DE102015002282A1

DE102015002282A1 - Vorrichtung und Verfahren zum insbesondere dreidimensionalen optischen Scannen und Vermessen von Objekten und zur Objekterkennung mittels Lichtlaufzeitmessung

Info

Publication number: DE102015002282A1
Application number: DE102015002282.2A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hendrik Hill; Tycho Lorenz Roland Raab
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2015-11-12
Also published as: DE102015002283A1; DE102015002270A1; DE102015002271A1; DE102015002283B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Scanner, der eine Vorrichtung zur optischen Messung der Lichtlaufzeit zu einem Objekt im Raum mittels mindestens einer Sende- und Empfangskeule aufweist. Ein Sender des Scanners-strahlt Licht in der Intensitätsverteilung der Sendekeule aus. Empfänger des Scanners empfängt Licht aus Richtung der Empfangskeule. Eine der Sende- und/oder Empfangskeulen, die zusammen den Messstrahl bilden, kann durch Mikrospiegel zumindest zeitweise abgelenkt werden oder wird abgelenkt. Der Scanner gibt zumindest einen Parameter zumindest zeitweise und/oder auf Veranlassung aus, der von der Lichtlaufzeit zwischen dem Scanner und einem Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts abhängt. Auf Veranlassung oder zeitweise oder kontinuierlich gibt der Scanner zumindest einen zweiten Parameter aus. Dieser zweite Parameter hängt von einem physikalischen Parameter der Oberfläche des Objekts am Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts ab. Er kann auch von einem physikalischen Parameter der optischen Übertragungsstrecke von einem Sender bis zum Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts und zurück bis zum Empfänger abhängen. Der Scanner nimmt die Positionierung zumindest eines zweiten Messpunkts zu einem Zeitpunkt tn in Abhängigkeit von zumindest einer zu einem vorhergehenden Zeitpunkt tn-1 an einem ersten Messpunkt gemessenen physikalischen Parameter Reflektivität Rn-1 und/oder einem zu einem vorhergehenden Zeitpunkt tn-1 an einem ersten Messpunkt gemessenen Abstand An-1 vor. Der besagte physikalische Parameter am ersten Messpunkt ist dabei insbesondere eine Reflektivität Rn-1 und/oder gemessener Abstand An-1.

Description

Einleitung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum dreidimensionalen Scannen von Objekten und zur Objekterkennung mittels Lichtlaufzeitmessung und vorzugsweise zeilenweisen Ablenkung des Messstrahls mittels eines mikromechanischen Spiegels.
Es sind vielfältige Verfahren zur Lichtlaufzeitmessung bekannt. Hier sind beispielsweise zu nennen:
DE 19833207 A1 , DE 10 2009 020 218 B3 , EP 1678523 B1 , DE 10 2011 076 635 B3 , DE 10 2012 206 089 A1 , DE 10 2009 037 596 A1 , DE 10 2008 018 718 A1 , WO 2007031102 A1 , EP 1048961 B1 , DE 10138531 A1 , DE 10 2007 046 562 A1 , DE 10163534 A1 , DE 10221578 A1 , US 020070181786 A1 , DE 10 2007 023 920 A1 .
Auf Basis dieser Verfahren lässt sich eine 3D-Kamera aufbauen, die jedoch keine unterschiedlichen Auflösungen von Messpunkten geleichzeitig erzeugen kann. Bei einem Pixel-Array, das aus Pixeln dieser Konstruktion besteht, bestimmt vielmehr die Optik die Auflösung, die dann für alle Messpunkte gleich ist. Außerdem besitzt die Vorrichtung eine endliche Tiefenschärfe.
Aus der DE 10 2007 051 574 A1 ist ein Sensor bekannt, die eine Oberflächeneigenschaft eines Objektes vermisst. Hierbei handelt es sich um die Drehung der Polarisation eines auf das Objekt eingestrahlten Lichts.
Aus der US 20130107000 A1 ist ein Laser-Scanner mit Lichtlaufzeitmessung bekannt.
Aus der US 20060269869 A1 ist ein 3D-Laser-Scanner auf Basis eines MEMS-Spiegelsystems zur Erfassung der dreidimensionalen Struktur von Zähnen als Vorbereitung für die Herstellung von maßgenauen Füllungen und Prothesen bekannt. Auch aus der US 20120200840 A1 und der US 20120062867 A1 sind Scanner-Systeme mit einem beweglichen Spiegel bekannt. Ebenso sind aus der US 20130207970 A1 und der DE 10146752 A1 Mikroscanner-Systeme mit einem MEMS-Spiegel bekannt.
Aus der EP 2708914 A1 ist ein Laser-Scanner bekannt, der mit Hilfe eines Arrays von Detektoren eine Tiefenkarte eines Objektes erzeugt. Hierbei kommt ebenfalls ein MEMS-Spiegel zum Einsatz.
Aus der US 20080007722 ist ein Scanner-System zur Erfassung des Radstands von Automobilen bekannt.
Ein besonderes Verfahren ist das Halios^®-IRDM Verfahren, das insbesondere in folgenden Schutzrechten und Anmeldungen offengelegt ist:
EP 1913420 B1 , DE 10 2007 005 187 B4 , DE 10 2005 045 993 B4 , DE 10 2005 045 993 A1 , DE 10 2012 024 597.1 , DE 10 2013 013 664.4 , EP 12156720.0 , EP 14161553.4 , EP 14161556.7 , EP 14161559.1 , EP 1979764 B8 , EP 1979764 B1 , WO 2008092611 A , EP 2679982 A1 .
Beim Halios^®-IRDM-Verfahren wird ein Lichtpuls ausgesendet und dessen Lichtlaufzeit ermittelt.
Es handelt sich um eine Spezialform, des allgemeineren HALIOS^®-Verfahrens, das beispielsweise aus den folgenden Offenbarungen bekannt ist:
EP 2016480 B1 , EP 2598908 A1 , WO 2013113456 A1 , EP 2594023 A1 , EP 2653885 A1 , EP 2405283 B1 , EP 2602635 B1 , EP 1671160 B1 , EP 2016480 B1 , WO 2013037465 A1 , EP 1901947 B1 , US 20120326958 A1 , EP 1747484 B1 , EP 2107550 A3 , EP 1723446 B1 , EP 1435509 B1 , EP 1410507 B1 , EP 801726 B1 , EP 1435509 B1 , EP 1269629 B1 , EP 1258084 B1 , EP 801726 B1 , EP 1480015 A1 , EP 1410507 B1 , DE 10 2005 045 993 B4 , DE 4339574 C2 , DE 4411770 C1 , DE 4411773 C2 , WO 2013083346 A1 , EP 2679982 A1 , WO 2013076079 A1 , WO 2013156557 A1 ,
Folgende Anmeldungen betreffen ebenfalls Halios^®-Systeme:
EP 12199090.7 , EP 12199090.7 , PCT/EP2013/077749 , DE 10 2014 002 194.7 , DE 10 2014 002 788.0 , DE 10 2014 002 486.5
Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, dass

• ein Sender (H), der von einem Sendesignal (S5) gespeist wird, in eine erste Übertragungsstrecke (I1) einspeist und
• diese (I1) an einem zu vermessenden Objekt (O) endet, das das Licht des Senders (H) reflektiert und/oder transmitteiert und
• in eine zweite Übertragungsstrecke (I2) einspeist, die an einem Empfänger (D) endet und
• und ein Kompensationssender (K), der durch ein Kompensationssendesignal (S3) gespeist wird, in eine dritte Übertragungsstrecke (I3) ein Lichtsignal, das ebenfalls an dem Empfänger (D) endet, einspeist und
• dass sich das Objektsignal und das Kompensationssignal im Empfänger überlagern, wobei aus dem Stand der Technik lineare und multiplizierende Überlagerungen bekannt sind, und
• dass das so überlagerte Gesamtsignal durch den Empfänger (D) in ein Empfängerausgangssignal (S0) gewandelt wird und
• dass auf Basis dieses Empfängerausgangssignals (S0) zumindest ein Regler (CT) nun das Sendesignal (S5) und/oder das Kompensationssignal (S3) so ausregelt, dass zumindest für einen bestimmten Spektralbereich die relevanten Anteile des Spektrums Sendesignals (S5) im Empfängerausgangssignal (S0) verschwinden.

Hierzu sei auf die oben aufgeführte Patentliteratur verwiesen.
Ein Halios^®-IRDM-System zeichnet sich dabei zusätzlich dadurch aus,

• dass dabei nicht nur die Amplitude eines Kompensationssignals (S3) und/oder die Amplitude eines Sendesignals (S3) geregelt wird,
• sondern auch die Phase dieser beiden Signale gegeneinander und/oder die Verzögerung zumindest der relevanten Signalanteile dieser beiden Signale gegeneinander geregelt wird.

Eine Verzögerungsregelung wird dabei vorzugsweise dann eingesetzt, wenn das Sendesignal nicht monofrequent sondern bandbegrenzt ist.
Ein Nachteil aller dieser Verfahren ist es, dass sie alle die Notwendigkeit einer mehr oder minder komplexen Optik für die Erzielung einer Ortsauflösung oder mehrere Sender und/oder Empfänger benötigen. (Siehe z. B. DE 10 2012 010 627 A1 )
Aus der DE 10 2005 002 189 B4 und der DE 10 2005 002 190 B4 sind mikromechanische 3D-Scanner bekannt, bei denen der Abstrahl- und der Einfallswinkel durch zwei Winkelmessvorrichtungen ermittelt werden. Sender und Empfänger werden dabei beabstandet, damit durch Triangulation eine räumliche Auflösung möglich wird. Die Basislinie bestimmt daher die Auflösung.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung die bekannten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und eine technische Lösung bereitzustellen, die zum einen keine Basislinie für eine Triangulation benötigt und trotzdem in der Lage ist mit unterschiedlichen Auflösungen unterschiedliche Raumwinkelbereiche zu vermessen. Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Beschreibung der Erfindung
Grundgedanke der Erfindung ist es den Messstrahl eines Messsystems basierend auf einer Lichtlaufzeitmessung durch einen Mikrospiegel zu verkippen und mit diesem einen Raumwinkelbereich abzuscannen und die so erhaltenen Ergebnisse für eine Objektklassenbestimmung zu verwenden. Ein Messsystem zur Laufzeitmessung wird auch als Time-of-Flight-System (TOF) bezeichnet.
In der konkreteren Ausprägung der Erfindung wird ein Laser als Sender eines Halios^®-IRDM-Systems mit einer geringen Strahlaufweitung benutzt. Hierbei sind Halbleiterlaser besonders bevorzugt. Durch die Verwendung eines Lasers verfügt die Vorrichtung über eine ganz besonders große Tiefenschärfe. Dadurch wird der Messbereich einer normalen Halios^®-IRDM-Lösung allerdings auf einen linienförmigen Raumbereich, den Messstrahl, eingegrenzt. Diese Einschränkung kann durch eine gezielte Ablenkung des Lichtstrahls, also des Laser-Strahls des Senders (H), beispielsweise durch zeilenweises Abscannen, umgangen werden. Eine solche Ablenkung entspricht der Ablenkung der Schnittmenge aus Sendekeule und Empfangskeule. Es reicht also aus, nur die Sende und/oder nur die Empfangskeule zu verkippen, solange diese sich überschneiden. Eine besonders preiswerte Methode ist dabei die Ablenkung durch ein mikrooptisches Element. Hierbei ist die Verwendung eines mikromechanischen Spiegels besonders günstig.
Dieser kann zusammen mit dem Auswerteschaltkreis, der typischerweise den Regler (CT) und die Ansteuerschaltungen für den Sender (H) und den Kompensationssender (K) und zumindest eine Datenschnittstelle umfasst, sowie die Verstärkerschaltung für den Empfänger (D), den Kompensationssender (K), den Sender (H), also vorzugsweise einen Laser, und den Empfänger (D) in einem Gehäuse untergebracht werden.
Natürlich ist es möglicherweise zusätzlich sinnvoll, übliche optische Elemente wie Linsen, Spiegel, Blenden etc. ggf. mit in dem jeweiligen Gehäuse mit unterzubringen. Hierzu sei auf die bekannt Literatur verwiesen.
Auf diese Weise erhält man einen Halios^®-IRDM basierenden 3D-Scanner, der keine direkte Notwendigkeit für eine Optik, über das mikromechanische Ablenksystem hinaus aufweist, ohne die Nutzung einer solchen Optik auszuschließen.
Es ist also ein besonderes Merkmal dieses Scanners, dass er seinen Messstrahl, bestehend aus der Überlagerung aus Sendekeule, also insbesondere dem besagten Laserstrahl, und Empfangskeule, also dem Bereich, aus dem in den Empfänger eingestrahlt werden kann, mittels einer mikromechanischen und/oder mikrooptischen Vorrichtung um zumindest einen Koordinatenwinkel eines sphärischen Koordinatensystems ablenkt und dabei den Abstand zu einem detektierten Objekt mittels einer Lichtlaufzeitmessung misst. Dabei ist die Wellenlänge der genutzten elektromagnetischen Strahlung typischerweise kürzer als 10 μm, vorzugsweise kürzer als 3 μm und liegt ggf. sogar nur im sichtbaren und/oder UV-Bereich. Die Benutzung von FIR-Wellenlängen ist dann besonders vorteilhaft, wenn eine Analyse der Oberflächeneigenschaften der gemessen Objekte erfolgen soll.
Natürlich ist es besonders sinnvoll, wenn durch die Ablenkung nicht nur ein zweidimensionaler Fächer durch Änderung eines ersten Abstrahlwinkels (α) überstrichen wird, sondern wenn gleichzeitig auch ein zweiter Abstrahlwinkel (β), dessen Koordinatenlinie vorzugsweise zu der Koordinatenlinie des Abstrahlwinkels α orthogonal ist, ebenfalls geändert wird. Die beiden Abstrahlwinkel (α, β) bilden somit die Parameter eines zweidimensionalen sphärischen Koordinatensystems in dessen Zentrum sich vorzugsweise der Drehpunkt des mikromechanischen Spiegels befindet, der die Sendekeule des Senders (H), also vorzugsweise den besagten Laserstrahl, ablenkt. Hierdurch ergeben sich die drei notwendigen Koordinaten, der erste Abstrahlwinkel α und der zweite Abstrahlwinkel β und der jeweilige Abstand a zwischen dem Auftreffpunkt des Messstrahls auf ein Objekt und dem Sensorsystem. Da beispielsweise mit einem Halios^®-IRDM-System Abstand a und Reflektivität R gleichzeitig für jede vorgegebene Winkelposition aus erstem Ablenkwinkel α und zweiten Ablenkwinkel β gemessen werden können, ergibt sich somit nach einer Messkampagne aus mehreren, beispielsweise N, Einzelmessungen mit unterschiedlichen Winkelkoordinaten α_i, β_i eine Menge vierdimensionaler Vektoren mit den typischerweise vier Elementen erster Abstrahlwinkel α_i, zweiter Abstrahlwinkel β_i, Abstand a_i und Reflektivität R_i.
Somit wird es möglich, Objekte im Raum durch messpunktweise Abtastung zu erfassen und hinsichtlich Ihrer ortsaufgelösten Reflektivität R oder Transmissivität zu charakterisieren. Die Bildung zeitlicher und räumlicher diskreter einfacher und höherer Ableitungen aus diesen gemessenen Parametern (α, β, a, R) der Messpunkte (α, β) ermöglicht eine Objekterkennung und Objektverfolgung. Beispielsweise ist dies sinnvoll, um sich bewegende Objekte vom Untergrund zu trennen. Um die Datenmenge klein und handhabbar zu halten, ist es sinnvoll, wenn die Messpunktdichte im Bereich interessierender Objekte hoch ist und im Bereich nicht interessierender Objekte niedrig oder Null. Die Messpunktdichte kann sich daher auf ein Raumwinkelsegment und/oder die Oberfläche eines Objekts und/oder eine andere definierte Fläche im Raum beziehen, die auch virtuell und/oder real sein kann.
Der Scanner ist also typischerweise eine Vorrichtung zur optischen Messung der Lichtlaufzeit zu einem Punkt auf der Oberfläche eines Objekts im Raum mittels einer Sende- und Empfangskeule wobei zumindest eine der Sende- und/oder Empfangskeulen durch mindesten einen Mikrospiegel zumindest zeitweise abgelenkt wird oder abgelenkt werden kann. Die Schnittmenge der Sende- und Empfangskeule ist im Sinne dieser Offenbarung der Messstrahl oder auch die Messkeule.
