DE3802059A1

DE3802059A1 - Optische festkoerper-positionsbestimmungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3802059A1
Application number: DE3802059A
Authority: DE
Inventors: James L Griffin
Original assignee: WELLS GARDNER ELECTRONICS
Current assignee: WELLS GARDNER ELECTRONICS
Priority date: 1987-04-28
Filing date: 1988-01-25
Publication date: 1988-11-10
Also published as: FR2614701A1; GB2204126A; US4820050A; CA1295708C; GB8809354D0; IT8847873A0; JPS63275906A; IT1219927B

Description

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf optische Posi tionsortungsvorrichtungen zum Orten der Position eines Ob jekts längs einer oder mehrerer Koordinatenachsen und ins besondere befaßt sie sich mit einer optischen Festkörper- Positionsbestimmungsvorrichtung zur Erzielung einer solchen Ortung.

Bisher sind im Stand der Technik einige optische Berührungs schirm-Eingabevorrichtungen bekannt, die auf optische Weise oder durch eine Kombination von mechanischen optischen Ein richtungen fähig sind, die örtliche Lage eines Objektes in einem zweidimensionalen Zielfeld zu bestimmen. Insbesondere sind Beispiele derartiger optischer Berührungsschirmeingabe einrichtungen in US-PS 42 67 443 vom 12. Mai 1981 und US-PS 44 20 261 vom 13. Dezember 1983 angegeben.

Ferner ist in US-PS 45 53 842, die die Bezeichnung "Optische Positionsbestimmungsvorrichtung" trägt und am 19. November 1985 erteilt wurde, sowie auf die Anmelderin der vorliegen den Anmeldung übertragen wurde, eine optische Positions ortungsvorrichtung zur Ortung eines Objektes in einem zwei dimensionalen Raum angegeben, die ein Gehäuse enthält, das eine Zielzone definiert. Die örtliche Lage der Gegenstände ist innerhalb der Zielzone durch die Detektion der Unter brechung von Lichtwegen zu bestimmen, die über die Zielzone hinweg verteilt sind. In einer Ecke des Gehäuses sind eine Lichtlenk-Einrichtung, eine mechanische Abtastdetektoran ordnung und eine Lichtquelle vorgesehen. Die Abtastdetektor anordnung weist einen Antriebsmotor auf, der ein Detektor gehäuse in Drehung versetzt, das einen Fotodetektor enthält.

Durch Verdrehen des Detektorgehäuses mit der zugeordneten Öffnung und der Linse tastet der Photodetektor die Zielzone im Hinblick auf das Vorhandensein von rücklaufendem Licht ab und er erzeugt ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von dem Vorhandensein derartigen Lichts. Diese übliche Ortungs vorrichtung hat jedoch den unerwünschten Effekt, daß sie gegenüber mechanischen Vibrationen infolge der Verwendung eines sich drehenden Detektorgehäuses empfindlich ist, wo durch ihre Zuverlässigkeit und Genauigkeit bei der Anwendung nachteilig beeinflußt wird. Ferner hat diese Ortungsvor richtung den Nachteil, daß für sie große und gewichtsmäßig schwere Bauteile benötigt werden, die relativ viel Platz in Anspruch nehmen, wodurch sich die Herstellungskosten und die Montagekosten erhöhen.

Es ist daher erwünscht, eine optische Positionsbestimmungs vorrichtung bereitzustellen, die vollständig von Festkörper- Bauteilen gebildet wird und eine starke Schwingungsfestigkeit hat. Die optische Festkörper-Positionsbestimmungsvorrichtung nach der Erfindung ist durch ihre einfache Auslegung effi zient, mit geringen Kosten verbunden und zuverlässig im Be trieb. Die Erfindung stellt eine Weiterentwicklung hinsicht lich der US-PS 45 53 842 dar, die durch die Bezugnahme hiermit in die Beschreibung eingeschlossen ist.

Generell gesehen bezweckt die vorliegende Erfindung, eine verbesserte optische Positionsbestimmungsvorrichtung bereit zustellen, die relativ einfach ausgelegt ist und sich wirt schaftlich herstellen und montieren läßt, bei der aber auch die Schwierigkeiten bei den üblichen Ortungsvorrichtungen überwunden werden.

Die Erfindung bezweckt, eine optische Positionsbestimmungs vorrichtung bereitzustellen, die vollständig von Festkörper- Bauteilen gebildet wird und die eine große Schwingungsfestig keit hat.

Weiterhin soll nach der Erfindung eine effiziente, mit ge ringen Kosten verbundene und genau arbeitende optische Po sitionsbestimmungsvorrichtung bereitgestellt werden, für die man eine minimale Anzahl von Bauteilen benötigt, und welche im wesentlichen kompakt ausgelegt und gewichtsmäßig leicht ist.

