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Technisches Gebiet
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Optoelektronik, genauer gesagt, auf die Verwendung eines Scanspiegels eines mikroelektronischen Systems (MEMS) zur Erzeugung eines Lichtmusters.
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Hintergrund
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Eine der fundamentalen Überlegungen in Bezug auf die Ausführung beim Bau von optoelektronischen dreidimensionalen (3D) Scansystemen, wie Laserscannern, Projektoren und anderen Lasergeräten, ist die zulässige optische Leistung des Projektors. Einerseits sollte die optische Leistung ausreichen, um einen erforderlichen Rauschabstand für die erfassten optischen Daten zu bieten. Andererseits kann die optische Leistung durch einen mechanischen Formfaktor des Systems, die elektrische Leistungsaufnahme u. ä. Der Schutz der Augen kann wegen strenger Einschränkungen der Stärke und Dauer der projizierten optischen Leistung auf eine menschliche Pupille ein wesentlicher Begrenzungsfaktor für die optische Leistung sein.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2007 025 328 A1 zeigt einen Laserprojektor der eine intensitätsmodulierbare Lichtquelle zur Aussendung eines Lichtstrahls auf eine Projektionsfläche aufweist, sowie einen der Lichtquelle nachgeschalteten optischen Schalter zur Intensitätsmodulation des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahls und eine Steuereinheit zur Steuerung einer Intensitätsmodulation der Lichtquelle und des optischen Schalters.
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Die Patentanmeldung
US 2013/0083384 A1 zeigt eine optische Prüfeinrichtung. Diese Prüfeinrichtung umfasst eine Laserlichtquelle, die Laserlicht emittiert, eine Kollimatorlinse, die das Laserlicht in paralleles Licht umwandelt, einen Lichtform-Änderungsabschnitt, der das parallele Licht in lineares Laserlicht umwandelt, einen Bestrahlungsabschnitt, um ein Objekt mit einem ausgewählten Teil des linearen Laserlichts zu bestrahlen, einen Bildaufnahmeabschnitt, der ein Bild des Objekts auf der Grundlage des von dem Objekt reflektierten Laserlichts aufnimmt, und eine Steuerung, die die Bestrahlung des linearen Laserlichts steuert.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2006 050 937 A1 eine optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von Gegenständen innerhalb eines Abtastbereichs, mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und einer Ablenkeinheit, mittels derer die Sendelichtstrahlen periodisch innerhalb des Abtastbereichs geführt sind. Während jeder Abtastperiode sind bei einer vorgegebenen Ablenkposition der Ablenkeinheit die Sendelichtstrahlen zur Generierung eines Testempfangssignals auf ein Empfangselement oder über ein lichtreflektierendes Element zum Empfänger geführt. Durch Auswertung des Testempfangssignals wird die optische Ausgangsleistung des Senders bestimmt.
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Die Patentanmeldung
US 2013/0141734 A1 zeigt eine Formen-Messvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Bildgeber, der dazu eingerichtet ist, ein Bild eines Objekts aufzunehmen, eine Bestrahlungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Messlicht aus einer Projektionsrichtung auszustrahlen, die sich von der Richtung unterscheidet, entlang der der Bildgeber die Bildgebung durchführt, um eine vorbestimmte Lichtmengenverteilung auf dem Objekt zu bilden, einen Referenzlichtgenerator, der dazu eingerichtet ist, ein Referenzlicht zu erzeugen, um das Objekt zu bestrahlen, und einen Detektor, der dazu eingerichtet ist, einen Zielbereich für die Formmessung des Objekts auf der Grundlage eines Aufnahmebilds zu erfassen, das von dem Bildgeber aufgenommen wird, während das Referenzlicht auf das Objekt gestrahlt wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden ohne Weiteres durch die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden. Um diese Beschreibung zu erleichtern, bezeichnen gleiche Bezugsnummern ähnliche strukturelle Elemente. Ausführungsformen werden exemplarisch und in keiner Weise einschränkend in den Figuren der begleitenden Zeichnungen veranschaulicht.
- 1 veranschaulicht nach einigen Ausführungsformen schematisch ein exemplarisches Gerät für die Erfassung eines dreidimensionalen (3D) Objekts.
- 2 veranschaulicht nach einigen Ausführungsformen schematisch den exemplarischen Betrieb einer Projektoreinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Reihe von Scans eines Lichtmusters zur Bereitstellung der Erfassung eines 3D-Objekts generiert.
- 3 ist ein Prozessflussdiagramm, welches nach einigen Ausführungsformen den Betrieb der Projektoreinheit gemäß der Beschreibung in Bezug auf die 1 und 2 veranschaulicht.
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Ausführliche Beschreibung
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen Techniken und Konfigurationen zur Verwendung eines MEMS-Scanspiegels für die Erzeugung eines Lichtmusters.
