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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur strukturellen Analyse eines Zielobjekts und eine entsprechende Vorrichtung.
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Technischer Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der optischen Messtechnik. Wenngleich andere Anwendungen denkbar sind, werden die Erfindung und die einschlägigen technischen Probleme im Zusammenhang mit der optischen 3D-Messtechnik beschrieben. Eine Aufgabe der 3D-Messtechnik ist es, die dreidimensionale Struktur eines Objektes zu messen und rechnerisch zu rekonstruieren.
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Verschiedene Verfahren zur Erfassung der dreidimensionalen Struktur von Oberflächen sind bereits bekannt. Beispielweise ist aus dem Stand der Technik das Verfahren der strukturierten Beleuchtung bzw. aktiven Triangulation bekannt.
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Die Triangulation ist ein Verfahren der Messtechnik. In einem einfachen Beispiel für die Triangulation wird durch Messung zweier Winkel auf die Position eines Objektpunktes geschlossen. Die Winkel werden von zwei Positionen aus gemessen. Die Position des Objektpunktes wird in Relation zu einer Verbindungslinie der Punkte, genannt Basislinie, bestimmt. Historisch wurde das Verfahren der Triangulation auch zur Vermessung von Land in der Geodäsie eingesetzt. Bei der aktiven Triangulation wird ein Objekt dabei mit einem Muster beleuchtet.
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Der Stand der Technik bringt jedoch Eigenschaften mit sich, die nachteilig sein können. Die bekannten Verfahren sind häufig nicht sehr flexibel und lassen sich nicht sehr vielfältig einsetzen und optimal an die Anwendungssituation anpassen. Viele der bekannten Lösungen sind teuer und mechanisch sehr komplex. Schnelle Musteranpassungen und -wechsel sind häufig nicht möglich, wodurch die Verfahren des Standes der Technik nicht zeiteffizient eingesetzt werden können.
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Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, den Stand der Technik im Hinblick auf diese Eigenschaften zu verbessern.
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Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Demgemäß ist ein Verfahren zur strukturellen Analyse eines Zielobjekts vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Durchleuchten eines Volumenhologramms mit einem einfallenden Lichtfeld zum Erzeugen eines gebeugten Lichtfeldes, Beleuchten des Zielobjekts mit zumindest einem Teil des gebeugten Lichtfelds zum Erzeugen eines Musters auf dem beleuchteten Zielobjekt, Aufnehmen von optischen Messdaten des beleuchteten Zielobjektes und Ableiten von Aussagen über Struktureigenschaften des Zielobjektes basierend auf den optischen Messdaten.
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Demgemäß ist außerdem eine Vorrichtung zur strukturellen Analyse eines Zielobjekts vorgesehen, mit: mindestens einem Projektor mit mindestens einer Lichtquelle, welche dazu ausgebildet ist, ein Lichtfeld zu erzeugen, und einem Volumenhologramm, welches dazu ausgebildet ist, das von der Lichtquelle erzeugte Lichtfeld zu beugen, und mindestens einem Bildsensor, welche dazu ausgebildet ist, optische Messdaten des mit dem gebeugten Lichtfeld beleuchteten Zielobjektes aufzunehmen, und einer Auswertungseinheit, welche dazu ausgebildet ist, aus den durch den mindestens einen Bildsensor aufgenommenen optischen Messdaten Aussagen über Struktureigenschaften des Zielobjektes abzuleiten.
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Erfindungsgemäß wird ein Volumenhologramm mit einem einfallenden Lichtfeld durchleuchtet. Das Volumenhologramm ist ein Hologramm, dessen Dicke ebenfalls zur Speicherung des holografischen Bildes genutzt wird. Im Gegensatz zu einem Flächenhologramm, bei welchem hierzu eine zweidimensionale Struktur zum Einsatz kommt, werden bei einem Volumenhologramm sämtliche drei Raumdimensionen genutzt. Mit anderen Worten ist ein Volumenhologramm ein optisches Element, welches sich durch eine dreidimensionale Modulation optischer Eigenschaften innerhalb des Substratkörpers auszeichnet. Beispielsweise können Brechungsindex, Absorptionsgrad oder Reflexionsgrad moduliert sein. Die Struktur der Modulation ist dabei dreidimensional ausgebildet. Das heißt, für jeden Punkt des dreidimensionalen Körpers, dessen Ort durch eine Raumkoordinate in drei Dimensionen beschrieben werden kann, kann eine solche Modulationseigenschaft anders eingestellt sein.
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Beim Durchleuchten des Volumenhologramms mit dem einfallenden Lichtfeld fällt das Lichtfeld auf das Volumenhologramm ein, wobei das Lichtfeld am Volumenhologramm gebeugt wird. Es entsteht ein gebeugtes Lichtfeld. In einer möglichen Ausführungsform ist das einfallende Lichtfeld das Strahlungsfeld eines Lasers, es können aber auch andere einfallende Lichtfelder in Betracht kommen, welche aus anderen Lichtquellen herrühren, welche mono- oder polychromatisch emittieren können. Beispielsweise kommen Lichtfelder von Laserdioden, Leuchtdioden, Lampen, Leuchtstoffröhren oder anderweitigen Leuchtmitteln in Betracht. Insbesondere können jedoch Lichtfelder von Lichtquellen mit einem schmalbandigen Spektrum und hoher zeitlicher und/oder örtlicher Kohärenz zum Einsatz gebracht werden. Durch den Einsatz von schmalbandigem Licht können insbesondere durch entsprechende Bandpassfilterung seitens der Kamera Störeffekte durch Umgebungslicht minimiert werden.
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Das Zielobjekt wird mit zumindest einem Teil des gebeugten Lichtfelds beleuchtet, wodurch ein Muster auf dem beleuchteten Zielobjekt erzeugt wird.
