Rogers, John Rice
Rogers, John Rice
| 1. | Verfahren zur Bestimmung der durch einen horizontalen und vertikalen Winkel definierten Richtung zu einem Objekt (10,30), welches eine optische Strahlung emittiert oder reflektiert, wobei die Strahlung von einer Abbildungs¬ optik (12,29) zur Erzeugung eines Objektbildes (20) auf einem ortsauflosen den optoelektronischen Detektor (13) aufgenommen wird, die Detektorsignale einer Auswerteeinrichtung (17) zugeführt werden und aus den Koordinaten des Objektbildes (20) auf dem Detektor (13) die Richtung zum Objekt (10,30) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem optischen Element (14, 16,24) die Wellenfront (1 1 , 11a) der vom Objekt (10,30) kommenden Strahlung derart strukturiert wird, daß auf dem Detektor (13) eine Intensitats¬ verteilung (14', 16', 26') mit mehr als einem Intensitatsmaximum erzeugt wird, und daß aus der gemessenen Intensitatsverteilung (14', 16', 26') unter Einbeziehung der Strukturfunktion des optischen Elements (14,16,24) die Richtung zum Objekt (10,30) ermittelt wird . |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Orts¬ grundfrequenz oder eine harmonische Ortsoberfrequenz der von dem optischen Element (14, 16,24) auf dem Detektor (13) erzeugten Intensitats Verteilung (14', 16', 26') mit der Ortsgrundfrequenz der strahlungsempfind hchen Strukturen des Detektors (13) ein niederfrequentes Uberlagerungs¬ muster bildet. |
| 3. | Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem eine optische Strahlung emittierenden oder reflektierenden Objekt (10,30), einer Abbildungsoptik (12,29), einem ortsauflosenden optoelektronischen Detektor (13) und einer Auswerteeinrichtung (17), dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem Objekt (10,30) und dem Detektor (13) ein optisches Element (14, 16,24) angeordnet ist, das aus der Wellenfront (1 1 ,11 a) der optischen Strahlung auf dem Detektor (13) eine Intensitats¬ verteilung (14', 16', 26') mit mehr als einem Intensitatsmaximum erzeugt Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wellenfront (11 ,11a) der Strahlung strukturierende optische Element (14,16,24) in der Ebene der Austrittspupille oder in einer dazu konjugierten Pupillenebene der Abbildungsoptik (12,29) angeordnet ist Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer der Oberflachen der Abbildungsoptik (12,29) ein die Wellenfront (11 1 1a) der Strahlung strukturierendes optisches Element (14 16,24) aufgebracht ist 6 Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wellenfront (11 ,11a) der Strahlung strukturierende optische Element (14,16,24) zugleich abbildende Eigenschaften aufweist und die Abbildungsoptik (12,29) ersetzt 7 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (14,16,24) ortsabhangig unterschiedlich refraktive Strukturen enthalt 8 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß das optische Element (14,16,24) Beugungsstrukturen enthalt 9 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (14,16,24) Strukturen enthalt, die die Strahlung ortsabhangig unterschiedlich polarisieren Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wellenfront (1 1 ,1 1a) der Strahlung strukturierende optische Element (14,16,24) in Transmission arbeitet Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wellenfront (11 ,11a) der Strahlung strukturierende optische Element (14,16,24) in Reflexion arbeitet. |
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der durch einen horizontalen und vertikalen Winkel definierten Richtung zu einem Objekt, welches eine optische Strahlung emittiert oder reflektiert, wobei die Strahlung von einer Abbildungsoptik zur Erzeugung eines Objektbildes auf einem ortsauflosenden optoelektronischen Detektor auf¬ genommen wird, die Detektorsignale einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden und aus den Koordinaten des Objektbildes auf dem Detektor die Richtung zum Objekt ermittelt wird
Die von dem Objekt kommende Strahlung soll im optischen Wellenlangenbereich liegen und vom Objekt emittiert, gestreut oder reflektiert werden
Aus der DE 32 33 013 A1 ist eine optische Anordnung bekannt, mit der die räumliche Lage eines 3-dιmensιonalen Objektes mittels Kantendetektion erkannt und ausgewertet und die Entfernung zum Objekt ermittelt werden kann Diese Anordnung ist vor allem bei Bildauswertesystemen für Handhabungsautomaten anwendbar Zur dreidimensionalen Lageerkennung werden zwei hintereinander angeordnete Objektive mit unterschiedlichen Blendenöffnungen ein Rasterfilter und eine Fernsehkamera eingesetzt Es werden bestimmte geometrische Beziehungen sowohl zwischen diesen Baugruppen innerhalb der optischen Anordnung als auch zu dem abzubildenden Objekt eingehalten, um die Abbildungsgleichungen zu erfüllen
Das Rasterfilter besteht aus raumlich ausgeprägten, periodischen Strukturen, wie z B sinusförmig gewölbten Oberflachen, Linsen, Zylinderlinsen oder Prismen mit vorgegebener Schräge oder gekreuzt angeordneten Prismen¬ elementen Diese Strukturen nutzen die Brechung der Lichtstrahlen, die dadurch um einen bestimmten Winkel α abgelenkt werden und so eine Verschiebung der abzubildenden Objektpunkte bewirken Durch die periodischen Strukturen des
Rasterfilters werden die Helligkeitsübergänge an den Kanten des Objektes periodisch moduliert. Sie werden von der Fernsehkamera zeilenweise aufgenommenen und die Signale elektronisch ausgewertet. Die periodischen Störungen des Kantenbildes enthalten in einer durch das Rasterfilter codierten Form die Informationen über die Drehlage und den Verlauf der Objektkonturen. Die Entfernung zum Objekt wird aufgrund der bestehenden funktionalen Zusammenhänge ebenfalls aus der Überlagerung der abgebildeten Objektkonturen mit der Rasterstruktur des Rasterfilters abgeleitet.
