EP4305447A1 - Optisches system zur gewinnung von 3d-rauminformationen - Google Patents

Optisches system zur gewinnung von 3d-rauminformationen

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Publication number
EP4305447A1
EP4305447A1 EP22709973.6A EP22709973A EP4305447A1 EP 4305447 A1 EP4305447 A1 EP 4305447A1 EP 22709973 A EP22709973 A EP 22709973A EP 4305447 A1 EP4305447 A1 EP 4305447A1
Authority
EP
European Patent Office
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light
polarization
modulator
unit
optical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22709973.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Julian Berlow
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Scoobe3d GmbH
Original Assignee
Scoobe3d GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Scoobe3d GmbH filed Critical Scoobe3d GmbH
Publication of EP4305447A1 publication Critical patent/EP4305447A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/86—Combinations of lidar systems with systems other than lidar, radar or sonar, e.g. with direction finders
    • G—PHYSICS
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
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    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
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Definitions

  • the invention relates to an optical system for acquiring 3D spatial information within a spatial region, in particular for acquiring 3D information about an object, a corresponding image processing system and a corresponding optical method.
  • WO 2018/033446 A1 describes an optical device, preferably based on the time-of-flight principle, for obtaining 3D spatial information.
  • Light is influenced (or rotated) with regard to its polarization by means of an optical modulator, with the optical modulator being followed by a polarization filter which only allows the light influenced (rotated) by the modulator in certain cases.
  • a polarization filter which only allows the light influenced (rotated) by the modulator in certain cases.
  • an optical system for acquiring 3D spatial information within a spatial region, in particular for acquiring 3D information of an object, which in a comparatively simple manner enables precise acquisition of the 3D spatial information enabled. Furthermore, it is the object of the invention to propose a corresponding image processing system and a corresponding optical method. In particular, one should Inexpensive 3D imaging with a comparatively high level of accuracy (in particular in the millimeter or micrometer range) can be made possible.
  • an optical system for obtaining 3D spatial information within a spatial area comprising: a light receiving device with at least one light detector which is directed to the spatial area ( or the object) can be aligned or aligned, at least one optical modulator unit for (variably) rotating a polarization of a light passing through the modulator unit, and at least one polarization filter which is optically connected before or (preferably) after the modulator unit.
  • At least one color filter in particular a bandpass filter, is provided, which is optically connected before or (preferably) after the polarization filter. It has been shown that by using such a color filter, in particular a bandpass filter, the precision in obtaining the 3D information can be improved in a comparatively simple manner. In particular, such a color filter, in particular a bandpass filter, can reduce noise and thus increase accuracy by a comparatively significant amount.
  • the modulator unit comprises at least two (optically cascaded) optical modulators (each individually configured to rotate a polarization of a light passing through).
  • comparatively inexpensive modulators e.g. liquid crystal cells, in particular TN cells
  • This multiplicity of modulators in combination is particularly preferred used with the color, especially bandpass filter. Such a combination can easily reduce a possible unsharpness resulting from the plurality of modulators or a corresponding noise (of the specific modulator unit).
  • the system has at least one 3D information acquisition unit, in particular at least one RGB camera.
  • 3D information acquisition unit in particular in the form of an RGB camera
  • precise acquisition of 3D information under different conditions (or properties of objects to be acquired) can be achieved in a particularly simple manner.
  • the advantages of the 3D information acquisition unit complement each other synergistically with the advantages resulting from the arrangement of the optical modulator unit and polarization filter.
  • the system or the 3D information acquisition unit can have a fringe projection device and/or a laser scanning device and/or a laser triangulation device and/or a ToF (time of flight) camera for acquiring 3D information exhibit.
  • At least one position detection unit for detecting a position or orientation of the light receiving device, for example an RGB camera in relation to the spatial area to be detected or the object to be detected
  • at least one gyroscope and/or accelerometer intended.
  • the light detection unit can be or can be guided (e.g. automatically and/or by appropriate action by the operator of the system) at such an angle (e.g. around the object) that a comparatively good (in particular optimized) recording of the 3D information is made possible.
  • a control unit is particularly preferably provided which is configured to determine and/or to output when a position (of the light detection unit) that is advantageous for measuring the spatial area is present relative to the spatial area to be measured, and/or a display is provided which shows the operator if there is a position (of the light detection unit) that is advantageous for measuring the spatial area in relation to the spatial area to be measured.
  • the respective modulator unit comprises at least one modulator, preferably multiple modulators.
  • the (respective) modulator can preferably assume at least or exactly two states, preferably an inactive state in which the modulator does not (at least not significantly) rotate passing light and an active state in which the modulator can rotate the passing light by a certain angle (Possibly depending on the direction of polarization of the incident light).
  • the (respective) modulator in particular liquid crystal device
  • the (respective) modulator in particular liquid crystal device
  • the (respective) modulator can be arranged inside an objective.
  • the (respective) modulator unit can have a large number of modulators for pixel-by-pixel modulation of the polarization, e.g. B. a microsystem comprising a liquid crystal micro-array.
  • At least one light generating device is provided for sending light into the spatial area.
  • the light generating device can have at least one light emitter (eg an LED or several LEDs).
  • the light generating device comprises at least one LED, for example a white light LED.
  • the light generating device can comprise at least or precisely one IR light transmission device (in particular NIR light transmission device).
  • the light-generating device can have at least one light-transmitting device (in particular an RGB light-transmitting device, e.g. in the form of at least three LEDs in the colors R, G and B), which is used to emit at least two, preferably at least or exactly three ( or at least or exactly four) different colors is configured.
  • at least one light-transmitting device in particular an RGB light-transmitting device, e.g. in the form of at least three LEDs in the colors R, G and B
  • the light-generating device can have at least one light-transmitting device (in particular an RGB light-transmitting device, e.g. in the form of at least three LEDs in the colors R, G and B), which is used to emit at least two, preferably at least or exactly three ( or at least or exactly four) different colors is configured.
  • the light generating device preferably comprises at least one diffuser.
  • a combination of at least one LED and at least one diffuser ensures and/or the "unpolarized world assumption" that is advantageous for processing the acquired data can ensure sufficient brightness in a corresponding wave range, in particular to enable a comparatively short exposure time of a camera(s).
  • the system can have a display, for example for displaying an app, which can be stored (stored) within the system, for example.
  • the display can be designed as a touch screen.
  • the modulator unit can comprise one or more, in particular at least or exactly three or at least or exactly four, preferably optically connected in series, liquid crystal device(s), preferably as TN effect-based device(s), as modulator(s).
  • a TN effect-based device is to be understood in particular as a device which is based on the twisted nematic effect (TN effect) (such as in particular a TN cell or Schadt-Halfrich cell).
  • TN effect twisted nematic effect
  • Such devices based on the TN effect (liquid crystals) are comparatively inexpensive.
  • a large number of polarization angles or directions of the light can be achieved in particular with a large number of such devices based on the TN effect (by utilizing the respective change or rotation of the polarization of the light passing through).
  • the modulator unit preferably has at least or exactly two or at least or exactly three or at least or exactly four modulators optically connected in series, in particular liquid crystal devices (TN cells). These are preferably configured and arranged in relation to one another such that the respective optically downstream modulator (in particular with regard to its transmission behavior and/or a transmitted intensity) is matched, in particular optimized, to at least one polarization direction emerging from the upstream modulator.