Ein besonderes Merkmal ist dabei vorzugsweise, dass gleichzeitig Lichtlaufzeit bzw. der Abstand a und die Reflektivität R gemessen werden. Ein besonders geeignetes System ist dabei ein Halios^®-IRDM-System als Basis für die Messung der Lichtlaufzeit, bzw. des Abstands a, und der Reflektivität R.
Dabei wird die abgelenkte Sende- und/oder Empfangskeule und damit der Messstrahl längs einer zweidimensionalen Bahn in einem sphärischen Koordinatensystem durch Änderung des ersten Abstrahlwinkels α und/oder Änderung des zweiten Abstrahlwinkels β bewegt. Dabei kann es sich um einen Fächer und/oder einen Scan oder eine andere Bahn handeln. An verschiedenen Messpunkten der Bahn werden Messwerte durch den Scanner erfasst. Auch können die Koordinaten sprungweise, also nicht stetig, verändert werden. Sofern gescannt wird, muss der Zeilenabstand und oder Bahnabstand in Winkelmaß nicht immer konstant sein. Vielmehr kann die Dichte der Messpunkte längs der Kurve im Raum variieren. Diese Variation kann die Dichte der Messpunkte längs der Kurve selbst als auch die Dichte der Messpunkte senkrecht zu der Kurve im Raum betreffen. Ist die Dichte der Messpunkte längs der Kurve betroffen, so bedeutet dies typischerweise, dass die Geschwindigkeit, mit der der Messstrahl durch den Raum bewegt wird, bei gleicher Messfrequenz, also dem Kehrwert des zeitlichen Abstands der Messungen und damit der räumliche Abstand der Messpunkte auf der Messkurve, variiert. Auch kann der Strahl mit gleicher Bahngeschwindigkeit bewegt werden und der zeitliche Abstand der Messungen und damit der räumliche Abstand der Messpunkte auf der Messkurve variiert werden, was allerdings typischer Weise nicht optimal ist. Wird die Dichte der Messpunkte vertikal zur Bahnkurve variiert, so unterscheidet sich entweder die Dichte der Messpunkte längs der Bahnkurve bei nebeneinander liegenden Messkurven und/oder die Anstände verschiedener Kurvensegmente einer Messkurve oder mehrerer Messkurven sind nicht konstant. Auch können in bestimmten Raumwinkelbereichen mehr Kurvensegmente zu finden sein als in anderen. Natürlich ist das nicht immer wünschenswert, da der Interpolationsaufwand dann steigt. Man wird dies typischerweise nur in interessieren Bereichen vorsehen, um beispielsweise die Auflösung lokal gezielt zu erhöhen. Demgegenüber wird es auch Bereiche geben, bei denen die Messpunktdichte gleich, vorzugsweise regelmäßig, gehalten wird, da dies die Interpolation wesentlich vereinfacht. Dieses Konstanthalten umfasst dann typischerweise auch den Zeilenabstand und/oder Bahnabstand in Winkelmaß in dem bestimmten Raumwinkelsegment. Der Effekt lässt sich aber auch anders erzielen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausprägung der Erfindung hängt die Positionierung zumindest eines Messpunktes bezogen auf den ersten Ablenkwinkel α und dem zweiten Ablenkwinkel β zu einem aktuellen Zeitpunkt t_n davon ab, welche Werte an Reflektivität R_n-1 und/oder Abstand a_n-1 zu zumindest einem vorhergehenden Zeitpunkt t_n-1 gemessen wurden. Diese Abhängigkeit kann natürlich auch mehr als einen Zeitpunkt und weitere Parameter sowie die zeitlichen und räumlichen ersten und höheren Ableitungen dieser Parameter umfassen.
Das Konstanthalten des Messpunktabstands kann sich aber auch auf den Abstand auf der Oberfläche des Objekts selbst oder einer virtuellen oder anderen Oberfläche im Raum beziehen, was mit keiner anderen Technik möglich ist.
In einem beispielhaften Fall können beispielsweise drei oder mehr aufeinander folgende Messpunkte einer Auftreffkurve auf dem Objekt, wobei die Auftreffpunkte auf dem Objekt explizit mit typischerweise jeweils unterschiedlichen Abständen vom Scanner auf dem zu vermessenden Objekt versehen sind, einen Abstand auf der Oberfläche des Objekts zueinander haben, der um weniger als 50% und/oder weniger als 25% und/oder weniger als 10% und/oder weniger als 5% voneinander abweicht.
Dies hat den Vorteil, dass das Objekt dann besser modelliert werden kann weil die Dichte der Messpunkte auf der Objektoberfläche beispielsweise konstant gehalten werden kann. Eine polstelle des Abstands kennzeichnet dann typisch erweise einen Objektrand.
Die Ergebnisse einer solchen Messung können dann durch eine geeignete Einrichtung durch eine Mustererkennungseinheit dieser Einrichtung ausgewertet werden. Diese dient dann beispielsweise zur Erkennung von Objektklassen und Zuordnung dieser Klassen zu Objekten und Koordinaten im Raum. Hierbei wird zunächst erkannt, dass sich in dem interessierenden Messbereich überhaupt ein Objekt befindet. Dies kann beispielsweise durch Subtraktion eines zuvor aufgenommenen Untergrundes geschehen.
Dabei wird vor dem Eintritt eines Objektes in das Messfeld eine erste Menge von Messvektoren (α_i, β_i, α_i, R_i) von Messpunkten (α_i, β_i) aufgenommen und abgespeichert. Dies ist die Referenzmessung. Nach dem Eintritt des Objekts in das Messfeld wird eine zweite Menge (α_j, β_j, a_j, R_j) von Messvektoren aufgenommen. Dabei stimmen die Winkel (α_i, β_i) der Referenzmessung, also die Messpunkte, mit den Winkeln der Messung (α_j, β_j) vorzugsweise überein. Ist dies nicht der Fall, so müssen für zumindest eine Menge von Messpunkten durch Interpolation geeignete Zwischenwerte für den Vergleich berechnet werden, was die Präzision typischerweise herabsetzt. Befindet sich der Sensor ebenfalls in Bewegung, so ist eine geeignete Koordinatentransformation vor dem Vergleich ggf. notwendig.
Geeignete Koordinatentransformationen sind aus der linearen Algebra bekannt.
Zur Vereinfachung wird im Folgenden davon ausgegangen, dass der Sensor unbewegt ist.
In dem Fall eines in den Messbereich eingetretenen Objektes wird es zur besseren Charakterisierung vielfach zweckmäßig sein, dieses eingetretene Objekt höher aufzulösen. Hierfür steigert das System die Messpunktdichte im Bereich des Objektes. Hierfür führt das System eine Objektgrößenabschätzung und Objektgeschwindigkeitsabschätzung durch und bestimmt aufgrund eines vorgegebenen Algorithmus die interessierenden Raumbereiche des Objekts und dessen Umgebung. Ggf. wird eine Vorklassifikation durchgeführt. So mag es sinnvoll sein zwischen einem großen-Objekt (z. B. LKW) und einem kleinen Objekt (z. B. Mensch, Fahrradfahrer) zu unterscheiden. In den somit abgeschätzten interessierenden Bereichen erhöht der Scanner dann beispielsweise die Auflösung, was die Menge der Objektdaten relativ zu den Umgebungsdaten in der Gesamtmenge der Messdaten vergrößert und damit die Klassifizierungsgenauigkeit eines Objektklassifizierers vergrößert.
Die Raumwinkelauflösung eines erfindungsgemäßen Scanners hängt somit oft in zumindest einem Teil des Scanfeldes von einer erkannten Objektklasse und/oder Objektoberklasse und den ermittelten Koordinaten des zugehörigen Objekts ab. Eine Objektoberklasse ist dabei eine einer oder mehreren Objektklassen übergeordnete Klasse, die mehrere Objektklassen zusammenfasst. Selbstverständlich können weitere Zusammenfassungen vorgenommen werden, sodass sich ein Objektklassenbaum ergibt.
Sofern wellenlängenabhängige Messungen, beispielsweise zur Identifikation und Klassifikation von Zielen durchgeführt werden sollen, ist es sinnvoll, wenn der Scanner beispielsweise einen Sender (H) aufweist, der bei unterschiedlichen steuerbaren Schwerpunktswellenlängen (λ_s) senden kann und/oder wenn der Scanner mindestens zwei Sender (H₁, H₂) mit unterschiedlicher Schwerpunktswellenlänge (λ_s1, λ_s2) aufweist. Natürlich ist es ggf. in Abhängigkeit von der zu lösenden Aufgabe möglicherweise sinnvoll ggf. auch mehr als zwei Sender, die bei mehr als Schwerpunktswellenlängen arbeiten, vorzusehen. Hierbei kann beispielsweise jeder Sender mit einem eigenen Mikrospiegelsystem versehen sein. Es ist aber auch denkbar, gemeinsame Mikrospiegelsysteme für zwei und mehr Sender zu verwenden und die Sender über Strahlkoppler wie beispielsweise halbdurchlässige Spiegel vor der Ablenkung zusammenzuführen.
Ist erst einmal ein Objekt detektiert worden und sind dessen Parameter wie beispielsweise aber nicht beschränkt auf Abmessungen, Ort, Form, spektrale und/oder integrale Reflektivität, und/oder Transmissivität und/oder ggf. zusätzlich deren zeitliche und räumliche erste und/oder höhere Ableitungen dieser Größen bekannt, so kann je nach Umfang und Art der jeweils bekannten Daten eine Objektklassifizierung mit Hilfe einer Vorrichtung, die typischerweise auch Teil des Scanners sein kann, erfolgen. Dabei werden vorzugsweise Methoden der statistischen Signalverarbeitung zur Mustererkennung eingesetzt. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, wenn eine Recheneinheit, die vorzugsweise Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, einen HMM-Algorithmus durchführt und/oder einen DTW-Algorithmus durchführt. Eine Objektklassifikation eines detektierten Objekts kann aber auch beispielsweise durch das besagte Rechnersystem mit Hilfe eines neuronalen Netzes und/oder eines Petri-Netzes erfolgen. Diese Algorithmen können natürlich auch in Hardware typischerweise als Teilvorrichtung realisiert werden. Hierbei können auch ganz spezielle Schaltnetzwerke wie beispielsweise eine Fuzzy-Logik genutzt werden. Die zu ermittelnde Objektklassifikation kann dabei auch von zuvor bestimmten Objektklassifikationen z. B. Objektoberklassen abhängen und/oder von Objektklassifikationen von Objekten, die sich in der Nähe des zu klassifizierenden Objekts befanden oder befinden. Beispielsweise ist es denkbar, die sich öffnende Autotür zu detektieren und das erscheinende Objekt als potenziellen ehemaligen Fahrgast und/oder Fahrer zu kennzeichnen. Für eine solche Erkennung von räumlichen und/oder zeitlichen Objektsequenzen eignet sich besonders ein Viterbi-Schätzalgorithmus, der durch einen geeigneten Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung typischerweise das besagte Rechnersystem, berechnet würde. Eine Rechnereinheit selektiert dabei mittels des besagten Viterbi-Algorithmus die wahrscheinlichste zeitliche und/oder räumliche Kombination von Objektklassen typischerweise verschiedener Objekte aus mehreren möglichen Kombinationen. Dabei muss die Vorrichtung sich mit ihren Komponenten übrigens nicht zwingend an einem Platz befinden.
Um eine solche Erkennung durchführen zu können ist es erfahrungsgemäß sinnvoll, wenn aus den Rohdaten durch das besagte Rechnersystem und/oder eine spezielle Vorverarbeitungseinheit zunächst ein sogenannter Feature-Vektor gebildet wird. Dieser umfasst neben den oben erwähnten Daten typischerweise auch deren zeitlichen und räumlichen ersten und höheren Ableitungen und/oder Integrale und/oder sonst wie gefilterte Werte dieser Werte. Um die Signifikanz der Daten zu maximieren ist es üblich, eine Koordinatentransformation zur Orthogonalisierung dieser Daten durchzuführen. Hierfür wird typischerweise der besagte Feature-Vektor mit einer Gewichtungsmatrix, der LDA-Matrix, durch eine geeignete Vorrichtung multipliziert. Eine geeignete Vorrichtung hierfür wäre beispielsweise wieder das besagte Rechnersystem, das Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist oder eine spezielle Multiplikationseinheit. Aus den Daten der Vorrichtung zur optischen Messung der Lichtlaufzeit zu Messpunkt auf einem Objekt im Raum mittels einer Sende- und Empfangskeule und optionalen weiteren Daten sowie deren zeitlichen und räumlichen einfachen und höheren Ableitungen und sonstige abgeleitete Werte wird somit ein Feature-Vektor durch das besagte Rechnersystem gebildet, der dann mit der besagten LDA Matrix zu einem optimierten Feature-Vektor, dem LDA-Ausgangsvektor, multipliziert wird.
Die so aufbereiteten optimierten Feature-Vektoren, also die LDA-Ausgangsvektoren, werden dann durch einen geeigneten Vorrichtungsteil, typischerweise wieder das besagte Rechnersystem, mit einer Objektklassenprototypendatenbank verglichen.
In einer beispielhaften Objektklassenprototypendatenbank werden vorzugsweise zum einen die Schwerpunktkoordinaten von ausgewählten Objektklassen abgelegt, wobei sich hier der Begriff Schwerpunktkoordinaten ausdrücklich nicht auf die gemessenen Raumkoordinaten der jeweiligen Objekte bezieht, sondern auf die Koordinaten des multidimensionalen LDA-Ausgangsvektors, die rein abstrakter Natur sind. Die Klassifizierung eines Objekts an einem festen Ort ist ja gerade nicht das Ziel. Stattdessen sollen Eigenschaften der erfassten Objekte mit prototypischen Objekten der Objektklassenprototypendatenbank verglichen werden. Der mit der LDA-Matrix multiplizierte Feature-Vektor, also der LDA Ausgangsvektor, soll gerade diese Eigenschaften in möglichst signifikanter Weise darstellen. Daher ist es sinnvoll in den Feature-Vektor relative Daten wie beispielsweise das Verhältnis von Höhe zu Breite, Krümmungen von Oberflächen in Relation zur Objektgröße etc. aufzunehmen und diese zu bearbeiten.
Die Objektklassenprototypendatenbank kann im einfachsten Fall mit Hilfe von Standardobjekten gemessen und vorausberechnet werden. Dies ermöglicht es insbesondere, bei einem Transfer der Objektklassenprototypendatenbank von einem System zu einem anderen, das neue System mit Hilfe solcher Standardobjekte zu re-kalibrieren. Hierfür wird die LDA-Matrix so angepasst, dass das Klassifizierungsergebnis einer Standardkonfiguration von Standardobjekten wieder dem Standardergebnis entspricht.
In einem nächsten Schritt nach der Multiplikation des Feature-Vektors mit der LDA Matrix zum LDA-Ausgangsvektorwird der Abstand zwischen jedem Prototypen der Objektklassenprototypendatenbank und dem LDA-Ausgangsvektor, der Ergebnis der besagten Multiplikation ist, bewertet. Im einfachsten Fall wird der euklidische Abstand E unter Multiplikation mit einem metrischen Tensor zu den besagten Prototypen bestimmt. Andere Abstandsbestimmungsmethoden sind denkbar. Der euklidische Abstand wird hierbei beispielsweise durch Bildung der Koordinatendifferenzen, koordinatenweises Quadrieren dieser Koordinatendifferenzen und anschließende Aufsummierung der so gebildeten Koordinatendifferenzenquadrate ermittelt. Normalerweise würde nun noch das Ziehen der Wurzel folgen. Dies ist typischerweise jedoch nicht mehr notwendig. Für die Bewertung des Ergebnisses sind zwei Verfahren zur Bewertung besonders sinnvoll. Bei einem ersten Verfahren wird eine globale Schwelle für alle Prototypen der Objektklassenprototypendatenbank bestimmt. Unterschreitet der Abstand E – wie immer dieser berechnet wird – diese Schwelle, so gilt der Prototyp als erkannt. In einem anderen Verfahren wird für jeden Prototypen ein eigener Schwellwert abgelegt, den der Abstand E unterschreiten muss. Der Bereich mit Punkten, die Abstände E kleiner als der Schwellwert vom jeweiligen Prototypen aufweisen, ist der jeweilige Akzeptanzbereich. Neben solchen sphärischen Schwellwertkugeln, die die Prototypen umgeben, können auch elliptische und noch komplexere Formen eines Akzeptanzbereiches um einen Prototypenvektor herum definiert werden. Beispielsweise sind elliptische Akzeptanzbereiche denkbar, die im LDA-Vektor-Raum gekippt sein können. Solche komplizierteren Akzeptanzbereiche steigern aber erfahrungsgemäß den Rechenleistungsbedarf signifikant ohne das Ergebnis zu verbessern.