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Schließlich werden optische Messdaten des beleuchteten Zielobjekts aufgenommen. Dies kann durch eine oder mehrere Kameras realisiert werden. Da die optischen Messdaten am beleuchteten Zielobjekt aufgenommen werden, ist auch das Muster in den optischen Messdaten enthalten.
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Danach werden Aussagen über Struktureigenschaften des Zielobjektes basierend auf den optischen Messdaten hergeleitet. So können beispielsweise aus den optischen Messdaten verschiedene Arten von Aussagen über Struktureigenschaften des Zielobjektes hergeleitet werden wie beispielsweise über eine dreidimensionale äußere Struktur des Zielobjektes oder die Oberflächenbeschaffenheit des Zielobjektes. Dies ist insbesondere möglich, wenn diese mit den bekannten Informationen über das gebeugte Lichtfeld und das Muster kombiniert werden. Dies sind jedoch lediglich Beispiele. Da die aufgenommenen optischen Messdaten Informationen über das gebeugte Lichtfeld als auch über die Wechselwirkung des Zielobjektes mit dem gebeugten Lichtfeld enthalten, sind eine Vielzahl an verschiedenen Arten von Aussagen über Struktureigenschaften des Zielobjektes denkbar.
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Die Idee der vorliegenden Erfindung bietet eine kompakt realisierbare, lichteffiziente, vielfältig einsetzbare und leicht anpassbare, kostengünstige Musterprojektion mit geringer mechanischer Komplexität, die vielseitige, zweckangepasste Muster und schnelle Musterfolgen bereitstellt. Insbesondere können durch den einfachen und kompakten Aufbau, die leichte Handhabung und die Möglichkeit für zahlreiche vielseitige Muster sowohl effiziente Messungen durchgeführt werden als auch unnötige Ausfallzeiten, welche durch eine Rekonfiguration der Apparatur zwischen Messungen, beispielsweise für einen Musterwechsel, bedingt sind, minimiert werden. Dies sind lediglich einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung, viele weitere Vorteile sind denkbar.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer Weiterbildung können die Aussagen über Struktureigenschaften des Zielobjektes Aussagen über die dreidimensionale Struktur einer Oberfläche des Zielobjektes aufweisen. Demgemäß kann außerdem die Auswertungseinheit dazu ausgebildet sein, Aussagen über die dreidimensionale Struktur einer Oberfläche des Zielobjektes abzuleiten.
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Beispielsweise werden diese Aussagen durch die Verzerrung des Musters, welche durch die dreidimensionale Struktur der Oberfläche des Zielobjektes bedingt ist, hergeleitet.
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Insbesondere können hierbei besonders gestaltete Bereiche des Musters identifiziert werden. Diese Bereiche können dann am verzerrten Muster identifiziert und mit Soll-Werten verglichen werden. Diese Soll-Werte beschreiben die Positionen der besonders gestalteten Bereiche für das unverzerrte Muster und sind beispielsweise im Zusammenhang mit dem Muster bekannt oder ergeben sich aus der Regelmäßigkeit des Musters.
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Die besonders gestalteten Bereiche können Musterelemente wie Punkte oder Linien sein, aber auch andere geeignete helle oder dunkle Strukturen des Musters können hierzu benutzt werden.
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Beispielsweise kann so ein 3D-Modell einer Oberfläche des Zielobjektes erstellt werden. Es sind aber Alternativen hierzu denkbar. So kann gemäß eines anderen Beispiels eine zweidimensionale Karte einer Oberfläche erstellt werden, in welcher Tiefeninformationen gespeichert werden.
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Alternativ zur dreidimensionalen Struktur können die Aussagen über Struktureigenschaften des Zielobjektes auch beispielsweise Aussagen über eine zwei- oder vierdimensionale Struktur aufweisen, wobei letztere dadurch gekennzeichnet ist, dass sie zusätzlich eine zeitliche Entwicklung einbezieht.
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Das Volumenhologramm kann das einfallende Lichtfeld im ersten Verfahrensschritt derart beugen, dass das Muster, welches auf dem beleuchteten Zielobjekt erzeugt wird, für das Ableiten der gewünschten Aussagen über das Zielobjekt in besonders guter Weise geeignet ist. Beispielsweise können die Muster so gewählt werden, dass sie besonders viele besonders gestaltete Bereiche aufweisen, die leicht identifiziert werden können. Beispielsweise können so die gewonnenen Aussagen über die dreidimensionale Struktur besonders genau sein und die Ungenauigkeit durch Messfehler kann minimiert werden.
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Zum Beispiel kann das erzeugte Muster ein Punktmuster, ein Linienmuster oder ein flächiges Muster sein, aber auch andere Muster können je nach spezifischer Anwendung vorteilhaft sein.
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Beispielsweise ist es auch möglich, mehrere Aufnahmen eines Zielobjektes aus unterschiedlichen Richtungen aufzunehmen. Dazu kann zum Beispiel das Zielobjekt gedreht werden. Ein größerer Teil der Oberfläche des Zielobjektes kann so analysiert werden. So kann beispielsweise auch ein 3D-Modell erzeugt werden, welches größere Teile des Zielobjektes oder gar das ganze Zielobjekt umfasst.
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Gemäß einer Weiterbildung können die Aussagen basierend auf einem Triangulationsverfahren, insbesondere einer aktiven Triangulation, abgeleitet werden. Demgemäß kann außerdem die Auswertungseinheit dazu ausgebildet sein, die Aussagen durch Triangulation, insbesondere aktive Triangulation, abzuleiten.
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Die Triangulation ist ein Verfahren der Messtechnik. In einem einfachen Beispiel für die Triangulation wird durch Messung zweier Winkel auf die Position eines Objektpunktes geschlossen. Die Winkel werden von zwei Positionen aus gemessen. Die Position des Objektpunktes wird in Relation zu einer Verbindungslinie der Punkte, genannt Basislinie, bestimmt.
