DE10306417A1

DE10306417A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Abtastung

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Publication number: DE10306417A1
Application number: DE10306417A
Authority: DE
Inventors: Stefan Reich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2003-02-15
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2023-02-16
Also published as: DE10258545B4; DE10258545A1; DE20321218U1; DE10306417B4

Abstract

Optische Abtastung bei einer Relativbewegung zwischen einem Sensor und einem im Messraum des Sensors befindlichen Objekt. Ein optoelektronischer Verschiebungssensor, der dem Funktionsprinzip des Bewegungssensors einer optischen Maus entspricht oder ein solcher ist, ist mit einer als Objektiv wirkenden Abbildungsoptik kombiniert und so angeordnet, dass Punkte, die in einem beabstandeten Erfassungsbereich im Außenraum der Vorrichtung liegen, auf die empfindliche Fläche des Sensors abgebildet werden. Abgetastete Objekte können von der Vorrichtung bis unendlich weit entfernt und kleiner als der Erfassungsbereich sein. Es kann das Objekt oder die Sensorvorrichtung bewegt werden. Es kann die Anwesenheit von Objekten erkannt oder die Bewegung oder der laterale Abstand gemessen werden. Das Sensorsignal kann auf Frequenz (der Änderungsschritte) mit Vorzeichen ausgewertet werden und ist ein Maß für Geschwindigkeit, Drehgeschwindigkeit oder Abstand. Ferner Regelung der Bewegung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Abtastung eines Bewegungsorganes, insbesondere zur Messung der Bewegungsgroßen wie Richtung oder Geschwindigkeit, und ebenso zur allbemeinen Erfassung der Objekte, die sich bewegen, oder deren Abstand.
Solche Geräte werden vor allem bei der Industrieautomation benötigt, ferner zur Raumüberwachung und in der Verkehrstechnik. Ferner können auch Schwenk-Bewegungen einer Bildaufnahmekamera in Bezug zum abzubildenden Objekt gemessen werden, um die Kamera relativ dazu stabilisieren zu können.
DE100006389 beschreibt eine Vorrichtung zur Erfassung von Objekten, welche mittels eine Förderung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit relativ zu einem optischen Sensor bewegt werden. Die vom Sensor generierten Signale übermittels Objektmerkmale des Objektes, diese werden durch Korrelationsfunktion mit einem wenigstens ein Objektmerkmal enthaltenden Referenzsignal verglichen. Die Funktion ist lediglich für spezifische Objekte möglich und dient zu deren Wiedererkennung, nicht zur Messung der Bewegung an sich oder zur allgemeinen Erfassung von Körpern.
DE 19523843 beschreibt ein Verfahren zum Erfassen von Objekten, wobei optische Sensorvorrichtungen den Abstand zur Oberfläche des Objektes und somit dessen Kontur erfassen
DE 4004530 beschreibt ein Verfahren zu optischen Abstandsmessung, bei dem gesendete gebündelte Lichtstrahlen an einem Objekt reflektiert werden, deren empfangenen Intensitäten ausgewertet werden und nach dem Triangulierungs-Prinzip ein Messwert für den Abstand gewonnen wird. Eine direkte Messung der Bewegung ist nich möglich.
Aufgabe der Erfindung ist ein Sensor, der unabhängig von der Art des Objektes auch aus größeren Abständen eine Relativbewegung zwischen Sensor und Objekt erkennen kann. Ferner besteht eine weitere Aufgabe darin, anhand der Bewegung das Vorhandensein des Objektes erkennen zu können.
Hierfür sind die im Hauptanspruch gegebenen Merkmale vorgesehen.
Als optischer Verschiebungssensor wird vorzugsweise ein von der optischen Maus bekannter Bewegungssensor eingesetzt. Ein solcher Sensor enthält auf einer Abtastfläche verteilt eine Vielzahl lichtempfindlicher Teilflächen (Pixel), deren Signale in rascher Folge ausgelesen werden, wobei die Auslese-Rate meist wesentlich höher ist als die bei Viedeokameras übliche Bildwechselfrequenz, und wobei die Bilder elektronisch auf Verschiebungen ausgewertet werden. Das Ausmaß der Verschiebung wird in zwei orthogonalen Achsen (x und y) ermittelt und als separate Messwerte ausgegeben. Häufig haben solche Sensoren pro Mess-Achse (Bewegungsachse) einen Quadrater-Ausgang, der ein Inkremental-Signal auf zwei Adern liefert wobei die Bewegung in Stufen richtungstreu gemeldet wird. Eine Signaländerung ergfolgt als Sprung oder als Folge von Sprüngen. Alternativ kann das Ausmaß der Verschiebung als Datensignal ausgegeben werden.
Als Abbildungsoptik kann beispielsweise die Linse eines Objektiv verwendet werden geeignet sind Kamera-Objektive oder Teleskop-Optiken. Die meisten sichtbaren Strukturen, die ein Gegenstand gewöhnlich aufweist, können mit einer solchen Anordnung mit ausreichend Kontrast auf dem Veschiebungssensor abgebildet werden.
