(12) NACH DEM VERTRAG IlBER DIE INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT AUF DEM GEBIET DES
`PATENTWESENS (PCT) VEROFFENTLICHTE INTERNATIONALE ANMELDUNG
`\
`
`(19) Weltorganisation fiir geistigcs Eigentum
`
`g |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
`Internationales Euro
`(43) Internationales Veriiffentlichungsdatum g (10) Internationale Veriiffentlichungsnummer
`22. Februar 2018 (22.02.2018)
`W0 201 8[03 3446 A1
`
`W I P O 1 P C T
`
`(51) Internationale Patentklassifikation:
`G01S 7/499 (2006.01)
`G01S 17/89 (2006.01)
`G01S 7/481 (2006.01)
`G01] 4/04 (2006.01)
`
`(72) Erfinder; und
`(71) Anmelder: BERLOW, Julian [DE/DE]; Hciligcnangcr-
`straBe 24, 86179 Augsburg (DE).
`
`(21) Internationales Aktenzeichen:
`
`PCT/EP2017/070173
`
`(74) Anwalt: PFRANG, Tilman; Postfach 86 06 24, 81633
`
`(22) Internationales Anmeldedatum:
`09. August 2017 (09.08.2017)
`
`_
`,
`,
`(25) Einreichungssprache.
`(26) Veriiffentlichungssprache:
`
`(30)
`
`Angaben zur Prioritat:
`10 2016115 277.3
`
`Deutsch
`Deutsch
`
`17. August 2016(17.08.2016)
`
`DE
`
`Munchen (DE)
`(81) Bestimmungsstaaten (sowez’r nichr anders angegeben, fijr
`jede veifiigbare nationale Schutzrechtsart): AE, AG, AL,
`AM, AO, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BH, BN, BR, BW, BY,
`BZ, CA, CH, CL, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DJ, DK, DM,
`DO, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, G11, GM, GT,
`HN, HR, HU, ID, IL, IN, 1R, 1S, JO, JP, KE, KG, KH, KN,
`KP, KR, KW, KZ, LA, LC, LK, LR, LS, LU, LY, MA, MD,
`ME, MG, MK, MN, MW, MX, MY, MZ, NA, NG, N1, NO,
`NZ, OM, PA, PE, PG, PH, PL, PT, QA, RO, RS, RU, RW,
`SA, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, ST, SV, SY, TH, TJ, TM,
`TN, TR, TT, TZ, UA, UG. US, UZ, VC, VN, ZA, ZM, ZW.
`
`(54) Title: OPTICAL DEVICE
`
`(54) Bezeichnung: OPTISCHE VORRICHTUNG
`
`
`
`W02018/033446A1|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
`
`
`
`104
`
`107
`
`.109
`
`
`
`2017
`
`Fig. 3.
`
`(57) Abstract: The invention relates to an optical device, preferably operating according to the time-of—flight principle, particularly
`for obtaining 3D Spatial information and/or for detecting polarisation-changing materials, comprising: a light-producing device (102)
`comprising at least one light emitter (103) for emitting light into a Spatial area; a light—receiving device (1 10) comprising at least one
`light detector that can be, or is, oriented towards the Spatial area; a polarisation manipulator (108) comprising at least one first optical
`modulator (106) for influencing a polarisation of a light passing through the modulator (106) and at least one polarisation filter (11 l)
`which is optically connected downstream of the modulator (106), where the first optical modulator (106) is designed to generate at
`least three different polarisation states and/or where a superposition device is provided and designed in such a way that at least three
`
`[Fortsetzung aufder niichsten Seite]
`
`

`

`WO 2018/033446 A1 |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
`
`(84) Bestimmungsstaaten (Sowez't nicht anders angegeben, fir
`jede verfu’gbare regionale Schutzrechtsart): ARIPO (BW,
`GII, GM, KE, LR, LS, MW, MZ, NA, RW, SD, SL, ST,
`SZ, TZ, UG, ZM, ZW), eurasisches (AM, AZ, BY, KG, KZ,
`RU, TJ, TM), europ'aisches (AL, AT, BE, BG, CH, CY, CZ,
`DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, IIR, IIU, IE, IS, IT, LT,
`LU, LV, MC, MK, MT, NL, NO, PL, PT, RO, RS, SE, SI,
`SK, SM, TR), OAPI (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN,
`GQ, GW, KM, ML, MR, NE, SN, TD, TG).
`
`Verfiffentlicht:
`
`— mil internalianalem Recherchenberichl (Arlikel 21 Absalz
`3)
`
`polarisation states can be generated, particularly by time-division multiplexing; and an evaluation device for particularly successive
`evaluation of the at least three polarisation states of the light passing through the polarisation manipulator.
`
`(57) Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, bevorzugt nach dem Lichtlaufzeit-Prinzip, insbesondere
`zur GeWinnung von 3D-Rauminformationen und/oder zur Detektion von polarisationsandernden Materialien, umfassend: - eine Lich-
`terzeugungseinrichtung (102), die mindestens einen Lichtsender (103) zum Senden von Licht in einen Raumbereich aufweist; - eine
`Lichtempfangseinrichtung (1 10), umfassend mindestens einen Lichtdetektor, der auf den Raumbereichausrichtbar oder ausgerichtet ist;
`- einen Polarisationsmanipulator (108), umfassend mindestens einen ersten optischen Modulator (106) zur Beeinflussung einer Pola-
`risation eines den Modulator (106) durchquerenden Lichts und mindestens einen Polarisationsfilter (1 11), der dem Modulator (106)
`optisch nachgeschaltet ist, wobei der erste optische Modulator (106) zur Generierung von mindestens drei verschiedenen Polarisations-
`zustanden ausgebildet ist und/oder wobei eine Uberlagerungseinrichtung vorgesehen ist und derart ausgebildet ist, dass mindestens drei
`Polarisationszustande, insbesondere durch zeitliches Multiplexen, generierbar sind; und - eine Auswerteeinrichtung zur, insbesondere
`sukzessiven, Auswertung der mindestens drei Polarisationszustande desdurch den Polarisationsmanipulator getretenen Lichts.
`
`

