WO2016026733A1 - Projector - Google Patents

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WO2016026733A1
WO2016026733A1 PCT/EP2015/068449 EP2015068449W WO2016026733A1 WO 2016026733 A1 WO2016026733 A1 WO 2016026733A1 EP 2015068449 W EP2015068449 W EP 2015068449W WO 2016026733 A1 WO2016026733 A1 WO 2016026733A1
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WO
WIPO (PCT)
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projector
light
light sources
pattern
microlens
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/068449
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Anton Schick
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2016026733A1 publication Critical patent/WO2016026733A1/en

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    • 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
    • G01B11/2513—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 with several lines being projected in more than one direction, e.g. grids, patterns

Definitions

  • the invention relates to a projector, in particular for Tie ⁇ fenbeées a partial area of a surface of a Whether ⁇ jektes, lens array having a plurality of light sources and a micro-.
  • a projector for the three-dimensional detection of large objects, in particular of objects greater than or equal to 2x2x2 m 3 , known prior art projectors can only be used inadequately.
  • known projectors are typically provided for the visible spectral range and consequently the power (light output) of the projectors or the light sources used within the projectors is distributed approximately over the entire visible spectral range.
  • LEDs are disadvantageous due to their comparatively high etendue.
  • the object of the present invention is to improve a projector, in particular for depth determination of a partial area of a surface of an object.
  • the projector according to the invention for projecting a pattern onto at least a partial area of a surface of an object comprises a plurality of light sources and a microlens array, the microlens array having a plurality of microlenses.
  • the light sources are designed as lasers.
  • each microlens at least one laser is arranged as a light source.
  • the light emitted by the laser arranged behind the microlens passes through the microlens associated with the laser.
  • Each of the microlenses thus has its own light source, which is ⁇ forms as a laser.
  • the power (light output) of the projector is advantageously increased significantly compared to a homogeneous illumination of the microlens array by means of only a single light source.
  • Another advantage of the projector according to the invention is that the individual light sources, which are designed as lasers, have a significantly lower etendue compared to light-emitting diodes or xenon lamps. In other words, approximately the entire out of one of the laser light passes through the rising ⁇ associated with the laser microlens. It is so ⁇ lost with hardly any light, which increases the light output of the projector.
  • a particular advantage of the projector according to the invention that the sum of the individual Etendues the laser always less than a usable etendue (Lagrangeinponent) a pro ⁇ jemiesoptik is. In this case, approximately the whole of one of the outgoing laser light passes through the pupil of the optics projek ⁇ tion.
  • projection optics other optical components, such as lenses, mirrors and / or diaphragms, are referred to here, which are used for the projection.
  • the he ⁇ inventive projector therefore has over known projectors increased light output and a reduced Automatetendue. Due to the increased light output and the reducedPoletendue the use of a diaphragm with a small diameter is made possible, so that advantageous ⁇ increases the depth of field of the projector.
  • the inventive arrangement of the light sources and the microlens array has a certain similarity with a Wa ⁇ benkondensator, according to the invention miniaturized Zwi ⁇ rule mappings of a light source of the honeycomb capacitor by real light sources, that are replaced by the laser. Characterized the Inteletendue is reduced and Annae ⁇ hernd the entire light of the light sources may be used for projection.
  • Another advantage of the projector according to the invention is that the light emitted and projected by the projector is particularly spectrally due to the use of lasers
  • ⁇ adhesive can be used a lying outside the visible spectral wavelength of the laser so that the image projected onto the surface of the object or light pattern for a test person is not recognizable visually.
  • a wavelength of the laser in the infrared spectral range that is with a wavelength in the range of 1 mm to 780 nm. Due to the possibly high laser or light output, it is expedient to take appropriate and sufficient safety measures for the person testing.
  • the light sources or the lasers can be designed as continuous-line lasers (in short CW lasers) or as pulsed lasers.
  • a pattern is projected onto the partial area by means of the projector according to the invention. Furthermore, an image of light reflected from the at least a portion of the pattern is detected by a detection device and by means of proji ⁇ ed pattern and the image of a depth determining the at least one partial area of the object.
  • the projector according to the invention is used for depth determination of the subarea.
  • the projector according to the invention is therefore of advantage for the depth tuning since it has a high light output and at the same time a low total set.
  • the projector according to the invention which has already been mentioned results in similar and equivalent advantages of the method according to the invention.
  • the projector comprises a condenser, wherein the spatial distance of the light sources and the condenser relative to an optical axis of the projector is at least 5 cm, in particular at least 10 cm.
  • the spatial distance between the microlens array and the condenser relative to the optical axis of the projector can be at least 5 cm, in particular at least 10 cm.
  • the microlens array is in this case disposed in close proximity to the light sources, with the individual microlenses of the microlens array for collimation of the light of a ⁇ individual light sources are provided.
  • the light output of the projector is improved at a large depth of field by said large distance between the light sources and the condenser or the microlens array and the condenser. Due to the large distance-called use of a large plurality of light sources and thus a high light output is possible at a constant small diameter of the aperture of the projector, whereby the depth of field is equal to lead- ⁇ bend large.
  • the projector is advantageous due to its depth of field and light output. For example, a sharpness ⁇ deep in the range of 2 m to 3 m is made possible by the projector.
  • larger distances, beispielswei ⁇ se is greater than 30 cm, between the light sources and the con- densor are still provided. Appropriately, a distance is less than or equal to 1 m.
  • the depth of field of the projector is increased.
  • the usable etendue would sink and some of the lasers, or part of the laser's light, would be faded out, causing the light flux through the projection optics or the projection lens.
  • the number of light sources, whose light is passed through the diaphragm advantageously ⁇ obtained.
  • the light output of the projector success ⁇ Lich not reduced by the above-mentioned adjustments also at a high depth of field.
  • the projector comprises at least ten light sources and microlenses.
  • An advantage of the large number of greater than or equal to ten light sources and microlenses is that the light output of the projector can be further increased.
  • the Inteletendue the projector increases due to the use of lasers only slightly, so that the Truetendue of the projector through the use of a large number of light sources and micro lenses, the depth of field of the projector is not or only slightly beeintrrait ⁇ Untitled as a light source advantageously.
  • Another advantage of using a plurality of light sources is that speckles resulting from a coherent superposition of light reflected at the surface of the object are suppressed.
  • the individual light sources do not have a fixed phase relation to one another and consequently an incoherent superimposition of the light of the lasers occurs.
  • the intensity of speckle is reduced by a factor N ⁇ 1 2 .
  • the light output of the projector by using a high number of light sources, that is, in a number of at least ten light sources, improved, as well as reduces the Messunsi ⁇ uncertainties.
  • the plurality of light sources is formed by means of a laser bar.
  • the light sources form a laser array.
  • a one-dimensional or two-dimensional laser array can be provided.
  • Laser bars are particularly advantageous in the infrared spectral range.
  • the projector comprises at least three light sources, one of the three light sources having a wavelength in the optically red, one of the three light sources having a wavelength in the optically green and one of the three light sources having a wavelength in the optically blue spectral range.
  • each microlens has a fundamental ⁇ colors red, green and blue (RGB).
  • RGB red, green and blue
  • targeted control of the three light sources can take place.
  • a mixed color is caused by additive color mixing of the primary colors red, green and blue.
  • each colored light source is associated with a micro ⁇ lens of the microlens array.
  • the light of the color gen light sources to the image plane is additively mixed after passing through the Mikrolinsenar- rays in the range ⁇ projecting means of the projector a.
  • the arrangement egg ⁇ nes projection element is provided in the image plane to be projected.
  • the optical coupling of a light source with the associated one of the light source ⁇ microlens means of a fiberoptic ters occurs.
  • an optical waveguide which is designed as a monomode optical waveguide, that is to say an optical waveguide which essentially only guides one mode, typically the fundamental mode. Due to the advantageous from ⁇ design of the coupling between the light source and the light source associated microlens means of a Lichtwel ⁇ lenleiters the geometrical arrangement of the light sources of the geometrical configuration of the microlens array and / or the microlenses can be decoupled. As a result, a packing density can be provided for the microlenses, which is increased in comparison with a packing density of the light sources. As a result, it is ensured, for example, that the light sources, that is to say the lasers, can experience sufficient cooling. In addition, the number of light sources can be further increased and is almost arbitrary. Furthermore, space is saved by the use of optical waveguides and the distance between the microlens array and the condenser can be selected as small as possible.
  • the projector includes a projection element, the projection ⁇ element has at least one slide.
  • the pattern which is provided for the Tiefenbe ⁇ humor is generated by means of the slide.
  • the structuring or shaping of the light can also be effected by means of a spatial modulator (English: Spatial Light Modulator; short SLM).
  • Other optical components may be provided for the projector.