Ferner bezweckt die Erfindung, eine optische Positionsbe stimmungsvorrichtung bereitzustellen, die eine Detektorein richtung enthält, die von einem linearen CCD Bildsensor gebildet wird, der eine Mehrzahl von Sensorelementen hat.

Ferner soll nach der Erfindung eine optische Positionsbe stimmungsvorrichtung bereitgestellt werden, die einen linearen CCD Bildsensor zur Erzeugung eines elektrischen Signales in Abhängigkeit von dem Vorhandensein von reflektierter Strah lungsenergie und einen Mikroprozessor enthält, der auf das elektrische Signal anspricht, um die Vertikal- und Hori zontalkoordinaten eines innerhalb der Zielzone sich befin denden Hindernisses zu ermitteln.

Ferner soll nach der Erfindung eine optische Positionsbe stimmungsvorrichtung bereitgestellt werden, die eine Licht lenkeinrichtung enthält, die von einem geteilten Spiegel gebildet wird, der einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt hat, der in einem Abstand von dem ersten Abschnitt liegt und bei dem ein Spalt zwischen diesen gebildet wird.

Ferner bezweckt die Erfindung, eine optische Positionsbestim mungsvorrichtung bereitzustellen, die eine Lichtrücklenk einrichtung enthält, die von einem einteiligen Spiegel ge bildet wird.

Zur Verwirklichung der vorstehend genannten Zielsetzungen gibt die Erfindung eine optische Positionsbestimmungsvor richtung zum Detektieren der Strahlungsenergie an, die von einer Zielzone reflektiert wird, welche eine Emissionsein richtung zur Erzeugung und Emission von Strahlungsenergie, eine Lichtrücklenkeinrichtung zum Rücklenken der Strahlungs energie über die Zielzone hinweg, eine reflektierende Ein richtung zum Reflektieren der Strahlungsenergie von der Zielzone zurück, und eine Detektoreinrichtung enthält, die das Vorhandensein der Strahlungsenergie erfaßt, die von der Zielzone reflektiert wird. Die Emissionseinrichtung ist sta tionär und gibt einen Strahl von Strahlungsenergie in Richtung auf die Rücklenkeinrichtung ab, welche die Strahlungsenergie längs eines primären Strahlenganges richtet. Die Rücklenk einrichtung ist auch derart ausgelegt, daß sie ermöglicht, daß ein Rückstrahl des Lichtes von der Zielzone auf die Detektor einrichtung auftritt, die bezüglich der Fortpflanzungsrich tung des Rückstrahles hinter dieser liegt. Die Detektorein richtung enthält einen linearen CCD (ladungsgekoppelte Ein richtung) Bildsensor, der von einer Mehrzahl von Sensorele menten gebildet wird. Die Sensorelemente werden in aufein anderfolgender Reihenfolge impulsbetrieben, um die Zielzone nach dem Vorhandensein von reflektierter Strahlungsenergie abzutasten und ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von dem Vorhandensein einer derartigen reflektierten Strahlungs energie zu erzeugen.

Gemäß einem weiteren Aspekt nach der Erfindung enthält die Lichtrücklenkeinrichtung einen geteilten Spiegel, der von einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt gebildet wird, der einen Abstand von dem ersten Abschnitt hat und zwischen diesen ein Spalt gebildet wird. Jeder erste und zweite Abschnitt hat eine im wesentlichen ebene reflektierende Flä che, die von der Detektoreinrichtung wegweist. Der Spalt er streckt sich durch die reflektierenden Flächen und ist im wesentlichen konzentrisch bezüglich der Detektoreinrichtung und des Primärstrahlengangs.

Gemäß einem weiteren Aspekt nach der Erfindung kann die Lichtrücklenkeinrichtung alternativ von einem einteiligen Spiegel gebildet werden, der anstelle der geteilten Spiegel konstruktion verwendet wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung er geben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzug ten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Darin zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht einer optischen Festkörper positionsbestimmungsvorrichtung, die nach den Prinzipien der Erfindung ausgelegt ist,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des optischen Transmitter/Detektormoduls zur Verwendung bei der optischen Positionsbestimmungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3A eine Seitenansicht in geringfügig schematisch dargestellter Weise des optischen Moduls längs der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 3B eine Seitenansicht einer alternativen Aus bildungsform des optischen Moduls nach Fig. 3A,

Fig. 4 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung, die in Verbindung mit der optischen Festkörper positionsbestimmungsvorrichtung nach Fig. 1 verwendet wird.

