DE20321218U1

DE20321218U1 - Vorrichtung zur optischen Abtastung

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Publication number: DE20321218U1
Application number: DE20321218U
Authority: DE
Original assignee: Captron Electronic GmbH
Current assignee: Captron Electronic GmbH
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2003-02-15
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: DE10306417B4; DE10258545A1; DE10306417A1; DE10258545B4

Abstract

Vorrichtung zur optischen Abtastung, bei der eine Relativbewegung zwischen einem Objekt im Erfassungsraum der Vorrichtung und der Vorrichtung erfolgt, wobei der Erfassungsraum
– sich außerhalb der Vorrichtung befindet, und
– dreidimensional ausgedehnt ist,
– wobei die Vorrichtung beinhaltet
– eine Abbildungsoptik,
– in welcher vom Objekt kommende Lichtstrahlen eintreffen und
– die als Objektiv ausgebildet ist,
– einen optoelektronischen Verschiebungssensor,
– der auf einer Abtastfläche verteilt eine Vielzahl lichtempfindlicher Teilflächen enthält,
– der über die Winkeländerung der durch die Abbildungsoptik in der Vorrichtung eintreffenden Lichtstrahlen die Relativbewegung misst, und
– eine Auswerteeinheit,
– wobei die geometrische Anordnung von Verschiebungssensor und Abbildungsoptik derart ist, dass im Erfassungsraum befindliche Objekte in einer zur Verschiebungserkennung ausreichenden Auflösung abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebungssensor ein für optische Mäuse vorgesehener Sensor oder ein dessen Funktionsprinzip entsprechender Verschiebungssensor ist, bei welchen Signale aus seinen...

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Abtastung eines Bewegungsvorganges, insbesondere zur Messung der Bewegungsgrößen wie Richtung oder Geschwindigkeit, und ebenso zur allgemeinen Erfassung der Objekte, die sich bewegen, oder zur Messung deren Abstand.
Solche Geräte werden vor allem bei der Industrieautomation benötigt, ferner zur Raumüberwachung und in der Verkehrstechnik. Ferner können auch Schwenk-Bewegungen einer Bildaufnahmekamera in Bezug zum abzubildenden Objekt gemessen werden, um die Kamera relativ dazu stabilisieren zu können.
DE 100006386 beschreibt eine Vorrichtung zur Erfassung von Objekten, welche mittels einer Fördereinrichtung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit relativ zu einem optischen Sensor bewegt werden. Die vom Sensor generierten Signale übermitteln Objektmerkmale des Objektes; diese werden durch Korrelationsfunktion mit einem wenigstens ein Objektmerkmal enthaltenden Referenzsignal verglichen. Die Funktion ist lediglich für spezifische Objekte möglich und dient zu deren Wiedererkennung, nicht zur Messung der Bewegung an sich oder zur allgemeinen Erfassung von Körpern.
DE 19523843 beschreibt ein Verfahren zum Erfassen von Objekten, wobei optische Sensorvorrichtungen den Abstand zur Oberfläche des Objektes und somit dessen Kontur erfassen.
DE 4004530 beschreibt ein Verfahren zu optischen Abstandsmessung, bei dem gesendete gebündelte Lichtstrahlen an einem Objekt reflektiert werden, deren empfangenen Intensitäten ausgewertet werden und nach dem Triangulierungs-Prinzip ein Messwert für den Abstand gewonnen wird. Eine direkte Messung der Bewegung ist nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Sensor zu schaffen, der unabhängig von der Art des Objektes auch aus größeren Abständen eine Relativbewegung zwischen Sensor und Objekt erkennen kann. Ferner besteht eine weitere Aufgabe darin, anhand der Bewegung das Vorhandensein des Objektes erkennen zu können.
Hierfür sind die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale vorgesehen.
Als optischer Verschiebungssensor wird ein von der optischen Maus bekannter Bewegungssensor eingesetzt. Ein solcher Sensor enthält auf einer Abtastfläche verteilt eine Vielzahl lichtempfindlicher Teilflächen (Pixel), deren Signale in rascher Folge ausgelesen werden, wobei die Auslese-Rate meist wesentlich höher ist als die bei Videokameras übliche Bildwechselfrequenz, und wobei die Bilder elektronisch auf Verschiebungen ausgewertet werden. Das Ausmaß der Verschiebung wird in zwei orthogonalen Achsen (x und y) ermittelt und in separaten Messwerten ausgegeben. Häufig haben solche Sensoren pro Mess-Achse (Bewegungsachse) einen Quadratur-Ausgang, der ein Inkremental-Signal auf zwei Adern liefert, wobei die Bewegung in Stufen richtungsgetreu gemeldet wird. Eine Signaländerung erfolgt als Sprung oder als Folge von Sprüngen. Alternativ kann das Ausmaß der Verschiebung als Datensignal ausgegeben werden.
Als Abbildungsoptik kann beispielsweise die Linse eines Objektivs verwendet werden.
Geeignet sind Kamera-Objektive oder Teleskop-Optiken. Die meisten sichtbaren Strukturen, die ein Gegenstand gewöhnlich aufweist, können mit einer solchen Anordnung mit ausreichend Kontrast auf dem Verschiebungssensor abgebildet werden.
