EP3500872A1 - Optische vorrichtung - Google Patents

Optische vorrichtung

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EP3500872A1
EP3500872A1 EP17755113.2A EP17755113A EP3500872A1 EP 3500872 A1 EP3500872 A1 EP 3500872A1 EP 17755113 A EP17755113 A EP 17755113A EP 3500872 A1 EP3500872 A1 EP 3500872A1
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EP
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polarization
light
optical
optical modulator
modulator
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EP17755113.2A
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Julian Berlow
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SCOOBE3D GMBH
Original Assignee
Julian Berlow
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, bevorzugt nach dem Lichtlaufzeit-Prinzip, insbesondere zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen und/oder zur Detektion von polarisationsändernden Materialien, umfassend: - eine Lichterzeugungseinrichtung (102), die mindestens einen Lichtsender (103) zum Senden von Licht in einen Raumbereich aufweist; - eine Lichtempfangseinrichtung (110), umfassend mindestens einen Lichtdetektor, der auf den Raumbereichausrichtbar oder ausgerichtet ist; - einen Polarisationsmanipulator (108), umfassend mindestens einen ersten optischen Modulator (106) zur Beeinflussung einer Polarisation eines den Modulator (106) durchquerenden Lichts und mindestens einen Polarisationsfilter (111), der dem Modulator (106) optisch nachgeschaltet ist, wobei der erste optische Modulator (106) zur Generierung von mindestens drei verschiedenen Polarisationszuständen ausgebildet ist und/oder wobei eine Überlagerungseinrichtung vorgesehen ist und derart ausgebildet ist, dass mindestens drei Polarisationszustände, insbesondere durch zeitliches Multiplexen, generierbar sind; und - eine Auswerteeinrichtung zur, insbesondere sukzessiven, Auswertung der mindestens drei Polarisationszustände desdurch den Polarisationsmanipulator getretenen Lichts.

Description

Optische Vorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, bevorzugt nach dem
Lichtlaufzeit-Prinzip, insbesondere zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen und/oder zur Detektion von polarisationsändernden Materialien, nach Anspruch 1, ein messtechnisches System oder Bildverarbeitungssystem, sowie ein optisches Verfahren unter Verwendung der optischen Vorrichtung.
Gängige 3D-Bildgebungsverfahren und zugehörige Vorrichtungen haben zahlreiche Nachteile. Bei laserbasierten Systemen sowie Vorrichtungen mit strukturierter Beleuchtung sind hohe Genauigkeiten im Bereich von wenigen Mikrometern oder sogar darunter möglich. Dafür sind die Systeme technisch recht kompliziert und somit teuer sowie teilweise langsam. Die Lichtlaufzeitmethode ist kostengünstiger, kann aber bislang nicht mit entsprechend hohen
Messgenauigkeiten aufwarten, diese liegen hier bestenfalls im Millimeterbereich.
Aus der DE 10 2013 207 148 ist eine Tiefenbildkamera bekannt, die durch
Verwendung von Polarisationsfiltern störende Lichtreflexionen unterdrückt und damit die Messgenauigkeit erhöht. Die resultierende Messgenauigkeit ist jedoch immer noch vergleichsweise gering.
Grundsätzlich ist es bekannt, dass die Polarisationseigenschaften des von einer Oberfläche reflektierten Lichts Rückschlüsse über die Art der Reflexion und die Beschaffenheit der reflektierenden Oberfläche erlauben (siehe z. B.
GB 2 515 000 AI). Dies ist dadurch zu erklären, dass je nach Einfallswinkel des einfallenden Lichts gegenüber der Oberflächennormale des bestrahlten Objekts teilweise nicht alle Polarisationszustände gleichermaßen reflektiert werden können, was zu einer Teilpolarisation im reflektierten Licht führt. Diese Tatsache ist dadurch zu erklären, dass die Reflexion von Licht als elektromagnetischer Welle insbesondere von der Bewegung der Elektronen im reflektierenden Material abhängt. Für bestimmte Einfallswinkel und damit Ausfallswinkel schwingen diese entlang der Abstrahlrichtung. In diesem Fall kann kein Licht abgestrahlt werden, da die Natur des Lichts eine Transversalwelle zu bilden, erfüllt sein muss.
Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen mit Hilfe eines Polarimeters die Polarisationseigenschaften des Lichts aufgenommen werden (siehe z. B.
US 2016/0146937 AI).
