WO2024173973A1

WO2024173973A1 - Abbildende optik

Info

Publication number: WO2024173973A1
Application number: PCT/AT2024/060064
Authority: WO
Inventors: Wilfried Lutz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-02-23
Filing date: 2024-02-21
Publication date: 2024-08-29
Anticipated expiration: 2025-08-23
Also published as: AT526145B1; AT526145A4; CN120981741A

Abstract

Abbildende Optik zur Abbildung zumindest einer Lichtquelle (1) auf zumindest einen lichtempfindlichen Sensor (4), wobei die abbildende Optik zumindest eine optische Blende (2), zumindest ein strahlformendes optisches Element (3) und den zumindest einen lichtempfindlichen Sensor (4) aufweist, wobei das zumindest eine strahlformende optische Element (3) ein plankonkaver zylindrischer Spiegel, insbesondere ein plankonkaver kreiszylindrischer Spiegel, ist.

Description

Abbildende Optik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine abbildende Optik zur Abbildung zumindest einer Lichtquelle auf zumindest einen lichtempfindlichen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , die Verwendung einer solchen abbildenden Optik zur Erfassung der Lage und/oder der Bewegung zumindest eines Obj ektes im Raum, sowie ein Verfahren zur Erfassung der Lage und/oder der Bewegung zumindest eines Obj ektes im Raum gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 .

Im Stand der Technik ist aus der WO 2004 /046770 Al eine Einrichtung zur Abbildung von Lichtquellen durch mindestens eine optische Linse auf wenigstens einen lichtempfindlichen Sensor bekannt , wobei die zur Erzeugung der Abbildung verwendete Optik ein strahlformendes optisches Element in Form zumindest einer Linse mit einer toroidalen und einer asphärische Form aufweist . Durch die Verwendung einer Linse mit einer toroidalen und einer asphärische Form kann die bei optischen Linsen gewöhnlich auftretende sphärische Aberration, auch Öf f nungsf ehler oder Kugelgestaltsfehler genannt , minimiert werden . Durch die Verwendung von Linsen mit einer toroidalen und einer asphärischen Form kann eine verbesserte Abbildungsqualität erreicht werden, insbesondere wenn das Licht über einen großen Winkelbereich einfällt . Die Herstellung von Linsen mit einer toroidalen und einer asphärischen Form ist j edoch technisch aufwändig und ist mit hohen Produktions kosten verbunden .

Aufgabe der Erfindung ist es , mit einer einfach herzustellenden abbildenden Optik eine präzise optische Abbildung zumindest einer Lichtquelle auf zumindest einen lichtempfindlichen Sensor zu erreichen, mit welcher auch die genaue Erfassung der Lage und/oder der Bewegung zumindest eines Obj ektes im Raum möglich ist .

Die Aufgabe wird von einer abbildenden Optik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch die Verwendung einer solchen abbildenden Optik und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst .

Vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert . Die abbildende Optik ist grundsätzlich zur Abbildung zumindest einer Lichtquelle , welche beispielsweise monochromatisches und/oder polychromatisches Licht im sichtbaren und/oder außerhalb des sichtbaren Bereichs , insbesondere Infrarot , emittieren kann, auf zumindest einen entsprechend lichtempfindlichen Sensor geeignet .

Ein Obj ekt , dessen Lage und/oder Bewegung im Raum erfasst werden soll , kann selbst Licht emittieren und damit eine Lichtquelle ausbilden . Ein Obj ekt kann auch eine am Obj ekt anordenbare Lichtquelle aufweisen . Es ist ebenso denkbar, dass an einem Obj ekt reflektiertes Licht von der abbildenden Optik erfasst wird . Dazu kann beispielsweise ein geeigneter Reflektor an einem Obj ekt anordenbar sein .

Der lichtempfindliche Sensor kann grundsätzlich in Form eines photoelektrischen Sensors ausgebildet sein, welcher auf den lichtempfindlichen Sensor einfallendes Licht in ein elektrisches Signal umwandelt .

Die abbildende Optik umfasst zumindest eine optische Blende , zumindest ein strahlformendes optisches Element und zumindest einen lichtempfindlichen Sensor .

Eine optische Blende kann im Rahmen der geometrischen Optik zur mechanischen Begrenzung eines Strahlenbündels bei einer optischen Abbildung dienen .

Ein strahlformendes optisches Element kann allgemein der Formung eines Lichtstrahls dienen, insbesondere durch Änderung der Ausbreitungsrichtung des vom optischen Element transmittierten und/oder reflektierten Lichts .

In einer vorteilhaften Ausführung ist das zumindest eine strahlformende optische Element als ein plankonkaver zylindrischer Spiegel ausgebildet .

Als ein plankonkaver zylindrischer Spiegel kann allgemein ein Hohlspiegel verstanden werden . Speziell kann darunter ein in einer Richtung konkav, also nach innen, gewölbter Spiegel verstanden werden . Ein plankonkaver zylindrischer Spiegel kann entlang einer Achse plan ausgeführt sein und entlang einer dazu im Wesentlichen orthogonal verlaufenden Achse ein Krümmung auf weisen . Die Krümmung , und damit die Mantelfläche des zylindrischen Spiegels , kann allgemein elliptisch, parabolisch, azylindrisch, insbesondere asphärisch zylindrisch, oder insbesondere kreisförmig mit konstanter Krümmung ausgebildet sein .