Die Verwendung von refraktiven, räumlichen Strukturen für das Rasterfilter sowie die Verwendung zweier Objektive und die Einhaltung einer Reihe von geometrischen Bedingungen bedeuten einen umfangreichen Herstellungs- und Justieraufwand. Die Aufnahme durch die Fernsehkamera erfolgt mit der durch die Videoabtastung vorgegebenen Auflösung.
Aus der CH 665 715 A5 ist ein Verfahren zum Messen der Winkelablage eines Objektes mittels objektbezogener und als optisch strukturierte Rasterscheiben ausgebildeter Zielmarken bekannt. Dabei wird ein Bild der Zielmarke foto¬ elektrisch ausgewertet, und die so erhaltenen Informationen werden mit einer der Zielmarke entsprechenden Referenzmarke verglichen. Im einzelnen wird die mit einem definierten Zentrum versehene Zielmarke auf die Detektionsebene eines Detektor-Arrays abgebildet, worauf die so erhaltenen Werte einem Korrelationsvergleich mit der Referenzmarke unterzogen werden. Aus dem Vergleichsergebnis wird sodann die Ablage des Zentrums der Zielmarke von der optischen Achse berechnet. Die verfügbare Auflösung der Objektstruktur und - läge ist bei diesem bekannten Verfahren in erster Linie durch die einzelnen Detektionsbereiche des Detektor-Arrays, d.h. die diskrete Pixelgeometrie, gegeben und entsprechend begrenzt.
In der Zeitschrift Technische Rundschau Nr. 39,1988 werden auf S.14-18 unter dem Titel „Theodolitsysteme für industrielle und geodätische Messungen" von W. Huep und O. Katowski Theodolitsysteme beschrieben, die zur berührungs- losen Vermessung von Oberflächen wie z.B. Verkleidungen von Flugzeugen oder Karosserieteilen mit Hilfe von reflektierenden Zielmarken eingesetzt
werden Hierbei beleuchtet ein koaxial zur Achse des Theodohtfernrohrs angeordneter Scheinwerfer eine Zielmarke, die vom Theodolitfernrohr auf einem CCD-Array als ortsauflosendem Detektor abgebildet wird Eine elektronische Auswerteeinrichtung mit einem Rechner bestimmt den Mittelpunkt des Ziel- markenbildes Aus den Mittelpunktskoordinaten des Zielmarkenbildes auf dem CCD-Array wird der horizontale und vertikale Winkel der Zielmarke in einem vorgegebenen Koordinatensystem ermittelt
Als Zielmarken dienen oberflachenreflektierende Kugeln, z B verchromte, polierte Stahlkugeln, die unabhängig von der Beobachtungsrichtung jeweils das gleiche Zielmarkenbild darbieten Die spiegelnden Kugeln erzeugen ein im Inneren der Kugel hegendes virtuelles Bild der Schemwerferpupille des Theodoliten, das mit dem Fernrohr des Theodoliten beobachtet und auf dem CCD-Array dargestellt wird Wegen der kleinen Brennweite der Kugeln ist jedoch das Pupillenbild in der Kugel bereits in kurzer Entfernung zwischen Theodolit und Kugel beugungsbegrenzt klein, und es ist auf dem CCD-Array kleiner als dessen Pixelgroße Damit überhaupt eine Aufnahme erfolgen kann, wird das Theodolitfernrohr derart defokussiert, daß ein Lichtfleck entsteht, der von mehreren Pixeln des CCD-Arrays aufgenommen werden kann Aus dem so gewonnenen Lichtfleck wird dessen Mittelpunkt durch Schwerpunkt- oder Konturauswertung bestimmt Aufgrund der Defokussierung fuhren allerdings die unterschiedliche Intensitatsverteilung der Strahlung im Lichtfleck und dessen unscharfer Rand zu Meßfehlern
Generell können natürlich Objektive mit einem großen Abbildungsmaßstab oder einem zur Entfernungsanpassung variablen Abbildungsmaßstab verwendet werden, um ein ausreichend großes Bild auf dem CCD-Array zu erhalten Dadurch konnte beispielsweise das genannte Defokussieren des Theodoht¬ fernrohrs zur Erzeugung eines ausreichend großen Lichtfleckdurchmessers entfallen Jedoch hat ein großer Abbildungsmaßstab den Einsatz einer ent¬ sprechend großen Objektivbrennweite zur Folge Spezielle Fernrohrobjektive oder Kollimatoren besitzen hierfür Brennweiten von 2m und mehr Dabei wird zwangsläufig der Winkelmeßbereich bei gleicher Detektorgroße deutlich
eingeschränkt Zudem ergeben Kollimatoren mit derartigen Brennweiten großvolumige optische Instrumente mit großem Gewicht
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit bei sehr geringem Aufwand an optischen Bauteilen und Justierungen und bei drastisch verkürzten mechanischen Baulangen die Richtung der von einem Objekt kommenden optischen Strahlung innerhalb eines großen Wmkelmeßbereichs bestimmt werden kann, wobei eine Präzision erreicht werden soll, die weit über das konstruktiv bedingte Ortsauflosungs- vermogen eines einzusetzenden optoelektronischen Detektors hinausgeht