  • phase position Is used as a method of determining a depth Phasentriangulati- on, so ei ⁇ ne adjustment of the phase position can be effected by means of a displacement of the slide.
  • Further possibilities for adjusting the phase position are a digital light processor (English: Digital Light Processor, short DLP), a digital micromirror device (abbreviated to DMD) and / or further projection methods by means of a liquid crystal display (Liquid Crystal display, short LCD) and / or liquid crystals on one
  • Silicon substrate liquid-crystal-on-silicon, LCoS for short.
  • Light sources the microlens array and the projection member arranged such that the projection element is almost completely illuminated by at least a portion of the light of each light source.
  • the projection element for example the slide, is completely detected and illuminated by each light source.
  • the light from the light source first passes through the associated one of the light source microlens, then impinges on the condenser, and is finally guided to the projection element such that an approximately full ⁇ constant illumination or lighting of the projection element takes place.
  • the light Leis ⁇ processing of the projector is increased by the multiple illumination of product j etationsiatas.
  • speckles are reduced by the incoherent superposition of the light emitted by the light sources.
  • the measurement uncertainties in depth determination can be further reduced.
  • a color-coded color pattern is projected as a pattern on the surface of the object.
  • the projection of a farbco- all official color pattern enables a color-coded triangulation of ilias we ⁇ a partial area of the surface of the project.
  • the depth is determined by means of active, color-coded triangulation.
  • a phase-modeled and monochromatic pattern is projected onto the subregion of the surface of the object.
  • the projector enables phasenco ⁇ ied triangulation of the portion of the surface of the Ob ⁇ jektes.
  • a rotating disk may be provided for modulating the light emanating from the projector.
  • a spatial modu lator for ⁇ light is preferably used. This allows an advantageous coding of the light emanating from the projector. It may be provided a Modula ⁇ tion of the intensity and / or phase of the outgoing light from the projector. Further advantages, features and details of the invention ⁇ follow from the following described embodiments and from the drawings. Showing:
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a projector with a plurality of lasers and a microlens array
  • Figure 2 shows a schematic representation of a projector with a plurality of lasers and a Mikrolin- senarray, wherein the light of the laser is guided by means of Einzel ⁇ ner optical waveguide to the microlens array
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a projector with a plurality of lasers and a microlens array
  • Figure 2 shows a schematic representation of a projector with a plurality of lasers and a Mikrolin- senarray, wherein the light of the laser is guided by means of Einzel ⁇ ner optical waveguide to the microlens array
  • Figure 3 is a schematic representation of a projector having a plurality of lasers and a microlens array, wherein the projector comprises a DMD or LCoS.
  • FIG. 1 schematically shows a side view of a projector 1 comprising a microlens array 4 with a plurality of microlenses 41.
  • the projector 1 has a plurality of light sources 2, which are formed as a laser 2 and arranged as laser arrays 3.
  • the projector 1 comprises a condenser 8, lenses 12, a slide 10 and a diaphragm 14.
  • the microlens array 4, the lenses 12, the slide 10, the condenser 8 and the diaphragm 14 are about a common op ⁇ tables axis 100 of the projector 1 arranged.
  • a distance 101 of the condenser 8 and the laser array 3 be ⁇ contributes here at least 10 cm, in particular, a distance 101 is greater than or equal to 30 cm and less than 100 cm provided.
  • Each microlens 41 of the microlens array 4 is associated with at least one of the lasers 2.
  • a plurality of microlens arrays 4 arranged one behind the other can be provided.
  • a microlens 41 are assigned.
  • the un ⁇ teretzlichen colors of the laser 2 for example, red, green and blue are represented by a hatch corresponding to the color.
  • the outgoing of one of the laser 2 light 6 is guided to the laser 2 associated microlens 41 of the microlens array 4 and formed by means of the microlens 41 on the condenser 8 ⁇ .
  • the microlens array 4 and the condensate ⁇ sor 8 are arranged such that the slide is nearly completely illuminated by each individual ⁇ NEN laser 2 10th
  • the size of the slide 10 is indicated in Figure 1 by arrows.
  • a pattern corresponding to the slide 10 is projected onto the surface of the object.
  • the size of the projected pattern is indicated by a double arrow 21 shown in FIG.
  • the projected pattern corresponds to a ver ⁇ amateurten image of Dias 10th
  • the number of lasers 2 may be greater than or equal to 100, in particular greater than or equal to 144. With a number of 144 lasers 2, a distance 101 of 40 cm is provided between the laser array 3 and the condenser 8. An acceptance angle of the slide 10 is ⁇ here in about 8 °.
  • FIG. 2 shows a schematic section of a projector 1 with a plurality of lasers 2 and a microlens array 4, wherein the light of the laser 2 is guided to the microlens array 4 by means of optical waveguides 24. In this case, each laser 2 or each optical waveguide 24 is assigned a microlens 41 of the microlens array 4.
  • the light from a laser 2 is received by an op ⁇ table coupled with the laser 2 optical waveguide 24 and led to the laser 2 associated microlens 42 of the microlens array. 4
  • a monomode optical waveguide 24 is advantageous.
  • the light is again imaged onto a condenser 8 by means of the microlens array 4.
  • a packing density of the lasers 2 can be decoupled from a packing density of the microlenses 41 within the microlens array 4.
  • Microlens arrays 4 are arranged denser than the laser 2 within the laser arrays 3. This is advantageous because the closest possible arrangement of the laser 2 possibly prevents sufficient cooling of the individual laser 2.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a projector 1 which comprises a DMD 16 (digital micromirror device) or an LCoS 16 (liquid-crystal-on-semiconductor).
  • the projector 1 forms a DMD or an LCoS projector.
  • the projector 1 has a plurality of lasers 2 and a microlens array 4 with a plurality of microlenses 41. Each laser 2 is assigned at least one microlens 41 of the microlens array 4.
  • the projector 1 comprises a condenser 8, a diaphragm 14 and a plurality of lenses 12.
  • the light 6 of the laser 2 is reflected on the DMD 16 or LCoS 16 after passing through the microlens array 4 and the condenser 8 and to the further lenses 12 or to the diaphragm 14 of the projector 1 out.
  • the spatial phase position of the light 6 is adjusted by the DMD 16 or LCoS 16, so that a depth determination of a surface of an object is made possible by means of a phase triangulation. If a DMD 16 is used, the said reflection and spatial structuring of the light 6 takes place by means of micromirrors of the micromirror system (DMD).
  • DMD micromirrors of the micromirror system
  • the projector 1 may generally to image or projection of the pattern further optical components, for example Lin- sen, mirrors, gratings, beam splitters and / or prisms and / or all of the optical devices such as lenses to take ⁇ .
  • a camera in particular a three-chip camera, can be provided for receiving an image of the projected pattern which is reflected by the surface of the object. By a computer-aided evaluation of the image taken by means of the camera, the depth determinations can be made.
  • the projector according to the invention is a high-performance projection of the pattern at a low
  • the projector can be used for the depth determination of large objects whose subarea of the surface is, for example, greater than or equal to 25 m 2 .
  • the total generated by the light sources of the projector light for the pro jection ⁇ is approximately usable. This is especially at a high depth of field advantageous because light is even with a small diam ⁇ ser the projector's aperture still sufficient for depth determination.
  • the projector according to the invention thus allows a high depth of field with egg ⁇ ner high light output.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Projection Apparatus (AREA)

Abstract

The invention relates to a projector (1) for projecting a pattern onto at least a partial region of a surface of an object, which projector comprises a plurality of light sources (2) and a microlens array (4), wherein the microlens array (4) has a plurality of microlenses (41) and, in the case of each of the microlenses, at least one of the light sources (4) is associated with the microlens (41) in such a way and optically coupled to the microlens in such a way that at least part of the light (6) of the light source (4) associated with the microlens (41) passes through the microlens (41), wherein the light sources (2) are lasers (2).