Entlang der Mantelfläche kann der plankonkave zylindrische Spiegel in Umfangsrichtung gesehen einen konkaven gekrümmten Verlauf aufweisen . In eine Höhenrichtung , also parallel zur Zylinderachse gesehen, kann der plankonkave zylindrische Spiegel einen planen Verlauf aufweisen .

Bei strahlformenden optischen Elementen wie optischen Linsen, bei welchen die Formung eines Lichtstrahls durch Transmission erfolgt , treten Abbildungsfehler durch unterschiedliche Strahlengänge und optischen Weglängen bedingt durch die Dicke und Form der in der Praxis verwendeten Linsen auf . Durch wellenlängenabhängige Brechungsindizes können zusätzliche Abbildungsfehler auftreten . Zur Strahlführung können zusätzliche optische Elemente nötig sein .

Mit einem strahlformenden optischen Element in Form eines einfach zu fertigenden plankonkaven zylindrischen Spiegels kann eine im Wesentlichen alleinig durch Reflexion erfolgende Formung eines Lichtstrahls erfolgen .

Ein plankonkaver zylindrischer Spiegel kann gleichzeitig der Strahlführung , also der Formung des Strahlengangs , und der Strahlfokussierung dienen .

Der Strahlengang der abbildenden Optik kann allgemein in einem optisch transparenten Medium verlaufen . Das Medium kann beispielsweise Vakuum, allgemein gasförmig , insbesondere Luft , Glas oder ein optisch transparenter Kunststoff sein . Als Strahlengang der abbildenden Optik kann im Wesentlichen der vom einfallenden Licht gefolgte Verlauf von der optischen Blende zum lichtempfindlichen Sensor verstanden werden .

Insbesondere bei einer Ausführung mit Glas als optisches Medium kann eine hohe Temperaturstabilität des Aufbaues zwischen Blende , optischem Element und Sensor erreicht werden .

Bei einer Ausführung mit Glas oder einem optisch transparenten Kunststoff als optisches Medium kann ein plankonkaver zylindrischer Spiegel der abbildenden Optik durch eine geeignete Verspiegelung einer entsprechend plankonkaven zylindrischen Außenfläche eines Körpers des optischen Medium ausgebildet werden .

Vorteilhaft kann das zumindest eine strahlformende optische Element im optischen Strahlengang zwischen der zumindest einen optischen Blende und dem zumindest einen lichtempfindlichen Sensor angeordnet sein . Dadurch kann die optische Blende mechanisch den auf den plankonkaven zylindrischen Spiegel einfallenden Lichtstrom begrenzen .

Die zumindest eine optische Blende und/oder der zumindest eine lichtempfindliche Sensor kann bzw . können außerhalb einer optischen Ebene des zumindest einen strahlformenden optischen Elements angeordnet sein . Als optische Ebene des plankonkaven zylindrischen Spiegels kann analog zu einer optischen Achse eine durch den Krümmungsmittelpunkt des zylindrischen Spiegels verlaufende Symmetrieebene verstanden werden . In der optischen Ebene auf den plankonkaven zylindrischen Spiegels einfallende Lichtstrahlen werden in der optischen Ebene reflektiert . Außerhalb der optischen Ebene auf den plankonkaven zylindrischen Spiegel einfallende Lichtstrahlen erfahren eine Reflexion - und damit eine Formung des Strahlengangs - und eine Strahlfokussierung .

Die abbildende Optik kann zwischen der zumindest einen optischen Blende und dem zumindest einen lichtempfindlichen Sensor einen gefalteten Strahlengang aufweisen . Der Strahlengang kann einen von einem geradlinigen Verlauf abweichenden Verlauf aufweisen, wodurch die abbildende Optik einen geringeren Platzbedarf aufweisen kann . Im Gegensatz zu einer abbildenden Optik mit auf Transmission basierenden optischen Linsen kann durch einen plankonkaven zylindrischen Spiegel durch eine Reflexion von einfallenden Lichtstrahlen eine Abbildung einer optischen Blende auf einen lichtempfindlichen Sensor in einem von einem geradlinigen Verlauf abweichenden, gefalteten Strahlengang erfolgen .

Die abbildende Optik kann allgemein eine Spaltöffnung der zumindest einen optischen Blende auf den zumindest einen lichtempfindlichen Sensor abbilden .

In einer vorteilhaften Ausführung kann der zumindest eine lichtempfindliche Sensor ein Flächensensor oder ein Zeilensensor sein . Ein Flächensensor oder ein Zeilensensor kann aus einer Vielzahl von flächig oder linear angeordneten Einzelsensoren, auch Pixel genannt , auf gebaut sein . Darauf einfallendes Licht kann von einem oder mehreren Einzelsensoren entsprechend einer Intensitätsverteilung des einfallenden Lichts detektiert werden . In Abhängigkeit der vom einfallenden Licht beleuchteten Einzelsensoren kann eine Position des Auftrefforts entlang des Flächensensors oder Zeilensensors bestimmbar sein . Eine Ausführung mit einem analogen lichtempfindlichen Sensor, welcher eine im Wesentlichen isotrope Sensoroberfläche aufweisen und kontinuierliche Positionsinformation zum auf treff enden Licht liefern kann, ist ebenso denkbar .

