WO2012076182A1 - Verfahren und system zur bestimmung der position und/oder lage eines objektes in einem räumlichen messvolumen - Google Patents

Verfahren und system zur bestimmung der position und/oder lage eines objektes in einem räumlichen messvolumen Download PDF

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WO2012076182A1
WO2012076182A1 PCT/EP2011/006218 EP2011006218W WO2012076182A1 WO 2012076182 A1 WO2012076182 A1 WO 2012076182A1 EP 2011006218 W EP2011006218 W EP 2011006218W WO 2012076182 A1 WO2012076182 A1 WO 2012076182A1
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WO
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cross
light
detector
sectional
modulation
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/006218
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Lange
Okan Ecin
Anton Grabmaier
Reinhard Viga
Original Assignee
Universität Duisburg-Essen
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Filing date
Publication date
Application filed by Universität Duisburg-Essen filed Critical Universität Duisburg-Essen
Publication of WO2012076182A1 publication Critical patent/WO2012076182A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/52—Combining or merging partially overlapping images to an overall image

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the position and / or position of an object in a spatial measurement volume.
  • the invention further relates to a system for carrying out such a method.
  • the prior art discloses a variety of methods and systems for determining the position of an object in space.
  • the determination of the position means the determination of three translational degrees of freedom and the determination of the position means the determination of three rotational degrees of freedom of the object.
  • Encoders with a probe can check the manufacturing accuracy of a workpiece.
  • optically based, non-contact methods are used. These methods are widely used since it is advantageous in many applications to perform measurements without contact. These methods use predominantly photogrammetric or laser tracking techniques to locate position markers in an a priori unknown environment.
  • the position of one or more position markers / n is calculated by trigonometry from at least two images recorded using special cameras.
  • the position markers can be differentiated into retroreflective, flat marks and retroreflective ball markers.
  • the two-dimensional marks additionally offer the possibility of coding and can therefore be distinguished explicitly in the evaluation. This procedure can also be used for moving markers.
  • Triangulation / trilateration the position in space Control algorithms enable tracing, ie tracing, of the marker Calculation required angle information are recorded on high-precision encoders, the distance information, however, by phase measurement of the amplitude modulated laser beam.
  • a disadvantage of the tracking methods is the limited tracking speed of the laser beam due to the inertia of the system, which is why these methods can be used predominantly for static scenes and slow motion sequences.
  • Computing capacity manages.
  • a divergently propagating light bundle is optically modulated over its cross-section, in particular perpendicular to its propagation direction, two-dimensionally with a light modulator in a predetermined number of cross-sectional units to form the measuring volume, wherein the light beams of each cross-sectional unit have a temporal, in particular each different temporal, optical modulation is impressed as a transmission signal and at least one detector at least one sum received signal of all the transmission signals of those light beams is detected, which hits an object in the measurement volume and analyzed which of the transmission signals contribute to the at least one sum received signal, from the analysis the position and / or the position of the object in the measuring volume is determined.
  • a system which is suitable for determining the position and / or position of an object in a spatial measurement volume according to the aforementioned method thus comprises, according to the invention, a light source and optics which are initially intended to generate a divergently propagating light beam. Furthermore, a light modulator is provided within the system, with which the light beam over its cross section two-dimensionally in a predetermined number of
  • Cross-section units for example N x M cross-sectional units, optically modulated.
  • the identical optical modulation of the light takes place in each case within such a cross-sectional unit, wherein the modulations of the light in different cross-sectional units are preferably different in each case and thus the light beams of each cross-sectional unit can be imprinted a respective different, temporal, optical modulation as a transmission signal.
  • the light is modulated identically in at least two cross-sectional units, for example in such cross-sectional units which are arranged in a line next to one another.
  • the measurement volume is formed in the propagation direction over all cross-sectional units in which a temporal optical modulation of the light beams takes place.
  • Measuring volume in particular with a square modulation area.
  • Detectors or a detector provided with a plurality of photosensitive surfaces with which one or more sum reception signal / e of all transmission signals of those light beams can be detected, which hit an object in the measurement volume, then with an evaluation unit also provided in the system, e.g. one
  • the analysis unit is set up to determine from the analysis, in particular thus the determination of the size of the contribution of the respective transmission signals to the or the sum received signal (s), the position or the position of the object in the measurement volume.
  • a detector is designed in such a way that it is able to form a time-dependent electrical signal from the incident, time-modulated light.
  • it is a detector capable of forming the electrical signal depending on the light intensity incident on the detector.
  • Such a detector may form, for example, a sum reception signal in which the individual daz, u contributing transmit signals are superimposed in time.
  • a detector can also form a sum reception signal in which the transmission signals or sums of transmission signals are arranged one behind the other.
  • detectors from pixel-by-pixel scanning camera sensors eg CCD or CMOS sensors, can form such a signal.
  • Suitable detectors may e.g. be formed by a single photodiode, a plurality of individual photodiodes structurally in fixed, known constellation, single segmented or multiple photodiodes (e.g.
  • Diode arrays or quadrant photodiodes or multiple segmented or multiple photodiodes (e.g., diode arrays or quadrant photodiodes) structurally in fixed, known constellation.
  • the essential core idea is based on the fact that in
  • Spreading light propagation measuring volume is spanned by the divergently propagating light beam, each cross section through the measuring volume transversely, in particular perpendicular to the propagation direction of the
  • Cross-section units comprises, in which an optical, in particular
  • An object that is located within the measurement volume for example, is stationary or can be moved within the measurement volume or moves autonomously, has at least one independent from the whereabouts in the measurement volume light incidence or light entrance surface, divergent from the light of the propagating light beam and thus illuminated by light from the various cross-sectional units.
  • the light incident on or entering this surface may be detected by the at least one detector.
  • Spreading direction of the light is arranged, meet light rays from a more or less large number of cross-sectional units and / or only one
  • Cross-section units at least partially on the illuminated surface of the object, so that with a detector which detects the transmission signals of all incident on the object (the entrance surface / landing surface) light rays, a sum total received signal of all transmission signals is received, which arrive at the disposed in the spatial measurement volume object.
  • transmission signals can also contribute to a summation signal if the cross-sectional unit from which the transmission signal originates does not completely cover the illuminated area but only partially overlaps it. As a result, only the amount of the contribution of the transmission signal in the sum signal changes.
  • the origin of the measurement volume or of the divergently propagating light bundle is the location of the light bundle tip, from which the light bundle propagates divergently into the space.
  • this origin of the measuring volume is defined by the focus of the light beam, which is actually present in a focusing lens or a focusing concave mirror, but only in the case of a diverging lens or a convex mirror imaginary, namely in the direction of propagation in front of the lens / mirror.
  • illuminated object surface at least partially overlap and thus the same number of different, especially incident on the object transmission signals, but it changes the composition of contributing to the sum received signal transmission signals.
  • a tilting of the illuminated object surface in particular about any two axes perpendicular to each other, which is perpendicular to the
  • Cross-section units that overlap with the illuminated object surface and thus the number of contributing transmit signals and their composition to the sum received signal.
  • an object illuminated according to the invention is arranged on any object, then the position and / or position of this object within the spatial measurement volume can be determined.
  • measuring and testing devices can be equipped with an object illuminated according to the invention in order to determine the position and / or position of such a device.
  • An object is any body whose position and / or position is to be detected, but which need not be completely in the divergent light beam.
  • the object is immovable / stationary connected to the object and has an illuminated surface. With a detector it is determined which
  • the illuminated surface itself may be light-sensitive, in particular full-surface or even partial-area light-sensitive and be designed as a detector.
  • the surface can also be designed to be reflective, in particular retroreflective, so that the named detector is illuminated only after reflection and, e.g. is arranged outside the light beam.
  • the detector provides a light intensity proportional electrical sum receive signal.
  • the at least one reflector in particular at least one retroreflector, to be arranged as the illuminated object which is arranged within the measuring volume is used.
  • the illuminated surface of the object is thus given in such a reflector by the light entrance and exit surface of the reflector, so that depending on the distance of the reflector to the origin and / or tilt to the optical axis / propagation direction of the light of the divergent light beam light from one more or less large number of cross-sectional units enter the reflector and through this in the opposite direction
  • those light beams out of the measurement volume can, according to the invention, be applied to at least one detector outside the detector
  • Measuring volume are derived, which originate from such cross-sectional units that overlap at least partially with the effective opening cross-section of the reflector, then with the at least one detector these light beams and their impressed individual signals are detected as the aforementioned sum received signal.
  • Summenempfangssignals can be arranged stationary outside the measuring volume and thus an analysis or evaluation unit following the detector can be easily connected to this, without causing problems in the electrical signal routing.
  • Beam splitter the back-reflected light from the opposite
  • Propagation direction in the direction to deflect a detector Propagation direction in the direction to deflect a detector.
  • such a beam splitter can preferably be passed first through the light modulated in cross-section, which is subsequently passed through an optical system, eg is expanded by a diverging lens to produce a divergently propagating light beam.
  • the beam splitter can be arranged within the focus of a lens or a mirror, for example within the imaginary focus of a diverging lens.
  • the light reflected back by the retroreflector is therefore always reflected back in the direction of this focus and thus always back to the beam splitter, so that with this thus regardless of where the retroreflector in the
  • a retro-reflector can e.g. be designed as a film reflector / reflection strip or as a transparent glass or plastic body.
  • the at least one detector or e.g. a detector with one or more
  • photosensitive surfaces forms the illuminated object within the measuring volume itself. Accordingly, such a detector has one or more photosensitive surfaces which are directly illuminated by light from more or fewer cross-sectional units as a function of the distance and / or tilting of the detector so that those light beams and their impressed transmission signals can be detected with the detector that from such
  • Cross-section units originate, which overlap at least partially with the opening cross section of the at least one detector or the opening cross sections of a plurality of detectors or one or more detector surfaces of a detector.
  • a respective sum received signal is detected, which can be subjected to the analysis described above with respect to its transmission signal components.
  • a detector unlike the previous design, it is necessary for a detector to have flexible signal routing, eg, a flexible one
  • the at least substantially parallel light beam e.g. a planar light modulator are illuminated, which is subdivided into N times M controllable pixels in a two-dimensional matrix, so that each of the aforementioned cross-sectional units is defined by at least one such controllable pixel of the light modulator.
  • Light modulation can be generated so that a single pixel of such
  • Light modulator forms the smallest possible cross-sectional unit in which a uniform within the cross-sectional unit always modulation can be generated.
  • Lichtmodulators summarize pixel groups in which one and the same modulation and thus the same transmission signal is generated.
  • a cross-sectional unit is then defined by a larger number of pixels compared to a single pixel, e.g. by a pixel group with rectangular
  • such a light modulator subdivided into individual controllable pixels can be operated, for example, in transmission or reflection.
  • An example of such a pixelized light modulator operated in reflection is a digital light processor, DLP (digital light processor), such as that offered by Texas Instruments.
  • the individual controllable pixels are formed by many individual mirror elements, which can be individually tilted by control, so that it can be determined by such control of the pixels, whether such a pixel, ie a mirror element incident light in a particular direction is deflected or Not.
  • the modulation of the light can be so for example by a digital
  • Activation of the pixels or of the individual mirror elements takes place so as to switch on or off the light in a temporal sequence in a cross-sectional unit defined by the pixels.
  • the polarization and / or phase of the transmitted light is changed by the individual controllable pixels, so that different transmission signals are possible by the imposition of different phases and / or polarizations by the control within a pixel defined by the cross-sectional unit, this optionally by downstream of a Polarisators or in this application operated as an analyzer optical
  • Elementes a light intensity change can be generated individually in each cross-sectional unit.
  • the light source one with a high wavelength bandwidth, e.g. a so-called white light source, so that from their total spectrum wavelength components for propagation in the respective cross-sectional units can be filtered out.
  • Such wavelength filtering can be carried out, for example, by a plurality of LCD units, each of which is traversed by a partial light bundle of the generated light, which are then superimposed to form a total light bundle, wherein each of the LCD Units associated with a particular wavelength range (eg the so-called primary colors), for example, as it is known from LCD video projectors.
  • a particular wavelength range eg the so-called primary colors
  • modulated over the cross section in a plurality of cross-sectional units light, in particular differently modulated light, in which thus in each cross-sectional unit in particular different, optionally periodically repeating transmitted signals are imprinted, then either after transmission or reflection depending on the type of used
  • Light modulator further propagate substantially parallel first, then with an optic, e.g. a diverging lens or mirror optics, in a
  • Such a divergent light beam may e.g. be generated directly by the light source, especially when the light generation is substantially punctiform.
  • light-emitting diodes, laser diodes, halogen lamps, etc. can also be used as light sources. The light of such a light source can thus possibly.
