DE112009001652T5 - Mehrkanal-Erfassung - Google Patents

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Benjamin Braker
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Abstract

Für eine verbesserte Abbildungsgenauigkeit, insbesondere in Verbindung mit mobilen elektronischen Vorrichtungen werden Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zur Erfassung einer Stelle eines Objekts in einem dreidimensionalen Umfeld vorgeschlagen, wobei eine Mehrzahl von Strahlungsmustern erzeugt werden durch räumliches Modulieren von jeweils einer Mehrzahl von ersten Strahlungen mit einer eindeutigen Kombination von einer oder mehreren einer Mehrzahl von Modulatoren, wobei jede der ersten Strahlungen mindestens einen eindeutigen Strahlungsweg, eine eindeutige Quelle, ein eindeutiges Quellspektrum oder eine eindeutige Quellpolarisation in Bezug auf die sonstigen ersten Strahlungen aufweist. Die Stelle am Objekt wird mit einem Teil von jeweils zwei oder mehreren aus der Mehrzahl der Strahlungsmuster bestrahlt, wobei die Stelle mehrere Objekt-Strahlungen liefert, die in Erwiderung auf eine der Mehrzahl der Strahlungsmuster erzeugt werden. Damit wird eine Mehrzahl von Messwerten durch Ermitkt in Folge jeden Musters mit einen oder mehreren Detektorelementen erzeugt und die Stelle am Objekt erfasst, basierend auf der Mehrzahl der Messwerte.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung einer oder mehrerer Stellen auf der Oberfläche eines Objekts. Im Speziellen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zur berührungsfreien, dreidimensionalen Erfassung mit Mehrkanal-Musterprojektion und Mehrkanal-Bildaufzeichnungsarchitekturen.
  • Die Messung dreidimensionaler Objektoberflächen wird für eine Anzahl von Anwendungen benötigt, einschließlich der Qualitätssicherung bei Herstellern, Entwicklung, Dokumentation, Gesichtserkennung, Maschineninspektion und medizinischen Anwendungen. Für zahlreiche Anwendungen ist es notwendig oder wünschenswert, dreidimensionale Objektprofile berührungslos zu erfassen, ohne physikalischen Kontakt mit dem getesteten Objekt aufzunehmen. Ein Ansatz einer dreidimensionalen Oberflächen-Messung ohne Kontakt ist die sog. Stereo-Vision, wobei ein Raum oder ein Gegenstand und von zwei oder mehreren Ansichtspunkten aus aufgenommen wird. Mit kalibrierten Bildgebern kann es durch Triangulation möglich sein, die quantitativen dreidimensionalen Daten zur Beschreibung des Raums zu liefern, vorausgesetzt, dass sich Übereinstimmungen zwischen den Bildern finden. Solche Übereinstimmungen können einzelne Punkte wie Ecken oder sonstige unterscheidbare Eigenschaften, wie Oberflächentextur sein. Für zahlreiche Objekte und Räume sind jedoch Übereinstimmungen schwierig zu identifizieren, so dass die Verwendung von ”Stereo-Vision” für dreidimensionale Messungen kaum möglich ist. Auch hängt die Qualität der dredimensionalen Rekonstruktion von der Erkennung der Übereinstimmungen ab, so dass solche Stereo-Bildsysteme keinen hohen Genauigkeitsgrad aufweisen oder vom Umfeld unabhängig sind oder bestimmte Auflösungen der Abbildung garantieren.
  • Einige Beleuchtungsstrukturen zur dreidimensionalen Oberflächen-Messung lösen das Korrespondenz-Problem, indem sie einen Projektor einsetzen, der zum Beleuchten des Objekts mit gemustertem Licht fähig ist. Diese Musterprojektionstechniken sind gewöhnlich viel schneller als Laserfleck- oder Laserlinien-Scanner. Bei großflächiger Beleuchtung kann die dreidimensionale Information, welche die Oberflächenform des Objekts beschreibt, als Deformation des Beleuchtungsmusters kodiert werden, wie z. B. durch eine vom Projektor versetzte Abbildungskamera. Andere Techniken können das Korrespondenz-Problem lösen, indem sie den lokalen Winkel der projizierten Beleuchtung an jeder Objekt-Stelle kodieren, die durch die Kamera mit einem oder mehreren Mustern abgebildet wird. Diese Projektionswinkel können zusammen mit Kamera und Musterprojektor dazu verwendet werden, um Positionen und Orientierungen oder die Oberfläche des Objekts durch Triangulation zu rekonstruieren. Dabei kann jedoch optisches oder elektronisches Rauschen auftreten, so dass Musterverzerrungen und andere Fehlerquellen auftreten können. Somit ist die Kodierung und die Dekodierung des Beleuchtungswinkels für einen breiten Bereich der Objekte und der Szenen eine der wichtigsten Herausforderungen bei der dreidimensionalen Oberflächen-Messung und der Profilometrie.
  • Die vielfältigen 3D-Oberflächen-Messtechniken mit strukturierter Beleuchtung können in Abhängigkeit von der Musterdekodierung an einer gegebenen Stelle am Objekt eingeteilt werden. Als positionsabhängige Variante (manchmal auch pixelabhängig genannt) können Algorithmen die Nachbarschaft von gemessenen Positionen erfordern, um den Projektionswinkel zu dekodieren und die Koordinaten für eine einzelne Position zu berechnen, während positions- oder pixel-unabhängige Algorithmen die Koordinaten jeder Position von anderen Positionen unabhängig feststellen können. Einige pixelabhängige Lösungen erfordern, dass die Objektoberfläche gleichmäßig beleuchtet wird, so dass keine Unstetigkeiten wie Löcher, Stute, Dorne oder Schattenbereiche vorhanden sein sollten, während eine der signifikanten Stärken der pixel-unabhängigen Algorithmen ist, dass sie relativ unabhängig von der Beleuchtung und dem Reflexionsvermögen des Objekts sind.
  • Solche Techniken können eine direkte Kodierung des Beleuchtungswinkels an jeder Stelle mit Variationen in der Intensität oder Wellenlänge des Beleuchtungsmuster vorsehen, wie dies in der ”Multicolor”-Technik nach dem US-Patent 6,937,348 beschrieben wird. Direkte Kodierungen sind jedoch auf optisches/elektronischen Rauschen, Umfeldbeleuchtung, Detektor-Linearität, sowie Objekttextur, Reflexionsvermögen und/oder Färbung sehr empfindlich. Alternativ werden bei pixel-unabhängigen Techniken (vgl. z. B., Huntley und Saldner, Applied Optics, Vol. 32, 3047–3052, 1993) die Projektionswinkel in den Phasen und/oder Frequenzen zeitlich mit variierenden Sinus-Mustern kodiert. Solche Lösungen erfordern eine Vielzahl von Bildern, um eine dreidimensionale Oberfläche zu rekonstruieren. Eine pixel-abhängige Lösung mit Phasenverschiebung wird im US-Patent 4,499,492 beschrieben und beruht ebenfalls auf mehreren Mustern und Bildern.
  • Solche Lösungen mit vielen Musterprojektionen und Abbildungen eignen sich kaum für die dreidimensionale Abbildung von bewegten Objekte oder von stationären Objekten in einem vibrierenden Umfeld, da die Objekt-Bewegungen im Verhältnis zur Beleuchtung und/oder Kamera zwischen den aufeinanderfolgenden Mustern und entsprechenden Bildern die dreidimensionale Rekonstruktion verhindern können. Zudem kann die zeitliche Verschiebung möglicherweise nicht für das Aufnehmen der dreidimensionalen Messungen von schnellen Effekten (wie Explosionen) und momentanen Gesichtsausdrücken geeignet sein, die viel rascher auftreten können. Während die direkte Kodierung und pixel-abhängige Technik das Potential für schnelle Profilaufnahmen besitzt, weisen sie aber insbesondere den Nachteil der Beleuchtungsabhängigkeit auf, wie oben beschrieben. Daher beruhen Hochgeschwindigkeitssysteme meist auf der Musterprojektionstechnik mit Flüssigkristall- oder Mikrospiegel-Projektoren, wobei die Oberflächen-Vermessungsgeschwindigkeit auf ungefähr 60 Bilder pro Sekunde begrenzt ist (vgl. S. Zhang, Optics and Laser in Engineering, 10.10.16/j. optlaseng. 2009.03.008).
  • Eine Beschränkung für die pixel-unabhängige, dreidimensionale Schnellvermessung liegt in der Projektionstechnologie. So haben Lösungsansätze ein ”Projektionsparadigma” verwendet, wobei ein einziger, konfigurierbarer Projektionskanal verwendet wird, um mehrere Muster der Reihe nach zu projizieren. Solche Einzelkanal-Projektionen umfassen Projektoren, die auf Interferometern basieren, wie im US-Patent 6,690,474 beschrieben wird, oder auf Flüssigkristall-Lichtmodulatoren, wie im US-Patent 6,208,416 bzw. auf digitalen Mikrospiegel-Vorrichtungen (vgl. z. B. S. Huang et al., Opt. Eng. Vol. 42: 1, 163–168, 2003). Bei diesen Ansätzen kann die sequenzielle Projektion der Muster die Geschwindigkeit begrenzen, mit der dreidimensionale Bilder gewonnen werden können. Andererseits kann die Einzelkanal-Musterprojektionstechnik mit einer akusto-optischen Vorrichtung (vgl. Mermelstein et al., Optical Engineering, Vol. 39, 106–113, 2000) dazu gebrecht werden, Muster mit viel schnelleren Geschwindigkeiten zu projizieren. Die Geschwindigkeit dieser Technik kann aber durch die Geschwindigkeit des Bildgewinns begrenzt werden. Obgleich der Unterschied zwischen Projektionsbegrenzung und Abbildungsbegrenzung bei der Messgeschwindigkeit von üblichen Kameras signifikant ist, kann diese Technik bei schnellen Musterprojektionen keinen großen Geschwindigkeitsvorteil bieten.
  • Als Schritt in Richtung zu einer parallelen, dreidimensionalen Schnellvermessung sei das US-Patent 6,788,210 , erwähnt, das ein Verfahren zur gleichzeitigen Muster-Projektion und Bildaufnahme mit roten, grünen und blauen Mehrkanal-Pixeln (RGB) der Video-Projektoren und der Farbkameras beschreibt. Obgleich drei Farben gewöhnlich nicht zur pixel-unabhängigen, dreidimensionalen Gestaltvermessung ausreichen, kann eine solche RGB-Mehrkanalausrüstung dazu verwendet werden, ein abhängiges Phasenverschiebungs-Verfahran zu implementieren. Die RGB-Mehrkanalausrüstung kann auch dazu verwendet werden, die erforderliche Anzahl der Bildaufnahmen zu verringern (vgl. Kinell, Optics and Laser in Engineering, Vol. 41, 57–71, 2004). Jedoch kann die Verwendung der RGB-Pixel für die Abbildung von farbigen Objekten problematisch sein. Zudem können die verwendeten Standard-RGB-Kameras nur eine beschränkte Verbesserung in der Abbildungs-Geschwindigkeit liefern, zu Problemen zwischen den Kanälen führen und nachteilig in der Abbildungssensibilität sein. Da die digitalen Mikrospiegel-Vorrichtungen (DMD), die bei RGB-Projektoren typischerweise verwendet werden, allgemein eine einzige Breitbandquelle und einen einzigen Modulator verwenden, um Muster mit unterschiedlichen Farben der Reihe nach zu erzeugen, ist der Musterprojektor eher eine Einkanalvorrichtung mit relativ geringer Vermessungsgeschwindigkeit.
  • Obwohl pixel-unabhängige, dreidimensionale Oberflächen-Maßsysteme unempfindlicher auf Objektbewegungen und Beleuchtungszustände sind als Stereo-Bildsysteme, benötigen sie gewöhnlich großbauende Muster-Projektionssysteme mit starken Beleuchtungsquellen. Andererseits enthalten tragbare, mobile Vorrichtungen, wie Telefone, Laptops, PDA, Spiel-Systeme, Photo- und Videokameras in zunehmendem Maße starke Prozessoren, Anzeigen und integrierte Abbildungsvorrichtungen und könnten daher die Plattformen der Wahl für dreidimensionale Abbildungs- und Objekt-Anwendungen werden. Jedoch erfordern solche mobilen Plattformen eine geringe Leistungsaufnahme, aber auch schnelle, leistungsfähige Datenverarbeitungs-Algorithmen, um Rekonstruktionsartefakte wegen der Bewegung des Objekte und der mobilen Vorrichtung (”Verwackeln”) zu vermeiden.
  • Folglich besteht ein Bedarf an Werkzeugen und Techniken, die schnelle, großflächige Messungen der Oberfläche von dreidimensionalen Objekten und Szenen auch unter ungünstigen Beleuchtungszuständen liefern. Hierbei sollten auch Oberflächen schell bewegter Objekte umfasst sein, ebenso ein schwingendes Umfeld. Um hohe Messgeschwindigkeiten zu erreichen, sollten solche Werkzeuge und Techniken die Musterprojektion und die Bilderfassung parallel durchführen, anstatt eine sequenzielle Mustererzeugung und Abbildung zu benutzen. Die Algorithmen für die Vermessung von Positionen in einer dreidimensionalen Szene und in der Rekonstruktion der Form bzw. Oberflächen von dreidimensionalen Gegenständen sollten zudem geringes optisches bzw. elektronisches Rauschen bieten und frei von Musterverzerrungen, Reflexionen und Beschaffenheitsveränderungen wie in der Beleuchtung, Unstetigkeiten und Schatten auf der Gegenstandsoberfläche und anderen Fehlerquellen sein. Außerdem sollten solche dreidimensionalen Abbildungssysteme in mobile elektronische Vorrichtungen für Verbraucher-Anwendungen integriert werden können, so dass eine kompakte Bauweise mit geringem Energieverbrauch unabdingbar ist.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Erfindung liefert Werkzeuge und Techniken, die zur Mehrkanal-Erfassung geeignet sind. Einige Ausführungen liefern Systeme und Verfahren zur positions-unabhängigen Messung von Objektoberflächen und Stellen, die gegenüber Störungen wie Unstetigkeiten unempfindlich sind, sowie die Oberflächeneigenschaften auch bei ungünstiger Reflexion, Färbung oder Beleuchtung ohne Rauschen sicher erfassen können. Damit wird eine parallele Muster-Projektion und Bildaufnahme ermöglicht, so dass höhere Messgeschwindigkeiten erreicht werden als mit herkömmlichen Einkanal-Techniken, die auf sequenzieller Musterprojektion- und Bilderwerbs-Technologie beruhen. Einige Ausführungen können die dreidimensionale Oberflächen-Formmessung mit besonders schnellen Einzel-Aufnahmen ermöglichen. Zudem sind einige Ausführungen besonders kompakt, schnell und energiesparend, sowie mit niedrigen Kosten herstellbar, so dass sie in mobile elektronische Vorrichtungen für Verbraucher-Anwendungen und sonstige dreidimensionale Oberflächen-Formmessgeräte integriert werden können, wie z. B. Roboter.
  • Die Erfindung liefert ein Verfahren zur Erfassung einer Stelle an einem Objekt in einer dreidimensionalen Szene. Hierbei werden mehrere Strahlungsmuster erzeugt, indem man jeweils mehrere der ersten Strahlungen mit einer eindeutigen Kombination einer oder mehrerer Modulatoren räumlich moduliert, wobei jede der ersten Strahlungen mindestens einen eindeutigen Strahlungsweg, eine eindeutige Quelle, ein eindeutiges Quellspektrum oder eine eindeutige Quellpolarisation in Bezug auf die sonstigen ersten Strahlungen aufweist. Die Stelle am Objekt wird mit einem Teil von jeweils zwei oder mehr der Strahlungsmuster beleuchtet, wobei die Stelle mehrere Objekt-Strahlungen in Erwiderung auf eine der Strahlungsmuster liefert. Dabei werden viele Messwerte erzeugt, indem man die Objekt-Strahlungen von der Stelle am Objekt mit einem einzelnen oder mehreren Detektorelementen ermittelt. Die Stelle auf der Objekt kann dann berechnet werden, basierend auf den mehrfachen Messwerten.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zum Erfassen einer Stelle an einem Objekt in einem dreidimensionalen Umfeld bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erzeugen von mehreren Strahlungsmustern, wobei mindestens eines der Muster im wesentlichen kontinuierlich, nicht-periodisch und nicht-monoton entlang einer oder mehrerer Richtungen variiert wird. Die Stelle am Objekt kann, mit einem Teil von jeweils zwei oder mehr Strahlungsmustern beleuchtet sein, wobei die Beleuchtung im wesentlichen eindeutig ist in Bezug auf sonstige Stellen am Objekt, die entlang einer oder mehrerer Richtungen von besagter Stelle liegen, sowie die Stelle mehrere Objekt-Strahlungen in Erwiderung auf eine der Strahlungsmuster liefert. Viele Messwerte können erzeugt werden, indem man die Strahlung von der Stelle am Objekt mit einem einzelnen oder mehreren Datektorelementen ermittelt. Die Stelle am Objekt wird dann berechnet, basierend auf den mehrfachen Messwerten.
  • In einigen Ausführungen werden zwei oder mehr der Muster erzeugt, indem man ein erstes Muster entlang einer oder mehrerer Richtungen der Muster-Variation verschiebt. Das erste Muster kann eine räumlich variierende Periode entlang der Verschieberichtung haben, die zu einer Beleuchtungs-Mittellinie im wesentlichen orthogonal ist, wobei die zwei oder mehr verschobenen Muster entlang der Beleuchtungs-Mittellinie auf das Objekt ausgerichtet sind, und das Erfassen der Stelle am Objekt das Berechnen einer periodischen Funktion der mehrfachen Messwerte umfasst; dabei wird zunächst mit grober Winkelauflösung und mit einer periodischen Funktion ein Beleuchtungswinkel zwischen der Beleuchtungs-Mittellinie und einer Richtung von einer bekannten Stelle auf der Beleuchtungs-Mittellinie zur Stelle am geometrisch projizierten Objekt auf einer Beleuchtungsebene berechnet, welche die Richtung der Muster-Variation des ersten Musters und der Beleuchtungs-Mittellinie umfassen; dann mit feiner Winkelauflösung der Beleuchtungswinkel mit einer Phase der periodischen Funktion ermittelt, wobei die feine Auflösung einen vieldeutigen Winkelversatz ergibt; und der vieldeutige Winkelversatz mit der groben Winkelauflösung aufgelöst wird. In einigen Ausführungen ermittelt das mindestens eine Detektorelement die Strahlung vom Objekt, die im wesentlichen entlang einer Abbildungsmittellinie ausgerichtet ist, wobei das Erfassen der Stelle am Objekt das Berechnen einer lokalisierenden Richtung von einer bekannten Stelle auf der Abbildungsmittellinie zur Stelle am Objekt mit einer bekannten Stelle des mindestens einen Detektorelements umfasst und die Stelle am Objekt vom berechneten Beleuchtungswinkel, von der erfassten lokalisierenden Richtung und von den bekannten Stellen auf den Beleuchtungs- und Abbildungsachsen durch Triangulation berechnet wird. In einigen Ausführungen variiert mindestens eines der Strahlungsmuster entlang einer Mehrzahl von Richtungen. In einigen Ausführungen beleuchten mindestens zwei Muster die Stelle am Objekt von unterschiedlichen Richtungen aus, wobei die Beleuchtung in Bezug auf sonstige Stellen am Objekt im wesentlichen eindeutig ist, die entlang einer oder mehrerer Richtungen der Muster-Variation von gesagter Stelle liegen. Dabei kann man beim Berechnen der Stelle am Objekt auf eine Nachschlagetabelle zugreifen.
  • Die Erfindung liefert auch Systeme zum Erfassen eines Abstandes zu einer Stelle am Objekt in einer dreidimensionalen Szene. Die Systeme weisen eine oder mehrere Strahlungsquellen für das Erzeugen der ersten Strahlungen auf, wobei jede der ersten Strahlungen mindestens eine eindeutige Strahlungsquelle, einen eindeutigen Strahlungsweg, ein eindeutiges Quellspektrum oder eine eindeutigen Quellpolarisation in Bezug auf die sonstigen ersten Strahlungen besitzt. Dabei können mehrere Modulatoren für die räumliche Modulation der ersten Strahlungen vorgesehen sein, wobei jede der ersten Strahlungen durch eine eindeutige Kombination von einer oder mehreren der Modulatoren moduliert wird und mehrere Strahlungsmuster erzeugt, wobei die Stelle am Objekt, die mit einem Teil von jeweils zwei oder mehr Strahlungsmuster beleuchtet wird, mehrere Objekt-Strahlungen in Erwiderung auf eines der vielen Strahlungsmuster liefert. Die Systeme können mindestens ein Detektorelement für das Ermitteln der Objekt-Strahlungen von der Stelle am Objekt und das Erzeugen der mehrfachen Messwerte umfassen. Die Systeme können einen Prozessor in Verbindung mit dem einen oder mehreren Detektorelementen aufweisen, der dann die Stelle am Objekt berechnet, basierend auf den mehrfachen Messwerten.
  • Manche Systeme für das Erfassen eines Abstandes zu einer Stalle am Objekt in einer dreidimensionalen Szene besitzen ein integriertes, dreidimensionales Erfassungssystem, das in einer mobilen elektronischen Vorrichtung eingebettet ist, wobei das integrierte 3D-Erfassungssystem eine oder mehrere Strahlungsquellen, mehrere Modulatoren und mindestens ein Detektorelement umfasst, um in einigen Ausführungen als Mobiltelefon, Laptopcomputer, persönlicher digitaler Assistent, tragbares Spielsystem, fotografische Kamera und/oder Videokamera ausgeformt zu sein. Dabei berechnet der Prozessor eine dreidimensionale Oberfläche des Objekts, basierend auf mehreren Stellen. Einige Ausführungen weisen mindestens einen Monitor für das Anzeigen der dreidimensionalen Oberfläche auf. Auch können zwei oder mehr Mehrkanal-Musterprojektoren an getrennten Stellen der mobilen elektronischen Vorrichtung eingebaut sein. Einige Ausführungen können zwei oder mehr Mehrkanal-Bildaufnehmer aufweisen, die an separaten Stellen der mobilen elektronischen Vorrichtung eingebettet sind. In einigen Ausführungen greift der wenigstens eine Prozessor auf einer Nachschlagetabelle zu.
  • Einige Ausführungen liefern Systeme für das Erfassen eines Abstandes zu einer Stelle am Objekt in einer dreidimensionalen Szene. Die Systeme können Mittel für das Erzeugen der mehreren, ersten Strahlungen aufweisen, wobei jede der ersten Strahlungen mindestens eine eindeutige Quelle, einen eindeutigen Strahlungsweg, ein eindeutiges Quellspektrum oder eine eindeutige Quellpolarisation umfassen. Die Systeme können Mittel für das Erzeugen der mehreren Strahlungsmuster in Form von mehreren Modulatoren aufweisen, in denen jede der ersten Strahlungen durch eine eindeutige Kombination von wenigstens einem der Modulatoren moduliert wird. Die Systeme können Mittel für das Beleuchten der Stelle am Objekt mit mindestens zwei Strahlungsmuster umfassen, wobei jeweils Objekt-Strahlungen in Reaktion auf eines der Strahlungsmuster geliefert werden. Die Systeme können Mittel für das Erfassen der Strahlungen von der Stelle am Objekt und das Erzeugen der mehrfachen Messwerte umfassen. Die Systeme können Mittel zur Berechnung der Stelle am Objekt aufweisen, die auf den mehrfachen Messwerten basiert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind durch Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen ersichtlich. In den angefügten Abbildungen weisen ähnliche Komponenten oder Merkmale die gleichen Bezugszeichen auf. Weiter können verschiedene Bestandteile der gleichen Art unterschieden werden, indem ein Bindestrich und ein zweites oder drittes Zeichen folgt, um die ähnlichen Bestandteile zu unterscheiden.
  • 1 zeigt ein Zeitmultiplex-Mehrkanal-Erfassungssystem gemäß der Erfindung.
  • 2 zeigt ein Spektrummultiplex-Mehrkanal-Erfassungssystem nach der Erfindung.
  • 3 zeigt ein Zeit- und Polarisationsmultiplex-Mehrkanal-Erfassungssystem in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen der Erfindung.
  • 4 zeigt ein mobiles Mehrkanal-Erfassungssystem gemäß der Erfindung.
  • 5 zeigt ein holographisches Mehrkanal-Erfassungssystem nach der Erfindung.
  • 6 zeigt ein holographische Mehrkanal-Erfassungssystem und ein Beleuchtungswinkel-Ermittlungsverfahren in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen der Erfindung.
  • 7 zeigt ein Spektrum- und Zeitmultiplex-Mehrkanal-Erfassungssystem mit einem akusto-optischen Muster-Projektor und einem Abbildungssystem gemäß der Erfindung.
  • 8 zeigt ein akusto-optisches, nicht-periodiches Muster-Projektionssystem.
  • 9 zeigt ein alternatives Verfahren zur Berechnung des Beleuchtungswinkels mit verschobenen Chirp-Mustern in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen.
  • 10 zeigt ein Verfahren zur Ermittlung des Beleuchtungswinkels durch Beleuchtungsmuster-Symbolkodierung und Dekodierung gemäß der Erfindung.
  • 11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens für das Ermitteln des Beleuchtungswinkels durch Beleuchtungsmuster-Symbolkodierung und Dekodierung.
  • 12 zeigt ein Mehrkanal-Erfassungssystem mit mehreren Musterprojektoren, um die Szene mit räumlich-kodierten Projektionsmustern in drei Dimensionen zu beleuchten.
  • 13 zeigt ein Flussdiagramm zum Ermitteln einer Stelle am Objekt in einer dreidimensionalen Szene entsprechend verschiedenen Ausführungen der Erfindung.
  • 14 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen einer Stelle am Objekt in einem dreidimensionalen Umfeld gemäß verschiedenen Ausführungen der Erfindung.
  • 15 zeigt eine schematische Darstellung einer Berechnungsvorrichtung, die in Systemen, Vorrichtungen und Verfahren der Erfindung verwendet wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung liefert nur Beispiele und ist nicht auf diese Ausführungen der Erfindung begrenzt. Vielmehr soll die folgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele Fachleute zur Implementierung der Erfindung anleiten. Dabei können verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung für Elemente vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
  • So können bei verschiedene Ausführungen Elemente weglassen oder hinzugefügt werden. Auch die Merkmale, die in Bezug auf bestimmte Ausführungen beschrieben werden, können in vielen Ausführungen kombiniert werden. Unterchiedliche Aspekte und Elemente der Ausführungen können in einer ähnlichen Weise kombiniert werden. Ebenso kann eine Anzahl der Schritte vor, nach oder übereinstimmend mit den Ausführungsbeispielen folgen.
  • 1 zeigt ein Zeitmultiplex-Mehrkanal-Erfassungssystem 100 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen. Im System 100 kann ein Objekt 103 als Teil einer dreidimensionalen Szene mit einer schnellen Sequenz der Muster 105 bestrahlt werden, die mit einem Mehrkanal-Musterprojektor 101 erzeugt werden. Der Musterprojektor 101 kann mehrere Strahlungsquellen 107 aufweisen, die erste Strahlungen 108 erzeugen, welche mit Linsen 109 und Mehrfach-Modulatoren 110 die ersten Strahlungen 108 modulieren, um die Muster 105 zu erzeugen. 1 zeigt fünf Strahlungsquellen 107, fünf erste Strahlungen 108, fünf Linsen 109, und fünf Modulatoren 110, wobei in anderen Ausführungen auch mehr oder weniger dieser Bauteile vorgesehen sein können. Rück-Strahlungen 111 von einer Stelle 104 am Objekt 103 in Erwiderung auf die Bestrahlung 105 können mit einem Mehrkanal Abbildungssystem 102 ermittelt werden. Das Abbildungssystem kann Abbildungslinsen 113 umfassen, die Bilder 114 des Objekts 103 auf Vielfach-Detektorreihen 112 erzeugen, um die Bilder sequentiell zu integrieren. Eine Steuereinheit 115 kann die Zeitsteuerung 116 der Strahlungsquellen und die Zeitsteuerung 117 der Detektorreihen koordinieren und Bilddaten von den Detektorreihen 112 zu einem Prozessor 118 leiten. 1 zeigt fünf Abbildungslinsen 113, fünf Bilder 114, fünf Detektorreihen 112, fünf Quell-Zeitsteuerungen 116, und fünf Detektor-Zeitsteuerungen 117, wobei in anderen Ausführungen auch mehr oder weniger dieser Elemente vorgesehen sein können. Mit den Bilddaten 121, den projizierten Mustern 105 und Orientierungen des Mehrkanal-Musterprojektors 101 und des Mehrkanal-Abbildungssystems 102 kann der Prozessor die Stelle 104 am Objekt 103 im dreidimensionalen Umfeld lokalisieren. Durch Ermittlung zusätzlicher Stellen am Objekt in paralleler oder sequentieller Abbildung kann der Prozessor 118 eine dreidimensionale Darstellung 119 des Objekts auf einer Anzeige 120 erzeugen.