Je gröber die vorhandenen Kontraste, d.h. je höher der Anteil niedriger Ortsfrequenzen, desto weniger scharf müssen die Strukturen abgebildet werden und desto größer ist die nutzbare Schärfentiefe. Objekte mit einer strukturlosen Oberfläche können an ihrem Rand aufgrund der Kontur erkannt werden.
Um eine Erfassung auch in der Mitte der Oberfläche scheinbar strukturloser Objekte zu ermöglichen, kann ein Objektiv langer Brennweite verwendet werden. Auf diese Weise können feine Unebenheiten so stark vergrößert auf dem Sensor abgebildet werden, dass eine ähnliche Abbildungs-Größe wie bei einer üblichen optischen Maus erreicht wird. Als Ergebnis können feine Strukturen auch entfernter Objekte mit der von der optischen Maus bekannten hohen Auflösung abgetastet werden, solange sie sich im Bereich der Tiefenschärfe befinden. Alternativ kann als Abbildungsvorrichtung ein vergrößerndes System mit mehreren Linsen verwendet werden, beispielsweise ein Teleskop, um die Bauweise zu verkürzen anstelle eines langbrennweitigen Objektivs.
Eine Beleuchtung kann in der Vorrichtung eingebaut bzw. mit ihr verbunden sein, alternativ kann auch das Umgebungslicht verwendet werden.
Die Abbildungsoptik kann auch aus einer Kombination einer Zusatz-Optik mit der in einer vorhandenen Opto-Maus schon eingebauten Linse bestehen. Eine entsprechende Vorrichtung lässt sich so gestalten, dass sie ein Ankoppeln an jede optische Computermaus ermöglicht. Die Zusatz-Optik kann als Objektiv ausgebildet sein, das eine erste Abbildung vom Objekt in die ursprüngliche Abtastebene der vorhandenen Maus-Linse bewirkt. Zusammen mit der Maus-Linse resultiert die Funktion eines Teleskops oder Mikroskops. In der Nähe der ursprünglichen Abtastebene, d.h. ersten Bildebene, kann eine Feldlinse eingebaut sein.
Die Zusatz-Optik kann auch eine Konkavlinse enthalten, die in der Nähe der schon vorhandenen Linse angeordnet ist, um deren Wirkung zu verringern oder aufzuheben. Hierdurch kann eine zweifache Bildumkehr vermieden werden. Die Funktion der Konkavlinse kann auch einer Barlow-Linse oder einem konkav-Okular (Opernglas) entsprechen.
Die erfindungsgemäße Kombination des Verschiebungssensors mit einer Abbildungsoptik lässt sich als Kamera bezeichnen. Es entsteht ein Erfassungsbereich mit Keulen- bzw. Kegelähnlicher Form. Die Winkel-Breite dieser Keule, innerhalb der ein Bild auf den Verschiebungssensor erfasst wird, kann durch die Große der lichtempfindlichen Fläche des Verschiebungssensors und die Brennweite der Abbildungsoptik festgelegt werden. In den meisten der folgenden Betrachtungen wird diese Breite vernachlässigt und nur die Haupt-Richtung bzw. optische Achse als die "Sichtrichtung" betrachtet.
Die Tiefe des Abtastbereiches ist durch die Schärfentiefe festgelegt. Diese lässt sich durch die Fokussierung und die Apertur der Abbildungsoptik den Erfordernissen anpassen. Meistens ist eine Keule vorteilhafterweise länger als breit. Für sinnvolle Tiefenschärfe ist es vorteilhaft, wenn die Gegenstandsweite das 3-fache der Bildweite überschreitet. Der Abtastraum kann sich ins Unendliche erstrecken. Bei kurzbrennweitigen Objektiven kann der Fokus zweckmäßigerweise auf unendlich eingestellt sein.
Die Relativbewegung kann eine Drehung oder Linearbewegung beinhalten und bewirkt eine Änderung der Einfallswinkels der vom Objekt in die Abbildungsoptik gelangenden Lichtstrahlen. Die gemäß der Erfindung aus Abbildungsoptik und Sensor gebildete Einheit oder Kamera wandelt diese Winkeländerung oder -Bewegung über die optische Abbildung in eine Verschiebung bzw. Bewegung des Abbildes auf dem Verschiebungssensor um. Dabei ist das Maß der gewonnenen Bild-Verschiebung proportional zur Brennweite der Abbildungsoptik und zur Strahlwinkel-Änderung. Somit kann die vorliegende Erfindung die Bewegung anhand visueller Winkeländerungen erkennen, und zwar auch quantitativ.
Die Skalierung und der Bereich messbarer Geschwindigkeiten kann durch Wahl einer geeigneten Brennweite nach den Gesetzen der Strahlgeometrie an die Anwendung so angepasst werden, dass am Verschiebungssensor zur Erfassung geeignete Geschwindigkeiten auftreten.
Gemäß der Erfindung kann das abgetastete Objekt und/oder der Sensor bewegt sein. In beiden Fällen kann die Bewegung wahlweise quantitativ gemessen werden oder die Anwesenheit des Objektes (anhand der Bewegung) erkannt werden.