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Bei der aktiven Triangulation wird ein Objekt dabei mit einem Muster beleuchtet. In einem einfachen Beispiel für die aktive Triangulation bildet der Musterprojektor dabei den ersten Endpunkt der Basislinie und ein Bildsensor den zweiten Endpunkt der Basislinie.
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So reicht insbesondere eine einzelne Winkelmessung seitens des Bildsensors, sofern die Emissionswinkel des Musterprojektors bekannt sind und korrekt zugeordnet werden können, um die räumliche Position von einem oder mehreren Messpunkten zu bestimmen. Es können aber auch mehrere Messungen, beispielweise aus unterschiedlichen Winkeln heraus, vorgenommen werden.
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Das Grundprinzip des Verfahrens der Triangulation wird im Folgenden anhand eines einfachen zweidimensionalen Beispiels erklärt. Bei einem allgemeinen Triangulationsverfahren wird ausgehend von zwei Basispunkten A und B, deren Entfernung voneinander, also die Länge der Strecke [AB], bekannt ist, jeweils der Winkel bestimmt, bei dem sich ein Punkt C befindet. Die Lage von C kann so durch Berechnung bestimmt werden. Beispielsweise kann C als Schnittpunkt zweier Geraden bestimmt werden, welche durch die Punkte A bzw. B und in dem entsprechenden gemessenen Winkel α bzw. β in Hinblick auf die Strecke [AB] verlaufen.
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In einem einfachen Beispiel für ein Triangulationsverfahren könnte so jeder der Punkte A und B jeweils einer Kamera entsprechen.
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Bei der aktiven Triangulation wird beispielsweise ein Projektor eingesetzt und mindestens eine Kamera. In Bezug auf das zweidimensionale Beispiel könnte der Projektor dem Punkt A und eine einzelne Kamera dem Punkt B entsprechen.
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Der Projektor projiziert ein Muster, wobei Elemente des Musters unter bestimmten bekannten Winkeln projiziert werden. Dieser Winkel entspricht in einem Beispiel dem Winkel α. Der Winkel β entspricht dann in diesem Beispiel dem Winkel, unter dem das entsprechende Element des Musters von der Kamera aufgenommen wird. Durch den Einsatz des Musters ist also prinzipiell nur eine Kamera vonnöten.
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Ein Vorteil der aktiven Triangulation ist beispielsweise durch die durch das Muster vordefinierten Bezugspunkte gegeben. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein einziges aufgenommenes Bild (und nur ein Bildsensor) ausreichend ist, um die Oberflächenstruktur eines Objektes zu bestimmen.
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Die angeführten Beispiele für Triangulationsverfahren sind lediglich als solche zu betrachten. Es sind viele andere Ausgestaltungen denkbar.
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Gemäß einer Weiterbildung können die optischen Messdaten aus mindestens zwei unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf das Zielobjekt aufgenommen werden.
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Dadurch können die Genauigkeit und der Detailgrad weiter verbessert werden und eventuelle Fehler in der Musterprojektion können erkannt werden.
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Es können also aus optischen Messdaten aus mindestens zwei unterschiedlichen Winkeln direkte Informationen über die dreidimensionale räumliche Struktur des Zielobjekts gewonnen werden. Dies sei im Folgenden an einem Beispiel erläutert. Während beispielsweise ein einfaches gewöhnliches Kamerabild (in Abwesenheit eines projizierten Musters) keine Tiefeninformation enthält und daher keine verlässlichen Aussagen über räumliche Struktur erlaubt, so sind in zwei oder mehr Bildern desselben Zielobjektes aus unterschiedlichen Winkeln Stereoinformationen enthalten. Diese Informationen können also extrahiert und zur Berechnung der Stereostruktur des Zielobjekts zusätzlich genutzt werden.
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Ferner entsteht der Vorteil, dass genauere und umfassendere Aussagen über das Zielobjekt möglich werden, je mehr Bilder aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommen werden. Das Zielobjekt wird also genauer und umfassender inspiziert und es werden Messungenauigkeiten minimiert.
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Zur Durchführung dieses Ausführungsbeispiels wird beispielsweise das Zielobjekt rotiert oder anderweitig bewegt. Es ist aber auch möglich, den Bildsensor zu bewegen. In einer weiteren Variante werden mehrere Bildsensoren eingesetzt, welche in unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf das Zielobjekt aufgestellt werden.
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Insbesondere ist es auch möglich, dass der Bildsensor und der Projektor ortsfest zueinander in Beziehung stehen und gemeinsam um das Zielobjekt rotiert werden. So können optische Messdaten aus zwei oder mehr Perspektiven auf das Zielobjekt aufgenommen werden, ohne dass der Winkel zwischen Projektor und Bildsensor geändert und neu kalibriert werden muss.
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Gemäß einer Weiterbildung kann ein Reflexionshologramm und/oder ein Transmissionshologramm, welches insbesondere als Phasenhologramm und/oder Amplitudenhologramm und/oder Bragg-Gitter ausgebildet ist, als Volumenhologramm eingesetzt werden. So können die unterschiedlichen Einsatz- und Modulationsmöglichkeiten des Volumenhologramms effizient genutzt werden.
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Es können auch mehrere Modulationsmöglichkeiten kombiniert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Volumenhologramm dazu ausgebildet sein, bei in Bezug auf das Volumenhologramm unterschiedlichen einfallenden Lichtfeldern unterschiedliche gebeugte Lichtfelder zu erzeugen.
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Es kommt Multiplexing bzw. ein Multiplexverfahren zum Einsatz. Verschiedene gebeugte Lichtfelder können so in Abhängigkeit von dem einfallenden Lichtfeld bei der Beugung am Volumenhologramm entstehen. Das Volumenhologramm kann so also mehrere gebeugte Lichtfelder bzw. damit einhergehende Muster „speichern“, und diese Lichtfelder bzw. Muster können dann abgerufen werden.
