DE102013206929A1

DE102013206929A1 - Bilderfassungssystem

Info

Publication number: DE102013206929A1
Application number: DE102013206929.4A
Authority: DE
Inventors: Roland Gehring; Ralf Ulrich Nübling; Ralf Paske; Bahram Torabi
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: JP2014224808A; DE102013206929B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bilderfassungssystem zum Erfassen einer Szenerie um das Bilderfassungssystem, mit einer feststehenden Aufnahmeeinheit und wenigstens einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Spiegelelement, das derart angeordnet ist, dass Beobachtungsstrahlung, die aus der Umgebung um die Rotationsachse herum auf das Spiegelelement trifft, über das Spiegelelement auf die Aufnahmeeinheit gelenkt wird. Bei einer Drehung des Spiegelelements bewegt sich ein Aufnahmebereich der Umgebung, aus dem die Beobachtungsstrahlung auf das Spiegelelement trifft und zur Aufnahmeeinheit abgelenkt wird, um die Rotationsachse.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bilderfassungssystem zum Erfassen einer Szenerie um das Bilderfassungssystem herum.
Zum Erfassen von Umgebungsbildern sind unterschiedliche Prinzipien bekannt. So können zum Beispiel Laserscanner eingesetzt werden, bei der Laserlicht von einer Sendeeinheit über einen drehenden Umlenkspiegel oder ein rotierendes Spiegelrad derart in die Umgebung abgelenkt wird, dass der Laserstrahl die Umgebung abscannt. Gegebenenfalls aus der Umgebung von einem Objekt zurückreflektiertes Licht wird über den Umlenkspiegel auf einen Empfänger gelenkt, der auf diese Weise die Präsenz und Winkellage eines Objekts in der Umgebung detektieren kann. Wird das Laserlicht zum Beispiel gepulst oder moduliert ausgesendet, so kann aus der Laufzeit des Pulses bzw. der Phasenverschiebung des Laserlichts zusätzlich die Entfernung des Objekts von dem Laserscansystem bestimmt werden. Wird die Scanebene, die durch den bewegten Laserstrahl überstrichen wird, zum Beispiel durch entsprechende Neigung des Umlenkspiegels zusätzlich verkippt, kann auf diese Weise eine dreidimensionale Information über die Umgebung, insbesondere die Präsenz und Lage von Objekten erhalten werden.
Andererseits können Umgebungsbilder mit Hilfe von Kameras, zum Beispiel CCD-Kameras aufgenommen werden. Diese nehmen in der Regel statische oder dynamische Szenen auf. Für die Erfassung größerer Bildfelder, zum Beispiel der Umgebung eines Bilderfassungssystems ist es erforderlich, die Kamera durch mehrfache Bildaufnahmen über die gesamte Szenerie zu bewegen oder die Szenerie mit mehreren einzelnen Kameras zu erfassen. Diese Einzelbilder müssen dann zu einer Gesamtbildinformation zusammengesetzt werden. Die Bilder der Kamera bieten dabei zweidimensionale Bildinformation.
US 5,296,924 beschreibt eine Anordnung, bei der eine Videokamera ein Bild aufnimmt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines Laserabstandssensors eine Abstandsmessung vorgenommen, so dass mit Hilfe einer aufwändigen Routine die Bildinformation der Videokamera und des Laserscanners miteinander verkoppelt werden können, um eine dreidimensionale Bildinformation zu erhalten. DE 10 154 861 A1 beschreibt die Verwendung eines Stereokamerasystems um Tiefeninformation über die aufgenommene Szenerie zu erhalten. Zusätzlich wird ein Laserscanner eingesetzt, um eine sehr genaue Lagebestimmung eines Objekts in der Umgebung zu ermöglichen.
Zur Verkopplung der Bildinformation der Kamera mit der Abstandsinformation des Laserscanners ist eine Registrierung bzw. Kalibrierung der Abstandsdaten zu den Bilddaten notwendig, die eine aufwändige Routine erfordert.
Ein System zur Beobachtung eines dreidimensionalen Raums mit Hilfe eines Laserscanners mit einem verkippbaren Umlenkspiegel ist aus DE 10 2009 049 809 A1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches Bilderfassungssystem kleiner kompakter Baugröße zur Erfassung der Umgebung und größerer Bildfelder anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem Bilderfassungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet.
Das erfindungsgemäße Bilderfassungssystem weist eine feststehende Aufnahmeeinheit auf, die zum Beispiel durch eine CCD- oder CMOS-Kamera gebildet sein kann. Das Bilderfassungssystem weist wenigstens ein Spiegelelement auf, das um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Dabei ist das Spiegelelement derart angeordnet, dass Beobachtungsstrahlung, die aus der Umgebung um die Rotationsachse herum auf das Spiegelelement trifft, auf die Aufnahmeeinheit gelenkt wird. Ein Aufnahmebereich der Umgebung, aus dem Beobachtungsstrahlung auf das Spiegelelement in seiner aktuellen Lage trifft, bewegt sich also bei Drehung des Spiegelelements um die Rotationsachse herum. Die Beobachtungsstrahlung wird dabei immer auf die Aufnahmeeinheit abgelenkt. Das erfindungsgemäße Bilderfassungssystem ermöglicht also zum Beispiel die Beobachtung eines rund um die Rotationsachse angeordneten Panoramabildes, ohne dass die Aufnahmeeinheit bewegt werden muss. Bewegt wird einzig der Umlenkspiegel, der in der Regel einfach und aufgrund der geringeren Masse leicht und präzise bewegbar ist. Eine Erfassung eines großen Beobachtungsbereichs um die Rotationsachse herum ist also auf diese Weise leicht möglich.