`

`WO 2018/033446
`
`PCT/EP2017/070173
`
`
`
`Optische Vorrichtung
`
`Beschreibung
`
`Die Erfindung betrifft eine Optische Vorrichtung, bevorzugt nach dem
`
`Lichtlaufzeit-Prinzip, insbesondere zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen
`
`und/oder zur Detektion von polarisations'andernden Materialien, nach Anspruch 1,
`
`ein messtechnisches System oder Bildverarbeitungssystem, sowie ein optisches
`
`Verfahren unter Verwendung cler optischen Vorrichtung.
`
`Géngige 3D—Bildgebungsverfahren und zugehérige Vorrichtungen haben
`
`zahlreiche Nachteile. Bei laserbasierten Systemen sowie Vorrichtungen mit
`
`strukturierter Beleuchtung sind hohe Genauigkeiten im Bereich von wenigen
`
`Mikrometern oder sogar darunter méglich. Dafiir sind die Systeme technisch recht
`
`kompliziert und somit teuer sowie teilweise Iangsam. Die Lichtlaufzeitmethode ist
`
`kostengijnstiger, kann aber bislang nicht mit entsprechend hohen
`
`Messgenauigkeiten aufwarten, diese liegen hier bestenfalls im Millimeterbereich.
`
`Aus cler DE 10 2013 207 148 ist eine Tiefenbildkamera bekannt, clie durch
`
`Verwendung von Polarisationsfiltern stc'jrende Lichtreflexionen unterdrijckt und
`
`damit die Messgenauigkeit erh'dht. Die resultierende Messgenauigkeit ist jedoch
`
`immer noch vergleichsweise gering.
`
`Grundsétzlich ist es bekannt, class clie Polarisationseigenschaften cles von einer
`
`Oberfl'ache reflektierten Lichts Rijckschlijsse Liber clie Art cler Reflexion und die
`
`

`

`WO 2018/033446
`
`PCT/EP2017/070173
`
`Beschaffenheit cler reflektierenden Oberflache erlauben (siehe 2.8.
`
`GB 2 515 000 A1). Dies ist dadurch zu erklaren, class je nach Einfallswinkel cles
`
`einfallenden Lichts gegenijber cler Oberflachennormale cles bestrahlten Objekts
`
`teilweise nicht alle Polarisationszustande gleichermaBen reflektiert werden
`
`kénnen, was zu einer Teilpolarisation im reflektierten Licht fijhrt. Diese Tatsache
`
`ist dadurch zu erklaren, class clie Reflexion von Licht als elektromagnetischer
`
`Welle insbesondere von der Bewegung cler Elektronen im reflektierenden Material
`
`abhangt. Fijr bestimmte Einfallswinkel und damit Ausfallswinkel schwingen cliese
`
`entlang cler Abstrahlrichtung. In diesem Fall kann kein Licht abgestrahlt werden,
`
`da die Natur cles Lichts eine Transversalwelle zu bilden, erfiillt sein muss.
`
`Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen mit Hilfe eines Polarimeters clie
`
`Polarisationseigenschaften cles Lichts aufgenommen werden (siehe 2.8.
`
`US 2016/0146937 A1).
`
`Zusammenfassend treten im Stand cler Technik clie folgenden Nachteile auf:
`
`- Nicht ausreichende Messgenauigkeit bei Lichtlaufzeit-Systemen;
`
`-
`
`-
`
`teure Komponenten; sowie
`
`hoher Platzbedarf bei der Verwendung von Polarimetern.
`
`Es ist Aufgabe cler vorliegenden Erfindung, eine optische Vorrichtung, ein
`
`messtechnisches System oder Bildverarbeitungssystem sowie ein optisches
`
`Verfahren vorzuschlagen, wobei eine hohe Genauigkeit mit vergleichsweise
`
`geringen Kosten erreicht werden soll. Insbesondere soll eine kostengijnstige 3D-
`
`Bildgebung und/oder Detektion von polarisationsandernden Materialien mit einer
`
`vergleichsweise hohen Genauigkeit (insbesondere im Millimeter oder
`
`Mikrometerbereich) erméglicht sein.
`
`Diese Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung nach Anspruch 1 gelést.
`
`Insbesondere wird clie Aufgabe durch eine optische Vorrichtung, bevorzugt nach
`
`dem Lichtlaufzeit-Prinzip, insbesondere zur Gewinnung von 3D-
`
`Rauminformationen und/oder zur Detektion von polarisationsandernden
`
`Materialien, gelést, umfassend:
`
`

