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Die Erfindung betrifft ein Kamerasystem zur Positionsbestimmung einer näherungsweise punktförmigen Lichtquelle im Raum, umfassend drei Kameramodule.
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Die Erfindung betrifft femer ein Kameramodul zur Bestimmung einer Ebene, in der sich eine näherungsweise punktförmige Lichtquelle befindet.
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Kameramodule der eingangs genannten Art sind aus dem Stand Technik, beispielsweise
WO 2004/046770 A1 hinreichend bekannt.
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Ein derartiges Kameramodul weist eine Linsenoptik auf, die aus einer einzelnen beziehungsweise einer Kombination mehrerer Linsen besteht und die Aufgabe hat, von einer näherungsweise punktförmigen Lichtquelle ausgehendes Licht so abzubilden, dass eine linienförmige Lichtverteilung entsteht. Die Linsenoptik ist dabei nicht rotationssymmetrisch um eine optische Achse. Die Linsenoptik bildet zusammen mit einem lichtempfindlichen Sensor eine Einrichtung, die zur Vermessung von Bewegungen im Raum verwendet wird. Dabei wird einfallendes Licht, das von einer näherungsweise punktförmigen Lichtquelle ausgeht, linienförmig auf ein Zeilen- oder Flächenarray aus einer größeren Anzahl von lichtempfindlichen Einzelsensoren fokussiert. Aus den durch Lichteinfall aktivierten Pixeln der Einzelsensoren lässt sich der Einfallswinkel von Lichtbündeln und somit die Winkellage der Ebene errechnen, in der sich die Lichtquelle befindet.
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Mit Hilfe eines Kamerasystems bestehend aus drei Kameramodulen der eingangsgenannten Art lässt sich auf diese Art für jedes der Kameramodule eine entsprechende Ebene bestimmen. Der Schnittpunkt der drei gemessenen Ebenen ergibt den definierten Raumpunkt, an welchem sich die Lichtquelle zur Messzeit befindet. Dies setzt voraus, dass die drei Kameramodule während der Messung in einer fixierten Position zueinander stehen.
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Werden mehrere näherungsweise punktförmige Lichtquellen auf verschiedenen Positionen eines Körpers, beispielsweise eines beweglichen Werkzeugs, befestigt, kann aus den gemessenen Raumkoordinaten der Lichtquellen und deren Bewegungen die Gesamtbewegung des Körpers mit hoher Genauigkeit errechnet und verfolgt werden.
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Die bekannten Kameramodule haben den Nachteil, dass sie zum Erzeugen der linienförmigen Lichtverteilung in der Bildebene aus der näherungsweise punktförmigen Lichtquelle eine sehr komplizierte Optik verwenden, sodass der Herstellungs- und Kostenaufwand für solche Kameramodule besonders hoch ist. Außerdem verwenden die bekannten Kameramodule eine Vorderblende, d.h. eine Blende, zwischen der und der Lichtquelle kein weiteres optisches Element der Kameraoptik angeordnet ist. Hierdurch ist der Einsatz von einer Vielzahl von optischen Elementen, insbesondere Linsen, erforderlich, was zu zusätzlichen Abbildungsfehlern führen kann.
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US 2 121 568 A offenbart ein anamorphotisches optisches System zur Abbildung einer Lichtquelle mit Glühwendel auf einen Film. Das von der Glühwendel ausgehende Licht wird über eine Kondensoroptik und eine Blende sowie über ein Prisma auf einen oszillierenden Spiegel abgebildet. Das Bild der Glühwendel auf dem Spiegel wird über eine Schlitzblende mittels einer Feldlinse auf die Eintrittspupille eines Objektivs abgebildet. Das Objektiv bildet den Schlitz auf den Film ab. Vor der Schlitzblende befindet sich eine Zylinderlinse.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kamerasystem mit drei Kameramodulen bereitzustellen, wobei sich die Kameramodule bei zumindest gleichbleibender Abbildungsqualität einfacher und kostengünstiger herstellen lassen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Kamerasystem zur Positionsbestimmung einer nahezu punktförmigen Lichtquelle im Raum gelöst, umfassend drei Kameramodule, wobei die drei Kameramodule relativ zueinander ortsfest angeordnet sind, wobei jedes Kameramodul zur Bestimmung einer Ebene, in der sich die nahezu punktförmige Lichtquelle befindet, umfasst: eine nicht rotationssymmetrische optische Anordnung zum Abbilden der näherungsweise punktförmigen Lichtquelle auf eine Bildebene umfasst, um dort eine linienförmige Lichtverteilung zu erzeugen, weiter umfassend eine Blende mit nicht-kreisförmiger Öffnung zum Durchlassen eines aus der Lichtquelle ausgehenden, auf die optische Anordnung einfallenden Lichtstrahls, wobei die optische Anordnung ein optisches Element mit einer Brechkraft aufweist, das zwischen der Lichtquelle und der Blende angeordnet ist.
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Die näherungsweise punktförmige Lichtquelle kann eine selbstleuchtende Lichtquelle sein. Alternativ kann eine Lichtquelle verwendet werden, die von einer primären Lichtquelle emittiertes Licht streut. Vorzugsweise weist die Lichtquelle eine Leuchtdiode (LED) auf, die weiter vorzugsweise Licht des infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereichs erzeugt.
