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Die
Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung eines
Kontrastmusters für
einen optoelektronischen Sensor nach dem Oberbegriff von Anspruch
1.
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Kamerabasierte
sicherheitstechnische Anwendungen stellen hohe Anforderungen an
die optischen Eingangsignale, insbesondere an die Helligkeitsdynamik
und die auswertbaren Kontraste im Bild. Das gilt in besonderem Maße für dreidimensionale
Kameraanwendungen, etwa auf Basis einer Stereoskopiekamera. Um Szenen
mit kontrastarmen oder sehr dunklen Bereichen auswerten zu können, besonders
im Hinblick auf Tiefeninformationen, besteht die Möglichkeit,
mit aktiven Beleuchtungsmodulen sowohl den Kontrast punktuell zu
vergrößern, als auch
die zu dunklen Bildbereiche aufzuhellen.
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Dabei
werden also zur Ausleuchtung Sendebaugruppen in die optoelektronischen
Schutzeinrichtungen integriert. Solche Sendebaugruppen bestehen
aus einem Sendeelement, wie einer Leuchtdiode oder einem Laser,
das mit strahlformenden Linsen oder Prismen kombiniert wird, um
eine bestimmte Charakteristik im Beleuchtungsfeld zu erzielen. Optik und
Sendeelement werden als Baugruppe kombiniert und bei Bedarf modular
vervielfältigt.
Dementsprechend groß ist
der Platzbedarf und Fertigungsaufwand, da jede Baugruppe gefertigt
und im Gehäuse des
Sensors montiert werden muss.
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Zur
Realisierung der benötigten
Beleuchtung werden derzeit Lichtprojektoren eingesetzt, die ein strukturiertes
Muster mit einer Halogenlampe beleuchten und über eine Abbildungsoptik in
den zu überwachenden
Raum projizieren. Dabei verursachen die verwendeten Halogenlampe
große
thermische Abwärme,
sind nicht schnell schaltbar und ein Großteil der optischen Energie
wird durch das Muster bei der Projektion verschluckt. Die Baugröße lässt zudem
eine Integration in kleine Sensoren in der Regel nicht zu.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine für die Integration in optoelektronische
Schutzeinrichtungen geeignete Beleuchtung anzugeben, die einen hohen
Kontrast im zu überwachenden
Raumbereich schafft.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß Anspruch
1 gelöst.
Durch die Verwendung eines diffraktiven optischen Elements zur Erzeugung
des Kontrastmusters entsteht eine Beleuchtungseinheit, die eine
stark strukturierte, kontrastreiche Beleuchtung ausreichender Helligkeit im
gesamten Sichtbereich des Sensors zur Verfügung stellt. Zudem weist die
Beleuchtung eine geringe elektrische Leistungsaufnahme und geringe
Wärmeverluste
auf, ist kompakt, vielseitig und schnell schaltbar.
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Bei
Beleuchtung eines diffraktiven optischen Elements mit nur einer
Lichtquelle ergibt sich die Schwierigkeit, einen genügend großen Sichtbereich auszuleuchten,
der besonders bei 3D-Anwendungen erwünscht ist. Je nach Größe der Strukturen
auf dem diffraktiven optischen Element entsteht nämlich das Kontrastmuster
nur in einem bestimmten Winkelbereich. Je größer dieser Winkelbereich sein
soll, desto kleiner müssen
die Strukturen auf dem diffraktiven optischen Element sein und für einen
gewünschten Sichtbereich
von beispielsweise 90° müssten, sofern dies
technisch überhaupt
realisierbar ist, extrem kleine und damit extrem kostenaufwändige Strukturen geschaffen
werden.