`

`WO 2018/033446
`
`PCT/EP2017/070173
`
`—
`
`eine Lichterzeugungseinrichtung, die mindestens (oder genau) einen
`
`Lichtsender zum Senden von (polarisiertem oder unpolarisiertem) Licht in
`
`einen Raumbereich aufweist;
`
`-
`
`eine Lichtempfangseinrichtung, umfassend mindestens (oder genau) einen
`
`Lichtdetektor, wobei der Lichtdetektor bzw. die Lichterzeugungseinrichtung
`
`auf den Raumbereich ausrichtbar oder ausgerichtet ist;
`
`-
`
`einen Polarisationsmanipulator, umfassend mindestens (oder genau) einen
`
`ersten optischen Modulator zur Beeinflussung einer Polarisation eines (aus
`
`dem Raumbereich stammenden) den Modulator durchquerenden Lichts und
`
`mindestens (oder genau) einen Polarisationsfilter, der dem Modulator
`
`optisch nachgeschaltet ist, wobei der mindestens eine erste optische
`
`Modulator zur Generierung von mindestens zwei, vorzugsweise mindestens
`
`drei verschiedenen Polarisationszustanden ausgebildet ist und/oder wobei
`
`eine Uberlagerungseinrichtung vorgesehen ist und derart ausgebildet ist,
`
`class mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei
`
`Polarisationszustande, insbesondere durch zeitliches Multiplexen,
`
`generierbar sind; und
`
`—
`
`eine optionale Auswerteeinrichtung zur, insbesondere sukzessiven
`
`(nacheinander erfolgenden), Auswertung der mindestens drei
`
`Polarisationszustande des durch den PolarisationsmanipuIator getretenen
`
`Lichts (bzw. des den Polarisationsfilter passierenden Lichts), insbesondere
`
`zur Gewinnung von 3D-Rauminformation und/oder zur Detektion von
`
`polarisations'andernden Materialien.
`
`Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der
`
`Polarisationsinformationen des von der Oberflache eines Objekts rl'jckreflektierten
`
`(bzw. rUckgestreuten) Lichts. Insbesondere konnen mehrere (3D—) Bilder mit Hilfe
`
`der optischen Vorrichtung aufgenommen werden, wobei jeweils ein anderer
`
`Polarisationszustand hervorgehoben werden kann. Diese Einstellung der Filterung
`
`der Polarisationskomponente kann schnell (im Bereich von Mikrosekunden, also
`
`insbesondere 1 bis 1.000 Mikrosekunden oder sogar Nanosekunden, insbesondere
`
`1 bis 1000 ns), pr'azise, verl'asslich und wartungsarm erfolgen. Dabei ist eine
`
`zentrale Komponente in dem optischen Modulator zu sehen, der diese schnelle
`
`Einstellung ermoglicht. Theoretisch w'are ein ahnlicher Effekt auch mit der
`
`

`

`WO 2018/033446
`
`PCT/EP2017/070173
`
`mechanischen Bewegung (Drehung) eines (handelsiiblichen) Polarisationsfilters
`
`erreichbar. Eine derartige mechanische Bewegung (Drehung) ist jedoch
`
`hinsichtlich der Schnelligkeit, Prazision und Verlasslichkeit nicht vergleichbar bzw.
`
`nicht ausreichend. Auch sonst sind keine Moglichkeiten bekannt, mit denen die
`
`erforderlichen Eigenschaften hinsichtlich der Einstellung der durchgelassenen
`
`Komponente der Polarisation ermoglicht wird.
`
`Ein wesentlicher Gedanke der erfinderischen Losung liegt also insbesondere
`
`darin, class auf einen Filter treffendes Licht mit einem optischen Modulator in
`
`seiner Polarisation gedreht wird (anstelle einen Polarisationsfilter zu drehen).
`
`Eine derartige Drehung kann nach der Filterung der Polarisation ggf. durch einen
`
`weiteren optischen Modulator wieder zurijckgedreht werden. Insgesamt kann also
`
`eine optische Vorrichtung bereitgestellt werden, die eine Erhohung der
`
`Genauigkeit durch eine schnelle, pr'azise, verlassliche und wartungsarme Filterung
`
`der entsprechenden Polarisationskomponente ermc'jglicht. Die Filterung wird
`
`insbesondere durch eine Kombination eines optischen Modulators (oder mehrerer
`
`optischer Modulatoren) und eines Polarisationsfilters (oder mehrerer
`
`Polarisationsfilter) erreicht. Weiterhin wird durch die erfindungsgemaBe
`
`Vorrichtung eine Moglichkeit geschaffen, den Kontrast in einem Kamerabild
`
`wahrend einer Bildaufnahme oder zwischen Bildaufnahmen effektiv zu
`
`beeinflussen. Dies ist gerade in der Bildverarbeitung besonders vorteilhaft, da
`
`damit bei einer Anderung des entsprechenden Untersuchungsobjekts nachtraglich
`
`(2.8. per Softwarebefehl durch eine Recheneinheit) der Kontrast auf optische
`
`Weise angepasst werden kann. Dadurch wird eine vergleichsweise hohe
`
`Flexibilitat und eine vergleichsweise stabile Anwendung ermo'glicht.
`
`Zusammenfassend werden auf vorteilhafte Weise Polarisationsinformationen
`
`gewonnen (z.B. Grauwertbilder) in Abhangigkeit des gefilterten
`
`Polarisationszustandes. Dabei wird eine schnelle Umschaltung zwischen den zu
`
`filternden Polarisationszustanden erreicht. Dies ermoglicht wiederum eine
`
`effektive Verwendung der Polarisationsinformationen in der (industriellen)
`
`Anwendung.
`
`Unter einem ,,Polarisationszustand“ ist insbesondere ein Zustand der Polarisation
`
`zu verstehen, der durch den optischen Modulator definiert wird oder durch die
`
`Uberlagerungseinrichtung generiert wird (beispielsweise dadurch, class zwei
`
`verschiedene, durch den optischen Modulator generierte Polarisationen
`
`

