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Die Erfindung betrifft einen Polarisationssensor zur Ermittlung der Position der Sonne oder des Sonnenvektors, d.h. der Richtung vom Polarisationssensor zur Sonne in einem lokalen Referenzsystem des Polarisationssensors. Der vorgeschlagene Polarisationssensor findet insbesondere Anwendung bei Lagebestimmungssystemen oder Kompasssystemen, die auf der Ermittlung des Polarisationsmusters des Himmels und dessen Auswertung basieren. Der vorgeschlagene Polarisationssensor eignet sich darüber hinaus insbesondere zum Einsatz als „Kompasssystem“ für Luftfahrzeuge, und hier insbesondere für autonom fliegende unbemannte Plattformen, wie beispielsweise Drohnen.
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Derartige Kompasssysteme sind als „Polarisationskompasse“ bekannt. Diese Kompasssysteme weisen typischerweise mehrere Bildsensoren (Kamerasensoren) mit fest zugeordneten Polarisationsfiltern oder einen Bildsensor mit mehreren beweglichen Polarisationsfiltern auf. Aus unterschiedlichen Werten korrespondierender Pixel der Bildsensoren bzw. der Pixel des Bildsensors für mindestens drei (oder mehr) Bildaufnahmen können zumindest drei für teilweise linear polarisiertes Licht entscheidende Größen Intensitätsmittelwert, Polarisationsgrad und Polarisationswinkel ermittelt werden. Über den Polarisationswinkel kann die Orientierung der Polarisation für jede Blickrichtung bestimmt werden. Im Idealfall ist die Verbindungslinie von dem Kamerasensor zur Position der Sonne am Himmel orthogonal zu allen gefundenen Orientierungen.
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Ein Polarisationskompass liefert die Position der Sonne, allerdings indirekt, da das Polarisationsmuster symmetrisch um Sonne angeordnet ist, wobei der Polarisationsgrad am stärksten in einem Winkel 90 Grad entfernt von der Sonne ist. Im Vergleich zur direkten Bestimmung der Sonnenposition, besteht der Vorteil darin, dass ein größerer Bereich des Sichtfeldes verwendet werden kann, so dass auch bei Verdeckung der Sonne durch Wolken, Bäume, Gebäude oder andere Objekte, eine Bestimmung erfolgen kann. Ebenfalls ist die Verwendung auch noch eine gewisse Zeit nach Sonnenuntergang möglich, was z.B. in nördlichen Breitengraden und insbesondere während der Wintermonate von Vorteil ist. Je nach verwendeter Optik und verwendetem/n Bildsensor/en und natürlich äußeren Bedingungen, wie Bedeckungsgrad, Sonnenposition, kann zudem die Genauigkeit deutlich höher sein.
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Ist die Position der Sonne im lokalen Referenzsystem bestimmt worden, kann die Orientierung relativ zur Nordrichtung durch Vergleich mit der für den jeweiligen Ort zur aktuellen Zeit erwarteten Sonnenposition ermittelt werden.
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Bekannte integrierte Magnetometer / Magnetkompasssysteme messen das Magnetfeld der Erde und können somit als Kompass verwendet werden. Allerdings können metallische Gegenstände oder elektrische Geräte in der näheren Umgebung das Erdmagnetfeld stören, so dass eine Kompassorientierung schwierig bis unmöglich wird. Der Einfluss statische Störfelder kann durch Kalibrierung erheblich verringert werden. Für dynamisch veränderliche Einflüsse, beispielsweise durch Elektromotoren mit variabler Drehzahl ist das erheblich schwieriger. Ein noch komplexeres Beispiel ist der Flug eines Multikopters in der Nähe starker Magnetfelder, die dann durch die Eigenbewegung der Drohne im körperfesten Referenzsystem der Drohne variieren. Im Gegensatz dazu ist die Bestimmung von Kompassinformation mit Hilfe des Polarisationsmusters des Himmels von magnetischer Störung unbeeinflusst. Allerdings benötigt letztere Methode freie Sicht zu Bereichen des Himmels und es darf keine sehr starke Bewölkung vorliegen, so dass i.d.R. eine Kombination von Kompasssystemen basierend auf Erdmagnetfeld und Himmelspolarisation einer Einzellösung vorzuziehen sein wird, um in möglichst vielen Situationen zuverlässige Messungen erzielen zu können.