Bei dem Spiegelelement kann es sich zum Beispiel um einen schräg zur Rotationsachse angeordneten Spiegel handeln. Ist die Neigung der Spiegelfläche gegenüber der Rotationsachse zum Beispiel 45°, so überstreicht der Aufnahmebereich, aus dem die Beobachtungsstrahlung auf das Spiegelelement trifft, einen symmetrisch um die Rotationsachse angeordneten Raumbereich. Grundsätzlich sind auch andere Spiegelgeometrien möglich, wenn die Anordnung der Aufnahmeeinheit so ist, dass Licht aus dem zu der aktuellen Stellung des Spiegelelements gehörigen Aufnahmebereich immer auf die Aufnahmeeinheit trifft. Denkbar sind zum Beispiel auch Polygonspiegel, die dazu führen, dass der Aufnahmebereich periodisch hin und her schwenkt, wenn der Polygonspiegel gedreht wird.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, die Beleuchtungsstrahlung über das Spiegelelement in den Aufnahmebereich sendet, der der aktuellen Spiegelelementstellung entspricht. Zumindest teilweise, vorzugsweise nahezu vollständig, ist der Strahlengang der Beleuchtungsstrahlung dabei dem Strahlengang der Beobachtungsstrahlung entgegengesetzt. Die Beleuchtungseinrichtung wird dazu in unmittelbarer Nähe der Aufnahmeeinheit angeordnet. Eine solche Anordnung stellt sicher, dass die Beleuchtungsstrahlung immer bei der aktuellen Spiegelelementstellung in den von der Aufnahmeeinheit gerade aufgenommenen Aufnahmebereich der Umgebung des Bilderfassungssystems leuchtet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems weist einen Rotationsstellungsdetektor auf, der die Rotationsstellung des wenigstens einen Spiegelelements registriert. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen an sich bekannten Encoder handeln. Ein solcher zusätzlicher Rotationsstellungsdetektor gibt zusätzliche wertvolle Information über die Winkelstellung eines zum Beispiel mit der Aufnahmeeinheit über das Spiegelelement detektierten Objekts in der Umgebung des Bilderfassungssystems.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht eine Korrektureinrichtung vor, die aus der mit dem Rotationsstellungsdetektor registrierten Spiegelelementposition und dem von der Aufnahmeeinheit aufgenommenen Bild eine Korrelation herstellt und ein korrigiertes Bild berechnen kann, das einen durch die Spiegelrotation hervorgerufenen Abbildungsfehler, z.B. eine Verzerrung oder Verkippung, berücksichtigt. Die dafür notwendige Korrekturfunktion kann zum Beispiel vordefiniert in der Auswerteeinheit abgespeichert sein.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems entsprechend Anspruch 6 umfasst ein zusätzliches Abstandsmesssystem. Dazu ist eine Sendeeinheit zum Aussenden von gepulster oder modulierter Abstandsmessstrahlung vorgesehen, die Abstandsmessstrahlung in Richtung des wenigstens einen Spiegelelements sendet, so dass es von diesem in die Umgebung der Rotationsachse abgelenkt wird. Eine Empfangseinheit dient der Detektion von Abstandsmessstrahlung, die über das Spiegelelement von einem in der Umgebung befindlichen Objekt zurückreflektiert oder zurückremittiert wird. Eine Auswerteeinheit ist vorgesehen, die derart ausgestaltet ist, dass sie aus der Laufzeit des Abstandsmessstrahlungspulses oder der Phasenverschiebung der modulierten Abstandsmessstrahlung den Abstand des Objekts von der Bilderfassungseinheit berechnen kann. Der Begriff "Strahlung" ist dabei für jede geeignete elektromagnetische Strahlung zu verstehen, also insbesondere sichtbares, infrarotes oder ultraviolettes Licht.
Ein derartig ausgestaltetes zusätzliches Abstandsmesssystem ermöglicht es, aus der an sich nur zweidimensionalen Information der Bilder der Aufnahmeeinheit dreidimensionale Bildinformation zu erhalten, indem der Abstand eines Objektes von der Bilderfassungseinheit, der mit dem Abstandsmesssystem gemessen wird, mit den Informationen der Aufnahmeeinheit korreliert wird. Durch die Verwendung eines Spiegelelements, das sowohl für die Ablenkung der Beobachtungsstrahlung aus dem Aufnahmebereich als auch zur Ablenkung der Abstandsmessstrahlung verwendet wird, ist der mechanische Aufwand jedoch sehr gering und nur wenig Masse ist zu bewegen. Trotzdem ist ein Panoramabild der Umgebung des Bilderfassungssystems aufnehmbar und die Abstandsmessinformation gibt zusätzliche Information über den Abstand des jeweils aufgenommenen Objektes.
