DE102004051565B4 - Optoelectronic arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects as well as force and / or moment sensor, pan / zoom sensor and PC keyboard with such an arrangement - Google Patents

Optoelectronic arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects as well as force and / or moment sensor, pan / zoom sensor and PC keyboard with such an arrangement Download PDF

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Abstract

Optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, die mindestens einen eindimensionalen positionsempfindlichen Detektor umfasst, wobei der positionsempfindliche Detektor von mindestens zwei Lichtemissionseinrichtungen beleuchtet wird, um mindestens zwei Messzellen mit einem gemeinsamen Detektor zu bilden, wobei jede der von einem gemeinsamen Detektor gebildeten Messzellen eine im Strahlengang der entsprechenden Lichtemissionseinrichtung zwischen der genannten Lichtemissionseinrichtung und dem positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende aufweist, wobei der positionsempfindliche Detektor in funktionalem Zusammenhang mit zwei benachbarten Schlitzblenden steht, wobei die zwei benachbarten Schlitzblenden einen Winkel zusammen einschließen und jeweils zueinander senkrecht angeordnete Schlitze aufweisen, wobei der eindimensionale positionsempfindliche Detektor um jeweils 45° zu jeder durch die Schlitze der zwei benachbarten Schlitzblenden entstehenden Lichtebenen verdreht ist, und wobei jede der zwei benachbarten Schlitzblenden in Richtung der zur benachbarten Schlitzblende gehörigen Lichtemissionseinrichtung angeordnet ist.Optoelectronic arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects, which comprises at least one one-dimensional position-sensitive detector, the position-sensitive detector being illuminated by at least two light emission devices in order to form at least two measuring cells with a common detector, each of the measuring cells formed by a common detector has a slit diaphragm arranged in the beam path of the corresponding light-emitting device between said light-emitting device and the position-sensitive detector, the position-sensitive detector being functionally connected to two adjacent slit diaphragms, the two adjacent slit diaphragms enclosing an angle together and each having slots arranged perpendicular to one another, the one-dimensional position sensitive detector at 45 ° to each through the slots of the two adjacent S The resulting light planes are twisted, and each of the two adjacent slit diaphragms is arranged in the direction of the light emission device belonging to the adjacent slit diaphragm.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, welche Anordnung mindestens einen positionsempfindlichen Detektor umfasst, wobei jeder positionsempfindliche Detektor von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet wird, um eine Messzelle zu bilden. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraft- und/oder Momentsensor, der sich einer solchen Anordnung bedient. Schließlich betrifft die Erfindung eine PC-Tastatur, die den erfindungsgemäßen Kraft- und/oder Momentsensor aufweist.The invention relates to an optoelectronic arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects, which arrangement comprises at least one position-sensitive detector, wherein each position-sensitive detector is illuminated by a light-emitting device in order to form a measuring cell. Furthermore, the invention relates to a force and / or torque sensor, which makes use of such an arrangement. Finally, the invention relates to a PC keyboard having the force and / or torque sensor according to the invention.

Für den Computeranwender wird es immer wichtiger dreidimensionale Bewegungen durch ein Peripheriegerät zu steuern. Dabei wird eine dreidimensionale Auslenkung durch das Peripheriegerät erfasst und als Translation (X, Y, Z) und/oder als Rotation (A, B, C) im Raum beschrieben. Die wichtigste Komponente ist der Sensor, der die Auslenkung in bis zu sechs (6) Freiheitsgraden messen kann.For the computer user, it is becoming increasingly important to control three-dimensional movements through a peripheral device. In this case, a three-dimensional deflection is detected by the peripheral device and described as translation (X, Y, Z) and / or as rotation (A, B, C) in space. The most important component is the sensor, which can measure the deflection in up to six (6) degrees of freedom.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

DE 36 11 337 A1 offenbart eine in einer Kunststoffkugel untergebrachte optoelektronische Anordnung, die gleichzeitig sechs Komponenten, nämlich Verschiebungen (Translation) entlang dreier Achsen und Winkeldrehungen um drei Achsen, erfassen kann. Zu diesem Zweck sind sechs lichtemittierende Einrichtungen in im Wesentlichen gleichen Winkelabständen zueinander in einer Ebene angeordnet. Jeder lichtemittierenden Einrichtung ist eine fest angeordnete Schlitzblende vorgeschaltet. Die Relativbewegungen oder Relativpositionen werden durch lichtempfindliche Detektoren aufgenommen, die relativ zu der Anordnung aus lichtemittierenden Einrichtungen und Schlitzblenden beweglich angeordnet sind, und deren Detektorachse senkrecht zur Schlitzrichtung verläuft. Die Anordnung erfordert relativ geringen Konstruktionsaufwand, da die lichtemittierenden Einrichtungen und Blenden, sowie ggf. andere elektronische Einrichtungen zum Ansteuern und Auswerten mit konventioneller Löttechnik auf einer einzigen Platine angeordnet werden können, die fest mit einem ersten Objekt verbunden werden kann. Die positionsempfindlichen Detektoren werden mit dem zweiten Objekt verbunden. Nachteilig ist jedoch, dass die Anordnung eine relativ große Fläche beansprucht. Ursache ist die relativ große räumliche Ausdehnung der Blenden und Detektoren, die ringförmig um die Lichtemissionseinrichtungen angeordnet sind. Hierdurch sind einer Miniaturisierung der Anordnung Grenzen gesetzt. DE 36 11 337 A1 discloses an optoelectronic assembly housed in a plastic sphere that can simultaneously detect six components, namely translations along three axes and angular rotations about three axes. For this purpose, six light emitting devices are arranged at substantially equal angular intervals to each other in a plane. Each light emitting device is preceded by a fixed slit diaphragm. The relative or relative positions are taken by photosensitive detectors which are movably arranged relative to the array of light emitting devices and slit diaphragms and whose detector axis is perpendicular to the slit direction. The arrangement requires relatively little design effort, since the light-emitting devices and diaphragms, and possibly other electronic devices for driving and evaluating with conventional soldering can be arranged on a single board, which can be firmly connected to a first object. The position sensitive detectors are connected to the second object. The disadvantage, however, is that the arrangement requires a relatively large area. The reason is the relatively large spatial extent of the diaphragms and detectors, which are arranged in a ring around the light emitting devices. As a result, a miniaturization of the arrangement limits set.

Die DE 43 08 456 C2 zeigt eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Positionskörpers mit Projektoren, die einen gemeinsamen Maßstab in Form einer CCD Zeile beleuchten. Die Vorrichtung erfasst die Abstände zwischen den von den Projektoren beleuchteten Stellen des Maßstabes.The DE 43 08 456 C2 shows a device for determining the position of a position body with projectors that illuminate a common scale in the form of a CCD line. The device detects the distances between the illuminated by the projectors of the scale.

Die US 2001/0038380 A1 betrifft einen Joystick mit optischen Positionssensoren. Dieser umfasst mindestens eine lineare Positionserfassungsdiode, die auf einem Stator oder „Floater” angeordnet ist, und einer Vielzahl von Projektoren, die ebene Lichtstrahlen erzeugen. Hierfür werden zwei Präzisionsmasken in einem Diodenhalter eingesetzt.The US 2001/0038380 A1 relates to a joystick with optical position sensors. This includes at least one linear position detecting diode disposed on a stator or "floater" and a plurality of projectors producing plane light beams. For this purpose, two precision masks are used in a diode holder.

Weitere Dokumente ohne Anspruch auf Vollständigkeit, die den technischen Hintergrund für die Erfindung zeigen, sind: DE 27 27 704 C3 , DE 36 11 336 C2 , US 3 921 445 A , US 3 628 394 A , US 4 999 483 A und DE 101 58 776 A1 .Other documents without claim of completeness, which show the technical background of the invention, are: DE 27 27 704 C3 . DE 36 11 336 C2 . US 3,921,445 A . US Pat. No. 3,628,394 . US 4,999,483 A and DE 101 58 776 A1 ,

DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDES PROBLEMTHE PROBLEM CONSTITUTING THE INVENTION

Optoelektronische Anordnungen zum Messen von Relativbewegungen oder Relativpositionen, sowie Kraft- und/oder Momentsensoren, die sich solcher Anordnungen bedienen, haben in der Vergangenheit vor allem in industriellen Anwendungen Bedeutung gewonnen. Beispiele sind das Steuern von Robotern und das Messen von Kräften an Kfz-Prüf- und Messständen. Den Anordnungen und Sensoren bieten sich aber prinzipiell auch im Bürobereich sowie in der Unterhaltungselektronik kommerziell höchst interessante Anwendungsmöglichkeiten. Sie haben hierbei die Funktion eines Eingabegerätes, mit dem bis zu sechs Komponenten eingegeben werden können, im Gegensatz zu einem Joystick, einer Maus oder einem Trackball, die im allgemeinen die Eingabe von nur zwei Komponenten erlauben. Eine einfache und bequeme Eingabe von sechs Komponenten, wie es ein Kraft- und/oder Momentsensor mit einer optoelektronischen Anordnung erlaubt, ist zum Beispiel zur Steuerung von 3D-Konstruktionssoftware und anspruchsvollen Computerspielen wünschenswert. Die bisherigen Eingabegeräte sind allerdings aufgrund ihres Flächen/Volumenbedarfs ausgesprochen unhandlich, was einer weiterreichenden Verbreitung wesentlich entgegenstand. Eine Miniaturisierung würde den Einbau z. B. in Spielkonsolen, PC-Tastaturen oder Notebook-Computern erlauben, und dadurch eine breite Marktdurchdringung ermöglichen.Optoelectronic arrangements for measuring relative movements or relative positions, as well as force and / or moment sensors, which use such arrangements, have gained importance in the past, especially in industrial applications. Examples include controlling robots and measuring forces on vehicle test benches. The arrangements and sensors offer in principle, however, in the office sector and in consumer electronics commercially very interesting applications. Here you have the function of an input device, with which up to six components can be entered, in contrast to a joystick, a mouse or a trackball, which generally allow the input of only two components. A simple and convenient input of six components, as permitted by a force and / or moment sensor with an opto-electronic device, is desirable, for example, for controlling 3D design software and demanding computer games. However, the previous input devices are extremely cumbersome due to their surface / volume requirements, which was substantially contrary to wider dissemination. A miniaturization would the installation z. As in game consoles, PC keyboards or notebook computers, and thereby enable a broad market penetration.

Die typischen 3D Eingabegeräte dienen der Ansichtsmanipulation von dreidimensionalen Objekten in gleichzeitig 6 Freiheitsgraden (6DOF = 3 Translationen und 3 Rotationen). Die Kappe bzw. die Kugel des 3D Eingabegeräts ist federnd gelagert und erlaubt eine beliebige Auslenkung im Raum (6DOF). Diese Gruppe von Eingabegeräte sind auf Kunden mit echten 3D Anwendungen (6DOF) gezielt, wie z. B. Catia oder andere CAD Anwendungen.The typical 3D input devices are used for manipulating the views of three-dimensional objects in 6 degrees of freedom (6DOF = 3 translations and 3 rotations). The cap or the ball of the 3D input device is spring-mounted and allows any deflection in space (6DOF). This group of input devices are aimed at customers with real 3D applications (6DOF), such as: Catia or other CAD applications.

Neben den echten 6DOF Anwendungen gibt es auch eine große Gruppe von Anwendungen, in denen ein Objekt zu drehen nicht gewünscht ist. Beispiele für solche Anwendungen sind die Office Produkte (Word, Excel, Powerpoint, usw.) und Bildverarbeitungsprogramme (Adobe Photoshop, Acrobat Reader, usw.). Das manipulierte Objekt ist meist eine zwei-dimensionales Vorlage („beschriftetes und/oder bemaltes Papier”), bei dem eine Verdrehung der Vorlage nicht gewollt ist. Der Wunsch des Kunden die Ansicht zu verändern bleibt, aber er beschränkt sich auf das Verschieben (Pan – 2 DOF) und das Vergrößern/Verkleinern (Zoom – 1 DOF) des Objekts.In addition to the true 6DOF applications, there is also a large group of applications in which an object is not desired to rotate. Examples of such applications are the Office products (Word, Excel, Powerpoint, etc.) and image processing programs (Adobe Photoshop, Acrobat Reader, etc.). The manipulated object is usually a two-dimensional template ("labeled and / or painted paper"), in which a rotation of the template is not wanted. The customer's desire to change the view remains, but it is limited to moving (Pan - 2 DOF) and zooming in / out (Zoom - 1 DOF) of the object.

