DE102008007451A1

DE102008007451A1 - Anordnung zur dreidimensionalen Abbildung einer Szene

Info

Publication number: DE102008007451A1
Application number: DE102008007451A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Westphal
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-08-06

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur dreidimensionalen Abbildung einer Szene, umfassend eine Beleuchtungseinrichtung, von der ein Strahlengang zur Beleuchtung der Szene ausgeht, und eine Empfangseinrichtung mit einem Detektor zur ortsauflösenden Detektion des von der Szene beziehungsweise den Objekten der Szene reflektierten Lichtes. Die erfindungsgemäße Anordnung ist ausgestattet mit Mitteln zur Vorgabe einer Intensitätsverteilung innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs (10), die abhängig ist - von der jeweiligen Distanz (D1, D2) zwischen der Beleuchtungseinrichtung und einzelnen Bereichen der Szene, und/oder - von der jeweiligen Distanz zwischen einzelnen Bereichen der Szene und dem Detektor. Dadurch werden mit dem Detektor Bildsignale von den einzelnen Bereichen der Szene generiert, deren Stärke von der jeweiligen Distanz (D1, D2) unabhängig ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur dreidimensionalen Abbildung einer Szene, umfassend eine Beleuchtungseinrichtung, von der ein Strahlengang zur Beleuchtung der Szene ausgeht, und eine Empfangseinrichtung mit einem Detektor zur ortsauflösenden Detektion des von der Szene beziehungsweise den Objekten der Szene reflektierten Lichtes.
Anordnungen dieser Art sind als dreidimensional bildgebende Meßanordnungen bekannt, beispielsweise in Form von 3D-Kamerasystemen, mit denen Geländeabschnitte bildlich erfaßt werden. Mit anschließender Bildauswertung können dann die Art, die Form oder die Größe der sich in dem Geländeabschnitt befindenden Gegenständen bewertet und bei Bedarf auch deren Abstände zueinander oder zum 3D-Kamerasystem gemessen werden.
Ein konkretes Anwendungsbeispiel ist die Gewinnung von Abbildungen einer landwirtschaftlich genutzten Fläche zum Zweck der automatischen Steuerung von Erntemaschinen oder anderweitigen landwirtschaftlichen Nutzfahrzeugen bei der Bearbeitung dieser Fläche.
Dabei ist die Bearbeitungsgeschwindigkeit vom individuellen Reaktionsvermögen des Fahrers abhängig und deshalb auf natürliche Weise begrenzt. Neben zahlreichen anderen Aufgaben muß der Fahrer beispielsweise sicherstellen, daß sich die Räder des Fahrzeugs stets zwischen den Pflanzreihen bewegen, um Beschädigungen der Pflanzen zu vermeiden. Ohne eine automatische Steuerung erfordert dies eine hohe Aufmerksamkeit, die vom Fahrer über viele Arbeitsstunden hinweg nur bei verhältnismäßig geringen Fortbewegungsgeschwindigkeiten von 10 bis 15 km/h aufgebracht werden kann.
Wünschenswert sind jedoch höhere Fahrgeschwindigkeit, etwa von 30 km/h, die aber effizient nur mit einer automatisierten Pflanzreihen- oder Schwaderkennung in Verbindung mit einer automatischen Steuerung des Fahrzeugs erreichbar ist. Dazu ist wiederum eine zuverlässige Entfernungsdetektion bei unterschiedlichsten Lichtverhältnissen erforderlich.
Unabhängig davon, wie die Detektion erfolgt, besteht hierbei stets das Problem, daß Objekte, die innerhalb eines beleuchteten Flächenabschnittes näher zur Beleuchtungsquelle und zum Kamerasystem liegen – bei Annahme von im Wesentlichen gleichen Geländeeigenschaften – erheblich mehr Beleuchtungslicht in den Detektor zurückreflektieren oder zurückstreuen als weiter entfernte Objekte. Dies führt dazu, daß nahe Objekte häufig überbelichtet sind, während von weiter entfernten Objekten zu wenig Licht zum Detektor gelangt.
Im Stand der Technik werden bei dreidimensional bildgebenden Meßanordnungen folgende Funktionsprinzipien unterschieden:
a) Laufzeitkameras:
Die aufzunehmende Szene wird mit zeitlich im MHz-Bereich moduliertem Licht beleuchtet, und mittels eines ortsauflösenden Detektors werden Bildinformationen und diesen zugeordnete Entfernungen ermittelt, indem die Phasenbeziehung zwischen der modulierten Beleuchtungsstrahlung und der von der Szene reflektierten oder gestreuten Strahlung ausgewer tet wird. Eine solche Anordnung ist z. B. in DE 44 39 298 A1 beschrieben.