Zusammenfassend treten im Stand der Technik die folgenden Nachteile auf:
- Nicht ausreichende Messgenauigkeit bei Lichtlaufzeit-Systemen;
- teure Komponenten; sowie
- hoher Platzbedarf bei der Verwendung von Polarimetern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Vorrichtung, ein messtechnisches System oder Bildverarbeitungssystem sowie ein optisches Verfahren vorzuschlagen, wobei eine hohe Genauigkeit mit vergleichsweise geringen Kosten erreicht werden soll. Insbesondere soll eine kostengünstige 3D- Bildgebung und/oder Detektion von polarisationsändernden Materialien mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit (insbesondere im Millimeter oder
Mikrometerbereich) ermöglicht sein.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch eine optische Vorrichtung, bevorzugt nach dem Lichtlaufzeit-Prinzip, insbesondere zur Gewinnung von SD- Rauminformationen und/oder zur Detektion von polarisationsändernden
Materialien, gelöst, umfassend : - eine Lichterzeugungseinrichtung, die mindestens (oder genau) einen Lichtsender zum Senden von (polarisiertem oder unpolarisiertem) Licht in einen Raumbereich aufweist;
- eine Lichtempfangseinrichtung, umfassend mindestens (oder genau) einen Lichtdetektor, wobei der Lichtdetektor bzw. die Lichterzeugungseinrichtung auf den Raumbereich ausrichtbar oder ausgerichtet ist;
- einen Polarisationsmanipulator, umfassend mindestens (oder genau) einen ersten optischen Modulator zur Beeinflussung einer Polarisation eines (aus dem Raumbereich stammenden) den Modulator durchquerenden Lichts und mindestens (oder genau) einen Polarisationsfilter, der dem Modulator optisch nachgeschaltet ist, wobei der mindestens eine erste optische Modulator zur Generierung von mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei verschiedenen Polarisationszuständen ausgebildet ist und/oder wobei eine Überlagerungseinrichtung vorgesehen ist und derart ausgebildet ist, dass mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei
Polarisationszustände, insbesondere durch zeitliches Multiplexen, generierbar sind; und
- eine optionale Auswerteeinrichtung zur, insbesondere sukzessiven
(nacheinander erfolgenden), Auswertung der mindestens drei
Polarisationszustände des durch den Polarisationsmanipulator getretenen Lichts (bzw. des den Polarisationsfilter passierenden Lichts), insbesondere zur Gewinnung von 3D-Rauminformation und/oder zur Detektion von polarisationsändernden Materialien.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der
Polarisationsinformationen des von der Oberfläche eines Objekts rückreflektierten (bzw. rückgestreuten) Lichts. Insbesondere können mehrere (3D-) Bilder mit Hilfe der optischen Vorrichtung aufgenommen werden, wobei jeweils ein anderer Polarisationszustand hervorgehoben werden kann. Diese Einstellung der Filterung der Polarisationskomponente kann schnell (im Bereich von Mikrosekunden, also insbesondere 1 bis 1.000 Mikrosekunden oder sogar Nanosekunden, insbesondere 1 bis 1000 ns), präzise, verlässlich und wartungsarm erfolgen. Dabei ist eine zentrale Komponente in dem optischen Modulator zu sehen, der diese schnelle Einstellung ermöglicht. Theoretisch wäre ein ähnlicher Effekt auch mit der mechanischen Bewegung (Drehung) eines (handelsüblichen) Polarisationsfilters erreichbar. Eine derartige mechanische Bewegung (Drehung) ist jedoch
hinsichtlich der Schnelligkeit, Präzision und Verlässlichkeit nicht vergleichbar bzw. nicht ausreichend. Auch sonst sind keine Möglichkeiten bekannt, mit denen die erforderlichen Eigenschaften hinsichtlich der Einstellung der durchgelassenen Komponente der Polarisation ermöglicht wird.
Ein wesentlicher Gedanke der erfinderischen Lösung liegt also insbesondere darin, dass auf einen Filter treffendes Licht mit einem optischen Modulator in seiner Polarisation gedreht wird (anstelle einen Polarisationsfilter zu drehen). Eine derartige Drehung kann nach der Filterung der Polarisation ggf. durch einen weiteren optischen Modulator wieder zurückgedreht werden. Insgesamt kann also eine optische Vorrichtung bereitgestellt werden, die eine Erhöhung der
Genauigkeit durch eine schnelle, präzise, verlässliche und wartungsarme Filterung der entsprechenden Polarisationskomponente ermöglicht. Die Filterung wird insbesondere durch eine Kombination eines optischen Modulators (oder mehrerer optischer Modulatoren) und eines Polarisationsfilters (oder mehrerer
Polarisationsfilter) erreicht. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung eine Möglichkeit geschaffen, den Kontrast in einem Kamerabild während einer Bildaufnahme oder zwischen Bildaufnahmen effektiv zu
beeinflussen. Dies ist gerade in der Bildverarbeitung besonders vorteilhaft, da damit bei einer Änderung des entsprechenden Untersuchungsobjekts nachträglich (z. B. per Softwarebefehl durch eine Recheneinheit) der Kontrast auf optische Weise angepasst werden kann. Dadurch wird eine vergleichsweise hohe
Flexibilität und eine vergleichsweise stabile Anwendung ermöglicht.
Zusammenfassend werden auf vorteilhafte Weise Polarisationsinformationen gewonnen (z. B. Grauwertbilder) in Abhängigkeit des gefilterten
Polarisationszustandes. Dabei wird eine schnelle Umschaltung zwischen den zu filternden Polarisationszuständen erreicht. Dies ermöglicht wiederum eine effektive Verwendung der Polarisationsinformationen in der (industriellen)
Anwendung.
Unter einem„Polarisationszustand" ist insbesondere ein Zustand der Polarisation zu verstehen, der durch den optischen Modulator definiert wird oder durch die Überlagerungseinrichtung generiert wird (beispielsweise dadurch, dass zwei verschiedene, durch den optischen Modulator generierte Polarisationen nacheinander aufgenommen und so überlagert werden, dass sich ein
Zwischenzustand, der als dritter Polarisationszustand verstanden werden kann, ausbildet).
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelöst durch einen Polarisationsmanipulator, vorzugsweise für eine optische Vorrichtung der oben beschriebenen Art, insbesondere zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen und/oder zur Detektion von polarisationsändernden Materialien, umfassend mindestens einen optischen Modulator, bevorzugt ausgebildet durch eine
Flüssigkristalleinheit, zur Beeinflussung einer Polarisation eines den Modulator durchquerenden Lichts, sowie mindestens einem Polarisationsfilter, wobei mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, weiter vorzugsweise mindestens fünf verschiedene Polarisationszustände vom optischen Modulator durchgelassen werden können und/oder wobei eine Überlagerungseinrichtung vorgesehen ist und derart ausgebildet ist, dass mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, noch weiter vorzugsweise mindestens fünf verschiedene Polarisationszustände, insbesondere durch zeitliches Multiplexen, generierbar sind.