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelost, daß mit einem optischen Element die Wellenfront der vom Objekt kommenden Strahlung derart strukturiert wird, daß auf dem Detektor eine Intensitatsverteilung mit mehr als einem Intensitatsmaximum erzeugt wird, und daß aus der gemessenen Intensitatsverteilung unter Einbeziehung der Strukturfunktion des optischen Elements die Richtung zum Objekt ermittelt wird Weiterhin wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Vorrichtungsanspruchs 3 angegebenen Merkmale gelost
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteranspruche
Die von einer Punkthchtquelle emittierte Strahlung breitet sich in einem homogenen Medium in alle Raumrichtungen kugelförmig aus Dies bedeutet, daß die Flachen gleicher Phase Kugeloberflachen sind und sich ausdehnen Eine Kugeloberflache ist in größerer Entfernung zu ihrem Mittelpunkt und in einem kleinen Ausschnitt betrachtet nahezu eben Entspricht diesem Ausschnitt die Öffnung einer Abbildungsoptik, so empfangt diese eine angenähert ebene Welle oder - im Strahlenbild betrachtet - nahezu parallele Strahlen
Die Abbildungsoptik, die im einfachsten Fall durch eine Sammellinse dargestellt werden kann, fokussiert eine solche Strahlung tn ihrer Brennebene Deswegen erscheint eine weit entfernte Punkthchtquelle punktformig in der Brennebene der
Abbildungsoptik Dasselbe gilt auch für einen durch Projektion einer Strahlungs¬ quelle auf einem entfernten Objekt erzeugten annähernd punktformigen Strahlungsfleck Ebenso wird eine von einer Strahlungsquelle emittierte und durch eine optische Vorrichtung zu einem Parallelstrahlenbundel geformte Strahlung von der Abbildungsoptik punktformig in ihrer Brennebene abgebildet Das Parallelstrahlenbundel kann dabei direkt oder über den Weg einer Reflexion an einem ebenen Objekt in die Abbildungsoptik gelangen
Ein in der Brennebene der Abbildungsoptik angeordneter ortsempfindlicher Detektor registriert bei ausreichendem Ortsauflosungsvermogen die punkt- formige Abbildung als Intensitatsmaximum an einem bestimmten Ort Dieser Ort auf dem Detektor hangt von dem Winkel ab, den das Parallelstrahlenbundel mit der optischen Achse der Abbildungsoptik bildet Mit zunehmendem Winkel wandert die punktformige Abbildung von der optischen Achse weg Bei drei¬ dimensionaler Betrachtung und mit einem zweidimensional ortsempfindhchen Detektor wird jeder Koordinatenpunkt auf dem Detektor in eindeutiger Weise einer Richtung der einfallenden Strahlung zugeordnet, wobei die Richtung durch einen horizontalen und vertikalen Winkel gegeben ist Erfolgt also eine Richtungsanderung der einfallenden Strahlung durch Veränderung eines oder beider dieser Winkel, so andern sich damit die Koordinaten des Strahlungs- punktes auf der Detektorflache
Diese Beschreibung gilt auch für Problemstellungen, bei denen die Messung nur eines Winkels in einer feststehenden Ebene verlangt wird Die Angabe eines zweiten Winkels ist hierfür unerheblich, er kann willkürlich zu null gesetzt werden Für einen solchen Fall kann auch ein eindimensional ortsempfindlicher Detektor wie z B eine lineare Diodenzeile eingesetzt werden
Neben den bisher betrachteten ebenen Wellen können natürlich auch Kugelwellen von der Abbildungsoptik aufgenommen werden In einem solchen Fall befindet sich das Objekt im Nahbereich der Abbildungsoptik und emittiert oder reflektiert eine punktformige Strahlung Somit ist eine Scharfeinstellung der Abbildungsoptik notwendig, wobei das Objekt in der Bildebene der Abbildungs¬ optik abgebildet wird Dabei muß dann zur Richtungsbestimmung neben den
Koordinaten des Bildpunktes auf dem Detektor naturlich auch die eingestellte Bildweite der Abbildungsoptik berücksichtigt werden
Erfindungsgemaß wird ein optisches Element in den Strahlengang gebracht, das die Wellenfront der vom Objekt kommenden Strahlung derart strukturiert, daß auf dem Detektor statt des herkömmlichen punktformigen Objektbildes eine Intensitatsverteilung mit mehr als einem Intensitatsmaximum entsteht Das optische Element kann dabei grundsätzlich an beliebiger Stelle im Strahlengang angeordnet sein Vorzugsweise wird es aber in der Nahe oder direkt in der Ebene der Austπttspupille oder in einer dazu konjugierten Pupillenebene der Abbildungsoptik angeordnet Selbstverständlich kann eine konjugierte Pupillen¬ ebene auch vor der Abbildungsoptik, d h zwischen Abbildungsoptik und Objekt hegen, wobei auch dort das die Wellenfront strukturierende optische Element angeordnet werden kann