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Erfindungsgemäß kann aber
durch den Einsatz zweier Lichtquellen dasselbe diffraktive optische Element
verwendet werden, dessen Kontrastmuster mehrfach, je nach Anzahl
der Lichtquellen, in dem Raumbereich entsteht. Damit kann der Winkelbereich
vergrößert oder
können
für ein
feiner aufgelöstes
Kontrastmuster mehrere Muster gegeneinander versetzt in demselben
Bereich erzeugt werden. Darüber
hinaus ist auch eine Kombination möglich, bei der in einem vergrößerten Winkelbereich
ein verbessert aufgelöstes
Kontrastmuster entsteht. Somit kann durch den Einsatz mehrerer Lichtquellen
ein vergleichsweise kostengünstiges
diffraktives optisches Element mehrfach ausgenutzt werden.
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Die
Erfindung geht also von dem Grundgedanken aus, dass bei Anstrahlen
eines diffraktiven optischen Elements aus mehreren Lichtquellpunkten das
Kontrastmuster mehrfach entsteht und dies zur Kontrasterhöhung oder
zur Vergrößerung des
Beleuchtungswinkels ausgenutzt werden kann.
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Vorteilhafterweise
sind die Lichtquellen Halbleiterlichtquellen, insbesondere Laserdioden,
Leuchtdioden, Laserstacks oder VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting
Laser), deren optische Achsen schräg zueinander unter Einschluss
jeweils eines Winkels stehen. Solche Halbleiterlichtquellen erzeugen
eine große
Lichtmenge der geforderten Strahlcharakteristik bei geringem Leistungsverlust. Sind
die optischen Achsen schräg
so ausgerichtet, dass jede Lichtquelle auf die Mitte des diffraktiven
optischen Elementes zielt, so werden dessen Ablenkungseigenschaften
besonders vollständig
ausgenutzt, was zu einer kontraststarken Ausleuchtung des Raumbereichs
mit dem Kontrastmuster führt.
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In
einer besonderen Ausführungsform
entstehen die oder einige der Lichtquellen aus einer Halbleiterlichtquelle
und einem nachgeordneten Strahlvervielfältiger, insbesondere einem
zusätzlichen
diffraktiven optischen Element, einem Lichtleiter und/oder einem
Mikrolinsenarray. Damit können
aktive Lichtquellen, welche Energie und mehr Raum benötigen, durch
passive strahlformende Elemente ersetzt werden.
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Bevorzugt
sind die Lichtquellen zur Vergrößerung des Öffnungswinkels
der Beleuchtungsvorrichtung derart zueinander angeordnet, dass die mehrfach
erzeugten Kontrastmuster mindestens teilweise nebeneinander in unterschiedlichen
Bereichen des Raumbereichs liegen. Dies führt, wie oben schon diskutiert,
zu einem größeren Beleuchtungswinkel mit
einem verhältnismäßig preisgünstigeren
diffraktiven optischen Element, dessen optische Strukturen nur für die Ausleuchtung
jeweils eines Teilbereichs ausgelegt sein müssen.
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Alternativ
oder zusätzlich
in einer Kombinationslösung
sind die Lichtquellen zur Erhöhung
der Auflösung
des Kontrastmusters derart zueinander angeordnet, dass die mehrfach
erzeugten Kontrastmuster mindestens teilweise zueinander versetzt
in denselben Bereichen des Raumbereichs liegen. Damit können Musterelemente überlagert
werden und somit feinere Muster in dem Raumbereich erzeugen, wodurch
der Kontrast noch stärker
wird.
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Vorteilhafterweise
ist das diffraktive optische Element dafür ausgebildet, ein Punktmuster,
ein Linienmuster, ein Gitternetz, ein Kreismuster, ein kompaktes
Flächenmuster
oder ein selbstunähnliches Muster
zu erzeugen. Je nach Anforderung der Anwendung kann der Kontrast
in dem Raumbereich damit in der gewünschten Weise erzeugt werden.
Ein selbstunähnliches
Muster hat den Vorteil, dass eine unmittelbare Beziehung zwischen
Musterelement und Ort auf dem diffraktiven optischen Element, letztlich
also auch auf dem Abbildungselement einer Kamera gegeben ist. Durch
die mehrfache Ausleuchtung des diffraktiven optischen Elements aus
mehreren Lichtquellen kann das Muster nicht vollständig selbstunähnlich sein,
sondern enthält
zumindest die Redundanzen durch die mehrfache Ausleuchtung.