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Das aus der Lichtquelle ausgehende Einfallslicht wird durch die optische Anordnung und die Blende geleitet und schließlich auf die Bildebene linienförmig fokussiert. Dabei durchläuft das Einfallslicht zunächst das optische Element mit Brechkraft, das vorzugsweise eine Linse aufweist. Das optische Element leitet das Einfallslicht in Richtung der BlendenÖffnung der Blende, durch die das Einfallslicht hindurchtritt.
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Dadurch, dass das optische Element mit Brechkraft zwischen der Lichtquelle und der Blende angeordnet ist, ist die Blende nicht mehr das der Lichtquelle am nächsten stehende Element der Kameraoptik. Somit verwendet die erfindungsgemäße Kameraoptik keine Vorderblende, die in den aus dem Stand der Technik bekannten, nachteiligen Kameramodulen verwendet wird. Vorteilhafterweise kann die Anzahl von in der Kameraoptik verwendeten optischen Elemente und damit einhergehend auch die optischen Aberrationen erheblich reduziert werden. Dies wirkt sich positiv auf die Bestimmung der Ebene aus, in der sich die näherungsweise punktförmige Lichtquelle befindet, und letztendlich auf die Positionsbestimmung der Lichtquelle. Somit lässt sich die Bewegung eines mit Lichtquellen versehenen Körpers, insbesondere eines Werkzeugs, mit erhöhter Genauigkeit und Zuverlässigkeit bestimmen und verfolgen.
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Die nicht-kreisförmige Öffnung der Blende kann elliptisch, oval, mehreckig sein, wobei eine mögliche Ausführungsform eine rechteckige Öffnung ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Zylinderlinse auf.
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Zylinderlinsen sind in der Lage, Licht beziehungsweise Lichtbündel besonders effektiv so abzubilden, dass dabei eine linienförmige Lichtverteilung entsteht. Aufgrund dieser Eigenschaft kann die Ebene, in der sich die Lichtquelle zur Messzeit befindet, besonders genau bestimmt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind unter Zylinderlinsen nicht nur diejenigen Linsen zu verstehen, die eine kreisförmige oder teilkreisförmige Kontur (im Querschnitt senkrecht zur Zylinderachse gesehen) aufweisen (sphärisch-zylindrisch), sondern auch diejenigen Linsen, deren Konturverlauf durch ein Polynom mit geradzahligen Koeffizienten oder einen Kegelschnitt beschrieben werden kann (asphärisch-zylindrisch). Allgemein ist unter einer Zylinderfläche eine asphärische Fläche zu verstehen, wobei diese sphärisch-zylindrisch oder asphärisch-zylindrisch sein kann. Die Zylinderlinse kann das optische Element zwischen der Lichtquelle und der Blende sein, wobei die Erfindung hierauf jedoch nicht beschränkt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das optische Element, vorzugsweise die Zylinderlinse, bildseitig eine planare oder sphärische Linsenfläche auf.
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Eine sphärische Linsenfläche ist bzgl. der optischen Achse rotationssymmetrisch ausgebildet. Eine derartige Linse bzw. Zylinderlinse ist besonders kostengünstig herstellbar. Die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Kameramoduls lassen sich hierdurch reduzieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Blende an einer Linsenfläche angebracht.
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Hierdurch ist die Verwendung einer Halterung zum Befestigen der Blende innerhalb der Kameraoptik für das Kameramodul nicht erforderlich. Neben reduziertem Herstellungsaufwand nimmt das erfindungsgemäße Kameramodul somit weniger Platz in Anspruch. Ein kompaktes Kameramodul ist daher ermöglicht, was sich vorteilhaft auf den Transport des erfindungsgemäßen Kameramoduls und dessen Integration in ein Positionsbestimmungssystem auswirkt. Vorzugsweise ist die Blende an der bildseitigen planaren Linsenfläche der Zylinderlinse angebracht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die optische Anordnung zwei Linsen auf, die an ihren zwei einander zugewandten Linsenflächen zusammengefügt sind, um eine verkittete Linsengruppe zu bilden.
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Mittels einer Verkittung ist ein kompaktes Kameramodul bereitgestellt. Die beiden Linsen sind vorzugsweise identisch ausgebildet und weisen jeweils eine planare Linsenfläche auf, an der sie zusammengefügt sind. Beispielsweise weist die optische Anordnung bildseitig der Zylinderlinse eine weitere Linse auf, die objektseitig eine planare Linsenfläche aufweist, an der die weitere Linse derart mit der Zylinderlinse zusammengefügt ist, dass die Blende zwischen der Zylinderlinse und der weiteren Linse angeordnet ist. Die Zylinderlinse und die weitere Linse bilden somit eine verkittete Linseneinheit, die die Blende in einem Zwischenraum zwischen den beiden Linsen umfasst.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Blende zwischen den beiden verkitteten Linsen angeordnet.
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Hierdurch ist eine Halterung zum Befestigen der Blende nicht erforderlich, was hinsichtlich Herstellungsaufwand und kompakter Bauweise des Kameramoduls vorteilhaft ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die optische Anordnung höchstens genau eine asphärische Linsenfläche auf.
