Objekt-Belichtungsbereich über die zu vermessenden Objekte gescannt wird. Hierüber erfolgt eine Auswahl des Strahlengangs des erfassten Abbildungslichts. Ein aufwändiges Rasterelement-Array ist dann nicht zwingend erforderlich. Auch hier kann mit Umgebungslicht oder mit einer eigenen Lichtquelle belichtet werden.
Die Vorrichtung hat mindestens eine Blende zur Auswahl eines Strahlengangs zwischen dem Objekt-Belichtungsbereich und dem Fotosensor. Mindestens eine derartige Blende ist eine besonders einfach aufgebaute Komponente zur Strahlengang-Auswahl. Bei der Blende kann es sich um eine Lochblende handeln. Bei der Blende kann es sich um eine Multi-Lochblende handeln.
Eine Laserlichtquelle nach Anspruch 12 ist zur Objektbeleuchtung besonders gut geeignet. Insbesondere kann hierüber nur ein kleindimensionierter Objekt-Belichtungsbereich auch über große Distanzen ausgeleuchtet werden. Das Abbildungslicht kann über das Objekt gescannt werden.
Eine Scaneinrichtung nach Anspruch 14 lässt sich mit geringem Aufwand realisieren. Bewegungskomponenten der Blendenbewegung, die über die Scaneinrichtung vorgegebenen werden können, können parallel und/oder senkrecht zur Bildebene verlaufen.
Die Scaneinrichtung kann zur Bewegung der gesamten abbildenden Optik und insbesondere zur Bewegung der gesamten Messvorrichtung relativ zum zu vermessenden Objekt ausgeführt sein.
Das Abbildungslicht kann über einen Strahlteiler in den Abbildungslicht-Strahlengang der abbildenden Optik zwischen dem Objekt und dem Fotosensor eingekoppelt sein. Dies ermöglicht eine kompakte Führung des Strahlengangs.
Die Verwendung von Umgebungslicht nach Anspruch 15 vermeidet den Einsatz einer zusätzlichen Lichtquelle. Durch die Scaneinrichtung kann auch bei der Verwendung von Umgebungslicht durch entsprechende Auswahl der gescannten optischen Komponente, beispielsweise mindestens eines Spiegels im Strahlengang zwischen dem Objekt und dem Fotosensor, eine Strahlengang-Auswahl vorgenommen werden.
Die Vorrichtung kann in einen Fahrzeug-Scheinwerfer eingebaut sein. Sie kann dann bei Tageslicht mit Umgebungslicht und in der Nacht mit dem Scheinwerferlicht arbeiten.
Die Vorrichtungen der oben diskutierten Aspekte können zusätzlich Komponenten und Funktionen aufweisen, die im Zusammenhang mit den anderen Aspekten vorstehend beschrieben wurden bzw. nachstehend beschrieben werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 schematisch eine Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, aufweisend ein Rasterelement-Array und einen nachgeordneten Fotosensor;
2 in einer zu 1 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene mit einem zusätzlichen, dem Rasterelement-Array nachgeordneten ortsauflösenden Monitoring-Detektor;
3 in einer zu 2 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene mit einer zusätzlichen Laser-Lichtquelle zur Erzeugung von Beleuchtungs- und Abbildungslicht sowie einer Scaneinrichtung zum Scannen eines Abbildungs-Lichtstrahlengangs über das Objekt;
4 stärker im Detail das Rasterelement-Array sowie den Fotosensor der Ausführung nach den 1 bis 3, wobei eine gruppenweise Zuordnung von Rasterelement-Gruppen des Rasterelement-Arrays zu Pixeln des Fotosensors veranschaulicht ist;
5 in einer zu 1 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, wobei die gruppenweise Zuordnung nach 4 zum Einsatz kommt;
6 in einer zu 2 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, wobei die gruppenweise Zuordnung nach 4 zum Einsatz kommt;
7 in einer zu den 1 bis 3 sowie 5 und 6 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von der Referenzebene, aufweisend ein Rasterelement-Array in einem Abbildungslicht-Strahlengang vor einem Fotosensor und einem weiteren ortsauflösenden Detektor, wobei der Abbildungslicht-Strahlengang einerseits zum Fotosensor und andererseits zum ortsauflösenden Detektor über einen Strahlteiler getrennt wird, wobei die Ausführung nach 7 abgesehen von dem Strahlteiler grundsätzlich die optischen Komponenten der Ausführung nach 6 aufweist;
8 in einer zu 7 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, wobei anstelle eines Spiegel-Rasterelement-Arrays ein für das Abbildungslicht zumindest teilweise durchlässiges LCD-Rasterelement-Array zum Einsatz kommt;
9 in einer zu den 7 und 8 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, wobei das LCD-Rasterelement-Array im Doppeldurchlauf des Abbildungslichts betrieben ist;
10 in einer zu 9 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, wobei anstelle des LCD-Rasterelement-Arrays ein Kerr-Rasterelement-Array und eine Polarisationseinrichtung zum Einsatz kommen;
11 in einer zu den 8 und 10 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, wobei ein Kerr-Rasterelement-Array im Einfachdurchlauf für das Abbildungslicht zum Einsatz kommt;
12 in einer insbesondere zur 3 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, wiederum mit einer Laser-Lichtquelle für Beleuchtungs- und Abbildungslicht und einer Scaneinrichtung, wobei anstelle eines Rasterelement-Arrays eine Blendeneinrichtung insbesondere mit einer einzigen Lochblende zum Einsatz kommt;
13 in einer zu 12 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, wobei die Blendeneinrichtung im Doppeldurchlauf betrieben ist, ohne Einsatz einer Laser-Lichtquelle;
14 in einer zu 13 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, wobei eine Blendeneinrichtung in Form eines Blenden-Arrays zum Einsatz kommt;
15 in einer zu 14 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, wobei anstelle einer Scaneinrichtung für den Abbildungslicht-Strahlengang eine bewegliche Blendeneinrichtung zum Einsatz kommt;
16 in einer zu 15 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes von einer Referenzebene, wobei anstelle einer beweglichen Blendeneinrichtung die gesamte optische Baugruppe zur Erfassung des von mindestens einem Objekt ausgehenden Abbildungslichts relativ zu diesem verlagerbar ist;
17 schematisch in einer perspektivischen Darstellung eine Ansicht einer Sensorschicht des Fotosensors einschließlich einer Einrichtung zur Fotostrommessung und einer lichtunempfindlichen Textur, die auf die Sensorschicht aufgebracht ist;
18 schematisch ein I(x)-Diagramm zur Veranschaulichung des Effekts der lichtunempfindlichen Textur auf das Ergebnis einer über dem Fotostrom erfolgenden Abbildungslicht-Intensitätsmessung;
19 stark schematisch eine Anwendung einer der Ausführungen der Messvorrichtung zur Bestimmung eines Kolbenhubes;
20 in einer zu 18 ähnlichen Darstellung eine weitere Anwendung einer der Ausführungen der Messvorrichtung zur Bestimmung der relativen Lage zweier Objekte zueinander;
21 eine Schicht einer Ausführung eines Fotosensors einer der dargestellten Messvorrichtungen mit einer Mehrzahl von abbildenden Strahlteiler-Würfeln in einer ersten y-Schichtebene y₁;
22 eine nächste Schicht der abbildenden Strahlteiler-Würfel in einer benachbarten y-Schichtebene y₂,
23 eine nächste Schicht der abbildenden Strahlteiler-Würfel in einer benachbarten y-Schichtebene y₃;
24 eine nächste Schicht der abbildenden Strahlteiler-Würfel in einer benachbarten y-Schichtebene y₄;
25 eine Schicht einer weiteren Ausführung eines Fotosensors einer der dargestellten Messvorrichtungen mit einer Mehrzahl von abbildenden Strahlteiler-Würfeln in einer ersten y-Schichtebene y₁;
26 eine nächste Schicht der abbildenden Strahlteiler-Würfel in einer benachbarten y-Schichtebene y_2;
27 eine nächste Schicht der abbildenden Strahlteiler-Würfel in einer benachbarten y-Schichtebene y₃;
28 eine Schicht einer weiteren Ausführung eines Fotosensors einer der dargestellten Messvorrichtungen mit einer Mehrzahl von abbildenden Strahlteiler-Würfeln in einer ersten y-Schichtebene y₁; und
29 eine nächste Schicht der abbildenden Strahlteiler-Würfel in einer benachbarten y-Schichtebene y₂.

1 zeigt eine Ausführung einer Vorrichtung 1 zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes 2, 3 von einer Referenzebene 4a, die senkrecht auf der Zeichenebene der 1 steht und horizontal verläuft.
Als Objektbeispiele sind in der 1 als Objekt 2 ein Blatt Papier und als Objekt 3 ein Metallzylinder als Beispiel für ein streuendes sowie ein reflektierendes Objekt angegeben.