Hinsichtlich der Vorteile wird auf die oben beschriebene optische Vorrichtung verwiesen.
Weiterhin wird die obengenannte Aufgabe insbesondere gelöst durch ein messtechnisches System oder Bildverarbeitungssystem, insbesondere zur
Gewinnung von 3D-Rauminformation und/oder zur Detektion von
polarisationsändernden Materialien, das eine optische Vorrichtung der oben beschriebenen Art und/oder einen Polarisationsmanipulator der oben
beschriebenen Art umfasst.
Weiterhin wird die Aufgabe insbesondere gelöst durch ein Verfahren,
insbesondere zur Gewinnung von 3D-Rauminformation und/oder zur Detektion von polarisationsändernden Materialien unter Verwendung einer optischen Vorrichtung der oben beschriebenen Art und/oder eines Polarisationsmanipulators der oben beschriebenen Art und/oder eines messtechnischen Systems oder Bildverarbeitungssystems der oben beschriebenen Art, wobei die
Auswerteeinrichtung vorzugsweise, insbesondere über zeitliches Multiplexen, mindestens einen Zwischenzustand zwischen verschiedenen
Polarisationszuständen nachbildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Zwischenzustand durch eine entsprechende Wahl der Belichtungszeiten und Ansteuerzeiten des optischen Modulators erreicht werden.
Die obige Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelöst durch ein Verfahren, (bevorzugt nach dem Lichtlaufzeit-Prinzip) zur (bzw. der) Gewinnung von SD- Rauminformation und/oder zur (bzw. der) Detektion von polarisationsändernden Materialien (vorzugsweise unter Verwendung einer optischen Vorrichtung der oben beschriebenen Art)
wobei Licht durch eine Lichterzeugungseinrichtung erzeugt wird, wobei mindestens ein Lichtsender der Lichterzeugungseinrichtung Licht in einen
Raumbereich sendet;
wobei Licht durch eine Lichtempfangseinrichtung empfangen wird, wobei mindestens ein Lichtdetektor der Lichtempfangseinrichtung auf den Raumbereich ausgerichtet ist bzw. wird;
wobei ein Polarisationsmanipulator, umfassend mindestens einen ersten optischen Modulator eine Polarisation eines den Modulator durchquerenden Lichts beeinflusst, wobei mindestens ein Polarisationsfilter dem ersten optischen Modulator optisch nachgeschaltet ist, wobei der erste optische Modulator mindestens drei verschiedenen Polarisationszuständen generiert und/oder wobei eine Überlagerungseinrichtung vorgesehen ist, die mindestens drei
Polarisationszustände, insbesondere durch zeitliches Multiplexen, generiert; und wobei, optional, eine Auswerteeinrichtung, insbesondere sukzessive, mindestens drei Polarisationszustände des durch den Polarisationsmanipulator getretenen Lichts auswertet (und daraus insbesondere 3D-Rauminformation gewinnt und/oder polarisationsändernde Materialien detektiert).
Weitere optionale Verfahrensschritte ergeben sich aus der obigen und
nachfolgenden Beschreibung, insbesondere aus den beschriebenen funktionalen Merkmalen, die verfahrensmäßig durch entsprechende Verfahrensschritte umgesetzt werden können.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin insbesondere durch die Verwendung einer optischen Vorrichtung der oben beschriebenen Art und/oder eines
Polarisationsmanipulators der oben beschriebenen Art und/oder eines
messtechnischen Systems oder Bildverarbeitungssystems der oben beschriebenen Art und/oder eines Verfahrens der oben beschriebenen Art zur Gewinnung von 3D-Rauminformation und/oder zur Detektion von polarisationsändernden
Materialien, gelöst.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und/oder nachfolgender Beschreibungsteile.