Description

Beschreibung Proj ektor Die Erfindung betrifft einen Projektor, insbesondere zur Tie¬ fenbestimmung eines Teilbereiches einer Oberfläche eines Ob¬ jektes, mit einer Mehrzahl von Lichtquellen und einem Mikro- linsenarray . Zur dreidimensionalen Erfassung großer Objekte, insbesondere von Objekten größer gleich 2x2x2 m3, können nach dem Stand der Technik bekannte Projektoren nur unzureichend verwendet werden. Ein Grund hierfür ist, dass bekannte Projektoren typischerweise für den sichtbaren Spektralbereich vorgesehen sind und folglich die Leistung (Lichtleistung) der Projektoren oder der innerhalb der Projektoren verwendeten Lichtquellen annähernd über den gesamten sichtbaren Spektralbereich verteilt ist. Für die dreidimensionale Erfassung eines Objek¬ tes (Tiefenbestimmung) , insbesondere in einer Fertigungsumge- bung, sollte das vom Projektor auf die Oberfläche des Objek¬ tes projizierte Licht oder Muster (strukturiertes Licht) für eine prüfende Person nicht sichtbar sein, das heißt außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches liegen. Weiterhin erfordert die dreidimensionale Erfassung oder Ve¬ rmessung von großen Objekten eine genügend große Lichtleis¬ tung des Projektors, so dass bestenfalls annähernd die gesam¬ te Oberfläche des großen Objektes mittels des Projektors aus¬ geleuchtet wird. Description proj ector The invention relates to a projector, in particular for Tie ¬ fenbestimmung a partial area of a surface of a Whether ¬ jektes, lens array having a plurality of light sources and a micro-. For the three-dimensional detection of large objects, in particular of objects greater than or equal to 2x2x2 m 3 , known prior art projectors can only be used inadequately. One reason for this is that known projectors are typically provided for the visible spectral range and consequently the power (light output) of the projectors or the light sources used within the projectors is distributed approximately over the entire visible spectral range. Environment for three-dimensional detection of a OBJEK ¬ tes (depth determination), in particular in a Fertigungsumge- that from the projector to the surface of OBJEK ¬ tes projected light or pattern (structured light) for a test person should not be visible, that is, outside the visible spectral range lie. Furthermore, the three-dimensional detection or Ve ¬ rmessung of large objects requires a sufficiently large light Leis ¬ processing of the projector, so that, at best, approximately the GESAM ¬ te surface of the large object is illuminated from ¬ means of the projector.
Nach dem Stand der Technik bekannte Projektoren, die zur Ausleuchtung großer Flächen oder Oberflächen geeignet erscheinen, beispielsweise Kinoprojektoren, weisen typischerweise eine aufwendige Kühlung auf, da der Wirkungsgrad von typi- sehen Lichtquellen, beispielsweise Xenonlampen, kaum größer als 5 % ist. Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Projektoren mit einer Leuchtdiode (engl. Light-Emitting-Diode ; kurz LED) als Lichtquelle bekannt. Ein Nachteil dieser Projektoren ist ihre im Vergleich zu Projektoren mit Xenonlampen geringere Licht- leistung. Das liegt zum einen daran, dass typischerweise nur ein Bruchteil des von der Leuchtdiode ausgesandten Lichtes für die Projektion des Musters verwendbar ist. Insbesondere bei einem Projektor, welcher eine hohe Schärfentiefe und folglich einen großen Tiefenmessbereich aufweist, sind Prior art projectors which appear suitable for illuminating large areas or surfaces, for example, cinema projectors, typically have expensive cooling, since the efficiency of typical light sources, for example xenon lamps, is barely greater than 5%. Furthermore, state-of-the-art projectors with a light-emitting diode (LED) are known as light sources. A disadvantage of these projectors is their lower light output compared to projectors with xenon lamps. This is due to the fact that typically only a fraction of the light emitted by the light emitting diode is usable for the projection of the pattern. In particular, in a projector, which has a high depth of field and thus a large depth measuring range are
Leuchtdioden aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Etendue nachteilig . LEDs are disadvantageous due to their comparatively high etendue.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Projektor, insbesondere zur Tiefenbestimmung eines Teilberei- ches einer Oberfläche eines Objektes, zu verbessern. The object of the present invention is to improve a projector, in particular for depth determination of a partial area of a surface of an object.
Die Aufgabe wird durch einen Projektor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patenanspruches 9 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben. The object is achieved by a projector having the features of independent claim 1, as well as by a method having the features of independent patent claim 9. In the dependent claims advantageous refinements and developments of the invention are given.
Der erfindungsgemäße Projektor zur Projektion eines Musters auf wenigstens einen Teilbereich einer Oberfläche eines Ob- jektes umfasst eine Mehrzahl von Lichtquellen und ein Mikro- linsenarray, wobei das Mikrolinsenarray eine Mehrzahl von Mikrolinsen aufweist. Erfindungsgemäß ist jeweils wenigstens eine der Lichtquellen einer der Mikrolinsen derart zugeordnet und mit dieser optisch gekoppelt, dass wenigstens ein Teil des Lichtes der der Mikrolinse zugeordneten Lichtquelle die Mikrolinse durchläuft. Erfindungsgemäß sind die Lichtquellen als Laser ausgebildet. The projector according to the invention for projecting a pattern onto at least a partial area of a surface of an object comprises a plurality of light sources and a microlens array, the microlens array having a plurality of microlenses. According to the invention, in each case at least one of the light sources is assigned to one of the microlenses and optically coupled thereto, that at least part of the light of the light source associated with the microlens passes through the microlens. According to the invention, the light sources are designed as lasers.
Mit anderen Worten ist bezogen auf eine Projektionsrichtung des Projektors hinter jeder Mikrolinse wenigstens ein Laser als Lichtquelle angeordnet. Hierbei durchläuft das von dem hinter der Mikrolinse angeordneten Laser ausgesandte Licht die dem Laser zugeordnete Mikrolinse. Jede der Mikrolinsen weist somit eine eigene Lichtquelle auf, die als Laser ausge¬ bildet ist. Dadurch wird vorteilhafterweise die Leistung (Lichtleistung) des Projektors, im Vergleich zu einer homogenen Beleuchtung des Mikrolinsenarrays mittels nur einer ein- zigen Lichtquelle, deutlich gesteigert. In other words, with respect to a projection direction of the projector behind each microlens at least one laser is arranged as a light source. In this case, the light emitted by the laser arranged behind the microlens passes through the microlens associated with the laser. Each of the microlenses thus has its own light source, which is ¬ forms as a laser. As a result, the power (light output) of the projector is advantageously increased significantly compared to a homogeneous illumination of the microlens array by means of only a single light source.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Projektors ist, dass die einzelnen Lichtquellen, die als Laser ausgebildet sind, eine im Vergleich zu Leuchtdioden oder Xenonlampen deutlich geringere Etendue aufweisen. Mit anderen Worten durchläuft annähernd das gesamte von einem der Laser ausge¬ hende Licht die dem Laser zugeordnete Mikrolinse. Es geht so¬ mit kaum Licht verloren, wodurch sich die Lichtleistung des Projektors erhöht. Another advantage of the projector according to the invention is that the individual light sources, which are designed as lasers, have a significantly lower etendue compared to light-emitting diodes or xenon lamps. In other words, approximately the entire out of one of the laser light passes through the rising ¬ associated with the laser microlens. It is so ¬ lost with hardly any light, which increases the light output of the projector.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Projektors ist, dass die Summe der einzelnen Etendues der Laser stets geringer als eine nutzbare Etendue (Lagrangeinvariante) einer Pro¬ jektionsoptik ist. Hierbei durchläuft annähernd das gesamte von einem der Laser ausgehende Licht die Pupille der Projek¬ tionsoptik. Als Projektionsoptik werden hier weitere optische Komponenten, beispielsweise Linsen, Spiegel und/oder Blenden, bezeichnet, die für die Projektion verwendet werden. Der er¬ findungsgemäße Projektor weist folglich gegenüber bekannten Projektoren eine erhöhte Lichtleistung und eine verringerte Gesamtetendue auf. Durch die erhöhte Lichtleistung und die verringerte Gesamtetendue wird die Verwendung einer Blende mit geringem Durchmesser ermöglicht, so dass sich vorteil¬ hafterweise die Schärfentiefe des Projektors erhöht. A particular advantage of the projector according to the invention that the sum of the individual Etendues the laser always less than a usable etendue (Lagrangeinvariante) a pro ¬ jektionsoptik is. In this case, approximately the whole of one of the outgoing laser light passes through the pupil of the optics projek ¬ tion. As projection optics, other optical components, such as lenses, mirrors and / or diaphragms, are referred to here, which are used for the projection. The he ¬ inventive projector therefore has over known projectors increased light output and a reduced Gesamtetendue. Due to the increased light output and the reduced Gesamtetendue the use of a diaphragm with a small diameter is made possible, so that advantageous ¬ increases the depth of field of the projector.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Lichtquellen und des Mikrolinsenarrays weist eine gewisse Ähnlichkeit mit einem Wa¬ benkondensator auf, wobei erfindungsgemäß verkleinerte Zwi¬ schenabbildungen einer Lichtquelle des Wabenkondensators durch reale Lichtquellen, das heißt durch die Laser ersetzt werden. Dadurch wird die Gesamtetendue verkleinert und annä¬ hernd das gesamte Licht der Lichtquellen kann für die Projektion verwendet werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Projektors ist, dass das von dem Projektor ausgehende und projizierte Licht durch die Verwendung von Lasern spektral besonders The inventive arrangement of the light sources and the microlens array has a certain similarity with a Wa ¬ benkondensator, according to the invention miniaturized Zwi ¬ rule mappings of a light source of the honeycomb capacitor by real light sources, that are replaced by the laser. Characterized the Gesamtetendue is reduced and Annae ¬ hernd the entire light of the light sources may be used for projection. Another advantage of the projector according to the invention is that the light emitted and projected by the projector is particularly spectrally due to the use of lasers
schmalbandig ist. Dadurch kann mittels geeigneter und ent¬ sprechender Filter ein bei der Tiefenbestimmung störendes Umgebungslicht herausgefiltert werden. Zudem kann vorteil¬ hafterweise eine außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches liegende Wellenlänge der Laser verwendet werden, so dass das auf die Oberfläche des Objektes projizierte Licht oder Muster für eine prüfende Person optisch nicht erkennbar ist. Von besonderem Vorteil ist eine Wellenlänge der Laser im infraroten Spektralbereich, das heißt mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 mm bis 780 nm. Durch die möglicherweise hohe Laser- be- ziehungsweise Lichtleistung ist es zweckmäßig geeignete und ausreichende Sicherheitsmaßnahmen für die prüfende Person zu treffen . is narrowband. Characterized a disturbing at the depth determination ambient light can be filtered out by means of suitable and ent ¬ speaking filter. In addition, advantageous ¬ adhesive enough, can be used a lying outside the visible spectral wavelength of the laser so that the image projected onto the surface of the object or light pattern for a test person is not recognizable visually. Of particular advantage is a wavelength of the laser in the infrared spectral range, that is with a wavelength in the range of 1 mm to 780 nm. Due to the possibly high laser or light output, it is expedient to take appropriate and sufficient safety measures for the person testing.