Des weiteren ist beispielsweise aus „Elektronik" 9/2001, Fachzeitschrift für industrielle Anwender und Entwickler, Franzis-Verlag GmbH, Deutschland, Seiten 60 bis 64, eine Laufzeitkamera bekannt, bei der jedes Pixel einer zweidimensionalen Detektorfläche eine komplexe Elektronik für die Entfernungsmessung enthält, was nachteilig zur Folge hat, daß die photosensitive Fläche nur eingeschränkt verfügbar ist. Da jedoch sehr wenig des von den Objekten reflektieren Lichtes zum Detektor gelangt, müssen die Pixel eine relativ große Fläche von typischerweise ≥ 40 μm × 40 μm aufweisen, um auswertbare Informationen zu liefern. Dies wiederum wirkt sich nachteilig auf die Baugröße und die Kosten solcher Geräte aus.
b) Streifenbeleuchtung:
Hierbei wird die Szene streifenartig beleuchtet, wobei mehrere Streifenperioden und/oder Streifenausrichtungen dem Beleuchtungslicht aufgeprägt werden. In der zweidimensionalen Projektion erscheinen die von der Szene reflektierten Streifen gekrümmt, so daß aus mehreren Aufnahmen die 3D-Information rekonstruiert werden kann.
c) Stereokameras:
Es werden von der Szene zwei zweidimensionale Abbildungen aus unterschiedlichen Blickwinkeln gewonnen. Durch Korrelation und Ausnutzung des Triangulations-Prinzips können 3D-Informationen aus den beiden Bildern ermittelt werden.
d) Laserscanner:
Das Funktionsprinzip entspricht weitestgehend dem der Laufzeitkamera, wobei jedoch die Erfassung der Bildinformationen nicht mit einer bildgebenden zweidimensionalen Detektorfläche erfolgt, sondern die laterale Auflösung durch Abrastern der Szene mit einem Laserstrahl gewonnen wird.
Bei den Verfahren nach a), b) und d) ist die Beleuchtung von kritischer Bedeutung, weil sie prinzipbedingt aktiv mit Beleuchtungseinrichtungen erfolgen muß. Bei den Verfahren nach a) und b) kommt hinzu, daß die Beleuchtungsstärke näherungsweise quadratisch mit der Entfernung abnimmt, da die Lichtquelle in der Regel wesentlich kleiner ist als die zu beleuchtende Szene.
Dies wird anhand der Darstellung in 1 deutlich, wo beispielsweise ein Flächenbereich mit der Länge l = 30 m vor einem Traktor 1 beleuchtet werden soll. Hier kann davon ausgegangen werden, daß die lichtabstrahlende Fläche des symmetrisch abstrahlenden Scheinwerfers 2 wesentlich kleiner ist als die zu beleuchtende Fläche. Der Scheinwerfer 2 ist Bestandteil eines Gerätes 3 zur Aufnahme von dreidimensionalen Bildern und zur laufenden Messung der sich mit der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Traktors 1 ändernden Entfernungen zwischen dem Traktor 1 und Objekten der beleuchteten Szene, hier beispielsweise Pflanzen 4.
Es ist bekannt, daß die Intensität eines Beleuchtungsstrahlengangs näherungsweise quadratisch mit dem Abstand von Lichtquellen abnimmt. In dem in 1 beschriebenen Beispiel hat das zur Folge, daß Pflanzen 4, die sich in der Distanz D1 nahe vor dem Traktor 1 befinden, gut ausgeleuchtet sind und dadurch verwertbare Bildinformationen liefern, während von in der Distanz D2 weiter entfernten Pflanzen 4 lediglich ein verrauschtes und meist unbrauchbares Bildsignal empfangen wird. Umgekehrt werden die nahen Objekte überbelichtet, wenn die Intensität des vom Scheinwerfer 2 ausgehenden Lichtes so vorgegeben wird, daß die weiter entfernten Pflanzen 4 gut ausgeleuchtet sind.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik behoben sind.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die erfindungsgemäß ausgestattet ist mit Mitteln zur Vorgabe einer Intensitätsverteilung innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs, die abhängig ist

– von der jeweiligen Distanz zwischen der Beleuchtungseinrichtung und einzelnen Bereichen der Szene, und/oder
– von der jeweiligen Distanz zwischen einzelnen Bereichen der Szene und der Detektorfläche.

Dadurch werden auf der Detektorfläche Bildsignale weitestgehend gleicher, von der jeweiligen Distanz unabhängiger Stärke generiert.
Erfindungsgemäß ist die Intensität innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs um so höher, je größer die jeweilige Distanz ist, so daß das von den beleuchteten Bereichen reflektierte Licht mit einer von der jeweiligen Distanz unabhängigen Intensität auf die Detektorfläche trifft. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Distanzen zwischen der Beleuchtungseinrichtung und den beleuchteten Bereichen einerseits und die Distanzen zwischen den beleuchteten Bereichen und der Detektorfläche andererseits zumindest angenähert gleich sind.