Ziel einer Entwicklung für diese Kundengruppe, ist der Bau eines Eingabegeräts, welches speziell für Pan/Zoom-Anwendungen geeignet ist. Damit könnte man sich den kostspieligen Aufwand eines vollwertigen 3D Sensors (6DOF) sparen, bei dem die drei rotatorischen Bewegungen einfach ignoriert werden.The aim of a development for this customer group is the construction of an input device, which is especially suitable for Pan / Zoom applications. This would save you the costly overhead of a full 3D sensor (6DOF), ignoring the three rotatory movements.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt somit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte zu schaffen, die im Vergleich zu den bekannten Anordnungen ein wendigeres Design vorsieht. Zum Beispiel könnte das Design der Anordnung effizienter und/oder flexibler sein oder einen geringeren Flächenbedarf aufweisen. Ferner könnte das Design der Anordnung preiswerter sein und/oder speziell für Pan/Zoom-Anwendungen geeignet sein.Starting from the prior art, the present invention is therefore based on the object to provide an arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects, which provides a manoeuvrable design compared to the known arrangements. For example, the design of the assembly could be more efficient and / or more flexible or have a smaller footprint. Furthermore, the design of the assembly could be cheaper and / or more suitable for pan / zoom applications.

Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraft- und/oder Momentsensor zu schaffen, der ebenfalls ein im Vergleich zu den bekannten Sensoren eleganteres Design erlaubt. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Eingabegerät für den Einsatz im Büro zu schaffen, das eine unkomplizierte Eingabe von bis zu sechs Kraft- bzw. Drehmomentkomponenten erlaubt.In addition, the invention has for its object to provide a force and / or torque sensor, which also allows a more elegant compared to the known sensors design. Finally, the invention has for its object to provide an input device for use in the office, which allows an uncomplicated input of up to six force or torque components.

ERFINDUNGSGEMÄSSE LÖSUNGINVENTION SOLUTION

Zum Erfüllen dieser Aufgabe lehrt die Erfindung eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, die durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist. Die Erfindung lehrt weiter einen Kraft- und/oder Momentsensor, der durch die Merkmale des Anspruchs 9 definiert ist. Vorzugsweise dient der Kraftsensor als Pan/Zoom-Sensor für Bildverarbeitung und anderer gleichartigen Büroanwendungen. Schließlich lehrt sie auch eine Personalcomputer-Tastatur, die durch die Merkmale des Anspruchs 20 definiert ist.To achieve this object, the invention teaches an optoelectronic device for detecting relative movements or relative positions of two objects, which is defined by the features of claim 1. The invention further teaches a force and / or torque sensor, which is defined by the features of claim 9. Preferably, the force sensor serves as a pan / zoom sensor for image processing and other similar office applications. Finally, it also teaches a personal computer keyboard, which is defined by the features of claim 20.

AUFBAU UND WEITERBILDUNG DER ERFINDUNGSGEMÄSSEN LÖSUNGCONSTRUCTION AND TRAINING OF THE INVENTION SOLUTION

Eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte gemäß einer Form der Erfindung umfasst mindestens einen positionsempfindlichen Detektor und ist dadurch gekennzeichnet, dass der positionsempfindliche Detektor von mindestens zwei Lichtemissionseinrichtungen beleuchtet wird, um zwei Messzellen mit einem gemeinsamen Detektor zu bilden.An optoelectronic arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects according to a form of the invention comprises at least one position-sensitive detector and is characterized in that the position-sensitive detector is illuminated by at least two light-emitting devices in order to form two measuring cells with a common detector.

Erfindungsgemäß weist jede der zwei von einem gemeinsamen Detektor gebildeten Messzellen eine im Strahlengang der entsprechenden Lichtemissionseinrichtung zwischen der genannten Lichtemissionseinrichtung und der positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende auf. Jeder positionsempfindliche Detektor steht in Zusammenhang mit zwei benachbarten Schlitzblenden.According to the invention, each of the two measuring cells formed by a common detector has a slit diaphragm arranged in the beam path of the corresponding light emitting device between said light emitting device and the position sensitive detector. Each position sensitive detector is associated with two adjacent slit diaphragms.

Dabei kann eine Schlitzrichtung zumindest einer der Schlitzblenden schräg in Bezug auf den lichtempfindlichen Teil des Detektors ausgerichtet sein. In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung bildet eine Lichtebene, die durch zumindest eine der Schlitzblenden strahlt und auf den Detektor fällt, einen Winkel mit einer Ebene eines lichtempfindlichen Teils des Detektors.In this case, a slot direction of at least one of the slit diaphragms can be aligned obliquely with respect to the photosensitive part of the detector. In a preferred embodiment of the optoelectronic device, a plane of light radiating through at least one of the slit diaphragms and incident on the detector forms an angle with a plane of a photosensitive part of the detector.

Dabei wird bevorzugt, dass jeder Detektor abwechselnd (z. B. periodisch) von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet wird, wobei ein Messwert des Detektors zur gleichen Zeit ausgelesen wird. In anderen Worten wird der Detektor jeder Messzelle zu einer bestimmten Zeit nur von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet, wobei der Messwert des Detektors zur gleichen Zeit ausgelesen wird.In this case, it is preferred that each detector is illuminated alternately (eg periodically) by a light emission device, wherein a measured value of the detector is read out at the same time. In other In other words, the detector of each measuring cell is illuminated by a light-emitting device at a specific time only, with the measured value of the detector being read out at the same time.

In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung bildet die Lichtebene einen Winkel mit einer Ebene des lichtempfindlichen Teils des Detektors. Vorzugsweise verläuft eine Schlitzrichtung einer der Schlitzblenden im Wesentlichen senkrecht zum lichtempfindlichen Teil des Detektors.In a preferred embodiment of the optoelectronic device, the light plane forms an angle with a plane of the photosensitive part of the detector. Preferably, a slot direction of one of the slit diaphragms is substantially perpendicular to the photosensitive part of the detector.

In der erfindungsgemäßen Ausführung dieser optoelektronischen Anordnung steht der positionsempfindliche Detektor in Zusammenhang mit zwei benachbarten Schlitzblenden, wobei der positionsempfindliche Detektor als Teil zwei verschiedener Messzellen dient. Bevorzugt wird jede Schlitzblende von ihrer eigenen Lichtemissionseinrichtung beleuchtet, sodass jeder positionsempfindliche Detektor von zwei Lichtemissionseinrichtungen beleuchtet wird, um zwei Messzellen mit einem gemeinsamen Detektor zu bilden.In the embodiment of this optoelectronic device according to the invention, the position-sensitive detector is associated with two adjacent slit diaphragms, the position-sensitive detector serving as part of two different measuring cells. Preferably, each slit is illuminated by its own light emitting device so that each position sensitive detector is illuminated by two light emitting devices to form two measuring cells with a common detector.

In einer besonders bevorzugten Bauweise wird jede der zwei benachbarten Schlitzblenden von einer jeweils angeordneten Lichtemissionseinrichtung beleuchtet. Die zwei benachbarten Schlitzblenden schließen zusammen einen Winkel ein und weisen erfindungsgemäß jeweils zueinander senkrecht angeordnete Schlitze auf.In a particularly preferred construction, each of the two adjacent slit diaphragms is illuminated by a respectively arranged light emitting device. The two adjacent slit diaphragms together enclose an angle and according to the invention each have mutually perpendicular slits.

Die optoelektronische Anordnung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass die Messzellen gruppenweise angeordnet sind.The optoelectronic arrangement may further be characterized in that the measuring cells are arranged in groups.

In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung der Erfindung ist ein Element jeder Messzelle bestehend aus Lichtemissionseinrichtung, Schlitzblende und Detektor relativ zu den anderen beiden Elementen bewegbar. Das bewegbare Element ist bevorzugt im Drehzentrum der Messzelle angeordnet, sodass die Messzelle hauptsächlich nur (d. h. ausschließlich) translatorische Bewegungen erfassen kann. Daher kann diese Messzelle grundsätzlich keine rotatorischen Bewegungen erfassen. Rotationen können nur erfasst werden, wenn sich das bewegliche Element mit einem Abstand vom Drehzentrum entfernt befindet. Ist dieser Abstand vom Drehzentrum null bzw. minimal, ist die Messzelle „blind” bzw. „fast blind” für die rotatorische Bewegung.In a preferred embodiment of the optoelectronic device of the invention, one element of each measuring cell consisting of light emitting device, slit diaphragm and detector is movable relative to the other two elements. The movable element is preferably arranged in the center of rotation of the measuring cell, so that the measuring cell can detect mainly only (that is to say exclusively) translatory movements. Therefore, this measuring cell can basically detect any rotational movements. Rotations can only be detected when the moving element is at a distance from the center of rotation. If this distance from the center of rotation is zero or minimal, the measuring cell is "blind" or "almost blind" for the rotational movement.

In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung der Erfindung umfasst die Anordnung mindestens drei Messzellen, bevorzugt von drei bis sechs Messzellen oder auch sogar mehr als sechs Messzellen.In a preferred embodiment of the optoelectronic device of the invention, the device comprises at least three measuring cells, preferably from three to six measuring cells or even more than six measuring cells.

In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung der Erfindung ist zumindest eine aus Lichtemissionseinrichtung, Schlitzblende und Detektor bestehende Messzelle mit einer beweglichen Lichtemissionseinrichtung versehen, wobei diese Messzelle einen größeren Arbeitsbereich bzw. Bewegungsbereich hat.In a preferred embodiment of the optoelectronic device of the invention, at least one measuring cell comprising light emitting device, slit diaphragm and detector is provided with a movable light emitting device, this measuring cell having a larger working range or range of motion.

In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung sind alle Lichtemissionseinrichtungen, bevorzugt Infrarot-Leuchtdioden (ILEDs), und positionsempfindlichen Detektoren, bevorzugt positionsempfindliche Infrarotdetektoren, in einer gemeinsamen (ersten) Ebene angeordnet.In one possible development of the invention, all light emitting devices, preferably infrared light emitting diodes (ILEDs), and position sensitive detectors, preferably position sensitive infrared detectors, are arranged in a common (first) plane.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Kraft- und/oder Momentsensor vorgesehen, der durch eine erfindungsgemäße optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte gekennzeichnet ist. Die zwei Objekte bestehen bevorzugt aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte, wobei die erste Platte und die zweite Platte elastisch miteinander verbunden und relativ zueinander bewegbar sind.According to another aspect of the invention, a force and / or torque sensor is provided, which is characterized by an optoelectronic arrangement according to the invention for detecting relative movements or relative positions of two objects. The two objects are preferably made of a first plate and a second plate, wherein the first plate and the second plate are elastically connected to each other and movable relative to each other.

Die 3D Eingabegeräte gemäß der Erfindung können mit einem Kraft- und/oder Momentsensor gleichgesetzt werden. Die translatorischen Bewegungen (X, Y, Z) entsprechen den Kräften (Fx, Fy, Fz) und die rotatorischen Bewegungen (A, B, C) entsprechen den Momenten (Mx, My, Mz). Ein Pan/Zoom Sensor entspricht einem Kraftsensor (Fx, Fy, Fz), da der Pan/Zoom Sensor nur translatorische Bewegungen (X, Y, Z) erfassen kann.The 3D input devices according to the invention can be equated with a force and / or torque sensor. The translational movements (X, Y, Z) correspond to the forces (F x , F y , F z ) and the rotational movements (A, B, C) correspond to the moments (M x , M y , M z ). A pan / zoom sensor corresponds to a force sensor (F x , F y , F z ), since the pan / zoom sensor can only detect translational movements (X, Y, Z).