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Bevorzugt
ist zur Strahlformung, insbesondere zur Kollimation oder zur Vergleichmäßigung des Strahlprofils,
ein optisches Element, insbesondere eine Linse, im Strahlengang
zwischen Lichtquelle und diffraktivem optischen Element angeordnet
oder das diffraktive optische Element ist selbst dafür ausgebildet,
das Licht der Lichtquelle zu kollimieren oder zu vergleichmäßigen. Damit
wird das diffraktive optische Elemente zur Erzeugung des Kontrastmusters in
besonders homogener Weise bestrahlt und somit eine gleichmäßige Ausleuchtung
mit dem Kontrastmuster in dem Raumbereich erreicht. Insbesondere kann
etwa eine gaussische Strahlcharakteristik einer Halbleiterlichtquelle
durch Intensitätsüberhöhung in den
Randbereichen geglättet,
also rechteckig gemacht werden. Wenn das diffraktive optische Element
selbst ausgebildet ist, die strahlformenden Aufgaben zu erfüllen, kann
auf ein zusätzliches
Bauteil verzichtet werden.
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Vorteilhafterweise
ist die erste Lichtquelle dafür
ausgebildet, Licht einer anderen Frequenz zu erzeugen als die zweite
Lichtquelle, wobei insbesondere die Lichtquellen Licht im sichtbaren,
ultravioletten oder nahen infraroten Bereich erzeugen. Effektiv wirken
unterschiedliche Wellenlängen
des verwendeten Lichts in dem diffraktiven optischen Element aufgrund
von dessen Beugungseigenschaften wie unterschiedliche Einfallswinkel.
Somit kann durch die Wahl der Frequenz die Anordnung der Lichtquellen variiert
und können
diese beispielsweise kompakter zueinander angeordnet werden. Darüber hinaus
können
Anwendungen realisiert werden, bei denen verschiedenfarbige Kontrastmuster
ausgewertet werden.
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Bevorzugt
sind die Lichtquellen dafür
ausgebildet, Licht einer zeitlich variierenden Intensität abzugeben,
insbesondere Licht mit einer Intensitätsmodulation. Damit kann die
Auswertung eines Sensors, der den beleuchteten Raumbereich überwacht,
das künstlich
eingestrahlte Licht der Beleuchtung anhand des aus der Beleuchtungssteuerung
bekannten Intensitätsverlaufs
von dem Licht der Objekte oder Ereignisse in dem Raumbereich unterscheiden
und somit präziser
und gleichzeitig unaufwändiger
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist die Beleuchtung Teil eines optoelektronischen Sensors zur Absicherung
einer Gefahrenquelle, der einen Lichtempfänger, insbesondere einen Bildsensor,
sowie eine Warn-/Abschaltvorrichtung aufweist, die dafür ausgebildet
ist, bei Detektion des Sensors eines unzulässigen Objekteingriffs in den
Raumbereich eine Warnung auszugeben oder die Gefahrenquelle abzusichern.
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Gerade
für diese
sicherheitstechnische Anwendung ist eine genaue Bilderkennung erforderlich, die
durch die erfindungsgemäße Beleuchtung
und den daraus resultierenden verlässlichen hohen Kontrast sichergestellt
werden kann.
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Dabei
ist der Sensor bevorzugt ein Lichtgitter, ein Ebenensensor oder
ein dreidimensionaler Sensor, insbesondere ein kamerabasierter Sensor nach
dem Prinzip der Stereoskopie, der aktiven Triangulation oder der
Lichtlaufzeit. Dies sind Beispiele für Sensoren insbesondere aus
der Sicherheitstechnik, denen der erfindungsgemäß auf einfache und kostengünstige Art
erzeugte hohe Kontrast in dem Raumbereich in besonderer Weise zugute
kommt.