Je größer die vorhandenen Kontraste d.h., je höher der Anteil niedriger Ortsfrequenzen, desto weniger scharf müssen die Strukturen abgebildet werden und desto großer ist die nutzbare Schärfentiefe. Objekte mit einer strukturlosen Oberfläche können an ihrem Rand aufgrund der Kontur erkannt werden.
Um eine Erfasung auch in der Mitte der Oberfläche scheinbar strukturloser Objekte zu ermöglichen, kann ein Objektiv langer Brennweite verwendet werden. Auf diese Weise können feine Unebenheiten so stark vergößert auf dem Sensor abgebildet werden, dass eine ähnliche Abbildungs-Größe wie bei einer üblichen optischen Maus erreicht wird. Als Ergebnis können feine Strukturen auch entfernter Objektemit der von der optischen Maus bekannten hohen Auflösung abgetastet werden, solange sie sie im Bereich der Tiefenschärfe befinden. Alternativ kann als Abbildungsvorrichtung ein vergößerndes System mit mehreren Linsen verwendet werden, beispielsweise ein Teleskop, um die Bauweise zu verkürzen anstelle eines langebrennweiten Objektivs.
Eine Beleuchtung kann in der Vorrichtung eingebaut bzw. mit ihr verbunden sein, alternativ kann auch das Umgebungslicht verwendet werden.
Die Abbildungsoptik kann auch aus einer Kombination einer Zusatz-Optik mit der in einer vorhandenen Opto-Maus schon eingebauten Linse bestehen. Eine entsprechende Vorrichtung lässt sich so gestalten, dass sie ein Ankoppeln an jede optische Computermaus ermöglicht.
Die Zusatz-Optik kann als Objektiv ausgebildet sein, das eine erste Abbildung vom Objekt in die ursprüngliche Absastebene der vorhandenen Maus-Linse bewirkt. Zusammen mit der Maus-linse resultiert die Funktion eines Teleskops oder Mikroskops. In der Nähe der ursprünglichen Abtastebene. d.h. ersten Bildebene kann eine Feldlinse eingebaut sein.
Die Zusatz-Optik kann auch eine Konkavlinse enthalten, die in der Nähe der schon vorhandenen Linse angeordnet ist, um deren Wirkung zu verringern oder aufzuheben. Hierdurch kann eine zweifache Bildumkehr vermieden werden. Die Funkion der Konkavlinse kann auch einer Barlow-Linse oder einem konkav-Okular (Opernglas) entsprechen.
Die erfindungsgemäße Kombination des Verschiebungssensors mit einer Abbildungsoptik lässt sich als Kamera bezeichnen. Es entsteht ein Erfassungsbereich mit Keulen- bzw. Kegelähnlicher Form. Die Winkel-Breite dieser Keule, innerhalb dem ein Bild auf den Verschiebungssensor erfasst wird, kann durch die Größe der lichtempfindlichen Fläche des Verschiebungssensors und die Brennweite der Abbildungsoptik festgelegt werden. In den meisten der folgenden Betrachtungen wird diese Breite vernachlässigt und nur die Haupt-Richtung bzw. optische Achse als die "Sichtrichtung" betrachtet.
Die Tiefe des Abtastbereiches ist durch die Schärfentiefe festgelegt. Diese lässt sich durch die Focussierung und die Apertur der Abbildungsoptik den Erfordernissen anpassen. Meistens ist ist die Keule vorteilhafterrweise länger als breit. Für sinnvolle Tiefenschärfe ist es vorteilhaft, wenn die Gegenstandsweite das 3-fache der Bildweite überschreitet. Der Abtastraum kann sich ins Unendliche erstrecken. Bei kurzbrennweitigen Objektiven kann der Fokus zweckmäßigerweise auf unendlich eingestellt sein.
Die Relativbewsgung kann Drehung oder Linearbewegung beinhalten und bewirkt eine Änderung der Einfallswinkels der vom Objekt in die Abbildungsoptik gelangenden Lichtstrahlen. Die gemäß der Erfindung aus Abbildungsoptik und Sensor gebildete Einheit oder Kamera wandelt diese Winkeländerung oder -Bewegung über die optische Abbildung um in eine Verschiebung bzw. Bewegung des Abbildes auf dem Verschiebungssensor um. Dabei ist das Maß der gewonnen Bild-Verschiebung proportional zur Brennweite der Abbildungsoptik und zur Strahlwinkel-Änderung. Somit kann die vorliegende Erfindung die Bewegung anhand visueller Winkeländerungen erkennen, und zwar auch quantitativ.
Die Skalierung und der Bereich messbarer Geschwindigkeiten kann durch Wahl geeigneter Brennweite nach den Gestetzen der Strahlgeometrie an die Anwendung so angepasst werden, dass am Verschiebungssensor zur Erfassung geeignete Geschwindigkeiten auftreten.