Die Messvorrichtung 1 hat eine erste abbildende Optik 4. Diese hat eine Mehrzahl von Linsen zur Führung von Abbildungslicht 6, die in einem Optikgehäuse 7 untergebracht sind. Die erste abbildende Optik 4 dient zur Abbildung der Objekte 2, 3 in eine Bildebene 8. Je nach Entfernung der Objekte 2, 3 von der Referenzebene 4a ändert sich die Lage der Bildebene 8, für die in der 1 schematisch vier Beispiele 8a, 8b, 8c und 8d angegeben sind.
Zur Veranschaulichung von Lagebeziehungen ist in der 1 ein kartesisches xyz-Koordinatensystem angegeben. Die x-Achse verläuft in der 1 nach rechts. Die y-Achse verläuft in der 1 senkrecht zur Zeichenebene in diese hinein. Die z-Achse verläuft in der 1 nach oben.
Die verschiedenen Bildebenen-Beispiele 8a bis 8d sind in z-Richtung zueinander beabstandet.
Im Bereich der Bildebene 8 ist im Strahlengang des Abbildungslichts der ersten abbildenden Optik 4 ein Rasterelement-Array 9 nachgeordnet. Bei dem Rasterelement-Array 9 der Ausführung gemäß Vorrichtung 1 nach 1 handelt es sich um ein Mikrospiegel-Array, wobei die einzelnen Rasterelemente als Einzelspiegel des Mikrospiegel-Arrays ausgeführt sind. Bei dem Mikrospiegel-Array 9 kann es sich um ein mikroelektromechanisches Bauelement in Form eines Mikrospiegelaktors, zum Beispiel um ein Digital Micromirror Device (DMD) handeln, welches aktuell bei DLP^®-Projektoren zum Einsatz kommt. Auch andere Ausführungen für den Mikrospiegel-Array, die insbesondere als mikroelektromechanische Systeme (MEMS) ausgeführt sind, sind möglich.
Eines der Rasterelemente 10 ist in der 1 stark schematisch zum Rasterelement-Array 9 nach oben versetzt in zwei Schaltstellungen 10a, 10b, also in zwei unterschiedlichen, um die y-Achse verschwenkten Kippstellungen wiedergegeben. Bei der dargestellten Ausführung beträgt ein Kippwinkel zwischen den beiden Schaltstellungen 10a und 10b 12°, sodass eine Ablenkung des Abbildungslichts 6 im Vergleich der beiden Schaltstellungen 10a, 10b um insgesamt 24° erfolgt.
Das Rasterelement-Array kann beispielsweise als 1.024 × 1.024-Array einzelner Rasterelemente 10 aufgebaut sein. Auch eine andere Anzahl der Zeilen und Spalten des Arrays im Bereich zwischen, insbesondere zwischen 10 und 100.000 ist möglich, beispielsweise 50, 100, 250, 500, 2.000, 5.000, 10.000, 20.000, 50.000 oder 100.000 Rasterelemente pro Zeile bzw. Spalte des Arrays.
Dem Rasterelement-Array 9 ist im Strahlengang des Abbildungslichts 6 nachgeordnet eine zweite abbildende Optik 11, wiederum mit Linsen 5 in einem Optikgehäuse 7. Dieser zweiten abbildenden Optik 11 im Strahlengang des Abbildungslichts 6 wiederum nachgeordnet ist ein Fotosensor 12.
Der Fotosensor 12 ist einer Gruppe der Rasterelemente 10 zugeordnet. Diese Gruppe von Rasterelementen 10 kann einen Teil aller Rasterelemente 10 des Rasterelement-Arrays 9 umfassen oder kann alle Rasterelemente 10 des Rasterelement-Arrays 9 umfassen.
Ausführungsbeispiele für den Fotosensor 12 sind gegeben in der WO 2012/110 924 A1 . Der Fotosensor 12 kann insbesondere eine Mehrzahl von in z-Richtung voneinander beabstandeten Sensorschichten aufweisen.
In der Rasterelement-Schaltstellung 10a, nämlich der Fotosensor-Schaltstellung, ist das Abbildungslicht 6 von diesem Rasterelement 10 hin zum zugeordneten Fotosensor 12 geführt. In der Fotosensor-Schaltstellung 10a des jeweiligen Mikrospiegels 10 wird das Abbildungslicht 6 also reflektierend hin zum Fotosensor 12 gelenkt. In der weiteren Rasterelement-Schaltstellung 10b, nämlich in der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung, ist das Abbildungslicht 6 von diesem Rasterelement 10 so geführt, dass es nicht auf den zugeordneten Fotosensor 12 trifft, sondern in der Ausführung nach 1 auf eine Lichtfalle 13 in Form einer Absorberstruktur für das Abbildungslicht 6. Die Nicht-Fotosensor-Schaltstellung kann also eine Ablenk-Schaltstellung sein.
Das Rasterelement-Array 9 wird von einer Rasterelement-Steuereinheit 14 gesteuert. Letztere stellt eine Steuereinrichtung dar, die mit dem Rasterelement-Array 9 in Signalverbindung steht.
Der Fotosensor 12 wird seinerseits von einer Fotosensor-Steuereinheit 15 angesteuert, die mit dem Fotosensor 12 in Signalverbindung steht. Die Rasterelement-Steuereinheit 14 einerseits und die Fotosensor-Steuereinheit 15 andererseits stehen mit einer Steuereinrichtung 16 für die Messvorrichtung 1 in Signalverbindung.
Die Rasterelemente 10 der jeweiligen, dem Fotosensor 12 zugeordneten Gruppe, werden über die Steuereinrichtungen 14, 16 sequenziell so angesteuert, dass während eines Messzeitraums des zugeordneten Fotosensors 12 nicht mehr als genau ein Rasterelement 10 der Gruppe der Rasterelemente 10 das Abbildungslicht 6 hin zum Fotosensor 12 führt. Innerhalb der jeweiligen Rasterelement-Gruppe ist während des betrachteten Messzeitraums also exakt ein Rasterelement in der Fotosensor-Schaltstellung 10a, währenddessen alle anderen Rasterelemente 10 dieser Gruppe in der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung 10b vorliegen.
Über die zweite abbildende Optik 11 wird eine Anordnungsebene 9a des Rasterelement-Arrays 9, die parallel zur xy-Ebene und parallel zur Referenzebene 4a verläuft, in eine Fotosensor-Anordnungsebene 12a abgebildet, die wiederum parallel zur xy-Ebene verläuft.
Die Distanzmessung mittels der Vorrichtung 1 geschieht folgendermaßen: Durch sequenzielle Ansteuerung der einzelnen Mikrospiegel 10 der dem Fotosensor 12 zugeordneten Mikrospiegel-Gruppe, also insbesondere aller Mikrospiegel 10, sodass jeweils immer genau ein Mikrospiegel 10 der Gruppe während eines Messzeitraums das Abbildungslicht 6 hin zum Fotosensor 12 führt, wird ein Abbildungslicht-Kanal des gesamten Bündels des Abbildungslichts 6 zur Intensitätsmessung durch den Fotosensor 12 ausgewählt. Durch Vergleich der gemessenen Kanalintensitäten in verschiedenen z-Positionen um die Fotosensor-Anordnungsebene 12a herum, der aufgrund der Ausgestaltung des Fotosensors 12 möglich ist, lässt sich bestimmen, in welcher exakten z-Position im Bereich der Anordnungsebene 12a des Fotosensors 12 ein aufgrund der kanalweisen Intensitätsunterschiede maximaler Kontrast der Abbildung der Objekte 2, 3 vorliegt. Hierbei können die Messverfahren zum Einsatz kommen, die in der WO 2012/110 924 A1 beschrieben sind. Es wird diejenige z-Position im Bereich der Fotosensor-Anordnungsebene 12a bestimmt, in der dieser Kontrast für den jeweiligen Abschnitt des Objektes 2, 3 maximiert ist. Mit den bekannten Abbildungsgleichungen wird diese ermittelte z-Position dann in die z-Distanz des jeweiligen Abschnitts des Objektes 2, 3 zur Referenzebene 4a umgerechnet. Auf diese Weise lässt sich für jeden Objektabschnitt eine z-Distanzmessung vornehmen. Das Resultat ist ein Distanz-Datensatz D(xy), aus der sich eine dreidimensionale Struktur der Objekte 2, 3 ableiten lässt.
Anstelle eines Rasterelement-Arrays mit einer Vielzahl von Rasterelementen, wie vorstehend anhand des Rasterelement-Arrays 9 erläutert, kann das Rasterelement-Array genau ein Rasterelement, beispielsweise in Form eines kippbaren Mikrospiegels oder einer Blende aufweisen, welches sequenziell in die jeweilige Rasterelement-Position der Rasteranordnung bringbar ist. Über die Rasterelement-Steuereinheit 14 erfolgt dann eine Verlagerung dieses Mikrospiegels 10 jeweils inkrementell in x- und/oder in y-Richtung, bis alle gewünschten Array-Positionen mit diesem einzelnen Rasterelement 10 abgefahren sind.
Die Rasterelement-Steuereinheit 14 kann so ausgeführt sein, dass hierüber eine gruppierte, gleichzeitige Ansteuerung mehrerer Rasterelemente möglich ist. Schließlich ist es möglich, das Rasterelement-Array so auszuführen, dass eine Gruppe von Unter-Rasterelementen, die von der Rasterelement-Steuereinheit 14 gleichzeitig geschaltet werden, genau ein Rasterelement 10 vorgibt. Auf diese Weise lässt sich die Größe genau eines Rasterelements 10 variieren.