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In
bevorzugter Weiterbildung ist eine Steuerung vorgesehen, die dafür ausgebildet
ist, Teilbereiche des Kontrastmusters zu unterdrücken, insbesondere durch Deaktivieren
mindestens einer Lichtquelle oder durch Ansteuern einer Blende der
Lichtquelle, um Übersteuerungen
des Lichtempfängers
in hellen Teilen des Raumbereichs zu vermeiden und/oder selektiv
nur dunkle Teile des Raumbereichs mit dem Kontrastmuster zu beleuchten.
Indem also das diffraktive optische Element selektiv nur aus einem
Teil der Anstrahlrichtungen oder unter Abschattung gewisser Teilbereiche
beleuchtet wird, kann das Kontrastmuster der Beleuchtungssituation
angepasst werden, wie sie ohne die erfindungsgemäße Beleuchtung in dem Raumbereich
vorliegt. Damit werden die Einsatzmöglichkeiten erweitert und ein
besonders gut auswertbarer Kontrast erreicht.
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Vorteilhafterweise
ist eine Selbsttesteinrichtung vorgesehen, welche dafür ausgebildet
ist, die Erkennung des Kontrastmusters in dem Lichtempfänger zu überprüfen. Damit
ist die volle Funktionsfähigkeit
des Lichtempfängers
jederzeit gewährleistet und
es wird besonders für
sicherheitstechnische Anwendungen eine Fehlfunktion vermieden, welche
Bedienpersonal gefährden
würde.
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Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und
Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug
auf die beigefügte
Zeichnung näher
erläutert.
Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine
schematische dreidimensionale Übersichtsdarstellung
eines Sensors mit einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Beleuchtung;
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2 eine
schematische dreidimensionale Seitenansicht zur Erläuterung
der Entstehung des Kontrastmusters in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
mit zwei Lichtquellen aus unterschiedlichen Anstrahlwinkeln;
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3 eine
schematische dreidimensionale Seitenansicht gemäß 2 einer
anderen Ausführungsform
mit zwei Lichtquellpunkten, die durch Beleuchten eines passiven
optischen Elements aus einer Lichtquelle entstehen;
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4 die
schematische Ansicht des entstehenden Kontrastmusters gemäß 1 bis 3 aus zwei
Lichtquellen zur Erhöhung
des Beleuchtungswinkels;
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5 die
schematische Ansicht des entstehenden Kontrastmusters aus drei Lichtquellen
zur weiteren Erhöhung
des Beleuchtungswinkels; und
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6 die
schematische Ansicht des entstehenden Kontrastmusters aus vier Lichtquellen
zur Erhöhung
des Beleuchtungswinkels und gleichzeitig zur Kontrasterhöhung durch
feinere Auflösung
des Kontrastmusters.
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1 zeigt
in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung den Aufbau
einer Ausführungsform
eines Sicherheitssensors 10 auf Basis einer dreidimensionalen
Stereoskopie-Kamera als Beispiel einer Anwendung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit.
Zwei Kameramodule 12, 12' sind in einem bekannten festen
Abstand zueinander montiert. Beide Kameras 12, 12' nehmen jeweils
das Bild eines Überwachungsbereichs 14 auf.
Die Kameras 12, 12' weisen
ein nur angedeutetes Objektiv 16, 16' mit einer abbildenden
Optik auf. Der Sichtwinkel dieser Optik ist in 1 durch
gestrichelte Linien dargestellt, die jeweils eine Sichtpyramide
bilden und kann beispielsweise bis zu 90° betragen, so dass der entsprechende
Sichtbereich ausgeleuchtet werden muss. In jeder Kamera 12, 12' ist ein nicht
dargestellter Bildsensor vorgesehen. Dieser Bildsensor ist für die dargestellte
Stereoanwendung ein matrixförmiger Aufnahmechip,
der ein rechteckiges Pixelbild aufnimmt und kann beispielsweise
ein CCD- oder ein CMOS-Sensor sein.
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In
der Mitte zwischen den beiden Kameras 12, 12' ist die erfindungsgemäße Beleuchtung
angeordnet, die im Zusammenhang mit den 2 und 3 unten
näher erläutert wird.