  • In manchen Ausführungen kann jeder Kanal des Mehrkanal-Musterprojektors 101 eine separate Strahlungsquelle 107 und einen separaten Modulator 110 umfassen, der die erste Strahlung 108 räumlich moduliert, um ein Strahlungsmuster zu erzeugen. Zusätzlich kann eine separate Linse 109 im Kanal vorgesehen sein, um die erste Strahlung im wesentlichen parallel auszurichten. Die Strahlungsquellen können Laserdioden, Leuchtdioden (LED) und/oder Einzelquellen wie von einem Faser-Laser abgeleitet sein. Die Modulatoren können die Amplitude, Phase und/oder Polarisation der ersten Strahlung modulieren, wobei diese kontinuierlich oder unterbrochen arbeiten können sowie optische Beugungselemente wie Gitter, Fresnal-Linsen und/oder Hologramme umfassen, die optisch geschrieben und/oder computererzeugt sein können. Außerdem können die Modulatoren Vielfach-Schichten umfassen. Zum Beispiel kann eine Schicht eine Mustermaske umfassen, während eine zweite Schicht als Fresnel-Linse ausgebildet sein, um das Muster auf das Objekt zu projizieren. Jedes sequenzielle Muster auf das Objekt kann durch eine oder mehrere Kanäle der entsprechend aktivierten Vielfach-Strahlungsquellen unter Verwendung der Steuereinheit 115 erzeugt werden, wie im Zeitsteuerungsdiagramm 116 angedeutet ist. Außerdem kann die relative Strahlungsstärke jedes Kanals variiert werden, indem man die Amplitude jeder Quelle über Signale 122 steuert. Die Musterprojektor-Kanäle können Elemente einer integrierten kompakten Vielfach-Schichtreihe sein, die zum Beispiel eine Schicht von Strahlungsquellen, wie ein Laser (VCSEL), eine Mikrolinsen-Reihe und/oder eine Beugungselement-Reihe sein kann.
  • In manchen Ausführungen kann jeder Kanal des Mehrkanal-Abbildungssystems 102 eine separate Detektorreihe 112 und eine Abbildungslinse 113 umfassen, um Bilder des Objekts auf der Detektorreihe zu erzeugen. Die Bilddaten 121, die durch jede Detektorreihe aufgenommen werden, können eine Ansicht 114 des Objekts von fast der gleichen Perspektive umfassen und können in Bezug aufeinander durch den Prozessor 118 erfasst werden, wie unterstehend bei 6 beschrieben wird, zum Beispiel, um einen Datensatz der sequenziellen Messwerte der Objekt-Strahlungen 111 für jede Stelle 104 am Objekt zu erzeugen, die durch die Muster 105 beleuchtet wurden. Die Detektorreihen 112 können ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs), Metalloxid-Halbleiter (CMOS), Bolometer, Photodioden-Reihen und/oder sonstige Strahlungssensoren umfassen, sind aber nicht hierauf begrenzt. Jede Abbildungsdetektorreihe kann die Objekt-Rückstrahlungen zeitversetzt, aber synchron zur Muster-Zeitsteuerung, mit Bildern eines anderen Musters auf jeder Detektorreihe erfassen. In einigen Ausführungen können jedoch Vielfach-Detektorreihen die Objekt-Strahlungen gleichzeitig integrieren, wie in den Zeitsteuerungs-Diagrammen 117 gezeigt, da die Abbildung des gleichen Musters aus verschiedenen Perspektiven nützlich sein kann, um das System 100 zu kalibrieren und/oder eine verbesserte Genauigkeit zu erzielen. Die Dauer und die Startzeit der Integration jedes Detektors kann durch die Steuereinheit 115 koordiniert werden, wobei auch durch das Verwenden einer externen Vorrichtung, wie eines Flüssigkristall-(LC)Verschlusses oder einer elektrooptischen Blende oder durch elektronische Verschattung von Detektorreihen (CCD), Integrationszeiten von einigen Mikrosekunden oder sogar kürzer erzielt werden können. Wenn solche externen Verschlüsse verwendet werden, können die Detektorreihen unterschiedliche Bereiche eines größeren Detektors umfassen.
  • Für Fachleute ist ersichtlich, dass 1 nur eine von zahlreichen möglichen Ausführungen der Erfindung zeigt. Die Modulatoren 110 können durchlässig oder reflektierend sein, zeitvariabel oder konfigurierbare Vorrichtungen wie eine Flüssigkristall-(LC)- oder digitale Mikrospiegel-(DMD)-Reihen umfassen. Bei einem Vielfach-Schichtmodulator kann eine der Schichten eine LC-Reihe umfassen, während eine weitere Schicht eine Fresnel-Linse aufweist. Die Linsen 109 und 113 bei der Muster-Projektion und die Abbildungssysteme 101 und 102 sind hier lediglich als Beispiel gezeigt und können auch sonstige optischen Systeme umfassen, wie Linsen, Spiegel, Prismen, Lichtstrahlteiler, Gitter, Graddientenindex-Linsen, Brechungslinsen oder Wellenleiter. Die ersten Strahlungen sollen im wesentlichen parallel ausgerichtet sein, können aber auch divergierend oder konvergierend sein. Zudem kann der optische Projektor 101 für jeden Kanal eine Kollimations- sowie Projektionsoptiken umfassen, die nach dem Streuelement angeordnet sind. Ebenso kann eine einzige, gemeinsame Projektionsoptik, wie eine Linse, verwendet werden, um Strahlen von jedem Modulator 110 zum Objekt 103 zu projizieren. Die Detektorreihen 112 können in einer Fourier-Ebene der Abbildungsoptik angeordnet sein, oder an einer sonstigen Stelle, die eine Berechnung der Bilder des Objekts zulässt.
  • Die Musterprojektions-Zeitsteuerung 116 und/oder die Bildaufzeichnungs-Zeitsteuerung 117 können mit periodischen Änderungen am Objekt und/oder in der Szene synchronisiert werden, wobei die Objekt-Bewegung sowie Veränderungen der Orientierung, der Skalierung, der Beleuchtung oder der Reaktion des Objekts auf die Beleuchtung umfasst sind. Das Objekt kann makroskopisch oder mikroskopisch sein. Zum Beispiel können die bei 101 erzeugten Mehrkanal-Muster auf ein mikroskopisches Objekt 103 mit einem Mikroskop-Ziel projiziert werden und die Objekt-Strahlungen 111 können mit dem gleichen Mikroskop in Richtung zum Detektorsystem 102 gelenkt werden. Die ersten Strahlungen 108 können sichtbar oder unsichtbar, partikulär und/oder wellenförmig, polarisiert oder unpolarisiert sein, können zeitlich und/oder räumlich kohärent sein, wie im Falle einer Laserstrahlung, oder teilweise kohärent wie bei einer LED oder einer Weißlichtquelle oder kann spektrale Verteilungen aufweisen.
  • Das Mehrkanal-Erfassungssystem 100 kann mehrere Abbildungssysteme umfassen, wie zum Beispiel in 2 gezeigt, um die Genauigkeit zu verbessern und das Beschatten von Bereichen auf der Objekt durch sonstige Merkmale des Objekts zu vermeiden oder zu verringern, wie dies bei Systemen mit einer einigen Perspektive der Fall sein kann. Um die gleichen Ziele zu erreichen, kann das System 100 auch mehrere Zeitmultiplex-Musterprojektoren und ein einziges Zeitmultiplex-Abbildungssystem, wie zum Beispiel im System von 3 gezeigt, oder eine Kombination von mehreren Zeitmultiplex-Musterprojektoren und mehrere Zeitmultiplex-Abbildungssysteme aufweisen, wie im System von 4 dargestellt. Außerdem kann das Objekt durch die Muster nur teilweise bestrahlt werden und einige Muster können unterschiedliche Abschnitte des Objekts beleuchten.
  • Das Zeitmultiplex-Mehrkanal-Erfassungssystem 100 ermöglicht es, mehrere Muster zu projizieren und die resultierenden Bilder sehr schnell in Mikrosekunden oder schneller zu erhalten. Dies erlaubt auch, schnell bewegende Objekte oder eine sich ändernde Szene in drei Dimensionen aufzunehmen. Die Bilddaten können parallel verarbeitet werden, um jede Objekt-Stelle unabhängig von sonstigen Objekt-Stellen zu ermitteln, wobei eine dreidimensionale Darstellung des Objekts mit Algorithmen durchgeführt wird, wie bei 6, 9, 10 und 11 nachstehend beschrieben ist. Zudem kann wenigstens einer der Verarbeitungsschritte für viele Messwerte vorberechnet werden und in einer Nachschlagetabelle abgespeichert werden, so dass zur Berechnung der Objektstellen 104 auf diese schnell zugegriffen werden kann, da sie bereits vermessen sind und so eine dreidimensionale Lokalisierung und Objektoberflächen-Echtzeitmessung möglich machen. Außerdem können der Mehrkanal-Musterprojektor 101 und das Abbildungssystem 102 als kompakte Vielfach-Schichtreihen, Strahlungsquellen 107, Modulatoren 110, Abbildungsvorrichtungen 112 und sonstige optischen Elemente 109, 113 preiswert hergestellt werden, die zudem wenig Raum und Leistung verbrauchen, um so in mobile elektronische Vorrichtungen wie ein Mobiltelefon Integriert zu werden, das auch den Prozessor 118 und eine Anzeige 120 umfassen kann,
  • 2 zeigt ein Spektrummultiplex-Mehrkanal-Erfassungssystem 200 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen der Erfindung. Im System 200 kann ein Objekt 204 in einem dreidimensionalen Umfeld mit mehreren Mustern 206 bestrahlt werden, die unterschiedliche Spektren von einem Mehrkanal-Musterprojektor 201 aufweisen. Der Muster-Projektor 201 kann mehrere Breitband-Strahlungsquellen 207 umfassen, die im wesentlichen parallel ausgerichtet sind und hierzu Linsen 208 und Spektralfilter 209 verwenden, um erste Strahlungen 210 mit unterschiedlichen Spektren zu erzeugen. Der Muster-Projektor 201 kann auch mehrere Modulatoren 211 aufweisen, welche die ersten Strahlungen 210 modulieren, um die Muster 206 zu erzeugen, die mit Linsen 212 auf das Objekt 204 projiziert werden. Objekt-Strahlungen 213 und 214 von einer Stelle 205 am Objekt 204 können in Erwiderung auf die Bestrahlung 229 auf eine oder mehrere Mehrkanal-Abbildungssysteme wie 202 und 203 gerichtet werden. Ein Abbildungssystem 202 kann Spektralfilter 215 und Abbildungslinsen 216 umfassen, um die Bilder mit unterschiedlichen Spektren dar Stelle 205 auf unterschiedlichen Bereichen 217 einer einzelnen Detektorreihe 218 zu erzeugen. Ein anderes Abbildungssystem 203 kann eine einzige Abbildungslinse 219 umfassen, die Bilder der Stelle 205 auf eine Mehrfarb-Detektorreihe 220 mit Pixel-Gruppen 221 mit unterschiedlichen Spektralfiltern 222 lenkt. Eine Steuereinheit 223 kann die Bilddaten vom Detektor 218 und 220 zu einem Prozessor 224 leiten. Mit den Bilddaten 225 und 226, den projizierten Mustern 206 und den Orientierungen des Mehrkanal-Musterprojektors 201 und der Mehrkanal Abbildungssysteme 202 und 203 kann der Prozessor die Stelle 205 am Objekt 204 in der dreidimensionalen Szene berechnen. Indem er zusätzliche Stellen am Objekt entweder parallel oder sequentiell ermittelt, kann der Prozessor 224 eine dreidimensionale Darstellung 227 des Objekts auf einer Anzeige 228 erzeugen.
  • In einigen Ausführungen kann jeder Kanal des Mehrkanal-Musterprojektors 201 eine separate Breitband-Strahlungsquelle 207 und einen separaten Modulator 211 umfassen, der die erste Strahlung 210 räumlich modulierend, um ein Strahlungsmuster zu erzeugen, das ein eindeutiges Spektrum hat. Zusätzlich können separate Linsen wie 208 und 212 vorgesehen sein, um die erste Strahlung im wesentlichen parallel einzurichten und/oder Bilder des Modulators auf das Objekt zu projizieren. Ein separater Filter 209 kann in jedem Kanal auch vorgesehen werden, um eine erste Strahlung mit einem Spektrum zu erzeugen, das gegenüber den sonstigen Kanälen eindeutig ist. Der spektrale Durchlassbereich der Filter kann zeitlich wie bei einem abstimmbaren Filter variieren. Die Breitband-Strahlungsquellen können Leuchtdioden (LED) sein und/oder von einer einzigen Breitbandquelle wie einer Fluoreszenzlampe oder Superkontinuum-Laserquelle abgeleitet sein. Die Strahlungsquellen können unterschiedliche Quellspektren haben, so dass die Spektralfilter 209 auch entfallen können. Außerdem kann in manchen Ausführungen die Breitband-Strahlungsquelle beispielsweise durch Laserdioden mit spektral eindeutigen Emissionslinien ersetzt sein. Das Spektrum jeder Strahlungsquelle kann wie im Falle eines abstimmbaren Lasers variabel sein und kann getrennte Modi enthalten. Die Modulatoren 211 können die Amplitude, Phase und/oder Polarisation der ersten Strahlung modulieren und können Mustermasken oder optische Beugungselemente wie Gitter, Fresnel-Linsen und/oder Hologramme umfassen, die optisch geschrieben und/oder computererzeugt sein können. Die Modulatoren können Vielfach-Schichten umfassen. Die Modulatoren können reflektierend oder auch durchlässig sein. In einigen Ausführungen kann der Modulator 211 für jeden Kanal einen eindeutigen Bereich einer konfigurierbaren Reihe von Flüssigkristallen (LC) umfassen, die in einer fokalen Ebene positioniert sind und durch die Kollimationslinse 208 und Projektionsilnse 212 geteilt wird. Ein Muster, welches das Objekt beleuchtet, kann durch einen oder mehrere Kanäle erzeugt werden und zwei oder mehr Kanale können dabei auch das gleiche Spektrum besitzen. Außerdem können in Systemen, die eine Kombination von Spektrum- und Zeit-Multiplexing einsetzen, unterschiedliche Gruppen der spektralkodierten Muster zu unterschiedlichen Zeiten projiziert werden, indem man Strahlungsquellen, externe Verschattungsvorrichtungen oder konfigurierbare Filter oder Modulatoren mit der Steuereinheit 223 steuert. Die Musterprojektoren können Elemente einer integrierten, kompakten Vielfach-Schichtreihenstruktur sein, die zum Beispiel eine Schicht von Strahlungsquellen umfassen kann, wie LED-Schichten, verschiedene Mikrolinsen-Schichten, eine Filter-Schicht oder eine rekonfigurierbare Flüssigkristall-Schicht.
  • In einigen Ausführungen kann jeder Kanal eines Mehrkanal-Abbildungssystems 202 einen getrennten Bereich 217 einer einzelnen Detektorreihe 218 und eine Abbildungslinse 216 umfassen, die Bilder des Objekts auf dem Detektorreihen-Bereich erzeugen. Ein separater Filter 215 kann auch in jedem Kanal vorgesehen sein, um Bilder mit einem Spektrum zu erzeugen, das von den sonstigen Kanälen abweicht. Die Bilddaten 226, die durch jeden Detektorreihen-Bereich aufgenommen werden, können eine Ansicht des Objekts von fast der gleichen Perspektive aus umfassen und in Bezug zueinander durch den Prozessor 224, wie im System von 6, registriert werden, um zum Beispiel einen Datensatz der sequenziellen Messwerte der Objekt-Strahlungen 213 für jede durch die Muster 206 bestrahlte Stelle 205 am Objekt zu erfassen. In einigen Ausführungen können eine oder mehrere separate Detektorreihen anstatt einer oder mehrerer Detektor-Bereiche, wie im System von 1, verwendet werden. Die Detektorreihe oder -reihen können ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs), Metalloxid-Halbleiter (CMOS), Bolometer, Photodioden-Reihen und/oder sonstige Strahlungssensoren umfassen. Jede Abbildungsdetektorreihe oder Bereiche davon können die Objekt-Strahlungen 213 gleichzeitig aufzeichnen, oder im Falle eines kombinierten Zeit- und Spektrum-Multiplexing versetzt, aber synchron mit der Muster-Projektions-Zeitsteuerung, so dass sich entsprechend den unterschiedlichen Bestrahlungsmustern Bilder auf jeder Detektorreihe oder Bereichen davon ergeben. In einigen Ausführungen können mehrere Detektorreihen oder Reihenbereiche die Bilder des durch das gleiche Muster bestrahlten Objekts gleichzeitig aufzeichnen, da die Abbildung des gleichen Musters von etwas unterschiedlichen Betrachtungspunkten nützlich sein kann, wenn das System 200 kalibriert und/oder eine verbesserte Erfassungsgenauigkeit erzielt werden soll. In einigen Ausführungen können eine oder mehrere Beugungselemente wie ein Gitter anstelle von Filter 215 verwendet werden, wie zum Beispiel im System von 7. Die Filter oder Beugungselemente können zeitvariabel sein, wie im Falle einer akusto-optischen Vorrichtung oder eines mikroelektro-mechanischen Gitters.
  • In einigen Ausführungen kann jeder Kanal des Mehrkanal-Abbildungssystems 203 eine separate Untergruppe einer einzelnen Detektorreihe 220 umfassen, die mit Untergruppen anderer Kanale vernetzt ist. Eine Einzel-Abbildungslinse 219 kann Einzelbilder des Objekts 204 auf mehreren vernetzten Untergruppen erzeugen. Jeder Kanal kann Elemente 212 umfassen, die durch einen unterschiedlichen Spektralfilter 222 gegenüber den sonstigen Kanälen abgedeckt sind, wie im Falle der Pixel eines Mehrfarb-CCDs oder CMOS zum Beispiel. In einigen Ausführungen kann die Strahlung 214 von der Stelle 205 am Objekt 204 auf einen Bereich der Detektorreihe 220 abgebildet werden, wobei mindestens ein Element jedes Abbildungskanals vorgesehen ist, wie dies für drei Kanale vergrößert gezeigt ist. Die Bilddaten 225 jedes Kanals des Abbildungssystems 203 können in Bezug zu Bilddaten von den sonstigen Kanälen vom Prozessor 204 aufgezeichnet werden, die auch Kanäle des Abbildungssystems 202 enthalten können, wie im System von 6 zum Beispiel, wobei ein Datensatz der sequenziellen Messwerte der Objekt-Strahlungen 213 und 214 für jede durch die Muster 206 bestrahlte Stelle 205 am Objekt erzeugt wird.
  • In einigen Ausführungen können die mit den Musterprojektion und Abbildungskanälen verbundenen Spektren eng bemessen sein, um die Abweichung in der spektralen Antwort des Gegenstandes 204 von Kanal zu Kanal minimal zu halten. Zum Beispiel können die Strahlungsquellen Laserdioden mit den unterschiedlichen, aber eng bemessenen Emissionsspitzen sein und die Filter können Schmalbandfilter mit einer Bandbreite von einigen Nanometern sein.
  • Für Fachleute ist ersichtlich, dass 2 nur eine von vielen möglichen Verkörperungen der Erfindung darstellt. Die Linsen 208, 212, 216 und 219 in den Musterprojektions- und Abbildungssystemen werden lediglich beispielhaft gezeigt und können sonstige optische Systeme umfassen, wie Linsen, Spiegel, Prismen, Lichtstrahlteiler, Gitter, Gradientenindex-Linsen, Beugungslinsen oder Wellenleiter. Je nach Auslegung der Modulatoren muss zudem nicht jeder Kanal des Muster-Projektionssystems 201 eine Kollimationsoptik 208 oder eine Projektionsoptik 212 umfassen. Die Detektorreihen können auch in einer Fourier-Ebene der Abbildungsoptik anstatt in der Bildebene angeordnet sein, oder an jeder sonstigen Stelle, um die Bilder des Objekts zu berechnen. Außerdem können linsenfreie Abbildungssysteme verwendet werden, die auf die Synthese von Blendenöffnungen beruhen.
  • In einigen Ausführungen kann ein Mehrkanal-Erfassungssystem jede mögliche Kombination von Spektrum-, Zeit- oder Polarisations-Multiplexing umfassen. Im letzteren Fall kann analog zum Spektrum-Multiplex einer oder mehrere der Musterprojektions- oder Abbildungskanäle eine andere Polarisation besitzen als die sonstigen Kanäle. Das Polarisations-Multiplexverfahren kann implementiert werden, indem man Strahlungsquellen mit unterschiedlichen Polarisationen, wie orthogonal-orientierten Laserdioden verwendet oder indem man Polarisationsfilter einsetzt, die zeitvariabel sind, wie bei Flüssigkristallen.
  • Die Objekt 204 kann makroskopisch oder mikroskopisch sein. Zum Beispiel können die erzeugten Mehrkanal-Muster 201 mit einem Mikroskop auf ein mikroskopische Objekt 204 gerichtet werden und die Objekt-Rückstrahlungen 213, 214 können mit dem gleichen oder auch anderen Mikroskopen zu den Abbildungssystemen 202, 203 gelenkt werden. Die ersten Strahlungen 210 können sichtbar oder unsichtbar, partikulär und/oder wellenförmig, polarisiert oder unpolarisiert sein, können zeitlich und/oder räumlich kohärent sein, wie im Falle der Leserstrahlung, oder können teilweise kohärent sein, wie bei LED-Strahlung oder Weißlicht. Das Mehrkanal-Erfassungssystem 200 kann mehrere Abbildungssysteme aufweisen, um de Lokalisierungsgenauigkeit zu verbessern und das Verschatten von Bereichen auf der Objekt zu vermeiden oder um sonstige Merkmale am Objekt zu zeigen, die in Einzel-Perspektivsystemen inhärent sein können. Um die gleichen Ziele zu erreichen, kann das System 200 auch mehrere Musterprojektoren und ein einziges Abbildungssystem umfassen, wie z. B. im System von 3, oder eine Kombination von mehreren Musterprojektoren und mehrere Abbildungssysteme, wie z. B. im System von 4. Alternativ kann das Spektrum-Multiplex-System 200, wie auch z. B. beim Zeit-Multiplex-System von 1 gezeigt, ein einziges Muster-Projektionssystem und ein einziges Abbildungssystem umfassen, wie z. B. eines der Systeme 202 oder 203.
  • Die Spektrum-Multiplex-Mehrkanal-Erfassungssystem 200 ermöglicht es, mehrere Muster zu senden und gleichzeitig die resultierenden Bilder zu gewinnen, im Vergleich zu Systemen, die auf einem separaten Element zur Projektion von mehreren Muster und einer separaten Detektorreihe beruhen, um mehrere Bilder aufzunehmen. Dies ermöglicht in sehr kurzen Zeiten dreidimensionale Einzelaufnahmen. Die Geschwindigkeit eines solchen Einzelaufnahme-Systems ist im wesentlichen nur durch die Intensität der Bestrahlung begrenzt, die durch die Strahlungsquellen und die Reflexion des Objekts festgelegt ist. Wie in sonstigen Systemen und Ausführungen hierin, können die Bilddaten verarbeitet werden, um jede Objekt-Stelle unabhängig von anderen Objekt-Stellen parallel zu berechnen, um eine dreidimensionale Darstellung des Objekts mittels Algorithmen zu liefern, die z. B. in 6, 9, 10 und 11 beschrieben sind. Zudem kann einer oder mehrere der Verarbeitungsschritte für viele Messwerte vorberechnet werden und in einer Nachschlagetabelle für einen schnellen Zugriff abgespeichert werden, so dass eine schnelle dreidimensionale Lokalisierung und Objektoberflächen-Vermessung in Echtzeit möglich wird. Außerdem können der Mehrkanal-Musterprojektoren 201 und die Abbildungssysteme 202 und 203 als kompakte Vielfach-Schichtreihen, Strahlungsquellen 207, Modulatoren 211, Filter 209, 215, 222, Detektoren 221, 217 und sonstige optischen Elemente, 208, 212, 216 preiswert hergestellt werden sowie wenig Raum und Leistung verbrauchen, um so in mobile elektronische Vorrichtungen wie ein Mobiltelefon integriert zu werden, das auch einen Prozessor 224 und ein Anzeigegerät 228 umfassen kann.
  • 3 zeigt ein Zeit- und Polarisations-Multiplex-Mehrkanal-Erfassungssystem 300 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen. Im System 300 kann ein Objekt 304 in einer dreidimensionalen Szene mit Mustern 306, 308 bestrahlt werden, die orthogonale Polarisationen umfassen und sequentiell mit unterschiedlichen Mehrkanal-Musterprojektoren 301, 302 erzeugt werden können. Der Musterprojektor 301 kann mehrere Strahlungsquellen 311, wie Ausgänge von optischen Fasern 312 oder sonstige Typen von Wellenleitern umfassen, die von der gleichen Quelle 310, wie einem Faser-Leser abgeleitet werden und in der Zeit mit Quell-Modulatoren 313 moduliert werden. Der Musterprojektor 301 kann auch mehrere Modulatoren 315 umfassen, welche die ersten Strahlungen 314 von den Strahlungsquellen räumlich modulieren, um die Muster 306 im Fernfeld z. B. horizontal zu polarisieren. Ein weiterer Mehrkanal-Musterprojektor 302, der das Objekt 304 von einer anderen Richtung aus bestrahlt, kann auch mehrere Strahlungsquellen 337 besitzen, wie Ausgänge von optischen Fasern 338 oder sonstige Typen von Wellenleitern, die von der gleichen Quelle 310 wie beim erstgenannten Projektor 301 abgeleitet werden können. Die Quellen können mit Linsen 316 parallel ausgerichtet werden und zeitlich mit einer Gittervorrichtung 317 moduliert werden, um die ersten Strahlungen 318 zu erzeugen. Die ersten Strahlungen können zu reflektierenden Modulatoren 319 schräg ausgerichtet sein. Die reflektierte, räumlich modulierte Strahlung kann wiederum die Verschaffungsvorrichtung 317 passieren und über Linsen 316 auf das Objekt 304 projiziert werden, um das Objekt mit z. B. vertikal polarisierten Muster 308 zu bestrahlen. Objekt-Rückstrahlungen 320 und 321 von einer Stelle 305 am Objekt 304 werden gestreut und somit anders polarisiert als die Bestrahlungen 307 und 309, um dann von einem Mehrkanal-Abbildungssystem 303 erfasst zu werden. Das Abbildungssystem kann Abbildungslinsen 322 umfassen, die Bilder der Stelle 305 auf unterschiedlichen Bereichen 323 einer einzelnen Detektorreihe 324 erzeugen. Die Detektor-Amplitude und/oder polarisationssperrende Vorrichtungen 325 können verwendet werden, um jeden Bereich der Detektorreihe sequentiell Strahlungen vom Objekt auszusetzen oder es können gleichzeitig orthogonal-polarisierte Objekt-Strahlungen 320, 321 wegen der orthogonal-polarisierten Muster zu Vielfach-Detektorreihen 323 laufen. Eine Steuereinheit 326 kann die Zeitsteuerung 327 der Quell-Modulatoren, die Zeitsteuerung 328 der Quellverschattungsvorrichtungen 317 und die Zeitsteuerung 329 der Gatter-Vorrichtungen 325 koordinieren und die Bilddaten 333 von der Detektorreihe 324 zu einem Prozessor 330 leiten. Mit den Bilddaten 333, den projizierten Muster 306, 308 und den Orientierungen der Mehrkanal-Musterprojektoren 301, 302 und des Mehrkanal-Abbildungssystems 303 kann der Prozessor die Stelle 305 auf der Objekt 304 in der dreidimensionalen Szene bestimmen. Indem zusätzliche Stellen am Objekt entweder parallel oder sequentiell bestimmt werden, kann der Prozessor 330 eine dreidimensionale Darstellung 331 des Objekts auf einer Anzeige 332 erzeugen.
