DE19737760C2 - Verfahren und Vorrichtung zur messtechnischen Erfassung dreidimensionaler Objekte - Google Patents

Description

Elektronische Bildsensoren und die mit solchen Sensoren betriebenen Geräte sind schon seit geraumer Zeit zu verhältnismässig preiswerten Artikeln der Konsumgüterindustrie geworden. Die Militärtechnik kennt ebenfalls Einwegartikel mit entsprechenden Sensoren wie z. B. Lenkwaffen zur Fliegerabwehr. In der industriellen Robotik wird mit der autonomen Handhabung von Gegenständen durch Roboter experimentiert. Voraussetzung ist hierbei die sichere dreidimensionale Erfassung handzuhabender Objekte durch einen entsprechenden Sensor, der Daten in einer für Roboter respektive Computer verständlichen elektronischen Form liefert. Aufgrund der Bedeutung eines solchen Sensors wurden viele Versuche zu dessen Realisierung gemacht, wobei die dem Menschen und den meisten Wirbeltieren eigene stereoskopische Wahrnehmung über zwei zweidimensionale Sensoren einen erheblichen Aufwand an Rechenleistung bedeutet. Ansätze einer technischen Systemen angepassten Lösung dieses Problems funktionieren z. B. durch sequentielle Projektion von Linien erhöhter Leuchtdichte auf das Objekt oder die Verwendung eines durch einen Bildsensor und eine Signalverarbeitungseinheit auflösbaren auf das Objekt projizierten Linienrasters erhöhter Leuchtdichte (Real-time tracking of surfaces with structured light, P. Lindsay and A. Blake, IEE-Coolloquium on 3D imaging and analysis of depth/range images, 1994, London). Während dieses Verfahren gleichwohl einen hohen Rechenaufwand, weniger zwar einen Zeitverlust durch sequentielle Abtastung darstellt, erscheint es wünschenswert, einfache Sensoren verwenden zu können, welche schnell Daten liefern, die keiner allzu aufwendigen Verarbeitung bedürfen.

Eine einfache und schnelle Vorrichtung zur Entfernungsmessung mittels modulierten Laserlichts erlaubt nur die Messung der Abstände einzelner Punkte (N. Nakatsuka, H. Takimasa and T. Yamashita, "High Precision Laser Distance Sensor", Proceedings of the 7ff, International Congress on Application of Lasers and Electrooptics ICALEO '88 (ed. A. Gara), S. 13), komplexe Objekte müssten durch zeitraubende mechanische Umrichtung eines Lichtstrahls abgetastet werden.

Es ist daher die Aufgabe der nachfolgend beschriebenen Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine schnelle Erfassung dreidimensionaler Strukturen mittels einfacher aufgebauten Systemen zu erreichen.

Die Erfindung beinhaltet Systeme zur räumlichen Erfassung dreidimensionaler Strukturen, welche durch Abstrahlung und Detektion von Licht oder anderen im Medium zwischen Sensor und zu erfassendem Objekt ausbreitungsfähigen Wellen arbeiten, das gleichermassen räumlich und zeitlich strukturiert ist.

Dabei wird nach dem Patentanspruch 1 ein sich in einer Richtung ausbreitender Wellenpuls oder Abschnitt einer Welle ohne mechanisch bewirkte Richtungsänderungen in mehrere Teilwellenpulse oder Abschnitte von Wellen zerlegt, die gegeneinander verzögert und zueinander divergent in Richtung eines zu erfassenden Objekts abgestrahlt werden.

Nach dem Patentanspruch 3 werden in unterschiedliche Richtungen abgestrahlte Wellenpulse oder Abschnitte von Wellen durch sequentielle Modulation in derselben Vorrichtung zeitbezogen markiert und untereinander eindeutig unterscheidbar gemacht, nach ihrer Reflexion am Objekt durch einen oder mehrere gegeneinander abgegrenzte Raumwinkelbereiche erfassende Detektormittel erfasst und aufgrund ihrer Modulation ihre Abstrahlungsrichtungen sowie ihre Laufzeiten identifiziert.