Eine Längserstreckung des optischen Sensors kann einer Abmessung eines lichtempfindlichen Bereichs des Sensors , also beispielsweise der Abmessung einer Zeile von Pixeln oder einer Sensorfläche , entsprechen .

Die zumindest eine optische Blende kann eine Spaltblende mit einer Spaltöffnung mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Breite entlang einer Querrichtung und einer vorgegebenen oder vorgebbaren Höhe entlang einer Längsrichtung sein . Eine Spaltblende kann allgemein durch deren Breite charakterisiert werden . Wenn zusätzlich eine Länge des Spalts vorgegeben oder vorgebbar ist , kann diese durch Angabe einer Höhe charakterisiert werden . Eine Lage und/oder eine Bewegung zumindest eines Obj ektes im Raum kann durch zumindest einen Winkel zu einer optischen Blende der abbildenden Optik charakterisierbar sein . Ein Winkel , beispielsweise ein Polarwinkel und/oder ein Azimutalwinkel , zu einer optischen Blende der abbildenden Optik kann relativ zu einer Richtung der Breite und/oder einer Richtung der Höhe der optischen Blende gemessen oder definiert werden .

Ein Winkel kann beispielsweise gegenüber einer Normalen auf eine Ebene einer optischen Blende gemessen werden . Bei einer bekannten Ausrichtung einer Blende zu einer vorgegebenen oder vorgebbaren Raumrichtung, beispielsweise relative zu einer Horizontalen oder einer Vertikalen, kann die Lage eines Obj ekts im Raum charakterisiert werden, beispielsweise durch trigonometrische Zusammenhänge .

Vorteilhaft verläuft die Spaltöffnung der optischen Blende entlang der Höhe gesehen parallel zu einer Zylinderachse des strahlformenden optischen Elements . In einer Ausführung des strahlformenden optischen Elements als ein plankonkaver kreiszylindrischer Spiegel verläuft die Zylinderachse durch den Krümmungsmittelpunkt des Spiegels . Eine als Spaltblende ausgeführte optische Blende kann mit einer Höhe der optischen Blende , also in Längsrichtung des Spalts gesehen, relativ zum Spiegel derart ausgerichtet sein, dass die Zylinderachse parallel zur Richtung der Höhe des Spalts verläuft .

Unter unterschiedlichen Azimutalwinkeln, also unter unterschiedlichen Winkeln zu einer Längsrichtung der Spaltblende , auf die optische Blende einfallendes Licht trifft bei einer solchen Anordnung unter unterschiedlichen Winkeln auf unterschiedliche Bereiche entlang einer Höhenrichtung des plankonkaven zylindrischen Spiegels auf diesen auf und wird entsprechend dem in dieser Richtung planen Verlauf reflektiert .

Der zumindest eine lichtempfindliche Sensor kann als ein Zeilensensor oder ein Flächensensor mit einer Längserstreckung entlang einer Längsrichtung ausgebildet sein, wobei die Längsrichtung vorteilhaft quer, insbesondere in Proj ektion auf den Strahlengang zwischen Spiegel und Sensor gesehen rechtwinklig, zu einer Zylinderachse des strahlformenden optischen Elements verläuft . Unter unterschiedlichen Polarwinkeln, also unter unterschiedlichen Winkeln um eine Längsrichtung der Spaltblende , auf die optische Blende einfallendes Licht trifft bei einer solchen Anordnung unter unterschiedlichen Winkeln auf verschiedene Bereiche entlang einer Umfangsrichtung des plankonkaven zylindrischen Spiegels auf diesen auf und wird entsprechend dem in dieser Richtung konkaven Verlauf reflektiert und fokussiert .

Der zumindest eine lichtempfindlichen Sensor kann als Zeilensensor oder als ein Flächensensor mit einer Längserstreckung entlang einer Längsrichtung ausgebildet sein, wobei ein Polarwinkel um eine Längsrichtung der optischen Blende aus einer Position der abgebildeten Lichtquelle entlang der Längserstreckung des zumindest einen lichtempfindlichen Sensors bestimmbar ist .

Die abbildende Optik kann eine Auswertevorrichtung umfassen, mittels welcher aus der Position des Auftreffens entlang der Längserstreckung des zumindest einen lichtempfindlichen Sensors ein Polarwinkel um eine Längsrichtung der optischen Blende bestimmbar ist .

Die Auswertevorrichtung kann wenigstens eine Recheneinheit aufweisen, die in einer Datenverbindung mit wenigstens einer Speichereinheit der Auswertevorrichtung steht oder in eine solche bringbar ist . In der Speichereinheit der Auswertevorrichtung können Daten zu Abständen, Abmessungen, Geometrien und Brennweiten der abbildenden Optik hinterlegt sein . Eine Ausführung der Auswertevorrichtung mit Sensorik zur Erfassung der Ausrichtung der abbildenden Optik zu einer vorgebbaren oder vorgegebenen Raumrichtung ist ebenso denkbar .

Ein Computerprogrammprodukt kann Befehle umfassen, die bei einer Ausführung durch die Recheneinheit diese veranlassen, aus der Speichereinheit ein Verfahren zur Erfassung der Lage und/oder der Bewegung zumindest eines Obj ektes im Raum ausführen . Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise in wenigstens einer Speichereinheit der Auswertevorrichtung hinterlegt sein und durch die wenigstens eine Recheneinheit der Auswertevorrichtung ausgeführt werden .