  • optics and light modulator and a structural unit can be used as a light source.
  • This can e.g. be formed by a DLP or LCD projector or -Beamer.
  • the light bundle generated by the light source for example the light bundle generated substantially parallel by a laser, is widened so that a light modulator with its modulation surface subdivided into pixels a core area of the expanded
  • Light beam is illuminated, in particular such a core area over the the light intensity changes little, in particular at least less than half the intensity in the center.
  • Modulated cross-sectional area of the originally generated e.g. is widened substantially parallel and preferably expanded light beam, since the measurement volume substantially only by the sum of all, by the
  • Light modulator defined cross-sectional units is formed in the propagation direction.
  • Light beam is thus at e.g. square formation of a light modulator of N times N pixels formed a pyramidal measurement volume.
  • the geometric shape of the measuring volume is irrelevant to the method or system used, as far as the geometric shape is known, since this shape is decisive for the determination of the position and position of the object illuminated in the measuring volume.
  • the transmission signal i. the modulation sequence, with which the light beams are modulated within a considered cross-sectional unit, repeated periodically periodically. This has the advantage that also movements of the illuminated object can be detected within the measuring volume, in particular if a multiple / multiple repetition per second is achieved.
  • Light beams of this cross-sectional unit is imprinted, for example, as an analog or digital modulation as previously mentioned, for example, as a modulation of intensity, phase or polarization or the wavelength or a wavelength range of the light beams of each such cross-sectional unit.
  • a digital modulation is particularly advantageous in the light modulator mentioned above, which is designed as a DLP chip with a plurality of controllable mirror units.
  • An analog modulation can be achieved, for example, by liquid-crystal elements operated in transmission, since there polarization rotations or
  • Phase shifts of a continuous nature and thus can be generated analogously.
  • an intensity modulation it can preferably be provided to take appropriate measures to ensure that any
  • Interference of the environment z. B. caused by ambient light of any form, such as natural sunlight, artificial lighting sources, thermal radiators, compensated and / or suppressed or their influence is minimized by appropriate coding of the transmission signals.
  • the former can
  • optical and / or electrical and / or digital filters and / or compensation mechanisms can be achieved by optical and / or electrical and / or digital filters and / or compensation mechanisms.
  • a modulation for the suppression of interfering light influences, it can e.g. be provided that on the entire light beam a modulation, or at least on all cross-sectional units used in addition to each individual modulation a
  • common modulation is impressed, in particular an amplitude modulation or intensity modulation of a predetermined, known frequency.
  • sum electrical signal can then be filtered with respect to this frequency, e.g. with a bandpass and / or high pass, so that other frequency components and thus stray light components are suppressed.
  • Modulation and the frequency filtering carried out for noise suppression of the sum received signal to match so that the components in the sum received signal based on the modulations of the individual transmission signals in the cross-sectional units, unhindered this frequency filtering
  • the same modulation can also be used to detect a phase shift between the modulation in a drive signal of a modulator and the modulator
  • Phase shift can be done in addition to or in a measurement with individual transmission signals upstream step distance measurement between modulator / light source and detector or object in the measurement volume. For example, it is also possible, depending on the distance thus determined, to select which pixels of the two-dimensional light modulator are driven to modulate the cross-sectional units in a subsequent step.
  • An analysis of the transmit signals contributing to the sum receive signal may e.g. be performed by a correlation, in particular a cross-correlation of sum received signal and all the transmission signals that are used in the implementation of the modulation across the cross section.
  • the principle of cross-correlation which is known to the person skilled in the art, thus provides as a result information about which transmission signals from all the transmission signals used are present within the sum reception signal, so that the position and / or position of the object in the measurement volume can be determined from this information.
  • Summation received signal are detected, in particular wherein this method can be used when the individual transmission signals include individual periodic intensity, and / or phase and / or polarization changes.
  • One measure of the periodicity is the frequency.
  • Sum signal contributing frequencies can be read. From the knowledge of the frequency coding within the cross-sectional units, the position can be determined within a cross-sectional plane perpendicular to the light propagation direction or to the optical axis and from the contained
  • Frequency components and / or their amplitude is the distance to the
  • Projection origin determinable.
  • the analysis method is thus also dependent on the modulation method used at the beginning. In principle, any analysis method can be used with which it is possible to determine the components of the transmission signals of the
  • Coordinate transformation within a processing unit, such as a
  • Light modulator are arranged and what divergence is achieved by the aforementioned optics in the divergently propagating light beam.
  • Cross-section units are covered with the detector surface, in particular a mean detector surface portion is subjected to a plurality of transmission signals, the proportion of the sum signal in a movement, for example a Translation or even a rotation of the detector surface, only insignificantly or not at all changes.
  • Invention provided a central region of a photosensitive
  • Transmit signals do not contribute to the sum receive signal.
  • the computational effort for determining the sum of the received signal contributing individual transmission signals can be reduced.
  • Detector to provide the photosensitive surface with a central recess, thus forming the photosensitive surface substantially frame-shaped or circular or to arrange the photosensitive surface areas according to a desired geometry.
  • a group of several pixels in particular a square or rectangular arrangement of several pixels of a light modulator with respect to the control, so that through this Group is formed a cross-sectional unit in which the light is provided with one and the same modulation.
  • this second step it may be provided that only those pixels are controlled from the number of all pixels of the light modulator, which contribute to a modulation of the light in the entire defined measurement volume only in an environment around the previously roughly determined position.
  • Light modulator driven to the position and / or position with a high
  • Position determination can be used according to the previous description, it can be provided that in time a sequence over the cross section of the diverging light beam migrating line pattern is generated with the light modulator.
  • a line pattern can also by first in a first direction and then in another in particular perpendicular thereto and / or Diagonal directions are represented by temporally running lines. It is known by the control of the light modulator at any time, which
  • Cross-section units are driven in a line within the measuring volume, so that the position of the detector within the measuring volume can be determined by the simple fact of the emergence of a sum signal at the detector.
  • the generation of a light line running in a predetermined direction corresponds to the generation of a transmission signal, as described above, but the cross-section units arranged next to one another in a line are driven by the same transmission signal.
  • a preferred embodiment can also be implemented as a multi-step method for successively increasing the accuracy of the determination of the position and / or position.
  • cross-sectional units which are modulated with, in particular, different transmission signals to be displaced or displaced, in particular while maintaining their geometrical arrangements with one another, or the measuring volume defined by these cross-sectional units , in particular relative to the light beam or to the detector.
  • this can be done by the
  • Cross-section units are offset or moved over the surface of the two-dimensional modulator.
  • the cross-sectional units are each formed by at least one pixel, if appropriate in each case by a group of several pixels.
  • a cross-section unit is formed by a specific pixel group and, in a subsequent measuring step, by a different pixel group, which at least partially, in particular, largely overlaps with the previous one. that prefers the majority of the pixels of a
  • subsequent pixel group is also part of the previous pixel group.
  • Modulator surface The position of the cross-sectional units or of the measuring volume relative to the detector thus changes between two successive measuring steps.
  • Cross-section units or the pixels or pixel groups defining this to the detector take place in that the measuring volume relative to the modulator and / or detector is moved with respect to its beam path between two measuring steps. This is equivalent to a displacement of the cross-sectional units.
  • the light beam after the modulator can be deflected via a controllable mirror whose orientation is changed between two measurements, if necessary in sub-pixel resolution, e.g. by mounting at least one piezo element on the mirror, which changes the tilt of the mirror.
  • the modulator in particular the
  • the displacement unit or the modulator can be moved, for example by at least one piezo drive, in particular also in sub-pixel resolution.
  • This embodiment also displaces the cross-sectional units or the measurement volume defined by them relative to the detector. It is through these aforementioned embodiments, the possibility with successive several measurement steps, the resolution or accuracy of
  • FIG. 1 shows an embodiment in which a light-sensitive detector forms the illuminated object within the measuring volume
  • FIG. 2 shows an embodiment in which the illuminated detector is arranged outside the measuring volume
  • FIG. 3 shows a visualization of the correlation measuring principle
  • FIG. 4 shows the method implementation with a running line pattern in the case of FIG
  • FIG. 5 A representation of the modulation in cross-sectional units
  • Figure 5A A representation of an illuminated object / detector
  • FIG. 1 visualizes in a schematic representation a system for
  • Recognizable in the figure 1 is the use of a laser 1 as a light source, wherein the laser 1 is a first in
  • Substantially parallel light beam 2 is generated. This is under the im
  • the beam-expanding object 3 to produce a compared to the original light beam 2 in cross-section enlarged light beam 2 '.
  • This can for example be realized by a telescope optics, wherein furthermore the divergence of the expanded light beam 2 'is less than that of the light beam 2, so that subsequently with the expanded light beam 2' a capable of light modulation surface of a light modulator 4 can be illuminated, the figure 1 shows the use of a light modulator in reflection, so that the light modulator, for example can be formed by a DLP chip having a plurality of controllable mirror elements as controllable pixels.
  • control of the individual pixels can be achieved by a separately arranged
  • Pixel control 5 so that depending on the position of the individual pixels of the light modulator 4, the light at each location of a pixel in the direction of the deflected light beam 2 "can be reflected
  • each of the individual cross-sectional units it is thus possible in each of the individual cross-sectional units to produce a different, preferably repetitive, modulation which, in each cross-sectional unit, can be understood as a transmitted signal imprinted thereon.
  • the light bundle 2 " initially propagating substantially parallel after the light modulation is subsequently shaped by an optical system, in this case a diverging lens 6, into a diverging light bundle 2"', in the propagation direction through all cross-sectional units in which the light can be modulated Measuring volume V is clamped.
  • an optical system in this case a diverging lens 6, into a diverging light bundle 2"', in the propagation direction through all cross-sectional units in which the light can be modulated Measuring volume V is clamped.
  • Cross-section units come and which thus a different transmission signal is impressed as a modulation.
  • Detector surface would meet, but not the laterally adjacent light beams 7a and 7c. It can be understood from the simplified illustration of FIG. 1 that depending on the local position of the detector, different light beams with differently impressed transmission signals strike the photosensitive detector surface, so that the total received signal detected by the detector 8 is divided by different portions of the individual available transmission signals is formed.
  • Measuring volume V a retroreflector 9 is arranged, all the light
  • the retroreflector 1 1 thus occurs depending on its position and position, ie its tilt to the propagation direction, light, which comes from a more or less large number of differently modulated cross-sectional units of the light beam 2 " .
  • This light is reflected back in the direction of the diverging lens 6 or the imaginary focus in front, then parallelized by the diverging lens 6 due to the direction reversal and then by the beam splitter 9 to the right in the direction of an outside of the measuring volume 2 "' Detector 8 reflected. Also there, just as in the case of FIG. 1, a sum reception signal is detected that the light beams entering and reflecting through the retroreflector from all the individual transmission signals are composed of different cross-sectional units.
  • FIG. 3 on the left side exemplarily shows three different ones of one
  • the detector 8 which is shown here in simplified form as a photodetector, thus assumes a signal dependent on the incident light intensity and converts this into an electrical measurement variable IPD (n), which represents a sum reception signal, in which all individual transmitted signal components detected at the detector are reflected.
  • the received sum receive signal IPD (n) is correlated with each of the individual transmit signals S used for the modulation, with a separate single correlation unit for each of these correlations 10 'can be provided.
  • the position and the position of the illuminated object ie, for example, with reference to FIGS illuminated detector 8 or located in the measurement volume retroreflector 9 can be calculated.
  • FIG. 4 shows, in sections perpendicular to the propagation direction or the optical axis of the divergent light beam 2 '', a respective snapshot of the light intensity distribution over all cross-sectional units in which a light intensity modulation takes place by means of a light modulator Within the respective cross section, the detector surface is marked as a square.
  • the cross section Q1 shows that on the light of the individual
  • Cross section units such a modulation is impressed, which represents a with time in a first direction X over the cross section Q1 running line L, within which line the light intensity is high and next to the line low or zero.
  • the representation of the cross-section Q1 by driving the individual pixels of the light modulator one here in the X direction, i. is generated from left to right running line, which is detected on its way across the cross section at the location of the detector, which is square here within the cross section, when this line of high light intensity sweeps over the photosensitive detector surface.
  • Signal height can be closed to the distance to the projection origin (lens focus) and to the position.
  • FIG. 4 further shows in the lower representations Q3, Q4 and Q5 that the measuring method can be carried out not only with a single line L running in a predetermined direction, but optionally also with several lines running simultaneously, whereby the direction of travel is basically arbitrary ,
  • a running line also provides a temporal modulation signal in each pixel
  • Cross-section unit wherein, however, the here arranged in a line next to each other and simultaneously driven pixels of the light modulator are driven in the temporal sequence with the same modulation signal.