Die Messvorrichtung 1 kann zusätzlich einen schmalbandingen Filter im Abbildungslicht-Strahlengang zwischen den Objekten 2, 3 und den Sensorkomponenten der Messvorrichtung 22 aufweisen, der schmalbandig Nutzlicht-Wellenlängen des Beleuchtungslichts 24 als das Abbildungslicht 6 durchlässt, sonstige, störende Wellenlänge aber blockt.
Anhand der 2 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 17 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Anstelle der Lichtfalle 13 hat die Messvorrichtung 17 eine weitere abbildende Optik 18, wiederum mit einer Mehrzahl von Linsen 5 in einem Optikgehäuse 7.
Die weitere abbildende Optik 18 bildet die Anordnungsebene 9a des Rasterelement-Arrays 9 in eine Monitoring-Bildebene 19 ab, die gleichzeitig eine Anordnungsebene eines ortsauflösenden Detektors 20 darstellt. Bei dem ortsauflösenden Detektor 20 kann es sich um einen CMOS-Sensor oder um ein CCD-Array handeln.
Der ortsauflösende Detektor 20 steht mit einer Detektor-Steuereinheit 21 in Signalverbindung, die wiederum mit der Steuereinrichtung 16 in Signalverbindung steht.
Aufgabe des ortsauflösenden Detektors 20 ist eine Bilderzeugung der Ausleuchtung des Rasterelement-Arrays 9 zu Monitoring- bzw. Überwachungszwecken.
Anhand der 3 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 22 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Zusätzlich zur Messvorrichtung 17 hat die Messvorrichtung 22 eine Lichtquelle 23 zur Erzeugung von Beleuchtungslicht 24 zur Beleuchtung der Objekte 2, 3. Das Beleuchtungslicht 24 stellt bei der Messvorrichtung 22 gleichzeitig das Abbildungslicht 6 dar. Bei der Lichtquelle 23 handelt es sich um einen Laser, insbesondere um einen Laser zur Erzeugung mindestens einer VIS-Wellenlänge. Als Beleuchtungs- bzw. Abbildungslicht 6 kann auch eine nicht sichtbare Wellenlänge dienen, beispielsweise eine IR-Wellenlänge, die dann von einer entsprechend gestalteten Lichtquelle 23 erzeugt würde.
Weiterhin hat die Messvorrichtung 22 eine Scaneinrichtung 25 mit einem x-Scanspiegel 26 und einem y-Scanspiegel 27. Der x-Scanspiegel ist um eine zur y-Achse parallele Schwenkachse schwenkbar und sorgt für eine x-Abrasterung der Objekte 2, 3 mit dem Beleuchtungslicht 24, wie in der 3 angedeutet. Der y-Scanspiegel 27 ist entsprechend um eine zur x-Achse parallele Schwenkachse schwenkbar und sorgt für eine y-Abrasterung der Objekte 2, 3 mit dem Beleuchtungslicht 24. Zur Steuerung von Spiegelaktoren 28 der Scanspiegel 26, 27 dient eine Scan-Steuereinheit 29, die mit den Spiegelaktoren 28 in nicht dargestellter Weise in Signalverbindung steht. Die Scan-Steuereinheit 29 steht wiederum mit der Steuereinrichtung 16 in Signalverbindung.
Bei der Messvorrichtung 22 erfolgt synchronisiert mit der Ansteuerung des Rasterelement-Arrays 9 ein Abscannen der Objekte 2, 3 mit dem Beleuchtungslicht 24.
4 zeigt Details eines Aufbaus des Rasterelement-Arrays 9 einerseits und des Fotosensors 12 andererseits für den Fall, dass der Fotosensor 12 unterteilt ist in eine Mehrzahl von Fotosensoren 12_xy , die jeweils einer Gruppe 30_x,y von Rasterelementen 10_u,v zugeordnet sind. Komponenten, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen erläutert.
Das Rasterelement-Array 9 ist in der 4 schematisch als für das Abbildungslicht 6 transmissive Komponente dargestellt. Dies ist der besseren Anschaulichkeit geschuldet. Alternativ zur reflektierenden Ausführung des Rasterelement-Arrays 9 ist es allerdings auch möglich, eine transmissive Ausführung zu wählen, wie nachfolgend noch erläutert ist.
Der Fotosensor 12 ist bei der Ausführung nach 4 unterteilt in eine Mehrzahl von Fotosensoren 12_x,y . In der x-Richtung liegen insgesamt m nebeneinander angeordnete Fotosensoren 12_x,y vor. In der y-Richtung liegen n Fotosensoren 12_x,y nebeneinander liegend vor. Die Gesamtzahlen m, n können im Bereich zwischen 2 und 100 liegen und gegebenenfalls noch größer sein. Ein Beispiel für ein mxn-Array von Fotosensoren 12_x,y ist ein 9×16-Array.
Entsprechend dieser Unterteilung des Fotosensors 12 in Fotosensoren 12_x,y ist das Rasterelement-Array in eine Mehrzahl von Rasterelement-Gruppen 30_x,y unterteilt. Jede dieser Rasterelement-Gruppen 30_x,y stellt eine Art Kachel auf dem Rasterelement-Array 9 dar, wobei diese Kacheln 30_x,y in gleicher Weise als mxn-Raster auf dem Rasterelement-Array 9 angeordnet sind wie die Fotosensoren 12_x,y auf dem Fotosensor 12.
Jede dieser Rasterelement-Gruppen 30_x,y umfasst wiederum eine Mehrzahl von Rasterlementen 10_u,v Für die Gesamtzahl der Rasterelemente 10_u,v der jeweiligen Gruppe 30_x,y . in y- und x-Richtung gilt, dass diese Gesamtzahl v, u im Bereich zwischen 10 und 10.000 liegen kann.
Beim Betrieb einer in solcher Weise gruppenweise unterteilten Optik der Messvorrichtungen 1, 17 oder 22 werden die Rasterelemente 10_u,v der jeweiligen Gruppen 30_x,y parallel angesteuert, sodass alle Gruppen 30_x,y gleichzeitig sequenziell einzelspiegelweise angesteuert werden, sodass für jede der Gruppen 30_x,y und zugeordneten Fotosensoren 12_x,y das Messverfahren durchgeführt wird, wie vorstehend im Zusammenhang mit der 1 bereits erläutert. Der jeweilige Einzel- bzw. Mikrospiegel 10_u,v , der zu einem Messzeitraum in der Fotosensor-Schaltstellung 10a vorliegt, ist in der 4 jeweils innerhalb der Gruppen 30_x,y hervorgehoben.
Das gesamte Rasterelement-Array 9 kann als 240x320 QVGA-Array ausgeführt sein, sodass beispielsweise ein 20x26-Array von Gruppen 30_x,y realisiert werden kann.
Die Rasterelement-Steuereinheit 14 kann beispielsweise 5.000 Schaltvorgänge pro Sekunde realisieren.
Alternativ zur Gestaltung als Mikrospiegel können die Rasterelemente 10_u,v auch als LCD-Pixel ausgeführt sein. In der Fotosensor-Schaltstellung sind die LCD-Pixel 10_u,v dann transparent geschaltet. In der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung sind die LCD-Pixel 10_u,v absorbierend geschaltet. Bei einer derartigen Gestaltung mit LCD-Pixeln 10_u,v ist eine Ausführung möglich, bei der eine Gruppe von Unter-Rasterelementen, also LCD-Subpixeln, gleichzeitig geschaltet wird und hierüber genau ein LCD-Pixel 10_u,v vorgeben wird, wie vorstehend im Zusammenhang mit der Unterteilung der Rasterelemente in Unter-Rasterelemente bereits erläutert.
Pro Kachel 30_x,y einer 9×16-Teilung ergeben sich dann etwa 500 Rasterelemente 10_u,v . Bei 5.000 Schaltungen pro Sekunde kann jede der Kacheln 30_x,y dann zehn Mal pro Sekunde komplett sequenziell angesteuert werden.
Auch andere Kacheln-Unterteilungen bzw. Fotosensor-Unterteilungen mit Maximalzahlen m, n, u, v im Bereich zwischen 2 und 1.000 sind möglich.
Anhand der 5 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 31 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
5 zeigt die Implementierung einer solchen gruppierten Gestaltung des Fotosensors 12 und des Rasterelement-Arrays 9. Jeweils einer der Fotosensoren 12_x,y die eine Gruppe 30_x,y , der dieser Fotosensor 12_x,y zugeordnet ist, sind in der 5 hervorgehoben.
Beispielsweise können einhundertvierundvierzig Fotosensoren 12_x,y vorhanden sein und parallel zur Abstandsmessung beispielsweise mit einer Wiederholrate 5 kHz herangezogen werden.
Bei einer alternativen Unterteilung werden 3.600 Fotosensoren 12_x,y mit einer Wiederholrate von 200 Hz ausgelesen.