Im letzteren Fall oder bei unstrukturiertem Hintergrund kann das Objekt wesentlich kleiner sein als der Erkennungsbereich, der durch die Abmessungen der lichtempfindlichen Sensorfläche festgelegt wird.
Eine quantitative Messung einer Bewegungsgröße kann eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung oder eine Lage bzw. Verschiebung oder Orts-Position beinhalten. Die Bewegung selbst kann eine lineare Bewegung oder auch eine Drehung sein.
Bei linearen Bewegungen kann die Sicht-Richtung quer zur Bewegungsrichtung angeordnet sein, am besten senkrecht dazu. Der Messwert der Bewegung (Verschiebung oder Geschwindigkeit) ist dabei auch proportional zum reziproken Abstand Sensor-Objekt.
Da der Verschiebungssensor eine zweidimensionale Verschiebung misst, können die geschilderten Messgrößen in zwei Koordinaten dargestellt werden und ermöglichen dementsprechend eine zweidimensionale Erkennung, Messung und Regelung.
Wenn eine Geschwindigkeit ungefähr bekannt oder konstant ist, so kann das optische Meßsignal umgekehrt auch zur Ermittlung des Abstandes zwischen Sensor und Objekt verwendet werden. Beispielsweise wird das Maßsignal als Reziprokwert für den Abstand herangezogen. Zum Beispiel kann der optische Messwert durch die bekannte Geschwindigkeit dividiert werden und dann vom Ergebnis der Kehrwert errechnet oder angenähert werden. Bei Verwendung in einem Regelkreis kann die Kehrwertbildung entfallen, sofern der Sollwert schon als Kehrwert definiert wird.
Es können sämtliche Messgrößen verwendet werden, um in Kombination mit einem Regelkreis einen Bewegungsvorgang zu regeln. Mit einem Istwert-Sollwert-Vergleich und einem Stellglied zur direkten oder indirekten Beeinflussung der Bewegung kann die Bewegung oder Position auf einen vorgegebenen Wert oder Ablauf eingestellt oder stabilisiert werden.
Ein sinnvoller Einsatz ist die Montage auf einer schwenkbaren Kameraplattform. Auf diese Weise kann die relative Bewegung der Kamera gegenüber einem zu filmenden oder zu fotografierenden Objekt gemessen werden. Mittels einer Regelschleife, die diese Messung einbezieht, können Schwenkbewegungen der Kamera geregelt werden. Hiermit lässt sich ein automatisches Fixieren des Objektes verwirklichen. Dadurch resultiert einerseits der Vorteil, dass bei Bewegungen des Objektes die Kamera automatisch nachschwenkt und daher das Ziel oder ein gewünschter Bildausschnitt davon beibehalten wird. Andererseits werden unerwünschte Erschütterungen und ein Abdriften der Kameraplattform kompensiert, wie sie beispielsweise während einer Kamerafahrt aus Fahrzeug, Kran oder Flugzeug auftreten. Insbesondere können auch die bei absichtlichen Perspektive-Änderungen während einer Aufnahme nötigen Korrektur-Schwenks automatisch gesteuert werden, um den Bildausschnitt konstant auf das Objekt zu hatten. Die Sensoreinheit (Messvorrichtung) kann hierzu neben der zu lenkenden Kamera auf der Plattform angebracht werden. Alternativ kann sie in die Kamera eingebaut sein.
Weitere Einsatzgebiete sind automatische Lenkvorgänge bei Fahrzeugen.
Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Signal des optischen Sensors, nachfolgend kurz "Sensorsignal" genannt, mit einer damit beaufschlagten elektronischen Schaltungsvorrichtung nach bestimmten Eigenschaften ausgewertet werden. Die Schaltungsvorrichtung kann Bauteile für analoge oder digitale Berechnungen enthalten. Erfindungsgemäß lässt sich das Sensorsignal auf verschiedene Weise a) bis d) nutzen. Es enthält Information über a) Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung (wenn man Frequenz und Phase der Signal-Änderungen betrachtet) und b) das Maß der Verschiebung (wenn man die Signalsprünge zählt und somit integrierend aufsummiert), c) Beschleunigung, und d) das Vorhandensein eines Objektes.

a) Die Frequenz, einschließlich ihr durch das Signal übermitteltes Vorzeichen, ist proportional zur momentanen optischen Verschiebungs-Geschwindindigkeit und daher proportional zur Winkelgeschwindigkeit der optischen Einfallsrichtung. Je nach Anwendung kann dies für verschiedene Messungen verwendet werden. Ein Frequenzmesswert kann gewonnen werden, indem fortlaufend Zeitintervalle erzeugt werden, während denen die in einer Mess-Achse auftretenden Ausgangssprünge mit Vorzeichen summiert werden, d.h. auf-/bzw. abwärtsgezählt werden, und die Summe jeweils durch die Länge des Zeitintervalls dividiert wird. Folgen die Zeitabschnitte regelmäßig, kann die Division entfallen. Alternativ kann bei jedem Änderungssprung des Signals die Zeitspanne seit dem vorangehenden Änderungssprung ermittelt werden, davon der Kehrwert gebildet werden und mit einem der Änderungsrichtung entsprechenden Vorzeichen versehen werden. Dieser Frequenzwert kann rechnerisch auch vor Eintreffen der nächsten Änderung aktualisiert werden, indem er frühestens nach Ablauf einer der Frequenz entsprechenden Periodendauer fortwährend oder in Schritten heruntergesetzt wird auf einen der verstrichenen Wartezeit entsprechenden Frequenzwert.
