WO2017148583A1 - Mechanisch robustes optisches messsystem mittels lichtlaufzeit- und/oder reflektivitätsmessung - Google Patents
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- G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
Definitions
- the invention relates to an optical measuring system and a measuring method for measuring measuring objects and / or arrangements of measuring objects, in particular of three-dimensional measuring objects and / or arrangements of measuring objects, e.g. by means of light transit time measurement (time-of-flight measurement), intensity measurement, reflectivity measurement, etc.
- the invention relates to a laser scanner or a laser ranger scanner.
- Laser scanners are known in the field of optical metrology. They are often used to perform a fast, two-axis beam deflection of a transmitting unit and a receiving unit. Typically, the beam is diverted in a line or spiral to simplify signal processing. Therefore, a fast and a slow scan axis are needed, which are usually perpendicular to each other.
- mechanical scanning mirrors can be used, which have a fast and a slow scan axis due to their small mass and a gimbal suspension.
- the receiving unit needs the largest possible area to receive enough stray light from a measuring object, a fast biaxial beam deflection for inertial reasons is problematic.
- a laser scanner which uses an array of synchronously vibrating micromechanical oscillating mirrors in order to achieve an enlarged receiving aperture is described, for example, in DE 10 2007 045 334 A1.
- the approach of such a micromechanical oscillating mirror array solves the problem of an enlarged receiving aperture only imperfectly, since the filling factor of the array is very low due to the control and the suspension of the oscillating mirror. This causes a relatively large space with the same receiving aperture.
- Another problem is the beam folding, which requires an additional increase in the installation space. Especially at scan angle ranges below approx. Apart from the installation space, 60x60 degrees is another disadvantage:
- the wafer area required for micromechanical oscillating mirror arrays is relatively large. However, the wafer surface represents an important measure of the system cost.
- An object of the present invention is to provide an improved optical system and a method for measuring measurement objects, in particular of three-dimensional measurement objects, by means of time-of-flight measurement
- an optical system is provided for measuring measurement objects and / or arrangements of measurement objects, in particular of three-dimensional measurement objects, arrangements of measurement objects, 3D scenarios, etc.
- the optical system can in particular for determining the distance to one or more objects
- the measurement can be carried out, for example, by means of time-of-flight measurement and / or reflectivity measurement.
- the measurement objects preferably have the same reflectivity.
- the optical measuring system comprises:
- At least one light source for emitting a transmission beam
- a (transmitter-side) scanning or angled deflection device for scanning or for optically scanning a measurement object with the transmission beam along two scan axes, a receiving device for detecting or detecting at least a part of the transmission beam reflected and / or scattered by the measurement object and for generating at least one reception signal, wherein the receiving device comprises at least one detector or a detector array;
- a (receiving side) tracking device for tracking the reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the receiving device and transmit beam beam light;
- a signal processing device for processing the at least one received signal to obtain information about the distance to individual measuring points of the measuring object.
- the light source may include, for example, a laser, an LED or other suitable light sources.
- the Scan or Winkelablenkvorraum may include, for example, mirrors, prisms or other suitable means to deflect the emitted from the light source of the transmission beam and optically scan the measurement object along two scan axes.
- the optical system may also include a plurality of light sources (eg, multiple lasers, LEDs, etc.) each emitting a transmit beam.
- the individual light sources could scan the measurement object at different angles of incidence or in different directions.
- the optical system may comprise two or more light sources which scan the measurement object at different angles of incidence along one scanning axis (eg along the horizontal direction). The same applies to the second scan axis (eg for the vertical direction).
- the multiple light sources can be operated in parallel or in a time-shifted or multiplexed manner.
- the two scan axes may be orthogonal to each other. However, other arrangements are also possible. Further, one of the two axes may be a fast axis and the other a slow axis.
- the tracking device is designed to track the first of the two scan axes optically and the second scan axis electronically or virtually.
- the tracking device comprises a transmissive optical beam deflecting arrangement which is designed to deflect the transmitted beam light reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the receiving device (hereinafter also referred to as receive light or receive beam) synchronously with the (transmitter side) scan process in the one (first) scan axis (eg to deflect in synchronism with the deflection of the transmit beam along the one (first) scan axis).
- the tracking device comprises at least one imaging optical element which is designed to image or focus the light propagated by the beam deflection arrangement onto the at least one detector or the at least one detector array.
- the tracking device is further designed to synchronize different sections of the detector or the detector array to the (transmitter side) scanning in the second scan axis shadow or to activate, wherein the respective switched or activated portion is in signal communication with the signal processing device.
- the different partial regions of the detector or of the detector array can be connected or activated, for example serially one after another and synchronously with the deflection of a transmitted beam emitted by a light source and deflected by the scanning or angular deflection device. As a result, an electronic tracking for the other (second) scan axis can be realized.
- the detector may be a linear detector, i. a detector that is (substantially) longer than it is wide.
- the detector array may be a linear detector array, i. a cellular arrangement of individual detectors or detector elements. The individual detectors or detector elements of the array can each be (substantially) longer than they are wide.
- the linear detector or the linear detector array may be arranged substantially perpendicular to the optical axis of the tracking device or perpendicular to the optical axis of the receiving branch of the optical measuring system and / or substantially parallel to one of the scanning axes.
- the optical system may comprise two (or more) light sources which scan or optically scan the measurement object along one of the scan axes (eg along the horizontal scan axis) at different angles of incidence.
- the receiving device may comprise two detectors or two detector arrays, which are designed to detect the light reflected and / or scattered by the measurement object of the respective light source.
- the two (eg vertically arranged) detectors or detector arrays can be read out in parallel or with a time offset or multipliexed.
- the optical system may comprise two (or more) light sources which scan the measurement object along one of the scan axes (eg the vertical scan axis) at different angles of incidence.
- the receiving device may comprise, for example, a linear detector or a linear detector array, which is arranged vertically.
- the detector or the detector array can be designed and arranged such that the spots of the respective light source on the detector or detector array are spatially offset from one another, for example by a plurality of detector elements.
- the corresponding subregions of the detector or of the detector array can be read out in parallel, for example, by means of an NxX multiple xor. It is likewise possible to read out the sections of the detector or of the detector array which correspond to the different light sources with a time offset or multiplexed.
- optical measuring system optical measuring system
- two different tracking techniques a virtual tracking and an optical tracking are advantageously combined with each other, wherein the optical tracking is effected by means of transmissive optical elements.
- the electronic tracking is used for the fast scan axis and the optical tracking for the slow scan axis.
- the term “virtual” or “electronic” tracking is understood to mean the change of the reception angular range (viewing direction) of the detector-receiving optical system in synchronism with the scanning process in at least one scan axis by switching or activating partial regions of the detector or of the detector array. As a result, the change in the reception spot position is accommodated depending on the reception angle range.
- the term “virtual” or “electronic” tracking means the change in the directional dependence of the receiving characteristic of the detector-receiving optical combination by means of electronic circuit or activation of portions of the detector synchronously to the scanning process in at least one scan axis understood (eg synchronously with the beam deflection the transmission beam in at least one scan axis).
- a subarea of a detector or a detector array with the signal processing of the optical Measuring device is connected.
- the subregion of the detector or of the detector array can consist of one or more detector elements.
- the portion of the detector or the detector array connected to the signal processing is switched synchronously to the scanning process. If, for example, a detector array is illuminated with a scan pattern, the currently illuminated detector element is connected to the subsequent signal processing at any time.
- the principle of virtual tracking is described, for example, in the publications "Laser Rangefinder based on MEMS mirrors for adaptive robotics", S.
- optical or “angle-enhanced” tracking is understood to mean the change in the reception angle range or the viewing direction of the detector-receiving optical system in synchronism with the scanning process in at least one scan axis by optical means. This can be achieved by deflecting or changing the propagation direction of the part of the transmission beam light reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the receiving device about at least one axis, the deflection or the change of the propagation direction being synchronous with the scanning process along at least one scan axis takes place (eg synchronously with the deflection of a transmission beam along at least one scan axis).
- the change in the reception angular range is effected by means of a receiving-side optical beam deflection arrangement based on the principle of beam transmission.
- the transmitted beam light reflected and / or scattered by a measurement object in the direction of the reception device or the receiver passes through the transmissive beam deflection arrangement, is deflected by the latter and then focused onto the linear detector or the linear detector array.
- the angular range in which the receiving beam is deflected can be, for example, ⁇ 80 °, ⁇ 70 °, ⁇ 60 °, ⁇ 45 ° or another angular range.
- a major advantage of the proposed system concept is that the strengths of the two tracking techniques used can be optimally utilized while at the same time minimizing or avoiding the greatest principle-related weaknesses.
- the respective strengths lie in particular in the decoupling between receiving aperture and scanning frequency (virtual or electronic tracking) and between receiving aperture and field of view (optical or angle-enhanced tracking).
- the field of view of the electronically tracked scan axis can be made smaller than that of the optically or angularly enhanced tracking scan axis.
- the scanning frequency of the electronically tracked axis can be chosen to be significantly higher than that of the optical or angle-enhanced (eg mechanically-translationally) tracked axis.
- transmissive optical elements transmission optics or transmission elements
- the installation space of the optical measuring device can be significantly reduced.
- a space saving is achieved in particular by the fact that a filling factor of the receiving optics can be achieved up to 100% and the receiving side only transmission elements are used, which can be arranged directly behind each other to save space.
- Another advantage is the small wafer area required for a given receive aperture at certain scan angle ranges. The required wafer area is e.g. considerably smaller than in the approach proposed in DE 10 2007 045 334 A1 with an array of synchronously oscillating micromechanical oscillating mirrors.
- Another advantage is the long service life, since bearings or other components subject to wear can be largely avoided.
- the deflection of the transmitted beam light (receiving beam) reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the receiving device or of the receiver can be achieved, for example, by a mechanical-translatory movement of at least two transmissive optical elements relative to each other.
- This type of tracking is also referred to below as mechanical-translational tracking.
- the mechanical movement may, for example, be a translational movement of two microlens arrays or lenticular lens arrays relative to one another.
- the microlens or lenticular lens arrays can be arranged essentially parallel to one another and perpendicular to the optical axis of the receiving branch and in particular of the receiving device.
- the size of the micro or lenticular lens array is preferably in the range of 5x5 mm 2 to 50x50 mm 2 .
- the individual lenses of the micro or lenticular lens array may be elongated lenses, such as cylindrical or other aspherical lenses.
- the longitudinal axis of the individual lenses of the micro- or lenticular lens array may be substantially parallel to the linear detector or detector array and substantially perpendicular to the translational motion of the micro- or lenticular lens array.
- the period of the micro- or lenticular lens array can be, for example, from 50 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably approximately 200 ⁇ m.
- the maximum translational movement of the micro or lenticular lens array is approximately half the diameter of the individual lenses of the micro or lenticular lens array.
- the speed of the translational motion may be in the range of sub-kilohertz, e.g. in the range of 1 Hz to 50 Hz.
- the maximum deflection angle may be in the range of several tens of degrees. For example, the maximum deflection angle can be ⁇ 25 °, preferably ⁇ 26.5 °.
- An advantage of the mechanical-translational tracking by means of microlenses or lenticular lenses is that with relatively small translational movements, a relatively large scan area can be covered. As a result, the optical tracking can be implemented very space-saving. Furthermore, it is possible to make the mechanical drive due to the relatively small movement necessary simple and inexpensive.
- a deflection of the transmitted beam light (receiving beam) reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the receiving device or the receiver can likewise be achieved by an opposite rotation of two transmission gratings or by at least one temporally variable or programmable transmission grating. It is possible, for example, to control transmissive spatial light modulators, such as LCD, for example Modulators, in which gratings with variable direction and period are inscribed.
- An advantage of using electronically controllable transmission grids or other electronically controllable light modulators is that the tracking device does not require any mechanically moving components. Thereby, the scanning speed of the tracking device can be increased and its structure can be simplified. Furthermore, the construction volume of the optical measuring device can be reduced and its robustness can be increased.
- the imaging optical element may be a converging lens, in particular a Fresnel lens.
- the advantages of a Fresnel lens are, in particular, its low weight, its simple and cost-effective production (even of complex aspherical lenses) and its very low installation space requirements. Furthermore, Fresnel lenses can be very well integrated into convenient brackets due to their planarity.
- the transmitter-side scan or angle deflection device may comprise a vibrating and / or rotating scanning mirror.
- the scan jig can e.g. a micromirror or other micromechanical scanning element.
- the micromirror may e.g.
- the scanning mirror may e.g. electrostatically, electromagnetically or piezo-electrically driven.
- the fast scan axis may e.g. vibrate resonantly, the slow scan axis can e.g. be statically controllable.
- the scan or angle deflection device may also comprise a plurality of scanning mirrors, e.g. a one- or two-dimensional mirror array.