So kann beispielsweise mit zunehmender Distanz eine quadratische Zunahme der Intensität innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs vorgesehen sein nach der Funktion: Int(x) = Int1(x1)·[D(x)/D1(x1)]2 mit Int(x) der Intensität am Ort x, Int1(x1) der Intensität am Ort x1, D(x) dem Abstand zwischen Lichtquelle und Ort x und D1(x1) dem Abstand zwischen Lichtquelle und Ort x1. Dabei wird vorausgesetzt, dass D(x) monoton mit der Ortsvariablen x steigt. Beispielsweise können x1 und x2 den Beginn und das Ende des zu beleuchtenden Bereichs in Blickrichtung des 3D-Kamerasystems repräsentieren, wie dies auch aus 1 ersichtlich ist.
Alternativ dazu ist aber auch die Vorgabe einer linearen Zunahme der Intensität innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs in Abhängigkeit von der Distanz denkbar nach der Funktion: Int(x) = Int1(x1)·D(x)/D1(x1)
Die Beleuchtungsintensität ist bei Anwendung der Erfindung im Zusammenhang mit der automatisierten Pflanzreihen- oder Schwaderkennung vorzugsweise so gestaltet, daß sie innerhalb des durch das 3D-Kamerasystem zu erfassenden Bereichs konstant oder näherungsweise konstant ist entsprechend der Funktionen: Int(x) = Int1(x1) oder Int(x)Int1(x1)
Unter einer näherungsweise konstanten Beleuchtungsintensität wird hier verstanden, daß die Beleuchtungsintensität um bis zu 30% innerhalb des von dem 3D-Kamerasystem erfaßten Bereichs variieren kann.
Während Intensitätsverteilungen nach den ersten beiden der vorstehend genannten Funktionen besonders vorteilhaft in den Fällen sind, in denen telezentrische Abbildungen der Szene gewonnen werden sollen, ist die Intensitätsverteilung nach der dritten Variante vorzugsweise bei der Gewinnung von nicht-telezentrische Abbildungen zu nutzen, wie weiter unten anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden soll.
Die Beleuchtungseinrichtung umfaßt in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Lichtquelle, die aus einer Vielzahl von in einem Array aus Zeilen angeordneten Leuchtdioden gebildet ist. Während dabei die Szene in einer Ebene E1 liegt, liegen die Leuchtdioden in einer Ebene E2; beide Ebenen E1, E2 sind gegeneinander geneigt und haben dadurch eine gemeinsame Schnittgerade S. Die Leuchtdioden können innerhalb des Arrays auch in Spalten sortiert angeordnet sein. Ebenfalls liegt es im Rahmen der Erfindung Leuchtdioden vorzusehen, die Licht in sichtbaren oder auch in unsichtbaren Wellenlängenbereichen, wie beispielsweise im IR-Bereich, abstrahlen.
Diese Lichtquelle ist beispielsweise mit einer Ansteuerschaltung zum Einschalten aller Leuchtdioden verbunden, und der Lichtquelle ist eine Beleuchtungsoptik nachgeordnet, die so ausgebildet ist, daß die von der Lichtquelle ausgehende noch gleichmäßige Intensitätsverteilung bei Durchgang durch diese Beleuchtungsoptik so verändert wird, daß nach dem Durchgang die Intensität innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs die vorgegebene Verteilung aufweist.
Bevorzugt ist eine solche Beleuchtungsoptik als Freiformoptik ausgebildet, die mindestens eine asphärische Linse, einen asphärischen Spiegel, eine Fresnel-Linse, ein Prisma, ein Mikrolinsenfeld, ein diffraktives optisches Element (DOE), ein optisches Element aus einem Gradientenindex-Material oder einen Lichtleiter umfaßt.
Abweichend davon kann in einer alternativen Ausgestaltung die aus einer Vielzahl von Leuchtdioden bestehende Lichtquelle mit einer Ansteuerschaltung zum Einschalten ausgewählter Leuchtdioden innerhalb des Arrays verbunden sein, wobei mit der Anzahl der eingeschalteten Leuchtdioden und mit deren Position auf dem Array die Intensitätsverteilung innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs vorgegeben ist.
In diesem Fall kann der Lichtquelle eine Beleuchtungsoptik in Form eines Objektivs nachgeordnet sein, das eine senkrecht zu seiner optischen Achse ausgerichtete Hauptebene E3 aufweist, wobei die Hauptebene E3 ebenfalls die Schnittgerade S der Ebenen E1, E2 schneidet, womit die in der Optik an sich bekannte Scheimpflug-Bedingung erfüllt ist. Damit wird erreicht, daß die Lichtquelle mit hoher Effizienz auf die relativ dazu geneigte Szene abgebildet wird.