Für die einzelnen Kacheln 30_x,y folgt dann jeweils eine Auslese-Wiederholrate von 10 Hz.
Anhand der 6 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 32 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Die Messvorrichtung 32 beinhaltet eine Gruppen-Unterteilung des Rasterelements-Arrays 9 und des Fotosensors 12, wie vorstehend insbesondere anhand der 4 und 5 erläutert. Zudem hat die Messvorrichtung 32 den ortsauflösenden Detektor 20, der vorstehend im Zusammenhang insbesondere mit der 2 bereits erläutert wurde.
Anhand der 7 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 33 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Die Messvorrichtung 33 hat einen Strahlteiler 34 im Strahlengang des Abbildungslichts 6 zwischen der ersten abbildenden Optik 4 und dem Rasterelement-Array 9. Der Strahlteiler 34 kann als Strahlteiler-Würfel ausgeführt sein.
Ein von einer Strahlteiler-Schicht 35 des Strahlteilers 34 transmittierter Anteil 6a des Abbildungslichts 6 wird zum Rasterelement-Array 9 geführt. Ein von der Strahlteiler-Schicht 35 reflektierter Anteil 6b des Abbildungslichts 6 wird hin zum ortsauflösenden Detektor 20 geführt. Die Anordnungsebenen 9a und 19 des Rasterelement-Arrays 9 einerseits und des ortsauflösenden Detektors 20 andererseits sind zueinander optisch konjugiert, sodass die erste abbildende Optik 4 die Funktion der abbildenden Optik 18 bei der Ausführung nach 2 mit übernimmt.
In der Fotosensor-Schaltstellung 10a des jeweiligen Rasterelements 10 des Rasterelement-Arrays 9 der Messvorrichtung 33 wird das Abbildungslicht 6a von der Strahlteiler-Schicht 35 reflektierend hin zum Fotosensor 12 gelenkt, der auch bei der Ausführung der Messvorrichtung 33 wiederum als Array von Fotosensoren 12_x,y ausgeführt ist. In der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung 10b der anderen Rasterelemente 10_u,v der jeweiligen Gruppe 30_x,_y wird das Abbildungslicht 6a hin zur Lichtfalle 13 reflektiert.
Die parallele Steuerung der Schaltstellungen der Rasterelemente 10_x,y der jeweiligen Gruppen 30_x,y einerseits und der Fotosensoren 12_x,y andererseits übernehmen die Rasterelement-Steuereinheit 14 und die Fotosensor-Steuereinheit 15.
Anhand der 8 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 36 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Bei der Messvorrichtung 36 ist das Rasterelement-Array 9 als Array von LCD-Pixeln ausgeführt, die wiederum, entsprechend dem, was vorstehend im Zusammenhang insbesondere mit den 4 und 5 bereits erläutert wurde, in Gruppen 30_x,y unterteilt sind. Die der Fotosensor-Schaltstellung der LCD-Pixel 10_u,v wird der vom Strahlteiler 34 transmittierte Anteil 6b des Abbildungslichts 6 transmittiert und trifft auf den zugeordneten Fotosensor 12_x,y . In der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung wird das Abbildungslicht 6b vom jeweiligen LCD-Pixeln 10_u,v absorbiert. In diesem Fall stellt das LCD-Pixel 10_u,v gleichzeitig die Lichtfalle dar.
Anhand der 9 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 37 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Auch bei der Messvorrichtung 37 ist das Rasterelement-Array 9 als Array von LCD-Pixeln 10_u,v ausgeführt. In der Fotosensor-Schaltstellung 10a wird der Abbildungslicht-Anteil 6b vom zugehörigen LCD-Pixel 10_u, _v durchgelassen und trifft bei der Messvorrichtung 37 auf einen Retroreflektor 38, der als Planspiegel ausgeführt sein kann. Das LCD-Array 9 der Messvorrichtung 37 wird also im Doppeldurchlauf betrieben. Der durchgelassene Anteil 6b wird dann teilweise wieder von der Strahlteiler-Schicht 35 reflektiert und trifft dann auf den zugeordneten Fotosensor 12_x,y .
Anhand der 10 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 39 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Anstelle eines LCD-Arrays 9, wie vorstehend anhand insbesondere der 4, 8 und 9 beschrieben, hat die Messvorrichtung 39 als Rasterelement-Array ein Kerr-Array 40 mit Kerr-Pixeln 10_u, _v , die anstelle der LCD-Pixel der Ausführung nach den 4, 8 und 9 treten. Zwischen dem Strahlteiler 34 und dem Kerr-Array 40 ist bei der Messvorrichtung 39 im Strahlengang des Abbildungslicht-Anteils 6b noch ein Polarisator 41 in Form eines Linearpolarisators angeordnet. In der Fotosensor-Schaltstellung des jeweiligen Kerr-Pixels 10_u, _v transmittiert der Polarisationsfilter den zugehörigen Kanal des Abbildungslicht-Anteils 6b, sodass dieser wiederum dem zugehörigen Fotosensor 12_x,y zugeführt wird. In der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung des jeweiligen Kerr-Pixels 10_u,v dreht dieses Kerr-Pixel 10_u,v die Polarisation des hierüber geführten Kanals des Abbildungslicht-Anteils 6b im Doppeldurchlauf um insgesamt 90°, sodass dieser Kanal vom Polarisationsfilter 41 geblockt ist. Der Polarisationsfilter 41 wirkt dann vergleichbar zur Lichtfalle 13 der Ausführung nach 1.
Anhand der 11 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 42 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Die Messvorrichtung 42 kann als eine Kerr-Array-Ausführung der Messvorrichtung 36 verstanden werden, wobei anstelle des LCD-Arrays 9 der Messvorrichtung 36 bei der Messvorrichtung 42 ein Kerr-Array 40 nach Art dessen der Ausführung nach 10 tritt. Zusätzlich zum Polarisationsfilter 41 zwischen dem Strahlteiler 34 und dem Kerr-Array 9 ist im Abbildungslicht-Strahlengang zwischen dem Kerr-Array 9 und dem Fotosensor 12 ein weiterer Polarisator 43, ebenfalls ausgebildet als Polarisationsfilter, angeordnet. In der Fotosensor-Schaltstellung des jeweiligen Kerr-Pixels 10_u,v sind die beiden Polarisatoren 41, 43 für das Abbildungslicht 6b durchlässig, sodass der jeweilige Abbildungslicht-Kanal auf den Fotosensor 12_x,y trifft. In der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung des jeweiligen Kerr-Pixels 10_u, _v dreht das Kerr-Pixel 10_u,v die Polarisation des zugehörigen Kanals des Abbildungslichts 6b so, dass dieser Abbildungslicht-Kanal vom weiteren Polarisator 43 absorbiert wird, der dann die Funktion der Lichtfalle 13 der Ausführung nach 1 hat.
Anhand der 12 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 44 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Die Messvorrichtung 44 hat eine Scaneinrichtung 25, die das Beleuchtungs- bzw. Abbildungslicht 24, 6, das von der Lichtquelle 23 erzeugt wird, über die Objekte 2, 3 scannt, wie vorstehend im Zusammenhang mit der 3 erläutert. Ausgehend von der Lichtquelle 23 wird das Beleuchtungslicht 24 über einen Strahlteiler 45 in einen Abbildungslicht-Strahlengang reflektiert angekoppelt. Das von den Objekten 2, 3 zurückgestrahlte, also reflektierend und/oder gestreute Beleuchtungs- und Abbildungslicht 24, 6 durchtritt als Retroreflex wiederum die Scanspiegel 26, 27 der Scaneinrichtung 25 und wird von der Strahlteiler-Schicht 35 des Strahlteilers 45 durchgelassen.
Der durchgelassene Abbildungslicht-Anteil 6b durchtritt anschließend eine Blendeneinrichtung 46 mit einer als Lochblende ausgeführten Blende 47. Anschließend durchtritt der durchgelassene Anteil 6b des Abbildungslichts 6 eine abbildende Optik 48, über die die Objekte 2, 3 in eine Bildebene 8 abgebildet werden, für die in der 12, wie vorstehend in der 1 beispielhaft verschiedene Bildebenen-z-Positionen 8a, 8b, 8c und 8d angegeben sind, die jeweils mit einem z-Erfassungsbereich des Fotosensors 12 überlappen, der also im Bereich der Bildebene 8 angeordnet ist. Der Fotosensor 12 hat entsprechend eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Sensorelementen, die in mehreren z-Sensorschichten in unterschiedlichen z-Abständen zur Bildebene 8 angeordnet sind.