Daher ist es sehr sinnvoll, komplexere Akzeptanzbereiche durch mehrere Prototypen mit sphärischen Akzeptanzbereichen zu modellieren. Dabei wird der mehrdimensionale Akzeptanzbereich durch Überlagerung mehrerer sphärische Akzeptanzbereiche approximiert. Zwischen dem Feature-Vektor und/oder dem LDA-Ausgangsvektor auf der einen Seite und den prototypischen Vektoren einer Prototypendatenbank für die Objektklassen auf der anderen Seite wird also ein euklidischer Abstand E berechnet und mit zumindest einem Schwellwert verglichen. Hierbei wird auch als mögliche Realisierung mitumfasst, wenn in Wirklichkeit nicht die Wurzel gezogen wird, sondern das Quadrat des euklidischen Abstands E² mit einem Schwellwert verglichen wird.
In vielen Applikationen ist das Einsparen von Energie besonders wichtig. Da jede Messung Energie erfordert, ist es ein einfaches mögliches Mittel zur Energieeinsparung, die Auflösung des erfindungsgemäßen Scanners in den Phasen, in denen Energie gespart werden soll, global und/oder lokal herabzusetzen, wenn die Anwendung dies ermöglicht. Dies geschieht natürlich typischerweise nur zeitweise. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, die Auflösung global oder lokal auf einem Minimalwert zu halten, um eine oberflächliche Beobachtung weiter zu ermöglichen.
Natürlich ist es denkbar, die Werte und Messergebnisse mehrerer Scanner miteinander zu kombinieren. Sofern der Abstand zwischen zwei Scannern relativ zueinander in dreidimensionalen Raumkoordinaten bekannt ist, ist es insbesondere ist es denkbar, dass die Einzelscanner gemessene Objektkoordinaten austauschen und der beispielhafte zweite Scanner eine Objektkoordinate, die ein erster Scanner ermittelt hat, nachmisst. Es ist also ein mögliches Merkmal des erfindungsgemäßen Scanners, dass der Scanner aus mehreren Einzelscannern bestehen kann.
Damit die Scanner sich nicht stören, sollten die Sendesignal dieser Scanner so gestaltet sein, dass das Sendesignal (S5₁) eines ersten Scanners nach Multiplikation mit dem Sendesignal (S5₂) des zweiten Scanners und Filterung im Halios^®-Filter des zweiten Scanners kein Signal mehr ergibt. Ein solches Signal wird als orthogonal bezeichnet. Ein besonders Zeichen einer speziellen Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher ein Scanner bestehend aus erfindungsgemäßen Einzelscannern, wobei die Einzelscanner zumindest im Nahbereich mit orthogonalen Signalen arbeiten.
Da die Sendeleistung der Sender der Einzelscanner eines Scanners typischerweise begrenzt ist, kann es sinnvoll sein, diese zur Erreichung einer größeren Reichweite zu koppeln. Im Nahbereich kann dafür die Auflösung durch Entkopplung gesteigert werden. Wird also in einem Raumwinkelbereich ein Abstand kleiner als ein typischerweise voreingestellter Schwellwert festgestellt, so können ein einzelner Einzelscanner oder nur ein Teil der Einzelscanner diesen Raumbereich vermessen und überwachen. Die anderen Einzelscanner vermessen dann andere Raumbereiche. In anderen Raumwinkelbereichen, die einen Abstand von Objekten oberhalb dieses Schwellwertes offenbaren, können mehr oder auch alle Einzelscanner synchron in diesen Raumwinkelbereich hineinstrahlen. Hierbei ist es vorteilhaft wenn in diesem Fall die Sendesignale (S5₁, S5₂) der Einzelscanner nicht orthogonal, sondern synchron zueinander sind. Je nach erkannten Objektklassen wird unterschiedlich hierarchisiert, wenn bei der Entscheidung ob die Einzelscanner synchronisiert werden sollen oder nicht Konflikte vorliegen. Der erfindungsgemäße Scanner, bestehend aus Einzelscannern, zeichnet sich also dadurch aus, dass die Schwerpunktsrichtungen der Empfangs und/oder Sende-Keulen zumindest zweier Sender zur Auflösung eines Nahbereiches unterhalb eines Mindestabstands für zumindest einen Raumwinkelbereich in unterschiedliche Richtungen zeigen können. Auf der anderen Seite können die Schwerpunktsrichtungen der Empfangs- und/oder Sende-Keulen zumindest zweier Sender zur Auflösung eines Fernbereiches jenseits eines Mindestabstands für zumindest einen Raumwinkelbereich in die gleiche Richtungen zeigen. Im einfachsten Fall besteht ein Scanner, der aus mehr als einem Einzelscanner besteht aus zwei Einzelscannern. Dieser einfachste Fall wird im Folgenden diskutiert. Hierdurch wird der Umfang dieser Offenbarung jedoch nicht auf Scanner bestehend aus einem Einzelscanner beschränkt. Bei dem Beispiel eines Scanners aus zwei Einzelscannern besteht das Scann-Ergebnis aus mindestens einem Messpunkt je Einzelscanner, also zwei Messpunkten mit je mindestens einem ersten Abstrahlwinkel α und einem zweiten Abstrahlwinkel β sowie dem gemessenen Abstand a. Zusätzlich ist es sinnvoll, jeweils die Reflektivität R zu messen.
Diese werden in der erwähnten Feature-Extraktion beispielsweise zu einem gemeinsamen Datensatz kombiniert.
Ist auf die zuvor beschriebene Weise ein Objekt erkannt worden, so können diesem in der Regel abhängig von dem erkannten Prototypen, also der erkannten Objektklasse, eine und/oder mehrere Koordinaten zugeordnet werden. Dies geschieht wieder vorzugsweise durch die schon mehrfach erwähnte Rechnereinheit. Eine Realisierung in dedizierter Hardware ist selbstverständlich auch hier möglich. Es ist somit eine mögliche Eigenschaft einer Ausprägung des erfindungsgemäßen Scanners, dass für ein erkanntes Objekt einer Objektklasse eine Koordinate ermittelt wird. Natürlich ist es sinnvoll, dass die ermittelte Koordinate und die Information über das ermittelte Objekt, insbesondere die erkannte Objektklasse, beispielsweise durch die > Rechnereinheit selbst und/oder nachgelagerte Rechnereinheiten und/oder einen Nutzer verwendet und ausgewertet werden können. Daher ist es in vielen möglichen Ausprägungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sinnvoll, wenn diese Koordinate typischerweise zusammen mit der erkannten Objektklasse ausgegeben wird.
Dabei können weiter erkannte Objektparameter wie beispielsweise Orientierung, Größe, Reflektivität, Farbe etc. mitausgegeben werden.
Eine besondere Eigenschaft des zuvor beschriebenen Scanners ist, dass die Auflösung abstrahlwinkelabhängig variiert werden kann. Ein besonders interessierender Bereich wird dabei vorzugsweise höher aufgelöst, als andere Bereiche. Wird nun ein Objekt erkannt und/oder eine Objektklasse dem Objekt zugewiesen, so kann die Veränderung der Objektkoordinate mit der Zeit, also die Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts, ermittelt werden. Dies erlaubt die Extrapolation der Objektbewegung. Daher ist es sinnvoll, den Bereich, in dem in Kürze ein Auftauchen des beobachteten Objekts erwartet wird, ebenfalls höher aufzulösen. Bereiche, die das Objekt sicher verlassen hat können nach dem Verlassen durch das Objekt wieder mit niedrigerer Auflösung überwacht werden. Somit verschiebt sich der Bereich höherer Auflösung vorzugsweise synchron mit der geschätzten Objektbewegung. Die Dichte der Messpunkte in Abhängigkeit von den Ablenkwinkeln (α, β) wird somit durch eine Auflösungsfunktion beschrieben. Es ist somit eine Eigenschaft zumindest einer Ausprägung des erfindungsgemäßen Scanners, dass die Auflösungsfunktion von zumindest einer ermittelten Objektkoordinate und/oder deren einfachen und höheren zeitlichen Ableitungen abhängen kann. Die Auflösung des Scanergebnisses des erfindungsgemäßen Scanners kann somit als Messpunktdichte je Raumwinkelsegment in Abhängigkeit vom ersten Abstrahlwinkel α und zweiten Abstrahlwinkel β beschrieben werden. Bei dem zuvor beschriebenen Fall einer Objektverfolgung hängt diese Auflösungsfunktion somit von der Koordinate oder Objektgeschwindigkeit zumindest eines Objektes ab. Generell wurde ja bereits mehrfach erwähnt, dass die Auflösungsfunktion typischerweise Bereiche höherer Auflösung aufweist, die vorzugsweise einer besseren Vermessung der zu erkennenden Objekte dient. Einem solchen beispielhaften Bereich höherer Auflösung kann eine Schwerpunktskoordinate zugeordnet werden. Soll ein Objekt verfolgt werden, wird genau diese Schwerpunktskoordinate des Bereichs höherer Auflösung mit dem Objekt verschoben. In dem Fall hängt die zeitliche Ableitung der Schwerpunktskoordinate eines Bereiches höherer Auflösung von der zeitlichen Ableitung der Schwerpunktskoordinate eines erfassten Objekts vorzugsweise ab.
Die Auflösungsfunktion kann in ihren Eigenschaften, insbesondere in der Form, Größe und Messpunktdichteverteilung von der erkannten Objektklasse abhängen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Signifikanz des Erkennungsergebnisses nicht ausreicht, um zwischen zwei oder mehr Objektklassenhypothesen ausreichend präzise zu unterscheiden. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der euklidische Abstand des IDA-Matrix multiplizierten Feature-Vektors den Schwellwert zu mehr als einem Prototypen der Objektklassenprototypendatenbank unterschreitet. Eine so ermittelte Objektklassenhypothese besteht jeweils aus der möglicherweise erkannten Objektklasse und einer Bewertung in Form einer Bewertungszahl, die typischerweise dem besagten Abstand entspricht.
In dem Fall wird typischerweise durch die besagte Rechnereinheit eine Hypothesenliste mit einer Bewertung, einem Scoring, erstellt, die je Eintrag der Hypothesenliste die wahrscheinlichsten Prototypen mit einer quantitativen Bewertung auflistet. Es werden typischerweise nur eine begrenzte Anzahl wahrscheinlichster Objektklassenhypothesen in der Hypothesenliste aufgelistet. In dem Fall ist es zweckmäßig, wenn die Auflösungsfunktion in Abhängigkeit von dieser Hypothesenliste geändert wird. Dies bedeutet nichts anderes als dass die Auflösung in Bereichen (Abstrahlwinkelbereichen), in denen sich die aufgelisteten Objektklassen der Hypothesenlisten besonders gut unterscheiden, gesteigert wird. Die Auflösung anderer Bereiche wird dabei vorzugsweise entweder gar nicht geändert oder zugunsten der höher aufzulösenden Raumwinkelgebiete verschlechtert. Es ist also eine besondere Eigenschaft einer möglichen Ausprägung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass eine Teilvorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, typischerweise das besagte Rechnersystem, eine Hypothesenliste aus erkannten Objektklassenhypothesen bildet und dass der Scanner ggf. in Abhängigkeit von der Hypothesenliste die Auflösungsfunktion ändert. Dabei erfolgt die Änderung typischerweise nur lokal bezogen auf einen Raumwinkelbereich. Der Scanner ändert damit in Abhängigkeit von einem Objekt in seinem Erfassungsfeld seine Auflösung. Dies kommt einer Zoom-Funktion gleich, ohne, dass dabei die Gesamtgröße der Beobachtungszone wirklich vermindert werden müsste. Dies stellt einen Unterschied zu einem Zoom mittels Optik und zum Stand der Technik dar. Im Stand der Technik wird das Gesichtsfeld auf einen kleinen Raumwinkel beschränkt. Diese Einschränkung aus dem Stand der Technik ist hier nicht mehr nötig.
Für einige Anwendungen kann es sinnvoll sein, die Messpunkte im Überwachungsbereich zufällig zu setzen und/oder einen Bereich höherer Auflösung zufällig zu verschieben und so eine statistisch typischerweise gleichverteilte Abdeckung des Überwachungsbereiches zu erzeugen. Hierbei können durch Gewichtungsfunktionen bei der Berechnung der einzustellenden Abstrahlwinkel Bereiche von im mittel höherer Auflösung erzeugt werden
Die besagte Auflösungsfunktion kann also neben einem deterministischen Anteil auch noch einen räumlich und/oder zeitlich zufälligen Anteil haben.
Eine ganz besonders wichtige Klasse von Erkennungsaufgaben bezüglich zu erkennenden Objekten ist die Personenerkennung. Dies geschieht in der Regel so, dass der erfindungsgemäße Scanner in einer möglichen Ausprägung der Erfindung beispielsweise ein Objekt mit einer bestimmten Bewegungsgeschwindigkeit und bestimmten Dimensionen als Person klassifiziert. Eine Verwechslung mit Pappmache-Figuren ist daher bei dieser einfachen Ausprägung möglich, aber für die realen Anwendungsfälle irrelevant. Die weiteren erfassten körperlichen Merkmale, wie beispielsweise aber nicht beschränkt auf Länge, Breite, Kleidungsfarbe, Bewegungsmuster etc. können genutzt werden, um Personen zumindest grob zu unterscheiden und ggf. weiter zu klassifizieren. Hierbei kann beispielsweise auch berücksichtigt werden, welcher Autotür die Personen zuvor entstiegen sind. Ist dies die Fahrertür, so ist eine Klassifizierung als Fahrer denkbar. Bei der Klassifizierung können andere Daten anderer Systeme mit herangezogen werden. Wird beispielsweise ein Autoschlüssel in der Nähe der Person geortet, so kann angenommen werden, dass es sich um den Fahrer handelt. Je nach dem Ausgang einer solchen Personenklassifizierung können nun Aktionen eingeleitet und/oder unterbunden werden. Beispielsweise kann die Unterhaltungselektronik des Autos in einen Standby-Modus versetzt werden, sodass es keiner Pause zum Booten der Rechner mehr bedarf. Umgekehrt können auch Vorkehrungen gegen eine Manipulation beispielsweise einer Kfz-Elektronik getroffen werden, wenn eine Person in der Nähe eines Kfz eben nicht über einen solchen Schlüssel verfügt. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass elektronische Schaltkreise ganz abgeschaltet werden, weil eine Bedrohungslage wahrscheinlicher wird.
Insbesondere kann die Aktivierung elektronischer Schaltungen unterbunden werden.