b) Der Positionswert, gewonnen durch Auf-/Abwärtszählung der Inkrement-Sprünge des Sensorsignals oder durch eine beliebige andere bekannte Art der zeitlichen Integration der Frequenz, repräsentiert das Maß der erfolgten Verschiebung. Immer wenn hier allgemein der Begriff Bewegung verwendet wird, ist auch die Positionsmessung beinhaltet, denn die gemessene Position ergibt sich aus den vorangegangenen Verschiebungen und wird aus solchen fortlaufend aufsummiert. Um bei diesem Integrationsvorgang einen definierten Anfangswert zu erreichen, kann die Auswertschaltung einen Rücksetz-Eingang besitzen und durch ein externes Ereignis ausgelöst einen Anfangswert in die Summe bzw. in den Zähler schreiben.
c) Ferner kann ein Differenzialwert gebildet und herangezogen werden, indem der Frequenz-Messwert zeitlich differenziert wird, somit ein Maß für die Beschleunigung ergibt.
d) Um das Vorhandensein eines Objektes zu melden, kann eine Ereignisprüfung vorgenommen werden, die aktuell überprüft, ob im Sensorsignal Änderungs-Sprünge auftreten oder nicht.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Die Sensorvorrichtung 1Q enthält das Objektiv (1) als Abbildungsoptik und den Verschiebungssensor (2), dessen empfindliche ("aktive") Sensorfläche (3) in der Bildebene des Objektivs (1) liegt. Es resultiert ein Erfassungsbereich (6) in und in der Nähe der optischen Achse (7). Festgelegt durch den Abstand zwischen Objektiv und aktiver Sensorfläche ist der Fokus so eingestellt, dass mögliche Gegenstandsweiten zwischen einem nahen Ende (6a) und einem fernen Ende (6b) des Tiefenschärfebereichs liegen. Insgesamt resultiert der kegelähnliche Abtastraum (6), in dem bewegte Objekte 7 oder Partikel 8, die von der Vorrichtung (10) beabstandet sind, erkannt werden können.
Verschiedene Anwendungen und Ausführungen:
Erkennung bewegter Objekte: Bei vorhandener Beleuchtung ist im Unterschied zu bekannten optischen Sensoren wie Lichtschranken oder Lichtaster keine Einschränkung der Reichweite gegeben. Zudem kann der mögliche Abtastraum eine größere Fläche oder auch Volumen abdecken und die Ausrichtung der Strahlkeule ist weniger kritisch. Dies kann zur Raumüberwachung oder zur richtungsabhängigen Personenzählung verwendet werden, ferner zur Überwachung von Einstiegsstellen an Fahrzeugen auch wenn der Erfassungsbereich außerhalb der Fahrzeuge liegt. Ferner zur Überwachung des Einfahrt-Bereiches vor großen Toren, die sich bei Annäherung eines Fahrzeuges öffnen. Vorteilhafterweise ist diese Art der Erkennung nicht durch eine bestimmte Reichweite begrenzt. Außerdem erfordert sie keine Justage zur Unterscheidung zwischen Objekt und Hintergrund, da der Boden, weil unbewegt, nicht fehlerhafterweise erkannt werden kann.
Wenn der Hintergrund struktur- bzw. kontrastarm ist, kann der Erfassungsbereich wesentlich breiter sein als die Objekte, wobei auch ein heller Hintergrund die Messung nicht stört.
Ferner können kleine Partikel erkannt werden, auch wenn sie zu klein sind, um mit einer Lichtschranke erfasst werden zu können. Hierzu genügt es, den Hintergrund entweder dunkel oder kontrastfrei oder aus dem Schärtebereich zu halten. Beleuchtung kann auf die Teile oder durch die Teile erfolgen. Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten oder Gasen können aufgrund der Bewegung suspendierter Teilchen gemessen werden.
Ferner können fortlaufende Materialien auf Fehlerfreiheit untersucht werden. Ein Fehler kann als erkannte Struktur oder als ausbleibende Struktur registriert werden. Gegenüber herkömm-lichen Bildsystemen ist erhebliche Kosteneinsparung möglich.
Drehung bzw. Drehzahl von auch langsam rotierenden Objekten kann aus der Entfernung erkannt und gemessen werden.
Von Fördereinrichtungen bewegte Gegenstände können erkannt oder auch vermessen werden. Bei Abtastung von oben kann die Höhe der Gegenstände anhand der Frequenz des Sensorsignals erkannt werden, denn die Höhe beeinflusst die Distanz zum Sensor und somit die gemessene Winkelgeschwindigkeit. Das Gleiche gilt für die seitliche Position der Gegenstände, wenn die Abtastung von der Seite erfolgt.