Den hier beispielhaft dargestellten drei Beleuchtungsquellen 18 ist
ein diffraktives optisches Element 20 nachgeordnet, um in
dem Überwachungsbereich 14 ein
Beleuchtungsmuster zu erzeugen. Die Beleuchtungsquellen 18 erzeugen
Licht einer vorgegebenen und bekannten Wellenlänge, die im sichtbaren, ultravioletten
oder infraroten Bereich liegen kann. Das diffraktive optische Element 20 lenkt
das von den Beleuchtungsquellen 18 einfallende Licht nur
in bestimmte Bereiche des Überwachungsbereichs 14 ab.
Dies ist beispielhaft für
vier Lichtbündel 22 dargestellt,
welche in dem Raumbereich 14 einen kreisförmigen Beleuchtungspunkt
ergeben. Das entstehende Beleuchtungsmuster oder Kontrastmuster 30 aus
einer Vielzahl derartiger Lichtbündel
ist ein regelmäßiges, also
matrixförmig
angeordnetes, Punkt- beziehungsweise Kreismuster.
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Mit
einem anderen diffraktiven optischen Element 20 können auch
andere Beleuchtungsmuster erzeugt werden. Dabei ist jedes beliebige
Muster erzeugbar, für
die Auswertung hilfreich und kontraststark ist neben dem dargestellten
Kreismuster ein Linienmuster, ein Schachbrettmuster oder ein Gitter. Alternativ
zu einem regelmäßigen Muster
kann ein unregelmäßiges oder
sogar ein selbstunähnliches Muster
vorgesehen sein, das also durch geometrische Operationen, wie Verschiebung,
Spiegelung oder Drehung, in keinem Bereich auf sich selbst zurückgeführt werden
kann. Dann kann aus dem Musterbereich auf die Lage im Raum zurückgeschlossen werden,
wohingegen ein regelmäßiges Muster
dies wegen Mehrdeutigkeiten nicht zulässt. Eine gewisse Mehrdeutigkeit
des Musters aufgrund der mehrfachen Beleuchtungsquellen 18 ist
aber unvermeidlich.
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Mit
den beiden Kameras 12, 12' und den Beleuchtungsquellen 18 ist
eine Steuerung 24 verbunden. Die Steuerung 24 schaltet
die Lichtpulse der Beleuchtungsquellen 18 und empfängt Bildsignale
von den beiden Kameras 12, 12'. Darüber hinaus berechnet die Steuerung 24 mit
Hilfe einer stereoskopischen Disparitätsschätzung dreidimensionale Bilddaten
des Raumbereichs 14.
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Erkennt
die Steuerung 22 einen unzulässigen Eingriff in dem Raumbereich 14,
beispielsweise durch ein Objekt 26, welches eine Bedienperson
oder eines ihrer Körperteile
sein kann, so wird über
eine Warn- oder Abschalteinrichtung 28 eine Warnung ausgegeben
oder eine Gefahrenquelle abgesichert, etwa die Bewegung einer Maschine,
eines Roboterarms oder eines Fahrzeugs verlangsamt oder gestoppt.
Dabei hängt
es von der Anwendung ab, ob eine Warnung genügt, beziehungsweise es ist
eine zweistufige Absicherung vorgesehen, bei der zunächst gewarnt
und erst bei fortgesetztem Objekteingriff oder noch tieferem Eindringen
abgeschaltet wird.
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Für Anwendungen
in der Sicherheitstechnik ist der Sicherheitssensor 10 fehlersicher
ausgelegt. Dies bedeutet unter anderem, dass der Sicherheitssensor 10 sich
selber in Zyklen unterhalb der geforderten Ansprechzeit testen kann
und dass der Ausgang zur sowie die Warn- und Abschalteinrichtung 28 selbstsicher,
beispielsweise zweikanalig ausgelegt ist. Ebenso ist auch die Steuerung 24 selbstsicher, wertet
also zweikanalig aus oder verwendet Algorithmen, die sich selbst
prüfen
können.