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen gleiche Bezugsnummern durchweg einander entsprechende Teile bezeichnen und in denen durch Veranschaulichung Ausführungsformen, in denen die Erfindung realisiert werden können, gezeigt werden. Es ist selbstverständlich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und andere strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wirkungsbereich der vorliegenden Offenlegung abzuweichen.
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Für die Zwecke der vorliegenden Offenlegung bedeutet der Ausdruck „A und/oder B“ (A), (B) oder (A und B). Für die Zwecke der vorliegenden Offenlegung bedeutet der Ausdruck „A, B und/oder C“ (A), (B), (C), (A und B), (A und C), (B und C) oder (A, B und C).
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Die Beschreibung kann auf einer Perspektive basierende Beschreibungen wie oben/unten, in/aus und dergleichen verwenden. Solche Beschreibungen werden lediglich verwendet, um die Erörterung zu erleichtern, und sind nicht dazu beabsichtigt, die Anwendung hier beschriebener Ausführungsformen auf irgendeine spezielle Ausrichtung einzuschränken.
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Die Beschreibung kann die Ausdrücke „bei einer Ausführungsform“ oder „bei Ausführungsformen“ verwenden, die sich auf eine oder mehrere der gleichen oder auf unterschiedliche Ausführungsformen beziehen können. Des Weiteren sind die Begriffe „umfassend“, „einschließlich“ „aufweisen“ und dergleichen, wie in Bezug auf Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung verwendet, synonym.
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Der Begriff „gekoppelt mit“ zusammen mit seinen Ableitungen kann hier verwendet sein. „Gekoppelt“ kann eine oder mehrere der folgenden Bedeutungen haben. „Gekoppelt“ kann bedeuten, dass zwei oder mehr Elemente in direktem physischen, elektrischen oder optischen Kontakt stehen. „Gekoppelt“ kann jedoch auch bedeuten, dass zwei oder mehr Elemente sich indirekt kontaktieren, aber dennoch miteinander kooperieren oder interagieren, und kann bedeuten, dass ein oder mehrere andere Elemente zwischen den Elementen gekoppelt oder verbunden sind, von denen gesagt wird, dass sie miteinander gekoppelt sind. Der Begriff „direkt gekoppelt“ kann bedeuten, dass zwei oder mehr Elemente in direktem elektrischen Kontakt stehen oder galvanisch gekoppelt sind.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Ausdruck „ein erstes Merkmal gebildet, abgeschieden oder anderweitig angeordnet an einem zweiten Merkmal“ bedeuten, dass das erste Merkmal über dem zweiten Merkmal gebildet, abgeschieden oder angeordnet ist und wenigstens ein Teil des ersten Merkmals in direktem Kontakt (z. B. physischer und/oder elektrischer Kontakt) oder in indirektem Kontakt (z. B. mit einem oder mehreren anderen Merkmalen zwischen dem ersten Merkmal und dem zweiten Merkmal) mit wenigstens einem Teil des zweiten Merkmals stehen kann.
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1 veranschaulicht nach einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung schematisch ein exemplarisches Gerät 100 für die Erfassung eines dreidimensionalen (3D) Objekts. In einigen Ausführungsformen kann das Gerät 100 einen 3D-Scanner, eine 3D-Kamera oder jedes andere Gerät, das für eine Erfassung von 3D-Objekten konfiguriert ist, beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann, wie veranschaulicht, das Gerät 100 ein Bilderfassungsgerät 102 (z. B. eine Digitalkamera) und eine Projektoreinheit 104, wie einen Laserprojektor oder einen Laserscanner mit einer Reihe von Komponenten beinhalten. Die Komponenten des Geräts 100 können darüber hinaus eine Laseranordnung umfassen, welche darüber hinaus eine Laserquelle 106 beinhaltet, wie ein Lasergerät, das so konfiguriert ist, dass es einen Laserstrahl 120 bereitstellt, gekoppelt mit einem Controller 108. Der Controller 108 kann so konfiguriert sein, dass er eine optische Leistung des Laserstrahls 120, die von der Laserquelle 106 bereitgestellt wird, steuert (z. B. moduliert), worauf später noch ausführlicher eingegangen wird. Die Laseranordnung kann darüber hinaus eine optische Linse 110 umfassen. Die Laserquelle 106 und die optische Linse 110 können so konfiguriert sein, dass der modulierte Laserstrahl 120 die optische Linse 110 passiert. Die Linse 110 kann eine Linse sein, die so konfiguriert ist, dass sie - im Gegensatz zu beispielsweise einer sphärischen Linse - das passierende Licht statt auf einen Punkt auf eine Linie fokussiert. In einigen Ausführungsformen kann die Linse 110 eine zylindrische Linse sein. Somit kann die Linse 110 so konfiguriert sein, dass sie den Laserstrahl 120, der die Linse 110 passiert, in eine Laserlinie 122 umwandelt. Zum besseren Verständnis einer räumlichen Anordnung der Laserlinie 122 ist zu beachten, dass die Laserlinie 122 auf einer Ebene platziert sein kann, die senkrecht zur Ebene aus 1 ist. Folglich ist die Laserlinie 122, die aus dem Laserstrahl 120, welcher die Linse 110 passiert, gebildet wird, als senkrecht zur Ebene aus 1 dargestellt.
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Die Laserlinie 122 kann von einem neigbaren oder drehbaren Spiegel 112 des Geräts 100 empfangen und abgelenkt werden, welcher während der Spiegelneigung mehrere Laserebenen bildet, wie die durch die Ziffern 124, 126 und 128 angezeigten. In einigen Ausführungsformen kann der Spiegel 112 ein Scanspiegel eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) sein. In einigen Ausführungsformen kann eine Spiegeloberfläche des MEMS-Scanspiegels 112 aus Silizium (Si) bestehen, obgleich in anderen Ausführungsformen Materialien mit den erforderlichen Eigenschaften in Bezug auf die Scanspiegel-Reflektionseigenschaften verwendet sein können. In einigen Ausführungsformen kann der Spiegel 112 ein einachsiger Spiegel, wohingegen der Spiegel 112 in anderen Ausführungsformen ein zweiachsiger MEMS-Scanspiegel oder in Zwei-Spiegel-System ist.
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In einigen Ausführungsformen kann der MEMS-Scanspiegel 112 so konfiguriert sein, dass er um die Achse 114 neigbar (drehbar), wenigstens partiell neigbar, ist, um die Laserlinie 122 abzulenken und so einer gewünschten Dimension eines Lichtmusters 140 zu entsprechen, das vom Spiegel 112 auf ein Objekt 142 projiziert und durch die Laserebenen 124, 126, 128 definiert wird. Beispiel: Der Spiegel 112 kann neigbar sein, wie in 118 dargestellt, wenigstens aus seiner Ruheposition, die durch die Ziffer 116 angegeben ist, in eine Position, die vom MEMS-Scanspiegel 112 angezeigt wird, um einen Scanwinkel bereitzustellen, der eine wünschenswerte Dimension für das Lichtmuster, das von den Ausgangslaserebenen 124, 126 und 128 definiert ist, gewährleistet. In einigen Ausführungsformen kann der Controller 108 so konfiguriert sein, dass er die Neigung des Spiegels 112 steuert. Die Erzeugung des Lichtmusters 140 wird in Bezug auf 2 beschrieben.
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Zu beachten ist, dass die Achse 114 im Wesentlichen parallel zur Laserlinie 122 verläuft, und dass der Spiegel 112 innerhalb einer Ebene platziert ist, welche sich senkrecht zur Ebene aus 2 befindet, und dass er um die Achse 114, wie dargestellt, neigbar ist. Somit können die Laserebenen 124, 126 und 128 ebenfalls im Wesentlichen senkrecht zur Ebene aus 2 sein, und sie werden der Einfachheit halber mit gestrichelten Linien dargestellt.
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Die Lichtmuster 140, die von den Laserebenen 124, 126 und 128 auf einer Oberfläche des Objekts 142 gebildet werden, können vom Bilderfassungsgerät 102 empfangen werden 126 und von einem Sensor 130 des Bilderfassungsgeräts 102 erfasst (z. B. ausgelesen). Basierend auf den Messwerten der mehreren Scans der während eines Erfassungszyklus des Sensors 130 akkumulierten Lichtmuster, kann das Bilderfassungsgerät 102 dann in der Lage sein, die Form des Objekts 142 zu rekonstruieren.
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Zur Aktivierung der Erfassung, Speicherung und Verarbeitung der Lichtmuster kann das Gerät 100 zudem eine Reihe von Komponenten beinhalten. Die Komponenten können einen Prozessor 132 umfassen, der mit einem Arbeitsspeicher 134 gekoppelt ist, der so konfiguriert ist, dass er die oben aufgeführten sowie andere Funktionalitäten des Geräts 100 ermöglicht. Beispiel: Der Prozessor 132 kann mit einer ausführbaren Anleitung, die im Arbeitsspeicher 134 gespeichert ist, konfiguriert sein, um den Betrieb einer Laserquelle 106, eines Controllers 108, und des MEMS-Scanspiegels 112, wie hierin beschrieben, zu ermöglichen.
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Wie in 1 dargestellt, ist ein Trainee 150 einer Person 160, wie einem Benutzer des Geräts 100, während des Betriebs des Geräts 100 kann wenigstens einem Teil der Laserebenen 124, 126 und 128, die vom MEMS-Scanspiegel 112 abgelenkt werden, ausgesetzt. Die Ausführungsformen des Geräts 100 nach einer Vielzahl von Techniken und Konfigurationen, welche über Lichtmuster mit einer optischen Leistung innerhalb eines Leistungsbereichs verfügen, dessen Exposition für das menschliche Auge sicher ist, sind hierin weiter ausgeführt.
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In einigen Ausführungsformen beinhaltet das hierin beschriebene Gerät 100 zudem weitere Komponenten. Beispiel: Der Prozessor 132, der Arbeitsspeicher 134 und/oder andere Komponenten können nach einigen Ausführungsformen mit einem prozessorbasierten System, welches Teil des Geräts 100 sein kann, oder welches dieses beinhalten kann, kommunizieren. Der Arbeitsspeicher 134 kann in einer bestimmten Ausführungsform einen beliebigen geeigneten flüchtigen Speicher beinhalten, wie z. B. einen geeigneten dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM).
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In einigen Ausführungsformen kann der Arbeitsspeicher 134 Anweisungen enthalten, die, wenn sie auf dem Prozessor 132 ausgeführt werden, den Controller 108 so konfigurieren, dass dieser die optische Leistung des Laserstrahls 120, der von der Laserquelle 106 erzeugt wird, steuert. Darüber hinaus oder alternativ beinhaltet der Arbeitsspeicher 134 in einigen Ausführungsformen Anweisungen, die, wenn sie auf dem Prozessor 132 ausgeführt werden, den Controller 108 so konfigurieren, dass dieser die Neigung des MEMS-Scanspiegels 112 steuert, wie nachstehend beschrieben. In einigen Ausführungsformen ist der Controller 108 als eine Software-Komponente implementiert, die z. B. im Arbeitsspeicher 134 gespeichert und so konfiguriert sein kann, dass sie auf dem Prozessor 132 ausgeführt wird. In einigen Ausführungsformen ist der Controller 108 als Kombination aus Software- und Hardwarekomponenten implementiert. In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Controller 108 eine Hardware-Implementierung. Die Funktionen des Controllers 108 werden ausführlicher in Bezug auf 2 erläutert.
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Der Prozessor 132, der Arbeitsspeicher 134, andere Komponenten (nicht dargestellt), das Bilderfassungsgerät 102 und die Projektoreinheit 104 kann mit einer oder mehreren Schnittstellen (nicht dargestellt) gekoppelt sein, die so konfiguriert sind, dass sie den Informationsaustausch unter den oben aufgeführten Komponenten erleichtern. Die Kommunikationsschnittstelle(n) (nicht dargestellt) kann/können eine Schnittstelle für das Gerät 100 bereitstellen, um über ein oder mehrere schnurlose(s) Netzwerk(e) und/oder mit einem beliebigen anderen geeigneten Gerät zu kommunizieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Gerät 100 beinhaltet oder assoziiert sein mit, jedoch nicht beschränkt sein auf, einen Server, eine Workstation, ein Desktop-Rechengerät oder ein mobiles Rechengerät (z. B. einen Laptop-Computer, einen Handheld-Computer, einen Hörer, ein Tablet, ein Smartphone, ein Netbook, ein Ultrabook usw.).
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In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Gerät 100 mehr oder weniger Komponenten und/oder andere Architekturen. Beispiel: In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Gerät 100 eine oder mehrere Kamera(s), eine Tastatur, ein Display, wie beispielsweise ein LC-Display (Liquid Crystal Display, Flüssigkristallanzeige) (einschließlich Touchscreen-Displays), einen Touchscreen-Controller, einen nichtflüchtigen Speicher-Port, eine Antenne oder mehrere Antennen, einen Grafikchip, ASIC, einen oder mehrere Lautsprecher, einen Akku/eine Batterie, einen Audio-Codec, einen Video-Codec, einen Leistungsverstärker, ein GPS (Global Positioning System, Globales Positioniersystem), einen Kompass, einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop und so weiter. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Gerät 100 mehr oder weniger Komponenten und/oder andere Architekturen. In verschiedenen Ausführungsformen werden die hierin beschriebenen Technischen und Konfigurationen in einer Vielzahl von Systemen eingesetzt, die von den hierin beschriebenen Grundsätzen profitieren, wie beispielsweise optoelektronische und elektrooptische Geräte, MEMS-Geräte und Systeme und so weiter.
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2 ist ein exemplarisches Diagramm 200, welches nach einigen Ausführungsformen den Betrieb einer Projektoreinheit 204 verdeutlicht, die so konfiguriert ist, dass sie nach einigen Ausführungsformen eine Reihe von Scans eines Lichtmusters zur Bereitstellung der Erfassung eines 3D-Objekts generiert. Die Projektoreinheit 204 ist ähnlich wie die Projektoreinheit 102 implementiert, die in Bezug auf 1 beschrieben ist.
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Wie oben beschrieben, kann die Projektoreinheit 204 eine Laserquelle 206, einen Controller 208, eine Linse 210, die so konfiguriert ist, dass sie einen Laserstrahl 220, welcher die Linse auf einer Laserlinie 222 passiert, bündelt, sowie einen MEMS-Scanspiegel 212 beinhalten. Die Laserquelle 206 und die Linse 210 bilden eine Laseranordnung. In einigen Ausführungsformen ist der Controller 208 so konfiguriert, dass er die optische Leistung des Laserstrahls 220 steuert (z. B. moduliert) und/oder so, dass er die Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 steuert.
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Der modulierte Laserstrahl 220 passiert die Linse (z. B. die optische Linse) 210, welche die Laserlinie 222 bildet, die senkrecht zur Ebene von 2 angeordnet ist. Der MEMS-Scanspiegel 212 ist so konfiguriert, dass er wenigsten partiell um die Achse 214 neigbar ist, welche parallel zur Laserlinie 222 angeordnet ist, und so, dass er, während er geneigt ist, die Laserlinie 222 ablenkt. Genauer gesagt kann der MEMS-Scanspiegel 212 im geneigten Zustand die Laserlinie 222 scannen und eine resultierende Laserebene 230, welche schematisch anhand der Ränder 232, 234 und der vorderen Linie 236 verdeutlicht wird, ablenken. Infolge der Reflektion der Laserlinie 222 während der Neigung des Spiegels erstellt die Laserebene 230 einen oder mehrere Scans eines Lichtmusters 240. Beachten Sie, dass die Laserebene 230, die von der abgelenkten Laserlinie 222 erstellt wird, sich parallel zur Ebene 224 der Laserlinie 222, d. h. senkrecht zur Ebene von 2, befindet. Die Laserebene 230 und das Lichtmuster 240, das von der Laserebene 230 durch die Reflektion des Spiegels während der Neigung generiert wird, werden zur Veranschaulichung in einer dreidimensionalen Ansicht dargestellt. Wie dargestellt, bildet das Lichtmuster 240, das durch die Bewegung der vorderen Linie 236 der Laserebene 230 infolge der Reflektion der Laserlinie 222 während der Neigung generiert wird, ein im Wesentlichen rechteckiges Muster. Es ist jedoch zu beachten, dass die Form des Lichtmusters 240 zur reinen Veranschaulichung in 2 schematisch als ein Parallelogramm dargestellt ist.
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Das Lichtmuster 240 kann folgendermaßen generiert werden. Angenommen, der MEMS-Scanspiegel 212 reflektiert in der Neigung die Laserlinie 222, indem er aus der Ruheposition (nicht dargestellt) entgegen dem Uhrzeigersinn 260 um die Achse 214 geneigt (gedreht) wird. Somit kann sich das Lichtmuster 240 durch die vordere Linie 236 bilden, welche aus der Startposition (unteres Ende 268 des Lichtmusters 240), welche der Ruheposition des Spiegels 212 entspricht, nach oben 266 bewegt. Gleichermaßen kann, wenn der Spiegel die Laserlinie 222 in der Neigung reflektiert, indem er im Uhrzeigersinn 262 aus der Endposition (nicht dargestellt), um die Achse 214 geneigt (gedreht) wird, das Lichtmuster 244 von der vorderen Linie 236 gebildet werden, die sich aus der Startposition nach (oberes Ende 278 des Lichtmusters 240), welche der der Endposition des Spiegels 212 entspricht, nach unten bewegt. Wie dargestellt bildet die sich bewegende vordere Linie 236 eine oder mehrere im Wesentlichen zweidimensionalen Muster, wie Rechtecke, welche das Lichtmuster 240 umfassen.
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Während des Betriebs kann der Controller 208 so konfiguriert werden, dass er den Laserstrahl 220 so moduliert, dass die Laserquelle 206 ein- und ausgeschaltet wird, wie beispielsweise periodisch Demgemäß umfasst das resultierende Lichtmuster 240 mehrere dunkle und helle Rechtecke, die in einigen Ausführungsformen eine Strichcode-ähnliche Form bilden. Beispiel: Wie in 2 dargestellt beinhaltet das Lichtmuster 240, welches von der vorderen Linie 236 gebildet wird, die sich nach oben 266 bewegt, während des Zeitraums t0-t1 ein dunkles Rechteck, wenn die Laserquelle 206 ausgeschaltet wird, sowie ein helles Rechteck 282 während des Zeitraums t1-t2, wenn die Laserquelle 206 eingeschaltet wird, und ein weiteres dunkles Rechteck 284 während des Zeitraums t2-t3, wenn die Laserquelle 206 ausgeschaltet wird.
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Der Controller 208 ist so konfiguriert, dass er die optische Leistung der Laserquelle 206 (und entsprechend die optische Leistung der Laserlinie 222) moduliert, um sicherzustellen, dass die optische Leistung der Laserebene 230, welche daraus resultiert, dass der MEMS-Scanspiegel 212 die Laserlinie 222 scannt, innerhalb der für die Augen sicheren optischen Leistungslimits verbleibt. Zu diesem Zweck wird die optische Leistung des Laserstrahls 220 synchronisiert, wie beispielsweise mit der Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 abgeglichen. Der MEMS-Scanspiegel 212 ist so konfiguriert, dass er mit einer Neigungsfrequenz innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs rotiert, der sicherstellt, dass die optische Leistung der gescannten Laserlinie 222, die auf ein Objekt projiziert wird, innerhalb eines bestimmten Leistungsbereichs (z. B. eines für die Augen sicheren Leistungsbereichs) verbleibt. Beispiel: Der MEMS-Scanspiegel 212 kann so konfiguriert sein, dass er sich mit einem Frequenzbereich neigt, welcher es dem MEMS-Scanspiegel 212 ermöglicht, während eines Erfassungszyklus eines Erfassungsgeräts, das auf die Erfassung eines Objekts (z. B. während eines Auslesezyklus eines Sensors 130 des Bilderfassungsgeräts 102) mehrere Scans der Laserlinie 222 vorzunehmen. Mit anderen Worten: Der MEMS-Scanspiegel 212 kann so konfiguriert sein, dass er sich entsprechend neigt, um die Lichtmuster 240, die von den mehreren (z. B. wenigstens zwei oder mehr) Scans der Laserlinie 222 generiert werden, auf das Objekt zu projizieren. Beispiel: Wie in 2 dargestellt beinhaltet der Auslesezyklus des Sensors 130 einen Zeitraum von t0 bis t12. Während dieses Zeitraums scannt der MEMS-Scanspiegel 212, während er sich neigt, wenigstens partiell, im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn, die Laserlinie 222 mehrere Male, und macht dabei mehrere Scans der Laserlinie 222 während des Auslesezyklus (z. B. der Exposition) des Sensors 130.
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Zur Veranschaulichung zeigt 2 ein Beispiel, in dem der MEMS-Scanspiegel 212 die Laserlinie 222 während des Auslesezyklus von Sensor 130 vier Mal scannt. Das erste Lichtmuster kann während eines ersten Scans der Laserlinie 222 gebildet (generiert) werden, wobei sich durch die vordere Linie 236, welche sich nach oben bewegt 266, ein Lichtmuster bildet. Das generierte Lichtmuster 240 beinhaltet ein dunkles Rechteck 280 (Zeitraum t0-t1, Laserquelle 206 aus), ein helles Rechteck 282 (Zeitraum t1-t2, Laserquelle 206 ein), und ein weiteres dunkles Rechteck 284 (Zeitraum t2-t3, Laserquelle 206 aus).
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Das zweite Lichtmuster kann während eines zweiten Scans der Laserlinie 222 gebildet werden, wobei sich durch die vordere Linie 236, welche sich nach unten bewegt 276, ein Lichtmuster bildet. Das generierte Lichtmuster 240 beinhaltet ein dunkles Rechteck 284 (Zeitraum t3-t4, Laserquelle 206 aus), ein helles Rechteck 282 (Zeitraum t4-t5, Laserquelle 206 ein), und ein weiteres dunkles Rechteck 280 (Zeitraum t5-t6, Laserquelle 206 aus).
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Das erste Lichtmuster kann während eines dritten Scans der Laserlinie 222 gebildet werden, wobei sich durch die vordere Linie 236, welche sich nach oben bewegt 266, ein Lichtmuster bildet. Das generierte Lichtmuster 240 beinhaltet ein dunkles Rechteck 280 (Zeitraum t6-t7, Laserquelle 206 aus), ein helles Rechteck 282 (Zeitraum t7-t8, Laserquelle 206 ein), und ein weiteres dunkles Rechteck 284 (Zeitraum t8-t9, Laserquelle 206 aus).
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Das vierte Lichtmuster kann während eines vierten Scans der Laserlinie 222 gebildet werden, wobei sich durch die vordere Linie 236, welche sich nach unten bewegt 276, ein Lichtmuster bildet. Das generierte Lichtmuster 240 beinhaltet ein dunkles Rechteck 284 (Zeitraum t9-t10, Laserquelle 206 aus), ein helles Rechteck 282 (Zeitraum t10-t11, Laserquelle 206 ein), und ein weiteres dunkles Rechteck 280 (Zeitraum t11-t12, Laserquelle 206 aus). Es ist selbstverständlich, dass die Anzahl der mehreren Muster, die sich innerhalb eines Auslesezyklus des Sensors 130 bilden, nicht auf die in 2 dargestellten vier Muster beschränkt. Die Anzahl der Lichtmuster, die sich während eines Auslesezyklus bilden, kann variieren und von einer Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 und/oder der optischen Leistung des Laserstrahls 220 abhängig sein.
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Die Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 wird gemäß einem Kriterium oder mehreren Kriterien gesteuert, z. B. vom Controller 208. In einigen Ausführungsformen kann die Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 gesteuert werden, um so der optischen Leistung oder dem Laserstrahl 220 so zu entsprechen (beispielsweise indem er komplementär zu diesen ist), dass die optische Leistung der resultierenden Laserebene 230 innerhalb eines bestimmten Leistungsbereichs bleiben kann, z. B. innerhalb eines für die Augen sicheren Leistungsbereichs. Die optische Leistung des Laserstrahls 120 wird ausgewählt, um ausreichend erkennbare Auslesungen für den Sensor 130 zu liefern (um beispielsweise einen wünschenswerten Rauschabstand für das Lichtmuster zu liefern, das vom Sensor 130 ausgelesen wird), und kann dennoch, durch die schnelle Scanfolge des MEMS-Scanspiegels 212, innerhalb eines bestimmten (in einigen Ausführungsformen für die Augen sicheren) Leistungsbereich bleiben.
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In einigen Ausführungsformen, wird die Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 - entweder alternativ oder darüber hinaus, komplementär zur optischen Leistung des Laserstrahls 220 zu sein - so gesteuert, dass sich während eines Sensor-Auslesezyklus mehrere Lichtmuster bilden. Das Bilden mehrerer Lichtmuster während eines Sensor-Auslesezyklus kann für ausreichend Beschleunigung der Elektroprotonen für jedes ausgelesene Pixel sorgen und einen wünschenswerten Rauschabstand für die vom Sensor 130 ausgelesenen Lichtmuster liefern.
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In einigen Ausführungsformen wird die Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 - entweder alternativ oder darüber hinaus, komplementär zur optischen Leistung des Laserstrahls 220 zu sein - so gesteuert, dass unerwünschte Effekte, wie ein Rauschen, das vom sich neigenden Spiegel in einigen Neigungsfrequenzen abgegeben wird, zu vermeiden. Beispiel: Die Neigungsfrequenz wird gesteuert, um die akustischen Anforderungen, die mit der Neigung des MEMS-Scanspiegels 212 assoziiert sind, zu erfüllen. In einigen Ausführungsformen kann der ausgewählte Neigungsfrequenzbereich des MEMS-Scanspiegels 212 von ca. 4 kHz bis ca. 6 kHz variieren. In einigen Ausführungsformen kann der Frequenzbereich von 20 kHz und mehr variieren.
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In einigen Ausführungsformen wird die optische Leistung des Laserstrahls 220 (und somit auch eine optische Leistung der Laserlinie 222 und der Laserebene 230) vom Controller 208 so gesteuert (z. B. moduliert), dass sie der Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 entspricht (z. B. komplementär zu dieser ist), wobei die Steuerung beispielsweise erfolgt, um sicherzustellen, dass die optische Leistung der Laserebene 230 innerhalb eines bestimmten Leistungsbereichs (z. B. eines für die Augen sicheren Leistungsbereichs) gehalten wird, um unerwünschte akustische Rauscheffekte zu vermeiden, und/oder um während eines Erfassungszyklus mehrere Lichtmuster bereitzustellen. Demgemäß verbleibt die optische Leistung der Laserebene 230 innerhalb eines bestimmten Leistungsbereichs (z. B. eines für die Augen sicheren Leistungsbereichs), während der MEMS-Scanspiegel 212 kein unerwünschtes akustisches Rauschen generiert, und die mehreren Lichtmuster, die von der Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 generiert werden, können für ausreichend erkennbare Messwerte für den Sensor 130 sorgen (z. B. einen wünschenswerten Rauschabstand für die vom Sensor 130 ausgelesenen Lichtmuster liefern).
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Beispiel: Der Controller 208 kann so konfiguriert sein, dass eine optische Leistung des Laserstrahls 220, die von der Laserquelle 206 stammt, mit der Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 bereitgestellt wird, abgeglichen wird. In einigen Ausführungsformen wird die optische Leistung des Laserstrahls 220 gemäß einer Änderung der Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 moduliert. Beispiel: Die optische Leistung des Laserstrahls 220 steigt gemäß der steigenden Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212, und sinkt gemäß der sinkenden Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212, wodurch die projizierte optische Leistung der gescannten Laserlinie während einer Scanspanne des MEMS-Scanspiegels 212 auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau gehalten wird.