Gemäß der Erfindung kann das abgetastete Objekt und/oder der Sensor bewegt sein. In beiden Fällen kann die Bewegung wahlweise quantitativ gemessen werden oder die Anwesenheit des Objektes (anhand der Bewegung) erkannt werden.
Im ietzteren Fall oder bei unstrukturiertem Hintergrund kann das Objekt wesentlich kleiner sein als der Erkennungsbereich, der durch die Abmessungen der lichtempfindlichen Sensorfläche festgelegt wird.
Eine quantitative Messung einer Bewegungsgröße kann eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung oder eine Lage bzw. Verschiebung oder Orts-Positian beinhalten. Die Bewegung selbst kann eine lineare Bewegung oder auch eine Drehung sein.
Bei linearen Bewegungen kann die Sicht-Richtung quer zur Bewegungsrichtung angeordnet sein, am besten senkrecht dazu. Der Messwert der Bewegung (Verschiebung oder Geschwindigkeit) ist dabei auch proportional zum reziproken Abstand Sensor-Objekt.
Da der Verschiebungssensor eine zweidimensionale Verschiebung misst, können die geschilderten Messgrößen in zwei Koordinaten dargestellt werden und ermöglichen dementsprechend zweidimensionale Erkennung, Messung und Regelung.
Wenn eine Geschwindigkeit ungefähr bekannt oder konstant ist, so kann das optische Meßsignal umgekehrt auch zur Ermittlung des Abstandes zwischen Sensor und Objekt verwendet werden. Nach Anspruch 21 wird das Meßsignal als Reziprokwert für den Abstand herangezogen. Zum Beispiel kann der opische Messwert durch die bekannte Geschwindigkeit dividiert werden und dann vom Ergebnis der Kehrwert errechnet oder angenähert werden. Bei Verwendung in einem Regelkreis kann die Kehrwertbildung entfallen, sofern der Sollwert schon als Kehrwert definiert wird.
Sämliche Messgrößen können gemäß Anspruch 28 verwendet werden, um in Kombination mit einem Regelkreis einen Bewegungsvorgang zu regeln. Mit einem Istwert-Sollwert-Vergleich und einem Stellglied zur direkten oder indirekten Beeinflussung der Bewegung kann die Bewegung oder Position auf einen vorgegebenen Wert oder Ablauf eingestellt oder stabilisiert werden.
Ein sinnvoller Einsatz ist die Montage auf einer schwenkbaren Kameraplattform. Auf diese Weise kann die relative Bewegung der Kamera gegenüber einem zu filmenden oder zu fotografierenden Objekt gemessen werden. Mittels einer Regelschleife, die diese Messung einbezieht, können Schwenkbewegungen der Kamera geregelt werden. Hiermit lässt sich ein automatisches Fixieren des Objektes verwirklichen. Dadurch resultiert einerseits der Vorteil, dass bei Bewegungen des Objektes die Kamera automatisch nachschwenkt und daher das Ziel oder ein gewünschter Bildausschnitt davon beibehalten wird. Andererseits werden unerwünschte Erschütterungen und Abdriften der Kameraplattform kompensiert, wie sie beispielsweise während einer Kamerafahrt aus Fahrzeug, Kran oder Flugzeug autftreten. Insbesondere können auch die bei absichtlichen Perspektive-Änderungen während einer Aufnahme nötigen Korrektur-Schwenks automatisch gesteuert werden, um den Bildausschnitt konstant auf das Objekt zu halten. Die Sensoreinheit (Messvorrichtung) kann hierzu neben der zu lenkenden Kamera auf der Plattform angebracht werden. Alternativ kann sie in die Kamera eingebaut sein.
Weitere Einsatzgebiete sind automatische Lenkvorgänge bei Fahrzeugen.
Nach Anspruch 17 kann das Signal des optischen Sensors, nachfolgend kurz "Sensorsignal" genannt, mit einer damit beaufschlagten elektronischen Schaltungsvorrichtung nach bestimmten Eigenschaften ausgewertet werden. Die Schaltungsvorrichtung kann Bauteile für analoge oder digitale Berechnungen enthalten. Erfindungsgemäß lässt sich das Sensorsignal auf verscheidene Weise a) bis d) nutzen. Es enthält Information über a) Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung (wenn man Frequenz und Phase der Signale-Änderungen betrachtet) und b) das Maß der Verschiebung (wenn man die Signalsprünge zählt und somit integrierend aufsummiert), c) Beschleunigung, und d) das Vorhandensein eines Objektes.