- the scanning or angled deflection device may further comprise a position device for measuring the position of the scanning mirror, which may be in signal communication with the tracking device and / or the signal processing device.
- the transmission-side scan or angle deflection device and the reception-side tracking device can be components of a scan unit or of a scan module.
- a scanning mirror of the scanning or angled deflection device may be disposed in a recess in at least one optical transmission element (such as in the double-sided and / or single-sided micro or lenticular lens array).
- the construction volume of the optical measuring system can be reduced.
- the transmitter-side scanning or angular deflection device and the receiving-side tracking device and / or receiving device can be arranged such that their optical axes are coaxial.
- the transmitter and the receiver can be arranged coaxially. Due to the coaxial arrangement of the transmitter-side scan or Winkelablenkvoriques and / or the receiving side tracking device and / or receiving device (ie the transmitter and the receiver) can occur due to the triangulation unwanted distance-dependent displacement of the receiving beam spot on the detector (or a parallax error) can be avoided or minimized , This distance-dependent spot shift is accompanied by an unintentional distance-dependent shift of the optimal switchover times, which is particularly noticeable at small measurement distances.
- a coaxial arrangement of the scanning or angled deflecting device and the tracking device may e.g. be realized by the above-described arrangement of the scanning mirror in a recess in one or more transmissive optical elements of the transmissive beam deflection arrangement.
- a further aspect of the invention relates to a method for measuring measuring objects and / or arrangements of measuring objects, in particular of three-dimensional measuring objects and / or arrangements of measuring objects, e.g. by means of time-of-flight measurement and / or by means of reflectivity measurement
- the method can be carried out, for example, with the optical measuring system described above.
- Detecting or detecting at least a part of the transmitted beam light (or at least part of the receiving beam) reflected and / or scattered by the measured object by means of at least one (eg linear) detector or at least one (eg linear) detector array of the receiving device and generating at least one received signal; and
- the optical tracking of the first scan axis comprises:
- Reception beam to the detector or the detector array.
- the electronic tracking of the second scan axis comprises switching or activating different subregions of the detector or of the detector array (for example serially one after the other) synchronously with the scanning process in the second scan axis, wherein the respectively activated subarea is in signal connection with the signal processing device.
- the different portions of the detector or detector array may be serially serially, e.g. be switched or activated synchronously to the beam deflection of the transmission beam along the second scan axis.
- the deflection of the transmitted beam light or the receiving beam reflected and / or scattered by the measurement object in the direction of the receiving device can take place, for example, by means of a translatory movement of a double-sided micro- or lenticular lens array and a single-sided micro- or lenticular lens array relative to each other. It is also possible to realize the deflection by means of an opposite rotation of two transmission gratings or by means of an electronically switchable (electronic) transmission grating.
- the imaging of the light or the reception beam propagated by the beam deflection arrangement onto the detector or the detector array can take place by means of a Fresnel lens.
- the scanning of the measurement object with the transmission beam can be done by means of an oscillating and / or rotating scanning mirror, for example an electrostatically or electromagnetically operated micromirror.
- the measuring system according to the invention and the measuring method according to the invention can be used in automation technology, robotics, driverless transport systems, automobile production, logistics, etc.
- Uniaxial-scanning laser scanners are currently used in most of these areas because the problem of providing efficient, robust and fast two-axis laser scanners has not been satisfactorily solved.
- Another field of application of the optical measuring system is autonomous driving, for example, for the localization of vehicles side by side and at different distances and / or for distinguishing road users and their distance.
- the measuring system according to the invention and the measuring method according to the invention can be used to determine a 3D point cloud of an object, e.g. of an object to be transported in driverless transport systems.
- a metrologically determined 3D point cloud of the object to be transported helps to implement the charge carrier recording more reliably and faster, which saves costs and time.
- FIG. 1 shows an exemplary scanning pattern
- Fig. 2A the principle of virtual tracking
- FIG. 2B shows the principle of optical or angle-enhanced tracking
- 2C shows a partial region of the beam path of the receiving beam through two
- FIG. 3 and 4 show the schematic structure of an exemplary optical measuring system, wherein the receiving beam for a substantially vertical angle of incidence (Figure 3) and for an oblique angle of incidence (Figure 4) of the slow scan axis is shown.
- Fig. 5 is a perspective view of the measuring system shown in Figs. 3 and 4;
- Fig. 6 is an exemplary microlens array disposed in front of a detector array; 7 shows an exemplary embodiment of a microlens array with a recess for the transmitter-side scanning mirror; and
- FIG. 8 shows the schematic structure of a further exemplary optical measuring system; 9 shows the light diffraction on a transmission grating;
- FIG. 10 shows an exemplary beam deflection arrangement comprising two counter-rotating transmission gratings.
- optical measuring system and the optical measuring method in the following examples are based on the time of flight measurement. However, the measuring system and measuring methods can be based on the reflectivity measurement.
- pulse transit time measurement method and phase transit time measurement method can be used.
- frequency modulation based methods such as e.g. FMCW Radar (English: Frequency Modulated Continuous Wave).
- the principle of the pulse transit time measurement is based on the direct time measurement. Therefore, this method is often referred to as direct time-of-flight measurement (English: “direct time-of-flight” or “ToF”).
- direct time-of-flight measurement English: "direct time-of-flight” or "ToF”
- For a single-point measurement in the simplest case, only a single pulse is transmitted by the transmitter. This pulse is scattered back and / or reflected by a measured object at a distance d and registered by the receiver in a weakened form. The measured time difference between the transmitted and received pulses corresponds to the round trip time r. The sought measuring distance can finally be calculated according to equation (1).
- an indirect measurement of the light transit time is carried out during the phase delay measurement via a phase measurement.
- this method is often referred to as an indirect "time-of-flight" method in which a, usually sinusoidal, amplitude modulation of the transmitted optical power with the modulation frequency / m zj m.
- the phase ⁇ between transmitted and received signal corresponds the orbital period ⁇ via the following relationship
- the measuring devices and measuring methods in the following examples are scanning methods and are based on a beam deflection of the transmitted and received beam and thus on a sequential measurement of the field of view.
- the pixels or the measured points of the measurement object are measured serially one after the other.
- An exemplary cell scan pattern is shown in FIG.
- the measurement object is scanned or optically scanned along a fast axis y and a slow axis x.
- the horizontal scan motion may be a sinusoidal motion, while the vertical scan motion may be a linear motion.
- the scan pattern is processed once per frame. At the end of the frame, a return to the starting position or the frame runs counter to the pattern "backwards".
- the reception concept of the optical measuring system and the measuring method is based on a combination of two different tracking techniques: a virtual or electronic tracking and an optical or angle-enhanced tracking.
- Fig. 2A schematically illustrates the principle of the virtual or electronic tracking, which takes place without a beam deflection of the receiving beam.
- the term "receiving beam” is understood to mean the part of the light (receiving light) which is reflected and / or scattered by the measuring object in the direction of the receiving device or of the receiver and is detected by the receiving device or the receiver. the receiving device or the receiver in the direction from which the receiving beam comes.
- the term “receive beam” can thus in some cases with the Viewing direction of the receiving device or the receiver are equated.
- the entire scan angle range of a scan axis (e.g., the fast axis y) is imaged by an imaging optical element (e.g., a converging lens) onto an elongate or linear detector or onto a linear or one-dimensional detector array 9, respectively.
- an imaging optical element e.g., a converging lens
- the receiving beam 51 focused on the detector or on the detector array 9 moves over the detector or the detector array 9 due to the scanning process, in each case the most-illuminated detector element is connected by a multiplexer 10 to the subsequent signal processing 11.
- the individual detectors of the detector array 9 By switching between the individual detectors of the detector array 9, the total amount of light of the receiving beam 51 which impinges on the converging lens 7 can be received.
- the two largest receiving angles of the receiving beam 51 that can be received are shown in dashed and solid lines, respectively.
- the focus of the receiving beam moves with a e.g. sinusoidal velocity profile across the detector array 9 away.
- the maximum illuminated detector is connected to the signal processing at any time. This can be done by a multiplexer 10. If the detector does not consist of a detector array, the multiplexer 10 is omitted and it is not necessary to switch over. In this case, however, the stray light of the entire angular range falls on the detector and increases the noise.
- a decoupling between scanning frequency and receiving aperture is achieved in the electronic or virtual tracking.
- the synchronization effort can be shifted from the mechanical to the electrical domain.
- the synchronization accuracy can be further improved, for example, by a sensor-detected position signal of the micromirror.
- the achievable receive aperture is determined by the size of the detector array.
- increasing the number of detector elements can lead to complication of circuit design and cost increase.
- a disadvantage of the electronic tracking can be the reduced measurement accuracy in the switching ranges.
- One reason for this reduction of the measurement accuracy may be a falsification of the phase measurement during switching between two detectors or detector elements.
- a possible solution to this problem is to replace the measured values obtained during the switching process with an in-phase delayed copy of the last measured values before a quadrature demodulation.
- Another solution is to adapt the circuit design.
- part of the light in the switching area may be lost by distributing the spot illuminated by the receiving beam to two or more detector elements, which may result in a reduction of the signal-to-noise ratio.
- the reduction of the signal-to-noise ratio in the switching region can be reduced.
- the reduction of the signal-to-noise ratio can be reduced from 2 to 2.
- a desynchronization between the oscillation of the scanning mirror and the detector switching can be avoided by tracking the switching times with corresponding position sensors of the scanning mirror.
- FIG. 2B shows schematically the principle of the optical or angle-enhanced tracking and in particular the mechanical-translational tracking.
- the mechanical-translational beam tracking is realized by means of a transmissive beam deflection arrangement comprising three microlens arrays.
- Fig. 2B shows the case of the maximum deflection angle ß ma x ⁇
- the first lens array LA1 focuses the incident beam (receive beam 51) in the field plane at a distance f ml , in which the field lens array LA2 same focal length f ml be.
- FIG. 2C shows a possible implementation of the principle of mechanical translational tracking shown in FIG. 2B with a microlens array 4 structured on both sides and a microlens array 5 structured on one side.
- FIG. 2C shows a partial region of the beam path of the receiving beam 51 through the two microlens arrays 4 and 5 at maximum deflection angle of the slow scan axis.
- the received beam 51 reflected and / or scattered by a measuring object 3 is divided by the double-sided microlens array 4 into individual sub-beams, which are focused into an intermediate plane and then collimated again onto a second, unilaterally structured microlens array 5 and then onto a detector or on a detector array (not shown) focused.
- a lateral beam deflection can be achieved, ie a beam deflection in a plane perpendicular to the optical axis z of the receiving device.
- the shift takes place synchronously with the beam deflection along one of the scan axes (eg the slow scan axis).
- a mechanical-translational tracking can also be realized with other transmissive optical elements.
- the deflection angle ß durc h an opposite rotational movement of two transmission gratings can be changed relative to each other. It is also possible to change the deflection angle ß durc h two electronically controllable or variable transmission grating or other spatial light modulators. Since no mechanically moving parts are necessary in this case, the robustness and / or accuracy of the system can be increased.
- FIG. 3 shows a top view of an exemplary measuring system by means of light transit time measurement, wherein the receiving beam 51 is shown for an angle of incidence of the slow scan axis y, which is substantially zero (vertical incidence).
- Fig. 4 shows the same structure as Fig. 3, wherein the receiving beam 51 is shown for an oblique angle of incidence of the slow scan axis y.
- FIG. 5 shows a perspective view of the measuring system shown in FIGS. 3 and 4.
- the measuring system comprises a transmitting unit with a laser diode 1 or another suitable light source.
- the transmitting unit may be in signal communication with a signal processing device and may be configured to convert an electrical signal generated by the signal processing device into a modulated optical signal (transmit beam).
- the optical signal may e.g. be amplitude modulated.
- a collimated transmission beam 50 is emitted by the laser diode 1 and deflected via a transmitter-side scanning mirror 2 within the field of view in two axes (scanning axes).
- the transmitter-side scanning mirror 2 can be, for example, a micromechanical, electrostatically or electromagnetically driven oscillating mirror.
- the fast scan axis (y) is a vibration about the x-axis
- the slow scan axis (x) a vibration about the y-axis. If there is a scattering and / or reflective measurement object 3 in the field of view of the optical measurement system, a reception signal 51 is produced which strikes the tracking device.
- the tracking device comprises the transmissive optical elements 4, 5, 6 and 7 arranged in succession in the z-direction (ie in the direction perpendicular to the x-axis and y-axis, the z-direction preferably coinciding with the optical axis of the receiving device) the arrangement of the optical elements 4, 5, 6 and 7 except for one condition may be arbitrary.
- the condition to be met is that the receive beam 51 first strikes and passes through the two microlens arrays 4, 5 before hitting the condenser lens 7.