Die Steuereinrichtung 16 ist gleichzeitig als Auswerteeinrichtung 49 ausgeführt und steht mit dem Fotosensor 12 über die Fotosensor-Steuereinheit 15 in Signalverbindung. Die Auswerteeinrichtung 49 dient zur Auswertung des von den Sensorelementen der verschiedenen Sensorschichten erhaltenen Lichtsignals. Hierüber kann, wie vorstehend insbesondere im Zusammenhang mit der 1 bereits erläutert, die z-Position der Bildebene 8 bestimmt und hierüber der Abstand des jeweils mit dem Beleuchtungslichtstrahl 24 abgetasteten Abschnitt des Objektes 2, 3 bestimmt werden. Ein Objekt-Belichtungsbereich 50 der Objekte 2, 3, welcher zu einem gegebenen Zeitpunkt vom Beleuchtungslichtstrahl 24 beleuchtet wird, ist um mindestens eine Größenordnung, also um mindestens einen Faktor 10, weniger ausgedehnt als das Objekt. Auch ein noch geringeres Größenverhältnis zwischen dem Objekt-Belichtungsbereich 50 und der Größe des jeweiligen Objektes 2, 3 ist möglich, zum Beispiel 1/20, 1/50, 1/100, 1/500 oder ein noch kleineres Verhältnis.
Die Blende 47 dient zur Auswahl eines über den Fotosensor 12 erfassten Strahlengangs des Beleuchtungs- und Abbildungslichts 24, 6 zwischen dem Objekt-Belichtungsbereich 50 und dem Fotosensor 12.
Anhand der 13 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 51 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 12 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Anstelle einer eigenen Lichtquelle 23 für das Beleuchtungslicht 24 kann die Messvorrichtung 51 ausschließlich mit Umgebungslicht arbeiten. Von den Objekten 2, 3 gestreutes bzw. reflektiertes Umgebungslicht wird als Abbildungslicht 6 über eine Scaneinrichtung 25 mit Scanspiegeln 26, 27 geführt, die abgesehen von der Tatsache, dass kein Beleuchtungslichtstrahl 24, sondern ein gesamtes Abbildungslicht-Bündel 6 geführt wird, in ihrem Aufbau und ihrer Funktion der Scaneinrichtung 25 nach den 3 und 12 entsprechen.
Das Bündel des Abbildungslichts 6 wird im Abbildungslicht-Strahlengang nach der Scaneinrichtung 25 über die erste abbildende Optik 4 und durch einen Strahlteiler nach Art des Strahlteilers 34 der Ausführung nach den 9 und 10 geführt. Anstelle eines Rasterelement-Arrays 9, 40 hat die Messvorrichtung 51 nach 13 eine Blendeneinrichtung nach Art der Blendeneinrichtung 46 der Ausführung nach 12.
Der von der Strahlteiler-Schicht 35 durchgelassene Anteil 6b des Abbildungslichts durchtritt nachfolgend die Blende 47 der Blendeneinrichtung 46 und wird von einem Retroreflektor nach Art des Retroreflektors 38 der Ausführung nach den 9 und 10 zurückreflektiert, sodass die Blende 47 im Doppeldurchlauf betrieben wird. Nach diesem Doppeldurchlauf wird wiederum ein Teil des Abbildungslichts 6b von der Strahlteiler-Schicht 35 über die weitere abbildende Optik 11 hin zum Fotosensor 12 geführt, wie vorstehend anhand der Ausführungen nach den 9 und 10 bereits erläutert. Die Blende 47 sorgt für eine Auswahl des Abbildungslicht-Strahlengangs zwischen den Objekten 2, 3 und dem Fotosensor 12. Über die Scaneinrichtung 25 erfolgt eine Abrasterung, sodass jeweils verschiedene und sich der x- und y-Koordinate des jeweiligen Objektabschnitts unterscheidende Abbildungslicht-Strahlengänge die Blende 47 durchtreten können.
Ein nach der Reflexion am Retroreflektor 38 von der Strahlteile-Schicht 35 reflektierter Anteil des Abbildungslichts 6 kann wiederum zur ortsauflösenden Detektion und somit zur Überwachung der Messvorrichtung 51 genutzt werden. Nach Austritt aus der in der 13 linken Fläche des Strahlteiler-Würfels 34 ist dann wiederum ein ortsauflösender Detektor nach Art des CMOS-Sensors 20 in 9 oder 10 angeordnet, was in der 13 nicht dargestellt ist.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Messvorrichtung 51 kann die abbildende Optik 11 und der Fotosensor 12 auch direkt nach der Blendeneinrichtung 46 an Ort des Retroreflektors 38, der dann wegfällt, angeordnet sein. In diesem Fall kann, wenn keine zusätzliche, ortsauflösende Überwachungsdetektion zum Einsatz kommt, auf den Strahlteiler 34 insgesamt verzichtet werden.
Anhand der 14 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 52 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 13 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Die Messvorrichtung 52 stellt eine Erweiterung des Einzel-Kanal-Konzepts der Messvorrichtung 51 auf ein gruppenweises Parallelverarbeitungskonzept dar, welches vorstehend insbesondere anhand der 4 sowie der nachfolgenden Ausführungen mit jeweils einem Fotosensor-Array 12_x,y erläutert wurde. Anstelle der Blendeneinrichtung 46 bei der Ausführung nach 13 tritt bei der Messvorrichtung 52 eine Blendeneinrichtung 53 mit einem Blenden-Array mit einer Vielzahl von nach Art der Rasterelement-Arrays angeordneten Einzelblenden 54 über jede der Einzelblenden 54 wird ein Abbildungslicht-Kanal hin zu einem der Fotosensoren 12_x,y geführt, wo dann, synchronisiert mit der Bewegung der Scanspiegel 26, 27 der Scaneinrichtung 25 eine Parallelauswertung verschiedener Abschnitte der Objekte 2, 3, die über die jeweiligen Abbildungslicht-Kanäle abgetastet werden, erfolgt.
Die Blendeneinrichtung 53 kann, da die jeweiligen Blenden 54 in Bezug auf jeweils eine Rasterelement-Position sequenziell in eine Fotosensor-Schaltstellung, bei der die Blende 54 die Rasterelement-Position überdeckt, und in eine Nicht-Fotosensor-Schaltstellung, in der die Blende 54 die Rasterelement-Position nicht überdeckt, gebracht werden kann, als Rasterelement-Array im Sinne der vorstehend erläuterten Rasterelement-Arrays 9 und 40 verstanden werden.
Die verschiedenen Rasterelement-Positionen, in die durch Verlagerung über die Aktoren 56, 57 die jeweiligen Blenden 54 während der Messung verbracht werden können, stellen eine Gruppe von Rasterelement-Positionen dar analog zur Gruppe von Rasterelementen, die vorstehend einem Fotosensor 12_x,y bei der gruppenweisen Parallelverarbeitung nach 4 zugeordnet wurden.
Anhand der 15 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 55 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 14 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Der Grundaufbau der Messvorrichtung 55 entspricht derjenigen der Messvorrichtung 52. Anstelle einer Objektabschnitts-Auswahl über die Scaneinrichtung 25 erfolgt bei der Messvorrichtung 55 eine derartige Objektabschnitts-Auswahl über eine gesteuert inkremental in der x-Richtung über einen x-Aktor 56 sowie in die y-Richtung über einen y-Aktor 57 einschließlich des Retroreflektors 38 verlagerbare Blendeneinrichtung 53. Die beiden Aktoren 56, 57 stehen mit einer Blenden-Steuereinheit 58 in Signalverbindung, die wiederum mit der Steuereinrichtung 16 in Signalverbindung steht.
Eine gruppenweise parallele Beaufschlagung der Fotosensoren 12_x,y des Fotosensors 12 erfolgt dann über eine entsprechende Synchronisation mit der Blenden-Steuereinrichtung 58.
Anhand der 16 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Messvorrichtung 59 beschrieben, die anstelle der Messvorrichtung 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 15 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Der Grundaufbau der Messvorrichtung 59 entspricht demjenigen der Messvorrichtungen 52 und 55. Eine Objektabschnitts-Auswahl, die auch bei der Messvorrichtung 59 kanalweise parallel mit den Fotosensoren 12_x,y verarbeitet wird, erfolgt hierbei über eine Gesamtverlagerung der Messvorrichtung 59 relativ zu den Objekten 2, 3 inkremental in x- und in y-Richtung. Hierzu ist ein Rahmen 60, mit dem die Komponenten der Messvorrichtung 59 in nicht näher dargestellter Weise verbunden sind, mit einem x-Aktor 61 und mit einem y-Aktor 62 verbunden. Diese Aktoren 61, 62 stehen mit einer Rahmen-Aktor-Steuereinheit 63 in nicht dargestellter Weise in Signalverbindung.
Die Blenden-Steuereinheit 58 der Messvorrichtung 55 und die Rahmen-Aktor-Steuereinheit 63 der Messvorrichtung 59 stellen weitere Ausführungen von Scaneinrichtungen zum Scannen des Abbildungslicht-Strahlengangs über die Objekte 2, 3 dar.
Bei einer weiteren Ausführung einer Messvorrichtung, die vom grundsätzlichen Aufbau der Messvorrichtung 44 nach 12 entspricht, kann anstelle der dortigen Scaneinrichtung 25 eine Gesamtverlagerung der Messvorrichtung 44 einschließlich der Lichtquelle 23 erfolgen, sodass hierüber, ohne dass eine Kippbewegung von Spiegeln zwischen den Objekten 2, 3 und den nachfolgenden optischen Komponenten der Messvorrichtung 44 erforderlich ist, eine Abrasterung des Objekt-Belichtungsbereichs 50 über die Objekte 2, 3 resultiert.
