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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung mit einer Arbeitsstrahlungsquelle,
welche zur Bestrahlung eines Objekts mit einer Arbeitsstrahlung
ausgebildet ist, mit einer Ablenkeinrichtung, welche als eine aktive
Strahlführungs-
und/oder -formungseinrichtung für
die Arbeitsstrahlung ausgebildet und/oder angeordnet ist, mit einer
Messstrahlungsquelle, welche zur Ausgabe einer Messstrahlung ausgebildet
ist, die zumindest zeitweise auf das Objekt gerichtet und/oder richtbar
ist, und mit einer Empfangseinrichtung, welche zum Empfang der von dem
Objekt zurückgeworfenen
Messstrahlung ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur
Bestrahlung eines Objekts.
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Bestrahlungsvorrichtungen,
welche eine Strahlung auf ein Objekt führen, sind in vielfältigen Ausführungsformen
und Skalierungen bekannt. So werden Bestrahlungsvorrichtungen benötigt, um
bei Barcode-Lasern einen Laserstrahl abtastend über ein Etikett zu führen. Bestrahlungsvorrichtungen
werden aber auch eingesetzt, um beispielsweise einen Schauspieler
auf einer Bühne
selektiv zu beleuchten. Weitere Anwendungsgebiete von Bestrahlungsvorrichtungen
liegen in der Materialbearbeitung, wobei ein Laserstrahl zur Materialmodifikation
auf ein Werkstück
gerichtet und auf diesem bewegt wird. Die Steuerung der Bestrahlungsvorrichtung
erfolgt bei manchen Anwendungen nach einem festen Schema, wie z.
B. beim Abscannen eines Barcode-Etiketts, bei anderen Anwendungen
werden Messverfahren zur Detektion des zu bestrahlenden Objekts,
wobei die Strahlung der Bestrahlungsvorrichtung in Abhängigkeit
des detektierten Objekts positioniert oder gesteuert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Im
Rahmen der Erfindung wird eine Bestrahlungsvorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Bestrahlung eines Objekts mit
den Merkmalen des Anspruchs 11 vorgeschlagen. Bevorzugte oder vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung
sowie den beigefügten
Figuren.
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Es
wird eine Bestrahlungsvorrichtung als Erfindung vorgestellt, welche
eine Arbeitsstrahlungsquelle umfasst, die zur Bestrahlung eines
Objekts mit einer Arbeitsstrahlung ausgebildet ist. In der allgemeinsten
Ausprägung
der Erfindung kann die Arbeitsstrahlung eine beliebige Wellenlänge, einen
beliebigen Wellenlängenbereich,
eine beliebige Intensität
oder Energie aufweisen und somit eine beliebige Art von insbesondere
optischer Strahlung sein. Vorzugsweise ist die Arbeitsstrahlung
als eine gerichtete Strahlung ausgebildet.
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Die
Bestrahlungsvorrichtung umfasst eine Ablenkeinrichtung, wobei die
Ablenkeinrichtung als eine aktive Strahlführungs- und/oder -formungseinrichtung
für die
Arbeitsstrahlung ausgebildet und/oder in der Bestrahlungsvorrichtung
entsprechend angeordnet ist. Durch die Ausprägung als aktive Einheit ist
die Ablenkeinrichtung, insbesondere über Steuer- und/oder Regelsignale
steuerbar und/oder regelbar ausgebildet, um den Strahlverlauf der
Arbeitsstrahlung zu ändern.
Die Ablenkeinrichtung kann zum einen die Strahlführung, also insbesondere die
Strahlrichtung, ändern,
alternativ oder ergänzend
kann die Ablenkeinrichtung die Arbeitsstrahlung formen, wobei die
Formung insbesondere auf die Intensität und/oder auf die Phase der
Arbeitsstrahlung wirken kann.