  • the inventive method or system has the particular advantage of being used very universally and location-independent, since the measurement volume is generated only by the generated divergent and modulated over the cross section light beam and thus a corresponding projection unit basically installed at any location and used can.
  • positions or positions of basically any objects within the measurement volume can be determined, as long as these objects an object is fixed, with a predetermined illuminated object surface, to which it is possible to determine which transmission signals of the type described above
  • the detector itself can be directly attached to such an object to be observed, or else a reflector or retroreflector with which the light incident on it is reflected to a detector arranged outside the measuring volume.
  • FIG. 5 shows a possible example of carrying out a modulation.
  • the section through a light beam 2 ' perpendicular to the direction of propagation of the light is first shown as a circle.
  • This circle corresponds to a region of equal intensity, eg half the intensity related to the maximum in the center of the light beam, for example when the light beam has a Gaussian or similar intensity distribution.
  • an area M for modulation is selected, for example, by illuminating a light modulator with a modulation area M through the light beam 2 ' .
  • this illumination can take place both in an area in which the light propagates substantially in parallel as well as divergently. It is preferred that the
  • Modulation surface M of the light modulator is positioned in a central cross-sectional area of the light beam, in which the intensity with respect to the distance from the center of the bundle changes as little as possible.
  • the modulation area M may be divided into a plurality of pixels, e.g. in a DLP processor, the pixels are formed by mirrors.
  • the modulation area M is divided into a plurality of N x M cross-sectional units Qy.
  • Each cross-section unit may be formed by one or more pixels.
  • 5 ⁇ 5 pixels and therefore just as many cross-section units Q are assumed.
  • the individual pixels can be controlled by a higher-level control, so that each pixel can be switched such that either maximum or minimum light intensity is present in the cross-section unit Q defined by the pixel. This corresponds to a digital signal imprint in each cross-section unit Qy as
  • FIG. 5 shows, in a temporal sequence along the time axis t, the time changes of the light intensity in the cross-sectional units Qy, which corresponds to a transmission signal Sy impressed on each cross-sectional unit Qy.
  • each cross-sectional unit Q can be impressed with an individual transmission signal Sy.
  • FIG. 5A The illumination of an object, e.g. directly a detector 8 in the measurement volume V is shown in Figure 5A. It can be seen here that the surface of the object / detector 8 is illuminated by the light of a part of all cross-sectional units Q, whereby it follows that a recorded sum reception signal is the one
  • Transmitting signals of the cross-sectional units comprises, from which the light impinges on the object / the detector 8.
  • FIG. 6 shows several variants of a detector 8.
  • FIG. 6 shows a variant in which light-sensitive regions 8a are arranged only in the corners and the center of a square. In FIG. 6 right there are also several light-sensitive surfaces 8a in the central region.
  • the individual light-sensitive surfaces 8a may be e.g. be achieved by applying to a full light-sensitive surface of here e.g. square form a mask 8b is arranged, which is anderduchher only in some areas and with these
  • Partial areas defined the light-sensitive surfaces 8a. It is also possible that the light-sensitive surfaces 8a are each formed by a single detector.
  • detectors 8 which have different masks or even with several different geometries of mutually arranged detectors, it is possible to differentiate different objects within a measuring volume.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der Position und/oder Lage eines Objektes (8,11) in einem räumlichen Messvolumen (V), bei dem zur Ausbildung des Messvolumens (V) ein divergent propagierendes Lichtbündel (2"') über seinen Querschnitt zweidimensional mit einem Lichtmodulator (4) in einer vorbestimmten Anzahl von Querschnittseinheiten optisch moduliert wird, wobei den Lichtstrahlen (7a, 7b, 7c) jeder Querschnittseinheit eine insbesondere unterschiedliche zeitliche optische Modulation als Sendesignal (S) aufgeprägt wird und mit wenigstens einem Detektor (8) ein Summenempfangssignal (IPD) aller Sendesignale (S) derjenigen Lichtstrahlen (7a, 7b) erfasst wird, die auf ein Objekt (8,11) im Messvolumen (V) treffen und analysiert wird, welche der Sendesignale (S) zum Summenempfangssignal (IPD) beitragen, wobei aus der Analyse die Position und/oder die Lage des Objektes (8,11) im Messvolumen (V) bestimmt wird.

Description

Verfahren und System zur Bestimmung der Position und/oder Lage eines Objektes in einem räumlichen Messvolumen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder Lage eines Objektes in einem räumlichen Messvolumen. Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Verfahren und Systeme zur Bestimmung der Position oder Lage eines Objektes im Raum bekannt. Dabei wird unter der Bestimmung der Position das Ermitteln von drei Translationsfreiheitsgraden und unter der Bestimmung der Lage das Ermitteln von drei Rotationsfreiheitsgraden des Objektes verstanden. So besteht auf diese Art und Weise die Möglichkeit, nicht nur festzustellen, wo im Raum, d.h. im räumlichen Messvolumen ein Objekt angeordnet ist, sondern gleichzeitig auch, welche Orientierung das Objekt im Raum an dieser Position einnimmt.
Die dreidimensionale Lokalisierung von Objekten wird heutzutage in vielen Bereichen eingesetzt. Anwendungsgebiete sind die
• Qualitätssicherung, z. B. um Abweichungen von Produktionsdaten oder CAD- Daten zu kontrollieren,
• Automatisierungstechnik z. B. zur Lokalisierung von Effektoren an
Industrierobotern,
• Prozesstechnik und Logistik z. B. Verfolgung von autonomen
Flurförderfahrzeugen in Lager- und Produktionsstätten,
• Medizin und Medizintechnik, z. B. zur Lokalisierung von Patienten und
Operationsbesteck, insbesondere bei der computerassistierten Chirurgie sowie
• Mensch-Computer Interfaces sowie virtuelle und erweiterte Realitäten.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Abhängig von der Anwendung werden verschiedene Messverfahren eingesetzt. Zum einen existieren mechanisch basierte, taktile Verfahren als so genannte
Koordinatenmessgeräte - KMB, die mit Hilfe von Inkrementalmaßstäben und
Drehgebern mit einem Tastkopf die Fertigungsgenauigkeiten eines Werkstückes überprüfen können.
Zum anderen werden optisch basierte, berührungslose Verfahren eingesetzt. Diese Verfahren sind weit verbreitet, da es in vielen Anwendungsfällen von Vorteil ist, Messungen berührungslos durchzuführen. Diese Verfahren verwenden überwiegend photogrammetrische Verfahren oder Lasertracking-Verfahren, um Positionsmarker in einem a priori nicht bekannten Umfeld zu lokalisieren.
Bei photogrammetrischen Verfahren wird aus mindestens zwei, mit Spezialkameras, aufgenommenen Bildern über Trigonometrie die Position eines oder mehreren Positionsmarkers/n errechnet. Die Positionsmarker lassen sich in retroreflektierende, flächige Marken und retroreflektierende Kugelmarker unterscheiden. Die flächigen Marken bieten zusätzlich die Möglichkeit einer Codierung und lassen sich somit in der Auswertung explizit unterscheiden. Dieses Verfahren lässt sich auch für sich bewegende Marker einsetzen.
Nachteilig an den photogrammetrischen Verfahren sind die rechenintensive
Bildverarbeitung, die zuverlässige Auflösung der Korrespondenzen der Stereobilder bzw. Mehrbildaufnahmen sowie die Mehrdeutigkeiten von Konglomeraten von Markern. Ein Nachteil, der insbesondere bei handgeführten taktilen Tastern, exzentrischen Antasthilfen oder chirurgischem Operationsbesteck auftritt, ist eine mögliche Einschränkung der Bewegungsfreiheit durch die Größe und Anordnung von mehreren retroreflektierenden Kugelmarkern. Bei nicht stationären, also mobilen Systemen ist zudem eine Kalibration des Aufbaus unvermeidlich.
Lasertrackverfahren suchen in einem Inspektionsvolumen nach einem oder mehreren retroreflektierenden Markern und ermitteln mittels
Triangulation/Trilateration die Position im Raum. Durch Regelalgorithmen wird ein Verfolgen, also ein„Tracken" des Markers ermöglicht. Die zur trigonometrischen Berechnung erforderlichen Winkelinformationen werden über hochpräzise Drehgeber aufgenommen, die Abstandsinformationen hingegen durch Phasenmessverfahren des amplitudenmodulierten Laserstrahls. Ein Nachteil der trackenden Verfahren ist die begrenzte Nachführgeschwindigkeit des Laserstrahls bedingt durch die Trägheit des Systems, weshalb diese Verfahren überwiegend für statische Szenen und langsame Bewegungsabläufe verwendet werden können.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der Position und/oder Lage eines Objektes in einem räumlichen Messvolumen
bereitzustellen, welches vorgenannte Nachteile überwindet, somit insbesondere einfach auszuführen ist, eine hohe Genauigkeit bereitstellt und mit geringen
Rechenkapazitäten auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Ausbildung des Messvolumens ein divergent propagierendes Lichtbündel über seinen Querschnitt, insbesondere also senkrecht zur seiner Ausbreitungsrichtung, zweidimensional mit einem Lichtmodulator in einer vorbestimmten Anzahl von Querschnittseinheiten optisch moduliert wird, wobei den Lichtstrahlen jeder Querschnittseinheit eine zeitliche, insbesondere jeweils unterschiedliche zeitliche, optische Modulation als Sendesignal aufgeprägt wird und mit wenigstens einem Detektor wenigstens ein Summenempfangssignal aller Sendesignale derjenigen Lichtstrahlen erfasst wird, die auf ein Objekt im Messvolumen treffen und analysiert wird, welche der Sendesignale zu dem wenigstens einen Summenempfangssignal beitragen, wobei aus der Analyse die Position und/oder die Lage des Objektes im Messvolumen bestimmt wird.
Ein System, das zur Bestimmung der Position und/oder Lage eines Objektes in einem räumlichen Messvolumen gemäß dem vorgenannten Verfahren geeignet ist, umfasst somit erfindungsgemäß eine Lichtquelle und eine Optik, die zunächst dafür vorgesehen sind, ein divergent propagierendes Lichtbündel zu erzeugen. Weiterhin ist ein Lichtmodulator innerhalb des Systems vorgesehen, mit dem das Lichtbündel über seinen Querschnitt zweidimensional in einer vorbestimmten Anzahl von
Querschnittseinheiten, z.B. N x M Querschnittseinheiten, optisch modulierbar ist. Innerhalb einer solchen Querschnittseinheit erfolgt jeweils die identische optische Modulation des Lichtes, wobei die Modulationen des Lichtes in unterschiedlichen Querschnittseinheiten bevorzugt jeweils unterschiedlich sind und hierdurch den Lichtstrahlen jeder Querschnittseinheit somit eine jeweils unterschiedliche, zeitliche, optische Modulation als Sendesignal aufprägbar ist. In dieser Ausführung gibt es somit keine zwei oder mehr Querschnittseinheiten, in denen identische Modulation vorkommt. In einer Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass das Licht in wenigstens zwei Querschnittseinheiten identisch moduliert wird, z.B. in solchen Querschnittseinheiten, die in einer Linie nebeneinander angeordnet sind.
Es wird demnach das Messvolumen gebildet in Propagationsrichtung über alle Querschnittseinheiten, in denen eine zeitliche optische Modulation der Lichtstrahlen stattfindet. Bei einer Modulation innerhalb einer Querschnittsfläche aus N x M
Querschnittseinheiten ergibt sich somit ein im Wesentlichen pyramidales
Messvolumen, insbesondere bei einer quadratischen Modulationsfläche.
Es ist weiterhin in dem System wenigstens ein Detektor oder auch mehrere
Detektoren bzw. ein Detektor mit mehreren lichtempfindlichen Flächen vorgesehen, mit dem ein bzw. mehrere Summenempfangssignal/e aller Sendesignale derjenigen Lichtstrahlen erfassbar ist, die auf ein Objekt im Messvolumen treffen, um sodann mit einer im System ebenso vorgesehenen Auswerteeinheit, z.B. einer
Datenverarbeitungsanlage, der das/die Summenempfangssignal/e zugeleitet wird/werden, eine Analyse vorzunehmen, welche der Sendesignale zu dem /den Summenempfangssignal/en beitragen. Wie bereits zuvor zum Verfahren
beschrieben, ist die Analyseeinheit eingerichtet, um aus der Analyse, insbesondere somit der Feststellung der Größe des Beitrags der jeweiligen Sendesignale zu dem oder den Summenempfangssignal(en), die Position oder die Lage des Objektes im Messvolumen zu bestimmen.