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mitgeteilt.Further preferred embodiments of the invention are disclosed in the independent claims and in the following description of exemplary embodiments.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

In den nachfolgenden Figuren sind Ausführungsbeispiele dargestellt, wobei einander funktionsgleiche oder funktionsähnliche Bauteile mit denselben Bezugzeichen gekennzeichnet sind. Es zeigt:In the following figures, embodiments are shown, wherein functionally identical or functionally similar components are identified by the same reference numerals. It shows:

1 eine Messzelle bestehend aus einer LED (Light Emitting Diode, Leuchtdiode), einer Blende und einem PSD (Position Sensitivity Detektor); 1 a measuring cell consisting of an LED (Light Emitting Diode, LED), a diaphragm and a PSD (Position Sensitivity Detector);

2 die Parameter einer Messzelle gemäß der 1; 2 the parameters of a measuring cell according to 1 ;

3 die Überlegungen zur Schnittfläche und dem idealisierten Schnittpunkt; 3 the considerations of the cut surface and the idealized point of intersection;

4 eine grafische Darstellung zur Berechnung einer translatorischen Bewegung der Blende; 4 a graphical representation for calculating a translational movement of the diaphragm;

5a5c mögliche Änderungen der Parameter der Messzelle ohne funktionalen Einfluss; 6a, 6b eine Messzelle einer optoelektronischen Anordnung mit einem Drehen der Blende um den Vektor LEDdir; 5a - 5c possible changes to the parameters of the measuring cell without functional influence; 6a . 6b a measuring cell of an optoelectronic device with a rotation of the diaphragm around the vector LEDdir;

7 eine optoelektronische Anordnung mit sechs Messzellen gemäß den 6a und 6b; 7 an optoelectronic device with six measuring cells according to the 6a and 6b ;

8 eine Messzelle einer optoelektronischen Anordnung mit einem Drehen der Blende um den Vektor IRISdir; 8th a measuring cell of an optoelectronic device with a rotation of the aperture around the vector IRISdir;

9 eine optoelektronische Anordnung mit sechs Messzellen gemäß der 8; 9 an optoelectronic device with six measuring cells according to the 8th ;

10 eine optoelektronische Anordnung mit drei Messzellen, die jeweils drei kartesischen Achsen entsprechen; 10 an optoelectronic arrangement with three measuring cells, each corresponding to three Cartesian axes;

11a11c den Aufbau von Messzellen einer optoelektronischen Anordnung, wobei mehrere Messzellen miteinander kombiniert sind, d. h. die Messzellen einen gemeinsamen positionsempfindlichen Detektor haben; 11a - 11c the construction of measuring cells of an optoelectronic device, wherein a plurality of measuring cells are combined, ie the measuring cells have a common position-sensitive detector;

12a, 12b eine Variation der optoelektronischen Anordnung gemäß der 11c; 12a . 12b a variation of the optoelectronic device according to the 11c ;

13a, 13b den Aufbau einer optoelektronischen Anordnung, die zur Vermessung von sechs Freiheitsgraden geeignet ist; 13a . 13b the construction of an opto-electronic device, which is suitable for measuring six degrees of freedom;

14a14c den Aufbau noch einer optoelektronischen Anordnung, die zur Vermessung von sechs Freiheitsgraden geeignet ist; 14a - 14c the construction of yet another optoelectronic device, which is suitable for measuring six degrees of freedom;

15 eine optoelektronische Anordnung, die aus drei Paaren von parallelen Messzellen besteht; 15 an opto-electronic device consisting of three pairs of parallel measuring cells;

16a16c ein Paar benachbarter Blenden für eine optoelektronische Anordnung gemäß der Erfindung; 16a - 16c a pair of adjacent apertures for an opto-electronic device according to the invention;

17a eine optoelektronische Anordnung gemäß der Erfindung, die aus drei Paaren miteinander kombinierter Messzellen, die die Blenden gemäß den 16a-16c aufweisen; 17a an optoelectronic device according to the invention, which consists of three pairs of measuring cells combined with each other, which form the diaphragms according to FIGS 16a - 16c exhibit;

17b die optoelektronische Anordnung gemäß der 17a, bei der jede LED abwechselnd (z. B. periodisch) aktiviert wird; 17b the optoelectronic device according to the 17a in which each LED is activated alternately (eg periodically);

18 eine grafische Darstellung der Elemente einer Messzelle; 18 a graphical representation of the elements of a measuring cell;

19 eine grafische Darstellung zur Berechnung einer translatorischen Bewegung des optischen Elementes (LED); 19 a graphical representation for calculating a translational movement of the optical element (LED);

20 eine grafische Darstellung zur Berechnung einer translatorischen Bewegung der Blende; 20 a graphical representation for calculating a translational movement of the diaphragm;

21 eine grafische Darstellung zur Berechnung einer translatorischen Bewegung des positionsempfindlichen Detektors (PSD); 21 a graphical representation for calculating a translational movement of the position sensitive detector (PSD);

22 eine weitere optoelektronische Anordnung, die aus drei Messzellen in der gleichen Ebene besteht; 22 another opto-electronic device consisting of three measuring cells in the same plane;

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Optischer SensorOptical sensor

Sensoren zum Erfassen der dreidimensionalen Auslenkung sind durch optische Elemente aufgebaut worden. Dabei hat sich die Anordnung von einer LED (Light Emittent Diode, Leuchtdiode), einer Blende und einem PSD (Position Sensitivity Detector) als Messzelle eines Gesamtsensors bewährt. In der 1 wird eine einzelne Messzelle gezeigt.Sensors for detecting the three-dimensional deflection have been constructed by optical elements. In this case, the arrangement of an LED (Light Emittent Diode, LED), a diaphragm and a PSD (Position Sensitivity Detector) has proven itself as a measuring cell of a total sensor. In the 1 a single measuring cell is shown.

Eine LED sendet einen Lichtkegel aus, der auf eine Schlitzblende trifft und die hinter der Blende verbleibende Lichtebene schneidet sich mit einem eindimensionalen PSD. Der Schnittpunkt der Lichtebene mit dem PSD kann durch einen skalaren Faktor λ beschrieben werden. Er gibt den vorzeichenbehafteten Abstand des Schnittpunkts auf dem PSD von der Ruhelage (Ausgangsposition) an. Später wird der Faktor λ als die ermittelte Spannung des PSD's verstanden. Durch die Anordnung der drei optischen Elemente zu einer Messzelle ergibt sich eine wichtige Eigenschaft. Die Messzelle erfasst bestimmte Bewegungen (X, Y, Z, A, B oder C) und kann gleichzeitig anderer Bewegungen nicht messen. Somit kann jede einzelne Messzelle als Sensor für bestimmte Bewegungen betrachtet werden. Die Summe aller erfassten Bewegungen ergibt den Messraum des gesamten Sensors.An LED emits a cone of light that strikes a slit and the light plane remaining behind the panel intersects with a one-dimensional PSD. The intersection of the light plane with the PSD can be described by a scalar factor λ. It indicates the signed distance of the point of intersection on the PSD from the rest position (starting position). Later, the factor λ is understood as the detected voltage of the PSD. The arrangement of the three optical elements to form a measuring cell results in an important property. The measuring cell detects certain movements (X, Y, Z, A, B or C) and at the same time can not measure other movements. Thus, each individual measuring cell can be considered as a sensor for certain movements. The sum of all detected movements gives the measuring space of the entire sensor.

Parameter einer MesszelleParameters of a measuring cell

Für die genaue Beschreibung der Messzelle ist die Position der LED, der Blende und des PSD's erforderlich. Als Positionsangabe wird bei der LED die Quelle des erzeugten Lichts verwendet. Bei der Blende und dem PSD wird der Mittelpunkt des optischen Elements benutzt. Dies ist zwar nicht dringend erforderlich, macht jedoch die weitere Rechnung übersichtlicher und bewirkt, dass der skalare Faktor in der Ruhelage den Wert λ = 0 hat. Zusätzlich wird die Richtung des Schlitzes in der Blende benötigt, sowie die Richtung des positionsempfindlichen Bereichs des PSD's. 2 zeigt die notwendigen Positionen und Richtungen, die die Messzelle beschreiben. LED Position der LED. IRISpos Position der Blende (Mittelpunkt), IRISdir Richtung des Schlitzes in der Blende, PSDpos Position des PSD's (Mittelpunkt), PSDdir Richtung des lichtempfindlichen Teils des PSD's Parameter der Messzelle For the exact description of the measuring cell, the position of the LED, the aperture and the PSD is required. The position of the LED indicates the source of the generated light. The aperture and the PSD use the center of the optical element. Although this is not urgently required, it makes the further calculation clearer and causes the scalar factor in the rest position to have the value λ = 0. In addition, the direction of the slot in the aperture is needed, as well as the direction of the position sensitive area of the PSD. 2 shows the necessary positions and directions that describe the measuring cell. LED Position of the LED. IRISpos Position of the diaphragm (midpoint), IRISdir Direction of the slot in the aperture, PSDpos Position of the PSD (center), PSDdir Direction of the photosensitive Part of the PSD Parameters of the measuring cell

Bei der Festlegung der Parameter gelten einige Annahmen. Der Lichtkegel der LED wirft sein Licht auf die Blende und die entstandene Lichtebene schneidet sich im gesamten Arbeitsbereich mit dem PSD.When defining the parameters, some assumptions apply. The light cone of the LED sheds its light on the screen and the resulting light plane intersects with the PSD throughout the working area.

Für die späteren Überlegungen ist es nützlich die Blickrichtung der LED festzulegen. Sie ergibt sich aus der LED Position und der Blendenposition, sowie der LED Position und der PSD Position. Dabei geht man davon aus, dass die drei Punkte (LED, IRISpos und PSDpos) so angeordnet sind, dass sie sich auf einer Geraden befinden.For later considerations, it is useful to define the viewing direction of the LED. It results from the LED position and the aperture position, as well as the LED position and the PSD position. It is assumed that the three points (LED, IRISpos and PSDpos) are arranged so that they are on a straight line.

Figure DE102004051565B4_0002
Figure DE102004051565B4_0002

Der Vektor der Blickrichtung LEDdir ist auf die Länge 1 normiert. Die Normierung auf die Länge 1 gilt auch für die Richtung der Schlitzblende und für die Richtung des lichtempfindlichen Bereichs des PSD's.The vector of viewing direction LEDdir is normalized to length 1. The normalization to length 1 also applies to the direction of the slit and to the direction of the photosensitive area of the PSD.

Die Dicke der Schlitzblende und des positionsempfindlichen Bereichs wird als ideal dünn angesehen. Das Kreuzen der Lichtebene mit dem PSD ergibt idealisiert einen Schnittpunkt und keine Schnittfläche. Die Größe λ gibt den Abstand des Schnittpunkts von der Ruhelange an. Es ergeben sich positive Werte für die Größe λ, wenn der Schnittpunkt sich von der Ruhelage in Richtung PSDdir bewegt und negative Werte für die entgegengesetzte Auslenkung. Natürlich kann die Festlegung der Größe λ nach belieben anders vorgenommen werden und die Ruhelage muss nicht notwendigerweise im Mittelpunkt sein. Eine andere Festlegung hat Einfluss auf die Berechnung/Arbeitsbereich der einzelnen Messzellen, aber nicht auf die grundsätzliche Funktion oder die Anordnung von mehreren Messzellen.The thickness of the slit and the position sensitive area are considered to be ideally thin. Crossing the light plane with the PSD ideally results in an intersection and no intersection. The size λ indicates the distance of the point of intersection from the rest length. There are positive values for the Size λ when the intersection moves from the rest position toward PSDdir and negative values for the opposite displacement. Of course, the determination of the size λ can be made differently as desired and the rest position does not necessarily have to be in the center. Another specification has an influence on the calculation / working range of the individual measuring cells, but not on the basic function or the arrangement of several measuring cells.

In der 3 werden die Überlegungen zur Schnittfläche und dem idealisierten Schnittpunkt dargestellt.In the 3 the considerations of the cut surface and the idealized intersection are shown.

Später wird der Abstand des Kreuzungspunktes von der Ruhelage (Größe λ) durch eine elektrische Spannung U1...6 des zugehörigen PSD's angegeben. Je größer der Betrag der Spannung, um so größer ist der Abstand des Kreuzungspunktes von der Ruhelage. Das Vorzeichen der Spannung gibt an, auf welcher Seite (PSDdir) von der Ruhelage der Kreuzungspunkt liegt.Later, the distance of the crossing point from the rest position (size λ) by an electrical voltage U 1 ... 6 of the associated PSD's is specified. The greater the amount of voltage, the greater the distance of the crossing point from the rest position. The sign of the voltage indicates on which side (PSDdir) from the rest position the crossing point lies.

Berechnung des SchnittpunktsCalculation of the point of intersection

Die Messzelle erfasst die relative Bewegung der drei optischen Elemente zueinander. Dabei wird die Größe λ bestimmt. Es wird davon ausgegangen, dass sich ein optisches Element (LED, Blende oder PSD) bewegt und die anderen beiden Elemente fest positioniert sind. Der Fall, dass sich zwei optische Elemente bewegen, kann auf den Fall mit einem beweglichen optischen Element übergeführt werden, solange sich die beweglichen Elemente gleichartig (starr verkoppelt) bewegen. Es ergeben sich drei verschiedene Szenarien:The measuring cell detects the relative movement of the three optical elements to each other. The size λ is determined. It is assumed that one optical element (LED, aperture or PSD) moves and the other two elements are firmly positioned. The case of moving two optical elements can be transferred to the case with a movable optical element as long as the moving elements move in the same way (rigidly coupled). There are three different scenarios:

Erfasste Bewegung 1. LED beweglich

Figure DE102004051565B4_0003
Detected movement 1. LED movable
Figure DE102004051565B4_0003

2. Blende beweglich

Figure DE102004051565B4_0004
2. Aperture mobile
Figure DE102004051565B4_0004

3. PSD beweglich

Figure DE102004051565B4_0005
3. PSD mobile
Figure DE102004051565B4_0005

Der Vektor Translate gibt die Verschiebung des beweglichen optischen Elements an. Mit der Matrix Rotate wird die Verdrehung (Rotation) des beweglichen optischen Elements um den Koordinatenursprung beschrieben (z. B. mit den Winkeln roll, pitch, yaw). In der Ruhelage ist der Vektor Translate 0 und die Matrix Rotate ist gleich der Einheitsmatrix.The vector Translate indicates the displacement of the movable optical element. The Matrix Rotate describes the rotation of the moving optical element around the origin of the coordinates (eg with the angles roll, pitch, yaw). In the rest position, the vector is Translate 0 and the matrix Rotate is equal to the unit matrix.