Zusätzlich ermöglicht es ein solches Bilderfassungssystem, wie ein Laserscanner die Winkelposition eines Objekts in der Umgebung des Bilderfassungssystems präzise festzustellen.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Aufnahmeeinheit und das Abstandsmesssystem unabhängig voneinander, zum Beispiel in direkter Nachbarschaft zueinander angeordnet sind, um denselben Spiegel zur Ablenkung zu benutzen. Eine besonders vorteilhafte und einfache Ausgestaltung sieht jedoch vor, dass die Aufnahmeeinheit mehrere lichtempfindliche Elemente, zum Beispiel in Form einer CCD- oder CMOS-Kamera aufweist, von denen eines oder mehrere, vorzugsweise alle, die Möglichkeit der Lichtlaufzeitmessung eines Lichtpulses bieten.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Spiegelelement einen schräg zur Rotationsachse angeordneten beidseitig verspiegelten Spiegel umfasst. Auf eine Seite dieses Spiegels kann dann die von der Sendeeinheit abgestrahlte Abstandsmessstrahlung treffen und über die andere Seite kann aus einem Beobachtungsbereich auf den Spiegel treffende Beobachtungsstrahlung auf die Aufnahmeeinheit abgelenkt werden. Die beiden Seiten des beidseitig verspiegelten Spiegels dienen also unterschiedlichen Zwecken. Während die eine Seite zur Ablenkung des aus dem Beobachtungsbereich auf das Spiegelelement fallende Beobachtungslicht in Richtung der Aufnahmeeinheit dient, dient die andere Seite der Abstandsmessung. Ein Objekt in der Umgebung des Bilderfassungssystems wird also zum Beispiel zunächst von dem Abstandsmesssystem erfasst und sein Abstand und seine Lage im Raum werden ähnlich wie mit einem Laserscannersystem bestimmt. 180°-Drehung des Spiegels lenkt dann den Beobachtungsbereich des Spiegelelements auf dieses Objekt, wobei die Beobachtungsstrahlung, die von dem Objekt zurückreflektiert wird, über das Spiegelelement zu der Aufnahmeeinheit gelenkt wird.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass bei einem beidseitig verspiegelten Spiegelelement auf beiden Seiten sowohl eine Aufnahmeeinheit als auch ein Abstandsmesssystem vorgesehen sind. Auf diese Weise entstehen zwei redundante Messungen sowohl des Abstands als auch der Information der Aufnahmeeinheit, wobei sich die beiden redundanten Messungen nicht stören, weil sie bezüglich der Rotationsbewegung des Spiegelelements um 180° phasenverschoben sind.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass mehrere Spiegel vorgesehen sind, die in fester Beziehung zueinander um die Rotationsachse beweglich sind und die Funktion der beiden Seiten eines beidseitig verspiegelten Spiegelelements übernehmen.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems weist eine Teilerspiegelanordnung auf, die einen oder mehrere Teilungsspiegel umfasst. Mit deren Hilfe werden die Strahlengänge der von der Sendeeinheit abgestrahlten Abstandsmessstrahlung, der auf die Empfangseinheit auftreffenden Abstandsmessstrahlung und/oder der auf die Aufnahmeeinheit auftreffenden Beobachtungsstrahlung zumindest teilweise räumlich voneinander getrennt. Die Teilungsspiegelanordnung dient also dazu, auf einer Seite des rotierbar gelagerten Spiegelelements die Abstandsmessung und die Aufnahmeeinheit zu kombinieren, wobei insbesondere auch dort, wo die Beobachtungsstrahlung und die Abstandsmessstrahlung mit dem rotierenden Spiegelelement wechselwirken, die Strahlengänge in ihrer Lage übereinstimmen können. Die Teilerspiegelanordnung kann dazu eine geeignete Anordnung von halbdurchlässigen Spiegeln aufweisen.
Um nicht nur eine senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtete Ebene mit der Abstandsmessstrahlung und/oder der Aufnahmeeinheit detektieren zu können, kann das rotierbare Spiegelelement auch derart gelagert sein, dass es bezüglich der Rotationsachse verkippbar ist. Auf diese Weise kann die Beobachtungsebene auch oberhalb und unterhalb der senkrecht zur Rotationsachse gelegenen Ebene angeordnet sein. Geeignete Steuerung der Spiegelverkippung ermöglicht eine Beobachtung des dreidimensionalen Raums, wenn zum Beispiel die gescannte Ebene von einer 360°-Rotation des Spiegelelements zur nächsten durch entsprechende Verkippung des Spiegels gewechselt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems sieht eine Fokusverstelleinrichtung vor, die vorzugsweise durch eine entlang der Rotationsachse verschiebbare Linse gebildet wird. Eine Verschiebung einer solchen Linse verstellt den Fokus eines zum Beispiel kollimierten Strahlengangs bzw. der Aufnahmeeinheit.
Vorteilhafterweise ist die Fokusverstelleinrichtung derart mit einer Auswerteeinheit verbunden, die die Abstandsinformation des Abstandsmesssystems auswertet und den Fokus automatisch auf die Entfernung eines in der Umgebung des Bilderfassungssystems angeordneten Objekts einstellt.