a) Die Frequenz einschließlich ihr durch das Signal übermittels Vorziechen, ist proportional zur momentanen optischen Verschiebungs-Geschwindigkeit und daher -angewendet im Verfahren des Hauptanspruchs – proportional zur Winkelgeschwindigkeit der optischen Einfallsrichtung. Je nach Anwendung kann dies für verschiedene Messungen verwendet werden. Ein Frequenzmesswert kann gewonnen werden, indem fortlaufend Zeitintervalle erzeugt werden, während denen die in einer Mess-Achse auftretenden Ausgangssprünge mit Vorzeichen summiert werden, d.h. auf-/bzw. abwärts-gezählt werden, und die Summe jeweils durch die Länge des Zeitintervalls dividiert wird. Folgen die Zeitbaschnitte regelmäßig, kann die Division entfallen. Alternativ kann bei jedem Änderungs-Sprung des Signals die Zeitspanne seit dem vorangehenden Anderungssprung ermittelt werden, davon der Kehrwert gebildet wird und mit einem der Änderungsrichtung entsprechenden Vorziehen versehen werden. Dieser Frequenzwert kann rechnerisch auch vor Eintreffen der nächsten Änderung aktualisiert werden, indem er frühestens nach Ablauf einer der Frequenz entsprechenden Periodendauer fortwährend oder in Schritten heruntergesetzt wird auf einen der verstrichen Wartzeit entsprechend Frequenzwert.
b) Der Positionswert, gewonnen durch Auf-/Abwärtszählung der Inkrement-Sprünge des Sensorsignals oder durch eine beliebige andere bekannte Art der zeitlichen Integration der Frequenz, repräsentiert das Maß der erfolgten Verschiebung. Immer wenn hier allgemein der Begriff Bewegung verwendet wird, ist auch die Positionsmessung beinhaltet, denn die gemessene Position ergibt sich aus den vorangegangenen Verschiebungen und wird aus solchen fortlaufend aufsummiert. Um bei diesem Integrationsvorgang einen definierten Anfangswert zu erreichen, kann die Auswertschaltung einen Rücksetz-Eingang besitzen und durch ein externes Ereignis ausgelöst einen Anfangswert in die Summe bzw. in den Zähler schreiben.
c) Ferner kann ein Differenzialwert gebildet und herangezogen werden, indem der Frequenz-Messwert zeitlich differenziert wird, somit ein Maß für die Beschlenunigung ergibt.
d) Um das Vorhandensein eines Objektes zu melden, kann eine Ereignisprüfung vorgenommen werden, sie aktuell überprüft, ob im Sensorsignal Anderungs-Sprünge auftreten oder nicht.

1 zeigt ein erstes Ausführungbeispiel. Die Sensorvorrichtungrichtung 10 enthält das Objektiv (1) als Abbildungsoptik und den Verschiebungssensor (2), dessen empfindliche ("aktive") Sensorfläche (3) in der Bildebene des Objektivs (1) liegt. Es resultiert ein Erfassungsbereich (6) in und in der Nähe der optischen Achse (7), Festgelegt durch den Abstand zwischen Objektiv und aktiver Sensorfläche ist der Focus so eingestellt, dass mögliche Gegenstandsweiten zwischen einem nahen Ende (6a) und einem fernen Ende (6b) des Tiefenschärfebereichs liegen. Insgesamt resultiert der kegelähnliche Abtastraum (6), in dem bewegte Objekte 7 oder Partikel 8, die von der Vorrichtung (10) beabstandet sind, erkannt werden können.
Verschiedene Anwendungen und Ausführungen:
Erkennung bewegter Objekte: Bei vorhandener Beleuchtung ist im Unterschied zu bekannten optischen Sensoren wie Lichtschranken oder Lichttster keine Einschränkung der Reichweite gegeben. Zudem kann der mögliche Abtastraum eine größere Fläche oder auch Volumen abdecken und die Ausrichtung der Strahlkeule ist weniger kritisch. Dies kann zur Raumüberwachung oder zur richtungsabhängigen Personenzählung verwendet werden, ferner zur Überwachung von Einstiegsstellen an Fahrzeugen auch wenn der Erfassungsbereich außerhalb der Fahrzeuge liegt. Ferner zur Überwachung des Einfahrt-Bereiches vor großen Toren, die sich bei Annäherung eines Fahrzeuges öffnen. Vorteilhafterweise ist diese Art der Erkennung nicht durch eine bestimmte Reichweite begrenzt. Außerdem erfordert sie keine Justage zur Unterscheidung zwischen Objekt und Hintergrund, da der Boden, weil unbewegt, nicht fehlerhafterweise erkannt werden kann. Wenn der Hintergrund struktur- bzw. kontrast-arm ist, kann der Erfassungsbereich wesentlich breiter sein als die Objekte, wobei auch ein heiler Hintergrund die Messung nicht stört.
Ferner können kleine Partikel erkannt werden, auch wenn sie zu klein sind, um mit einer Lichtschranke erfasst werden zu können. Hierzu genügt es, den Hintergrund entweder dunkel oder kontrastfrei oder aus dem Schärfebereich zu haften. Beleuchtung kann auf die Teile oder durch die Teie erfolgen. Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten oder Gasen können aufgrund der Bewegung suspendierter Teilchen gemessen werden.