In einer weiteren Ausprägung des Scanners ist das das Licht einer Sendekeule bei seiner Aussendung durch den Scanner bereits in einer Ebene polarisiert. Dies hat den Vorteil, dass hierdurch die Polarisationseigenschaften des Objekts (O) und/oder der Übertragungstrecke (I1, O, I2) vom Scanner zum Objekt (O) und zurück untersucht werden können. Die Polarisation kann zum einen direkt durch den Sender (H) erfolgen, was bei Lasern typischerweise der Fall ist, und/oder durch ein Sendepfadfenster (WH), dass als Polarisatorfenster wirkt und unmittelbar in der Nähe des Senders (H) in den Messstrahl, also die Übertragungsstrecke (I1, O, I2), eingefügt ist. Ebenso ist es für manche Anwendungen sinnvoll statt einer Polarisation beispielsweise in einer horizontalen und/oder vertikalen Ebene eine zirkulare Polarisation durch eine λ/4 Platte im Sendepfad als Sendepfadfenster (WH) zu erzwingen. Dies ermöglicht beispielsweise die Messung von Polarisationsebenen abhängigen Absorptionen in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O). Im Gegensatz dazu ist ein Sendepfadfenster mit einer linearen Polarisationsebene dann sinnvoll, wenn Drehungen der Polarisationsebene in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O) untersucht werden sollen. Ebenso ist es dann sinnvoll in den Empfangspfad ein Empfangspfadfenster (WD) vorzusehen, das ein beispielsweise unter anderem ein linear polarisierendes Polarisationsfilter ist und als Analysator dient. Es ist offensichtlich, dass es in dem Fall sinnvoll sein kann, mit zwei Kompensationssendern (K₁, K₂) zu arbeiten, von denen der erste Kompensationssender (K₁) in einen ersten Empfänger (D₁) einstrahlt und der zweite Kompensationssender (K₂) in einen zweiten Empfänger (D₂) einstrahlt. Dabei werden diese Kompensationssender (K₁, K₂) unabhängig voneinander geregelt. Eine Regelung des Senders (H) ist auch kanalweise möglich, was weiter unten beschrieben ist. Die Kompensationssender werden in eigenen Kompensationsenderkavitäten und die Empfänger (D₁, D₂) werden in separaten Empfängerkavitäten platziert. Durch Barrieren und Deckel wird sichergestellt, dass Licht des ersten Kompensationssenders (K₁) nicht den zweiten Kompensationssender (K₂) und/oder den zweiten Empfänger (D₂) und/oder das Objekt (O) erreichen kann. Ebenso wird durch Barrieren und Deckel sichergestellt, dass Licht des zweiten Kompensationssenders (K₂) nicht den ersten Kompensationssender (K₁) und/oder den ersten Empfänger (D₁) und/oder das Objekt (O) erreichen kann. Die Empfangspfadfenster (WD₁, WD₂) der beiden Empfänger (D₁, D₂) werden dann beispielsweise mit je einem beispielsweise linear polarisierenden Polarisationsfilter als Sendepfadfenster (WD₁, WD₂) versehen, wobei die Empfangspfadfenster (WD₁, WD₂) so orientiert werden, dass sie beispielsweise optisch zueinander um 90° verdreht sind, so dass das eine Empfangspfadfenster dann linear polarisiertes Licht durchlässt, wenn das andere Empfangsfenster dieses sperrt.
Wie bereits erwähnt ist es günstig, wenn der Scanner nicht nur einen ersten gemessenen Parameter, beispielsweise den Abstand des Objekts oder die Amplitude, ausgibt, sondern noch einen zweiten Parameter, wobei dieser Parameter typischerweise eine physikalische Eigenschaft der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder der Oberfläche des Objektes (O) widerspiegelt. Hierbei sei angemerkt, dass der Abstand (a) des Objekts (O) bekannt sein kann, was die Bestimmung der Lichtlaufzeit in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und oder des Nachleuchtens auf dem Objekt (O) ermöglicht. Auch kann die Reflektivität (R) der Oberfläche des Objekts (O) bekannt sein. Es kann sich bei dem Objekt (O) beispielsweise um einen idealen Spiegel in einem bekannten Abstand (a) handeln. Dann können beispielsweise Transmission, Streuung und andere Parameter ortsaufgelöst innerhalb der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) erfasst werden. Der Scanner gibt somit je nach sensorieller Aufgabe in dieser Ausprägung zumindest einen zweiten Parameter aus. Dies muss nicht immer dauernd erfolgen, sondern kann beispielsweise auch zeitweise und/oder auf Veranlassung, beispielsweise durch Anfrage eines externen Rechnersystems erfolgen. Auf diese Weise können nun vielfältige physikalische Parameter der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder der Oberfläche des Objekts (O) ortsaufgelöst gemessen werden. Der Scanner kann somit einen zweiten Parameter ausgeben, der von einem physikalischen Parameter der Oberfläche des Objekts (O) am Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts (O) und/oder der von einem physikalischen Parameter der optischen Übertragungsstrecke (I1, O, I2) bis zum Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts (O) abhängt. Die Menge der Parameter hängt dabei von den möglichen optischen Effekten ab, die genutzt werde können:
Dass die die optische Reflektivität und/oder die optische Reflektivität in einem bestimmten Wellenlängenbereich genutzt werden kann, wurde ja schon erwähnt.
Es kann sich aber auch beispielsweise, um räumliche Lichtgeschwindigkeitsmodulationen und/oder um eine räumlich inhomogene Lichtbrechung in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O) handeln. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass es durchaus denkbar ist, weitere Paare aus Kompensationssender (K_i) und Empfänger (D_i) an anderen örtlichen Positionen im Raum zu platzieren und mit jeweils einem Regler die Sendeleistung des Kompensationssenders (K_i) getrennt in Abhängigkeit von einem gemeinsamen Sendesignal (S5) zu regeln.
Eine kanalweise Regelung der Leistung des Senders (H) ist auch und auch alternativ möglich, wenn das Sendesignal (S5) aus einer Überlagerung von mehreren – beispielsweise n – orthogonalen Sendesignalkomponenten (S5₁, S5₂...S5_i...S5_n) besteht und jede der n Regelschleifen genau einem Kompensationssender (K₁, K₂...K_i...K_n) und dem zugehörigen Empfänger (D₁, D₂, ...K_i, ...K_n) zugeordnet ist und wenn die Regelschleife mit nur der zugehörigen der Sendesignalkomponente (S5₁, S5₂...S5_i...S5_n) arbeitet, was typischerweise bedeutet, dass das Skalar-Produkt der Regelschleife mit dieser Sendesignalkomponente (S5₁, S5₂...S5_i...S5_n) gebildet wird.
Ein erster Effekt, der genutzt werden kann, ist der Cotton-Effekt. Hierbei wird insbesondere die Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts, insbesondere durch eine charakteristische Änderung der optischen Rotationsdispersion (ORD) und/oder Circulardichroismus in der Nähe einer Absorptionsbande eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts ausgenutzt und vermessen.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Cotton-Mouton-Effekt. Hierbei wird insbesondere eine magnetisch induzierte Doppelbrechung in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts ausgenutzt.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Debye-Sears-Effekt. Hierbei wird eine Wechselwirkung einer akustischen Welle mit dem Licht des Messstrahls des Scanners in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O), insbesondere in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit an einer dieser Stellen ausgenutzt.
Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung von Dichroismus. Dies nutzt die unterschiedliche Absorption in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des Lichts des Messstrahls aus. Die dafür notwendigen Polarisatoren wurden ja erwähnt.
Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung von doppelbrechenden Eigenschaften und/oder einem nicht symmetrischen Tensor der Lichtgeschwindigkeit eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O). Insbesondere das Auftreten zweier optischer Wege in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O) kann dabei genutzt werden. Hier sind in der Regel mehrere Kompensationssender/Empfängerpaare notwendig.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der elektrooptische Effekt. Hierbei wird eine insbesondere räumlich unterschiedliche Änderung des Brechungsindex und/oder der Lichtgeschwindigkeit in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts in Abhängigkeit von einem äußeren elektrischen Feld vermessen.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Faraday-Effekt. Hierbei wird wieder die Drehung der Polarisationsebene des Lichts des Messstrahls des Scanners diesmal durch ein Magnetfeld im Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O) genutzt.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Franz-Keldysh-Effekt. Dieser nutzt eine Änderung der Fundamentalabsorption eines halbleitenden Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts in Anwesenheit eines elektrischen Feldes. An diesem Beispiel wird deutlich, dass es sinnvoll sein kann, neben den Ablenkwinkeln (α, β) andere Parameter, wie beispielsweise Magnetfelder und/oder elektrostatische Felder und/oder zusätzliches Licht in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O) zu variieren. Dies kann ggf. auch durch den Scanner selbst geschehen.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Goos-Hänchen-Effekt. Hierbei wird insbesondere das teilweise Eindringen des Lichts eines totalreflektierten Messstrahls in die Oberfläche des Objekts genutzt und ausgewertet.
Ein weiterer besonders wichtiger Effekt, der insbesondere zur Chlorophyl-Bewertung genutzt werden kann, ist Kautsky-Effekt. Hierbei wird insbesondere auf die Chlorophyllfluoreszenz und das fluorierende Nachleuchten von Chlorophyll im Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O), beispielsweise eines Blattes vermessen.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Kerr-Effekt. Mit ihm kann insbesondere die Änderung der optischen Eigenschaften eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O) in Anwesenheit eines elektrischen Feldes durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes räumlich vermessen werden.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Louche-Effekt und/oder Ouzo-Effekt. Dabei kommt es zu einer Streuungsänderung durch Emulsionsbildung in einem Dreistoffsystem aus nicht-mischbaren und mischbaren Flüssigkeiten in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O).
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der magnetooptische Kerr-Effekt. Hierbei werden die Änderung der Intensität und/oder eine Drehung der Polarisationsebene des Lichts des Messstrahls an einer ferromagnetischen Metalloberfläche des Objekts in Abhängigkeit von der Magnetisierung dieser ferromagnetischen Metalloberfläche vermessen.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Majorana-Effekt. Bei diesem wird die Doppelbrechung kolloidaler Lösungen in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) in einem Magnetfeld vermessen.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der der parametrischen Fluoreszenz. Hierbei wird eine Wellenlängenänderung des Lichts des Messstrahls in einem nichtlinearen optischen Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts erfasst. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, wenn das Objekt (O) hierbei ein Gitter ist, das frequenzselektiv das Licht der Sendekeule, das durch die Nichtlinearität des durchstrahlten Materials in seinem Frequenzspektrum modifiziert ist, zurückwirft.
Natürlich kann statt der Nichtlinearität eines durchstrahlten Mediums auch eine Fluoreszenz und/oder eine Phosphoreszenz, also beispielsweise das Nachleuchten von Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O) bei Wellenlängen der Sendekeule selbst aber auch anderen Wellenlängen genutzt werden. Dieses Nachleuchten ist zudem als Phasenverschiebung bemerkbar. Ist der Abstand eines Spiegels als Objekt vom Scanner bekannt, so wird nicht der Abstand, sondern die Nachleuchtdauer vermessen.
Sofern bei einem der bisher und im folgenden erwähnten Messmethoden eine Wellenlängenverschiebung und/oder Änderung etc. zu detektieren ist, kann es sinnvoll sein, wenn der Scanner ein oder mehrere der Paare aus je einem Kompensationssender (K₁, K₂) und je einem Empfänger (D₁, D₂) aufweist, wobei der jeweilige Kompensationssender (K₁, K₂) in jeweils einer eigenen Kompensationssenderkavität und der jeweilige Empfänger (D₁, D₂) in jeweils einer Empfänger Kavität untergebracht sind und wobei mindestens einer der Empfängerpfade mit einem Empfangspfadfenster (WD₁, WD₂) versehen ist, dass Wellenlängen selektiv ist, also für mindestens zwei Wellenlängen eine unterschiedliche Transmissivität aufweist. Weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mehr als ein Empfangspfadfenster (WD₁, WD₂) auf, so sind die Spektren der Transmissionseigenschaften von mindestens zwei Empfangspfadfenstern (WD₁, WD₂) vorzugsweise unterschiedlich.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der photorefraktive Effekt. Hierbei wird die lichtinduzierte Änderung des Brechungsindex eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O) vermessen. Dies geschieht in der Regel durch die Vermessung der lichtinduzierten Änderung der Lichtgeschwindigkeit innerhalb eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O). Hierbei wird beispielsweise wieder ein Spiegel als Objekt (O) vorgesehen und dieser in einem bekannten Abstand (a) zum Scanner platziert.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der des Pleochroismus. Hierbei wird die ungleiche Absorption des Lichtes des Messstrahls abhängig von der Ausbreitungsrichtung und der Polarisationsrichtung und/oder von der Orientierung eines Materials beim Durchgang des Lichtes des Messstrahls durch dieses Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O) genutzt. Beispielsweise ist es denkbar das Objekt (O) als innen spiegelnde Kugel eines vorgegebenen Radius auszuführen und das zu vermessende Material in der Übertragungsstrecke um drei Achsen (I1, O, I2) beispielsweise mit Hilfe eines Goniometerkopfes zu drehen.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Pockels-Effekt. Hierbei werden insbesondere die Doppelbrechung und/oder deren Änderung bei einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts vermessen. Bei einem Spiegel als Objekt (O) in einem definierten Abstand (a) erhält man je Polarisationsebene, bei Verwendung der zwei besagten Paare aus je einem Kompensationssender (K₁, K₂) und je einem Empfänger (D₁, D₂) zwei Lichtgeschwindigkeiten (c₁, c₂). Diese ändern sich nun, wenn eine elektrische Spannung an das zu vermessende Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) angelegt wird,
Dass die Reflexion des Lichts des Messstrahls an der Oberfläche des Objekts genutzt werden kann wurde schon erwähnt.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist die Selbstphasenmodulation des Lichts des Messstrahls in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O). Hierbei kommt es wieder zu einer Wechselwirkung zwischen der Nichtlinearität eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder auf der Oberfläche des Objekts (O) und dem Licht. Hierbei kann auch externes Licht einen Effekt hervorrufen.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der spannungsoptische Effekt. Hierbei wird insbesondere die Drehung der Polarisationsebene des Lichts des Messstrahls in Abhängigkeit vom mechanischen Spannungszustand eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts analysiert. Wie dies erfolgen kann, wurde ja schon erläutert.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Speckle-Effekt. Dieser tritt insbesondere bei der Verwendung eines Lasers als Sender (H) auf. Er ermöglicht die Vermessung von Oberflächeneigenschaften des Objekts (O), da der Abstand (a) zum Objekt (O) dann mit einem erhöhten Rauschanteil behaftet ist. Dieser Rauschpegel kann dann vermessen und mit statistischen Verfahren ausgewertet werden und ist ein Maß für die Oberflächenrauhigkeit. Ganz allgemein können also optische Interferenzen an der Oberfläche des Objekts (O) genutzt werden.
Es sei hier nur kurz erwähnt, dass die Transmission des Lichts des Messstrahls durch ein Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) vermessen werden kann, wenn die Eigenschaften des Objekts (O) und dessen Abstand (a) bekannt sind. Ein Spiegel als Objekt (O) ist in diesem Fall besonders günstig.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Tyndall-Effekt. Hierbei wird die Streuung des Lichts des Messstrahls an mindestens einem oder mehreren Streukörper in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts (O), mit einer Abmessung der Streukörper ähnlich der Lichtwellenlänge des Messstrahls vermessen.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der Voigt-Effekt. Hierbei kann durch Vermessung der Veränderung der Polarisationsebenen wieder die Doppelbrechung des Lichts des Messstrahls in einem gasförmigen Medium in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) vermessen werden. Dies geschieht bei einem konstanten Magnetfeld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes des Messstrahls.
Eine Messung mit anderen Magnetfeldrichtungen unter Ausnutzung anderer Effekte ist dabei natürlich auch denkbar.
Ein hier abschließender Effekt, der genutzt werden kann, ist der der Volumenstreuung. Dabei wird die Streuung des Lichtes des Messstrahls in einem transluzenten Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts vermessen.
Schließlich bleibt noch zu erwähnen, dass dies alles nur ein Auszug der möglichen anwendbaren Effekte ist.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass diese Offenbarung daher nicht nur die ortsaufgelöste Messung von Materialparametern mittels eines in der räumlichen Richtung schwenkbaren Messstrahls und einer Lichtlaufzeitmessung umfasst, sondern auch ganz allgemein die Messung von Parametern der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und von Parametern eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder von Parametern der Oberfläche eines Objekts (O) mittels eines Halios^®-Messsystems und/oder eines Halios^®-IRDM Messsystems und/oder eines Systems entsprechend der Anmeldung DE 10 2013 002 676.8 .
Es folgt eine weitere Erläuterung der Erfindung anhand der beigefügten Figuren.
1 zeigt einen Halios^®-Regelkreis entsprechend dem hier nicht beanspruchten Stand der Technik, dessen Verständnis für das Verständnis der folgenden Figuren hilfreich ist.