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Polarisationskompasssysteme sind bekannt mit mehreren Bildsensoren (Fotodioden oder Kamerasensoren) und fest installierten Polarisationsfiltern oder einer einzelnen Kamera mit beweglichen Polarisationsfiltern.
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Bei Lösungen mit Fotodioden (in der Regel 3 Stück bzw. 3 × 2 Stück) ist die Auflösung und/oder der Öffnungswinkel („Field Of View“, FOV) klein, so dass keine vollständige Bestimmung der Sonnenrichtung möglich ist, sondern nur des Azimut Winkels der Sonne. In diesem Fall ist das System nur vertikal ausgerichtet, d.h. der/die Bildsensoren sind auf den Zenit gerichtet, verwendbar, jedoch für fahrende oder fliegende Systeme, in denen Kippungen auftreten können, z. B. für ein Fahrzeug auf unebenen oder geneigtem Gelände, nicht geeignet, es sei denn eine zusätzliche Vorrichtung zur kardanischen Lagerung (engl. gimbal) gleicht die Kippbewegungen aus. Diese Vorrichtung ist vergleichsweise aufwendig, erfordert ausreichend Platz und verursacht zusätzliches Gewicht. Um sowohl Azimut als auch Elevationswinkel bestimmen zu können, wäre eine deutlich größere Anzahl von Fotodioden nötig, was das System sehr komplex machen würde.
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Multikamerasysteme sind teuer und die optischen Achsen der einzelnen Kameras liegen einige Zentimeter auseinander. Dies hat zur Folge, dass Intensitätsunterschiede auftreten können, die nicht auf Polarisation zurückzuführen sind, sondern auf Objekte im Abstand von einigen Zentimeter bis einigen Metern. Genauer, es treten durch nahe Objekte verursachte Störungen auf, wenn das Verhältnis d/R größer als die Auflösung der Kameras in Radiant ist, z.B. können Objekte, bei einer Auflösung von nur 1 Grad, im Abstand R kleiner als d/(πr/180) = 180/ π *d ≈ 57*d Störungen hervorrufen. Für einen Kameraabstand von d = 10 cm sind das in etwa R = 5,7 m. Dieses Problem kann durch Strahlteiler hinter dem Objektiv und mehreren Kamerasensoren vermieden werden. Allerdings sind diese Systeme u.U. noch teurer und i.d.R. relativ groß und schwer.
Ein Polarisationssensor mit einer einzelnen Kamera mit beweglichen Filtern ist für den Einsatz auf fliegenden oder fahrenden Systemen ungeeignet, da die Aufnahmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen und sich die Orientierung des Systems während des Filterwechsels ändern kann.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Polarisationssensor anzugeben, der mit einfachen optischen Elementen herstellbar ist, eine hohe Auflösung besitzt, sodass Azimut-und Elevationswinkel der Sonnenposition bestimmt werden können. Insbesondere soll sich der Polarisationssensor zum Einsatz auf sich bewegenden Vehikel, beispielsweise Fahrzeugen oder Fluggeräten eigenen.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Polarisationssensor aufweisend: einen einzigen Bildsensor BS mit zu einem Array angeordneten Sensorpixeln, zur Umsetzung von auf die Sensorpixel auftreffender elektromagnetischer Strahlung in elektrische Signale, eine Anzahl N im Strahlengang dem Bildsensor BS vorgeschaltete Optiken On, mit n = 1, ..., N und N ≥ 3, die auf die jeweiligen Optiken On eingangsseitig auftreffende elektromagnetische Strahlung auf jeweils einen flächigen Bereich BRn des den Optiken On nachgeschalteten Bildsensors BS abbilden, wobei sich die Bereiche BRn nicht überlappen, und im Strahlengang jeder Optik On dem Bildsensor BS vorgeschaltet einen Polarisationsfilter Pn mit einer Polarisationsebene PEn, wobei die Polarisationsebenen PEn alle unterschiedlich sind, so dass auf die flächigen Bereiche BRn elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Polarisationsebenen auftrifft.