Ein Detektor ist hier z.B. derart ausgebildet, dass er in der Lage ist, aus dem auftreffenden zeitlich modulierten Licht ein zeitabhängiges elektrisches Signal zu bilden. Z.B. handelt es sich um einen Detektor, der in der Lage ist, das elektrische Signal abhängig von der auf den Detektor auftreffenden Lichtintensität zu bilden. Ein solcher Detektor kann z.B. ein Summenempfangssignal bilden, in dem die einzelnen daz,u beitragenden Sendesignale zeitlich überlagert sind. Ein Detektor kann jedoch auch ein Summenempfangssignal bilden, in dem die Sendesignale oder Summen von Sendesignalen zeitlich hintereinander angeordnet sind. Z.B. können Detektoren aus pixelweise abtastenden Kamerasensoren, z.B. CCD oder CMOS-Sensoren ein solches Signal bilden.
Geeignete Detektoren können z.B. gebildet sein durch eine einzelne Photodiode, mehrere einzelne Photodioden, die konstruktiv in fester bekannter Konstellation zueinander stehen, einzelne segmentierte oder Mehrfachphotodioden (z.B.
Diodenarrays oder Quadranten-Photodioden), oder mehrere segmentierte oder Mehrfachphotodioden (z.B. Diodenarrays oder Quadranten-Photodioden), die konstruktiv in fester bekannter Konstellation zueinander stehen.
Der wesentliche Kerngedanke beruht darauf, dass ein sich in
Lichtpropagationsrichtung erweiterndes Messvolumen durch das divergent propagierende Lichtbündel aufgespannt wird, wobei jeder Querschnitt durch das Messvolumen quer, insbesondere senkrecht zur Propagationsrichtung die
Querschnittseinheiten umfasst, in denen eine optische, insbesondere
unterschiedliche optischen Modulation des Lichtes vorhanden ist. Ein Objekt, dass sich innerhalb des Messvolumens befindet, beispielsweise ortsfest angeordnet ist oder auch innerhalb des Messvolumens bewegt werden kann oder sich autonom bewegt, weist wenigstens eine vom Aufenthaltsort im Messvolumen in der Größe unabhängige Lichtauftreff- oder Lichteintrittsfläche auf, die von dem Licht des divergent propagierenden Lichtbündels und somit von Licht aus den verschiedenen Querschnittseinheiten beleuchtet ist. Das Licht, dass auf diese Fläche auftrifft oder in diese eintritt kann von dem wenigstens einen Detektor erfasst werden.
Je nachdem, in welchem Abstand die größenkonstante beleuchtete Fläche des Objektes zum Ursprung des projizierten divergent propagierenden Lichtbündels ist und/oder in welchem Winkel die beleuchtete Fläche des Objektes relativ zur
Ausbreitungsrichtung des Lichtes angeordnet ist, treffen Lichtstrahlen aus einer mehr oder weniger großen Anzahl von Querschnittseinheiten und/oder nur eines
bestimmten Teils von Querschnittseinheiten aus allen vorhandenen
Querschnittseinheiten zumindest zum Teil auf die beleuchtete Fläche des Objektes, so dass mit einem Detektor, der die Sendesignale aller auf das Objekt (dessen Eintrittsfläche / Auftreff-Fläche) treffenden Lichtstrahlen erfasst, insgesamt ein Summenempfangssignal aller Sendesignale aufgenommen wird, die an dem im räumlichen Messvolumen angeordneten Objekt ankommen.
Hierbei können auch Sendesignale zu einem Summensignal beitragen, wenn die Querschnittseinheit, aus der das Sendesignal stammt, mit der beleuchteten Fläche nicht vollständig, sondern nur zu einem Teil eine Überdeckung aufweist. Hierdurch ändert sich lediglich die Höhe des Beitrages des Sendesignals im Summensignal. Der Ursprung des Messvolumens bzw. des divergent propagierenden Lichtbündels ist dabei der Ort der Lichtbündelspitze, von dem aus sich das Lichtbündel divergent propagierend in den Raum ausbreitet. Wird ein solches Lichtbündel beispielsweise durch eine Linse oder einen gekrümmten Spiegel ausgebildet, so wird dieser Ursprung des Messvolumens durch den Fokus des Lichtbündels definiert, der bei einer fokussierenden Linse bzw. einem fokussierenden Hohlspiegel real vorhanden ist, bei einer Zerstreuungslinse oder einem konvexen Spiegel hingegen nur imaginär vorhanden ist, nämlich in Propagationsrichtung vor der Linse / dem Spiegel.
Unter der Annahme einer immer konstant großen beleuchteten Fläche (Eintrittsfläche / Auftrefffläche) des zu beobachtenden Objektes innerhalb des räumlichen
Messvolumens ist es somit ersichtlich, dass bei einer Anordnung des Objektes nahe am Ursprung des Lichtbündels Lichtstrahlen aus einer größeren Anzahl von
Querschnittseinheiten und somit mit einer höheren Anzahl von insbesondere verschiedenen Sendesignalen auftrifft als dies in einem weiter entfernten Abstand der Fall wäre.
Wird weiterhin bei einem z.B. angenommenen festen Abstand zum Ursprung des Messvolumens das Objekt senkrecht zur Propagationsrichtung des Lichts, translatorisch bewegt, und / oder um die Achse in Propagationsrichtung rotiert, so bleibt zwar die Gesamtanzahl der Querschnittseinheiten, die sich mit der
beleuchteten Objektfläche zumindest zum Teil überdecken und somit die Anzahl der insbesondere verschiedenen, auf das Objekt eintreffenden Sendesignale gleich, es ändert sich jedoch die Zusammensetzung der zum Summenempfangssignal beitragenden Sendesignale. Bei einer Verkippung der beleuchteten Objektfläche, insbesondere um zwei beliebige senkrecht zueinander befindliche Achsen, welche senkrecht zur
Lichtpropagationsrichtung sind, ändert sich sowohl die Anzahl der
Querschnittseinheiten, die sich mit der beleuchteten Objektfläche überdecken und somit die Anzahl der beitragenden Sendesignale als auch deren Zusammensetzung zum Summenempfangssignal.
Es besteht somit im Umkehrschluss die Möglichkeit, durch eine Analyse, welche von allen insgesamt zur Verfügung gestellten Sendesignalen auf der beleuchteten Objektfläche auftreffen und somit zum Summenempfangssignal beitragen, zu berechnen, wie die Position und/oder Lage des Objektes im Messvolumen ist.
Wird demnach ein erfindungsgemäß beleuchtetes Objekt an einem beliebigen Gegenstand angeordnet, so kann die Position und/oder Lage dieses Gegenstandes innerhalb des räumlichen Messvolumens bestimmt werden. Beispielsweise können Mess- und Prüfgeräte mit einem erfindungsgemäß beleuchteten Objekt ausgestattet werden, um die Position und/oder Lage eines solchen Gerätes zu bestimmen.
Ein Gegenstand ist ein beliebiger Körper, dessen Position und/oder Lage erfasst werden soll, welcher sich aber nicht vollständig im divergenten Lichtbündel befinden muss. Das Objekt ist unverrückbar/ortsfest mit dem Gegenstand verbunden und besitzt eine beleuchtete Fläche. Mit einem Detektor wird festgestellt, welche
Sendesignale aufgrund der Beleuchtung der Fläche im divergenten Lichtbündel auf die Fläche auftreffen. Hierzu kann die beleuchtete Fläche selbst lichtsensitiv, insbesondere vollflächig oder auch nur teilflächig lichtsensitiv sein und als Detektor ausgebildet sein. Die Fläche kann auch reflektiv, insbesondere retroreflektiv ausgebildet sein, so dass der genannte Detektor erst nach einer Reflektion beleuchtet ist und z.B. außerhalb des Lichtbündels angeordnet ist. Der Detektor liefert ein lichtintensitätsproportionales elektrisches Summenempfangssignal.
In einer möglichen Alternative einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass als das beleuchtete Objekt, das innerhalb des Messvolumens angeordnet ist, wenigstens ein Reflektor, insbesondere wenigstens ein Retroreflektor eingesetzt wird. Die beleuchtete Fläche des Objektes ist demnach bei einem solchen Reflektor gegeben durch die Lichteintritts- und -austrittsfläche des Reflektors, so dass je nach Abstand des Reflektors zum Ursprung und / oder Verkippung zur optischen Achse / Propagationsrichtung des Lichtes des divergenten Lichtbündels Licht aus einer mehr oder weniger großen Anzahl von Querschnittseinheiten in den Reflektor eintreten und durch diesen in der entgegengesetzten Richtung
zurückreflektiert wird.
So können mit einem Reflektor also diejenigen Lichtstrahlen aus dem Messvolumen heraus erfindungsgemäß auf wenigstens einen Detektor außerhalb des
Messvolumens reflektiert werden, die aus solchen Querschnittseinheiten stammen, die sich mit dem wirksamen Öffnungsquerschnitt des Reflektors zumindest zum Teil überdecken, wobei sodann mit dem wenigstens einen Detektor diese Lichtstrahlen und deren aufgeprägte Einzelsignale als vorgenanntes Summenempfangssignal erfasst werden.
Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass ein Detektor zur Erfassung des
Summenempfangssignals ortsfest außerhalb des Messvolumens angeordnet werden kann und somit eine an den Detektor nachfolgende Analyse oder Auswerteeinheit problemlos an diesen angeschlossen werden kann, ohne dass sich Probleme bei der elektrischen Signalführung ergeben.
Hier ist es als vorteilhaft anzusehen, dass es die technische Eigenschaft eines Retroreflektors ist, dass in einer bestimmten Richtung auf diesen einfallendes Licht exakt um 180 Grad zurückgeworfen wird, unabhängig davon, wie der Einfallswinkel des Lichtes relativ zum Retroreflektor liegt. Von dem Ursprung des Messvolumens ausgehende Lichtstrahlen werden demnach durch einen Retroreflektor, abgesehen von einem eventuellen Parallelversatz, immer in Richtung dieses Ursprungs des Messvolumens zurückreflektiert, so dass die Möglichkeit besteht, durch einen
Strahlteiler das zurückreflektierte Licht aus der entgegengesetzten
Propagationsrichtung in die Richtung zu einem Detektor umzulenken.
Hierbei kann ein solcher Strahlteiler bevorzugt zunächst durch das im Querschnitt modulierte Licht durchlaufen werden, welches anschließend durch eine Optik, z.B. durch eine Zerstreuungslinse aufgeweitet wird, um ein divergent propagierendes Lichtstrahlenbündel zu erzeugen. Beispielsweise kann hierfür der Strahlteiler innerhalb des Fokus einer Linse oder eines Spiegels, z.B. innerhalb des imaginären Fokus einer Zerstreuungslinse angeordnet sein.
Das durch den Retroreflektor zurückreflektierte Licht wird demnach immer in die Richtung zu diesem Fokus und somit immer zu dem Strahlteiler zurückreflektiert, so dass mit diesem somit unabhängig davon, wo sich der Retroreflektor im
Messvolumen befindet, das vom Retroreflektor zurückreflektierte Licht mit allen seinen Sendesignalanteilen auf einen Detektor umgelenkt werden kann, mit dem sodann das Summenempfangssignal als Summe aller auftreffenden Sendesignale erfasst wird. Ein Retroreflektor kann z.B. als Folienreflektor / Reflexionsstreifen ausgebildet sein oder auch als transparenter Glas- oder Kunststoff-Körper.
In einer anderen alternativen Ausführung kann es ebenso vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Detektor oder z.B. ein Detektor mit einer oder mehreren
lichtempfindlichen Flächen das beleuchtete Objekt innerhalb des Messvolumens selbst ausbildet. So weist demnach ein solcher Detektor eine oder mehrere lichtempfindliche Flächen auf, die in Abhängigkeit des Abstands und/oder der Verkippung des Detektors von Licht aus mehr oder weniger Querschnittseinheiten unmittelbar beleuchtet wird, so dass mit dem Detektor diejenigen Lichtstrahlen und deren aufgeprägte Sendesignale erfasst werden können, die aus solchen
Querschnittseinheiten stammen, die sich mit dem Öffnungsquerschnitt des wenigstens einen Detektors bzw. den Öffnungsquerschnitten mehrerer Detektoren oder einer oder mehrerer Detektorflächen eines Detektors wenigstens zum Teil überdecken.
So wird auch bei einem derart ausgestatteten System, bei dem der Detektor selbst das beleuchtete Objekt bildet und somit der Detektor innerhalb des Messvolumens bewegt werden kann, ein jeweiliges Summenempfangssignal erfasst, das hinsichtlich seiner Sendesignalanteile der eingangs beschriebenen Analyse unterzogen werden kann. Bei, dieser Ausführung ist es jedoch im Gegensatz zu der vorherigen Gestaltung notwendig, dass ein Detektor eine flexible Signalführung, z.B. eine flexible
Verkabelung zu einer Auswerteeinheit oder eine Funkübertragung der erfassten Summensignale oder daraus berechneter Daten zu einer Auswerteeinheit aufweist, um die beliebige Positionierung des Detektors innerhalb des Messvolumens zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, in einem System zur Durchführung des Verfahrens ein zunächst zumindest im Wesentlichen paralleles Lichtbündel zu erzeugen, beispielsweise mit einer Laserlichtquelle, wobei dieses Laserlichtbündel sodann über den Querschnitt optisch moduliert wird.