Ein Generator (G) erzeugt ein Sendesignal (S5), das einen Sender (H) speist. Dieser Sender (H) sendet ein optisches Signal in eine erste Übertragungsstrecke (I1) hinein. Die erste Übertragungsstrecke (I1) endet an dem zu vermessenden Objekt (O), das den optischen Lichtstrahl transmittiert und/oder reflektiert und in eine zweite Übertragungsstrecke (I2) hineinspeist. Am Ende der zweiten Übertragungsstecke (I2) befindet sich der Empfänger (D), der durch das aus der zweiten Übertragungsstrecke (I2) austretende Licht beleuchtet wird. Eine dritte Übertragungsstrecke (I3) geht von einem Kompensationssender (K) aus, der in diese dritte Übertragungstrecke (I3) ein zweites optisches Lichtsignal einspeist. Diese dritte optische Übertragungsstrecke (I3) endet ebenfalls am Empfänger (D), wo sich die beiden Lichtsignale überlagern. Aus der Halios^®-Literatur sind eine lineare und eine multiplizierende Überlagerung bekannt. Der Empfänger (D), hier durch eine Fotodiode mit einem Vorwiderstand symbolisiert, wandelt das optische Gesamtsignal in ein Empfängerausgangssignal (S0) um. Dieses wird zusammen mit dem Sendesignal (S5) durch einen Regler (CT) zu dem Kompensationssendesignal (S3) verarbeitet. Dabei regelt der Regler (CT) das Kompensationssendesignal (S3), das den Kompensationssender (K) steuert, so aus, dass zumindest für einen bestimmten spektralen Anteil des Sendesignals (S5) sich dieser spektrale Anteil nicht mehr in dem Empfängerausgangssignal (S0) widerfindet. Wird die Überlagerung im Empfänger (D) multiplizierend vorgenommen, so findet diese Kompensation in einem frequenzverschobenen Spektralbereich des Empfängerausgangssignals (S0) statt.
Zumindest ein interner Regelparameter (S4) stellt dabei den Messwert dar, der typischerweise mit der Amplitude des reflektierten und/oder transmittierten Sendesignals (S5) und/oder dem inversen der Amplitude je nach Regelmethodik korreliert. An dieser Stelle sei auf die zuvor erwähnte umfangreiche Patentliteratur hierzu verwiesen.
Um Störungen des Reglers zu vermeiden, ist ein typisches Halios^®-System mit Blenden (B, B2, B3) ausgestattet, die unerwünschte Verkopplungen unterdrücken. Hierbei wird der Kompensationssender (K) vorzugsweise in einer Kompensationssenderkavität (CAV_K) platziert, die das Austreten des Lichts des Kompensationssenders (K) über einen anderen als den vorgesehenen Pfad verhindert. Der Empfänger (D) wird in einer Empfängerkavität (CAV_D) untergebracht, die den Eintritt von Licht auf anderen als den vorgesehenen Pfaden verhindern soll. Hierbei soll der Kompensationssender (K) möglichst das Objekt (O) nicht direkt oder indirekt bestrahlen können. Der Sender (H) soll den Empfänger (D) nicht direkt bestrahlen können. Zwischen Kompensationssender (K) und Empfänger (D) wird hierfür vorzugsweise eine Barriere (B3) vorgesehen, die über eine Öffnung, das Kompensationspfadfenster (WK) verfügt, mit dessen Größe der elektrooptische Arbeitspunkt der Vorrichtung eingestellt wird. Durch einen Reflektor (R) wird sichergestellt, dass möglichst der ganze Empfänger (D) durch das Licht des Kompensationssenders (K) belichtet wird. Auch der Sendepfad ist mit einem Sendepfadfenster (WH) in der Barriere (B) versehen, dass durch ein Filter (FH) ergänzt werden kann. Der Empfangspfad, weist ein Empfangspfadfenster (WD) auf, das ebenfalls mit einem Filter (FD) zur Unterdrückung von Licht anderer Wellenlänge als das des Senders (H) und/oder des ggf. zu vermessenden Fluoreszenzlichts des Objekts (O) bestückt werden kann.
2 zeigt das gleiche System aus dem Stand der Technik mit dem Unterschied, dass nun der Sender (H) anstelle des Kompensationssender (K) geregelt wird.
3 zeigt das gleiche System wie die 1 und 2 aus dem Stand der Technik mit dem Unterschied, dass nun sowohl der Sender (H) als auch der Kompensationssender (K) durch den Regler (CT) geregelt werden.
4 zeigt beispielhaft einen Halios^®-Regler aus dem Stand der Technik für die Ermittlung von Amplitude und Verzögerung des durch das Objekt (O) reflektierten und/oder transmittierten Sendesignals (S5). Hierfür wird das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem Sendesignal (S5) in einem ersten Multiplizierer (M1) zu einem Filtervorsignal (S8) multipliziert. Ein erstes Filter (F1) filtert das Signal zu einem Filterausgangssignal (S9). Dieser erste Filter (F1) kann beispielsweise ein einfacher Integrator sein. Sofern der erste Filter (F1) zusammen mit der vorausgehenden Multiplikation nur eine Linearform darstellt, erfüllt er bereits die Mindestanforderungen. Es hat sich gezeigt, dass es besonders günstig ist, wenn es sich bei dem ersten Filter (F1) um ein Tiefpassfilter handelt, dass die Frequenzen des Sendesignals (S5) und dessen Oberwellen sperrt, ein Gleichsignal aber möglichst ungedämpft durchlässt. Es hat sich ebenfalls im Stand der Technik gezeigt, dass es sich bei dem Sendesignal (S5) um ein bandbegrenztes Signal handeln kann, wobei die Minimalfrequenz des Sendesignals (S5) noch durch das erste Filter (F1) gesperrt werden sollte. In diesem Fall bildet dann die erste Multiplikationseinheit (M1) in Verbindung mit dem ersten Filter (F1) ein Skalar-Produkt aus dem Sendesignal (S5) und dem Empfängerausgangssignal (S0). Typischerweise ist das Ausgangssignal des ersten Filters (F1) ein nahezu konstantes Signal, dass den Anteil des Sendesignals (S5) im Empfängerausgangssignal (S0) widerspiegelt. Ist das Sendesignal (S5) beispielsweise ein Sinussignal, so handelt es sich bei dem Filterausgangssignal um eine Größe, die dem Fourier-Koeffizienten nach Fourier-Transformation proportional ist. Die Vorrichtung ist aber nicht auf die Verwendung von Sinussignalen als Sendesignal (S5) beschränkt. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Spreizcodes und PCM-Modulierten Signalen oder phasenmodulierten Signalen etc. als Sendesignal (S5). Die Menge der Modulationsarten ist hier vielfältig und kann den zu erwartenden Störungen angepasst werden und ggf. während des Betriebs auch gewechselt werden. So sind beispielsweise auch Frequenz-Hopping und anderes denkbar.
Gleichzeitig wird das Sendesignal (S5) in einer ersten Verzögerungseinheit (Δt1) um einen Zeitraum verzögert, der größer als die maximal zu erwartende Verzögerung in der Messstrecke (I1, O, I2) ist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn diese Verzögerung so gewählt wird, dass das verzögerte Sendesignal (S5d) orthogonal zu dem Sendesignal (S5) ist. Dies ist dann der Fall, wenn das Skalar-Produkt der beiden Signale (S5, S5d), also die Multiplikation der beiden Signale (S5, S5d) durch eine Multiplikationseinheit (M1, M2) und die besagte Filterung durch ein Filter (F1, F2) wie das besagte erste Filter (F1) ein Null-Signal als Ausgangssignal ergibt. Dies ist bei monofrequenten Signalen dann der Fall, wenn das verzögerte Sendesignal (S5d) um 90° gegenüber dem ursprünglichen Sendesignal (S5) verschoben ist.
Im Falle eines sinusförmigen Sendesignals (S5) wäre dann das verzögerte Sendesignal (S5d) ein Cosinus förmiges Signal. Aus dem Empfängerausgangssignal (S0) und diesem verzögerten Sendesignal (S5d) wird nun mittels einer typischerweise gleich parametrisierten Skalar-Produktbildung durch Multiplikation in einem zweiten Multiplizierer (M2) und anschließende Filterung in einem zweiten Filter (F2) ebenfalls ein zweites Filterausgangssignal, das verzögerte Filterausgangssignal (S9d) erzeugt. Vorzugsweise hat der zweite Filter (F2) ähnliche oder gleiche Eigenschaften wie das erste Filter (F1). Wenn das Sendesignal (S5) ein monofrequentes Sinus-Signal ist und die Verzögerung einer Phasenverschiebung um 90° entspricht, so ist das verzögerte Filterausgangssignal (S9d) somit proportional zum Fourier-Koeffizienten des korrespondierenden Cosinus-Signals. Durch eine einfache Koordinatentransformation kann dann auf Amplitude und Verzögerung bzw. Phase geschlossen werden. Ist die Verzögerung durch die Messstrecke klein gegenüber der Periodendauer des Sendesignals (S5), so entspricht das verzögerte Filterausgangssignal dieser Verzögerung und damit der Lichtlaufzeit. Um ein geeignetes Kompensationssendesignal (S3) zu erzeugen, werden sowohl das Filterausgangssignal (S9) als auch das verzögerte Filterausgangssignal (S9d) in zwei Verstärkern (V1, V1d) verstärkt. Dabei können die Verstärkungen der beiden Verstärker (V1, V1d) unterschiedlich sein. Verstärkungen und Vorzeichen der Verstärkungen der Verstärker (V1, V1d) werden dabei so gewählt, dass sich beim Schließen des Regelkreises Stabilität ergibt. Das Verstärkerausgangssignal (S4) des ersten Verstärkers (V1), der das Filterausgangssignal (S9) verstärkt, wird für die Rücktransformation nochmals mit dem Sendesignal (S5) in einem dritten Multiplizierer (M3) multipliziert. Dabei ergibt sich aufgrund der Vorzeichenwahl typischerweise ein zum Sendesignal (S5) komplementäres Signal, dass immer dann aktiv ist, wenn das Sendesignal inaktiv ist und umgekehrt. Nach einer Verzögerung um eine regelbare Verzögerung (Δt2) erhält man das Kompensationsvorsignal (S6), dass nach Addition eines optionalen Bias-Wertes (B1) zum Kompensationssendesignal (S3) wird, das den Kompensationssender (K) speist. Da das Vorzeichen des ersten Verstärkers (V1) so gewählt ist, dass sich das Kompensationssendesignal (S3) komplementär zum Sendesignal (S5) verhält, strahlt der angeschlossene Kompensationssender (K) immer dann in den Empfänger (D) ein, wenn der Sender (H) durch das Sendesignal (S5) abgeschaltet wird. Der Kompensationssender (K) kompensiert also fehlendes Licht des Senders (H). Die regelbare Verzögerungsstrecke (Δt2) wird in ihrer Verzögerung nun so geregelt, dass ein größeres verzögertes Verstärkerausgangssignal (S4d) zu einer größeren Verzögerung führt. Hierducht wird das Kompensationssendesignal (S3) so verschoben, dass es mit dem durch die Messstrecke (I1, O, I2) verzögerten Sendesignal (S5) korreliert.
Ein so gestalteter Regler liefert also typischerweise zwei Messwerte, die beispielsweise dem Verstärkerausgangssignal (S4) und dem verzögerten Verstärkerausgangssignal (S4d) entsprechen. In der Praxis hat sich gezeigt, dass in einigen Fällen auch das verzögerte Filterausgangssignal (S9d) direkt als Messwert verwendet werden kann.
Die folgenden Figuren erläutern eine beispielhafte Ausformung der Erfindung ohne die Ansprüche zu beschränken.
5 zeigt einen ersten weiter vorne liegenden Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Ein Steuerschaltkreis (401), der typischerweise den besagten Regler (CT) umfasst, ist mittels eines Befestigungsmittels, beispielsweise einem Kleber (402) oder mittels Lötung auf einem Die-Padle (403), dem Schaltungsträger, aufgeklebt. Dabei handelt es sich um die Die-Bond-Insel, das Die-Padle, eines Lead-Frames, wie er aus der IC-Assembly-Technik hinlänglich bekannt ist. Der Steuerschaltkreis (401) ist mittels einer konventionellen Bondung (404) mit den nach außen führenden Leads (405) verbunden. Leads sind kleine Metallstege des Lead-Frames, die während der Herstellung in einem Rahmen miteinander verbunden sind und später elektrische Anschlüsse bilden. Einer dieser Leads dient als Inner-Lead (406) als Landefläche für den Bonddraht (407), der zum Anschluss des Senders (H) dienen soll. Der Steuerschaltkreis (401) ist mit einer Moldmasse (428) bedeckt, die den Steuerschaltkreis (401) und zumindest Teile des Leadframes (405, 403) gegen Umwelteinflüsse schützt. Sofern eine höhere Verlustleistung abzuführen ist, ist aus der Patentliteratur bekannt, dass solche Leads (403) ggf. auch auf der Unterseite des Gehäuses frei liegen können, um einen thermischen Anschluss zu ermöglichen. Das Besondere ist, dass der Inner-Lead (406) nur zum Teil mit der Moldmasse (428) bedeckt ist, damit nach dem Ausformen des Gehäuses mit Hilfe der Moldmasse (428) weitere Komponenten In geschaffenen Vertiefungen (414, 424) noch eingesetzt werden können. Dabei liegen Teile der metallischen Oberfläche der Innerleads (406) blank, sodass ein Anschluss der nachträglich eingesetzten Bauteile möglich ist. Ein solche nachträglich eingesetztes Bauteil ist der Sender (H), der hier als Laser (409) mittels eine Klebers (412) auf einer ebenfalls blank gehaltenen Laser-Die-Insel (413) aufgeklebt wird. Der Laser (409) verfügt über eine optisch aktive Schicht (410), die einen Laserstrahl (415) aussendet, wenn der Laser (409) durch den Ansteuerschaltkreis geeignet bestromt wird. Der Laser (409) wird über Bonddrähte (408) mit dem Inner-Lead (406) und von dort mit dem Steuerschaltkreis (401) über weiter Bonddrähte (407) verbunden. Nach dem Aufsetzen und/oder Aufkleben eines Deckels (427) befindet sich der Laser (409) in seiner Rolle als Sender (H) in einer Senderkavität (414). Ein Steg (417) stellt die bereits erwähnte Barriere (B) dar. Der Steg (417) weist typischerweise ein erstes Sendepfadfenster (416) auf, das den Laserstrahl (415) passieren lässt. Von der Sendekavität (414) gelangt der Laserstrahl (415) in die Spiegelkavität (424), in der er durch einen Spiegel (422) abgelenkt wird. In diesem Beispiel erfolgt die Ablenkung, sofern keine Modifikation der Spiegelposition vorliegt, um 90° gegenüber dem ursprünglichen Laser-Strahl (415) nach Emission durch den Laser (409). Der Spiegel ist ein mikromechanischer Spiegel (420), der vorzugsweise um zwei Achsen um zwei Ablenkwinkel (α, β) elektrostatisch gekippt werden kann. Andere Mechanismen sind aus der Literatur bekannt. Beispielsweise ist die Fertigung eines Hexapods mit sechs thermischen Aktuatoren zur Steuerung eines solchen Spiegels bekannt. Damit die Spiegelfläche (422) sich in dem gewünschten 45°-Winkel zur Lead-Frame-Ebene befindet, muss der Lead-Frame eine Die-Insel aufweisen, die zumindest in einem Teil um 45° gegenüber der Lead-Frame-Eben gekippt ist. Andere Winkel sind natürlich denkbar, wenn eine andere Ruhablenkung des Laserstrahls (415) als 90° akzeptiert wird. Insofern ist die hier beschriebene Anordnung nur ein Beispiel für eine mögliche Ausführung und ist insofern wie auch die Beschreibungen der anderen Figuren nicht beschränkend hinsichtlich der Ansprüche. Der mikromechanische Spiegel (420) weist typischerweise ein Torsionslager (421) für den Mikrospiegel (422) auf. Der Mikrospiegel (420) ist mittels Klebers (419) an den besagten, vorzugsweise um 45° geneigten Teil (429) seines Die-Padles (418), das selbst Teil des Leadframes ist, geklebt. Es ist also eine besondere Eigenschaft eines erfindungsgemäßen Gehäuses für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, dass die Höhe des Die-Padles für den Laser (413) gegenüber der Mittellage des geneigten Teils des Die-Padles des Mikrospiegels (429) so in der Höhe versetzt und so geneigt ist, dass der aus der aktiven Zone (410) austretende Laserstrahl (415) vorzugsweise in der Mitte der Spiegelfläche, zumindest aber in seinem vollen Querschnitt auf der Spiegelfläche (422) des Mikrospiegels (420) auftrifft. Hierfür ist der Schwerpunkt der geneigten Fläche direkt unter dem Mikrospiegel (429) gegenüber der Ebene des Die-Padles des Lasers (413) versetzt.