  • In einigen Ausführungen kann jeder Kanal des Mehrkanal-Musterprojektors 301 eine separate Strahlungsquelle 311 und einen separaten Modulator 315 umfassen, um die erste Strahlung 314 von der Quelle räumlich zu modulieren und um ein Strahlungsmuster 306 zu erzeugen. Die Strahlungsquellen können separate kohärente oder inkohärente Emitter sein oder können von der gleichen Quelle abgeleitet werden. Außerdem können die Strahlungsquellen von einer oder mehreren Quellen abgeleitet werden, die zum System extern sind. Solche externe Quelle oder Quellen können durch die Steuereinheit 326 gesteuert werden, oder können auch durch eine externe Steuerung gesteuert werden, die mit der Systemsteuereinheit 326 verbunden und synchronisiert werden kann. In einigen Verkörperungen können die Strahlungsquellen Ausgänge von optischen Fasern enthalten, die von einem einzelnen Faser-Lasersender 310 aufgespaltet werden, wobei die Strahlung für jeden Kanal unterschiedlich und variabel ist. Die Modulator 315 kann die Amplitude, Phase und/oder Polarisation der ersten Strahlung modulieren und ein einziges Beugungselement und/oder ein Hologramm umfassen, das computererzeugt sein kann, um eine sphärische Wellenfront von einer Punktquelle in ein Muster umzuwandeln, das auf das Objekt projiziert wird. Zudem können die Modulatoren so ausgelegt werden, dass die Mehrkanal-Muster scheinbar von einer gemeinsamen virtuellen Stelle auszugehen. Jeder Modulator kann Vielfach-Schichten umfassen und variabel sein. Die Polarisation, Phase oder Amplitude der Bestrahlung jedes Kanals kann zeitlich mit einem Quell-Modulator moduliert werden, der z. B. ein elektro-optischer Modulator (EOM), ein akusto-optischer Modulator (AOM), eine mechanische Verrichtung wie eine Faserdehnvorrichtung oder ein thermischer Modulator sein kann. In einigen Ausführungen kann jeder Kanal zusätzliche Polarisationsvorrichtungen umfassen, um Phasen- oder Polarisations-Modulation in Amplituden-Modulation umzuwandeln. Jedes sequenzielle Muster, welches das Objekt beleuchtet, kann durch einen oder mehrere Kanäle erzeugt werden und eine oder mehrere Polarisationen besitzen, indem eine oder mehrere Quell-Modulatoren über die Steuereinheit 326 aktiviert werden, wie in den Zeitsteuerungs-Diagrammen 327 angedeutet. Zudem kann die relative Stärke der Ablichtungen, die durch jeden Kanal produziert werden, durch das Steuern jedes Quellmodulators auf eine analoge Art und Weise über Steuersignale 334 verändert werden. Wenn die Strahlungsquellen von der gleichen kohärenten Quelle abgeleitet werden, können mehrere, nicht-orthogonal polarisierte Muster gleichzeitig projiziert werden, die sich nicht stören und viel mehr hochauflösende Muster erzeugen als Kanäle vorgesehen sind.
  • In einigen Ausführungen kann ein Mehrkanal-Musterprojektor mit Wellenleiter als Projektionssystem 301 eingesetzt werden, das eine kompakte Beugungselement-Reihe 315 umfasst und am Ende eines flexiblen Wellenleiterbündels positioniert sein kann. Diese Konfiguration macht es einfach, die Orientierung des Muster-Projektors manuell einzurichten. In Kombination mit einer Minikamera kann solch ein System in einem endoskopischen, dreidimesionalen Abbildungssystem für medizinischen Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. bei laparoskopischen Operationen.
  • In manchen Ausführungen kann jeder Kanal des Mehrkanal-Musterprojektors 302 eine separate Strahlungsquelle 337 und einen separaten, reflektierenden Modulator 319 aufweisen, um die erste Strahlung 318 von der Quelle räumlich zu modulieren und um ein Strahlungsmuster 308 zu erzeugen. Zusätzlich kann eine separate Linse 316 im Kanal vorgesehen sein, um die erste Strahlung im wesentlichen parallel einzurichten und/oder Bilder des Modulators auf das Objekt zu projizieren. Eine mit einem Gatter versehende Vorrichtung 317 der separaten Quelle kann in jedem Kanal auch vorgesehen sein, um die Amplitude, Phase und/oder Polarisation der ersten Strahlung 318 zu modulieren. Die Strahlungsquellen können separate, kohärente oder inkohärente Emitter sein oder können von der gleichen Quelle abgeleitet werden. In einigen Verkörperungen können die Strahlungsquellen Ausgänge mit optischen Fasern enthalten, die von einem einzelnen Faser-Lasersender 310 aufgespaltet werden und die gleiche Quelle verwenden wie der andere Mehrkanal-Musterprojektor 301. In einigen Ausführungen können die Mehrfach-Strahlungsquellen Ausgänge von optischen Fasern enthalten, die von einem einzelnen Faser-Lasersender 310 zwischen mehreren optischen Fasern umgeschaltet werden. Für jeden Kanal kann der Modulator die Amplitude, Phase und/oder Polarisation der ersten Strahlung modulieren und in einigen Ausführungen einen Bereich von rekonfigurierbaren, digitalen Mikrospiegeln (DMD) enthalten, die nahe der Fourier-Ebene der Kollimationslinse 316 angeordnet sind. Die erste Strahlung kann auf die DMD schräg ausgerichtet sein, so dass die räumlich modulierte Strahlung, wie gezeigt, mit der gleichen Kollimationslinse 316 auf das Objekt 304 projiziert werden kann, ohne durch die Strahlungsquelle 337 blockiert zu werden. Die mit einem Gatter versehende Quell-Vorrichtung kann die Zeit, Polarisation, Phase und/oder Amplitude der Bestrahlung in jedem Kanal modulieren und in einigen Ausführungen einen oder mehrere Flüssigkristalle (LC) als Polarisator umfassen. Jedes sequenzielle Muster, welches das Objekt beleuchtet, kann durch einen oder mehrere Kanäle erzeugt werden und kann eine oder mehrere Polarisationen aufweisen, indem man hintereinander eine oder mehrere der mit einem Gatter versehene Vorrichtungen aktiviert, wie in den Zeitsteuerungs-Diagrammen 328 gezeigt, wobei die Steuereinheit 326 verwendet wird. Zudem kann die relative Stärke der Bestrahlungen, die durch jeden Kanal erzeugt werden, variiert werden, indem man jede mit einem Gatter versehende Vorrichtung auf eine analoge Weise über Steuersignale 335 steuert. In einigen Ausführungen können die Amplituden und die Zeitsteuerung der projizierten Muster variiert werden, indem man die Modulationsstärke des Modulators durch Steuersignale 336 selbst steuert. In diesem Fall können die mit einem Gatter versehenden Quellvorrichtungen entbehrlich werden. Wenn die Strahlungsquellen beider Muster-Projektoren 302 und 301 von der gleichen kohärenten Quelle 310 abgeleitet werden, sind die gleichzeitig projizierten Vielfach-Muster nicht-orthogonal polarisiert und können sich gegenseitig stören, so dass viel mehr hochauflösende Muster erzeugt werden als Kanäle in beiden Projektoren vorgesehen sind. Für makroskopische Objekte wird die Interferenz der Muster von den unterschiedlichen Projektoren wahrscheinlich zu klein sehr, um durch das Abbildungssystem aufgelöst zu werden, insbesondere wenn die Beleuchtungsrichtungen im wesentlichen unterschiedlich sind. Im Falle der mikroskopischen dreidimensionalen Abbildung können jedoch die Interferenzmuster der beiden Projektoren aufgelöst werden und können so zur Triangulation nützlich sein. Die Muster-Projektorkanäle können Elemente einer integrierten, kompakten Schicht-Reihenstruktur sein, die z. B. eine DMD-Reihe, eine LC-Reihe, eine Mikrolinsen-Reihe oder eine Wellenleiter-Ausgangsreihe umfassen.
  • In einigen Ausführungen kann jeder Kanal eines Mehrkanal-Abbildungssystems 303 einen getrennten Bereich 323 einer einzelnen Detektorreihe 218 und eine Abbildungslinse 322 umfassen, um Bilder des Objekts auf dem Detektorreihen-Bereich zu erzeugen. Die Bilddaten 333, die durch jeden Detektorreihen-Bereich aufgenommen werden, können eine Ansicht des Objekts von fast der gleichen Perspektive umfassen und in Bezug zueinander durch den Prozessor 330 registriert werden, wie z. B. im System von 6 gezeigt, um einen Datensatz der sequenziellen Messwerte der Objekt-Strahlungen 320, 321 zu erzeugen, welche für Jede Stelle 305 am Objekt durch die Muster 306, 308 entstehen. Die Detektorreihen können z. B. ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs), Metalloxid-Halbleiter (CMOS), Bolometer, Photodioden und/oder sonstige Strahlungssensoren sein. Eine separate, mit einem Gatter versehende Vorrichtung 325 kann in jedem Kanal vorgesehen sein, um die Amplitude, Phase und/oder Polarisation der Bilder zeitlich zu modulieren, damit jede Abbildungsdetektorreihe die Objekt-Strahlungen zeitlich versetzt, aber synchron mit der Musterprojektions-Zeitsteuerung aufzeichnen kann, so dass in jeder Detektorreihe ein anderes Bild erfasst werden kann. In einigen Ausführungen können jedoch mehrere Detektorreihen die Objekt-Strahlungen gleichzeitig integrieren, wie in den Zeitsteuerungs-Diagrammen 329 gezeigt. Wenn eine polarisationssperrende Vorrichtung 325 verwendet wird, können die gleichzeitigen Bilder unterschiedliche Polarisationen besitzen und daher mit unterschiedlichen Strahlungsmustern verbunden sein. Selbst wenn nur amplitudensperrende Vorrichtungen 325 verwendet werden, kann die Abbildung des gleichen Musters von etwas unterschiedlichen Betrachtungspunkten aus nützlich sein, um das System 300 zu kalibrieren und/oder verbesserte Erfassungsgenauigkeiten zu erzielen. Die Dauer und die Startzeit der Integration jedes Detektor-Bereichs kann durch eine Steuerung mit Signalen 339 koordiniert werden, um die mit einem Gatter versehenden Vorrichtungen 325 zu steuern.
  • Für Fachleute ist ersichtlich, dass 3 nur eine von zahlreichen möglichen Ausführungen der Erfindung zeigt. Die Linsen 316, 322 in den Musterprojektions- und Abbildungssystemen werden nur als Beispiele gezeigt und können durch sonstige optische Systeme ersetzt oder ergänzt werden, wie Linsen, Spiegel, Prismen, Lichtstrahlteiler, Gitter, Gradientenindex-Linsen, Beugungslinsen oder Wellenleiter. Zudem kann abhängig von der Auslegung der Modulatoren jeder Kanal des Muster-Projektionssystems 301 zusätzliche Kollimationsoptiken und/oder Projektionsoptiken umfassen. Die Detektorreihen können anstatt in der Bildebene in einer Fourier-Ebene der Abbildungsoptik angeordnet, oder in jeder sonstigen Stelle, die zulässt, dass Bilder des Objekts berechnet werden.
  • Die Musterprojektions-Zeitsteuerung 327, 328 und/oder Bildaufzeichnungs-Zeitsteuerung 329 kann mit periodischen Änderungen am Objekt und/oder im Umfeld synchronisiert sein, um die Objekt-Bewegung sowie Veränderungen der Orientierung, der Skalierung, der Beleuchtung oder der Reaktion des Objekts auf die Beleuchtung hin zu umfassen. Das Objekt kann makroskopisch oder mikroskopisch sein. So können zum Beispiel die mit den Mehrfach-Projektoren 301, 302 erzeugten Muster mit einem Mikroskop auf ein mikroskopiches Objekt 304 gelenkt werden und die Objekt-Strahlungen 320, 321 können mit dem gleichen oder einem anderen Mikroskop auf das Detektorsystem 303 gerichtet werden.
  • Das Mehrkanal-Ortungsystem 300 kann mehrere Musterprojektoren und ein einziges Abbildungssystem umfassen, um die Lokalisierungsgenauigkeit zu verbessern und das Verschatten von Bereichen auf der Objekt zu vermeiden oder sonstige Merkmale des Objekts zu zeigen, die bei Einzelperspektiv-Systemen verborgen bleiben könnten. Um die gleichen Ziele zu erreichen, kann das System 300 mehrere Zeit-Multiplex-Abbildungssysteme und ein einziges Zeit-Multipex-Musterprojektionssystem umfassen, wie dies für ein Spektrum-Multiplex-System z. B. in 2 gezeigt ist, oder eine Kombination von mehreren Zeit-Multiplex-Musterprojektoren und mehreren Zeit-Multiplex-Abbildungssystemen, wie z. B. im System von 4. Alternativ kann, wie z. B. für das System von 1 gezeigt, das System 300 ein einziges Abbildungssystem und ein einziges Muster-Projektionssystem verwenden, das z. B. eines der Systemen 301 oder 302 aufweist.
  • Zusätzlich können mehrere Musterprojektoren verwendet werden, um z. B. das Verfahren der 12 zu implementieren, wobei Stellen im Umfeld durch die dreidimensionalen Muster einzigartig kodiert und von mehreren Richtungen projiziert werden, ohne sich auf die Position und Orientierung des Abbildungssystems für eine Triangulation beziehen zu müssen.
  • Das Zeit-Multiplex-Mehrkanal-Ortungssystem 300 ermöglicht es, mehrere Muster zu projizieren und die resultierenden Bilder sehr schnell, im Bereich von Mikrosekunden oder schneller zu erhalten. Dies macht es möglich, dass sich schnell bewegende Objekt oder ein änderndes Umfeld in drei Dimensionen aufgenommen werden können. Die Bilddaten können verarbeitet werden, um jede Objekt-Stelle unabhängig von sonstigen Objekt-Stellen parallel zu erfassen, um eine dreidimensionale Darstellung des Objekts mit Algorithmen zu liefern, wie unten in 6, 9, 10 und 11 beschrieben. Zudem kann einer oder mehrere der Verarbeitungschritte für viele Messwerte vorberechnet und in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden, um schnell erreicht werden zu können und Objekt-Stellen 305 zu berechnen, um dreidimensionales Lokalisieren und Objektoberflächenmessungen in Echtzeit möglich zu machen. Außerdem können der Mehrkanal-Musterprojektor 302 und das Abbildungssystem 303 als kompakte Vielfach-Schichtreihen, Strahlungsquellen, reflektierende Modulatoren 319, Detektoren 323 und sonstige optischen Elements 322, 316 preisgünstig hergestellt werden, die wenig Raum und Leistung verbrauchen und in mobile elektronische Vorrichtungen wie ein Mobiltelefon integriert werden können, das auch einen Prozessor 330 und eine Anzeige 332 umfassen kann. Weiterhin kann der Mehrkanal-Musterprojektor 301 am Ende eines Wellenleiterbündels implementiert werden und so für endoskopische, dreidimensionale Abbildungen oder sonstige Anwendungen gut eingesetzt werden, zumal der kompakte Musterprojektor flexibel umzusetzen und auszurichten ist.
  • 4 zeigt ein mobiles Mehrkanal-Erfassungssystem 400 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen der Erfindung. Beim System 400 kann ein Objekt 406 in einem dreidimensionalen Umfeld mit einem oder mehreren Mehrkanal-Musterprojektoren 402 und 403 beleuchtet werden, die in der mobilen Vorrichtung 441 eingebaut sind. Die Musterprojektoren können mehrere der kompakten, integrierten Musterprojektions-Implementierungen entsprechend der Erfindung umfassen, wie dies anhand von 1, 2 und 3 obenstehend beschrieben wurde bzw. in 5 und 6 nachstehend mit verschiedenen Ausführungen und Elementen erläutert wird. Die projizierten Muster können mit Zeit-, Spektrum-, und/oder Polarisations-Multiplexverfahren gesteuert sein oder einer Kombination davon. Die Objekt-Strahlungen 410 und 411 werden von einer Stelle 407 am Objekt 406 in Erwiderung auf die Bestrahlungen 408. 409 geliefert, wobei ein oder mehrere in der mobilen Vorrichtung 401 eingebaute Mehrkanal-Abbildungssysteme 404 und 405 zur Erfassung verwendet werden. Die Abbildungssysteme können mehrere der kompakten, integrierten Mehrkanal-Detektorreihen-Implementierungen entsprechend der Erfindung umfassen, insbesondere die Abbildungssysteme nach 1, 2 und 3 bzw. 7 und ihre verschiedenen Ausführungen und Elemente. Die Abbildungskanäle können separate Detektorreihen oder Bereiche davon umfassen und/oder Untergruppen, um Bilder des Objekts mit unterschiedlichen Spektren oder Polarisationen aufzuzeichnen. Eine oder mehrere Steuereinheiten in der mobilen Vorrichtung 401 können die Zeitsteuerung der Musterprojektion und der Bilderfassung koordinieren und Bilddaten von den Abbildungssystemen 404, 405 zu einem oder mehreren Prozessoren innerhalb der mobilen Vorrichtung 401 weiterleiten. Mit den Bilddaten, den projizierten Mustern, und den Positionen bzw. Orientierungen der Mehrkanal-Musterprojektoren 402, 403 und der Mehrkanal-Abbildungssysteme 404, 405 kann der Prozessor die Stelle 407 am Objekt 406 im dreidimensionalen Umfeld berechnen. Mit der parallelen oder sequentiellen Berechnung von zusätzlichen Stellen am Objekt kann der Prozessor eine 3D-Darstellung 412 des Objekts auf einer Anzeige 413 erzeugen, die auch Teil der mobilen Vorrichtung 401 sein kann.
  • In einigen Ausführungen können die Mehrkanal-Musterprojektoren 402, 403 und Mehrkanal-Abbildungssysteme 404, 405 als kompakte, integrierte Vorrichtungen hergestellt werden und können mehrere Dünnschicht-Reihen solcher Vorrichtungen wie Laserdioden, Halbleiterlaser, Leuchtdioden, Mikrolinsen, optischen Beugungselemente, Flüssigkristallzellen, Mikrospiegel, Spektralfilter, Polarisatoren, CCDs und CMOS Abbildungsdetektoren umfassen. Die Mehrkanal-Musterprojektoren und Detektoren können Millimeter-Maße oder sogar noch kleinere Dimensionen aufweisen, wenig elektrische Leistung verbrauchen, kostengünstig in großen Mengen hergestellt werden sowie in eine Vielfalt von mobilen, batteriebetriebenen Vorrichtungen wie Funktelefone, PDA, Laptopcomputer, tragbare Spielsysteme, Foto- und Videokameras gut eingesetzt werden. In einigen Ausführungen können ein Mehrkanal-Musterprojektor und ein Mehrkanal-Detektor an getrennten Stellen in einem Mobiltelefon eingebaut sein, z. B. über dem Bildschirm und unter der Tastatur eines Klapphandys, wie hier gezeigt. Somit kann die dreidimensionale Oberfläche eines Objekts 406, wie hier ein menschliches Gesicht mit der mobilen Vorrichtung 401 lokalisiert werden. Eine oder mehrere Steuerungen und Prozessoren innerhalb der mobilen Vorrichtung können verwendet werden, um den Mehrkanal-Musterprojektor und Detektor zu steuern, einen Triangulationalsgorithmus zum Ermitteln des Bilds anzuwenden sowie die dreidimensionale Oberfläche des Objekts und die gemessene Oberfläche mit der gewünschten Beleuchtung und Perspektive zum Benutzer über den integrierten Bildschirm 413 anzuzeigen. Der mobile Anzeigebildschirm 413 kann auch die Eigenschaft besitzen, eine dreidimensionale Ansicht des Objekts für den Benutzer zu simulieren, wenn dieser z. B. eine Polarisationsbrille trägt. Außerdem können einige Ausführungen einen oder mehrere, externe Mehrkanal-Musterprojektoren, Mehrkanal-Detektoren und/oder Prozessoren besitzen, die außerhalb der mobilen Vorrichtung angeordnet sein können.
  • In einigen Ausführungen können mehrere der Mehrkanal-Musterprojektoren und Abbildungssysteme in einer einzigen mobilen Vorrichtung enthalten sein. Obwohl hier zwei Muster-Projektoren und zwei Abbildungssysteme mit jeweils neun Kanälen gezeigt werden, kann die mobile Vorrichtung 401 eine, zwei oder mehr Muster-Projektoren, ein, zwei oder mehr Abbildungssysteme umfassen, und die Anzahl der Kanäle kann weniger oder mehr als neun sein. Jeder Mehrkanal-Musterprojektor und Detektor kann zur Erfassung der Objektoberfläche aus einer anderen Perspektive mit einer eindeutigen Kombination der Muster verwendet werden, um eine bessere Oberflächenabdeckung zu erreichen, die Triangulationsgenauigkeit zu verbessern und/oder das Verschatten von Merkmalen zu verringern. Wenn nur der Musterprojektor 402 zusammen mit dem Detektor 405 verwendet wird, kann eine Oberfläche des menschlichen Gesichtes rekonstruiert werden, die jedoch Schattenbereiche auf der rechten Seite der Nase und unter dem Kinn enthalten. Wenn der Musterprojektor 403 zusammen mit dem Abbildungssystem 405 eingesetzt wird, kann die Oberfläche auf der rechten Seite der Nase erfasst werden, aber es kann ein Schattenbereich unter der Nase verbleiben. Wenn man jedoch die zwei Oberflächen-Rekonstruktionen mit dem Prozessor kombiniert und überlagert, kann auch die Oberfläche um die Nase ohne Schatten erfasst werden. Ähnlich kann der Projektor 402 mit dem Abbildungssystem 404 zur Vermeidung des Schattenbereichs unter dem Kinn verwendet werden. Zudem kann man die Oberflächendaten von den Projektor-Detektor-Paaren kombinieren, um eine genauere Oberflächen-Rekonstruktion zu erhalten. Abhängig von der Stelle des Abbildungssystems, kann ein vorgegebener Mehrkanal-Projektor notwendig sein, um die Muster in unterschiedlichen Richtungen zu projizieren und zur exakten Triangulation zu variieren. Dies kann vervollständigt werden, indem man konfigurierbare Modulatoren verwendet oder indem man verschiedene Kanalgruppen zur Musterprojektion verwendet, die in einer anderen (möglichst orthogonalen) Richtung im Vergleich zu einer anderen Kanalgruppe variiert. Wenn zudem Positions- und Oberflächendaten von mehreren derartiger Mobilvorrichtungen kombiniert werden und die Systeme lokalisiert, können bessere Oberflächenabdeckungen und/oder genauere Rekonstruktionen der Objektoberfläche erhalten werden. Andererseits können mehrere Oberflächen-Rekonstruktionen des gleichen Objekts durch mehrere mobile Vorrichtungen mit unbekannten Stellen dazu verwendet werden, die Positionen der Vorrichtungen im Verhältnis zum Objekt und damit im Verhältnis zueinander zu errechnen. Solche mobilen Mehrkanal-Erfassungssysteme können daher auch in Roboter-Navigationssystemen verwendet werden.
  • Das mobile Mehrkanal-Erfassungssystem 401 kann hochintegrierte, elektronische und optische Elemente verwenden, die sehr wenig Raum und Leistung verbrauchen und es gleichzeitig ermöglichen, Vielfach-Muster zu projizieren und die resultierenden Bilder in sehr schneller Sequenz, möglichst in Mikrosekunden oder schneller, praktisch gleichzeitig zu erhalten. Im Gegensatz dazu benötigen einige bekannte 3D-Abbildungssysteme eine aktive Beleuchtung und umfangreiche Muster-Projektionssysteme mit starken Beleuchtungsquellen, so dass diese folglich mit kompakten, mobilen Hochgeschwindigkeitsvorrichtungen inkompatibel sind. Hohe Erfassungsgeschwindigkeit machen es nicht nur möglich, ein sich schnell bewegendes Objekt oder änderndes Umfeld dreidimensional aufzunehmen, sondern kann auch helfen, die „Wackel-Artefakte” während der dreidimensionalen Bilderfassung zu vermeiden. Die Bilddaten können verarbeitet werden, um jede Objekt-Stelle 407 unabhängig von den sonstigen Objekt-Stellen parallel zu berechnen, um dann eine dreidimensionale Darstellung des Objekts mittels Algorithmen zu liefern, die z. B. in 6, 9, 10 und 11 erläutet werden. Ein solche dreidimensionale Erfassung unabhängig von der Position kann exakte dreidimensionale Abbildungen der Objekte mit Abständen, Schatten, Texturen, Färbungs- und Reflexions-Variationen und sonstige Unstetigkeiten ermöglichen, die Schwierigkeiten für einige aktive Beleuchtungstechniken aufwerfen können. Im Vergleich zu sonstigen 3D-Schnellabbildungstechniken, die auf Stereo-Perspektiven basieren, können diese nicht in Mobilgeräte integriert werden. Außerdem können mehrere der Verarbeitungsschritte für viele Messwerte vorberechnet werden und in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden, um diese schnell aufzurufen, so dass Objekt-Stellen 407 rasch dreidimensional lokalisiert werden und eine Objektoberflächen-Erfassung in Echtzeit ermöglicht wird. Eine Nachschlagetabellen-Annäherung an dreidimensionale Daten kann auch weniger Leistung verbrauchen und Verarbeitungsressourcen der mobilen Vorrichtung schonen.
  • 5 zeigt ein Mehrkanal-Erfassungssystem 528 mit verschiedenen Ausführungen. Das System 528 enthält ein Mehrkanal-Musterprojektionssystem 500 und ein Mehrkanal-Abbildungssystem 527. Im Muster-Projektionssystem 500 sind mehrere Modulatoren zu einem Volumen-Hologramm 511 zusammengefasst. Auf das Volumen-Hologramm 511 auftreffende Strahlung interagiert im wesentlichen mit einer Teilmenge der Modulatoren abhängig von dem Einfallswinkel 509 und 510. Die in unterschiedlichen Winkeln auftreffende Strahlung kann entweder sequentiell, gleichzeitig oder zufällig aktiviert werden. Wenn zwei oder mehr der die ersten Strahlungen produzierenden Strahlungsquellen 502 für unterschiedliche Winkeln gleichzeitig aktiviert werden, kann eine Überlagerung 515 mehrerer Strahlungsmuster wie bei 517 und 518 erfolgen. Diese Strahlungsmuster können verwendet werden, ein Objekt 520 zu beleuchten/bestrahlen. Eine Stelle 521 am Objekt kann Objekt-Strahlungen 529 in Erwiderung auf eine oder mehrere Strahlungsmuster liefern. Diese Strahlung kann durch das Mehrkanal-Abbildungssystem 527 gesammelt werden, um Datenreihen zu erzeugen, die verwendet werden, die Koordinaten der Stelle 521 innerhalb des dreidimensionalen Umfelds zu berechnen. Wenn man die Koordinaten zusätzlicher Stellen 521 auf der Objekt 520 entweder parallel oder sequentiell ermittelt, kann eine dreidimensionale Darstellung des Objekts und/oder Umfelds erzeugt werden.
  • In einigen Ausführungen können die Strahlungsquellen 502 Laserdioden sein. Obwohl hier eine Reihe von vier Laserdioden gezeigt ist, kann die Anzahl der Laserdioden auch mehr oder weniger als vier sein. Die Ausgangsamplitude jeder Strahlungsquelle kann durch eine Steuereinheit 501 gesteuert werden. Somit können zu jeder Zeit entweder keine, eine, zwei oder mehr als zwei Quellen erste Strahlungen aussenden. In 5 strahlen zwei Quellen 503 und 504 jeweils erste Strahlungen 505 und 519 aus. Diese ersten Strahlungen können durch eine Linse 506 im wesentlichen parallel ausgerichtet werden, um die Einfallswinkel 509 und 510 auf das Volumen-Hologramm 511 zu bestimmen. Der Einfallswinkel der Strahlung 507 bzw. 508 auf das Volumen-Hologramm 511 kann von der Position der Strahlungsquelle innerhalb der Quellenreihe 502 abhängig sein. Außerdem können die Einfallswinkel der Strahlungen 507, 508 so sein, dass der ungebeugte Strahlengang nicht entlang der Mittellinie verläuft. Das Volumen-Hologramm 511 kann eine Überlagerung mehrerer Beugungsstrukturen umfassen, die auch als Modulatoren dienen können. Da die ersten Strahlungen am Volumen-Hologramm 511 in unterschiedlichen Winkeln auftreffen, kann jede erste Strahlung mit einer eindeutigen Beugungsstruktur innerhalb des Volumen-Hologramms interagieren und ein eindeutiges Projektionsmuster wie 517 und 518 erzeugen. Eine zweite Linse 514 kann verwendet werden, um die Streuung zu verringern, so dass weite Abstände berbrückt werden können. Die aktiven Quellen können sich in der Polarisation voneinander unterscheiden und Intensitätsmuster wie 517 und 518 erzeugen, de unterschiedliche Raumfrequenzen und unterschiedliche Polarisationen aufweisen. Diese Muster können entlang einer Mittellinie 516 ausgerichtet werden, um ein dreidimensionales Umfeld zu beleuchten bzw. zu bestrahlen, das eine oder mehrere Objekte 520 enthält.