  • An input of the downstream modulator is particularly preferably optimized for the polarization directions (usually) emerging from the upstream modulator (in particular with regard to manufacture or configuration and positioning/orientation).
  • the system preferably comprises an evaluation unit, in particular comprising a (micro)processor and/or (micro)controller, for evaluating data recorded by the light detection unit.
  • the evaluation unit is configured in particular to determine (in particular to calculate) 3D spatial information about the 3D structure of the spatial region from the recorded data, in particular to determine (in particular to calculate) 3D information about an object (in particular on the surface of the same) and, if necessary, .
  • the system in particular the evaluation unit and/or the control unit explained below, can comprise at least one processor (CPU) and/or at least one (micro)controller and/or at least one (electronic) memory.
  • the color, in particular bandpass filter can be a single color, in particular bandpass filter and/or a multiple, preferably triple color, in particular bandpass filter, in particular for at least two colors (channels, preferably the colors (channels) red, green and blue) comprise/comprise or be formed from.
  • a single color filter in particular a bandpass filter, can be combined in particular with at least one IR illumination (illuminating unit), particularly preferably NIR illumination (ie illumination with light in the near infrared range).
  • IR illumination illumination unit
  • NIR illumination illumination with light in the near infrared range
  • a triple color filter in particular a bandpass filter, can be combined with multicolored lighting, in particular RGB lighting.
  • the (optional) light generating device preferably emits polarized light or light with a preferred polarization direction.
  • the light generating device can also be configured to emit unpolarized light or light without a preferred direction of polarization.
  • other light eg sunlight and/or room lighting
  • An (electronic) control device/control unit is preferably provided for controlling the optical modulator unit.
  • the system can be partially or fully implemented by a mobile terminal.
  • the system is preferably housed in a common assembly, for example defined by a housing.
  • the above evaluation unit can also be accommodated (partially or completely) in this assembly group.
  • the evaluation unit can be provided externally to the assembly and/or at least the light detection unit (for example by a server or other, in particular electronic, computing unit) that communicates with the other components of the system. This communication does not (but can) take place immediately. It would also be conceivable for corresponding data to be initially recorded by the system, then stored in a memory (in particular in the system) and evaluated by the evaluation unit at a later point in time.
  • the assembly and/or the housing can have a (maximum) diameter (defined in particular as the distance between two points of the pair of points that are the greatest distance from one another) of no more than 50 cm or no more than 30 cm or no more than 14 cm and/or at least 5 cm .
  • the assembly may weigh no more than 4.0 kg, or no more than 1.0 kg, or no more than 500 g, and/or at least 40 g.
  • the system can have several polarization filters (possibly as a polarization filter unit and/or assembly). If this is the case, they may have a different orientation.
  • the (respective) color filter in particular the bandpass filter, can be provided within a camera module.
  • the system can be expandable with external optics (e.g. a lens).
  • the system can have at least one additional device, in particular at least one plug-in module, such as at least one camera, at least one remote release and/or at least one power bank.
  • the system can be used to communicate with at least one other system and/or a (other) external device, in particular wirelessly, preferably via WLAN and/or Bluetooth, and/or wired, e.g. g. via USB/USB-C.
  • an image processing system for obtaining 3D spatial information which comprises an optical system of the above type.
  • the above-mentioned object is also achieved in particular by using an optical system of the type described above and/or below for obtaining 3D spatial information.
  • the system can preferably work according to the time-of-flight principle and/or have at least one TOF camera (possibly in addition to at least one RGB camera).
  • the invention is based on the evaluation of polarization information of the light reflected (or backscattered) from the surface of an object.
  • a number of (3D) images can be recorded using the optical device, with a different polarization state being able to be emphasized in each case.
  • This filtering of the polarization component can be adjusted quickly (in the range of microseconds, ie in particular 1 to 1000 microseconds or even nanoseconds, in particular 1 to 1000 ns), precisely, reliably and with little maintenance.
  • a central component can be seen in the optical modulator unit, which can enable this rapid adjustment.
  • a similar effect could also be achieved with the mechanical movement (rotation) of a (commercially available) polarization filter.
  • a mechanical movement (rotation) is not comparable or insufficient in terms of speed, precision and reliability.
  • one idea is that light impinging on a filter is (before) rotated in its polarization with an optical modulator unit (instead of rotating a polarization filter). After the polarization has been filtered, such a rotation can optionally be rotated back again by a further optical modulator unit (comprising one or more modulator(s)).
  • an optical device can be provided that allows an increase in accuracy through fast, precise, reliable and low-maintenance filtering of the corresponding polarization component.
  • the filtering is achieved in particular by a combination of an optical modulator (or several optical modulators) and a polarization filter (or several polarization filters).
  • the device according to the invention creates a possibility of effectively influencing the contrast in a camera image during an image recording or between image recordings. This is particularly advantageous precisely in image processing, since the contrast can be optically adjusted in the event of a change in the corresponding examination object (eg by software command by a computing unit). This enables a comparatively high degree of flexibility and a comparatively stable application.
  • polarization information eg gray value images
  • polarization information is obtained in an advantageous manner as a function of the filtered polarization state.
  • rapid switching between the polarization states (angles of rotation) to be filtered is achieved.
  • This in turn enables the polarization information to be used effectively in the (industrial) application.
  • the polarization manipulator (between the polarization filter and the light receiving device) comprises at least one (additional/second) optical modulator unit.
  • This allows the polarization to be rotated back if necessary (at least partially, at any angle) after rotation and filtering, so that the effect of rotating a standard polarizing filter by 90 degrees can be approximated or (identically) simulated if necessary.
  • the overall influence of the optical modulation units may be limited to the fact that filtering is carried out according to the polarization and no (actually unnecessary and/or possibly even undesirable) permanent rotation of the polarization is brought about. This may be advantageous if the light detector has polarization-dependent sensitivity.
  • At least one (additional) camera preferably at least one time-of-flight camera (in particular a PMD camera, preferably comprising a PMD sensor, in particular PMD chip, where PMD stands for Photonic Mixing Device), can be provided, which may
  • Images delivered by a time of flight already contain distance information, which is why one can also speak of 3D images.
  • the use of a time-of-flight camera in the device according to the invention is particularly advantageous because in this way 3D images can be produced with an accuracy in the micrometer range (1 micrometer to 1000 micrometers) or even in the nanometer range (1 nanometer to 1000 nanometers) (e.g. 1 nanometer - 1,000 micrometers, preferably 1 nanometer - 500 micrometers, more preferably 1 nanometer - 200 micrometers, even more preferably 1 nanometer - 1000 nanometers).
  • a further polarization and filter unit (comprising at least one modulator unit and at least one polarization filter) (directly and/or at a small distance) is constructed in the reverse order, in particular with regard to the order of the components (i.e. in particular with regard to the order of the optical modulator and polarization filter). of, for example, less than 10 mm) arranged in front of the light generating device.
  • Such a further (second) polarization and filter unit can be arranged and configured such that the light first passes through the polarization filter and then through the optical modulator unit. In particular when optically active materials are illuminated and examined, the incident polarization is changed by the optically active material.
  • the use of the (additional) polarization and filter unit in front of the light generation unit is particularly advantageous since the entire polarization information can continue to be separated and processed here.