Ferner können fortlaufende Materialien auf Fehlerfreiheit untersucht werden. Ein Fehler kann als erkannte Struktur oder als ausbleibende Struktur registriert werden. Gegenüber herkömmmlchen Bildsystemen ist erhebliche Konsteneinsparung möglich.
Drehung bzw. Drehzahl von auch langsam rotierenden Objekten kann aus der Entfernung erkannt und gemessen werden.
Von Fördereinrichtungen bewegte Gegenstände können erkannt oder auch vermessen werden. Bei Abtastung von oben kann die Höhe der Gegenstände anhand der Frequenz des Sensorsignals erkannt werden, denn die Höhe beeinflusst die Distanz zum Sensor und somit die gemessene Winkelgeschwindigkeit. Das Gleiche gilt für die seitliche Position der Gegenstände, wenn die Abtastung von der Seite erfolgt.
Um ein Oberflächenrelief von Objekten (9) zu erfassen, kann nach Anspruch 27 entweder das Objekt vor dem Sensor oder der Sensor vor dem Objekt gleichförmig verschoben werden. Der Verlauf der reziproken Frequenz ist ein Abbild für den Höhenverlauf des Objektes. Die Verschiebung kann rasterförmig in zwei Achsen erfolgen, wodurch eine dreidimensionale Oberflächenerfassung möglich ist.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt im großen Bereich der möglichen Messdistanzen und im geringen Preis, verglichen mit Verfahren nach dem Stand der Technik (z.B. Optische Laufzeitmessungen). Durch geeignete Wahl der Brennweite und der Abtast-Geschwindigkeit lassen sich beliebige Auflösungen und Messbereiche realisieren.
Ferner können auch Bewegungen (eines weiteren Objektes) gegenüber einem feststehenden Objekt, d.h. auch einem Hintergrund oder der Gesamtszene, erkannt werden. Hierzu kann nach Anspruch ... am Objekt ein Spiegel, Prima oder dergleichen befestigt sein. Nach Anspruch ... kann am bewegten Objekt der Sensor bzw. die Vorrichtung befestigt sein und somit mit bewegt werden. In beiden Fällen ist sowohl eine quantitative Erfassung der Bewegunpsgrößen möglich als auch die Erkennung des Vorhandenseins eines Objektes in der feststehenden Szene. Hierbei kann die beschriebene Vorrichtung mit einem vibrierendem oder Drehspiegel kombiniert werden, durch den zu erfassende Gegenstände oder zu überprüfende Orte abgebildet werden.
Bei bewegtem Sensor kann auch der Abstand quer zur Bewegungsrichtung erkannt werden, wie oben beschrieben.
Dies kann als Kollisions-Schutz verwendet werden, etwa für automatische Fahrzeuge. Bei seitlicher Sichtrichtung kann der Seitenabstand, etwa zu einer Wand, gemessen und geregelt werden. Als Stellglied kann hierbei die Lenkung gesteuert werden und ermöglicht Fahren entlang eines Hindernisses.
Um Kollisionsschutz in vorderer Richtung zu ermöglichen, ist eine Bewegungskomponente quer zur Sichtrichtung bzw. optischen Achse erforderlich. Nach Anspruch 35 können, wie in 2 gezeigt, zwei Sensor-Chips 32 und 33 , die hinter einer gemeinsamen (2) oder hinter jeweils separaten Objektiven angeordnet sind, so angebracht werden, dass ihre Sicht-Richtungen bzw. optischen Achsen V-förmig divergieren. Die Winkelhalbierende kann in Fahrtrichtung zeigen.
Nach Anspruch 36 können zwei Sensorvorrichtungen aus versetztem Orten so ausgerichtet werden, dass ihre Sichtrichtungen bzw. optischen Achsen im Abtastraum konvergieren.
Auf beide geschilderten Arten wird eine messbare Bewegungskomponente, nämlich quer zur optischen Achse, auch dann erreicht, wenn die Abtastung im Wesentlichen die in selbe Richtung zeigt wie die Bewegung (11) (z.B. nach vorne). Wenn beide optischen Achsen zueinander im spitzen Winkel liegen, also in ähnliche Richtung zeigen, können sie eine gemeinsame Hupt-Sichtrichtung (11) darstellen, die z.B. als die Winkelhalbierende angenommen werden kann.
Indem nach Anspruch 37 die in beiden Sensoren gemessenen Verschiebungen (51-51') und (52-52') einem Vergleich unterzogen werden, kann die Messung von anderen Bewegungen weitgehend unabhängig gemacht werden. Hierzu kann die Differenz bzw. Summe der Signale ermittelt werden. Hierdurch wird nur der radiale Anteil verwendet bzw. herausgefiltert.