Berechnung einer translatorischen BewegungCalculation of a translatory movement

Die obigen Gleichungen werden weiter aufgelöst. Der rotatorische Anteil wird in den translatorischen Anteil übergeführt. Eine rotatorische Bewegung kann nur deshalb von der Messzelle erfasst werden, weil aufgrund eines Hebels die Verdrehung auch zu einer Verschiebung führt. 4 zeigt ein Beispiel, bei dem eine Blende verdreht wird. Nur aufgrund des Blendabstands vom Drehzentrum (in dem sich im Beispiel die LED befindet) wird die Verdrehung messbar. Die Messzelle erfasst also die Verschiebung X und die Verschiebung Y. Die gleichzeitige Verdrehung der Blende bleibt unwirksam bzw. vernachlässigbar. Die Größe der Verdrehung ist bei den hier vorgestellten Anordnungen gering und beschränken sich auf wenige Grad. Somit ist die Translation (Translate) der dominierende Faktor.The above equations are further resolved. The rotatory component is converted into the translational component. A rotational movement can only be detected by the measuring cell, because due to a lever, the rotation also leads to a shift. 4 shows an example in which a diaphragm is twisted. Only because of the glare distance from the center of rotation (in which the LED is located in the example) is the rotation measurable. The measuring cell thus detects the displacement X and the displacement Y. The simultaneous rotation of the diaphragm remains ineffective or negligible. The size of the rotation is low in the arrangements presented here and are limited to a few degrees. Thus, translation is the dominant factor.

Die Drehung wird in den Translate Vektor „übergeführt” und enthält dann auch die translatorische Bewegung, die durch die Rotation des beweglichen Anteils auftritt. Dieser translatorische Anteil kann nur auftreten, wenn das bewegliche Teil sich nicht im Rotationszentrum befindet. Die eigentliche Rotation des beweglichen Teils wird ignoriert. Die Vereinfachung des Anteils Rotate·Translate ≈ Translate wird angewendet.The rotation is "translated" into the Translate vector and then also contains the translational motion that occurs due to the rotation of the moving part. This translational part can only occur when the moving part is not in the center of rotation. The actual rotation of the moving part is ignored. The simplification of the proportion Rotate · Translate ≈ Translate is applied.

Die relative translatorische Bewegung des beweglichen Teils der Messzelle wird neu bestimmt und ist somit: Translate → Rotate· < beweglicher Anteil > – < beweglicher Anteil > + Translate The relative translational movement of the movable part of the measuring cell is redetermined and is thus: Translate → Rotate · <moving part> - <moving part> + Translate

Unter der Bedingung: 0 = IRISdir·(LED × PSDpos – IRISpos × PSDpos + IRISpos × LED) gilt λ = 0 für den Fall keiner Auslenkung (Translation = Rotation = (0 0 0)T). Somit ergeben sich für die obigen Gleichungen die folgenden Vereinfachungen (E = Einheitsmatrix):

Figure DE102004051565B4_0006
Under the condition: 0 = IRISdir · (LED × PSDpos - IRISpos × PSDpos + IRISpos × LED) λ = 0 for the case of no deflection (translation = rotation = (0 0 0) T ). Thus, the following simplifications result for the above equations (E = unit matrix):
Figure DE102004051565B4_0006

Änderungen ohne funktionalen Einfluss auf die MesszelleChanges without functional influence on the measuring cell

Die obigen Gleichungen beschreiben ganz allgemein den Aufbau einer Messzelle. Aufgrund der geometrischen Anordnung wird sichtbar, dass in der Messzelle Parameter verändert werden können, ohne dass sich die Funktionsweise der Messzelle ändert. Bestimmte Änderungen an einem Parameter oder mehreren Parametern der Messzelle sind somit nicht von Bedeutung für die eigentliche Funktion. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher „Spielraum” für die Anordnung der Messzelle, der zwar einen veränderten geometrischen Aufbau verursacht, aber keinen Einfluss auf die Funktion der Messzelle hat.The above equations generally describe the construction of a measuring cell. Due to the geometric arrangement, it becomes apparent that parameters can be changed in the measuring cell without the functioning of the measuring cell changing. Certain changes to one or more parameters of the measuring cell are therefore not relevant to the actual function. This results in an additional "margin" for the arrangement of the measuring cell, which causes a changed geometric structure, but has no influence on the function of the measuring cell.

In der 5a ist zu sehen, dass das Drehen des PSD's um den Vektor PSDdir oder das Drehen um den Vektor LEDdir × PSDdir, und/oder das Verschieben entlang des Vektors LEDdir × PSDdir solange keinen Einfluss hat, wie noch Licht auf den PSD fällt. Verhindert ein realer PSD bei einer Drehung von z. B. 90° den Lichteinfall, ist natürlich die Funktionalität der Messzelle nicht mehr gegeben. Alle Verdrehungen des PSD's bis zum Eintritt dieser Situation haben keinen funktionalen Einfluss auf die Messzelle.In the 5a It can be seen that the rotation of the PSD by the vector PSDdir or the turning around the vector LEDdir × PSDdir, and / or the shifting along the vector LEDdir × PSDdir does not affect as long as light still falls on the PSD. Prevents a real PSD with a rotation of z. B. 90 ° the light, of course, the functionality of the measuring cell is no longer given. All twists of the PSD until the occurrence of this situation have no functional influence on the measuring cell.

In der 5b ist es zu sehen, dass Ähnliches gilt für die Blende. Ein Drehen der Blende um den Vektor IRISdir, und/oder das Verschieben der Blende entlang des Vektors IRISdir oder ein Drehen um den Vektor IRISdir × LEDdir hat keinen Einfluss auf die Messzelle, solange Licht durch den Schlitz der Blende scheinen kann.In the 5b it can be seen that the same applies to the aperture. Rotating the aperture around the vector IRISdir, and / or moving the aperture along the IRISdir vector or rotating around the vector IRISdir × LEDdir will not affect the measuring cell as long as light can shine through the aperture of the aperture.

In der 5c wird gezeigt, dass die LED um den Vektor LEDdir beliebig gedreht werden kann. Selbst eine Drehung um die dazu senkrechten Vektoren oder eine Verschiebung entlang des IRISdir Vektors ist ohne funktionalen Einfluss auf die Messzelle möglich, solange der Lichtkegel der LED den gesamten Arbeitsbereicht abdeckt.In the 5c it is shown that the LED around the vector LEDdir can be rotated arbitrarily. Even a rotation around the perpendicular vectors or a shift along the IRISdir vector is without Functional influence on the measuring cell possible as long as the light cone of the LED covers the entire work area.

Die Lichtebene um den LEDdir Vektor drehenTurn the light plane around the LEDdir vector

Es gibt andere Veränderungen an der Anordnung der Messzelle, die die Funktionalität der Messzelle beeinflussen. Dabei wird die übliche senkrechte oder quasi senkrechte Anordnung aufgegeben. Das Drehen der Blende um den LEDdir Vektor verursacht, dass die Lichtebene nur noch in einer Richtung senkrecht oder quasi senkrecht auf den PSD trifft. Die 6a und 6b zeigen eine solche Anordnung, bei der die Blende um 45° gedreht wurde. In der 6a kann man die Verdrehung der Schlitzblende zum PSD erkennen. Die 6b zeigt wie in diesem Fall die Lichtebene auf den PSD fällt.There are other changes to the arrangement of the measuring cell that affect the functionality of the measuring cell. The usual vertical or quasi-vertical arrangement is abandoned. The rotation of the aperture around the LEDdir vector causes the light plane to strike the PSD only in one direction perpendicular or quasi-perpendicular. The 6a and 6b show such an arrangement in which the aperture has been rotated by 45 °. In the 6a you can see the rotation of the slit diaphragm to the PSD. The 6b shows how in this case the light plane falls on the PSD.

In der 7 (Blende beweglich) wird eine komplette Sensoranordnung gezeigt, bei der jede Blende um 45° gedreht ist. In Tabelle 6a sind die Parameter aller 6 Messzellen aufgeführt. Die Angaben der Parameter sind bezüglich des kartesischen Koordinatensystems in der Reihenfolge x, y und z geordnet. Die Parameter

Figure DE102004051565B4_0007
sind als Punkte der einzelnen optischen Elemente zu verstehen und die Parameter
Figure DE102004051565B4_0008
sind die Richtungsvektoren der Messzelle, mit der Eigenschaft |IRISdir| = |PSDdir| = 1.In the 7 (Aperture movable), a complete sensor arrangement is shown in which each aperture is rotated by 45 °. Table 6a lists the parameters of all 6 cells. The details of the parameters are arranged with respect to the Cartesian coordinate system in the order x, y and z. The parameters
Figure DE102004051565B4_0007
are to be understood as points of the individual optical elements and the parameters
Figure DE102004051565B4_0008
are the directional vectors of the measuring cell, with the property | IRISdir | = | PSDdir | = 1.

Figure DE102004051565B4_0009
Tabelle 6a
Figure DE102004051565B4_0009
Table 6a

Figure DE102004051565B4_0010
Translationsfehler 3.9%, Rotationsfehler 9.1% Tabelle 6b
Figure DE102004051565B4_0010
Translation error 3.9%, rotation error 9.1% Table 6b

Die Lichtebene um den IRISdir Vektor drehenTurn the light plane around the IRISdir vector

Eine weitere Veränderung der Messzelle erreicht man durch das Drehen der Lichtebene um den IRISdir Vektor. Die 8 zeigt eine entsprechende Anordnung, bei der die LED um 45° weggedreht wurde.Another change of the measuring cell is achieved by turning the light plane around the IRISdir vector. The 8th shows a corresponding arrangement in which the LED has been rotated by 45 °.

In der 9 (Blende beweglich) wird eine komplette Sensoranordnung gezeigt, bei der alle LED's aus der ebenen Anordnung verschoben wurden und die Lichtebenen schräg auf die PSD's fallen. Nur bei den vertikal angeordneten PSD's führt dies zu einer Veränderung der Messzelle. Die horizontal angeordneten PSD's registrieren keine Veränderung der Messzelle.In the 9 (Aperture movable), a complete sensor arrangement is shown in which all the LEDs have been moved out of the planar arrangement and the light planes obliquely fall on the PSD's. Only with the vertically arranged PSDs, this leads to a change in the measuring cell. The horizontally arranged PSDs register no change in the measuring cell.

Figure DE102004051565B4_0011
Tabelle 8a
Figure DE102004051565B4_0011
Table 8a

Figure DE102004051565B4_0012
Translationsfehler 7.3%, Rotationsfehler 5.5% Tabelle 8b
Figure DE102004051565B4_0012
Translation error 7.3%, rotation error 5.5% Table 8b

Regeln für das Design eines optischen 3D Sensors Rules for the design of an optical 3D sensor

Gruppenbildunggrouping

Aus den einzelnen Messzellen soll ein kompletter 3D Sensor (Pan/Zoom – 3 Freiheitsgrade oder mit 6 Freiheitsgraden) aufgebaut werden. Dabei gilt die grundlegende Regel, dass mit N Messzellen bestenfalls ein N dimensionaler Sensor aufgebaut werden kann. Der Sensor wird dabei immer in einem kartesischen Koordinatensystem gesehen, das der rechten Handregel entspricht. Das Ziel der nachfolgenden Gruppenbildung ist, Regeln zu erstellen mit deren Hilfe Gruppen von Messzellen (eine oder mehrere Messzellen) bestimmte Freiheitsgrade im kartesischen Raum erfassen können.From the individual measuring cells, a complete 3D sensor (Pan / Zoom - 3 degrees of freedom or with 6 degrees of freedom) should be set up. The basic rule is that with N measuring cells at best an N dimensional sensor can be built up. The sensor is always seen in a Cartesian coordinate system, which corresponds to the right hand rule. The goal of subsequent group formation is to create rules with which groups of measuring cells (one or more measuring cells) can detect certain degrees of freedom in Cartesian space.

1er Gruppe1 group

Mit der 1er Gruppe wird eine einzelne Messzelle so angeordnet, dass näherungsweise nur ein Freiheitsgrad erfasst wird. Die Messzelle kann eigentlich keine Rotationen erfassen, nur wenn die Rotation auch eine Verschiebung (Translation aufgrund einer Rotation, „Karussellfahrt”) verursacht, ist diese messbar.With the 1 group, a single measuring cell is arranged so that approximately only one degree of freedom is detected. The measuring cell can actually detect no rotations, only if the rotation also causes a shift (translation due to a rotation, "carousel ride"), this is measurable.