Die physikalische Wirkung des optischen Elements auf die Wellenfront der Strahlung laßt sich mathematisch in eindeutiger Weise durch die Struktur¬ funktion des optischen Elements beschreiben, die durch den Aufbau des optischen Elements bestimmt ist Die Strukturfunktion wirkt auf die Wellenfront der Strahlung und fuhrt zu einer entsprechenden Intensitatsverteilung auf dem Detektor Aufgrund der Eindeutigkeit dieses Zusammenhangs kann in umge- kehrter Reihenfolge aus der gemessenen Intensitatsverteilung und mittels der Strukturfunktion des optischen Elements die einfallende Wellenfront rekon¬ struiert und damit deren Herkunftsrichtung, also die Richtung der vom Objekt kommenden Strahlung bestimmt werden Prinzipiell ist es auch möglich, statt der Strukturfunktion des optischen Elements das Ergebnis einer voran- gegangenen Kalibrierung zu verwenden
Für die Realisierung eines derartigen die Wellenfront strukturierenden optischen Elements können verschiedene optische Eigenschaften ausgenutzt werden. So laßt sich beispielsweise die Wellenfront der Strahlung durch refraktive, reflektive oder polarisierende Eigenschaften oder auch durch den Effekt der Beugung räumlich beeinflussen
Bei Einsatz refraktiver Strukturen wird das optische Element durch ortsabhangig unterschiedliche Brechungsindices oder Materialdicken charakterisiert Um eine gewünschte Intensitatsstruktur auf dem Detektor zu erzielen, kann die räumliche Wellenfrontmodulation durch die sie erzeugende Brechungsindexfunktion bzw Dickenfunktion entsprechend variiert werden Die Brechungsindex- und Dicken¬ funktion stellen die Strukturfunktion des optischen Elements dar
In ähnlicher Weise können ortsabhangig unterschiedlich polarisierende Bereiche verwendet werden Dichroitische Materialien liefern eine lineare Polarisation, die je nach Ausrichtung dieser Materialien in Abhängigkeit des Ortes zu verschie- denen Polaπsationsπchtungen fuhren Im allgemeinen Fall sind auch unter¬ schiedliche elliptische Polaπsationszustande möglich, die z B mit ortlich variierender Dicke von doppelbrechenden Materialien erzeugt werden Mit Hilfe eines Analysators entsteht aus der örtlichen Polaπsationsmodulatton, die in diesem Fall die Strukturfunktion des strukturierenden optischen Elements darstellt, eine entsprechende Intensitatsverteilung auf dem Detektor
Auch mit Hilfe von Beugungsstrukturen kann das erfindungsgemaße optische Element dargestellt werden Hierfür lassen sich z B Fresnel-Zonenplatten oder holographische Elemente, bei denen die Gitterstruktur lokal variiert, einsetzen Solche Beugungsstrukturen lassen sich durch verschiedene Lithografie-, Atz- oder Aufdampfverfahren oder durch Prägen, Blankpressen oder Fräsen auf einem Trager herstellen Dabei kann der Trager für die Strahlung transmittierend oder reflektierend sein, d h das optische Element kann in Transmission oder Reflexion eingesetzt werden
Letztlich können für das optische Element alle physikalischen Effekte aus- genutzt werden, die aus der einfallenden Strahlung eine durch die Struktur des optischen Elements bedingte räumliche Modulation der Wellenfront derart bewirken, daß auf dem Detektor eine Intensitatsverteilung mit mehr als einem Intensitatsmaximum entsteht Die Intensitatsverteilung kann auch als ein Intensitatsmuster oder als Code betrachtet werden Bei Richtungsanderung der einfallenden Strahlung verschiebt sich das Intensitatsmuster oder der Code auf dem Detektor
Die Auswertung der gemessenen Intensitatsverteilung erfolgt beispielsweise mit den bekannten Methoden der Mittelwertbildung oder durch Fit-Algoπthmen Sie liefert eine deutlich verbesserte Genauigkeit der Richtungsmessung gegenüber der Auswertung eines einzelnen Strahlungspunktes, denn die Lageauswertung einer ausgedehnten Struktur fuhrt zu einem besseren Signal-Rauschverhaltnis Zudem wird die Gefahr der Uberbelichtung des Detektors deutlich verringert, die sonst bei der Fokussierung der einfallenden Strahlung auf nur einen einzigen Strahlungspunkt stets vorhanden ist Außerdem ist die Auswertung einer Intensitatsverteilung zuverlässiger, denn Störungen im Strahlengang werden durch die Messung einer Vielzahl von Strahlungspunkten der Intensitats¬ verteilung leicht ausgeglichen