- one of the two microlens arrays is structured on both sides (double-sided microlens array 4), the other one-sided (single-sided microlens array 5).
- the two microlens arrays 4 and 5 comprise a plurality of individual microlenses, e.g. several cylindrical, lenticular, etc. microlenses.
- the longitudinal axis of each individual microlens is substantially perpendicular to the x-direction and parallel to the y-direction.
- the two microlens arrays 4 and 5 are arranged substantially parallel to each other and perpendicular to the optical axis z.
- the two microlens arrays 4 and 5 are moved in synchronism with the movement of the slow scanning axis of the transmitting-side scanning mirror 2 relative to each other in the x-direction (see FIG. 4).
- the relative movement as shown in FIG. 4, can be realized by a movement of the double-sided microlens array 4, by a movement of the single-sided microlens array 5, or by a movement of both microlens arrays 4 and 5.
- the unilaterally structured microlens array 5 can be moved, the thickness of which can be reduced to the minimum necessary value which ensures the desired stability.
- the limiting mechanical factor for the receive aperture is the scan frequency.
- the receiving beam 51 After the receiving beam 51 has passed the optical filter 6, it is focused on the detector array 9 in front of the condenser lens 7 (e.g., a Fresnel lens).
- the linear detector array 9 with the detector elements extends in the y-direction (see, e.g., Fig. 5).
- An additional micro or lenticular lens array 8 may be positioned in front of the detector array 9 to increase the fill factor of the detector array 9 (such as shown in Fig. 6).
- the additional microlens array 8 may be e.g. be a one-sided micro-lenticular lens array.
- the transmissive optical filter 6 is designed to suppress unwanted wavelength ranges (such as extraneous light sources, solar radiation, etc.) of the electromagnetic spectrum and to allow the desired ranges to pass.
- the optical filter 6 can a narrowband bandpass filter whose transmission maximum is at the wavelength of the light emitted by the laser diode 1 light. Interference filters and absorption filters can also be combined to realize narrow band filters with high optical density in the stop bands.
- the focus of the receiving beam 51 moves on the detector array 9 due to the vibration of the fast scan axis in the y direction.
- the detector element or the detector elements on or on which the focus of the focus is connected via a multiplexer 10 with the subsequent signal processing 1 1.
- the multiplexer 10 may be a semiconductor-based analog multiplexer, e.g. a CMOS multiplexer, a buffered analog multiplexer or video multiplexer-amplifier.
- the number of multiplexer stages will be kept to a minimum to reduce noise. This can be achieved by minimizing the number of detector elements, resulting in an increase in the active area of each individual detector for a given detector length and thus a reduction of the bandwidth.
- FIG. 6 shows an exemplary single-sided microlens array 8, which can optionally be arranged in front of the detector array 9. The microlens array 8 can be used to increase the filling factor of the detector array 9.
- Fig. 7 shows an exemplary embodiment of the microlens array 4, which has a recess. This recess can serve to position the transmission-side scanning mirror 2 in the plane of the microlens array 4.
- a particularly compact measuring system can be realized.
- the optical axes of Transmitter and the receiver or the transmitter-side scan or Winkelablenkvorraum and the receiving side tracking device and / or receiving device collinear.
- the transmitter-side scanning mirror 2 is arranged next to the receiving-side tracking device (comprising the microlens arrays 4 and 5, the filter 6 and the converging lens 7).
- the receiving-side tracking device comprising the microlens arrays 4 and 5, the filter 6 and the converging lens 7.
- an off-axis Fresnel lens may be used as the condensing lens 7.
- microlens arrays are used for beam deflection and thus optical tracking.
- other transmissive optical elements such as e.g. Lenticular lens arrays or diffractive transmission gratings can be used.
- Lenticular lens arrays or diffractive transmission gratings
- the translational principle can be implemented in a very space-saving manner.
- the switching of the detector elements takes place synchronously with the scanning process along one of the scanning axes.
- a time deviation between the optimal switching time at the transition of the focus between two detector elements and the actual switching time can lead to a deterioration of the received signal.
- This can be done by taking into account the position of the Scan mirror are minimized in the processing of the received signal generated by the detector.
- the position of the scanning mirror can be detected, for example, by means of a suitable position sensor (which can be integrated in the scanning mirror).
- a temporal shift of the optimal switching times for example due to temperature or humidity fluctuations, which for example slightly influence the oscillation amplitude, can be substantially compensated.
- the beam deflection arrangement can be designed to substantially compensate for the triangulation-dependent distance-dependent displacement of the receiving beam spot or of the focus on the detector.
- the condenser lens may be a Fresnel lens.
- a Fresnel lens is its low weight, which is especially important for large lenses. In the mass production of plastic optics can be achieved with the injection molding technology with aspherical structures, a very low unit cost.
- Fresnel lenses also have very small installation space requirements and can be very well integrated into favorable support concepts due to their planarity. For the production of small quantities also cutting manufacturing processes can be used.
- a disadvantage of Fresnel lenses is the shadow areas that occur by total reflection on the sidewalls of the structures. The shadow effect can e.g. skilfully arranging the Fresnel structures, but in many cases can not be completely avoided.
- the spot of the detector array illuminated by the receiving beam 51 preferably comprises a detector element.
- the illuminated spot comprises a plurality of detector elements.
- the reception power is distributed in this case to two or more detector elements and is reduced. This usually leads to a reduction of the signal-to-noise ratio.
- FIG. 9 schematically shows the diffraction of light at a transmission grating 12.
- the grating is a blazed grating.
- Such grids diffract the light substantially into a diffraction order and have a high diffraction efficiency. It is also possible to use other grids, but they have clutter and are less efficient.
- the lattice diffraction can be described vectorially with the wave vector concept.
- the diffraction at the grating adds to the wave vector of the incident wavefront k in e in
- equation (6) denote:
- k in ⁇ de n Wave vector of the incident wavefront
- g ⁇ de n Gittevektor
- p the period of the grid
- ⁇ is the wavelength of the incident light.
- the 10 shows an exemplary beam deflection arrangement comprising two counter-rotating transmission gratings 13 and 14.
- the grids 13 and 14 are blazed gratings.
- the grating vectors of the transmission gratings 12 and 14 are each g x and g 2 -
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein optisches Messsystem und ein Messverfahren zur Vermessung von Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von drei¬ dimensionalen Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten. Das optische Messsystem umfasst zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Sendestrahls (50), eine Scan- oder Winkelablenkvorrichtung zum Scannen eines Messobjekts (3) mit dem Sendestrahl (50) entlang zweier Scanachsen, eine Empfangseinrichtung zum Detektieren zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51) und zum Generieren zumindest eines Empfangssignals, wobei die Empfangseinrichtung zumindest einen Detektor oder ein Detektorarray (9) aufweist; eine Trackingvorrichtung zum Nachführen des vom Messobjekt (3) in Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51), wobei die erste der beiden Scanachsen optisch und die zweite Scanachse elektronisch nachgeführt wird; und eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des zumindest einen Empfangssignals, um Informationen über die Entfernung zu einzelnen Messpunkten des Messobjekts (3) und/oder über die Reflektivität in einzelnen Messpunkten des Messobjekts (3) zu erhalten. Die Trackingvorrichtung umfasst eine transmissive optische Strahlablenkungsanordnung (4, 5), welche ausgelegt ist, das vom Messobjekt (3) in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierte und/oder gestreute Sendestrahllicht (51) synchron zum Scanvorgang in der ersten Scanachse abzulenken; und ein abbildendes optisches Element (7), das ausgelegt ist, das durch die Strahlablenkungsanordnung (4, 5) propagierte Licht auf den Detektor oder das Detektorarray (9) abzubilden. Die Trackingvorrichtung ist ferner ausgelegt, unterschiedliche Teilbereiche des Detektors oder des Detektorarrays (9) synchron zum Scanvorgang in der zweiten Scanachse zu schalten, wobei der jeweils geschaltete Teilbereich in Signalverbindung mit der Signalverarbeitungseinrichtung steht.
Description
"Mechanisch robustes optisches Messsystem mittels Lichtlaufzeit- und/oder Reflektivitätsmessung "
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein optisches Messsystem und ein Messverfahren zur Vermessung von Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von drei- dimensionalen Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, z.B. mittels Lichtlaufzeitmessung (Time-of-Flight Messung), Intentsitätsmessung, Reflektivitätsmessung, etc.. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Laserscanner bzw. einen Laser-Rangerscanner.
Laserscanner sind auf dem Gebiet der optischen Messtechnik bekannt. Sie werden häufig eingesetzt, um eine schnelle, zweiachsige Strahlablenkung einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit durchzuführen. Üblicherweise wird der Strahl zeilen- oder spiralförmig abgelenkt, um die Signalverarbeitung zu vereinfachen. Daher werden eine schnelle und eine langsame Scanachse benötigt, die üblicherweise senkrecht zueinander stehen. Senderseitig können beispielsweise mechanische Scanspiegel eingesetzt werden, die aufgrund ihrer kleinen Masse und einer kardanischen Aufhängung eine schnelle und eine langsame Scanachse aufweisen. Da die Empfangseinheit jedoch eine möglichst große Fläche braucht, um genügend Streulicht von einem Messobjekt zu empfangen, ist eine schnelle zweiachsige Strahlablenkung aus Trägheitsgründen problematisch. Ein Laserscanner, welcher ein Array von synchron schwingenden mikromechanischen Schwingspiegeln verwendet, um eine vergrößerte Empfangsapertur zu erreichen, ist z.B. in DE 10 2007 045 334 AI beschrieben. Der Ansatz eines solchen mikromechanischen Schwingspiegelarrays löst das Problem einer vergrößerten Empfangsapertur jedoch nur unvollkommen, da der Füllfaktor des Arrays aufgrund der Ansteuerung und der Aufhängung der Schwingspiegel sehr gering ist. Dies verursacht bei gleicher Empfangsapertur einen relativ großen Bauraum. Ein weiteres Problem stellt die Strahlfaltung dar, was eine zusätzliche Erhöhung des Bauraums erfordert. Insbesondere bei Scanwinkelbereichen unterhalb von ca.
60x60 Grad ist abgesehen vom Bauräum ein weiterer Nachteil wesentlich: Die Wafer-Fläche, die für mikromechanische Schwingspiegelarrays benötigt wird, ist relativ groß. Die Wafer- Fläche stellt jedoch ein wichtiges Maß für die Systemkosten dar. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes optisches System und ein Verfahren zur Vermessung von Messobjekten, insbesondere von drei-dimensionalen Messobjekten, mittels Lichtlaufzeitmessung („Time-of-Flight" Messung) und/oder Reflektivitätsmessung bereitzustellen. Gemäß eines ersten Aspekts wird ein optisches System zur Vermessung von Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von drei-dimensionalen Messobjekten, Anordnungen von Messobjekten, 3D Szenarien, etc. bereitgestellt. Das optische System kann insbesondere zum Bestimmen der Distanz zu einem oder mehreren Objekten eingesetzt werden. Die Messung kann z.B. mittels Lichtlaufzeitmessung („Time-of- Flight" Messung) und/oder Reflektivitätsmessung erfolgen. Bei einer Reflektivitätsmessung weisen die Messobjekte vorzugweise die gleiche Reflektivität auf.
Das optische Messsystem umfasst:
zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Sendestrahls;
eine (senderseitige) Scan- oder Winkelablenkvorrichtung zum Scannen bzw. zum optischen Abtasten eines Messobjekts mit dem Sendestrahl entlang zweier Scanachsen, eine Empfangseinrichtung zum Detektieren bzw. Erfassen zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahls und zum Generieren zumindest eines Empfangssignals, wobei die Empfangseinrichtung zumindest einen Detektor oder ein Detektorarray aufweist;
eine (empfangsseitige) Trackingvorrichtung (Nachverfolgungsvorrichtung) zum Nachführen des vom Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts; und
eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des zumindest einen Empfangssignals, um Informationen über die Entfernung zu einzelnen Messpunkten des Messobjekts zu erhalten.
Die Lichtquelle kann z.B. ein Laser, eine LED oder andere geeignete Lichtquellen umfassen. Die
Scan- oder Winkelablenkvorrichtung kann z.B. Spiegel, Prismen oder andere geeignete Mittel umfassen, um den von der Lichtquelle ausgesendeten Sendestrahl abzulenken und das Messobjekt entlang zweier Scanachsen optisch abzutasten. Das optische System kann auch mehrere Lichtquellen umfassen (z.B. mehrere Laser, LEDs, etc.), die jeweils einen Sendestrahl aussenden. Die einzelnen Lichtquellen könnten das Messobjekt unter unterschiedlichen Einfallswinkeln bzw. in unterschiedlichen Richtungen scannen. So kann z.B. das optische System zwei oder mehrere Lichtquellen umfassen, die entlang der einen Scanachse (z.B. entlang der horizontalen Richtung) das Messobjekt unter unterschiedlichen Einfallswinkeln scannen. Das Gleiche gilt für die zweite Scanachse (z.B. für die vertikale Richtung). Die mehreren Lichtquellen könne n parallel oder zeitlich versetzt bzw. multiplexiert betrieben werden.
