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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung zum Erzeugen eines Beleuchtungsmusters in einem Erfassungsbereich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die Überwachung mit einer Kamera stößt auf Schwierigkeiten, wenn die zu überwachende Szenerie kontrastschwach ist oder Bereiche mit wenig Struktur aufweist. In ganz besonderem Maße gilt dies für dreidimensionale Überwachungsverfahren, die auf Stereoskopie beruhen. Dabei werden Bilder der Szenerie mit einem Empfangssystem, das im Wesentlichen aus zwei zueinander beabstandeten Kameras besteht, aus leicht unterschiedlichen Perspektiven gewonnen. In den überlappenden Bildbereichen werden gleiche Strukturen identifiziert und aus der Disparität und den optischen Parametern des Kamerasystems mittels Triangulation Entfernungen und somit ein dreidimensionales Bild beziehungsweise eine Tiefenkarte berechnet. Strukturlose Flächen oder zueinander ähnliche Strukturmerkmale können eine eindeutige Zuordnung von Bildbereichen beim Auffinden der Korrespondenzen zwischen den Strukturelementen der Bilder verhindern.
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Kameras finden zunehmend auch Anwendung in der Sicherheitstechnik. Eine typische sicherheitstechnische Anwendung ist die Absicherung einer gefährlichen Maschine, wie etwa einer Presse oder eines Roboters, wo bei Eingriff eines Körperteils in einen Gefahrenbereich um die Maschine herum eine Absicherung erfolgt. Dies kann je nach Situation die Abschaltung der Maschine oder das Verbringen in eine sichere Position sein. Eine andere typische Aufgabe ist die Absicherung der Bewegung eines Fahrzeugs, insbesondere eines autonomen Fahrzeugs (AGV, Automated Guided Vehicle). In diesen Anwendungen ist eine zuverlässige Überwachung unerlässlich.
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Es ist daher im Stand der Technik bekannt, aktive Kamerasysteme zu verwenden, die eine eigene Beleuchtungseinheit aufweisen und damit ein strukturiertes Beleuchtungsmuster, beispielsweise ein Punktmuster, in die zu überwachende Szenerie projizieren, um so überall einen ausreichenden künstlichen Kontrast zu erzeugen. Dadurch wird auch ohne natürlichen Kontrast oder bei Flächen mit wiederholendem Muster ohne Eindeutigkeit eine stereoskopische Entfernungsschätzung möglich.
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Aktive Kamerasysteme nutzen in der Regel empfangsseitig ein Filter, das auf den Wellenlängenbereich des Beleuchtungsmusters abgestimmt ist, um den Einfluss von Fremdlicht zu verringern. Damit werden aber auch die natürlichen Kontraste unterdrückt und damit eine Kantendetektion erschwert, so dass Objektränder oft nicht präzise detektiert werden, etwa bei Okklusionen an Übergängen von vorgelagerten Objekten in den Hintergrund. Außerdem ist eine visuelle Orientierung in den Kamerabildern wegen der projizierten Muster nahezu unmöglich.
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Die eigene Beleuchtung abzuschalten hilft in aller Regel nicht, weil man sich dann auf das Umgebungslicht verlassen muss, das insbesondere bei optischer Filterung im Empfangspfad oft zu schwach ist. Daher ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich eine homogene Flächenbeleuchtung vorhanden ist und zwischen Musterbeleuchtung und homogener Beleuchtung umgeschaltet werden kann. Die homogene Beleuchtung wird dann für passive Stereoskopie auf den natürlichen Kontrasten, eine Visualisierung oder Aufgaben wie automatische Texterkennung (OCR) oder das Lesen von Strichcodes oder zweidimensionalen Codes genutzt.
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Im Stand der Technik sind zahlreiche Projektionstechniken für die Erzeugung eines strukturierten Beleuchtungsmusters bekannt, die beispielsweise auf Dias, diffraktiven optischen Elementen, Phasenplatten oder Mikrolinsenfeldern basieren. Teilweise haben diese Beleuchtungen Nachteile wie schlechte Lichtausbeute oder aufwändige Herstellung, und jedenfalls müsste für die geschilderten Zwecke eine zweite homogene Beleuchtung vorgesehen sein, die viel zusätzlichen Platz beansprucht und die Herstellkosten in die Höhe treibt.