  • Die Objekt-Rückstrahlungen 529 von der Stelle 521 in Erwiderung auf die Strahlungsmuster 517 und 518 können durch das Multiplex-Abbildungssystem 527 gesammelt werden, das eine oder mehrere Objektivlinsen wie 522 und 532 aufweist. Die Strahlung, die durch das optische System 534 erfasst wird, kann durch einen oder mehrere Filter gefiltert werden. Zum Beispiel kann der Filter 532 die Strahlung filtern, die durch die Objektivlinse 522 so gesammelt wird, dass Strahlung mit der von der ersten Quelle 503 gleichbleibenden Polarisation durchgelassen wird und Strahlung mit der von der zweiten aktiven Quelle 504 gleichbleibenden Polarisation, blockiert wird. In ähnlicher Weise kann der Filter 533 die Strahlung filtern, die durch die Objektivlinse 523 gesammelt wird, so dass Strahlung von der zweiten Quelle 504 passieren kann, während Strahlung von der ersten Quelle 503 aufgrund der Polarisation blockiert wird. Die Strahlung, die vom Filter 532 durchgelassen wird, kann Bilder der Stelle 521 auf einer Detektorreihe 524 abbilden. Ebenso kann die Strahlung, die vom Filter 533 übertragen wird, Bilder der Stelle 521 auf einer Detektorreihe 525 abbilden. Jede Detektorreihe kann Bilder des Umfelds mit dem Objekt 520 und der Stelle 521 als Bilddatenreihe aufzeichnen, wobei jedes Datenelement Werte enthält, die durch einen oder mehrere verschiedene Detektorelemente gemessen sind. Solch ein Mehrkanal-Abbildungssystem ist nicht auf eine Detektorreihe begrenzt und kann zwei oder mehr Detektorreihen umfassen. Jede Detektorreihe kann einen entsprechenden Filter und eine Objektivlinse besitzen, die von den sonstigen Filtern und Objektivlinsen unterschiedlich und damit eindeutig sind, oder eine oder mehrere Detektorreihen können eine oder mehrere Filter und/oder Objektivlinsen mit sonstigen Detektorreihen teilen. Die Detektorreihen können in elektrischer Kommunikation mit einen oder mehreren Prozessoren 531 sein, um die Bilddatenreihen zu verarbeiten, die durch die Detektoren 524, 525 erzeugt wurden, wobei auch zusätzliche Detektoren vorgesehen sein können, um Daten für weitere Stellen im Umfeld zu erfassen. Außerdem können zusätzliche Strahlungsmuster projiziert werden, indem man zusätzliche Quellen in der Laserdiodenanordnung 502 aktiviert und die resultierende Strahlung 529 von der Stelle 521 in Erwiderung auf diese Strahlungsmuster mit dem Mehrkanal-Abbildungssystem 527 parallel oder sequentiell misst. All diese ermittelten Daten können durch den Prozessor 531 in der beschriebenen Weise registriert werden. Der Prozessor kann somit die Koordinaten der Stelle 521 berechnen, wobei insbesondere ein oder mehrere der hierin beschriebenen Algorithmen verwendet werden.
  • Für Fachleute ist ersichtlich, dass 5 nur eine von vielen möglichen Verkörperungen der Erfindung darstellt. So kann der Mehrkanal-Musterprojektor 500 mit einem anderen Abbildungssystem als dem dargestellten Mehrkanal-System 527 eingesetzt werden. Die Strahlungsquellen 502 können auch Laserdioden, Leuchtdioden (LED), Ausgänge von optischen Fasern oder sonstige Typen der Wellenleiter umfassen. Die Strahlungsquellen können der Reihe nach, gleichzeitig oder nach dem Zufall aktiviert werden. Die so gebildeten, ersten Strahlungen 505 und 519 können sichtbar oder unsichtbar, partikulär und/oder wellenförmig, polarisiert oder unpolarisiert sein, oder können zeitlich und/oder räumlich kohärent sein, wie im Falle der Laserstrahlung, oder teilweise kohärent, wie im Falle der LED-Strahlung. Die ersten Strahlungen können durch Strahlteilung von einer einzigen Quelle, wie einem Laser erzeugt werden, wobei mehrere optische Fasern angeschlossen sind, oder von einer einzigen Quelle mit einem variablen Ausgangsspektrum. Im letztgenannten Fall kann das Hologramm 511 erzeugt werden, so dass jeder Spektrum-Ausgang der Quelle mit einer anderen Kombination der Beugungsstrukturen innerhalb des Hologramms interagiert. Einige der ersten (oder Quell-)Strahlungen können unterschiedliche Polarisationen haben und das Hologramm 511 kann so ausgelegt werden, dass jede Polarisation mit einer anderen Kombination der Beugungsstrukturen innerhalb des Hologramms interagiert. Außerdem kann das Hologramm 511 ein Volumen-Hologramm mit Beugungselementen sein und/oder kann computererzeugt sein. Das Hologramm 511 kann als Kugel oder Zylinder geformt werden, oder es kann mehr oder weniger als sechs Facetten enthalten. Die Beugungsstrukturen im Hologramm 511 können die Amplituden, Phasen und/oder Polarisationen der ersten Strahlungen räumlich modulieren. Das Hologramm 511 kann auch in der Zeit, wie im Falle eines photorefraktiven Kristalls variabel sein oder auch mechanisch, opto-elektronisch, akusto-optisch, chemisch und/oder optisch moduliert sein. Die optischen Untersysteme, die als Linsen 506 und 514 gezeigt werden, können auch fehlen oder eine oder mehrere optische Elemente aufweisen, wie Linsen, Spiegel, Gitter, Lichtstrahlteiler, Prismen oder Filter. Die projizierten Muster 517 und 518 können periodisch oder nicht-periodisch sein, können kontinuierlich oder abrupt variieren, können in der Amplitude, Phase und/oder Polarisation variieren und können entlang einer oder mehrerer Richtungen variieren. Außerdem können die Muster der Reihe nach und/oder gleichzeitig projiziert werden und unterschiedliche Spektren und/oder Polarisationen haben. Die projizierten Muster 517 und 518 können gepulst sein und mit der Bewegung eines Objekts im Umfeld synchronisiert werden. Der Mehrkanal-Musterprojektor 500 kann in eine mobile elektronische Vorrichtung wie ein Mobiltelefon integriert sein.
  • Das dreidimensionale Umfeld kann ein oder mehrere Objekte 520 umfassen und durch die Strahlungsmuster völlig oder teilweise beleuchtet werden. Der so bestrahlte Abschnitt des Objekts 520 passt zumindest teilweise in den Aufnahmebereich des Abbildungssystems 527. Das ausgemessene Objekt 520 kann reflektierend und/oder teilweise transparent sein. Die Rück-Strahlung 529 von der Stelle 521 am Objekt kann durch das Objekt in Erwiderung auf die Beleuchtung insbesondere gestreut oder reflektiert werden. Das Objekt 520 kann stationär sein oder sich in Reaktion auf die Beleuchtung auch bewegen.
  • Das dargestellte Mehrkanal-Abbildungssystem 527 kann auch mit anderen Musterprojektoren als dem hier dargestellten Muster-Projektionssystem 500 eingesetzt werden. So kann das Abbildungssystem eine oder mehrere Detektorreihen umfassen. Verschiedene Bilder des Umfelds können gleichzeitig mit mehreren Detektorreihen aufgezeichnet werden, wobei jede Abbildungsdetektorreihe unterschiedliche Abbildungsvorrichtungen umfassen kann. Bilder der Szene können auch der Reihe nach mit einem oder mehreren Detektorreihen aufgezeichnet werden, welche elektronische oder optische Verschlüsse einsetzen. Das Abbildungssystem 527 ist hier lediglich mit Polarisationsfiltern dargestellt, um die Strahlung 529 vom Objekt selektiv durchzulassen oder zu blockieren, aber es könnten auch mehrere Wellenlängenfilter einsetzen werden, um die Strahlung selektiv durchzulassen oder zu blockieren, basierend auf unterschiedlichen Spektren. Die Filter werden hier nach der Abbildungsoptik 534 gezeigt, können aber auch vor dieser Abbildungsoptik angeordnet sein oder innerhalb des optischen Systems 534 liegen. Die Abbildungsvorichtungen 524 und 525 können Daten zum Prozessor 531 als analoges Signal oder digital übertragen. Die Abbildungsoptik, die hier als Linsen 522 und 523 gezeigt wird, kann auch sonstige optische Elemente, wie Linsen, Spiegel, Gitter, Lichtstrahlteiler, Prismen oder Filter verwenden. Die Abbildungsansichten der Detektorreihen können übereinstimmen oder können unterschiedlich sein, solange sie alle die Stelle 521 am Objekt enthalten. Die physikalischen Positionen und Orientierungen der Abbildungsdetektoren und des Musterprojektor können sich in der Zeit wie in einem schwingenden System ändern, und können während der Bewegung gemessen werden. Die Detektorreihen können auch in einer Fourier-Ebene der Abbildungsoptik angeordnet sein oder an jeder sonstigen Stelle, die eine Berechnung der Bilder des Objekts zulässt. Die Bildaufzeichnung kann mit der Bewegung eines Objekts in der Szene synchronisiert werden. Das Mehrkanal Abbildungssystem 527 kann auch in eine mobile Vorrichtung wie z. B. ein Mobiltelefon integriert sein.
  • 6 zeigt ein Mehrkanal-Erfassungssystem 600 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen der Erfindung. Im System 600 kann ein Objekt 612 in einem 3D-Umfeld über ein Volumen-Hologramm 608 mit mehreren Muster 610 und 611 beleuchtet werden, die von Strahlungsquellen 605 eines Mehrkanal-Musterprojektionssystems 601 erzeugt werden. Die Rück-Strahlung 650 von einer Stelle 614 am Objekt 612 kann mit mehreren Detektoren 623 und 620 des Mehrkanal-Abbildungssystems 602 erfasst werden. Die ermittelte Strahlung kann mit einem Algorithmus 603 verarbeitet werden, der auf frequenzversetzten periodischen Muster basiert, um die Stelle 614 am Objekt 612 zu berechnen. Eine Oberfläche 652 des Objekts kann rekonstruiert werden, indem man mehrere Stellen 614 auf der Objekt 612 parallel mit unterschiedlichen Elementen der Abbildungsreihen erfasst. In diesem System können mehrere Muster projiziert werden und gleichzeitig eine schnelle Messung einer dreidimensionalen Oberfläche eines Objektes durchgeführt werden.
  • In einigen Ausführungen können die Strahlungsquellen 605 Laserdioden sein. Hier ist eine Reihe von vier Laserdioden gezeigt, aber die Anzahl der Leserdioden kann auch mehr oder weniger als vier sein. Die Ausgangamplitude jeder Strahlungsquelle kann durch eine Steuereinheit 604 gesteuert werden. Zu jeder Zeit können entweder keine, eine, zwei oder mehr Quellen erste Strahlungen aussenden. Im Beispiel der 6 sind zwei Quellen für erste Strahlungen 606 und 607 gezeigt. Diese ersten Strahlungen können auf das Volumen-Hologramm 608 treffen, um diese mit Beugungsstrukturen zu modulieren. Da die ersten Strahlungen von Quellen 605 an unterschiedlichen Stellen ausgehen, können die Wellen dieser ersten Strahlungen nach dem Volumen-Hologramm 608 in unterschiedlichen Winkeln zusammentreffen und unterschiedliche Beugungen aufweisen. Somit kann jede erste Strahlung mit einer eindeutigen Beugungsstruktur im Volumen-Hologramm 608 interagieren und eindeutige Musterprojektionen 610 und 611 erzeugen. Die zwei aktiven Quellen können sich z. B. in der Polarisation voneinander unterscheiden und zwei sinusförmige Muster 610 und 611 erzeugen, die unterschiedliche Raumfrequenzen und unterschiedliche Polarisationen haben. Diese Muster können entlang einer Mittellinie 609 ausgerichtet sein, um das Objekt 612 zu beleuchten. Die Richtung der sinusförmig variierenden Muster 610 und 611 kann senkrecht zur Mittellinie 609 sein. Zusammen definieren die Mittellinie und die Richtung der sinusförmigen Variation die Beleuchtungsebene.
  • Das Multiplex-Abbildungssystem 602 kann Strahlungen vom Objekt 612 in Erwiderung auf die Strahlungsmuster 610 und 611 im wesentlichen entlang einer Abbildungsmittellinie 615 sammeln. Die Rück-Strahlung 650 von der Stelle 614 in Reaktion auf die Strahlungsmuster 610 und 611 kann durch ein optisches System 616 gesammelt werden, das eine Objektivlinse sein kann. Nach dem optischen System 616 kann ein Polarisationsstrahlteiler 625 die gesammelte Strahlung 650 entsprechend der Polarisation aufteilen. Die Strahlung mit der Polarisation, die mit der ersten aktiven Quelle gleichbleibend ist, kann durchgelassen werden, während Strahlung mit der Polarisation, die mit der zweiten aktiven Quelle gleichbleibend ist, reflektiert werden kann. Die durchgelassene Strahlung kann durch ein anderes optisches System 624, wie eine Linse, auf eine Detektorreihe 623 übertragen werden, um Bilder der Stelle 614 zu formen. Ebenso kann die reflektierte Strahlung zu einer Linse 621 und eine Detektorreihe 620 gelangen, um Bilder der Stelle 614 zu gewinnen. Jede Detektorreihe kann Bilder der Szene aufzeichnen, welche das Objekt 612 und die Stelle 614 enthält, wodurch eine Bilddatenreihe erhalten wird. Die zwei Detektorreihen 623 und 620 können über Anschlüsse 622 und 619 mit einem Prozessor 636 gekoppelt sein. Solch ein Mehrkanal-Abbildungssystem ist nicht auf zwei Detektorreihen begrenzt, sondern kann zusätzliche Detektorreihen aufweisen, wie durch den punktierten Anschluss 637 angedeutet ist. Der Prozessor 636 kann die von den Detektoren 623 und 620 gewonnenen Bilddatenreihen verarbeiten, um einen Datensatz der Messwerte für jede Stelle im Umfeld zu erzeugen, die durch die Muster beleuchtet wird. Außerdem können zusätzliche Strahlungsmuster projiziert werden, indem man zusätzliche Quellen in der Laserdiodenanordnung 605 aktiviert und die resultierende Strahlung 650 von Stelle 614 in Erwiderung auf diese Strahlungsmuster durch das Mehrkanal-Abbildungssystem 602 parallel oder sequentiell ermittelt. All diese erfassten Daten können durch den Prozessor 636 in der beschriebenen Weise verarbeitet werden.
  • Der Prozessor 636 kann einen Beleuchtungswinkel 613 zwischen der Mittellinie und einer Richtung 645 von einer Musterdivergenzstelle 646 auf der Mittellinie 609 zum Objekt 614 hin mit einem Winkelermittlungsverfahren 603 bestimmen. Ein Kasten 647 zeigt Diagramme 617, 626, 627 und 628 von Werten, die durch eine Reihe der Detektoren gemessen werden, wenn ein ebenes Objekt 648 von mehreren Muster beleuchtet wird, die sinusförmig in der Beleuchtungsebene variieren und unterschiedliche Perioden aufweisen. Die Rück-Strahlungen 650 vom Objekt 612 können durch unterschiedliche Detektorreihen, wie 620 und 623 gleichzeitig abgebildet werden oder auch der Reihe nach mit einer einzelnen Detektorreihe. Der Prozessor kann die resultierenden Bilddatenreihen in einen Datenreihen-Stapel 634 zusammenbauen, wobei jedes Element 633 ein Satz gemessener Werte 629, 630, 631, 632 für jede Stelle im Umfeld sein kann. Die sinusförmigen Muster können so gewählt werden, dass sie eine allgemeine Phase entlang einer Richtung 638 außerhalb des Bestrahlungsgebiets 651 besitzen. Die sinusförmigen Muster können auch ausgewählt sein, um die Messwerte 639, 640, 641, 642 im Mess-Datensatz 633 für jede Stelle 614 am Objekt im wesentlichen sinusförmig zu variieren. Die Periode und Phase der sinusförmigen Variation 643 können dem Beleuchtungswinkel 613 entsprechen. Für jede Stelle am Objekt 614 kann der Prozessor somit den Beleuchtungswinkel 613 mit feiner Auflösung berechnen, indem er die Phase der sinusförmigen Variation für jeden Datensatz 633 ermittelt. Jedoch kann diese Berechnung wegen der periodischen Abhängigkeit der Phase auf dem Beleuchtungswinkel auch mehrdeutige Ergebnisse liefern. Um solche Mehrdeutigkeiten zu beheben, kann der Prozessor die Periode der sinusförmigen Variation für jeden Datensatz 633 ermitteln und den Beleuchtungswinkel mit grober Auflösung, aber ohne besagte periodische Abhängigkeit berechnen. Mit diesem Verfahren kann die Winkelauflösung durch die Strahlungsmuster und der Genauigkeit der Phasenermittlung begrenzt sein. Wenn man aber die Variation zwischen den Perioden der Beleuchtungsmuster innerhalb des Beleuchtungsgebiets 651 klein genug hält, können Winkel-Mehrdeutigkeiten ausgeschlossen werden. Der Prozessor kann die Phase ermitteln und die Frequenz für jeden Datensatz 633 mit passenden Algorithmen berechnen, wie mit Fourier- oder Hilbert-Transformationen, sowie analytischen trigonometrischen Verfahren. Außerdem kann die Abbildung mit Messwerten und Beleuchtungswinkeln vorberechnet und in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden, um dreidimensionale Oberflächenrekonstruktion in Echtzeit möglich zu machen.
  • Das oben beschriebene Winkelermittlungsverfahren 603 kann auch bei nicht-sinusförmigen periodischen Mustern verwendet werden. In diesem Fall kann die Variation der Messwerte in jedem Datensatz 633, der je einer Stelle 614 am Objekt entspricht, periodisch sein, wobei die Phase und Periode solch einer nicht-sinusförmigen Variation durch Transformieren oder analytische Verfahren zur Ermittlung des Belechtungswinkels wie oben verwendet werden können. Zudem können nicht-periodische Muster als Kombination der sinusförmigen Muster dargestellt werden. Folglich kann das Verfahren 603 auch auf nicht-periodische Muster angewendet werden, die im Verhältnis zueinander skaliert sind. In diesem Fall kann jeder Datensatz 633 Fourier-transformiert werden, um eine oder mehrere sinusförmige Variationsbestandteile zu extrahieren, deren Phase und Frequenz ermittelt werden kann, um den Beleuchtungswinkel zu berechnen.
  • Der Prozessor kann auch eine Abbildungsrichtung 653 von einem bekannten fokalen Punkt 649 auf der Abbildungsmittellinie 615 aus zu jeder gemessenen Stelle 614 am Objekt von der Position der Detektorelemente innerhalb der Detektorreihen ausgehend berechnen, die die Strahlung 650 von dieser Stelle empfangen. Aus der berechneten Abbildungsrichtung 653 und dem Beleuchtungswinkel 613 sowie der bekannten Mittellinie 609, Beleuchtungsebene, Abbildungsmittellinie 615, Musterdivergenz-Punkt 646 und lokaler Punkt 649 der Abbildung kann die Stelle am Objekt mit geometrischer Triangulation ermittelt werden. In einigen Ausführungen kann ein genaueres, nicht-paraxiales Triangulationsverfahren verwendet werden, das auch Abweichungen im Musterprojektionssystem 601 und Abbildungssystem 602 berücksichtigt, wobei dieses Verfahren im Gebiet des 3D-Profilmessung allgemein verwendet wird. Da jede Stelle am Objekt von den sonstigen Stellen unabhängig ermittelt wird, kann dieses Verfahren angewendet werden, um dreidimensionale Objekte mit unterbrochenen Oberflächen oder sogar Objekte ohne durchgehende Oberflächen, wie einer Reihe Stifte zu rekonstruieren, die in einem Träger eingebettet sind.
  • Für Fachleute ist ersichtlich, dass 6 nur eine von vielen möglichen Verkörperungen darstellt. Die Anzahl der Muster und die Anzahl der entsprechenden Messwerte k, können anders als hier gezeigt auch kleiner oder größer als vier sein. Das dargestellte Mehrkanal-Musterprojektionssystem 601 ist nicht auf die Projektion sinusförmiger Muster begrenzt, sondern kann auch mit anderen Abbildungssystemen als dem Abbildungssystem 602 verwendet werden oder kann mit sonstigen Erfassungsverfahren als dem hier gezeigten Winkelermittlungsverfahren 603 Verwendung finden. Die Strahlungsquellen 605 können Laserdioden, Leuchtdioden (LED), Ausgänge von optischen Fasern oder sonstige Typen der Wellenleiter oder eine Reihe beleuchteter Blendenöffnungen umfassen. Die ersten Strahlungen, wie 606 und 607 können sichtbar oder unsichtbar, partikulär und/oder wellenförmig, polarisiert oder unpolarisiert sein, und/oder können zeitlich und/oder räumlich kohärent sein, wie im Falle der Laserstrahlung, und/oder teilweise kohärent, wie im Falle der LED-Strahlung. Die ersten Strahlungen können von einer einzigen Quelle, wie einem Laser erzeugt werden, um mit mehreren optischen Fasern von dieser einzigen Quelle abgeleitet werden oder mit einem variablen Ausgangsspektrum, wie bei einem abstimmbaren Laser. Im letztgenannten Fall kann dem Hologramm 608 so ausgelegt sein, dass jeder Spektrum-Ausgang durch die Quelle mit einer anderen Kombination der Beugungsstrukturen im Hologramm interagiert. Einige der ersten Strahlungen können unterschiedliche Polarisationen haben und das Hologramm kann so ausgelegt werden, dass jede Polarisation mit einer anderen Kombination der Beugungsstrukturen im Hologramms interagiert. Dabei kann das Hologramm 608 ein Volumen-Hologramm sein oder kann computererzeugt sein. Die Beugungsstrukturen im Hologramm 608 können die Amplituden, Phasen und/oder Polarisationen der ersten Strahlungen räumlich modulieren. Das Hologramm 608 kann opto-elektronisch, akusto-optisch, chemisch und/oder optisch, wie im Falle eines photorefraktiven Kristalls variiert werden. Die projizierten Muster können periodisch oder nicht-periodisch sein, kontinuierlich oder abrupt variieren, in der Amplitude, Phase und/oder Polarisation variieren und entlang einer oder mehreren Richtungen variieren. Außerdem können die Muster der Reihe nach oder gleichzeitig projiziert werden und können unterschiedliche Spektren und/oder Polarisationen besitzen. Die projizierten Muster können auch gepulst sein und mit der Bewegung eines Objekts im Umfeld synchronisiert werden. Der Mehrkanal-Musterprojektor 601 kann in eine mobile elektronische Vorrichtung wie ein Mobiltelefon integriert sein.
  • Außerdem kann das dargestellte Mehrkanal Abbildungssystem 602 mit einem anderen Muster-Projektionssystem als dem gezeigten Muster-Projektionssystem 601 verwendet werden, sowie mit sonstigen lokalisierenden Verfahren als dem dargestellten Winkelermittlungsverfehren 603 eingesetzt werden. Das Abbildungssystem kann eine oder mehrere Detektorreihen umfassen. Verschiedene Bilder der Szene können gleichzeitig aufgezeichnet, wobei jede Abbildungsdetektorreihe eindeutige Abbildungsvorrichtungen umfassen kann. Die Umfeldbilder können auch der Reihe nach mit einer oder mehreren Detektorreihen erfasst werden, die elektronische oder optische Verschlüsse einsetzen. Das Abbildungssystem 602 wird lediglich mit einem Polarisationsstrahlteiler zur Teilung der Strahlung 650 dargestellt, da die Muster hier unterschiedliche Polarisationen besitzen, aber es könnten auch Lichtstrahlteiler eingesetzt werden, wenn die Strahlungsmuster unterschiedliche Spektren aufweisen. Obwohl hier ein einzelner Lichtstrahlteiler mit zwei Ausgabebausteinen gezeigt ist, kann auch ein Lichtstrahlteiler mit mehr als zwei Ausgabebausteinen benutzt werden. Die Abbildungsvorrichtungen 620 und 623 können Daten zum Prozessor 636 als analoges Signal oder digital übertragen, wobei diese Bauteile von der Steuereinheit oder dem Prozessor 636 selbst angesteuert werden. Die Abbildungsoptik, hier als Linsen 616, 621 und 624 gezeigt wird, kann auch sonstige optische Elemente umfassen, wie Linsen, Spiegel, Gitter, Lichtstrahlteiler, Prismen oder Filter. Die Abbildungsgebiete der Detektorreihen können übereinstimmen oder können unterschiedlich sein, solange sie alle die Stelle am Objekt enthalten. Die physikalischen Positionen und Orientierungen der Abbildungsdetektoren und des Musterprojektors können sich in der Zeit, wie in einem schwingenden System ändern und können während der Bewegung messen. Die Detektorreihen können in einer Fourier-Ebene der Abbildungsoptik abweichend von der Bildebene oder an jeder sonstigen Stelle angeordnet sein, solange die Bildberechnung des Objekts möglich ist. Die Bildaufzeichnung kann mit der Bewegung des Objekts im Umfeld synchronisiert werden. Das Mehrkanal-Abbildungssystem 602 kann in eine mobile Vorrichtung wie ein Mobiltelefon integriert sein.
  • Das dreidimensionale Umfeld kann ein oder mehrere Objekte umfassen und durch die Strahlungsmuster völlig oder teilweise beleuchtet werden. Der durch die Muster bestrahlte Teil des Objekts kann in die Abbildungsgebiete des Abbildungssystems völlig oder teilweise passen. Das gemessene Objekt kann reflektierend oder teilweise transparent sein. Die Rück-Strahlung 650 von der Stelle am Objekt kann in Reaktion auf die Beleuchtung gestreut, reflektiert oder fluoresziert werden. Die Objekt kann stationär sein oder sich bewegen.
  • Weiterhin kann das dargestellte Winkelermittlungsverfahren 603 mit zahlreichen anderen Musterprojektion- und Abbildungssystemen verwendet werden, sowie die Muster mit anderen Winkel projiziert werden, wie nachfolgend mit Verfahren der 9–12 erläutert. Das Winkelermittlungsverfahren kann auch bei Mustern eingesetzt werden, die vielfach variieren. Zum Beispiel können die Muster in unterschiedlichen Perioden radial (statt in einer Beleuchtungsebene) variieren. In diesem Fall kann die Stelle am Objekt zu einem Kegel von Richtungen entlang der Mittellinie zusammengefasst werden, wobei das Verfahren 603 dann nicht auf eine Ebene angewendet wird, wie im Falle der sinusförmigen Muster. Ein Triangulationsalgorithmus kann verwendet werden, um die Stelle am Objekt weiter einzugrenzen. Auch kann jedes skalierte Muster periodische Bestandteile umfassen, die entlang einer anderen Richtung variieren. In diesem Fall kann die Fourier-Analyse der Messwerte für jede Stelle am Objekt angewendet werden, um die Phase und Periode zu erfassen, die jeder Richtung der Variation entsprechen und um die Musterdivergenzstelle 646 dadurch zu begrenzen. In einigen Ausführungen können die Perioden der sinusförmigen Muster direkt abgeleitet werden.
  • 7 zeigt ein Mehrkanal-Erfasungssystem 700 mit verschiedenen Ausführungen. Im System 700 kann ein Objekt 712 im dreidimensionalen Umfeld mit einer schnellen Sequenz der Vielfach-Muster 717 und 718 beleuchtet werden, die durch einen Mehrkanal-Musterprojektor 704 mit mehreren Strahlungsquellen 703 und unterschiedlichen Spektren erzeugt wurden, sowie einen räumlichen Modulator wie eine akusto-optische Bragg-Zelle 711 aufweist. Die Objekt-Rückstrahlungen von einer Stelle 714 am Objekt in Reaktion auf die Beleuchtung können entsprechend dem jeweiligen Spektrum auf unterschiedliche Bereiche einer Abbildungsdetektorreihe 728 verwiesen werden. Eine Oberfläche des Objekts 712 kann rekonstruiert werden, indem man mehrere Stellen am Objekt parallel in jedem der Bereiche der Abbildungsreihe erfasst. In diesem System können mehrere Muster projiziert werden und mehrere Bilder der resultierenden Objekt-Strahlungen können während einer einzigen Integrationszeit der Abbildungsdetektorreihe gewonnen werden, um eine möglichst schnelle Messung einer dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts durchzuführen.