Abweichend von den Ausführungsformen mit einem Abstandsmesssystem wird auch eine andere Ausführungsform von der Erfindung umfasst, bei der kein Abstandsmesssystem, sondern nur ein Winkelscansystem vorgesehen ist. Bei einem solchen System umfasst das aus Sendeeinheit und Empfangseinheit bestehende System keine Auswertung der Lichtlaufzeit. Mit einem solchen System ist also zusätzlich zu der Aufnahme des Aufnahmebereiches mit der Aufnahmeeinheit nur die Winkellage eines Objektes in der Umgebung um die Rotationsachse herum genau bestimmbar, ohne dass eine zusätzliche Abstandsmessung vorgenommen wird. Ebenso wie bei Ausführungsformen mit einem Abstandsmesssystem sind jedoch auch bei Ausführungsformen nur mit einem Scansystem die vorteilhaften Ausgestaltungen eines Bilderfassungssystemes mit einem Abstandsmesssystem möglich, insbesondere zum Beispiel die Anwendungen mit einem doppelseitig verspiegelten Spiegel, einem zusätzlichen Rotationsstellungssensor, einem verkippbaren Spiegelelement oder einer Fokusverstelleinrichtung. Die Vorteile ergeben sich aus der obigen Beschreibung entsprechender Ausführungsformen mit einem Abstandsmesssystem. Ein solches Scansystem kann auch ohne die Abstandsmessung von Vorteil sein, um die Winkelposition eines Objektes in der Umgebung der Rotationsachse zusätzlich zu der Aufnahme mit dem Aufnahmeelement besonders exakt festlegen zu können.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den beiliegenden Figuren und der folgenden Beschreibung.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren erläutert, die schematische und nicht maßstabsgetreue Darstellungen erfindungsgemäßer Bilderfassungssysteme bzw. Teilen davon zeigen. Es zeigen:
1 den Aufbau einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems,
2 das Bilderfassungssystem der 1 zu einem anderen Zeitpunkt,
3a eine Draufsicht auf einen Schnitt, wobei die Blickrichtung in 1 mit III bezeichnet ist,
3b zeigt eine alternative Anordnung der Komponenten der 3a,
4 eine Draufsicht auf einen Schnitt, wobei die Blickrichtung in 1 mit IV bezeichnet ist,
5 eine beispielhafte zeitliche Entwicklung des mit einer Aufnahmeeinheit aufgenommenen Bildes,
6 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems,
7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems,
8 das Bilderfassungssystem der 7 zu einem anderen Zeitpunkt,
9 eine erläuternde Darstellung zu einer vorteilhaften Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems,
10 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems mit einer Teilerspiegelanordnung.
1 zeigt ein Bilderfassungssystem 12 mit seiner Umgebung 10, die sich um die Rotationsachse 24 erstreckt. In der Umgebung 10 befindet sich ein Objekt 16. Um eine Rotationsachse 24 drehbar ist ein Spiegel 20 vorgesehen, wobei dieser bei der gezeigten Ausgestaltung 45° gegenüber der Rotationsachse geneigt ist. Durch die Rotation 40 um die Rotationsachse 24 bewegt sich ein Aufnahmebereich 14 um die Rotationsachse 24 herum, wobei der Aufnahmebereich 14 sich dadurch definiert, dass Beobachtungsstrahlung 26 aus ihm auf die verspiegelte Fläche 22 des Spiegels 20 fällt. Die verspiegelte Fläche 22 des Spiegels 20 lenkt diese Beobachtungsstrahlung 26 um 90° ab und führt sie zu einer Aufnahmeeinrichtung 18. Gegebenenfalls tritt die Beobachtungsstrahlung 26 durch eine Linse 32 hindurch, deren fokussierende Wirkung hier der Übersichtlichkeit halber nicht explizit dargestellt ist. Die Aufnahmeeinrichtung 18 besteht zum Beispiel aus einem CCD- oder CMOS-Empfängerfeld. Befindet sich der Spiegel also gerade in einer Stellung, in der in dem aktuellen Aufnahmebereich 14 ein Objekt 16 angeordnet ist, so wird dieses über den Spiegel 20 durch die Linse 32 hindurch auf die Aufnahmeeinheit 18 abgebildet.
Zusätzlich befindet sich in der Nähe der Aufnahmeeinheit 18 eine Sendeeinheit 30, die zum Beispiel durch einen Laser, zum Beispiel eine Laserdiode, 30 gebildet sein kann. Die Sendeeinheit 30 dient dazu, gepulste Strahlung 34 über die verspiegelte Fläche 22 des Spiegels 20 in den Aufnahmebereich 14 auszusenden. Trifft diese Strahlung auf ein Objekt 16, so wird sie in der Regel diffus zurückreflektiert und von der verspiegelten Fläche 22 des Spiegels 20 in Richtung der Aufnahmeeinheit 18 abgelenkt.
Die gepulste Strahlung wird dann ebenfalls von der Aufnahmeeinheit 18 registriert.
Die Aufnahmeeinheit 18 ist mit einer Auswerteeinheit 19 verbunden, die zum einen das Bild der Beobachtungsstrahlung 26 auswerten kann und zum anderen die gepulste Strahlung registriert, die von einem Objekt 16 zurückreflektiert wird. Aus dem zeitlichen Abstand des Sendepulses, der von der Sendeeinheit 30 ausgesendet wird und dem empfangenen Pulssignal kann die Auswerteeinheit 19 dann mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit eine Entfernung des Objekts 16 von der Bilderfassungseinheit 12 ausrechnen.
Die Auswerteeinheit 19 ist hier nur schematisch dargestellt, wobei die Signalverbindungsleitungen zu den angesteuerten oder ausgelesenen Komponenten der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind.
Nicht eingezeichnet ist ein Rotationsstellungsdetektor, der zum Beispiel ein Encoderelement an der Rotationsachse 24 des Spiegelelements 20 sein kann und in an sich bekannter Weise die Rotationsstellung des Spiegels messen und an die Auswerteeinheit 19 melden kann.
Ein solcher Encoder kann zum Beispiel eine magnetische, elektrische oder optische Teilung an einem mit dem Spiegel rotierbaren Element aufweisen, deren Vorbeibewegung an einem geeigneten Detektor registriert bzw. gezählt wird.