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Aus der
EP 2 166 395 A1 ist eine Beleuchtungseinheit zur Projektion eines Beleuchtungsmusters bekannt, deren Mustererzeugungselement eine verstellbare Abbildungsoptik nachgeordnet ist. Damit kann durch Fokusverstellung wahlweise ein strukturiertes Muster aus dem Nahfeld des Mustererzeugungselements projiziert oder homogen beleuchtet werden, indem die Brennebene in das Mustererzeugungselement gelegt wird, wo sich noch kein Muster ausgebildet hat. Diese Beleuchtungseinheit ist vergleichsweise baugroß, und die fokusverstellbare Abbildungsoptik ist aufwändig.
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In der
EP 3 002 548 B1 wird eine Beleuchtungseinrichtung vorgeschlagen, deren Mustererzeugungselement verformbare Mikrolinsen aufweist. Eine Deckplatte kann mehr oder weniger Druck auf die Mikrolinsen ausüben und sie auch derart platt drücken, dass sie optisch wirkungslos werden. Auf diese Weise kann zwischen einer Punktmusterbeleuchtung und einer homogenen Beleuchtung gewählt werden.
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Eine Umschaltung durch mechanische Bewegung, sei es für eine Fokusverstellung oder um Mikrolinsen zu verformen, bedeutet stets Anfälligkeit für Verschleiß, und auch die mechanische Stabilität gegenüber Schwingung und Schock ist allenfalls mit viel Aufwand zu gewährleisten.
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Die Arbeit von
Kwon, Honam, et al. "A gradient index liquid crystal microlens array for light-field camera applications." IEEE Photonics Technology Letters 27.8 (2015): 836-839 schlägt vor, eine Kamera zwischen einem 2D-Modus und 3D-Modus umzuschalten. Dazu ist ein umschaltbares Mikrolinsenfeld mit Flüssiglinsen vorgesehen, die durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen wahlweise ausgeprägt oder optisch inaktiv geschaltet werden können. Das geschieht aber im Empfangspfad vor dem Bildsensor und hat mit der Projektion eines Beleuchtungsmusters nichts zu tun.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung für eine Kamera zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungsvorrichtung zum Erzeugen eines Beleuchtungsmusters in einem Erfassungsbereich nach Anspruch 1 gelöst. Die Beleuchtungsvorrichtung weist eine Lichtquelle auf, die durch ein optisches Mustererzeugungselement ein Beleuchtungsmuster in dem Erfassungsbereich erzeugt. Das Mustererzeugungselement ist veränderbar, um das entstehende Beleuchtungsmuster zu variieren. Je nach Zustand des Mustererzeugungs-elements entsteht also ein anderes Beleuchtungsmuster. Dabei sind zumindest zwei Zustände vorgesehen. Die Erfindung geht nun von dem Grundgedanken aus, ein elektronisch umschaltbares Mustererzeugungselement einzusetzen. Dadurch können mechanisch bewegte Teile, wie zur Veränderung eines Abstands, ein Aktor zum Verformen und dergleichen, vermieden werden.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine zuverlässige Umschaltung zwischen verschiedenen Beleuchtungsmustern ermöglicht wird. Diese Umschaltung ist sehr schnell, und da sie rein elektronisch erfolgt, gibt es keinen mechanischen Verschleiß. Dadurch wird die Beleuchtungsvorrichtung besonders langlebig und wartungsfrei.
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Das Mustererzeugungselement weist bevorzugt ein Mikrolinsenfeld auf. Die Mikrolinsen erzeugen ein Punktmuster, das durch reine Umverteilung entsteht und daher eine hohe optische Ausgangsleistung zulässt. Durch regemäßige oder unregelmäßige Anordnung der Mikrolinsen, sei es lateral oder in Höhenrichtung, unterschiedliche Größen beziehungsweise Kippwinkel entsteht ein entsprechend variabel auslegbares Punktmuster.
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Das Mustererzeugungselement weist bevorzugt Flüssigkristalle auf, insbesondere in Form einer Schicht mit Flüssigkristallen. Diese können allein oder im Zusammenspiel mit anderen optischen Elementen, wie beispielsweise zusätzlichen Mikrolinsen, für die Entstehung eines strukturierten Beleuchtungsmusters sorgen.
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Das Umschalten zwischen den Beleuchtungsmustern erfolgt bevorzugt durch Anlegen einer Spannung an die Flüssigkristalle. Das ist eine Möglichkeit der rein elektronischen Umschaltung ohne bewegte mechanische Teile. Dazu sind insbesondere Elektroden an den Flüssigkristallen vorgesehen, die optisch transparent sein können und je nach angelegter Spannung für eine Änderung der Orientierung der Flüssigkristalle sorgen. Dadurch werden veränderte Brechzahlen der Mikrolinsen erzeugt, die wiederum zu unterschiedlichen Beleuchtungsmustern führen. Ein Beispiel für ein solches Mustererzeugungselement ist aus der einleitend genannten Arbeit von Kwon et al. bekannt, wobei Alternativen wie etwa Elektropolymere auch denkbar sind.