`

`WO 2018/033446
`
`PCT/EP2017/070173
`
`nacheinander aufgenommen und so Uberlagert werden, class sich ein
`
`Zwischenzustand, cler als dritter Polarisationszustand verstanden werden kann,
`
`ausbildet).
`
`Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelost durch einen
`
`Polarisationsmanipulator, vorzugsweise fl'jr eine optische Vorrichtung cler oben
`
`beschriebenen Art, insbesondere zur Gewinnung von 3D-Rauminformationen
`
`und/oder zur Detektion von polarisations'andernden Materialien, umfassend
`
`mindestens einen optischen Modulator, bevorzugt ausgebildet durch eine
`
`FlUssigkristalleinheit, zur Beeinflussung einer Polarisation eines den Modulator
`
`durchquerenden Lichts, sowie mindestens einem Polarisationsfilter, wobei
`
`mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, weiter vorzugsweise mindestens
`
`f'L'Inf verschiedene Polarisationszustande vom optischen Modulator durchgelassen
`
`werden konnen und/oder wobei eine Uberlagerungseinrichtung vorgesehen ist
`
`und derart ausgebildet ist, class mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei,
`
`noch weiter vorzugsweise mindestens fUnf verschiedene Polarisationszustande,
`
`insbesondere durch zeitliches Multiplexen, generierbar sind.
`
`Hinsichtlich cler Vorteile wird auf die oben beschriebene optische Vorrichtung
`
`verwiesen.
`
`Weiterhin wird clie obengenannte Aufgabe insbesondere gelo'st durch ein
`
`messtechnisches System oder Bildverarbeitungssystem, insbesondere zur
`
`Gewinnung von 3D-Rauminformation und/oder zur Detektion von
`
`polarisationsandernden Materialien, das eine optische Vorrichtung cler oben
`
`beschriebenen Art und/oder einen Polarisationsmanipulator der oben
`
`beschriebenen Art umfasst.
`
`Weiterhin wird clie Aufgabe insbesondere gelost durch ein Verfahren,
`
`insbesondere zur Gewinnung von 3D—Rauminformation und/oder zur Detektion
`
`von polarisationsandernden Materialien unter Verwendung einer optischen
`
`Vorrichtung cler oben beschriebenen Art und/oder eines Polarisationsmanipulators
`
`cler oben beschriebenen Art und/oder eines messtechnischen Systems oder
`
`Bildverarbeitungssystems cler oben beschriebenen Art, wobei clie
`
`Auswerteeinrichtung vorzugsweise, insbesondere Uber zeitliches Multiplexen,
`
`mindestens einen Zwischenzustand zwischen verschiedenen
`
`Polarisationszustanden nachbildet. Alternativ oder zus'atzlich kann cler
`
`