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Vorteilhaft ist der Bildsensor BS ein Halbleiter-basierter Bilddetektor, insbesondere ein CCD-Sensor oder ein CMOS-Sensor. Die Sensorpixel sind dabei vorteilhaft in einer orthogonalen Pixelmatrix angeordnet. Vorteilhaft bilden die Sensorpixel ein rechteckiges, insbesondere quadratisches Array.
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Vorliegend beschreibt der Begriff „Optik“ ein oder mehrere in einem Strahlengang des Polarisationssensors angeordnete optisch wirksame Elemente (Linsen, Linsenanordnungen), die der Strahlformung, -ablenkung und/oder -fokussierung dienen. Eine „Optik“ definiert zudem eine zugeordnete Begrenzung möglicher Strahlengänge durch die jeweilige Optik. Zwei oder mehr „Optiken“ weisen entsprechend zwei oder mehr entsprechend voneinander abgrenzbare individuelle Strahlengänge auf. Die Optiken On weisen zumindest ein optisches Element auf, durch das Strahlen nur der jeweiligen Optik treten. Vorteilhaft sind die Sichtfelder SFn der Optiken On identisch oder zumindest weitestgehend identisch. Vorteilhaft weist das Sichtfeld SFn eine Optik On einen Bildwinkel im Bereich von 1° bis 180°, oder 5° bis 180°, insbesondere 50°, 60°, 70°, 80°, 90°, 100°, 110°, 120°, 130°, 140°, 150°, 160° oder 170° auf.
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Der Begriff „Polarisationsfilter“ wird vorliegend fachüblich verwendet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Polarisationssensors weisen die Optiken On eingangsseitig jeweils eine Eintrittslinse An auf. „Eingangsseitig“ bedeutet vorliegend, die dem Bildsensor abgewandte Seite einer jeweiligen Optik On. Die durch die Eingangsseite einer jeweiligen Optik On tretende elektromagnetische Strahlung wird durch die Optik On auf dem Bildsensor abgebildet. Die Eintrittslinsen An sind vorteilhaft jeweils konkav-konkav Linsen oder plan-konkav Linsen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Polarisationssensors weisen die Optiken On eine gemeinsame konvex-konvex-Linse auf, d.h. alle auf die Optiken On eingangsseitig einfallenden Strahlen treten durch die gemeinsame konvex-konvex-Linse hindurch.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Polarisationssensors weisen die Optiken On eine gemeinsame Blende auf. D.h. alle auf die Optiken On eingangsseitig einfallenden Strahlen treten durch die gemeinsame Blende hindurch.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Polarisationssensors weisen alle Optiken On entlang des Strahlengangs ausgangsseitig (zum Bildsensor hin) eine gemeinsame Sammellinse oder ein gemeinsames Kameraobjektiv auf.
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Vorteilhaft sind die jeweiligen Polarisationsfilter Pn im Strahlengang den jeweiligen Eintrittslinsen An nachgeordnet. Vorteilhaft sind die Polarisationsfilter Pn lineare Polarisationsfilter. Vorteilhaft sind die Polarisationsebenen PEn der Polarisationsfilter Pn alle unterschiedlich orientiert. Besonders vorteilhaft unterscheiden sich die Polarisationsebenen PEn der Polarisationsfilter Pn für n = 3 jeweils um 120°, für n = 4 jeweils um 90°, für n = 5 jeweils um 72°, und für n = 6 jeweils um 60° voneinander. Weiterhin besonders vorteilhaft ist N = 3 oder N = 4.