2 zeigt einen Zustand des Bilderfassungssystems 12 der 1 zu einem anderen Zeitpunkt. Der Spiegel 20 ist um die Rotationsachse 24 um 180° weiter gedreht, so dass die verspiegelte Fläche 22 von dem Objekt 16 in der Umgebung 10 abgewendet ist. Die Aufnahmeeinheit 18 kann also das Objekt 16 gerade nicht sehen. Die von der Sendeeinheit 30 ausgesendete Abstandsmessstrahlung 34 wird von der verspiegelten Fläche 22 reflektiert und geht ins Leere, nachdem sich in dem aktuellen Aufnahmebereich 14 gerade kein Objekt 16 befindet.
3a zeigt einen Querschnitt, wobei die Blickrichtung in 1 mit III bezeichnet ist. Man blickt hier auf die Aufnahmeeinheit 18 und die benachbarte Sendeeinheit 30. Um die Aufnahmeeinheit 18 ist ein Beleuchtungsbereich 36 angeordnet, der Beleuchtungsstrahlung 28 (1) aussenden kann, um den Beobachtungsbereich 14 zusätzlich zu beleuchten. Dies dient der verbesserten Darstellung des Umgebungsbilds auf der Aufnahmeeinheit 18. Die Beleuchtungseinrichtung 36 kann zum Beispiel ein diffus abstrahlendes Leuchtdiodenfeld sein.
3b zeigt eine alternative Anordnung, bei der die Sendeeinheit 30 innerhalb der Aufnahmeeinheit 18 angeordnet ist, um dem Strahlengang der Beobachtungsstrahlung 26 genau entgegengesetzt zu sein.
4 zeigt einen Querschnitt, wobei die Blickrichtung in 1 mit IV bezeichnet ist. Man blickt hier auf die Rückseite des Spiegelelements 20, das sich in Rotationsrichtung 40 dreht. Weil sie wegen der Präsenz des Spiegelelements 20 nicht sichtbar sind, sind das Aufnahmeelement 18, die Beleuchtungseinrichtung 36 und die Sendeeinheit 30 nur gestrichelt angedeutet.
Schließlich zeigen die 5a und 5b Abbilder der Umgebung 10, wie sie über den rotierenden, hier rechteckigen Spiegel 20 auf die Aufnahmeeinheit 18 zu verschiedenen Zeitpunkten abgebildet werden. Durch die Rotation des rechteckigen Spiegelelements 20 wird das Bild gekippt. 56 bezeichnet beispielhaft jeweils die Abbildung des Objekts 16 auf der Aufnahmeeinheit 18. Diese Kippung des rechteckigen Bilds 50 oder andere insbesondere durch die Rotation hervorgerufenen Verzerrungen kann die Auswerteeinheit 19 durch geeignete Anpassung der Software berücksichtigen.
Das Bilderfassungssystem 12 der 1 bis 5 wirkt wie folgt:
Der Spiegel 20 dreht sich in der Rotationsrichtung 40 um die Rotationsachse 24. Damit bewegt sich der Aufnahmebereich 14 um die Bilderfassungseinrichtung 12 herum. Aus dem Aufnahmebereich 14 fällt Beobachtungsstrahlung 26 auf die verspiegelte Fläche 22 des Spiegels 20 und wird in Richtung der Aufnahmeeinheit 18 abgelenkt. Sie tritt dabei durch die als Fokussiereinrichtung wirkende Linse 32. Diese kann in der Richtung des Doppelpfeils verschoben werden, um eine geeignete Fokussierung zu erreichen.
Die Szenerie, aus der die Beobachtungsstrahlung 26 auf den Spiegel 20 trifft, wird mit Hilfe von der Beleuchtungsstrahlung 28 erhellt. Gleichzeitig wird gepulste Laserstrahlung zum Beispiel von einem Diodenlaser 30 in den Aufnahmebereich 14 abgestrahlt. Die Stellung des Spiegels wird mit dem nicht gezeigten Encoder registriert.
Bewegt sich der Aufnahmebereich 14 an einem Objekt 16 vorbei, so wird das Bild des Objekts 16 auf die Aufnahmeeinheit 18 abgebildet. Gleichzeitig wird die gepulste Abstandsmessstrahlung von dem Objekt 16 reflektiert und ebenfalls über die verspiegelte Fläche 22 in Richtung auf der Aufnahmeeinheit 18 zurückreflektiert. Die Aufnahmeeinheit 18 ist derart ausgestaltet, dass sie die gepulste Messstrahlung zum Beispiel anhand der Pulsfrequenz diskriminieren kann und von der Beobachtungsstrahlung 26 unterscheiden kann. Die Sendeeinheit 30 gibt der Auswerteeinheit 19 ein Signal, wenn sie einen Puls aussendet, so dass die Auswerteeinheit 19 aus der Information, wann ein Puls an der Aufnahmeeinheit 18 zurückreflektiert ankommt, die Laufzeit des Pulses bestimmen kann und so mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit die Entfernung des Objekts 16 von der Bilderfassungseinheit 12 berechnen kann. Aus dem Signal des Encoders kann die Auswerteeinheit außerdem die Spiegelstellung erfahren und so ein Bild zusammensetzen, das den Abstand des Objekts 16 und sein Bild in der festgestellten Winkelrichtung enthält. Auf diese Weise ist volle Information über die Umgebung des Bilderfassungssystems 12 in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse 24 erhältlich.