Die Spiegelkavität (424) wird durch Stege (423) so umrandet, dass sie bis auf ein zweites Sendepfadfenster (425) vorzugsweise keine weitere Öffnung mehr aufweist. Sofern notwendig, kann beispielsweise durch eine aufgesetzte Linse (426) die Ablenkung durch den Mikrospiegel vergrößert oder verkleinert werden.
6 zeigt einen weiteren Schnitt durch eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung. Auch hier verbindet wieder ein Inner-Lead (506) den Steuerschaltkreis (401) mit dem Kompensationssender (509). Dier ist wieder mit einem Kleber (512) mit einem Die-Paddle (513) mechanisch und vorzugsweise auch elektrisch verbunden. Die Verbindung wird wieder über Bond-Drähte (507, 508) hergestellt. Das Inner-Lead ist wieder nur teilweise mit Moldmasse (428) bedeckt, um ein nachträgliches Einsetzen des Kompensationssenders (K) in die Kompensationssenderkavität (514) nach der Herstellung des Gehäuses zu ermöglichen. Die Kompensationssenderkavität (514) ist wieder optisch durch einen Deckel (527) abgeschlossen, der, der Barriere (B) entspricht. In einem Steg (517), der die Kompensationssenderkavität (514) seitlich abschließt und von der Empfängerkavität (524) als Barriere (B3) abschließt, befindet sich wieder ein Kompensationspfadfenster (516), dass den Kompensationslichtstrahl (515) auf den Empfänger (520) fallen lässt. Dabei wirkt ein Teil der Innenfläche des Deckels (527) als Reflektor (R). Der Empfänger (520) ist in einer Empfängerkavität (524) platziert, die neben dem besagten Steg (517) durch einen weiteren Steg (523) allseitig umschlossen ist. Der Empfänger (520) ist mit einem Kleber (519) auf seinem Die-Paddle (518) befestigt. Seine aktive Fläche (522) wird durch das vom Objekt zurückgestrahlte Licht (530) und durch den Lichtstrahl (515) des Kompensationssenders (509) bestrahlt. Es ist bekannt, dass eine Linse (526) oder andere Optik für eine Optimierung der Empfangskeule (530) genutzt werden kann.
7 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Der Steuerschaltkreis (401) ist mittels eines Bondsystems aus mehreren Bonddrähten (404) mit den externen metallischen Leads (405) verbunden. Mehrere Inner-Leads (406, 506) ermöglichen die Verbindung des Auswerteschaltkreises (401) mit dem Laser (409) auf der einen Seite und dem Kompensationssender (509) auf der anderen Seite. Die Verbindung wird hier über die besagten Bonddrähte (507, 509, 407, 409) hergestellt, wobei die Bondverbindungen des Steuerschaltkreises (507, 407) von Moldmasse (428) bedeckt sind. Die Inner-Leads (506, 406) werden dabei nur teilweise und die Die-Padles (413, 513) des Lasers (409) und des Kompensationssenders (509) werden dabei vorzugsweise zumindest im Bereich der Die-Montageflächen nicht, wie bereits beschrieben, mit Moldmasse (428) bedeckt, sodass das Einbringen des Lasers (409) in die Laser-Kavität (414), das Einbringen des Kompensationssenders (509) in die Kompensationssenderkavität (514) und das Anbringen der Bond-Drähte (408, 508) für den Anschluss des Lasers (409) und des Kompensationssenders (509) nach dem Verguss des Lead-Frames einschließlich des Steuerschaltkreises (401) und dessen Bondsystems (404, 407, 507) mit der Moldmasse (418) noch möglich ist. Ähnliches gilt für die Spiegel Kavität (424) und die Empfängerkavität (524), deren Die-Padles (418, 429, 518) ganz und Leads (601 bis 604, 618) ebenfalls teilweise von der Moldmasse (428) freigehalten werden, um die Montage des Mikrospiegels (420) und des Empfängers (520) nach dem Verguss des Steuerschaltkreises (401) mit Moldmasse (428) in die besagten Kavitäten zu ermöglichen.
Die Die-Padles (413, 513) des Lasers (409,) und des Kompensationssenders (509) sind dabei mit dem Auswerteschaltkreis (401) über Bonddrähte (407, 507) derart verbunden, dass die Bonddrähte (407) mit Moldmasse (428) bedeckt sind. In diesem Beispiel sind die Kleber (412, 512) mit denen der Laser (409) und der Kompensationssender (509) auf ihren jeweiligen Die-Padles (413, 513) befestigt sind, vorzugsweise elektrisch und thermisch leitend ausgeführt. Anschlüsse der Die-Padles (413, 513) des Lasers (409,) und des Kompensationssenders (509) sind in diesem Beispiel herausgeführt. Dies ermöglicht eine bessere Kühlung des Lasers (409) und des Kompensationssenders (509). 7 zeigt die Vorrichtung mit abgenommenen Deckeln (427, 527) und abgenommenen Fenstern (427, 527) und mit virtuell freigelegten Bondsystemen. Die Positionen der Linsen (426, 526) sind angedeutet.
Was zuvor für den Laser (409) und den Kompensationssender (509), deren Inner-Leads (506, 406) und deren Die-Padles (413, 513) gesagt wurde, gilt auch für die Die-Padles (418, 518) des MEMS Spiegels (420) und des Empfängers (520), um die Montage derselben nach Verguss mit der Moldmasse (428) zu ermöglichen. In diesem Beispiel ist die Steuerung des MEMS-Spiegels (420) über ein Bond-System (606) und zugehörige Leads (601 bis 604) möglich. Es ist bei dieser beispielhaften Lösung sinnvoll, die Verdrahtung des MEMS-Spiegels über eine gedruckte Leiterplatte vorzunehmen, auf die das erfindungsgemäße Gehäuse aufgelötet wird. Wird der Lead-Frame des erfindungsgemäßen Gehäuses komplizierter gestaltet, so ist es möglich, die gesamte Verdrahtung in dem erfindungsgemäßen Gehäuse vorzunehmen. Beispielsweise ist es denkbar eine mehrlagige Leiterplatte als Träger für die Dice (401, 409, 509, 520) vorzusehen und den MEMS-Spiegel mit einem speziellen mechanischen Adapter um den gewünschten Winkel geneigt in eine Aussparung dieser Leiterplatte zu montieren. Eine besonders günstige Montagetechnik, die hier Erwähnung finden sollte, ist die MID-Technik.
Schließlich sollte noch Erwähnung finden, dass zwei Barrieren (617, 618) die Laser-Kavität (414) von der Kompensationssenderkavität (514) bzw. die MEMS-Spiegel-Kavität (424) von der Empfängerkavität (524) trennen.
8 zeigt das erfindungsgemäße System vor dem Aufsetzen der Deckel (427, 527), wie es sich einem Betrachter darstellt.
9 zeigt das erfindungsgemäße System nach dem Aufsetzen der Deckel (427, 527), dem Einsetzen der Fenster (425, 525) und dem Aufsetzen der Linsen (426, 526).
10 zeigt eine beispielhafte Montagesituation für zwei Systeme (1001, 1002) in je einem Außenspiegel (1006, 1007) eines Kfz (1005). Das System kann beispielsweise dazu benutzt werden, um eine Annäherung an einen Türgriff (1008, 1009) zu detektieren und die jeweilige Tür (1003, 1004) zu entriegeln.
11 zeigt eine beispielhafte Positionierung von Feed-Back Feldern (1111, 1110) auf der Tür, die dem Nutzer eine Rückmeldung über erkannte Gesten etc. liefern.
12 zeigt je einen beispielhaft definierten Erkennungsbereich (1212, 1210) in dem Gesten mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erkannt werden können. Hierfür wird ein beispielhaftes Raumvolumen mit Hilfe eines minimalen ersten Ablenkwinkels α_min, eines maximalen ersten Ablenkwinkels α_max, eines minimalen zweiten Ablenkwinkels β_min, eines maximalen zweiten Ablenkwinkels β_max, und eines minimalen Abstands a_min und eines maximalen Abstands a_max definiert. Es ist also eine besonders wichtige Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass Schwellwerte eines (α_min, α_max, β_min, β_max, a_min a_max) definiert werden, mit denen die Messwerte für Objektpositionen verglichen werden und dass nur solche Objektpunkte weiterverarbeitet werden, die einer oder mehreren vorgegebenen Relationen zu diesen Schwellwerten entsprechen. Dabei können die Schwellwerte typischerweise die Relationen größer, größer-gleich, kleiner, kleiner-gleich umfassen. Werden zwei Schwellwerte vorgegeben, kann die Schnittmenge der Objektpunkte, die die Bedingung erfüllen, also beispielsweise die Menge der Punkte, die innerhalb zweier Schwellwerte liegt, oder die Vereinigungsmenge, also beispielsweise die Menge der Punkte, die außerhalb eines Intervalls liegen, weiterverarbeitet werden. Dem Fachmann ist klar, dass mehrere Schwellwerte und Relationen für einen Parameter verwendet werden können, was beispielsweise zu mehreren Feldern und/oder komplexer geformten Erkennungsbereichen (1212, 1213) führt. Auch sind Koordinatentransformationen möglich. Beispielsweise kann ein sphärisches Koordinatensystem mit einem Koordinatenursprung innerhalb des Erkennungsbereiches (1212, 1213) gewählt werden. Es ist also nicht zwingend notwendig, dass der Koordinatenursprung des Koordinatensystems der Schwellwerte mit dem Ort und dem Koordinatensystem des Sensorsystems übereinstimmt. Es ist nur notwendig, die vom Sensorsystem gelieferten Werte und die Hüllflächen der Schwellwerte durch geeignete Koordinatentransformationen in ein gemeinsames Koordinatensystem zu transferieren, um eine Vergleichbarkeit mittels der festgelegten Relationen herzustellen.
13 zeigt ein erfindungsgemäßes System zur Objektklassifizierung. Der besagte Regler (Controller CT) erzeugt das Sendesignal (S5) und steuert den Sender (H) und die Steuerung der Auslenkung des besagten MEMS-Spiegels (SP). Der Sender strahlt in die erste Übertragungsstrecke (I1) ein und bestrahlt dadurch das Objekt (O) mit dem Sendesignal. Das Objekt (O) transmittiert und/oder reflektiert das Licht des Senders (H) in die zweite Übertragungsstrecke (I2). Nach dem Durchgang durch diese Messstrecke (I1, O, I2) wird das Licht vom Empfänger (Sensor D) empfangen und das Empfängerausgangssignal (S0) an den Regler (Controller CT) weitergeleitet. Wie bereits beschrieben, erzeugt der Regler (Controller CT) das kompensierende Kompensationssendesignal (S3), das in Amplitude und Verzögerung so geregelt wird, dass es das verzögerte und gedämpfte Sendesignal (S5) kompensierend im Empfänger (D) überlagert nachdem es selbst durch den Kompensationssender (K) in die dritte Übertragungsstrecke (I3) hinein ausgesendet wurde. Der Regler erzeugt in diesem Beispiel aus den internen Regelparametern und den eingestellten Ablenkwinkeln (α, β) des Mikrospiegels (SP) einen Datenstrom (1324) zu dem auch noch Messwerte anderer Sensoren (input of other Sensors 1324) hinzugenommen werden können. Es ist offensichtlich, dass es vorteilhaft ist, Teile des Reglers (CT) und Teile der nachfolgenden Schritte in einer einzigen Vorrichtung, beispielsweise einem Signalprozessor und/oder einer Rechnereinheit mittels Software zu realisieren. Die Ausführung in spezieller Hardware ist aber ebenso möglich. Die folgende Feature-Extraktion (1311) erzeugt aus diesem kontinuierlichen Datenstrom von Datenvektoren (z. B. aus erstem Ablenkwinkel α, zweiten Ablenkwinkel β, Abstand a und Reflektivität R) beispielsweise durch zeitliche und räumliche Differentiation, Integration und andere Weiterverarbeitung mehrerer Datenvektoren weitere Werte, sodass der Feature-Vektor typischerweise 50 bis 200 Dimensionen annimmt. Die Werte dieses so expandierten Feature-Vektors zeigen aber in der Regel keine gleichverteilte Signifikanz hinsichtlich der zu erkennenden Objekte. Vielmehr sind die Komponenten des Feature-Vektors voneinander nicht vollständig unabhängig. Daher wird der Feature-Vektor typischerweise mit einer LDA-Matrix zum LDA-Ausgangsvektor (1338) multipliziert, die die Anzahl der Vektor-Komponenten vermindert und deren Signifikanz steigert. Für jeden der so erhaltenen LDA-Ausgangsvektoren (1338) wird nun der euklidische Abstand zu den Prototypen einer Objektklassenprototypendatenbank (Prototype-Book 1315) berechnet. Dies geschieht in der Emissionsberechnung (1312). Im einfachsten Fall gibt die Emissionsberechnung (Emission Computation 1312) die Objektklasse als erkannt über ihren Ausgang (1339) aus, die den geringsten Abstand zu einem Prototypen der Objektklassenprototypendatenbank (Prototype Book 1315) hat, aus. Durch ein Training (1317) werden sowohl die LDA-Matrix (1314) als auch die Objektklassenprototypendatenbank (1315) im Vorfeld mittels charakteristischer Modellobjekte ermittelt. Neben der Objektklassenerkennung (1339) können ggf. auch Zustände des Objekts (1321) erkannt werden.
14 zeigt die Emissionsberechnung beispielhaft anhand eines zweidimensionalen Beispiels. In der Realität haben die Beispiele eine wesentlich größere Dimensionalität. Ein erster beispielhafter LDA-Ausgangsvektor (1446) zeige in einen Bereich weit ab der Schwerpunkte (1443, 1444, 1441, 1442) der Prototypen, die in diesem Beispiel von unterschiedlichen Schwellwert Ellipsoiden umgeben sind, deren Hauptachsenausrichtung und Hauptachsenradien in der Objektklassenprototypendatenbank zusammen mit den Koordinaten der Prototypenschwerpunkte (1443, 1444, 1441, 1442) abgelegt sind. In dem beispielhaften Algorithmus soll eine Objektklasse dann als erkannt gelten, wenn der LDA-Ausgangsvektor innerhalb des Schwellwert Ellipsoids liegt. Der erste beispielhafte LDA-Ausgangsvektor (1446) kann daher als nicht erkannt bewertet werden, da er nach diesen Regeln mit keinen Prototypen korreliert. Es hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass es sinnvoll ist, die Objektklassenprototypendatenbank auch mit besonders häufig vorkommenden Nicht-Fällen, wie dem ersten beispielhaften LDA-Ausgangsvektor (1446), als Prototypen zu versehen, um die Erkennungsrate zu optimieren. Ein zweiter beispielhafter LDA-Ausgangsvektor (1448) liege innerhalb eines Schwellwert-Ellipsoids (1447) eines zweiten beispielhaften Prototypen (1441). Damit wird das Objekt als ein Objekt einer Objektklasse entsprechend dem zweiten beispielhaften Prototyp (1441) klassifiziert.
Ein dritter beispielhafter LDA-Ausgangsvektor (1445) liege innerhalb der Schwellwert-Ellipsoide zweier Prototypen, des dritten beispielhaften Prototypen (1443) und des vierten beispielhaften Prototypen (1442). Je nach Realisierung kann in einem solchen Fall beispielsweise die Objektklasse entsprechend dem kleineren Abstand als erkannt ausgewählt werden und/oder es wird eine Hypothesenliste ausgegeben, die beispielsweise die zur den beiden Prototypen (1443, 1442) gehörenden Objektklassen aufführt und die Abstände zwischen Prototypschwerpunkt (1442, 1443) und dem optimierten Feature-Vektor. Dieser Abstand kann beispielsweise auf den jeweiligen Schwellwertradius normiert sein.