Um ein Oberflächenrelief von Objekten (9) zu erfassen, kann entweder das Objekt vor dem Sensor oder der Sensor vor dem Objekt gleichförmig verschoben werden. Der Verlauf der reziproken Frequenz ist ein Abbild für den Höhenverlauf des Objektes. Die Verschiebung kann rasterförmig in zwei Achsen erfolgen, wodurch eine dreidimensionale Oberflächenerfassung möglich ist.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt im großen Bereich der möglichen Messdistanzen und im geringen Preis, verglichen mit Verfahren nach dem Stand der Technik (z.B. Optische Laufzeitmessungen). Durch geeignete Wahl der Brennweite und der Abtast-Geschwindigkeit lassen sich beliebige Auflösungen und Messbereiche realisieren.
Ferner können auch Bewegungen (eines weiteren Objektes) gegenüber einem feststehenden Objekt, d.h. auch einem Hintergrund oder der Gesamtszene, erkannt werden. Hierzu am Objekt ein Spiegel, Prima oder dergleichen befestigt sein. Es kann auch am bewegten Objekt der Sensor bzw. die Vorrichtung befestigt sein und somit mit bewegt werden. In beiden Fällen ist sowohl eine quantitative Erfassung der Bewegungsgrößen möglich als auch die Erkennung des Vorhandenseins eines Objektes in der feststehenden Szene. Hierbei kann die beschriebene Vorrichtung mit einem vibrierenden oder Drehspiegel kombiniert werden, durch den zu erfassende Gegenstände oder zu überprüfende Orte abgebildet werden.
Bei bewegtem Sensor kann auch der Abstand quer zur Bewegungsrichtung erkannt werden, wie oben beschrieben.
Dies kann als Kollisions-Schutz verwendet werden, etwa für automatische Fahrzeuge. Bei seitlicher Sichtrichtung kann der Seitenabstand, etwa zu einer Wand, gemessen und geregelt werden. Als Stellglied kann hierbei die Lenkung gesteuert werden und ermöglicht Fahren entlang eines Hindernisses.
Um Kollisionsschutz in vorderer Richtung zu ermöglichen, ist eine Bewegungskomponente quer zur Sichtrichtung bzw. optischen Achse erforderlich. Wie in 2 gezeigt, sind zwei Sensor-Chips 32 und 33, die hinter einem gemeinsamen Objektiv (2) oder hinter jeweils separaten Objektiven angeordnet sind, so angebracht, dass ihre Sicht-Richtungen bzw. optischen Achsen V-förmig divergieren. Die Winkelhalbierende kann in Fahrtrichtung zeigen.
Es können zwei Sensorvorrichtungen aus versetzten Orten so ausgerichtet werden, dass ihre Sichtrichtungen bzw. optischen Achsen im Abtastraum konvergieren.
Auf beide geschilderten Arten wird eine messbare Bewegungskomponente, nämlich quer zur optischen Achse, auch dann erreicht, wenn die Abtastung im Wesentlichen in dieselbe Richtung zeigt wie die Bewegung (11) (z.B. nach vorne). Wenn beide optischen Achsen zueinander im spitzen Winkel liegen, also in ähnliche Richtung zeigen, können sie eine gemeinsame Haupt-Sichtrichtung (11) darstellen, die z.B. als die Winkelhalbierende angenommen werden kann.
Indem die in beiden Sensoren gemessenen Verschiebungen (51–51') und (52–52') einem Vergleich unterzogen werden, kann die Messung von anderen Bewegungen weitgehend unabhängig gemacht werden. Hierzu kann die Differenz bzw. Summe der Signale ermittelt werden. Hierdurch wird nur der radiale Anteil verwendet bzw. herausgefiltert.
Es wird hierbei somit nicht der Absolutwert des Abstandes, sondern die Änderungsrate gemessen. Außerdem ist es hier nicht nötig, dass eine andere Geschwindigkeit in Querrichtung vorhanden und bekannt ist.
Wegen der Strahlgeometrie ist die gesamte Winkel-Wanderung und somit die gemessene Summenfrequenz proportional zur Annäherungsgeschwindigkeit, und außerdem näherungsweise quadratisch reziprok zum Abstand. Eine solche Zusammensetzung eignet sich hervorragend als Mess- oder Regel-Wert für eine Kollisions-Vermeidung. Eine Abbremsung kann zum Beispiel in der Weise gesteuert werden, dass die Negativbeschleunigung in etwa proportional zur gemessenen Frequenz, abzüglich eines Sollwertes, ist.
Bei mitdrehendem Sensor kann die Winkelgeschwindigkeit gemessen werden.
Sofern die umgebende Szene auf allen Seiten ausreichend Licht und Kontrast aufweist, kann die Drehung rundum erfolgen. Für diese Art der Messung ist der Abstand der abgetasteten Objekte unerheblich; sie können auch im Unendlichen liegen.
Eine Anwendung ist die Erkennung oder Stabilisierung von Ausrichtung, Lage bzw. Kurs von Fahrzeugen, Flugzeugen oder anderen bewegten Objekten wie Teile von Baumaschinen oder Robotern.
Mit einer divergierenden Anordnung nach Anspruch 35 können auch mehrere Raumkomponenten einer Bewegung gleichzeitig gemessen werden. Ferner können hierdurch störende Einflüsse einer Bewegungskomponente auf die Messung einer anderen Bewegungskomponente dadurch eliminiert werden, dass mit einem anderen Sensor eine andere Mischung von Bewegungen gemessen wird und beide Signale einem Vergleich unterzogen werden. Beispielsweise kann ein Seitenabstand eines Fahrzeuges zu einer Umgebung wie beschrieben gemessen werden und der Einfluss einer Fahrzeugdrehung auf diese Messung kompensiert werden durch eine weitere Messung, die nach hinten zeigt und infolgedessen hauptsächlich die Drehung wahrnimmt.