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Das Mustererzeugungselement ist bevorzugt derart veränderbar, dass ein homogenes Beleuchtungsmuster entsteht. Wenn das Beleuchtungsmuster durch Mikrolinsen entsteht, können diese folglich optisch aktiviert und ausgeschaltet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ermöglicht die Umschaltung zwischen zwei Zuständen mit homogener Beleuchtung und einem strukturierten Beleuchtungsmuster, insbesondere einem Punktmuster. Es sind aber zusätzliche Zustände mit verschiedenen Beleuchtungsmustern denkbar, wie Punktmuster mit unterschiedlichen Punktgrößen oder Anordnungen, die durch diverse Zwischenpositionen eingestellt werden können.
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In bevorzugter Weiterbildung ist eine Kamera mit mindestens einem Bildsensor sowie mit mindestens einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen. Mehrere Beleuchtungsvorrichtungen können für ein größeres, variableres oder lichtstärkeres Beleuchtungsfeld genutzt werden. Die Kamera kann die mindestens zwei Zustände der Beleuchtungsvorrichtung nutzen, um Bilder sowohl bei strukturierter als auch bei homogener Beleuchtung oder auch bei unterschiedlichen strukturierten Beleuchtungen aufzunehmen. Dies kann für eine kombinierte Auswertung von Bildern in zwei Beleuchtungsszenarien genutzt werden, aber auch zur verbesserten Visualisierung oder zum Codelesen.
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Die Kamera ist bevorzugt als 3D-Kamera ausgebildet und weist eine Auswertungseinheit auf, um aus Bilddaten des Bildsensors dreidimensionale Bilddaten zu erzeugen. Die Erfassung dreidimensionaler Bilddaten ist besonders anspruchsvoll. Daher sind definierte und unterschiedliche Beleuchtungsszenarien besonders hilfreich.
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Die 3D-Kamera ist bevorzugt als Stereokamera ausgebildet und weist zwei Bildsensoren auf, wobei die Auswertungseinheit dafür ausgebildet ist, in einem Stereoalgorithmus einander zugehörige Teilbereiche in Bilddaten der beiden Bildsensoren zu erkennen und deren Entfernung anhand der Disparität zu berechnen. Durch den hohen Wirkungsgrad der Beleuchtungsvorrichtung sind hohe Reichweiten möglich. Eine Beleuchtung wahlweise homogen oder mit strukturiertem Beleuchtungsmuster ermöglicht passive oder aktive Stereoskopie und eine Kombination aus beidem. Auch eine mehrfache stereoskopische Erfassung bei unterschiedlichen Beleuchtungsmustern kann die Erfassung dichter Tiefenkarten, also solcher ohne Pixel oder Bereiche, in denen keine zuverlässige Entfernungsschätzung möglich ist, deutlich erleichtern.
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Die Kamera ist bevorzugt als Sicherheitskamera ausgebildet, wobei die Auswertungseinheit unzulässige Eingriffe in den Erfassungsbereich erkennen und daraufhin ein Abschaltsignal erzeugen kann, und wobei ein Sicherheitsausgang vorgesehen ist, über welchen die Sicherheitskamera ein Abschaltsignal für eine überwachte Gefahrenquelle ausgeben kann. Ein unzulässiger Eingriff bedeutet, dass zum einen ein Eingriff erkannt wird und zum anderen dieser Eingriff keinem zuvor eingelernten oder algorithmisch erkannten erlaubten Objekt, keiner erlaubten Bewegung oder dergleichen entspricht. Dabei ist denkbar, der Abschaltung eine Warnung vorzuschalten, also beispielsweise Schutzfelder zu definieren, in denen eine Abschaltung erfolgen soll, und vorgelagerte Warnfelder, in denen zunächst ein beispielsweise optischer oder akustischer Alarm ausgelöst wird, um den zur Abschaltung führenden Eingriff möglicherweise aufgrund der Warnung noch zu verhindern. Die Sicherheitstechnik ist besonders anspruchsvoll, und eine Sicherheitskamera kann ihre Aufgabe besser erfüllen, wenn hinreichender Kontrast im Erfassungsbereich garantiert ist und verschiedene Beleuchtungen verfügbar sind.
