CH675299A5 - - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5. 



  Die vorliegende Erfindung betrifft dabei Entfernungsmessung durch optische Mechanismen und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Abstandmessung durch Korrelation des Verhältnisses zwischen dem Abstand eines Diffraktionsgitters von einer monochromatisch beleuchteten Zielfläche mit den jeweiligen relativen Verschiebungen der Diffraktionsbilder höherer Ordnung von der Position des jeweiligen Nullordnungsbildes, wie dies durch das Gitter beobachtet wird. 



  Optische Entfernungsmessgeräte können als Kameras betrachtet werden, welche Distanzinformationen registrieren. Herkömmliche, zweidimensionale Kameras registrieren die Helligkeit von Objekten in auffallendem oder reflektiertem Licht. Entfernungsmessgeräte erzeugen Bilder, deren Helligkeit vom Abstand zur Kamera bestimmt wird. 



  Es bestehen grundsätzlich zwei verschiedene Typen von optischen Entfernungsmesserkameras, nämlich aktive und passive. Die Unterscheidung ist von der Beleuchtung des Objektives abhängig. Aktive Entfernungsmesser steuern die Beleuchtungsquelle des Ziels, während passive Geräte allein von der Beleuchtung der Umgebung abhängig sind. 



  Bei passiven Entfernungsmesser werden drei Hauptprinzipien berücksichtigt, nämlich die Formanalyse, die Mehrfachbetrachtung (typischerweise stereo), sowie die Feldtiefe oder die optische Brennpunktanalyse. 



  Ausführungen von allen drei passiven Entfernungsmesserprinzipien können mit herkömmlichen, zweidimensionalen Kameras  realisiert werden. Eine Form der Formanalyse wird beispielsweise durch Observation und Registrierung (Fotographieren) eines Zielobjektes bekannter Grösse und Bestimmung des Abstandes von der Kamera durch einfaches Messen der registrierten Grösse durchgeführt. Als Alternative dazu kann, falls die zwei horizontal versetzten Ansichten eines Objektes fotografiert werden, und die beiden Fotographien an einer Stelle mit bekannter Tiefe miteinander registriert werden, der Bereich eines beliebigen anderen, korrelierten Elementes durch eine Messung der Disparität in den horizontalen Abmessungen zwischen den registrierten Fotographien gemessen werden.

  Ein solches Verfahren einer Vielfachansicht ist eine Variation des Triangelverfahrens, das auch in der aktiven Entfernungsmessung benutzt wird. Die passive Kategorie ist eine Analyse der Feldtiefe oder des Brennpunktes. Wenn man sich darauf verlässt, dass der Radius des Verwechslungskreises einer defokussierten Linse zum Abstand des Subjektes von der Linse proportional ist, kann eine Objektivfassung derart kalibriert werden, dass eine Verschiebung des Objektes eine direkte Ablesung seines Abstandes durch Bezugnahme auf die graduierte Skala der Objektfassung ermöglicht. 



  Aktive Entfernungsmessung erfordert eine Lichtquelle, die vom Entfernungsmesser gesteuert ist. Die am intensivsten geforschten Gebiete sind Triangulation, Laufzeit (LADAR), Projektionsmuster (Moire) und Schärfekalibrierung. Bei der Triangulation wird die zweite Kamera des Stereosystems durch eine strukturierte Lichtquelle, beispielsweise durch einen Projektor, ersetzt. Typischerweise erzeugt der Projektor ein Lichttuch. Falls es auf der Axe mit einem Projektor betrachtet wird, hat das Tuch, unabhängig von der Konturtiefe der Aufschlagsfläche, das Aussehen einer geraden Linie. Wenn es dagegen von einer beabstandeten Position aus betrachtet wird, sieht es aus, als ob das Licht gebogen ist. Die Kontur der Biegung im Lichttuch kann leicht auf die Tiefe in Beziehung gesetzt werden. 



  Bei einem anderen Verfahren ist eine Projektion von einem Paar von normal beabstandeten zweidimensionalen Mustern am Subjekt erforderlich. Die beiden Muster beeinflussen einander zur Erzeugung eines Moire-Musters, das leicht zu fotographieren ist. Die topographischen Konturen in einem Moire sind zu Änderungen im Abstand des Subjektes von der Kamera proportional. LADAR ähnelt der elektromagnetischen Entfernungsmessung durch Radar. Der Unterschied besteht darin, dass ein pulsmodulierter Laser als aktive Beleuchtungsquelle benutzt wird. Speziell konstruierte Sensoren im Empfangssteller misst die Laufzeit der Lichtfront vom Laser bis zum Ziel und zurück zum Empfangssteller. LADAR-Systeme sind kostspielig, hinderlich und ungenau, jedoch haben sie einen sehr grossen Vorteil gegenüber Triangulation und Moirebasierte Systeme, dass die Beleuchtungsquelle mit dem Sensor koaxial ist.