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Asphärische Linsenflächen sind im Allgemeinen Linsenflächen, die nicht rotationssymmetrisch bzgl. der optischen Achse sind und mittels derer optische Abbildungsfehler besonders wirksam vermieden oder zumindest vermindert werden können, die bei sphärischen Linsen unvermeidlich sind. Insbesondere lassen sich mit Hilfe von asphärischen Linsenflächen sphärische Aberrationen weitgehend korrigieren. Die Abbildungsqualität des erfindungsgemäßen Kameramoduls ist daher erhöht, sodass die Positionsbestimmung mit höherer Genauigkeit durchführbar ist. Gleichzeitig kann mit der reduzierten Zahl der asphärischen Linsenflächen der Herstellungsaufwand des Kameramodus stark verringern.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die optische Anordnung objektseitig des optischen Elements mit Brechkraft, vorzugsweise der Zylinderlinse, ein weiteres optisches Element auf, das vorzugsweise eine Linse mit einer asphärischen Linsenfläche umfasst.
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Das weitere optische Element kann ein rein sphärisches optisches Element, insbesondere eine Linse mit einer oder zwei rein sphärischen Linsenflächen, eine Planzylinderlinse, oder eine asphärische Linse aufweisen. Durch die Verwendung des weiteren optischen Elements werden die Fokussierungseigenschaften der Kameraoptik verbessert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ermöglicht die optische Anordnung einen Einfallswinkel des einfallenden Lichtbündels auf dem optischen Element, insbesondere auf der Zylinderlinse, in einem Bereich von 0° bis 5°.
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Der Einfallswinkel ist der Winkel, der relativ zur Flächennormale des mit dem Einfallslicht beaufschlagten optischen Elementes, vorzugsweise der Zylinderlinse, am Lichteinfallspunkt gemessen wird. Hierdurch ist ein Lichteinfall in Richtung der Flächennormale möglich, was Abbildungsfehler reduziert und die Funktionalität des erfindungsgemäßen Kameramoduls vorteilhafterweise verbessert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung hat zumindest ein optisches Element der optischen Anordnung in einem Hauptschnitt eine negative Brechkraft.
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Das Einfallslichtbündel lässt sich somit gezielt durch die Kameraoptik führen, um ein linienförmiges Bild zu erzeugen. Das optische Element ist beispielsweise eine Zerstreuungslinse.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Kameramodul ferner ein Bandpassfilter, das auf das Lichtspektrum der Lichtquelle abgestimmt ist, wobei das Bandpassfilter vorzugsweise an einer optischen Fläche des zumindest einen optischen Elementes angebracht ist.
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Das Bandpassfilter ist auf den Spektralbereich der Punktlichtquelle abgestimmt, deren Ebene oder letztendlich Position bestimmt werden soll. Das Bandpassfilter filtert höher- und tieferfrequente Strahlen aus dem einfallenden Strahlungsspektrum. Somit wird sichergestellt, dass die linienförmige Lichtverteilung auf dem Array von Einzelsensoren des Kamerasensors nur von näherungsweise punktförmigen Lichtquellen stammt, deren Position bestimmt werden soll. Wenn das Bandpassfilter an der optischen Fläche eines hinreichend dicken optischen Elementes, beispielsweise einer objektseitigen oder bildseitigen Linsenfläche einer der verwendeten Linsen (vorzugsweise der objektseitig ersten Linse), angebracht ist, kann die auf die optische Fläche wirkende mechanische Verspannung, die zur Verzerrung der optischen Fläche führen kann, verringert werden. Dies sichert eine zufriedenstellende Abbildungsqualität und somit auch eine hinreichend hohe Genauigkeit bei der Positionsbestimmung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Blende als Schlitzblende, insbesondere mit rechteckiger Öffnung, ausgebildet.
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Da die näherungsweise punktförmige Lichtquelle linienartig abgebildet wird, sorgt eine Schlitzblende mit hinreichenden Abmessungen dafür, das Einfallslichtbündel durch die Blendenöffnung geeignet zu beschneiden und gleichzeitig Interferenzen durch Umgebungslichtsignale, die die Abbildung der Lichtquelle und somit die Positionsbestimmung beeinträchtigen können, weitestgehend zu vermeiden. Eine rechteckige Blendenöffnung ist hinsichtlich der kostengünstigen Herstellung des erfindungsgemäßen Kameramoduls vorteilhaft.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die rechteckige Öffnung ein Aspektverhältnis auf, das größer als 1,1, vorzugsweise größer als 2, weiter vorzugsweise größer als 6 beträgt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Kameramodul ferner eine Detektoreinheit, die die Bildebene definiert.
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Die Detektoreinheit kann eine Vielzahl von lichtempfindlichen Einzeldetektoren aufweisen, die in einem Zeilen- oder Flächenarray angeordnet sind. Die Detektoreinheit bildet die Bildebene, die vorzugsweise 2048 Pixel mit einem Pitch von vorzugsweise 14 µm definiert. Wird ein Zeilenarray verwendet, so ist dieses derart auszurichten, dass es einen Winkel mit der linienförmigen Lichtverteilung einschließt. Beispielsweise steht das Zeilenarray vorzugsweise nahezu senkrecht zur linienförmigen Lichtverteilung der näherungsweise punktförmigen Lichtquelle, deren Position zu bestimmen ist. Eine derartige Detektoreinheit ist in der Lage, das Bildsignal der näherungsweise punktförmigen Lichtquelle hochgenau zu erfassen. In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist das Kameramodul dazu ausgebildet, dass die Lichtquelle zumindest auf 5 Pixel, vorzugsweise 6 Pixel, weiter vorzugsweise 7 Pixel auf der Detektoreinheit linienartig abgebildet wird. Somit ergibt sich eine Bildbreite von 5 Pixeln, vorzugsweise 6 Pixeln, weiter vorzugsweise 7 Pixeln. Die Signalstärke des generierten linienförmigen Bildes ist somit hinreichend hoch, um eine Positionserfassung sinnvoll durchzuführen.