Die Lichtquellen beziehungsweise die Laser können als Dauer- strichlaser (engl. Continuous-Wave-Laser ; kurz CW-Laser) , sowie als gepulste Laser ausgebildet sein. The light sources or the lasers can be designed as continuous-line lasers (in short CW lasers) or as pulsed lasers.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Tiefenbestimmung eines Teilbereiches einer Oberfläche eines Objektes wird ein Muster auf den Teilbereich mittels des erfindungsgemäßen Projektors projiziert. Weiterhin wird ein Abbild eines von dem wenigstens einen Teilbereich reflektierten Musters mittels einer Erfassungsvorrichtung erfasst und mittels des proji¬ zierten Musters und dem Abbild eine Tiefenbestimmung des we- nigstens einen Teilbereiches des Objektes durchgeführt. In the method according to the invention for depth determination of a partial area of a surface of an object, a pattern is projected onto the partial area by means of the projector according to the invention. Furthermore, an image of light reflected from the at least a portion of the pattern is detected by a detection device and by means of proji ¬ ed pattern and the image of a depth determining the at least one partial area of the object.
Mit anderen Worten wird der erfindungsgemäße Projektor zur Tiefenbestimmung des Teilbereiches verwendet. Der erfindungs¬ gemäße Projektor ist deshalb von Vorteil für die Tiefenbe- Stimmung, da er eine hohe Lichtleistung und zugleich eine geringe Gesamtetendue aufweist. Es ergeben sich zum bereits ge¬ nannten erfindungsgemäßen Projektor gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Projektor einen Kondensor, wobei der räumliche Abstand der Lichtquellen und des Kondensors bezogen auf eine optische Achse des Projektors wenigstens 5 cm, insbesondere wenigstens 10 cm, beträgt. In other words, the projector according to the invention is used for depth determination of the subarea. The projector according to the invention is therefore of advantage for the depth tuning since it has a high light output and at the same time a low total set. The projector according to the invention which has already been mentioned results in similar and equivalent advantages of the method according to the invention. According to an advantageous embodiment of the invention, the projector comprises a condenser, wherein the spatial distance of the light sources and the condenser relative to an optical axis of the projector is at least 5 cm, in particular at least 10 cm.
Ferner kann der räumliche Abstand des Mikrolinsenarrays und des Kondensors bezogen auf die optische Achse des Projektors wenigstens 5 cm, insbesondere wenigstens 10 cm, betragen. Das Mikrolinsenarray ist hierbei in unmittelbarer Nähe zu den Lichtquellen angeordnet, wobei die einzelnen Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays für eine Kollimation des Lichtes der ein¬ zelnen Lichtquellen vorgesehen sind. Furthermore, the spatial distance between the microlens array and the condenser relative to the optical axis of the projector can be at least 5 cm, in particular at least 10 cm. The microlens array is in this case disposed in close proximity to the light sources, with the individual microlenses of the microlens array for collimation of the light of a ¬ individual light sources are provided.
Vorteilhafterweise wird durch den genannten großen Abstand zwischen den Lichtquellen und dem Kondensor oder dem Mikrolinsenarray und dem Kondensor die Lichtleistung des Projektors bei einer großen Schärfentiefe verbessert. Durch den ge- nannten großen Abstand wird die Verwendung einer großen Mehrzahl von Lichtquellen und folglich eine hohe Lichtleistung ermöglicht, bei einem gleichbleibend kleinen Durchmesser der Blende des Projektors, wodurch die Schärfentiefe gleichblei¬ bend groß ist. Insbesondere für Objekte mit einer Größe von 5x5x3 m3 ist der Projektor aufgrund seiner Schärfentiefe und Lichtleistung von Vorteil. Beispielsweise wird eine Schärfe¬ tiefe im Bereich von 2 m bis 3 m durch den Projektor ermöglicht. Insbesondere sind noch größere Abstände, beispielswei¬ se größer als 30 cm, zwischen den Lichtquellen und dem Kon- densor vorgesehen. Zweckmäßig ist ein Abstand kleiner gleich 1 m. Advantageously, the light output of the projector is improved at a large depth of field by said large distance between the light sources and the condenser or the microlens array and the condenser. Due to the large distance-called use of a large plurality of light sources and thus a high light output is possible at a constant small diameter of the aperture of the projector, whereby the depth of field is equal to lead-¬ bend large. Especially for objects with a size of 5x5x3 m 3 , the projector is advantageous due to its depth of field and light output. For example, a sharpness ¬ deep in the range of 2 m to 3 m is made possible by the projector. In particular, larger distances, beispielswei ¬ se is greater than 30 cm, between the light sources and the con- densor are still provided. Appropriately, a distance is less than or equal to 1 m.
Durch eine Verkleinerung der Blende der Projektionsoptik, insbesondere durch eine Verkleinerung der Blende eines Pro- j ektionsobj ektives , wird die Schärfentiefe des Projektors vergrößert. Allerdings würde auch die nutzbare Etendue sinken und ein Teil der Laser beziehungsweise ein Teil Lichtes der Laser würde ausgeblendet werden, so dass sich der Lichtfluss durch die Projektionsoptik oder das Projektionsobjektiv verringern würde. Um dies zu verhindern und annähernd das gesam¬ te durch alle Laser erzeugte Licht durch die Blende unge¬ schwächt zuführen ist es erforderlich, den Abstand zwischen den Lichtquellen und dem Kondensor zu vergrößern (Anpassung der Vergrößerung) . Dadurch bleibt die Anzahl der Lichtquellen, deren Licht durch die Blende geführt wird, vorteilhaft¬ erweise erhalten. Die Lichtleistung des Projektors wird folg¬ lich durch die genannten Anpassungen auch bei einer hohen Schärfentiefe nicht verringert. By reducing the aperture of the projection optics, in particular by reducing the aperture of a projection objective, the depth of field of the projector is increased. However, even the usable etendue would sink and some of the lasers, or part of the laser's light, would be faded out, causing the light flux through the projection optics or the projection lens. To prevent this and perform the approximately GESAM ¬ te generated by all the laser light through the aperture unge ¬ weakens, it is necessary to increase the distance between the light sources and the condenser (adjustment of the magnification). As a result, the number of light sources, whose light is passed through the diaphragm, advantageously ¬ obtained. The light output of the projector success ¬ Lich not reduced by the above-mentioned adjustments also at a high depth of field.