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In einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Polarisationssensors werden die Messwerte der in den Bereichen BRn angeordneten Sensorpixel jeweils einer Auswerteeinheit übermittelt, die aus Signalen der jeweiligen Sensorpixel Bilddaten BDn erzeugt. Die Bilddaten BDn werden dann vorteilhaft mithilfe der Ergebnisse einer 3-Kamera-Kalibrierung so umgerechnet bzw. entzerrt, dass für jede Blickrichtung die entsprechenden Pixel Werte direkt ausgelesen werden und somit die Größen IntensitätsMittelwert, Polarisationsgrad und Polarisationswinkel ermittelt werden können.
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Der vorgeschlagene Polarisationssensor lässt sich als kleines und leichtes System preiswert herzustellen. Als Bildsensor ist ein Kamerasensor ohne besondere Anforderungen bezüglich Auflösung oder Signalrauschabstand einsetzbar. Die Optiken On können aus einfachen optischen Elementen bestehen. Im Vergleich zu bekannten Multikamerasystemen ist neben den viel geringeren Herstellungskosten und dem geringeren Gewicht, der Wegfall der sonst nötigen Kamerasynchronisierung und ein deutlich kleinerer Abstand zwischen den Eintrittslinsen umsetzbar. Im Vergleich zu Systemen mit Strahlteilern ist der vorgeschlagene Polarisationssensor mit kleinerem Gewicht sowie deutlich geringeren Ausmaße und zu deutlich geringeren Kosten zu realisieren. Im Gegensatz zu Systemen mit einer Einzelkamera und beweglichen Filtern kann der vorgeschlagene Polarisationssensor insbesondere auf fahrenden oder fliegenden Systemen und Vehikeln zur Lage und oder Richtungsbestimmung eingesetzt werden, da zumindest drei Bilder mit unterschiedlichen Polarisationsfiltern zur selben Zeit aufgenommen werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Polarisationssensors sind zumindest drei Optiken O1, O2 und O3 vorhanden, die folgendermaßen aufgebaut sind. Eingangsseitig sind drei Eintrittslinsen An flächig nebeneinander angeordnet. Die drei Eintrittslinsen An definieren die unterschiedlichen Strahlengänge der drei Optiken O1, O2 und O3. Durch die drei Eintrittslinsen An tritt elektromagnetische Himmelsstrahlung in den Polarisationssensor. Den drei Eintrittslinsen An im Strahlengang nachgeschaltet ist jeweils ein Polarisationsfilter Pn, wobei die drei Polarisationsfilter P1 , P2 und P3 unterschiedliche Polarisationsebenen aufweisen. Den Polarisationsfiltern Pn im Strahlengang nachgeschaltet (in Richtung Bildsensor BS) ist eine für alle drei Optiken O1, O2 und O3 gemeinsame konvex-konvex-Linse sowie eine daran anschließend angeordnete Kameralinse, welche die durch die drei Eintrittslinsen An kommende elektromagnetische Strahlung auf unterschiedliche Bereiche des Bildsensors BS abbildet.
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Als Eintrittslinsen An werden vorteilhaft Streulinsen verwendet, d.h. bspw. plano-konkav Linsen, doppel-konkave Linsen etc. Natürlich ist auch grundsätzlich die Verwendung von Sammellinsen als Eintrittslinsen An vom Erfindungsgedanken mit eingeschlossen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Polarisationssensors sind zumindest drei Optiken O1, O2 und O3 vorhanden. Die Optiken weisen, im Gegensatz zum vorstehend ausgeführten Beispiel, keine gemeinsamen optischen Elemente auf. Den drei Optiken im Strahlengang jeweils nachgeschaltet ist jeweils ein Polarisationsfilter Pn, wobei die drei Polarisationsfilter P1 , P2 und P3 unterschiedliche Polarisationsebenen aufweisen. Die in die drei Optiken O1, O2 und O3 eintretende elektromagnetische Strahlung wird durch die Optiken und die jeweils nachgeschalteten Polarisationsfilter auf unterschiedliche Bereiche eines gemeinsamen Bildsensors abgebildet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1 eine schematisierte Darstellung eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel des Polarisationssensors,
- 2 eine schematisierte Darstellung einer Aufsicht auf den Polarisationssensor gemäß 1, und
- 3 eine schematisierte Darstellung einer Aufsicht auf die Polarisationsfilter Pn.