Die zwei Scanachsen können orthogonal zueinander sein. Andere Anordnungen sind jedoch auch möglich. Ferner kann eine der beiden Achsen eine schnelle Achse und die andere eine langsame Achse sein.
Die Trackingvorrichtung ist ausgelegt, die erste der beiden Scanachsen optisch und die zweite Scanachse elektronisch bzw. virtuell nachzuführen. Die Trackingvorrichtung umfasst eine transmissive optische Strahlablenkungsanordnung, welche ausgelegt ist, das vom Messobjekt in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierte und/oder gestreute Sendestrahllicht (nachfolgend auch als Empfangslicht bzw. Empfangsstrahl bezeichnet) synchron zum (senderseitigen) Scanvorgang in der einen (ersten) Scanachse abzulenken (z.B. synchron zur Ablenkung des Sendestrahls entlang der einen (ersten) Scanachse abzulenken).
Ferner umfasst die Trackingvorrichtung zumindest ein abbildendes optisches Element, das ausgelegt ist, das durch die Strahlablenkungsanordnung propagierte Licht auf den zumindest einen Detektor oder das zumindest eine Detektorarray abzubilden bzw. zu fokussieren. Dadurch kann eine optische Nachführung für die eine (erste) Scanachse realisiert werden.
Die Trackingvorrichtung ist ferner ausgelegt, unterschiedliche Teilbereiche des Detektors oder des Detektorarrays synchron zum (senderseitigen) Scanvorgang in der zweiten Scanachse zu
schatten bzw. zu aktivieren, wobei der jeweils geschaltete bzw. aktivierte Teilbereich in Signalverbindung mit der Signalverarbeitungseinrichtung steht. Die unterschiedlichen Teilbereiche des Detektors oder des Detektorarrays können z.B. seriell nacheinander und synchron zur Ablenkung eines von einer Lichtquelle ausgesendeten und von der Scan- oder Winkelablenkvorrichtung abgelenkten Sendestrahls geschaltet bzw. aktiviert werden. Dadurch kann eine elektronische Nachführung für die andere (zweite) Scanachse realisiert werden.
Der Detektor kann ein linearer Detektor sein, d.h. ein Detektor, der (wesentlich) länger als breit ist. Ebenfalls kann das Detektorarray ein lineares Detektorarray sein, d.h. eine zellenförmige Anordnung von einzelnen Detektoren bzw. Detektorelementen. Die einzelnen Detektoren bzw. Detektorelemente des Arrays können für sich genommen jeweils (wesentlich) länger als breit sein. Der lineare Detektor oder das lineare Detektorarray kann im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der Trackingvorrichtung bzw. senkrecht zur optischen Achse des Empfangszweigs des optischen Messsystems und/oder im Wesentlichen parallel zu einer der Scanachsen angeordnet sein.
Sind mehrere Lichtquellen vorhanden, die das Messobjekt unter unterschiedlichen Winkeln scannen, können mehrere Detektoren oder Detektorarrays vorgesehen werden, wobei jeder Detektor bzw. jedes Dektorarray einer Lichtquelle zugeordnet ist. Ebenfalls ist es möglich, unterschiedliche Teilbereiche eines Detektors öder Detektorarrays, die unterschiedlichen Lichtquellen zugeordnet sind, parallel, z.B. mittels eines N x X Multiple xors, oder zeitlich versetzt in Signalverbindung mit der Signaiverarbeitungseinrichtung zu bringen bzw. auszulesen. So kann z.B. das optische System zwei (oder mehrere) Lichtquellen umfassen, die das Messobjekt entlang einer der Scanachsen (z.B. entlang der horizontalen Scanachse) unter unterschiedlichen Einfallswinkeln scannen bzw. optisch abtasten. In diesem Fall kann die Empfangseinrichtung zwei Detektoren oder zwei Detektorarrays umfassen, die so ausgelegt sind, das vom Messobjekt reflektiertes und/oder gestreutes Licht der jeweiligen Lichtquelle zu detektieren. Die beiden (z.B. vertikal angeordneten) Detektoren oder Detektorarrays können parallel oder zeitlich versetzt bzw. multipliexiert ausgelesen werden.
Es ist jedoch nicht notwendig, bei mehreren Lichtquellen die Anzahl der Detektoren entsprechend zu erhöhen. So kann das optische System zwei (oder mehrere) Lichtquellen umfassen, die das Messobjekt entlang einer der Scanachsen (z.B. der vertikalen Scanachse) unter unterschiedlichen Einfallswinkeln scannen. Die Empfangseinrichtung kann z.B. einen linearen Detektor oder ein lineares Detektorarray umfassen, der bzw. das vertikal angeordnet ist. Der Detektor bzw. das Detektorarray kann so ausgelegt und angeordnet werden, dass die Spots der jeweiligen Lichtquelle auf dem Detektor oder Detektorarray räumlich versetzt zueinander sind, z.B. um mehreren Detektorelemente. Die entsprechenden Teilbereiche des Detektors bzw. des Detektorarrays können z.B. mittels eines N x X Multiple xors parallel ausgelesen werden. Es ist ebenfalls möglich, die Teilbereiche des Detektors bzw. des Detektorarrays, die den unterschiedlichen Lichtquellen entsprechen, zeitlich versetzt bzw. multiplexiert auszulesen.
Das vorgeschlagene optische System zur Vermessung von Objekten (optisches Messsystem) basiert somit auf einem neuen Systemkonzept, in dem zwei unterschiedliche Nachführungstechniken: eine virtuelle Nachführung und eine optische Nachführung vorteilhaft miteinander kombiniert werden, wobei die optische Nachführung mittels transmissiven optischen Elementen erfolgt. Vorzugsweise wird die elektronische Nachführung für die schnelle Scanachse und die optische Nachführung für die langsame Scanachse eingesetzt.
Unter dem Begriff „virtueller" bzw.„elektronischer" Nachführung wird die Veränderung des Empfangs-Winkelbereichs (Blickrichtung) der Detektor-Empfangsoptik-Kombination synchron zum Scanvorgang in zumindest einer Scanachse durch Umschalten bzw. Aktivieren von Teilbereichen des Detektors oder des Detektorarrays verstanden. Dadurch wird der Veränderung der Empfangsspot-Position abhängig vom Empfangswinkelbereich Rechnung getragen. Anders ausgedrückt wird unter dem Begriff „virtueller" bzw. „elektronischer" Nachführung die Veränderung der Richtungsabhängigkeit der Empfangscharakteristik der Detektor-Empfangsoptik-Kombination mittels elektronischer Schaltung bzw. Aktivierung von Teilbereichen des Detektors synchron zum Scanvorgang in zumindest einer Scanachse verstanden (z.B. synchron zur Strahlablenkung des Sendestrahls in zumindest einer Scanachse). Dies erfolgt z.B. dadurch, dass zu jedem Zeitpunkt ein Teilbereich eines Detektors oder eines Detektorarrays mit der Signalverarbeitung der optischen
Messvorrichtung verbunden ist. Der Teilbereich des Detektors oder des Detektorarrays kann aus einem oder mehreren Detektorelementen bestehen. Der mit der Signalverarbeitung verbundene Teilbereich des Detektors oder des Detektorarrays wird synchron zum Scanvorgang geschaltet. Wird z.B. ein Detektorarray mit einem Scanmuster ausgeleuchtet, wird zu jedem Zeitpunkt das jeweils gerade beleuchtete Detektorelement mit der darauffolgenden Signalverarbeitung verbunden. Das Prinzip der virtuellen Nachführung ist z.B. in den Publikationen „Laser-Rangefinder auf Basis von MEMS-Spiegeln für adaptive Robotik", S. Bogatscher et al., Mikrosystemtechnik Kongress 14. Oktober 2013, Seiten 21 1 - 214 beschrieben. Ferner wird auf die Publikation„Large Aperture at Low Cost Three-Dimensional Time-of-Flight Sensor Using Scanning MEMS Micromirrors and Synchronous Detector Switching", Applied Optics, Vol. 53, Nr. 8, Seiten 1570 bis 1582 verwiesen.
Unter dem Begriff„optischer" bzw.„winkelverstärkter" Nachführung wird die Veränderung des Empfangs-Winkelbereichs bzw. der Blickrichtung der Detektor-Empfangsoptik-Kombination synchron zum Scanvorgang in zumindest einer Scanachse mit optischen Mitteln verstanden. Dies kann durch eine Ablenkung bzw. eine Änderung der Ausbreitungsrichtung des vom Messobjekt in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Teils des Sendestrahllichts um zumindest eine Achse erzielt werden, wobei die Ablenkung bzw. die Änderung der Ausbreitungsrichtung synchron zum Scanvorgang entlang zumindest einer Scanachse erfolgt (z.B. synchron zur Ablenkung eines Sendestrahls entlang zumindest einer Scanachse). Gemäß der Erfindung erfolgt die Veränderung des Empfangs-Winkelbereichs mittels einer empfangsseitigen optischen Strahlablenkungsanordnung, die auf dem Prinzip der Strahltransmission basiert. Das von einem Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers reflektierte und/oder gestreute Sendestrahllicht passiert durch die transmissive Strahlablenkungsanordnung, wird durch diese abgelenkt und anschließend auf den linearen Detektor oder das lineare Detektorarray fokussiert. Der Winkelbereich, in dem der Empfangsstrahl abgelenkt wird, kann z.B. ±80°, ±70°, ±60°, ±45° oder ein anderer Winkelbereich sein. Ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Systemkonzepts liegt darin, dass die Stärken der beiden eingesetzten Nachführungstechniken optimal ausgenutzt und gleichzeitig die größten Prinzip bedingten Schwächen minimiert oder vermieden werden können. Die jeweiligen Stärken
liegen insbesondere in der Entkopplung zwischen Empfangsapertur und Scanfrequenz (virtuelle bzw. elektronische Nachführung) sowie zwischen Empfangsapertur und Sichtfeld (optische bzw. winkelverstärkte Nachführung). So kann das Sichtfeld der elektronisch nachgeführten Scanachse kleiner als das der optisch bzw. winkelverstärkt nachgeführten Scanachse gemacht werden. Andererseits kann die Scanfrequenz der elektronisch nachgeführten Achse deutlich höher als die der optischen bzw. winkelverstärkten (z.B. mechanisch-translatorisch) nachgeführten Achse gewählt werden. Durch die vorteilhafte Ausnutzung dieser Zusammenhänge lässt sich somit ein 3D-Scanner mit - im Vergleich zu bekannten Systemen - größerer Empfangsapertur realisieren, ohne die Framerate oder das Sichtfeld zu reduzieren und/oder die Kosten deutlich erhöhen zu müssen.
Aufgrund der Verwendung von transmissiven optischen Elementen (Transmissionsoptiken bzw. Transmissionselementen), insbesondere in Kombination mit einem einzigen senderseitigen mikromechanischen Element zur Ablenkung des Sendestrahls, kann der Bauraum der optischen Messvorrichtung erheblich reduziert werden. Eine Platzersparnis wird insbesondere dadurch erzielt, dass ein Füllfaktor der Empfangsoptik bis zu 100% erreicht werden kann und empfangsseitig ausschließlich Transmissionselemente eingesetzt werden, die platzsparend direkt hintereinander angeordnet werden können. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Wafer-Fläche, die bei bestimmten Scanwinkelbereichen für eine vorgegebene Empfangsapertur benötigt wird. Die benötigte Wafer-Fläche ist z.B. wesentlich kleiner als bei dem in DE 10 2007 045 334 A1 vorgeschlagenen Ansatz mit einem Array von synchron schwingenden mikromechanischen Schwingspiegeln. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Lebensdauer, da Lager oder sonstige verschleißbehaftete Bauteile weitgehend vermieden werden können.
Die Ablenkung des von dem Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (Empfangsstrahls) kann z.B. durch eine mechanisch-translatorische Bewegung von zumindest zwei transmissiven optischen Elementen relativ zueinander erzielt werden. Diese Art von Nachführung wird nachfolgend auch mechanisch-translatorische Nachführung genannt.
Die mechanische Bewegung kann z.B. eine translatorische Bewegung zweier Mikrolinsenarrays oder Lentikularlinsenarrays relativ zueinander sein. Die Mikrolinsen- oder Lentikularlinsenarrays können im Wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zur optischen Achse des Empfangszweigs und insbesondere der Empfangseinrichtung angeordnet werden.