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Weiter erfindungsgemäß wird ein Kameramodul zur Bestimmung einer Ebene, in der sich eine nahezu punktförmige Lichtquelle befindet, gemäß Patentanspruch 14 bereitgestellt.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ebenso versteht es sich, dass anstelle von Linsen auch Spiegel, diffraktive optische Elemente oder fresnel-artige Strukturen oder Kombinationen davon verwendet werden können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls gemäß eines Ausführungsbeispiels in einer y-z-Ebene;
- 2 einen weiteren schematischen Hauptschnitt des Kameramoduls aus 1 in einer x-z-Ebene;
- 3 einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
- 4 einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
- 5 einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
- 6 einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
- 7 einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
- 8 einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
- 9 einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels; und
- 10 eine schematische Darstellung eines Kamerasystems umfassend drei erfindungsgemäße Kameramodule.
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1 zeigt einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls 10 gemäß eines Ausführungsbeispiels in einer y-z-Ebene. Ein weiterer schematischer Hauptschnitt desselben Kameramoduls 10 in einer x-z-Ebene ist in 2 gezeigt.
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Das Kameramodul 10 weist eine optische Anordnung zum Abbilden einer näherungsweise punktförmigen Lichtquelle (nicht gezeigt) auf eine Bildebene auf, die durch eine Detektoreinheit 22, beispielsweise eine Detektorzeile aus mehreren lichtempfindlichen Detektoren, definiert ist. Die optische Anordnung umfasst eine plankonkave Linse 12, eine erste plankonvexe Linse 18 und eine zweite plankonvexe Linse 20, die in dieser Reihenfolge entlang der optischen Achse in Richtung zur Bildebene hin angeordnet sind. Die plankonkave Linse 12 weist objektseitig eine planare Linsenfläche 12a und bildseitig eine sphärische konkave Linsenfläche 12b auf. Die erste plankonvexe Linse 18 weist objektseitig eine planare Linsenfläche 18a und bildseitig eine sphärische konvexe Linsenfläche 18b auf. Die zweite plankonvexe Linse 20 weist objektseitig eine sphärische konvexe Linsenfläche 20a und bildseitig eine planare Linsenfläche 20b auf.
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Zwischen der plankonkaven Linse 12 und der ersten plankonvexen Linse 18 ist eine Zylinderlinse 14 angeordnet, die objektseitig eine Linsenfläche 14a und bildseitig eine planare Linsenfläche 14b aufweist. Die Linsenfläche 14a ist eine zylindrische Fläche mit teilkreisförmiger Kontur (sphärisch-zylindrische Fläche), welche besonders einfach und damit kostengünstig herstellbar ist. Somit ist die Linsenfläche 14a die einzige zylindrische Linsenfläche der optischen Anordnung des Kameramoduls 10. Auch ist die Zylinderlinse 14 die einzige Zylinderlinse der optischen Anordnung des Kameramoduls 10. Dies reduziert die Zahl der asphärischen Linsenflächen bzw. der Zylinderlinsen und ermöglicht hierdurch ein kostengünstiges und kompaktes Kameramodul.
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Zwischen der Zylinderlinse 14 und der ersten plankonvexen Linse 18 ist zusätzlich eine Blende 16, die hier beispielsweise als Schlitzblende mit einer Öffnung 17 ausgebildet ist, angeordnet. Somit ist zwischen der Schlitzblende 16 und der Lichtquelle zumindest ein optisches Element mit Brechkraft angeordnet. Im Vergleich zu einem Kameramodul mit einer Vorderblende, zwischen der und der Lichtquelle kein optisches Element vorgesehen ist, ist das erfindungsgemäße Kameramodul einfacher herstellbar, da um eine zumindest gleichbleibende Abbildungsqualität zu erzielen beim erfindungsgemäßen Kameramodul weniger Bauteile, insbesondere Zylinderlinsen, erforderlich sind.
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In einem bevorzugten Beispiel ist die plankonkave Linse 12 objekt- oder bildseitig mit einem IR-Filter (nicht gezeigt) versehen, welches Licht mit einer spektralen Verteilung durchlässt, welche von der näherungsweise punktförmigen Lichtquelle ermittelt wird. Beispielsweise kann die Lichtquelle eine LED sein, welche im Spektralbereich von 840 nm bis 860 nm emittiert. Das Bandpassfilter kann dann derart ausgestaltet sein, dass nur Licht in diesem Spektralbereich von 840 nm bis 860 nm hindurchgelassen wird. Aufgrund der Dicke der Linsen 12, auf welche die Beschichtung aufgebracht ist, wird eine eventuelle mechanische Verzerrung des Linsenelements aufgrund von Schicht-induzierten Verspannungen verringert, was sich vorteilhaft auf die Abbildungsqualität auswirkt.