Eine weitere Anwendung der Erfindung ist als Eingabegerät, beispielsweise zur Navigation im Menu eines Computers. Ein solches Eingabegerät kann unter Verwendung der beschriebenen Sensoreinheit die Bewegung einer Hand bzw. eines Fingers abtasten.
Die Sensoreinheit kann hinter einer transparenten Fläche angebracht sein, und die Bewegung kann auf bzw. entlang deren Oberfläche erfolgen. Dabei kann die Bedienung der eines Touchscreens entsprechen. Als Vorteil ergibt sich, dass keine beweglichen oder zerstörbaren Teile zugänglich sind. Ferner, dass auch ein nachträglicher Einbau in schon vorhandene Glasflächen möglich ist. Vorteile ergeben sich insbesondere für öffentlich zugängliche Terminals, die in Glasvitrinen untergebracht werden können, sowie in Schaufenstern, um eine interaktive Bedienung durch den Betrachter zu ermöglichen.
Durch Aneinanderreihung mehrerer Sensoreinheiten zu einem Gesamtfeld lässt sich der mögliche Bewegungsspielraum vergrößern. Die Abtastung kann mit Infrarotlicht erfolgen, sodass die transparente Fläche im sichtbaren Bereich nicht transparent gestaltet sein muss. Dies lässt sich mit spektral selektivem Material oder auch mit dichroitischen Filtern erreichen. Die Beleuchtung kann mit Umgebungslicht erfolgen oder – bei kompakten Eingabegeräten – mit einer eigenen Lichtquelle. Zur Vermeidung von Reflex-Störungen kann die Beleuchtungsrichtung und/oder die optische Achse der Sensoreinheit außerhalb des rechten Winkels zur Fläche angeordnet sein. Auch bei schräger Ausrichtung zur Ebene können Bewegungen längs der Ebene erfasst werden, da dennoch eine Bewegungs-Komponente quer zur optischen Achse existiert.
Alternativ können Bewegungen auch aus dem Abstand gemessen werden; auch können andere Körperteile abgetastet werden. Dies kann verwendet werden, um eine visuelle Darstellung, beispielsweise in einem Schaufenster, von der Bewegung abhängig zu machen. Indem das Gesicht eines Betrachters abgetastet wird, lässt sich das bei 3D-Bilddarbietung auftretende Problem der Nachführung (Headtracking) auf preiswerte Art lösen. Das Meßsignal des Verschiebungssensors kann als Maß der Verschiebung des Kopfes bzw. der aktuellen Augenposition herangezogen werden. Dieses Signal kann sowohl die Ansichtsperspektive eines dem Betrachter dargebotenen Bildes steuern, sodass sie der Kopfbewegung des Betrachters entspricht, als auch die Austrittsrichtung von für separate Augen vorgesehenen Austrittspupillen bei einer stereo-optischen Bilddarstellung, um auch bei Kopfbewegungen ein Eintreffen in die richtig zugeordneten Augen zu ermöglichen.
Die Erfindung kann auch durch folgende weitere Merkmale beschrieben und weiter ergänzt werden:
Das Objekt kann mit dem zur Abtastung erforderlichen Licht durchstrahlt werden.
Das Objekt kann kleiner sein als der Erfassungsbereich oder nur einen Teil davon ausfüllen.
Die zur Abtastung erforderlichen Kontraste können durch Umriss-Konturen eines oder mehrerer Objekte erzeugt werden; Auch können die Konturen durch Abschattung durch die Objekte bei hellem Hintergrund erzeugt werden.
Zur Erfassung einer Bewegung mindestens eines Objektes kann sich die Oberfläche des Objektes in eine Richtung mit Komponente quer zur optischen Achse bewegen und das Ausgangssignal als Maß für eine Bewegungsgröße verwendet werden.
Somit kann die Erfindung auch zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit anhand der Bewegung suspendierter Teilchen verwendet werden.
Zur Erkennung bewegter Objekte kann das Ereignis einer bestimmten Änderung im Ausgangssignal als Indiz für die Anwesenheit des bewegten Objektes verwendet werden. Somit kann die Erfindung auch verwendet werden zur Erkennung oder Zählung kleiner Partikel.
Auch kann die Erfindung verwendet werden zur Abtastung von Objekten, die von einer Fördereinrichtung bewegt werden.
Hierbei kann die Frequenz ein Maß sein für mindestens einer der folgende Messgrößen des Objektes: Position, Größe, Höhe, Höhenverlauf, Oberflächenbeschaffenheit.
Die Sensor-Vorrichtung kann um eine Drehachse gedreht oder geschwenkt werden, wobei die optische Achse nicht mit der Drehachse zusammenfällt.
Zur Messung einer Bewegung eines (weiteren) Objektes kann die Abtast-Vorrichtung mit dem (weiteren) Objekt mitbewegt werden, indem sie daran befestigt ist. Dies kann zur Messung der Rotation eines Objektes verwendet werden.