Vorzugsweise umfasst der Polarisationsmanipulator (zwischen dem
Polarisationsfilter und der Lichtempfangseinrichtung) mindestens einen zweiten optischen Modulator. Der mindestens eine zweite optische Modulator ist weiter vorzugsweise gegenüber dem ersten optischen Modulator so ausgerichtet oder ausrichtbar, dass seine langsame Achse mit der langsamen Achse des ersten optischen Modulators einen Winkel von 0 Grad (oder 180 Grad) oder 90 Grad einschließt. Dadurch kann die Polarisation nach Drehung und Filterung (zumindest teilweise, bei einem beliebigen Winkel) zurückgedreht werden, so dass der Effekt einer Verdrehung eines Standard-Polarisationsfilters um 90 Grad ggf. angenähert oder (identisch) nachgebildet werden kann. Dadurch wird der Einfluss der optischen Modulationseinheit darauf beschränkt, dass eine Filterung nach der Polarisation durchgeführt wird und keine (eigentlich unnötige und/oder ggf. sogar unerwünschte) dauerhafte Drehung der Polarisation bewirkt wird. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Lichtdetektor eine polarisationsabhängige Empfindlichkeit besitzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine Kamera, vorzugsweise mindestens eine Lichtlaufzeitkamera (insbesondere eine PMD-Kamera, umfassend vorzugsweise einen PMD-Sensor, insbesondere PMD-Chip, wobei PMD für Photonic Mixing Device steht), vorgesehen, die weiter vorzugsweise den mindestens einen Lichtdetektor aufweist. Von einer Lichtlaufzeit gelieferte Bilder beinhalten bereits Entfernungsinformationen, weswegen auch von 3D-Bildern gesprochen werden kann. Die Verwendung einer Lichtlaufzeitkamera in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da auf diese Weise 3D-Bilder mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich (1 Mikrometer bis 1000 Mikrometer)oder sogar Nanometerbereich (1 Nanometer bis 1000 Nanometer) (z. B. 1 Nanometer - 1.000 Mikrometer, vorzugsweise 1 Nanometer - 500 Mikrometer, noch weiter vorzugsweise 1 Nanometer - 200 Mikrometer, noch weiter vorzugsweise 1
Nanometer - 1.000 Nanometer) gewonnen werden können. In einer Ausführungsform ist ein weiterer, insbesondere hinsichtlich der
Reihenfolge der Komponenten (also insbesondere hinsichtlich der Reihenfolge von optischen Modulator und Polarisationsfilter) umgekehrt aufgebauter,
Polarisationsmanipulator (direkt und/oder in einem geringen Abstand von beispielsweise weniger als 10 mm) vor der Lichterzeugungseinrichtung
angeordnet. Ein derartiger weiterer (zweiter) Polarisationsmanipulator kann so ausgerichtet sein, dass das Licht zuerst durch den Polarisationsfilter und anschließend durch den optischen Modulator läuft. Insbesondere wenn optisch aktive Materialien beleuchtet und untersucht werden, wird die eingestrahlte Polarisation durch das optisch aktive Material verändert. Das bedeutet in diesem Fall, dass bei eingestrahltem (unpolarisiertem) Licht die Auswerteeinrichtung ggf. keine verlässlichen Analysen aus den polarisationsabhängigen Bildern der
Lichtempfangseinheit gewinnen kann, da die Änderung der Polarisation sowohl durch die geometrische Form des reflektierenden Objekts als auch durch das optisch aktive Material hervorgerufen werden kann (und somit ggf. nicht eindeutig zugeordnet werden kann). In diesem Fall ist die Verwendung des Polarisationsmanipulators vor der Lichterzeugungseinheit besonders vorteilhaft, da hier weiterhin die gesamte Polarisationsinformation aufgetrennt und
verarbeitet werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform sendet die Lichterzeugungseinrichtung polarisiertes Licht (bzw. Licht mit einer, insbesondere deutlichen, Vorzugsrichtung in der Polarisation) aus. In einer weiteren, bevorzugten, Ausführungsform sendet die Lichterzeugungseinrichtung unpolarisiertes Licht (bzw. Licht ohne eine, insbesondere deutliche, Vorzugsrichtung in der Polarisation) aus. Besonders bei der Verwendung von unpolarisiertem Licht kann eine schnelle und präzise
Bestimmung der erwünschten Informationen erfolgen.
In einer Ausführungsform wird der mindestens eine Lichtsender durch
(mindestens einen) Laser gebildet. Dies ist insbesondere im Fall größerer
Entfernungen besonders vorteilhaft, da Laser ein starkes, gut kollimierbares Licht erzeugen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird der mindestens eine Lichtsender durch mindestens eine LED, vorzugsweise durch mindestens 10 LEDs, weiter vorzugsweise durch mindestens 100 LEDs gebildet. Vorzugsweise wird die Lichterzeugungseinrichtung (insbesondere werden die LEDs) gepulst und/oder moduliert (besonders bevorzugt nach dem PMD Prinzip) betrieben (wobei eine entsprechende Pulsgenerierungs- und/oder Modulationseinrichtung vorgesehen sein kann). Durch einen gepulsten Betrieb der LEDs können diese (kurzzeitig) einen höheren Strom aufnehmen, wodurch größere Lichtstärken möglich sind. Eine vergleichsweise große Anzahl von LEDs ermöglicht eine homogene
Ausleuchtung des reflektierenden Objekts, wodurch auch größere Objekte in ihrer geometrischen Form erfasst werden können. Ferner ist es vorteilhaft, dass ein gepulster Betrieb der LED-Beleuchtung bzw. das Blitzen der LEDs den Einfluss von Fremdlicht, das nicht von der Lichterzeugungseinrichtung stammt, verringert und so die Qualität der Bildinformation erhöht wird.
Der mindestens eine optische Modulator umfasst vorzugsweise eine, insbesondere elektrooptisch gesteuerte, Flüssigkristallanordnung oder besteht aus einer solchen. Dies hat den Vorteil, dass die Drehung der Polarisation sehr schnell und zuverlässig erfolgen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine optische Modulator mindestens (oder genau) eine elektrooptische und/oder mindestens (oder genau) eine magnetooptische und/oder mindestens (oder genau) eine akustooptische Einrichtung umfassen.
Vorzugsweise umfasst der Polarisationsmanipulator (vor dem Lichteintritt) ein Lambda-Viertel-Plättchen. Dies ermöglicht eine Verwendung von zirkulär polarisiertem Licht (anstatt von linear polarisiertem Licht). Alternativ oder zusätzlich kann vor dem Polarisationsmanipulator eine Parallelisierungsoptik zum Parallelisieren von eintretenden Lichtstrahlen angeordnet sein.