Ein Viterbi-Algorithmus, der durch die besagte Rechnereinheit ausgeführt wird, kann dann, wie beschrieben, genutzt werden, um bei mehreren Objekten (O) aufgrund zeitlicher und/oder räumlicher Korrelation die wahrscheinlichste Kombination von Objekthypothesen für mehrere Objekte zu ermitteln.
15 zeigt links einen beispielhaften Scan gesehen in Abstrahlrichtung des Laserstrahls. Die Messpunkte sind als schwarz gefüllte Kreise gezeichnet. Zu jedem dieser Messpunkte wird ein besagter Datenvektor mit Abstand und Reflektivität erzeugt. Die Bewegungsbahn des beispielhaften Scans des Laserstrahls ist als dünne Linie eingezeichnet. Die Bewegungsrichtung ist mit Pfeilen markiert. Es handelt sich hier, wie gesagt nur um ein Beispiel.
Bei einer lokalen Auflösungsänderung, wie beschrieben, können beispielsweise zusätzliche Messpunkte eingefügt werden. Diese Situation ist rechts eingezeichnet. In einem Raumwinkelbereich wird die Auflösung erhöht, indem je ursprünglichen Messpunkt vier weitere Messpunkte hinzugefügt werden.
16 zeigt ein Beispiel für die Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Systems. Da das System jeweils die Ortskoordinate des vorhergehenden Messpunktes bestimmen kann, kann beispielsweise die Messpunktdichte auf dem Objekt (O) kontrolliert werden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Messpunktdichte von der Struktur des zu vermessenden Objektes (O) abhängt. Des Sender (H) sendet seine Lichtstrahlen dann an beispielsweise an verschiedene Messpunkte auf dem Objekt (O), die beispielsweise den gleichen Abstand auf der Objektoberfläche haben. Hier ist das beispielhafte Objekt (O) eine Kugel, die in einem Fächer-Scan mit nur einem Winkelparameter, beispielsweise dem ersten Ablenkwinkel α vermessen wird. Hierfür ist es sinnvoll, wenn nach einer ersten Messung mit beispielsweise im Raum gleichmäßig verteilten Messrichtungen ein erstes Modell der Umgebung in einem Rechnersystem, das vorzugsweise Teil der Vorrichtung ist, vermessen wird. In einem zweiten Schritt kann dann durch Interpolation der Umgebung auf optimale Messrichtungen und eine optimale Auflösungsfunktion geschlossen werden, wodurch sukzessive eine verbesserte Verteilung der Messpunkte auf dem Objekt (O) erreicht wird. Ist das Objekt (O) in Bewegung, so kann, wie erläutert, bei der Prognose der optimalen Messpunkte und der optimalen Auflösungsfunktion die Bewegung des Objektes berücksichtigt werden.
17 zeigt ein beispielhaftes Halios^®- bzw. Halios^®-IRDM-System mit zwei Kompensationssendern (1709, 509) und zwei Empfängern (1720, 520). Jeder der Kompensationssender (1709, 509) ist in einer separaten Kompensationssenderkavität (1715, 5159 untergebracht. Ebenso ist jeder der Empfänger (1720, 520) in einer separaten Empfängerkavität (1724, 525) untergebracht. Kompensationssendekavität und Empfängerkavität sind jeweils mittels eines separaten Kompensationspfadfensters (1716, 516) miteinander verbunden. Die Kompensationssender sitzen auf separaten Die-Padles (513, 1713). Der zusätzliche Kompensationssender (1709) ist über einen separaten Inner-Lead (1706) mit einem separaten Bondsystem (1707, 1708) an den Steuerschaltkreis (401) angeschlossen. Das Licht der Kompensationssender (1715, 515) gelangt über das jeweilige besagte Kompensationspfadfenster (1716, 516) auf den jeweiligen Empfänger (1720, 520), wo es sich mit dem Licht, dass durch das jeweilige Empfangspfadfenster und/oder die jeweilige Eintrittslinse oder -optik (1726, 526) eingetreten ist, überlagert. Bei diesen Empfangspfadfenstern und/oder jeweiligen Eintrittslinsen oder -optiken (1726, 526) kann es sich darüber hinaus, wenn Polarisationsrichtungen zu vermessen sind, beispielsweise gleichzeitig auch um in einer Ebene polrasierende Polarisationsfilter handeln. Dabei sind die Richtungen der Polarisationswirkungen typischerweise zueinander senkrecht angeordnet.
Merkmale (keine Liste der Ansprüche)
Der Scanner weist also die folgenden Merkmale auf. Die folgende Merkmalsliste entspricht nicht dem beanspruchten Umfang dieser Offenbarung. Dieser ergibt sich ausschließlich aus den Ansprüchen.
Merkmal 1
Scanner, wobei der Scanner eine Vorrichtung zur optischen Messung der Lichtlaufzeit zu einem Objekt im Raum mittels mindestens einer Sende- und Empfangskeule aufweist und wobei ein Sender das Scanners Licht in der Intensitätsverteilung der Sendekeule ausstrahlt und wobei ein Empfänger des Scanners Licht aus Richtungen der Empfangskeule empfangen kann und wobei zumindest eine der Sende- und/oder Empfangskeulen, die zusammen den Messstrahl bilden, durch Mikrospiegel zumindest zeitweise abgelenkt wird oder abgelenkt werden kann und wobei der Scanner zumindest einen Parameter zumindest zeitweise und/oder auf Veranlassung ausgibt, der von der Lichtlaufzeit zwischen dem Scanner und einem Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts abhängt.
Merkmal 2
Scanner nach dem vorhergehenden Merkmal, wobei das Licht einer Sendekeule bei seiner Aussendung durch den Scanner in einer Ebene polarisiert ist.
Merkmal 3
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale, wobei das Licht einer Sendekeule bei seiner Aussendung durch den Scanner zirkularpolarisiert ist.
Merkmal 4
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale, wobei der Scanner ein Empfangspfadfenster (525) aufweist, das ein Polarisationsfilter ist.
Merkmal 5
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale, wobei der Scanner zumindest einen zweiten Parameter zumindest zeitweise und/oder auf Veranlassung ausgibt, der von einem physikalischen Parameter der Oberfläche des Objekts am Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts und/oder der von einem physikalischen Parameter der optischen Übertragungsstrecke von einem Sender bis zum Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts und zurück bis zum Empfänger abhängt.
Merkmal 6
Scanner nach dem vorhergehenden Merkmal, wobei es sich bei dem zweiten Parameter um die optische Reflektivität und/oder die optische Reflektivität in einem bestimmten Wellenlängenbereich und/oder um einen Parameter handelt, der auf einen oder mehreren der folgenden optischen Effekte zurückzuführen ist: auf eine räumliche Lichtgeschwindigkeitsmodulationen und/oder auf eine Lichtbrechung in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Cotton-Effekt, insbesondere auf eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts, insbesondere durch eine charakteristische Änderung der optischen Rotationsdispersion (ORD) und/oder Circulardichroismus in der Nähe einer Absorptionsbande eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Cotton-Mouton-Effekt, insbesondere auf eine magnetisch induzierte Doppelbrechung in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Debye-Sears-Effekt und/oder eine Wechselwirkung einer akustischen Welle mit dem Licht des Messstrahls des Scanners in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, insbesondere in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit an einer dieser Stellen, auf Dichroismus, insbesondere auf eine unterschiedliche Absorption in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des Lichts des Messstrahls, auf eine Doppelbrechung, insbesondere auf das Auftreten zweier optischer Wege in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den elektrooptischen Effekt, insbesondere auf eine Änderung des Brechungsindex und/oder der Lichtgeschwindigkeit in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts in Abhängigkeit von einem äußeren elektrischen Feld, auf den Faraday-Effekt, insbesondere auf die Drehung der Polarisationsebene des Lichts des Scanners durch ein Magnetfeld im Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Franz-Keldysh-Effekt, insbesondere auf eine Änderung der Fundamentalabsorption eines halbleitenden Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts in Anwesenheit eines elektrischen Feldes, auf den Goos-Hänchen-Effekt, insbesondere auf das das teilweise Eindringen des Lichts des totalreflektierten Messstrahls in die Oberfläche des Objekts, auf den Kautsky-Effekt, insbesondere auf die Chlorophyllfluoreszenz und das fluorierende Nachleuchten von Chlorophyll im Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Kerr-Effekt, insbesondere auf die Änderung der optischen Eigenschaften eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts in Anwesenheit eines elektrischen Feldes durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes, auf den Louche-Effekt und/oder Ouzo-Effekt, insbesondere auf die Streuungsänderung durch Emulsionsbildung in einem Dreistoffsystem aus nicht-mischbaren und mischbaren Flüssigkeiten in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den magnetooptischen Kerr-Effekt, insbesondere auf die Änderung der Intensität und oder auf eine Drehung der Polarisationsebene des Lichts des Messstrahls, an einer ferromagnetischen Metalloberfläche des Objekts in Abhängigkeit von der Magnetisierung dieser ferromagnetischen Metalloberfläche, auf den Majorana-Effekt, insbesondere auf die Doppelbrechung kolloidaler Lösungen in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) in einem Magnetfeld, auf Parametrische Fluoreszenz, insbesondere auf eine Wellenlängenänderung des Lichts des Messstrahls in einem nichtlinearen optischen Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf Fluoreszenz und/oder auf Phosphoreszenz, insbesondere auf das Nachleuchten von Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts bei Wellenlängen der Sendekeule und/oder anderen Wellenlängen, auf den photorefraktiven Effekt, insbesondere auf die lichtinduzierte Änderung des Brechungsindex eines Materials und/oder die lichtinduzierte Änderung der Lichtgeschwindigkeit innerhalb eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf Pleochroismus, insbesondere auf die ungleiche Absorption des Lichtes des Messstrahls abhängig von der Ausbreitungsrichtung und der Polarisationsrichtung und/oder von der Orientierung eines Materials beim Durchgang des Lichtes des Messstrahls durch dieses Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Pockels-Effekt, insbesondere auf die Doppelbrechung und/oder deren Änderung bei einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, an das eine elektrische Spannung angelegt wird, auf die Reflexion des Lichts des Messstrahls an der Oberfläche des Objekts, auf die Selbstphasenmodulation des Lichts des Messstrahls in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf einen spannungsoptischen Effekt, insbesondere auf die Drehung der Polarisationsebene des Lichts des Messstrahls in Abhängigkeit vom mechanischen Spannungszustand eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Speckle-Effekt, insbesondere auf optische Interferenzen an der Oberfläche des Objekts (O), auf die Transmission des Lichts des Messstrahls durch das Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2), auf den Tyndall-Effekt, insbesondere auf die die Streuung des Lichts des Messstrahls an mindestens einem oder mehreren Streukörper in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, mit einer Abmessung der Streukörper ähnlich der Lichtwellenlänge des Messstrahls, auf den Voigt-Effekt, insbesondere auf die Doppelbrechung des Lichts des Messstrahls in einem gasförmigen Medium in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2), bei einem konstanten Magnetfeld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes des Messstrahls, auf Volumenstreuung, insbesondere auf die Streuung des Lichtes des Messstrahls in einem transluzenten Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts.
Merkmal 7
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale, wobei die Vorrichtung zur optischen Messung der Lichtlaufzeit zu einem Objekt im Raum mittels mindestens einer Sende- und einer Empfangskeule ein Halios^® IRDM-System und/oder ein Halios^®-System ist
Merkmal 8
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale, wobei zumindest eine abgelenkte Sende- und/oder Empfangskeule längs einer Bahn im zweidimensionalen sphärischen Koordinatensystem, insbesondere zeilenweise, bewegt wird.
Merkmal 9
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale wobei bezüglich der Bahn und/oder Bahnsegmente, die ein oder mehrere Messstrahlen des Scanners durchlaufen, der Zeilenabstand und oder Bahnabstand in Winkelmaß nicht immer konstant ist.
Merkmal 10
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale, wobei bezüglich der Bahn und/oder Bahnsegmente, die ein oder mehrere Messstrahlen des Scanners durchlaufen, der Zeilenabstand und oder Bahnabstand in Winkelmaß in einem bestimmten Raumwinkelsegment konstant ist
Merkmal 11
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale zumindest aber nach Merkmal 5 wobei der Scanner die Positionierung zumindest eines Messpunkts zu einem Zeitpunkt t_n in Abhängigkeit von zumindest einer zu einem vorhergehenden Zeitpunkt t_n-1 gemessener Reflektivität R_n-1 und/oder einem zu einem vorhergehenden Zeitpunkt t_n-1 gemessenen Abstand A_n-1 vornimmt.
Merkmal 12
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale, wobei mindestens drei aufeinander folgende Messpunkte einer Scan-Linie, die zwei aufeinanderfolgende Messpunktpaare bilden, mit jeweils unterschiedlichen Abständen vom Scanner auf dem zu vermessenden Objekt (O) einen Abstand innerhalb der beiden Messpunktpaare zueinander haben, der um weniger als 50% und/oder weniger als 25% und/oder weniger als 10% und/oder weniger als 5% voneinander abweicht.
Merkmal 13
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale wobei der Scanner eine Einheit zur Zuweisung von Objektklassen zu Koordinaten aufweist.
Merkmal 14
Scanner nach dem vorhergehenden Merkmal wobei der Scanner mindestens eine Objektklasse und mindestens eine der Objektklasse zugeordnete Koordinate ausgibt.
Merkmal 15
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche wobei der Scanner eine Einheit zur Erkennung des Vorhandenseins von Objekten im Scanbereich des Scanners aufweist und das der Scanner das Ergebnis einer solchen Erkennung ausgibt.
Merkmal 16
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösungsfunktion des Scanners in zumindest einem Teil des Scanfeldes des Scanners von einer durch den Scanner erkannten Objektklasse und/oder der Objektklasse eines vor dem Scanner im Überwachungsbereich platzierten Objekts und/oder von einem Objekt im Scanbereich des Scanners abhängt.
Merkmal 17
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche wobei er entweder einen Sender aufweist, der bei unterschiedlichen steuerbaren Schwerpunktswellenlängen (λ_S) senden kann und/oder mindestens zwei Sender mit unterschiedlicher Schwerpunktswellenlänge (λ_s1, λ_s2) aufweist.
Merkmal 18
Scanner nach einem der vorhergehenden Merkmale, wobei der Scanner eine Objektklassifizierung mit Hilfe einer Vorrichtung, die auch Teil des Scanners sein kann, durchführt, die wiederum einen HMM-Algorithmus durchführt und/oder einen DTW-Algorithmus durchführt und/oder ein neuronales Netz und/oder ein Petri-Netz und/oder einen Viterbi-Schätzalgorithmus berechnet und oder hierfür einen Schaltkreis mit Fuzzy-Logik verwendet.
Merkmal 19
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche wobei der Scanner mittels einer Teilvorrichtung aus den gemessenen Daten der Vorrichtung zur optischen Messung der Lichtlaufzeit zu einem Objekt im Raum mittels einer Sende- und Empfangskeule und optionalen weiteren Daten und/oder optional deren zeitlichen einfachen und/oder höheren Ableitungen ein Feature-Vektor bildet.
Merkmal 20
Scanner nach dem vorhergehenden Merkmal wobei eine seiner Teilvorrichtungen den Feature-Vektor mit einer LDA Matrix multipliziert.
Merkmal 21
Scanner nach Merkmal 19 und/oder 20 wobei eine Teilvorrichtung zwischen dem Feature-Vektor und/oder der LDA Ausgangsvektor auf der einen Seite und prototypischen Vektoren einer Objektklassenprototypendatenbank auf der anderen Seite für die Objektklassen ein Abstand, insbesondere ein euklidischer Abstand, berechnet und mit zumindest einem Schwellwert durch Bewertung mindestens einer Relation vergleicht und ein Vergleichsergebnis ausgibt.
Merkmal 22
Scanner nach Merkmal 21 wobei eine Teilvorrichtung des Scanners bei unterschreiten eines Schwellwerts durch den Abstand zwischen LDA-Ausgangsvektor und/oder Feature-Vektor auf der einen Seite und Prototypenvektor der Objektklassendatenbank auf der anderen Seite einem Objekt eine Objektklasse zuordnet.
Merkmal 23
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale, wobei der Scanner die Auflösung zeitweise, insbesondere zum Einsparen von Energie, zumindest lokal herabsetzt.