Die Größe des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays liegt vorzugsweise im Bereich von 5x5 mm2 bis 50x50 mm2. Die einzelnen Linsen des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays können längliche Linsen sein, wie z.B. zylindrische oder andere asphärische Linsen. Die Längsachse der einzelnen Linsen des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays kann im Wesentlichen parallel zum linearen Detektor oder Detektorarray und im Wesentlichen senkrecht zur Translationsbewegung des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays sein.
Die Periode des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays kann beispielsweise von 50 pm bis 500 pm, vorzugsweise ungefähr 200 μιτι sein. Die maximale translatorische Bewegung des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays entspricht ungefähr dem halben Durchmesser der einzelnen Linsen des Mikro- oder Lentikularlinsenarrays. Die Geschwindigkeit bzw. Frequenz der translatorischen Bewegung kann im Bereich Sub- bis Kilohertz liegen, z.B. im Bereich von 1 Hz bis 50 Hz. Der maximale Ablenkwinkel kann im Bereich von einigen 10 Grad liegen. Beispielsweise kann der maximale Ablenkwinkel ±25°, vorzugsweise ±26,5° betragen.
Ein Vorteil der mechanisch-translatorischen Nachführung mittels Mikrolinsen oder Lentikularlinsen ist, dass mit relativ kleinen translatorischen Bewegungen ein relativ großer Scanbereich abgedeckt werden kann. Dadurch kann die optische Nachführung sehr platzsparend umgesetzt werden. Des Weiteren ist es möglich, den mechanischen Antrieb aufgrund der relativ kleinen notwendigen Bewegung einfach und kostengünstig zu gestalten.
Eine Ablenkung des von dem Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (Empfangsstrahls) kann ebenfalls durch eine gegenläufige Rotation zweier Transmissionsgitter oder durch zumindest ein zeitlich veränderbares bzw. programmierbares Transmissionsgitter erzielt werden. Es ist z.B. möglich, zur Ablenkung steuerbare transmissive räumliche Lichtmodulatoren, wie z.B. LCD
Modulatoren, einzusetzen, in welche Gitter mit veränderbaren Richtung und Periode eingeschrieben sind. Ein Vorteil der Verwendung von elektronisch steuerbaren Transmissionsgittern oder anderen elektronisch steuerbaren Lichtmodulatoren ist, dass die Trackingvorrichtung keine mechanisch beweglichen Komponenten benötigt. Dadurch kann die Scangeschwindigkeit der Trackingvorrichtung erhöht und deren Aufbau vereinfacht werden. Ferner kann das Bauvolumen der optischen Messvorrichtung reduziert und deren Robustheit erhöht werden.
Das abbildende optische Element kann eine Sammellinse, insbesondere eine Fresnellinse sein. Vorteile einer Fresnellinse sind insbesondere ihr geringes Gewicht, ihre einfache und kostengünstige Fertigung (auch von komplexen asphärischen Linsen) und ihre sehr geringe Bauraumanforderungen. Ferner lassen sich Fresnellinsen aufgrund ihrer Planarität sehr gut in günstige Halterungen integrieren. Die senderseitige Scan- oder Winkelablenkvorrichtung kann einen schwingenden und/oder rotierenden Scanspiegel Umfassen. Der Scanspielgel kann z.B. ein Mikrospiegel oder ein anderes mikromechanisches Scanelement sein. Der Mikrospiegel kann z.B. eine Größe von 0,4 mm bis 4 mm Durchmesser, vorzugsweise von 1 mm bis 3 mm, besonders bevorzugt 1 ,5 mm bis 2 mm Durchmesser aufweisen. Der Scanspiegel kann z.B. elektrostatisch, elektromagnetisch oder piezo-elektrisch angetrieben werden. Die schnelle Scanachse kann z.B. resonant schwingen, die langsame Scanachse kann z.B. statisch ansteuerbar sein. Die Scanoder Winkelablenkvorrichtung kann auch mehrere Scanspiegel umfassen, z.B. ein ein- oder zweidimensionales Spiegelarray. Die Scan- oder Winkelablenkvorrichtung kann ferner eine Positionseinrichtung zur Messung der Position des Scanspiegels umfassen, die in Signalverbindung mit der Trackingvorrichtung und/oder der Signalverarbeitungsvorrichtung stehen kann. Dadurch kann die Synchronisation zwischen dem Scanvorgang und der Nachführung verbessert werden, was zu einer Erhöhung der Genauigkeit der Vermessung führt.
Die sendeseitige Scan- oder Winkelablenkvorrichtung und die empfangsseitige Trackingvorrichtung können Bestandteile einer Scaneinheit bzw. eines Scanmoduls sein. In einem Beispiel kann ein Scanspiegel der Scan- oder Winkelablenkvorrichtung in einer Aussparung in zumindest einem optischen Transmissionselement (wie z.B. in dem doppelseitigen und/oder dem einseitigen Mikro- oder Lentikularlinsenarray) angeordnet sein.
Somit kann das Bauvolumen des optischen Messsystems reduziert werden.
Die senderseitige Scan- oder Winkelablenkvorrichtung und die empfangsseitige Trackingvorrichtung und/oder Empfangseinrichtung können derart angeordnet sein, dass deren optischen Achsen koaxial sind. Anders ausgedrückt können der Sender und der Empfänger koaxial angeordnet sein. Durch die koaxiale Anordnung der senderseitigen Scanoder Winkelablenkvorrichtung und/oder der empfangsseitigen Trackingvorrichtung und/oder Empfangseinrichtung (d.h. des Senders und des Empfängers) kann eine aufgrund des Triangulationseffekts auftretende ungewollte distanzabhängige Verschiebung des Empfangsstrahlspots auf dem Detektor (bzw. einen Parallaxenfehler) vermieden oder minimiert werden. Mit dieser distanzabhängigen Spotverschiebung geht auch eine ungewollte distanzabhängige Verschiebung der optimalen Umschaltzeitpunkte einher, die vor allem bei kleinen Messdistanzen zum Tragen kommt. Eine koaxiale Anordnung der Scan- oder Winkelablenkvorrichtung und der Trackingvorrichtung kann z.B. durch die oben beschriebene Anordnung des Scanspiegels in einer Aussparung in einem oder mehreren transmissiven optischen Elementen der transmissiven Strahlablenkungsanordnung realisiert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von drei-dimensionalen Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, z.B. mittels Lichtlaufzeitmessung („Time-of-Flight" Messung) und/oder mittels Reflektivitätsmessung. Das Verfahren kann beispielsweise mit dem oben beschriebenen optischen Messsystem durchgeführt werden. Das Verfahren umfasst:
Aussenden zumindest eines Sendestrahls;
Scannen eines Messobjekts mit dem zumindest einen Sendestrahl entlang zweier
Scanachsen,
Nachführen des vom Messobjekt in Richtung einer Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts, wobei die erste der beiden Scanachsen optisch und die zweite der beiden Scanachsen elektronisch bzw. virtuell nachgeführt wird,
Detektieren bzw. Erfassen zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (bzw. zumindest eines Teils des Empfangsstrahls) mittels zumindest eines (z.B. linearen) Detektors oder zumindest eines (z.B. linearen) Detektorarrays der Empfangseinrichtung und Generieren zumindest eines Empfangssignals;
und
Verarbeiten des zumindest einen Empfangssignals mittels einer Signalverarbeitungsvorrichtung. Das optische Nachführen der ersten Scanachse umfasst:
Ablenken des vom Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (bzw. des Empfangsstrahls) synchron zum Scanvorgang in der ersten Scanachse (z.B. synchron zur Strahlablenkung des Sendestrahls entlang der ersten Scanachse) mittels einer transmissiven optischen Ablenkungsanordnung; und
Abbilden des durch die Strahlablenkungsanordnung propagierten Lichts bzw.
Empfangsstrahls auf den Detektor oder das Detektorarray.
Das elektronische Nachführen der zweiten Scanachse umfasst Schalten bzw. Aktivieren von unterschiedlichen Teilbereichen des Detektors oder des Detektorarrays (z.B. seriell nacheinander) synchron zum Scanvorgang in der zweiten Scanachse, wobei der jeweils geschaltete bzw. aktivierte Teilbereich in Signalverbindung mit der Signalverarbeitungseinrichtung steht. Die unterschiedlichen Teilbereiche des Detektors oder Detektorarrays können seriell nacheinander, z.B. synchron zur Strahlablenkung des Sendestrahls entlang der zweiten Scanachse geschaltet bzw. aktiviert werden.
Wie oben beschrieben kann das Ablenken des vom Messobjekt in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts bzw. des Empfangsstrahls zum Beispiel mittels einer translatorischen Bewegung eines doppelseitigen Mikro- oder Lentikularlinsenarrays und eines einseitigen Mikro- oder Lentikularlinsenarrays relativ zueinander erfolgen. Es ist auch möglich, das Ablenken mittels einer gegenläufigen Rotation zweier Transmissionsgitter oder mittels eines elektronisch schaltbaren (elektronischen) Transmissionsgitters zu realisieren.
Weiterhin kann wie oben beschrieben das Abbilden des durch die Strahlablenkungsanordnung propagierten Lichts bzw. Empfangsstrahls auf den Detektor oder das Detektorarray mittels einer Fresnellinse erfolgen. Das Scannen des Messobjekts mit dem Sendestrahl kann mittels eines schwingenden und/oder rotierenden Scanspiegels, z.B. einen elektrostatisch oder elektromagnetisch betriebenen Mikrospiegels erfolgen.
Das erfindungsgemäße Messsystem und das erfindungsgemäße Messverfahren können in der Automatisierungstechnik, Robotik, fahrerlosen Transportsystemen, Automobilfertigung, Logistik, etc. eingesetzt werden. In den meisten dieser Bereiche werden derzeit einachsig scannende Laserscanner eingesetzt, da das Problem des Bereitstellens von effizienten, robusten und schnellen zwei-achsigen Laserscanner nicht zufriedenstellend gelöst ist. Ein weiteres Anwendungsgebiet des optischen Messsystems ist das autonome Fahren, z.B. zur Lokalisierung von Fahrzeugen nebeneinander und in verschiedenen Distanzen und/oder zur Unterscheidung von Verkehrsteilnehmer und deren Distanz.
So können das erfindungsgemäße Messsystem und das erfindungsgemäße Messverfahren zum Ermitteln einer 3D-Punktwolke eines Objekts eingesetzt werden, z.B. eines zu transportierenden Objekts bei fahrerlosen Transportsystemen. Eine messtechnisch ermittelte 3D-Punktwolke des zu transportierenden Objekts hilft, die Ladungsträgeraufnahme zuverlässiger und schneller umzusetzen, was Kosten und Zeit spart.
Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein beispielhaftes Scanmuster;
Fig. 2A das Prinzip der virtuellen Nachführung;
Fig. 2B das Prinzip der optischen bzw. winkelverstärkten Nachführung;
Fig. 2C einen Teilbereich des Strahlengangs des Empfangsstrahls durch zwei
Mikrolinsenarrays bei maximalem Auslenkwinkel der langsamen Achse;
Fig. 3 und 4 den schematischen Aufbau eines beispielhaften optischen Messsystems, wobei der Empfangsstrahl für einen im Wesentlichen senkrechten Einfallswinkel (Fig. 3) und für einen schrägen Einfallswinkel (Fig. 4) der langsamen Scanachse dargestellt ist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 3 und 4 gezeigten Messsystems;
Fig. 6 ein beispielhaftes Mikrolinsenarray, welches vor einem Detektorarray angeordnet ist; Fig. 7 eine beispielhafte Ausführung eines Mikrolinsenarrays mit einer Aussparung für den senderseitigen Scanspiegel; und
Fig. 8 den schematischen Aufbau eines weiteren beispielhaften optischen Messsystems;
Fig. 9 die Lichtbeugung an einem Transmissionsgitter;
Fig. 10 eine beispielhafte Strahlablenkungsanordnung umfassend zwei gegenläufig rotierende Transmissionsgitter.
In den Figuren sind einander entsprechende oder funktionsähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das optische Messsystem und das optische Messverfahren in den nachfolgenden Beispielen basieren auf der Lichtlaufzeitmessung. Das Messsystem und Messverfahren können jedoch auf der Reflektivitätsmessung basieren.
Mithilfe der Laufzeitmessung eines optischen Signals kann der zurückgelegte Weg bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Im Fall von Luft als Ausbreitungsmedium ist die Lichtgeschwindigkeit c « 3■ 108 m/s . Wird die Umlaufzeit τ gemessen, so kann aus folgendem Zusammenhang die Messdistanz d bere chnet werden: d = c■ τ/2 ( 1 )
Zur Messung der Laufzeit können sowohl Pulslaufzeitmessverfahren als auch Phasenlaufzeitmessverfahren eingesetzt werden. Alternativ können Verfahren auf Basis der Frequenzmodulation, wie z.B. FMCW Radar (English: Frequency Modulated Continuous Wave) eingesetzt werden.