  • In einigen Ausführungen können die Strahlungsquellen 703 durch Laserdioden 705 mit unterschiedlichen Spektren sein, hier als λ1, λ2, λ3 und λ4 bezeichnet. Obwohl eine Reihe von vier Laserdioden gezeigt ist, kann die Anzahl der Laserdioden größer oder kleiner als vier sein. Die Strahlungsquellen können z. B. LEDs oder sonstige Typen der Laser sein, oder von einer einzigen Quelle mit einem variablen Spektrum abgeleitet werden. Der Ausgang jeder Strahlungsquelle kann durch eine Linse 706 eingestellt werden, um die Lichtstrahlen zu einem optischen Element zu lenken, das ein Dispersionselement wie ein Gitter 708 sein kann. Der Lichtstrahl bzw. die erste Strahlung 707 wird in Richtung zu dem räumlichen Modulator 711 gelenkt, der hier ehe akusto-optische Bragg-Zelle ist. Die Bragg-Zelle kann eine handelsübliche Vorrichtung sein, die einen akustichen Wandler umfasst und mit einem optischen Kristall verbunden ist. Ein elektrisches Signal 749 an den Wandler kann eine akustische Druckwelle erzeugen, die sich durch den Kristall bewegt. Die akustische Druckwelle kann innerhalb des Kristalls eine Phasenverschiebung über den photoelastischen Effekt verursachen, um die ersten Strahlungen 751 räumlich zu modulieren, die durch den Kristall laufen. Die ersten Strahlungen 751 können auch einen Lichtstrahlformer 710 durchlaufen. Ein weiterer Lichtstrahlformer 713 kann am Ausgang der Bragg-Zelle positioniert sein, um die Ausgangsstrahlung zu erweitern. Die räumliche Modulation in der Bragg-Zelle beugt jedes erste Strahlungsbündel. Das Treiber-Signal 749 kann eine Kombination von Frequenzen umfassen, um eine Kombination von Strahlungsbündeln 1. Ordnung 715 zusammen mit Lichtstrahlen anderer Ordnung zu erzeugen, die auch einen Strahl 0. Ordnung 752 umfassen. Der Strahl 0. Ordnung kann durch einen Anschlag 716 blockiert werden. Mit einem optischen System, hier in Form einer Linse 719 können die Strahlungsbündel 1. Ordnung das Strahlungsmuster 717 am Objekt 712 erzeugen.
  • Die Ausgangsamplitude jeder Strahlungsquelle 705 kann über ein Steuersignal 734 durch eine Steuereinheit 733 kontrolliert werden, die auch das Treibersignal zur Bragg-Zelle 711 liefert. Die Steuereinheit ist mit einem Prozessor 729 über einen Anschluss 731 gekoppelt. Die Quellen können entsprechend den Zeitsteuerungs-Diagrammen 735, 736, 737, 738 in Folge aktviert werden, wie auch durch die Signale 740, 745, 746, 747 angezeigt, um eine Sequenz der Muster zu erzeugen, die unterschiedliche Spektren haben. In einigen Ausführungen kann das Muster, das durch die Bragg-Zelle erzeugt wird, zeitlich vollständig geändert werden, was nachfolgend als akusto-optische Zugangszeit bezeichnet wird und dem Intervall zwischen jeder der punktierten Vertikallinien 744, 741, 742 und 743 entspricht. In einigen Ausführungen kann eine Quelle während jeder akustisch-optischen Zugangszeit aktiv sein, wie gezeigt. Das Diagramm 739 zeigt eine entsprechende Signalwellenform 748, die sich einmal während jeder akusto-optischen Zugangszeit ändert. Das Strahlungsmuster kann während jeder akusto-optischen Zugangszeit völlig geändert werden, insbesondere durch synchrones Pulsieren jeder Strahlungsquelle und Ändern des Treibersignals. Plötzliche Aktivierung oder Pulsen kann nötig sein, um das Strahlungsmuster bei sich ausbreitender Schallwelle in der Bragg-Zelle 711 zu stoppen. Die Dauer der Impulse 740, 745, 746, 747 zu den Strahlungsquellen kann so sein, dass der Ausbreitungsabstand der akustischen Welle während der Aktivierungszeit kleiner ist als die minimal auflösbare Schallwellenbewegung. Zudem kann die Zeitverzögerung des Impulses im Verhältnis zu dem Treibersignal für die Schallwelle stehen, um die Winkelposition oder Verschiebung des Strahlungsmusters festzustellen. Zum Beispiel kann das Strahlungsmuster 717 projiziert werden, indem man die Strahlungsquelle mit λ1 aktiviert und die Bragg-Zelle 711 mit dem Abschnitt des Treibersignals 748 auf der linken Seite der Linie 744 betreibt, und das Strahlungsmuster 718 kann projiziert werden, indem man die Strahlungsquelle mit λ2 aktiviert und die Bragg-Zelle 711 mit dem Abschnitt des Treibersignals 748 zwischen den Linien 744 und 741 betreibt. Ähnlich können weitere Strahlungsmuster durch Aktivierung der Strahlungsquellen mit sonstigen Spektren und dem Ändern des Bragg-Zellen-Treibersignals 748 projiziert werden. Das Strahlungsmuster kann durch das Ändern des Bragg-Zellen-Treibersignals 748 auch geändert werden, ohne die aktive Strahlungsquelle zu ändern. Wenn nur eine geringe Verschiebung eines Strahlungsmuster zwischen den Aktivierungen der Strahlungsquellen nötig ist, kann die Verzögerung zwischen den Strahlungsquelle-Impulsen viel kürzer sein als die akustische Zugangszeit, was ermöglicht, dass mehrere Muster in Nanosekunden projiziert werden können, wie dies z. B. im System von 8 erläutert ist. Zum Beispiel kann ein Treibersignal 748 mit zwei Frequenzen verwendet werden, um sinusförmige Strahlungsmuster wie 717 und 718 zu erzeugen. Es können jedoch auch zahlreiche andere Arten der Strahlungsmuster erzeugt werden, indem man andere Treibersignale verendet, z. B. periodische oder nicht-periodische Muster, sowie Muster, die kontinuierlich oder in getrennten Schritten variieren.
  • Das Mehrkanal-Abbildungssystem 702 kann die Strahlung sammeln, die vom Objekt 712 in Erwiderung auf die projizierten Strahlungsmuster 717 und 718 und alle sonstigen projizierten Strahlungsmuster rückgestrahlt wird. Eine Stelle 714 liegt auf der Oberfläche des Objekts 712 und die Objekt-Strahlungen 720, die von dieser Stelle erzeugt werden, können durch ein optisches Untersystem 722 gesammelt werden, das hier eine Abbildungslinse umfasst. Ein Lichtstrahl-Aufteilelement, das hier ein Dispersionselement wie ein Gitter 723 ist, kann dann die Bilder 725 der Stelle 714 in Richtung zu einem spezifischen Bereich einer Abbildungsdetektorreihe 728 abhängig von dem Spektrum der Objekt-Strahlungen richten. Die umgelenkten Objekt-Strahlungen können die Strahlungen erster Ordnung vom Gitter umfassen, während die Strahlung 726 (0. Ordnung) durch einen Anschlag 727 blockiert wird. Objekt-Strahlungen von der Stelle 714 in Folge des projizierten Musters 717 (λ1) werden auf die Detektorreihe entlang einem bestimmten Pfad 724 umgelenkt, im Gegensatz zu Objekt-Strahlungen mit anderen Spektren. Die Bilder der Stelle 714 (beleuchtet mit λ1) können an einem Punkt 725 auf der Abbildungsdetektorreihe liegen, während Bilder der Stelle 714, die durch sonstige Spektren beleuchtet wird, an den sonstigen Punkten auf der Detektorreihe liegen können. Das Dispersionselement 723 kann vor dem Abbildungsuntersystem 722 wechselweise platziert werden. Auch das Dispersionselement kann Bilder der unterschiedlichen Spektren auf unterschiedliche getrennte Abbildungsreihen anstatt auf unterschiedliche Bereiche einer einzigen Abbildungsreihe lenken. Wenn eine einzige Abbildungsrehie 728 verwendet wird, kann die Aktivierung der verschiedenen Strahlungsquellen 703 über ihre jeweiligen Treibersignale 740, 745, 746, 747 und die entsprechenden Variationen im Bragg-Zellen-Treibersignal 748 auf einer Zeitskala kürzer sein als die Integrationszeit der Abbildungsreihe 728, um Bilder aller projizierten Muster in einem einzigen Vorgang zu sammeln. Die Abbildungsreihe kann über den Anschluss 750 mit einem Prozessor 729 verbunden sein, der die Daten verarbeiten kann, die durch die Detektorreihe von der Stelle 714 gesammelt wurden, wie z. B. im Verfahren der 6. Sonstige Stellen auf der Objekt 712 können parallel in zusätzlichen Detektorelementen in jedem Bereich der Detektorreihe berechnet werden. Der Prozessor kann dann eine dreidimensionale Darstellung der Objektoberfläche berechnen, die auf einem Monitor 730 oder sonstigem Anzeigegerät dargestellt werden kann.
  • Für Fachleute ist erkennbar, dass 7 nur eine von zahlreichen möglichen Ausführungen der Erfindung zeigt So kann anstatt der Bragg-Zelle 711 ein anderer räumlicher Modulator eingesetzt werden, wie eine Schalwellen-Vorrichtung mit reflektierender Oberfläche (SAW), um die Muster in der gleichen Weise wie oben beschrieben zu erzeugen. Ebenso können Flüssigkristalle (LC), digitale Mikrospiegel (DMD), elektromechanische Mikrosysteme (MEMS), photorefraktive Kristalle oder sonstige räumliche Strahlungsmodulatoren anstelle der Bragg-Zelle 711 für das Modulieren der Strahlung verwendet werden, um die Strahlungsmuster zu bilden. Der räumliche Modulator kann die Amplitude, Phase oder Polarisation der ersten Strahlungen 751 räumlich modulieren. Die Strahlungsmuster können durch Interferenz, Beugung oder durch Abbildung eines Modulators am Objekt bzw. Umfeld gebildet werden. Die Treibersignale 748 für die modulierende Vorrichtung können andere periodische oder nicht-periodische Funktionen als de gezeigten sein. Statt die Amplitude der Strahlungsquellen synchron zu modulieren, ist es auch möglich, das Spektrum, die Polarisation oder die Kohärenz der ersten Strahlungen mit dem räumlichen Modulator 711 zeitlich zu modulieren. Ebenso kann eine Verschattungs-Vorrichtung vor oder nach dem räumlichen Modulator platziert werden, um einen Stroboskopeffekt zu erreichen. In einigen Ausführungen kann die stroboskopische Strahlungsmustererzeugung mit einem periodisch bewegten Objekt 712, wie eine schwingende Trommel oder eine sich drehende Turbine synchronisiert werden, um die Bewegung im Verhältnis zu dem Strahlungsmuster zu verlangsamen.
  • Die projizierten Muster können periodisch oder nicht-periodisch sein, kontinuierlich oder in Stufen variieren und können in der Amplitude, Phase oder Polarisation variieren. Es können auch Beugungen anderer Ordnungen als der 1. Ordnung eingesetzt werden. So können zur Verbesserung der Auflösung Strahlungsmuster erzeugt werden, bei denen die 1. Ordnung mit Teilen der 0. Ordnung interferiert. Zudem kann der räumliche Modulator 711 die erste Strahlung 751 entlang einer oder mehreren Dimensionen modulieren. Zum Beispiel können zweidimensionale Muster mit einer zweidimensionalen akusto-optischen Bragg-Zelle, die eine handelsübliche Vorrichtung sein kann, im wesentlichen in der gleichen Weise wie mit der eindimensionalen Bragg-Zelle erzeugt werden, die oben beschrieben wird.
  • Die Muster können auch durch Polarisation anstelle von oder zusätzlich zu ihren Spektren getrennt sein. In diesem Fall können die Strahlungsquellen unterschiedliche Polarisationen haben. Die strahlkombinierenden Elemente 708 und strahlteilenden Element 723 können Dispersionselemente wie Gitter oder Prismen umfassen oder können spektrums- oder polarisationsselektive Strahlteiler aufweisen. Zudem können Spektral- oder Polarisationsfilter verwendet werden, um die Strahlungsquellen zu filtern und die separaten Bildern nach Spektrum oder Polarisation aufzuteilen (anstelle des Dispersionselements 723). Die Filter können variabel sein, wie mechanische Filterräder, akusto-optisch abstimmbare Filter oder rotierende Gitter. Die strahlkombinierenden und -teilenden Elemente können Bragg-Zellen, Oberflächenschallwellenvorrichtungen oder MEMS-Reihen wie ein Gitter-Lichtventil (GLV) sein. Wenn solche Vorrichtungen verwendet werden, ist es nicht notwendig, dass die Quellen unterschiedliche Spektren aufweisen, wobei die Strahlung 720 von der Stelle 714 entlang unterschiedlicher Pfade geleitet werden, die auf Zeitsteuerung anstatt Spektrum basieren. In einer anderen Ausführungsform können die Strahlungsquellen von einer einzigen Quelle mit einem variablen Spektrum, wie einem abstimmbaren Laser abgeleitet werden. In diesem Fall kann das Dispersionselement 708 möglicherweise entfallen, da jedes Spektrum an einer allgemeinen Stelle erzeugt und entlang einem allgemeinen Pfad bewegt werden kann. Eine variable Spektrum-Quelle kann mit einem statischem oder konfigurierbaren Element anstatt des gezeigten Gitters 723 verwendet werden. Im dargestellten System 700 kann auch eine Anordnung von Prismen 710 eingesetzt sein, die das erste Strahlungsbündel komprimieren, damit der Effekt der akustischen Beugung auf die Gleichmäßigkeit der Strahlung verringert wird. In einigen Ausführungen können ein oder mehrere Gitter, zylinderförmige Linsen oder zylinderförmige Spiegel anstelle der Prismen verwendet werden. Die Linsen 706 und 719 sind hier als ein einfaches Beispiel gezeigt. Stattdessen können sonstige optische Systeme verwendet werden, wie Spiegel, Gitter, Lichtstrahlteiler, Prismen oder Filter.
  • 8 zeigt ein akusto-optisches Muster-Projektionsystem 800 zum Projizieren von nicht-periodischen Strahlungsmustern. Das System 800 kann mehrere, synchronisierte Beleuchtungsquellen und ein Mehrkanal-Abbildungssystem wie in 7 aufweisen und mit einem lokalisierenden Algorithmus verwendet werden, wie in 9 beschrieben wird, um eine sehr schnelle, dreidimensionale Mehrkanal-Obarflächenvermessung im Nanosekundenbereich zu ermöglichen.
  • Das System 800 kann auf einer akusto-optischen Bragg-Zelle 811 basieren. Die Bragg-Zelle kann eine handelsübliche Vorrichtung sein, die einen elektrisch betriebenen, akustischen Wandler aufweist, der mit einem optischen Kristall verbunden wird. Ein elektrisches Signal 829 kann eine akustische Druckwelle 831 auslösen, die sich mit Schallgeschwindigkeit durch den Kristall bewegt. Die akustische Druckwelle 831 kann eine Phasenstörung innerhalb des Kristalls über den photoelastischen Effekt verursachen, der die Strahlung 834 räumlich modulieren kann, die ebenfalls durch den Kristall hindurch läuft. So kann z. B. die Strahlung von einer Strahlungsquelle 801 geliefert werden, Insbesondere einen Laser, eine LED oder eine andere Quelle. Es können auch mehrere Strahlungsquellen, wie im System von 7 verwendet werden. Die Strahlung 834 von der Quelle 801 kann durch eine Linse 802 eingestellt und von einem anamorphischen Lichtstrahlformer 810 geformt werden, um die Strahlung zusammenzudrücken. Ein ergänzender Lichtstrahlformer 813 kann am Ausgang der Bragg-Zelle positioniert sein, um die Ausgangsstrahlung aufzufächern. Die räumliche Modulation in der Bragg-Zelle veranlasst eine Beugung des Strahlungsbündels. Das Treibersignal 829 kann eine Kombination von Frequenzen umfassen, um eine Kombination gebeugter Strahlungsbündel 1. Ordnung 815 zusammen mit den Strahlen sonstiger Ordnung zu erzeugen, die auch einen Lichtstrahl 0. Ordnung 821 umfassen. Dieser Lichtstrahl kann durch einen Anschlag 816 blockiert werden. Mit einem optischen System, hier der Linse 819 können die gebeugten Strahlungsbündel 1. Ordnung ein Strahlungsmuster 817 am Objekt 812 erzeugen. Das Raumfrequenz-Spektrum des Strahlungsmusters 817 kann eine Autokorrelation des Spektrums des Treibersignals 829 sein. Hierdurch kann die Anzahl der auflösbaren Merkmale im Strahlungsmuster sehr hoch sein, auch abhängig von der Auslegung der Bragg-Zelle.
  • Einige Ausführungen können z. B. eine elektronische, doppelseitige Chirp-Wellenform 827 mit zwei Frequenzen umfassen, die zeitlich in entgegengesetzten Richtungen variieren, um ein Chirp-Strahlungsmuster 817 zu erzeugen. Es können zahlreiche, sonstige Arten der Strahlungsmuster erzeugt werden, indem man andere Treibersignale verwendet, wie periodische und nicht-periodische Muster, sowie Muster umfasst, die kontinuierlich oder in Schritten variieren. Das Treibersignal 829 kann mit einem digitalen Wellenformgenerator oder einer direkten digitalen Syntheseschaltung (DDS) mit sehr hoher Präzision und Wiederholgbarkeit synthetisiert werden, wodurch das Muster mit einer typischen relativen Phasengenauigkeit von etwa 104 und einer typische relativen Frequenzgenauigkeit von etwa 109 erzeugt werden kann. Um das Strahlungsmuster während der Ausbreitung der akustischen Welle 831 innerhalb der Bragg-Zelle 811 zu unterbinden, kann die Strahlungsquelle kurzzeitig mit einem koordinierten Steuersignal 830 während der Ausbreitungszeit der akustischen Welle gepulst werden, nachfolgend als akustische Zugangszeit bezeichnet. Die Wellenform 827 kann periodisch sein, wobei die Periode länger als die akustische Zugangszeit ist. Die Dauer des Impulses 832, der an die Strahlungsquelle angelegt wird, kann so sein, dass der Ausbreitungsabstand der akustischen Welk wehrend der Aktivierungszeit kleiner ist als die minimale Auflösung in der akustischen Welle. Die Zeitverzögerung des Impulses 832 im Verhältnis zum Treibersignal 829 kann die Winkelausrichtung des Strahlungsmusters verschieben. Durch regelmäßiges Pulsen der Quelle mit einer Zeitverzögerung 825 gleich der akustischen Zugangszeit, die gewöhnlich einige Mikrosekunden ist, kann ein stationäres Strahlungsmuster 817 projiziert werden. Der synchrone Stoboskopeffekt an der Strahlungsquelle, die mit elektronischer Programmierung der akustischen Wellenform kombiniert wird, macht es möglich, viele Strahlungsmuster sehr schnell und mit hoher Genauigkeit zu erzeugen. Außerdem können verschobene Strahlungsmuster 818 in schneller Folge erzeugt werden, indem man die Amplitude der Strahlungsquelle mit einem oder mehreren zusätzlichen Impulsen 833 moduliert, die in Bezug auf den ersten Impuls 832 bis zu einer Zeit 826 verzögert sind und kürzer als die akustische Zugangszeit sind, so dass auch nicht-periodische Muster im Bereich von Nanosekunden zu verschieben sind. In einem System mit mehreren Quellen und mit unterschiedlichen Spektren, wie im System von 7 verwendet, können die Quellen der Reihe nach gepulst sein, um viele verschobene Muster zu liefern, jeweils mit einem anderen Spektrum. Ein Mehrkanal-Abbildungssystem, wie im System von 7, kann verwendet werden, um separate Bilder zu gewinnen, die durch jedes Muster parallel während einer einzigen Integrationszeit beleuchtet werden.
  • In einigen Ausführungen kann die Strahlungsquelle 801 eine gepulste Laserdiode sein, die eine hohe optische Ausgangsleistung besitzt, z. B. 30 Watt bei einem 0,1% Arbeitszyklus. In sonstigen Ausführungen kann eine Breitband-Strahlungsquelle vorgesehen sein oder auch eine spektrale Verteilung besitzen. Die Bragg-Zelle kann als wanderndes Phesengitter betrachtet werden und das System kann allgemein als Gitter-Interferometer betrachtet werden, wobei das akustische Muster im Wesentlichen auf das Umfeld abgebildet wird. Somit kann die Skalierung des projizierten Musters von der Wellenlänge im wesentlichen unabhängig sein, so dass die Verwendung einer Breitband-Strahlungsquelle möglich ist In diesem Fall können einige Wellenlängen in der spektralen Verteilung der Quelle mit niedrigerer Leistung als die sonstigen Wellenlängen gebeugt werden, obwohl die Bragg-Zelle so ausgelegt werden kann, dass ein großer Teil des sichtbaren Spektrums mit hohen Effizienz gebeugt wird, um ein „Weißlicht”-Interferenzmuster erzeugen. Zudem kann eine ausgedehnte Strahlungsquelle wie eine LED verwendet werden, die inkohärent oder teilweise kohärent sein kann, um Breitband-Interferenzmuster zu erzeugen. In diesem Fall können einige Einfallswinkel in der Wellenfront 834 mit niedrigerer Leistungsfähigkeit als die sonstigen Einfallswinkel gebeugt werden, wenngleich die Bragg-Zelle und das optische System 802 so entworfen werden können, dass ein wesentlicher Teil der ausgestrahlten Strahlung 834 gebeugt wird. So kann als Beispiel eine „weiße” LED mit einer Abstrahlfläche von einem Quadratmillimeter mit einer Bragg-Zelle kombiniert werden, um einige Prozent des Lichts zu beugen. Das Verwenden von LEDs ist vorteilhaft, nicht nur wegen der niedrigen Kosten, hohen durchschnittlichen Ausgangsleistungen (mehrere Watt) und einer breiten Auswahl an Emissionsspektren, sondern auch aus dem Grund, dass die resultierenden inkohärenten Strahlungsmuster keine Artefakte wie Flecken erzeugen, die eine signifikante Quelle des Rauschens bei der 3D-Oberflächenmessung mit kohärenter Beleuchtung bilden.
  • Für Fachleute ist klar, dass 8 nur eine vieler möglicher Verkörperungen der Erfindung darstellt. Im dargestellten System 800 kann eine Anordnung anamorphischer Prismen 810 verwendet werden, um die Eingangs-Strahlungsbündel in einer Dimension zusammenzudrücken, damit sie dem akustischen Strahlungsmuster angepasst sind und dadurch den Effekt der akustischen Beugung auf der Gleichmäßigkeit der gebeugten Strahlung verringern. In einigen Ausführungen können ein Gitter, eine zylinderförmige Linse oder ein zylinderförmiger Spiegel anstelle von anamorphischen Prismen verwendet sein. Linsen 802 und 819 sind hier als ein einfaches Beispiel gezeigt. Stattdessen können sonstige optische Systeme verwendet werden, wie Spiegel, Gitter, Lichtstrahlteiler, Prismen oder Filter. Es können auch andere räumliche Modulatoren, wie die o. g. SAW-Vorrichtung anstelle der Bragg-Zelle verwendet werden, um die Muster in der gleichen Weise wie oben beschrieben zu erzeugen. Ebenso können auch Beugungen anderer Ordnungen als die 1. Ordnung verwendet werden, um die Muster zu bilden. Um z. B. eine bessere Beugungseffizienz zu erzielen, kann ein Strahlungsmuster erzeugt werden, indem man eine Beugung 1. Ordnung mit einem Teil der 0. Ordnung überlagert und die Strahlungsquelle synchron mit dem Treibersignal betreibt Außerdem kann der räumliche Modulator 811 die einfallende Strahlung 834 entlang einer oder mehrerer Dimensionen modulieren. So können z. B. zweidimensionale Muster mit einer zweidimensionalen akusto-optischen Bragg-Zelle erzeugt werden, die eine handelsübliche Vorrichtung sein kann und im wesentlichen in der gleichen Weise wie mit der eindimensionalen Bragg-Zelle erzeugt werden. Die nicht-periodischen Muster, die mit dem akusto-optischen Muster-Projektionssystem 800 erzeugt werden, können in verschiedenen lokalisierenden Verfahren verwendet sein, wie dies z. B. in 9 bis 11 beschrieben wird.
  • 9 zeigt ein alternatives Verfahren 904 zum Berechnen des Beleuchtungswinkels im Vergleich zu dem Winkelermittlungs-Verfahren 603 von 6 in einem Mehrkanal-Erfassungssystem 900, wobei ein Objekt 901 mit verschobenen Chirp-Mustern 902, 903 wie im System 800 von 8 beleuchtet wird. Ein Kasten 905 zeigt Diagramme 906, 907, 908 und 909 von Werten, die durch mehrere Detektorelemente gemessen wurden, wie z. B. dem Abbildungssystem 602 in 6, wenn ein relativ ebenes Objekt 918 durch die Chirp-Muster 902, 903 beleuchtet wird. Die Rück-Strahlungen vom Objekt können von unterschiedlichen Detektorreihen, wie Detektorreihen 620 und 623 in 6 gleichzeitig abgebildet oder sequentiell von einer einzelnen Detektorreihe abgebildet werden. Der Prozessor, wie z. B. der Prozessor 636 von 6, kann die resultierenden Bilddatenreihen in einen Datenreihen Stapel 916 zusammenfügen, wobei jedes Element 915 ein Datensatz der Messwerte 910, 911, 912, 913 für jede Stelle 914 sein kann. Die verschobenen Chirp-Muster können so eingestellt sein, dass die Messwerte 920, 921, 922, 923 im Mess-Datensatz 915 für jede Stelle 914 am Objekt im wesentlichen sinusförmig variieren, wie in Kasten 917 gezeigt. Die Periode und Phase der Variation können dem Beleuchtungswinkel entsprechen, wie für das System von 6 definiert Wie im Verfahren 603 von 6 können für jede Stelle am Objekt 914 die Beleuchtungswinkel mit feiner Auflösung berechnen werden, indem der Prozessor die Phase der sinusförmigen Variation 919 für jeden Datensatz 915 berechnet. Jedoch kann diese Berechnung Mehrdeutigkeiten wegen der wiederholten Abhängigkeit der Phase vom Beleuchtungswinkel ergeben. Um solche Winkelmehrdeutigkeiten zu lösen, kann der Prozessor die Periode der sinusförmigen Variation für jeden Datensatz 915 dadurch berechnen, dass der Beleuchtungswinkel mit grober Auflösung, aber ohne die periodische Abhängigkeit berechnet wird. In diesem Verfahren kann die Winkelauflösung begrenzt werden. Zudem kann die Variation der Periode des Chirp-Musters so klein gehalten werden, dass jeder gemessene Winkel eindeutig ist und damit die Messwerte 920, 921, 922, 923 in jedem Datensatz 915 im wesentlichen sinusförmig variieren. So kann z. B. die Änderung der Periode des Chirp-Musters zur Anzahl der Chirp-Schwingungen ungefähr invers sein. Der Prozessor kann die Phase berechnen, ebenso die Frequenz für jeden Datensatz 915 mit einer Vielfalt von von passenden Algorithmen, z. B. Fourier- oder Hilbert-Transformationen oder analytische trigonometrische Verfahren. Weiterhin kann die Beziehung zwischen Messwerten und Beleuchtungswinkel vorberechnet und in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden, um dreidimensionale Oberflächenrekonstruktionen in Echtzeit zu ermöglichen.
  • Für Fachleute sollte ersichtlich sein, dass 9 nur eine vieler möglicher Verkörperungen der Erfindung darstellt. Die Anzahl der Muster und die Anzahl der entsprechenden Messwerte k können mehr oder weniger als die gezeigten vier sein. Das dargestellte Winkelberechnungsverfahren 904 kann mit zahlreichem sonstigem Musterprojektion- und Abbildungssystemen verwendet werden, wie z. B. denen in 6 oder 8. Das Winkelberechnungsverfahren kann auch mit pulskomprimierten Muster verwendet werden, die entlang vielen Richtungen variieren. So können z. B. die verschobenen Chirp-Muster auch radial variieren, wie vorstehend schon beschrieben wurde, indem man dieses Verfahren 904 anwendet Alternativ kann jedes verschobene Chirp-Muster entlang einer anderen Richtung variiert werden. In diesem Fall kann die Fourier-Analyse der Messwerte für jede Stelle am Objekt verwendet werden, um die Phase und Periode zu ermitteln, die jeder Richtung der Variation entsprechen.