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Anstelle
des dargestellten stereoskopischen Verfahrens kann die erfindungsgemäße Beleuchtung auch
in weiteren dreidimensionalen Bildsensoren eingesetzt werden, etwa
mit einer Laufzeitkamera, die Lichtpulse oder moduliertes Licht
aussendet und aus der Lichtlaufzeit auf Entfernungen schließt oder mit
aktiv triangulierenden Kameras, welche Verzerrungen in der Struktur
des Beleuchtungsmusters oder die Lage von Teilen des Beleuchtungsmusters im
aufgenommenen Bild zur Berechnung von Entfernungsdaten ausnutzen.
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Eine
weitere Möglichkeit,
einen entfernungsauflösenden
Lichtempfänger
umzusetzen, stellt ein tastendes Lichtgitter dar. Ein solches Lichtgitter
besteht aus mehreren zu einer Reihe angeordneten Lichttastern, die
einen entfernungsmessenden Lichtempfänger aufweisen, der auf einem
Lichtlaufzeitverfahren oder einer Triangulation mittels eines Matrix- oder
Zeilenempfängers
oder einer ortsauflösenden Diode
(PSD, position sensing device) basiert. Ein oder mehrere derartige
triangulationsbasierte tastende Lichtgitter bilden also eine Approximation
an einen dreidimensionalen Bildsensor, die von der Erfindung mit
umfasst ist.
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Die
erfindungsgemäße Beleuchtung
kann aber genauso gut in zweidimensionalen Kameraapplikationen eingesetzt
werden. In besonderem Maße
eignet sie sich für
einen Mehrebenensensor, bei dem ein oder mehrere Lichtempfänger parallele und
untereinander beabstandete Ebenen überwachen, indem jede dieser
Ebene durch eine eigene Beleuchtungsquelle 18 nach Durchleuchten
desselben diffraktiven optischen Elements 20 mit dem Kontrastmuster 30 beaufschlagt
wird. Schließlich
sind Anwendungen über
die hier beschriebenen hinaus denkbar, bei denen eine kontrastreich
beleuchtete Szenerie benötigt
wird.
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Anhand
der 2 bis 6 soll nun erklärt werden,
wie erfindungsgemäß das Kontrastmuster 30 aufgrund
mehrfachen Durchleuchtens des diffraktiven optischen Elements 20 entsteht.
Als Lichtquelle für
die Beleuchtungsquellen 18 dienen Halbleiterlichtquellen,
beispielsweise ein Laser mit einer Leistung zwischen 20 und 100
mW. Die Laserleistung kann auch 1 W oder noch mehr betragen, sofern
die Schutzklasse dies zulässt
und die höheren
Kosten in Kauf genommen werden. Unter Laser soll in diesem Zusammenhang
jegliche Laserbeleuchtung einschließlich Laserstacks oder VCSELs
verstanden werden.
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Alternativ
ist der Einsatz von LEDs oder organischen Leuchtdioden (OLEDs) vorstellbar.
Das Punktmuster 30 im Überwachungsbereich 14,
das durch das diffraktive optische Element 20 erzeugt wird,
sollte zur Sicherstellung des benötigten Kontrasts eine gewisse
Mindestleistung haben, etwa eine Leistung von 0,1 mW je Punkt in
der stereoskopischen Anwendung gemäß 1. Je nach
Leistung des Lasers sollte daher eine Höchstzahl an Punkten nicht überschritten
werden. Ähnliche
Anforderungen an die Leistung der Musterelemente lassen sich auch dann
formulieren, wenn ein anderes Muster als ein Punktmuster verwendet
wird; dies hängt
von der Anwendung, der Szenerie in dem Raumbereich 14 und dem
benötigten
Kontrast ab.