Im Unterschied zum Verfahren nach Anspruch 21 wird hier nicht der Absolutwert des Abstandes, sondern die Änderungsrate gemessen. Außerdem ist es hier nicht nötig, dass eine andere Geschwindigkeit in Querrichtung vorhanden und bekannt ist.
Wegen der Strahlgeometrie ist die gesamte Winkel-Wanderung und somit die gemessene Summenfrequenz proportional zur Annäherungsgeschwindigkeit, und außerdem näherungsweise quadratisch reziprok zum Abstand. Eine solche Zusammensetzung eignet sich hervorragend als Mess- oder Regel-Wert für eine Kollisions-Vermeidung. Eine Abbremsung kann zum Beispiel in der Weise gesteuert werden, dass die Negativbeschleunigung in etwa proportional zur gemessenen Frequenz, abzüglich eines Sollwertes, ist.
Bei mitdrehendem Sensor kann die Winkelgeschwindigkeit gemessen werden.
Sofern die umgebende Szene auf allen Seiten ausreichend Licht und Kontrast aufweist, kann die Drehung rundum erfolgen. Für diese Art der Messung ist der Abstand der abgetasteten Objekte unerheblich; sie können auch im Unendlichen liegen.
Eine Anwendung ist die Erkennung oder Stabilisierung von Ausrichtung, Lage bzw. Kurs von Fahrzeugen, Flugzeugen oder anderen bewegten Objekten wie Teile von Baumaschinen oder Robotern.
Mit einer divergierende Anordnung nach Anspruch 35 können auch mehrere Raumkomponenten einer Bewegung gleichzeitig gemessen werden. Ferner können hierdurch störende Einflüsse einer Bewegungskomponente auf die Messung einer anderen Bewegungskomponente dadurch eliminiert werden, dass mit einem anderen Sensor eine andere Mischung von Bewegungen gemessen wird und beide Signale einem Vergleich unterzogen werden. Beispielsweie kann ein Seitenabstand eines Fahrzeuges zu einer Umgebung wie beschrieben gemessen werden und der Einfluss einer Fahrzeugdrehung auf diese Messung kompensiert werden durch eine weitere Messung, die nach hinten zeigt und infolgedessen hauptsächlich die Drehung wahrnimmt.
Eine weitere Anwendung der Erfindung ist als Eingabegerät, beispielsweise zur Navigation im Menu eines Computers. Ein solches Eingabegerät kann unter Verwendung der beschriebenen Sensoreinheit die Bewegung einer Hand bzw. eines Fingers abtasten.
Die Sensoreinheit kann hinter einer transparenten Fläche angebracht sein, und die Bewegung kann auf bzw. entlang deren Oberfläche erfolgen. Dabei kann die Bedienung der eines Touchscreens entsprechen. Als Vorteil ergibt sich, dass keine beweglichen oder zerstörbaren Teile zugänglich sind. Ferner, dass auch ein nachträglicher Einbau in schon vorhandene Glasflächen möglich ist. Vorteile ergeben sich insbesondere für öffentlich zugängliche Terminals, die in Glasvitrinen untergebracht werden können, sowie in Schaufenstern, um eine interaktive Bedienung durch den Betrachter zu ermöglichen.
Durch Aneinaderreihung mehrerer Sensoreinheiten zu einem Gesamtfeld lässt sich der mögliche Bewegungsspielraum vergrößern. Die Abtastung kann mit Infrarotlicht erfolgen, sodass die transparente Fläche im sichtbaren Bereich nicht transparent gestaltet sein muss. Dies lässt sich mit spektral selektivem Material oder auch mit dichroitischen Filtern erreichen. Die Beleuchtung kann mit Umgebungslicht efolgen oder – bei kompakten Eingabegeräten – mit einer eigenen Lichtquelle. Zur Vermeidung von Reflex-Störungen kann die Befeuchtungsrichtung und/oder die optische Achse der Sensoreinheit außerhalb der rechten Winkels zur Fläche angeordnet sein. Auch bei schrägem Ausrichtung zur Ebene können Bewegungen längs der Ebene erfasst werden, da dennoch eine Bewegungs-Komponente quer zur optischen Achse exisiert.
Alternativ können Bewegungen auch aus dem Abstand gemessen werden; auch können andere Körperteile abgetastet werden. Dies kann verwendet werden, um eine Visuelle Darstellung, Beispielsweise in einem Schaufenster, von der Bewegung abhängig zu machen. Indem das Gesicht eines Betrachters abgetastet wird, lässt sich das bei 3D-Bilddarbierung auftretende Problem der Nachführung (Headtracking) auf preiswerte Art lösen. Das Meßsignal des Verschiebungssensors kann als Maß der Verschiebung des Kopfes bzw. der aktuellen Augenposition herangezogen werden. Dieses Signal kann sowohl die Ansichtsperspektive eines dem Betrachter dargebotenen Bildes steuern, sodass sie der Kopfbewegung des Betrachters entspricht, als auch die Austrittsrichtung von für separate Augen vorgesehenen Austrittspupillen bei einer stereo-optischen Bilddarstellung, um auch bei Kopfbewegungen ein Eintreffen in die richtig zugeordneten Augen zu ermöglichen.