  • 10 zeigt ein Mehrkanal-Differentialkodierungs-/Dekodierungsverfahren 1000 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen, die in einem Mehrkanal-Erfassungssystem 1002 verwendet sein können, ebenso in einem der Systeme von 1–9. Das Musterkodierungsverfahren 1001 kann einen Mustersatz 1012 liefern, der durch ein Mehrkanal-Projektionssystem 1030 innerhalb des Systems 1002 projiziert werden kann und ein Objekt 1032 beleuchtet. Eine Stelle 1035 am Objekt kann Objekt-Strahlungen 1051 in Erwiderung auf die Beleuchtung 1031 liefern, die durch ein Mehrkanal-Abbildungssystem 1034 gesammelt werden und zu einem Dekodierungsschritt 1003 einbezogen werden, der die Messwerte 1044 zu einem Abbildungssymbol 1046 in Beziehung setzt. Entsprechend dem Verfahren 1000, das hierin beschrieben wird, kann eine Korrespondenz 1004 zwischen der Detektor-Stelle 1040 und dem Beleuchtungswinkel 1014 relativ zur Mittellinie 1052 gefunden werden. Die Korrespondenz 1004 zwischen der Detektor-Stelle 1040 und dem Beleuchtungswinkel 1014 kann als Triangulationsalgorithmus verwendet werden, um die Stelle 1035 am Objekt 1032 in drei Dimensionen festzustellen. Zudem kann das Verfahren 1000 angewendet werden, um eine Oberfläche des Objekts in drei Dimensionen zu rekonstruieren, indem man mehrere Stellen am Objekt parallel mit unterschiedlichen Detektorelamenten des Mehrkanal-Abbildungssystems vermisst. Im Verfahren 1000 können die Muster 1012 z. B. aus fünf eindimensionalen Mustern bestehen, die als Funktion des Beleuchtungswinkels 1014 variieren. Es können jedoch auch mehr oder weniger als fünf Muster vorgesehen sein, können periodisch oder nicht periodisch sein können, in der Amplitude, Phase und/oder Polarisation variieren sowie entlang einer oder mehreren Richtungen variieren. Jedes Muster wird nachfolgend als Kanal 1013 bezeichnet. Die Ansammlung der Muster, Beleuchtungswinkel und Kanäle wird als Beleuchtungs-Mustersatz 1010 definiert. Der Beleuchtungs-Mustersatz für alle Kanäle mit einen einzigen Winkel 1016 und 1017 wird in Folge als Beleuchtungsvektor 1018 und 1019 bezeichnet. Der Beleuchtungsvektor als Funktion des Beleuchtungswinkels Φ wird hierin als P(Φ) ausgedrückt. Als Teil des Kodierungsverfahrens 1001 kann jeder Beleuchtungsvektor 1018 und 1019 mit dem Abbildungsverfahren 1011 zu einem versatz-unabhängigen und skalierungs-unabhängigen Vektor abgebildet sein, der künftig als Beleuchtungssymbol 1020 bezeichnet ist. Im gezeigten Verfahren 1000 kann dieses Abbildungsverfahren den Schritt 1021 des Subtrahieren eines Minimalwerts 1022 von jeden Werten im Beleuchtungsvektor 1018 und 1019 umfassen, Dieser Schritt kann den Versatz im Beleuchtungsvektor entfernen, der für alle Vektorelemente allgemein ist. Außerdem kann das Abbildungsverfahren den Schritt 1023 des Teilens aller Werte umfassen, die vom ersten Schritt durch den Unterschied zwischen einem Maximalwert 1024 und einem Minimalwert 1022 resultieren. Dieser Schritt kann jeden möglichen Skalierungsfaktor entfernen, der für alle Elemente des Beleuchtungsvektors allgemein sein kann und ein Beleuchtungssymbol 1020 für jeden Beleuchtungswinkel 1014 erzeugen kann. Dieses Beleuchtungssymbol 1020, SP, kann als Funktion des Beleuchtungswinkels 1014 ausgedrückt werden:
    Figure 00420001
  • In diesem Verfahren 1000 kann der Beleuchtungs-Mustersatz 1010 so gewählt werden, dass kein Beleuchtungssymbol für einen gegebenen Satz der Beleuchtungswinkel 1014 und eine gegebene Anzahl der Wertepegel 1025 wiederholt wird. Für größere Winkelbereiche und/oder Auflösung der Beleuchtung, kann die Anzahl der Wertepegel 1025 oder die Anzahl der Kanale 1013 erhöht werden, um einen nicht-redundanten Beleuchtungs-Mustersatz 1010 zu erzeugen.
  • In einigen Ausführungen kann ein Mehrkanal-Projektor 1030 ein Objekt 1032 innerhalb eines Messvolumens 1033 bestrahlen, das mehrere Unstetigkeiten in einem Beleuchtungs-Mustersatz 1010 enthält. In diesem Verfahren 1000 kann das Muster als Funktion des Beleuchtungswinkels 1014 variieren und jede Stelle am Objekt 1035 kann eine Reaktion zum auftreffenden Beleuchtungs-Mustersatz erzeugen. Das Objekt kann möglicherweise auf die Bestrahlung nicht gleichmäßig „antworten”, da die Schattierung, der Winkel und/oder die Textur an der Stelle veriiert. Zudem können die Objekt-Strahlungen 1051, die in Erwiderung auf die Beleuchtung erzeugt werden, mit der Position des Detektorelements 1042, des Beleuchtungswinkels 1014 und der relativen Objektoberflächen-Orientierung variieren. Zusätzlich kann das Objekt durch eine andere Quelle 1036 beleuchtet sein oder das Objekt selbst kann Strahlung ausstrahlen. Außerdem kann die Beleuchtung 1031 selbst eine variable Intensität und Versatzeffekte aufweisen, wie Intensitätsreduzierung mit dem Abstand, Ungleichmäßigkeit über das Beleuchtungsgebiet, Kontrastverluste oder Beugungsartefakte und Interferenzmuster. Die Objektstrahlungen 1051, die durch das Detektor-System empfangen werden, können folglich eine absolute Skalierung mit Versatz aufweisen, was mathematisch wie folgt ausgedrückt ist:
    Figure 00430001
  • Hierbei bedeutet A0 die absolute Skalierung der aufgenommenen Strahlungsintensität, B0 den Intensitätsversatz und der Vektor x repräsentiert die Stelle des Detektors. Der Versatz und die Skalierungsfaktoren, die zunächst unbekannt sind, können gestrichen werden, wenn die Messewerte 1044 vom Detektor zu einem Abbildungssymbol 1046 abgebildet werden, wie unten beschrieben.
  • Das Mehrkanal-Detektorsystem 1034 kann Strahlungen vom Objekt 1032 sammeln. In einigen Verkörperungen können die Objektstrahlungen 1051, die durch das Abbildungssystem 1034 von einer Stelle 1035 am Gegenstand 1032 produziert und in Reaktion auf die Beleuchtung 1031 empfangen werden, durch den Wert eines einzelnen Pixels 1042 in jedem der mehreren aufgezeichneten Bildern 1041 der Szene dargestellt werden. Der Datensatz der gemessenen Pixelwerte für jede Stelle 1035 am Objekt wird künftig als Messwert-Vektor 1044 bezeichnet. Die Werte 1045 innerhalb dieses Messwert-Vektors 1044 können auch Variationen der Detektorvorspannung umfassen. Der Messwert-Vektor kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden;
    Figure 00430002
  • Hierbei sind A und B als Versatz- und Skalierungs-Vektoren der aufgenommenen Objekt-Strahlungen, A0, B0 ausgedrückt und die Detektorpegel- und Versatzvektoren AD, BD wie folgt umschrieben:
    Figure 00440001
  • Es ist auch möglich, den Detektorpegel und Versatz zu eliminieren, indem das Detektor-System kalibriert wird.
  • Der Messwert-Vektor 1044 kann zu einem vom Versatz und Maßstab unabhängigen Vektor geordnet werden, der künftig als Abbildungssymbol 1046 bezeichnet ist. Die Ordnung kann mit dem gleichen Abbildungsverfahren 1011 durchgeführt werden, das für die Erzeugung der Beleuchtungssymbole verwendet wird. Dieses Ordnungsverfahren kann den Schritt 1047 des Subtrahieren eines Minimalwerts 1048 von jeden Werten im Messwert-Vektor 1044 umfassen, um allgemeinen Versatz zu entfernen. Das Ordnungsverfahren kann auch den Schritt 1049 umfassen, der alle Werte teilt, die vom ersten Schritt durch den Unterschied zwischen einem Maximalwert 1050 und einem Minimalwert 1048 stammen, um mögliche Skalierungsfaktoren zu entfernen, die für alle Elemente des Messwert-Vektors vorliegen können. Diese Schritte können das Abbildungssymbol 1046, Sd für jeden Messwert-Vektor erzeugen und mathematisch ausgedrückt werden, indem sie den Messwert-Vektor in der Beleuchtungs-Symbol-Berechnungsformel ersetzen:
    Figure 00440002
  • Die Detektorpegel und der Versatz oder irgendeine Skalierung, die in den Objekt-Strahlungen 1051 vorliegen, können eliminiert werden, um ein vom Maßstab und Versatzunabhängiges Symbol zu erzeugen:
    Figure 00440003
  • Das Abbildungssymbol ist somit unabhängig. Korrespondenz zwischen Beleuchtungssymbol und Abbildungssymbol kann hergestellt werden, indem man ein Beleuchtungssymbol im Beleuchtungssymbol-Satz SP findet, so dass:
    Figure 00440004
  • In einem realen System kann jedoch die Korrespondenz möglicherweise ungenau sein, in Folge von Rauschen, nichtlinearen Verzerrungen in der Muster-Projektion 1030 und/oder Abbildung 1034 in den Systemen und/oder sonstigen Effekten. Für solche Systeme kann die Korrespondenz 1004 gefunden werden, indem man nach dem Beleuchtungssymbol sucht, das nahe zum Abbildungssymbol innerhalb des Beleuchtungssymbol-Satzes ist. In einigen Ausführungen kann die Suche nach dem nahen Symbol vollendet werden, indem man die kleinste Vektor-Norm des Vektorunterschiedes zwischen dem Abbildungssymbol 1046 und den Beleuchtungssymbolen auffindet. Sobald die Symbolkorrespondenz für eine Stelle am Objekt hergestellt wird, kann der Beleuchtungswinkel für diese Stelle von eins-zu-eins-Kennfeld der Beleuchtungswinkel und der Beleuchtungssymbole festgestellt werden, die hergestellt werden, wie vorstehend beschrieben. Jede Stelle am Objekt kann dann aus dem entsprechenden Beleuchtungswinkel, der Position des entsprechenden Detektorelements und den bekannten Positionen und die Orientierungen der Musterprojektion- und Abbildungs-Systeme mit geometrischer Triangulation berechnet werden, wie beim System von 6 beschrieben wurde. Zudem kann einer oder mehrere der Verarbeitungschritte für viele Messwerte oder Symbol-Vektorwerte vorberechnet werden und in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden, um schnell erreicht zu werden, so dass eine dreidimensionale Objektoberflächen-Vermessung in Echtzeit möglich ist.
  • Für Fachleute sollte ersichtlich sein, dass 10 nur eine von zahlreichen möglichen Ausführungen des Verfahrens 1000 darstellt. Weitere Ausführungen können mehr oder weniger Muster verwenden bzw. unterschiedliche Muster als die gezeigten Muster 1012. In einigen Ausführungen können ein oder mehrere Beleuchtungssymbole innerhalb eines Beleuchtungssymbol-Satzes wiederholt werden und können größere Freiheit erlauben, möglicherweise auf Kosten von Mehrdeutigkeit in der Korrespondenz zwischen einem Abbildungssymbol und einem Beleuchtungswinkel. In einigen Ausführungen kann die Korrespondenz zwischen Beleuchtungssymbolen und Abbildungssymbolen nur für bestimmte Stellen am Objekt oder Bereiche von Interesse sein. Zudem können in sonstigen Techniken 1011 einiger Ausführungen Zuordnungen zwischen Beleuchtungsvektoren und Messwert-Vektoren zu den Beleuchtungs- und Abbildungs-Symbolen verwendet sein, vorausgesetzt dass die resultierenden Symbole 1020 vom absoluten Versatz und Maßsstab im wesentlichen unabhängig sind und eine Korrespondenz zwischen den Symbolen hergestellt werden kann.
  • Sonstige Ausführungen des Verfahrens 1000 können andere Lokalisierungssysteme 1002 und Muster 1031 verwenden, wie z. B. solche der 1 bis 8 oder von 12. In einigen Ausführungen können der Mehrkanal-Musterprojektor 1030 und das Mehrkanal-Detektorsystem 1034 mit einem Einzelkanal-Musterprojektor und -Detektorsystem ersetzt werden, wobei die Strahlungsmuster und die resultierenden Bilder der Reihe nach erzeugt werden. In einigen Ausführungen kann das Abfragesystem 1034 Vielfachdetektoren an verschiedenen räumlichen Stellen umfassen und die Objekt-Strahlungen 1051 können von mehreren Richtungen empfangen werden. Der Beleuchtungswinkel kann in der räumlich variierenden Intensität, in Amplitude und/oder der Phase der Beleuchtung kodiert werden. Außerdem kann das Verfahren 1000 mit kohärenter, inkohärenter oder teilweise zusammenhängender Beleuchtung verwendet werden.
  • In einigen Ausführungen kann der Beleuchtungs-Mustersatz 1010 an mehreren Stellen in einem beleuchteten Umfeld als Teil eines Kalibrierungschritts direkt gemessen werden. Diese direkte Messung macht es möglich, nichtlineare Verzerrungen des Beleuchtungs-Mustersatzes 1010 Zu kompensieren. Der gemessene Beleuchtungs-Mustersatz lässt den Kodierungsschritt 1001 zum Test für einzigartige Beleuchtungssymbole in Anwesenheit der nichtlinearen Projektorverzerrungen zu. Zusätzlich können die Beleuchtungssymbole 1020, die vom gemessenen Beleuchtungsmuster abgebildet sind, als kalibrierter Salz von Beleuchtungssymbolen 1020 gespeichert und verwendet werden, um eine Korrespondenz 1004 zwischen dem Abfragungssymbol 1046 und einem Beleuchtungssymbol 1060 zu finden.
  • 11 zeigt ein Mehrkanal-Differentialkodierungs-/Dekodierungsverfahren 1130 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen, die in Verbindung mit den Mehrkanal-Systemen In 1 bis 9 und 12 verwendet werden können. Das Verfahren 1130 kann in drei Zweigen organisiert sein: ein Kodierungszweig 1100 für die Beleuchtung, ein Kodierungszweig 1110 für die Messung und einen Dekodierungszweig 1120. Der Kodierungszweig 1100 kann wähnend der Systemkalibrierung durchgeführt werden, während der Kodierungszweig 1110 für jeden Messwert-Vektor 1044 in 10 durchgeführt werden kann. Das Verfahren 1130 kann so verwendet werden, um den Beleuchtungswinkel 1014 in 10 festzustellen, entsprechend der Stelle 1035 auf der Oberfläche des Objekts 1032. Sobald dieser Winkel festgestellt worden ist, kann er durch einen Triangulationsalgorithmus dazu verwendet werden, die dreidimensionalen Koordinaten der Stelle 1035 am Objekt zu berechnen. Außerdem kann das Verfahren 1130 angewendet werden, um eine Oberfläche des Objekts in drei Dimensionen zu rekonstruieren, indem man mehrere Stellen am Objekt in paralleler Weise mit unterschiedlichen Detektorelementen des Mehrkanal-Systems erfasst.
  • Beim Verfahren 1130 kann ein Satz von Schritten im Beleuchtungs-Kodierungszweig 1100 und im Messungs-Kodierungszweig 1110 wiederholt werden. Dieser Satz wird nachfolgend als Kodierungsberechnung 1141 des Beleuchtungsvektors und Kodierungsberechnung 1142 des Abbildungsvektors bezeichnet. Der Eingang zu den Kodierungsberechnungen der Vektoren 1141 und 1142 wird Quell-Vektor genannt, der entweder ein Beleuchtungsvektor wie 1018 und 1019 in 10 im Beleuchtungs-Muster-Satz 1010 In 10 oder der Messwert-Vektor 1044 in 10 sein kann. Der Ausgang von den Kodierungsberechnungen der Vektoren 1141 und 1142 ist das Symbol, das entweder ein Beleuchtungssymbol 1020 in 10 oder ein Abbildungssymbol 1046 in 10 sein kann. Die Kodierungsberechnungen der Vektoren 1141 und 1142 können drei Verfahren enthalten: Entfernen des Versatzes in 1102 oder 1112, Entfernen der Skalierung (Amplitudenmaßstab) in 1104 oder 1114 und Neuordnung in Verfahren 1106 oder 1116.
  • Das Entfernen des Versatzes in 1102 oder 1112 kann alle konstant addierten Werte entfernen oder einen Versatz, der allen Werten des Quelle-Vektors gemeinsam ist. Es kann zwei Bestandteile zum Verfahren geben; man kann einen versatzfreien Vektor G1 und einen versatzfreien Wert G2 erzeugen. Diese können getrennt oder zusammen in den Kodierungsberechnungen der Vektoren 1141 und 1142 verwendet werden. In einer Ausführungsform kann ein versatzfreier Vektor G1 erzeugt werden, indem man den Minimalwert vom Quell-Vektor subtrahiert Sonstige Ausführungen des versatzfreien Vektors können mathematisch z. B. wie folgt ausgedruckt werden: G 1A(V) = M A V, G 1B(V) = M B[V – MC(V)]
  • Dabei ist der Vektor V der Quell-Vektor und die Indizes A und B bezeichnen zwei Varianten. Die erste Variante A ist eine differentiale Berechnung. Die Matrix MA hat zwei oder mehr ungleich Null-Elemente in jeder Reihe, hat linear unabhängige Reihen und zeigt die Eigenschaft, dass die Summe aller Elemente in jeder Reihe Null ist. Das Produkt solch einer Matrix MA mit jedem möglichen Quell-Vektor ist ein versatzfreier Vektor. Die zweite Variante B nimmt den Unterschied zwischen dem Vektor V und die Ergebnisse einer Operation Mc mit den Elementen eines Vektors V. Mc kann z. B. eine Operation umfassen, die ein Mittel, ein Minimum, ein Maximum, ein Mittelpunkt, ein Durchschnitt oder eine Standardabweichung sein kann. Solange Mc den Versatzwert nicht skaliert, kann der Unterschied einen versatzfreien Vektor erzeugen. Die Matrix MB ordnet das Ergebnis einem anderen Vektor-Raum zu.
  • Ein versatzfreier Wert kann errechnet werden, indem man den Minimalwert des Beleuchtungs-Vektors vom Maximalwert des Beleuchtungs-Vektors subtrahiert. Sonstige Variationen der versatzfreien Werte können z. B. folgende sein: G2A(V) = M D·G 1(V), G2B(V) = MC1(V) – MC2(V)
  • Hierbei bezeichnen die Indizes A und B die folgenden Variationen. Die erste Variante A ist das innere Produkt zwischen einer Vektor MD, der mindestens einen ungleich Null-Wert und einen versatzfreien Vektor G1 hat, also sind die Ergebnisse versatzfreie Werte. Die zweite Variante B nimmt die Differenz zwischen zwei unterschiedliche Typen von versatzwahrenden Operationen Mc an Elementen eines Vektors V. Jeder Operationstyp wird durch einen Index, 1 oder 2, bezeichnet, und die Differenz entfernt den Versatz, der beiden Operationen gemeinsam ist.
  • Nachdem der versatzfreie Vektor und Wert in diesem Versatzentfernungs-Verfahren 1102, 1112 gefunden wurden, kann jeder konstante Multiplikationsfaktor, hier als Maßstab oder Skalierung bezeichnet, in dem Maßstabsentfernungs-Verfahren 1104, 1114 entfernt werden In einigen Ausführungen kann dieses getan werden, indem man den versatzfreien Vektor G1 durch den versatzfreien Wert G2 teilt. Das Ergebnis kann ein vom Versatz und der Skalierung unabhängiger Vektor sein.
  • Nachdem ein vom Versatz und der Skalierung unabhängiger Beleuchtungs-Vektor erzeugt wurde, können einige Ausführungen die Werte des Vektors innerhalb des Neuordnungs-Verfahrens 1106 justieren. Dies kann durchgeführt werden, indem man eine zusätzliche Neuordnungs-Funktion der vom Versatz und Maßstab unabhängigen Vektor-Werte anwendet, um das abschließende Beleuchtungssymbol 1107 zu bilden. Die Neuordnungs-Funktion kann über das Gebiet der unabhängigen Vektor-Werte durchgeführt werden, mit dem Ergebnis eines im wesentlichen einzigartigen Beleuchtungssymbols 1107 für jeden Beleuchtungswinkel, wenn der Vektor für jeden Winkel hinreichend einzigartig ist.
  • Nachdem ein vom Versatz und Maßstab unabhängiger Abbildungs-Vektor erzeugt wurde, könnnen einige Ausführungen die Werte des Vektors innerhalb des Neuordnungs-Verfahrens 1116 justieren. Dies kann durchgeführt werden, indem man eine zusätzliche Neuordnungs-Funktion der vom Versatz und Maßstab unabhängigen Vektor-Werte anwendet, um das abschließende Abbildungssymbol 1117 zu bilden. Die Neuordnungs-Funktion kann über das Gebiet der unabhängige Vektor-Werte durchgeführt werden, mit dem Resultat eines im wesentlichen einzigartigen Abbildungssymbols 1117 für jede Objekt-Stelle.
  • Nachdem man die Entfernungsverfahren 1102 oder 1112 bzw. 1104 oder 1114 und das Neuordnungs-Verfahren 1106 oder 1116 in den Kodierungsberechnungen des Vektors 1141 und 1142 durchgeführt hat, kann das Symbol wie folgt dargestellt werden:
    Figure 00480001
  • Dabei ist H die Neuordnungs-Funktion für jedes Element im Vektor Im Neuordnungs-Schritt. Diese besondere Ausführungsform der Kodierungsberechnungen des Vektors 1141 und 1142 kann gegen lineare Verzerrungen der Strahlungsmuster unempfindlich sein, die durch die Vorrichtung und das Objekt verursacht werden können. Die Neuordnungs-Funktion kann z. B. eine Bogentangente, eine Inversion oder ein Polynom sein. Das Symbol kann im Kodierungszweig 1100 der Beleuchtung und im Kodierungszweig 1110 der Messung erzeugt werden, wie in den folgenden Absätzen besprochen wird.
  • Das erste Verfahren 1101 im Kodierungszweig 1100 der Beleuchtung kann eine Wahl eines Beleuchtungs-Mustersatzes 1010 aus 10 sein. Der Beleuchtungs-Mustersatz kann so gewählt werden, dass jeder Beleuchtungswinkel 1016, 1017 in 10 durch ein Beleuchtungs-Symbol innerhalb des Beleuchtungs-Symbolsatzes 1107 einzigartig repräsentiert wird. Der Kodierungszweig 1100 der Beleuchtung kann dann den Beleuchtungs-Symbolsatz 1107 vom Beleuchtungs-Mustersatz 1010 in 10 aus durch die Kodierungsberechnung 1141 des Vektors für jeden Beleuchtungs-Vektor 1044 in 10 im Beleuchtungs-Mustersatz 1010 in 10 errechnen. Der Beleuchtung-Kodierungszweig kann so oft durchgeführt werden, wie die Wahl von Beleuchtungs-Symbolsatz 1107 variiert. In einer alternativen Ausführungsform kann der Kodierungszweig 1100 während der Algorithmussammlung durchgeführt werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Kodierungszweig 1100 regelmäßig zwecks Aktualisierung des Beleuchtungs-Symbolsatzes durchgeführt werden. In einigen Ausführungen kann der Kodierungszweig für konstante oder variierende Beleuchtungs-Symbolsätze wiederholt durchgeführt werden.
  • Das erste Verfahren 1111 im Kodierungszweig kann dazu verwendet werden, gemessene Datenreihen 1041 in 10 zu sammeln und einen Messwert-Vektor 1044 in 10 zu kompilieren. Der Messwert-Vektor 1044 in 10 kann durch die Kodierungsberechnung 1142 bearbeitet werden, um das Abbildungssymbol 1117 zu erzeugen. Es sei angemerkt, dass der Kodierungszweig 1110 der Messung ein einziges Abbildungssymbol 1117 errechnen kann, während der Kodierungszweig 1100 der Beleuchtung mehrere Beleuchtungs-Symbole 1107 errechnen kann. Zusätzlich kann es nötig sein, dass der Kodierungszweig 1110 der Messung für jeden Messwert-Vektor 1044 in 10 durchgeführt wird, während der Kodierungszweig 1100 der Beleuchtung dies nicht erfordert.
  • Jedes Abbildungssymbol 1117 kann zu einem einzigartigen Beleuchtungssymbol im Dekodierungszweig 1120 angepasst sein. Der Dekodierungszweig 1120 kann mit einem Symbol-Anpassungsverfahren 1121 beginnen. In einigen Ausführungen steht das Symbol-Anpassungsverfahren 1120 am Anfang, indem die Vektor-Normwerte des Vektorunterschiedes zwischen dem Beleuchtungssymbol des Abbildungssymbols 1117 und im Beleuchtungs-Symbolsatz 1107 aufgefunden werden. Diese Vektor-Normberechnung kann für jedes Beleuchtungssymbol im Beleuchtungs-Symbolsatz 1107 einmal wiederholt werden. Diese Normwerte können als Maß der Vektor-Trennung zwischen dem Abbildungssymbol und allen möglichen Beleuchtungssymbolen verwendet werden. Die minimalen Normwerte können anzeigen, dass die zwei Symbole eng aufeinender bezogen, und können folglich als Anzeige dienen, dass das Beleuchtungssymbol dem Abbildungssymbol entspricht. Diese Symbolkorrespondenz ist der Ausgang des Symbol-Anpassungsverfahrens 1121. Weil jedes Beleuchtungssymbol einzigartig sein soll, kann das Winkel-Anpassungsverfahren 1122 Verwendung finden, um die Symbolkorrespondenz, eine Korrespondenz zwischen einer ermittelnden Richtung und dem Beleuchtungswinkel herzustellen. Die ermittelnde Richtung und der Beleuchtungswinkel können durch einen Triangulationsalgorithmus verwendet werden, um dann die dreidimensionalen Koordinaten der Stelle am Objekt zu berechnen. Zudem können ein oder mehrere der Verarbeitungsschritte für viele Messwerte oder Symbol-Vektorwerte vorberechnet werden und in einer Nachschlagetebelle gespeichert werden, um schnell erreicht zu werden und so Objekt-Stellen zu vermessen und eine dreidimensionale Objektoberflächen-Vermessung in Echtzeit möglich zu machen.
  • In einigen Ausführungen kann das Verfahren 1130 die relative Objekt-Skalierung, den relativen Objektversatz oder die relative Objekt-Phasenverschiebung errechnen. In 3D-Abbildungssystemen kann diese Information zur Schattierung verwendet werden, um das Objekt oder die externe Beleuchtung zu isolieren. Als Beispiel sei die Amplitudenskalierung betrachtet. Sobald die Detektionsrichtung und die Beleuchtungswinkelkorrespondenz gefunden wurde, kann ein Verfahren den gespeicherten Abbildungs-Maßstab 1115 und die gespeicherten Werte des Beleuchtungs-Skalierungssatzes 1105 für den entsprechenden Beleuchtungswinkel finden. Ein zweites Verfahren kann das Verhältnis des Abbildungs-Maßstabs 1115 und der gespeicherten Beleuchtungs-Skalierungswerte benutzen, um die relative Objekt-Schattierung zu erzeugen.