  • the light-generating device emits polarized light (or light with an, in particular clear, preferred direction of polarization). In a further preferred embodiment, the light-generating device emits unpolarized light (or light without a, in particular clear, preferred direction in the polarization). Especially when using unpolarized light, the desired information can be determined quickly and precisely.
  • the light generating unit comprises (at least one) laser. This is particularly advantageous in the case of larger distances, since lasers produce a strong light that can be easily collimated.
  • the light generating unit comprises at least one LED, possibly at least 10 LEDs, optionally at least 100 LEDs.
  • the light generating device in particular the LEDs are) operated in a pulsed and/or modulated manner (particularly preferably according to the PWM principle) (with a corresponding pulse generation and/or modulation device being provided can be). Pulsed operation of the LEDs allows them to (briefly) absorb a higher current, which means that greater light intensities are possible.
  • a comparatively large number of LEDs enables homogeneous illumination of the reflecting object, which means that larger objects can also be detected in their geometric shape. Furthermore, it is advantageous that pulsed operation of the LED lighting or the flashing of the LEDs reduces the influence of extraneous light that does not originate from the light generating device, and the quality of the image information is thus increased.
  • the respective optical modulator preferably comprises, in particular an electro-optically controlled, liquid crystal arrangement or consists of such. This has the advantage that the polarization can be rotated very quickly and reliably.
  • the respective optical modulator can comprise at least (or precisely) one electro-optical and/or at least (or precisely) one magneto-optical and/or at least (or precisely) one acousto-optical device.
  • the polarization manipulator (before the light enters) includes a quarter-wave plate. This allows circularly polarized light to be used (instead of linearly polarized light).
  • parallelization optics for parallelizing incoming light beams can be arranged in front of the polarization manipulator.
  • the respective optical modulator may (in an active state) have a slow axis which is preferably designed to be oriented or orientable perpendicular to the direction of light propagation and/or at a 45 degree angle to the transmission direction of the polarization filter.
  • the optical modulator (in the active state) can act like a half-wave plate.
  • the at least one optical modulator (in an active state) can have a slow axis, which is preferably designed in such a way that it is aligned or can be aligned in the longitudinal direction (i.e. in particular in the direction of propagation of the light passing through it), the optical Modulator possibly a (continuous) phase shift (and thus polarization rotation) allows.
  • the optical device can have a control device for (time-dependent) control of the respective modulator unit or the respective optical modulator.
  • the image recording can be made possible for a number of different polarization states (or polarization angles), with one image being able to be recorded for each polarization state.
  • This is advantageous in that (possibly one after the other) all the polarization information contained in the light can be recorded and, if necessary, individual images can be processed (separately from one another), so that the information can be used effectively.
  • redundancies can be generated in this way, which make it possible to obtain more precise and more reliable information from an algorithm that processes the images.
  • Fig. 1 an optical system according to the invention in a schematic
  • Fig. 2 shows a detail of the system according to the invention in a schematic
  • the optical system 9 shows an embodiment of the optical system 9 according to the invention.
  • This includes an RGB camera 10 (RGB camera module) and a polarization and filter unit 11.
  • the system 9 is configured to determine 3D information regarding an object 12 to be measured.
  • the object 12 is illuminated by sunlight 13 (a light-generating device would also be conceivable for reference number 13, in particular as a component of the system).
  • the polarization and filter unit 11 is shown in greater detail in FIG. Accordingly, the polarization and filter unit 11 comprises a plurality of modulators 14 (in this case four, which is optional, however) (which can in particular be in the form of liquid crystals), a polarization filter 15 and a color filter, in particular a bandpass filter 16.
  • polarized light basically contains 3D spatial information (cf. also WO 2018/033446 A1).
  • the system 9 can also have a gyroscope 18 and, as a light generation unit 19, specifically an LED light with a diffuser (not shown in the figures).
  • the object 12 can be irradiated with (at least essentially) unpolarized light from the light source (for example LED with diffuser).
  • the light source for example LED with diffuser.
  • the integrated LED-based light source and/or an external light source e.g. sun, room lighting and/or the like.
  • the light is now (in interaction with the object 12) partially polarized by reflection and/or scattering.
  • the strength (or extent) of the polarization depends on the angle of the beams to the scattering or reflecting surface. Specifically, it is assumed here that not only reflection but also scattering polarizes light beams. Polarization is generally present with scattering and/or diffuse reflection.
  • a first modulator 14 (far right in FIG. 2) can (if it is in an optically active state or is switched accordingly) rotate the polarization of all individual photons by a specific angle. When this modulator 14 is inactive, the polarization is not (or at least not substantially) changed.
  • An input of a second modulator 14 (half right in FIG. 2) can preferably be adapted, in particular optimized, to the polarization directions which usually emerge from the modulator 14 on the far right.
  • the second modulator (half right in FIG. 14) can also rotate the polarization if it is switched optically active. Again, no (or no significant) rotation occurs when the second modulator is not switched optically active.
  • a third (half-blink in FIG. 2) and fourth (far left in FIG. 2) modulators are preferably configured and constructed analogously to the first and second modulators, respectively.
  • the polarization filter 15 can now let through photons of a (specific) polarization direction.
  • the polarization and filter unit 11 according to FIGS. 1 and 2 can supply data of a quality comparable to that of a rotatable polarization filter.
  • the present solution is comparatively inexpensive, requires little maintenance and has a comparatively high level of repeatability.
  • the polarization directions (states) can possibly be determined somewhat less precisely (or noise can be comparatively high).
  • the color filter, in particular bandpass filter 16 noise can be suppressed by reducing a wavelength range that is passed through, and thus accuracy can be increased (the use of a triple color filter, in particular bandpass filter for the colors or Red, green and blue channels are used).
  • the photons hit the RGB camera 10 and can optionally be converted into an image there (or in an optionally external evaluation unit). Spatial information can be extracted with comparatively high accuracy from (successive) intensity comparisons.
  • a combination of LED and diffuser ensures a simple and effective "unpolarized world assumption" (unpolarized world assumption) and can ensure a comparatively high brightness in a corresponding wavelength range, in particular to ensure a short exposure time of the camera 10
  • the system 9 can also be used in a mobile (hand-held) manner.
  • the system can be designed as a mobile terminal, in particular comprising a processor, an electronic memory and a display.
  • a weight of the system can be less than 1 kg, possibly less than 500 g.
  • polarization can also occur with diffuse radiation and contain spatial information (even if the literature often only speaks of polarization through reflection).
  • the use of polarization by scattering has not been described in the present context.
  • liquid crystal instead of using a complex modulator (liquid crystal), a combination of several (simple) liquid crystal cells is particularly preferred and particularly economical.
  • the color filter in particular the bandpass filter, preferably reduces noise and can increase the accuracy, for example, by at least a factor of 2 or even at least a factor of 3.