Durch eine Anordnung von zwei oder mehr abbildenden Optiken, oder einer abbildenden Optik mit einer entsprechenden Anzahl von entsprechend zu unterschiedlichen Raumrichtungen orientierten Blenden, Spiegeln und Sensoren, können durch Bestimmung der j eweiligen Winkel , und gegebenenfalls deren Änderung, die Positionen von Lichtquellen, und gegebenenfalls deren Bewegung , im Raum bestimmbar sein . Zudem kann ein Abstand von Obj ekten zur abbildenden Optik stereoskopisch bestimmbar sein .

Durch ein Fokussieren von Licht auf einen lichtempfindlichen Sensor kann allgemein eine empfindlichere Detektion und eine höhere räumliche Auflösung , insbesondere bei mehreren benachbarten Lichtquellen, erreicht werden .

Der zumindest eine lichtempfindliche Sensor kann im Wesentlichen in einem Abstand zu dem zumindest einen strahlformenden optischen Element angeordnet sein, der kleiner als der Krümmungsradius , vorzugsweise kleiner als drei Viertel des Krümmungsradius , besonders vorzugsweise kleiner als zwei Drittel des Krümmungsradius , insbesondere im Wesentlichen die Hälfte des Krümmungsradius , des zumindest einen strahlformenden optischen Elements ist . Damit kann eine verkleinerte Abbildung der optischen Blende auf den lichtempfindlichen Sensor erfolgen, wodurch eine empfindlichere Detektion und eine höhere räumliche Auflösung erreichbar sind .

Der zumindest eine lichtempfindliche Sensor kann im Wesentlichen in einem Abstand zu dem zumindest einen strahlformenden optischen Element angeordnet sein, der größer als ein Viertel des Krümmungsradius , vorzugsweise größer als ein Drittel des Krümmungsradius , besonders vorzugsweise im Wesentlichen die Hälfte des Krümmungsradius , des zumindest einen strahlformenden optischen Elements ist . Damit kann eine verkleinerte Abbildung der optischen Blende auf den lichtempfindlichen Sensor erfolgen, wodurch eine empfindlichere Detektion und eine höhere räumliche Auflösung erreichbar sind .

Die zumindest eine optische Blende kann im Wesentlichen in einem Abstand zu dem zumindest einen strahlformenden optischen Element angeordnet sein, der kleiner als der Krümmungsradius , vorzugsweise kleiner als drei Viertel des Krümmungsradius , besonders vorzugsweise kleiner als zwei Drittel des Krümmungsradius , insbesondere im Wesentlichen die Hälfte des Krümmungsradius , des zumindest einen strahlformenden optischen Elements ist . Damit kann der Winkelbereich beeinflusst werden, aus welchem Licht einer Lichtquelle auf das strahlformende optische Element auftreffen kann .

Die zumindest eine optische Blende kann im Wesentlichen in einem Abstand zu dem zumindest einen strahlformenden optischen Element angeordnet sein, der größer als ein Viertel des Krümmungsradius , vorzugsweise größer als ein Drittel des Krümmungsradius , besonders vorzugsweise im Wesentlichen die Hälfte des Krümmungsradius , des zumindest einen strahlformenden optischen Elements ist . Damit kann der Winkelbereich beeinflusst werden, aus welchem Licht einer Lichtquelle auf das strahlformende optische Element auf treff en kann .

Der Abstand zwischen dem zumindest einen lichtempfindlichen Sensor und dem zumindest einen strahlformenden optischen Element und der Abstand zwischen der zumindest einen optischen Blende und dem zumindest einen strahlformenden optischen Element können aneinander angepasst sein . Bei einer gegebenen Abmessung , Geometrie und Brennweite des strahlformenden optischen Elements , einer gegebenen Blendenöffnung und einer gegebenen Längserstreckung des Sensors kann der Abstand zwischen der zumindest einen optischen Blende und dem zumindest einen strahlformenden optischen Element den Winkelbereich vorgeben, aus welchem von einer Lichtquelle emittiertes Licht auf den Spiegel auftreffen und von diesem reflektiert werden kann . Die Längserstreckung des Sensors , also die Sensorlänge , kann vorgeben, über welchen Winkelbereich durch den Spiegel reflektiertes Licht von dem Sensor detektiert werden kann . Die zumindest eine optische Blende , das zumindest eine strahlformende optische Element und der zumindest eine lichtempfindliche Sensor können auf Eckpunkten eines Dreiecks angeordnet sein . Damit ergibt sich eine von einem geradlinigen Verlauf abweichende Anordnung der abbildenden Optik . Die so teilweise nebeneinander angeordneten Teile der abbildenden Optik können einen verringerten Platzbedarf aufweisen .

Die zumindest eine optische Blende und der zumindest eine lichtempfindliche Sensor können räumlich zwischen der zumindest einen Lichtquelle und dem zumindest einen strahlformenden optischen Element angeordnet sein . Dadurch können die Teile der abbildenden Optik teilweise nebeneinander anordenbar sein .