  • In einigen Ausführungen kann die Auswahl von Strahlungsmuster-Verfahren 1101 durch ein wiederholendes Design-Verfahren durchgeführt werden, das durch eine Auswertung des Beleuchtungs-Symbolsatzes 1107 betrieben werden kann. In einer alternativen Ausführungsform kann die Auswahl von Beleuchtungsmuster-Verfahren 1101 den Beleuchtungsmuster-Satz 1010 von 10 errichten, je ein Muster nacheinander; die Auswahl jedes zusätzlichen Musters kann durch die Auswertung des Beleuchtungs-Symbolsatzes 1107 betrieben werden. In einer Ausführungsform kann die Auswahl von Beleuchtungs-Mustersatz 1107 vorbestimmt werden oder geregelt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Auswahl des Beleuchtungs-Mustersalzes 1107 durch eine Auswertung der sonstigen umfassenden Parameter betrieben werden, wie z. B. der Abbildungsgüte, einer oder mehrerer Objekteigenschaften der Objekt oder der bisherigen Berechnung einer Mehrzahl der dreidimensionalen Stellen am Objekt.
  • In einigen Ausführungen kann das Verfahren 1130 so ausgelegt sein, dass es mit Systemen zusammenarbeitet, die Muster in das Beleuchtungsgebiet, in die Beleuchtungsintensität, in die Beleuchtungsphase, in die Beleuchtungspolarisation oder in eine Kombination davon kodieren. Eine Anpassung dieses Verfahrens 1130 kann für Phasen-Systeme erfolgen, wenn die Kodierungsberechnungen des Vektors 1141 und 1142 einen versetzten Phase-Entfernungsschritt anstatt der Schritte 1102 und 1112 umfassen bzw. so angewendet werden, dass Phase-Umhüllung und Skalierungs-Entfernungsschritte 1104 und 1114 ausgeschlossen sind oder wenn die Objekt-Reaktion linear ist. Eine Anpassung dieses Verfahrens 1130 kann aus Phasen-Amplituden-Kombinationen erfolgen, wenn die Kodierungsberechnung 1141 oder 1142 des Vektors den Amplitudenversatz, die Amplitudenskalierung oder den Phasenversatz in Anwesenheit der Phasenumhüllung verschiebt.
  • 12 zeigt ein Mehrkanal-Erfassungssystem 1200 mit mehreren Projektoren. Das System 1200 kann zwei oder mehr Mehrkanal-Projektoren 1210 und 1220 zusammen mit einem oder mehreren Mehrkanal-Abbildungssystemen 1230 umfassen. In einigen Ausführungen können die Mehrkanal Projektoren 1210, 1220 einen zweidimensionalen Beleuchtungs-Mustersatz 1211, 1221 ausstrahlen, der über einen Beleuchtungswinkel Φ1 1212 und Φ2 1222 variieren kann und der durch verschiedene Musterquerschnitte 1214, 1224 beschrieben werden kann. Das Mehrkanal-Abbildungssystem 1230 kann ein CCD sein, aber auch Mehrkanal-Abbildungssysteme umfassen wie in 1 bis 9 beschrieben. In einigen Ausführungen können die Projektoren 1210, 1220 einen Beleuchtungs-Mustersatz 1211, 1221 so ausstrahlen, dass jeder Projektor eine eindeutige, nichtüberlappende Kanalgruppe verwendet. Diese Kanalgruppen können zusammengefasst oder vermischt werden. Das Abbildungssystem kann Objekt-Strahlungen von mehreren Stellen am Objekt über mehrere Kanäle 1233 für beide Beleuchtungs-Mustersätze sammeln. Die folgenden Absätze beschreiben, wie verschiedene Ausführungen dieses Systems verwendet werden können, um dreidimensionale Oberflächenbilder zu formen. Diese Systeme können dreidimensionale Bildern von Objekten mit halbtransparenten Oberflächen aufzeichnen.
  • Um die Verringerung der Verschattung zu zeigen, ist hier eine Beispiel-Objektoberfläche 1252 gezeigt, an der die Bestrahlung von einem Projektor 1220 von einer oder mehreren Stellen 1241 am Objekt blockiert werden kann. Dieser Effekt wird hier Verschatten benannt, de in dreidimensionalen Oberflächenbildern Merkmale fehlen können. In einigen Ausführungen können Stellen am Objekt festgestellt werden, wo die Kanäle 1213 von den Mehrkanal-Projektoren 1210 und 1220 eindeutig sind und durch ein Mehrkanal-Abbildungssystem 1230 gesammelt werden können. In einer Ausführungsform können Stellen am Objekt innerhalb des Gebiets 1231 durch mindestens einen der Projektoren 1210, 1220 beleuchtet werden, um das Verschatten zu verhindern. Die Projektoren 1210 und 1220 können Beleuchtungs-Mustersätze 1211 und 1221 an den eindeutigen Kanalgruppen 1213 ausstrahlen. Die Objekt-Reaktion kann durch das Mehrkanal-Abbildungssystem 1230 getrennt sein. So können die Systeme und die Verfahren der 6, 9, 10 und/oder 11 verwendet sein, um eindeutige Oberflächenbilder des Objekts zu gewinnen – ein Oberflächenbild mit dem Kanal des ersten Projektors 1210 und eines mit dem Kanal des zweiten Projektors 1220. Die zwei eindeutigen Oberflächenbilder können so in ein schattenfreies Oberflächenbild kombiniert werden.
  • Als ein anderes Beispiel wird eine zweite Objektoberfläche 1251 hinter der Oberfläche 1252 gezeigt. Die Oberfläche 1252 kann teilweise transparent sein. Das Mehrkanal-Abbildungssystem 1230 kann Strahlungen von einem schmalen Gebiet 1232 sammeln. Der erste Projektor 1210 kann einen Beleuchtungs-Mustersatz 1212 über alle Beleuchtungswinkel ausstrahlen, so dass die Objekt-Reaktion von Bereich 1242 und 1243 am Abbildungssystem 1230 überlagert sein kann. Der resultierende Messwert-Vektor 1044 in 10 kann als Überlagerung von zwei Messwert-Vektoren beschrieben werden, während eine andere Beispiel-Objekt-Ausführungsform mit mehr als zwei Oberflächen als die Überlagerung von vielen Messwert-Vektoren beschrieben werden kann. Eine Überlagerung vieler Messwert-Vektoren kann als zusammengesetzter Vektor bezeichnet werden. In einigen Ausführungen kann der Beleuchtungs-Mustersatz 1211 oder 1221 gewählt werden, so dass eine lineare Transformation des zusammengesetzten Vektors verwendet werden kann, um mehrere Wert-Vektoren zu extrahieren. So kann z. B. das Frequenz-Muster 902 aus 9 zu einer Überlagerung der sinusförmigen Messwert-Vektoren für ein Objekt mit mehreren Oberflächen führen, was mit einer Fourier-Aufspaltung des zusammengesetzten Vektors extrahiert werden kann. In den sonstigen Ausführungen des Musters kann der Typ des Überlagerten Messwert-Vektors ein orthogonaler Vektor-Satz sein, der vom Beleuchtungs-Mustersatz wie 1211 oder 1221 mit einem Gramm-Schmidt-Orthonormalisierungsverfahren extrahiert werden kann. In einer anderen Ausführungsform kann der Beleuchtungs-Mustersatz so gewählt werden, dass deterministische Berechnungen unter den Werten eines zusammengesetzten Vektors jeden Messwert-Vektor einzigartig extrahieren können. Dennoch kann eine andere Ausführungsform mit einer ausreichenden Anzahl der Kanale 1213 und für einem passenden Beleuchtungs-Mustersatz die wiederholenden Verfahren, die unabhängige Teilanalyse umfassen, verwendet werden, um jeden Messwert-Vektor vom zusammengesetzten Vektor zu extrahieren. Algorithmen wie in 6, 9, 10 und/oder 11 können zum Beispiel Verwendung finden, um jeden extrahierten Messwert-Vektor eines einzigen Beleuchtungswinkel zu berechnen. Verfahren wie die Triangulation können die dreidimensionale Oberflächen-Stelle dann an beiden Stellen 1242 und 1243 errechnen. Wenn es für mehrere Stellen am Objekt wiederholt wird, kann dieses Verfahren Oberflächenbilder des Objekts formen. Dieses Vielfachprojektor-Mehrkanal-Verfahren kann für Objekte mit überlappenden, halb-transparenten Oberflächen verwendet werden.
  • In einigen Ausführungen des Systems 1200 kann der zweite Projektor 1220 aus Projektor-Ausführungen wie in 1, 2, 3, 5 und/oder 6 gebildet sein. Diese Projektor-Ausführungen können einen Satz der parallelen Strahlungsmusterkanäle umfassen. In einigen Ausführungen können die parallelen Beleuchtungskanäle gewählt werden, damit eindeutige Kanalgruppen unterschiedlichen Spannen des Beleuchtungswinkels entsprechen. Die Schnittstelle zwischen angrenzenden Kanalgruppen 1225 und 1226 kann klar abgegrenzt werden oder kann auch allmähliche Übergänge verwenden. Mit solch einem System kann die Objekt-Reaktion wegen der rückseitigen Objektoberfläche 1251 in eine anders Kanalgruppe als die Objekt-Reaktion von der vorderen Objektoberfläche 1252 fallen. Gesammelte Strahlungen von der schmalen Objekt-Spanne 1232 können dann in zwei eindeutige Kanalgruppen innerhalb eines Mehrkanal-Abbildungssystems 1230 fallen. In solch einer Ausführungsform können die Mehrkanal-Beleuchtungswinkel durch die Gruppe der Kanäle mit dem Mehrkanal Beleuchtungs-Mustersatz in Verbindung stehen. Jede Kanalgruppe kann den groben Beleuchtungswinkel 1222 zwischen den zwei Bereichen anzeigen, die durch die zweite Schnittstelle 1226 abgegrenzt werden. Jeder Messwert-Satz kann innerhalb der zwei Kanalgruppen mit Algorithmen unabhängig verarbeitet werden, wie zum Beispiel in 6, 9, 10 und/oder 11 beschrieben der mit sonstigem Algorithmen, um die feine Beleuchtungswinkel-Auflösung zu extrahieren. Indem es die Beleuchtungswinkel und die ermittelnde Richtung in einem Verfahren wie einem Triangulationsalgorithmus verwendet, kann das System die dreidimensionalen Koordinaten der Stellen 1242 und 1243 feststellen. Wenn es für mehrere Stellen auf dem Objekt wiederholt wird, kann dieses Verfahren Oberflächenbilder des Objekts formen. Dieses Vielfach-Projektions-Mehrkanal-Verfahren kann für Objekte mit überlappenden, halb-transparenten Oberflächen verwendet werden.
  • 13 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 1300 zum Erfassen einer Stelle am Objekt in einer dreidimensionalen Szene zeigt. Das Verfahren 1300 kann mit den Systemen von 1 bis 8 sowie den Verfahren gemäß 9 bis 12 durchgeführt werden. Zusätzliche Aspekte und zusätzliche Ausführungen von Verfahren 1300 können mit diesen Systemen und Verfahren ausgeführt werden und sind folglich hier nicht nochmals beschrieben.
  • In Block 1310 werden Vielfach-Strahlungsmuster erzeugt, indem man mehrere erste Strahlungen mit einer eindeutigen Kombination eines oder mehrerer Modulatoren moduliert, wobei jede der ersten Strahlungen mindestens einen eindeutigen Strahlungsweg, eine eindeutige Quelle, ein eindeutiges Quell-Spektrum oder eine eindeutige Quell-Polarisation in Bezug auf die sonstigen ersten Strahlungen besitzen. In einigen Ausführungen umfasst mindestens eine der ersten Strahlungen einen eindeutigen Abschnitt eines Strahlungsfelds in Bezug auf die sonstigen ersten Strahlungen. In einer Ausführungsform besitzt mindestens eine der ersten Strahlungen mindestens ein eindeutiges Spektrum oder eindeutige Polarisation in Bezug auf die sonstigen ersten Strahlungen. In einigen Ausführungen hat mindestens eine der ersten Strahlungen eine spektrale Verteilung. In einigen Ausführungen ist mindestens eine der ersten Strahlungen teilweise räumlich kohärent. In einigen Ausführungen werden mindestens zwei der ersten Strahlungen der Reihe nach erzeugt, indem man mindestens ein Spektrum oder die Polarisation einer einzigen Strahlungsquelle variiert. In einer Ausführung werden mindestens zwei der ersten Strahlungen erzeugt, indem man einen Pfad eines oder mehrerer Abschnitte der Strahlung von einer einzigen Strahlungsquelle ändert. In einer Ausführung kann mindestens eine der ersten Strahlungen auf mindestens eine der Modulatoren mit mindestens einem Dispersionselement oder polarisationsselektiven Element gelenkt werden.
  • In einigen Ausführungen werden die mehreren ersten Strahlungen durch mehrere eindeutige Strahlungsquellen erzeugt. Mindestens eine der vielen Strahlungsquellen kann im Spektrum oder in der Polarisation in Bezug auf mindestens eine der sonstigen Strahlungsquellen unterschiedlich sein. Die vielen eindeutigen Strahlungsquellen können mehrere Elemente mindestens einer Reihe von Laserdioden aufweisen. In einigen Ausführungen können die eindeutigen Strahlungsquellen eine Reihe Wellenleiter-Ausgänge umfassen. In einigen Ausführungen können die Wellenleiter-Ausgänge Elemente einer flexiblen Wellenleiterreihe mit je einem Strahlungskanal sein und die Modulatoren eine Rehe von Streuelementen oder eine Musterschablone sein, welche die ersten Strahlungen von den Wellenleiter-Ausgängen am Ende des flexiblen Wellenleiters modulieren. Die flexible Wellenleiterreihe mit einem Strahlungskanal kann Teil eines Endoskops sein.
  • In einigen Ausführungen moduliert jeder der Modulatoren räumlich die Amplitude. Phase oder Polarisation von einer oder mehreren der ersten Strahlung. In einigen Ausführungen umfasst der Modulator ein Streuelement. In einigen Ausführungen ist der Modulator reflektierend ausgebildet. In einigen Ausführungen umfassen die Modulatoren mehrere Elemente aber Reche oder Schichtstrukturen. In einigen Ausführungen kann mindestens eine der Modulatoren in der Zeit variieren.
  • In einigen Ausführungen können die Modulatoren ein Hologramm umfassen. In einigen Ausführungen kann mindestens eine der ersten Strahlungen das Hologramm von einer eindeutigen Richtung in Bezug auf mindestens eine sonstige erste Strahlung beleuchten, die das Hologramm beleuchtet. Mindestens eine der ersten Strahlungen, die das Hologramm beleuchten, kann ein eindeutiges Spektrum oder eine eindeutige Polarisation in Bezug auf mindestens eine sonstige erste Strahlung haben, die das Hologramm beleuchtet.
  • In einigen Ausführungen umfasst der Modulator eine sich ausbreitende, akustische Störung in einer akustich-optischen Vorrichtung. In einigen Ausführungen hat mindestens eine der ersten Strahlungen eine spektrale Verteilung. In einigen Ausführungen ist mindestens eine der ersten Strahlungen teilweise räumlich kohärent. In einigen Ausführungen umfasst mindestens einer der Modulatoren ein konfigurierbares Muster in mindestens einer Flüssigkristallreihe oder digitalen Mikrospiegel-Vorrichtungsreihe.
  • Im Block 1320 wird die Stelle am Objekt mit einem Abschnitt von zwei oder mehr der Strahlungsmuster beleuchtet, wobei die Stelle viele Objektstrahlungen in Erwiderung auf die Strahlungsmuster erzeugt. In einigen Ausführungen beleuchten mindestens zwei der Strahlungsmuster das Objekt in Folge. Die sequenzielle Beleuchtung kann durch das Steuern mindestens einer Strahlungsquelle, eines oder mehrerer der Modulatoren oder eine Verschattungsvorrichtung erfolgen.
  • In einigen Ausführungen variiert eine Amplitude, eine Position, eine Skalierung oder eine Orientierung von einem oder mehreren der Strahlungsmuster in der Zeit. Diese Variation kann mit der Bewegung, der Skalierung, der Änderung in der Orientierung oder der Beleuchtungsreaktion des Objekts im wesentlichen korreliert sein.
  • In einigen Ausführungen hat jedes der Strahlungsmuster ein eindeutiges Spektrum oder eine eindeutige Polarisation in Bezug auf die sonstigen Strahlungsmuster, wie dies durch die Strahlungsquelle, den Filter, das Dispersionselement oder mindestens einen der Modulatoren beeinflusst werden kann. Das mindestens eine eindeutige Spektrum oder die eindeutige Polarisation kann in der Zeit variieren.
  • Im Block 1330 werden mehrere Messwerte erzeugt, indem man die Objekt-Strahlungen von der Stelle am Objekt ermittelt, wobei einzelne oder mehrere Detektorelemente verwendet werden. In einigen Ausführungen werden die Objekt-Strahlungen von der Stelle am Objekt in Erwiderung auf die Beleuchtung durch eine Mehrzahl der Detektorelemente ermittelt, um je ein Bild des Objekts aufzuzeichnen. In einigen Ausführungen zeichnen mindestens zwei Detektoren Bilder des Objekts in Folge auf. Die sequenzielle Aufzeichnung kann erfolgen, indem die Startzeit und die Dauer der Strahlungsintegration für jede besagte Detektorreihe elektronisch gesteuert wird. In einigen Ausführungen wird die sequenzielle Aufzeichnung durch das Modulieren des Amplitude der Objektstrahlungen durch jede besagte Datektorreihe mit einer Verschattungsvorrichtung erzielt. Die Verschattungsvorrichtung kann eine Flüssigkristallvorrichtung umfassen.
  • In einigen Ausführungen zeichnet jeder von mindestens zwei Detektoren Bilder des Objekts auf, die mindestens ein eindeutiges Spektrum oder eine eindeutige Polarisation in Bezug auf die sonstigen aufgezeichneten Bilder haben. Dies kann durch Streuen oder Filtern der Objekt-Strahlung erfolgen. Der Filter kann eine Flüssigkristallvorrichtung umfassen. In einigen Ausführungen kann das eindeutige Spektrum oder die eindeutige Polarisation der Bilder in der Zeit variieren.
  • Im Block 1340 wird die Stelle am Objekt basierend auf den vielen Messwerten berechnet. In einigen Ausführungen werden die Strahlungsmuster im wesentlichen entlang einer Beleuchtungs-Mittellinie und regelmäßig entlang zur Beleuchtungs-Mittellinie im wesentlichen orthogonal ausgerichtet, um so eine eindeutige Raumfrequenz entlang besagter Richtung aufzuweisen. Die Berechnung der Stelle am Objekt umfasst das Berechnen einer periodischen Funktion der Messwerte, zunächst mit grober Winkelauflösung mit einer Frequenz der periodischen Funktion, einem Beleuchtungswinkel zwischen der Beleuchtungs-Mittellinie und einer Richtung von einer bekannten Stelle auf der Beleuchtungs-Mittellinie zur Stelle am Objekt auf eine Beleuchtungsebene, dann die Berechnung des Beleuchtungswinkels mit feiner Winkelauflösung mit einer Phase der periodischen Funktion. Die Detektorelemente können Objekt-Strahlungen von dem Objekt ermitteln, die im wesentlichen entlang einer Abbildungs-Mittellinie ausgerichtet sind, wobei die Berechnung der Stelle ein Objekt das Erfassen einer lokalisierenden Richtung von einer bekannten Stelle auf der Abbildungs-Mittellinie zur Stelle am Objekt umfasst und die Stelle am Objekt vom erfassten Beleuchtungswinkel und von bekannten Stellen durch Triangulation abgeleitet wird. In einigen Ausführungen variiert mindestens eines der Strahlungsmuster entlang einer Mehrzahl von Richtungen. In einigen Ausführungen ist mindestens eines der periodischen Strahlungsmuster ein Fourier-Bestandteil eines nicht-periodischen Strahlungsmusters.
  • In einigen Ausführungen können mehrere Stellen am Objekt berechnet werden, basierend auf vielen Messwerten für jede Stelle. Einige Ausführungen können das Berechnen einer dreidimensionalen Oberfläche des Objekts umfassen, die auf den vielen erfassten Stellen basiert.
  • 14 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 1400 zum Erfassen einer Stelle auf einem Objekt in eher dreidimensionalen Szene zeigt. Das Verfahren 1400 kann mit den Systemen von 1 bis 8 ganz oder teilweise durchgeführt werden und die Verfahren entsprechend 6 und 9–12 verwenden. Zusätzliche Aspekte und Ausführungen des Verfahrens 1400 können aus der vorausgehenden Beschreibung dieser Systeme und Verfahren entnommen werden, so dass diese folglich hier nicht mehr wiederholt werden.
  • Im Block 1410 werden mehrere Strahlungsmuster erstellt, wobei mindestens eines der Muster im wesentlichen kontinuierlich und nicht-periodisch sowie nicht-monoton entlang einer oder mehreren Richtungen variieren kann.
  • Im Block 1420 wird die Stelle am Objekt mit zwei oder mehr Strahlungsmustern beleuchtet, de in Bezug auf sonstige Stellen am Objekt im wesentlichen eindeutig sind, wobei viele Objekt-Strahlungen in Erwiderung auf die Strahlungsmuster erzeugt werden.
  • Im Block 1430 werden mehrere Messwerte erfasst, indem man die Objekt-Strahlungen von der Stelle am Objekt mit einzelnen oder mehreren Detektorelementen erfasst.
  • Im Block 1440 wird die Stelle am Objekt basierend auf den vielen Messwerten berechnet. In einigen Ausführungen werden zwei oder mehr Muster erzeugt, indem man ein erstes Muster entlang einer oder mehreren Richtungen der Muster-Variation verschiebt. Das erste Muster kann eine räumlich variierende Periode entlang der verschobenen Richtung aufweisen, die zu einer Beleuchtungs-Mittellinie im wesentlichen orthogonal ist, oder mehrere verschobene Muster können am Objekt entlang der Beleuchtungs-Mittellinie ausgerichtet sein, und das Berechnen der Stelle am Objekt kann das Erfassen einer periodischen Funktion von der Mehrzehl der Messwerte umfassen; mit grober Winkelauflösung mit einer Periode der periodischen Funktion, einem Beleuchtungswinkel zwischen der Beleuchtungs-Mittellinie und einer Richtung von einer bekannten Stelle auf der Beleuchtungs-Mittellinie sowie einer Beleuchtungsebene, welche die Richtung der Perioden-Variation des ersten Musters und der Beleuchtungs-Mittelinie umfassen. In einigen Ausführungen ermitteln ein oder mehrere Detektorelemente die Objektstrahlungen vom Objekt, die im wesentlichen entlang einer Abbildungs-Mitellinie ausgerichtet sind, wobei die Berechnung der Stelle am Objekt das Erfassen einer lokalisierenden Richtung von einer bekannten Stelle auf der Abbildungs-Mittellinie zur Stelle am Objekt mit einer bekannten Stelle der Detektorelemente umfasst und die Stelle am Objekt mit dem Beleuchtungswinkel, der lokalisierenden Richtung und den bekannten Stellen auf den Beleuchtungs- und Abbildungsachsen durch Triangulation ermittelt wird. In einigen Ausführungen variiert mindestens eines der Strahlungsmuster entlang einer Mehrzahl von Richtungen. In einigen Ausführungen beleuchten mindestens zwei der Muster die Stelle am Objekt von unterschiedlichen Richtungen, wobei die Beleuchtungsachse in Bezug auf sonstige Stellen am Objekt eindeutig ist und entlang einer oder mehreren Richtungen der Muster Variation von besagter Stelle liegt. In einigen Ausführungen greift die Berechnung der Stelle am Objekt auf eine Nachschlagetabelle zurück.
  • In einigen Ausführungen kann das Verfahren 1400 die Berechnung mehrerer Beleuchtungs-Symbols in einem lokalisierenden Symbol-Raum aus den Muster umfassen, wobei jedes Beleuchtungs-Symbol einer eindeutigen Mehrzahl der Beleuchtungswerte an einer Stelle im Umfeld in Bezug auf sonstige Stellen in der Szene entspricht und von einer absoluten Skalierung und einem Versatz der Beleuchtungswerte an besagter Stelle in der Szene unabhängig ist. Ein Abbildungssymbol im lokalisierenden Symbol-Raum kann aus den Messwerten berechnet werden, wobei das Abbildungssymbol von der absoluten Skalierung und vom Versatz der Messwerte unabhängig ist. Dabei kann eine Korrespondenz zwischen dem Abbildungssymbol und den Beleuchtungs-Symbolen im lokalisierenden Symbol-Raum hergestellt werden.
  • In einigen Ausführungen werden zwei oder mehrere der Strahlungsmuster am Objekt im wesentlichen entlang einer Beleuchtungs-Mittellinie ausgerichtet und variieren in einer Richtung, die zur Beleuchtungs-Mittellinie im wesentlichen orthogonal ist. Das Berechnen der Stelle am Objekt kann das Erfassen der Korrespondenz zwischen dem Abbildungssymbol und den Beleuchtungs-Symbolen umfassen, wobei eine Beleuchtungsebene miteinbezogen wird, die eine Richtung der Muster-Variation und der Beleuchtungs-Mittellinie umfasst. In einigen Ausführungen können die Detektorelemente Objekt-Strahlungen vom Objekt ermitteln, die im wesentlichen entlang einer Abbildungsmittellinie ausgerichtet sind. Das Erfassen der Stelle am Objekt kann das Berechnen einer lokalisierenden Richtung von einer bekannten Stelle auf der Abbildungsmittellinie zur Stelle am Objekt mit den bekannten Stellen auf den Beleuchtungs- und Abbildungsachsen durch Triangulation umfassen.
  • In einigen Ausführungen kann das Verfahren 1400 das Messen der Mehrfach-Beleuchtungen umfassen, um viele Beleuchtungswerte an jeder Stelle in der Szene zu erzeugen, um viele Beleuchtungswerte zu erzeugen. In einigen Ausführungen umfasst die Symbolberechnung das Berechnen eines Symbol-Vektors von einem Quell-Vektor, der die Messwerte umfasst oder die Beleuchtungswerte, indem sie ein lineares Verhältnis berechnen und den Quell-Vektor transformieren. In einigen Ausführungen umfasst die Symbolberechnung das Berechnen eines Symbol-Vektors von einem Quell-Vektor, der die Messwerte oder die Beleuchtungswerte umfasst, indem ein Verhältnis eines Unterschiedes zwischen dem Quell-Vektor und der linearen Kombination der linearen Quelle-Vektorelemente gebildet wird.
  • In einigen Ausführungen kann das Verfahren 1400 eine sich ausbreitende, akustische Störung in einer akusto-optischen Vorrichtung umfassen, um mindestens eines der Muster zu erzeugen. Wenigstens eines der akustisch-optisch erzeugten Muster kann in der Amplitude und in der Zeit variieren. In einigen Ausführungen hat die Bestrahlung bzw. Beleuchtung eine spektrale Verteilung oder ist teilweise räumlich kohärent. In einigen Ausführungen umfasst das Vielfach-Muster eine Mehrzahl verschobener Muster, die durch die mindestens eine akusto-optische Vorrichtung mit einer Sequenz der Strahlungsimpulse oder Modulieren der Amplitude der Strahlung mit einer Sequenz von Impulsen gebeugt werden.
  • Die in 1 bis 14 beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme können eine in 15 gezeigte Berechnungsvorrichtung 1500 verwenden, die individuelle Systemelemente in einer getrennten oder mehrfach integrierten Weise implementiert. Die Vorrichtung 1500 umfasst Hardwareelemente, die über einen Bus 1526 elektrisch verbunden sind. Die Hardwareelemente können einen Prozessor 1502, ein Eingabegerät 1504, ein Ausgabegerät 1506, einen Speicher 1508, einen maschinell lesbaren Speichermedium-Leser 1510a, ein Kommunikationssystem 1514, eine Verarbeitungsbechleunigungs-Einheit 1516, wie ein DSP oder einen Prozessor für einem speziellen Zweck, und einen Speicher 1518 umfassen. Der maschinell lesbare Speichermedium-Leser 1510a kann an ein maschinell lesbares Speichermedium 1510b, wie lokale, örtlich festgelegte und/oder entfernbare Speicher plus Speichermedien vorübergehend oder dauerhaft angeschlossen werden. Das Kommunikations-System 1514 kann ein verdrahtetes oder ein drahtloses Modem oder einen sonstigen Schnittstellen-Anschlusstyp umfassen und ermöglicht, die Daten vom Mehrkanal-Erfassungssystem zu sammeln. In einigen Fällen kann eine solche Datenerfassung durch das Kommunikationssystem in Echtzeit durchgeführt werden. In einigen Fällen kann zum Beispiel das Berechnen der Stelle am Objekt mit einer Nachschlagetabelle erfolgen, die innerhalb des Speichers 1518, des Speichergeräts 1508, auf maschinell lesbaren Speichermedien 1510 und/oder innerhalb der Speicherelemente gespeichert wird und auch innerhalb des Prozessors 1502 und/oder der Verarbeitungsbeschleunigungs-Einheit 1516 eingebettet sein kann.