  Infolgedessen sind keine Okklusionen oder Schatten in der Reichweite des Bildes vorhanden. 



  Ein weiteres, koaxiales System der aktiven Licht-Abstandmessung ist die Brennpunktkalibrierung (Analyse). In einem solchen System wird ein Nadel-Lichtstrahl von der Kamera ausgestrahlt. Der Radius des Verwechslungskreises des Strahls durch eine kalibrierte Linse betrachtet, ist ein Mass für die Entfernung des Ziels. 



  Unabhängig von der Aktivität oder Passivität der optischen Entfernungsmesser spricht ein gemeinsamer, einziger Nachteil gegen ihre Verwendung. Alle bekannten Systeme benötigen eine eher kostspielige und aufwendige Optik, sorgfältige Kalibrierung, biaxiale Beleuchtungs- und Aufzeichnungssysteme, oder sehr aufwendige Geräte für die Lösung der eher komplizierten, mathematischen Modelle. Eine Rückschau durch den Stand der Technik bei der optischen Entfernungsmessung hat eine Technik offenbart, die eine Echtzeitbereich-Datenerfassung ohne die drei ersten der vorgenannten Nachteile ermöglicht. Arbeiten auf diesem Gebiet von P. Chavel und T.C.  Strand zu der Zeit, als sie beim Image Processing Institute an der Universität von Süd-California in Los Angeles, CA in USA tätig waren, ergaben, dass eine Entfernungsmessung durch Verwendung von Talbot Diffraktionsbilder von Gittern möglich ist.

  In einem Artikel in Applied Optics, Jahrgang 23, Nr. 6 vom 15. März 1984 erörtern Chavel und Strand eine Technik, die eine Echtzeit-Messfähigkeit aufweist und von den meisten ihrer Vorgänger in den zwei folgenden, fundamentalen Aspekten abweicht: das physikalische Phänomen, auf dem es basiert, und die gemessene Variable. Die Technik nutzte das Phänomen der Diffraktion aus und hat den variablen Randkontrast gemessen. Chavel und Strand haben sich auf die Tatsache verlassen, dass der Randkontrast im Fresnel Diffraktionsmuster eines Gitters als Funktion der Entfernung vom Gitter und von der Lichtfrequenz variiert. Es war aber vollauf ersichtlich, dass die Messung des Randkontrastes die Nachteile verstärkt. Zur Erreichung einer willkürlichen Entfernungsinformation muss die Quelle des monochromatischen, kohärenten Lichtes bzw.

   Beleuchtung bei diskreten Frequenzen durch das gesamte elektromagnetische Spektrum abgetastet werden. Solche Techniken sind mit unnötigen Auslagen, und in Situationen, in welchen die Entfernungen unter zehn Metern liegen, mit überflüssiger Verfeinerung verbunden. Dem Anmelder erscheint es deshalb so, dass ein wichtiger Faktor in der Chavel-Strand-Technik übersehen wurde, weshalb das Diffraktionsphänomen weiter untersucht werden sollte. 



  Diffraktionsgitter sind optische Geräte, die seit über hundert Jahren in Betrieb sind. Sie sind aus linierten, optischen Materialien, mit Linien in gleich grossen Abständen, deren Zentren sich den Wellenlängen des Lichtes nähern. Das Verhalten von Licht, das reflektiert oder durch Diffraktionsgitter ausgestrahlt wurde, ist ein Objekt von ungezählten Dissertationen, Monographien, Artikeln und Texten. In der vorhandenen Literatur sind die theoretischen Erläuterungen des zentralen Phänomens der Erfindung der Entfernungsmessung  mittels Diffraktion enthalten, jedoch hat weder eine Recherche der Gegenwartsliteratur, die dem Erfinder zur Verfügung stand, noch eine ausgedehnte Patentrecherche eine klare Andeutung dieser Anmeldung gebracht, wenn von der vorgenannten Arbeit von Chavel und Strand abgesehen wird. 