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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 Darstellung einer Kamera mit einer Beleuchtungsvorrichtung;
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2 eine schematische Darstellung der Beleuchtungsvorrichtung in einem Zustand zur Erzeugung eines Punktmusters; und
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3 eine schematische Darstellung der Beleuchtungsvorrichtung in einem Zustand zur Erzeugung einer homogenen Beleuchtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer 3D-Kamera 10 zur Aufnahme von dreidimensionalen Bildern eines Erfassungsbereichs 12 in einer Ausführungsform als Stereokamera. Die nachfolgend beschriebene Beleuchtung des Erfassungsbereichs 12 ist prinzipiell auch für einfache, also zweidimensionale Kameras interessant, insbesondere bei deren Einsatz in der Sicherheitstechnik. Allerdings zielt die Erfindung vorzugsweise auf 3D-Kameras, da sie hinsichtlich ausreichend kontrastreicher Beleuchtung besonders anspruchsvoll sind. Deshalb wird die Erfindung auch anhand von 3D-Kameras erläutert, wobei durch konkrete Beschreibung einer Stereokamera keine Beschränkung impliziert sein soll. Auch andere 3D-Verfahren sind denkbar, insbesondere ein Projektionsverfahren mit nur einer Kamera und Korrelation mit deren Beleuchtungsmuster (aktive Triangulation).
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Die 3D-Kamera 10 kann beispielsweise in stationärer Anwendung an einer industriellen Anlage, wie einem Roboter, oder in mobiler Anwendung an einem Fahrzeug montiert sein und von einem Fahrerassistenzsystem oder sogar zum autonomen Fahren (AGV, automated guided vehicle) genutzt werden. Jegliche andere Bilderfassung innerhalb und außerhalb der Sicherheitstechnik ist ebenso denkbar.
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In der 3D-Kamera 10 sind zwei Kameramodule 14a–b in einem bekannten festen Abstand zueinander montiert und nehmen jeweils Bilder des Erfassungsbereichs 12 auf. In jeder Kamera ist ein Bildsensor 16a–b vorgesehen, üblicherweise ein matrixförmiger Aufnahmechip, der ein rechteckiges Pixelbild aufnimmt, beispielsweise ein CCD- oder ein CMOS-Sensor. Den Bildsensoren 16a–b ist jeweils ein Objektiv mit einer abbildenden Optik zugeordnet, welches als Linse 18a–b dargestellt ist und in der Praxis als jede bekannte Abbildungsoptik realisiert sein kann.
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In der Mitte zwischen den beiden Kameramodulen 14a–b ist eine Beleuchtungsvorrichtung 20 mit einer Lichtquelle 22 dargestellt, wobei diese räumliche Anordnung nur als Beispiel zu verstehen ist. Die Beleuchtungsvorrichtung 20 kann abweichend von der Darstellung anders und auch extern angeordnet sein. Die Lichtquelle 22 ist beispielsweise eine LED oder eine Laserdiode. Besonders bevorzugt wird ein VCSEL-Array eingesetzt. Die Beleuchtungsvorrichtung 20 erzeugt mit Hilfe eines schaltbaren Mustererzeugungselements 24 in dem Erfassungsbereich 12 eines von mindestens zwei wählbaren Beleuchtungsmustern. Die Beleuchtungsvorrichtung 20, deren Umschaltung und die erzeugten Beleuchtungsmuster werden später unter Bezugnahme auf die 2 und 3 näher erläutert.
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Mit den beiden Bildsensoren 16a–b und der Beleuchtungsvorrichtung 20 ist eine kombinierte Steuerungs- und Auswertungseinheit 26 verbunden, die im Folgenden nur als Auswertungseinheit 26 bezeichnet wird. Mittels der Auswertungseinheit 26 wird das jeweils gewünschte Beleuchtungsmuster erzeugt, und sie empfängt Bilddaten der Bildsensoren 16a–b. Aus diesen Bilddaten berechnet die Auswertungseinheit 26 mit einem an sich bekannten Stereoskopiealgorithmus dreidimensionale Bilddaten (Entfernungsbild, Tiefenkarte) des Erfassungsbereichs 12. Die Auswertungseinheit 26 kann abweichend von der Darstellung in beliebiger Weise auf einem oder mehreren digitalen Bausteinen verteilt implementiert sein und auch analoge Schaltungsteile aufweisen. Über einen Ausgang 28 kann die 3D-Kamera 10 dreidimensionale Bilder oder andere Messergebnisse ausgeben, beispielsweise Rohbilddaten eines Kameramoduls 14a–b, aber auch Auswertungsergebnisse wie Objektdaten oder die Identifizierung bestimmter Objekte. Speziell in sicherheitstechnischer Anwendung kann das Erkennen eines unzulässigen Eingriffs in Schutzfelder, die in dem Erfassungsbereich 12 definiert wurden, zur Ausgabe eines sicherheitsgerichteten Abschaltsignals führen. Dazu ist der Ausgang 28 dann vorzugsweise als Sicherheitsausgang (OSSD, Output Signal Switching Device) ausgeführt und die 3D-Kamera 10 insgesamt im Sinne einschlägiger Sicherheitsnormen ausfallsicher aufgebaut.