Aus der Abstandsinformation, die die Auswerteeinheit aus der Lichtlaufzeit der gepulsten Abstandsmessstrahlung 34 errechnet, kann außerdem eine optimale Stellung der Linse 32 berechnet werden, die entlang des Doppelpfeils beweglich ist. Auf diese Weise kann eine Art Autofokus realisiert werden. Dazu ist eine Bewegungseinrichtung für die Linse 32 mit der Auswerteeinheit 19 verbunden, die diese Bewegungseinrichtung ansteuert.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Spiegel 20 zwei verspiegelte Flächen 22 und 22' aufweist. Auf jeder Seite dieses Spiegels 20 ist eine gesonderte Einheit vorgesehen, wie sie Gegenstand der 1 ist. Die Elemente der zweiten Einheit, die in 6 oberhalb des Spiegels 20 angeordnet ist und die verspiegelte Fläche 22' des Spiegels 20 verwendet, ist mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet, nur mit entsprechend gestrichenen Bezugsziffern. Eine solche Anordnung ermöglicht das Beobachten bzw. Abscannen der Umgebung 10 mit doppelter Geschwindigkeit, weil während einer Umdrehung des Spiegels 20 um die Rotationsachse 24 herum sowohl der Aufnahmebereich 14 der in 6 unten angeordneten Anordnung als auch der Aufnahmebereich 14' der in 6 oben angeordneten Anordnung die Umgebung 10 einmal überstreicht. Eine Beeinflussung der beiden Messungen der Aufnahmeeinheiten 18 bzw. 18' kann nicht vorkommen, weil diese bezüglich der Rotationsbewegung des Spiegels um 180° verschoben agieren.
Durch die einfache Maßnahme der beidseitigen Verspiegelung des Spiegels 20 wird also eine Verdoppelung der Messfrequenz erreicht.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einem beidseitig verspiegelten Spiegel 20. Hier ist die Anordnung derart gewählt, dass die verspiegelte Fläche 22 die Beobachtungsstrahlung 26 aus dem Aufnahmebereich 14 in Richtung der Aufnahmeeinheit 18 zurückwirft. Die verspiegelte Fläche 22' hingegen dient der Abstandsmessung mit Hilfe der Abstandsmessstrahlung 34. Dazu ist eine Sende-/Empfangseinheit 31 vorgesehen, die die Funktion einer Sendeeinheit 30/30' und einer Empfangseinheit übernimmt, die ein oder mehrere Fotodioden umfasst. Diese Empfangsfunktion dient der Detektion von gegebenenfalls bei geeigneter Stellung des Spiegelelementes 10 von einem Objekt 16 zurückreflektierter Abstandsmessstrahlung 34, so dass die Auswerteeinheit 19, die mit der Sende/Empfangseinheit 31 verbunden ist, aus der Lichtlaufzeit den Abstand des Objektes 16 bestimmen kann. Die Sende/Empfangseinheit 31 ist dabei ein sogenannter TOF (Time-of-Flight)-Sensor. Aus dem Zeitpunkt des von ihm ausgesendeten Lichtpulses und dem Zeitpunkt des von ihm registrierten zurückreflektierten Lichtpulses kann die Lichtlaufzeit und damit mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit den Abstand eines Objekts 16 von der Bilderfassungseinheit 12 bestimmt werden. Die Abstandsmessung und die Aufnahme mit Hilfe der Aufnahmeeinheit 18 sind also hier bezüglich der Rotationsbewegung des Spiegelelements 20 um 180° verschoben, was bei der Berechnung des aus der Abstandsinformation und dem aufgenommenen Bild durch die Auswerteeinheit 19 berücksichtigt werden muss.
8 zeigt die Anordnung der 7 zu einem anderen Zeitpunkt, und zwar bezüglich der Rotationsbewegung des Spiegels 20 um 180° verschoben. In dem Aufnahmebereich 14, der über die verspiegelte Fläche 22 auf die Aufnahmeeinheit 18 abgebildet wird, befindet sich zu dem gezeigten Zeitpunkt kein Objekt. Stattdessen sieht jedoch die Abstandsmesseinrichtung mit der Sende/Empfangseinheit 31 das von dem Objekt 16 zurückreflektierte Licht und kann den Abstand des Objekts 16 bestimmen.
9 zeigt eine Weiterbildung, die in allen Ausführungsformen zum Einsatz kommen kann. Hier ist der Spiegel 20 nicht nur um die Rotationsachse 24 in Rotationsrichtung 40 drehbar, sondern auch noch in der Verkippungsrichtung 42 verkippbar. Dies kann zum Beispiel durch ein entsprechendes Gleit-, Kugel- oder Rollenlager am zentralen Aufhängepunkt des Spiegels 20 ausgeführt sein. Es kann auch ein Federblech vorgesehen sein. Durch diese Verkippung ist es möglich, dass nicht nur eine Ebene genau senkrecht zur Rotationsachse 24 auf die Aufnahmeeinheit 18 abgebildet wird bzw. in dieser Ebene befindliche Objekte 16 mit Hilfe der Abstandsmesseinrichtung gesehen werden können, sondern auch Objekte und Szenerien oberhalb und unterhalb der senkrecht zur Rotationsachse 24 angeordneten Ebene. Die Verkippung kann z.B. aktiv mit einer entsprechenden Verkippungseinrichtung gesteuert werden, die auch von der Auswerteeinheit 19 angesteuert wird, um die Verkippung zu registrieren und bei der Auswertung der Bildinformation zu berücksichtigen. Sie kann auch periodisch erfolgen.