Anhand der 17 und 18 wird nachfolgend eine weitere Ausführung eines Fotosensors 64 erläutert, der anstelle der vorstehend erläuterten Varianten des Fotosensors 12 zum Einsatz kommen kann.
Der Fotosensor 64 hat eine Mehrzahl von in z-Richtung zueinander beabstandeten Sensorschichten 65, von denen in der 17 genau eine dargestellt ist, die in der xy-Ebene angeordnet ist. Jede der Sensorschichten kann eine z-Erstreckung haben, die im Bereich zwischen wenigen µm und 50µm liegt, insbesondere im Bereich zwischen 10µm und 50µm.
Die Sensorschichten 65 des Fotosensors 64 haben jeweils eine lichtunempfindliche Textur 66, die in der 17 als diagonal verlaufende Gitterstruktur angedeutet ist. Die einzelnen Gitterelemente 67 der Textur 66 geben Block-Strukturen für das Abbildungslicht 6 vor, die dazu führen, dass die jeweilige Sensorschicht 65 am Ort der Block-Strukturen 67 für das Abbildungslicht 6 unempfindlich ist. Zwischen den Block-Strukturen 67 liegen jeweils freie Bereiche 68, sodass die Sensorschicht 65 am Ort der freien Bereiche 68 für das Abbildungslicht 6 empfindlich ist.
Die freien Bereiche 68 stellen lichtempfindliche Sensorelemente in der Sensorschicht 65 dar. Die Sensorschicht 65 ist im Bereich der Anordnungsebene 12a des Fotosensors 64 angeordnet.
Eine typische Größe der freien Bereiche 68, deren typische Erstreckung in x- bzw. y-Richtung, liegt in der Größenordnung einer Ortsauflösung der jeweils zur Abbildung der Objekte 2, 3 auf den Fotosensor 64 verwendeten abbildenden Optik, zum Beispiel der abbildenden Optiken 4, 11 der Ausführung nach 1.
Eine typische Größe der freien Bereiche 68 kann im Bereich zwischen weniger als 1µm und 250µm und insbesondere im Bereich zwischen 10 µm und 250 µm liegen.
Die Sensorschicht 65 stellt eine fotosensitive Schicht des Fotosensors 64 dar. Abbildungslicht, welches auf die freien Bereiche 68 der Sensorschicht 65 trifft, löst einen Fotostrom aus, der über eine entsprechende Messeinheit 69, die mit der Sensorschicht 65 elektrisch kontaktiert ist, gemessen werden kann.
Die Block-Strukturen 67 können, wie beim Beispiel des Fotosensors 64, auf der jeweiligen Sensorschicht 65 regelmäßig aufgebracht sein. Die Anordnung der Block-Strukturen 67 einerseits und der freien Bereiche 68 andererseits kann auch wie bei den schwarzen und weißen Feldern eines Schachbretts sein. Die Gesamtfläche der Block-Strukturen 67 kann genauso groß sein wie die Gesamtfläche der freien Bereiche 68. Auch eine unregelmäßige Anordnung der Block-Strukturen 67 ist möglich. Am Ort der Block-Strukturen 67 können Transistoren angeordnet sein, die zum Auslesen von Signalen dienen.
Bei einer Ausführung des Fotosensors 64 als Array von Sensorpixeln können die Block-Strukturen gebildet werden durch nicht von der Auswerteeinrichtung 49 ausgelesenen Sensorpixeln. Die Block-Strukturen werden dann digital erzeugt, indem nur eine vorgegebene Untermenge tatsächlich auslesbarer Pixel ausgelesen wird und die Anordnung der ausgelesenen Pixel dann die freien Bereiche der Textur repräsentieren.
Schließlich kann die Textur nach Art der Textur 66 auch gebildet sein durch eine bereichsweise das Abbildungslicht 6 durchlassende und bereichsweise das Abbildungslicht 6 blockende Blendenstruktur, die im Abbildungslicht-Strahlengang vor dem Fotosensor 12 angeordnet ist.
Als alleinige oder zusätzliche Block-Struktur nach Art der Block-Strukturen 67 oder auch als Blendeneinrichtung nach Art der Blendeneinrichtungen 46, 53 kann eine Bahtinov-Maske im Abbildungslicht-Strahlengang vor dem Fotosensor 12, 64 genutzt werden.
Bei einer nicht dargestellten Variante des Fotosensors 12, 64 werden dessen Sensorschichten 65 gebildet durch die Sensorzeilen eine gekippt zur Bildebene 8 angeordneten Sensor-Arrays. Hierdurch wird ebenfalls eine in einem z-Ortsbereich ausgedehnte Empfindlichkeit eines Fotosensors nach Art der Fotosensoren 12 bzw. 64 erreicht.
Alternativ zu einem Schichtaufbau des Fotosensors, beispielsweise des Fotosensors 64, mit mehreren Sensorschichten 65, ist es auch möglich, genau eine Sensorschicht 65 bei einer nicht dargestellten Ausführung eines Fotosensors vorzusehen, die mit Hilfe einer Verschiebeeinrichtung 93, die in der 17 schematisch dargestellt ist, relativ zu ihrer Anordnungsebene 12a, also zu einer zur Bildebene 8 konjugierten Ebene, mit einer Bewegungskomponente z senkrecht zur Bildebene 8 zwischen verschiedenen Verschiebepositionen z_i , z_j mit unterschiedlichen z-Koordinaten verlagert werden kann. Anstelle einer simultanen Erfassung eines auszuwertenden Fotosignals in allen Sensorschichten, kann dann eine sequenzielle Signalerfassung mit ein und derselben Sensorschicht in verschiedenen z-Positionen erfolgen. Eine entsprechende z-Lagebestimmung eines Fokus ist beispielsweise aus der Mikroskopie bekannt. Ein entsprechender Depth-from-Focus-Sensor ist bekannt aus einer Produktbroschüre „Z Fokus - 3D in high resolution“ der Senswork GmbH vision systems.
Das I(x)-Diagramm nach 18 zeigt die Funktion der Textur 66 auf der Sensorschicht 65. Durchgezogen und beispielhaft schräg verlaufend ist in der 18 dargestellt ein Intensitätsverlauf I_Ref , der auf die Sensorschicht 65 trifft und von einem perfekt ortsauflösenden Detektor am Ort der Sensorschicht 65 gemessen würde. Am linken Rand x₁ ist die Intensität I_Ref minimal und steigt dann linear bis zum rechten Rand x_r an.
Weiterhin durchgezogen ist in der 18 ein Mittelwert I_M der Intensität I_Ref über die x-Werte zwischen x₁ und x_r dargestellt, der gemessen würde, soweit die Sensorschicht 65 ohne die Textur 66 zur Messung herangezogen würde.
Zwischen den x-Koordinaten x_m mittig zwischen x₁ und x_r einerseits und x_r andererseits wirkt nun eine der Block-Strukturen 67 der Textur 66. Entsprechend ist dort die gemessene Intensität I_B null. Im restlichen Bereich der x-Koordinaten zwischen x₁ und x_m liegt ein freier Bereich 68 der Textur 66 vor. Dort erfolgt also weiterhin eine Beaufschlagung mit I_Ref . Der Mittelwert I_M, _T unter Verwendung der Textur 66 ist also aufgrund der Variation von I_Ref zwischen x_l und x_r kleiner als I_M . Der Unterschied zwischen I_M und I_M, _T stellt also ein Maß für einen Kontrast der Intensitätsbeaufschlagung zwischen den beiden x-Koordinaten x_l , x_r dar. Dieser Kontrast ist dann maximal, wenn die Sensorschicht 65 nächst benachbart zur Bildebene 8 liegt. Auf diese Weise ermöglicht eine Sensorschicht 65 mit der Textur 66 die Bestimmung einer Bildlage und somit eine Objekt-Distanzmessung, wie vorstehend erläutert.
Die 19 und 20 zeigen zwei typische Anwendungen einer der vorstehend erläuterten Messvorrichtungen.
Repräsentativ für die jeweilige Ausführung der Messvorrichtung ist in den 19 und 20 jeweils eine Lichtquelle 70 dargestellt, bei der es sich auch einfach um ein mit Umgebungslicht beleuchtetes Objekt handeln kann, eine abbildende Optik 71, bei der es sich beispielsweise um die abbildende Optik 4 handeln kann, und der Fotosensor 12. Je nach Ausgestaltung der Messvorrichtung kann eine von den verschiedenen, vorstehend erläuterten Varianten des Fotosensors 12 zum Einsatz kommen. Soweit als Beleuchtungs- bzw. Abbildungslicht 6 Umgebungslicht zum Einsatz kommt, kommt insbesondere ein Fotosensor 12 mit einer Mehrzahl von Sensorschichten 65 zum Einsatz. Soweit die Beleuchtung eines Objekt-Belichtungsbereichs 50 (vgl. die Messvorrichtung 44 nach 12) mit einem hinsichtlich seiner Intensitätsverteilung genau bekannten Strahl des Beleuchtungs- bzw. Abbildungslichts 6 erfolgt, genügt beispielsweise auch ein Einschicht-Fotosensor 12, wie er in der WO 2012/110924 A1 beschrieben ist.