Das Prinzip der Pulslaufzeitmessung basiert auf der direkten Zeitmessung. Daher wird dieses Verfahren oft auch als direkte Laufzeitmessung (Englisch:„direct Time-of-Flight" oder„ToF") bezeichnet. Für eine Einzelpunktmessung wird im einfachsten Fall lediglich ein einziger Puls vom Sender transmittiert. Dieser Puls wird von einem Messobjekt im Abstand d zurückgestreut und/oder reflektiert und vom Empfänger in abgeschwächter Form registriert. Dabei entspricht die gemessene Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangspuls der Umlaufzeit r. Die gesuchte Messdistanz kann abschließend gemäß Gleichung ( 1) berechnet werden. .
Im Gegensatz zur Pulslaufzeitmessung wird bei der Phasenlaufzeitmessung eine indirekte Messung der Lichtlaufzeit über eine Phasenmessung durchgeführt. Daher wird dieses Verfahren oft auch als indirekte„Time-of-Flight" Methode bezeichnet. Dabei kommt eine, in der Regel sinusförmige, Amplitudenmodulation der ausgesendeten optischen Leistung mit der Modulationsfrequenz /m zj m Einsatz. Die Phase φ zwischen ausgesendetem und empfangenem Signal entspricht der Umlaufzeit τ über den folgenden Zusammenhang
fm-2n Die Messvorrichtungen und Messverfahren in den nachfolgenden Beispielen sind Scanverfahren und basieren auf einer Strahlablenkung des Sende- und Empfangsstrahls und damit auf einer sequentiellen Vermessung des Sichtfeldes. Somit werden die Bildpunkte bzw. die Messpuhkte des Messobjekts seriell nacheinander vermessen. Ein beispielhaftes zellenförmiges Scanmuster ist in Fig. 1 dargestellt. Bei diesem Beispiel wird das Messobjekt entlang einer schnellen Achse y und einer langsamen Achse x gescannt bzw. optisch abgetastet. Die horizontale Scanbewegung kann eine sinusförmige Bewegung sein, während die vertikale Scanbewegung eine lineare Bewegung sein kann. Pro Frame wird das Scanmuster einmal durchlaufen. Am Ende des Frames erfolgt ein Rücklauf zur Startposition oder der Frame läuft entgegen das Muster„rückwärts".
Das Empfangskonzept des optischen Messsystems und des Messverfahrens basiert auf einer Kombination zweier unterschiedlicher Nachführungstechniken: einer virtuellen bzw. elektronischen Nachführung und einer optischen bzw. winkelverstärkten Nachführung.
Fig. 2A illustriert schematisch das Prinzip der virtuellen bzw. elektronischen Nachführung, die ohne eine Strahlablenkung des Empfangsstrahls erfolgt. Unter dem Begriff „Empfangsstrahl" wird dabei der Teil des Lichts (Empfangslicht) verstanden, welcher vom Messobjekt in Richtung der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers reflektiert und/oder gestreut wird und von der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers erfasst wird. Anders ausgedrückt„blickt" die Empfangseinrichtung bzw. der Empfänger in die Richtung, aus der der Empfangsstrahl kommt. Der Begriff „Empfangsstrahl" kann somit in einigen Fällen mit der
Blickrichtung der Empfangseinrichtung bzw. des Empfängers gleichgesetzt werden.
Der gesamte Scanwinkelbereich einer Scanachse (z.B. der schnellen Achse y) wird durch ein abbildendes optisches Element (z.B. eine Sammellinse) auf einen länglichen bzw. linearen Detektor oder auf ein lineares bzw. eindimensionales Detektorarray 9 abgebildet. Während der auf den Detektor bzw. auf das Detektorarray 9 fokussierte Empfangsstrahl 51 sich aufgrund des Scanvorgangs über den Detektor bzw. das Detektorarray 9 bewegt, wird jeweils das am meisten beleuchtete Detektorelement durch einen Multiplexer 10 mit der darauffolgenden Signalverarbeitung 1 1 verbunden. Durch das Umschalten zwischen den einzelnen Detektoren des Detektorarrays 9 kann die gesamte Lichtmenge des Empfangsstrahls 51 , die auf die Sammellinse 7 trifft, empfangen werden. Die zwei größten Empfangswinkel des Empfangsstrahls 51 , die empfangen werden können, sind in gestrichelten bzw. in durchgezogenen Linien dargestellt. Insbesondere bewegt sich aufgrund der resonanten Schwingung des Scanspiegels der Fokus des Empfangsstrahls mit einem z.B. sinusförmigen Geschwindigkeitsprofil über das Detektorarray 9 hinweg. Um eine kontinuierliche Distanzmessung zu ermöglichen, wird zu jedem Zeitpunkt der maximal beleuchtete Detektor mit der Signalverarbeitung verbunden. Dies kann durch einen Multiplexer 10 erfolgen. Besteht der Detektor nicht aus einem Detektorarray, so entfällt der Multiplexer 10 und es muss nicht umgeschaltet werden. In diesem Fall fällt jedoch das Störlicht des gesamten Winkelbereichs auf dem Detektor und erhöht das Rauschen.
Aufgrund der Vermeidung beweglicher Nachführungsmechaniken wird bei der elektronischen bzw. virtuellen Nachführung eine Entkopplung zwischen Scanfrequenz und Empfangsapertur erreicht. Die erreichbare Empfangsapertur ist lediglich durch die Größe des Detektorarrays und des Sichtfeldes bestimmt. Durch die erreichbaren schnellen Umschaltzeiten des Multiplexers ist die Scanfrequenz damit lediglich durch die Charakteristika des Scanspiegels limitiert. Hohe Scanfrequenzen ermöglichen z.B. die Registrierung schneller Bewegungen in weiter Entfernung. Es ist beispielsweise möglich, ein Bildfeld von 100 x 100 Pixel mit einer Framerate von fFR = 100 Hz bei einer Scanfrequenz der schnellen Achse von fja= 5 kHz und einer Pixelrate von fpx= 1 MHz zu vermessen.
Ferner ist es möglich, nur geringe Waferflächen mit teuren MEMS-Strukturen und große Waferflächen mit günstigen Detektorstrukturen einzusetzen, was die Kosten für das gesamte optische Messsystem verringert. Des Weiteren kann der Synchronisationsaufwand von der mechanischen in die elektrische Domäne verlagert werden. So ist es möglich, selbst mit nur einem Triggerpuls pro Schwingungsperiode des Mikrospiegels, die Mikrospiegelschwingung und die Umschaltzeitpunkte zu synchronisieren. Die Synchronisationsgenauigkeit kann z.B. durch ein sensorisch erfasstes Positionssignal des Mikrospiegels weiter verbessert werden. Durch die Verlagerung des Synchronisationsaufwands in die elektrische Domäne lassen sich femer beliebige Scanmuster nachführen, was die Flexibilität deutlich steigert.
Wie oben beschrieben ist die erreichbare Empfangsapertur durch die Größe des Detektorarrays bestimmt. Ein Erhöhen der Anzahl der Detektorelemente kann jedoch zu einer Verkomplizierung des Schaltungsdesigns und zu einer Kostensteigerung führen. Ein Nachteil der elektronischen Nachführung kann die verminderte Messgenauigkeit in den Umschaltbereichen sein. Ein Grund für diese Reduktion der Messgenauigkeit kann eine Verfälschung der Phasenmessung während des Umschaltens zwischen zwei Detektoren bzw. Detektorelementen sein. Eine mögliche Lösung für dieses Problems ist es, die Messwerte, die während des Umschaltvorgangs ermittelt werden, noch vor einer Quadraturdemodulation durch eine phasenrichtig verzögerte Kopie der letzten Messwerte zu ersetzen. Eine weitere Lösungsmöglichkeit besteht in einer Anpassung des Schaltungsdesigns.
Ferner kann ein Teil des Lichts im Umschaltbereich durch eine Verteilung des durch den Empfangsstrahl beleuchteten Spots auf zwei oder mehrere Detektorelemente verloren gehen, was zu einer Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses führen kann. Durch Auswerten des Messergebnisses in den beleuchteten Detektorelementen und Mitteln der erfassten Werte kann die Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses im Umschaltbereich verringert werden. Bei einer Verteilung des beleuchteten Spots auf zwei Detektorelemente kann z.B. die Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses von 2 auf 2 ve rringert werden.
Ferner kann eine Desynchronisation zwischen der Schwingung des Scanspiegels und des Detektorumschaltens durch ein Nachführen der Umschaltzeitpunkte mit entsprechender Positionssensorik des Scanspiegels vermieden werden. Fig. 2B zeigt schematisch das Prinzip der optischen bzw. winkelverstärkten Nachführung und insbesondere der mechanisch-translatorischen Nachführung. Bei dem in Fig. 2B gezeigten Beispiel wird die mechanisch-translatorische Strahlnachführung mittels einer transmissiven Strahlablenkungsanordnung umfassend drei Mikrolinsenarrays realisiert. Fig. 2B zeigt den Fall des maximalen Ablenkungswinkels ßmax ■ Das erste Linsenarray LA1 fokussiert den Einfallsstrahl (Empfangsstrahl 51) in die Feldebene im Abstand fml , in der sich das Feldlinsenarray LA2 gleicher Brennweite fml be findet. Dieses bildet die zugehörige Mikrolinse des ersten Mikrolinsenarrays LA1 auf die zugehörige Mikrolinse des dritten Mikrolinsenarrays LA3 ab, so dass ein„Mikrolinsenkanal" entsteht, den der Einfallsstrahl im Idealfall nicht verlassen kann. Die Linse des dritten Mikrolinsenarrays LA3 kollimiert den abgelenkten divergenten Strahl. Eine laterale Verschiebung s de s dritten Mikrolinsenarrays LA3 relativ zu den ersten beiden Arrays LA1 und LA2 verändert den Ablenkwinkel.
Der Zusammenhang zwischen der lateralen Verschiebung s und dem Ablenkwinkel ß de s Einfallstrahls ist gegeben durch die folgende Gleichung:
Die maximale Verschiebung smax de s Mikrolinsenarrays LA3 ist gegeben durch smax =
Wird die laterale Verschiebung größ er als der halbe Mikrolinsendurchmesser Dml , so überschreitet der Zwischenfokus den Rand der Feldlinse und kann somit nicht mehr im Mikrolinsenkanal verbleiben. Daher berechnet sich der maximale Ablenkwinkel ßmax die ses
Strahlablenkungsprinzips mit ^ * 1 zu
(4)
Fig. 2C zeigt eine mögliche Umsetzung des in Fig. 2B gezeigten Prinzips der mechanisch- translatorischen Nachführung mit einem doppelseitig strukturierten Mikrolinsenarray 4 und einem einseitig strukturiertem Mikrolinsenarray 5. Insbesondere zeigt Fig. 2C einen Teilbereich des Strahlengangs des Empfangsstrahls 51 durch die beiden Mikrolinsenarrays 4 und 5 bei maximalem Auslenkwinkel der langsamen Scanachse. Der von einem Messobjekt 3 reflektierte und/oder gestreute Empfangsstrahl 51 wird durch das doppelseitig strukturierte Mikrolinsenarray 4 in einzelne Teilstrahlen aufgeteilt, welche in eine Zwischenebene fokussiert werden und danach auf ein zweites, einseitig strukturiertes Mikrolinsenarray 5 wieder kollimiert und anschließend auf einen Detektor bzw. auf ein Detektorarray (nicht gezeigt) fokussiert. Durch eine laterale translatorische Verschiebung der beiden Mikrolinsenarrays relativ zueinander kann eine laterale Strahlablenkung erreicht werden, d.h. eine Strahlablenkung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse z der Empfangseinrichtung. Die Verschiebung findet synchron zur Strahlablenkung entlang einer der Scanachsen (z.B. der langsamen Scanachse) statt.
Eine mechanisch-translatorische Nachführung kann auch mit anderen transmissiven optischen Elementen realisiert werden. So kann der Ablenkwinkel ß durc h eine gegenläufige Rotationsbewegung zweier Transmissionsgitter relativ zueinander verändert werden. Ebenfalls ist es möglich, den Ablenkwinkel ß durc h zwei elektronisch steuerbare bzw. veränderbare Transmissionsgitter oder andere räumliche Lichtmodulatoren zu ändern. Da in diesem Fall keine mechanisch beweglichen Teile notwendig sind, kann die Robustheit und/oder Genauigkeit des Systems erhöht werden.