Umgekehrt gilt, das die Messzelle nur eine Translation messen kann, wenn das bewegte optische Element (LED, Blende oder PSD) sich im bzw. in der Nähe des Drehzentrum des Sensors befindet. Die 10 (LED beweglich) zeigt eine solche Anordnung für einen Pan/Zoom Sensor, der aufgrund der Anordnung keine bzw. fast keine Rotationen erfassen kann. Die Messzelle 1 kann nur Bewegungen entlang der Y Achse erfassen. Mit der Messzelle 2 werden die Bewegungen entlang der X Achse ermittelt, während die Messzelle 3 für die Messung der Bewegung entlang der Z Achse zuständig ist.Conversely, the measuring cell can only measure one translation if the moving optical element (LED, aperture or PSD) is in or near the center of rotation of the sensor. The 10 (Moving LED) shows such an arrangement for a Pan / Zoom sensor, which can detect due to the arrangement no or almost no rotations. The measuring cell 1 can only detect movements along the Y axis. With the measuring cell 2, the movements along the X axis are determined, while the measuring cell 3 is responsible for measuring the movement along the Z axis.

Figure DE102004051565B4_0013
Tabelle 10a
Figure DE102004051565B4_0013
Table 10a

Figure DE102004051565B4_0014
Translationsfehler 7.2% Tabelle 10b
Figure DE102004051565B4_0014
Translation error 7.2% Table 10b

Im nächsten Schritt wird der obige 3D Sensor (Pan/Zoom) weiter verändert. Statt den LED's im Drehzentrum werden jetzt die PSD's dort positioniert. Obwohl es möglich wäre drei PSD's im Drehzentrum zu platzieren, wird hier nur ein einziger PSD verwendet. Der einzige PSD wird aber von allen drei Messzellen benutzt (Mehrfachnutzung). Dies kann natürlich nicht gleichzeitig geschehen, weil der PSD nur einen Kreuzungspunkt einer Lichtebene detektieren kann. Drei Kreuzungspunkte zur selben Zeit resultieren in einem arithmetischen Mittel als Ergebnis, das nicht sinnvoll weiter verarbeitet werden kann. Es ist aber möglich die Messzellen nacheinander abzufragen und die LED's zeitlich versetzt (ohne Überschneidung) einzuschalten und die Kreuzungspunkte auf dem PSD nacheinander zu bestimmen.In the next step, the above 3D sensor (Pan / Zoom) is further changed. Instead of the LED's in the turning center, the PSD's are now positioned there. Although it would be possible to place three PSDs in the center of rotation, only a single PSD is used here. However, the only PSD is used by all three measuring cells (multiple use). Of course, this can not happen at the same time, because the PSD can only detect a crossing point of a light plane. Three crossing points at the same time result in an arithmetic Means as a result, which can not be sensibly further processed. However, it is possible to interrogate the measuring cells one after the other and to switch the LEDs on at different times (without overlapping) and to determine the crossing points on the PSD one after the other.

Im ersten Schritt wird eine 1er Gruppe gebildet. Mit ihr wird die Bewegung entlang einer Hauptachse bestimmt (hier entlang der X Achse). 11a zeigt die Messzelle.In the first step a group of 1 is formed. It is used to determine the movement along a major axis (here along the X axis). 11a shows the measuring cell.

Bewegungsvektormotion vector

In der 11a ist auch der Bewegungsvektor für diese Messzeile eingezeichnet. Er gibt an welche Bewegung des beweglichen optischen Elements die Messzelle erfassen kann. Alle Bewegungen senkrecht zu dem Bewegungsvektor können nicht erfasst werden. Der Bewegungsvektor ergibt sich aus dem Vektorprodukt von IRISdir × LEDdir. Er ist somit unabhängig von der Orientierung des PSDs (PSDdir). Die Orientierung des PSD's ist für den Arbeitsbereich der Messzelle wichtig, aber nicht für die messbare Bewegungsrichtung der Messzelle.In the 11a the motion vector for this measurement line is also drawn. It indicates to which movement of the movable optical element the measuring cell can detect. All movements perpendicular to the motion vector can not be detected. The motion vector results from the vector product of IRISdir × LEDdir. It is thus independent of the orientation of the PSD (PSDdir). The orientation of the PSD is important for the working range of the measuring cell, but not for the measurable direction of movement of the measuring cell.

2er Gruppe2er group

In einer 2er Gruppe werden zwei Messzellen miteinander kombiniert, sodass jede Messzeile bis zu zwei Bewegungen entlang der Achsen (X, Y oder Z) erfassen kann. Durch die Kombination der beiden Messzellen müssen die beiden Bewegungen unterscheidbar sein. Dies lässt sich anhand der jeweiligen Bewegungsvektoren ablesen. Die Bewegungsvektoren dürfen nicht gleich sein BEW1 ≠ BEW2, oder anders ausgedrückt, das durch die Bewegungsvektoren aufgespannte Tetraeder (Kreuzprodukt) sollte möglichst groß im Volumen sein (hinreichende Bedingung). |BEW1 × BEW2| = MAX > 0 In a group of two, two measuring cells are combined so that each measuring line can detect up to two movements along the axes (X, Y or Z). By combining the two measuring cells, the two movements must be distinguishable. This can be read off from the respective motion vectors. The motion vectors may not be equal BEW1 ≠ BEW2, or in other words, the tetrahedron (cross product) spanned by the motion vectors should be as large in volume as possible (sufficient condition). | BEW1 × BEW2 | = MAX> 0

Für die 2er Gruppe wird die erste Messzelle mit einer weiteren Messzelle kombiniert. Die zweite Messzelle wird seitlich angebracht, sodass die Lichtebene mit 45° auf den PSD trifft. Sie ist somit in der Lage neben den Bewegungen entlang der X Achse auch die Auf- und Ab- Bewegungen entlang der Y Achse zu erfassen. Beide Messzellen bilden zusammen eine 2er Gruppe, da jede Messzelle bis zu 2 Freiheitsgrade erfassen kann und die Kombination der beiden erfassten Bewegungen auf die einzelnen Freiheitsgrade eindeutig schließen lässt. Dieser Zusammenhang wird später in der Eichmatrix des kompletten Sensors (Pan/Zoom) noch einmal sichtbar. Die Anforderungen für eine 2er Gruppe macht es nicht erforderlich, dass eine Messzelle nur eine Bewegungsrichtung erfasst (wie z. B. hier die entlang der X Achse). Eine 2er Gruppe wäre auch gegeben, wenn die Messzelle 1 spiegelbildlich zur Messzelle 2 angeordnet wäre. In der 12b wird eine solche Zusammenstellung gezeigt.For the group of 2, the first measuring cell is combined with another measuring cell. The second measuring cell is attached laterally so that the light plane strikes the PSD at 45 °. It is therefore able to detect not only the movements along the X axis but also the up and down movements along the Y axis. Both measuring cells together form a 2-group, as each measuring cell can detect up to 2 degrees of freedom and the combination of the two detected movements on the individual degrees of freedom can be clearly concluded. This relationship will later be seen again in the calibration matrix of the complete sensor (Pan / Zoom). The requirements for a group of two does not require that a measuring cell only detects one direction of movement (such as the one along the X axis). A group of two would also be given if the measuring cell 1 were arranged in mirror image to the measuring cell 2. In the 12b such a compilation is shown.

Die dritte Messzelle muss jetzt mindestens die Bewegung entlang der Z Achse erfassen. Dies könnte eine 1er Gruppe leiste. Sie ist aber hier nicht mehr einsetzbar, da der bereits positionierte PSD entlang der X Achse positioniert ist. Eine Bewegung in Z Achse kann nur von einer in der X/Z Ebene verdrehten Lichtebene auf dem PSD erfasst werden. Dies führt zu einer Anordnung der dritten Messzelle, bei der die LED versetzt ist (z. B. entlang der Z Achse) und die Lichtebene durch eine gedrehte Blende wie gewünscht auf den PSD fällt. 11c (PSD beweglich) zeigt eine mögliche Anordnung.The third measuring cell must now at least detect the movement along the Z axis. This could be a 1er group. However, it can no longer be used here because the already positioned PSD is positioned along the X axis. A movement in the Z axis can only be detected by a plane of rotation twisted in the X / Z plane on the PSD. This results in an arrangement of the third measuring cell where the LED is offset (eg along the Z axis) and the light plane falls onto the PSD as desired by a twisted shutter. 11c (PSD mobile) shows a possible arrangement.

Figure DE102004051565B4_0015
Tabelle 11a
Figure DE102004051565B4_0015
Table 11a

Figure DE102004051565B4_0016
Translationsfehler 4.2% Tabelle 11b
Figure DE102004051565B4_0016
Translation error 4.2% Table 11b

Die Tabelle 11b zeigt die Eichmatrix, die aufgrund der Gruppenbildung sehr leicht interpretiert werden kann. Für die Bestimmung der Bewegung entlang der X Achse ist nur die erste Messzelle verantwortlich. Nur U1 wird für die Bestimmung dieser Bewegung benötigt. Die Spannung U2 (zweite Messzelle) erfasst in gleicher Weise die Bewegung entlang der X Achse, wie die erste Messzelle. Die Differenz der Spannung U2 und U1 eliminiert die X Bewegung und übrig bleibt nur die Y Bewegung, welche nur von der zweiten Messzelle erfasst wird. Die dritte Messzelle stellt eigentlich eine 3er Gruppe dar, weil sie translatorische Bewegungen entlang aller Achsen messen kann. Mit Hilfe der 2er Gruppe, die mit den ersten beiden Messzelle gebildet ist, können die dabei bereits bekannten Bewegungen entlang der X und der Y Achse eliminiert werden. Der Faktor für U1 eliminiert die Bewegung entlang der X Achse für die 2. und die 3. Messzelle. Mit dem Faktor für U2 wird zusätzlich die Bewegung entlang der Y Achse aus der dritten Messzelle rechnerisch entfernt. Übrig bleibt durch die Eichmatrix in der dritten Zeile die Bewegung entlang der Z Achse, die nur von der dritten Messzelle gemessen wird.Table 11b shows the calibration matrix, which can be interpreted very easily due to group formation. For determining the movement along the X axis, only the first measuring cell is responsible. Only U1 is needed to determine this movement. The voltage U2 (second measuring cell) detects movement along the X axis in the same way as the first measuring cell. The difference of the voltage U2 and U1 eliminates the X movement and leaves only the Y movement, which is detected only by the second measuring cell. The third measuring cell actually represents a group of 3 because it can measure translational movements along all axes. With the help of the 2-group, which is formed with the first two measuring cell, the already known movements along the X and the Y axis can be eliminated. The factor for U1 eliminates the movement along the X axis for the 2nd and the 3rd measuring cell. The factor for U2 additionally removes the motion along the Y axis from the third measuring cell. Remaining by the calibration matrix in the third line remains the movement along the Z axis, which is measured only by the third measuring cell.

Zwei weitere Variationen sind in den 12a und 12b gezeigt. Sie wurden mit derselben Methodik entworfen wie der Pan/Zoom Sensor in der 11c. Sie zeigen, wie mit einfachen Änderungen andere aber gleichwertige bzw. mit Vorteilen behaftete Sensoren entwickelt werden können.Two other variations are in the 12a and 12b shown. They were designed using the same methodology as the pan / zoom sensor in the 11c , They show how with simple changes other but equivalent or advantageous sensors can be developed.

In der 12a (PSD beweglich) wurde die dritte Messzelle entlang der Z Achse verschoben und nicht entlang der X Achse wie beim Sensor von 11c. In der 12b (PSD beweglich) bilden die symmetrisch angeordnete Messzellen 1 und 2 eine 2er Gruppe. Eine symmetrische Anordnung ist aber für die Gruppenbildung nicht unbedingt erforderlich. Sie dient eher dazu eine einfachere Eichmatrix zu erhalten, sowie den Arbeitsbereich des kompletten Sensors symmetrisch aufzubauen. Die dritte Messzelle bildet mit der ersten 2er Gruppe (Messzelle 1 und 2) eine weitere 2er Gruppe, da die Messzelle die Bewegung entlang der Y Achse nicht erfassen kann.In the 12a (PSD movable), the third measuring cell was moved along the Z axis and not along the X axis as in the sensor of 11c , In the 12b (PSD movable), the symmetrically arranged measuring cells 1 and 2 form a 2-group. However, a symmetrical arrangement is not absolutely necessary for group formation. It serves more to obtain a simpler calibration matrix and to symmetrically build up the working area of the complete sensor. The third measuring cell forms with the first group of 2 (measuring cell 1 and 2) another group of 2, since the measuring cell can not detect the movement along the Y axis.