Claims

Verfahren zur optischen Abtastung bei einer Relativbewegung zwischen einer Sensoreinheit und einem in derem Erfassungsraum (6) befindlichen Objekt (7), (8), (9), gekennzeichnet durch folgende Merkmale. Ein optoelektronischer Verschiebungssensor (2), der dem Funktionsprinzip des Bewegungssensors einer optischen Maus entspricht oder ein solcher ist, erfasst Verschiebungen des Abbildes eines entfernten Objektes, indem er mit einer als Objektiv wirkenden Abbildungoptik (1) kombiniert ist und hinter dieser so angeordnet ist, dass Objektpunkte, die sich in einem außerhalb gelegenen Erfassungsraum (6) befinden, der sich bis zu einer gewissen Entfernung (6b) von der durch Verschiebungssensor und Abbildungsoptik gebildeten Sensoreinheit (10) erstreckt, auf die empfindliche Fläche (3) des Sensors abgebildet werden in einer Auflösung, die zur Erkennung einer Bildverschiebung ausreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsraum eine dreidimensional räumliche Ausdehnung hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsraum von der Sensoreinheit beabstandet ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beleuchtung das Umgebungslicht dient.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsbereich eine kegelförmig divergierende Form hat.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt mit dem zur Abtastung erforderlichen Licht durchstrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt kleiner ist als der Erfassungsbereich oder nur einen Teil davon ausfüllt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Abtastung erforderlichen Kontraste durch Umriss-Konturen eines oder mehrerer Objekte erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, die Konturen durch Abschattung durch die Objekte bei hellem Hintergrund erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Erfassung einer Bewegung mindestens eines Objektes, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Oberfläche des Objektes in eine Richtung mit Komponente quer zur optischen Achse bewegt und dass das Ausgangssignal als Maß für eine Bewegungsgröße verwendet wird.
Verfahren mach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Erkennung bewegter Objekte, dadurch gekennzeichnet, dass das Ereignis einer bestimmten Änderung im Ausgangssignal als Indiz für die Anwesenheit eines bewegten Objektes verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Einheit in einer Translation mit einer Komponente quer zur optischen Achse bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Enheit um eine Drehachse gedreht oder geschwenkt wird, und dass die optische Achse nicht mit der Drehachse zusammenfällt.
Verfahren mach Anspruch 12 oder 13 zur Messung einer Bewegung eines (weiteren) Objektes, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit mit dem (weiteren) Objekt mitbewegt wird, indem sie daran befestigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Lichtrichtung beeinflussendes optisches Element im Strahlengang zwischen Sensorveinheit und Objekt bewegtwird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungsgröße des optischen Elementes gemessen wird
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer elektronischen Auswertung, die die Ausgangssignale von mindestens einer Mess-Achse des Verschiebungssensors erhält, daraus mindestens eine der folgenden Messgrößen dargestellt werden: Frequenz, inkrementierte Summe, Auftreten einer gemessenen Verschiebung.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritt-Richtung des Sensor-Signals bei der Frequenzmessung berücksichtigt und als Vorzeichen darin enthalten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Frequenz als Messgröße für eine Geschwindigkeit verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene inkrementierte Summe der Verschiebung ein Maß für eine Positionsmessgröße bzw. (relative) Lage von Objekt und/oder Sensor ist.
Verfahren mach einem der Ansprüche 10, 12, oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Frequenz bei ungefähr bekannter Geschwindigkeit ein Maß für den (reziproken) Abstand zwischen Objekt und Sensor ist.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 14 oder 17 zur Messung der Rotation eines Objektes.
Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 11 zur Erkennung oder Zählung kleiner Partikel
Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 10 zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit anhand der Bewegung suspendierter Teilchen
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10, 11, 19, 20, 21 zur Abtastung von Objekten, die von einer Fördereinrichtung bewegt werden
Verwendung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz ein Maß für mindestens einer der folgende Messgrößen des Objektes ist: Position, Größe, Höhe, Höhenverlauf, Oberfiächenbeschaffenheit.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 20 und / oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer mechanischen Scanning-Verrichtung eine Relativbewegung zwischen Objekt und Sensorvorrichtung bzw. auf dem Abbildungsweg dazwischen erzeugt wird, und dass ein Höhenrelief des Objektes anhand der auftretenden Frequenzänderungen erfasst wird.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche zur Messung der relativen Bewegung zwischen einer Kamera und einem abzubildenden Objekt.