Bei der Verwendung von Licht zur Erfassung des Objektes kann das Sensorsystem aus einer Lichtquelle bestehen, die periodisch moduliertes oder auch mit einem zufällig erzeugten, aber abgespeichertem Signal moduliertes Licht in eine Vorrichtung strahlt, welche dieses Licht in mehrere Teilstrahlen zerlegt, die zueinander zeitlich verzögert und gegeneinander seitlich zur Ausbreitungsrichtung versetzt mittels einer Optik durch einen gemeinsamen Modulator geführt werden. Dieser Modulator vollzieht eine Amplitudenmodulation der geringfügig in ihrer Ausbreitungsrichtung voneinander abweichenden den Modulator passierenden Teilstrahlen. Es kann aber auch die optische Frequenz oder die Phase des Lichtes der Teilstrahlen durch Modulation beeinflusst werden. Eine direkt nach der Lichtquelle durchgeführte Modulation prägt dem Lichtstrahl und damit allen aus ihm hervorgehenden Teilstrahlen eine Zeitmarke auf, während die gemeinsame Modulation aller in geringfügig unterschiedlicher Richtung abgestrahlten Teilstrahlen in dem zweiten Modulator eine eindeutige Kennzeichnung aller Teilstrahlen bewirkt. Hierzu kann das Modulationssignal im Rahmen mehrerer Abtastzyklen, deren Dauer durch das Produkt aus der gegenseitigen zeitlichen Verzögerung der Teilstrahlen sowie deren Anzahl definiert ist, periodisch wiederholt werden und derart strukturiert sein, dass jeder Teilstrahl mit einer Funktion moduliert wird, welche zu den aufmodulierten Funktionen aller anderen Teilstrahlen orthogonal ist. Aus einer Lichtquelle, deren emittierter Lichtstrahl durch periodisch auftretende Lichtpulse mit einer Zeitmarke versehen ist, entstehen Teilstrahlen, die gemeinsam eine Folge von miteinander zeitlich multiplexierten Lichtpulsen ergeben. Deren gemeinsame Amplitudenmodulation mit einer Reihe sinusförmiger Signale, die sich für jeden Abtastzyklus periodisch abwechseln, ergibt für jeden Teilstrahl eine spezifische Folge amptitudenmodulierter Lichtpulse, die nach der Reflexion an einem abgetasteten dreidimensionalen Objekt und der Detektion mittels einer Photodiode einen Photostrom mit einem Wechselstromanteil erzeugen, welcher eine für den jeweiligen Teilstrahl charakteristische Grundfrequenz beinhaltet. Es ergibt sich somit ein Spektrum von Grundfrequenzen, dessen Struktur von der Rückstrahlung von bestimmten Punkten des Objektes abhängt. Die Phase der Grundschwingung einer bestimmten einem Teilstrahl zugeordneten Grundfrequenz steht in Beziehung zur Laufzeit zwischen Sender und empfangender Photodiode und erlaubt somit die Erfassung der Entfernung des entsprechenden reflektierenden Punktes auf dem abgetasteten Objekt. Ein Vorteil des Verfahrens liegt in der einfachen Struktur der zu seiner Realisierung erforderlichen Systeme und in der einfachen Verarbeitung der als Information über das Objekt gewonnenen elektrischen Signale, z. B. mittels Tiefpassfilterung und einfacher digitaler Signalverarbeitung. Ein weiterer Vorteil des Systems ist die äusserst dichte Folge abtastender Pulse, wobei die Möglichkeit der Erzeugung immer kürzerer Lichtimpulse zu einer immer grösseren Abtastgeschwindigkeit führt. So kann ein weit entferntes Objekt innerhalb von beispielsweise 10-15 Abtastzyklen erfasst werden, deren gesamte Länge bei sehr kurzen Pulsen die Entfernung zwischen Objekt und Sensor unterschreitet, was im Vergleich zur bereits praktizierten sequentiellen punktweisen Abtastung eines Objektes bei einer der doppelten Laufzeit des Lichtes zwischen Sensor und Objekt entsprechenden gegenseitigen zeitlichen Verschiebung von sich auf den Teilstrahlen ausbreitenden Lichtimpulsen zu deutlicher Verringerung der zur Erfassung nötigen Zeit führt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen und diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 Eine Blockstruktur eines Systems zur richtungsabhängigen Modulation von Lichtpulsen,

Fig. 2 eine gemeinsame Ebene 10-10 aus Fig. 1,

Fig. 3-6 einen Zyklus von jeweils einen Abtastzyklus von Lichtpulsen modulierenden sinusförmigen Signalen,

Fig. 7 eine Darstellung der Abtastung eines dreidimensionalen Objektes,

Fig. 8 eine weitere Darstellung eines Abtastzyklus,

Fig. 9 eine Blockstruktur eines Systems zur richtungsabhängigen Modulation von Lichtpulsen mittels zweier elektrooptischer Modulatoren,

Fig. 10 ein Amplitudenspektrum des sich durch eine Anordnung eines Systems nach Fig. 1 ergebenden Photostroms,

Fig. 11 ein Amplitudenspektrum des sich durch eine Anordnung eines Systems nach Fig. 9 ergebenden Photostroms.

Fig. 1 zeigt die Blockstruktur eines Systems zur richtungsabhängigen Modulation von Lichtpulsen. Ein Sender 2 erzeugt mit einer festen Periode Lichtpulse, die über einen Lichtwellenleiter 4 oder auch in einem freien Lichtstrahl auf ein Wellenleiternetzwerk 6 oder ein anderes den gleichen Zweck erfüllendes Mittel ohne mechanisch bewirkte Richtungsänderungen geführt werden, welches die Aufgabe hat, den periodisch eingespeisten Lichtpuls in eine Anzahl von Lichtpulsen aufzuteilen, die wenigstens einen der Pulsbreite entsprechenden gegenseitigen zeitlichen Abstand zueinander haben. Am Ausgang des Wellenleiternetzwerks 6 sind Wellenleiter 8 vorhanden, die in ihrer Anzahl derjenigen der aus dem periodischen Lichtpuls des Senders durch Aufteilung hervorgegangenen Lichtpulsen entspricht.

