DE10306417B4

DE10306417B4 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Abtastung

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Publication number: DE10306417B4
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: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2023-02-16
Also published as: DE10258545B4; DE10306417A1; DE10258545A1; DE20321218U1

Abstract

Vorrichtung zur optischen Abtastung, bei der eine Relativbewegung zwischen einem Objekt im Erfassungsraum der Vorrichtung und der Vorrichtung erfolgt, wobei der Erfassungsraum
– sich außerhalb der Vorrichtung befindet und
– dreidimensional ausgedehnt ist,
– wobei die Vorrichtung beinhaltet
– eine Abbildungsoptik,
– in welcher vom Objekt kommende Lichtstrahlen eintreffen und
– die als Objektiv ausgebildet ist,
– einen optoelektronischen Verschiebungssensor,
– der auf seiner Abtastfläche verteilt eine Vielzahl lichtempfindlicher Teilflächen enthält,
– der über die Winkeländerung der durch die Abbildungsoptik in der Vorrichtung eintreffenden Lichtstrahlen die Relativbewegung misst, und
– eine Auswerteeinheit,
– wobei die geometrische Anordnung von Verschiebungssensor, und Abbildungsoptik. derart ist, dass im Erfassungsraum befindliche Objekte in einer zur Verschiebungserkennung ausreichenden Auflösung abgebildet werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Verschiebungssensor zumindest der Chip eines für optische Mäuse vorgesehenen Sensors oder ein mit diesem Chip strukturgleicher Chip eingebaut...

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Abtastung eines Bewegungsvorganges, insbesondere zur Messung der Bewegungsgrößen wie Richtung oder Geschwindigkeit, und ebenso zur allgemeinen Erfassung der Objekte, die sich bewegen, oder zur Messung von 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.

DE 100 06 386 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erfassung von Objekten, welche mittels einer Fördereinrichtung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit relativ zu einem optischen Sensor bewegt werden. Die vom Sensor generierten Signale übermitteln Objektmerkmale des Objektes; diese werden durch eine Korrelationsfunktion mit einem wenigstens ein Objektmerkmal enthaltenden Referenzsignal verglichen. Die Funktionsfähigkeit ist lediglich für spezifische Objekte gegeben und dient zu deren Wiedererkennung, nicht zur Messung der Bewegung an sich oder zur allgemeinen Erfassung von Körpern.

DE 195 23 843 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erfassen von Objekten, wobei optische Sensorvorrichtungen den Abstand zur Oberfläche des. Objektes und somit dessen Kontur erfassen.

DE 40 04 530 A1 beschreibt ein Verfahren zu optischen Abstandsmessung, bei dem gesendete gebündelte Lichtstrahlen an einem Objekt reflektiert werden, deren empfangene Intensitäten ausgewertet werden und nach dem Triangulierungs-Prinzip ein Messwert für den Abstand gewonnen wird. Eine direkte Messung der Bewegung ist nicht möglich.

DE 196 15 568 A1 beschreibt ein Zeigegerät mit einem optisch abgetasteten Trackball, bei dem die Bewegungen des Trackballs anhand eines daran angebrachten Musters mit einer Anordnung von lichterfassenden Vorrichtungen erkannt werden.

Weitere Trackball-Vorrichtungen und Optomaus-Vorrichtungen sind beschrieben in DE 102 26 950 A1 , EP 0 942 285 A1 , DE 101 32 645 A1 , sowie DE 101 49 272 .

DE 39 31 931 A1 beschreibt eine optische Eingabevorrichtung mit lichtempfindlichen Einheiten und einer Vergrößerungseinrichtung, um Verschiebungen über einem gitterförmigen Untergrund abzutasten.

DE 41 08 889 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Flugbahn eines Geschosses mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera.

DE 197 13 945 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Ortung beweglicher Objekte, bei der in Zeilen versetzt angeordnete Photosensoren alternierend an je einen geradzahligen bzw. ungeradzahligen Ausgang angeschlossen sind. Die alternierenden Sensoren ergeben eine fächerförmig im Raum verteilte Abtast-Struktur. Jeder der Ausgänge ist mit einer Verarbeitungseinheit so verbunden, dass mittels Bild-Subtraktion eine Signalverarbeitung mit Erfassung des Objektes erfolgt. Dieses Verfahren erfordert zwei parallele Abbildungsoptiken und ist entsprechend aufwändig.