Eine wie zuvor beschriebene abbildende Optik kann Teil einer Anordnung aus zumindest einer abbildenden Optik und zumindest einer Lichtquelle sein . Die zumindest eine Lichtquelle kann an zumindest einem Obj ekt , dessen Lage und/oder Bewegung im Raum erfasst werden soll , angeordnet werden .

Schutz wird auch begehrt für die Verwendung einer wie zuvor beschriebenen abbildenden Optik zur Erfassung der Lage und/oder der Bewegung zumindest eines Obj ektes im Raum, wobei an dem zumindest einen Obj ekt zumindest eine Lichtquelle angeordnet ist .

Schutz wird auch begehrt für ein Verfahren zur Erfassung der Lage und/oder der Bewegung zumindest eines Obj ektes im Raum. Zur Durchführung des Verfahrens kann insbesondere eine wie zuvor beschriebene abbildende Optik verwendet werden .

Dabei kann zunächst von zumindest einem Obj ekt emittiertes Licht durch zumindest eine optische Blende durchtreten . In weiterer Folge kann das Licht auf zumindest ein strahlformendes optisches Element in Form eines plankonkaven zylindrischen Spiegels auftreffen und reflektiert und gegebenenfalls fokussiert werden, wobei dabei eine Strahlführung und eine Strahlfokussierung erfolgen kann . Das Licht kann danach auf zumindest einen lichtempfindlichen Sensor auftreffen und von diesem detektiert werden . Ein Obj ekt , dessen Lage und/oder Bewegung im Raum erfasst werden soll , kann selbst Licht emittieren und damit eine Lichtquelle ausbilden . Ein Obj ekt kann auch eine am Obj ekt anordenbare Lichtquelle aufweisen . Es ist ebenso denkbar, dass an einem Obj ekt reflektiertes Licht von der abbildenden Optik erfasst wird . Dazu kann beispielsweise ein geeigneter Reflektor an einem Obj ekt anordenbar sein .

Das von zumindest einem Obj ekt emittierte Licht kann unter einem Polarwinkel um eine Längsrichtung der optischen Blende durch die zumindest eine optische Blende treten, wobei das Licht dann in Abhängigkeit des Polarwinkels auf einen Zylindermantelsegment des plankonkaven zylindrischen Spiegels auftreffen und reflektiert werden kann . In Abhängigkeit des Polarwinkels kann das Licht an einer Position entlang einer Längserstreckung entlang einer Längsrichtung zumindest eines als Zeilensensor oder Flächensensor ausgebildeten lichtempfindlichen Sensors auftreffen und detektiert werden . Der Polarwinkel kann durch eine Auswertevorrichtung einer abbildenden Optik aus der Position des Auftreffens entlang der Längserstreckung entlang einer Längsrichtung des zumindest einen lichtempfindlichen Sensors bestimmt werden .

Die Emission von Licht von mehreren zu erfassenden Obj ekten oder Lichtquellen kann seriell getaktet erfolgen, um eine Unterscheidung der verschiedenen Obj ekte und Lichtquellen zu ermöglichen . Unterschiedliche spektrale Verteilungen und unterschiedlich empfindliche Sensoren sind ebenso denkbar .

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren dis kutiert . Es zeigen :

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführung einer abbildenden Optik und ein Obj ekt mit daran angeordneter Lichtquelle an einer ersten Position im Raum,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer abbildenden Optik und ein Obj ekt mit daran angeordneter Lichtquelle an einer zweiten Position im Raum, Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer abbildenden Optik mit einer Auswertevorrichtung und zweier Obj ekte mit daran angeordneter Lichtquelle an unterschiedlichen Positionen im Raum,

Figur 4 eine Seitenansicht einer abbildenden Optik und zweier Obj ekte mit daran angeordneter Lichtquelle an unterschiedlichen Positionen im Raum gemäß der Figur 3 ,

Figur 5 eine Draufsicht einer abbildenden Optik,

Figur 6 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung von drei unterschiedlich zueinander ausgerichteten abbildenden Optiken und der erfassten Polarwinkel eines Obj ekts im Raum, und

Figur 7 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung von drei unterschiedlich zueinander ausgerichteten abbildenden Optiken zur Erfassung einer Position eines Obj ektes im Raum .

Figur 1 zeigt eine abbildende Optik zur Abbildung einer an einem Obj ekt 5 angeordneten Lichtquelle 1 auf einen lichtempfindlichen Sensor 4 , wobei die abbildende Optik eine optische Blende 2 , ein strahlformendes optisches Element 3 in Form eines plankonkaven zylindrischen Spiegels und einen lichtempfindlichen Sensor 4 aufweist . Die abbildende Optik bildet wie dargestellt eine Spaltöffnung 21 der zumindest einen optischen Blende 2 auf den zumindest einen lichtempfindlichen Sensor 4 ab .

Das zumindest eine strahlformende optische Element 3 ist im optischen Strahlengang zwischen der optischen Blende 2 und dem zumindest einen lichtempfindlichen Sensor 4 angeordnet . Die optische Blende 2 und der zumindest eine lichtempfindliche Sensor 4 sind außerhalb einer optischen Ebene des zumindest einen strahlformenden optischen Elements 3 angeordnet ( siehe dazu auch Figur 4 ) .