In Fig. 2 ist eine gemeinsame Ebene 10-10 aus Fig. 1 in der Perspektive entgegen der Ausbreitungsrichtung der in den Wellenleitern 8 geführten Lichtwellen gezeigt. Die gegeneinander verzögerten durch Aufteilung im Wellenleiternetzwerk 6 erzeugten Lichtpulse treten gegeneinander mindestens um die Pulsbreite verzögert nacheinander in einer definierten zeitlichen Reihenfolge aus jeweils verschiedenen Aperturen 22 eines Feldes 23 aus, um ein erstes abbildendes optisches System 12 zu durchlaufen. Mittels des optischen Systems 12 wird die Emission aller Wellenleiter 8 in einen elektrooptischen Modulator 14 geführt, welcher als elektrooptischer Phasenmodulator, optischer Halbleiterverstärker sowie Pockels- oder Kerrzelle ausgeführt sein kann, um die in geordneter zeitlicher Abfolge durchlaufenden Lichtimpulse aus allen Wellenleitern 8 in Amplitude, Phase oder Polarisation zu modulieren. Im dargestellten Beispiel kann die Modulation über eine elektrische Wellenleitung 16 durch einen elektronischen Funktionsgenerator 18 erfolgen.

In den Fig. 3-6 ist der Prozess der Intensitätsmodulation durch den elektrooptischen Modulator 14 veranschaulicht. Entlang einer Zeitachse ist die Intensität der Gesamtheit der aus einem Lichtpuls des Senders 2 erzeugten, in fester zeitlicher Reihenfolge erscheinenden Lichtpulse 26 nach dem elektrooptischen Modulator 14 dargestellt. Zu sehen sind in Fig. 3 die nacheinander den elektrooptischen Modulator 14 passiert habenden, durch die Hüllkurve 24 begrenzten Lichtpulse 26 (Fig. 4). Eine Hüllkurve 24 resultiert aus dem durch den Generator 18 erzeugten modulierendem Signal und ist im dargestellten Beispiel sinusförmig. Die Fig. 4-6 zeigen das Ergebnis desselben Prozesses mit jeweils anderer Frequenz des sinusförmigen modulierenden Signals aus dem Generator 18, zu bemerken an der jeweils kürzeren Periode von Hüllkurven 28-32. Für jedes aus einem Lichtpuls des Senders 2 erzeugte Ensemble von gegeneinander zeitlich um mindestens die Pulsbreite verschobenen Lichtpulsen wird die Periode der Hüllkurve der zeitlichen Folge von Lichtpulsen durch zyklisches Ändern der Frequenz des aus dem Generator 18 in den elektrooptischen Modulator 14 geführten modulierenden Signals zyklisch verändert. Die Veränderung erfolgt gleichmässig, so dass für aufeinander folgende Ensembles von Lichtpulsen die in den Fig. 3-6 dargestellten Situationen zyklisch durchlaufen werden. Der Generator 18 erzeugt hierbei zyklisch Sinusschwingungen verschiedener Frequenzen, die immer in einem festen zeitlichen Abstand zum ersten Lichtpuls eines den elektrooptischen Modulator 14 durchlaufenden aus einem Lichtpuls des Senders 2 erzeugten Ensembles von Lichtpulsen den Nullpunkt in einheitlicher Richtung durchläuft. Isoliert betrachtete Lichtpulse 26 erfahren dadurch in Abhängigkeit ihrer zeitlichen Position innerhalb eines durch das Wellenleiternetzwerk 6 vorgegebenen Rahmens eine Pulsamplitudenmodulation. Diese resultiert in den Abtastwerten eines sinusförmigen Kurvensegmentes, die periodisch auftreten und somit als Abtastwerte einer periodisch in ihrer Phase sprunghaft veränderten Sinusschwingung interpretiert werden können. Werden die Hüllkurven 24-32 in ihrer Frequenz zyklisch derart geändert, dass die resultierenden Abtastwerte beim ersten Lichtpuls 26 eines Ensembles durch Tiefpassfilterung die Rekonstruktion einer vollen Periode einer sinusförmigen Schwingung erlauben, der letzte Lichtpuls im Verlaufe einer Periode von aufeinander folgenden Modulationsfrequenzen hingegen zwei Perioden einer sinusförmigen Schwingung durchläuft, lassen sich nach der Detektion des gesamten Pulsstroms durch eine Photodiode durch Tiefpassfilterung des gewonnenen Photostroms sinusförmige Schwingungen gewinnen, deren unterschiedliche Frequenzen aus verschiedenen Lichtpulsen 26 resultieren und deren Frequenzbereich eine Oktave umfasst. Die hierbei durch Phasensprünge der gedachten Modulationsfrequenz für einige Lichtpulse 26 darstellbaren Diskontinuitäten der durch die Lichtpulse 26 übermittelten Abtastwerte fallen nur gering in Form von Aliasing ins Gewicht (E. O. Brigham, "The fast Fourier transform", Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1974, S. 98-108), da Harmonische der tiefsten Modulationsfrequenz in jedem Fall eine höhere Frequenz als die höchste Modulationsfrequenz besitzen. Aliasing lässt sich durch eine möglichst kurze Periode der in die einzelnen Richtungen abgestrahlten Pulsfolgen, d. h., eine wesentlich höhere als die durch das Abtasttheorem erforderliche Abtastrate verringern.