Fig. 5A und 5B stellen in Verbindung miteinander einen schema tischen Schaltplan dar, auf dem Schaltungen gezeigt sind, die für die jeweiligen Blöcke nach Fig. 4 geeignet sind, und

Fig. 6 eine Wellenform des optischen Musters, das auf dem Schirm erscheint.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Unter Bezugnahme auf die verschiedenen Ansichten der Zeichnung ist in Fig. 1 eine optische Festkörper-Positionsbestimmungs vorrichtung 10 nach der Erfindung gezeigt, mittels der das Vorhandensein und die Position eines Objekts oder eines Hin dernisses, wie eines Fingers oder dergleichen, in Relation zu einer Oberfläche und insbesondere relativ zu einer Oberfläche einer Berührungsschirm-Eingabeeinrichtung eines Computertermi nals detektiert werden kann. Im allgemeinen hat die Berührungs schirm-Eingabeeinrichtung die Form einer Überlagerung zur Erzeugung eines Lichtvorhangs vor einer Kathodenstrahlröhre oder eines anderen Anzeigeschirms in der Form, daß die Durch dringung des Lichtvorhanges durch die Vorrichtung 10 detek tiert wird. Ferner wird die Durchdringung des Lichtvorhangs durch den Finger oder dergleichen so ausgelegt, daß er seine Lage relativ zum Schirm bei einer speziellen Anwendung, wie zur Wahl oder Anzeige einer Einzel, die auf dem Berührungs schirm angezeigt wird, fixiert wird.

Die optische Festkörper-Positionsbestimmungsvorrichtung 10 weist ein im wesentlichen rechteckförmiges Gehäuse 12 auf, das dazu dient, die verschiedenen Elemente in den jeweiligen relativen Positionen zu halten und das dazu verwendet wird, eine Zielzone 14 zu definieren, innerhalb der die Ortung der Objekte erfolgen soll. Innerhalb des Gehäuses 12 sind um die Zielzone 14 ein ebener Reflektor, wie ein Spiegel 16, ein Retroreflektor 18 und eine Retroreflektoranordnung 20 an geordnet. Die Retroreflektoranordnung 20 umfaßt einen Retro reflektor-Streifen 22 und eine Mehrzahl von Retroreflektor elementen 24, die in gestaffelter Weise dem Retroreflektor- Streifen 22 benachbart angeordnet sind. In einer Ecke des Ge häuses 5 ist ein optischer Festkörper-Transmitter/Empfänger modul 26 vorgesehen, der nachstehend noch näher erläutert wird.

Beim Arbeiten der optischen Festkörper-Positionsbestimmungs vorrichtung 10 nach der Erfindung können kurz gesagt die rela tiven Lagen der Objekte oder Hindernisse 28, 30 und 32 längs der Koordinatenachse innerhalb der Zielzone 14 durch eine übliche Triangulationsmethode bestimmt werden, welche an sich bekannt ist. Hierzu werden die jeweiligen Lichtstrahlen 34, 36 und 38 von dem optischen Transmitter/Empfängermodul 26 ab gegeben. Wie sich ersehen läßt, schneidet der Lichtstrahl 34 direkt beide Hindernisse 28 und 30 und der Lichtstrahl 36 schneidet direkt das Hindernis 32. Auf der anderen Seite trifft der Lichtstrahl 38 zu Beginn auf den Spiegel 16 und wird dann durch den Spiegel als Lichtstrahl 38 a unter einem Winkel gleich und entgegengesetzt zu dem Auftreffwinkel reflektiert, um beide Hindernisse 32 und 30 zu schneiden. In ähnlicher Weise trifft der Lichtstrahl 36 zu Beginn auf den Spiegel 16 auf und er wird auch anschließend durch den Spiegel als Licht strahl 36 a reflektiert, um das Hindernis 28 zu schneiden.