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Als
weitere Komponente umfasst die Bestrahlungsvorrichtung eine Messstrahlungsquelle, welche
die Ausgabe einer insbesondere optischen Messstrahlung ermöglicht,
die zumindest zeitweise auf das Objekt gerichtet und/oder richtbar
ist. Durch die Messstrahlung kann, insbesondere unter bestimmten
Betriebsbedingungen, das Objekt messtechnisch erfasst werden.
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Für den Empfang
der von dem Objekt zurückgeworfenen,
insbesondere reflektierten Messstrahlung, zeigt die Bestrahlungsvorrichtung
eine Empfangseinrichtung, welcher optional eine Auswertevorrichtung
nachgeschaltet ist, welche die zurückgeworfene und empfangene
Messstrahlung auswertet.
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Im
Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Messstrahlung über die
Ablenkeinrichtung geführt
wird und/oder ist. Somit ist die Bestrahlungsvorrichtung ausgebildet,
die Arbeitsstrahlung und die Messstrahlung gleichzeitig und/oder
nacheinander über
die gemeinsame Ablenkeinrichtung und insbesondere über gemeinsame
Ablenkelemente der Ablenkeinrichtung zu führen. Vorzugsweise wird die zurückgeworfene
und empfangene Messstrahlung ebenfalls über die Ablenkeinrichtung geführt.
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Die
erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung
weist den Vorteil auf, dass die Ablenkeinrichtung sowohl für die Arbeitsstrahlung
als auch für
die Messstrahlung genutzt werden kann. Hieraus resultiert zunächst eine
Verringerung der Anzahl der optischen Elemente zur Ablenkung der
Strahlungen, da die vorhanden Elemente zweifach genutzt werden.
Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, dass die Arbeitsstrahlung
und die Messstrahlung – soweit
beide aktiviert sind – optisch/mechanisch
zueinander synchronisiert und somit stets gemeinsam abgelenkt werden.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden Arbeitsstrahlung
und Messstrahlung insbesondere nach der Ablenkeinrichtung koaxial
geführt.
Beispielsweise kann die Zusammenführung der Strahlungsgänge von
Arbeitsstrahlung und Messstrahlung vor der Ablenkeinrichtung über einen Strahlteiler
erfolgen. Auf diese Weise kann die Strahljustage von Messstrahlung
und Arbeitsstrahlung im Strahlverlauf vor der Ablenkeinrichtung
durchgeführt werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist die Empfangseinrichtung
zur Detektion der Existenz und/oder der Distanz des Objekts und/oder der
Reflektivität
des Objekts ausgebildet. Bei einer Existenzdetektion wird festgestellt,
ob im Strahlverlauf der Messstrahlung das Objekt angeordnet ist,
auf eine Entfernungsmessung wird jedoch verzichtet. Dagegen wird
bei der Detektion der Distanz auch die Entfernung von einem Referenzpunkt,
wie z. B. der Ablenkeinrichtung, zu dem Objekt ermittelt. Besonders
bevorzugt setzt die Empfangseinrichtung eine Laufzeitmessung und/oder
eine Phasenmessung zur Messung der Distanz um. Messstrahlungsquelle,
Ablenkeinrichtung und Empfangseinrichtung bilden insbesondere ein
Sensorsystem zur Umfelderfassung, insbesondere zur 3D-Umfelderfassung,
welches ein 2D-, oder 3D-Bild des Objekts, insbesondere einen 2D-Scan
mit Tiefeninformation, aufnehmen kann. Die Detektion der Reflektivität kann z.
B. genutzt werden, um eine Linienmarkierung auf dem Objekt zu erfassen,
um nachfolgend die Arbeitsstrahlung entlang der Linienmarkierung
zu führen.