Ein die Lichtrichtung beeinflussendes optisches Element kann im Strahlengang zwischen Sensorvorrichtung und Objekt bewegt werden. Hierbei kann eine Bewegungsgröße des optischen Elementes gemessen werden.
In einer elektronischen Auswertung, die die Ausgangssignale von mindestens einer Mess-Achse des Verschiebungssensors erhält, kann mindestens eine der folgenden Messgrößen dargestellt werden: Frequenz, inkrementierte Summe, Auftreten einer gemessenen Verschiebung. Bei der Frequenz-Messung kann die Schritt-Richtung des Sensor-Signals berücksichtigt und als Vorzeichen darin enthalten sein.
Die gemessene Frequenz kann als Messgröße für eine Geschwindigkeit verwendet werden. Die gemessene inkrementierte Summe der Verschiebung kann als Maß für eine Positionsmessgröße bzw. (relative) Lage von Objekt und/oder Sensor verwendet werden. Die gemessene Frequenz bei ungefähr bekannter Geschwindigkeit kann ein Maß für den (reziproken) Abstand zwischen Objekt und Sensor sein.
Mit einer mechanischen Scanning-Vorrichtung kann eine Relativbewegung zwischen Objekt und Sensorvorrichtung bzw. auf dem Abbildungsweg dazwischen erzeugt werden, und ein Höhenrelief des Objektes anhand der auftretenden Frequenzänderungen erfasst werden.
Die Erfindung kann zur Messung der relativen Bewegung zwischen einer Kamera und einem abzubildenden Objekt verwendet werden. Hierbei kann die Bewegung mindestens eine Schwenkbewegung der Kamera beinhaltet sein und zum Regeln derselben kann die Messung einem die Kamerabewegung steuernden Regelkreis zugeführt werden.
In Kombination mit einem Regelkreis kann die Erfindung verwendet werden, um eine Bewegung zu regeln, indem eine aus dem Messignal abgeleitete Stellgröße einem Stellglied beaufschlagt wird, welches direkt oder mittelbar die Bewegung beeinflusst.
Zur Messung von Distanz-Änderungen unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 10 können die Verschiebungssensoren Verschiebungen der Bilder in radialer Richtung abtasten und durch Signalvergleich mittels Subtraktion bzw. Summierung der Messgrößen eine Messgröße für eine Bewegungskomponente der Abbilder in radial gegenläufiger Richtung gewonnen werden. Dies kann zur Zielerkennung wähnend einer Annäherungsbewegung oder zur Kollisionsvermeidung verwendet werden.

Claims

Vorrichtung zur optischen Abtastung, bei der eine Relativbewegung zwischen einem Objekt im Erfassungsraum der Vorrichtung und der Vorrichtung erfolgt, wobei der Erfassungsraum – sich außerhalb der Vorrichtung befindet, und – dreidimensional ausgedehnt ist, – wobei die Vorrichtung beinhaltet – eine Abbildungsoptik, – in welcher vom Objekt kommende Lichtstrahlen eintreffen und – die als Objektiv ausgebildet ist, – einen optoelektronischen Verschiebungssensor, – der auf einer Abtastfläche verteilt eine Vielzahl lichtempfindlicher Teilflächen enthält, – der über die Winkeländerung der durch die Abbildungsoptik in der Vorrichtung eintreffenden Lichtstrahlen die Relativbewegung misst, und – eine Auswerteeinheit, – wobei die geometrische Anordnung von Verschiebungssensor und Abbildungsoptik derart ist, dass im Erfassungsraum befindliche Objekte in einer zur Verschiebungserkennung ausreichenden Auflösung abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebungssensor ein für optische Mäuse vorgesehener Sensor oder ein dessen Funktionsprinzip entsprechender Verschiebungssensor ist, bei welchen Signale aus seinen lichtempfindlichen Teilflächen mit einer Frequenz, die höher ist als die bei Videokameras übliche Bildwechselfrequenz, auslesbar sind, und welche die gewonnenen Bilder elektronisch auf Verschiebungen auswerfen und das Ausmaß der Verschiebung als separaten Messwert ausgeben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Auswertungsmittel vorgesehen sind, die die Ausgangssignale von mindestens einer Mess-Achse des Verschiebungssensors erhalten und daraus mindestens eine der folgenden Messgrößen darstellen: Frequenz, inkrementierte Summe, Auftreten einer gemessenen Verschiebung.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet; dass als Verschiebungssensor zumindest der Chip eines für optische Mäuse vorgesehenen Verschiebungssensors vorgesehen ist, welcher auf einer Abtastfläche verteilt eine Vielzahl von lichtempfindlichen Teilflächen aufweist, ferner die davon gewonnenen Bilder elektronisch auf Verschiebungen auswertet und das Ausmaß der Verschiebung als separaten Messwert ausgibt.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsraum eine kegelförmig divergierende Form hat.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstandsweite der Abbildungsoptik das 5-fache der Diagonale der aktiven Sensorfläche überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstandsweite der Abbildungsoptik das 5-fache der Apertur der Abbildungsoptik überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstandsweite der Abbildungsoptik das 3-fache der Bildweite überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite der Abbildungsoptik zwischen dem 5-fachen und dem 200-fachen der Diagonalen der aktiven Sensorfläche liegt.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zusatz-Optik, die optisch so dimensioniert ist, dass ihre Kombination mit der in einer vorhandenen Opto-Maus schon eingebauten Linse eine geeignete Abbildungsoptik ergibt, und eine mechanische Einrichtung, die zum Ankoppeln an eine Computermaus geeignet ist.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei örtlich verschiedene Sensoren oder Sensor-Teilflächen (31), (32) vorhanden sind, die so angeordnet sind, dass die sich ergebenden Erfassungsbereiche V-förmig divergieren.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aus Sensor und Abbildungsoptik gebildete Sensor-Vorrichtungen beabstandet angeordnet und so ausgerichtet sind, dass ihre Erfassungsbereiche konvergieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–11, zur Messung der Bewegung eines (weiteren) Objektes, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit zur Befestigung an dem (weiteren) Objekt in der Weise eingerichtet ist, dass sie sich mit dem (weiteren) Objekt mitbewegen kann.
Vorrichtung zur Messung von Distanz-Änderungen, zur Zielerkennung oder Kollisionsvermeidung während einer Annäherungsbewegung dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 sowie Mittel zum Signalvergleich vorgesehen sind, welche die von abgetasteten radialen Bildverschiebungen stammenden Messgrößen voneinander subtrahieren oder summieren.
Vorrichtung zur Erkennung der Anwesenheit eines bewegten Objektes, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl eine Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–12 als auch eine elektronische Schaltungsvorrichtung beinhaltet ist, welche mit dem Signal des optischen Sensors beaufschlagt ist und welche zu einer Ereignisprüfung eingerichtet ist und das Ereignis einer bestimmten Änderung im Ausgangssignal als Indiz für die Anwesenheit des bewegten Objektes verwendet.
Vorrichtung zur Regelung einer Bewegung in Kombination mit einem Regelkreis, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl eine Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–12, als auch Mittel beinhaltet sind, welche zum Istwert-Sollwert-Vergleich und zur Beaufschlagung eines direkt oder mittelbar die Bewegung beeinflussenden Stellgliedes mit einer aus dem Messsignal abgeleiteten Stellgröße eingerichtet sind.
Vorrichtung zur Messung der relativen Bewegung zwischen einer Kamera und einem abzubildenden Objekt, mit einer Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastvorrichtung zur Befestigung an einem Objekt vorgesehen ist, dessen Bewegung mindestens eine Schwenkbewegung der Kamera beinhaltet, und dass Mittel zum Regeln der Schwenkbewegung vorgesehen sind, welche es ermöglichen, die Messung einem die Schwenkbewegung steuernden Regelkreis zuzuführen.
Motorbetriebene Schwenkvorrichtung mit einer Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–12, gekennzeichnet durch eine Befestigungsmöglichkeit für eine Bildaufnahme-Kamera und durch eine Anordnung der aus Verschiebungssensor und Abbildungsoptik aufgebauten Sensoreinheit in der Weise, dass diese die Schwenkbewegungen mit durchführt und ihre optische Achse in einer Richtung liegt bzw. sich legen lässt, die innerhalb des Winkel-Erfassungsbereiches der Bildaufnahme-Kamera liegt.
Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Messung des Seitenabstandes eines Fahrzeuges zur Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 vorgesehen und zur Abtastung der Umgebung eingerichtet ist.
Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl eine Abtastvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 als auch Mittel zum Istwert-Sollwert-Vergleich sowie ein Stellglied zur direkten oder indirekten Beeinflussung der Bewegung vorgesehen sind.
Vorrichtung zur Erkennung oder Stabilisierung von Ausrichtung, Lage oder Kurs von Fahrzeugen, Robotern oder anderen beweglichen Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Abtastvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 beinhaltet.
Vorrichtung zur Abtastung von Objekten, die von einer Fördereinrichtung bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 vorgesehen ist.
Fördereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Abtastvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 beinhaltet und die Abtastvorrichtung zur Abtastung von von der Fördereinrichtung bewegten Gegenständen vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Torüberwachung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 vorgesehen ist.
Glasvitrine oder Schaufenster, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 vorgesehen ist.
Eingabegerät, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastvorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 vorgesehen ist und die Abtastvorrichtung hinter einer Fläche angebracht ist, welche im Infrarotbereich transparent ist und im sichtbaren Spektralbereich nicht transparent gestaltet ist.
Vorrichtung zur Messung vor Strömungsgeschwindigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Abtastvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 beinhaltet und die Abtastvorrichtung geeignet zur Erfassung der Bewegung suspendierter Teilchen angeordnet ist.
Vorrichtung zur Untersuchung von Materialien auf Fehlerfreiheit, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 12 vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Messung eines Abstandes zwischen Sensor und Objekt mit einer Abtastvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Abtastvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 sowie Mittel zur Berechnung oder Annäherung des Kehrwertes des Meßsignales beinhaltet.
Vorrichtung zur visuellen Darbietung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Abtastvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1–12 beinhaltet, welche zur Messung der Bewegung eines Betrachters vorgesehen ist, und dass Mittel zur Steuerung der Darbietung in Abhängigkeit des Meßsignals beinhaltet sind.
Vorrichtung nach einem vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abtastraum ins Unendliche erstreckt.