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In 2 sind
zwei Beleuchtungsquellen 18 vorgesehen, deren Licht im
Betrieb aus verschiedenen Richtungen, also mit ihren optischen Achsen schräg auf das
diffraktive optische Element 20 fällt. Je nach verwendeter Beleuchtungsquelle 18 kann vor
Auftreffen auf das diffraktive optische Element 20 mittels
eines weiteren nicht dargestellten optischen Elements, wie einer
Linse, oder durch optische Eigenschaften des diffraktiven optischen
Elements 20 selbst eine Strahlformung vorgenommen werden. Dabei
kann beispielsweise das Licht kollimiert oder der Strahl vergleichmäßigt werden,
etwa indem das gaussische Strahlprofil durch Intensitätserhöhung in den
Randbereichen zu einem Rechteck geformt wird.
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Aufgrund
der Lichtablenkung in dem diffraktiven optischen Element 20 entsteht
in dem Raumbereich 14 das Kontrastmuster 30. Dabei
erzeugt jede Lichtquelle 18a, 18b über das
diffraktive optische Element 20 jeweils ein eigenes Punktmuster 30a, 30b.
In der Darstellung gemäß 2 erzeugt
die untere Lichtquelle 18a ein Punktmuster 30a in
der oberen Hälfte
des Überwachungsbereichs 14 (strichpunktierte
Linien), während
die obere Lichtquelle 18b umgekehrt ein Punktmuster 30b in
der unteren Hälfte des Überwachungsbereichs
erzeugt (punktierte Linien). Das diffraktive optische Element 20 erzeugt
also das Kontrastmuster zweifach, so dass der mit dem Kontrastmuster 30 beleuchtete
Anteil des Raumbereichs 14 doppelt so groß ist, als
in dem Fall, in dem nur eine Lichtquelle 18 verwendet würde. Damit
wird der Beleuchtungswinkel verdoppelt.
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3 zeigt
eine Variante der Erfindung, bei welcher das Licht aus einer einzigen
Beleuchtungsquelle 18 zunächst auf einen Strahlteiler 19 fällt, welcher
beispielsweise zwei virtuelle Lichtquellpunkte erzeugt. Ein solcher
Strahlteiler 19 kann als weiteres diffraktives optisches
Element, alternativ auch als mehrfach gegabelter Lichtleiter oder
als Mikrolinsenarray, ausgebildet sein. Die weitere Funktionsweise
entspricht dann derjenigen gemäß 1,
denn nach Austritt aus dem Strahlteiler 19 entstehen effektiv
mehrere Lichtquellen.
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4 zeigt
das entstehende Kontrastmuster 30 der 2 und 3 noch
einmal aus Sicht der Beleuchtungsquellen 18 und um 90° gedreht.
In 5 ist ein entsprechendes Kontrastmuster 30 dargestellt,
welches aus insgesamt drei Beleuchtungsquellen mit den entsprechenden
Musteranteilen 30a, 30b und 30c zusammengesetzt
ist.
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In 6 ist
das entstehende Kontrastmuster 30 einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Beleuchtung
dargestellt, bei der insgesamt vier Lichtquellen jeweils paarweise
angeordnet sind, das eine Paar analog der einzelnen Beleuchtungsquelle 18a und
das andere Paar analog der einzelnen Beleuchtungsquelle 18b der
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2,
um den Beleuchtungswinkel zu erhöhen,
denn jede Hälfte
des dargestellten Teils des Raumbereichs 14 wird analog
der 2 von jeweils einem der Paare mit einem Kontrastmuster 30a, 30b bzw. 30c, 30d beleuchtet.
Andererseits sind innerhalb der beiden Paare die Beleuchtungsquellen
leicht gegeneinander versetzt, so dass die entstehenden Kontrastmuster 30a, 30b des
einen Paares und die entstehenden Kontrastmuster 30c, 30d des
anderen Paares zur Erhöhung
der Auflösung
des Kontrastmusters 30 untereinander verschoben sind. Effektiv entsteht
hier ein Kontrastmuster 30 in einem verdoppelten Beleuchtungswinkel
und mit einer doppelten Auflösung.