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Bei
einer konstruktiv bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die
Ablenkeinrichtung als eine reflektive Einheit ausgebildet, welche
die Strahlführung
bzw. -formung vorzugsweise ausschließlich durch Reflektionselemente
erreicht. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass unterschiedliche Wellenlängen zumindest
mit dem gleichen Winkel abgelenkt werden und chromatische Verzerrungen
minimiert sind. Bei anderen Ausführungsformen
können
jedoch auch transmissive Elemente genutzt werden. Besonders bevorzugt
ist die Ablenkeinrichtung als eine Scannereinheit, z. B. mit Scannerspiegeln,
als eine adaptiven Optik, also einer Optik, die eine gesteuerte Änderung
der Phasenlage der Strahlungen erlaubt, oder eine MEMS-Einheit,
also eine Kombination aus mechanischen Elementen und Aktoren auf
einem Substrat, welche ebenfalls die Änderung der Strahlungsrichtung
und/oder der Phasenlage der Strahlung ermöglicht, ausgeführt.
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Besonders
bevorzugt ist die Arbeitsstrahlung und/oder die Messstrahlung als
ein Punktstrahler ausgebildet. Als Punktstrahler wird die Strahlung
vorzugsweise dann bezeichnet, wenn diese einen maximalen Gesamtöffnungswinkel
von kleiner als 20°, vorzugsweise
kleiner als 10° und
insbesondere kleiner als 5° zeigt.
Der Gesamtöffnungswinkel
wird beispielsweise an der Halbwertsbreite (FWHM-Schwelle) gemessen.
Vorzugsweise zeigen die Strahlungen jeweils einen parallelen Strahlverlauf.
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Mit
dem Ziel, die Vermessung des Objekts unbemerkt oder ungestört von anderer
Strahlung durchführen
zu können,
ist es bevorzugt, wenn die Messstrahlung in einem nicht sichtbaren
Bereich angeordnet ist. Hierfür
ist es möglich,
dass die Messstrahlung in einem UV-Bereich, einen NIR-, IR-, oder FIR-Bereich angesiedelt
ist. Ausgespart ist beispielsweise der sichtbare Wellenbereich von
400–750
nm.
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Bei
einer ersten möglichen
Ausführungsform der
Erfindung ist die Arbeitsstrahlung zur Ausleuchtung des Objekts
ausgebildet. Die Ausleuchtung ist dabei derart bemessen, dass bei
einer ersten Alternative das ausgeleuchtete Objekt durch das menschliche
Auge erkennbar ist. Bei einer zweiten Alternative ist die Ausleuchtung
so beschaffen, dass das Objekt durch eine künstliche Sensorik, z. B. eine
Kamera aufgenommen werden kann.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist die Arbeitsstrahlung zur Bearbeitung, insbesondere
Modifikation des Objekts, vorzugsweise als Laser ausgebildet. Beispielsweise
kann die Arbeitsstrahlung als ein Laserstrahl beschaffen sein, welcher
es erlaubt, das Objekt lokal um mehr als 10°C zu erwärmen, insbesondere zu schneiden,
zu beschichten oder aufzuschmelzen. Die Bearbeitung des Objekt kann
auch durch eine Belichtung erfolgen, wobei das Objekt beispielsweise
mit einer UV-Strahlung als Arbeitsstrahlung belichtet wird, um eine
fotochemische Reaktion zu erreichen. Insbesondere weist die Arbeitsstrahlung
eine Leistung von mehr als 100 Watt und/oder eine Pulsenergie von
mehr als 1 J auf.
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Bevorzugt
weist die Bestrahlungsvorrichtung eine Steuerungseinrichtung auf,
welche vorzugsweise die Ablenkeinrichtung, die Arbeitsstrahlungsquelle und
die Messstrahlungsquelle ansteuert und/oder die Empfangseinrichtung
ausliest und welche zur Durchführung
des nachfolgenden Verfahrens bzw. des Verfahrens gemäß dem Anspruch
11 ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet,
die Arbeitsstrahlung und/oder die Messstrahlung scannend und/oder
schreibend zu führen.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestrahlung eines Objekts
mit der Bestrahlungsvorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde,
wobei das Objekt mit der Arbeitsstrahlung selektiv bestrahlt wird.