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Dadurch können das Volumenhologramm und das Musterprojektionsverfahren vielseitig eingesetzt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung können die unterschiedlichen gebeugten Lichtfelder einzeln oder in Kombination erzeugt und/oder gleichzeitig oder zeitlich sequentiell erzeugt werden.
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So können die durch Multiplexing im Volumenhologramm gespeicherten gebeugten Lichtfelder einzeln oder in Kombination erzeugt werden. In letzterem Fall wird also eine Kombination bzw. Überlagerung von mehreren im Volumenhologramm gespeicherten gebeugten Lichtfeldern erzeugt. Dies geschieht, indem entsprechende einfallende Lichtfelder entsprechend kombiniert bzw. überlagert werden.
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Beispielsweise können so auch unterschiedliche gebeugte Lichtfelder gleichzeitig oder zeitlich sequentiell abgerufen werden, indem entsprechende einfallende Lichtfelder gleichzeitig bzw. zeitlich sequentiell zur Verfügung gestellt werden.
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Verschiedene gleichzeitig eingesetzte Muster haben beispielsweise den Vorteil, dass dadurch genauere Messdaten und genauere Aussagen über das Zielobjekt erlangt werden können.
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Außerdem sind durch die zeitlich sequentielle Form des Multiplexing schnelle Musterwechsel möglich.
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Es sei im Zusammenhang mit Multiplexing angemerkt, dass ein Volumenhologramm stets eine finite optische Speicherkapazität aufweist. Es ist daher am Rande angemerkt, dass Multiplexing nur im Rahmen der optischen Speicherkapazität erfolgreich betrieben werden kann. Eine Überschreitung der Kapazität äußert sich dann beispielsweise in einer Unschärfe der projizierten Muster oder einem Übersprechen zwischen den Mustern.
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Gemäß einer Weiterbildung können die unterschiedlichen gebeugten Lichtfelder durch mehrere unterschiedliche und/oder an unterschiedlichen Orten befindliche und/oder in unterschiedlichen Winkeln im Hinblick auf das Volumenhologramm angeordnete Lichtquellen des einfallenden Lichtfeldes erzeugt werden. Alternativ können gemäß einer Weiterbildung die unterschiedlichen gebeugten Lichtfelder durch Translation, zum Beispiel parallel oder in einem Winkel zur Richtung des Lichtstrahls wie beispielsweise orthogonal, oder Rotation des Volumenhologramms relativ zum einfallenden Lichtfeld erzeugt werden. Alternativ können gemäß einer Weiterbildung die unterschiedlichen gebeugten Lichtfelder durch unterschiedliche Wellenlängen des einfallenden Lichtfeldes erzeugt werden.
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Das Multiplexing kann also auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Sämtliche Eigenschaften des einfallenden Lichtfeldes kommen zwecks Multiplexing/selektivem Abruf des Volumenhologramms in Frage.
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So können diese unterschiedlichen Eigenschaften durch unterschiedliche Lichtquellen des einfallenden Lichtfeldes bedingt sein. Sie können auch durch an unterschiedlichen Orten/in unterschiedlichen Winkeln im Hinblick auf das Volumenhologramm angeordnete Lichtquellen des einfallenden Lichtfeldes bedingt sein.
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Es kann aber auch das Volumenhologramm translatorisch oder rotatorisch in Bezug auf das einfallende Lichtfeld bewegt werden. Alternativ können auch eine oder mehrere Lichtquellen translatorisch oder rotatorisch in Bezug auf das Volumenhologramm bewegt werden. Alternativ hierzu ist es beispielsweise auch möglich, sowohl das Volumenhologramm als auch eine oder mehrere Lichtquellen translatorisch oder rotatorisch zu bewegen.
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Desweiteren können auch unterschiedliche Wellenlängen des einfallenden Lichtfeldes zwecks Multiplexing zum Einsatz kommen. In einem Beispiel ist die Lichtquelle ein Laser. Die zentrale Wellenlänge des Lasers kann dabei eingestellt werden. Diese Einstellung der Wellenlänge kann zum Beispiel bei einem kontinuierlich durchstimmbaren Laser kontinuierlich erfolgen oder sie kann in diskreten Stufen erfolgen.
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Insbesondere können mehrere Eigenschaften des einfallenden Lichtfeldes zwecks Multiplexing kombiniert werden. So kann beispielsweise die Kombination von Ort, Winkel und Wellenlänge zum gezielten Abrufen des Volumenhologramms benutzt werden.
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Durch diese Form des Multiplexing kann die vielseitige Einsetzbarkeit der im Volumenhologramm gespeicherten Muster maximiert werden. Insbesondere kann dieser Vorteil mit einer sehr kompakten Bauweise des Projektors kombiniert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann ein Strahlteiler oder ein dichroitischer Spiegel in den optischen Weg zwischen der mindestens einen Lichtquelle und das auszulesende Volumenhologramm eingesetzt werden.
