Most known optical range sensors require a large amount of 2D raw data from which the 3D data are decoded, associated with considerable “cost”. The cost arises from expensive hardware as well as from the time necessary to acquire the images. This contribution deals with the question of how to acquire a maximum of shape information with a minimum of image raw data. Information theory according to Shannon is an appropriate means to develop a sensor model. Using the term channel capacity, the model describes the maximum information that a sensor can provide. Besides the channel, the properties of the source of information (the shape of the object) are investigated. Typical sources show a large amount of redundancy which should be reduced by proper optical coding. Several options for analogue optical coding are discussed. Photometric stereo is an appropriate method to acquire shape data of low measurement uncertainty with a minimum of raw data. Based on this method an improvement called photometric deflectometry is introduced, which is able to measure not only diffusely reflecting surfaces, but also specular object surfaces. A large illumination aperture minimizes coherent noise and results in a measurement uncertainty of less than one micron. With the help of a color camera a single shot sensor is implemented, which can record the raw data simultaneously.

Die meisten optischen 3D-Sensoren erfordern eine erhebliche Menge an zweidimensionalen Rohdaten (Kameraaufnahmen), aus denen anschließend die dreidimensionalen Formdaten gewonnen werden. Für diese Rohdaten ist ein hoher Preis zu zahlen. Dieser geht zurück auf teure Kameras und andere Hardware, aber auch auf die Tatsache, dass viel Zeit nötig ist, die Daten aufzunehmen. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Frage, wie man mit einem Minimum an Rohdaten 3D-Formdaten geringer Messunsicherheit gewinnen kann. Die Informationstheorie nach Shannon ist ein geeignetes Mittel, diese Frage zu beantworten. Auf ihrer Grundlage wird ein informationstheoretisches Sensormodell entwickelt. Dieses Modell beschreibt mit dem Begriff der Kanalkapazität, wie viel Information ein Sensor maximal liefern kann. Neben dem Kanal werden auch die Eigenschaften der Informationsquelle, nämlich der dreidimensionalen Form des Objektes, untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass das Formsignal typischer Objekte ein hohes Maß an Redundanz enthält. Es ist ungünstig, ein redundantes Signal zu übertragen, da hierfür unnötig viel Kanalkapazität zur Verfügung gestellt werden muss. Daher stellt sich die Frage, ob es optische Codierungsmöglichkeiten gibt, die Redundanz des Formsignals wesentlich zu reduzieren. Hierzu werden verschiedene Ansätze zur optischen Codierung diskutiert. Das Sensorprinzip des photometrischen Stereo erweist sich als vorteilhafte Methode und es wird gezeigt, dass 3D-Formdaten geringer Messunsicherheit mit einem Minimum an Rohdaten gewonnen werden können. Mit der Erweiterung des Verfahrens zur photometrischen Deflektometrie können neben diffus reflektierenden auch spiegelnde Objekte erfasst werden. Eine große Beleuchtungsapertur minimiert das kohärente Rauschen und ermöglicht eine Messunsicherheit von weniger als 1 Mikrometer. Mit Hilfe einer Farbkamera kann ein Single Shot Sensor realisiert werden, der alle Rohdaten gleichzeitig aufnimmt.