  • the color, in particular bandpass, filter preferably has a transmission width of at most 200 nm, more preferably at most 120 nm, even more preferably at most 80 nm, even more preferably at most 60 nm, even more preferably at most 40 nm and/or at least 1 nm or at least 10 nm. Since scattering can occur in a comparatively deep area of material (compared to reflection), a respective color of the object to be measured (or a color of the same) can have a relevant effect on the measurement. For this reason in particular, a system with a single color, in particular bandpass filter and NIR lighting and/or a triple color, in particular bandpass filter and RGB lighting is particularly preferred.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen innerhalb eines Raumbereiches, insbesondere zur Erfassung von 3D-Informationen eines Objektes, umfassend: - eine Lichtempfangseinrichtung (110), umfassend mindestens einen Lichtdetektor, der auf den Raumbereich ausrichtbar oder ausgerichtet ist; - eine optische Modulatoreneinheit (106) zur Drehung einer Polarisation eines die Modulatoreneinheit (106) durchquerenden Lichtes; und - mindestens einen Polarisationsfilter (111), der der Modulatoreneinheit optisch nachgeschaltet ist; wobei mindestens ein Bandpass-Filter vorgesehen ist, der dem Polarisationsfilter optisch nachgeschaltet ist und/oder wobei die Modulatoreneinheit mindestens zwei optische Modulatoren umfasst.

Description

Optisches System zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Gewinnung von 3D- Rauminformationen innerhalb eines Raumbereiches, insbesondere zur Erfassung von 3D-Informationen eines Objektes, ein entsprechendes Bildverarbeitungssystem sowie ein entsprechendes optisches Verfahren.
WO 2018/033446 Al beschreibt eine optische Vorrichtung, bevorzugt nach dem Lichtlaufzeit-Prinzip, zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen. Mittels eines optischen Modulators wird Licht hinsichtlich seiner Polarisation beeinflusst (bzw. gedreht), wobei dem optischen Modulator ein Polarisationsfilter nachgeschaltet ist, der das von dem Modulator beeinflusste (gedrehte) Licht nur in bestimmten Fällen zulässt. Dadurch kann grundsätzlich eine schnelle und präzise Gewinnung von 3D-Rauminformationen ermöglicht werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein optisches System zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen innerhalb eines Raumbereiches, insbesondere zur Erfassung von 3D-Informationen eines Objektes, vorzuschlagen, das auf vergleichsweise einfache Art und Weise eine präzise Erfassung der 3D-Rauminformationen ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Bildverarbeitungssystem sowie ein entsprechendes optisches Verfahren vorzuschlagen. Insbesondere soll eine kostengünstige 3D-Bildgebung mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit (insbesondere im Millimeter oder Mikrometerbereich) ermöglicht sein.
Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein optisches System zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen innerhalb eines Raumbereiches, insbesondere zur Erfassung von 3D-Informationen eines Objektes (insbesondere von dessen äußerer Oberfläche), umfassend: eine Lichtempfangseinrichtung mit mindestens einem Lichtdetektor, der auf den Raumbereich (bzw. das Objekt) ausrichtbar oder ausgerichtet ist, mindestens eine optische Modulatoreneinheit zur (variablen) Drehung einer Polarisation eines die Modulatoreneinheit durchquerenden Lichtes, und mindestens einen Polarisationsfilter, der der Modulatoreneinheit optisch vor- oder (vorzugsweise) nachgeschaltet ist.
Gemäß einem ersten besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung ist mindestens ein Färb-, insbesondere Bandpass-Filter vorgesehen ist, der dem Polarisationsfilter optisch vor- oder (vorzugsweise) nachgeschaltet ist. Dabei hat es sich gezeigt, dass durch den Einsatz eines solchen Färb-, insbesondere Bandpass-Filters auf vergleichsweise einfache Art und Weise die Präzision bei der Gewinnung der 3D-Informationen verbessert werden kann. Insbesondere kann ein derartiger Färb-, insbesondere Bandpass-Filter Rauschen vermindern und dadurch eine Genauigkeit vergleichsweise deutlich erhöhen.
Gemäß einem zweiten besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung umfasst die Modulatoreneinheit mindestens zwei (optisch hintereinander geschaltete) optische Modulatoren (die jeweils für sich zur Drehung einer Polarisation eines durchquerenden Lichtes konfiguriert sind). In diesem Zusammenhang können vergleichsweise kostengünstige Modulatoren (z. B. Flüssigkristall-Zellen, insbesondere TN-Zellen) zum Einsatz kommen, wobei aufgrund der Vielzahl von vorhandenen Modulatoren dennoch (z. B. durch An- und Abschalten jedes einzelnen Modulators) eine vergleichsweise hohe Anzahl von möglichen Drehwinkeln für die Rotation des Lichtstrahls realisiert werden. Beispielsweise bei vier Modulatoren (Flüssigkristall-Zellen), die jeweils für sich an- und abgeschaltet werden können, können 24 = 16 verschiedene (Polarisations-)Drehwinkel realisiert werden. Besonders bevorzugt wird diese Vielzahl von Modulatoren in Kombination mit dem Färb-, insbesondere Bandpass-Filter eingesetzt. Durch eine derartige Kombination kann eine möglichere aus der Mehrzahl von Modulatoren resultierende Unschärfe bzw. ein entsprechendes Rauschen (der konkreten Modulatoreneinheit) auf einfache Art und Weise reduziert werden.
Gemäß einem dritten besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung weist das System mindestens eine 3D-Informationserfassungseinheit, insbesondere mindestens eine RGB-Kamera auf. Mit einer derartigen (zusätzlichen) 3D- Informationserfassungseinheit, insbesondere in Form einer RGB-Kamera, kann auf besonders einfache Art und Weise eine präzise Gewinnung von 3D-Informationen unter verschiedenen Bedingungen (bzw. Beschaffenheiten von zu erfassenden Objekten) erzielt werden. Insofern ergänzen sich Vorteile der 3D- Informationserfassungseinheit (RGB-Kamera) synergistisch mit den Vorteilen, die sich aus der Anordnung von optischer Modulatoreneinheit und Polarisationsfilter ergeben. Alternativ oder zusätzlich kann das System bzw. die 3D- Informationserfassugneinheit eine Streifenprojektions-Einrichtung und/oder eine Laserscanning-Einrichtung und/oder eine Laser-Triangulations-Einrichtung und/oder eine ToF (time of flight)-Kamera zur Gewinnung von 3D-Informationen aufweisen.
Gemäß einem vierten bevorzugten Aspekt der Erfindung ist mindestens eine Lageerfassungseinheit (zur Erfassung einer Lage bzw. Orientierung der Lichtempfangseinrichtung, beispielsweise RGB-Kamera in Bezug auf den zu erfassenden Raumbereich bzw. das zu erfassende Objekt), insbesondere mindestens ein Gyroskop und/oder Accelerometer, vorgesehen. Durch eine derartige Maßnahme wird es ermöglicht, dass (beispielsweise automatisch und/oder durch entsprechende Einwirkung des Bedieners des Systems) die Lichterfassungseinheit in einem solchen Winkel (beispielsweise um das Objekt herum) geführt wird bzw. werden kann, bei dem eine vergleichsweise gute (insbesondere optimierte) Erfassung der 3D-Informationen ermöglicht wird. Besonders bevorzugt ist eine Steuerungseinheit vorgesehen, die konfiguriert ist, zu bestimmen und/oder auszugeben, wenn eine zum Vermessen des Raumbereiches vorteilhafte Lage (der Lichterfassungseinheit) gegenüber dem zu vermessenden Raumbereich vorliegt, und/oder eine Anzeige vorgesehen, die es dem Bediener anzeigt, wenn eine/die zum Vermessen des Raumbereiches vorteilhafte Lage (der Lichterfassungseinheit) gegenüber dem zu vermessenenden Raumbereich vorliegt. Die jeweilige Modulatoreneinheit umfasst mindestens einen Modulator, vorzugsweise mehrere Modulatoren.