Vorteilhaft ist zwischen der Lichtquelle und der jeweiligen Beleuchtungsoptik ein lichtstreuendes Element, bevorzugt eine holographische Streuscheibe, positioniert, durch welche räumliche Modulationen der Beleuchtungsintensität, die aufgrund der diskreten Anordnung der Leuchtdioden im Array entstehen, geglättet werden.
Die Auslegung als holgraphische Streuscheibe hat den Vorteil, daß das Streulicht auf einen gewünschten Winkelbereich begrenzt werden kann. Weiterhin kann die holographische Streuscheibe auch so ausgelegt sein, daß sie die Funktion der o. g. Freiformoptik teilweise oder vollständig übernimmt, indem sie die eingehende Strahlung inhomogen bezüglich des Abstrahlwinkels, also nicht-isotrop streut.
Zwischen der Lichtquelle und der jeweiligen Beleuchtungsoptik kann in einer besonderen Ausführung der Erfindung ein elektronisch ansteuerbarer zeitlicher Lichtmodulator vorgesehen sein, welcher zur Modulation der Intensität des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes dient. Die damit erzeugte Modulationsfrequenz ist vorteilhaft größer 1 MHz.
Diese Ausführung ist im Zusammenhang mit einer Laufzeitkamera dann zu bevorzugen, wenn die Lichtquelle selbst nicht zeitlich moduliert wird. Der zeitliche Lichtmodulator kann z. B. ein akusto-optischer oder ein elektro-optischer Modulator sein. Bei der Verwendung zeitlich hochfrequent modulierter Lichtquellen, insbesondere von LED's, kann der zeitliche Lichtmodulator jedoch entfallen.
Wird die Szene dagegen mittels Streifenprojektion räumlich erfaßt, so kann hinter der Streuscheibe ein räumlicher Lichtmodulator eingefügt sein, der zur Erzeugung variabler Streifenbreiten geeignet ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Anordnung in einem Gehäuse untergebracht ist, das die Lichtquelle, die Streuscheibe, den Lichtmodulator, die Beleuchtungsoptik, die Detektorfläche und eine Signalverarbeitungseinrichtung umschließt.
In den Schutzumfang eingeschlossen ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung im Zusammenhang mit selbststeuernden Fahrzeugen, insbesondere zur automatischen Steuerung von landwirtschaftlichen Nutzfahrzeugen, oder auch ihre Verwendung im Zusammenhang mit Anlagen zur Erfassung von sich bewegenden Objekten, insbesondere von Personen, Tieren oder Fahrzeugen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 die Prinzipdarstellung einer Beleuchtungseinrichtung nach Stand der Technik am Beispiel eines mit Hilfe einer dreidimensional bildgebenden Meßanordnung automatisch gesteuerten Traktors,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Array aus Leuchtdioden als Lichtquelle und einer der Lichtquelle nachgeordneten Abbildungsoptik unter Ausnutzung der Scheimpflug-Bedingung,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Array aus Leuchtdioden als Lichtquelle und einer der Lichtquelle nachgeordneten Freiformoptik.
1 zeigt die symbolische Darstellung eines landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges, beispielsweise eines Traktors 1, der ausgestattet ist mit einer Einrichtung zur Beleuchtung einer in Fahrtrichtung F vor ihm liegenden Fläche mit einer Länge l. Die beleuchtete Fläche ist hierbei senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet, wodurch von ihrer Ausdehnung zwar die Länge l, nicht aber ihre Breite ersichtlich ist.
Die Erkennbarkeit der Breite ist jedoch für die Erläuterung des Funktionsprinzips nicht erforderlich.
Die Beleuchtungseinrichtung verfügt hier über eine Lichtquelle in Form eines im Stand der Technik üblicherweise verwendeten symmetrisch abstrahlenden Scheinwerfers 2, der Bestandteil eines Gerätes 3 ist, das zur Aufnahme von dreidimensionalen Bildern und zur laufenden Messung der sich mit der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Traktors 1 ändernden Entfernungen zwischen dem Traktor 1 und Pflanzen 4 ausgebildet ist, die sich auf der beleuchteten Fläche befinden und somit Objekte der beleuchteten Szene sind. Zu diesem Zweck sei das Gerät 3 mit einer Kamera versehen, die eine zweidimensionale Detektorfläche aufweist (zeichnerisch nicht dargestellt).
Aus 1 wird offensichtlich, daß die lichtabstrahlende Fläche des Scheinwerfers 2 wesentlich kleiner ist als die zu beleuchtende Fläche vor dem Traktor 1 mit der Länge l. Zwangsläufig ist die Intensität des auf die einzelnen Pflanzen 4 treffenden Beleuchtungslichtes um so geringer, je größer die Distanz zwischen dem Scheinwerfer 2 und der jeweils beleuchteten Pflanze 4 ist. Und zwar nimmt die Beleuchtungsintensität mit zunehmender Distanz näherungsweise quadratisch ab.