Figure DE102004051565B4_0017
Figure DE102004051565B4_0017

Die obigen Beispiele zeigen, dass eine Vielzahl von Anordnungen einen Pan/Zoom Sensor ergeben. Es ist für die grundlegende Funktionalität nicht entscheidend, ob die schräg einfallende Lichtebene mit 45° erfolgt oder mit einem anderen Winkel. Der Einfallswinkel hat Einfluss auf die gewonnene Auflösung und den Arbeitsbereich der zu erfassenden Bewegung. Durch das Schrägstellen der Lichtebene (in zwei Freiheitsgraden, Drehung um den LEDdir Vektor und um den IRISdir Vektor) wird die Messzelle auch für „ungünstige” Bewegungen einsetzbar. Bei senkrechten oder quasi senkrechten Lichteinfall sind diese zusätzlichen Möglichkeiten nicht nutzbar.The above examples show that a variety of arrangements yield a pan / zoom sensor. It is not crucial for the basic functionality whether the obliquely incident light plane is at 45 ° or at another angle. The angle of incidence influences the resolution and the working range of the motion to be detected. By tilting the light plane (in two degrees of freedom, rotation around the LEDdir vector and around the IRISdir vector), the measuring cell can also be used for "unfavorable" movements. In vertical or quasi-vertical light incidence these additional options are not available.

Design von 3D Sensoren mit 6 FreiheitsgradenDesign of 3D sensors with 6 degrees of freedom

In ähnlicher Weise wie beim Pan/Zoom Sensor wird jetzt ein 3D Sensor mit 6 Freiheitsgraden aufgebaut. Dabei werden zuerst die 1er Gruppen gesetzt. In diesem Beispiel sollen die Blenden das bewegliche optische Element sein. Die Blenden werden auf die Hauptachsen positioniert, um die 1er Gruppen zu bilden. In der 13a werden die ersten drei Messzellen positioniert.Similar to the Pan / Zoom sensor, a 3D sensor with 6 degrees of freedom is now being set up. First the groups of 1 are set. In this example, the apertures should be the movable optical element. The apertures are positioned on the major axes to form the 1's groups. In the 13a The first three measuring cells are positioned.

Die Blende der ersten Messzelle wird auf der X Achse positioniert. Somit kann diese Messzelle ausschließlich Bewegungen entlang der X Achse erfassen. Sie bietet sich als Partner für eine 2er Gruppe an, weil die Bewegung entlang der X Achse aus einer 2er Gruppe vollständig herausgerechnet werden kann. In gleicher Weise wird die zweite Messzelle positioniert. Sie kann nur die Bewegungen entlang der Z Achse messen. Damit die dritte Messzelle ebenfalls eine 1er Gruppe bildet, wird deren Blende in den Koordinatenursprung gelegt. Sie kann somit nur noch die Bewegungen entlang der Y Achse erfassen. Mit diesen drei Messzellen werden ausschließlich die translatorischen Bewegungen gemessen. Nachdem jede Messzelle für genau eine Hauptachse zuständig ist, müssen die verbleibenden drei Messzellen nur noch in solcher Weise angeordnet werden, dass sie die rotatorischen Freiheitsgrade erfassen können. Die 13b (Blende beweglich) zeigt eine mögliche Anordnung aller sechs Messzellen. Durch die Bildung von 1er Gruppen ist es ausreichend, jede der verbleibenden Rotationen durch nur eine Messzelle zu erfassen.The aperture of the first measuring cell is positioned on the X axis. Thus, this measuring cell can only detect movements along the X axis. It offers itself as a partner for a group of 2, because the movement along the X axis can be completely excluded from a group of two. The second measuring cell is positioned in the same way. It can only measure the movements along the Z axis. So that the third measuring cell likewise forms a group of 1, its diaphragm is placed in the coordinate origin. It can thus only detect the movements along the Y axis. With these three measuring cells, only the translatory movements are measured. Since each measuring cell is responsible for exactly one main axis, the remaining three measuring cells need only be arranged in such a way that they can detect the rotational degrees of freedom. The 13b (Aperture movable) shows a possible arrangement of all six measuring cells. By forming groups of 1, it is sufficient to detect each of the remaining rotations by only one measuring cell.

Figure DE102004051565B4_0018
Tabelle 13a
Figure DE102004051565B4_0018
Table 13a

Die Messzelle 4 erfasst neben der Bewegung entlang der Y Achse auch die Drehung um die Z Achse (C Wert). Für die Messzelle 5 gilt ähnliches, sie erfasst die Bewegung entlang der Y Achse und die Drehung um die X Achse (A Wert). Die verbleibende Drehung um die Y Achse wird durch die Messzelle 6 gemessen. Die auch die Bewegung entlang der X Achse erfassen kann. Somit ergibt sich die folgende Eichmatrix.In addition to the movement along the Y axis, the measuring cell 4 also detects the rotation about the Z axis (C value). The same applies to the measuring cell 5, it detects the movement along the Y axis and the rotation about the X axis (A value). The remaining rotation about the Y axis is measured by the measuring cell 6. Which can also detect the movement along the X axis. This results in the following calibration matrix.

Figure DE102004051565B4_0019
Translationsfehler 4.9%, Rotationsfehler 13.6% Tabelle 13b
Figure DE102004051565B4_0019
Translation error 4.9%, rotation error 13.6% Table 13b

Die Eichmatrix zeigt sehr deutlich die gewählte Anordnung. Beispielsweise wird die Bewegung entlang der X Achse nur durch die erste Messzelle (Spannung U1) ermittelt, obwohl die Messzelle 6 ebenfalls die Bewegung entlang der X Achse erfassen kann. Die Eichmatrix ist insgesamt sehr dünn besetzt. Die Tabelle 13c zeigt die Eichmatrix, in der sehr kleine Werte entfernt wurden.The calibration matrix shows very clearly the chosen arrangement. For example, the movement along the X axis is determined only by the first measuring cell (voltage U1), although the measuring cell 6 can also detect the movement along the X axis. Overall, the calibration matrix is very sparse. Table 13c shows the calibration matrix in which very small values have been removed.

Figure DE102004051565B4_0020
Tabelle 13c
Figure DE102004051565B4_0020
Table 13c

Die Fehler der Eichmatrix für die Translation und die Rotation, entstehen aufgrund der dabei angewandten Linearisierung. Aufgrund der gewählten Anordnung kann aber auch sehr einfach das genaue Modell verwendet werden.The errors of the calibration matrix for the translation and the rotation, arise due to the applied linearization. Due to the chosen arrangement but also the exact model can be used very easily.

2er Gruppe 2er group

Für die nächste Anordnung werden sofort 2er Gruppen gebildet. Die Messzellen in einer 2er Gruppe wird dabei so angeordnet, dass zwei Freiheitsgrade von einer 2er Gruppe erfasst werden. Dadurch muss das bewegliche optische Element nicht mehr im Ursprung oder entlang der Hauptachse angeordnet werden. 14a zeigt die erste 2er Gruppe, die für die Messung der Y und C Bewegungen zuständig ist. Beide Messzellen können jeweils die Y und die C Bewegung erfassen. Für eine einzelne Messzelle ist die eine Bewegung von der anderen Bewegung nicht unterscheidbar.For the next arrangement two groups are formed immediately. The measuring cells in a group of two is arranged so that two degrees of freedom are detected by a group of two. As a result, the movable optical element no longer has to be arranged in the origin or along the main axis. 14a shows the first group of 2, which is responsible for measuring the Y and C movements. Both measuring cells can each detect the Y and the C movement. For a single measuring cell, one movement is indistinguishable from the other.

Nur durch die Kombination der Messzellen (zu einer 2er Gruppe) können die einzelnen Bewegungen eindeutig unterschieden werden.Only by combining the measuring cells (into a group of 2) can the individual movements be clearly distinguished.

Durch die seitliche Versetzung der Messzelle 2 zur Messzelle 1, kann die zweite Messzelle zwar auch Rotationen um die X Achse erfassen (Bewegung A). Aufgrund des kleinen Abstands zur Achse ist dies aber nicht sonderlich stark ausgeprägt.By the lateral displacement of the measuring cell 2 to the measuring cell 1, although the second measuring cell can also detect rotations about the X axis (movement A). Due to the small distance to the axis, this is not very pronounced.

Eine weitere 2er Gruppe erfasst jetzt zwei weitere Freiheitsgrade. Sie wird ähnlich wie die erste 2er Gruppe positioniert, aber um 90° verdreht angebracht. In der 14b ist die zweite 2er Gruppe abgebildet. Sie kann die Bewegungen entlang der X Achse erfassen, sowie die Drehung um die Y Achse (B Bewegung).Another group of 2 now covers two additional degrees of freedom. It is positioned in a similar way to the first group of 2, but rotated by 90 °. In the 14b is the second group of 2 shown. It can detect the movements along the X axis, as well as the rotation about the Y axis (B movement).

Eine 2er Gruppe, die die fehlenden Bewegungen (Z und A) erfassen kann, könnte entlang der Y Achse angeordnet werden. Dies könnte mit der gleichen Anordnung geschehen wie bei den ersten beiden 2er Gruppen. Nachdem dies den Aufbau verkomplizieren würde, werden die beiden verbleibenden Freiheitsgrade getrennt erfasst. Dabei ergänzt jede Messzelle die vorher positionierten 2er Gruppen zu einer 3er Gruppe. 14c (Blende beweglich) zeigt die gesamte Anordnung.A group of 2, which can detect the missing movements (Z and A), could be arranged along the Y axis. This could be done with the same arrangement as in the first two groups of two. Since this would complicate the construction, the two remaining degrees of freedom are detected separately. Each measuring cell complements the previously positioned groups of two to form a group of three. 14c (Aperture movable) shows the entire arrangement.

Figure DE102004051565B4_0021
Tabelle 14a
Figure DE102004051565B4_0021
Table 14a

Die Messzelle 5 erfasst die A und die Y Bewegung. Sie ergänzt somit die erste 2er Gruppe (Messzelle 1 und 2 – Y/C) zu einer 3er Gruppe. Äquivalent passiert dies mit der Messzelle 6. Sie erfasst die Bewegung Z und B. Die zweite 2er Gruppe (Messzelle 3 und 4 – X/B) wir zur 3er Gruppe und kann die Bewegungen X, B und Z messen.The measuring cell 5 detects the A and the Y movement. It completes the first group of 2 (measuring cell 1 and 2 - Y / C) to a group of 3. Equivalent this happens with the measuring cell 6. It detects the movement Z and B. The second group of 2 (measuring cell 3 and 4 - X / B) we to the 3 group and can measure the movements X, B and Z.

Figure DE102004051565B4_0022
Translationsfehler 3.5%, Rotationsfehler 6.9% Tabelle 14b
Figure DE102004051565B4_0022
Translation error 3.5%, rotation error 6.9% Table 14b

3er Gruppe3 group

In der 15 (Blende beweglich) wird eine Anordnung gezeigt, die sich aus zwei 3er Gruppen bildet. Die erste 3er Gruppe bestehend aus Messzelle 1, 3 und 5 messen die Bewegungen Y, A und B. Die verbleibenden Bewegungen X, Z und C werden von den Messzellen 2, 4 und 6 erfasst.In the 15 (Aperture movable), an arrangement is shown, which consists of two groups of 3 forms. The first group of 3 consisting of measuring cell 1, 3 and 5 measure the movements Y, A and B. The remaining movements X, Z and C are detected by the measuring cells 2, 4 and 6.

Figure DE102004051565B4_0023
Tabelle 15a
Figure DE102004051565B4_0023
Table 15a

Figure DE102004051565B4_0024
Translationsfehler 3.0%, Rotationsfehler 3.0% Tabelle 15b
Figure DE102004051565B4_0024
Translation error 3.0%, rotation error 3.0% Table 15b

Ausgehend von der obigen Anordnung werden erfindungsgemäß jeweils zwei Messzelle zusammengefasst. Dabei werfen die beiden LED's das Licht auf den selben PSD. Mit anderen Worten, die PSD's der beiden Messzellen befinden sich am selben Ort und haben die selbe Orientierung. Somit wird ein PSD von den zwei PSD's eingespart. Der PSD ist das in der Regel teuerste optische Element der Messzelle.Starting from the above arrangement, two measuring cells are combined according to the invention. The two LEDs throw the light on the same PSD. In other words, the PSDs of the two measuring cells are in the same place and have the same orientation. Thus, a PSD is saved from the two PSD's. The PSD is usually the most expensive optical element of the measuring cell.