Der (jeweilige) Modulator kann vorzugswiese mindestens oder genau zwei Zustände annehmen, vorzugsweise einen inaktiven Zustand, in dem der Modulator passierendes Licht nicht (zumindest nicht wesentlich) dreht und einen aktiven Zustand, in dem der Modulator das passierende Licht um einen bestimmten Winkel drehen kann (ggf. in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes).
Der (jeweilige) Modulator (insbesondere Flüssigkristalleinrichtung) kann antireflexbeschichtet sein.
Der (jeweilige) Modulator (insbesondere Flüssigkristalleinrichtung) kann innerhalb eines Objektives angeordnet sein.
Die (jeweilige) Modulatoreneinheit kann eine Vielzahl Modulatoren zur pixelweisen Modulation der Polarisation aufweisen, z. B. ein Mikrosystem, umfassend ein Flüssigkristall-Micro-Array.
Vorzugsweise ist mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung zum Senden von Licht in den Raumbereich vorgesehen. Die Lichterzeugungseinrichtung kann mindestens einen Lichtsender (z. B. eine LED oder mehrere LEDs) aufweisen.
In Ausführungsformen umfasst die Lichterzeugungseinrichtung mindestens eine LED, beispielsweise Weißlicht-LED. Alternativ oder zusätzlich kann die Lichterzeugungseinrichtung mindestens oder genau eine IR-Lichtsendeeinrichtung (insbesondere NIR- Lichtsendeeinrichtung) umfassen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Lichterzeugungseinrichtung mindestens eine Lichtsendeeinrichtung (insbesondere RGB-Lichtsendeeinrichtung, z. B. in Form von mindestens drei LEDs, in den Farben R, G und B) aufweisen, die zum Aussenden von mindestens zwei, vorzugsweise mindestens oder genau drei (oder mindestens oder genau vier) verschiedenen Farben konfiguriert ist.
Die Lichterzeugungseinrichtung umfasst vorzugsweise mindestens einen Diffusor. Insbesondere eine Kombination von mindestens einer LED und mindestens einem Diffusor stellt die für eine Verarbeitung der erfassten Daten vorteilhafte „unpolarisierte-Welt-Annahme" (unpolarized world assumption) sicher und/oder kann für eine ausreichende Helligkeit in einem entsprechenden Wellenbereich sorgen, insbesondere um eine vergleichsweise kurze Belichtungszeit einer/der Kamera(s) zu ermöglichen. Insbesondere dadurch kann das System auch mobil (handgeführt) benutzt werden.
In konkreten Ausführungsformen kann das System ein Display aufweisen, beispielsweise zur Anzeige einer App, die beispielsweise innerhalb des Systems hinterlegt (abgespeichert) sein kann. Das Display kann als Touch-Screen ausgestaltet sein.
Ausführungsgemäß kann die Modulatoreneinheit eine oder mehrere, insbesondere mindestens oder genau drei oder mindestens oder genau vier, vorzugsweise optisch hintereinander geschaltete, Flüssigkristalleinrichtung(en), vorzugsweise als TN-Effekt-basierte Einrichtung(en), als Modulator(en) umfassen. Unter eine TN-Effekt-basierten Einrichtung ist insbesondere eine Einrichtung zu verstehen, die auf dem twisted nematic effect (TN-effect) basiert (wie insbesondere eine TN- Zelle bzw. Schadt-Halfrich-Zelle). Derartige auf dem TN-Effekt-basierte Einrichtungen (Flüssigkristalle) sind vergleichsweise kostengünstig. Insbesondere bei einer Vielzahl von derartigen TN-Effekt-basierten Einrichtungen kann (durch Ausnutzen der jeweiligen Veränderung bzw. Drehung der Polarisation des hindurchtretenden Lichtes) eine Vielzahl von Polarisationswinkeln bzw. - richtungen des Lichtes erreicht werden.
Vorzugsweise weist die Modulatoreneinheit mindestens oder genau zwei oder mindestens oder genau drei oder mindestens oder genau vier optisch hintereinander geschaltete Modulatoren, insbesondere Flüssigkristalleinrichtungen (TN-Zellen), auf. Diese sind vorzugsweise so konfiguriert und in Bezug aufeinander angeordnet, dass der jeweilige optisch nachgeschaltete Modulator (insbesondere hinsichtlich seines Transmissionsverhaltens und/oder einer durchgelassenen Intensität) auf mindestens eine aus dem vorgeschalteten Modulator austretende Polarisationsrichtung abgestimmt, insbesondere optimiert, ist. Besonders bevorzugt ist ein Eingang des nachgeschalteten Modulators auf die (üblicherweise) aus dem vorgeschalteten Modulator austretenden Polarisationsrichtungen optimiert (insbesondere in Bezug auf eine Fertigung bzw. Konfiguration und Positionierung/Orientierung). Vorzugsweise umfasst das System eine Auswerteeinheit, insbesondere umfassend einen (Mikro-) Prozessor und/oder (Mikro-)Controller, zur Auswertung von durch die Lichterfassungseinheit erfassten Daten. Die Auswerteeinheit ist insbesondere konfiguriert, aus den erfassten Daten 3D-Rauminformationen über die 3D- Struktur des Raumbereiches zu bestimmen (insbesondere zu errechnen), insbesondere 3D-Informationen eines Objektes (insbesondere an der Oberfläche desselben) zu bestimmen (insbesondere zu errechnen) und ggf. auszugeben.
Grundsätzlich kann das System (insbesondere die Auswerteeinheit und/oder die nachfolgend noch erläuterte Steuereinheit) mindestens einen Prozessor (CPU) und/oder mindestens einen (Mikro-) Controller und/oder mindestens einen (elektronischen) Speicher umfassen.
In Ausführungsformen kann der Färb-, insbesondere Bandpass— Filter einen Einfach-Farb-, insbesondere Bandpass— Filter und/oder einen Mehrfach-, vorzugsweise Dreifach-Farb-, insbesondere Bandpass— Filter, insbesondere für mindestens zwei Farben (Kanäle, vorzugsweise die Farben (Kanäle) Rot, Grün und Blau) umfasst/umfassen oder daraus gebildet sein.
Ein Einfach-Farb-, insbesondere Bandpass— Filter kann insbesondere in Kombination mit mindestens einer IR-Beleuchtung (Leuchteinheit), besonders bevorzugt einer NIR-Beleuchtung (also eine Beleuchtung mit Licht im nahen Infrarotbereich) kombiniert werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Dreifach- Farb-, insbesondere Bandpass— Filter mit einer mehr-farbigen Beleuchtung, insbesondere RGB-Beleuchtung kombiniert werden. Bei solchen Lösungen kann besonders effektiv auch gestreutes Licht (insbesondere auch aus tieferen Bereichen des Materials) aufgenommen und entsprechend ausgewertet werden. Dadurch kann die Genauigkeit bei der Bestimmung der 3D-Strukturen verbessert werden.
Die (optionale) Lichterzeugungseinrichtung sendet vorzugsweise polarisiertes Licht bzw. Licht mit einer Vorzugsrichtung in der Polarisation aus. Alternativ oder zusätzlich kann die Lichterzeugungseinrichtung auch konfiguriert sein, unpolarisiertes Licht bzw. Licht ohne Vorzugsrichtung in der Polarisation auszusenden. Zusätzlich oder alternativ zu einem Licht einer Lichterzeugungseinrichtung kann auch sonstiges Licht (z. B. Sonnenlicht und/oder eine Raumbeleuchtung) Verwendung finden. Vorzugsweise ist eine (elektronische) Steuereinrichtung/Steuereinheit zur Steuerung der optischen Modulatoreneinheit vorgesehen.