Dennoch kann auch ein schwaches Störsignal mit identischer Frequenz die Phase eines Signals wesentlich verfälschen. Um eine perfekte Rekonstruktion eines sinusförmigen Signals ohne periodisch auftretende Phasensprünge zu gewährleisten, engt sich das durch ein modulierendes Signal mit einer bestimmten Periode erzeugbare Spektrum an Modulationsfrequenzen für die einzelnen in unterschiedlicher Richtung abzustrahlenden Pulsfolgen auf bestimmte Werte ein, die durch das ganzzahlige Vielfache des Kehrwerts dieser Periode gegeben sind (M. Leich, "Conception of a fast optical 3D-sensor without moving parts, operating with a single low bandwidth photodiode", Entwurf zur Veröffentlichung). Zur Erklärung dieses Sachverhalts kann zum Vergleich der Prozess der stimulierten Emission in einem auf mehreren longitudinalen Moden emittierenden Laser gezogen werden. Stimulierte Emission ist in einer solchen Anordnung nur möglich, wenn anfangs zufällig emitiertes Licht nach einem Umlauf in dem optischen Resonator des Lasers grösstenteils erhalten bleibt und das Lichtfeld nach einem Umlauf stetig in sich selbst übergeht. Dies ist nur möglich für Licht auf einer Reihe von Frequenzen, deren Kehrwert bzw. Periode mit einer natürlichen Zahl multipliziert die Umlaufzeit des Lichts in der Kavität ergibt.

In Fig. 8 ist ein Beispiel für ein den oben geschilderten Einschränkungen genügendes Puls­ amplitudenmoduliertes Signal dargestellt. Ein aus vier sinusförmigen, jeweils über die Dauer T vorhandenen Wellenzügen bestehendes modulierendes Signal 44 dient zur Modulation einer Pulsfolge, deren einzelne Pulse 46 in eine bestimmte Richtung abgestrahlt werden und jeweils zu den Zeitpunkten 0.25T, 1.25T, 2.25T, 3.25T... im Rahmen des sich mit einer Periode von 4T wiederholenden modulierenden Signals 44 den elektrooptischen Modulator 14 passieren. Eine diese amplitudenmodulierten Pulsfolge einhüllende sinusförmige Kurve 48 geht in sich selbst über und weist dabei folglich keine Phasensprünge auf. Im dargestellten Beispiel weist auch das modulierende Signal 44 einen Verlauf ohne Phasensprünge zwischen den einzelnen sinusförmigen Wellenzügen auf, was vorteilhaft aber nicht notwendig ist.

Weiterhin ergibt sich bei einer entsprechend hohen Zahl von zu modulierenden, in unterschiedlicher Richtungen abgestrahlten Pulsfolgen eine sehr hohe maximale Frequenz des modulierenden Signals, da der gegenseitige zeitliche Abstand der Pulse innerhalb eines Ensembles durch die Periode der einer einzelnen Abstrahlungsrichtung zuzuordnenden Pulse sowie der Anzahl der unterschiedlichen Abstrahlungsrichtungen und der maximalen Modulationsfrequenz gegeben ist. Die maximale Modulationsfrequenz bestimmt die Periode der einer einzelnen Abstrahlungsrichtung zuzuordnenden Pulse infolge des Abtast-Theorems, welches diese auf höchstens die Hälfte der Periode der maximalen Modulationsfrequenz festlegt. Um jede beliebige in eine einzelne Richtung abgestrahlte Pulsfolge mit einer sie kennzeichnenden sinusförmigen Schwingung zu modulieren, welche keine periodisch auftretenden Phasensprünge aufweist, muss die periodisch zur Modulation verwendete Folge sinusförmiger Signale, welche durch die Wellenleitung 16 auf den gemeinsam genutzten elektrooptischen Modulator 14 geführt wird, in ihrem ersten Signal sowie in ihrem letzten Signal für alle zeitlich multiplexierten Pulse gleiche oder annähernd gleiche Intensitäten am Ausgang des elektrooptischen Modulators 14 bewirken. Problemlos ist dies bei kontinuierlich schrittweise steigender Frequenz des zur Modulation verwendeten Signals dadurch möglich, dass der erste sinusförmige Wellenzug des zur Modulation verwendeten Signals eine Frequenz mit dem Wert Null oder einem sehr niedrigen Wert aufweist. Der letzte zur Modulation verwendete sinusförmige Wellenzug dieser Reihe muss aber eine Periode aufweisen, die nahezu oder exakt der Periode der multiplexierten Pulse eines Ensembles entspricht. Zur Vermeidung von sehr hohen maximalen Frequenzen der zur Modulation verwendeten Reihe sinusförmiger Wellenzüge kann eine später beschriebene Anordnung verwendet werden, in welcher zunächst einzelne Gruppen von jeweils einer Abstrahlungsrichtung entsprechenden Pulsfolgen durch Modulation gekennzeichnet werden, wobei die in diesen Gruppen zusammengefassten einzelnen Abstrahlungsrichtungen entsprechenden Pulsfolgen in einem zweiten Modulationsprozess parallel eine individuelle Kennzeichnung erfahren. Eine Gruppe erhält somit eine der aus oben beschriebener eingeschränkten Auswahl erhältlichen Modulationsfrequenzen, wobei in einem zweiten Modulationsprozess den Pulsfolgen der einzelnen Abstrahlungsrichtungen entsprechende Seitenbänder hinzukommen, deren Frequenzen sich in das allgemein zur Verfügung stehende Raster kontinuierlich erzeugbarer Wellenzüge einfügen.