Aufgrund der notwendigen Richtungswechsel der Bewegung sind mit einer optischen und insbesondere einer mechanisch-translatorischen Nachführung zwar in der Regel nicht so hohe Scanfrequenzen möglich, jedoch kann dieses Strahlablenkungsprinzip beispielsweise in der langsamen Scanachse des Messsystems integriert werden. Für die schnelle Scanachse kann, wie oben erläutert, das Prinzip der virtuellen Nachführung eingesetzt werden. Während die erreichbare Empfangsapertur bei der elektronischen Nachführung durch die Größe des Detektorarrays und das Sichtfeld begrenzt ist, liegt die Begrenzung im Fall der mechanisch- translatorischen Ablenkung bei der Detektorgröße und den mechanischen Eigenschaften der
Translation. Ein wichtiger Vorteil der mechanisch-translatorischen Strahlablenkung ist die Entkopplung zwischen Sichtfeld und erreichbarer Empfangsapertur. Weiterhin zeichnet sich die Methode durch geringe Bauraumanforderungen aus. Eine Kombination der elektronischen Nachführung in der schnellen und der mechanisch-translatorischen Nachführung in der langsamen Scanachse, wie in den nachfolgenden Figuren gezeigt, ermöglicht sowohl das Ausnutzen der jeweiligen Stärken beider Nachführungsprinzipien als auch das Vermeiden Prinzip bedingter Schwächen.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht von oben auf ein beispielhaftes Messsystem mittels Lichtlaufzeitmessung, wobei der Empfangsstrahl 51 für einen Einfallswinkel der langsamen Scanachse y dargestellt ist, welcher im Wesentlichen Null ist (senkrechter Einfall). Fig. 4 zeigt den gleichen Aufbau wie Fig. 3, wobei der Empfangsstrahl 51 für einen schrägen Einfallswinkel der langsamen Scanachse y dargestellt ist. Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des in Fig. 3 und 4 gezeigten Messsystems.
Das Messsystem umfasst eine Sendeeinheit mit einer Laserdiode 1 oder einer anderen geeigneten Lichtquelle. Die Sendeeinheit kann in Signalverbindung mit einer Signalverarbeitungsvorrichtung stehen und ausgelegt sein, ein von der Signalverarbeitungsvorrichtung erzeugtes elektrisches Signal in ein moduliertes optisches Signal (Sendestrahl) umzuwandeln. Das optische Signal kann z.B. amplitudenmoduliert sein.
Ein kollimierter Sendestrahl 50 wird von der Laserdiode 1 ausgesendet und über einen senderseitigen Scanspiegel 2 innerhalb des Blickfelds in zwei Achsen (Scanachsen) abgelenkt. Der senderseitige Scanspiegel 2 kann z.B. ein mikromechanischer, elektrostatisch oder elektromagnetisch angetriebener Schwingspiegel sein. Die schnelle Scanachse (y) ist eine Schwingung um die x-Achse, die langsame Scanachse (x) eine Schwingung um die y-Achse. Befindet sich ein streuendes und/oder reflektierendes Messobjekt 3 im Sichtfeld des optischen Messsystems, so entsteht ein Empfangssignal 51 , welches auf die Trackingvorrichtung trifft. Die Trackingvorrichtung umfasst die in z-Richtung (d.h. in Richtung senkrecht zur x-Achse und y-Achse, wobei die z-Richtung vorzugsweise mit der optischen Achse der Empfangseinrichtung zusammenfällt) hintereinander positionierten transmissiven optischen Elemente 4, 5, 6 und 7, wobei die Anordnung der optischen Elemente 4, 5, 6 und 7
bis auf eine Bedingung beliebig sein kann. Die Bedingung, die erfüllt werden muss, ist, dass der Empfangsstrahl 51 zuerst auf die beiden Mikrolinsenarrays 4,5 trifft und durch diese passiert, bevor er auf die Sammellinse 7 trifft. Bei dem in Figuren 3 bis 5 gezeigten Beispiel ist eines der beiden Mikrolinsenarrays doppelseitig strukturiert (doppelseitiges Mikrolinsenarray 4), das andere einseitig (einseitiges Mikrolinsenarray 5).
Die beiden Mikrolinsenarrays 4 und 5 umfassen mehrere einzelne Mikrolinsen, z.B. mehrere zylindrische, lentikulare, etc. Mikrolinsen. Die Längsachse jeder einzelnen Mikrolinse ist im Wesentlichen senkrecht zur x-Richtung und parallel zur y-Richtung. Die beiden Mikrolinsenarrays 4 und 5 sind im Wesentlichen parallel zu einander und senkrecht zur optischen Achse z angeordnet.
Die beiden Mikrolinsenarrays 4 und 5 werden synchron zur Bewegung der langsamen Scanachse des sendeseitigen Scanspiegels 2 relativ zueinander in x-Richtung bewegt (siehe Fig. 4). Die relative Bewegung kann, wie in Fig. 4 da rgestellt, über eine Bewegung des doppelseitigen Mikrolinsenarrays 4, über eine Bewegung des einseitigen Mikrolinsenarrays 5, oder über eine Bewegung beider Mikrolinsenarray 4 und 5 realisiert werden. Zur Reduzierung der Masse des bewegten Mikrolinsenarrays kann das einseitig strukturierte Mikrolinsenarray 5 bewegt werden, dessen Dicke auf den minimal notwendigen Wert, der die gewünschte Stabilität gewährleistet, reduziert werden kann. Bei gegebener Antriebskraft eines Aktors zur Verschiebung ist der begrenzende mechanische Faktor für die Empfangsapertur die Scanfrequenz.
Nachdem der Empfangsstrahl 51 den optischen Filter 6 passiert hat, wird er vor der Sammellinse 7 (z.B. einer Fresnellinse) auf das Detektorarray 9 fokussiert. Das lineare Detektorarray 9 mit den Detektorelementen erstreckt sich in y-Richtung (siehe z.B. Fig. 5). Vor dem Detektorarray 9 kann ein zusätzliches Mikro- oder Lentikularlinsenarray 8 zur Erhöhung des Füllfaktors des Detektorarrays 9 positioniert sein (wie z.B. in Fig. 6 gezeigt). Das zusätzliche Mikrolinsenarray 8 kann z.B. ein einseitiges Mikro- der Lentikularlinsenarray sein.
Der transmissive optische Filter 6 ist ausgelegt, unerwünschte Wellenlängenbereiche (wie z.B. Fremdlichtquellen, Sonnenstrahlung, etc.) des elektromagnetischen Spektrums zu unterdrücken und die erwünschten Bereiche passieren zu lassen. Der optische Filter 6 kann ein
schmalbandiger Bandpassfilter sein, dessen Transmissionsmaximum bei der Wellenlänge des von der Laserdiode 1 emittierten Lichts ist. Es können auch Interferenzfilter und Absorptionsfilter kombiniert werden, um schmalbandige Filter mit hoher optischer Dichte in den Sperrbereichen zu realisieren.
Der Fokus des Empfangsstrahls 51 bewegt sich auf dem Detektorarray 9 aufgrund der Schwingung der schnellen Scanachse in y-Richtung. Zu jedem Zeitpunkt wird das Detektorelement oder werden die Detektorelemente auf dem bzw. auf denen sich der Schwerpunkt des Fokus befindet über einen Multiplexer 10 mit der darauffolgenden Signalverarbeitung 1 1 verbunden. In dieser Weise kann eine virtuelle/elektronische Nachführung entlang der schnellen Achse x realisiert werden. Ist der Detektor als ein länglicher Detektor, der sich entlang der y-Achse erstreckt, ausgebildet, sind ein Multiplexer und eine Umschaltung der einzelnen Detektorelemente nicht notwendig. Der Multiplexer 10 kann ein halbleiterbasierter Analogmultiplexer sein, z.B. ein CMOS- Multiplexer, ein gepufferter Analogmultiplexer (Englisch:„buffered analog multiplexer" oder „video multiplexer-amplifier"). Vorzugsweise wird die Anzahl der Multiplexerstufen auf einem Minimum gehalten werden, um ein Rauschen zu reduzieren. Dies kann durch eine Minimierung der Anzahl der Detektorelemente erreicht werden, was bei gegebener Detektorlänge eine Erhöhung der aktiven Fläche jedes Einzeldetektors und somit eine Reduktion der Bandbreite zur Folge hat. Bei einem linearen (eindimensionalen) Detektorarray kann jedoch ein optimaler Kompromiss zwischen Rauschreduzierung und Bandbreitenvergrößerung einfacher als bei einem 2D-Detektorarray gefunden werden. Fig. 6 z eigt ein beispielhaftes einseitiges Mikrolinsenarray 8, welches optional vor dem Detektorarray 9 angeordnet werden kann. Das Mikrolinsenarray 8 kann zur Erhöhung des Füllfaktors des Detektorarrays 9 eingesetzt werden.
Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Ausführung des Mikrolinsenarrays 4, welches eine Aussparung aufweist. Diese Aussparung kann dazu dienen, den sendeseitigen Scanspiegel 2 in der Ebene des Mikrolinsenarrays 4 zu positionieren. Somit kann ein besonders kompaktes Messsystem realisiert werden. Darüber hinaus sind in dieser Ausführungsform die optischen Achsen des
Senders und der Empfängers bzw. der senderseitigen Scan- oder Winkelablenkvorrichtung und der empfangsseitigen Trackingvorrichtung und/oder Empfangsvorrichtung kollinear.
Fig. 8 zeigt ein beispielhaftes Messsystem, bei dem der senderseitige Scanspiegel 2 neben der empfangsseitigen Trackingvorrichtung (umfassend die Mikrolinsenarrays 4 und 5, den Filter 6 und die Sammellinse 7) angeordnet ist. Um Schatteneffekte zu vermeiden, kann in diesem Fall eine Off-Axis-Fresnellinse als Sammellinse 7 verwendet werden.
In den obigen Beispielen werden Mikrolinsenarrays zur Strahlablenkung und somit optischen Nachführung verwendet. Statt Mikrolinsenarrays können andere transmissive optische Elemente, wie z.B. Lentikularlinsenarrays oder diffraktive Transmissionsgitter verwendet werden. So ist es möglich, durch eine laterale Verschiebung zweier Mikro- oder Lentikularlinsenarrays zueinander oder durch eine Rotation zweier diffraktiver Gitter in entgegengesetzten Richtungen, eine optische, mechanisch-translatorische Nachführung zu realisieren. Durch den Einsatz von optischen Transmissionselementen und durch den relativ kleinen erforderlichen Bewegungsbereich der optischen Transmissionselemente kann das Translationsprinzip sehr platzsparend umgesetzt werden. Des Weiteren ist es möglich, den mechanischen Antrieb aufgrund der relativ kleinen notwendigen Bewegung einfach und kostengünstig zu gestalten. So stehen mit Tauchspulenantrieben günstige translatorische Antriebskonzepte für das Mikro- oder Lentikularlinsenarray(s) zur Verfügung.
Ebenfalls ist es möglich, elektronisch steuerbare räumliche Lichtmodulatoren oder Transmissionsgitter zu verwenden. So kann z.B. durch eine elektronisch gesteuerte Veränderung der Gitterstrukturen zweier diffraktiver Transmissionsgitter relativ zueinander, ebenfalls eine optische Nachführung realisiert werden. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Trackingvorrichtung keine mechanisch beweglichen Teile benötigt,
In den obigen Beispielen erfolgt das Umschalten der Detektorelemente synchron zum Scanvorgang entlang einer der Scanachsen. Eine zeitliche Abweichung zwischen dem optimalen Umschaltzeitpunkt beim Übergang des Fokus zwischen zwei Detektorelementen und dem tatsächlichen Umschaltzeitpunkt kann dabei zu einer Verschlechterung des Empfangssignals führen. Dies kann z.B. durch eine Berücksichtigung der Position des
Scanspiegels bei der Verarbeitung des von dem Detektor generierten Empfangssignals minimiert werden. Die Position des Scanspiegels kann z.B. mittels einer geeigneten Positionssensorik (welche in dem Scanspiegel integriert werden kann) erfasst werden. Dadurch kann eine zeitliche Verschiebung der optimalen Umschaltzeitpunkte, z.B. aufgrund von Temperatur- bzw. Luftfeuchtigkeitsschwankungen, die beispielsweise die Oszillationsamplitude leicht beeinflussen, im Wesentlichen kompensiert werden.