  Diffraktionsphänomene werden oft in zwei allgemeine Klassen, nämlich der Fraunhoffer- und der Fresnel-Diffraktion, aufgeteilt. Die erstgenannte ist der einfachste Fall, indem das auf das Gitter auftreffende Licht als eine ebene Welle behandelt wird. Wenn andererseits die Wellenfront Bogen relativ zu den Abständen des Gitters zeigt, müssen sekundäre Diffraktionswirkungen durch Verwendung der komplizierteren Fresnel-Analyse berechnet werden. Insbesondere strahlt eine beleuchtete Punktquelle Licht mit einer kugelförmigen Wellenfront aus. In feinmaschigen Netzen, beispielsweise in solchen für Holographie, ist die Wirkung der bogenförmigen Wellenfront in Abständen von mehreren Metern bemerkbar, was eine zweckmässige Entfernung für einige Anwendungen darstellt. 



  Der Anmelder versuchte, ein Verfahren zur Entfernungsmessung durch Verwendung des Diffraktionsphänomens zu entwickeln, und zwar insbesondere durch Verwendung der winkelmässigen Verschiebung eines Diffraktionsbildauftrages als Funktion des Abstandes einer Punktlichtquelle von einem Diffraktionsgitter. Falls eine monochromatische Lichtpunktquelle durch ein Diffraktionsgitter betrachtet wird, sind mehrere Bilder einer Punktquelle sichtbar. Das Nullordnungs-Diffraktionsbild taucht in der wahren Position der Punktquelle auf, aber die Diffraktionsbilder hoher Ordnung werden von einem Winkel verschoben, der von der Frequenz des Gitters, der Entfernung der Punktquelle vom Gitter und von der Farbe des Lichtes bestimmt ist, das von der Punktquelle ausgestrahlt wird.

  Insbesondere die Wirkung der winkelmässigen Verschiebung hoher Ordnung der Diffraktionsbilder als Funktion des Abstandes der Punktquelle kann nur im Fresnel-Fall der  Diffraktion festgestellt werden, d.h. dass wenn die Wellenfront von der Punktquelle relativ zur Grösse des Gitters gebogen ist. Entfernungsmessung mit diesem Verfahren ist dann besonders genau, wenn sich die Punktquelle nahe beim Gitter befindet. Die Geschwindigkeit der winkelmässigen Verschiebung sinkt exponentiell, wenn die Punktquelle vom Gitter zurückweicht. (In einem Anfangsversuch wurde eine messbare Verschiebung des Verschiebungswinkels der Diffraktion erster Ordnung eines roten Punktquellenzieles in einem Abstand von einem Meter mit einem 10 mm-Gitter mit 600 Linien pro mm sichtbar.

  Das Gitter wurde in einem Abstand von 10 cm von einer Linse mit einer Brennweite von 100 mm betrachtet, die auf eine Vidicon-Fernsehbildröhre von einem halben Zoll (1.27 cm) fokussiert wurde.) Die einfachste Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens würde eine Projektion eines monochromatischen Nadel-Lichtstrahls auf ein Ziel, die Beobachtung des Ziels durch das Gitter und eine Messung der Verschiebung der Diffraktionsbilder höheren Ordnung von der Position des Nullordnungbildes erwägen. Eine solche Entfernungsmessung könnte einfach dadurch kalibriert werden, dass Messungen eines kalibrierten Zieles zur Aufstellung einer korrelierten Skala der Verschiebung zum Abstand durchgeführt werden.

  Die Verschiebungsmasse können mit den Augen mittels eines kalibrierten Betrachtungsgerätes mit elektronischen Sensoren, wie beispielsweise einer linearen Anordnung von Photozellen oder einer Fernsehkamera, gemessen werden. Das Gerät würde dann besonders wirksam sein, wenn der projizierte Strahl und der Sucher optisch koaxial sind. Dies würde die Entfernungsmessung von allen sichtbaren Punkten ermöglichen. 



  Aufwendigere Ausführungen des Verfahrens würde einen oder mehrere bewegbare Spiegel zur Änderung der koaxialen Projektion und des Betrachtungswinkels über ein horizontales und vertikales Feld verwenden. Dies würde die Erfassung der Ent fernungsinformation Bild um Bild der dreidimensionalen Oberflächen ermöglichen. Solche Abtastgeräte sind bereits bekannt. Der Einschluss eines Diffraktionsgitters in das Abtastgerät wurde aber bisher nicht in der Literatur offenbart, die dem Anmelder zur Verfügung stand. 