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In 1 sind zwecks Veranschaulichung ein erstes Einfallslichtbündel P und ein zweites Einfallslichtbündel Q gezeigt, welche von näherungsweise punktförmigen Lichtquellen an verschiedenen Positionen im Objektraum ausgehen. Diese Einfallslichtbündel treten zunächst durch die Linsen 12, 14 hindurch und werden durch die Schlitzblende 16, an der sie sich in der in 1 gezeigten Ansicht überkreuzen, durchgelassen. Schließlich werden sie durch die Linsen 18, 20 als eine erste bzw. zweite linienförmige Lichtverteilung P', Q' auf der Detektoreinheit 22 abgebildet, wobei die Sensoren des Zeilenarrays in der Zeichenebene von 1 nebeneinanderliegend angeordnet sind. In 1 ist die erste/zweite linienförmige Lichtverteilung P', Q', bedingt durch die Ansicht in der y-z-Ebene, als Punkte zu sehen, wobei die Linienform in der x-z-Ebene aus 2 deutlich ersichtlich sind. Der Abstand d zwischen der planaren Linsenfläche 12a und der Bildebene beträgt hier beispielsweise 93,8 mm, sodass das Kameramodul kompakte Abmessungen aufweist. In 2 ist ebenfalls deutlich zu sehen, dass die Fläche 14a eine Zylinderfläche ist.
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3 zeigt einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls 30 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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Das Kameramodul 30 weist ebenfalls eine optische Anordnung zum Abbilden einer näherungsweise punktförmigen Lichtquelle auf eine Bildebene auf, die durch die Detektorzeile 40 definiert ist. Die optische Anordnung umfasst eine konvex-konkave Linse 32, eine erste bikonvexe Linse 34 und eine zweite bikonvexe Linse 38, die in dieser Reihenfolge entlang der optischen Achse in Richtung zur Bildebene hin angeordnet sind. Die konvex-konkave Linse 32 weist objektseitig eine konvexe Linsenfläche 32a und bildseitig eine konkave Linsenfläche 32b auf, wobei beide Linsenflächen 32a,b sphärisch sind. Die erste bikonvexe Linse 34 ist als Zylinderlinse ausgebildet und weist objektseitig eine asphärisch-zylindrische Linsenfläche 34a und bildseitig eine sphärisch-zylindrische Linsenfläche 34b auf, wobei die Linsenfläche 34a vorzugsweise die Form eines Kegelschnittes annimmt. Die zweite bikonvexe Linse 38 weist zwei sphärische Linsenflächen 38a,b auf.
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Zwischen der Zylinderlinse 34 und der zweiten bikonvexen Linse 38 ist zusätzlich eine Schlitzblende 36 mit einer Öffnung 37 angeordnet. Somit sind zwischen der Schlitzblende 36 einerseits und der Lichtquelle andererseits zwei optische Elemente mit Brechkraft angeordnet.
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Analog zum Beispiel aus 1-2 sind in 3 zwei Einfallslichtbündel P, Q zu sehen, die zunächst durch die Linsen 32, 34 und anschließend durch die Schlitzblende 36 hindurchtreten, an der sie sich in der in 3 gezeigten Ansicht überkreuzen. Schließlich werden die beiden Einfallslichtbündel durch die Linsen 38 als eine erste bzw. zweite linienförmige Lichtverteilung P', Q' auf die Detektoreinheit 40 fokussiert. Der Abstand d zwischen der konvexen Linsenfläche 32a und der Bildebene beträgt hier beispielsweise 101 mm, wobei alternativ ein Abstand von 95 mm ebenfalls denkbar ist.
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Mit dem Kameramodul 30 aus 3 lässt sich die Bewegung eines mit näherungsweise punktförmigen Lichtquellen versehenen beweglichen Körpers, etwa eines Werkzeugs, dessen Bewegungsradius in einem Bereich von 2 m bis 8 m liegt, mit hoher Genauigkeit erfassen. Der maximale Bewegungsradius, innerhalb dessen die Positionsbestimmung möglich ist, hängt beispielsweise von der Untergrenze der auf die Detektorzeile 40 detektierbaren Strahlungsleistung ab, ohne dass die Funktionalität der Detektorzeile 40 aufgrund von Detektorrauschen beeinträchtigt wird.
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4 zeigt einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls 50 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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Das Kameramodul 50 weist ebenfalls eine optische Anordnung zum Abbilden einer naherungsweise punktförmigen Lichtquelle auf eine Bildebene auf, die durch die Detektorzeile 58 definiert ist. Die optische Anordnung umfasst eine konvex-konkave Linse 52, eine plankonvexe Linse 54 und eine bikonvexe Linse 56 auf, die in dieser Reihenfolge entlang der optischen Achse in Richtung zur Bildebene hin angeordnet sind. Die konvex-konkave Linse 52 weist objektseitig eine konvexe Linsenfläche 52a und bildseitig eine konkave Linsenfläche 52b auf, wobei beide Linsenflächen 52a,b sphärisch sind. Die plankonvexe Linse 54 ist als Zylinderlinse ausgebildet und weist objektseitig eine asphärisch-zylindrische Linsenfläche 54a und bildseitig eine planare Linsenfläche 54b auf, wobei die Linsenfläche 54a vorzugsweise die Form eines Kegelschnittes annimmt. Die bikonvexe Linse 56 weist zwei sphärische Linsenflächen 56a,b auf.
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An der bildseitigen planaren Linsenfläche 54b der Zylinderlinse 54 ist eine Schlitzblende 60 angeordnet. Somit sind zwischen der Schlitzblende 60 und der Lichtquelle zwei optische Elemente mit Brechkraft angeordnet.