Durch die Reflexion am strahlformenden optischen Element 3 in Form des plankonkaven zylindrischen Spiegels weist die abbildende Optik zwischen der zumindest einen optischen Blende 2 und dem zumindest einen lichtempfindlichen Sensor 4 einen gefalteten Strahlengang auf . Die optische Blende 2 , das strahlformende optische Element 3 und der lichtempfindliche Sensor 4 sind auf Eckpunkten eines Dreiecks angeordnet , wobei die optische Blende 2 und der zumindest eine lichtempfindliche Sensor 4 räumlich zwischen der zumindest einen Lichtquelle 1 und dem zumindest einen strahlformenden optischen Element 3 angeordnet sind .

Der lichtempfindliche Sensor 4 ist in der gezeigten Ausführung als ein Zeilensensor mit einer Längserstreckung LI entlang einer Längsrichtung L ausgebildet . Die Längsrichtung L verläuft quer, insbesondere in Proj ektion entlang des optischen Strahlengangs gesehen rechtwinklig , zu einer Zylinderachse C des strahlformenden optischen Elements 3 . Die Spaltöffnung 21 verläuft entlang der Längsrichtung H parallel zu einer Zylinderachse C des strahlformenden optischen Elements 3 .

Der zumindest eine lichtempfindliche Sensor 4 ist im Wesentlichen in einem Abstand r zu dem zumindest einen strahlformenden optischen Element 3 angeordnet , der kleiner als der Krümmungsradius R des zumindest einen strahlformenden optischen Elements 3 ist , wobei der Krümmungsradius R dem Radialabstand des strahlformenden optischen Elements 3 zur Zylinderachse C entspricht ( siehe dazu Figuren 4 und 5 ) . In der dargestellten Ausführung entspricht der Abstand r im Wesentlichen der Hälfte des Krümmungsradius R .

Die zumindest eine optische Blende 2 ist im Wesentlichen in einem Abstand d zu dem zumindest einen strahlformenden optischen Element 3 angeordnet ist , der kleiner als der Krümmungsradius R des zumindest einen strahlformenden optischen Elements 3 ist , wobei der Krümmungsradius R dem Radialabstand des strahlformenden optischen Elements 3 zur Zylinderachse C entspricht ( siehe dazu Figuren 4 und 5 ) . In der dargestellten Ausführung entspricht der Abstand d im Wesentlichen der Hälfte des Krümmungsradius R

Bei der in Figur 1 gezeigten Position des Obj ekts 5 mit einer daran angeordneten Lichtquelle 1 treten vom Obj ekt 5 ausgehende Lichtstrahlen unter einem Polarwinkel phil um die Längsrichtung H der optischen Blende 2 , hier beispielsweise gemessen gegenüber einer Normalen auf die Ebene der optischen Blende 2 , durch die Blendenöffnung 21 hindurch . Das emittierte Licht trifft entlang der Längserstreckung LI des Sensors 4 an der Position xl auf diesem auf . Figur 2 zeigt eine zu Figur 1 analoge Darstellung , wobei die vom Obj ekts 6 mit einer daran angeordneten Lichtquelle 1 ausgehenden Lichtstrahlen unter einem Polarwinkel phi2 um die Längsrichtung H der optischen Blende 2 , wieder gegenüber einer Normalen auf die Ebene der optischen Blende 2 gemessen, durch die Blendenöffnung 21 hindurchtreten . Das emittierte Licht trifft entlang der Längserstreckung LI des Sensors 4 an der Position x2 auf diesem auf .

Figur 3 zeigt eine zu den Figuren 1 und 2 analoge Darstellung , wobei die abbildende Optik zur Charakterisierung der Position der Obj ekte 5 , 6 im Raum verwendet wird . In der gezeigten Ausführung kann ein Polarwinkel um die Längsrichtung H der optischen Blende 2 gegenüber einer Normalen auf die Ebene der optischen Blende 2 bestimmt werden . Durch eine Anordnung von zwei oder mehr abbildenden Optiken, oder einer abbildenden Optik mit einer entsprechenden Anzahl von entsprechend zu unterschiedlichen Raumrichtungen orientierten Blenden 2 , Spiegeln 3 und Sensoren 4 , können wie in den Figuren 6 und 7 gezeigt durch Bestimmung der j eweiligen Winkel zu unterschiedlichen Raumrichtungen, und gegebenenfalls deren Änderung , die Positionen von Obj ekten 5 , 6 und Lichtquellen 1 , und gegebenenfalls deren Bewegung, im Raum charakterisierbar sein . Zudem kann ein Abstand von Obj ekten 5 , 6 und Lichtquellen 1 zur abbildenden Optik stereoskopisch bestimmbar sein .

In Figur 4 ist eine Seitenansicht einer abbildenden Optik und zweier Obj ekte 5 , 6 mit daran angeordneten Lichtquellen 1 an unterschiedlichen Positionen im Raum gezeigt , wobei die Anordnung der abbildenden Optik und der Obj ekte 5 , 6 j ener der Figur 3 entsprechen . Die Abstände R, r, d und Winkel phil , phi2 sind dabei in Proj ektion gezeigt . Ein Polarwinkel phil , phi2 gegenüber einer Normalen auf die Ebene der optischen Blende 2 der von den Obj ekten 5 , 6 mit den Lichtquellen 1 ausgehenden Lichtstrahlen kann aus den Positionen xl , x2 des Auf treffens entlang der Längserstreckung LI des zumindest einen lichtempfindlichen Sensors 4 bestimmbar sein .