Das System kann teilweise oder vollständig durch ein mobiles Endgerät ausgeführt sein.
Das System ist vorzugsweise in einer gemeinsamen Baugruppe, beispielsweise definiert durch ein Gehäuse, untergebracht. In dieser Baugruppe kann auch die obige Auswerteeinheit (teilweise oder vollständig) untergebracht sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Auswerteeinheit gegenüber der Baugruppe und/oder zumindest der Lichterfassungseinheit extern bereitgestellt werden (beispielsweise durch einen Server, oder sonstige, insbesondere elektronische, Recheneinheit), die mit den übrigen Komponenten des System kommunizieren. Diese Kommunikation muss nicht (kann aber) unmittelbar erfolgen. Denkbar wäre es auch, dass zunächst durch das System entsprechende Daten aufgenommen werden, diese daraufhin in einen Speicher (insbesondere des Systems) abgespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt durch die Auswerteeinheit ausgewertet werden. Die Baugruppe und/oder das Gehäuse kann einen (maximalen) Durchmesser (insbesondere definiert als Abstand zweier Punkte desjenigen Punktepaares, das zueinander den größten Abstand zueinander aufweist) von höchstens 50 cm oder höchstens 30 cm oder höchsten 14 cm und/oder mindestens 5 cm aufweisen. Die Baugruppe kann ein Gewicht von höchstens 4,0 kg oder höchstens 1,0 kg oder höchstens 500 g und/oder mindestens 40 g aufweisen.
Das System kann mehrere Polarisationsfilter (ggf. als Polarisationsfiltereinheit und/oder - baugruppe) aufweisen. Wenn dies der Fall ist können diese ggf. eine verschiedene Ausrichtung haben.
Der (jeweilige) Färb-, insbesondere Bandpass-filter kann innerhalb eines Kamera- Moduls vorgesehen sein.
Das System kann mit einer externen Optik (z. B. einem Objektiv) erweiterbar sein. Das System kann mindestens eine zusätzliche Einrichtung, insbesondere mindestens ein Ansteckmodul, wie beispielsweise mindestens eine Kamera, mindestens eine Fernauslöser und/oder mindestens eine Powerbank aufweisen.
Das System (die Einheit) kann zur Kommunikation mit mindestens einem weiteren System und/oder einer (sonstigen) externen Einrichtung, insbesondere drahtlos, vorzugsweise über WLAN und/oder Bluetooth, und/oder drahtgebunden, z. B. über USB/USB-C, konfiguriert sein.
Mehrere (miteinander kommunizierende Systeme/Einheiten) können gleichzeitig bereitgestellt werden, beispielsweise in verschiedenen Winkeln und/oder Entfernungen zu der zu vermessenden Struktur. Dadurch können ggf. schnellere und/oder größere 3D-Scans durchgeführt werden. De obengenannte Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelöst durch ein Bildverarbeitungssystem zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen, das ein optisches System der obigen Art umfasst.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein optisches Verfahren zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen unter Verwendung eines optischen Systems, wie oben und/oder nachfolgend beschrieben. 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 gelöst durch die Verwendung eines optischen Systems der obigen und/oder nachfolgend beschriebenen Art zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen.
In Ausführungsformen kann das System nach dem bevorzugt nach dem Lichtlaufzeit-Prinzip arbeiten und/oder mindestens eine TOF-Kamera (ggf. zusätzlich zu mindestens eine RGB-Kamera) aufweisen.
Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass die Polarisationseigenschaften des von einer Oberfläche reflektierten und/oder in oberflächennahen Schichten gestreuten Lichtes Rückschlüsse über die Beschaffenheit der reflektierenden Oberfläche erlauben. Dabei ist es von Bedeutung, dass die Natur des Lichtes, eine Transversalwelle zu bilden, erfüllt sein muss. Die Erfindung beruht auf der Auswertung von 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 der optischen Modulatoreneinheit zu sehen, die diese schnelle Einstellung ermöglichen kann. 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.
Ein Gedanke liegt also insbesondere darin, dass auf einen Filter treffendes Licht mit einer optischen Modulatoreneinheit (vorher) in seiner Polarisation gedreht wird (anstelle einen Polarisationsfilter zu drehen). Eine derartige Drehung kann nach der Filterung der Polarisation ggf. durch eine weitere optische Modulatoreneinheit (umfassend einen oder mehrere Modulator/en) wieder zurückgedreht werden.
Insgesamt kann 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 (-Drehwinkeln) erreicht. Dies ermöglicht wiederum eine effektive Verwendung der Polarisationsinformationen in der (industriellen) Anwendung.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und/oder nachfolgender Beschreibungsteile.
Optional umfasst der Polarisationsmanipulator (zwischen dem Polarisationsfilter und der Lichtempfangseinrichtung) mindestens eine (weitere/zweite) optische Modulatoreneinheit. Dadurch kann die Polarisation nach Drehung und Filterung ggf. (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 Modulationseinheiten insgesamt ggf. 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 ggf. dann vorteilhaft, wenn der Lichtdetektor eine polarisationsabhängige Empfindlichkeit besitzt.
In alternativen Ausführungsformen kann mindestens eine (weitere) 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 sein, die ggf.
Bestandteil der Lichterfassungseinheit sein kann. 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 eine weitere, insbesondere hinsichtlich der Reihenfolge der Komponenten (also insbesondere hinsichtlich der Reihenfolge von optischen Modulator und Polarisationsfilter) umgekehrt aufgebaute, Polarisations und Filtereinheit (umfassend mindestens eine Modulatoreneinheit und mindestens einen Polarisationsfilter) (direkt und/oder in einem geringen Abstand von beispielsweise weniger als 10 mm) vor der Lichterzeugungseinrichtung angeordnet. Eine derartige weitere (zweite) Polarisations- und Filtereinheit kann so angeordnet und konfiguriert sein, dass das Licht zuerst durch den Polarisationsfilter und anschließend durch die optische Modulatoreneinheit 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 der (weiteren) Polarisations- und Filtereinheit 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 umfasst die Lichterzeugungseinheit (mindestens einen) Laser. Dies ist insbesondere im Fall größerer Entfernungen besonders vorteilhaft, da Laser ein starkes, gut kollimierbares Licht erzeugen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst die Lichterzeugungseinheit mindestens eine LED, ggf. mindestens 10 LEDs, optional mindestens 100 LEDs. Vorzugsweise wird die Lichterzeugungseinrichtung (insbesondere werden die LEDs) gepulst und/oder moduliert (besonders bevorzugt nach dem PWM-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 jeweilige 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 jeweilige optische Modulator mindestens (oder genau) eine elektrooptische und/oder mindestens (oder genau) eine magnetooptische und/oder mindestens (oder genau) eine akustooptische Einrichtung umfassen.
Optional umfasst der Polarisationsmanipulator (vor dem Lichteintritt) ein Lambda- Viertel-Plättchen. Dies ermöglicht eine Verwendung von zirkular polarisiertem Licht (anstatt von linear polarisiertem Licht). Alternativ oder zusätzlich kann vor dem Polarisationsmanipulator eine Parallelisierungsoptik zum Parallelisieren von eintretenden Lichtstrahlen angeordnet sein.