DE 199 50 060 A1 beschreibt eine optoelektronische Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug, bei der ein Objekt auf ein Sensorarray abgebildet wird und die Vorrichtung zwischen zwei Positionen hin – und herbewegt wird, etwa indem sie an einem Schwenkarm befestigt ist. Durch die Bewegung können mit einer Vorrichtung mehrere Objekte erfasst werden, beispielsweise können sowohl Tropfen an der Windschutzscheibe erkannt als auch die äußere Szene abgetastet werden, etwa zur Regelung der Fahrzeugbeleuchtung. Eine Auswerteeinheit ist separat angeschlossen, diese ist jedoch nicht spezifiziert.

US 6 057 540 A beschreibt eine Eingabevorrichtung ohne Verwendung einer Computer-Maus, bei der eine Fingerkuppe, die auf der Vorrichtung gelegt und bewegt wird, optisch auf einen Bewegungssensor abgebildet wird, wobei die Abbildung über eine Stab-Linse erfolgt, welche andererseits auch eine Lichtquelle zur Beleuchtung abbildet, und die Bewegung im Bewegungssensor pixelweise ausgewertet wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Sensors, 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 Videokameras 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 in separaten Messwerten ausgegeben. Häufig haben solche Sensoren pro Mess-Achse (Bewegungsachse) einen Quadratur-Ausgang, der ein Inkremental-Signal auf zwei Adern liefert, wobei die Bewegung in Stufen richtungsgetreu gemeldet wird. Eine Signaländerung erfolgt als Sprung oder als Folge von Sprüngen. Alternativ kann das Ausmaß der Verschiebung als Datensignal ausgegeben werden.

Als Abbildungsoptik kann beispielsweise die Linse eines Objektivs verwendet werden.

Geeignet sind Kamera-Objektive oder Teleskop-Optiken. Die meisten sichtbaren Strukturen, die ein Gegenstand gewöhnlich aufweist, können mit einer solchen Anordnung mit ausreichendem Kontrast auf dem Verschiebungssensor abgebildet werden.

Je gröber die vorhandenen Kontraste, d.h. je höher der Anteil niedriger Ortsfrequenzen, desto weniger schart müssen die Strukturen abgebildet werden und desto größer ist die nutzbare Schärfentiefe. Objekte mit einer strukturlosen Oberfläche können an ihrem Rand aufgrund der Kontur erkannt werden.

Um eine Erfassung 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 vergrößert auf dem Sensor abgebildet werden, dass eine ähnliche Abbildungsgröße wie bei einer üblichen optischen Maus erreicht wird. Als Ergebnis können feine Strukturen auch entfernter Objekte mit der von der optischen Maus bekannten hohen Auflösung abgetastet werden, solange sie sich im Bereich der Tiefenschärfe befinden. Alternativ kann als Abbildungsvorrichtung ein vergrößerndes System mit mehreren Linsen verwendet werden, beispielsweise ein Teleskop, um die Bauweise zu verkürzen anstelle eines langbrennweitigen 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 Abtastebene 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 Funktion 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 der ein Bild auf dem 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 Fokussierung und die Apertur der Abbildungsoptik den Erfordernissen anpassen. Meistens ist eine Keule vorteilhafterweise länger als breit. Für sinnvolle Tiefenschärfe ist es vorteilhaft, wenn die Gegenstandsweite das Dreifache der Bildweite überschreitet. Der Abtastraum kann sich ins Unendliche erstrecken. Bei kurzbrennweitigen Objektiven kann der Fokus zweckmäßigerweise auf unendlich eingestellt sein.

Die Relativbewegung kann eine Drehung oder Linearbewegung beinhalten und bewirkt eine Änderung des 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 in eine Verschiebung bzw. Bewegung des Abbildes auf dem Verschiebungssensor um. Dabei ist das Maß der gewonnenen 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 einer geeigneten Brennweite nach den Gesetzen 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 letzteren 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-Position 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 eine 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. Das Meßsignal kann daher als Reziprokwert für den Abstand herangezogen werden. 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.

Sämtliche Messgrößen können 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 ein Abdriften der Kameraplattform kompensiert, wie sie beispielsweise während einer Kamerafahrt aus Fahrzeug, Kran oder Flugzeug auftreten. 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.