Ein besonders verbessertes Ortsauflosungsvermogen und somit eine besondere Meßempfindhchkeit für die Richtungsbestimmung ergibt sich aus einer Intensitatsverteilung, deren Ortsgrundfrequenz oder eine ihrer harmo- nischen Ortsoberfrequenzen mit der Ortsgrundfrequenz der strahlungs- empfmdlichen Strukturen des Detektors ein niederfrequentes Uberlagerungs- muster bildet Das niederfrequente Uberlagerungsmuster wirkt in derselben Art und Weise wie ein Moiremuster Von Moiremustern ist bekannt, daß sie sehr empfindlich auf eine Verschiebung der sie erzeugenden Strukturen reagieren Dies bedeutet hier, daß bereits bei einer sehr geringen Verschiebung der
Intensitatsverteilung auf dem Detektor gegenüber dessen Pixelstruktur sich das niederfrequente Uberlagerungsmuster in seiner Ortsfrequenz stark ändert Die Änderung des Uberlagerungsmusters ist also ein sehr empfindlich reagierender Indikator für Veränderungen der Intensitatsverteilung auf dem Detektor Damit kann eine Ortsinformation um mehr als einen Faktor 100 besser aufgelost werden als es von der Geometrie der Pixelstruktur des Detektors her möglich wäre Daraus resultiert eine entsprechend hohe Genauigkeit der Winkel- und somit Richtungsbestimmung zum Objekt
Neben der Steigerung der Genauigkeit und der Robustheit der Richtungs- messung bringt die Erzeugung einer strukturierten Lichtverteilung auf dem Detektor noch den weiteren Vorteil der Meßbereichserweiterung mit sich Bei einer punktformigen Lichtverteilung wird der Richtungsmeßbereich durch die
Große der Detektorflache bestimmt Bei einer strukturierten Intensitatsverteilung ist jedoch die Ausdehnung der räumlichen Strukturen bestimmend Diese kann erheblich großer sein als die Detektorflache Selbst wenn ein größerer Teil der Intensitatsverteilung nicht mehr innerhalb der aktiven Detektorflache liegt, ist eine Richtungsbestimmung möglich Dies verdeutlicht folgendes Beispiel
Bereits durch die Beugung an einem einfachen Beugungsgitter mit geradlinigen Strukturen entsteht auf dem Detektor eine Intensitatsverteilung mit einem Hauptmaximum und mehreren, beidseitig angeordneten Nebenmaxima Dabei können die Nebenmaxima, also die Beugungsmaxima höherer Ordnung, über die aktive Detektorflache hinausreichen Liegt aufgrund eines großen Einfalls¬ winkels der Strahlung das Hauptmaximum, das der ursprünglichen punkt¬ formigen Abbildung der Strahlungsquelle entspricht, nicht mehr auf der aktiven Detektorflache, so kann es aus der Lage der Nebenmaxima rekonstruiert werden Entscheidend ist nur, daß sich die Nebenmaxima identifizieren lassen, was prinzipiell wegen ihrer unterschiedlichen Intensitäten möglich ist
Zusammenfassend bestehen die Vorteile der Erfindung dann, daß mit Hilfe des die Wellenfront strukturierenden optischen Elements eine höhere Meß- genauigkeit und ein größerer Meßbereich für die Richtungsbestimmung zu einem Objekt ermöglicht wird Aufgrund des deutlich verbesserten Orts- auflosungsvermogens genügt eine einfache, kurzbrennweitige Abbildungsoptik Daraus ergeben sich vorteilhafterweise einerseits erheblich verkürzte mechanische Baulangen und ein geringer Aufwand an optischen Bauteilen und Justierungen Somit werden Handhabung und Kosten verbessert Andererseits ermöglichen kurze Brennweiten einen größeren Winkelmeßbereich zum Objekt Dieser wird außerdem aufgrund der ausgedehnten Intensitatsverteilung über die Detektorgroße hinaus noch wesentlich vergrößert Dadurch wird selbst dann noch eine Richtungsbestimmung ermöglicht, wenn sich das herkömmliche Objektbild bereits außerhalb der strahlungsempfindlichen Flache des Detektors befindet
Folgende Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung naher erläutert Es zeigt
Fig 1 a eine schematische Darstellung eines die Wellenfront einer Strahlung strukturierenden optischen Elements in Transmission, das separat zwischen einer Abbildungsoptik und einem Detektor angeordnet ist, wobei die ankommende Strahlung ebene Wellenfronten besitzt,