`

`WO 2018/033446
`
`PCT/EP2017/070173
`
`Zwischenzustand durch eine entsprechende Wahl der Belichtungszeiten und
`
`Ansteuerzeiten des optischen Modulators erreicht werden.
`
`Die obige Aufgabe wird weiterhin insbesondere gel'ost durch ein Verfahren,
`
`(bevorzugt nach dem Lichtlaufzeit-Prinzip) zur (bzw. der) Gewinnung von 3D-
`
`Rauminformation und/oder zur (bzw. der) Detektion von polarisationsandernden
`
`Materialien (vorzugsweise unter Verwendung einer optischen Vorrichtung der
`
`oben beschriebenen Art)
`
`-
`
`wobei Licht durch eine Lichterzeugungseinrichtung erzeugt wird, wobei
`
`mindestens ein Lichtsender der Lichterzeugungseinrichtung Licht in einen
`
`Raumbereich sendet;
`
`—
`
`wobei Licht durch eine Lichtempfangseinrichtung empfangen wird, wobei
`
`mindestens ein Lichtdetektor der Lichtempfangseinrichtung auf den Raumbereich
`
`ausgerichtet ist bzw. wird;
`
`-
`
`wobei ein Polarisationsmanipulator, umfassend mindestens einen ersten
`
`optischen Modulator eine Polarisation eines den Modulator durchquerenden Lichts
`
`beeinflusst, wobei mindestens ein Polarisationsfilter dem ersten optischen
`
`Modulator optisch nachgeschaltet ist, wobei der erste optische Modulator
`
`mindestens drei verschiedenen Polarisationszustanden generiert und/oder wobei
`
`eine Uberlagerungseinrichtung vorgesehen ist, die mindestens drei
`
`Polarisationszustande, insbesondere durch zeitliches Multiplexen, generiert; und
`
`-
`
`wobei, optional, eine Auswerteeinrichtung, insbesondere sukzessive,
`
`mindestens drei Polarisationszustande des durch den Polarisationsmanipulator
`
`getretenen Lichts auswertet (und daraus insbesondere 3D-Rauminformation
`
`gewinnt und/oder polarisationsandernde Materialien detektiert).
`
`Weitere optionale Verfahrensschritte ergeben sich aus der obigen und
`
`nachfolgenden Beschreibung, insbesondere aus den beschriebenen funktionalen
`
`Merkmalen, die verfahrensmaBig durch entsprechende Verfahrensschritte
`
`umgesetzt werden konnen.
`
`Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin insbesondere durch die Verwendung
`
`einer optischen Vorrichtung der oben beschriebenen Art und/oder eines
`
`Polarisationsmanipulators der oben beschriebenen Art und/oder eines
`
`messtechnischen Systems oder Bildverarbeitungssystems der oben beschriebenen
`
`Art und/oder eines Verfahrens der oben beschriebenen Art zur Gewinnung von
`
`

`

`WO 2018/033446
`
`PCT/EP2017/070173
`
`3D—Rauminformation und/oder zur Detektion von polarisationsandernden
`
`Materialien, gel'ost.
`
`Weitere bevorzugte Ausf'Lihrungsformen sind Gegenstand cler Unteranspr'Liche
`
`und/oder nachfolgender Beschreibungsteile.
`
`Vorzugsweise umfasst der Polarisationsmanipulator (zwischen dem
`
`Polarisationsfilter und der Lichtempfangseinrichtung) mindestens einen zweiten
`
`optischen Modulator. Der mindestens eine zweite optische Modulator ist weiter
`
`vorzugsweise gegenijber dem ersten optischen Modulator so ausgerichtet oder
`
`ausrichtbar, class seine langsame Achse mit der langsamen Achse cles ersten
`
`optischen Modulators einen Winkel von 0 Grad (oder 180 Grad) oder 90 Grad
`
`einschlieBt. Dadurch kann die Polarisation nach Drehung und Filterung (zumindest
`
`teilweise, bei einem beliebigen Winkel) zurijckgedreht werden, so class cler Effekt
`
`einer Verdrehung eines Standard-Polarisationsfilters um 90 Grad ggf. angenahert
`
`oder (identisch) nachgebildet werden kann. Dadurch wird cler Einfluss cler
`
`optischen Modulationseinheit darauf beschrankt, class eine Filterung nach der
`
`Polarisation durchgerhrt wird und keine (eigentlich unnotige und/oder ggf. sogar
`
`unerwijnschte) dauerhafte Drehung der Polarisation bewirkt wird. Dies ist
`
`besonders dann vorteilhaft, wenn cler Lichtdetektor eine polarisationsabhangige
`
`Empfindlichkeit besitzt.
`
`In einer bevorzugten Ausfijhrungsform ist mindestens eine Kamera, vorzugsweise
`
`mindestens eine Lichtlaufzeitkamera (insbesondere eine PMD-Kamera, umfassend
`
`vorzugsweise einen PMD-Sensor, insbesondere PMD-Chip, wobei PMD fiJr Photonic
`
`Mixing Device steht), vorgesehen, die weiter vorzugsweise den mindestens einen
`
`Lichtdetektor aufweist. Von einer Lichtlaufzeit gelieferte Bilder beinhalten bereits
`
`Entfernungsinformationen, weswegen auch von 3D—Bildern gesprochen werden
`
`kann. Die Verwendung einer Lichtlaufzeitkamera in der erfindungsgemaBen
`
`Vorrichtung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da auf diese Weise 3D—Bilder mit
`
`einer Genauigkeit im Mikrometerbereich (1 Mikrometer bis 1000 Mikrometer)oder
`
`sogar Nanometerbereich (1 Nanometer bis 1000 Nanometer) (2.8. 1 Nanometer -
`
`1.000 Mikrometer, vorzugsweise 1 Nanometer - 500 Mikrometer, noch weiter
`
`vorzugsweise 1 Nanometer - 200 Mikrometer, noch weiter vorzugsweise 1
`
`Nanometer — 1.000 Nanometer) gewonnen werden konnen.
`
`