Hierzu kann mit dem zumindest im Wesentlichen parallelen Lichtbündel z.B. ein flächiger Lichtmodulator beleuchtet werden, der in einer zweidimensionalen Matrix in N mal M ansteuerbare Pixel unterteilt ist, so dass eine jede der vorgenannten Querschnittseinheiten durch wenigstens ein solches ansteuerbares Pixel des Lichtmodulators definiert wird.
Durch die Ansteuerung eines Pixels kann hierbei erfindungsgemäß die
Lichtmodulation erzeugt werden, so dass ein einzelnes Pixel eines solchen
Lichtmodulators die kleinstmögliche Querschnittseinheit bildet, in der eine innerhalb der Querschnittseinheit immer gleiche Modulation erzeugbar ist.
Selbstverständlich ist es möglich, innerhalb der vielen einzelnen Pixel eines
Lichtmodulators Pixelgruppen zusammenzufassen, in denen ein- und dieselbe Modulation und somit dasselbe Sendesignal erzeugt wird. Es wird sodann eine Querschnittseinheit durch eine größere Anzahl von Pixeln im Vergleich zu einem Einzelpixel definiert, z.B. durch eine Pixelgruppe mit rechteckiger
Gesamtflächengestalt.
Ein solcher in einzelne ansteuerbare Pixel unterteilter Lichtmodulator kann je nach Ausführung beispielsweise in Transmission oder Reflektion betrieben werden. Ein Beispiel eines solchen in Pixel unterteilten Lichtmodulators, der in Reflektion betrieben wird, ist ein digitaler Lichtprozessor, DLP (digital light processor), wie er beispielsweise von der Firma Texas Instruments angeboten wird. Hier werden die einzelnen ansteuerbaren Pixel durch viele einzelne Spiegelelemente ausgebildet, die durch Ansteuerung individuell verkippt werden können, so dass durch eine solche Ansteuerung der Pixel festgelegt werden kann, ob auf ein solches Pixel, d.h. ein Spiegelelement auftreffendes Licht in einer bestimmten Richtung abgelenkt wird oder nicht. Die Modulation des Lichtes kann so beispielsweise durch eine digitale
Ansteuerung der Pixel bzw. der einzelnen Spiegelelemente erfolgen, um so in einer zeitlichen Folge das Licht in einer durch die Pixel definierten Querschnittseinheit an- oder auszuschalten.
Eine andere Möglichkeit, einen Lichtmodulator einzusetzen, ergibt sich durch in Pixel unterteilte LCDs, d.h. Flüssigkristalleinheiten, die sodann üblicherweise in
Transmission betrieben werden. Hier wird durch die einzelnen ansteuerbaren Pixel die Polarisation und/oder Phase des transmittierten Lichtes geändert, so dass durch die Ansteuerung innerhalb einer durch die Pixel definierten Querschnittseinheit unterschiedliche Sendesignale durch das Aufprägen verschiedener Phasen und/oder Polarisationen möglich sind, wobei diese gegebenenfalls durch Nachschaltung eines Polarisators bzw. in dieser Anwendung als Analysator betriebenen optischen
Elementes eine Lichtintensitätsänderung individuell in jeder Querschnittseinheit erzeugt werden kann.
In einer wiederum anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, die
Modulation innerhalb der Querschnittseinheiten derart durchzuführen, dass die Wellenlänge oder spektrale Zusammensetzung des Lichtes modulierend geändert wird. Hierfür kann es vorgesehen sein, als Lichtquelle eine solche mit einer hohen Wellenlängenbandbreite einzusetzen, z.B. eine sogenannte Weißlichtquelle, so dass aus deren Gesamtspektrum Wellenlängenanteile zur Propagation in den jeweiligen Querschnittseinheiten ausgefiltert werden können.
Eine solche Wellenlängenfilterung kann z.B. durch mehrere LCD-Einheiten erfolgen, die jeweils von einem Teillichtbündel des erzeugten Lichts durchlaufen werden, welche sodann zu einem Gesamtlichtbündel überlagert werden, wobei jede der LCD- Einheiten einem bestimmten Wellenlängenbereich (z.B. den sogenannten Grundfarben) zugeordnet ist, z.B. wie es von LCD-Video-Projektoren bekannt ist.
Das über den Querschnitt in einer Vielzahl von Querschnittseinheiten modulierte Licht, insbesondere jeweils unterschiedlich modulierte Licht, bei dem somit in jeder Querschnittseinheit insbesondere unterschiedliche, sich gegebenenfalls zeitlich periodisch wiederholende Sendesignale aufgeprägt sind, kann sich sodann entweder nach Transmission oder nach Reflektion je nach Art des eingesetzten
Lichtmodulators weiter zunächst im Wesentlichen parallel ausbreiten, um sodann mit einer Optik, z.B. einer Zerstreuungslinse oder einer Spiegeloptik, in ein
divergierendes Lichtbündel geformt zu werden.
Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die Aufweitung des parallelen Lichtbündels in Ausbreitungsrichtung vor dem Lichtmodulator zu erzeugen, diesen also direkt mit dem divergenten Lichtbündel zu beleuchten.
Ein solches divergentes Lichtbündel kann z.B. auch direkt durch die Lichtquelle erzeugt sein, insbesondere wenn die Lichterzeugung im Wesentlichen punktförmig ist. So können als Lichtquellen auch Leuchtdioden, Laserdioden, Halogenleuchtmittel etc. zum Einsatz kommen. Das Licht einer solchen Lichtquelle kann somit ggfs.
sofort zur Beleuchtung eines Lichtmodulators verwendet werden, Auch kann es vorgesehen sein, dieses Licht zuvor zu parallelisieren und anschließend wieder aufzuweiten.
Beispielsweise kann als Lichtquelle, Optik und Lichtmodulator auch eine bauliche Einheit verwendet werden. Diese kann z.B. durch einen DLP- oder LCD-Projektor bzw. -Beamer ausgebildet sein.
Bei der Beleuchtung eines Lichtmodulators sowohl in Transmission als auch in Reflektion ist es vorteilhaft, wenn gegebenenfalls zunächst das durch die Lichtquelle erzeugte Lichtbündel, beispielsweise das durch einen Laser im Wesentlichen parallel erzeugte Lichtbündel so aufgeweitet wird, dass ein Lichtmodulator mit seiner in Pixel unterteilten Modulationsfläche mit einem Kernbereich des aufgeweiteten
Lichtbündels beleuchtet wird, insbesondere einem solchen Kernbereich, über den sich die Lichtintensität wenig ändert, insbesondere zumindest weniger als auf die Hälfte der Intensität im Zentrum.
Es ist dabei für das System weiterhin erforderlich, dass zumindest der einer
Modulation unterzogene Querschnittsbereich des ursprünglich erzeugten, z.B. im Wesentlichen parallelen und bevorzugt aufgeweiteten Lichtbündels aufgeweitet wird, da das Messvolumen im Wesentlichen nur durch die Summe aller, durch den
Lichtmodulator definierten Querschnittseinheiten in Propagationsrichtung ausgebildet wird.
Bei einer entsprechend eingesetzten Optik zur Erzeugung eines divergenten
Lichtbündels wird somit bei z.B. quadratischer Ausbildung eines Lichtmodulators aus N mal N Pixeln ein pyramidales Messvolumen gebildet. Dabei ist die geometrische Form des Messvolumens für das eingesetzte Verfahren bzw. System irrelevant, soweit die geometrische Form bekannt ist, da diese Form für die Bestimmung der Position und Lage des im Messvolumen beleuchteten Objektes maßgeblich ist.
Wie zuvor beschrieben, kann es in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass sich das Sendesignal, d.h. die Modulationsfolge, mit der die Lichtstrahlen innerhalb einer betrachteten Querschnittseinheit moduliert sind, zeitlich periodisch wiederholt. Dies hat den Vorteil, dass auch Bewegungen des beleuchteten Objektes innerhalb des Messvolumens erfasst werden können, insbesondere dann, wenn eine mehrfache / vielfache Wiederholung pro Sekunde erzielt wird.
Das Sendesignal selbst, das innerhalb einer jeden Querschnittseinheit auf die
Lichtstrahlen dieser Querschnittseinheit aufgeprägt wird, kann beispielsweise als analoge oder auch als digitale Modulation ausgeführt sein, wie zuvor genannt beispielsweise als Modulation der Intensität, der Phase oder Polarisation oder der Wellenlänge bzw. eines Wellenlängenbereichs der Lichtstrahlen einer jeden solchen Querschnittseinheit. Eine digitale Modulation ist dabei besonders vorteilhaft bei dem eingangs genannten Lichtmodulator, der als DLP-Chip mit einer Vielzahl an steuerbaren Spiegeleinheiten ausgebildet ist. Eine analoge Modulation kann beispielsweise auch durch in Transmission betriebene Flüssigkristallelemente erzielt werden, da dort Polarisationsdrehungen bzw.
Phasenverschiebungen kontinuierlicher Art und somit auch analog erzeugbar sind.
Sofern eine Intensitätsmodulation eingesetzt wird, kann es bevorzugt vorgesehen sein, durch geeignete Maßnahmen dafür Sorge zu tragen, dass etwaige
Störeinflüsse der Umgebung z. B. hervorgerufen durch Umgebungslicht jeglicher Form, wie natürliches Sonnenlicht, künstliche Beleuchtungsquellen, thermische Strahler, kompensiert und/oder unterdrückt werden bzw. ihre Einflussnahme durch geeignete Codierung der Sendesignale minimiert wird. Ersteres kann
erfindungsgemäß durch optische und/oder elektrische und/oder digitale Filter und/oder Kompensationsmechanismen erreicht werden.
Zur Unterdrückung von Störlichteinflüssen kann es z.B. vorgesehen sein, dass auf das gesamte Lichtbündel eine Modulation, bzw. zumindest auf alle verwendeten Querschnittseinheiten zusätzlich zur jeweils individuellen Modulation eine
gemeinsame Modulation aufgeprägt wird, insbesondere eine Amplitudenmodulation bzw. Intensiätsmodulation einer vorbestimmten, bekannten Frequenz. Das
elektrische Summenempfangssignal kann sodann hinsichtlich dieser Frequenz gefiltert werden, z.B. mit einem Bandpass und/oder Hochpass, so dass andere Frequenzanteile und somit Störlichtanteile unterdrückt werden.
Hierbei sind die Frequenz dieser zur Störungsunterdrückung eingesetzten
Modulation und die zur Störungsunterdrückung vorgenommene Frequenzfilterung des Summenempfangssignals so aufeinander abzustimmen, dass die Anteile im Summenempfangssignal, die auf den Modulationen der individuellen Sendesignale in den Querschnittseinheiten beruhen, ungehindert diese Frequenzfilterung
durchlaufen.
Unabhängig von der Störlichtunterdrückung oder gemeinsam mit dieser kann dieselbe Modulation auch verwendet werden, um eine Phasenverschiebung zwischen der Modulation in einem Ansteuersignal eines Modulators und der
Modulation im Summenempfangssignal zu ermitteln, die durch die Lichtpropagation zwischen dem Modulator und dem Detektor entsteht. Aus der festgestellten Phasenverschiebung kann zusätzlich oder in einem der Messung mit individuellen Sendesignalen vorgelagerten Schritt eine Entfernungsmessung zwischen Modulator / Lichtquelle und Detektor bzw. Objekt im Messvolumen erfolgen. Z.B. kann auch in Abhängigkeit der so festgestellten Entfernung ausgewählt werden, welche Pixel des zweidimensionalen Lichtmodulators zur Modulation der Querschnittseinheiten in einem nachfolgenden Schritt angesteuert werden.
Eine Analyse der zum Summenempfangssignal beitragenden Sendesignale kann z.B. durchgeführt werden durch eine Korrelation, insbesondere eine Kreuzkorrelation von Summenempfangssignal und allen Sendesignalen, die bei der Durchführung der Modulation über den Querschnitt zum Einsatz kommen.
Insbesondere das Prinzip der Kreuzkorrelation, das dem Fachmann bekannt ist, liefert somit als Ergebnis eine Information darüber, welche Sendesignale aus allen verwendeten Sendesignalen innerhalb des Summenempfangssignals vorhanden sind, so dass aus dieser Information die Position und/oder Lage des Objektes im Messvolumen bestimmbar ist.