Verwendung nach Anspruch 28 und Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung minddestens eine Schwenkbewegung der Kamera beinhaltet und dass zum Regeln derselben die Messung einem die Kamerabewegung steuernden Regelkreis zugeführt wird.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche, um in Kombination mit einem Regelkreis eine Bewegung zu regeln, indem eine aus dem Messignal abgeleitete Stellgröße einem Stellglied beaufschlagt wird, welches direkt oder mittelbar die Bewegung beeinflusst.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: Ein optoelektronischer Verschiebungssensor (2), der dem Funktionsprinzip des Bewegungssensors einer optischen Maus entspricht oder ein solcher ist, ist mit einer als Objektiv wirkenden Abbildungoptik (1) kombiniert und so angeordnet, dass Punkte, die sich in einem außerhalb der Vorrichtung. (10) gelegenen Erfassungsraum (6) befinden, der sich bis zu einer gewissen Entfernung (6b) von der Vorrichtung (10) erstreckt, auf die empfindliche Fläche (3) des Sensors abgebildet werden in einer Auflösung, die zur Erkennung einer Bildverschiebung ausreicht.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch eine motorbetriebene Schwenkvorrichtung mit Befestigungsmöglichkeit für eine Bildaufnahme-Kamera und durch eine Anordnung der aus Verschiebungssensor und Abbildungsoptik aufgebauten Sensoreinheit in der Weise, dass diese die Schwenkbewegungen mit durchführt und ihre optische Achse in einer Richtung liegt bzw. sich legen lässt, die innerhalb des Winkel Erfassungsbereiches der Bildaufnahme-Kamera liegt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Verschiebungssensor und Abbildungsoptik aufgebaute Sensoreinheit mit einer Bildaufnahme-Kamera so verbunden ist, dass sie deren Bewegungen mit durchführt und dass die optische Achse der Sensoreinheit in einer Richtung ausgerichtet ist, die innerhalb des Winkel-Erfassungsbereiches der Bildaufnahme-Kamera liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstandsweite das 5-fache der Diagonale der aktiven Sensorfläche überschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstandsweite das 5-fache de Apertur der Abbildungsoptik überschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstandsweite das 3-fache der Bildweite überschreitet
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite der Abbildungsoptik zwischen dem 5-fachen und dem 200-fachen der Diagonalen der aktiven Sensorfläche liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 37 zur Verwendung einer bestehenden Computermaus, gekennzeichnet durch eine Zusatz-Optik, die optisch so dimensioniert ist, dass ihre Kombination mit der in einer vorhandenen Opto-Maus schon eingebauten Linse eine geeignete Abbildungsoptik ergibt, und eine mechanissche Einrichtung, die zum Ankoppeln an eine Computermaus geeignet ist.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 31 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei örtlich verschiedene Sensoren oder Sensor-Teilflächen (31), (32) vorhanden sind und so angeordnet sind, dass die sich ergebenden Erfassungsbereiche V-förmig divergieren.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 31 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aus Sensor und Abbildungsoptik gebildete Sensor-Vorrichtungen beabstandet angeordnet und so ausgerichtet sind, dass ihre Erfassunsgsbereiche konvergieren,
Verfahren zur Messung von Distanz-Änderungen unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungssensoren Verschiebungen (51'), (52') der Bilder (51, 52) in radialer Richtung abtasten und dass durch Signalvergleich mittels Subtraktion bzw. Summierung der Messgrößen eine Messgröße für eine Bewegungskomponente der Abbilder in radial gegenläufiger Richtung gewonnen wird.
Verfahren zur Messung einer Drehbewegung um mindestens eine Drehachse unter Verwendung einer Vorrichtung mach Anspruch 38 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungssensoren Bildverschiebungen in gegenüber der Drehachse tangnntialer Richtung abtasten, und dass durch Signalvergleich mittels Subtraktion bzw. Summierung der Messgrößen eine Messgröße für die gemeinsame Komponente der durch Drehung resultierenden tangentialen Gegenbewegung gewonnen wird.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 41 zur Zielerkennung während einer Annäherungbewegung.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 41 zur Kollisionsvermeidung.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 – 40 als manuelles Eingabegerät durch Abtastung eines Körpeiteils des Benutzers.
Verfahren nach Anspruch 10 zur manuellen Eingabe von Richtungs- und 1 oder Verschiebung-Informationen, gekennzeichnet dadurch, dass die aus Verschiebungssensor und Abbildungsoptik gebildete Sensoreinheit hinter einer zumindest in einem spektralen Teilbereich transparenten Fläche angebracht ist und dass Hand bzw. Finger des Benutzers auf der Fläche bewegt wird und die optische Abtastung durch die Fläche hindurch erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche spektraloptisch selektive Filtereigenschaften aufweist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 30 zur Messung der Bewegung eines Betrachters bei einer visuellen Darbietung und zur Steuerung der Darbietung in Abhängigkeit des Meßsignals.
Verwendung nach Anspruch 48 zur Messung der Kopfbewegung eines Betrachters bei einer 3D-Bilddarbeitung und zur Steuerung der Darbietung in Abhängigkeit des Meßsignals.