5 Fig 1 b eine schematische Darstellung wie in Fig 1a, bei der jedoch das optische Element zwischen Abbildungsoptik und Strahlungsquelle angeordnet ist,
Fig.2 eine schematische Darstellung gemäß Fig 1a, bei der die von einem Drehspiegel reflektierte Strahlung aufgenommen wird ,
o Fig 3 eine schematische Darstellung gemäß Fig 1 a, wobei jedoch die ankommende Strahlung kugelförmige Wellenfronten besitzt,
Fig 4 eine schematische Darstellung des Erfindungsgegenstandes, wobei die die Wellenfront der Strahlung räumlich modulierenden Strukturen direkt auf einer Oberflache einer refraktiven Abbildungsoptik 5 aufgebracht sind,
Fig 5 eine schematische Darstellung eines die Wellenfront der Strahlung strukturierenden optischen Elements, das zugleich abbildende Eigenschaften aufweist,
Fig 6 eine schematische Darstellung eines in Reflexion arbeitenden, die 0 Wellenfront der Strahlung strukturierenden optischen Elements,
Fig 7 eine schematische Darstellung des Erfindungsgegenstandes, wobei die die Wellenfront der Strahlung räumlich modulierenden Strukturen auf einer Oberflache einer reflexiven Abbildungsoptik aufgebracht sind und
->s Fig 8 eine mit dem erfindungsgemaßen optischen Element erzeugte Intensitatsverteilung
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Fig 1 a zeigt eine schematische Darstellung eines die Wellenfront einer Strahlung strukturierenden optischen Elements 14 in Transmission Das optische Element 14 ist separat zwischen einer Abbildungsoptik 12, in diesem Fall einem Objektiv mit refraktiver Optik, und einem ortsauflosenden opto- elektronischen Detektor 13 angeordnet Als beobachtetes Objekt 10 dient hier eine entfernte Strahlungsquelle, wobei die in die Abbildungsoptik 12 einfallende Strahlung annähernd ebene Wellenfronten 11 besitzt Ebenso kann als beobachtetes Objekt 10 auch ein reflektierender Korper dienen, der von der Strahlung einer Strahlungsquelle oder durch Streulicht beleuchtet wird und dessen reflektierte Strahlung mit annähernd ebenen Wellenfronten 1 1 von der Abbildungsoptik 12 aufgenommen wird
Ohne das optische Element 14 wurden die ankommenden ebenen Wellenfronten 11 von der Abbildungsoptik 12 punktformig am Ort 20 auf dem Detektor 13 abgebildet Der Durchmesser dieses Strahlungsflecks ist im allgemeinen klein im Vergleich zu den lichtempfindlichen Strukturen des Detektors 13 Somit ist die Ortsgrundfrequenz (Abtastfrequenz) der lichtempfindlichen Detektor¬ strukturen zu klein, um die hohen Ortsfrequenzanteile der punktformigen Intensitatsverteilung zu erfassen Wird nun das erfmdungsgemaße die Wellen¬ front 11 der Strahlung strukturierende optische Element 14 in den Strahlengang gemäß Fig 1a eingebracht, so werden die ankommenden Wellenfronten 11 derart räumlich moduliert, daß auf dem Detektor 13 anstelle der punktformigen Abbildung 20 des Objektes 10 eine Intensitatsverteilung 14' mit mehr als einem Intensitatsmaximum entsteht Die Detektorsignale werden in eine Auswerte¬ einrichtung 17 übertragen, in der die Lage der Intensitatsmaxima der Intensitats- Verteilung 14' ermittelt wird Mit Hilfe der Strukturfunktion des optischen
Elements 14 wird daraus der horizontale und vertikale Winkel der einfallenden Wellenfronten 11 , also die Richtung zum beobachteten Objekt 10 bestimmt
Diese Richtung kann besonders präzise bestimmt werden, wenn die Orts¬ grundfrequenz oder eine der Ortsoberfrequenzen der Intensitatsverteilung 14' mit der Ortsgrundfrequenz der Detektorstrukturen ein niederfrequentes
Uberlagerungsmuster bildet Dieses Uberlagerungsmuster ist sehr empfindlich
auf seitliche Bewegungen des Objektes 10, also auf Richtungsanderungen der in die Abbildungsoptik 12 einfallenden Strahlung, die entsprechende Verschie¬ bungen der Intensitatsverteilung 14' auf dem Detektor 13 bewirken Somit kann auch eine sehr präzise dynamische Messung erfolgen und eine laterale Bewegung des Objekts 10 exakt registriert, gemessen und verfolgt werden Falls dabei das Objekt 10 den Erfassungsbereich der Anordnung in Fig 1a verlaßt, kann bei Motorisierung und Automatisierung der Anordnung das Objekt 10 kontinuierlich über den gesamten Raumwinkeibereich verfolgt werden