Indirekt lassen sich die Lichtimpulse 26 nach deren Reflexion an einem Gegenstand mit einem lichtempfindlichen Detektor erfassen. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass jede Folge von in einer bestimmten Position des Zeitrahmens befindlichen Lichtimpulsen 26 nach der Detektion und Filterung von deren Photostrom in einem Tiefpassfilter nicht nur durch eine spezifische Frequenz des Wechselanteils des aus ihnen resultierenden Photostroms, sondern auch durch eine unterschiedliche Abstrahlungsrichtung gekennzeichnet ist.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anordnung zur richtungsabhängigen Modulation von Lichtpulsen. Im Gegensatz zur in Fig. 1 gezeigten Anordnung erfolgt die richtungsabhängige Modulation in zwei Stufen. In einer ersten Stufe wird mittels einer zeilen- statt flächenartigen Anordnung von abstrahlenden Aperturen eines Feldes 23a lediglich der horizontale Winkel der Teilstrahlen beeinflusst. Diese werden in einem elektrooptischen Modulator 14a nach bereits beschriebenem Verfahren richtungsabhängig moduliert und anschliessend nicht auf ein zu beleuchtendes Objekt abgestrahlt, sondern mittels einer Optik 20a in einen aus Spiegeln 50 und 54 bestehenden konfokalen optischen Resonator gekoppelt. Zu diesem Zweck besitzt der Spiegel 50 eine schlitzförmige Öffnung bzw. reflexionsfreie Zone, um ein Bündel 51 paralleler Lichtstrahlen passieren zu lassen. Dieses Bündel 51 wird in dem aus den Spiegeln 50 und 54 bestehenden konfokalen Resonator im Zusammenwirken mit einem vorzugsweise im Brewsterwinkel eingefügten Etalon 52 nach jedem Resonatorumlauf parallel versetzt. Aus einer nur teilweise reflektierenden Zone des Spiegels 54 können gegeneinander verzögerte und vertikal zueinander versetzte Bündel 51 ausgekoppelt werden. Die durch die Auskopplung entstehenden optischen Verluste können durch Anbringung eines quantenoptisch verstärkenden Mediums an geeigneter Stelle des konfokalen Resonators kompensiert werden (H. Plaessmann et. al., Optics Letters, Vol. 18, No. 17, Sept. 1, 1993, p. 1420). Die resultierenden richtungsabhängig modulierten Lichstrahlen werden mittels einer abbildenden Optik 56 durch einen zweiten elektrooptischen Modulator 58 geführt und mittels einer Optik 60 auf das zu beleuchtende Objekt geführt.

Durch Regulierung der abbildenden optischen Systeme 12 und 20 in Fig. 1 bzw. 12a, 20a, 56 und 60 in Fig. 9 ergibt sich nach Fig. 7 eine strahlenförmig von einer Sendeeinheit 34 nach Fig. 1 oder Fig. 9 abgestrahlte Lichtimpulsfolge 40, die dazu verwendet werden kann, ein dreidimensionales Objekt 38 abzutasten. Die Lichtimpulsfolge 40 wird in einem Detektormittel 36 empfangen und der entstehende Photostrom in einem elektrischen Tiefpass gefiltert. Der daraus hervorgehende Photostrom enthält die den verschiedenen Abstrahlungsrichtungen der Sendeeinheit eigenen Frequenzen der Wechselstromanteile der Photoströme der entsprechenden Pulsfolgen. Deren Stärke sowie die Phasenverschiebung zwischen Sendeeinheit 34 und Detektormittel 36 der entsprechenden Wechselströme beinhalten Informationen über das Vorhandensein von Oberflächenpunkten des dreidimensionalen Objektes 38 und dessen räumlicher Position, welche in einer Steuer- und Verarbeitungseinheit 42 ausgewertet werden. Statt aufwendiger Filterbänke empfiehlt sich hierbei die Verwendung von digitaler Signalverarbeitung.

Ein einseitiges Amplitudenspektrum des entweder durch eine grossflächige Photodiode selbst oder ein nachfolgendes Filter in seiner Bandbreite begrenzten Photostroms ist in Fig. 10 dargestellt. Die Gesamtheit aller erfassbaren Photoströme findet sich mit den unterschiedlichen Modulationsfrequenzen der in die verschiedenen Richtungen abgestrahlten Lichtpulsfolgen in Form von im Spektrum periodisch im Abstand des Kehrwerts der Periode der einzelnen Pulsfolgen auftretenden Trägerfrequenzen 70 sowie von ihnen angelagerten ebenfalls periodisch auftretenden Seitenbändern 76 wieder. Die Trägerfrequenzen 70 aller Anteile überlagern sich in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Entfernungen der reflektierten und detektierten Lichtpulsfolgen und sind daher für eine Auswertung uninteressant. Das Phasenspektrum der Seitenbänder 76 hingegen enthält Komponenten, die sich nach Frequenz und Phase auf einzelne Abstrahlungsrichtungen und Entfernungen zurückführen lassen. Exemplarisch ist eine einer Pulsfolge mit niedriger Modulationsfrequenz zuzuordnende Frequenz 74 innerhalb der periodisch auftretenden Seitenbänder 76 hervorgehoben. Während bei der niedrigen Grundfrequenz eine zur Entfernungsbestimmung benötigte Messung der Phasenverschiebung zwischen Sender und Empfänger schwierig und ungenau ist, kann zur Verbesserung der Präzision auf die höherfrequenten Anteile 74 zurückgegriffen werden, wobei die Berücksichtigung niederfrequenter Anteile 74 zwecks Eindeutigkeit der Entfernungsmessung erforderlich ist. Die schwächere Trägerfrequenz 72 samt zugehörigen Seitenbändern 76 symbolisiert die Grenzfrequenz der Photodiode oder eines nachgeschalteten Tiefpassfilters zur Gewährleistung der Einhaltung der von digitalen Signalverarbeitungseinrichtungen gegebenen Bandbreite.