`

`WO 2018/033446
`
`PCT/EP2017/070173
`
`In einer Ausfijhrungsform ist ein weiterer, insbesondere hinsichtlich der
`
`Reihenfolge der Komponenten (also insbesondere hinsichtlich der Reihenfolge von
`
`optischen Modulator und Polarisationsfilter) umgekehrt aufgebauter,
`
`Polarisationsmanipulator (direkt und/oder in einem geringen Abstand von
`
`beispielsweise weniger als 10 mm) vor cler Lichterzeugungseinrichtung
`
`angeordnet. Ein derartiger weiterer (zweiter) Polarisationsmanipulator kann so
`
`ausgerichtet sein, class das Licht zuerst durch den Polarisationsfilter und
`
`anschlieBend durch den optischen Modulator I'auft. Insbesondere wenn optisch
`
`aktive Materialien beleuchtet und untersucht werden, wird die eingestrahlte
`
`Polarisation durch das optisch aktive Material verandert. Das bedeutet in diesem
`
`Fall, class bei eingestrahltem (unpolarisiertem) Licht die Auswerteeinrichtung ggf.
`
`keine verl'asslichen Analysen aus den polarisationsabhangigen Bildern der
`
`Lichtempfangseinheit gewinnen kann, da die Anderung der Polarisation sowohl
`
`durch die geometrische Form cles reflektierenden Objekts als auch durch das
`
`optisch aktive Material hervorgerufen werden kann (und somit ggf. nicht
`
`eindeutig zugeordnet werden kann). In diesem Fall ist die Verwendung des
`
`Polarisationsmanipulators vor der Lichterzeugungseinheit besonders vorteilhaft,
`
`da hier weiterhin die gesamte Polarisationsinformation aufgetrennt und
`
`verarbeitet werden kann.
`
`In einer alternativen Ausfijhrungsform sendet die Lichterzeugungseinrichtung
`
`polarisiertes Licht (bzw. Licht mit einer, insbesondere deutlichen, Vorzugsrichtung
`
`in der Polarisation) aus. In einer weiteren, bevorzugten, Ausfijhrungsform sendet
`
`die Lichterzeugungseinrichtung unpolarisiertes Licht (bzw. Licht ohne eine,
`
`insbesondere deutliche, Vorzugsrichtung in der Polarisation) aus. Besonders bei
`
`der Verwendung von unpolarisiertem Licht kann eine schnelle und pr'azise
`
`Bestimmung der erwijnschten Informationen erfolgen.
`
`In einer Austhrungsform wird der mindestens eine Lichtsender durch
`
`(mindestens einen) Laser gebildet. Dies ist insbesondere im Fall groBerer
`
`Entfernungen besonders vorteilhaft, da Laser ein starkes, gut kollimierbares Licht
`
`erzeugen. GemaB einer alternativen Ausfijhrungsform wird der mindestens eine
`
`Lichtsender durch mindestens eine LED, vorzugsweise durch mindestens 10 LEDs,
`
`weiter vorzugsweise durch mindestens 100 LEDs gebildet. Vorzugsweise wird die
`
`Lichterzeugungseinrichtung (insbesondere werden die LEDs) gepulst und/oder
`
`moduliert (besonders bevorzugt nach dem PMD Prinzip) betrieben (wobei eine
`
`entsprechende Pulsgenerierungs— und/oder Modulationseinrichtung vorgesehen
`
`

`

`WO 2018/033446
`
`PCT/EP2017/070173
`
`sein kann). Durch einen gepulsten Betrieb der LEDs konnen diese (kurzzeitig)
`
`einen h'oheren Strom aufnehmen, wodurch groBere Lichtstarken m'oglich sind.
`
`Eine vergleichsweise groBe Anzahl von LEDs ermoglicht eine homogene
`
`Ausleuchtung cles reflektierenden Objekts, wodurch auch gr'oBere Objekte in ihrer
`
`geometrischen Form erfasst werden ko'nnen. Ferner ist es vorteilhaft, class ein
`
`gepulster Betrieb der LED-Beleuchtung bzw. das Blitzen der LEDs den Einfluss
`
`von Fremdlicht, das nicht von der Lichterzeugungseinrichtung stammt, verringert
`
`und so die Qualit'at der Bildinformation erhoht wird.
`
`Der mindestens eine optische Modulator umfasst vorzugsweise eine, insbesondere
`
`elektrooptisch gesteuerte, Flijssigkristallanordnung oder besteht aus einer
`
`solchen. Dies hat den Vorteil, class die Drehung der Polarisation sehr schnell und
`
`zuverlassig erfolgen kann. Alternativ oder zusatzlich kann der mindestens eine
`
`optische Modulator mindestens (oder genau) eine elektrooptische und/oder
`
`mindestens (oder genau) eine magnetooptische und/oder mindestens (oder
`
`genau) eine akustooptische Einrichtung umfassen.
`
`Vorzugsweise umfasst cler Polarisationsmanipulator (vor dem Lichteintritt) ein
`
`Lambda-Viertel-Pl'attchen. Dies ermoglicht eine Verwendung von zirkular
`
`polarisiertem Licht (anstatt von linear polarisiertem Licht). Alternativ oder
`
`zus'atzlich kann vor dem Polarisationsmanipulator eine Parallelisierungsoptik zum
`
`Parallelisieren von eintretenden Lichtstrahlen angeordnet sein.
`
`Der mindestens eine optische Modulator hat (in einem aktiven Zustand) eine
`
`langsame Achse, die vorzugsweise so gestaltet ist, class sie senkrecht zur
`
`Lichtausbreitungsrichtung und/oder in einem 45 Grad Winkel zu der
`
`Durchlassrichtung des Polarisationsfilters ausgerichtet oder ausrichtbar ist. Dabei
`
`wirkt der optische Modulator (im aktiven Zustand) vorzugsweise wie ein Lambda—
`
`Halbe-Plattchen. Weiterhin kann der mindestens eine optische Modulator (in
`
`einem aktiven Zustand) eine langsame Achse aufweisen, clie vorzugsweise so
`
`gestaltet ist, class sie in longitudinaler Richtung (also insbesondere in Richtung
`
`cler Ausbreitung cles ihn durchlaufenden Lichtes) ausgerichtet ist oder ausrichtbar
`
`ist, wobei der optische Modulator weiter vorzugsweise eine (kontinuierliche)
`
`Phasenverschiebung (und damit Polarisationsdrehung) ermoglicht.
`
`Die optische Vorrichtung kann eine Steuereinrichtung zur (zeitabhangigen)
`
`Steuerung des optischen Modulators aufweisen. Dadurch konnen innerhalb einer
`
`