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Analog zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen aus 1-3 sind in 4 zwei Einfallslichtbündel P, Q zu sehen, die zunächst durch die Linsen 52, 54 und anschließend durch die Schlitzblende 60 hindurchtreten, an der sie sich in der in 4 gezeigten Ansicht überkreuzen. Schließlich werden die beiden Einfallslichtbündel durch die Linse 56 als eine erste bzw. zweite linienförmige Lichtverteilung P', Q' auf die Detektoreinheit 58 fokussiert. Der Abstand d zwischen der konvexen Linsenfläche 52a und der Bildebene beträgt hier beispielsweise 101 mm, wobei alternativ ein Abstand von 95 mm ebenfalls denkbar ist.
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Mit dem Kameramodul 50 aus 4 lässt sich die Bewegung eines mit näherungsweise punktförmigen Lichtquellen versehenen beweglichen Körpers, etwa eines Werkzeugs, dessen Bewegungsradius in einem Bereich von 2 m bis 8 m liegt, mit hoher Genauigkeit erfassen.
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5 zeigt einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls 70 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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Die optische Anordnung des Kameramoduls 70 umfasst eine bikonvexe Linse 72, eine bikonkave Linse 74, eine plankonvexe Linse 76 und eine bikonvexe Linse 80 auf, die in dieser Reihenfolge entlang der optischen Achse in Richtung zur Bildebene hin angeordnet sind. Die bikonvexe Linse 72 weist zwei konvexe Linsenflächen 72a, b auf, während die bikonkave Linse 74 zwei konkave Linsenflächen 74a,b aufweist, wobei die Linsenflächen 72a,b, 74a,b sphärisch sind. Diese beiden Linsen 72, 74 sind an deren einander zugewandten Linsenflächen 72b, 74a zusammengefügt und bilden eine Verkittung 75. Die plankonvexe Linse 76 ist als Zylinderlinse ausgebildet und weist objektseitig eine sphärisch-zylindrische Linsenfläche 76a und bildseitig eine planare Linsenfläche 76b auf. Die Linsenfläche 76a ist eine Zylinderlinse mit teilkreisförmiger Kontur. Die bikonvexe Linse 80 weist zwei sphärische Linsenflächen 80a,b auf.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Schlitzblende 78 mit der Öffnung 79 zwischen der Zylinderlinse 76 und der bikonvexen Linse 80 angeordnet. Somit sind zwischen der Schlitzblende 78 und der Lichtquelle drei optische Elemente mit Brechkraft angeordnet.
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Analog zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen sind in 5 zwei Einfallslichtbündel P, Q zu sehen, die zunächst durch die Linsen 72, 74, 76 und anschließend durch die Schlitzblende 78 hindurchtreten, an der sie sich in der in 5 gezeigten Ansicht überkreuzen. Schließlich werden die beiden Einfallslichtbündel durch die Linse 80 als eine erste bzw. zweite linienförmige Lichtverteilung P', Q' auf die Detektoreinheit 82 fokussiert. Der Abstand d zwischen der konvexen Linsenfläche 72a und der Bildebene beträgt hier beispielsweise 95 mm.
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Mit dem Kameramodul 70 aus 5 lässt sich die Bewegung eines mit näherungsweise punktförmigen Lichtquellen versehenen beweglichen Körpers, dessen Bewegungsradius in einem Bereich von 2 m bis 8 m liegt, mit hoher Genauigkeit erfassen.
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6 zeigt einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls 90 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Die optische Anordnung des Kameramoduls 90 ist ähnlich wie beim in 5 gezeigten Kameramodul 70 ausgebildet und umfasst eine bikonvexe Linse 92, eine bikonkave Linse 94, eine plankonvexe Linse 96 und eine bikonvexe Linse 100 auf, die in dieser Reihenfolge entlang der optischen Achse in Richtung zur Bildebene hin angeordnet sind. Die konvexen bzw. konkaven Linsenflächen 92a,b, 94a,b der Linsen 92, 94 sind sphärische Linsenflächen, wobei diese beiden Linsen 92, 94 an deren einander zugewandten Linsenflächen 92b, 94a zusammengefügt sind und eine Verkittung 95 bilden. Die plankonvexe Linse 96 ist als Zylinderlinse ausgebildet und weist objektseitig eine Linsenfläche 96a und bildseitig eine planare Linsenfläche 96b auf. Die Linsenfläche 96a ist eine Zylinderlinse mit teilkreisförmiger Kontur. Die bikonvexe Linse 100 weist zwei sphärische Linsenflächen 100a,b auf.
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Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel aus 5 ist beim aktuellen Ausführungsbeispiel die Schlitzblende 98 an der planaren Linsenfläche 96b der Zylinderlinse 96 angeordnet, sodass die mechanische Blende direkt an der planaren Linsenfläche 96b befestigt werden kann, was den mechanischen Aufwand bei der Herstellung des Kameramoduls verringert. Zwischen der Schlitzblende 98 und der näherungsweise punktförmigen Lichtquelle sind drei optische Elemente mit Brechkraft angeordnet.
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Analog zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen sind in 6 zwei Einfallslichtbündel P, Q zu sehen, die zunächst durch die Linsen 92, 94, 96 und anschließend durch die Schlitzblende 98 hindurchtreten, an der sie sich in der in 6 gezeigten Ansicht überkreuzen. Schließlich werden die beiden Einfallslichtbündel durch die Linse 100 als eine erste bzw. zweite linienförmige Lichtverteilung P', Q' auf die Detektoreinheit 102 fokussiert. Der Abstand d zwischen der konvexen Linsenfläche 92a und der Bildebene beträgt hier beispielsweise 95,2 mm.