Unter einer selektiven Bestrahlung wird im Sinne der Erfindung verstanden,
dass die Bestrahlung auf Objektbereiche, also Teilbereiche des Objekts, oder
das Objekt selbst beschränkt
ist. Insbesondere werden die Objektbereiche zur selektiven Bestrahlung
auf Basis der Messwerte der Empfangseinrichtung durch die Steuerungseinrichtung
ausgewählt.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
ist die Steuerungseinrichtung zur Erkennung des Objekts auf Basis
der Messwerte der Empfangseinrichtung ausgebildet. Beispielsweise
kann aus der von dem Objekt zurückgeworfenen
Messstrahlung ein 3D-Bild des Objekts aufgebaut werden und dieses über Methoden
der digitalen Bildverarbeitung automatisiert erkannt und/oder klassifiziert
werden. In Abhängigkeit
des Erkennungsergebnisses kann eine selektive Ausleuchtung des erkannten
Objektes und/oder der Teilbereiche des Objekts erfolgen.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Messstrahlung und die Arbeitsstrahlung wahlweise gemeinsam oder
abwechselnd aktiviert sind. Hieraus ergeben sich verschiedene Betriebsmöglichkeiten
der Beleuchtungsvorrichtung, die auch gemischt eingesetzt werden können:
Bei
einer ersten Betriebsart sind Arbeitsstrahlung und Messstrahlung
stets gemeinsam aktiviert, wobei die Vermessung des Objekts und
die Bestrahlung des Objekts zeitgleich erfolgen.
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Bei
einer zweiten Betriebsart sind Arbeitsstrahlung und Messstrahlung
zeitlich überlappend aktiviert,
wobei die Arbeitsstrahlung in jenen Raumrichtungen aktiviert ist,
in denen sich Teile des Objektes befinden, welche beleuchtet werden
sollen. Die Messstrahlung ist dagegen auch in Raumrichtungen aktiviert,
in denen sich kein Objekt befindet und/oder die Arbeitsstrahlung
deaktiviert ist, sodass eine Dunkeltastung erfolgt.
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Bei
einer dritten Betriebsart werden Arbeitsstrahlung und Messstrahlung
abwechselnd, zeitlich nicht überlappend,
aktiviert, um Wechselwirkungen und Störungen zu vermeiden.
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Besonders
bevorzugt ist die Bestrahlungsvorrichtung zur schreibenden und/oder
abtastenden Bestrahlung ausgebildet. So kann z. B. die Beleuchtungsvorrichtung
die Strahlungen zeilenweise und/oder matrixartig schreibend mittels
der Ablenkeinrichtung führen.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Blockdarstellung einer Bestrahlungsvorrichtung als
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung einer Ergebnismatrix der Bestrahlungsvorrichtung
der 1.
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Bestrahlungsvorrichtung 1,
welche zur selektiven Bestrahlung eines Objekts 2 ausgebildet ist.
Die Bestrahlungsvorrichtung 1 umfasst eine Arbeitsstrahlungsquelle 3,
welche zur Emission von Arbeitsstrahlung einer ersten Wellenlänge bzw.
und eine Messstrahlungsquelle 4, welche zur Emission einer
Messstrahlung mit einer zweiten Wellenlänge ausgebildet ist, wobei
erste und zweite Wellenlänge unterschiedlich
sind. Statt einer Wellenlänge
kann es sich auch um Wellenlängenbereiche
handeln, welche dann nicht überlappend
ausgebildet sind.
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Die
Arbeitsstrahlungsquelle 3 sendet eine Arbeitsstrahlung 5 aus,
welche über
eine Ablenkeinrichtung 6 räumlich abgelenkt werden kann.
Die Ablenkeinrichtung 6 ist zur scannenden, insbesondere schreibenden
und/oder tastenden Ablenkung der Arbeitsstrahlung 5 ausgebildet.
Auf diese Weise kann das Objekt 2 beispielsweise zeilen-
und spaltenweise beleuchtet werden. Denkbar ist eine Raumwinkelablenkung,
wie es in der 1 gezeigt ist, bei alternativen
Ausführungsformen
kann auch eine Parallelverschiebung der Arbeitsstrahlung 5 erfolgen.