  • Die Vorrichtung 1500 kann auch Softwareelemente umfassen, die z. B. Innerhalb des Arbeitsspeichers 1520 ein Betriebssystem 1524 und sonstige Codes 1522 umfassen kann, wie ein Programm, um das Verfahren der Erfindung zu implementieren. So kann z. B. die Vorrichtung 1500 Verarbeitungscodes oder Befehle umfassen, um eine Stelle am Objekt zu erfassen, basierend auf vielen Messwerten. Der Verarbeitungscode kann benutzt werden, um Bilder des Objekts zu rekonstruieren, zu synthetisieren, anzuzeigen und/oder zu analysieren. Solche Codes können auch zur Steuerung und/oder Ausführung der Mehrkanal-Erfassungssysteme implementiert sein. Für Fachleute ist klar, dass Variationen entsprechend spezifischen Anforderungen verwendet werden können, So könnte auch kundengebundene Hardware verwendet sein und/oder spezielle Elemente in der Hardware oder Software (wie Applets) implementiert werden. Zudem kann ein Anschluss zu weiteren Rechnern oder Netzwerken eingesetzt werden.
  • Es sei angemerkt, dass die oben beschriebenen Verfuhren, Systeme und Vorrichtungen als Beispiele gelten sollen. So können bei verschiedenen Ausführungen Elemente weglassen werden, Ersatzbauteile verwendet werden oder verschiedene Verfahrensschritte oder Bestandteile hinzugefügt werden. Zum Beispiel können in alternativen Ausführungen die Verfahrensschritte zeitlich umgruppiert werden oder verschiedene Schritte hinzugefügt, weggelassen oder kombiniert werden. Auch die Merkmale, die in Bezug auf bestimmte Ausführungen beschrieben wurden, können in manchen Ausführungen kombiniert werden. Unterschiedliche Aspekte und Elemente der Ausführungen können in einer ähnlichen Weise kombiniert werden. Auch sollte hervorgehoben werden, dass sich die Technologie weiter entwickelt und so später neue Elemente eingesetzt werden können.
  • Die spezifische Beschreibung ist dazu gedacht, ein vollständiges Verständnis der Erfindung zur Verfügung zu stellen. Es ist jedoch verständlich, dass Verkörperungen ohne diese spezifischen Details realisiert werden können. So sind weithin bekannte Stromkreise, Verfahren, Algorithmen, Strukturen und Techniken hier ohne unnötige Details gezeigt.
  • Es sei auch angemerkt, dass die Ausführungen als Verfahren beschrieben werden können, das als Flussdiagramm oder Blockdiagramm bildlich dargestellt wird. Obgleich das Verfahren als sequenzielles Verfahren beschrieben ist, kann es parallel bzw. zumindest teilweise gleichzeitig durchgeführt werden. Zudem kann ein Verfahren zusätzliche Schritte aufweisen, die hier nicht in den Abbildungen gezeigt sind.
  • Weiterhin kann der Begriff „Speicher” oder „Speicher-Einheit” eine oder mehrere Vorrichtungen zum Speichern von Daten repräsentieren, wie Nur-Lese-Speicher (ROM), Direktzugriffsspeicher (RAM), magnetischer RAM, Kern-Speicher, Magnetplatten-Speichermedien, optische Speichermedien, Flash-Speichervorrichtungen oder sonstige maschinell lesbare Medien zum Speichern von Information umfassen. Der Begriff „maschinell lesbares Medium” umfasst in nicht begrenzender Weise tragbare oder örtlich festgelegte Speichervorrichtungen, optische Speichervorrichtungen, drahtlose Kanäle, SIM-Karten, sonstige Chipkarten und viele Medien, die zum Speichern fähig sind und Befehle oder Daten enthalten oder tragen.
  • Zudem können Ausführungen durch Hardware, Software, Firmware, Mikrocodes, Hardware-Sprachen oder jede mögliche Kombination davon Implementiert werden. Wenn sie in der Software implementiert werden, können Firmware oder Mikrocodes Programme oder Code-Segmente, um die notwendigen Aufgaben durchzuführen, in einem maschinell lesbaren Medium wie einem Speichermedium gespeichert werden. Prozessoren können damit dann die notwendigen Schritte durchführen.
  • Innerhalb der beschriebenen Erfindung sind für Fachleute verschiedene Modifikationen oder alternative Aufbauten möglich. So können die oben genannten Elemente Bestandteile eines größeren Systems sein. Dementsprechend sollte die oben genannte Beschreibung nicht als begrenzend für die Erfindung gelten, die in den folgenden Ansprüchen definiert wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (77)

  1. Verfahren zur Erfassung einer Stelle eines Objekts in einem dreidimensionalen Umfeld, wobei das Verfahren die Schritte umfasst a) Erzeugen einer Mehrzahl von Strahlungsmustern durch räumliches Modulieren von jeweils einer Mehrzahl von ersten Strahlungen mit einer eindeutigen Kombination von einer oder mehreren einer Mehrzahl von Modulatoren, wobei jede der ersten Strahlungen mindestens einen eindeutigen Strahlungsweg, eine eindeutige Quelle, ein eindeutiges Quellspektrum oder eine eindeutige Quellpolarisation in Bezug auf die sonstigen ersten Strahlungen aufweist; b) Beleuchten der Stelle am Objekt mit einem Teil von jeweils zwei oder mehreren aus der Mehrzahl der Strahlungsmuster, wobei die Stelle mehrere Objekt-Strahlungen liefert, die in Erwiderung auf eine der Mehrzahl der Strahlungsmuster erzeugt werden; c) Erzeugen einer Mehrzahl von Messwerten durch Ermitteln der Objektstrahlungen von der Stelle am Objekt in Folge jeden Musters mit einem oder mehreren Detektorelementen; und d) Erfassen der Stelle am Objekt, basierend auf der Mehrzahl der Messwerte.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten Strahlungen einen eindeutigen Abschnitt eines Strahlungsfelds im Vergleich zu einer der sonstigen ersten Strahlungen umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten Strahlungen ein eindeutiges Spektrum und/oder eine eindeutige Polarisation im Vergleich zu einer der sonstigen ersten Strahlungen aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten Strahlungen eine spektrale Verteilung aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten Strahlungen teilweise räumlich kohärent ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei der ersten Strahlungen der Reihe nach erzeugt werden, indem ein Spektrum und/oder eine Polarisation einer einzigen Strahlungsquelle variiert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei der ersten Strahlungen erzeugt werden, Indem ein Pfad eines Teils der Strahlung von einer einzigen Strahlungsquelle geändert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der ersten Strahlungen durch eine Mehrzahl von eindeutigen Strahlungsquellen erzeugt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei mindestens eine der Mehrzahl von Strahlungsquellen ein eindeutiges Spektrum und/oder eine eindeutige Polarisation im Vergleich zu mindestens einer der sonstigen Strahlungsquellen aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend das Ausrichten von mindestens einer der ersten Strahlungen auf wenigstens eine der Modulatoren unter Verwendung von mindestens einem Streuelement oder polarisationsselektiven Element.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Mehrzahl der eindeutigen Strahlungsquellen eine Mehrzahl von Elementen mit mindestens einer Reihe von Laserdioden oder Leuchtdioden umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Mehrzahl der eindeutigen Strahlungsquellen eine Mehrzahl von Elementen mit einer Reihe von Wellenleiter-Ausgängen umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Wellenleiter-Ausgänge von Elementen mit einer flexiblen optischen Strahlungsführung gebildet sind und die Modulatoren eine Reihe von mindestens einem Beugungselement oder eine Maske umfasst, welche die ersten Strahlungen an den Wellenleiter-Ausgängen am Ende der flexiblen, optischen Strahlungsführung moduliert, um die Mehrzahl der Strahlungsmuster zu erzeugen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die flexible, optische Strahlungsführung Teil eines Endoskops ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder der Modulatoren eine Amplitude, eine Phase und/oder eine Polarisation von einer oder mehreren der ersten Strahlungen räumlich moduliert.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Modulatoren ein Beugungselement umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Modulatoren reflektierend ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Modulatoren eine Mehrzahl von Elementen einer Strukturenreihe umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Modulatoren eine oder mehrere Vielfach-Schichtstrukturen umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Modulatoren ein Hologramm umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei mindestens eine der ersten Strahlungen das Hologramm von einer eindeutiger Richtung beleuchtet im Vergleich zu mindestens einer sonstigen, ersten Strahlung, die das Hologramm beleuchtet.
  22. Verfahren nach Anspruch 20, wobei mindestens eine der ersten Strahlungen, die das Hologramm beleuchtet, ein eindeutiges Spektrum und/oder eine eindeutige Polarisation aufweist im Vergleich zu mindestens einer sonstigen, ersten Strahlung, die das Hologramm beleuchtet.
  23. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Modulatoren in der Zeit variiert.
  24. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Modulatoren eine sich ausbreitende, akustische Störung in einer akusto-optischen Vorrichtung umfasst.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei mindestens eine der ersten Strahlungen eine spektrale Verteilung aufweist.
  26. Verfahren nach Anspruch 24, wobei mindestens eine der ersten Strahlungen teilweise räumlich kohärent ist.
  27. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der modulierenden Strukturen ein rekonfigurierbares Muster in wenigstens einer Flüssigkristallreihe oder einer digitalen Mikrospiegel-Vorrichtungsreihe umfasst.
  28. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei der Strahlungsmuster das Objekt sequenziell beleuchten.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei die sequenzielle Beleuchtung durch Steuern mindestens einer Strahlungsquelle, eines oder mehrerer der Modulatoren oder einer Abschattungsvorrichtung erfolgt.
  30. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Amplitude, eine Position, eine Skalierung und/oder eine Orientierung von einem oder mehreren der Strahlungsmuster in der Zeit variiert.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Variation der Amplitude, der Position, der Skalierung und/oder der Orientierung in der Zeit vom einem oder mehreren der Strahlungsmuster im wesentlichen mit einer Bewegung, einer Skalierung, einer Änderung in der Orientierung und/oder in der Beleuchtungsreaktion des Objekts korreliert wird.
  32. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes von mindestens einem der Strahlungsmuster ein eindeutiges Spektrum und/oder eine eindeutige Polarisation im Vergleich zu mindestens einem der sonstigen Strahlungsmuster aufweist.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei das eindeutige Spektrum und/oder die eindeutige Polarisation eines Strahlungsmusters von einer Strahlungsquelle, einem Filter, einem Dispersionselement und/oder einem oder mehrerer der Modulatoren abgeleitet ist.
  34. Verfahren nach Anspruch 32, wobei das eindeutige Spektrum und/oder die eindeutige Polarisation in der Zeit variiert.
  35. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Objekt-Strahlungen von der Stelle am Objekt in Erwiderung auf die Beleuchtung durch eine Mehrzahl von Detektorelementen ermittelt werden, wobei jedes Detektorelement zu einer Mehrzahl der Detektorreihen gehört und jede Detektorreihe ein Bild des Objekts aufzeichnet.
  36. Verfahren nach Anspruch 35, wobei mindestens zwei der Detektorreihen Bilder des Objekts sequentiell aufzeichnen.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei die sequenzielle Aufzeichnung durch elektronische Steuerung der Startzeit und Dauer der Strahlungseinwirkung für jede der Detektorreihen erfolgt.
  38. Verfahren nach Anspruch 36, wobei die sequenzielle Aufzeichnung durch das Modulieren der Amplituden der Objekt-Strahlungen für jede der Detektorreihen mit einer Abschattungsvorrichtung erfolgt.
  39. Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Abschattungsvorrichtung eine Flüssigkristallvorrichtung umfasst.
  40. Verfahren nach Anspruch 35, wobei jede von mindestens zwei der Detektorreihen Bilder des Objekts aufzeichnet, wobei die Bilder ein eindeutiges Spektrum und/oder eine eindeutige Polarisation aufweisen, im Vergleich zu den sonstigen aufgezeichneten Bildern.
  41. Verfahren nach Anspruch 40, wobei das eindeutige Spektrum und/oder die eindeutige Polarisation der Bilder auf einen Filter beruht, der die Objekt-Strahlung durch die Detektorreihe filtert.
  42. Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Filter eine Flüssigkristallvorrichtung umfasst.
  43. Verfahren nach Anspruch 40, wobei das eindeutige Spektrum und/oder die eindeutige Polarisation der Bilder auf ein Streuelement beruht, das die Objekt-Strahlung streut.
  44. Verfahren nach Anspruch 40, wobei das eindeutige Spektrum und/oder die eindeutige Polarisation der Bilder in der Zeit variiert wird.
  45. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strahlungsmuster am Objekt im wesentlichen entlang einer Beleuchtungsmittellinie ausgerichtet werden und im wesentlichen regelmäßig entlang einer Richtung variieren, die zur Beleuchtungsmittellinie im wesentlichen orthogonal ist, sowie eindeutige Raumfrequenzen entlang dieser Richtung aufweisen, und die Objekt-Erfassung auf der Mehrzahl der Messwerte basiert, umfassend die Schritte: e) Ermitteln einer periodischen Funktion aus der Mehrzahl der Messwerte; f) Erfassung mit grober Winkelauflösung, wobei eine Frequenz der periodischen Funktion, ein Beleuchtungswinkel zwischen der Beleuchtungsmittellinie und eine Richtung von einer bekannten Stelle auf der Beleuchtungsmittellinie zur Stelle am Objekt, das geometrisch auf eine Beleuchtungsebene projiziert wird, die die Richtung der Muster-Variation und der Beleuchtungsmittellinie umfasst; g) Erfassen des Beleuchtungswinkels mit feiner Winkelauflösung mit einer Phase der periodischen Funktion, wobei die feine Auflösung einen mehrdeutigen Winkelversatz hat; und h) Auflösen des mehrdeutigen Winkelversatzes unter Verwendung der groben Winkelauflösungserfassung.
  46. Verfahren nach Anspruch 45, wobei das eine oder mehrere Detektorelemente die Objekt-Strahlungen ermitteln, die im wesentlichen entlang einer Abbildungsmittellinie ausgerichtet sind und die Stelle am Objekt basierend auf der Mehrzahl der Messwerte erfasst, weiterhin umfassend die Schritte: i) Erfassen einer lokalisierenden Richtung von einer bekannten Stelle auf der Abbildungsmittellinie zur Stelle am Objekt mit der bekannten Stelle des mindestens einen Detektorelements; und j) Ermitteln der Stelle am Objekt mit dem erfassten Beleuchtungswinkel, der erfassten lokalisierenden Richtung und den bekannten Stellen auf den Baleuchtungs- und Abbildungsachsen durch Triangulation.
  47. Verfahren nach Anspruch 45, wobei mindestens eines der Strahlungsmuster entlang einer Mehrzahl von Richtungen variiert.
  48. Verfahren nach Anspruch 45, wobei mindestens eines der periodischen Strahlungsmuster ein Fourier-Bestandteil eines nicht-periodischen Strahlungsmusters ist.
  49. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend den Schritt des Erfassens einer dreidimensionalen Oberfläche des Objekts von einer Mehrzahl von Stellen aus durch Widerholen der Schritte a) bis d).
  50. Verfahren zur Erfassung einer Stelle auf einem Objekt in einem dreidimensionalen Umfeld, umfassend die Schritte: a) Erzeugen einer Mehrzahl von Strahlungsmustern, wobei mindestens eines der Muster im wesentlichen kontinuierlich, im wesentlichen nicht-periodisch und im wesentlichen nicht-monoton entlang einer oder mehrerer Richtungen variieren; b) Beleuchten der Stehe am Objekt mit einem Teil jeweils zwei oder mehr der Mehrzahl der Strahlungsmuster, wobei die Beleuchtung in Vergleich zu sonstigen Stellen am Objekt im wesentlichen eindeutig ist und die Stelle eine Mehrzahl von Objekt-Strahlungen liefert, die in Erwiderung auf eine der Mehrzahl der Strahlungsmuster erzeugt wurden; c) Erzeugen einer Mehrzahl von Messwerten durch das Ermitteln der Objekt-Strahlungen von der Stelle am Objekt mit mindestens einem Detektorelement; und d) Erfassen der Stelle am Objekt, basierend auf der Mehrzahl der Messwerte.
  51. Verfahren mach Anspruch 50, wobei zwei oder mehr der Strahlungsmuster erzeugt werden, indem man ein erstes Muster entlang einer oder mehreren Richtungen der Muster-Variation verschiebt.
  52. Verfahren nach Anspruch 51, wobei das erste Muster eine räumlich variierende Periode entlang der Verschieberichtung aufweist, die zu einer Beleuchtungsmittellinie im wesentlichen orthogonal ist, wobei die zwei oder mehr verschobenen Muster am Objekt im wesentlichen entlang der Beleuchtungsmittellinie ausgerichtet sind und die Stelle am Objekt mit folgenden Schritten erfasst wird: e) Ermitteln einer periodischen Funktion aus der Mehrzahl der Messwerte; f) Erfassung mit grober Winkelauflösung unter Verwendung einer Periode der periodischen Funktion, eines Beleuchtungswinkels zwischen der Beleuchtungsmittellinie und einer Richtung von einer bekannten Stelle auf der Beleuchtungsmittellinie zur Stelle am Objekt mit geometrischer Projektion auf eine Beleuchtungsebene, die die Richtung der Perioden-Variation und der Beleuchtungsmittellinie umfasst; g) Erfassen des Beleuchtungswinkels mit feiner Winkelauflösung mit einer Phase der periodischen Funktion, wobei die feine Auflösung einen mehrdeutigen Winkelversatz hat; und h) Auflösen des mehrdeutigen Winkelversatzes unter Verwendung der groben Winkelauflösungserfassung.
  53. Verfahren nach Anspruch 52, wobei das mindestens eine Detektorelement die Objekt-Strahlungen ermittelt, die im wesentlichen entlang einer Abbildungsmittellinie ausgerichtet sind und die Stelle am Objekt basierend auf der Mehrzahl der Messwerte erfasst, weiterhin umfassend die Schritte: i) Erfassen einer lokalisierenden Richtung von einer bekannten Stelle auf der Abbildungsmittellinie zur Stelle am Objekt mit der bekannten Stelle des mindestens einen Detektorelements; und j) Ermitteln der Stelle am Objekt mit dem erfassten Beleuchtungswinkel, der erfassten lokalisierenden Richtung und den bekannten Stellen auf den Beleuchtungs- und Abbildungsachsen durch Triangulation.
  54. Verfahren nach Anspruch 52, wobei mindestens eines der Strahlungsmuster entlang einer Mehrzahl von Richtungen variiert.
  55. Verfahren nach Anspruch 50, weiter umfassend die Schritte: e) Berechnen mehrerer Beleuchtungssymbole in einem lokalisierenden Symbol-Raum von der Mehrzahl der Muster, wobei jedes Beleuchtungssymbol einer eindeutigen Mehrzahl von Beleuchtungswerten an einer Stelle in der Szene in Bezug auf sonstige Stellen in der Szene entspricht und von einer absoluten Skalierung und einem Versatz der Mehrzahl der Beleuchtungswerte an besagter Stelle in der Szene unabhängig ist; f) Berechnen eines Abbildungssymbols im lokalisierenden Symbol-Raum von der Mehrzahl der Messwerte, wobei das Abbildungssymbol von der absoluten Skalierung und von dem Versatz der Messwerte unabhängig ist; und g) Bilden einer Korrespondenz zwischen dem Abbildungssymbol und dem Beleuchtungssymbol im lokalisierenden Symbol-Raum.
  56. Verfahren nach Anspruch 55, wobei zwei oder mehr der Strahlungsmuster am Objekt im wesentlichen entlang einer Beleuchtungsmittellinie ausgerichtet sind und in einer Richtung variieren, die zur Beleuchtungsmittellinie im wesentlichen orthogonal ist und die Erfassung der Stelle auf dem Objekt weiter umfasst den Schritt des Ermittels der Korrespondenz zwischen dem Abbildungssymbol und einem der Beleuchtungssymbole eines Beleuchtungswinkels zwischen der Beleuchtungsmittellinie und einer Richtung von einer bekannten Stelle auf der Beleuchtungsmittellinie zur Stelle am Objekt mit geometrischer Projektion auf eine Beleuchtungsebene, die eine Richtung der Muster-Variation und die Beleuchtungsmittellinie umfasst.
  57. Verfahren nach Anspruch 56, wobei das mindestens eine Detektorelement die Objekt-Strahlungen ermittelt, die im wesentlichen entlang einer Abbildungsmittellinie ausgerichtet sind und das Erfassen der Stelle auf dem Objekt die weiteren Schritte umfasst: h) Ermitteln einer lokalisierenden Richtung von einer bekannten Stelle auf der Abbildungsmittellinie zur Stelle am Objekt mit der bekannten Stelle des mindestens einen Detektorelements; und i) Erfassen der Stelle auf dem Objekt vom ermittelten Beleuchtungswinkel aus, von der erfassten lokalisierenden Richtung und von den bekannten Stellen auf den Beleuchtungs- und Abbildungsachsen durch Triangulation.
  58. Verfahren nach Anspruch 55, weiter umfassend den Schritt des Messens der Mehrzahl von Beleuchtungen an jeder Stelle im Umfeld, um mehrere Beleuchtungswerte zu erzeugen.
  59. Verfahren nach Anspruch 55, wobei die Symbolberechnung das Berechnen eines Symbol-Vektors aus einem Quell-Vektor umfasst, der die Messwerte oder die Beleuchtungswerte beinhaltet, indem ein Verhältnis einer linearen Transformation des Quell-Vektors und einer linearen Kombination der Quell-Vektorelemente berechnet wird.
  60. Verfahren nach Anspruch 55, wobei die Symbolberechnung das Berechnen eines Symbol-Vektors aus einem Quell-Vektor umfasst, der die Messwerte oder die Beleuchtungswerte beinhaltet, wobei der Symbol-Vektor ein Verhältnis eines Unterschiedes zwischen dem Quell-Vektor und einem oder mehreren der Quell-Vektorelmente und der linearen Kombination der Quell-Vektorelemente umfasst.
  61. Verfahren nach Anspruch 55, wobei der lokalisierende Symbol-Raum eine Zuordnung zu einem linearen Vektor-Raum vornimmt und der Schritt des Herstellens einer Korrespondenz zwischen dem Abbildungssymbol und einem der Beleuchtungssymbole umfasst: h) Berechnen der Vektor-Norm des Vektorunterschiedes zwischen dem Abbildungssymbol und dem Beleuchtungssymbol für jedes Beleuchtungssymbol; und i) Herstellen der Korrespondenz zwischen dem Abbildungssymbol und dem Beleuchtungssymbol, um die minimale Vektor-Norm der berechneten Vektor-Normen zu berechnen.
  62. Verfahren nach Anspruch 50, weiter umfassend das Bestrahlen einer sich ausbreitenden, akustischen Störung in einer akusto-optischen Vorrichtung, um mindestens eines der Mehrzahl der Muster zu erzeugen.
  63. Verfahren nach Anspruch 62, wobei das mindestens eine der akusto-optisch erzeugten Muster während der besagten Erfassung im wesentlichen stationär gehalten wird, indem man die Amplitude dieses Musters in der Zeit variiert.
  64. Verfahren nach Anspruch 62, wobei die Bestrahlung, welche die akustische Störung beleuchtet, eine spektrale Verteilung besitzt.
  65. Verfahren nach Anspruch 62, wobei die Bestrahlung, welche die akustische Störung beleuchtet, teilweise räumlich kohärent ist.
  66. Verfahren nach Anspruch 62, wobei die Mehrzahl der Muster eine Mehrzahl von verschobenen Muster umfasst, die durch Beleuchten der akusto-optischen Vorrichtung mit einer Sequenz der Strahlungsimpulse und/oder durch Modulieren der Strahlungsamplitude an der akusto-optischen Vorrichtung mit einer Sequenz von Impulsen gebildet werden.
  67. Verfahren nach Anspruch 50, wobei mindestens zwei der Mehrzahl der Muster die Stelle am Objekt von im wesentlichen unterschiedlichen Richtungen aus beleuchten, wobei die Beleuchtung in Bezug auf sonstige Stellen am Objekt entlang der einen oder mehreren Richtungen der Muster-Variation von besagter Stelle im wesentlichen eindeutig ist.
  68. Verfahren nach Anspruch 50, wobei die Erfassung der Stelle am Objekt die Verwendung einer Nachschlagetabelle umfasst.
  69. System zur Erfassung eines Abstandes zu einer Stelle an einem Objekt in einem dreidimensionalen Umfeld, wobei das System umfasst: eine oder mehrere Strahlungsquellen für das Erzeugen einer Mehrzahl erster Strahlungen, wobei jede der ersten Strahlungen mindestens eine eindeutige Strahlungsquelle, einen eindeutigen Strahlungsweg, ein eindeutiges Quell-Spektrum oder eine eindeutige Quell-Polarisation in Bezug auf die sonstigen ersten Strahlungen aufweist; eine Mehrzahl von Modulatoren, um de Mehrzahl der ersten Strahlungen räumlich zu modulieren, wobei jede der ersten Strahlungen durch eine eindeutige Kombination von einer oder mehrerer der Modulatoren moduliert wird, um die Stelle am Objekt mit einem Teil von jedem der zwei oder mehr Strahlungsmuster zu beleuchten, wobei die Stelle eine Mehrzahl von Objekt-Strahlungen liefert, die in Erwiderung auf mindestens eines der Strahlungsmuster erzeugt werden; ein oder mehrere Detektorelemente für die Erfassung der Objekt-Strahlungen von der Stelle am Objekt und das Erzeugen einer Mehrzahl von Messwerten; und einen Prozessor in Verbindung mit dem wenigstens einen Detektorelement, das mit einem oder mehreren Prozessoren die Stelle am Objekt berechnet, basiert auf der Mehrzahl der Messwerte.
  70. System nach Anspruch 69, weiterhin umfassend ein integriertes dreidimensionales Erfassungssystem, das in einer mobilen elektronischen Vorrichtung eingebettet ist, wobei das integrierte dreidimensionale Erfassungssystem mindestens eine Strahlungsquelle, mehrere Modulatoren und wenigstens ein Detektorelement aufweist.
  71. System nach Anspruch 70, wobei die mobile elektronische Vorrichtung mindestens ein Mobiltelefon, einen Laptopcomputer, einen persönlichen digitalen Assistenten, ein tragbares Spielsystem, eine fotografische Kamera oder Videokamera umfasst.
  72. System nach Anspruch 69, wobei der mindestens eine Prozessor eine dreidimensionale Oberfläche des Objekts aus einer Mehrzahl von Stellen berechnet.
  73. System nach Anspruch 72, wobei eine oder mehrere Anzeigen für das Anzeigen der dreidimensionalen Oberfläche vorgesehen sind.
  74. System nach Anspruch 70, wobei zwei oder mehr Muster-Projektoren an getrennten Stellen der mobilen elektronischen Vorrichtung angeordnet sind.
  75. System nach Anspruch 70, wobei zwei oder mehr Bildaufnehmer an getrennten Stellen der mobilen elektronischen Vorrichtung angeordnet sind und einen oder mehrere Detektoren aufweisen.
  76. System in Anspruch 69, wobei der Prozessor die Stelle am Objekt mittels einer Nachschlagetabelle berechnet.
  77. System zum Erfassen eines Abstandes zu einer Stelle an einem Objekt in einem dreidimensionalen Umfeld, wobei das System umfasst: Mittel zum Erzeugen einer Mehrzahl von ersten Strahlungen, wobei jede der ersten Stahlungen mindestens eine eindeutige Quelle, einen eindeutigen Strahlungsweg, ein eindeutiges Quell-Spektrum oder eine eindeutige Quell-Polarisation besitzt; Mittel zum Erzeugen einer Mehrzahl von Strahlungsmuster, wobei eine Mehrzahl von Modulatoren vorgesehen ist, um jede der ersten Strahlungen durch eine eindeutige Kombination von einem oder mehreren der Modulatoren zu modulieren; Mittel zum Bestrahlen der Stelle am Objekt mit zwei oder mehr der Strahlungsmuster, wobei die Stelle eine Mehrzahl von Objekt-Strahlungen liefert, die in Erwiderung auf mindestens eines der Strahlungsmuster entstehen; Mittel zum Erfassen der Strahlungen von der Stelle am Objekt in Folge jeden Musters und Ermitteln einer Mehrzahl von Messwerten; und Mittel zum Berechnen der Stelle am Objekt, basierend auf der Mehrzahl der Messwerte.
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