In Figur 5 ist eine Draufsicht auf eine abbildende Optik gezeigt , wobei die Anordnung der abbildenden Optik und der Obj ekte 5 , 6 der Figur 3 entsprechen kann . Die Abstände R, r, d und Winkel phil , phi2 sind in Proj ektion gezeigt .

Zur Erfassung der Lage und/oder der Bewegung zumindest eines Obj ektes 5 , 6 im Raum kann von zumindest einem Obj ekt 5 , 6 emittiertes Licht durch zumindest eine optische Blende 2 treten, von zumindest einem strahlformenden optischen Element 3 in Form eines plankonkaven zylindrischen Spiegels reflektiert werden und auf zumindest einen lichtempfindlichen Sensor 4 auf treff en und von diesem detektiert werden .

Die Emission von Licht von mehreren Obj ekten 5 , 6 oder Lichtquellen 1 kann seriell getaktet erfolgen um eine Unterscheidung der Obj ekte 5 , 6 und Lichtquellen 1 zu ermöglichen . Unterschiedliche spektrale Verteilungen und unterschiedlich empfindliche Sensoren sind ebenso denkbar .

Das von zumindest einem Obj ekt 5 , 6 emittierte Licht kann wie in den Figuren dargestellt unter verschiedenen Polarwinkeln phil , phi2 um eine Längsrichtung H der optischen Blende 2 durch die zumindest eine optische Blende 2 durchtreten, in Abhängigkeit des Polarwinkels phil , phi2 auf einen Zylindermantelsegment des plankonkaven zylindrischen Spiegels auftreffen und reflektiert werden, in Abhängigkeit des Polarwinkels phil , phi2 an einer Position xl , x2 entlang einer Längserstreckung LI zumindest eines als Zeilensensor oder Flächensensor ausgebildeten lichtempfindlichen Sensors 4 auftreffen und detektiert werden und in Folge der j eweilige Polarwinkel phil , phi2 aus der Position xl , x2 des Auftreffens entlang der Längserstreckung LI des zumindest einen lichtempfindlichen Sensors 4 durch eine Auswertevorrichtung 7 bestimmt werden .

Figur 6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung von drei unterschiedlich zueinander ausgerichteten abbildenden Optiken und die j eweils von den abbildenden Optiken erfassten Polarwinkel phil eines Obj ekts 5 mit daran angeordneter Lichtquelle 1 im Raum. Die j eweils erfassten Polarwinkel phil sind hier analog zu den zuvor dis kutierten Figuren gegenüber einer Normalen auf die Ebene der j eweiligen optischen Blende 2 gemessen . Bei bekannten - oder entsprechend erfassten - Abmessungen und der räumlichen Ausrichtung der Anordnung der abbildenden Optiken kann aus den j eweils erfassten Polarwinkeln phil trigonometrisch die Lage eines Obj ekts 5 im Raum durch Winkel al , a2 , a3 zu vorgegebenen oder vorgebbaren Raumrichtungen bestimmbar sein . Eine Bestimmung kann durch eine wie beispielhaft in Figur 3 dargestellte Auswertevorrichtung 7 erfolgen . In Figur 7 ist eine perspektivische Ansicht einer zur Erfassung der Position eines Obj ektes 5 im Raum verwendete Anordnung von drei unterschiedlich zueinander ausgerichteten abbildenden Optiken gezeigt . Die Position des Obj ektes 5 im Raum ist durch die erfassten Winkel al , a2 , a3 charakterisierbar .

Bezugs Zeichenliste

1 Lichtquelle

2 optische Blende

3 strahlformendes optisches Element

4 lichtempfindlicher Sensor

5 Obj ekt

6 Obj ekt

7 Auswertevorrichtung

21 Spaltöffnung

Hl Höhe Spaltöffnung

H Längsrichtung

Bl Breite Spaltöffnung

B Querrichtung phil Polarwinkel phi2 Polarwinkel

C Zylinderachse

R Krümmungsradius

L Längsrichtung

LI Längserstreckung xl Position x2 Position r Abstand d Abstand

Claims

Patentansprüche

1. Abbildende Optik zur Abbildung zumindest einer Lichtquelle (1) auf zumindest einen lichtempfindlichen Sensor (4) , wobei die abbildende Optik zumindest eine optische Blende (2) , zumindest ein strahlformendes optisches Element (3) und den zumindest einen lichtempfindlichen Sensor (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine strahlformende optische Element (3) ein plankonkaver zylindrischer Spiegel, insbesondere ein plankonkaver kreiszylindrischer Spiegel, ist.

2. Abbildende Optik nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das zumindest eine strahlformende optische Element (3) im optischen Strahlengang zwischen der zumindest einen optischen Blende (2) und dem zumindest einen lichtempfindlichen Sensor (4) angeordnet ist.

3. Abbildende Optik nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine optische Blende (2) und/oder der zumindest eine lichtempfindliche Sensor (4) zumindest teilweise außerhalb einer optischen Ebene des zumindest einen strahlformenden optischen Elements (3) angeordnet ist oder sind.

4. Abbildende Optik nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die abbildende Optik zwischen der zumindest einen optischen Blende (2) und dem zumindest einen lichtempfindlichen Sensor (4) einen gefalteten Strahlengang aufweist.