Als ein die Wellenfront strukturierendes optisches Element 14 dient hier eine Glasplatte mit einer eingeatzten Struktur Das optische Element 14 ist somit im Glassubstrat monolithisch integriert Es kann auch ein Amplituden- oder Phasenhologramm verwendet werden Andere Reahsierungsmoghchkeiten sind oben bereits genannt worden Das optische Element 14 wird vorzugsweise in der Nahe oder in der Austπttspupille oder einer dazu konjugierten Pupillenebene der Abbildungsoptik 12 angeordnet Eine solche konjugierte Pupillenebene kann auch vor der Abbildungsoptik 12, also zwischen dieser und dem Objekt 10 hegen Ein an dieser Stelle angeordnetes optisches Element 14 ist in Fig 1 b gezeigt
Die Darstellung gemäß Fig 2 zeigt als beobachtetes Objekt einen Drehspiegel 30, der in diesem Ausfuhrungsbeispiel aus 6 ebenen Spiegeln zusammen¬ gesetzt ist Seine Drehachse 31 ist stationär angeordnet Eine Strahlungsquelle 5 ist ebenfalls stationär angeordnet und beleuchtet den Drehspiegel 30, der die auftreffende Strahlung reflektiert Der Reflexionswinkel ist dabei von der Dreh¬ lage des Drehspiegels 30 abhangig Somit besitzt die reflektierte Strahlung eine der Drehlage zugeordnete Richtung Eine Drehbewegung des Drehspiegels 30 bewirkt eine Richtungsanderung der reflektierten Strahlung Mit der dargestell¬ ten Anordnung und der erfindungsgemaßen Richtungsmessung kann die Dreh¬ lage des Drehspiegels 30 hochprazise ermittelt werden
In der Darstellung nach Fig 3 empfangt die Abbildungsoptik 12 kugelförmige Wellenfronten 11a Das Objekt 10 befindet sich also in großer Nahe zur Abbildungsoptik 12 Um eine Abbildung zu gewahrleisten, befindet sich
deswegen der Detektor 13 in einer Bildebene B Je nach Abstand zwischen dem Objekt 10 und der Abbildungsoptik 12 verändert sich bei einer Scharfeinstellung die Bildweite b und somit die Lage der Intensitatsverteilung auf dem Detektor Dies ist bei der Richtungsbestimmung zu berücksichtigen
Im Ausfuhrungsbeispiel nach Fig 4 ist als Abbildungsoptik 12 ein plankonvexes Objektiv gezeigt Auf dessen Planflache sind Strukturen 16 aufgebracht Die Strukturen 16 sind denen des optischen Elements 14 gleichartig wie sie in der Beschreibung von Fig 1a erwähnt sind Insbesondere können die Strukturen 16 auch Beugungsstrukturen sein Sie werden beispielsweise durch Atzen oder Aufdampfen hergestellt oder als Folie aufgebracht Anstelle einer nur wenige Informationen liefernden punktformigen Abbildung 20 der einfallenden ebenen Wellenfronten 1 1 bewirken die Strukturen 16 eine Intensitatsverteilung 16' Daraus resultieren für die Richtungsmessung die bereits genannten Vorteile der höheren Meßgenauigkeit, der Meßbereichserweiterung und der Kompaktheit des optisch-mechanischen Aufbaus In diesem Ausfuhrungsbeispiel wird zudem auch der geringe Bauteileaufwand mit letztlich nur einem einzigen optischen Bauteil verdeutlicht
Fig 5 zeigt ein optisches Element 24, das mit Hilfe seiner Strukturen 26 abbildende Eigenschaften aufweist und zugleich die Wellenfront der em- fallenden Strahlung strukturiert Somit erzeugen die Strukturen 26 aus den einfallenden Wellenfronten 11 eine aus mehreren Intensitatsmaxima bestehende Intensitatsverteilung 26' bei gleichzeitiger Scharfstellung
In den Ausfuhrungsbeispielen nach Fig 1-5 arbeiten die die Wellenfront der Strahlung strukturierenden optischen Elemente in Transmission Hingegen zeigt Fig 6 ein in Reflexion arbeitendes, die Wellenfront strukturierendes optisches Element 28 Es können die gleichen Strukturen 16 wie beim transmissiven optischen Element 14 eingesetzt werden mit einer verspiegelten Ruckseite des optischen Elements 28 Die Strukturen 16 können aber auch in sich bereits reflektierende Eigenschaften besitzen Die Abbildung der Strahlung erfolgt mittels der refraktiven Abbildungsoptik 12
Andererseits kann auch eine reflexive Abbildungsoptik wie beispielsweise ein Konkavspiegel 29 gemäß Fig 7 zur Abbildung der Wellenfronten 11 verwendet werden In diesem Ausfuhrungsbeispiel sind die Strukturen 16, die die Intensitatsverteilung 16' erzeugen, auf der Innenflache des Konkavspiegels 29 aufgebracht Die prinzipielle Funktionsweise entspricht derjenigen der obigen Ausfuhrungsbeispiele