Es kann auch 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 verschiedene Weise a) bis d) nutzen. Es enthält Information über a) Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung (wenn man Frequenz und Phase der Signal-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 übermittelte Vorzeichen, ist proportional zur momentanen optischen Verschiebungsgeschwindigkeit und daher 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. abwärtsgezählt werden, und die Summe jeweils durch die Länge des Zeitintervalls dividiert wird. Folgen die Zeitabschnitte regelmäßig, kann die Division entfallen. Alternativ kann bei jedem Änderungs-Sprung des Signals die Zeitspanne seit dem vorangegangenen Änderungssprung ermittelt werden, davon der Kehrwert gebildet und mit einem der Änderungsrichtung entsprechenden Vorzeichen 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 verstrichenen Wartezeit entsprechenden 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 Auswerteschaltung 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 Beschleunigung ergibt.
d) Um das Vorhandensein eines Objektes zu melden, kann eine Ereignisprüfung vorgenommen werden, die aktuell überprüft, ob im Sensorsignal Änderungs-Sprünge auftreten oder nicht.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Die Sensorvorrichtung (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 Fokus 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. Mit dem Bezugseichen 4 wird schematisch eine Auswerteeinrichtung bezeichnet.
Verschiedene Anwendungen und Ausführungen:
Erkennung bewegter Objekte: Bei vorhandener Beleuchtung ist im Unterschied zu bekannten optischen Sensoren wie Lichtschranken oder Lichtastern 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. kontrastarm ist, kann der Erfassungsbereich wesentlich breiter sein als die Objekte, wobei auch ein heller 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 halten. Beleuchtung kann auf die Teile oder durch die Teile 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 herkömmlichen Bildsystemen ist eine erhebliche Kosteneinsparung möglich.
Die 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 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 am Objekt ein Spiegel, Prisma oder dergleichen befestigt sein. Es kann am bewegten Objekt der Sensor bzw. die Vorrichtung befestigt sein und somit mitbewegt werden. In beiden Fällen ist sowohl eine quantitative Erfassung der Bewegungsgrößen möglich als auch die Erkennung des Vorhandenseins eines Objektes in der feststehenden Szene. Hierbei kann die beschriebene Vorrichtung mit einem vibrierenden 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 Kollisionsschutz 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. Es können, wie in 2 gezeigt, zwei Sensor-Chips (31 und 32), die hinter einem gemeinsamen Objektiv (2) oder hinter jeweils separaten Objektiven angeordnet sind, so angebracht werden, dass ihre Sichtrichtungen bzw. optischen Achsen V-förmig divergieren. Die Winkelhalbierende kann in Fahrtrichtung zeigen.
Es können auch zwei Sensorvorrichtungen an versetzten 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 in dieselbe 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 Haupt-Sichtrichtung darstellen, die z.B. als die Winkelhalbierende angenommen werden kann.
Indem 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 oben beschriebenen Abstandsmessverfahren 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 Winkelwanderung 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 Teilen von Baumaschinen oder Robotern.
Mit einer divergierenden Anordnung 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. Beispielsweise kann ein Seitenabstand eines Fahrzeuges zu einer Umgebung wie beschrieben gemessen werden und der Einfluss einer Fahrzeugdrehung auf diese Messung durch eine weitere Messung kompensiert werden, 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 Aneinanderreihung 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 erfolgen oder – bei kompakten Eingabegeräten – mit einer eigenen Lichtquelle. Zur Vermeidung von Reflex-Störungen kann die Beleuchtungsrichtung und/oder die optische Achse der Sensoreinheit außerhalb des rechten Winkels zur Fläche angeordnet sein. Auch bei schräger Ausrichtung zur Ebene können Bewegungen längs der Ebene erfasst werden, da dennoch eine Bewegungskomponente quer zur optischen Achse existiert.
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-Bilddarbietung 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