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Mit dem Kameramodul 90 aus 6 lässt sich die Bewegung eines mit näherungsweise punktförmigen Lichtquellen versehenen beweglichen Körpers, dessen Bewegungsradius in einem Bereich von 2 m bis 8 m liegt, mit hoher Genauigkeit erfassen.
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7 zeigt einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls 110 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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Die optische Anordnung des Kameramoduls 110 umfasst eine bikonkave Linse 112, eine erste plankonvexe Linse 114 und eine zweite plankonvexe Linse 116 auf, die in dieser Reihenfolge entlang der optischen Achse in Richtung zur Bildebene hin angeordnet sind. Die erste und zweite plankonvexe Linse 114, 116, die vorzugsweise baugleich sind, sind jeweils als Zylinderlinse ausgebildet und an deren einander zugewandten planaren Linsenflächen an einer Grenzfläche 115 zusammengefügt, um eine Verkittung 117 zu bilden. Die beiden Zylinderlinsen 114, 116 weisen jeweils eine Linsenfläche 114a, 116b auf, die voneinander abgewandt ausgerichtet sind. Die Linsenflächen 114a, 116b sind zylindrische Flächen mit teilkreisförmiger Kontur. Die konkaven Linsenflächen 112a, 112b der bikonkaven Linse 112 sind sphärische Linsenflächen.
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Beim aktuellen Ausführungsbeispiel ist die Schlitzblende 118 an der Grenzfläche 115 zwischen den beiden Zylinderlinsen 114, 116 angeordnet. Die beiden Zylinderlinsen 114, 116 bilden zusammen mit der Schlitzblende eine Einheit, sodass lediglich zwei Elemente 112, 117 mechanisch gehaltert werden müssen, was wiederum einen Kostenvorteil ergibt. Zwischen der Schlitzblende 118 und der näherungsweise punktförmigen Lichtquelle sind zwei optische Elemente mit Brechkraft angeordnet.
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Analog zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen sind in 7 zwei Einfallslichtbündel P, Q zu sehen, die zunächst durch die Linsen 112, 114 und anschließend durch die Schlitzblende 118 hindurchtreten, an der sie sich in der in 7 gezeigten Ansicht überkreuzen. Schließlich werden die beiden Einfallslichtbündel durch die Linse 116 als eine erste bzw. zweite linienförmige Lichtverteilung P', Q' auf die Detektoreinheit 120 fokussiert. Der Abstand d zwischen der konkaven Linsenfläche 112a und der Bildebene beträgt hier beispielsweise 93 mm.
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Mit dem Kameramodul 110 aus 7 lässt sich die Bewegung eines mit näherungsweise punktförmigen Lichtquellen versehenen beweglichen Körpers, dessen Bewegungsradius in einem Bereich von 2 m bis 8 m liegt, mit hoher Genauigkeit erfassen. Der maximale Bewegungsradius, innerhalb dessen die Positionsbestimmung möglich ist, hängt von dem Signal-Rauschen-Verhältnis der verwendeten Detektorzeile 120 ab.
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8 zeigt einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls 130 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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Die optische Anordnung des Kameramoduls 130 umfasst ebenfalls zwei plankonvexe Linsen 134, 136. Die Linsen 134, 136 sind jeweils als Zylinderlinse ausgebildet und an deren einander zugewandten planaren Linsenflächen an einer Grenzfläche 135 zusammengefügt, um eine Verkittung 137 zu bilden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weisen die beiden Zylinderlinsen 134, 136 jeweils eine Linsenfläche 134a, 136b auf, die voneinander abgewandt ausgerichtet sind. Die Linsenfläche 134a ist eine zylindrische Fläche mit teilkreisförmiger Kontur, während die Linsenfläche 136b eine zylindrische Fläche mit asphärischer Kontur (asphärisch-zylindrisch) ist, welche durch ein Polynom mit geradzahligen Koeffizienten beschrieben werden kann. Objektseitig der Verkittung 137 ist eine weitere Zylinderlinse 132 angeordnet, die objektseitig eine planare Linsenfläche 132a und bildseitig eine Linsenfläche 132b aufweist. Dabei ist die Linsenfläche 132b eine zylindrische Linsenfläche mit teilkreisförmiger Kontur.
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Die Schlitzblende (nicht gezeigt) ist analog zum in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel an der Grenzfläche 135 zwischen den beiden Zylinderlinsen 134, 136 angeordnet. Somit sind zwischen der Schlitzblende und der Lichtquelle zwei optische Elemente mit Brechkraft angeordnet.
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Analog zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen sind in 8 zwei Einfallslichtbündel P, Q zu sehen, die zunächst durch die Linsen 132, 134 und anschließend durch die Schlitzblende (nicht gezeigt) hindurchtreten, an der sie sich überkreuzen. Schließlich werden die beiden Einfallslichtbündel durch die Linse 136 als eine erste bzw. zweite linienförmige Lichtverteilung P', Q' auf die Detektoreinheit 138 fokussiert. Der Abstand d zwischen der planaren Linsenfläche 132a und der Bildebene beträgt hier beispielsweise 86 mm.
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Mit dem Kameramodul 130 aus 8 lässt sich die Bewegung eines mit näherungsweise punktförmigen Lichtquellen versehenen beweglichen Körpers, dessen Bewegungsradius in einem Bereich von 2 m bis 6 m liegt, mit hoher Genauigkeit erfassen.