Daraus folgt, daß die Pflanzen 4, die sich im Bereich einer Distanz D1 vor Scheinwerfer 2 befinden, hinreichend beleuchtet werden, während die sich im Bereich einer Distanz D2 > D1 vor Scheinwerfer 2 befindenden Pflanzen 4 nur unzureichend beleuchtet werden.
Um diesem Mangel abzuhelfen, ist erfindungsgemäß eine Anordnung geschaffen worden, mit der es gelingt, die abzubildende Szene vor dem Traktor 1 mit einer in der Weise vorgegebenen Intensitätsverteilung innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs 10 auszuleuchten, daß das von den Pflanzen 4 direkt oder gestreut reflektierte Licht – unabhängig von der Distanz D1 oder D2 oder von den übrigen zwischen D1 und D2 liegenden Distanzen – mit gleicher oder zumindest angenähert gleicher Intensität auf die Detektorfläche der Kamera trifft und so Bildsignale liefert, die eine gleiche, von der jeweiligen Distanz unabhängige Stärke haben, so daß dreidimensionale Bilder hoher Qualität und Entfernungsmeßwerte hoher Genauigkeit gewonnen werden können.
Hierbei ist, wie in 2 anhand eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt, als Lichtquelle 5 ein Array aus einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Leuchtdioden (LED) vorgesehen, die Licht im sichtbaren oder infraroten Wellenlängenbereich abstrahlen. 2a zeigt die Lichtquelle 5 symbolisch in einer Draufsicht auf das Array, in dem die in Zeilen Z1, Z2 bis Zn (mit n einer ganzen Zahl) angeordneten Leuchtdioden angedeutet sind.
Die Lichtquelle 5 ist mit einer Ansteuerschaltung (zeichnerisch nicht dargestellt) verbunden, mit deren Hilfe jede Leuchtdiode des Arrays einzeln und unabhängig von den übrigen Leuchtdioden angesteuert werden kann. So kann mittels der Ansteuerschaltung dafür gesorgt werden, daß in den Zeilen Z1, Z2 ... Zn unterschiedliche Anzahlen von Leuchtdioden eingeschaltet sind. In 2a ist beispielsweise jede eingeschaltete Leuchtdiode durch eine kleine helle Kreisfläche, jede ausgeschaltete durch eine kleine dunkle Kreisfläche dargestellt.
Das Array ist relativ zu der zu beleuchtenden Fläche so ausgerichtet, daß die Zeile Z1 der Distanz D1 und die Zeile Zn der Distanz D2 zugeordnet ist. In anderen Worten: das von den Leuchtdioden der Zeile Z1 abgestrahlte Licht soll den in der Distanz D1 vor der Lichtquelle 5 liegenden Flächenbereich ausleuchten, das von den Leuchtdioden der Zeile Zn abgestrahlte Licht soll den in der Distanz D2 vor der Lichtquelle 5 liegenden Flächenbereich ausleuchten, während die Zeilen Z2 bis Zn – 1 die zwischen den Distanzen D1 und D2 liegenden Flächenbereiche ausleuchten sollen. Dabei kann die Anzahl n der Leuchtdiodenzeilen beispielsweise je nach Länge l der auszuleuchtenden Fläche und geforderter Qualität der Ausleuchtung 2 bis 200 betragen. Die Anzahl der jeweils in einer Zeile des Arrays angeordneten Leuchtdioden korrespondiert zur Breite der vor dem Traktor 1 zu beleuchtenden Fläche.
Die Intensität des von dem Array abgestrahlten Lichtes nimmt also von Zeile Z1 beginnend bis Zeile Zn fortschreitend in Abhängigkeit von der Anzahl der jeweils eingeschalteten Leuchtdioden monoton zu.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Winkelverteilung des abgestrahlten Lichtes so bemessen ist, daß das von den Pflanzen 4 aus der Distanz D2 direkt oder gestreut zurückreflektierte Licht mit der gleichen oder zumindest angenähert gleichen Intensität auf die Detektorfläche der Kamera trifft wie das von den Pflanzen 4 aus geringeren Distanzen reflektierte Licht – einschließlich der Distanz D1. Mit dem Zu- oder Abschalten einzelner LED's oder mit dem Verschieben des LED-Arrays gegenüber der Optik 8 bzw. 9 (vgl. 2b oder 3b) kann die Homogenität der Detektorflächen-Ausleuchtung optimiert werden.