Der mindestens eine optische Modulator hat (in einem aktiven Zustand) eine langsame Achse, die vorzugsweise so gestaltet ist, dass sie senkrecht zur
Lichtausbreitungsrichtung und/oder in einem 45 Grad Winkel zu der
Durchlassrichtung des Polarisationsfilters ausgerichtet oder ausrichtbar ist. Dabei wirkt der optische Modulator (im aktiven Zustand) vorzugsweise wie ein Lambda- Halbe-Plättchen. Weiterhin kann der mindestens eine optische Modulator (in einem aktiven Zustand) eine langsame Achse aufweisen, die vorzugsweise so gestaltet ist, dass sie in longitudinaler Richtung (also insbesondere in Richtung der Ausbreitung des ihn durchlaufenden Lichtes) ausgerichtet ist oder ausrichtbar ist, wobei der optische Modulator weiter vorzugsweise eine (kontinuierliche) Phasenverschiebung (und damit Polarisationsdrehung) ermöglicht.
Die optische Vorrichtung kann eine Steuereinrichtung zur (zeitabhängigen) Steuerung des optischen Modulators aufweisen. Dadurch können innerhalb einer bestimmten Zeitdauer mindestens oder genau zwei, vorzugsweise mindestens oder genau drei, weiter vorzugsweise mindestens oder genau fünf
Polarisationszustände von der optischen Modulationseinheit durchgelassen werden.
Insgesamt wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Bildaufnahme für mehrere verschiedene Polarisationszustände ermöglicht, wobei pro Polarisationszustand ein Bild aufgenommen werden kann. Dies ist insofern vorteilhaft, da
(nacheinander) alle im Licht enthaltenen Polarisationsinformationen
aufgenommen werden können und ggf. einzelne Bilder (getrennt voneinander) verarbeitet werden können, so dass eine effektive Ausnutzung der Information ermöglicht wird. Weiterhin können so ggf. Redundanzen erzeugt werden, die es ermöglichen, aus einem die Bilder verarbeitenden Algorithmus genauere und verlässlichere Informationen zu erhalten.
Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise zum (zeitlichen) Multiplexen
verschiedener Polarisationszustände, insbesondere zum Nachbilden eines durch die verschiedenen Polarisationszustände vorgegebenen Zwischen- Polarisationszustandes. Alternativ oder zusätzlich kann der Zwischenzustand durch eine entsprechende Wahl der Belichtungszeiten (insbesondere einer Kamera) und Ansteuerzeiten des optischen Modulators erreicht werden.
Beispielsweise kann eine derartiger Zwischenzustand dadurch erzeugt werden, dass sich über einen ersten Zeitraum (z. B. 50 %) einer Belichtungsphase (einer Kamera) der Modulator in einem ersten Zustand befindet und in einem zweiten Zeitraum derselben Belichtungsphase in einem zweiten Zustand, wobei der Modulator dazu insbesondere entsprechend geschaltet werden kann.
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Polarisationsmanipulator mit mindestens einem optischen Modulator, bevorzugt ausgebildet durch eine Flüssigkristalleinrichtung und einem Polarisationsfilter. Dieser
Polarisationsmanipulator bewirkt für hindurchtretendes Licht eine Filterung nach dem Polarisationszustand und kann nach mindestens zwei Polarisationszuständen filtern. Falls notwendig, ist durch eine zeitabhängige Rekombination der beiden Polarisationszustände ein Nachbilden eines Zwischenzustandes oder mehrerer Zwischenzustände möglich. Dies ist von Vorteil, wenn unter beliebigen
Umständen eine schnelle, präzise, verlässliche und wartungsarme Filterung nach Polarisation, die sich vorzugsweise elektronisch geschaltet steuern lässt, gewünscht ist.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Polarisationsmanipulator zusätzlich vor dem Lichteintritt bzw.
direkt vor dem Lichtaustritt, ein Lambda-Viertel-Plättchen. Dies ermöglicht, anstatt mit linear polarisiertem Licht zu arbeiten, eine Verwendung von zirkulär polarisiertem Licht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die optische Vorrichtung in ein messtechnisches System oder Bildverarbeitungssystem eingebettet, das es ermöglicht, anhand der optischen Daten Informationen zu gewinnen und/oder diese (zielführend) zu verarbeiten.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann diese optische Vorrichtung unter Anderem dazu verwendet werden, um 3D-Informationen über das das Licht reflektierende Objekt zu gewinnen sowie ebenfalls, um die Genauigkeit bekannter 3D-Bildgebungsverfahren, wie zum Beispiel dem Lichtlaufzeitverfahren, zu verbessern.
Vorzugsweise ist (sind) der mindestens eine Modulator (oder alle optischen Modulatoren) steuerbar (z.B. von einem inaktiven in einen aktiven Zustand oder mehrere aktive Zustände elektrisch steuerbar).
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 ein Blockdiagramm, welches die erfindungsgemäße Vorrichtung
beispielhaft bei der Detektion eines entfernten Objektes darstellt;
Fig. 2 das Blockdiagramm aus Fig. 1 im Detail; und
Fig. 3 die Wirkung des optischen Modulators auf das Licht mit der jeweils einfallenden Polarisationsrichtung. Gemäß Fig. 1 ist zunächst der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen, optischen Vorrichtung dargestellt. Die optische Vorrichtung umfasst eine
Lichterzeugungseinrichtung 102, die in dieser beispielhaften und nichtausschließlichen, bevorzugten Ausführungsform unpolarisiertes Licht 104 auf ein (entferntes) Objekt 105 wirft. Das Objekt 105 wirft Teile des Lichtes in Richtung der optischen Vorrichtung und dabei im Speziellen in Richtung eines
Polarisationsmanipulators 108 zurück. Dabei verändert das Objekt 105
entsprechend seiner räumlichen Struktur und entsprechend seinem Material die Polarisationscharakteristik des Lichts. Der in Richtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zurücklaufende Lichtanteil 107 hat somit eine andere
Polarisationscharakteristik als das ursprünglich ausgesendete Licht 104. Der Polarisationsmanipulator 108 filtert das einfallende Licht (elektrisch gesteuert) nach seiner Polarisationsrichtung und sendet das resultierende, polarisierte Licht 109 zur Lichtempfangseinrichtung 110 weiter.