Fig. 11 zeigt den niederfrequenten Teil eines durch die Anordnung nach Fig. 9 erzeugten einseitigen Amplitudenspektrums des Photostroms. Entsprechend beträgt die Frequenz des einzigen dargestellten Trägers 70 null. Im ersten elektrooptischen Modulator 14a nach Fig. 9 werden Gruppen von Lichtpulsen moduliert, die durch Unterträger 78 gekennzeichnet sind. In einem zweiten Modulationsprozess im elektrooptischen Modulator 58 werden alle Gruppen parallel moduliert, wobei jeder Unterträger 78 Seitenbänder 80 erhält, in welchen die einzelnen Pulsfolgen der durch die Unterträger 78 gekennzeichneten Gruppen durch entsprechende Frequenzen gekennzeichnet sind.

Alle durch Modulationsprozesse erzeugten Frequenzen der Amplitudenspektren nach Fig. 10 und Fig. 11 erfüllen die oben erwähnten Bedingungen zur Erzeugung von kontinuierlichen Wellenzügen ohne periodisch auftretende Phasensprünge.

Ein Nachteil der in Fig. 7 dargestellten Anordnung ist ein bei diffus reflektierenden transparenten Objekten entstehender Messfehler. Statt nur ein einziges Detektormittel zu verwenden, besteht die Möglichkeit, das Detektormittel 36 in Form eines zweidimensionalen Detektorenarrays auszuführen. Hierdurch werden diffuse Reflexionen eines teilweise transparenten Mediums auf mehrere der in gleicher Weise wie die Aperturen des Feldes 23 in Fig. 2 hinter einer abbildenden Optik angeordneten Detektormittel verteilt. Dem höheren Aufwand der Verarbeitung der elektrischen Signale aller Detektoren dieses Arrays steht die Möglichkeit gegenüber, z. B. Russpartikel in einer Gasströmung zu erfassen. Ein vollkommen transparentes nicht streuendes Medium zwischen der Anordnung und dem zu erfassenden Objekt kann zudem bei Verwendung eines zweidimensionalen Detektoren- Arrays auch ohne Phasenmesssung erfasst werden, indem nach Zuordnung des Ausbreitungswegs der Pulsfolgen einzelner Abstrahlungsrichtungen durch Erfassung der Modulationsfrequenz in einem entsprechenden Detektor des zweidimensionalen Arrays die Entfernung der reflektierenden Punkte trigonometrisch bestimmt wird.

Weiterhin sind neben den in den Fig. 3-6 dargestellten Folgen von sinusförmigen Hüllkurven 24-32 auch Folgen von Hüllkurven anwendbar, welche für jede resultierende Folge von an einem definierten Punkt im Zeitrahmen periodisch auftretenden modulierten Lichtimpulsen 26 eine Pulsfolge erzeugt, deren resultierender Photostrom in einem Detektor eine Funktion der Zeit darstellt, welche zu den Funktionen der Photoströme aller anderen Ausbreitungsrichtungen entsprechenden Pulsfolgen orthogonal ist, womit durch entsprechende Signalverarbeitung Daten über ein abgetastetes dreidimensionales Objekt gewonnen werden können. So können beispielsweise Folgen von Lichtpulsen 26 in ihrer Intensität den Verlauf von Legendre-Polynomen darstellen. In Vereinfachung des in Fig. 1 dargestellten Blockschemas der Sendeeinheit kann eine Sendeeinheit auch lediglich aus den Elementen 2, 4, 6, 8 und 12 oder ersatzweise benutzbaren Mitteln bestehen, so dass die im Patentanspruch 1 angegebene Wirkungsweise vorliegt. Das Wellenleiternetzwerk 6 oder dessen ersatzweise einsetzbares Mittel erzeugt in diesem Fall ohne mechanisch bewirkte Richtungsänderungen einen gegenseitigen zeitlichen Abstand der durch Teilung aus einem einzigen Impuls des Senders 2 hervorgehenden Lichtpulse, welcher mögliche Unterschiede der Laufzeit von Lichtpulsen bei der Abtastung eines dreidimensionalen Objektes 38 nach Fig. 7 überschreitet. Die Detektion mit einem einzigen Photodetektor im Detektormittel 36 ergibt dann eine Folge von in ihrer ursprünglichen Position verschobenen Lichtpulsen, aus denen durch schnelle zeitliche Abtastung Daten über das dreidimensionale Objekt 38 gewonnen werden können. Verwendet man hierbei ein Wellenleiternetzwerk oder ersatzweise anwendbares Mittel, kann dies nicht nur zur Erzeugung und Abstrahlung von Teilwellen genutzt werden, sondern auch dazu dienen, reflektierte Teilwellen durch die Aperturen 22 wieder aufzufangen und wieder auf einen einzigen Lichtwellenleiter oder ein einziges Tor eines ersatzweise nutzbaren Mittels zu vereinen. Jeder in den Eingang eines Wellenleiternetzwerkes 6 oder ersatzweise nutzbaren Mittels eingespeiste Lichtimpuls wird dann in Teilwellen vom Objekt reflektiert eine Pulsfolge in der zur Einspeisung verwendeten Faser 4 erzeugen, welche die Information über die Existenz von Punkten der Oberfläche des Objektes sowie dessen Entfernung enthält. Insbesondere erscheinen mehrmodige, stark führende optische Wellenleiter geeignet, da sie einerseits aufgrund ihrer hohen numerischen Apertur die verlustarme Einkopplung des reflektierten Lichts erlauben, andererseits aber die Konstruktion von Wellenleiternetzen erlauben, welche die in den einzelnen Aperturen 22 bzw. den Faserenden gesammelte Lichtleistung verlustarm wieder auf eine Faser 4 zusammenführen. Trotz der grösseren Dispersion von mehrmodigen Fasern lassen sich hiermit Sensoren konzipieren, deren aktiver Teil in einiger Entfernung vom Messort sein kann, wobei eine verlängerte Faser 4 in beiden Übertragungsrichtungen genutzt wird.

