Der Photomischdetektor zur schnellen 3D-Vermessung für ...

1 Grundlagen
Bei den Triangulationsverfahren geht es allgemein darum die von der zu untersuchenden
Szene kommende optische Strahlung im Hinblick auf geometrische Beziehungen
auszuwerten. Dabei gibt es verschiedene Varianten je nach dem, ob mit oder
ohne aktive optische Beleuchtung gearbeitet wird. Vertreter der passiven Triangulation
sind die sogenannten Stereokameras, bei denen die betreffende Szene mit zwei Kameras
aus unterschiedlichen Beobachtungswinkeln aufgenommen wird (siehe Abschnitt 3.1.5).
Demgegenüber handelt es sich bei den photogrammetrischen Verfahren mit Strukturprojektionen
um aktive Ansätze.
Als Alternative zu den beschriebenen Triangulationsverfahren gibt es verschiedene
Laufzeitverfahren, bei denen der Abstand zur Objektoberfläche über die Echolaufzeit
und die entsprechende Geschwindigkeit bestimmt wird. Die grundlegende Schwierigkeit
bei diesen Methoden resultiert aus der enormen Höhe der Lichtgeschwindigkeit. Soll
eine Entfernungsauflösung von 1 mm erreicht werden, muss die Echolaufzeitmessung
mit einer Genauigkeit von 6, 6 ps durchgeführt werden. Einen erfolgreichen Ansatz zur
Lösung dieses Problems liefert die optische Interferometrie, bei der kohärentes Licht
konstruktiv bzw. destruktiv überlagert wird und die Entfernung aus der resultierenden
Interferenzfigur gewonnen wird. Der große Vorteil dieser Variante liegt in der erzielbaren
Entfernungsgenauigkeit, die in Bruchteilen der verwendeten Lichtwellenlänge
angegeben werden kann.
Wenn jedoch ein großer Messbereich abgedeckt werden soll, ein entsprechend hoher
Eindeutigkeitsbereich notwendig ist oder auf kohärentes Licht verzichtet werden soll,
kann anstelle der optischen Interferometrie ein Modulationsinterferometrieverfahren
realisiert werden. Je nach verwendeter Signalform wird dabei zwischen Pulslaufzeitverfahren,
bei denen kurze Pulse und schnelle Shutter notwendig sind (siehe [BoDe00]),
und Phasenlaufzeitmessungen unterschieden. Analog zu der am CSEM 1 in Zürich entwickelten
3D-Kamera (siehe [LSBS99]) ist der im Rahmen dieser Arbeit behandelte
Photomischdetektor ebenfalls ein Vertreter dieses Messverfahrens.
Die für die optisch inkohärente Phasenlaufzeitmessung, die sogenannte Modulationsinterferometrie,
prinzipiell notwendigen Funktionsblöcke sind in der nachfolgenden
Abbildung zu sehen.
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1 Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique