DE19502660C2 - Projektionsverfahren und Projektor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Projektionsverfahren und einen Projektor zur Erzeugung sinusförmiger Lichtintensitätsstufungen durch die optische Abbildung eines rechteckförmig modulierten Liniengitters unter Zuhilfenahme eines Objektivs und eines zusätzlichen optischen Tiefpassfilters. Das Filter wirkt optisch ähnlich wie eine wellenförmige Glasoberfläche oder wie eine Reihe eng beieinander liegender paralleler Zylinderlinsen. DOLLAR A Die Überlagerung der Bilder dieser "Zylinderlinsen" bewirkt eine Verschmierung der Hell-Dunkel-Kanten im projizierten Bild eines Rechteckgitters zu einem Sinusgitter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektionsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1, einen Projektor zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 2 und ein Bildverarbeitungssystem mit einem solchen Projektor.

Bei einem bekannten Projektionsverfahren mit einem bekannten Projektor beleuchtet eine Lichtquelle ein Gitter, das mehrere, periodisch angeordnete, rechteckförmige Streifen aufweist, die abwechselnd lichtdurchlässig und lichtundurchlässig sind. Dieses Gitter wird über ein Objektiv auf eine im folgenden als Bildebene bezeichnete, häufig jedoch nicht in einer Ebene liegende Bildfläche abgebildet, wobei in der Bildebene eine weitgehend rechteckförmige Lichtintensitätsverteilung erzeugt wird. Der zugehörige bekannte Projektor ist Teil eines bekannten Bildverarbeitungssystems. Von Nachteil ist bei dem bekannten Projektionsverfahren, daß technologisch bedingt das Gitter eine Mindestperiodenlänge aufweist, und daß als Folge davon die weitgehend rechteckförmige Lichtintensitätsverteilung in der Bildebene ebenfalls eine Mindestperiodenlänge aufweist, wodurch die Ortsauflösung in der Bildebene begrenzt ist.

Ein Projektionsverfahren und ein Projektor der eingangs genannten Art sind bekannt aus: K. Mütze (Hrsgbr.) ABC der Optik, 1972, Seiten 604 und 605.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Projektionsverfahren und einen Projektor sowie ein Bildverarbeitungssystem zu schaffen, mit denen in der Bildebene eine zumin­ dest für die Auswertung effektiv höhere Ortsauflösung erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Projektionsverfahren mit den Merkmalen des Anspru­ ches 1, durch einen Projektor mit den Merkmalen des Anspruches 2 bzw. durch ein Bild­ verarbeitungssystem mit den Merkmalen des Anspruches 15. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Aus Bergmann-Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. III, Optik, 1987, Seiten 403 und 404, ist bekannt, dass die bei der optischen Abbildung eines sinusförmigen Git­ ters in der Bildebene kein ideales, sinusförmiges Gitter als Bild entsteht, sondern das reale Bild veränderte Maximalintensitäten und einen zusätzlichen Untergrund aufweist. Zur qualitativen Beschreibung dieser Veränderung wird ein Kontrast definiert. In G. Schröder, Technische Optik, 1974, Seiten 175 und 176, ist ausgeführt, dass die opti­ sche Übertragungsfunktion für Objektive, welche die Kontrastminderung aufgrund von Abbildungsfehlern und Streulicht als Funktion der Raumfrequenz beschreibt, an sich nur für Sinusgitter definiert ist. Weil jedoch Sinusgitter schwer herstellbar sind, verwendet man bei der Messung der optischen Übertragungsfunktion ein Rechteckgitter, welchem durch Ausfiltern der Grundwelle elektronisch die Wirkung eines Sinusgitters gegeben wird.

Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Sinusgitters ist über die weitgehend sinus­ förmige Lichtintensitätsverteilung in der Bildebene aber so viel bekannt, insbesondere dass die Intensität sich stetig ändert, d. h. keine Sprünge wie im Falle eines Rechteckstrei­ fenmuster auftreten, so dass aus den Grauwerten durch Interpolationen, d. h. über Zwi­ schenwerte, zusätzliche Informtionen gewonnen werden können. Gegenüber dem Bild eines Rechteckgitters mit gleicher Periodenlänge kann daher bei dem Bild eines Sinusgitters aufgrund der bekannten Kurvenform für die in der Regel numerisch erfolgende Aus­ wertung eine effektiv höher aufgelöste Ortsinformation gewonnen werden.

Aus der US 5,337,181 ist bekannt, Phasenelemente als optische Filter einzusetzen.

Die Verwendung eines Phasenelementes als optisches Tiefpaßfilter hat den Vorteil, daß die Lichtintensitätsverluste im Vergleich zu Amplitudenfiltern oder Blenden gering gehalten werden.

Vorteilhafterweise unterdrückt das Phasenelement im wesentlichen bis auf ein Paar einander korrespondierender Beugungsordnungen alle weiteren Oberwellen der Rechteckmodulation, da dann die Lichtintensitätsverteilung in der Bildebene dem gewünschten sinusförmigen Verlauf am nächsten kommt.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Soweit in den Ausführungsbeispielen bekannte optische Teile Verwendung finden, sind diese Teile nur schematisch dargestellt und beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch das erste und das zweite Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Diagramm einer bekannten, weitgehend rechteckförmigen Lichtintensitätsverteilung in der Bildebene,

Fig. 3 ein Diagramm der weitgehend sinusförmigen Lichtintensitätsverteilung nach der erfindungsgemäßen Lehre,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel.

Das erste Ausführungsbeispiel betrifft einen als Ganzes mit 1 bezeichneten Projektor, der entweder vor, im oder hinter dem Objektiv 3 ein als optisches Tiefpaßfilter ausgebildetes Phasenelement aufweist. Nachfolgend wird der Fall des am bildseitigen Ende des Objektives 3 angebrachten Tiefpaßfilter beschrieben.

Der Projektor weist ein Gehäuse 1' auf, durch das eine Längsrichtung und zwei Enden des Projektors 1 festgelegt sind. An dem einen Ende ist im Gehäuse 1' eine Lichtquelle 7 vorgesehen, die weißes oder farbiges Licht emittiert. Eine Kondensorlinse 9 erzeugt aus dem Licht der Lichtquelle 7 ein näherungsweise paralleles Strahlenbündel, welches in Längsrichtung des Projektors 1 verläuft. Das parallele Strahlenbündel beleuchtet eine Seite eines Gitters 11.

Durch das vorzugsweise ebene Gitter 11 ist eine Objektebene definiert. Diese Objektebene verläuft meist senkrecht zur Längsrichtung des Projektors 1. Das Gitter 11 weist mehrere rechteckförmige, lichtdurchlässige Streifen auf, die periodisch und parallel zueinander angeordnet sind. Zwischen den lichtdurchlässigen Streifen weist das Gitter 11 lichtundurchlässige Streifen auf. Durch die längere Seite der rechteckförmigen Streifen ist eine Gitterlinienrichtung definiert.

Im Ausführungsbeispiel ist das Gitter 11 als Flüssigkristallgitter ausgebildet, bei der durch eine elektrische Ansteuerung lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche der Flüssigkristalle entstehen. Diese Bereiche können durch Variation der angelegten Spannung in ihrer Größe und Lage geändert werden. Insbesonders können die zunächst lichtundurchlässige Bereiche lichtdurchlässig gestaltet werden und umgekehrt. Das Gitter 11 könnte aber auch durch Ritzen oder Ätzen oder andere bekannte Herstellungsverfahren angefertigt werden. Ebenso könnte das Gitter 11 als reflektierendes Gitter ausgebildet und betrieben werden oder selbstleuchtend sein. Sofern die Streifenstruktur dem Gitter 11 fest aufgeprägt ist, weist der Projektor 1 einen Stellantrieb, beispielsweise einen Motor, auf, mit dem das Gitter 11 senkrecht zur Längsrichtung des Projektors 1 und senkrecht zur Gitterlinienrichtung beweglich ist.

Die Strahlen, die das Gitter 11 durchdringen, treten in ein in Längsrichtung des Projektors 1 verlaufendes Objektiv 3 ein, das weitgehend bekannt ist. An dem objektseitigen Ende weist das Objektiv eine Objektivlinse 3' auf. Die Objektivlinse 3' bricht das Licht so, daß in einer innerhalb des Objektivs 3 gelegenen Fourierebene die Fouriertransformierte des Gitters 11 entsteht. In dieser Fourierebene kann eine Blende vorgesehen sein. In Fortsetzung des Strahlenganges treten die Strahlen durch eine objektseitige Linse 13 aus dem Objektiv 3 aus.

Unmittelbar auf das bildseitige Ende des Objektivs 3 aufgesetzt ist ein Phasenelement 5, das als optisches Tiefpaßfilter ausgebildet ist. Das Phasenelement 5 ist vorzugsweise in einer zur Längsrichtung des Projektors 1 senkrecht angeordneten Ebene und drehbar um diese Längsrichtung im Gehäuse 1' gelagert. Am bildseitigen Ende des Phasenelementes 5 und zugleich bildseitigem Ende des Projektors 1 treten die Strahlen aus dem Projektor 1 aus. Beim Auftreffen auf eine Bildebene, die sich in einem gewissen Abstand vom Projektor 1 befindet und im Ausführungsbeispiel senkrecht zu dessen Längsrichtung verläuft, entsteht das Bild des Gitters 11. Ohne das Phasenelement 5 weist es die bekannte, weitgehend rechteckförmige Lichtintensitätsverteilung auf, die in Fig. 2 dargestellt ist. Durch die Wirkung des Phasenelementes 5 wird eine andere Lichtintensitätsverteilung im Bild des Gitters 11 entsprechend zu Fig. 3 erzeugt.

Das im Ausführungsbeispiel verwendete Phasenelement 5 beugt durchgehende Strahlen so, daß zwei relativ zueinander verschobene Bilder entstehen, die der 1. und -1. Beugungsordnung entsprechen. Höhere Beugungsordnungen sowie die 0. Beugungsordnung treten nur mit vernachlässigbarer Intensität auf. Zur Realisierung dieser Eigenschaft weist das Phasenelement 5 periodisch angeordnete Bereiche mit verschiedenen Brechungsindizes auf. Diese Bereiche werden beispielsweise durch Eindiffundieren bestimmter Stoffe oder durch eine thermische Behandlung oder durch das Einbringen innerer Materialspannungen hergestellt. Durch die verschiedenen Brechungsindizes ergeben sich Gangunterschiede zwischen den das Phasenelement 5 durchdringenden Strahlen, welche dann durch Interferenz zu den genannten zwei verschobenen Bildern und zur Unterdrückung der übrigen Beugungsordnungen führen. Bei den durchgelassenen Beugungsordnungen sind die wellenlängenabhängigen Unterschiede der auftretenden Beugungswinkel noch vernachlässigbar.

Die durch die zwei Bilder definierte Verschieberichtung ist für jedes Phasenelement 5 unveränderlich und wird daher bei der Drehung des Phasenelementes 5 um die Längsrichtung des Projektors 1 mitgedreht. Die minimale Verschiebung wird erreicht, wenn die Verschieberichtung parallel zur Gitterlinienrichtung ist, während die maximale Verschiebung bei senkrecht zur Gitterlinienrichtung stehender Verschieberichtung erreicht wird. Statt der Drehung könnte das Phasenelement 5 auch gekippt werden. Wird die Verschiebung so eingestellt, daß die Distanz der beiden Teilbilder gerade 1/4 der Gitterperiode beträgt, so erhält man in der Bildebene eine Intensitätsverteilung, die nicht mehr rechteckförmig, sondern sinusähnlicher ist. Mit den Grauwerten, die der sinusförmigen Lichtintensitätsverteilung entsprechen, ist ein Ort mit höherer auflösung bestimmbar, als bei der bekannten rechteckförmigen Lichtintensitätsverteilung, mit der nur auf eine Periode genau der Ort bestimmt werden kann. Durch die weitgehend sinusförmige Lichtintensitätsverteilung können nun auch Zwischenwerte erfaßt werden.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird das Phasenelement 5 mit Hilfe der erwähnten Techniken derart gestaltet, daß es statt zweier scharfer Beugungsordnungen zwei verbreiterte Beugungsordnungen erzeugt. Die Erzeugung der verbreiterten Beugungsordnung wird hier abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel durch eine lokal variierte Periode des Phasenelementes 5 erzielt. Es weist eine Schar mehrerer eng benachbarter Frequenzen auf. In der Bildebene werden hierbei den Werten und der Anzahl der Frequenzen entsprechend verschobene Bilder des Gitters 11 erzeugt. Hierdurch wird eine weiter verbesserte Annäherung an die gewünschte Sinusverteilung erreicht.