Merkmal 24
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner aus mehreren Einzelscannern besteht
Merkmal 25
Scanner nach Anspruch 1 wobei mindestens zwei Sender (H₁, H₂) der Einzelscanner im Nahbereich mit zueinander orthogonalen Sendesignalen (S5₁, S5₂) arbeiten
Merkmal 26
Scanner nach Merkmal 24 oder 25 dadurch gekennzeichnet, dass die Schwerpunktsrichtungen der Empfangs und/oder Sende-Keulen zumindest zweier Sender (H₁, H₂) der Einzelscanner zur Auflösung des Nahbereiches in unterschiedliche Richtungen zeigen.
Merkmal 27
Scanner nach einem oder mehreren der Merkmale 24 bis 26 dadurch gekennzeichnet, dass die Schwerpunktsrichtungen der Empfangs und/oder Sende-Keulen der Sender (H₁, H₂) und/oder Empfänger (D₁, D₂) zumindest zweier Einzelscanner zur Auflösung des Fernbereiches in gleiche Richtungen zeigen.
Merkmal 28
Scanner nach einem oder mehreren der Merkmale 24 bis 27 dadurch gekennzeichnet, dass das Scanergebnis für jeden dieser mindestens zwei aus mindesten zwei Messpunkten besteht, denen der Scanner zumindest einen Abstand und mindestens eine Koordinate zuordnet und die der Scanner ausgibt.
Merkmal 29
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale wobei eine Teilvorrichtung des Scanners für ein Objekt, dem eine Objektklasse zugewiesen wurde, eine Koordinate, die Objektkoordinate, ermittelt.
Merkmal 30
Scanner nach Merkmal 29 wobei der Scanner die ermittelte Objektkoordinate ausgibt.
Merkmal 31
Scanner nach einem oder mehreren der Merkmale 29 bis 30 wobei die Auflösungsfunktion des Scanners oder eines Einzelscanners von zumindest einer ermittelten Objektkoordinate und/oder der einfachen und/oder höheren zeitlichen Ableitung der ermittelten Objektkoordinate abhängt.
Merkmal 32
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale wobei die Auflösungsfunktion des Scanners oder eines Einzelscanners Bereiche höherer Auflösung aufweist.
Merkmal 33
Scanner nach dem vorhergehenden Merkmal wobei ein Bereich höherer Auflösung eine Schwerpunktskoordinate besitzt und wobei diese Schwerpunktskoordinate und/oder zumindest eine einfache und/oder höhere zeitliche Ableitung dieser Schwerpunktskoordinate von zumindest einer einfachen und/oder höheren zeitlichen Ableitung der Schwerpunktskoordinate eines erfassten Objekts abhängt.
Merkmal 34
Scanner wobei eine Teilvorrichtung des Scanners eine Hypothesenliste für erkannte Objektklassen bildet und wobei in Abhängigkeit von der Hypothesenliste die Auflösungsfunktion des Scanners und/oder eines Einzelscanners ändert, insbesondere nur lokal ändert.
Merkmal 35
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner zumindest ein Objekt als Person klassifiziert.
Merkmal 36
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner zumindest zwei Personen nach körperlichen Merkmalen wie beispielsweise aber nicht ausschließlich Länge, Breite, Kleidungsfarbe, Bewegungsmuster unterschiedet oder eine Person nach diesen Merkmalen klassifiziert.
Merkmal 37
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale 35 bis 36 wobei der Scanner in Abhängigkeit von einer Personenklassifizierung Aktionen einleitet und/oder unterbindet.
Merkmal 38
Scanner nach dem vorhergehenden Merkmal wobei der Scanner die Aktivierung elektronischer Schaltungen unterbindet (eg. Schlüsselsuche).
Merkmal 39
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale wobei die Auflösungsfunktion des Scanners und/oder eines Einzelscanners einen zufälligen Anteil hat.
Merkmal 40
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale wobei die Wellenlänge zumindest eines Senders (H) kürzer als 10 μm und/oder kürzer als 3 μm und/oder kürzer als 1 μm und/oder kürzer als 700 nm und/oder kürzer als 600 nm und/oder kürzer als 300 nm ist und/oder im sichtbaren und/oder UV-Bereich bis 50 nm liegt.
Merkmal 41
Sensorsystem, das ein Halios-System und/oder Halios-IRDM-System ist, zur Vermessung einer Übertragungsstrecke (I1, O, I2) zu einem Objekt (O) und zurück und/oder der Oberflächeneigenschaften eines Objekts (O) innerhalb der Übertragungsstrecke (I1, O, I2), wobei das Sensor-System einen Parameter ausgibt und es sich bei dem Parameter um einen Parameter handelt, der auf einen oder mehreren der folgenden optischen Effekte zurückzuführen ist: auf mindestens eine räumliche Lichtgeschwindigkeitsmodulation und/oder auf eine Lichtbrechung in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche eines Objekts, auf den Cotton-Effekt, insbesondere auf eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts, insbesondere durch eine charakteristische Änderung der optischen Rotationsdispersion (ORD) und/oder Circulardichroismus in der Nähe einer Absorptionsbande eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Cotton-Mouton-Effekt, insbesondere auf eine magnetisch induzierte Doppelbrechung in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Debye-Sears-Effekt und/oder eine Wechselwirkung einer akustischen Welle mit dem Licht des Messstrahls des Scanners in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, insbesondere in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit an einer dieser Stellen, auf Dichroismus, insbesondere auf eine unterschiedliche Absorption in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des Lichts des Messstrahls, auf eine Doppelbrechung, insbesondere auf das Auftreten zweier optischer Wege in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den elektrooptischen Effekt, insbesondere auf eine Änderung des Brechungsindex und/oder der Lichtgeschwindigkeit in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts in Abhängigkeit von einem äußeren elektrischen Feld, auf den Faraday-Effekt, insbesondere auf die Drehung der Polarisationsebene des Lichts des Scanners durch ein Magnetfeld im Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Franz-Keldysh-Effekt, insbesondere auf eine Änderung der Fundamentalabsorption eines halbleitenden Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts in Anwesenheit eines elektrischen Feldes, auf den Goos-Hänchen-Effekt, insbesondere auf das das teilweise Eindringen des Lichts des totalreflektierten Messstrahls in die Oberfläche des Objekts, auf den Kautsky-Effekt, insbesondere auf die Chlorophyllfluoreszenz und das fluorierende Nachleuchten von Chlorophyll im Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Kerr-Effekt, insbesondere auf die Änderung der optischen Eigenschaften eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts in Anwesenheit eines elektrischen Feldes durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes, auf den Louche-Effekt und/oder Ouzo-Effekt, insbesondere auf die Streuungsänderung durch Emulsionsbildung in einem Dreistoffsystem aus nicht-mischbaren und mischbaren Flüssigkeiten in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den magnetooptischen Kerr-Effekt, insbesondere auf die Änderung der Intensität und oder auf eine Drehung der Polarisationsebene des Lichts des Messstrahls, an einer ferromagnetischen Metalloberfläche des Objekts in Abhängigkeit von der Magnetisierung dieser ferromagnetischen Metalloberfläche, auf den Majorana-Effekt, insbesondere auf die Doppelbrechung kolloidaler Lösungen in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) in einem Magnetfeld, auf Parametrische Fluoreszenz, insbesondere auf eine Wellenlängenänderung des Lichts des Messstrahls in einem nichtlinearen optischen Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf Fluoreszenz und/oder auf Phosphoreszenz, insbesondere auf das Nachleuchten von Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts bei Wellenlängen der Sendekeule und/oder anderen Wellenlängen, auf den photorefraktiven Effekt, insbesondere auf die lichtinduzierte Änderung des Brechungsindex eines Materials und/oder die lichtinduzierte Änderung der Lichtgeschwindigkeit innerhalb eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf Pleochroismus, insbesondere auf die ungleiche Absorption des Lichtes des Messstrahls abhängig von der Ausbreitungsrichtung und der Polarisationsrichtung und/oder von der Orientierung eines Materials beim Durchgang des Lichtes des Messstrahls durch dieses Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Pockels-Effekt, insbesondere auf die Doppelbrechung und/oder deren Änderung bei einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, an das eine elektrische Spannung angelegt wird, auf die Selbstphasenmodulation des Lichts des Messstrahls in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf einen spannungsoptischen Effekt, insbesondere auf die Drehung der Polarisationsebene des Lichts des Messstrahls in Abhängigkeit vom mechanischen Spannungszustand eines Materials in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, auf den Speckle-Effekt, insbesondere auf optische Interferenzen an der Oberfläche des Objekts (O), auf den Tyndall-Effekt, insbesondere auf die die Streuung des Lichts des Messstrahls an mindestens einem oder mehreren Streukörper in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts, mit einer Abmessung der Streukörper ähnlich der Lichtwellenlänge des Messstrahls, auf den Voigt-Effekt, insbesondere auf die Doppelbrechung des Lichts des Messstrahls in einem gasförmigen Medium in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2), bei einem konstanten Magnetfeld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes des Messstrahls, auf Volumenstreuung, insbesondere auf die Streuung des Lichtes des Messstrahls in einem transluzenten Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) und/oder an der Oberfläche des Objekts.
Merkmal 42
Scanner nach dem vorhergehenden Merkmal, wobei das Licht einer Sendekeule bei seiner Aussendung durch den Scanner in einer Ebene polarisiert ist und/oder wobei der Scanner mindestens ein in einer Ebene polarisierende Sendepfadfenster (WH) aufweist.
Merkmal 43
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale 41 bis 42, wobei das Licht einer Sendekeule bei seiner Aussendung durch den Scanner zirkularpolarisiert ist und/oder wobei der Scanner mindestens ein zirkular polarisierende Sendepfadfenster (WH) aufweist.
Merkmal 44
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale 41 bis 43, wobei der Scanner ein Empfangspfadfenster (525, WD) aufweist, das ein Polarisationsfilter ist.
Merkmal 45
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale 41 bis 44, wobei der Scanner ein Empfangspfadfenster (525, WD) aufweist, eine unterschiedliche Transmissivität bei zwei Wellenlängen aufweist und/oder wobei der Scanner mindestens zwei Empfangspfadfenster (WD1, WD₂) aufweist, die eine unterschiedliche Transmissivität bei einer Wellenlänge aufweisen.
Merkmal 46
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale 41 bis 45 wobei er entweder einen Sender aufweist, der bei unterschiedlichen steuerbaren Schwerpunktswellenlängen (λ_s) senden kann und/oder mindestens zwei Sender mit unterschiedlicher Schwerpunktswellenlänge (λ_s1, λ_s2) aufweist.
Merkmal 47
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale 41 bis 46 wobei die Wellenlänge zumindest eines Senders (H) kürzer als 10 μm und/oder kürzer als 3 μm und/oder kürzer als 1 μm und/oder kürzer als 700 nm und/oder kürzer als 600 nm und/oder kürzer als 300 nm ist und/oder im sichtbaren und/oder UV-Bereich bis 50 nm liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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DE 102013002676 [0097]

Claims

Scanner a. wobei der Scanner eine Vorrichtung zur optischen Messung der Lichtlaufzeit zu einem Objekt im Raum mittels mindestens einer Sende- und Empfangskeule aufweist b. wobei ein Sender des Scanners Licht in der Intensitätsverteilung der Sendekeule ausstrahlt und c. wobei ein Empfänger des Scanners Licht aus Richtungen der Empfangskeule empfangen kann und d. wobei zumindest eine der Sende- und/oder Empfangskeulen, die zusammen den Messstrahl bilden, durch Mikrospiegel zumindest zeitweise abgelenkt wird oder abgelenkt werden kann und e. wobei der Scanner zumindest einen Parameter zumindest zeitweise und/oder auf Veranlassung ausgibt, der von der Lichtlaufzeit zwischen dem Scanner und einem Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts abhängt, und f. wobei der Scanner zumindest einen zweiten Parameter zumindest zeitweise und/oder auf Veranlassung ausgibt, i. der von einem physikalischen Parameter der Oberfläche des Objekts am Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts und/oder ii. der von einem physikalischen Parameter der optischen Übertragungsstrecke von einem Sender bis zum Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts und zurück bis zum Empfänger abhängt, und g. wobei der Scanner die Positionierung zumindest eines zweiten Messpunkts zu einem Zeitpunkt t_n in Abhängigkeit von zumindest einer zu einem vorhergehenden Zeitpunkt t_n-1 an einem ersten Messpunkt gemessenen physikalischen Parameter Reflektivität R_n-1 und/oder einem zu einem vorhergehenden Zeitpunkt t_n-1 an einem ersten Messpunkt gemessenen Abstand A_n-1 vornimmt und h. wobei der physikalische Parameter am ersten Messpunkt insbesondere eine Reflektivität R_n-1 und/oder gemessener Abstand A_n-1 sein kann 2. Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Scanner zumindest einen zweiten Parameter zumindest zeitweise und/oder auf Veranlassung ausgibt, der von einem physikalischen Parameter der Oberfläche des Objekts am Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts abhängt.
Scanner nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem zweiten Parameter um die optische Reflektivität an der Oberfläche des Objekts handelt.
Scanner nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem zweiten Parameter um die optische Reflektivität in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich insbesondere im Wellenlängenbereich eines Senders handelt.
Scanner nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem zweiten Parameter um einen die Intensität (Lichtstärke oder Lichtenergie) des Fluoreszenzlichts, das auf parametrische Fluoreszenz, insbesondere auf eine Wellenlängenänderung des Lichts des Messstrahls in einem nichtlinearen optischen Material an der Oberfläche des Objekts zurückzuführen ist.
Scanner nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem zweiten Parameter um einen die Intensität (Lichtstärke oder Lichtenergie) des Fluoreszenzlichts handelt, das auf Fluoreszenz und/oder auf Phosphoreszenz, insbesondere auf das Nachleuchten von Material an der Oberfläche des Objekts bei Wellenlängen der Sendekeule und/oder anderen Wellenlängen, zurückzuführen ist.
Scanner nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem zweiten Parameter um die Streuamplitude des von der Oberfläche des Objekts rückgestreuten Lichts handelt, die auf die Streuung des Lichts des Messstrahls an mindestens einem oder mehreren Streukörper in einem Material an der Oberfläche des Objekts, mit einer Abmessung der Streukörper ähnlich der Lichtwellenlänge des Messstrahls, zurückzuführen ist.
Scanner nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem zweiten Parameter um die Streuamplitude des von der Oberfläche des Objekts rückgestreuten Lichts handelt, die auf Volumenstreuung, insbesondere auf die Streuung des Lichtes des Messstrahls in einem transluzenten Material an der Oberfläche oder im Volumen des Objekts. zurückzuführen ist.
Scanner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Scanner zumindest einen zweiten Parameter zumindest zeitweise und/oder auf Veranlassung ausgibt, der von einem physikalischen Parameter der optischen Übertragungsstrecke von einem Sender bis zum Auftreffpunkt der Sendekeule des Scanners auf der Oberfläche des Objekts und zurück bis zum Empfänger abhängt.
Scanner nach Anspruch 8 wobei es sich bei dem zweiten Parameter um einen die Intensität (Lichtstärke oder Lichtenergie) des Fluoreszenzlichts, das auf parametrische Fluoreszenz, insbesondere auf eine Wellenlängenänderung des Lichts des Messstrahls in einem nichtlinearen optischen Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) zurückzuführen ist.
Scanner nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem zweiten Parameter um einen die Intensität (Lichtstärke oder Lichtenergie) des Fluoreszenzlichts handelt, die auf Fluoreszenz und/oder auf Phosphoreszenz, insbesondere auf das Nachleuchten von Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) bei Wellenlängen der Sendekeule und/oder anderen Wellenlängen, zurückzuführen ist
Scanner nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem zweiten Parameter um die Streuamplitude des in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) rückgestreuten Lichts handelt, die auf die Streuung des Lichts des Messstrahls an mindestens einem oder mehreren Streukörper in einem Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2), mit einer Abmessung der Streukörper ähnlich der Lichtwellenlänge des Messstrahls, zurückzuführen ist
Scanner nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem zweiten Parameter um die Streuamplitude des in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) rückgestreuten Lichts handelt, die auf Volumenstreuung, insbesondere auf die Streuung des Lichtes des Messstrahls in einem transluzenten Material in der Übertragungsstrecke (I1, O, I2) zurückzuführen ist