Es ist unmittelbar einsichtig, dass in dieser Weise mit einer Vielzahl
von Lichtquellen eine weitere Erhöhung des Beleuchtungswinkels
und der Auflösung
des Kontrastmusters erreicht werden kann. Weiterhin sind auch Mischformen
denkbar, bei denen einerseits der Beleuchtungswinkel erhöht wird,
andererseits eine Erhöhung
der Auflösung
nur in Teilbereichen vorgenommen wird.
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In
einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden
mehrere erfindungsgemäße Beleuchtungen,
also im Wesentlichen mehrere diffraktive optische Elemente 20,
nebeneinander angeordnet, um den Beleuchtungswinkel und/oder den
Kontrast weiter zu erhöhen.
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Vor
der Beleuchtung 18, 20 und vor dem Bildsensor
kann ein optischer Bandpassfilter eingesetzt werden. Einerseits
kann mit einem solchen Filter im Empfangspfad des Sensors 10 die
Beeinflussung durch störendes
Streulicht reduziert werden. Andererseits ist auch denkbar, Beleuchtungsquellen 18 mit
untereinander unterschiedlicher Frequenz einzusetzen. Dann können mithilfe
des Bandpassfilters selektiv eine oder mehrere Beleuchtungsquellen 18 ausgeblendet
werden. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Frequenzen ist
zu beachten, dass eine Frequenzverschiebung wie eine Änderung
des Einstrahlwinkels auf das diffraktive optische Element 20 wirkt.
Dies kann ausgenutzt werden, um die Anordnung der Beleuchtungsquellen 18 zu
variieren und zu optimieren, beispielsweise für eine besonders kompakte Bauform.
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Das
Ausblenden einer oder mehrerer Beleuchtungsquellen 18,
entweder vollständig
durch Deaktivierung oder partiell etwa durch eine Blende, ermöglicht eine
Anpassung des Kontrastmusters 30 an die Bedingungen in
dem Raumbereich 14. So können selektiv nur dunkle Bereiche
beleuchtet oder besonders helle Bereiche ausgenommen werden, die andernfalls
zu einer Übersteuerung
in dem Lichtempfänger
führen
würden.
Um die Wirksamkeit der Beleuchtung zu überwachen, kann der Sensor 10 oder dessen
Steuerung 24 in regelmäßigen Intervallen eine
Kontrastmessung durchführen
und damit eine Verschmutzung der verwendeten optischen Bauteile einschließlich schützender
Frontscheiben rechtzeitig erkennen. Für diese Messungen kann der
Sensor 10 das aktuell aufgenommene Kontrastmuster 30 mit
einem zuvor aufgenommenen Referenzbild des Kontrastmusters 30 vergleichen.
Durch Variation der Intensität
der Beleuchtungsquellen 18, insbesondere eine regelmäßige Modulation,
kann die Steuerung 24 das Licht des Kontrastmusters 30 von
anderem Licht unterscheiden.
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Erfindungsgemäß kann also
die Verwendung komplexerer diffraktiver optischer Elemente 20 aufgrund
der „Mehrfachnutzung" wirtschaftlicher
gemacht werden und kommt daher auch bei geringeren Stückzahlen
in Frage. Es können
Raumcharakteristika erzeugt werden, etwa sehr große Beleuchtungswinkel,
welche durch Kombination eines diffraktiven optischen Elements mit
einer einzelnen Lichtquelle nicht möglich oder zumindest aufgrund
der benötigten
kleinsten Strukturen auf dem diffraktiven optischen Element sehr
teuer sind. Da mehrere einzelne Beleuchtungsquellen 18 ihre
Lichtleistung in dem Kontrastmuster 30 addieren, kann die
notwendige Leistungsbilanz mit kostengünstigeren Halbleiterelementen
erzeugt werden. Im Hinblick auf die Darstellung des Kontrastmusters 30 ermöglicht die
Erfindung eine höhere
Flexibilität.
So können
zeitlich variabel einzelne Teilbereiche des Kontrastmusters 30 angesteuert
und verschiedene Kontrastmuster 30 durch Variation der
Einstrahlrichtungen erzeugt werden.