Für die Berechnungen geht man weiterhin von zwei einzelnen PSD's aus. Die erfindungsgemäße Anordnung wird so abgeändert, dass eine benachbarte LED auf den PSD des Nachbarn scheint. Damit beide Lichtebenen auf dem PSD einen Schnittpunkt verursacht, werden die beiden PSD's gedreht. Die beiden PSD's haben somit die gleiche Orientierung, die um 45° zu beiden Lichtebenen verdreht ist. Die Lichtebenen der zwei Messzellen stehen rechtwinkelig zueinander. Die Blende ist das bewegliche optische Element. Sie ist so angeordnet, dass die LED der Partner Messzelle nicht durch die falsche Schlitzblende ihre Lichtebene auf den PSD werfen kann. Die Partner Schlitzblende („falsche Schlitzblende”) wird dabei so angeordnet, dass die Blende in Richtung der Partner LED angeordnet ist und somit kein Lichteinfall möglich ist. Die Blende nutzt dabei den Freiheitsgrad (siehe Änderungen ohne funktionalen Einfluss auf die Messzelle) um einerseits die korrekte Schlitzblende für die eigene LED zu sein und andererseits entlang der Richtung der Partner LED zu stehen und somit das Licht abzuschatten. Die Blende kann an dem Ende erweitert werden, damit sichergestellt ist, dass kein fremdes Licht einer LED auf den PSD fällt. Die 16a bis 16c zeigen eine mögliche Anordnung.The calculations are still based on two separate PSD's. The arrangement according to the invention is modified so that an adjacent LED shines on the PSD of the neighbor. So that both light levels on the PSD causes an intersection, the two PSD's are rotated. The two PSDs thus have the same orientation, which is rotated by 45 ° to both light levels. The light planes of the two Measuring cells are at right angles to each other. The aperture is the movable optical element. It is arranged in such a way that the LED of the partner measuring cell can not throw its light plane onto the PSD through the wrong slit diaphragm. The partner slotted diaphragm ("wrong slit diaphragm") is arranged so that the diaphragm is arranged in the direction of the partner LED and thus no light incidence is possible. The aperture uses the degree of freedom (see changes without functional influence on the measuring cell) on the one hand to be the correct slit for the own LED and on the other hand to stand along the direction of the partner LED and thus to shade the light. The bezel can be extended at the end to ensure that no extraneous light from an LED falls on the PSD. The 16a to 16c show a possible arrangement.

Die Messzellen 1, 3, 5 und die Messzellen 2, 4, 6 bilden jeweils eine 3er Gruppe. Mit den Messzellen 1, 3, 5 werden die Bewegungen X, Z und C erfasst. Die Messzellen 2, 4, 6 sind für die Bewegungen Y, A und B zuständig. Die 17a (Blende beweglich) zeigt die entsprechende Anordnung und in der 17b wird die Anordnung mit jeweils einer aktiven LED gezeigt.The measuring cells 1, 3, 5 and the measuring cells 2, 4, 6 each form a group of 3. With the measuring cells 1, 3, 5, the movements X, Z and C are detected. The measuring cells 2, 4, 6 are responsible for the movements Y, A and B. The 17a (Aperture mobile) shows the appropriate arrangement and in the 17b the arrangement is shown with one active LED each.

Figure DE102004051565B4_0025
Tabelle 17a
Figure DE102004051565B4_0025
Table 17a

Figure DE102004051565B4_0026
Translationsfehler 10.7%, Rotationsfehler 9.5% Tabelle 17b
Figure DE102004051565B4_0026
Translation error 10.7%, rotation error 9.5% Table 17b

Einen gleich funktionierenden 3D Sensor kann man erhalten, wenn man alle PSD's um den jeweiligen LEDdir Vektor mit dem gleichen Winkel dreht. Entsprechend müssen die Schlitzblenden gedreht werden, damit die Lichtebenen wieder jeweils um 45° (oder einen ähnlichen Winkel) verdreht auf den PSD's fallen und messbare Schnittpunkte bilden.An equally functioning 3D sensor can be obtained by turning all PSDs around the respective LEDdir vector with the same angle. Accordingly, the slit diaphragms must be rotated so that the light planes again fall by 45 ° (or a similar angle) twisted on the PSDs and form measurable points of intersection.

Weitere Variationen zur Anordnung von MesszellenFurther variations to the arrangement of measuring cells

Koordinatentransformationcoordinate transformation

Die Anordnung der einzelnen Messzellen erfolgt in einem vorgegebenen kartesischen Koordinatensystem. Die Definition eines Koordinatensystems kann aber beliebig erfolgen. Die Relation zwischen zwei Koordinatensystem wird durch eine lineare Koordinatentransformation beschrieben. Die Abbildung stellt dabei sicher, dass die Größenverhältnisse unverändert bleiben und die Relation der Elemente zueinander gleich bleibt. Für einen 3D Sensor mit 6 Freiheitsgraden gilt somit, dass das benutzte Koordinatensystem beliebig im Raum definiert sein darf. Ein 3D Sensor kann somit als äquivalent angesehen werden, wenn mit Hilfe einer linearen Koordinatentransformation das benutzte Koordinatensystem auf ein hier beschriebenes Koordinatensystem übergeführt werden kann.The arrangement of the individual measuring cells takes place in a predetermined Cartesian coordinate system. However, the definition of a coordinate system can be arbitrary. The relation between two Coordinate system is described by a linear coordinate transformation. The figure ensures that the proportions remain unchanged and the relation of the elements remains the same. For a 3D sensor with 6 degrees of freedom, therefore, the used coordinate system may be arbitrarily defined in space. A 3D sensor can thus be considered equivalent if, with the aid of a linear coordinate transformation, the used coordinate system can be transferred to a coordinate system described here.

Unterschiedliche bewegliche optische ElementeDifferent moving optical elements

Für den Betrieb einer Messzelle wird neben den festen optischen Elementen auch ein bewegliches Element benötigt. In allen bisherigen Anordnungen wird immer davon ausgegangen, dass dies vom selben Typ ist (LED, Blende oder PSD). Natürlich können auch Messzellen mit unterschiedlichen beweglichen Elementen miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können Messzellen mit beweglichen Blenden und beweglichen PSD's angeordnet werden. Dabei behalten die obigen Regeln zur Anordnung von 3D Sensoren ihre Gültigkeit.For the operation of a measuring cell, a movable element is needed in addition to the fixed optical elements. In all previous arrangements, it is always assumed that this is of the same type (LED, aperture or PSD). Of course, measuring cells with different moving elements can be combined with each other. For example, measuring cells with movable diaphragms and movable PSDs can be arranged. The above rules for the arrangement of 3D sensors remain valid.

Gemeinsam genutzte SchlitzblendeShared slit diaphragm

Die Bewegung die durch eine Messzelle erfasst werden kann, wird durch den Bewegungsvektor beschrieben. Der Bewegungsvektor berechnet sich aus dem Produkt IRISdir × LEDdir. Daraus wird ersichtlich, dass mit einer Schlitzblende zwei unterschiedliche Bewegungsvektoren gebildet werden können, wenn die Richtungen der beiden LEDs unterschiedlich ist.The movement that can be detected by a measuring cell is described by the motion vector. The motion vector is calculated from the product IRISdir × LEDdir. It can be seen that with a slit diaphragm two different motion vectors can be formed if the directions of the two LEDs are different.

Signalführung über die FedernSignal routing via the springs

Es ist möglich das bewegliche optische Element und die beiden festen optischen Elemente über Drahtfedern zu verbinden. Diese Verbindung kann auch zur elektrischen Verkabelung von beweglichen und festen Teil des Sensors genutzt werden. So kann neben einer Stromversorgung auch verschiedene Steuersignale geführt werden. Sind die LED's die beweglichen optischen Elemente, können diese über die Federn betrieben werden, beispielsweise in einer Matrixanordnung.It is possible to connect the movable optical element and the two fixed optical elements via wire springs. This connection can also be used for electrical wiring of moving and fixed part of the sensor. Thus, in addition to a power supply and various control signals are performed. If the LEDs are the movable optical elements, they can be operated via the springs, for example in a matrix arrangement.

Bewegliche LED's für die Erweiterung des ArbeitsbereichsMovable LED's for extending the workspace

Aus den Gleichungen von „Berechnung einer translatorischen Bewegung” wird noch einer interessante Eigenschaft deutlich und die Erfahrung bestätigt dies. Bei einer Messzelle mit beweglicher LED kann der Arbeitsbereich des beweglichen optischen Elements durch die Anordnung der festen optischen Elemente beeinflusst werden.From the equations of "computation of a translatory motion", one more interesting feature becomes clear and experience confirms this. In a movable LED measuring cell, the working range of the movable optical element may be affected by the arrangement of the fixed optical elements.

In der Gleichung 1 (LED beweglich) steht der Abstandsvektor PSD – Blende im Verhältnis zum Abstandsvektor LED – Blende. Ist die Blende näher am PSD positioniert als an der LED, vergrößert dies den Bewegungsbereich der LED. Im umgekehrten Fall wird der Bewegungsbereich der LED eingeschränkt. Der kleinere Bewegungsbereich wird aber dann feiner aufgelöst.In equation 1 (LED movable), the distance vector PSD diaphragm is in relation to the distance vector LED diaphragm. If the shutter is positioned closer to the PSD than to the LED, this increases the range of movement of the LED. In the opposite case, the range of movement of the LED is restricted. The smaller range of motion is then resolved finer.

In der Gleichung 2 (Blende beweglich) steht der Abstandsvektor LED – PSD im Verhältnis LED – Blende. Nachdem die Blende immer vor dem PSD stehen muss ist der Abstand LED – PSD immer größer als der Abstand LED – Blende. Bei einer beweglichen Blende kann es deshalb nur zu einer Einschränkung des Bewegungsbereichs kommen.In equation 2 (movable aperture), the distance vector LED - PSD is in the ratio of the LED aperture. After the aperture must always be in front of the PSD, the distance LED - PSD is always greater than the distance LED - aperture. With a movable panel, therefore, only a limitation of the range of motion can occur.

In der Gleichung 3 (PSD beweglich) steht im Zähler wie auch im Nenner der Abstandsvektor LED – Blende. Der Bewegungsbereich des PSD's ist somit immer gleich und entspricht der maximalen Ausdehnung des lichtempfindlichen Teils des PSD'sIn Equation 3 (PSD moveable), the distance vector LED aperture is in the numerator as well as in the denominator. The range of movement of the PSD is thus always the same and corresponds to the maximum extent of the photosensitive part of the PSD

3D Sensor mit mehr als 6 Messzellen3D sensor with more than 6 measuring cells

Für den Aufbau eines 3D Sensors mit 6 Freiheitsgraden sind mindestens 6 Messzellen notwendig. Natürlich können weitere Messzellen benutzt werden, als eigentlich erforderlich wäre. Diese Redundanz des 3D Sensors kann für die Erhöhung der Genauigkeit des Sensors eingesetzt werden oder den Sensor in Betrieb halten, auch wenn eine oder mehrere Messzellen ausfallen. Äquivalent gilt dies auch für einen Pan/Zoom Sensor.For the construction of a 3D sensor with 6 degrees of freedom at least 6 measuring cells are necessary. Of course, more measuring cells can be used than would actually be required. This redundancy of the 3D sensor can be used to increase the accuracy of the sensor or keep the sensor in operation, even if one or more measuring cells fail. Equivalently, this also applies to a Pan / Zoom sensor.

Anhang A Appendix A

Beispielrechnungexample calculation

18 zeigt eine grafische Darstellung der Position der Elemente (d. h. eine LED, eine Blende und ein PSD) einer Messzelle. Für eine beispielhafte Anordnung soll die Berechnung der Größe λ gezeigt werden. Dabei werden die drei möglichen Varianten für das bewegliche optische Element berücksichtigt. 18 shows a graphical representation of the position of the elements (ie, an LED, a diaphragm and a PSD) of a measuring cell. For an exemplary arrangement, the calculation of the size λ shall be shown. In this case, the three possible variants for the movable optical element are taken into account.

Figure DE102004051565B4_0027
Figure DE102004051565B4_0027

1. LED beweglich – Figur 19

Figure DE102004051565B4_0028
1. LED movable - Figure 19
Figure DE102004051565B4_0028

2. Blende beweglich – Figur 20

Figure DE102004051565B4_0029
2. Aperture movable - Figure 20
Figure DE102004051565B4_0029

3. PSD beweglich – Figur 21

Figure DE102004051565B4_0030
3. PSD mobile - Figure 21
Figure DE102004051565B4_0030

Anhang BAppendix B

Alternative Anordnung gemäß der 22 (LED beweglich).Alternative arrangement according to the 22 (LED movable).

Figure DE102004051565B4_0031
Translationsfehler 9.8%
Figure DE102004051565B4_0031
Translation error 9.8%

In dieser in 22 veranschaulichten Anordnung sind nur die LED's beweglich und sie befinden sich im bzw. nahe dem Drehzentrum. Die Messzellen können dadurch ausschließlich translatorische Bewegungen erfassen und sind für rotatorische Bewegungen „blind”.In this in 22 illustrated arrangement, only the LEDs are movable and they are located in or near the center of rotation. As a result, the measuring cells can only detect translational movements and are "blind" to rotational movements.

Der Sensoraufbau ist deshalb nur für Pan/Zoom Anwendungen geeignet und nicht für Anwendungen mit 6 Freiheitsgraden (6DOF). Das Designziel für einen Pan/Zoom Sensors ist deshalb das bewegliche Element in das Drehzentrum zu verlagern.The sensor design is therefore only suitable for Pan / Zoom applications and not for applications with 6 degrees of freedom (6DOF). The design goal for a Pan / Zoom sensor is therefore to move the moving element into the turning center.