Der jeweilige optische Modulator kann (in einem aktiven Zustand) eine langsame Achse aufweisen, 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 kann der optische Modulator (im aktiven Zustand) wie ein Lambda-Halbe- Plättchen wirken. 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 ggf. eine (kontinuierliche) Phasenverschiebung (und damit Polarisationsdrehung) ermöglicht. Die optische Vorrichtung kann eine Steuereinrichtung zur (zeitabhängigen) Steuerung der jeweiligen Modulatoreneinheit bzw. des jeweiligen optischen Modulators aufweisen.
Insgesamt kann die Bildaufnahme für mehrere verschiedene Polarisationszustände (bzw. Polarisationswinkel) ermöglicht werden, wobei pro Polarisationszustand ein Bild aufgenommen werden kann. Dies ist insofern vorteilhaft, da (ggf. 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.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes optisches System in einer schematischen
Ansicht; und
Fig. 2 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Systems in schematischer
Ansicht.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems 9 gezeigt. Dieses umfasst eine RGB-Kamera 10 (RGB-Kameramodul) und eine Polarisations- und Filtereinheit 11. Das System 9 ist konfiguriert, um 3D- Informationen hinsichtlich eines zu vermessenden Objektes 12 zu bestimmen. In diesem Fall wird das Objekt 12 von Sonnenlicht 13 beleuchtet (denkbar wäre auch beim Bezugszeichen 13 eine Lichterzeugungseinrichtung, insbesondere als Bestandteil des Systems). Die Polarisations- und Filtereinheit 11 ist im größeren Detail in Fig. 2 dargestellt. Demnach umfasst die Polarisations- und Filtereinheit 11 mehrere (hier konkret, was jedoch optional ist, vier) Modulatoren 14 (die insbesondere als Flüssigkristalle ausgebildet sein können), einen Polarisationsfilter 15 sowie einen Färb-, insbesondere Bandpass-Filter 16.
Dabei ist festzustellen, dass polarisiertes Licht grundsätzlich 3D- Rauminformationen enthält (vgl. auch WO 2018/033446 Al).
Das System 9 kann weiterhin ein Gyroskop 18 aufweisen und als Lichterzeugungseinheit 19 konkret eine LED-Beleuchtung mit einem Diffusor (nicht in Figuren gezeigt).
Nachfolgend wird die Wirkweise der Erfindung (teilweise anhand des konkreten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 und 2) erläutert.
Demnach kann das Objekt 12 von der Lichtquelle (beispielsweise LED mit Diffusor) mit (zumindest im Wesentlichen) unpolarisiertem Licht bestrahlt werden. Grundsätzlich kann dabei die integrierte LED-basierte Lichtquelle und/oder eine externe Lichtquelle (z. B. Sonne, Raumbeleuchtung und/oder dergleichen) zum Einsatz kommen.
Durch Reflexion und/oder Streuung wird das Licht nun (in Wechselwirkung mit dem Objekt 12) teilweise polarisiert. Dabei gilt für eine Betrachtung der vom Objekt 12 zur Lichterfassungseinheit (konkret RGB-Kamera) verlaufenden Lichtstrahlen, dass eine Stärke (bzw. ein Ausmaß) der Polarisierung von einem Winkel von Strahlen zur streuenden bzw. reflektierenden Fläche abhängt. Konkret wird vorliegend davon ausgegangen, dass nicht nur eine Reflexion sondern auch eine Streuung Lichtstrahlen polarisiert. Eine Polarisierung ist generell bei einer Streuung und/oder diffusen Reflexion vorhanden.
Ein erster (in Fig. 2 ganz rechter) Modulator 14 kann (falls er in einem optischen aktiven Zustand befindlich ist bzw. dementsprechend geschaltet ist) die Polarisation aller einzelnen Photonen um einen bestimmten Winkel drehen. Wenn dieser Modulator 14 inaktiv ist, wird die Polarisation nicht (oder zumindest im Wesentlichen nicht) geändert. Ein Eingang eines zweiten Modulators 14 (in Fig. 2 halbrechts) kann vorzugsweise auf die üblicherweise aus dem ganz rechten Modulator 14 austretenden Polarisationsrichtungen angepasst, insbesondere optimiert, sein. Der (in Fig. 14 halbrechte) zweite Modulator kann ebenfalls die Polarisation drehen, falls er optisch aktiv geschaltet ist. Auch hier gilt wieder, dass keine (oder keine wesentliche) Drehung erfolgt, wenn der zweite Modulator optisch nicht aktiv geschaltet ist.
Ein dritter (in Fig. 2 haiblinker) und vierter (in Fig. 2 ganz linker) Modulator sind vorzugsweise analog zu dem ersten bzw. zweiten Modulator konfiguriert und ausgebildet.
Durch die in Fig. 2 gezeigte Konfiguration können insgesamt durch An- und Abschalten der einzelnen Modulatoren 24 (also 16) verschiedene Zustände für die Polarisation (bzw. Drehwinkel für dieselbe) realisiert werden. Daraus kann dann (wie in WO 2018/033446 Al im größeren Detail dargestellt) 3D- Rauminformationen gewonnen werden.
Der Polarisationsfilter 15 kann nun Photonen einer (bestimmten) Polarisationsrichtung durchlassen. Insgesamt kann die Polarisations- und Filtereinheit 11 gemäß Fig. 1 und 2 Daten einer vergleichbaren Qualität liefern, wie ein drehbarer Polarisationsfilter. Im Gegensatz zu einem solchen drehbaren Polarisationsfilter ist die hier vorliegende Lösung jedoch vergleichsweise kostengünstig, wartungsarm und verfügt über eine vergleichsweise hohe Wiederholgenauigkeit.
Da eine Strecke (bzw. ein Ausmaß) der Drehung der Polarisation im jeweiligen Modulator 14 grundsätzlich wellenlängenabhängig sein kann, können die Polarisationsrichtungen (-zustände) ggf. etwas weniger exakt bestimmt werden (bzw. ein Rauschen kann vergleichsweise hoch sein). Durch den Einsatz des Farb- , insbesondere Bandpass-Filters 16 kann durch Verringerung eines durchgelassenen Wellenlängen-Bereichs ein Rauschen unterdrückt und damit eine Genauigkeit erhöht werden (wobei besonders bevorzugt hier der Einsatz eines Dreifach-Farb-, insbesondere Bandpass-Filters für die Farben bzw. Kanäle Rot, Grün und Blau eingesetzt wird). Nach Durchlaufen (falls nicht herausgefiltert) der Polarisations- und Filtereinheit 11 treffen die Photonen auf die RGB-Kamera 10 und können dort ggf. in ein Bild umgewandelt werden (bzw. in an einer ggf. externen Auswerteeinheit). Aus (aufeinanderfolgenden) Intensitätsvergleichen lässt sich eine Rauminformation mit vergleichsweise hoher Genauigkeit extrahieren.
Grundsätzlich stellt eine Kombination von LED und Diffusor (als Lichterzeugungseinheit) eine einfache und effektive „unpolarisierte Welt- Annahme" (unpolarized world assumption) sicher und kann für eine vergleichsweise hohe Helligkeit in einem entsprechenden Wellenlängenbereich sorgen, insbesondere um eine kurze Belichtungszeit der Kamera 10 zu ermöglichen. Insbesondere dadurch kann das System 9 auch mobil (handgeführt) eingesetzt werden.