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Die 2 zeigt
beispielsweise eine Matrix 7 mit Matrixpunkten 8,
wobei die Ablenkeinrichtung 6 ausgebildet ist, eine Strahlung
entlang von Zeilen 9 und Spalten 10 zu scannen.
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Zurückkehrend
zu der 1 ist in dem Strahlengang der Arbeitsstrahlung 5 vor
der Ablenkeinrichtung 6 ein Einkoppelelement 11 insbesondere in
Form eines Strahlteilers zwischengeschaltet. Über das Einkoppelelement 11 wird
eine Messstrahlung 12 der Messstrahlungsquelle 4 koaxial
in den Strahlengang der Arbeitsstrahlung 5 eingekoppelt,
sodass Messstrahlung 12 und Arbeitsstrahlung 5 – soweit beide
gleichzeitig aktiviert sind – in
gleicher Weise von der Ablenkeinrichtung 6 abgelenkt werden.
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Die
Beleuchtungsvorrichtung 1 umfasst zudem eine Empfangseinrichtung 13,
welche für
den Empfang von dem Objekt 2 rückreflektierte oder rückgestrahlte
Messstrahlung 12 ausgebildet und/oder angeordnet ist.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Empfangseinrichtung 13 über ein zweites Einkoppelelement 14,
welches ebenfalls als Strahlteiler ausgebildet ist, realisiert.
Messstrahlungsquelle 4, Ablenkeinrichtung 6 und
Empfangseinrichtung 13 bilden zusammen eine Sensorik 15 zur
Detektion des Objekts 2. Die Sensorik 15 kann
dabei als eine 2D-Sensorik ausgebildet sein, welche das durch die
Matrix 7 gebildete Messfeld nur auf die Existenz des Objekts 2 untersucht
oder als eine 3D-Sensorik, welche nach dem Abtasten des Messfelds
bzw. der Matrix 7 eine dreidimensionale Objektinformation
bildet.
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Zur
Kontrolle der Bestrahlungsvorrichtung 1 ist eine Steuereinrichtung 16 eingesetzt,
welche als Eingangsgrößen die
Messsignale oder die weiterverarbeiteten Messsignale der Sensorik 15 erhält und als
Ausgangsgrößen Steuersignale
für die
Ablenkeinrichtung 6, für
die Messstrahlungsquelle 4 und für die Arbeitsstrahlungsquelle 3 als
Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 1 bereitstellt.
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Funktionell
betrachtet wird die Messstrahlung 12 koaxial zu der Arbeitsstrahlung 5 eingekoppelt,
wobei beide Strahlungen über
die Ablenkeinrichtung 6 die Matrix 7 und somit
ein Bearbeitungsfeld bzw. ein Messfeld schreibend im Umfeld abtasten.
Aus den rückreflektieren
Anteilen der Messstrahlung 12, die wieder über die
Ablenkeinrichtung 6 geführt
sind, kann die Empfangseinrichtung 13 an jedem Matrixpunkt 8 der
Matrix 7 eine Objektinformation: Existenz ja/nein oder
einen Entfernungswert oder einen Reflektivitätswert ermitteln. Die Steuereinrichtung 16 ist
dazu ausgebildet, auf Basis dieser Messwerte bzw. abgeleiteten Messwerte
ein Objekt zu erkennen, beispielsweise indem eine abgetastete Struktur 17 (2)
mit zuvor abgespeicherten Referenzobjekten verglichen wird.
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Bei
einer ersten Betriebsart kann die Steuereinrichtung 16 die
Komponenten so ansteuern, dass eine Beleuchtung des Objekts 2 mit
der Arbeitsstrahlung und Messstrahlung nur im Rahmen der detektierten
und/oder erkannten Struktur 17 erfolgt. Arbeitsstrahlung 5 und
Messstrahlung 12 sind in dieser Betriebsart zeitgleich
aktiviert, wobei die Steuereinrichtung 16 gegebenenfalls
eine Objektverfolgung durchführt,
sodass das Objekt 2 bzw. die Struktur 17 stets
lagerichtig beleuchtet bzw. vermessen wird.