Bevorzugt umfasst der Projektor wenigstens zehn Lichtquellen und Mikrolinsen. Ein Vorteil der großen Anzahl von größer gleich zehn Lichtquellen und Mikrolinsen ist, dass die Lichtleistung des Projektors weiter gesteigert werden kann. Die Gesamtetendue des Projektors vergrößert sich aufgrund der Verwendung von Lasern als Lichtquelle vorteilhafterweise nur geringfügig, so dass die Gesamtetendue des Projektors durch die Verwendung einer großen Anzahl von Lichtquellen und Mikrolinsen die Schärfentiefe des Projektors nicht oder nur geringfügig beeinträch¬ tigt . Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer Mehrzahl von Lichtquellen ist, dass Speckle, die aufgrund einer kohärenten Überlagerung von an der Oberfläche des Objektes reflektiertem Licht entstehen, unterdrückt sind. Das ist deshalb der Fall, da die einzelnen Lichtquellen (Laser) keine feste Phasenbe- ziehung zueinander aufweisen und es folglich zu einer inkohärenten Überlagerung des Lichtes der Laser kommt. Dadurch werden Messunsicherheiten bei der Tiefenbestimmung verringert. Bei einer Anzahl von N Lasern wird die Intensität der Speckle um einen Faktor N~1 2 verringert. Mit anderen Worten wird durch die Verwendung einer hohen Anzahl von Lichtquellen, das heißt bei einer Anzahl von wenigstens zehn Lichtquellen, die Lichtleistung des Projektors verbessert, sowie die Messunsi¬ cherheiten verringert. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Mehrzahl der Lichtquellen mittels eines Laserbarren gebildet . Preferably, the projector comprises at least ten light sources and microlenses. An advantage of the large number of greater than or equal to ten light sources and microlenses is that the light output of the projector can be further increased. The Gesamtetendue the projector increases due to the use of lasers only slightly, so that the Gesamtetendue of the projector through the use of a large number of light sources and micro lenses, the depth of field of the projector is not or only slightly beeinträch ¬ Untitled as a light source advantageously. Another advantage of using a plurality of light sources is that speckles resulting from a coherent superposition of light reflected at the surface of the object are suppressed. This is the case because the individual light sources (lasers) do not have a fixed phase relation to one another and consequently an incoherent superimposition of the light of the lasers occurs. This reduces measurement uncertainties in depth determination. With a number of N lasers, the intensity of speckle is reduced by a factor N ~ 1 2 . In other words, the light output of the projector by using a high number of light sources, that is, in a number of at least ten light sources, improved, as well as reduces the Messunsi ¬ uncertainties. According to an advantageous embodiment of the invention, the plurality of light sources is formed by means of a laser bar.
Mit anderen Worten bilden die Lichtquellen ein Laserarray aus. Hierbei kann ein eindimensionales oder zweidimensionales Laserarray vorgesehen sein. Laserbarren sind insbesondere im infraroten Spektralbereich von Vorteil. In other words, the light sources form a laser array. In this case, a one-dimensional or two-dimensional laser array can be provided. Laser bars are particularly advantageous in the infrared spectral range.
Vorteilhafterweise weisen Laserbarren eine hohe Leistungs¬ dichte und zugleich eine große Anzahl von Lasern auf, so dass sich die Leistung des Projektors vergrößert. Zudem werden vorteilhafterweise die Messunsicherheiten bei der Tiefenbe- Stimmung weiter verringert. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Laserbarren vorgesehen sein. Durch die Verwendung von Laserbarren werden Leistungen größer gleich 1500 W mittels Dauerstrichlasern ermöglicht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Projektor wenigstens drei Lichtquellen, wobei eine der drei Lichtquellen eine Wellenlänge im optisch roten, eine der drei Lichtquellen eine Wellenlänge im optisch grünen und eine der drei Lichtquellen eine Wellenlänge im optisch blauen Spektralbereich aufweist. Advantageously, a high performance ¬ dense and at the same time a large number of lasers in laser bar so that the projector's performance increased. In addition, the measurement uncertainties in the depth tuning are advantageously further reduced. In particular, a plurality of laser bars may be provided. By using laser bars, powers greater than or equal to 1500 W are made possible by means of continuous wave lasers. In an advantageous embodiment of the invention, the projector comprises at least three light sources, one of the three light sources having a wavelength in the optically red, one of the three light sources having a wavelength in the optically green and one of the three light sources having a wavelength in the optically blue spectral range.
Dadurch kann weißes Licht mittels der drei Lichtquellen erzeugt werden. Vorteilhafterweise wird durch die farbigen Lichtquellen ein Projektor für eine farbkodierte Triangulati- on ermöglicht. Jede Mikrolinse weist folglich eine der Grund¬ farben Rot, Grün oder Blau (RGB) auf. Zur additiven Mischung der jeweiligen Farbe des Lichtes kann eine gezielte Steuerung der drei Lichtquellen erfolgen. Mit anderen Worten wird eine Mischfarbe durch additive Farbmischung der Grundfarben Rot, Grün und Blau bewirkt. As a result, white light can be generated by the three light sources. Advantageously, a projector for a color-coded triangulation is made possible by the colored light sources. Consequently, each microlens has a fundamental ¬ colors red, green and blue (RGB). For additive mixing of the respective color of the light, targeted control of the three light sources can take place. In other words, a mixed color is caused by additive color mixing of the primary colors red, green and blue.
Hierbei ist wiederum jeder farbigen Lichtquelle eine Mikro¬ linse des Mikrolinsenarrays zugeordnet. Das Licht der farbi- gen Lichtquellen wird nach dem Durchlaufen des Mikrolinsenar- rays im Bereich einer mittels des Projektors zu projizieren¬ den Bildebene additiv gemischt. Hierbei ist die Anordnung ei¬ nes Projektionselementes in der zu projizierenden Bildebene vorgesehen. Here again, each colored light source is associated with a micro ¬ lens of the microlens array. The light of the color gen light sources to the image plane is additively mixed after passing through the Mikrolinsenar- rays in the range ¬ projecting means of the projector a. Here, the arrangement egg ¬ nes projection element is provided in the image plane to be projected.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die optische Kopplung einer Lichtquelle mit der der Licht¬ quelle zugeordneten Mikrolinse mittels eines Lichtwellenlei- ters . According to an advantageous embodiment of the invention, the optical coupling of a light source with the associated one of the light source ¬ microlens means of a fiberoptic ters occurs.
Besonders bevorzugt ist hierbei ein Lichtwellenleiter, der als Monomodelichtwellenleiter ausgebildet ist, das heißt ein Lichtwellenleiter, der im Wesentlichen nur eine Mode, typi- scherweise die Grundmode, führt. Durch die vorteilhafte Aus¬ gestaltung der Kopplung zwischen der Lichtquelle und der der Lichtquelle zugeordneten Mikrolinse mittels eines Lichtwel¬ lenleiters kann die geometrische Anordnung der Lichtquellen von der geometrischen Ausgestaltung des Mikrolinsenarrays und/oder der Mikrolinsen entkoppelt werden. Dadurch kann für die Mikrolinsen eine Packungsdichte vorgesehen sein, die, im Vergleich zu einer Packungsdichte der Lichtquellen, erhöht ist. Hierdurch wird beispielsweise sichergestellt, dass die Lichtquellen, das heißt die Laser, eine ausreichende Kühlung erfahren können. Zudem kann die Anzahl der Lichtquellen weiter vergrößert werden und ist annähernd beliebig wählbar. Weiterhin wird durch die Verwendung von Lichtwellenleiter Bauraum eingespart und der Abstand zwischen dem Mikrolinsen- array und dem Kondensor kann möglichst klein gewählt werden. Particularly preferred in this case is an optical waveguide which is designed as a monomode optical waveguide, that is to say an optical waveguide which essentially only guides one mode, typically the fundamental mode. Due to the advantageous from ¬ design of the coupling between the light source and the light source associated microlens means of a Lichtwel ¬ lenleiters the geometrical arrangement of the light sources of the geometrical configuration of the microlens array and / or the microlenses can be decoupled. As a result, a packing density can be provided for the microlenses, which is increased in comparison with a packing density of the light sources. As a result, it is ensured, for example, that the light sources, that is to say the lasers, can experience sufficient cooling. In addition, the number of light sources can be further increased and is almost arbitrary. Furthermore, space is saved by the use of optical waveguides and the distance between the microlens array and the condenser can be selected as small as possible.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der Projektor ein Projektionselement, wobei das Projektions¬ element wenigstens ein Dia aufweist. Mit anderen Worten wird das Muster, welches für die Tiefenbe¬ stimmung vorgesehen ist, mittels des Dias erzeugt. Weiterhin kann die Strukturierung oder Formung des Lichtes auch mittels eines räumlichen Modulators (engl. Spatial-Light-Modulator ; kurz SLM) erfolgen. Weitere optische Komponenten können für den Projektor vorgesehen sein. In an advantageous development of the invention, the projector includes a projection element, the projection ¬ element has at least one slide. In other words, the pattern which is provided for the Tiefenbe ¬ humor is generated by means of the slide. Furthermore, the structuring or shaping of the light can also be effected by means of a spatial modulator (English: Spatial Light Modulator; short SLM). Other optical components may be provided for the projector.