Die Detektorfläche ist in 2 zwar nicht dargestellt, sie befindet sich jedoch vorzugsweise nahe der Position des Arrays aus Leuchtdioden. Sie ist parallel zur Fläche des Arrays aus Leuchtdioden ausgerichtet oder, besser, sie liegt in der Ebene E2, in der auch das Array aus Leuchtdioden liegt, so daß zwischen der Lichtquelle 5 und den Pflanzen 4 einerseits und den Pflanzen 4 und der Detektorfläche andererseits jeweils gleiche Entfernungen gegeben sind, die das Licht jeweils zurückzulegen hat.
In 2b ist die Lichtquelle 5 in einer Seitenansicht dargestellt, wobei wiederum die Zeilen Z1, Z2 ... Zn angedeutet sind, hier allerdings senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet. In der Ausbreitungsrichtung des von der Lichtquelle 5 abgestrahlten Lichtes gesehen sind der Lichtquelle 5 zunächst eine Streuscheibe 6, dann ein Lichtmodulator 7 und schließlich ein Abbildungsobjektiv 8 nachgeordnet.
Dabei dient die Streuscheibe 6 dazu, die heterogene Abstrahlung der diversen LED's räumlich zu glätten. Mit dem Lichtmodulator 7 wird dem von den Leuchtdioden abgestrahlten Licht eine Modulationsfrequenz von beispielsweise > 10 MHz aufgeprägt, so daß für die einzelnen Pflanzen 4 der aufzunehmenden Szene die Entfernungen nach dem bereits eingangs beschriebenen Prinzip der Laufzeitkamera ermittelt werden können. Mit dem Abbildungsobjektiv 8 wird die Lichtquelle 5, von der in diesem Fall bereits ein Beleuchtungsstrahlengang 10 mit der vorzugebenden Intensitätsverteilung ausgeht, auf die zu beleuchtende Fläche vor dem Traktor 1 abgebildet.
Wie aus 2b weiterhin zu erkennen ist, liegt das Array aus Leuchtdioden in einer Ebene E2, das Abbildungsobjektiv 8 hat eine senkrecht zu seiner optischen Achse orientierte Hauptebene E3, und die beleuchtete Fläche vor dem Traktor 1 liegt in einer Ebene E1. Die drei Ebenen E1, E2, E3 treffen sich in einer Schnittgeraden S, die in der hier gezeigten Darstellung senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet ist.
Mit dieser Konfiguration ist die in der Optik an sich bekannte Scheimpflug-Bedingung erfüllt, durch welche eine optimale Abbildung einer Ebene, in diesem Fall der Ebene E2, in die relativ dazu geneigte Ebene E1 erzielt wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt 3. Hier ist als Lichtquelle 5 wiederum ein Array aus Leuchtdioden vorgesehen und ebenfalls mit einer (zeichnerisch nicht dargestellt) Ansteuerschaltung zum Einschalten der Leuchtdioden verbunden, wobei hier allerdings mit der Ansteuerung das Verwenden aller Leuchtdioden zur Erzielung einer hohen Leistung des abgestrahlten Lichtes bei maximaler Leuchtdichte beabsichtigt ist.
In 3a ist die Lichtquelle 5 wiederum in einer Seitenansicht dargestellt, so daß auch hier die Zeilen Z1 bis Zn zu erkennen sind. Der Lichtquelle 5 ist zum selben Zweck wie im Ausführungsbeispiel nach 2 ebenfalls eine Streuscheibe 6 nachgeordnet.
Die durch die Leuchtdioden gebildete Licht abstrahlende Fläche liegt wiederum in einer Ebene E2, die mit der Ebene E1, in der die zu beleuchtende Szene liegt, einen Winkel α einschließt.
Um den gleichen Effekt zu erzielen, der bereits anhand 2 erläutert worden ist, nämlich die Szene nach einer der bereits genannten Funktionen mit quadratischer, linearer oder konstanter Abhängigkeit der Intensität von der Distanz zu beleuchten, ist hier anstelle des Abbildungsobjektivs 8 eine Freiformoptik 9 vorhanden, die beispielsweise ausgebildet sein kann in Form einer asphärischen Linse oder eines asphärischen Spiegels oder einer Fresnel-Linse, oder auch aus Prismen, Mikrolinsenfeldern, diffraktiven optischen Elementen, optischen Elementen mit Gradientenindex oder Lichtleitern gebildet sein kann. Wählt man den Winkel α ≥ 90°, so ist ein Freiform-Spiegel für die Strahlformung zu bevorzugen.
Auch hier ist zum Empfang des von der beleuchteten Szene bzw. von den Pflanzen 4 reflektierten oder gestreuten Lichtes eine (ebenfalls zeichnerisch nicht dargestellte) Detektorfläche vorhanden und vorzugsweise in der Ebene E2 positioniert, in der auch die Leuchtdioden der Lichtquelle 5 angeordnet sind.