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Bei
einer zweiten Betriebsart wird die Matrix 7 als Messfeld
von der Messstrahlung 12 stets vollständig abgescannt, die Arbeitsstrahlung 5 wird
jeweils nur im Bereich der erkannten Struktur 17 selektiv
aktiviert. Bei dieser Betriebsart kann nach jedem Durchlauf der
Matrix 7 eine neue Position der Struktur 17 und
damit des Objekts 2 festgestellt werden und im nächsten Durchlauf
das Objekt 2 wieder lagerichtig beleuchtet werden.
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Bei
einer dritten Betriebsart werden Messstrahlung 12 und Arbeitsstrahlung 5 abwechselnd
aktiviert, um eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden.
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Mögliche Anwendungsgebiete
der Bestrahlungsvorrichtung 1 sind:
- – Eine selektive
Ausleuchtung von Szenarien, vorzugsweise mit bewegten Objekten,
z. B. auf einer Bühne,
wobei durch die Beleuchtungsvorrichtung 1 ein automatisch
nachgeführtes
Spotlight zur Beleuchtung eines der bewegten Objekte, insbesondere
eines Schauspielers umgesetzt werden kann.
- – In Überwachungsvorrichtungen,
z. B. bei Sicherheitsanwendungen, kann durch die Beleuchtungsvorrichtung 1 ein
relevantes Objekt durch die Sensorik 15 detektiert und
selektiv beleuchtet werden. Wie bei allen Ausführungsformen ist eine Objektverfolgung
prinzipiell möglich.
- – Bei
anderen Anwendungsgebieten kann die Arbeitsstrahlung 5 z.
B. mit UV-Licht
ausgeführt sein.
- – Neben
der selektiven Beleuchtung des Objekts 2 ist auch eine
selektive Ausblendung von Teilbereichen des Objekts 2 möglich, z.
B. zur Vermeidung des Rotaugen-Effekts bei der Blitzlichtfotografie
durch selektive Nichtbeleuchtung der Pupillen oder für Spezialeffekte
bei der Bühnenbeleuchtung.
- – Ein
möglicher
Vorteil der Erfindung liegt in dem Energieeinsparungspotenzial,
da z. B. bei Sicherheitsanwendungen nicht eine gesamte Szenerie beleuchtet
werden muss, sondern nur die als relevant eingestuften Objekte.
- – Ein
weiteres Anwendungsgebiet liegt im Einsatz der Beleuchtungsvorrichtung 1 zur
Ausleuchtung von Gefahrensituationen bei Fahrassistenzsystemen,
wobei bewegte Objekte z. B. Fußgänger auf einer
Straße
selektiv beleuchtet werden können.
- – Weitere
Anwendungsgebiete ergeben sich bei der Materialbearbeitung mittels
Strahlung, wobei über
die Beleuchtungsvorrichtung 1 eine Echtzeitkontrolle des
Materialbearbeitungsvorgangs ermöglicht
wird. Dieses Anwendungsgebiet ist bei inhomogenen Materialien, wo
es auf eine angepasste Intensitätsregelung
in Bereichen unterschiedlicher Wirksamkeit der Strahlung ankommt, vorteilhaft
einsetzbar.
- – Die
Bestrahlungsvorrichtung 1 kann auch zur Materialbearbeitung,
z. B. Lasergravur, an bewegten Objekten eingesetzt werden, wobei
beispielsweise die Materialbearbeitung in laufender Produktion bei
laufendem Fließband
ermöglicht
wird.
- – Die
Beleuchtungsvorrichtung 1 erlaubt auch einen Soll-/Ist-Vergleich
einer herzustellenden Form in Echtzeit bei der Materialbearbeitung.
- – Bei
einer Materialauftragung, wie z. B. bei einem Drucker oder bei einem
Auftragsschweißen,
kann die Beleuchtungsvorrichtung 1 eingesetzt werden, um
online und/oder in Echtzeit einen Materialauftrag zu überprüfen und
gegebenenfalls nachzuregeln bzw. zu steuern.