Wenn es in dieser Beschreibung davon gesprochen wird, dass eine Messzelle ”hauptsächlich nur” oder ”ausschließlich” translatorische Bewegungen erfassen kann, ist gemeint damit, dass die Messzelle oder der Sensor zumindest in erster Näherung ausschließlich translatorische Bewegungen messen kann. Rotatorische Bewegungen können ebenfalls einen kleinen Einfluß auf die Messung haben. Dieser Teil ist zwar klein und deshalb vernachlässigbar, aber trotzdem vorhanden. Die Verschiebung und Verdrehung des Sensors verursacht, dass bei dem Sensor die einzelnen Messzelle ihre ideale Position etwas verlassen (z. B. das bewegliche Element ist nicht mehr exakt im Drehzentrum), sodass kleine Fehler entstehen.When it is spoken in this description that a measuring cell "mainly" or "exclusively" can detect translational movements, it is meant that the measuring cell or the sensor can measure at least to a first approximation only translational movements. Rotatory movements can also have a small influence on the measurement. This part is small and therefore negligible, but still available. The displacement and rotation of the sensor causes the individual measuring cell to leave its ideal position somewhat (eg the moving element is no longer exactly in the center of rotation) in the sensor, so that small errors occur.

Diese Situation wird mit der folgenden Methodik behandelt:
Methodik zum Ermitteln von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte in einer erfindungsgemäßen Anordnung, die translatorische und rotatorische Bewegungen oder die hauptsächlich nur translatorische Bewegungen erfassen kann, mit den Schritten:
man gibt die exakten Gleichungen für die erfassten Bewegungen der Messzellen an; (siehe Abschnitt „erfasste Bewegung”)
man gibt eine erste Annäherung an, die die verkoppelten Bewegungen zwischen Rotation und/oder Translation vernachlässigt; oder
man gibt für jede Messzelle die Eichmatrix der Linearisierung und den maximalen Fehler an.
This situation is treated with the following methodology:
Method for determining relative movements or relative positions of two objects in an arrangement according to the invention, which can detect translational and rotational movements or the mainly only translational movements, with the steps:
one gives the exact equations for the detected movements of the measuring cells; (see section "detected movement")
one gives a first approximation, which neglects the coupled movements between rotation and / or translation; or
For each measuring cell, the calibration matrix of the linearization and the maximum error are indicated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

101101
LEDLED
102102
Lichtkegellight cone
103103
Blendecover
104104
Lichtebenelight plane
105105
PSDPSD
301301
Lichtebenelight plane
302302
PSDPSD
303303
Schnittflächesection
304304
Schnittpunktintersection
401401
PSDPSD
402402
Blendecover
403403
Blendenabstandaperture spacing
404404
Verschiebung XShift X
405405
Verschiebung YShift Y
406406
LEDLED
10011001
Messzelle 1Measuring cell 1
10021002
Messzelle 2Measuring cell 2
10031003
Messzelle 3Measuring cell 3
11001100
Messzelle 1Measuring cell 1
11011101
Bewegungsvektor 1Motion vector 1
11021102
Messzelle 2Measuring cell 2
11031103
Bewegungsvektor 2Motion vector 2
11041104
Messzelle 3Measuring cell 3
11051105
Bewegungsvektor 3Motion vector 3
13001300
Messzelle 1Measuring cell 1
13011301
Messzelle 2Measuring cell 2
13021302
Messzelle 3Measuring cell 3
13031303
Messzelle 4Measuring cell 4
13041304
Messzelle 5Measuring cell 5
13051305
Messzelle 6Measuring cell 6
14001400
Messzelle 1Measuring cell 1
14011401
Messzelle 2Measuring cell 2
14021402
Messzelle 3Measuring cell 3
14031403
Messzelle 4Measuring cell 4
14041404
Messzelle 4Measuring cell 4
14051405
Messzelle 5Measuring cell 5
15001500
Messzelle 1Measuring cell 1
15011501
Messzelle 2Measuring cell 2
15021502
Messzelle 3Measuring cell 3
15031503
Messzelle 4Measuring cell 4
15041504
Messzelle 5Measuring cell 5
15051505
Messzelle 6Measuring cell 6
17001700
Messzelle 1Measuring cell 1
17011701
Messzelle 2Measuring cell 2
17021702
Messzelle 3Measuring cell 3
17031703
Messzelle 4Measuring cell 4
17041704
Messzelle 5Measuring cell 5
17051705
Messzelle 6Measuring cell 6
17101710
Keine LED aktivNo LED active
17111711
LED 1 aktivLED 1 active
17121712
LED 2 aktivLED 2 active
17131713
LED 3 aktivLED 3 active
17141714
LED 4 aktivLED 4 active
17151715
LED 5 aktivLED 5 active
17161716
LED 6 aktivLED 6 active
1800 1900 2000 21001800 1900 2000 2100
LEDLED
1801 1901 2001 21011801 1901 2001 2101
Blendecover
1802 1902 2002 21021802 1902 2002 2102
PSDPSD
22002200
Messzelle 1Measuring cell 1
22012201
Messzelle 2Measuring cell 2
22022202
Messzelle 3Measuring cell 3

Claims (20)

Optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, die mindestens einen eindimensionalen positionsempfindlichen Detektor umfasst, wobei der positionsempfindliche Detektor von mindestens zwei Lichtemissionseinrichtungen beleuchtet wird, um mindestens zwei Messzellen mit einem gemeinsamen Detektor zu bilden, wobei jede der von einem gemeinsamen Detektor gebildeten Messzellen eine im Strahlengang der entsprechenden Lichtemissionseinrichtung zwischen der genannten Lichtemissionseinrichtung und dem positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende aufweist, wobei der positionsempfindliche Detektor in funktionalem Zusammenhang mit zwei benachbarten Schlitzblenden steht, wobei die zwei benachbarten Schlitzblenden einen Winkel zusammen einschließen und jeweils zueinander senkrecht angeordnete Schlitze aufweisen, wobei der eindimensionale positionsempfindliche Detektor um jeweils 45° zu jeder durch die Schlitze der zwei benachbarten Schlitzblenden entstehenden Lichtebenen verdreht ist, und wobei jede der zwei benachbarten Schlitzblenden in Richtung der zur benachbarten Schlitzblende gehörigen Lichtemissionseinrichtung angeordnet ist.Optoelectronic arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects comprising at least one one-dimensional position-sensitive detector, wherein the position-sensitive detector is illuminated by at least two light-emitting devices in order to form at least two measuring cells with a common detector, each of the measuring cells formed by a common detector having a slit disposed in the beam path of the corresponding light emitting device between said light emitting device and the position sensitive detector, the position sensitive detector being operatively associated with two adjacent slit diaphragms, wherein the two adjacent slit diaphragms enclose an angle together and each have mutually perpendicular slits, wherein the one-dimensional position-sensitive detector is rotated by every 45 ° to each of the light planes formed by the slits of the two adjacent slit apertures, and wherein each of the two adjacent slit diaphragms is arranged in the direction of the light emitting device associated with the adjacent slit diaphragm. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtebene, die durch zumindest eine der Schlitzblenden strahlt und auf den Detektor fällt, einen spitzen Winkel mit einer Ebene eines lichtempfindlichen Teils des Detektors einschließt.An optoelectronic assembly according to claim 1, characterized in that a plane of light radiating through at least one of the slit apertures and incident on the detector subtends an acute angle with a plane of a photosensitive portion of the detector. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronische Anordnung eingerichtet ist, jeden Detektor abwechselnd von einer Lichtemissionseinrichtung zu beleuchten und einen Messwert des Detektors zur gleichen Zeit auszulesen.Optoelectronic device according to claim 1 or 2, characterized in that the optoelectronic device is set up to illuminate each detector alternately by a light emitting device and to read out a measured value of the detector at the same time. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronische Anordnung eingerichtet ist, den Detektor jeder Messzelle nur von einer Lichtemissionseinrichtung zu einer bestimmten Zeit zu beleuchten und den Messwert des Detektors zur gleichen Zeit auszulesen.Optoelectronic device according to claim 3, characterized in that the optoelectronic device is set up to illuminate the detector of each measuring cell only by a light emitting device at a certain time and to read out the measured value of the detector at the same time. Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element jeder Messzelle bestehend aus Lichtemissionseinrichtung, Schlitzblende und Detektor relativ zu den anderen beiden Elementen bewegbar ist.Optoelectronic device according to one of claims 1 to 4, characterized in that an element of each measuring cell consisting of light emitting device, slit diaphragm and detector is movable relative to the other two elements. Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens drei Messzellen, bevorzugt drei bis sechs Messzellen, umfasst.Optoelectronic arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the arrangement comprises at least three measuring cells, preferably three to six measuring cells. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mehr als sechs Messzellen umfasst.Optoelectronic arrangement according to claim 6, characterized in that the arrangement comprises more than six measuring cells. Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Lichtemissionseinrichtung, Schlitzblende und Detektor bestehende Messzelle mit einer beweglichen Lichtemissionseinrichtung versehen ist.Optoelectronic arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the measuring cell consisting of light-emitting device, slit diaphragm and detector is provided with a movable light-emitting device. Kraft- und/oder Momentsensor gekennzeichnet durch eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Force and / or torque sensor characterized by an optoelectronic arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects according to one of claims 1 to 8. Kraft- und/oder Momentsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, das die zwei Objekte aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte bestehen, wobei die erste Platte und die zweite Platte elastisch miteinander verbunden und relativ zueinander bewegbar sind. Force and / or moment sensor according to claim 9, characterized in that the two objects consist of a first plate and a second plate, wherein the first plate and the second plate are elastically connected to each other and movable relative to each other. Kraft- und/oder Momentsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Platte über mindestens eine Feder- und/oder Dämpfungseinrichtung miteinander verbunden sind.Force and / or torque sensor according to claim 10, characterized in that the first and the second plate are connected to each other via at least one spring and / or damping device. Kraft- und/oder Momentsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (bevorzugt aus elektrisch leitendem Draht) neben der Dämpfungseigenschaft auch gleichzeitig zur elektrischen Signalführung der beiden beweglichen Platten dient.Force and / or torque sensor according to claim 11, characterized in that a spring (preferably made of electrically conductive wire) in addition to the damping property also simultaneously serves for electrical signal guidance of the two movable plates. Kraft- und/oder Momentsensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Feder- und/oder Dämpfungseinrichtung eine der nachfolgenden Komponenten oder Kombinationen daraus umfasst: Schraubenfeder, Federpaket, Elastomer, Gießharz.Force and / or torque sensor according to claim 11 or 12, characterized in that the at least one spring and / or damping device comprises one of the following components or combinations thereof: coil spring, spring assembly, elastomer, casting resin. Kraft- und/oder Momentsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder- und/oder Dämpfungseinrichtungen im Wesentlichen rotationssymmetrisch angeordnet sind.Force and / or torque sensor according to one of claims 11 to 13, characterized in that the spring and / or damping devices are arranged substantially rotationally symmetrical. Kraft- und/oder Momentsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Feder- und/oder Dämpfungseinrichtungen mindestens ein Elastomer- oder Federelement umfasst, das fest mit der ersten und zweiten Platte verbunden ist.Force and / or moment sensor according to one of claims 11 to 14, characterized in that at least one of the spring and / or damping means comprises at least one elastomer or spring element which is fixedly connected to the first and second plates. Kraft- und/oder Momentsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch mindestens eine Anschlageinrichtung, welche die Bewegung der ersten Platte relativ zur zweiten Platte begrenzt.Force and / or torque sensor according to one of claims 10 to 15, characterized by at least one stop device which limits the movement of the first plate relative to the second plate. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor eingerichtet ist, ausschließlich translatorische Bewegungen zu erfassen.Force sensor according to one of claims 9 to 16, characterized in that the force sensor is adapted to detect only translational movements. Pan/Zoom-Sensor mit einer ersten Platte und einer zweiten Platte, wobei die erste Platte und die zweite Platte elastisch miteinander verbunden und relativ zueinander bewegbar sind, gekennzeichnet durch eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Pan / zoom sensor having a first plate and a second plate, wherein the first plate and the second plate are elastically connected to each other and movable relative to each other, characterized by an optoelectronic device for detecting relative movements or relative positions of two objects according to one of claims 1 to 8th. Pan/Zoom-Sensor nach Anspruch 18, wobei der Pan/Zoom-Sensor eingerichtet ist, aufgrund seines geometrischen Aufbaus ausschließlich translatorische Bewegungen zu erfassen.Pan / zoom sensor according to claim 18, wherein the pan / zoom sensor is arranged to detect only translational movements due to its geometric structure. PC-Tastatur dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 19 aufweist.PC keyboard characterized in that it comprises a sensor according to any one of claims 9 to 19.
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