In 9 ist die Abstandsmessstrahlung 34 beispielhaft bei verschiedenen gestrichelt dargestellten Stellungen des Spiegels 20 um die zentral angeordnete Verkippungsachse 44 gezeigt, die sich mit dem Spiegel 20 um die Rotationsachse 24 dreht.
Mit einer solchen Anordnung ist also ein dreidimensionales Bild möglich, wobei zu dem jeweilig mit der Aufnahmeeinheit 18 aus dem Aufnahmebereich 14 aufgenommenen Szenerie auch noch die Abstandsinformation über das Abstandsmesssystem erhalten wird.
In 10 ist eine alternative Ausgestaltung mit einer abgewandelten Strahlgeometrie gezeigt, die ein Teilerspiegelsystem 60 mit halbdurchlässigen Spiegeln 62 und 64 aufweist. Hier wird die Strahlung 34 der Sendeeinheit 30 über einen Spiegel 66 und einen Teilerspiegel 62 auf den rotierenden Spiegel 20 gelenkt. Diese Strahlung gelangt in den Aufnahmebereich 14 der Umgebung 10 und wird gegebenenfalls von einem Objekt 16 reflektiert. Über den rotierenden Spiegel 20 wird sie dann als zurückreflektierte Abstandsmessstrahlung 72 auf den Empfänger 70 fallen. Dies ermöglicht eine Abstandsmessung, wenn die Abstandsmessstrahlung 34 zum Beispiel gepulst ist, so dass die Auswerteeinheit 19 aus der Lichtlaufzeit des Pulses in beschriebener Weise auf die Entfernung schließen kann. Gleichzeitig wird Strahlung 26 aus dem Aufnahmebereich 14 an dem Teilerspiegel 64 zu einem Spiegel 68 ausgekoppelt, der diese ausgekoppelte Beobachtungsstrahlung 26 auf eine Aufnahmeeinheit 18 lenkt, die z.B. durch eine CCD-Kamera gebildet wird.
Eine solche Anordnung trennt also die Strahlungsgänge der Abstandsmessstrahlung und des Beobachtungslichts vor ihrer Detektion auf.
Abweichend von der in 10 gezeigten Ausführungsform kann der zweite Teilerspiegel 64 auch weggelassen werden, wenn die Aufnahmeeinheit 18 und der Empfänger 70 kombiniert werden. Dies ist zum Beispiel möglich, wenn es sich bei der Aufnahmeeinheit 18 um ein solches CCD-Array handelt, bei dem eines oder mehrere der Lichtempfängerelemente dieser CCD als TOF-Element wirken, aus dessen Signalen die Auswerteeinheit 19 den Abstand des Objekts 16 von der Bilderfassungseinheit in an sich bekannter Weise bestimmen kann.
Es versteht sich, dass die einzelnen Elemente der geschilderten Ausführungsformen auch miteinander kombinierbar sind. So ist es z.B. selbstverständlich auch möglich, die Anordnung der 1 bis 8 bzw. 10 mit einem verkippbaren Spiegel auszustatten, wie er mit Bezug zu 9 erläutert ist.
Ebenso ist es möglich, auch die Anordnung der 10 mit einer verschiebbar angeordneten Sammellinse 32 zur Fokussierung zu versehen.
Außerdem ist es – auch wenn es nicht explizit dargestellt ist – selbstverständlich möglich, auch die Anordnungen der 7 und 8, bei denen die Abstandsmessung auf der einen Seite des rotierenden Spiegels 20 und die Aufnahmeeinheit auf der anderen Seite des rotierenden Spiegels 20 angeordnet ist, beidseitig mit entsprechenden Sammellinsen 32 auszustatten, um eine entsprechende Fokussierung auch der Abstandsmessstrahlung 34 zu ermöglichen.
Bezugszeichenliste

10: Umgebung
12: Bilderfassungssystem
14, 14': Aufnahmebereich
16: Objekt
18, 18': Aufnahmeeinheit
19: Auswerteeinheit
20: Spiegelelement
22, 22': verspiegelte Spiegeloberfläche
24: Rotationsachse
26: Beobachtungsstrahlung
28, 28': Beleuchtungsstrahlung
30, 30': Sendeeinheit
31: Sende/Empfangseinheit
32, 32': Sammellinse
34, 34': ausgesendete Abstandsmessstrahlung
36: Beleuchtungseinheit
40: Rotation
42: Spiegelverkippung
44: Verkippungsachse
50: Bild
56: abgebildetes Objekt
60: Teilerspiegelanordnung
62, 64: halbdurchlässige Teilerspiegel
66, 68: Spiegel
70: Empfänger
72: empfangene Abstandsmessstrahlung
III, IV: Blickrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5296924 [0004]
DE 10154861 A1 [0004]
DE 102009049809 A1 [0006]

Claims

Bilderfassungssystem (12) zum Erfassen einer Szenerie (10, 16) um das Bilderfassungssystem, mit – wenigstens einer feststehenden Aufnahmeeinheit (18, 18') und – wenigstens einem um eine Rotationsachse (24) drehbar gelagerten Spiegelelement (20), das derart angeordnet ist, dass Beobachtungsstrahlung (26), die aus der Umgebung (10) um die Rotationsachse (24) herum auf das Spiegelelement (20) trifft, über das Spiegelelement (20) auf die Aufnahmeeinheit (18, 18') gelenkt wird, wobei sich bei einer Drehung (40) des Spiegelelementes (20) ein Aufnahmebereich (14, 14') der Umgebung (10), aus dem die Beobachtungsstrahlung (26) auf das Spiegelelement (20) trifft und zur Aufnahmeeinheit (18, 18') abgelenkt wird, um die Rotationsachse (24) bewegt.