In einem dritten Ausführungsbeispiel werden die Beugungsordnungen durch die Polychromasie der Lichtquelle verbreitert. Eine thermische Lichtquelle weist z. B. in guter Näherung eine Gaußförmige spektrale Verteilung auf. Der Abstand der Beugungsordnungen wird derart eingestellt, daß er für den mittleren Farbbereich gleich der Periode der Rechteckintensitätsverteilung ist. Abweichende Farben, die im polychromen Licht der Lichtquelle enthalten sind, ergeben geringfügig abweichende Beugungsbilder. Bei Gaußförmiger Farbverteilung im erzeugenden Licht ergibt die Überlagerung der Beugungsordnungen eine gute Annäherung an den gewünschten Intensitätsverlauf. Eine weitere Verbesserung wird durch ein zusätzliches, der Lichtquelle nachgeschaltetes Spektralfilter erzielt.

Die gewünschten Gangunterschiede ergeben sich auch in einem vierten Ausführungsbeispiel, in welchem das Phasenelement 5 verschiedene Dicken und einen von der umgebenden Luft abweichenden Brechungsindex aufweist. Das Phasenelement ist in lokale Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten unterteilt. Es überlagern sich somit Bilder des Gitters, die in unterschiedlicher Entfernung fokussiert sind. Wenn die Teillinsen keine gemeinsame optische Achse aufweisen, überlagern sich seitlich verschobene Bilder. Ein solches Phasenelement kann durch Prägen der Oberfläche oder ein anderes Strukturierungsverfahren der Oberfläche hergestellt werden.

Abweichend von den vorigen Ausführungsbeispielen ist in einem fünften Ausführungsbeispiel ein Amplitudenelement 105 des Projektors 101 direkt auf dem Gitter 111 selbst angebracht. Die Periode unterschiedlichen Transmissionsgrades stimmt mit der Periode der rechteckförmigen Streifen des Gitters 111 überein. Eine solche Übereinstimmung wird dadurch erreicht, daß bei der Herstellung mit der gleichen Maske die Streifen des Gitters 111 und die Bereiche des Amplitudenelements 105 ausgebildet werden, beispielsweise indem zuerst durch Diffusion eine graduelle Veränderung des Glasträgers der Flüssigkristallzelle und anschließend die Elektroden der Flüssigkristallzelle hergestellt werden. Für den erfindungsgemäßen Einsatz des Amplitudenelementes 105 könnte die Periode des Amplitudenelementes 105 auch ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des Gitters 111 sein. Des weiteren kann das Amplitudenelement 105 auch nach einem weiteren Herstellungsverfahren ausgeführt sein. Im Übrigen gleicht das fünfte Ausführungsbeispiel den anderen Beispielen. Entsprechende Bauteile sind mit um 100 größeren Bezugszahlen gekennzeichnet.

Ein erfindungsgemäßer Projektor kann auch mehrere Phasenelemente und/oder Amplitudenelemente der beschriebenen Art aufweisen.

Das erfindungsgemäße Bildverarbeitungssystem weist einen erfindungsgemäßen Projektor auf, der einen in der Bildebene befindlichen Gegenstand beleuchtet. Eine oder mehrere Videokameras, die seitlich in einem Abstand von dem Projektor positioniert sind, nehmen Bilder des so beleuchteten Gegenstandes auf. Durch Umschalten der Spannung an dem als Flüssigkristall ausgebildeten Gitter im Projektor oder durch Verschieben des Gitters mit dem Antrieb sind die lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereiche austauschbar, wodurch sich die Lichtintensitätsverteilung um bekannte Werte verschiebt. Die verschiedenen von den Videokameras aufgenommenen Bilder werden von einer nachgeschalteten Elektronik ausgewertet und dienen zur Messung der geometrischen Form des Gegenstandes.

Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, daß in der Bildebene eine weitgehend sinusförmige Lichtintensitätsverteilung erzeugt wird, es können vielmehr auch trapezförmige, sägezahnförmige oder anders modulierte Lichtintensitätsverteilungen die gestellte Aufgabe lösen. Anstelle des optischen Tiefpasses können je nach verwendetem Gitter andere optische Elemente Verwendung finden, die eine definierte "verschmierte" Lichtintensitätsverteilung in der Bildebene erzeugen.

Wird beispielsweise anstelle des Gitters mit Streifen ein gekreuztes Gitter verwendet, so können Lichtintensitätsunterschiede in der Bildebene in der Art einer Verschmierung auch durch statistisch orientierte Phasenelemente erzeugt werden. Weichzeichnerfilter, wie sie aus der Photographie bekannt sind, erzeugen durch Brechung oder Beugung einzelner weniger Strahlen allerdings nur auf einer großen Längenskala Verschmierungen.

Claims (15)

1. Projektionsverfahren, bei dem ein mehrere, periodisch angeordnete, rechteckförmige Streifen aufweisendes Gitter über ein Objektiv auf eine Bildebene abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einbringen eines optischen Tiefpaßfilters in den Strahlengang eine weitgehend sinusförmige Lichtintensitätsverteilung in der Bildebene erzeugt wird.

2. Projektor zur Durchführung eines Projektionsverfahrens nach Anspruch 1, der ein Gitter mit mehreren, periodisch angeordneten, rechteckförmigen Streifen und ein Objektiv zur Abbildung des Gitters auf eine Bildebene aufweist, gekennzeichnet durch wenigstens ein optisches Tiefpaßfilter (5; 105) im Strahlengang zur Erzeugung einer weitgehend sinusförmigen Lichintensitätsverteilung in der Bildebene.

3. Projektor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Phasenelement (5) als optisches Tiefpaßfilter.

4. Projektor nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (3) das optische Tiefpaßfilter (5) aufweist.

5. Projektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenelement (5) im wesentlichen zwei Beugungsrichtungen erzeugt und durch Ausnutzung der spektralen Breite der Intensitätsverteilung der verwendeten Lichtquelle aus einer rechteckförmigen Objektverteilung eine annähernd sinusförmige Bildverteilung wird.

6. Projektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Phasenelement ein Spektralfilter eingesetzt wird.

7. Projektor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenelement (5) eine Schar verschiedener eng benachbarter Beugungswinkel erzeugt, und so aus einer rechteckförmigen Objektverteilung eine annähernd sinusförmige Bildverteilung entsteht.

8. Projektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenelement mehrere Fokalebenen erzeugt und hierdurch mehrere defokussierte Teilbilder entstehen, deren Überlagerung in der Bildebene bewirkt, daß aus einer rechteckförmigen Objektverteilung eine annähernd sinusförmige Bildverteilung entsteht.

9. Projektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenelement mehrere optische Teillinsen mit geringfügig differierenden optischen Achsen aufweist, sodaß geringfügig seitlich versetzte Teilbilder entstehen, deren Überlagerung in der Bildebene aus einer rechteckförmigen Objektverteilung eine annähernd sinusförmige Bildverteilung erzeugt.

10. Projektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Tiefpaßfilter ein Amplitudengitter (105) an dem erzeugenden Gitter (111) angebracht ist.

11. Projektor nach einem der vorigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung diffraktiver Elemente, in welchen Bereiche mit unterschiedlicher Brechzahl durch Diffusion erstellt werden.

12. Projektor nach einem der vorigen Ansprüche, gekennzeichet durch die Verwendung diffraktiver Elemente, in welchen Bereiche mit unterschiedlicher Brechzahl durch thermische Behandlung erstellt werden.

13. Projektor nach einem der vorigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung diffraktiver Elemente, in welchen Bereiche mit unterschiedlicher Brechzahl durch innere mechanische Spannungen erzeugt werden.

14. Projektor nach einem der vorigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Abbildungsoptik, mit doppelbrechenden Teilbereichen.

15. Bildverarbeitungssystem, gekennzeichnet durch einen Projektor nach einem der vorigen Ansprüche.