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1 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Polarisationssensors. Der Polarisationssensor weist auf: einen einzigen Bildsensor BS mit zu einem Array angeordneten Sensorpixeln, zur Umsetzung von auf die Sensorpixel auftreffender elektromagnetischer Strahlung in elektrische Signale, eine Anzahl N =3 im Strahlengang dem Bildsensor BS vorgeschaltete Optiken On, die auf die jeweiligen Optiken On eingangsseitig auftreffende elektromagnetische Strahlung auf jeweils einen flächigen Bereich BRn des den Optiken On nachgeschalteten Bildsensors BS abbilden, wobei sich die Bereiche BRn nicht überlappen, und im Strahlengang jeder Optik On dem Bildsensor BS vorgeschaltet einen Polarisationsfilter Pn mit einer Polarisationsebene PEn, wobei die Polarisationsebenen PEn alle unterschiedlich sind, so dass auf die flächigen Bereiche BRn elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Polarisationsebenen auftrifft.
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Die Optiken On weisen eintrittsseitig jeweils eine plan-konkave Eintrittslinse A bzw. in 2 in Aufsicht dargestellt als Eintrittslinsen A1, A2, A3 auf. Den Eintrittslinsen nachgeschaltet sind jeweils drei lineare Polarisationsfilter in 3 als P1 , P2 , P3 in der Polarisationsfilterebene B angeordnet. Den Polarisationsfiltern nachgeschaltet ist eine den Optiken gemeinsame Konvexlinse C, in deren Brennpunkt der Knotenpunkt der Kameralinse E liegt, sodass die Hauptstrahlen zwischen der Konvexlinse C und den Eintrittslinsen A1, A2, A3 parallel verlaufen. Zwischen Konvexlinse C und der Kameralinse E ist eine Lochblende D angeordnet, um mögliche optische Aberrationen zu verringern. Die Kameralinse E weist eine Brennweite von 5 mm auf und liegt in der Brennebene der Doppel Konvexlinse C, die eine Brennweite von 30 mm und einen Durchmesser von 20 mm aufweist.
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Durch diesen Aufbau werden drei Bilder mit unterschiedlichen Polarisationsfiltern auf den Bildsensor BS abgebildet. Die erfassten Bilddaten werden dann mithilfe der Ergebnisse einer 3-Kamera-Kalibrierung so umgerechnet bzw. entfernt, dass für jede Blickrichtung die entsprechenden Pixel Werte direkt ausgelesen und somit die Größen Mittelwert Polarisationsgrad und Polarisationswinkel ermittelt werden können.
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2 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Aufsicht auf den Polarisationssensor gemäß 1. Dargestellt ist die Eingangsseite des Polarisationssensors mit den drei Eintrittslinsen A1, A2, A3.
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3 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Aufsicht auf die Polarisationsfilter Pn. die 120° Kreissektoren ausgebildet sind und jeweils mit um 60 bzw. 120° gedrehte Durchlassrichtung hinter den Eintrittslinsen A1, A2, A3 angeordnet sind.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Eintrittslinsen A1, A2, A3
- B
- Polarisationsfilterebene
- C
- Konvexlinse
- D
- Lochblende
- E
- Kameralinse
- BS
- Bildsensor
- P1, P2, P3
- Polarisationsfilter