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`WO 2018/033446
`
`PCT/EP2017/070173
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`10
`
`bestimmten Zeitdauer mindestens oder genau zwei, vorzugsweise mindestens
`
`oder genau drei, weiter vorzugsweise mindestens oder genau fijnf
`
`Polarisationszustande von der optischen Modulationseinheit durchgelassen
`
`werden.
`
`Insgesamt wird gemaB der vorliegenden Erfindung die Bildaufnahme fijr mehrere
`
`verschiedene Polarisationszustande ermoglicht, wobei pro Polarisationszustand
`
`ein Bild aufgenommen werden kann. Dies ist insofern vorteilhaft, da
`
`(nacheinander) alle im Licht enthaltenen Polarisationsinformationen
`
`aufgenommen werden konnen und ggf. einzelne Bilder (getrennt voneinander)
`
`verarbeitet werden konnen, so class eine effektive Ausnutzung der Information
`
`ermoglicht wird. Weiterhin konnen so ggf. Redundanzen erzeugt werden, die es
`
`ermoglichen, aus einem die Bilder verarbeitenden Algorithmus genauere und
`
`verlasslichere Informationen zu erhalten.
`
`Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise zum (zeitlichen) Multiplexen
`
`verschiedener Polarisationszustande, insbesondere zum Nachbilden eines durch
`
`die verschiedenen Polarisationszustande vorgegebenen Zwischen-
`
`Polarisationszustandes. Alternativ oder zus'atzlich kann der Zwischenzustand
`
`durch eine entsprechende Wahl der Belichtungszeiten (insbesondere einer
`
`Kamera) und Ansteuerzeiten des optischen Modulators erreicht werden.
`
`Beispielsweise kann eine derartiger Zwischenzustand dadurch erzeugt werden,
`
`class sich Uber einen ersten Zeitraum (z. B. 50 %) einer Belichtungsphase (einer
`
`Kamera) cler Modulator in einem ersten Zustand befindet und in einem zweiten
`
`Zeitraum derselben Belichtungsphase in einem zweiten Zustand, wobei der
`
`Modulator dazu insbesondere entsprechend geschaltet werden kann.
`
`Die Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Polarisationsmanipulator mit
`
`mindestens einem optischen Modulator, bevorzugt ausgebildet durch eine
`
`FlUssigkristalleinrichtung und einem Polarisationsfilter. Dieser
`
`Polarisationsmanipulator bewirkt fi.ir hindurchtretendes Licht eine Filterung nach
`
`dem Polarisationszustand und kann nach mindestens zwei Polarisationszustanden
`
`filtern. Falls notwendig, ist durch eine zeitabhangige Rekombination der beiden
`
`Polarisationszustande ein Nachbilden eines Zwischenzustandes oder mehrerer
`
`Zwischenzustande moglich. Dies ist von Vorteil, wenn unter beliebigen
`
`Umstanden eine schnelle, prazise, verlassliche und wartungsarme Filterung nach
`
`