Bilderfassungssystem nach Anspruch 1, bei dem das wenigstens eine Spiegelelement einen schräg zur Rotationsachse angeordneten Spiegel (20) umfasst.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einer Beleuchtungseinrichtung (36) zur Beleuchtung des Aufnahmebereiches (14, 14'), wobei die von der Beleuchtungseinrichtung (36) ausgesendete Beleuchtungsstrahlung (28) über das wenigstens eine Spiegelelement (20) in den Beobachtungsbereich (14, 14') gelenkt wird und zumindest teilweise dem Strahlengang der Beobachtungsstrahlung (26) im Wesentlichen entgegengerichtet ist.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Rotationsstellungsdetektor, vorzugsweise einem Encoder, zur Registrierung der Rotationsstellung des wenigstens einen Spiegelelementes (20).
Bilderfassungssystem nach Anspruch 4, mit einer Korrektureinrichtung (19) zur Bildung einer Korrelation zwischen der mit dem Rotationsstellungsdetektor registrierten Spiegelposition und dem von der Aufnahmeeinheit (18, 18') aufgenommenen Bild (50), und zur Berechnung eines korrigierten Bildes, das einen durch die Spiegelrotation (40) hervorgerufenen Abbildungsfehler berücksichtigt.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Abstandsmesssystem mit – einer Sendeeinheit (30, 30') zum Aussenden von gepulster oder modulierter Abstandsmessstrahlung (34, 34') in Richtung des wenigstens einen Spiegelelementes (20) zur Ablenkung in die Umgebung (10) der Rotationsachse (24), – einer Empfangseinheit (18, 18', 30, 30', 70) zur Detektion von Abstandsmessstrahlung (34), die über das Spiegelelement (20) von einem in der Umgebung (10) befindlichen Objekt (16) zurückreflektiert oder zurückremittiert wird und – einer Auswerteeinheit (19), die ausgestaltet ist, aus der Laufzeit des Abstandsmessstrahlungspulses (34) oder der Phasenverschiebung der modulierten Abstandsmessstrahlung (34) den Abstand des Objektes (16) von der Bilderfassungseinheit (12) zu berechnen.
Bilderfassungssystem nach Anspruch 6, bei dem die Aufnahmeeinheit (18, 18') mehrere lichtempfindliche Elemente umfasst und die Empfangseinheit durch wenigstens eines dieser lichtempfindlichen Elemente gebildet wird.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 6 oder 7, insoweit er direkt oder indirekt von Anspruch 4 abhängig ist, bei der die Auswerteeinheit (19) ausgestaltet ist, eine Korrelation zwischen der mit dem Rotationsstellungsdetektor registrierten Spiegelposition und dem berechneten Abstand des Objektes (16) von der Bilderfassungseinheit (12) zu bestimmen.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das Spiegelelement einen schräg zur Rotationsachse (24) angeordneten, beidseitig verspiegelten Spiegel (20) umfasst, auf dessen eine Seite (22') die von der Sendeeinheit (30') abgestrahlte Abstandsmessstrahlung (34) trifft und über dessen andere Seite (22) aus einem Beobachtungsbereich (14) auf den Spiegel (20) auftreffende Beobachtungsstrahlung (26) auf die Aufnahmeeinheit (18) gelenkt wird.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das Spiegelelement einen schräg zur Rotationsachse (24) angeordneten Spiegel (20) umfasst und die Sendeeinheit (30, 30') des Abstandsmesssystems benachbart oder innerhalb der Aufnahmeeinheit (18, 18') angeordnet ist.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, mit einer Teilerspiegelanordnung (60), die einen oder mehrere Teilungsspiegel (62, 64) umfasst, mit deren Hilfe die Strahlengänge (34, 26, 72) der von der Sendeeinheit (30) abgestrahlten Abstandsmessstrahlung (34) und/oder der auf die Empfangseinheit auftreffenden Abstandsmessstrahlung (70) und/oder der auf die Aufnahmeeinheit (18) auftreffenden Beobachtungsstrahlung (26) zumindest teilweise räumlich voneinander getrennt werden.
Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das wenigstens eine Spiegelelement (20) zusätzlich zur Rotation (40) um die Rotationsachse (24) bezüglich der Rotationsachse (24) verkippbar ist.
Bilderfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Strahlengang zwischen der Aufnahmeeinheit (18, 18') und dem wenigstens einen Spiegelelement (20) eine, vorzugsweise eine entlang der Rotationsachse (24) verschiebbare Linse (32, 32') umfassende, Fokusverstelleinrichtung vorgesehen ist.
Bilderfassungssystem nach Anspruch 13, insoweit er direkt oder indirekt von Anspruch 6 abhängt, bei dem die Auswerteeinheit (19) die Fokusverstelleinrichtung (32, 32') in Abhängigkeit des berechneten Abstandes verstellt.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Scansystem mit – einer Sendeeinheit zum Aussenden von Scanstrahlung in Richtung des wenigstens einen Spiegelelementes (20) zur Ablenkung in die Umgebung (10) der Rotationsachse (24) und – einer Empfangseinheit zur Detektion von Scanstrahlung, die über das Spiegelelement (20) von einem in der Umgebung (10) befindlichen Objekt (16) zurückreflektiert oder zurückremittiert wird.