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Insbesondere stellt dies einen geeigneten Weg dar, mehrere Lichtquellen in einen gemeinsamen optischen Weg, insbesondere zwecks Multiplexing, einzukoppeln.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1, 2 schematische Darstellungen eines Volumenhologramms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Volumenhologramms gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4, 5 schematische Darstellungen eines Volumenhologramms gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Multiplexing über den Einfallswinkel;
- 6, 7 schematische Darstellungen eines Volumenhologramms gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit spektralem Multiplexing;
- 8 eine schematische Darstellung eines Projektors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 9-13 schematische Darstellungen eines Projektors gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
- 14 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur strukturellen Analyse eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform;
- 15 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur strukturellen Analyse eines Zielobjekts gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 16 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur strukturellen Analyse eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform;
- 17 eine schematische Darstellung einiger Beispiele für Muster gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 ist eine schematische Darstellung des Volumenhologramms 103 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Darstellung ist das Volumenhologramm 103 quaderförmig ausgestaltet. Das Volumenhologramm 103 kann aber auch eine andere Form haben. In der 1 ist ein Schreibprozess dargestellt, bei dem Informationen in das Volumenhologramm 103 geschrieben werden. Dabei wird das Volumenhologramm 103 sowohl mit einem Referenzlichtfeld 120 als auch einem Signallichtfeld 121 beleuchtet. Durch diesen Vorgang können Informationen, die im Signallichtfeld 121 enthalten sind, in das Volumenhologramm 103 geschrieben werden. Beispielsweise kann durch diesen Vorgang das Volumenhologramm 103 dazu eingerichtet werden, bei einem späteren Auslesevorgang, zum Beispiel in einem Musterprojektor, wie er erfindungsgemäß eingesetzt wird, ein Muster erzeugen zu können. Das Volumenhologramm 103 ist als Transmissionshologramm ausgestaltet. Das Referenzlichtfeld 120 und das Signallichtfeld 121 fallen beim Schreibvorgang von derselben Seite auf das Volumenhologramm 103 ein.
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Der in 1 dargestellte Schreibprozess ist ein analoger Schreibprozess. Dabei wird ein photosensitives Substrat wie in der Figur dargestellt beschrieben. Ein Volumenhologramm kann aber auch durch ein digitales Verfahren beschrieben werden. Beispielsweise kann ein Volumenhologramm computergeneriert, insbesondere auch unter Einsatz von Software zur Erstellung einer von einem Zielmuster abgeleiteten dreidimensionalen Modulation optischer Eigenschaften, erstellt werden. Die physische Aufprägung der dreidimensionalen Modulation optischer Eigenschaften geschieht mittels digitaler Verfahren zum Beschreibung von Volumenhologrammen, beispielsweise einem direkten Laserschrieb.
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Die 2 ist eine schematische Darstellung eines Volumenhologramms 203 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist der Ausleseprozess des Volumenhologramms 203 dargestellt. Das Ausleselichtfeld 222 fällt auf das Volumenhologramm 203 ein und wird an diesem gebeugt. Dabei einsteht ein gebeugtes Lichtfeld 223. Beispielsweise kann das gebeugte Lichtfeld 223 dazu verwendet werden, im Rahmen eines erfindungsgemäßen Musterprojektors ein Muster auf ein Zielobjekt zu projizieren. Das Volumenhologramm 203 ist als Transmissionshologramm ausgestaltet. Das Ausleselichtfeld 222 tritt auf der einen Seite des Volumenhologramms 203 ein. Das gebeugte Lichtfeld 223 entsteht sodann durch Beugung auf der anderen Seite des Volumenhologramms 203.
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Die 3 ist eine schematische Darstellung eines Volumenhologramms 303 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Volumenhologramm 303 ist als Reflexionshologramm ausgestaltet. In der Figur ist sowohl der Ausleseprozess als auch der Schreibprozess für das Volumenhologramm 303 dargestellt. Dabei stellt das dargestellte Lichtfeld 324 im Falle des Auslesens des Volumenhologramms 303 ein Ausleselichtfeld dar. Im Falle eines Schreibens des Volumenhologramms 303 stellt das Lichtfeld 324 ein Referenzlichtfeld dar. Im Folgenden werden sowohl der Schreibprozess als auch der Ausleseprozess des Volumenhologramms 303 kurz beschrieben. Beim Schreibvorgang wird das Volumenhologramm 303 von der einen Seite mit einem Signallichtfeld 323 und von der anderen Seite mit einem Referenzlichtfeld 324 beleuchtet. Beim Auslesevorgang wird das Volumenhologramm 303 mit einem Ausleselichtfeld 324 beleuchtet. Dabei entsteht durch Beugung ein gebeugtes Lichtfeld 323. Da das Volumenhologramm 303 der 3 als Reflexionshologramm ausgestaltet ist, befinden sich beim Auslesevorgang das Ausleselichtfeld 324 und das gebeugte Lichtfeld 323 auf derselben Seite des Volumenhologramms 303.
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Der in 3 dargestellte Schreibprozess ist ein analoger Schreibprozess. Ferner gilt das bereits zu 1 gesagte.
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Die 4 ist eine schematische Darstellung eines Volumenhologramms 403 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unterschiedliche Einfallswinkel von Lichtfeldern in Bezug auf das Volumenhologramm 403 werden dazu genutzt, um Multiplexing durchzuführen. Die 4 verdeutlicht den Schreibprozess des Volumenhologramms 403 unter Nutzung von Multiplexing über unterschiedliche Einfallswinkel. Die Referenzlichtfelder 420a und 420b werden unter unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf das Volumenhologramm 403 bereitgestellt. Die Signallichtfelder 421a und 421b können beispielsweise unter einem identischen Winkel in Bezug auf das Volumenhologramm 403 bereitgestellt sein. In einem ersten Schritt werden die Informationen des Signallichtfeldes 421a in das Volumenhologramm 403 geschrieben, in dem zeitgleich mit dem Signallichtfeld 421a ein Referenzlichtfeld 420a bereitgestellt wird. Danach werden die Informationen des Signallichtfeldes 421b in das Volumenhologramm 403 geschrieben in dem zeitgleich mit dem Signalfeld 421b ein Referenzlichtfeld 420b bereitgestellt wird. Durch die unterschiedlichen Einfallswinkel der Referenzlichtfelder 420a und 420b ist durch Multiplexing gewährleistet, dass die Informationen beider Signallichtfelder 421a und 421b im Volumenhologramm 403 gespeichert sind.