  Es ist möglich, viele verschiedene Steigungen von Diffraktionsgittern an einem einzigen Substrat zu erzeugen. Techniken für eine solche Fabrikation schliessen Elektronenstrahl-Lithographie und holographische, optische Elemente (HOE's) ein. Reihen von Diffraktionsgittern unterschiedlicher Ordnung würden die Entfernungsmessung in diskreten Stufen ermöglichen. In einer solchen Ausführungsform würde Licht in diskreten Abständen einzigartige Verschiebungen in individuellen Gittern erzeugen. 



  Zum Ausdehnen des Messbereiches über die Grenze des Fresnel-Falles hinaus, können Diffraktionsgitter zum Messen der Grösse der entfernten Objekte benutzt werden. Falls eine Leitung oder ein Lichtviereck projiziert wird, wird es so lange als zusammenhängendes Objekt gesehen, bis es sich in einer ausreichender Entfernung für ein Gitter zum Trennen des Diffraktionsbildes von seinem Bild erster Ordnung befindet. Wie in der obengenannten diskreten Reihenanordnung kann die Entfernung des Ziels durch Prüfung festgestellt werden, bei welcher Steigung des Gitters eine Linie oder festes Objekt in drei diskreten Bildern (mit zwei Bilder erster Diffraktionsordnung und einem der Nullordnung in der Mitte des Gesichtfeldes) aufgeteilt wird. Diese Art der Entfernungsmessung ähnelt der Formanalyse, ist aber durch die Verwendung des vorangehend beschriebenen Verfahrens praktischer. 



   Die vorgenannte Prüfung des Entfernungsmessverfahrens und der Diffraktionsbilder hat Vor- und Nachteile offenbart, die der Anmelder in der vorliegenden Erfindung jeweils zu vermeiden oder einzuprägen versucht hat. 



  Infolgedessen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Entfernungsmessung zu schaffen, die für jede kurze Entfernung, beispielsweise bis zu drei Meter, mit der grössten Genauigkeit in der Umgebung des observierten Objektes oder Zieles verwendbar sind. 



  Dabei soll eine übermässige Verwendung von optischen Geräten, die Notwendigkeit einer biaxialen Beleuchtung und eine Aufnahmevorrichtung vermieden werden, und zudem soll die Kalibrierung einfach sein. 



  Die Einrichtung zur Entfernungsmessung soll keine aufwendige Analyse- oder Synthese-Techniken oder -Ausrüstung benötigen, sondern mit einer Ausrüstung durchführbar sein, die in einer Universität oder in einer kleinen Firma zur Verarbeitung, als visuelle Hilfe oder in optische Computer-Laboratorien vorhanden ist. 



  Diese Aufgaben sind erfindungsgemäss durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil der Ansprüche 1 und 5 gelöst. 



  Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben. 



  Beim Verfahren und bei der Einrichtung wird ein monochromatischer Licht-Nadelstrahl auf ein Ziel projiziert, das beleuchtete Ziel durch ein Diffraktionsgitter und die Verschiebung der Hochordnungs-Diffraktionsbilder von der Position des Nullordnungs bildes realisiert. Die Kalibrierung des Empfangsstellers umfasst Messungen des Ziels bei bekannten Abständen und die Aufstellung einer Skala der Bildverschiebungen zu den Zielabständen. Keine Okklusion findet dann statt, wenn der projizierte Strahl und der Sucher optisch koaxial sind. Solche Anordnungen empfehlen eine minimale Optik, eine leichte Kalibrierung, kompakte Skalen infolge der koaxialen Beleuchtung und der Aufzeichnung von Subsystemen sowie die Abwesenheit von aufwendiger, mathematischer Analyse- und Syntheseausrüstung. 



  Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: 
 
   Fig. 1 eine Fresnel-Diffraktion einer bogenförmigen Wellenfront, und 
   Fig. 2 eine bevorzugte Ausführung der Entfernungsmesseinrichtung. 
 



  In Fig. 1 ist die Ausbreitung einer Wellenfront von einer Punktquelle S05 und deren Annäherung zum Diffraktionsgitter 7 hin gezeigt. An Punkten S1 und S2 des Diffraktionsgitters 7 wird die gebogene Wellenfront 6 gebeugt. Die resultierenden Wellenmuster auf der anderen Seite des Diffraktionsgitters 7 wirken mit den Wellenfronten zusammen, die sich durch benachbarte \ffnungen ausbreiten und infolgedessen einander beeinflussen oder verstärken. Die Ortskurven von Punkten der Wellenfrontverstärkungen sind an der Stelle I0 mit 11 und an derjenigen I2 mit 12 und 12 min  bezeichnet, und sind jeweils Bilder der Nullordnung und der ersten Ordnung. 