`

`WO 2018/033446
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`PCT/EP2017/070173
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`1 1
`
`Polarisation, die sich vorzugsweise elektronisch geschaltet steuern lasst,
`
`gewijnscht ist.
`
`GemaB einer weiteren, vorteilhaften Ausfiihrungsform der vorliegenden Erfindung
`
`beinhaltet der Polarisationsmanipulator zusatzlich vor dem Lichteintritt bzw.
`
`direkt vor dem Lichtaustritt, ein Lambda-Viertel-Plattchen. Dies ermoglicht,
`
`anstatt mit linear polarisiertem Licht zu arbeiten, eine Verwendung von zirkular
`
`polarisiertem Licht.
`
`GemaB einer vorteilhaften Ausfiihrungsform der vorliegenden Erfindung ist die
`
`optische Vorrichtung in ein messtechnisches System oder Bildverarbeitungssystem
`
`eingebettet, das es ermoglicht, anhand der optischen Daten Informationen zu
`
`gewinnen und/oder diese (zielf'Lihrend) zu verarbeiten.
`
`GemaB dem erfindungsgemaBen Verfahren kann diese optische Vorrichtung unter
`
`Anderem dazu verwendet werden, um 3D-Informationen Liber das das Licht
`
`reflektierende Objekt zu gewinnen sowie ebenfalls, um die Genauigkeit bekannter
`
`3D-Bildgebungsverfahren, wie zum Beispiel dem Lichtlaufzeitverfahren, zu
`
`verbessern.
`
`Vorzugsweise ist (sind) der mindestens eine Modulator (oder alle optischen
`
`Modulatoren) steuerbar (z.B. von einem inaktiven in einen aktiven Zustand oder
`
`mehrere aktive Zustande elektrisch steuerbar).
`
`Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefiigten Abbildungen
`
`dargestellten Ausfijhrungsbeispielen n'aher erl'autert.
`
`Es zeigen:
`
`Fig. 1
`
`ein Blockdiagramm, welches die erfindungsgem'aBe Vorrichtung
`
`beispielhaft bei der Detektion eines entfernten Objektes darstellt;
`
`Fig. 2
`
`das Blockdiagramm aus Fig. 1 im Detail; und
`
`Fig. 3
`
`die Wirkung des optischen Modulators auf das Licht mit der jeweils
`
`einfallenden Polarisationsrichtung.
`
`

`

`WO 2018/033446
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`PCT/EP2017/070173
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`12
`
`GemaB Fig. 1 ist zunachst der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemaBen,
`
`optischen Vorrichtung dargestellt. Die optische Vorrichtung umfasst eine
`
`Lichterzeugungseinrichtung 102, die in dieser beispielhaften und nicht—
`
`ausschlieBlichen, bevorzugten Ausf'Lihrungsform unpolarisiertes Licht 104 auf ein
`
`(entferntes) Objekt 105 wirft. Das Objekt 105 wirft Teile des Lichtes in Richtung
`
`der optischen Vorrichtung und dabei im Speziellen in Richtung eines
`
`Polarisationsmanipulators 108 zurUck. Dabei verandert das Objekt 105
`
`entsprechend seiner raumlichen Struktur und entsprechend seinem Material die
`
`Polarisationscharakteristik des Lichts. Der in Richtung der erfindungsgemaBen
`
`Vorrichtung zuriicklaufende Lichtanteil 107 hat somit eine andere
`
`Polarisationscharakteristik als das ursprijnglich ausgesendete Licht 104. Der
`
`Polarisationsmanipulator 108 filtert das einfallende Licht (elektrisch gesteuert)
`
`nach seiner Polarisationsrichtung und sendet das resultierende, polarisierte Licht
`
`109 zur Lichtempfangseinrichtung 110 weiter.
`
`In Fig. 2 ist die erfindungsgemaBe Vorrichtung in gro'Berem Detail dargestellt. Die
`
`Lichterzeugungseinrichtung 102 enth'alt in diesem Fall (nur) ein LED-Array 103.
`
`Zus'atzlich konnte vor das LED-Array noch ein Diffusor (z.B. eine Diffusorfolie),
`
`um das Licht diffuser zu gestalten und/oder ein Polarisationsfilter, eingebaut
`
`werden. Beide sind in Fig. 2 nicht dargestellt. Ein Diffusor (eine Diffusorfolie)
`
`empfiehlt sich abhangig von der Abstrahlcharakteristik der LEDs und dem Material
`
`des (entfernten) Objekts 105. Ein Polarisationsfilter empfiehlt sich beispielsweise,
`
`falls das Material cles entfernten Objektes 105 optisch aktiv ist oder eine stark
`
`diffuse Oberflache aufweist. In dieser beispielhaften aber nicht ausschlieBlichen
`
`Ausfiihrungsform der erfindungsgemaBen Vorrichtung wird weder eine
`
`Diffusorfolie noch ein Polarisationsfilter im Lichtweg zwischen dem LED-Array 103
`
`und dem (entfernten) Objekt 105 verwendet, weswegen das ausgesendete Licht
`
`104 als unpolarisiert (und leicht gerichtet) angesehen werden kann.
`
`Das Objekt 105 wirft beispielsweise (tei|—)po|arisiertes Licht 107 in Richtung der
`
`optischen Modulationseinrichtung 108. Diese ist im dargestellten
`
`Ausfiihrungsbeispiel aufgebaut aus einem optischen Modulator 106, aus einem
`
`(linearen) Polarisationsfilter 111 sowie aus einem weiteren optischen Modulator
`
`112, cler identisch zu dem optischen Modulator 106 ausgebildet sein kann.
`
`Eintreffendes Licht durchlauft die genannten Elemente in der Reihenfolge der
`
`Nennung. Die kristalloptischen (Iangsamen) Achsen cler optischen Modulatoren
`
`106, 112, sofern diese aktiv sind, liegen beide in einer Ebene senkrecht zum
`
`

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`WO 2018/033446
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`PCT/EP2017/070173
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`Einfall cles Lichtes. Zusatzlich ist der Polarisationsfilter 111 waagrecht
`
`ausgerichtet und die Iangsamen Achsen der optischen Modulatoren schlieBen
`
`jeweils einen Winkel von 45 Grad mit der Durchlassrichtung des
`
`Polarisationsfilters ein. Die Iangsamen Achsen der aktivier