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Der in 4 dargestellte Schreibprozess ist ein analoger Schreibprozess. Ferner gilt das bereits zu 1 gesagte. In der 5 ist dargestellt wie die durch Multiplexing über den Einfallswinkel in einem Volumenhologramm 503 gespeicherten Informationen selektiv abgerufen werden können. Dazu wird das Volumenhologramm 503 beispielsweise mit einem Ausleselichtfeld 522a unter einem ersten Winkel in Bezug auf das Volumenhologramm 503 beleuchtet, wobei ein gebeugtes Lichtfeld 523a entsteht. Wird das Volumenhologramm 503 mit einem Ausleselichtfeld 522b unter einem zweiten Winkel beleuchtet, so entsteht ein gebeugtes Lichtfeld 523b. Auf diese Weise können durch Variation des Einfallswinkels des Ausleselichtfeldes unterschiedliche im Volumenhologramm 503 gespeicherte Information abgerufen werden. Beispielsweise können dies unterschiedliche Muster sein, die in den gebeugten Lichtfeldern 523a und 523b enthalten sind und die so selektiv abgerufen werden können.
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Es wurde beschrieben, wie die im Volumenhologramm 503 gespeicherten Informationen zeitlich sequenziell abgerufen werden können. Es ist aber auch ein gleichzeitiges Abrufen möglich. Dazu wird das Volumenhologramm 503 gleichzeitig mit den Referenzlichtfeldern 522a und 522b beleuchtet. Dadurch entsteht durch Beugung eine Überlagerung der beiden gebeugten Lichtfelder 523a und 523b. Beispielsweise können diese gebeugten Lichtfelder 523a und 523b Muster enthalten, die durch Nutzung des Multiplexing auf diese Art in überlagerter Form erzeugt werden können.
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Die 6 ist eine schematische Darstellung eines Volumenhologramms 603 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist der Schreibvorgang des Volumenhologramms 603 unter Ausnutzung von spektralem Multiplexing dargestellt. Die Referenzlichtfelder 620a und 620b haben unterschiedliche Wellenlängen und fallen auf das Volumenhologramm 603 ein. Des Weiteren werden entsprechende Signallichtfelder 621a und 621b mit den entsprechenden Wellenlängen bereitgestellt. Durch den Einsatz der unterschiedlichen Wellenlängen werden die in den Signallichtfeldern 621a und 621b enthaltenen Informationen im Volumenhologramm 603 gespeichert. Das Beschreiben des Volumenhologramms 603 mit den unterschiedlichen Wellenlängen kann gleichzeitig, aber auch zeitlich sequenziell erfolgen.
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Der in 6 dargestellte Schreibprozess ist ein analoger Schreibprozess. Ferner gilt das bereits zu 1 gesagte.
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Die 7 ist eine schematische Darstellung eines Volumenhologramms 703 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist ein Auslesevorgang unter Benutzung von spektralem Multiplexing dargestellt. Die Ausleselichtfelder 722a und 722b besitzen unterschiedliche Wellenlängen und fallen auf das Volumenhologramm 703 ein. Dabei entstehen gebeugte Lichtfelder unterschiedlicher Wellenlänge 723a und 723b. Das Auslesen des Volumenhologramms 703 durch Ausleselichtfelder 722a und 722b unterschiedlicher Wellenlänge kann gleichzeitig, aber auch zeitlich sequenziell erfolgen. Bei einem gleichzeitigen Auslesen des Volumenhologramms 703 durch Ausleselichtfelder 722a und 722b unterschiedlicher Wellenlänge entsteht so durch Beugung eine Überlagerung der beiden gebeugten Lichtfelder 723a und 723b. Beispielsweise können diese gebeugten Lichtfelder 723a und 723b Muster enthalten, die durch Nutzung des Multiplexing auf diese Art in überlagerter Form erzeugt werden können.
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Die unterschiedlichen Varianten des Multiplexing können auch beliebig mit einander kombiniert werden. So können zum Beispiel das Winkelmultiplexing der 4 und 5 und das spektrale Multiplexing der 6 und 7 miteinander kombiniert werden.
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Die 8 ist eine schematische Darstellung eines Projektors 801 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Drei Lichtquellen 802a, 802b, 802c sind in unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf das Volumenhologramm 803 angeordnet. Mit dieser Anordnung ist ein Auslesen des Volumenhologramms unter Nutzung von Multiplexing über den Einfallswinkel möglich. In der Figur sind drei Lichtquellen dargestellt. Dies ist lediglich beispielhaft und es kann eine beliebige andere Anzahl an Lichtquellen eingesetzt werden, beispielsweise 1-15, oder auch 1, 2, 4, 5 oder 12.
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Die Lichtquellen können gleiche Lichtquellen oder unterschiedliche Lichtquellen sein. Beispielsweise kann so auch zusätzlich spektrales Multiplexing genutzt werden, wenn Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge bereitgestellt werden. Es können auch gleiche Lichtquellen zum Einsatz kommen, an denen unterschiedliche Einstellungen vorgenommen werden. Beispielsweise können mehrere durchstimmbare Laser eingesetzt werden und unterschiedliche Wellenlängen an den durchstimmbaren Lasern eingestellt werden.
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Die 9 ist eine schematische Darstellung eines Projektors 901 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zwei Lichtquellen 902a und 902b sind an unterschiedlichen Orten in Bezug auf das Volumenhologramm 903 derart angeordnet, dass das Licht an unterschiedlichen Orten in das Volumenhologramm 903 eintritt. Es wird also Multiplexing über den unterschiedlichen Eintrittsort bereitgestellt. In der Figur sind zwei Lichtquellen 902a, 902b dargestellt, es kann aber auch eine andere Anzahl an Lichtquellen eingesetzt werden, beispielsweise 1-15, 1, 2, 3, 5 oder 12.