Eine alternative Analysemethode kann auch in der Fouriertransformation des
Summenempfangssignals erkannt werden, insbesondere wobei diese Methode zum Einsatz kommen kann, wenn die einzelnen Sendesignale individuelle periodischen Intensitäts-, und/oder Phasen- und/oder Polarisationsänderungen beinhalten. Ein Maß für die Periodizität ist die Frequenz.
Eine Analyse der Frequenzanteile des Summensignals kann mittels der
Fouriertransformation erfolgen, aus der unmittelbar die einzelnen, zum
Summensignal beitragenden Frequenzen ausgelesen werden können. Aus der Kenntnis der Frequenzcodierung innerhalb der Querschnittseinheiten kann die Position innerhalb einer Querschnittsebene senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung bzw. zur optischen Achse ermittelt werden und aus den enthaltenen
Frequenzanteilen und/oder deren Amplitude ist der Abstand zum
Projektionsursprung bestimmbar. Die Analysemethode ist somit auch abhängig von der eingangs benutzten Modulationsmethode. Grundsätzlich kann jede Analysemethode verwendet werden, mit der die Möglichkeit besteht, die Anteile der Sendesignale der
Querschnittseinheiten im Summenempfangssignal festzustellen.
Sind die zum Summenempfangssignal beitragenden Sendesignale bei der Analyse ermittelt worden, so kann mittels mathematischer Methoden, wie beispielhaft
Interpolation, Ausgleichsrechnung, Nachbarschaftsalgorithmen,
Koordinatentransformation, innerhalb einer Verarbeitungseinheit, wie einer
Analyseeinheit oder einer sonstigen Datenverarbeitungsanlage, eine Information über die drei Translationsfreiheitsgrade und/oder die drei Rotationsfreiheitsgrade des Objektes relativ zum Projektionsursprung des divergenten Lichtbündels ermittelt werden.
Dabei ist es im Wesentlichen vorgesehen, dass innerhalb der Verarbeitungseinheit eine Information darüber vorliegt, wie die geometrische Unterteilung des
Lichtbündels in unterschiedlich optisch modulierte Querschnittseinheiten erfolgt, also insbesondere in welcher Größe und Auflösung die Pixel des eingesetzten
Lichtmodulators angeordnet sind und welche Divergenz durch die zuvor benannte Optik bei dem sich divergent ausbreitenden Lichtbündels erzielt wird.
Darüber hinaus ist es vorgesehen, in dem System eine Information darüber vorzuhalten, beispielsweise innerhalb einer Analyse- oder Datenverarbeitungseinheit eine Information zu speichern, wie die einzelnen Sendesignale über die modulierte Querschnittsfläche verteilt angeordnet sind. Erst hierdurch kann durch den Wegfall und das Hinzutreten bestimmter Sendesignale in das Summenempfangssignal auf die Position und/oder Lage sowie gegebenenfalls eine Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit geschlossen werden.
Da über die Größe einer vorgegebenen Detektorfläche eine Vielzahl von
Querschnittseinheiten mit der Detektorfläche überdeckt sind, wird insbesondere ein mittlerer Detektorflächenanteil mit einer Vielzahl von Sendesignalen beaufschlagt, deren Anteil zum Summensignal sich bei einer Bewegung, beispielsweise einer Translation oder auch einer Rotation der Detektorfläche, sich nur unwesentlich oder gar nicht ändert.
Vielmehr ist es so, dass gerade die Detektorrandbereiche mit hoher Sensibilität die in die beleuchtete Fläche, z.B. Detektorfläche ein- oder aus dieser austretenden
Sendesignale erfassen. Es ist daher in einer vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung vorgesehen, einen mittleren Bereich einer lichtempfindlichen
Detektorfläche eines eingesetzten Detektors oder auch eines Retroreflektors optisch auszumaskieren, so dass dieser mittlere Bereich und die darauf eintreffenden
Sendesignale nicht zum Summenempfangssignal beitragen. Der Rechenaufwand zur Ermittlung der zum Summenempfangssignal beitragenden einzelnen Sendesignale kann so reduziert werden.
Insbesondere kann weiterhin durch geeignete Maskierung der Detektorfläche bzw. der Reflektorfläche respektive Retroreflektorfläche als Codierung eine
Unterscheidung mehrerer, sich simultan im Messvolumen befindenden Objekte erreicht werden.
Alternativ besteht selbstverständlich die Möglichkeit, bereits originär bei einem
Detektor die lichtempfindliche Fläche mit einer mittigen Aussparung zu versehen, somit also die lichtempfindliche Fläche im Wesentlichen rahmenförmig oder kreisringförmig auszubilden oder aber die lichtempfindlichen Flächenbereiche gemäß einer gewünschten Geometrie anzuordnen.
In einer Weiterbildung der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, in einem ersten Schritt des Verfahrens zur Position und/oder Lagebestimmung des Objektes eine Gruppe aus mehreren Pixeln, insbesondere eine quadratische oder rechteckige Anordnung aus mehreren Pixeln eines Lichtmodulators hinsichtlich der Ansteuerung zusammenzufassen, so dass durch diese Gruppe eine Querschnittseinheit gebildet wird, in welcher das Licht mit ein- und derselben Modulation versehen wird.
So ergibt sich im Vergleich zur grundsätzlich bereitstehenden Gesamtanzahl aller möglichen Pixel eine demgegenüber reduzierte Anzahl von Querschnittseinheiten, so dass bei der Durchführung des Verfahrens, wie es zuvor beschrieben ist, die Position und/oder Lage eines beleuchteten Objektes innerhalb des Messvolumens zunächst mit einer vergleichsweise groben Auflösung ermittelt wird.
Ist mit diesem ersten Verfahrensschritt die grobe Position und/oder Lage innerhalb des Messvolumens bekannt, so kann es vorgesehen sein, mit einer höheren
Auflösung, d.h. mit einer Definition von Querschnittseinheiten durch eine im
Vergleich geringere Anzahl von Pixeln, insbesondere durch ein einzelnes Pixel des Lichtmodulators, eine feinere Positionsbestimmung vorzunehmen.
Bei diesem zweiten Schritt kann es vorgesehen sein, dass nur solche Pixel aus der Anzahl aller Pixel des Lichtmodulators angesteuert werden, die zu einer Modulation des Lichtes im gesamten definierten Messvolumen nur in einer Umgebung um die zuvor grob bestimmte Position beitragen.
Es wird demnach bei der durchzuführenden Modulation und der nachfolgenden Analyse beispielsweise nur eine Teilfläche eines in N mal M Pixel unterteilten
Lichtmodulators angesteuert, um die Position und/oder Lage mit einer hohen
Genauigkeit in der Umgebung der zuvor bestimmten groben Position und/oder Lage zu bestimmen.
Ein solches Verfahren hat Vorteile hinsichtlich der Geschwindigkeit der Durchführung und der benötigten Rechenkapazitäten bei der Analyse im Vergleich zu einer
Durchführung des Verfahrens, bei welchem mit einer maximalen Auflösung, d.h. der Definition einer Querschnittseinheit durch ein einzelnes Pixel des Lichtmodulators über die gesamte zur Verfügung stehende Modulationsfläche des Lichtmodulators das Verfahren durchgeführt wird.
In einer Ausführung, die sowohl alleinig als auch insbesondere als zweiter oder mehrfach wiederholter Schritt nachfolgend zu einer vorherigen groben
Positionsbestimmung gemäß der vorherigen Beschreibung zum Einsatz kommen kann, kann es vorgesehen sein, dass in zeitlicher Folge ein über den Querschnitt des divergierenden Lichtbündel wanderndes Linienmuster mit dem Lichtmodulator erzeugt wird. Dabei kann ein solches Linienmuster auch durch zunächst eine in einer ersten Richtung und dann in weiteren insbesondere dazu senkrechten und/oder diagonalen Richtungen zeitlich laufende Linien dargestellt werden. Dabei ist es durch die Ansteuerung des Lichtmodulators zu jeder Zeit bekannt, welche
Querschnittseinheiten in einer Linie innerhalb des Messvolumens angesteuert sind, so dass durch die einfache Tatsache des Entstehens eines Summensignals am Detektor die Position des Detektors innerhalb des Messvolumens bestimmbar ist.
Hierbei entspricht das Erzeugen einer in einer vorbestimmten Richtung laufenden Lichtlinie dem Erzeugen eines Sendesignals, wie es zuvor beschrieben wurde, wobei jedoch die in einer Linie nebeneinander angeordneten Querschnittseinheiten durch dasselbe Sendesignal angesteuert sind.
Alternativ zu den vorangegangenen zweischrittigen Verfahren kann eine bevorzugte Ausführungsform auch als mehrschrittiges Verfahren zur sukzessiven Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung der Position und/oder Lage ausgeführt werden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann es auch vorgesehen sein, dass zwischen aufeinanderfolgenden Messungen die Querschnittseinheiten, die mit insbesondere unterschiedlichen Sendesignalen moduliert werden, insbesondere unter Beibehaltung von deren geometrischen Anordnungen untereinander, bzw. das durch diese Querschnittseinheiten definierte Messvolumen versetzt bzw. verschoben werden/wird, insbesondere relativ zum Lichtstrahlenbündel oder zum Detektor.
In einer möglichen Ausführung kann dies dadurch erfolgen, dass die
Querschnittseinheiten über die Fläche des zweidimensionalen Modulators versetzt bzw. verschoben werden.
Allgemein gilt, dass die Querschnittseinheiten jeweils durch zumindest ein Pixel, ggfs. jeweils durch eine Gruppe von mehreren Pixel gebildet werden.
So wird in einem Messschritt beispielsweise eine Qede) Querschnittseinheit durch eine bestimmte Pixelgruppe gebildet und in einem nachfolgenden Messschritt durch eine andere Pixelgruppe, die mit der vorherigen zumindest teilweise insbesondere größtenteils überlappt, d.h. dass bevorzugt der größte Teil der Pixel einer
nachfolgenden Pixelgruppe auch Teil der vorherigen Pixelgruppe ist. Beispielsweise kann von Messschritt zu Messschritt eine Pixelgruppe um eine Pixelbreite oder auch größere Pixelbreiten versetzt werden, insbesondere in einer oder auch zwei
Dimensionen/Raumrichtungen. Die Pixelgruppen wandern somit über die
Modulatorfläche. Es ändert sich so die Lage der Querschnittseinheiten bzw. des Messvolumens gegenüber dem Detektor zwischen zwei aufeinander folgenden Messschritten.
In einer anderen Ausführung kann eine relative Versetzung der
Querschnittseinheiten bzw. der diese definierenden Pixel oder Pixelgruppen zum Detektor, dadurch erfolgen, das das Messvolumen gegenüber dem Modulator und/oder Detektor hinsichtlich seines Strahlenganges zwischen zwei Messschritten bewegt wird. Dies kommt einer Versetzung der Querschnittseinheiten gleich.
Hierdurch sind auch Versetzungen in Größen kleiner als die kleinste Pixelabmessung möglich, also z.B. auch Viertelpixel- oder Halbpixel-Versetzungen. Erfolgen kann eine solche Versetzung der Querschnittseinheiten durch die Bewegung des
Messvolumens relativ zum Detektor mittels eines ansteuerbaren optischen
Elementes, das Teil des Strahlenganges der Lichtstrahlen ist, die das Messvolumen definieren, insbesondere also der Lichtstrahlen, die in den Querschnittseinheiten moduliert werden. Z.B. kann das Lichtstrahlenbündel nach dem Modulator über einen ansteuerbaren Spiegel abgelenkt werden, dessen Ausrichtung zwischen zwei Messungen geändert wird, ggfs. in Sub-Pixel-Auflösung, z.B. durch Montage wenigstens eines Piezo-Elementes am Spiegels, welches die Verkippung des Spiegels verändert.