Bei Anwendung des Verfahrens mittels der vollständigen Sendeeinheit nach Fig. 1 werden alle durch das Wellenleiternetzwerk 6 erzeugten Lichtpulse dicht aneinander gedrängt emittiert. Die in diesem Fall sehr hohe Dichte an Lichtpulsen 26 bedingt eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass insbesondere bei der Detektion durch einen einzigen Photodetektor verschiedene vom dreidimensionalen Objekt 38 reflektierte Lichtimpulse gleichzeitig beim Detektormittel 36 eintreffen. Ist die optische Bandbreite dieser Lichtimpulse durch das bei der Fourier-Transformation ihres zeitlichen Verlaufes erzielbare optische Spektrum festgelegt, können Interferenzerscheinungen eine verfälschende Rolle spielen, da nun im Detektor nicht mehr einfach die optischen Leistungen der einzelnen Pulse addierbar sind. Da infolge einer ohnehin erforderlichen Tiefpassfilterung auch grossflächige Photodetektoren mit niedriger Grenzfrequenz verwendet werden können, wird die lichtempfindliche Fläche des Detektors nicht nur eine räumliche Abtastung des sich ergebenden Interferenzmusters bewirken, sondern ein Flächenintegral der optischen Leistung von vielen Perioden des Interferenzmusters in Form des Photostroms liefern. Dessen Wert nähert sich dadurch demjenigen bei der Überlagerung von inkohärentem Licht. Allerdings lässt sich die kohärente Überlagerung von aus verschiedenen Richtungen reflektiertem Licht auch dadurch weitgehend vermeiden, dass das beleuchtete Objekt mittels einer Optik scharf auf die grossflächige Photodiode abgebildet wird.

Die beschriebenen Beispiele beschränken sich in ihrer Anwendung nicht nur auf Licht, sondern auch jedwede andere Form von Wellen ist nutzbar, insbesondere sei die Verwendung von Ultraschall, infrarotem Licht, Millimeter, Mikro- und Radiowellen erwähnt. Mittel zur Teilung einzelner Pulse des Senders sowie zur Erzeugung der gegenseitigen zeitlichen Verzögerung der entstehenden Pulse und deren Abstrahlung in gegenseitiger lateraler Versetzung aus einer Ebene sind nicht notwendigerweise Wellenleiternetzwerke, sondern auch beliebige andere Methoden, zeitliche und laterale Versetzung von Teilen von Wellenzügen aus einem in ein solches Mittel eingespeisten Wellenzug zu erzeugen. Wellenzüge brauchen auch nicht notwendigerweise in Form von Impulsen aufzutreten, sondern können auch kontinuierlich verlaufen, wobei die Modulation mit einem Signal, welches entsprechende Autokorrelationseigenschaften aufweist, durch Korellation zeitliche Auflösung gewährleistet. Statt eines Mittels zur Erzeugung einer Anzahl gegeneinander seitlich versetzter in einer geordneten zeitlichen Reihenfolge abgestrahlter Wellen durch Aufteilung einer einzigen Welle sind auch mehrere in einer Ebene angeordnete und koordiniert modulierte getrennte Sendevorrichtungen verwendbar.

Claims (15)

1. Verfahren zur messtechnischen Erfassung dreidimensionaler Objekte, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich in einer Richtung ausbreitender Wellenpuls oder Abschnitt einer Welle ohne mechanisch bewirkte Richtungsänderungen in mehrere Teilwellenpulse oder Abschnitte von Wellen zerlegt wird, die gegeneinander verzögert und zueinander divergent in Richtung eines zu erfassenden Objekts abgestrahlt werden.

2. Verfahren zur messtechnischen Erfassung dreidimensionaler Objekte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere von unterschiedlichen Stellen eines zu erfassenden Objekts reflektierte Wellenpulse oder Abschnitte von Wellen aus unterschiedlichen Raumwinkeln in eine an einem Ort befindliche Vorrichtung strahlen, in welcher diese in eine gemeinsame Ausbreitungsrichtung übergeführt werden oder auf ein oder mehrere Detektormittel treffen.