Wird als Methode zur Tiefenbestimmung eine Phasentriangulati- on verwendet, so kann mittels einer Verschiebung des Dias ei¬ ne Einstellung der Phasenlage erfolgen. Weitere Möglichkeiten zur Einstellung der Phasenlage sind ein digitaler Lichtprozessor (engl. Digital-Light-Processor ; kurz DLP) , ein digitales Mikrospiegelsystem (engl. Digital-Micromirror-Device ; kurz DMD) und/oder weitere Projektionsverfahren mittels einer Flüssigkristallanzeige (engl. Liquid-Crystal-Display; kurz LCD) und/oder mittels Flüssigkristalle auf einem Is used as a method of determining a depth Phasentriangulati- on, so ei ¬ ne adjustment of the phase position can be effected by means of a displacement of the slide. Further possibilities for adjusting the phase position are a digital light processor (English: Digital Light Processor, short DLP), a digital micromirror device (abbreviated to DMD) and / or further projection methods by means of a liquid crystal display (Liquid Crystal display, short LCD) and / or liquid crystals on one
Siliziumsubstrat (engl. Liquid-Crystal-on-Silicon; kurz LCoS) . Silicon substrate (liquid-crystal-on-silicon, LCoS for short).
Vorteilhaft kann auch die Verwendung einer rotierenden Scheibe sein, die ein sinusförmiges Muster zur Tiefenbestimmung erzeugt . Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind dieIt may also be advantageous to use a rotating disk that generates a sinusoidal pattern for depth determination. According to a particularly preferred embodiment, the
Lichtquellen, das Mikrolinsenarray und das Projektionselement derart angeordnet, dass das Projektionselement annähernd vollständig durch wenigstens einen Teil des Lichtes jeder Lichtquelle ausgeleuchtet wird. Light sources, the microlens array and the projection member arranged such that the projection element is almost completely illuminated by at least a portion of the light of each light source.
Mit anderen Worten wird das Projektionselement, beispielswei¬ se das Dia, von jeder Lichtquelle vollständig erfasst und ausgeleuchtet. Hierbei durchläuft das Licht der Lichtquelle zunächst die der Lichtquelle zugeordnete Mikrolinse, trifft anschließend auf den Kondensor und wird schließlich derart auf das Projektionselement geführt, dass eine annähernd voll¬ ständige Ausleuchtung oder Beleuchtung des Projektionselementes erfolgt. Das ist deshalb von Vorteil, da die Lichtleis¬ tung des Projektors durch die mehrfache Ausleuchtung des Pro- j ektionselementes vergrößert wird. Zudem werden Speckle durch die inkohärente Überlagerung des von den Lichtquellen ausgehenden Lichtes verringert. Dadurch können die Messunsicherheiten bei der Tiefenbestimmung weiter verringert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein farbcodiertes Farbmuster als Muster auf die Oberfläche des Objektes projiziert. In other words, the projection element , for example the slide, is completely detected and illuminated by each light source. Here, the light from the light source first passes through the associated one of the light source microlens, then impinges on the condenser, and is finally guided to the projection element such that an approximately full ¬ constant illumination or lighting of the projection element takes place. This is advantageous because the light Leis ¬ processing of the projector is increased by the multiple illumination of product j ektionselementes. In addition, speckles are reduced by the incoherent superposition of the light emitted by the light sources. As a result, the measurement uncertainties in depth determination can be further reduced. In an advantageous embodiment of the invention, a color-coded color pattern is projected as a pattern on the surface of the object.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Projektion eines farbco- dierten Farbmusters eine farbcodierte Triangulation des we¬ nigstens einen Teilbereiches der Oberfläche des Projektes. Mit anderen Worten erfolgt die Tiefenbestimmung mittels akti- ver, farbcodierter Triangulation. Advantageously, the projection of a farbco- all official color pattern enables a color-coded triangulation of nigstens we ¬ a partial area of the surface of the project. In other words, the depth is determined by means of active, color-coded triangulation.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein phasenmodelliertes und monochromatisches Muster auf den Teilbereich der Oberfläche des Objektes projiziert. According to a further advantageous embodiment of the invention, a phase-modeled and monochromatic pattern is projected onto the subregion of the surface of the object.
Mit anderen Worten ermöglicht der Projektor eine phasenco¬ dierte Triangulation des Teilbereiches der Oberfläche des Ob¬ jektes. Hierbei kann insbesondere eine rotierende Scheibe zur Modulation des vom Projektor ausgehenden Lichtes vorgesehen sein. In other words, the projector enables phasenco ¬ ied triangulation of the portion of the surface of the Ob ¬ jektes. In this case, in particular, a rotating disk may be provided for modulating the light emanating from the projector.
Bevorzugt wird zur Erzeugung des Musters ein räumlicher Modu¬ lator für Licht verwendet. Dadurch wird eine vorteilhafte Codierung des von dem Projektor ausgehenden Lichtes ermöglicht. Hierbei kann eine Modula¬ tion der Intensität und/oder Phase des vom Projektor ausgehenden Lichtes vorgesehen sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: To produce the pattern, a spatial modu lator for ¬ light is preferably used. This allows an advantageous coding of the light emanating from the projector. It may be provided a Modula ¬ tion of the intensity and / or phase of the outgoing light from the projector. Further advantages, features and details of the invention ¬ follow from the following described embodiments and from the drawings. Showing:
Figur 1 eine schematisierte Darstellung eines Projektors mit einer Mehrzahl von Lasern und einem Mikrolin- senarray; Figur 2 schematisierte Darstellung eines Projektors mit einer Mehrzahl von Lasern und einem Mikrolin- senarray, wobei das Licht der Laser mittels einzel¬ ner Lichtwellenleiter zum Mikrolinsenarray geführt wird; und FIG. 1 shows a schematic representation of a projector with a plurality of lasers and a microlens array; Figure 2 shows a schematic representation of a projector with a plurality of lasers and a Mikrolin- senarray, wherein the light of the laser is guided by means of Einzel ¬ ner optical waveguide to the microlens array; and
Figur 3 eine schematisierte Darstellung eines Projektors mit einer Mehrzahl von Lasern und einem Mikrolinsenarray, wobei der Projektor ein DMD oder ein LCoS umfasst . Figure 3 is a schematic representation of a projector having a plurality of lasers and a microlens array, wherein the projector comprises a DMD or LCoS.
Gleichartige oder äquivalente Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Figur 1 zeigt schematisch eine seitliche Darstellung eines Projektors 1, der ein Mikrolinsenarray 4 mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen 41 umfasst. Zudem weist der Projektor 1 eine Mehrzahl von Lichtquellen 2 auf, die als Laser 2 ausgebildet und als Laserarrays 3 angeordnet sind. Weiterhin umfasst der Projektor 1 einen Kondensor 8, Linsen 12, ein Dia 10 und eine Blende 14. Das Mikrolinsenarray 4, die Linsen 12, das Dia 10, der Kondensor 8 und die Blende 14 sind um eine gemeinsame op¬ tische Achse 100 des Projektors 1 angeordnet. Ein Abstand 101 des Kondensors 8 und des Laserarrays 3 be¬ trägt hier wenigstens 10 cm, wobei insbesondere ein Abstand 101 größer gleich 30 cm und kleiner gleich 100 cm vorgesehen ist. Durch den zwischen dem Laserarray 3 und dem Kondensor 8 vergrößerten Abstand 101 wird eine hohe Lichtleistung des Projektors 1 auch bei einem geringen Durchmesser der Blende 14 ermöglicht. Similar or equivalent elements may be provided with the same reference numerals in the figures. FIG. 1 schematically shows a side view of a projector 1 comprising a microlens array 4 with a plurality of microlenses 41. In addition, the projector 1 has a plurality of light sources 2, which are formed as a laser 2 and arranged as laser arrays 3. Furthermore, the projector 1 comprises a condenser 8, lenses 12, a slide 10 and a diaphragm 14. The microlens array 4, the lenses 12, the slide 10, the condenser 8 and the diaphragm 14 are about a common op ¬ tables axis 100 of the projector 1 arranged. A distance 101 of the condenser 8 and the laser array 3 be ¬ contributes here at least 10 cm, in particular, a distance 101 is greater than or equal to 30 cm and less than 100 cm provided. By between the laser array 3 and the condenser 8 enlarged distance 101, a high light output of the projector 1 is made possible even with a small diameter of the aperture 14.
Jeder Mikrolinse 41 des Mikrolinsenarrays 4 ist wenigstens einer der Laser 2 zugeordnet. Hierbei kann eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Mikrolinsenarrays 4 vorgesehen sein. Insbesondere sind drei bezüglich ihrer Farbe unter¬ schiedliche Laser 2 einer Mikrolinse 41 zugeordnet. Die un¬ terschiedlichen Farben der Laser 2, beispielsweise Rot, Grün und Blau, sind durch eine der Farbe entsprechende Schraffur dargestellt . Each microlens 41 of the microlens array 4 is associated with at least one of the lasers 2. In this case, a plurality of microlens arrays 4 arranged one behind the other can be provided. In particular, with respect to its three color under ¬ schiedliche laser 2 a microlens 41 are assigned. The un ¬ terschiedlichen colors of the laser 2, for example, red, green and blue are represented by a hatch corresponding to the color.