Vorrichtung zur optischen Abtastung, bei der eine Relativbewegung zwischen einem Objekt im Erfassungsraum der Vorrichtung und der Vorrichtung erfolgt, wobei der Erfassungsraum – sich außerhalb der Vorrichtung befindet und – dreidimensional ausgedehnt ist, – wobei die Vorrichtung beinhaltet – eine Abbildungsoptik, – in welcher vom Objekt kommende Lichtstrahlen eintreffen und – die als Objektiv ausgebildet ist, – einen optoelektronischen Verschiebungssensor, – der auf seiner Abtastfläche verteilt eine Vielzahl lichtempfindlicher Teilflächen enthält, – der über die Winkeländerung der durch die Abbildungsoptik in der Vorrichtung eintreffenden Lichtstrahlen die Relativbewegung misst, und – eine Auswerteeinheit, – wobei die geometrische Anordnung von Verschiebungssensor, und Abbildungsoptik. derart ist, dass im Erfassungsraum befindliche Objekte in einer zur Verschiebungserkennung ausreichenden Auflösung abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Verschiebungssensor zumindest der Chip eines für optische Mäuse vorgesehenen Sensors oder ein mit diesem Chip strukturgleicher Chip eingebaut ist.
Vorrichtung nach dem vorausgehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die optische Abbildung in der Weise fokussiert ist, dass die Schärfentiefe ins Unendliche reicht.
Vorrichtung nach dem vorausgehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass als Verschiebungssensor ein solcher Chip eingebaut ist, der die Bewegung in Stufen richtungsgetreu meldet.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Auswerteschaltung beinhaltet, die die Ausgangssignale des Verschiebungssensors mindestens einer seiner Messachsen erhält und geeignet ist zur Darstellung mindestens einer der folgenden Größen: – die Frequenz der vom Verschiebungssensor stammenden Signaländerungen als Maß der Geschwindigkeit der Verschiebung, – die inkrementierte Summe der Signalsprünge als Maß einer Verschiebung, – das Auftreten des Ereignisses einer gemessenen Verschiebung, – das Ausbleiben oder Auftreten einer Struktur als Indiz für Fehlerfreiheit fortlaufender Materialien.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstandsweite das Fünffache der Diagonalen der aktiven Sensorfläche überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Gegenstandsweite das Fünffache der Apertur der Abbildungsoptik überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstandsweite das Dreifache der Bildweite überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite der Abbildungsoptik zwischen dem Fünffachen und dem 200-fachen der Diagonalen der aktiven Sensorfläche liegt.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass für die Abbildungsoptik die in einer optischen Computermaus schon eingebaute Linse verwendet wird, und dass eine Zusatzoptik vorgesehen ist, die eine mechanische Einrichtung besitzt, die zum Ankoppeln an die optische Computermaus geeignet ist.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 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 dadurch gekennzeichnet, dass zwei aus Verschiebungssensor und Abbildungsoptik gebildete Sensoreinheiten beabstandet angeordnet und so ausgerichtet sind, dass ihre Erfassungsbereiche konvergieren.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass – sie eine motorbetriebene Schwenkvorrichtung mit Befestigungsmöglichkeit für eine Bildaufnahmekamera enthält und – dass die aus Verschiebungssensor und Abbildungsoptik aufgebaute Sensoreinheit in der Weise angeordnet ist, dass sie die Schwenkbewegungen mit durchführt und die optische Achse der Sensoreinheit in einer Richtung liegt und/oder sich legen lässt, die innerhalb des Winkelerfassungsbereichs der Bildaufnahmekamera liegt.
Verfahren zur optischen Abtastung, bei dem eine Relativbewegung zwischen einem Objekt im Erfassungsraum einer Sensoreinheit und der Sensoreinheit erfasst, – wobei der Erfassungsraum – sich außerhalb der Sensoreinheit befindet und – dreidimensional ausgedehnt ist, – wobei durch eine als Objektiv wirkende Abbildungsoptik die vom Objekt eintreffenden Lichtstrahlen auf einen optoelektronischen Verschiebungssensor fallen, der auf seiner Abtastfläche verteilt eine Vielzahl lichtempfindlicher Teilflächen enthält, – und wobei über die Winkeländerung der eintreffenden Lichtstrahlen die Relativbewegung gemessen und ausgewertet wird – und wobei die geometrische Anordnung von Verschiebungssensor und Abbildungsoptik derart ist, dass im Erfassungsraum befindliche Objekte in einer zur Verschiebungserkennung ausreichenden Auflösung abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Verschiebungen durch zumindest den Chip eines für optische Mäuse vorgesehenen Sensors oder durch einen mit diesem Chip strukturgleichen Chip erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass als Beleuchtung das Umgebungslicht dient.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt mit dem zur Abtastung erforderlichen Licht durchstrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt kleiner ist als der Erfassungsbereich oder nur einen Teil davon ausfüllt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die zur Abtastung erforderlichen Kontraste durch Umriss-Konturen eines oder mehrerer Objekte erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen durch Abschattung durch die Objekte bei hellem Hintergrund erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Oberfläche des Objektes in eine Richtung mit Komponente quer zur optischen Achse der Sensoreinheit bewegt und dass das Ausgangssignal des Verschiebungssensors als Maß für eine Bewegungsgröße verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19 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 13 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit in einer Verschiebung mit Komponente quer zur optischen Achse bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit um eine Drehachse gedreht oder geschwenkt wird, und dass die optische Achse nicht mit der Drehachse zusammenfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit an einem bewegten Objekt mitbewegt wird, indem sie daran befestigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23 dadurch gekennzeichnet, dass ein die Lichtrichtung beeinflussendes optisches Element im Strahlengang zwischen Sensoreinheit und Objekt bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungsgröße des optischen Elementes gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 25 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 wird: – die Frequenz der vom Verschiebungssensor stammenden Signaländerungen als Maß der Geschwindigkeit der Verschiebung, – die inkrementierte Summe der Signalsprünge als Maß einer Verschiebung, – das Auftreten des Ereignisses einer gemessenen Verschiebung, – das Ausbleiben oder Auftreten einer Struktur als Indiz für Fehlerfreiheit fortlaufender Materialien.
Verfahren nach Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittrichtung des Ausgangssignals des Verschiebungssensors bei der Frequenzmessung berücksichtigt und diese als Vorzeichen darin enthalten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 27 dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Frequenz als Messgröße für eine Geschwindigkeit verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19, 21 oder 23 dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Frequenz bei näherungsweise bekannter Geschwindigkeit ein Maß für den reziproken Abstand zwischen Objekt und Sensor ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29 dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz als ein Maß für mindestens eine der folgenden Eigenschaften des Objekts herangezogen wird: Position, Größe, Höhenverlauf, Oberflächenbeschaffenheit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30 dadurch gekennzeichnet, dass mit einer mechanischen Scanning-Vorrichtung eine Relativbewegung zwischen Objekt und Sensoreinheit oder auf dem Abbildungsweg zwischen beiden erzeugt wird, und dass ein Höhenrelief des Objektes anhand der auftretenden Frequenzänderungen erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 26 dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene inkrementierte Summe ein Maß für eine Positionsmessgröße und/oder relative Lage von Objekt und/oder Sensor ist.
Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass, um Distanzänderungen messen zu können, die Verschiebungssensoren Verschiebungen (51–51' und 52–52') in radialer Richtung abtasten und dass durch einen Signalvergleich mittels Subtraktion oder Summierung der Messgrößen eine Messgröße für eine Bewegungskomponente der Abbilder in radial gegenläufiger Richtung gewonnen wird.
Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass, um eine Drehung messen zu können, die Verschiebungssensoren Bildverschiebungen in gegenüber der Drehachse tangentialer Richtung abtasten, und dass durch Signalvergleich mittels Subtraktion oder Summierung der Messgrößen eine Messgröße für die gemeinsame Komponente der durch Drehung resultierenden tangentialen Gegenbewegung gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 13 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoreinheiten ein Gesamtfeld ergebend hinter einer zumindest in einem spektralen Teilbereich transparenten Fläche angebracht sind und dass Hand oder Finger des Benutzers auf der Fläche bewegt wird und die optische Abtastung der Bewegung durch die Fläche hindurch erfolgt.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11 zur Messung der Rotation eines Objektes.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 20 zur Erkennung oder Zählung kleiner Partikel.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 19 zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit anhand der Bewegung suspendierter Teilchen.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 19, 20, 26, 28 bis 30 zur Abtastung von Objekten, die von einer Fördereinrichtung bewegt werden.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 34 zur Messung der relativen Bewegung zwischen einer Bildaufnahmekamera und einem abzubildenden Objekt, indem die Sensoreinheit die Bewegungen der Bildaufnahmekamera mit durchführt und indem die optische Achse der Sensoreinheit in einer Richtung ausgerichtet ist, die innerhalb des Winkelerfassungsbereiches der Bildaufnahmekamera liegt.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 32 zur Regelung der Schwenkbewegung einer Bildaufnahmekamera, indem die Sensoreinheit die Bewegungen der Bildaufnahmekamera mit durchführt und indem die optische Achse der Sensoreinheit in einer Richtung ausgerichtet ist, die innerhalb des Winkelerfassungsbereiches der Bildaufnahmekamera liegt.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 32, um in Kombination mit einem Regelkreis eine Bewegung zu regeln, indem eine aus dem Meßsignal der Sensoreinheit abgeleitete Stellgröße einem Stellglied beaufschlagt wird, welches direkt oder mittelbar die Bewegung beeinflusst.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 33 zur Zielerkennung während einer Annäherungsbewegung.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 33 zur Kollisionsvermeidung.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als manuelles Eingabegerät durch Abtastung eines Körperteils des Benutzers.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 35 zur Messung der Bewegung eines Betrachters bei einer visuellen und/oder 3D-Darbietung und zur Steuerung der Darbietung in Abhängigkeit vom Messsignal der Sensoreinheit.