In wiederum anderer Ausführung kann der Modulator, insbesondere der
durchleuchtet oder auch reflektiv betrieben wird, auf einer Verschiebeeinheit montiert sein, die durch wenigstens ein Signal ansteuerbar ist, um den Modulator in
wenigstens einer Raumrichtung, ggfs. zwei Raumrichtungen, bevorzugt in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Lichtstrahlenbündels zu verschieben. Auch hier kann die Verschiebeeinheit bzw. der Modulator z.B. durch wenigstens einen Piezoantrieb bewegt werden, insbesondere ebenso in Sub-Pixel-Auflösung. Auch diese Ausführung versetzt die Querschnittseinheiten bzw. das durch diese definierte Messvolumen relativ zum Detektor. Es besteht durch diese vorgenannten Ausführungen die Möglichkeit, mit aufeinander folgenden mehreren Messschritten die Auflösung bzw. Genauigkeit der
Positionsbestimmung zu verbessern.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 eine Ausführungsform, bei der ein lichtempfindlicher Detektor innerhalb des Messvolumens das beleuchtete Objekt ausbildet
Figur 2 eine Ausführungsform, bei welcher der beleuchtete Detektor außerhalb des Messvolumens angeordnet ist
Figur 3 eine Visualisierung des Korrelationsmessprinzips
Figur 4 die Verfahrensdurchführung mit einem laufenden Linienmuster bei der
Beleuchtung des Objektes
Figur 5 Eine Darstellung der Modulation in Querschnittseinheiten
Figur 5A Eine Darstellung eines beleuchteten Objektes/Detektors
Figur 6 Varianten von Detektoren bzw. beleuchteten Flächen
Die Figur 1 visualisiert in einer schematischen Darstellung ein System zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Erkennbar ist bei der Figur 1 der Einsatz eines Lasers 1 als Lichtquelle, wobei der Laser 1 ein zunächst im
Wesentlichen paralleles Lichtbündel 2 erzeugt. Hierbei wird unter dem im
Wesentlichen parallelen Lichtbündel verstanden, dass das Laserlicht eine im
Wesentlichen nur durch die Beugungsbegrenzung bedingte geringe Divergenz aufweist.
Hier ist es bei der beschriebenen Ausführung vorgesehen, durch ein
strahlaufweitendes Objekt 3 ein im Vergleich zum ursprünglichen Lichtbündel 2 im Querschnitt vergrößertes Lichtbündel 2' zu erzeugen. Dies kann beispielsweise durch eine Teleskopoptik realisiert werden, wobei weiterhin die Divergenz des aufgeweiteten Lichtbündels 2' geringer ist als die des Lichtbündels 2, so dass nachfolgend mit dem aufgeweiteten Lichtbündel 2' eine zur Lichtmodulation fähige Fläche eines Lichtmodulators 4 beleuchtet werden kann, wobei die Figur 1 den Einsatz eines Lichtmodulators in Reflektion zeigt, so dass der Lichtmodulator z.B. durch einen DLP-Chip ausgebildet sein kann, der eine Vielzahl von ansteuerbaren Spiegelelementen als ansteuerbare Pixel aufweist.
Die Ansteuerung der einzelnen Pixel kann durch eine separat angeordnete
Pixelansteuerung 5 erfolgen, so dass abhängig von der Stellung der einzelnen Pixel des Lichtmodulators 4 das Licht an jedem Ort eines Pixels in die Richtung des abgelenkten Lichtbündels 2" reflektiert werden kann. Durch eine zeitlich
aufeinanderfolgende Ansteuerung eines jeden einzelnen Pixels besteht somit die Möglichkeit, über den Querschnitt des abgelenkten Strahlenbündels 2" eine in der Querschnittsfläche ortsabhängige Lichtmodulation zu erzeugen, wobei eine
Querschnittseinheit des abgelenkten Strahlenbündels 2", in dem eine immer gleichbleibende Modulation aufgrund der Ansteuerung erfolgt, durch wenigstens ein einzelnes Pixel des Lichtmodulators 4 definiert ist.
Es kann so in jedem der einzelnen Querschnittseinheiten eine unterschiedliche, bevorzugt sich zeitlich wiederholende Modulation erzeugt werden, die in jeder Querschnittseinheit als ein dem dort propagierenden Licht aufgeprägtes Sendesignal verstanden werden kann.
Das nach der erfolgten Lichtmodulation zunächst noch weiterhin im Wesentlichen parallel propagierende Lichtbündel 2" wird nachfolgend durch eine Optik, hier eine Zerstreuungslinse 6, in ein divergierendes Lichtbündel 2"' geformt, wobei durch alle Querschnittseinheiten, in denen das Licht modulierbar ist, in Propagationsrichtung ein Messvolumen V aufgespannt wird.
Zur Verdeutlichung des Verfahrens werden nachfolgend drei exemplarische
Lichtstrahlen 7a, b und c betrachtet, die alle aus verschiedenen
Querschnittseinheiten stammen und denen somit ein jeweils unterschiedliches Sendesignal als Modulation aufgeprägt ist.
Bei der hier dargestellten Detektorverkippung des Detektors 8 mit einer
lichtempfindlichen Frontfläche ist erkennbar, dass nur die Lichtstrahlen 7a und 7b die Detektorfläche treffen, nicht hingegen der Strahl 7c. Wäre hingegen der Detektor statt der hier eingezeichneten Verkippung um den Winkel ω mit seiner lichtempfindlichen Fläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung orientiert, so würde auch der Lichtstrahl 7c auf die Detektorfläche auftreffen.
Darüber hinaus ist es erkennbar, dass aufgrund der Divergenz bei einem größeren Abstand des Detektors 8 zur Zerstreuungslinse 6 bzw. dem in Propagationsrichtung vor der Linse liegenden imaginären Fokus nur noch der Lichtstrahl 7b die
Detektorfläche treffen würde, nicht jedoch mehr die seitlich daneben liegenden Lichtstrahlen 7a und 7c. So ist es anhand der hier vereinfachten Darstellung der Figur 1 verständlich, dass in Abhängigkeit der örtlichen Position des Detektors jeweils unterschiedliche Lichtstrahlen mit unterschiedlich aufgeprägtem Sendesignal die lichtempfindliche Detektorfläche treffen, so dass das jeweils von dem Detektor 8 erfasste Summenempfangssignal durch unterschiedliche Anteile der einzelnen, insgesamt zur Verfügung stehenden Sendesignale gebildet wird.
Dasselbe Prinzip gilt in gleicher Weise für die Systemdarstellung der Figur 2, wobei hier jedoch das im Wesentlichen parallele, nach der Reflektion und Modulation sich ausbreitende Lichtbündel 2" durch einen Strahlteiler 9 hindurchtritt und diesen zu einem großen Anteil, beispielsweise 50%, durchläuft. Der in dieser Figur nach links reflektierte Anteil, der hier nicht visualisiert ist, ist für das weitere Verfahren nicht weiter von Belang. Das hindurchtretende Licht spannt wiederum aufgrund der Zerstreuungslinse 6 ein Messvolumen V auf, wobei nun innerhalb dieses
Messvolumens V ein Retroreflektor 9 angeordnet ist, der all das Licht
zurückreflektiert, welches durch seine wirksame Öffnungsfläche in diesen eintritt. In den Retroreflektor 1 1 tritt demnach in Abhängigkeit von seiner Position und Lage, d.h. seiner Verkippung zur Ausbreitungsrichtung, Licht ein, das aus einer mehr oder weniger großen Anzahl von unterschiedlich modulierten Querschnittseinheiten des Lichtbündels 2 " stammt.
Dieses Licht wird zurückreflektiert in Richtung der Zerstreuungslinse 6 bzw. den davor liegenden imaginären Fokus, durch die Zerstreuungslinse 6 aufgrund der Richtungsumkehr sodann parallelisiert und durch den Strahlteiler 9 sodann bezogen auf die Figur 2 nach rechts in Richtung zu einem außerhalb des Messvolumens 2"' angeordneten Detektor 8 reflektiert. Auch dort wird genauso wie bei der Figur 1 ein Summenempfangssignal erfasst, dass sich aus allen einzelnen Sendesignalen der in den Retroreflektor eintretenden und durch diesen reflektierten Lichtstrahlen aus verschiedenen Querschnittseinheiten zusammensetzt.
In einer Auswerte- bzw. Analyseeinheit 10, die separat, aber auch als Einheit mit einer Pixelansteuerung 5 realisiert sein kann, besteht nun die Möglichkeit,
auszuwerten, welche Sendesignale von allen Sendesignalen im
Summenempfangssignal, welches der Detektor bereitstellt, vorhanden sind.
Dies kann beispielsweise erfolgen, wie es in der Figur 3 symbolisiert dargestellt ist. So zeigt die Figur 3 linksseitig exemplarisch drei verschiedene von einer
grundsätzlich beliebigen Anzahl von Sendesignalen, mit denen die Lichtstrahlen in verschiedenen Querschnittseinheiten des zunächst parallelen Lichtbündels und dann divergenten Lichtbündels 2" ' moduliert ist. Der Detektor 8, der hier vereinfacht als Photodetektor dargestellt ist, nimmt somit insgesamt ein von der eintreffenden Lichtintensität abhängiges Signal auf und wandelt dies in eine elektrische Messgröße IPD (n), die ein Summenempfangssignal darstellt, in dem sich alle einzelnen am Detektor erfassten Sendesignalanteile wiederspiegeln.
In einer nachfolgenden Analyseeinheit 10, die hier als Korrelator / Optimalfilter (engl.: matched filter) aufgebaut ist, wird das empfangende Summenempfangssignal IPD (n) korreliert mit jedem der einzelnen zur Modulation verwendeten Sendesignale S, wobei für jede dieser Korrelationen eine separate einzelne Korrelationseinheit 10' zur Verfügung gestellt sein kann. Jede dieser Korrelationseinheiten 10' gibt im Laufe der Korrelation bei Vorhandensein des gesuchten Sendesignals S im Summensignal IPD (n) einen Ergebniswert oberhalb eines Grenzwertes aus, so dass aus diesem
Ergebnis geschlossen werden kann, dass das in der Korrelation gesuchte einzelne Sendesignal einen Beitrag zum Summenempfangssignal geleistet hat.
Aus dieser Information und der geometrischen Anordnung des aufgefundenen Sendesignals innerhalb des aus allen Querschnittseinheiten aufgebauten gesamten modulierten Querschnitts kann somit die Position und die Lage des beleuchteten Objektes, also beispielsweise mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 des unmittelbar beleuchteten Detektors 8 oder des im Messvolumen befindlichen Retroreflektors 9 berechnet werden.
Die Figur 4 zeigt in Schnitten senkrecht zur Propagationsrichtung bzw. der optischen Achse des divergenten Lichtstrahlenbündels 2"' eine jeweilige Momentaufnahme der Lichtintensitätsverteilung über alle Querschnittseinheiten, in denen durch einen Lichtmodulator eine Lichtintensitätsmodulation stattfindet. Innerhalb des jeweiligen Querschnitts ist die Detektorfläche als Quadrat gekennzeichnet.
Dabei zeigt der Querschnitt Q1 , dass auf das Licht der einzelnen
Querschnittseinheiten eine solche Modulation aufgeprägt wird, die eine mit der Zeit in einer ersten Richtung X über den Querschnitt Q1 laufende Linie L repräsentiert, wobei innerhalb dieser Linie die Lichtintensität hoch ist und neben der Linie gering bzw. Null. Bei der Darstellung des Querschnitts Q1 wird durch die Ansteuerung der einzelnen Pixel des Lichtmodulators eine hier in X-Richtung, d.h. von links nach rechts laufende Linie erzeugt, die auf ihrem Weg über den Querschnitt am Ort des Detektors, der hier quadratisch innerhalb des Querschnitts angeordnet ist, erfasst wird, wenn diese Linie hoher Lichtintensität die lichtempfindliche Detektorfläche überstreicht.
Bezogen auf die Zeit t ist dies unterhalb der Darstellung des Querschnitts Q1 als Graphik des aufgenommenen Summensignals Ipo(t) erkennbar. Aus dem zeitlichen Verlauf des Detektorsignals lPD (t), charakterisiert durch verschiedene
Signalparameter (Anstiegszeit ΔίΓ) Plateauzeit Δίρ, Abfallzeit Atf), lässt sich somit die Lage des Detektors in X-Richtung innerhalb des gesamten modulierten Querschnitts des Lichtbündels bestimmen. Aus der Breite des erfassten Signals und der
Signalhöhe kann auf den Abstand zum Projektionsursprung (Linsenfokus) und auf die Lage geschlossen werden.
Gleiches gilt, bezogen auf den dargestellten Querschnitt Q2 bei einer Durchführung dieses Verfahrensschrittes, bei welcher eine Modulationsansteuerung derart erfolgt, dass über den Querschnitt Q2 eine laufende intensitätsstarke Linie L in Y-Richtung erzeugt wird. Auch dies erzeugt in Abhängigkeit von der Zeit t ein Summensignal am Detektor zu den Zeiten, wenn die intensitätsstarke Lichtlinie die Detektorfläche überstreicht, so wie es rechtsseitig des Querschnitts Q2 in der Figur 4 dargestellt ist. Es lässt sich so die Lage des Detektors in Y-Richtung bestimmen, ebenso wie aus der Signalbreite der Ursprungsabstand.
Die Figur 4 zeigt weiter in den unteren Darstellungen Q3, Q4 und Q5 , dass das Messverfahren nicht bloß mit einer einzigen in einer vorbestimmten Richtung laufenden Linie L durchgeführt werden kann, sondern gegebenenfalls auch mit mehreren gleichzeitig laufenden Linien, wobei auch die Laufrichtung grundsätzlich beliebig ist.