Das von einem der Laser 2 ausgehende Licht 6 wird zu der dem Laser 2 zugeordneten Mikrolinse 41 des Mikrolinsenarrays 4 geführt und mittels der Mikrolinse 41 auf den Kondensor 8 ab¬ gebildet. Hierbei sind das Mikrolinsenarray 4 und der Konden¬ sor 8 derart angeordnet, dass das Dia 10 durch jeden einzel¬ nen Laser 2 annähernd vollständig ausgeleuchtet wird. Die Größe des Dias 10 ist in Figur 1 durch Pfeile angedeutet. The outgoing of one of the laser 2 light 6 is guided to the laser 2 associated microlens 41 of the microlens array 4 and formed by means of the microlens 41 on the condenser 8 ¬ . Here, the microlens array 4 and the condensate ¬ sor 8 are arranged such that the slide is nearly completely illuminated by each individual ¬ NEN laser 2 10th The size of the slide 10 is indicated in Figure 1 by arrows.
Weiterhin erfolgt eine inkohärente Überlagerung des von den Lasern 2 ausgehenden Lichtes 6 am Ort des Dias 10. Durch die genannte inkohärente Überlagerung werden Speckle, welche auf- grund der Reflexion des von dem Projektor 1 ausgehenden Lichtes an einem Teilbereich einer Oberfläche eines Objektes ent¬ stehen, verringert. Die inkohärente Überlagerung der einzel¬ nen Laser 2 liegt deshalb vor, da keine feste Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Lasern 2 besteht. Furthermore, carried an incoherent superposition of light emanating from the lasers 2 light 6 at the location of the slide 10. By said incoherent superposition are speckle, which are ascending due to the reflection of light emanating from the projector 1 light on a partial area of a surface of an object ent ¬ , reduced. The incoherent superposition of individual ¬ nen Laser 2 exists is because no fixed phase relationship between the individual lasers is 2.
Nach dem Dia 10 wird das Licht der Laser 2, welches nun mit¬ tels des Dias 10 räumlich und/oder farblich strukturiert oder codiert ist, auf eine weitere Linse 12 geführt. Zwischen zwei Linsen 12 und innerhalb der Blende 14 ergibt sich ein Zwi- schenbild 20 des Dias 10, welches Zwischenbild 20 auf dieAfter the slide 10, the light of the laser 2, which is now patterned with ¬ means of the slide 10 in space and / or color or is coded, is guided on a further lens 12th Between two lenses 12 and within the diaphragm 14, an intermediate image 20 of the slide 10, which intermediate image 20 results on the
Oberfläche des Objektes projiziert wird. Mit anderen Worten wird ein dem Dia 10 entsprechendes Muster auf die Oberfläche des Objektes projiziert. Die Größe des projizierten Musters ist durch einen in Figur 1 dargestellten Doppelpfeil 21 ange- deutet. Hierbei entspricht das projizierte Muster einem ver¬ größerten Abbild des Dias 10. Surface of the object is projected. In other words, a pattern corresponding to the slide 10 is projected onto the surface of the object. The size of the projected pattern is indicated by a double arrow 21 shown in FIG. Here, the projected pattern corresponds to a ver ¬ größerten image of Dias 10th
Die Anzahl der Laser 2 kann größer gleich 100, insbesondere größer gleich 144 sein. Bei einer Anzahl von 144 Lasern 2 ist ein Abstand 101 von 40 cm zwischen dem Laserarray 3 und dem Kondensor 8 vorgesehen. Ein Akzeptanzwinkel des Dias 10 be¬ trägt hierbei in etwa 8°. Figur 2 zeigt einen schematischen Ausschnitt eines Projektors 1 mit einer Mehrzahl von Lasern 2 und einem Mikrolinsenarray 4, wobei das Licht der Laser 2 mittels Lichtwellenleiter 24 zum Mikrolinsenarray 4 geführt wird. Hierbei ist jedem Laser 2 beziehungsweise jedem Lichtwellenleiter 24 eine Mikrolinse 41 des Mikrolinsenarrays 4 zugeordnet. The number of lasers 2 may be greater than or equal to 100, in particular greater than or equal to 144. With a number of 144 lasers 2, a distance 101 of 40 cm is provided between the laser array 3 and the condenser 8. An acceptance angle of the slide 10 is ¬ here in about 8 °. FIG. 2 shows a schematic section of a projector 1 with a plurality of lasers 2 and a microlens array 4, wherein the light of the laser 2 is guided to the microlens array 4 by means of optical waveguides 24. In this case, each laser 2 or each optical waveguide 24 is assigned a microlens 41 of the microlens array 4.
Das Licht eines Lasers 2 wird von einem mit dem Laser 2 op¬ tisch gekoppelten Lichtwellenleiter 24 aufgenommen und zu der dem Laser 2 zugeordneten Mikrolinse 42 des Mikrolinsenarrays 4 geführt. Hierbei ist insbesondere ein Monomodelichtwellen- leiter 24 von Vorteil. Ausgehend vom dem Mikrolinsenarray 4 wird das Licht wiederum auf einen Kondensor 8 mittels des Mikrolinsenarrays 4 abgebildet. The light from a laser 2 is received by an op ¬ table coupled with the laser 2 optical waveguide 24 and led to the laser 2 associated microlens 42 of the microlens array. 4 In this case, in particular a monomode optical waveguide 24 is advantageous. Starting from the microlens array 4, the light is again imaged onto a condenser 8 by means of the microlens array 4.
Vorteilhafterweise kann durch Führung oder Leitung des Lichtes der Laser 2 zum Mikrolinsenarray 4 eine Packungsdichte der Laser 2 von einer Packungsdichte der Mikrolinsen 41 innerhalb des Mikrolinsenarrays 4 entkoppelt werden. Dadurch können vorteilhafterweise die Mikrolinsen 41 innerhalb desAdvantageously, by guiding or directing the light of the laser 2 to the microlens array 4, a packing density of the lasers 2 can be decoupled from a packing density of the microlenses 41 within the microlens array 4. As a result, advantageously, the microlenses 41 within the
Mikrolinsenarrays 4 dichter als die Laser 2 innerhalb des La- serarrays 3 angeordnet werden. Das ist deshalb von Vorteil, da eine möglichst dichte Anordnung der Laser 2 möglicherweise eine ausreichende Kühlung der einzelnen Laser 2 verhindert. Microlens arrays 4 are arranged denser than the laser 2 within the laser arrays 3. This is advantageous because the closest possible arrangement of the laser 2 possibly prevents sufficient cooling of the individual laser 2.
In Figur 3 ist eine schematische Darstellung eines Projektors 1 gezeigt, der ein DMD 16 (engl. Digital-Micromirror-Device) oder einen LCoS 16 (engl. Liquid-Crystal-on-Semiconductor) umfasst. Mit anderen Worten bildet der Projektor 1 einen DMD- oder einen LCoS-Proj ektor aus. Weiterhin weist der Projektor 1 - wie bereits in den vorangegangen Figuren - eine Mehrzahl von Lasern 2 und ein Mikrolinsenarray 4 mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen 41 auf. Jedem Laser 2 ist wenigstens eine Mikrolinse 41 des Mikrolinsenarrays 4 zugeordnet. Ferner um- fasst der Projektor 1 einen Kondensor 8, eine Blende 14 und eine Mehrzahl von Linsen 12. Bei dem in Figur 3 dargestellten DMD- oder LCoS-Proj ektor 1 wird das Licht 6 der Laser 2 nach dem Durchlaufen des Mikro- linsenarrays 4 und des Kondensors 8 am DMD 16 oder LCoS 16 reflektiert und zu den weiteren Linsen 12 beziehungsweise zur Blende 14 des Projektors 1 geführt. Durch das DMD 16 oder LCoS 16 erfolgt eine Einstellung der räumlichen Phasenlage des Lichtes 6, so dass eine Tiefenbestimmung einer Oberfläche eines Objektes mittels einer Phasentriangulation ermöglicht wird. Wird ein DMD 16 verwendet, so erfolgt die genannte Re- flexion und räumliche Strukturierung des Lichtes 6 mittels Mikrospiegeln des Mikrospiegelsystems (DMD) . FIG. 3 shows a schematic representation of a projector 1 which comprises a DMD 16 (digital micromirror device) or an LCoS 16 (liquid-crystal-on-semiconductor). In other words, the projector 1 forms a DMD or an LCoS projector. Furthermore, as in the previous figures, the projector 1 has a plurality of lasers 2 and a microlens array 4 with a plurality of microlenses 41. Each laser 2 is assigned at least one microlens 41 of the microlens array 4. Furthermore, the projector 1 comprises a condenser 8, a diaphragm 14 and a plurality of lenses 12. In the case of the DMD or LCoS projector 1 shown in FIG. 3, the light 6 of the laser 2 is reflected on the DMD 16 or LCoS 16 after passing through the microlens array 4 and the condenser 8 and to the further lenses 12 or to the diaphragm 14 of the projector 1 out. The spatial phase position of the light 6 is adjusted by the DMD 16 or LCoS 16, so that a depth determination of a surface of an object is made possible by means of a phase triangulation. If a DMD 16 is used, the said reflection and spatial structuring of the light 6 takes place by means of micromirrors of the micromirror system (DMD).