In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in größerem Detail dargestellt. Die Lichterzeugungseinrichtung 102 enthält in diesem Fall (nur) ein LED-Array 103. Zusätzlich könnte vor das LED-Array noch ein Diffusor (z. B. eine Diffusorfolie), um das Licht diffuser zu gestalten und/oder ein Polarisationsfilter, eingebaut werden. Beide sind in Fig. 2 nicht dargestellt. Ein Diffusor (eine Diffusorfolie) empfiehlt sich abhängig von der Abstrahlcharakteristik der LEDs und dem Material des (entfernten) Objekts 105. Ein Polarisationsfilter empfiehlt sich beispielsweise, falls das Material des entfernten Objektes 105 optisch aktiv ist oder eine stark diffuse Oberfläche aufweist. In dieser beispielhaften aber nicht ausschließlichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird weder eine
Diffusorfolie noch ein Polarisationsfilter im Lichtweg zwischen dem LED-Array 103 und dem (entfernten) Objekt 105 verwendet, weswegen das ausgesendete Licht 104 als unpolarisiert (und leicht gerichtet) angesehen werden kann.
Das Objekt 105 wirft beispielsweise (teil-)polarisiertes Licht 107 in Richtung der optischen Modulationseinrichtung 108. Diese ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel aufgebaut aus einem optischen Modulator 106, aus einem (linearen) Polarisationsfilter 111 sowie aus einem weiteren optischen Modulator 112, der identisch zu dem optischen Modulator 106 ausgebildet sein kann.
Eintreffendes Licht durchläuft die genannten Elemente in der Reihenfolge der Nennung. Die kristalloptischen (langsamen) Achsen der optischen Modulatoren 106, 112, sofern diese aktiv sind, liegen beide in einer Ebene senkrecht zum Einfall des Lichtes. Zusätzlich ist der Polarisationsfilter 111 waagrecht
ausgerichtet und die langsamen Achsen der optischen Modulatoren schließen jeweils einen Winkel von 45 Grad mit der Durchlassrichtung des
Polarisationsfilters ein. Die langsamen Achsen der aktivierten, optischen
Modulatoren sind in diesem Ausführungsbeispiel deckungsgleich. In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform liegt die langsame Achse des mindestens einen optischen Modulators in longitudinaler Richtung in Bezug auf den Lichtweg. Die Ausrichtung langsamer Achsen des/der optischen Modulators/der optischen Modulatoren und damit auch die weitere Beschreibung des Ausführungsbeispiels sind somit nicht als ausschließlich zu betrachten.
In Fig. 3 ist die Wirkung des optischen Modulators 106 für verschiedene Fälle der Polarisation im einfallenden Licht dargestellt. Für senkrecht polarisiertes Licht 120a zeigt Fig. 3a die Wirkung des aktivierten optischen Modulators 106, der hier wie ein Lambda-Halbe-Plättchen reagiert. Dabei ist der Winkel von 45 Grad zwischen der Polarisationsebene des einfallenden Lichts und der langsamen Achse des aktivierten optischen Modulators 106 maßgeblich. Der genannte optische Modulator 106 dreht die Polarisationsebene des ihn durchlaufenden Lichts immer um das Doppelte des genannten Winkels, was für die senkrechte
Polarisationsebene 120a aus Fig. 3a zu einer Drehung um 90 Grad und damit zu austretendem Licht mit einer waagrechten Polarisation 120b führt.
Fig. 3b zeigt die Wirkung des aktivierten optischen Modulators auf einfallendes Licht mit waagrechter Polarisation 121a. Dieses wird ebenfalls um 90 Grad gedreht und es tritt senkrecht polarisiertes Licht 121b aus.
Fig. 3c stellt den Fall zwischen der Einstrahlung mit senkrechter Polarisation aus Fig. 3a und der Einstrahlung mit waagrechter Polarisation dar. Da in diesem Fall die langsame Achse des aktivierten, optischen Modulators 106 in der
Polarisationsebene liegt, findet keine Drehung der Letzteren statt und das einfallende Licht 122a tritt ohne Änderung der Polarisation aus. Die resultierende, gleichwohl unverändert gebliebene Polarisationsebene ist durch 122b
gekennzeichnet.
Insgesamt lässt sich festhalten, dass das in den optischen Modulator 106 tretende Licht abhängig von der Polarisationsebene des jeweiligen
Strahlungsanteils um den entsprechenden Winkel gedreht wird. Hinzuzufügen ist noch, dass der optische Modulator 106 im inaktivem Zustand keine Wirkung auf die Polarisation hat.
Zurückkehrend zu Fig. 2 ist ersichtlich, dass das durch den optischen Modulator 106 propagierte Licht auf den waagrecht ausgerichteten Polarisationsfilter 111 fällt. Daraus ist insbesondere ersichtlich, dass durch die Kombination aus aktiviertem, optischem Modulator 106 und Polarisationsfilter 111 nur die
Lichtanteile mit ursprünglich senkrechter Polarisationsebene in ihrer Polarisation passend gedreht werden und so den Polarisationsfilter 111 überwinden können. Konkret bedeutet das, dass der in Fig. 3b dargestellte Fall der Lichteinstrahlung mit waagrechter Polarisation 121a (nahezu komplett, insbesondere zu mindestens 80 %, vorzugsweise zu mindestens 90 %) blockiert wird. Bei dem in Fig. 3c dargestellten Fall wird das Licht anteilig gefiltert, wobei auch hier nur der waagrecht polarisierte Anteil durch den Polarisationsfilter 111 geht. Letztendlich kann somit, unter Vernachlässigung sonstiger Absorptionseffekte, nur der in Fig. 3a gezeigte Lichtanteil der Einstrahlung mit senkrechter Polarisation 120a ohne Einschränkung passieren.