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Beispiel: Der MEMS-Scanspiegel 212 neigt sich während eines Scans aus seiner Ruheposition mit der Neigungsfrequenz, die sich von im Wesentlichen null bis auf seinen Maximalwert ungefähr auf der Hälfte der Spiegelspanne erhöhen kann, und dann auf etwa im Wesentlichen null abfällt, wenn der Spiegel seine Endposition in der Spiegelspanne erreicht hat. Die optische Leistung des Laserstrahls 220 steigt während der ersten Hälfte der Spiegeldauer, und vermindert sich dann während der zweiten Hälfte der Spiegelspanne, wobei sie einen im Wesentlichen konstanten optischen Leistungswert für die projizierte Laserebene 230 bereitstellt. Der optische Leistungswert der projizierten Laserebene 230 bleibt innerhalb eines bestimmten optischen Leistungsbereichs. In einigen Ausführungsformen verbleibt der optische Leistungsbereich der projizierten Laserebene 230 innerhalb des Leistungsbereichs gemäß einer Klasse 1 Lasersicherheitsnorm 60825-1, wie von der International Electrotechnical Commission (IEC) vorgegeben. Demgemäß ist in einigen Ausführungsformen der Controller 208 so konfiguriert, dass die optische Leistung der Laserquelle 206 ein- und ausgeschaltet wird, um so die oben beschriebenen Lichtmuster zu erzeugen, und um die optische Leistung der Laserquelle 206 gemäß der Änderung der Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 212 während der Spiegelneigung zu ändern.
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In einigen Ausführungsformen kann der Controller 208 so konfiguriert sein, dass er den Laserstrahl 220, der von der Laserquelle 206 bereitgestellt wird, mithilfe einer Korrekturtabelle moduliert. Die Korrekturtabelle kann einen Satz Neigungsfrequenzwerte für eine des Spiegels beinhalten, und jeder Neigungsfrequenzwert kann einem entsprechenden optischen Leistungswert des Laserstrahls 220 zugewiesen sein. Jede Kombination eines Neigungsfrequenzwerts und eines entsprechenden optischen Werts kann ermöglichen, die projizierte optische Leistung der gescannten Laserlinie 222, d. h. der Laserebene 230, innerhalb eines wünschenswerten Leistungsbereichs, z. B. eines Leistungsbereichs, der für die Augen sicher ist, zu halten.
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3 ist ein Prozessflussdiagramm, welches nach einigen Ausführungsformen den Betrieb der Projektoreinheit 104 (204) gemäß der Beschreibung in Bezug auf die 1 und 2 veranschaulicht. Das Verfahren 300 kann an Block 302 beginnen, wo ein Laserstrahl 120 (220) bereitgestellt sein kann, z. B. durch eine Laserquelle 106 (206) einer Projektoreinheit 104 (204).
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An Block 304 kann die optische Leistung des Laserstrahls 120 (220) gesteuert (z. B. moduliert) sein, um so die Neigungsfrequenz des MEMS-Scanspiegels 112 (212) zu ergänzen. Die Neigungsfrequenz des Spiegels kann innerhalb eines festgelegten Frequenzbereichs, wie in Bezug auf 2 beschrieben, verbleiben. In einigen Ausführungsformen kann die Neigungsfrequenz so gesteuert sein, dass sie komplementär zur optischen Leistung des Laserstrahls 120 (220) ist.
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An Block 306 wird der modulierte Laserstrahl 120 (220) umgewandelt, um eine Laserlinie 122 (222) zu bilden. Wie oben beschrieben kann der Laserstrahl 120 (220) in einigen Ausführungsformen mithilfe einer zylindrischen Linie 110 (220) umgewandelt werden.
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An Block 308 kann die Laserlinie 222 mit dem MEMS-Scanspiegel 112 (212) gescannt und so auf ein Objekt projiziert werden, dass dabei innerhalb eines Erfassungszyklus eines Erfassungsgeräts (z. B. Sensor 130 des Bilderfassungsgeräts 102) mehrere Lichtmuster 240 generiert werden. In einigen Ausführungsformen bleibt die optische Leistung der projizierten Laserlinie 222 durch die Steuerung des Laserstrahls 120 (220) und/oder der Neigungssteuerung des MEMS-Scanspiegels 112 (212), wie in Bezug auf 2 beschrieben, innerhalb eines bestimmten Leistungsbereichs.
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Verschiedene Arbeitsvorgänge werden wiederum als mehrere getrennte Arbeitsvorgänge auf eine Weise beschrieben, die äußerst hilfreich beim Verständnis des beanspruchten Gegenstands ist. Jedoch sollte die Reihenfolge der Beschreibung nicht so ausgelegt werden, dass diese Arbeitsvorgänge unbedingt von dieser Reihenfolge abhängig sind. Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung können unter Verwendung von geeigneter Hardware und/oder Software in ein System implementiert werden, um beliebig zu konfigurieren.