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Die 10 ist eine schematische Darstellung eines Projektors 1001 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Durch einen Strahlteiler oder dichroitischen Spiegel 1011, der in den optischen Weg zwischen den Lichtquellen 1002a und 1002b und dem Volumenhologramm 1003 eingebracht ist, können mehrere Lichtquellen in einen gemeinsamen optischen Weg eingekoppelt werden. Dies ermöglicht insbesondere den Einsatz unterschiedlicher Lichtquellen zwecks Multiplexing mit einem gemeinsamen optischen Weg. Beispielsweise können die Lichtquellen 1002a und 1002b bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren und es kann spektrales Multiplexing genutzt werden. Insbesondere ermöglicht diese Anordnung, durch die Einkopplung in den gemeinsamen optischen Weg ein rein spektrales Multiplexing bei geringer mechanischer Komplexität bereitzustellen.
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Die 11 ist eine schematische Darstellung eines Projektors 1101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Lichtquelle ist eine variable Lichtquelle 1102 wie beispielsweise ein stimmbarer Laser. Beispielsweise kann durch Abstimmen des Spektrums des Lasers erreicht werden, dass das Volumenhologramm 1101 unter Nutzung von spektralem Multiplexing ausgelesen werden kann.
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Die 12 ist eine schematische Darstellung eines Projektors 1201 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Volumenhologramm 1203 kann in Bezug auf die Lichtquelle 1202 bewegt werden. Die Pfeile in der Figur verdeutlichen eine translatorische Bewegung des Volumenhologramms 1203 in Bezug auf die Lichtquelle 1202. Beispielsweise kann das Volumenhologramm 1203 durch einen Motor oder Servomotor bewegt werden.
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Es wird also Multiplexing über den unterschiedlichen Eintrittsort bereitgestellt. Der unterschiedliche Eintrittsort wird hierbei über eine Bewegung des Volumenhologramms 1203 erreicht. Alternativ kann auch die Lichtquelle 1202 einer translatorischen Bewegung unterzogen werden.
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Die 13 ist eine schematische Darstellung eines Projektors 1301 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Volumenhologramm 1303 kann in Bezug auf die Lichtquelle 1302 gedreht werden. Die Pfeile in der Figur verdeutlichen eine rotatorische Bewegung des Volumenhologramms 1303 in Bezug auf die Lichtquelle 1302. Beispielsweise kann das Volumenhologramm 1303 durch einen Motor oder Servomotor gedreht werden.
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Es wird also Multiplexing über den unterschiedlichen Eintrittswinkel bereitgestellt. Der unterschiedliche Eintrittswinkel wird hierbei über eine Bewegung des Volumenhologramms 1303 erreicht. Alternativ kann auch die Lichtquelle 1302 um das Volumenhologramms 1203 herum rotiert werden.
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Die 14 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1400 zur strukturellen Analyse eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform. Der Projektor 1401 umfasst eine Lichtquelle 1402 und ein Volumenhologramm 1403. Die Lichtquelle 1402 ist beispielsweise ein Laser. In der dargestellten Ausführungsform ist das Volumenhologramm 1403 ein Transmissionshologramm. Die Lichtquelle 1402 erzeugt ein Lichtfeld 1422 und durchleuchtet das Volumenhologramm 1403 mit dem Lichtfeld 1422. Dabei entsteht ein gebeugtes Lichtfeld 1423. Ein Zielobjekt 1404 wird von dem Projektor 1401, der das gebeugte Lichtfeld 1423 emittiert, beleuchtet. Der optische Bildsensor 1405 nimmt optische Messdaten des beleuchteten Zielobjektes 1404 auf. Der optische Bildsensor 1405 kann beispielsweise als Teil einer Kamera (nicht gezeigt) ausgebildet sein. Eine Steuereinheit 1406 ist dazu eingerichtet, die Vorrichtung 1400 zur strukturellen Analyse eines Zielobjekts zu steuern und die Verfahrensschritte zu koordinieren. Beispielsweise kann die Steuereinheit 1406 so die Lichtquelle 1402 und den Bildsensor 1405 steuern. Sie kann aber auch andere Teile der Vorrichtung steuern, wie beispielsweise einen Servomotor, der dazu eingerichtet ist, das Volumenhologramm 1403 translatorisch oder rotatorisch zu bewegen. Die Steuereinheit 1406 kann beispielsweise auch die optischen Messdaten 1430 von dem Bildsensor 1405 empfangen und an die Auswertungseinheit 1410 weiterleiten, oder eine solche Weiterleitung veranlassen. Die Messdaten 1430 können dann von der Auswertungseinheit 1410 ausgewertet werden. Beispielsweise werden von der Auswertungseinheit 1410 Aussagen über die dreidimensionale Struktur einer Oberfläche des beleuchteten Zielobjektes hergeleitet, wie beispielsweise ein 3D-Modell oder eine Karte der Oberfläche, welche die dreidimensionale Struktur der Oberfläche in Form von Tiefeninformationen enthält. Beispielsweise wird hierzu ein aktives Triangulationsverfahren verwendet.
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Über eine Ausgabeeinheit 1407 können die Daten ausgeben oder visualisiert werden. Beispielsweise können die Daten über eine elektronische Schnittstelle einer externen Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Die Ausgabeeinheit 1407 kann aber auch mit einem Display ausgestattet sein, und beispielsweise einer Benutzerschnittstelle, sodass der Benutzer die Ergebnisse der strukturellen Analyse betrachten und über die Benutzerschnittstelle interagieren kann.