  Als bevorzugte Ausführungsformen zeigt Fig. 2 ein einfaches Gerät, das die Fresnel-Diffraktionsphänomen nach Fig. 1 benutzt. Eine monochromatische Lichtquelle 1 fokussiert einen monochromatischen Lichtstrahl 2 auf die Vorderfläche  des Strahlenteilers 3. Der Lichtstrahl wird längs eines alternierenden Pfades 2 min  zum Ziel 5 reflektiert. In der Weise beleuchtet, breitet S0 oder eine ähnliche Punktquelle Licht zum Pfad 6 der ursprünglichen Erzeugung durch den Strahlenspalter 3 aus, wobei das Licht als Strahl 6 min  austritt. Der Strahl 6 min  ist gebogen, wie dies durch den stilisierten Pfeilkopf gerade vor der Begegnung mit dem Diffraktionsgitter 7 dargestellt ist. Am Diffraktionsgitter 7 wird der Strahl in einer Weise gebeugt, die derjenigen entspricht, welche in Fig. 1 erläutert ist.

  Aus Gründen der Klarheit entsprechen Wellenfronten oder Strahlen nur dem Nullordnungs-Bild 8 und einem Bild 9 der ersten Ordnung. Die Bilder sind durch die Objektivlinse 10 fokussiert, treten auf und werden als Nullordnungs-Bild 11 und als Bild 12 erster Ordnung gezeigt. Ein feststellbares und experimentell wiederholbares Phänomen wird in der Übereinstimmung der Entfernung 13 festgestellt, d.h. der Punktquelle S05 vom Diffraktionsgitter 7 und der Verschiebung 13 min  zwischen dem Nullordnungsbild 11 und einem Bild 12 erster Ordnung. 



   Einem Fachmann ist es klar, dass die Objektivlinse 10 durch eine Videokamera ersetzt werden kann, wobei die Bilder 11 und 12, die traditionell auf eine ebene Fläche projiziert wird, auf einem Videoschirm sichtbar werden. Danach ist es eine einfache Aufgabe das Gerät derart zu kalibrieren, dass der Abstand 13 zur Verschiebung 13 min  in Beziehung gesetzt wird. 



  Die Erfindung ist nicht auf die spezifische Ausführungsform beschränkt, von welcher Abweichungen innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind. 

Claims (7)

1. Verfahren zur Entfernungsmessung, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verhältnis zwischen den Abständen eines Diffraktionsgitters von einem beleuchteten Ziel mit den jeweiligen relativen Verschiebungen von Diffraktionsbildern hoher Ordnung von der Position der jeweiligen durch das Gitter beobachteten Nullordnungsbilder korreliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ziel mit monochromatischem Licht beleuchtet wird.

3.

Verfahren nach Anspruch 2 zur optischen Entfernungsmessung, dadurch gekennzeichnet, dass man das Licht von einer beabstandeten Punktquelle aus observiert, das sich durch ein Diffraktionsgitter bewegt, wobei die Wellenfront des Punktquellenlichtes in eine Vielzahl von Wellenfronten aufgeteilt wird, die einer Vielzahl von Diffraktionsbildern unterschiedlicher Ordnung entsprechen, und dass man die scheinbare Verschiebung der Diffraktionsbilder höherer Ordnung von ihren jeweiligen Nullordnungsbilder mit dem physikalischen Abstand der Punktquelle vom Diffraktionsgitter korreliert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktquelle mit monochromatischem Licht beleuchtet wird.

5.

Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: a) eine monochromatische Lichtquelle (1) zur Beleuchtung eines Ziels (5), für das Daten gesucht sind, b) ein Diffraktionsgitter (7), das vom Ziel (5) reflektiertes Licht empfängt und dessen Wellenfront in Diffraktionsbilder (8, 9) vielfacher Ordnung aufteilt, und c) Mittel (10) zur Unterscheidung zwischen der Ordnungsverschiebung der Diffraktionsbilder (8, 9), wobei ihre Verschiebung von der Nullordnungs-Bildposition (8) mit der absoluten Distanz des Diffraktionsgitters (7) vom Ziel (5) vergleichbar ist.

6.

Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffraktionsgitter (7) abstandsgleiche Strichlinien umfasst, um mindestens zwei benachbarte Abstände zu erhalten, die einem integralen Vielfachen einer Wellenlänge des monochromatischen Lichtes (1) entsprechen.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Observationsmittel eine Videokamera (10) enthalten.