3. Verfahren zur messtechnischen Erfassung dreidimensionaler Objekte, bei dem in unterschiedliche Richtungen abgestrahlte Wellenpulse oder Abschnitte von in unterschiedliche Richtungen abgestrahlten Wellen durch sequentielle Modulation in derselben Vorrichtung zeitbezogen markiert und untereinander eindeutig unterscheidbar gemacht werden, nach ihrer Reflexion am Objekt durch einen oder mehrere gegeneinander abgegrenzte Raumwinkelbereiche erfassende Detektormittel erfasst werden und aufgrund ihrer Modulation ihre Abstrahlungsrichtungen sowie ihre Laufzeiten identifiziert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in unterschiedliche Richtungen abgestrahlte Wellenpulse oder Abschnitte von Wellen aus einem einzigen Wellenpuls oder einem einzigen Abschnitt einer Welle erzeugt werden, indem diese in Teilwellen aufgeteilt, dieselben verschieden verzögert und mit geeigneten Mitteln in jeweils unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Abstrahlung in unterschiedliche Richtungen durch ein beliebiges, in Teilwellen aufspaltendes, seitlich zur Ausbreitungsrichtung versetzendes und verzögerndes Mittel sowie ein abbildendes System erreicht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in unterschiedliche Richtungen abgestrahlten Wellenpulse oder Abschnitte von Wellen aus gegeneinander zeitlich versetzten Folgen von modulierten Wellenpulsen gebildet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in unterschiedliche Richtungen abgestrahlten Wellenpulse oder Abschnitte von Wellen aus gegeneinander zeitlich versetzten mit periodischen Signalen modulierten Wellenpulsen oder Abschnitten von Wellen gebildet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in unterschiedliche Richtungen abgestrahlten Wellenpulse oder Abschnitten von Wellen aus gegeneinander zeitlich versetzten mit beliebigen abgespeicherten Signalen modulierten Wellenpulsen oder Abschnitten von Wellen gebildet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle in unterschiedliche Richtungen abgestrahlten Wellenpulse oder Abschnitte von Wellen gemeinsam in ihrer Intensität durch eine zyklisch wiederkehrende Folge von sinusförmigen Schwingungen moduliert werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zyklisch wiederkehrende Folge von sinusförmigen Schwingungen Folgen von Wellenpulsen oder Abschnitten von Wellen moduliert werden, deren Modulationsfrequenzen dem ganzzahligen Vielfachen des Kehrwerts der Periode der zyklisch wiederkehrenden Folge von sinusförmigen Schwingungen entspricht.

11. Vorrichtung zur messtechnischen Erfassung dreidimensionaler Objekte mit

• 1. einer Sendeeinheit (34), die wenigstens einen Sender (2), ein Wellenleiternetzwerk (6) mit in einer gemeinsamen Ebene (10-10) endenden Wellenleitern (8) mit Aperturen (22), abbildende optische Systeme (12, 20) sowie einen elektrooptischen Modulator (14) zur sequentiellen Modulation umfasst und welche Wellen oder abwechselnd erzeugte Wellenpulse aus den einzelnen Aperturen in unterschiedliche Richtungen abstrahlt, wobei Abschnitte der Wellen oder die Wellenpulse durch die sequentielle Modulation zeitbezogen markiert und untereinander eindeutig unterscheidbar gemacht sind,
• 2. Detektormitteln (36) zur Erfassung der am Objekt reflektierten Wellen oder Wellenpulse in einem oder mehreren gegeneinander abgegrenzten Raumwinkelbereichen, und
• 3. Mitteln zur Identifizierung von Abstrahlungsrichtungen und Laufzeiten der Wellen oder Wellenpulse aufgrund ihrer Modulation.

12. Vorrichtung zur messtechnischen Erfassung dreidimensionaler Objekte mit

• 1. einer Sendeeinheit (34), die wenigstens einen Sender (2a), ein Wellenleiternetzwerk (6a) mit in einer gemeinsamen Ebene (10a-10a) endenden Wellenleitern (8a) mit Aperturen (22d), abbildende optische Systeme (12a, 20a, 56, 60), elektrooptische Modulatoren (14a, 58) sowie einen aus Spiegeln (50, 54) bestehenden konfokalen Resonator mit einem Etalon (52) zur sequentiellen Modulation umfasst und welche Wellen oder abwechselnd erzeugte Wellenpulse aus dem Spiegel (54) in unterschiedliche Richtungen abstrahlt, wobei Abschnitte der Wellen oder die Wellenpulse durch die sequentielle Modulation zeitbezogen markiert und untereinander eindeutig unterscheidbar gemacht sind,
• 2. Detektormitteln (36) zur Erfassung der am Objekt reflektierten Wellen oder Wellenpulse in einem oder mehreren gegeneinander abgegrenzten Raumwinkelbereichen, und
• 3. Mitteln zur Identifizierung von Abstrahlungsrichtungen und Laufzeiten der Wellen oder Wellenpulse aufgrund ihrer Modulation.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2, 2a) beliebige elektromagnetische oder akustische Wellenpulse oder Abschnitte von Wellen oder Teilchenströme emittiert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenleiternetzwerk (6, 6a) durch ein aus Spiegeln (50, 54) und dem Etalon (52) bestehendes Mittel ersetzt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese die das aus den Spiegeln (50, 54) und dem Etalon (52) bestehende, Gruppen von Wellen verzögernde, aufteilende und seitlich versetzende Mittel, das abbildende optische System (60) sowie den elektrooptischen Modulator (58) umfassende Funktionseinheit in beliebiger Anzahl aufweist.