Bei der Anwendungs-Baugruppe 72, die in der 19 dargestellt ist, handelt es sich um die Verwendung einer der vorstehend erläuterten Messvorrichtungen zur Hubmessung eines Kolbens 73 in einem Zylinder 74. Der Kolben 73 ist fest mit dem Fotosensor 12 und der Zylinder 74 fest mit dem Objekt 70 verbunden. Eine Hubverlagerung des Kolbens 73 im Zylinder 74 ändert den Abstand des Objektes 70 zur Referenzebene 4a des Fotosensors 12, sodass die vorstehend beschriebene Abstandsmessung einen entsprechend geänderten Abstandswert ergibt.
20 zeigt eine weitere Anwendungs-Baugruppe 75 zur Bestimmung einer z-Position eines Schlittens 76 in einer Schlittenführung 77. Fest mit der Schlittenführung 77 verbunden sind die Lichtquelle bzw. das Objekt 70 und der Fotosensor 12. Fest mit dem Schlitten 76 verbunden ist die abbildende Optik 71. Eine Verlagerung des Schlittens 76 zur Schlittenführung 77 in z-Richtung ändert den Abstand des Objektes 70 zur abbildenden Optik 71, was wiederum mit dem Fotosensor 12 erfasst werden kann. Ein Vorteil der Anordnung nach 20 ist, dass die z-verlagerbare Optik 71 nicht verkabelt sein muss, da die Optik 71 keine zu versorgenden Komponenten aufweisen muss.
Anhand der 21 bis 29 werden nachfolgend weitere Ausführungen von Fotosensoren beschrieben, die anstelle der vorstehend erläuterten Fotosensoren 12 und 64 zum Einsatz kommen können.
Eine erste derartige Ausführung eines Fotosensors 78 zeigen die 21 bis 24. 21 zeigt dabei eine erste Schicht 79 des Fotosensors 78 bei einer ersten y-Koordinate y₁. Diese Sensorschicht 79 hat insgesamt zehn abbildende Strahlteiler-Würfel 80. Die Strahlteiler-Wirkung des jeweiligen Strahlteiler-Würfels 80 der Sensorschicht 79 ist in der 21 jeweils schematisch dargestellt. Die Sensorschicht 79 hat insgesamt vier Reihen von Strahlteiler-Würfeln 80, wobei in einer ersten, obersten Reihe vier Strahlteiler-Würfel 80, in einer zweiten, darunter liegenden Reihe drei Strahlteiler-Würfel 80, in einer dritten, darunter liegenden Reihe zwei Strahlteiler-Würfel 80 und in der letzten, darunter liegenden Reihe ein Strahlteiler-Würfel 80 angeordnet ist. Jeder der Strahlteiler-Würfel 80 bildet eine Eintrittsebene 81 in eine Austrittsebene 82 im Bereich beider Austrittsflächen ab. In der Sensorschicht 79 sind überall dort, wo das Abbildungslicht 6 auf den Strahlteiler-Würfeln 80 in der Ebene der Sensorschicht 79 austritt, lichtempfindliche Einzel-Sensorschichten beispielsweise nach Art der Einzel-Sensorschicht 65 nach 17 angeordnet. Die Einzel-Sensorschichten 65 in der jeweiligen Sensorschicht 79 haben zu den ihnen benachbarten Austrittsebenen 82 unterschiedlichen Abstand, was in der 21 schematisch durch Abstands-Kennzeichnungen A₁ , A₂ , A₃ , A₄ und A₅ angedeutet ist. So kann beispielsweise gelten: $A_{1} < A_{2} < A_{3} < A_{4} < A_{5} .$
Die Sensorschicht 79 gibt damit eine erste Untergruppe von Einzel-Sensorschichten mit insgesamt fünf verschiedenen effektiven z-Messabständen vor.
Die Strahlteiler-Würfel 80 stellen Zwischen-Abbildungsoptiken dar, die das Abbildungslicht von der Eintrittsfläche 81 in die Austrittsfläche 82 abbilden. Die Zwischenabbildung ist derart, dass auf den verschiedenen Sensorschichten 65 eine Gesamtabbildung mit effektiv unterschiedlichem Abstand A_i zur Bildebene 8 erfolgt.
22 zeigt eine in y-Richtung oberhalb der Sensorschicht 79 liegende zweite Sensorschicht 83 des Fotosensors 78. Diese zweite Sensorschicht 83 hat insgesamt vier Strahlteiler-Würfel 80, die aufgebaut sind wie die Strahlteiler-Würfel 80 der Sensorschicht 79. Zusätzlich zu Einzel-Sensorschichten 65 im Bereich Austrittsflächen 82 der Strahlteiler-Würfel 80 in der zweiten Sensorschicht 83 weist die zweite Sensorschicht 83 auch noch drei weitere Einzel-Sensorschichten 65 auf, die benachbart zu den Austrittsflächen 82 darunter, also in der ersten Sensorschicht 79 liegender Strahlteiler-Würfel 80 liegen. Es ergeben sich weitere Abstandswerte A₆ , A₇ , A₈ , A₉ , A₁₀ und A₁₁ zu diesen weiteren sechs Einzel-Sensorschichten 65 der Sensorschicht 83, wobei hier gelten kann $A_{5} < A_{6} < A_{7} < A_{8} < A_{9} < A_{10} < A_{11} .$
Entsprechend zeigen die 23 und 24 die beiden weiteren, dritten und vierten Sensorschichten 84 und 85 des Fotosensors 78. Die dritte Sensorschicht 84 hat noch einen einzigen Strahlteiler-Würfel 80 und vier Einzel-Sensorschichten 65, sodass weitere Abstandswerte A₁₂ , A₁₃ , A₁₄ und A₁₅ resultieren. Die vierte Sensorschicht 85 bei der y-Koordinate y₄ hat noch genau eine Einzel-Sensorschicht 65 mit Abstandswert A₁₆ . Es gilt $A_{11} < A_{12} < A_{13} < A_{14} < A_{15} < A_{16} .$
Sodass alle Abstandswerte A₁ bis A₁₆ voneinander verschieden sind und die sechzehn Einzel-Sensorschichten 65 die gleiche Funktion haben wie ein Fotosensor mit sechzehn übereinander angeordneten Sensorschichten 65.
Anhand der 25 bis 27 wird nachfolgend eine weitere Variante eines Fotosensors 86 beschrieben, der anstelle des Fotosensors 78 zum Einsatz kommen kann. Der Fotosensor 86 weist drei Sensorschichten 87, 88, 89 nach Art der Sensorschichten 79, 83, 84 und 85 des Fotosensors 78 nach den 21 bis 24 auf. Im Unterschied zum Fotosensor 78 liegen beim Fotosensor 86 an jeder freien Außenfläche 82 der Strahlteiler-Würfel 80 zwei übereinander angeordnete Einzel-Sensorschichten 65 vor, sodass an jeder freien Außenfläche 82 ein Paar von Abständen Ai, Aj resultiert. In den 25 bis 27 sind den Einzel-Sensorschichten wiederum Abstandswerte A1 bis A16 zugeordnet. Die erste Sensorschicht 87 des Fotosensors 86 hat insgesamt sechs Strahlteiler-Würfel 80 und insgesamt vier Doppel-Einzel-Sensorschichten 65. Die zweite Sensorschicht 88 hat genau einen Strahlteiler-Würfel 80 und drei Doppel-Einzel-Sensorschichten 65 und die dritte Sensorschicht 89 hat eine Doppel-Einzel-Sensorschicht 65.
Die 28 und 29 zeigen eine weitere Ausführung eines Fotosensors 90, der anstelle der Fotosensoren 78 und 86 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 21 bis 27 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert. Der Fotosensor 90 hat zwei Sensorschichten 91 und 92. Die erste Sensorschicht 91 hat drei Strahlteiler-Würfel 80 und zwei jeweils vier Einzel-Sensorschichten 65 aufweisende Sensorschicht-Stacks. Zwei weitere solche vier Sensorschichten 65 aufweisende Sensorschicht-Stacks liegen in der zweiten Sensorschicht 92. Es ergeben sich wiederum sechzehn Einzel-Sensorschichten 65 mit entsprechenden sechzehn verschiedenen Abstandswerten A₁ bis A₁₆ .
In den verschiedenen Abbildungslicht-Strahlengängen, die zur Vorgabe der Abstandswerte A₁ bis A₁₆ im Zusammenhang mit den Ausführungen nach den 21 bis 29 erläutert wurden, können Komponenten angeordnet sein, die zur Anpassung der optischen Weglänge dienen. Hierbei kann es sich um einfache Glaswürfel mit vorgegebener optischer Weglänge handeln.