Der Projektor 1 kann generell zur Abbildung oder Projektion des Musters weitere optische Komponenten, beispielsweise Lin- sen, Spiegel, Gitter, Strahlteiler und/oder Prismen und/oder gesamte optische Vorrichtungen, beispielsweise Objektive, um¬ fassen. Zudem kann zur Aufnahme eines von der Oberfläche des Objektes reflektierten Abbildes des projizierten Musters eine Kamera, insbesondere eine Drei-Chip-Kamera, vorgesehen sein. Durch eine computerunterstützte Auswertung des mittels der Kamera aufgenommen Abbildes kann die Tiefenbestimmungen erfolgen . The projector 1 may generally to image or projection of the pattern further optical components, for example Lin- sen, mirrors, gratings, beam splitters and / or prisms and / or all of the optical devices such as lenses to take ¬. In addition, a camera, in particular a three-chip camera, can be provided for receiving an image of the projected pattern which is reflected by the surface of the object. By a computer-aided evaluation of the image taken by means of the camera, the depth determinations can be made.
Durch den erfindungsgemäßen Projektor wird eine lichtleis- tungsstarke Projektion des Musters bei einer geringen By the projector according to the invention is a high-performance projection of the pattern at a low
Gesamtetendue des Projektors ermöglicht. Dadurch kann der Projektor für die Tiefenbestimmung großer Objekte, deren Teilbereich der Oberfläche beispielsweise größer gleich 25 m2 ist, verwendet werden. Zudem ist annähernd das gesamte durch die Lichtquellen des Projektors erzeugte Licht für die Pro¬ jektion verwendbar. Das ist besonders bei einer hohen Schärfentiefe von Vorteil, da selbst bei einem geringen Durchmes¬ ser der Blende des Projektors noch ausreichend Licht für die Tiefenbestimmung zur Verfügung steht. Der erfindungsgemäße Projektor ermöglicht folglich eine hohe Schärfentiefe mit ei¬ ner hohen Lichtleistung. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hie- raus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Entire setend of the projector allows. As a result, the projector can be used for the depth determination of large objects whose subarea of the surface is, for example, greater than or equal to 25 m 2 . In addition, the total generated by the light sources of the projector light for the pro jection ¬ is approximately usable. This is especially at a high depth of field advantageous because light is even with a small diam ¬ ser the projector's aperture still sufficient for depth determination. The projector according to the invention thus allows a high depth of field with egg ¬ ner high light output. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, or other variations can be derived by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims

Patentansprüche claims
1. Projektor (1) zur Projektion eines Musters auf wenigstens einen Teilbereich einer Oberfläche eines Objektes, umfassend eine Mehrzahl von Lichtquellen (2) und ein Mikrolinsenarray (4), wobei das Mikrolinsenarray (4) eine Mehrzahl von Mikro- linsen (41) aufweist und jeweils wenigstens eine der Licht¬ quellen (4) einer der Mikrolinsen (41) derart zugeordnet und mit dieser optisch gekoppelt ist, dass wenigstens ein Teil des Lichtes (6) der der Mikrolinse (41) zugeordneten Licht¬ quelle (4) die Mikrolinse (41) durchläuft, wobei die Licht¬ quellen (2) Laser (2) sind. A projector (1) for projecting a pattern on at least a portion of a surface of an object, comprising a plurality of light sources (2) and a microlens array (4), the microlens array (4) comprising a plurality of microlenses (41) and in each case at least one of the light ¬ sources (4) of one of the microlenses (41) is associated in such a manner and optically coupled thereto, that at least a part of the light (6) of the microlens (41) associated light ¬ source (4) the microlens (41) goes through, wherein the light sources ¬ (2) are laser (2).
2. Projektor (1) gemäß Anspruch 1, mit einem Kondensor (8), wobei der räumliche Abstand (101) der Lichtquellen (2) und des Kondensors (8) bezogen auf eine optische Achse (100) des Projektors (1) wenigstens 5 cm beträgt. 2. Projector (1) according to claim 1, with a condenser (8), wherein the spatial distance (101) of the light sources (2) and the condenser (8) with respect to an optical axis (100) of the projector (1) at least 5 cm is.
3. Projektor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, mit wenigstens zehn Lichtquellen (2) und Mikrolinsen (41) . 3. Projector (1) according to claim 1 or 2, with at least ten light sources (2) and microlenses (41).
4. Projektor (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, mit einem Laserbarren, wobei die Mehrzahl der Lichtquellen (2) mittels des Laserbarrens gebildet ist. 4. Projector (1) according to one of the preceding claims, comprising a laser bar, wherein the plurality of light sources (2) is formed by means of the laser bar.
5. Projektor (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, mit wenigstens drei Lichtquellen (2), wobei eine der drei Licht¬ quellen (2) eine Wellenlänge im optisch roten, eine der drei Lichtquellen (2) eine Wellenlänge im optisch grünen und eine der drei Lichtquellen (2) eine Wellenlänge im optisch blauen Spektralbereich aufweist. 5. Projector (1) according to one of the preceding claims, with at least three light sources (2), one of the three light sources ¬ (2) one wavelength in the optically red, one of the three light sources (2) has a wavelength in the optical green and a of the three light sources (2) has a wavelength in the optically blue spectral range.
6. Projektor (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die optische Kopplung einer Licht- quelle (2) mit der der Lichtquelle (2) zugeordneten Mikrolinse (41) mittels eines Lichtwellenleiters (24) erfolgt. 6. Projector (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the optical coupling of a light source (2) with the light source (2) associated microlens (41) by means of an optical waveguide (24).
7. Projektor (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, mit einem Projektionselement (10), wobei das Projektionselement (10) wenigstens ein Dia (10) umfasst. 7. Projector (1) according to one of the preceding claims, with a projection element (10), wherein the projection element (10) comprises at least one slide (10).
8. Projektor (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (2), das Mikrolinsenarray (4) und das Projektionselement (10) derart angeordnet sind, dass das Pro¬ jektionselement (10) annähernd vollständig durch wenigstens einen Teil des Lichtes (6) jeder Lichtquelle (2) ausgeleuch- tet wird. 8. Projector (1) according to claim 7, characterized in that the light sources (2), the microlens array (4) and the projection element (10) are arranged such that the projection element ¬ (10) approximately completely by at least a part of Light (6) of each light source (2) is illuminated.
9. Verfahren zur Tiefenbestimmung eines Teilbereiches einer Oberfläche eines Objektes, bei dem ein Muster auf den Teilbe¬ reich mittels eines Projektors (1) gemäß einem der vorange- gangen Ansprüche projiziert wird, bei dem ein Abbild eines von dem Teilbereich reflektierten Musters mittels einer Erfassungsvorrichtung erfasst wird, und bei dem mittels des projizierten Musters und dem Abbild eine Tiefenbestimmung des wenigstens einen Teilbereiches erfolgt. 9. A method for depth determination of a partial area of a surface of an object, in which a pattern is projected onto the Teilbe ¬ rich by means of a projector (1) according to one over the preceding procedure claims, in which an image of light reflected from the portion pattern by means of a detection device is detected, and in which by means of the projected pattern and the image, a depth determination of the at least one partial area is carried out.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem ein farbcodiertes Farbmuster als Muster auf den wenigstens einen Teilbereich projiziert wird. 10. The method according to claim 9, wherein a color-coded color pattern is projected as a pattern on the at least one partial area.
11. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem ein phasenmoduliertes monochromatisches Muster auf den wenigstens einen Teilbereich projiziert wird. 11. The method of claim 9, wherein a phase modulated monochromatic pattern is projected onto the at least one subregion.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem ein räumlicher Modu- lator für Licht zur Erzeugung des Musters verwendet wird. 12. A method according to claim 11, wherein a spatial modulator for light is used to generate the pattern.
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