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Bei den Kameramodulen 110, 130 aus 7-8 ist die Anzahl der in der optischen Anordnung verwendeten, entlang der optischen Achse voneinander beabstandeten Linsenbaugruppen auf zwei reduziert. Dies ermöglicht ein kompaktes Kameramodul und erleichtert die Integration des Kameramoduls in ein Positionsbestimmungssystem, beispielsweise ein Kamerasystem.
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9 zeigt einen schematischen Hauptschnitt eines Kameramoduls 150 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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Die optische Anordnung des Kameramoduls 150 umfasst nur zwei plankonvexe Linsen 152, 154. Die Linsenfläche 152a ist dabei eine Freiformfläche, welche mittels eines Polynoms mit geraden Potenzen bzgl. x und y beschrieben werden kann, sodass die Linsenfläche 152a sowohl zur x-z-Ebene als auch zur y-z-Ebene plansymmetrisch ist. Die Linsenfläche 154b ist eine zylindrische Fläche, deren Kontur sich durch ein Polynom mit geradzahligen Koeffizienten beschreiben lässt. Die planaren Linsenflächen der Linsen 152, 154 sind an einer Grenzfläche 153 zusammengefügt, um eine Verkittung 155 zu bilden.
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Die Schlitzblende 156 ist analog zum in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel an der Grenzfläche 153 zwischen den beiden Linsen 152, 154 angeordnet. Somit ist zwischen der Schlitzblende und der Lichtquelle genau ein optisches Element mit Brechkraft angeordnet.
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Analog zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen sind in 9 zwei Einfallslichtbündel P, Q zu sehen, die zunächst durch die Linse 152 und anschließend durch die Schlitzblende 156 hindurchtreten, an der sie sich in der in 9 gezeigten Ansicht überkreuzen. Schließlich werden die beiden Einfallslichtbündel durch die Linse 154 als eine erste bzw. zweite linienförmige Lichtverteilung P', Q' auf die Detektoreinheit 158 fokussiert.
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Mit dem Kameramodul 150 aus 9 lässt sich die Bewegung eines mit näherungsweise punktförmigen Lichtquellen versehenen beweglichen Körpers, dessen Bewegungsradius in einem Bereich von 2 m bis 6 m liegt, mit hoher Genauigkeit erfassen.
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Bei den beispielhaft gezeigten Kameramodulen 30, 50, 70, 90,130 und 150 beträgt der Feldwinkel 41°, wobei dieser beim Kameramodul 110 38° beträgt.
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Bei den vorstehend beschriebenen Schlitzblenden ist die Blendenöffnung vorzugsweise rechteckig, wobei das Aspektverhältnis beispielsweise 1,1, 2 oder 6 beträgt. Beispielsweise weist die Schlitzblende aus 1 und 2 ein Aspektverhältnis von 5,4 auf.
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Aus den durch Lichteinfall aktivierten Pixeln der Detektoreinheit lässt sich der Einfallswinkel des Einfallslichtbündels und somit die Winkellage der Ebene errechnen, in der sich die näherungsweise punktförmige Lichtquelle befindet.
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Mit Hilfe eines Kamerasystems bestehend aus drei zueinander ortsfest montierten Kameramodulen lässt sich auf diese Art für jedes der Kameramodule eine entsprechende Ebene bestimmen, in der eine bestimmte punktförmige Lichtquelle liegt. Der Schnittpunkt der drei gemessenen Ebenen ergibt den definierten Raumpunkt, an welchem diese punktförmige Lichtquelle zur Messzeit befindet.
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Dies ist in 10 veranschaulicht, in der eine schematische Darstellung eines Kamerasystems 170 umfassend drei erfindungsgemäße Kameramodule 10a, 10b, 10c gezeigt ist. Die Kameramodule 10a-c können verschieden oder gleich gebildet sein, wobei jedes Kameramodul 10a-c gemäß einem der vorstehend genannten Ausführungsbeispiele ausgelegt sein kann.
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Die Kameramodule 10a-c sind an einem Gehäuse 171 ortsfest zueinander befestigt, wobei ihre optischen Achsen in einer vorbestimmten relativen Winkellage zueinander stehen. Das Gehäuse 171 kann auf einem Gestell montiert sein. Mittels des Kamerasystems 170 kann die Position eines beweglichen Körpers erfasst werden, der in 10 als bewegliches Handwerkzeug 188 gezeigt ist. Das Handwerkzeug 188, das einen Handgriff 190 aufweist, ist mit einer Vielzahl von näherungsweise punktförmigen Lichtquellen 174-182 versehen, die hier jeweils beispielsweise als LED ausgelegt und an verschiedenen Positionen am Handwerkzeugs 188 verteilt sind. Diese Lichtquellen werden beispielsweise zeitlich versetzt zueinander ein- und ausgeschaltet, sodass in jedem Moment jeweils eine einzige Lichtquelle lokalisiert werden kann. An eine Rechnereinheit zur Ermittlung der Position der Lichtquellen wird die Information übermittelt, zu welcher Zeit welche Lichtquelle Licht emittiert.
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Mit Hilfe des Kamerasystems 170 lassen sich die Raumkoordinaten jeder der punktförmigen Lichtquellen 174-182 auf die vorstehend beschriebene Weise bestimmen. Aus den gemessenen Raumkoordinaten der Lichtquellen 174-182 und deren Bewegungen kann die Gesamtbewegung des Handwerkzeugs 188 mit hoher Genauigkeit errechnet und verfolgt werden.