Eine weitere Anwendung einer der vorstehend erläuterten Messvorrichtungen ist in einem Fahrzeugscheinwerfer, wobei die Messvorrichtung den Abstand von mittels dem Fahrzeugscheinwerfer beleuchteten Objekten misst. Die Messvorrichtung kann dann mit einem zentralen Fahrzeugrechner in Signalverbindung stehen, der sowohl einen Motor- als auch eine Richtungs- und Geschwindigkeitssteuerung des Fahrzeugs vornimmt. Die Messvorrichtung kann dann Teil eines Fahrzeug-Monitoring-Systems oder Teil eines Systems zum autonomen Fahren sein.

Claims

Vorrichtung (1; 17; 22; 31; 32; 33; 36; 37; 39; 42; 44; 51; 52; 55; 59) zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes (2, 3) von einer Referenzebene (4a) - mit einer abbildenden Optik (4), mit der Abbildungslicht (6) geführt ist, zur Abbildung des Objektes (2, 3) in eine Bildebene (8), - mit einem im Strahlengang des Abbildungslichts (6) der abbildenden Optik (4) nachgeordneten Rasterelement-Array (9; 40; 53) mit mindestens einem Rasterelement (10; 54), welches zumindest zeitweise in eine Rasterelement-Position in einer Rasteranordnung (x, y) bringbar ist, wobei das mindestens eine Rasterelement (10; 54) zwischen mindestens zwei Schaltstellungen umstellbar ist, - mit mindestens einem dem Rasterelement-Array (9; 40; 53) im Strahlengang des Abbildungslichts (6) nachgeordneten Fotosensor (12; 64; 78), - wobei der Fotosensor (12; 64; 78) zumindest einer Gruppe (30) von Rasterelement-Positionen zugeordnet ist, - wobei in einer ersten der mindestens zwei Schaltstellungen des Rasterelements (10; 54), nämlich in der Fotosensor-Schaltstellung (10a), das Abbildungslicht (6) vom Rasterelement (10; 54) hin zum zugeordneten Fotosensor (12; 64; 78) geführt ist, - wobei in einer weiteren der mindestens zwei Schaltstellungen des Rasterelements (10; 54), nämlich in der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung (10b), das Abbildungslicht (6) vom Rasterelement (10; 54) so geführt ist, dass es nicht auf den zugeordneten Fotosensor (12; 64; 78) trifft, - mit einer Steuereinrichtung (16), die mit dem Rasterelement-Array (9; 40; 53) in Signalverbindung steht, - wobei die Rasterelement-Positionen einer jeweiligen Gruppe (30) über die Steuereinrichtung (16) sequenziell so angesteuert sind, dass während eines Messzeitraums nicht mehr als genau ein Rasterelement (10; 54) innerhalb der Gruppe (30) von Rasterelement-Positionen in der Fotosensor-Schaltstellung (10a) vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung (10b) das Abbildungslicht (6) hin zu einer Lichtfalle (13) gelenkt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nicht-Fotosensor-Schaltstellung (10b) das Abbildungslicht (6) hin zu einem ortsauflösenden Detektor (20) gelenkt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rasterelement-Array (9) als Mikrospiegel-Array ausgeführt ist, wobei die einzelnen Rasterelemente (10) als Einzelspiegel des Mikrospiegel-Arrays ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Fotosensoren (12_x, _y) mit einer entsprechenden Mehrzahl von Rasterelement-Gruppen (30_x, _y), wobei jedem Fotosensor (12_x,y) genau eine der Rasterelement-Gruppen (30_x, _y) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (23) zur Beleuchtung des Objektes (2, 3).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler (34) für das Abbildungslicht (6) im Abbildungslicht-Strahlengang zwischen der abbildenden Optik (4) und dem Rasterelement-Array (9; 40; 53).
Vorrichtung (1; 17; 22; 31; 32; 33; 36; 37; 39; 42; 44; 51; 52; 55; 59) zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes (2, 3) von einer Referenzebene (4a), - mit einer abbildenden Optik (4), mit der Abbildungslicht (6) geführt ist, zur Abbildung des Objektes (2, 3) in eine Bildebene (8), - mit einem im Strahlengang des Abbildungslichts (6) im Bereich der Bildebene (8) oder einer hierzu konjugierten Ebene angeordneten Fotosensor (64; 78), - wobei der Fotosensor (64; 78) eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Sensorelementen aufweist, die in mehreren Sensorschichten (65) in unterschiedlichen Abständen (z; A_i) zur Bildebene (8) oder einer hierzu konjugierten Ebene angeordnet sind; - mit einer Auswerteeinrichtung (16, 49), die mit dem Fotosensor (64; 78) in Signalverbindung steht, zur Auswertung des von den Sensorelementen der verschiedenen Sensorschichten (65) erhaltenen Lichtsignals; - wobei jede Sensorschicht (65) eine lichtunempfindliche Textur (66) mit Block-Strukturen (67) und zwischenliegenden freien Bereichen (68) aufweist, sodass diese Sensorschicht (65) am Ort der Block-Strukturen (67) für das Abbildungslicht (6) unempfindlich ist und am Ort der freien Bereiche (68) für das Abbildungslicht (6) empfindlich ist, - wobei eine typische Größe der freien Bereiche (68) in einer Größenordnung einer Ortauflösung der abbildenden Optik (4) liegt, - wobei der Fotosensor (78) eine Mehrzahl von Zwischen-Abbildungsoptiken (80) aufweist, die das Abbildungslicht (6) in den Bereich der jeweiligen Sensorschicht abbilden, wobei die Zwischenabbildung derart ist, dass auf den verschiedenen Sensorschichten (65) eine Gesamtabbildung mit effektiv unterschiedlichem Abstand (A_i) zur Bildebene (8) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Sensorschichten räumlich von den anderen Sensorschichten getrennt ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Strahlteilern.
Vorrichtung (44; 51; 52; 55; 59) zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes (2, 3) von einer Referenzebene (4a), - mit einer abbildenden Optik (48), mit der Abbildungslicht (6) geführt ist, zur Abbildung des Objektes (2, 3) in eine Bildebene (8), - mit einem im Strahlengang des Abbildungslichts (6) im Bereich der Bildebene (8) angeordneten Fotosensor (12), - wobei der Fotosensor (12) eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Sensorelementen aufweist, die in mehreren Sensorschichten (65) in unterschiedlichen Abständen zur Bildebene (8) angeordnet sind; - mit einer Auswerteeinrichtung (16, 49, 69), die mit dem Fotosensor (12; 64; 78) in Signalverbindung steht, zur Auswertung des von den Sensorelementen der verschiedenen Sensorschichten (65) erhaltenen Lichtsignals, - mit einer Scaneinrichtung (25; 58; 63) zum Scannen des Abbildungslicht-Strahlengangs über das Objekt (2, 3), sodass ein Objekt-Belichtungsbereich (50) auf den Sensor (12; 64; 78) abgebildet wird, der um mindestens eine Größenordnung weniger ausgedehnt ist als das Objekt (2, 3), - wobei die Scaneinrichtung (25; 58; 63) und die abbildende Optik (48) so ausgeführt sind, dass der Fotosensor (12; 64; 78) mit Abbildungslicht (6) beaufschlagt ist, welches vom Objekt-Belichtungsbereich (50) ausgeht, - mit mindestens einer Blende (47; 54) zur Auswahl eines Strahlengangs zwischen dem Objekt-Belichtungsbereich (50) und dem Fotosensor (12; 64; 78).
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Laserlichtquelle (23) zum Erzeugen des Abbildungslichts (6).
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Blende um eine Lochblende handelt.
Vorrichtung (44; 51; 52; 55; 59) zur Messung der Distanz mindestens eines Objektes (2, 3) von einer Referenzebene (4a), - mit einer abbildenden Optik (48), mit der Abbildungslicht (6) geführt ist, zur Abbildung des Objektes (2, 3) in eine Bildebene (8), - mit einem im Strahlengang des Abbildungslichts (6) im Bereich der Bildebene (8) angeordneten Fotosensor (12), - wobei der Fotosensor (12) eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Sensorelementen aufweist, die in mehreren Sensorschichten (65) in unterschiedlichen Abständen zur Bildebene (8) angeordnet sind; - mit einer Auswerteeinrichtung (16, 49, 69), die mit dem Fotosensor (12; 64; 78) in Signalverbindung steht, zur Auswertung des von den Sensorelementen der verschiedenen Sensorschichten (65) erhaltenen Lichtsignals, - mit einer Scaneinrichtung (25; 58; 63) zum Scannen des Abbildungslicht-Strahlengangs über das Objekt (2, 3), sodass ein Objekt-Belichtungsbereich (50) auf den Sensor (12; 64; 78) abgebildet wird, der um mindestens eine Größenordnung weniger ausgedehnt ist als das Objekt (2, 3), - wobei die Scaneinrichtung (25; 58; 63) und die abbildende Optik (48) so ausgeführt sind, dass der Fotosensor (12; 64; 78) mit Abbildungslicht (6) beaufschlagt ist, welches vom Objekt-Belichtungsbereich (50) ausgeht, - wobei die Scaneinrichtung (58) zur Bewegung der Blende (54) relativ zum Fotosensor (12; 64; 78) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungslicht (6) durch Umgebungslicht erzeugt wird.