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2 zeigt nochmals die Beleuchtungsvorrichtung 20 sowie ein davon in dem Erfassungsbereich 12 erzeugtes Beleuchtungsmuster 30, das hier als Punktmuster ausgebildet ist. Die Darstellung zeigt eine Schnittebene des Erfassungsbereichs 12 in die Papierebene hinein gedreht. Für aktive Stereoskopie sollte das Beleuchtungsmuster 30 vorzugsweise zumindest lokal eindeutig oder selbstunähnlich in dem Sinne sein, dass Strukturen des Beleuchtungsmusters nicht zu Scheinkorrelationen führen, beziehungsweise einen Beleuchtungsbereich eindeutig kennzeichnen. Auf die konkrete Ausgestaltung als Punktmuster kommt es hingegen nicht an, solange genügend variable Struktur entsteht.
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Eine Besonderheit des Mustererzeugungselements 24 ist, dass es durch elektrische Ansteuerung umschaltbar ist. Dadurch wird das Beleuchtungsmuster 30 variiert, und es entsteht ein anderes Punktmuster beispielsweise mit anderen Punktgrößen oder anderer Anordnung der Punkte. Besonders bevorzugt ist eine Umschaltung auf eine Beleuchtung ohne Punktmuster.
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3 zeigt die Beleuchtungsvorrichtung 20 in einem entsprechenden Zustand, in dem anstelle des Punktmusters eine homogene Beleuchtung 32 erzeugt wird. Die Beleuchtungsvorrichtung 20 kann also zwischen einem Punktmuster, allgemein einem strukturierten Beleuchtungsmuster 30, und einer homogenen Flächenbeleuchtung umschalten. Darüber hinaus können auch weitere Zustände mit unterschiedlichen strukturierten Beleuchtungsmustern 30 vorgesehen sein. Auf diese Weise stehen der 3D-Kamera 10 Bilddaten sowohl für aktive wie passive Stereoskopie zur Verfügung, um Entfernungen anhand künstlicher wie natürlicher Strukturen zu schätzen. Von anderen Kamerasystemen kann die zusätzliche Information aus mindestens zwei Beleuchtungsszenarien auf andere Weise genutzt werden. Gerade die homogene Beleuchtung 32 ist auch für weitere Zwecke wie eine Visualisierung oder eine automatische Codelesung hilfreich.
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Eine beispielhafte Möglichkeit der Implementierung des schaltbaren Mustererzeugungselements 24 ist ein Mikrolinsenfeld, wie es in der einleitend genannten Arbeit von Kwon für eine Umschaltung 2D/3D bei Kameras eingesetzt wird und auf die für weitere technische Ausgestaltungsmöglichkeiten des schaltbaren Mikrolinsenfelds verwiesen wird. Dabei ist eine Schicht mit Flüssigkristallen vorgesehen, über denen eine transparente konturierte Elektrode angeordnet ist. Wird daran eine Spannung angelegt, so ordnen sich die Flüssigkristalle entsprechend der Form der Elektrode neu an und bilden in unterschiedlichem Maße optische Strukturen, die als Mikrolinsen wirken. Das in den 2 und 3 gezeigte Mustererzeugungselement 24 deutet diese Veränderung der Brechzahl für drei Mikrolinsen beziehungsweise einen flachen Zustand ohne Lichtbrechung an. Die Erfindung ist aber nicht auf dieses Mikrolinsenfeld beschränkt, sondern bezieht sich allgemein auf elektronisch schaltbare Mustererzeugungselemente 24. Dazu können beispielsweise auch Elektropolymere genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2166395 A1 [0008]
- EP 3002548 B1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Kwon, Honam, et al. "A gradient index liquid crystal microlens array for light-field camera applications." IEEE Photonics Technology Letters 27.8 (2015): 836-839 [0011]