Wie oben beschrieben kann aufgrund des Parallaxenfehlers eine ungewollte Verschiebung des Empfangsstrahlspots bzw. des Fokus auf dem Detektor auftreten. Mit dieser distanzabhängigen Spotverschiebung geht auch eine distanzabhängige Verschiebung der optimalen Umschaltzeitpunkte einher, die vor allem bei kleinen Messdistanzen zum Tragen kommt. Es gibt mehrere Möglichkeiten, um dieses Problem zu lösen. Zum einen kann der Effekt durch ein koaxiales Anordnen der optischen Achsen von Sender- und Empfänger weitgehend vermieden oder minimiert werden (vgl. z.B. Fig. 7). Es ist auch möglich, die Problematik in die optisch und insbesondere mechanisch-translatorisch nachgeführte Achse zu verlagern. So kann die Strahlablenkungsanordnung so ausgelegt sein, die durch Triangulation bedingte distanzabhängige Verschiebung des Empfangsstrahlspots bzw. des Fokus auf dem Detektor im Wesentlichen zu kompensieren. Dank der Flexibilität des Umschaltansatzes ist es ferner möglich, zwei Detektoren bzw. Detektorelemente gleichzeitig auszulesen und das bessere von beiden Empfangssignalen für eine Quadraturdemodulation zu verwenden. Dieser Ansatz erhöht die Komplexität der Umschaltung und auch der Signalverarbeitung, bietet jedoch die Möglichkeit durch die Bildung des Mittelwerts beider Empfangssignale (z.B. vor der Quadraturdemodulation) das im Umschaltbereich halbierte SNR (Signal-Rausch Verhältnis) um den Faktor 2 zu verbessern. Es ist selbstverständlich möglich, mehr als zwei Elemente gleichzeig auszulesen. Ebenfalls ist es möglich, die Umschaltzeitpunkte auch aus den Abstandsinformationen aus dem vorhergehenden Frame zu berechnen.
In den obigen Beispielen kann der maximale vertikale Durchmesser Dv de r Sammellinse in Abhängigkeit von der Länge des Detektorarrays wdet ge wählt werden, z. B. nach der folgenden · Formel:
wobei kmin die minimal realisierbare Blendenzahl bezeichnet (z.B. kmin « 1) und ßv de r maximale Einfallswinkel (Halbwinkel) ist. Bei z.B. wdet = 4mm, kmin « 1 ist der maximale vertikale Durchmesser der Sammellinse ungefähr 1 1 ,3 mm.
Unter Umständen können auch noch kleinere Blendenzahlen erreicht werden, jedoch steigen auch die Aberrationen bei derart lichtstarken Optiken drastisch an. Dies wiederum verringert die optische Effizienz, da die Spotgröße die Detektorgröße übertrifft. Die Sammellinse kann eine Fresnellinse sein. Ein Vorteil einer Fresnellinse ist ihr geringes Gewicht, was vor allem bei großen Linsen zum Tragen kommt. In der Massenfertigung von Kunststoff-Optiken lässt sich mit der Spritzgusstechnik auch mit asphärischen Strukturen ein sehr niedriger Stückkostenpreis erreichen. Zusätzlich haben Fresnellinsen auch sehr geringe Bauraumanforderungen und lassen sich aufgrund ihrer Planarität sehr gut in günstige Halterungskonzepte integrieren. Für die Fertigung geringer Stückzahlen können auch spanende Fertigungsverfahren eingesetzt werden. Ein Nachteil von Fresnellinsen sind jedoch die Schattenbereiche, die durch Totalreflektion an den Seitenwänden der Strukturen auftreten. Der Schatteneffekt kann z.B. durch geschicktes Anordnen der Fresnelstrukturen minimiert, jedoch in vielen Fällen nicht vollständig vermieden werden.
In den obigen Beispielen umfasst der durch den Empfangsstrahl 51 beleuchtete Spot des Detektorarrays vorzugsweise ein Detektorelement. Es ist jedoch möglich, insbesondere in bestimmten Bereichen des Detektorarrays, dass der beleuchtete Spot mehrere Detektorelemente umfasst. Die Empfangsleistung verteilt sich in diesem Fall auf zwei oder mehrere Detektorelemente und wird reduziert. Dies führt in der Regel zu einer Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses. Es ist möglich, die Signale der beleuchteten Detektorelemente zu addieren. Dies führt jedoch nicht zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, weil sich mit dem Signal auch das Rauschen verdoppelt. Mittels einer Mittelung der Signale kann die Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses begrenzt werden.
Fig. 9 zeigt schematisch die Lichtbeugung an einem Transmissionsgitter 12. Im gezeigten Beispiel ist das Gitter ein Blazed Gitter. Derartige Gitter beugen das Licht im Wesentlichen in
eine Beugungsordnung und weisen eine hohe Beugungseffizienz auf. Es ist ebenfalls möglich, andere Gitter zu verwenden, die jedoch Störordnungen aufweisen und weniger effizient sind.
Die Gitterbeugung kann vektoriell mit dem Wellenvektorkonzept beschrieben werden. Durch die Beugung am Gitter addiert sich zum Wellenvektor der einfallenden Wellenfront kin e in
Gittervektor g, so dass nach der Wellenfront der ausfallenden Wellenfront kout die folgende Gleichung (6) erfüllt:
In der Gleichung (6) bezeichnen:
kin = ^ de n Wellenvektor der einfallenden Wellenfront; g = ^ de n Gittevektor; p die Periode des Gitters; und
λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts.
Fig. 10 zeigt eine beispielhafte Strahlablenkungsanordnung umfassend zwei gegenläufig rotierende Transmissionsgitter 13 und 14. Vorzugsweise sind die Gitter 13 und 14 Blazed Gitter. Die Gittervektoren der Transmissionsgitter 12 und 14 sind jeweils gx und g2-
Bei zwei gegenläufig rotierenden Gittern der gleichen Periode, heben sich die Y-Komponenten der beiden Gittervektoren gx und g2 ge genseitig auf. Der Summenvektor g~* s, wobei gs = §i + _?2> ze'§t immer in die gleiche Richtung, hat aber je nach Rotationswinkel einen variablen Betrag, der sich zwischen 0 und 2π periodisch ändert. Damit lässt sich ein linearer Scanner realisieren.
Bezugszeichenliste 1 Laserdiode mit zugehöriger Kollimationsoptik
2 Sendeseitiger Scanspiegel
3 Messobjekt mit reflektierenden und/oder streuenden Eigenschaften
4 Empfangsseitiges bewegliches doppelseitig strukturiertes Mikrolinsenarray oder Lentikularlinsenarray
5 Empfangsseitiges einseitig strukturiertes Mikrolinsenarray oder Lentikularlinsenarray
6 Optisches Filter oder Filteranordnung
7 Sammellinse (z.B. Fresnellinse)
8 Mikrolinsenarray zur Erhöhung des Füllfaktors des Detektorarrays
9 Lineares Detektorarray
10 Multiplexer
1 1 Signalverarbeitung und Signalauswertung
12 Transmissionsgitter
13, 14 gegenläufig rotierende Transmissionsgitter
50 Sendestrahl
51 Empfangsstrahl
LA1-LA3 Mikrolinsenarrays
Claims
1. Optisches System zur Vermessung von Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von drei-dimensionalen Messobjekten und/oder Anordnungen von Messobjekten, umfassend:
zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden eines Sendesträhls (50);
eine Scan- oder Winkelablenkvorrichtung zum Scannen eines Messobjekts (3) mit dem
Sendestrahl (50) entlang zweier Scanachsen;
eine Empfangseinrichtung zum Detektieren zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51) und zum Generieren zumindest eines Empfangssignals, wobei die Empfangseinrichtung zumindest einen Detektor oder ein Detektorarray (9) aufweist;
eine Trackingvorrichtung zum Nachführen des vom Messobjekt (3) in Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51), wobei die erste der beiden Scanachsen optisch und die zweite Scanachse elektronisch nachgeführt wird; und eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des zumindest einen Empfangssignals, um Informationen über die Entfernung zu einzelnen Messpunkten des Messobjekts (3) und/oder über die Reflektivität in einzelnen Messpunkten des Messobjekts (3) zu erhalten,
wobei die Trackingvorrichtung umfasst:
eine transmissive optische Strahlablenkungsanordnung (4, 5: 13, 14), welche ausgelegt ist, das vom Messobjekt (3) in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierte und/oder gestreute Sendestrahllicht (51 ) synchron zum Scanvorgang in der ersten Scanachse abzulenken; und
ein abbildendes optisches Element (7), das ausgelegt ist, das durch die Strahlablenkungsanordnung (4, 5; 13, 14) propagierte Licht auf den Detektor oder das Detektorarray (9) abzubilden; und wobei
die Trackingvorrichtung ferner ausgelegt ist, unterschiedliche Teilbereiche des
Detektors oder des Detektorarrays (9) synchron zum Scanvorgang in der zweiten Scanachse zu schalten, wobei der jeweils geschaltete Teilbereich in Signalverbindung mit der Signalverarbeitungseinrichtung steht.
2. Optisches System nach Anspruch 1, wobei der Detektor ein linearer Detektor ist oder das Dektorarray ein lineares Detektorarray ist.
3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlablenkungsanordnung aufweist:
ein doppelseitiges Mikro- oder Lentikularlinsenarray und ein einseitiges Mikro- oder
Lentikularlinsenarray, wobei das doppelseitige Mikro- oder Lentikularlinsenarray und das einseitige Mikro- oder Lentikularlinsenarray relativ zueinander translatorisch verschiebbar angeordnet sind.
4. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlablenkungsanordnung aufweist:
zwei gegenläufig rotierende Transmissionsgitter (13, 14); oder
ein elektronisch steuerbares Transmissionsgitter.
5. Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das abbildende optische Element (7) eine Fresnellinse ist.
6. Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Scan- oder Winkelablenkvorrichtung einen schwingenden und/oder rotierenden Scanspiegel (2) umfasst.
7. Optisches System nach Anspruch 3 und Anspruch 6, wobei das doppelseitige und/oder das einseitige Mikro- oder Lentikularlinsenarray eine Aussparung aufweist, in welcher der Scanspiegel (2) angeordnet ist.
8. Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die optischen Achsen der Scan- oder Winkelablenkvorrichtung und der Trackingvorrichtung und/oder Empfangseinrichtung koaxial sind.
9. Optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche wobei die Vermessung mittels Lichtlaufzeitmessung und/oder Reflektivitätsmessung erfolgt.
10. Verfahren zur Vermessung von Messobjekten Anordnungen von Messobjekten, insbesondere von drei-dimensionalen Messobjekten und/oder Anordnungen von
Messobjekten, umfassend:
Aussenden zumindest eines Sendestrahls (50);
Scannen eines Messobjekts (3) mit dem zumindest einen Sendestrahl (50) entlang zweier Scanachsen,
Nachführen des vom Messobjekt (3) in Richtung einer Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51), wobei die erste der beiden Scanachsen optisch und die zweite Scanachse elektronisch nachgeführt wird,
Detektieren zumindest eines Teils des vom Messobjekt (3) reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51) mittels zumindest eines Detektors oder zumindest eines Detektorarrays (9) der Empfangseinrichtung und Generieren zumindest eines Empfangssignals; und
Verarbeiten des zumindest einen Empfangssignals mittels einer Signalverarbeitungsvorrichtung,
wobei das optische Nachführen der ersten Scanachse umfasst:
Ablenken des vom Messobjekt (3) in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51) synchron zum Scanvorgang in der ersten Scanachse mittels einer transmissiven optischen Strahlablenkungsanordnung (4, 5; 13, 14); und
Abbilden des durch die Strahlablenkungsanordnung (4, 5; 13, 14) propagierten Lichts (51) auf den Detektor oder das Detektorarray (9); und
wobei das elektronische Nachführen der zweiten Scanachse umfasst:
Schalten von unterschiedlichen Teilbereichen des Detektors oder des Detektorarrays (9) synchron zum Scanvorgang in der zweiten Scanachse, wobei der jeweils geschaltete Teilbereich in Signalverbindung mit der Signalverarbeitungseinrichtung steht.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ablenken des vom Messobjekt (3) in die Richtung der Empfangseinrichtung reflektierten und/oder gestreuten Sendestrahllichts (51): mittels einer translatorischen Bewegung eines doppelseitigen Mikro- oder
Lentikularlinsenarrays und eines einseitigen Mikro- oder Lentikularlinsenarrays relativ zueinander erfolgt; oder
mittels einer gegenläufigen Rotation zweier Transmissionsgitter ( 13, 14) oder mittels eines elektronisch schaltbaren Transmissionsgitters erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , wobei
das Abbilden des durch die Strahlablenkungsanordnung (4, 5; 13, 14) propagierten Lichts (51) auf den Detektor oder das Detektorarray (9) mittels einer Fresnellinse erfolgt; und/oder
das Scannen des Messobjekts (3) mit dem Sendestrahl (50) mittels eines schwingenden und/oder rotierenden Scanspiegels (2) erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Detektor ein linearer Detektor ist oder das Dektorarray ein lineares Detektorarray ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Vermessung mittels Lichtlaufzeitmessung und/oder Reflektivitätsmessung erfolgt.
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