Bei Verwendung eines zweidimensional ortsempfindhchen Detektors 13 wird die Intensitatsverteilung, wie sie mit einem der in den Fig 1-7 gezeigten, die Wellenfront strukturierenden optischen Elemente erzeugt wird, in zwei Dimensionen zugleich erfaßt Fig 8 zeigt aus dieser zweidimensionalen Intensitatsverteilung einen Ausschnitt, namhch den Verlauf der Intensität in Abhängigkeit der Koordinate x bei einer bestimmten Koordinate y des Detektors 13 Im übrigen kann bekanntermaßen zur Erfassung der zweidimensionalen Lage einer Intensitatsverteilung auch ein eindimensionaler, nur in der x- Koordinate ortsempfindlicher Detektor 13 genügen Hierbei muß aber eine spezielle, eindeutig von der y-Koordinate abhangige Intensitatsverteilung verwendet werden Um aus einer solchen, von einem linearen oder flächigen ortsempfindhchen Detektor 13 erfaßten zweidimensionalen Intensitatsverteilung die Richtung zu dem Objekt 10 zu ermitteln, wird im folgenden beispielhaft von einer einfallenden ebenen Wellenfront 11 ausgegangen
Eine aus einer bestimmten Bezugsrichtung kommende ebene Welle wird durch die elektrische Feldstarke E = A * exp (ikr) beschrieben, mit A als komplexer Amplitude, die das hier nicht interessierende zeitliche Verhalten und die Anfangsphase der Welle beschreibt, und dem Wellenzahlvektor k und dem Ortsvektor r, die im komplexen Exponenten der e-Funktion stehen Der
Wellenzahlvektor k steht senkrecht auf der Wellenfront 11 und gibt somit die Richtung der Strahlung und somit auch die Richtung zum Objekt an Die elektrische Feldstarke E wird mit der von den Ortskoordinaten abhangigen Strukturfunktion S des optischen Elements, die mit der Herstellung des Elements bekannt ist, multipliziert Nach Fourter-Transformation bzw
gegebenenfalls nach Berechnung des Fresnel-Integrals und Bildung des Betragsquadrats ergibt sich eine Intensitatsverteilung für die Bezugsrichtung
Diese Intensitatsverteilung hegt anschaulich gesprochen als Luftbild in der Detektorebene vor Aus diesem Luftbild entsteht durch die diskreten, d h aus einzelnen Pixeln bestehenden Strukturen des optoelektronischen Detektors 13 das detektierte Bild Mit Hilfe der bekannten Detektorstrukturen laßt sich in Fort¬ fuhrung des bisherigen Rechenganges aus dem Luftbild das detektierte Bild berechnen Diese Berechnung kann durch stellenweise Integration des Luftbildes, also durch eine Integration bei jedem Pixel, oder auch durch mathematisch äquivalente Verfahren erfolgen
Eine laterale Bewegung des Objekts 10, also eine Richtungsanderung zum Objekt 10 fuhrt zu einer Veränderung des Einfallswinkels der einfallenden Welle und dadurch im einfachsten Fall zu einem seitlichen Versatz des detektierten Bildes In einem solchen Fall kann der Versatz des detektierten Bildes gegen- über dem für die Bezugsrichtung berechneten Bild durch Korrelation oder durch andere Schatzalgoπthmen festgestellt werden Da der Zusammenhang zwischen diesem Versatz und dem horizontalen und vertikalen Einfallswinkel der Strahlung zu der Bezugsrichtung bekannt ist, sind diese Einfallswinkel als Richtungskoordinaten des Objekts 10 schließlich ermittelt
In anderen Fallen, wenn z B durch Überlagerung der im Luftbild vorhandenen Ortsfrequenzen mit der Ortsfrequenz des Detektors 13 niederfrequente Uberlagerungsmuster gebildet werden, besteht ein komplexerer Zusammen¬ hang zwischen dem Luftbild und dem detektierten Bild Ein Versatz des Luft¬ bildes fuhrt zusätzlich zu einer Veränderung der Form des detektierten Bildes In einem solchen Fall muß die Wechselwirkung zwischen dem Luftbild und den strahlungsempfindlichen Strukturen des Detektor 13 in einem Schatzalgoπthmus berücksichtigt werden
Im übrigen kann auch die Richtung zu einem ausgedehnten Objekt 10 ermittelt werden, das selbst Strukturen aufweist Bei der Abbildung eines solchen Objekts 10 enthalt naturlich auch das Objektbild die entsprechenden Strukturen
des Objekts 10, was bereits ohne ein die Wellenfront strukturierendes optisches Element eine Intensitatsverteilung auf dem Detektor 13 ergibt Eine solche Intensitatsverteilung wird aber durch das optische Element noch erheblich feiner strukturiert, so wie es die Intensitatsverteilung gemäß Fig 8 verdeutlicht Diese kann deshalb mit der Vielzahl von Intensitatsmaxima auch als Intensitatsmuster oder als Code deklariert werden Der Code wird dem reinen Objektbild zusätzlich aufgeprägt Selbstverständlich muß bei einem ausgedehnten, mit Strukturen versehenen Objekt 10 dessen Strukturfunktion bekannt sein, die ebenfalls in den beschriebenen Rechengang eingeht
Next Patent: PULSE HOMODYNE FIELD DISTURBANCE SENSOR