5. Abbildende Optik nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die abbildende Optik eine Spaltöffnung (21) der zumindest einen optischen Blende (2) auf den zumindest einen lichtempfindlichen Sensor (4) abbildet.

6. Abbildende Optik nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine lichtempfindliche Sensor (4) ein Flächensensor oder ein Zeilensensor ist.

7. Abbildende Optik nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine optische Blende (2) eine Spaltblende mit einer Spaltöffnung (21) mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Breite (Bl) entlang einer Querrichtung (B) und einer vorgegebenen oder vorgebbaren Höhe (Hl) entlang einer Längsrichtung (H) ist.

8. Abbildende Optik nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Spaltöffnung (21) entlang der Längsrichtung (H) parallel zu einer Zylinderachse (C) des strahlformenden optischen Elements (3) verläuft .

9. Abbildende Optik nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine lichtempfindliche Sensor (4) ein Zeilensensor oder ein Flächensensor mit einer Längserstreckung (LI) entlang einer Längsrichtung (L) des Sensors (4) ist und die Längsrichtung (L) quer, insbesondere rechtwinklig, zu einer Zylinderachse (C) des strahlformenden optischen Elements (3) verläuft.

10. Abbildende Optik nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine lichtempfindlichen Sensor (4) als Zeilensensor oder ein Flächensensor mit einer Längserstreckung (LI) entlang einer Längsrichtung (L) des Sensors (4) ausgebildet ist und ein Polarwinkel (phil, phi2 ) um eine Längsrichtung (H) der optischen Blende (2) aus einer Position (xl, x2) der abgebildeten Lichtquelle (1) entlang der Längserstreckung (LI) des zumindest einen lichtempfindlichen Sensors (4) bestimmbar ist.

11. Abbildende Optik nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine lichtempfindliche Sensor (4) im Wesentlichen in einem Abstand (r) zu dem zumindest einen strahlformenden optischen Element (3) angeordnet ist, der kleiner als der Krümmungsradius (R) , vorzugsweise kleiner als drei Viertel des Krümmungsradius (R) , besonders vorzugsweise kleiner als zwei Drittel des Krümmungsradius (R) , insbesondere im Wesentlichen die Hälfte des Krümmungsradius (R) , des zumindest einen strahlformenden optischen Elements (3) ist, und/oder die zumindest eine optische Blende (2) im Wesentlichen in einem Abstand (d) zu dem zumindest einen strahlformenden optischen Element (3) angeordnet ist, der kleiner als der Krümmungsradius (R) , vorzugsweise kleiner als drei Viertel des Krümmungsradius (R) , besonders vorzugsweise kleiner als zwei Drittel des Krümmungsradius (R) , insbesondere im Wesentlichen die Hälfte des Krümmungsradius (R) , des zumindest einen strahlformenden optischen Elements (3) ist.

12. Abbildende Optik nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine optische Blende (2) , das zumindest eine strahlformendes optisches Element (3) und der zumindest einen lichtempfindliche Sensor (4) auf Eckpunkten eines Dreiecks angeordnet sind, und/oder die zumindest eine optische Blende (2) und der zumindest einen lichtempfindliche Sensor (4) räumlich zwischen der zumindest einen Lichtquelle (1) und dem zumindest einen strahlformenden optischen Element (3) angeordnet sind.

13. Verwendung einer abbildenden Optik nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Erfassung der Lage und/oder der Bewegung zumindest eines Objektes (5, 6) im Raum, wobei an dem zumindest einen Objekt (5, 6) zumindest eine Lichtquelle (1) angeordnet ist.

14. Verfahren zur Erfassung der Lage und/oder der Bewegung zumindest eines Objektes (5, 6) im Raum, insbesondere unter Verwendung einer abbildenden Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei von zumindest einen Objekt (5, 6) emittiertes Licht durch zumindest eine optische Blende (2) tritt, von zumindest einem strahlformenden optischen Element (3) in Form eines plankonkaven zylindrischen Spiegels reflektiert wird, auf zumindest einen lichtempfindlichen Sensor (4) auftrifft und von diesem detektiert wird.

15. Verfahren zur Erfassung der Lage und/oder der Bewegung zumindest eines Objektes (5, 6) im Raum nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das von zumindest einem Objekt (5, 6) emittierte Licht unter einem Polarwinkel (phil, phi2 ) um eine Längsrichtung (H) der optischen Blende (2) durch die zumindest eine optische Blende (2) tritt, in Abhängigkeit des Polarwinkels (phil, phi2) auf einen Zylindermantelsegment des plankonkaven zylindrischen Spiegels auftrifft und reflektiert wird, in Abhängigkeit des Polarwinkels (phil, phi2 ) an einer Position (xl, x2 ) entlang einer Längserstreckung (LI) entlang einer Längsrichtung (L) zumindest eines als Zeilensensor oder Flächensensor ausgebildeten lichtempfindlichen Sensors (4) auftrifft und detektiert wird, der Polarwinkel (phil, phi2 ) aus der Position (xl, x2 ) des Auftreffens entlang der Längserstreckung (LI) entlang einer Längsrichtung (L) des zumindest einen lichtempfindlichen Sensors (4) durch eine Auswertevorrichtung (7) einer abbildenden Optik bestimmt wird.