Mit Bezug auf das im allgemeinen Teil beschriebene Verfahren stellt auch eine laufende Linie ein zeitliches Modulationssignal in jedem Pixel bzw. jeder
Querschnittseinheit dar, wobei jedoch die hier in einer Linie nebeneinander angeordneten und gleichzeitig angesteuerten Pixel des Lichtmodulators in der zeitlichen Folge mit demselben Modulationssignal angesteuert sind.
Die Art und Weise der Ansteuerung ist dabei für das erfindungsgemäße Verfahren vom Grundsatz her irrelevant, wirkt sich hingegen nur aus hinsichtlich des
einzusetzenden Auswertealgorithmus zur Positions- und/oder Lagebestimmung.
Es können somit mit einem erfindungsgemäßen System zur Erzeugung eines divergenten Strahlenbündels mit zumindest bereichsweise unterschiedlich in verschiedenen Querschnittseinheiten moduliertem Licht durch verschiedene
Analyseverfahren Positions- und Lagebestimmungen eines jeweils im Messvolumen beleuchteten Objektes vorgenommen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. System hat den besonderen Vorteil, sehr universell und ortsunabhängig eingesetzt zu werden, da das Messvolumen lediglich durch das erzeugte divergente und über den Querschnitt modulierte Lichtbündel erzeugt wird und somit eine entsprechende Projektionseinheit grundsätzlich an beliebigen Orten installiert und zum Einsatz gebracht werden kann.
Dabei können Positionen bzw. Lagen von grundsätzlich beliebigen Gegenständen innerhalb des Messvolumens bestimmt werden, solange an diesen Gegenständen ein Objekt befestigt ist, mit einer vorbestimmten beleuchteten Objektfläche, zu der bestimmbar ist, welche Sendesignale der vorbeschriebenen Art auf diese
Objektfläche auftreffen.
Dabei kann wie zuvor beschrieben an einem solchen zu beobachtenden Gegenstand entweder der Detektor selbst unmittelbar befestigt sein oder aber ein Reflektor respektive Retroreflektor, mit dem das auf diesen eintreffende Licht zu einem außerhalb des Messvolumens angeordneten Detektor reflektiert wird.
Die Figur 5 zeigt ein mögliches Beispiel der Durchführung einer Modulation. Links oben in der Figur ist zunächst als Kreis der Schnitt durch ein Lichtbündel 2' senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes gezeigt. Dieser Kreis entspricht einem Bereich gleicher Intensität, z.B. die halbe Intensität bezogen auf das Maximum in der Lichtbündelmitte, z.B. wenn das Lichtbündel eine gaußförmige oder ähnliche Intensitätsverteilung hat.
Innerhalb des Lichtbündels 2'wird ein Bereich M zur Modulation ausgewählt, beispielsweise dadurch, dass ein Lichtmodulator mit einer Modulationsfläche M durch das Lichtbündel 2'beleuchtet wird. Diese Beleuchtung kann - wie eingangs erwähnt - sowohl in einem Bereich erfolgen, in dem das Licht im Wesentlichen parallel als auch divergent propagiert. Bevorzugt ist es so, dass die
Modulationsfläche M des Lichtmodulators in einem zentralen Querschnittsbereich des Lichtbündels positioniert wird, in welchen sich die Intensität bezogen auf den Abstand von der Bündelmitte möglichst wenig ändert.
Die Modulationsfläche M kann in eine Vielzahl von Pixel unterteilt sein, wobei z.B. bei einem DLP-Prozessor die Pixel durch Spiegel gebildet sind.
Rechts unten ist in der Figur 5 dargestellt, dass die Modulationsfläche M in eine Vielzahl vom N x M Querschnittseinheiten Qy unterteilt ist. Jede Querschnitteinheit kann durch einen oder auch mehrere Pixel gebildet sein. In dieser vereinfachten Darstellung werden 5 x 5 Pixel und demnach ebenso viele Querschnitteinheiten Q angenommen. Die einzelnen Pixel sind durch eine übergeordnete Steuerung ansteuerbar, so dass jedes Pixel so geschaltet werden kann, dass in der durch das Pixel definierten Querschnitteinheit Q entweder maximale oder minimale Lichtintensität vorliegt. Dies entspricht einer digitalen Signalaufprägung in jeder Querschnittseinheit Qy als
Intensitätsmodulation.
Die Figur 5 zeigt nun in einer zeitlichen Folge entlang der Zeitachse t die zeitlichen Änderungen der Lichtintensität in den Querschnittseinheiten Qy,, was einem jeder Querschnittseinheit Qy aufgeprägten Sendesignal Sy entspricht.
Der zeitlichen Folge ist z.B. zu entnehmen, dass die Querschnittseinheit Qu das Signal Sn=(1010....1 ) trägt. Auf diese Art kann jeder Querschnittseinheit Q ein individuelles Sendesignal Sy aufgeprägt werden.
Da mit einem Teil des Lichtbündels und somit einem Teil der aufgeprägten
Sendesignale Sy ein Detektor beleuchtet wird, gibt dieser ein
Summenempfangssignal heraus, wie es in der Figur 3 dargestellt und dort
beschrieben ist.
Die Beleuchtung eines Objektes, z.B. direkt eines Detektors 8 im Messvolumen V ist in der Figur 5A gezeigt. Erkennbar ist hier, dass die Fläche des Objektes / Detektors 8 von dem Licht eines Teils aller Querschnittseinheiten Q beleuchtet ist, wodurch sich ergibt, dass ein aufgenommenes Summenempfangssignal diejenigen
Sendesignale der Querschnittseinheiten umfasst, aus denen das Licht auf das Objekt / den Detektor 8 auftrifft.
Die Figur 6 zeigt mehrere Varianten eines Detektors 8. Figur 6 links zeigt einen Detektor mit einer rahmenförmigen rechteckigen lichtsensitiven Fläche 8a. Figur 6 mitte zeigt eine Variante, bei dem nur in den Ecken und der Mitte eines Quadrates lichtsensitive Bereiche 8a angeordnet sind. In der Figur 6 rechts gibt es auch im mittlere Bereich mehrere lichtsensitive Flächen 8a.
Die einzelnen lichtsensitiven Flächen 8a können z.B. dadurch erreicht werden, dass auf eine volle lichtsensitive Fläche von hier z.B. quadratischer Form eine Maske 8b angeordnet wird, die nur in Teilbereichen lichtduchlässig ist und mit diesen
Teilbereichen die lichtsensitiven Flächen 8a definiert. Ebenso ist es möglich, dass die lichtsensitiven Flächen 8a jeweils durch einen einzelnen Detektor ausgebildet werden.
Mit mehreren Detektoren 8, die verschiedene Masken aufweisen oder aber auch mit mehreren verschiedenen Geometrien von zueinander angeordneten Detektoren besteht die Möglichkeit, innerhalb eines Messvolumens verschiedene Objekte zu unterscheiden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder Lage eines Objektes (8,11 ) in einem räumlichen Messvolumen (V), dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Messvolumens (V) ein divergent propagierendes Lichtbündel (2" ') über seinen Querschnitt zweidimensional mit einem Lichtmodulator (4) in einer vorbestimmten Anzahl von Querschnittseinheiten optisch moduliert wird, wobei den Lichtstrahlen (7a, 7b, 7c) jeder Querschnittseinheit eine
insbesondere unterschiedliche zeitliche optische Modulation als Sendesignal (S) aufgeprägt wird und mit wenigstens einem Detektor (8) ein
Summenempfangssignal (lpD) aller Sendesignale (S) derjenigen Lichtstrahlen (7a, 7b) erfasst wird, die auf ein Objekt (8,1 1 ) im Messvolumen (V) treffen und analysiert wird, welche der Sendesignale (S) zum Summenempfangssignal (IPD) beitragen, wobei aus der Analyse die Position und/oder die Lage des Objektes (8,11 ) im Messvolumen (V) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem Reflektor (1 1 ), insbesondere Retroreflektor (1 1 ) als im Messvolumen beleuchtetes Objekt (1 1 ) diejenigen Lichtstrahlen (7a, 7b) aus dem
Messvolumen (V) heraus auf wenigstens einen Detektor (8) außerhalb des Messvolumens (V) reflektiert werden, die aus solchen Querschnittseinheiten stammen, die sich mit dem Öffnungsquerschnitt des wenigstens einen
Reflektors (1 1 ) überdecken, wobei mit dem wenigstens einen Detektor (8) die Lichtstrahlen (7a, 7b) und deren aufgeprägte Einzelsignale (S) erfasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem Detektor (8) als im Messvolumen (V) beleuchtetes Objekt (8) diejenigen Lichtstrahlen (7a, 7b) und deren aufgeprägte Einzelsignale (S) erfasst werden, die aus solchen Querschnittseinheiten stammen, die sich mit dem
Öffnungsquerschnitt des wenigstens einen Detektors (8) überdecken.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittseinheit durch wenigstens ein ansteuerbares Pixel eines zweidimensionalen Lichtmodulators mit N x M ansteuerbaren Pixeln definiert wird, der in Transmission oder Reflektion betrieben wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sendesignal (S) aufgeprägt wird als analoge oder digitale Modulation der Intensität oder Phase oder Polarisation oder der Wellenlänge der
Lichtstrahlen einer jeden Querschnittseinheit des Lichtbündels.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Analyse hinsichtlich der zum Summenempfangssignal (IPD) beitragenden Sendesignale (S) durchgeführt wird, insbesondere durch eine Korrelation, insbesondere Kreuzkorrelation von Summenempfangssignal (IPD) und allen Sendesignalen (S) oder durch eine Fouriertransformation des Summenempfangssignals (IPD).
7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass anhand der bei der Analyse ermittelten Anteile der zum Summenempfangssignal (lPD) beitragenden Sendesignale (S) innerhalb einer Verarbeitungseinheit (10) die drei Translationsfreiheitsgrade und drei Rotationsfreiheitsgrade des Objekts (8,11 ) relativ zum Projektionsursprung des divergenten Lichtbündels (2" ') ermittelt werden.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das gesamte Lichtbündel eine Modulation oder zumindest auf alle verwendeten Querschnittseinheiten zusätzlich zur jeweils individuellen
Modulation eine gemeinsame Modulation aufgeprägt wird mit einer
vorbestimmten, bekannten Frequenz.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Streulichtunterdrückung das elektrische Summenempfangssignal hinsichtlich der vorgenannten Frequenz gefiltert wird, insbesondere mit einem Bandpass oder Hochpass.
0. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen aufeinanderfolgenden Messungen die Querschnittseinheiten, die mit insbesondere unterschiedlichen Sendesignalen moduliert werden, bzw. das durch diese definierte Messvolumen versetzt bzw. verschoben
werden/wird, insbesondere relativ zum Detektor.
1 1 . System zur Bestimmung der Position und/oder Lage eines Objektes (8, 1 1 ) in einem räumlichen Messvolumen (V), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Lichtquelle (1 ) und eine Optik (6) aufweist zur Erzeugung eines divergent propagierenden Lichtbündels (2" ') und einen Lichtmodulator (4) umfasst mit dem das Lichtbündel (2" ') über seinen Querschnitt zweidimensional in einer vorbestimmten Anzahl von Querschnittseinheiten optisch modulierbar ist, indem den Lichtstrahlen jeder Querschnittseinheit eine insbesondere unterschiedliche zeitliche optische Modulation als Sendesignal (S) aufprägbar ist und das Messvolumen (V) in Propagationsrichtung über alle
Querschnittseinheiten gebildet ist und wenigstens ein Detektor (8)
vorgesehen ist, mit dem ein Summenempfangssignal (IPD) aller Sendesignale (S) derjenigen Lichtstrahlen (7a, 7b) erfassbar ist, die auf ein Objekt (8,1 1 ) im Messvolumen (V) treffen und eines Verarbeitungseinheit (10) vorgesehen ist, die eingerichtet ist, zu analysieren, welche der Sendesignale (S) zum
Summenempfangssignal (lPD) beitragen und aus der Analyse die Position und/oder die Lage des Objektes (8,1 1 ) im Messvolumen zu bestimmen.
12. System nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich, insbesondere ein mittlerer Bereich einer lichtempfindlichen Detektorfläche oder der beleuchteten Fläche eines Reflektors ausmaskiert ist, insbesondere wobei mit mehreren unterschiedlichen Maskierungen an jeweils
verschiedenen Objekten / Detektoren / Reflektoren diese im Messvolumen voneinander unterscheidbar sind.
13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine
Information umfasst, wie die einzelnen Sendesignale (S) über die modulierte Querschnittsfläche verteilt angeordnet sind.
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