Die Bilderfassung und Entfernungsmessung kann sowohl im ersten als auch im zweiten Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip der Laufzeitkamera erfolgen. In beiden Fällen kann aber auch ein anderes der eingangs beschriebenen Prinzipien zur Gewinnung dreidimensionaler Bilder und zur Entfernungsmessung genutzt werden. Dabei sind jeweils zwei Fälle zu unterscheiden:

a) Es wird eine telezentrische Abbildung der Szene gewünscht, bei der jedes Objekt der Szene unabhängig von seiner Entfernung immer gleich groß auf die Detektorfläche der Kamera abgebildet wird: Um dies zu kompensieren, ist die Intensität des Beleuchtungslichtes besonders bevorzugt so vorzugeben, daß eine quadratische Zunahme der Intensität mit wachsender Distanz erzielt wird, wie bereits anhand des ersten Ausführungsbeispieles beschrieben. Sollte die zur Verfügung stehende Leistung der Lichtquelle dafür nicht ausreichen, kann auch eine weniger extreme Distanzabhängigkeit als die quadratische, nämlich eine lineare Distanzabhängigkeit vorgesehen werden, wie ebenfalls bereits erläutert.

Im ersten Falle und bei vorwiegend streuenden Objekten ist gewährleistet, daß unabhängig von der Distanz von jedem Objekt der Szene eine ähnliche Signalstärke von Detektorfläche der Kamera generiert wird.
Die lineare Abhängigkeit hingegen kann dann sinnvoll sein, wenn näher liegende Objekte mit einem weniger verrauschten Signal empfangen werden sollen als weiter entfernte Objekte.
Telezentrische Abbildungseigenschaften werden regelmäßig eingesetzt, wenn die abzubildenden Objekte nicht größer als die verwendeten Abbildungsoptiken sind, also beispielsweise in der Mikroskopie.

b) Es wird eine nicht-telezentrische Abbildung der Szene gewünscht, bei der die Objekte in der Regel mit zunehmendem Abstand immer kleiner auf die Detektorfläche der Kamera abgebildet werden: Mit zunehmender Entfernung wird das Objekt einerseits unter einem kleiner werdenden Raumwinkel erfaßt, aber andererseits auf einen kleineren Bereich der Detektorfläche der Kamera abgebildet. Diese beiden Effekte kompensieren sich hinsichtlich der Aussteuerung der Pixel auf der Detektorfläche insoweit, als unterschiedlich entfernte Objekte auf der Detektorfläche gleich hell erscheinen.

Um für diesen Fall eine optimale dreidimensionale Abbildung der Szene zu erhalten, wird diese derart beleuchtet, daß die Intensität des Beleuchtungslichtes für jede Distanz zwischen D1 und D2 gleich ist nach der Funktion: Int1(x1) = Int(x) = Int2(x2)
Da bei der Erfassung von großen Objekten oder Szenen in der Regel nicht-telezentrische Abbildungen verwendet werden, ist für solche Fälle eine solche Beleuchtung vorzuziehen. Dies gilt insbesondere auch bei der automatischen Führung von landwirtschaftlichen Nutzfahrzeugen unter der Verwendung von 3D-Kamerasystemen.

1: Traktor
2: Scheinwerfer
3: Gerät
4: Pflanzen
5: Lichtquelle
6: Streuscheibe
7: Lichtmodulator
8: Abbildungsobjektiv
9: Freiformoptik
10: Beleuchtungsstrahlengang
l: Länge
D: Distanz
E1, E2, E3: Ebene
F: Fahrtrichtung
Z1, Z2 bis Zn: Zeilen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4439298 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Elektronik" 9/2001, Fachzeitschrift für industrielle Anwender und Entwickler, Franzis-Verlag GmbH, Deutschland, Seiten 60 bis 64 [0009]

Claims

Anordnung zur dreidimensionalen Abbildung einer Szene, umfassend – eine Beleuchtungseinrichtung, von der ein Strahlengang zur Beleuchtung der Szene ausgeht, und – eine Empfangseinrichtung (1) mit einer zweidimensionalen Detektorfläche zur ortsauflösenden Detektion des Lichtes, das von den sich in verschiedenen Bereichen der Szene befindenden Objekten reflektiert oder gestreut wird, gekennzeichnet durch – Mittel zur Vorgabe einer Intensitätsverteilung innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs (10), die abhängig ist – von der jeweiligen Distanz (D1, D2) zwischen der Beleuchtungseinrichtung und einzelnen Bereichen der Szene, und/oder – von der jeweiligen Distanz (D1, D2) zwischen einzelnen Bereichen der Szene und der Detektorfläche.
Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Intensität innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs (10) um so höher ist, je größer die jeweilige Distanz (D1, D2) ist, so daß das von den beleuchteten Bereichen reflektierte oder gestreute Licht mit gleicher, von der jeweiligen Distanz (D1, D2) unabhängiger Intensität auf die Detektorfläche trifft.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Distanzen (D1, D2) zwischen der Beleuchtungseinrichtung und den beleuchteten Bereichen einerseits und die Distanzen zwischen den beleuchteten Bereichen und der De tektorfläche andererseits zumindest angenähert gleich sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher eine quadratische Zunahme der Intensität innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs (10) in Abhängigkeit von der Distanz (D1, D2) vorgesehen ist nach der Funktion: Int(x) = Int1(x1)·[D(x)/D1(x1)]2 mit Int(x) der Intensität am Ort x, Int1(x1) der Intensität am Ort x1, D(x) dem Abstand zwischen Lichtquelle und Ort x und D1(x1) dem Abstand zwischen Lichtquelle und Ort x1.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, bei welcher eine lineare Zunahme der Intensität innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs (10) in Abhängigkeit von der Distanz (D1, D2) vorgesehen ist nach der Funktion: Int(x) = Int1(x1)·[D(x)/D1(x1)]mit Int(x) der Intensität am Ort x, Int1(x1) der Intensität am Ort x1, D(x) dem Abstand zwischen Lichtquelle und Ort x und D1(x1) dem Abstand zwischen Lichtquelle und Ort x1.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, bei welcher eine konstante Intensität innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs (10) in Abhängigkeit von der Distanz (D1, D2) vorgesehen ist nach der Funktion: Int(x) = Int1(x1)mit Int(x) der Intensität am Ort x und Int1(x1) der Intensität am Ort x1.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle (5) umfaßt, die aus einer Vielzahl von in einem Array aus Zeilen (Z1, Z2 ... Zn) und Spalten angeordneten Leuchtdioden besteht.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdioden mit einer Ansteuerung zur zeitlich hochfrequenten Intensitätsmodulation in Verbindung stehen und die dreidimensionale Abbildung der Szene mit einer Laufzeitkamera vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Szene in einer Ebene E1 liegt und die Leuchtdioden in einer Ebene E2 liegen, wobei beide Ebenen E1, E2 gegeneinander geneigt sind und dadurch eine gemeinsame Schnittgerade (S) haben.
Anordnung nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß – die Lichtquelle (5) mit einer Ansteuerschaltung zum Einschalten aller Leuchtdioden verbunden ist, und – der Lichtquelle (5) eine Beleuchtungsoptik nachgeordnet ist, durch welche die Intensitätsverteilung innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs (10) vorgegeben ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsoptik als Freiformoptik (9) ausgebildet ist und mindestens eine asphärische Linse, einen asphärischen Spiegel, eine Fresnel-Linse, ein Prisma, ein Mikrolinsenfeld, ein diffraktives optisches Element (DOE), ein optisches E lement aus einem Gradientenindex-Material oder einen Lichtleiter umfaßt.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – die Lichtquelle (5) mit einer Ansteuerschaltung zum Einschalten ausgewählter Leuchtdioden innerhalb des Arrays verbunden ist, wobei – mit der Anzahl der eingeschalteten Leuchtdioden und deren Position auf dem Array die Intensitätsverteilung innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs (10) vorgegeben ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle (5) eine Beleuchtungsoptik in Form eines Abbildungsobjektivs (8) nachgeordnet ist, das eine senkrecht zu seiner optischen Achse ausgerichtete Hauptebene E3 aufweist, wobei die Hauptebene E3 zumindest etwa die Schnittgerade (S) der Ebenen E1, E2 schneidet und dadurch die Scheimpflug-Bedingung erfüllt ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle (5) ein lichtstreuendes Element, bevorzugt eine holographische Streuscheibe (6), nachgeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle (5) ein elektronisch ansteuerbarer Lichtmodulator (7) zur Modulation des Beleuchtungsstrahlengangs (10) mit einer Frequenz von > 1 MHz nachgeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle (5) ein Modulator zur Erzeugung variabler Beleuchtungsstreifen nachgeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgebildet zur Bild- und Entfernungsmessung nach dem Prinzip der Laufzeitkamera.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend die Lichtquelle (5), die Ansteuerschaltung, die Streuscheibe (6), den Lichtmodulator (7), die Beleuchtungsoptik, die Detektorfläche, und eine Signalverarbeitungseinrichtung, und untergebracht in einem gemeinsamen Gehäuse.
Verwendung der Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche im Zusammenhang mit selbststeuernden Fahrzeugen, insbesondere zur automatischen Steuerung eines landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges.
Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 im Zusammenhang mit Anlagen zur Erfassung von sich bewegenden Objekten, insbesondere von Personen, Tieren und/oder Fahrzeugen.