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In einer möglichen Ausgestaltung werden mehrere Laser unterschiedlicher Wellenlänge eingesetzt. Beispielsweise können dies drei Laser sein mit den Farben blau, rot und grün. Das heißt, jeder der drei Laser emittiert bei einer anderen Farbe des optischen Spektrums. Es kann aber auch eine andere Anzahl an Lasern eingesetzt werden, beispielsweise 12. Beispielsweise kann der Bildsensor auch dazu ausgestaltet sein, die drei Farben voneinander zu trennen, sodass drei Bilder entstehen. Wenn weitere Messungen benötigt werden, können zusätzlich zeitlich sequentiell mehrere Messungen durchgeführt und mehrere Bilder aufgenommen werden. So kann eine Mehrzahl an Bildern effizient aufgenommen werden. Es gibt auch eine Möglichkeit, eine Phasenschiebesequenz einzusetzen.
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Die 15 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1500 zur strukturellen Analyse eines Zielobjekts 1404 gemäß einer weiteren Ausführungsform. In dieser Ausführungsform werden mehrere Projektoren 1501a, 1501b eingesetzt. Beispielsweise können es zwei Projektoren 1501a und 1501b sein, oder auch mehr. Jeder der Projektoren 1501a, 1501b enthält ein Volumenhologramm sowie eine oder mehrere Lichtquellen. In der Ausführungsform können auch mehrere Bildsensoren eingesetzt werden. Beispielsweise können es zwei Bildsensoren 1505a und 1505b sein, oder auch mehr. Die Bildsensoren 1505a und 1505b können auch als Teil von einer Kamera oder mehreren Kameras ausgebildet sein. Desweiteren sind in der Figur eine Steuereinheit 1506, eine Auswertungseinheit 1510 und eine Ausgabeeinheit 1507 dargestellt. Die Bildsensoren 1505a und 1505b, die Projektoren 1501a und 1501b und die Steuereinheit 1506 können beispielsweise über einen gemeinsamen Kommunikationsbus 1531 miteinander verbunden sein, über welchen sie miteinander kommunizieren und Daten übertragen und austauschen.
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Die 16 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur strukturellen Analyse eines Zielobjekts gemäß einer Ausführungsform. Gemäß der Ausführungsform werden die Verfahrensschritte S01, S02, S03, S04 in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt. Die Verfahrensschritte sind: Durchleuchten S01 eines Volumenhologramms 1403 mit einem einfallenden Lichtfeld zum Erzeugen eines gebeugten Lichtfeldes, Beleuchten S02 des Zielobjekts 1404 mit zumindest einem Teil des gebeugten Lichtfelds zum Erzeugen eines Musters auf dem beleuchteten Zielobjekt 1404, Aufnehmen S03 von optischen Messdaten des beleuchteten Zielobjektes 1404, Ableiten S04 von Aussagen über Struktureigenschaften des Zielobjektes 1404 basierend auf den optischen Messdaten. Die Aussagen über Struktureigenschaften des Zielobjektes können Aussagen über die dreidimensionale Struktur einer Oberfläche des Zielobjektes aufweisen.
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Die Aussagen können auch basierend auf einem Triangulationsverfahren, insbesondere einer aktiven Triangulation, abgeleitet werden. Die optischen Messdaten können aus mindestens zwei unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf das Zielobjekt aufgenommen werden.
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Als Volumenhologramm kann ein Reflexionshologramm und/oder ein Transmissionshologramm, welches insbesondere als Phasenhologramm und/oder Amplitudenhologramm und/oder Bragg-Gitter ausgebildet ist, eingesetzt werden. Das Volumenhologramm kann dazu ausgebildet sein, bei in Bezug auf das Volumenhologramm unterschiedlichen einfallenden Lichtfeldern unterschiedliche gebeugte Lichtfelder zu erzeugen. Somit kann Multiplexing zum Einsatz kommen.
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Die unterschiedlichen gebeugten Lichtfelder können einzeln oder in Kombination erzeugt werden und/oder gleichzeitig oder zeitlich sequentiell erzeugt werden. Die unterschiedlichen gebeugten Lichtfelder können auch durch mehrere unterschiedliche und/oder an unterschiedlichen Orten befindliche und/oder in unterschiedlichen Winkeln im Hinblick auf das Volumenhologramm angeordnete Lichtquellen des einfallenden Lichtfeldes erzeugt werden, und/oder durch Translation oder Rotation des Volumenhologramms relativ zum einfallenden Lichtfeld erzeugt werden, und/oder durch unterschiedliche Wellenlängen des einfallenden Lichtfeldes erzeugt werden.
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Die 17 eine schematische Darstellung einiger Beispiele für Muster gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise werden die Muster durch einen Projektor 1401 erzeugt, wenn sie auf eine ebene Fläche des Zielobjektes 1404 treffen.
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Die 17a) zeigt ein Beispiel für ein Punktmuster. Ein solches Punktmuster weist punktförmige Intensitätszentren auf. Die 17b) zeigt ein Beispiel für ein Linienmuster. Ein solches Linienmuster weist linienförmige Bereiche hoher Lichtintensität auf. Die 17c) zeigt ein Beispiel für ein rasterartiges Muster. Die 17d) zeigt ein Beispiel für ein schachbrettartiges Muster.
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Es können aber auch andere Muster als die dargestellten verwendet werden. Insbesondere können die Muster in gröberer oder feinerer Struktur als dargestellt verwendet werden oder es können Musterparameter wie beispielsweise Linienprofile variiert werden. Die Muster können auch rotiert werden. Sie können vergrößert oder verkleinert werden. Es können auch die Abstände zwischen den Strukturen variiert werden. Zum Beispiel können bei Linienmustern die Abstände zwischen den Linien verändert werden.
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Die 17 zeigt verschiedene Beispiele für regelmäßige Muster. Ebenso können nicht-regelmäßige oder nichtperiodische Muster zum Einsatz kommen. Ein nicht-periodisches Muster ist ein Muster, dessen Teilbereiche zumindest in einer Dimension nicht identisch zu anderen Teilbereichen desselben Musters sind. Beispiele sind zufällige oder pseudo-zufällige, Linienmuster mit variierenden Linienabständen oder Muster mit beliebiger Intensitätsmodulation.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.