Beispielsweise kann das System als mobiles Endgerät ausgeführt sein, insbesondere umfassend einen Prozessor, einen elektronischen Speicher und ein Display. Ein Gewicht des Systems kann weniger als 1 kg, ggf. weniger als 500 g betragen.
Wie bereits oben erläutert, kann Polarisation auch bei diffuser Strahlung auftreten und Rauminformation enthalten (auch wenn oftmals in der Literatur nur von Polarisation durch Reflexion gesprochen wird). Die Ausnutzung von Polarisation durch Streuung ist bisher im vorliegenden Zusammenhang nicht beschrieben.
Statt einem komplexen Modulator (Flüssigkeitskristall) zu verwenden, ist eine Kombination von mehreren (einfachen) Flüssigkristall-Zellen besonders bevorzugt und insbesondere kostengünstig.
Der Färb-, insbesondere Bandpass-Filter vermindert vorzugsweise ein Rauschen und kann die Genauigkeit beispielsweise um mindestens einen Faktor 2 oder sogar mindestens einen Faktor 3 erhöhen. Der Färb-, insbesondere Bandpass- Filter hat vorzugsweise eine Durchlass-Breite von höchstens 200 nm, weiter vorzugsweise höchstens 120 nm, noch weiter vorzugsweise höchstens 80 nm, noch weiter vorzugsweise höchstens 60 nm, noch weiter vorzugsweise höchstens 40 nm und/oder mindestens 1 nm oder mindestens 10 nm. Da Streuung in einem vergleichsweise tiefen Bereich von Material auftreten kann (im Vergleich zur Reflexion), kann ein jeweiliger Farbstoff des zu vermessenden Objektes (bzw. eine Farbe desselben) eine relevante Auswirkung auf die Messung haben. Insbesondere auch aus diesem Grund ist ein System mit einem Einfach- Farb-, insbesondere Bandpass-Filter sowie einer NIR-Beleuchtung und/oder einem Dreifach-Farb-, insbesondere Bandpass-Filter und einer RGB-Beleuchtung besonders bevorzugt.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden.
Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichen
9 System
10 RGB-Kamera
11 Polarisations- und Filtereinheit
12 Objekt
13 Sonnenlicht
14 Modulator
15 Polarisationsfilter
16 Färb-, insbesondere Bandpass-Filter
18 Gyroskop
19 Lichterzeugungseinheit

Claims

Ansprüche
1. Optisches System (9) zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen innerhalb eines Raumbereiches, insbesondere zur Erfassung von 3D- Informationen eines Objektes (12), umfassend:
- eine Lichtempfangseinrichtung, umfassend mindestens einen Lichtdetektor, der auf den Raumbereich ausrichtbar oder ausgerichtet ist;
- mindestens eine optische Modulatoreneinheit zur Drehung einer Polarisation eines die Modulatoreneinheit durchquerenden Lichtes; und
- mindestens einen Polarisationsfilter (15), der der Modulatoreneinheit optisch nachgeschaltet ist; wobei mindestens ein Farbfilter, insbesondere Bandpass-Filter (16), vorgesehen ist, der dem Polarisationsfilter (15) optisch vor- oder nachgeschaltet ist, und/oder wobei die Modulatoreneinheit mindestens zwei optische Modulatoren umfasst.
2. Optisches System, insbesondere nach Anspruch 1, zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen innerhalb eines Raumbereiches, insbesondere zur Erfassung von 3D-Informationen eines Objektes (12), umfassend:
- eine Lichtempfangseinrichtung, umfassend mindestens einen Lichtdetektor, der auf den Raumbereich ausrichtbar oder ausgerichtet ist; - eine optische Modulatoreneinheit zur Drehung einer Polarisation eines die Modulatoreneinheit durchquerenden Lichts; und
- mindestens einen Polarisationsfilter (15), der der Modulatoreneinheit optisch nachgeschaltet ist; wobei mindestens eine 3D-Informationserfassungs- und/oder Lageerfassungseinheit, insbesondere mindestens eine RGB-Kamera und/oder mindestens ein Gyroskop vorgesehen ist.
3. System (9) nach Anspruch 1 oder 2, dad u rch g eken nzeich net, dass eine Lichterzeugungseinrichtung, die mindestens einen Lichtsender zum Senden von Licht in den Raumbereich aufweist, vorgesehen ist, wobei die Lichterzeugungseinrichtung vorzugsweise: mindestens eine LED, z. B. Weißlicht-LED, und/oder mindestens einen Diffusor und/oder mindestens oder genau eine IR-Lichtsendeeinrichtung und/oder mindestens eine Lichtsendeeinrichtung, insbesondere RGB- Lichtsendeeinrichtung, zum Aussenden von mindestens zwei, vorzugsweise mindestens oder genau drei verschiedenen Farben umfasst.
4. System (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dad u rch g eken nzeich net, dass ein Display vorgesehen ist.
5. System (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dad u rch g eken nzeich net, dass die Modulatoreneinheit eine oder mehrere, insbesondere mindestens oder genau drei oder mindestens oder genau vier, vorzugsweise optisch hintereinandergeschaltete, Flüssigkristalleinrichtung(en), vorzugsweise als TN-Effekt-basierte Einrichtung(en), als Modulator(en) umfasst.
6. System (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dad u rch g eken nzeich net, dass die Modulatoreneinheit mindestens oder genau zwei oder mindestens oder genau drei oder mindestens oder genau vier optisch hintereinandergeschaltete Modulatoren, insbesondere Flüssigkristalleinrichtungen, umfasst, die vorzugsweise so konfiguriert und in Bezug aufeinander angeordnet sind, dass der jeweilige optisch nachgeschaltete Modulator (14) auf mindestens eine aus dem vorgeschalteten Modulator (14) austretende Polarisationsrichtung abgestimmt, insbesondere optimiert, ist.
7. System (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dad u rch g eken nzeich net, dass eine Auswerteeinheit, insbesondere umfassend einen Prozessor, zur Auswertung von durch die Lichterfassungseinheit erfassten Daten, vorgesehen ist.
8. System (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dad u rch g eken nzeich net, dass der Farbfilter, insbesondere Bandpassfilter, einen Einfach-Farb-Filter, insbesondere Einfach-Bandpass-Filter (16), und/oder einen Mehrfach- Farbfilter, insbesondere Mehrfach-, vorzugsweise Dreifach-Farbfilter, insbesondere Dreifach-Bandpassfilter, insbesondere für mindestens zwei Farben, vorzugsweise die Farben Rot, Grün und Blau, umfasst/umfassen oder daraus gebildet ist.
9. System (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass die Lichterzeugungseinrichtung 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.
10. System (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass eine Steuereinrichtung zur Steuerung der optischen Modulatoreneinheit vorgesehen ist.
11. System (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass das System, mit oder ohne Auswerteeinheit, in einer gemeinsamen Baugruppe, vorzugsweise definiert durch ein Gehäuse, untergebracht ist.
12. Bildverarbeitungssystem zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen, das ein optisches System (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
13. Optisches Verfahren zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen unter Verwendung eines optischen Systems nach einem der vorangehenden Ansprüche.
14. Verwendung eines optischen Systems nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen.
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