Der zweite, optische Modulator 112 in Fig. 2 dient dazu, die durch den ersten Modulator 106 hervorgerufene Drehung der Polarisationsebene wieder
auszugleichen. Dies ist vorteilhaft, falls der lichtempfindliche Chip 114 eine Polarisationsabhängigkeit aufweist. Der (komplette) Polarisationsmanipulator 108 kann somit insgesamt dasselbe Ergebnis liefern, das man auch bei einer manuellen, mechanischen Drehung des Polarisationsfilters 111 erhalten würde. Im Gegensatz dazu aber ist dieser Polarisationsmanipulator elektrisch sehr schnell steuerbar. Der zweite optische Modulator 112 ist als optional anzusehen, da beispielsweise CCD-Chips üblicherweise keine Polarisationsabhängigkeit
aufweisen.
Die Lichtempfangseinrichtung 110 der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann des Weiteren eine Abbildungsoptik 113 und einen lichtempfindlichen Chip 114, beispielsweise einen CCD-Chip oder auch einen für die Lichtlaufzeitmethode praktikableren PMD-Chip, enthalten. Diese erlauben das Generieren von Bilddaten auf Basis des in seiner Polarisation gefilterten Lichts 109.
Zusammenfassend kann der Polarisationsmanipulator also in diesem Beispiel nach zwei zueinander orthogonalen Zuständen filtern, genauer gesagt nach Licht mit waagrechter Polarisation bei inaktivem optischen Modulator und nach Licht mit senkrechter Polarisation bei aktivem optischen Modulator. Aus diesen Zuständen können aber alle dazwischenliegenden, linearen Polarisationszustände potentiell (über zeitliches Multiplexen) nachgebildet werden. Beispielsweise kann nach der in Fig. 3c gezeigten Polarisation 122a gefiltert werden, indem während der Belichtungszeit des lichtempfindlichen Chips 114 die optischen Modulatoren 106 und 112 die Hälfte der Belichtungszeit inaktiv und die andere Hälfte aktiv sind. Diese Beschaltung hat den Vorteil, günstigere Komponenten verwenden zu können. Dafür ist es hier möglich, dass sich eigentlich zu filternde
Polarisationszustände trotzdem teilweise auswirken.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der dargestellten Erfindung, welche nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, kann mindestens oder genau ein optischer Modulator so verwendet werden, dass, sofern dieser eine langsame Achse besitzt, diese kristalloptische Achse in longitudinaler, d.h. in
Ausbreitungsrichtung des ihn durchlaufenden Lichtes liegt. Dies ist vorteilhaft, da hier eine kontinuierliche Modulation der Phase möglich wird, und somit die Drehung der Polarisationsebene ebenfalls kontinuierlich verstellbar. Dafür ist der Polarisationsmanipulator technisch aufwändiger, beispielsweise müssen, falls der optische Modulator durch eine Pockelszelle ausgebildet ist, die Elektroden transparent gestaltet sein.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der dargestellten Erfindung ist der mindestens eine, optische Modulator durch eine elektrooptische und/oder durch eine magnetooptische und/oder durch eine akustooptische Einrichtung dargestellt.
Bezugszeichen
102 Lichterzeugungseinrichtung
103 LED-Array
104 (Unpolarisiertes) Licht
105 (Entferntes) Objekt
106 Optischer Modulator
107 (Zurücklaufender) Lichtanteil
108 Polarisationsmanipulator
109 (Polarisiertes) Licht Lichtempfangseinrichtung (Linearer) Polarisationsfilter (Weiterer) optischer Modulator Abbildungsoptik
(Lichtempfindlicher) Chipa (Senkrecht polarisiertes) Lichtb (Waagrecht polarisiertes) Lichta (Waagrecht polarisiertes) Lichtb (Senkrecht polarisiertes) Lichta (Einfallendes) Licht
b (Resultierendes) Licht

Claims

Ansprüche
1. Optische Vorrichtung bevorzugt nach dem Lichtlaufzeit-Prinzip,
insbesondere zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen und/oder zur Detektion von polarisationsändernden Materialien, umfassend :
- eine Lichterzeugungseinrichtung (102), die mindestens einen
Lichtsender (103) zum Senden von Licht in einen Raumbereich aufweist;
- eine Lichtempfangseinrichtung (110), umfassend mindestens einen Lichtdetektor, der auf den Raumbereich ausrichtbar oder ausgerichtet ist;
- einen Polarisationsmanipulator (108), umfassend mindestens einen ersten optischen Modulator (106) zur Beeinflussung einer Polarisation eines den Modulator (106) durchquerenden Lichts und mindestens einen Polarisationsfilter (111), der dem Modulator (106) optisch nachgeschaltet ist, wobei der erste optische Modulator (106) zur Generierung von mindestens drei verschiedenen
Polarisationszuständen ausgebildet ist und/oder wobei eine
Überlagerungseinrichtung vorgesehen ist und derart ausgebildet ist, dass mindestens drei Polarisationszustände, insbesondere durch zeitliches Multiplexen, generierbar sind; und
- eine Auswerteeinrichtung zur, insbesondere sukzessiven, Auswertung der mindestens drei Polarisationszustände des durch den
Polarisationsmanipulator getretenen Lichts.
2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1,
da d u rch geken nzeich net, dass
der Polarisationsmanipulator (108) zwischen dem Polarisationsfilter (111) und der Lichtempfangseinrichtung (110) mindestens einen zweiten optischen Modulator (112) umfasst, der gegenüber dem ersten optischen Modulator (106) vorzugsweise so ausgerichtet oder ausrichtbar ist, dass seine langsame Achse mit der langsamen Achse des ersten optischen Modulators einen Winkel von 0 Grad bzw. 180 Grad oder 90 Grad einschließt.
3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r ch g e ke n n ze i ch n et, dass
mindestens eine Kamera, vorzugsweise mindestens eine
Lichtlaufzeitkamera, vorgesehen ist, die vorzugsweise den mindestens einen Lichtdetektor aufweist.
4. Optische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
da d u rch geken nzeich net, dass
ein weiterer, insbesondere hinsichtlich der Reihenfolge der Komponenten umgekehrt, aufgebauter, Polarisationsmanipulator vor der
Lichterzeugungseinrichtung (102) angeordnet ist.
5. Optische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass
die Lichterzeugungseinrichtung (102) polarisiertes Licht bzw. Licht mit einer Vorzugsrichtung in der Polarisation aussendet, oder dass die Lichterzeugungseinrichtung unpolarisiertes Licht bzw. Licht ohne
Vorzugsrichtung in der Polarisation aussendet.
6. Optische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass der mindestens eine Lichtsender einen Laser und/oder mindestens eine LED (103), bevorzugt mindestens 10 LEDs, besonders bevorzugt mindestens 100 LEDs umfasst.
7. Optische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass der mindestens eine erste (106) und/oder zweite (112) optische Modulator eine, insbesondere elektrooptisch gesteuerte, Flüssigkristallanordnung umfasst oder aus einer solchen besteht und/oder dass der mindestens eine erste (106) und/oder zweite (112) optische Modulator mindestens eine
elektrooptische und/oder mindestens eine magnetooptische und/oder mindestens eine akustooptische Einrichtung umfasst.
8. Optische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass der
Polarisationsmanipulator (108) ein Lambda-Viertel-Plättchen umfasst und/oder dass vor dem Polarisationsmanipulator (108) eine
Parallelisierungsoptik zum Parallelisieren von eintretenden Lichtstrahlen angeordnet ist.
9. Optische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass der mindestens eine optische Modulator (106) in einem aktivem Zustand eine langsame Achse hat, die so gestaltet ist, dass sie senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung und/oder in einem 45 Grad Winkel zu der Durchlassrichtung des
Polarisationsfilters ausgerichtet oder ausrichtbar ist, wobei der optische Modulator (106) im aktiven Zustand vorzugsweise wie ein Lambda-Halbe- Plättchen wirkt,
oder dass der mindestens eine optische Modulator (106) in einem aktivem Zustand eine langsame Achse hat, die so gestaltet ist, dass sie in longitudinaler Richtung ausgerichtet ist oder ausrichtbar ist, wobei der optische Modulator (106) vorzugsweise eine kontinuierliche
Phasenverschiebung ermöglicht.
10. Optische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass eine Steuereinrichtung zur Steuerung des optischen Modulators, vorgesehen ist und/oder dass die optische Vorrichtung zum zeitlichen Multiplexen verschiedener Polarisationszustände, insbesondere zum Nachbilden eines durch die verschiedenen Polarisationszustände vorgegebenen Zwischen- Polarisationszustandes ausgebildet ist.
11. Polarisationsmanipulator (108), vorzugsweise für eine optische
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen und/oder zur Detektion von polarisationsändernden Materialien, umfassend mindestens einen optischen Modulator (106), bevorzugt ausgebildet durch eine Flüssigkristalleinheit, zur Beeinflussung einer Polarisation eines den Modulator (106) durchquerenden Lichts, sowie mindestens einen
Polarisationsfilter (111), wobei mindestens drei, bevorzugt mindestens 5 verschiedene Polarisationszustände vom optischen Modulator (106) durchgelassen werden können und/oder wobei eine
Überlagerungseinrichtung vorgesehen ist und derart ausgebildet ist, dass mindestens drei, vorzugsweise mindestens 5, Polarisationszustände, insbesondere durch zeitliches Multiplexen, generierbar sind.
12. Messtechnisches System oder Bildverarbeitungssystem, insbesondere zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen und/oder zur Detektion von polarisationsändernden Materialien, das eine optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder einen Polarisationsmanipulator (108) nach Anspruch 11 umfasst.
13. Optisches Verfahren, insbesondere zur Gewinnung von SD- Rauminformationen und/oder zur Detektion von polarisationsändernden Materialien unter Verwendung einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Polarisationsmanipulators nach Anspruch 11 und/oder eines messtechnischen Systems oder
Bildverarbeitungssystems nach Anspruch 12, wobei die
Auswerteeinrichtung vorzugsweise, insbesondere über zeitliches
Multiplexen, mindestens einen Zwischenzustand zwischen verschiedenen Polarisationszuständen nachbildet.
14. Verwendung einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Polarisationsmanipulators nach Anspruch 11 und/oder eines messtechnischen Systems oder Bildverarbeitungssystems nach Anspruch 12 zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen und/oder zur Detektion von polarisationsändernden Materialien.
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