Folglich läßt sich hieraus entnehmen, daß jedes Objekt oder Hindernis durch zwei gesonderte Lichtstrahlen geschnitten wird, die vom optischen Transmitter/Empfängermodul 26 unter zwei verschiedenen Winkeln abgegeben werden. Der erste Winkel, der von dem Lichtstrahl gebildet wird, der direkt auf das Hinder nis trifft, wird als der Primärwinkel bezeichnet und der zweite Winkel, der von dem reflektierten Lichtstrahl gebil det wird, der auf das Hindernis trifft, nachdem er zu Beginn auf den Spiegel aufgetroffen ist und dann reflektiert worden ist, wird als ein Sekundärwinkel bezeichnet. Somit können durch die Bestimmung der Primär- und Sekundärwinkel, die von den jeweiligen schneidenden Lichtstrahlen gebildet wer den, die Koordinaten des Hindernisses leicht unter Verwen dung der Triangulationsmethode ermittelt werden. Es ist noch darauf hinzuweisen, daß ein Retroreflektor, wie die Retroreflektoren 18 und 20, einen Lichtstrahl direkt auf sich selbst längs dem Auftreffweg des empfangenen Lichtes reflektieren. Diese Erscheinung ist durch die Doppelrichtungs pfeile neben den Lichtstrahlen 34, 36 a, 38 und 38 a angedeutet. Daher detektiert eine Detektoreinrichtung, die in dem opti schen Transmitter/Empfängermodul gebildet wird, jedes Hin dernis 28, 30 und 32 längs den Wegen von wenigstens zwei gesonderten Lichtstrahlen 34, 36 und 38. Die Detektorein richtung bestimmt die Stelle der Gegenstände durch das Vor handensein oder das Fehlen des Rückstrahls des Lichts auf jedem der Wege längs denen der Lichtstrahl gelenkt wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3A der Zeichnung ist eine perspektivische Ansicht einer speziellen Auslegungsform ei nes optischen Transmitter/Empfängermoduls 26 gezeigt, in dem eine stationäre Lichtemissionseinrichtung 40, eine Trans mitter- oder Konzentratorlinse 42, eine Lichtrücklenkein richtung 44, eine Empfängerlinse 46 und eine Detektorein richtung 48 untergebracht sind. Der Modul 26 enthält einen Hauptkörperteil 50, an dem die Empfängerlinse 46 und die Detektoreinrichtung 48 angebracht sind. Der Vorderteil des Körperteils 50 hat eine unter einem Winkel angeordnete Ober fläche 52 zur Befestigung der Rücklenkeinrichtung 44. Der Modul 26 enthält auch ein ebenes Plattenelement 54, das eine darin ausgebildete Öffnung 56 hat, um die Lichtemissionsein richtung 40 und die Transmitterlinse 42 über der Lichtrück lenkeinrichtung 44 zu halten.

Wie sich am besten aus Fig. 3A entnehmen läßt, wird die lichtemittierende Einrichtung 40 verwendet, um Strahlungs energie oder Licht in den Modul 26 einzubringen und über der Zielzone 14 zu verteilen. Während die Emissionseinrich tung 40 von einer Glühlampe gebildet werden kann, weist sie gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung eine Leuchtdiode (LED) auf. Alternativ kann die Emissions einrichtung von einer Laserdiode gegebenenfalls gebildet wer den. Die Lichtstrahlen von LED 40 werden vorzugsweise zuerst von einem Vorderteil 58 empfangen, das einteilig mit LED aus gebildet ist, wobei die Lichtstrahlen durch im allgemeinen divergierende Linien 60 angedeutet sind, die hiervon ausgehen. Die Transmitterlinse 42 wird auch manchmal als eine Konzen tratorlinse bezeichnet und dient zur Fokussierung der Licht strahlen 60 auf einen vorbestimmten Bereich auf der Lichtrück lenkeinrichtung 44, was nachstehend noch näher erläutert wird. Die Lichtrücklenkeinrichtung 44 lenkt die Lichtstrah len, wie dies mit der Bezugsziffer 62 bezeichnet ist, in ei ner ersten Richtung längs eines primären Strahlengangs 64 zu rück, im allgemeinen in konvergierender Form in Richtung auf die Zielzone 14. Im Hinblick auf die Funktion der Retrore flektoren 18 und 20 verläuft der Rückstrahl im wesentlichen längs derselben Linie 62. Die Empfängerlinse 46 hat eine spezielle Auslegung und hat etwa eine Brennweite von 3 mm. Die Empfängerlinse wird verwendet, um die Rückstrahlen zu fokussieren, um zu bewirken, daß diese in einer zweiten Rich tung entgegen der ersten Richtung längs dem primären Strahlen gang 64 in Richtung der Detektoreinrichtung 48 konvergierend verlaufen. Es ist noch zu erwähnen, daß die Detektoreinrich tung 48 hinter der Empfängerlinse 46 und einer Öffnung 47 angeordnet ist, die zu dem Primärstrahlengang 64 fluchtet.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung weist die Lichtrücklenkeinrichtung einen geteilten Spiegel 44 auf, der von einem im wesentlichen ebenen ersten oder oberen Teil 66 a und einem im wesentlichen ebenen zweiten oder boden seitigen Teil 66 b gebildet wird, der einen Abstand von dem ersten Teil hat und einen Spalt oder eine Öffnung 68 da zwischen bildet. Jedes der ersten und zweiten Spiegelteile hat eine im wesentlichen ebene reflektierende Fläche 67, die unter einem Winkel von 45° derart angeordnet ist, daß der Strahl von der Emissionseinrichtung 40 längs des Pri märstrahlengangs 64 im wesentlichen rechtwinklig zurückge lenkt wird. Auch ist noch zu erwähnen, daß die Öffnung 68 zwischen dem ersten und zweiten Teil des geteilten Spiegels divergieren, ausgehend von ihrem linken Ende zu ihrem rechten Ende verläuft (Fig. 2). Diese Spiegelteile 66 a und 66 b lie gen zweckmäßigerweise derart, daß selektiv die Intensität des Rückstrahllichtes gesteuert wird, das auf den verschiede nen Teilen der Detektoreinrichtung 48 empfangen wird. Dieser Spalt 68 ist in einer Ebene relativ schmal bemessen, um hierdurch den Schärfentiefenbereich zu maximieren, den man durch die Empfängerlinse 46 erhält, und ihre beträchtlich größeren Abmessungen der anderen Ebene, um die Nettostrahlungs energie zu optimieren oder maximieren, die durch diesen gehen kann.

Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung, die in Fig. 3B gezeigt ist, weist die Licht rücklenkeinrichtung einen anteiligen Spiegel auf, der nur von dem im wesentlichen oberen Teil 66 a nach Fig. 3A gebildet wird. In anderen Worten bedeutet dies, daß der Bodenteil 66 b des geteilten Spiegels 44 weggelassen wird. Abgesehen von diesem konstruktiven Unterschied sind die optischen Transmit ter/Empfängermodule nach den Fig. 3A und 3B auf identische Weise ausgelegt und arbeiten in übereinstimmender Weise.

Wie am besten aus Fig. 3A zu ersehen ist, sind die Spiegel teile 66 a und 66 b im wesentlichen zentrisch zur Öffnung 68 angeordnet, so daß sie senkrecht zum Krümmungsmittelpunkt des Innenradius der Transmitterlinse 42 und der Empfänger linse 46 sind. In anderen Worten bedeutet dies, daß die bei den Mittellinien der Transmitterlinse und der Empfängerlinse sich in einer Ebene auf der Oberfläche des geteilten Spie gels schneiden müssen. Ferner sind die Ränder der Spiegel teile 66 a und 66 b angrenzend an die Öffnung 68 um etwa 50° abgeschränkt, um die von LED 40 übertragene Lichtmenge zu re duzieren, die direkt durch die Spiegelteile geht. Auch wer den hierdurch nachteilige reflektierte Streustrahlen von der Zielzone 14 hinsichtlich des Empfangs durch die Detektorein richtung 48 reduziert, wodurch ein Fehlereinfluß beim Ar beiten der Vorrichtung verursacht werden könnte.

Gemäß einer äußerst zweckmäßigen Ausgestaltungsform ist die Transmitterlinse 42 derart gewählt und angeordnet, daß eine Konvergenz der von LED 40 ausgegebenen Strahlen auf dem ge teilten Spiegel 44 in einem Bereich 69 bewirkt wird, der un mittelbar den Spalt 68 umgibt. Daher fällt der Ort, an dem die Strahlen durch die Detektoreinrichtung 48 detektiert wer den, im wesentlichen mit der scheinbaren Quelle dieser emit tierten Strahlen an den Oberflächen des geteilten Spiegels 44 zusammen. In diesem Zusammenhang ist unter Bezugnahme eben falls auf Fig. 3A zu ersehen, daß dieser Bereich 69 im we sentlichen den Spalt 68 umgibt. Insbesondere erstreckt sich der Spalt 68 durch die reflektierenden Oberflächen 67 (die von der Detektoreinrichtung wegweisen) des geteilten Spie gels und er ist im wesentlichen zentrisch bezüglich der Detektoreinrichtung 48 und dem Primärstrahlengang 64 ange ordnet.

Gemäß einem weiteren Merkmal der dargestellten bevorzugten Ausbildungsform weist die Detektoreinrichtung 48 vorzugs weise einen linearen CCD (ladungsgekoppelte Einrichtung) Bildsensor 70 auf, der ähnlich jenem ist, der von Toshiba im Handel erhältlich ist und mit der Teilenummer TCD104C be zeichnet ist. Der Bildsensor 70 enthält eine Gruppe von 128 linear angeordneten optischen Sensorelementen, die Lichtpho tonen aufnehmen und elektronische Ladungspakete erzeugen, die proportional zur Intensität des Rückstrahls sind. Der Bild sensor 70 ist nahe hinter der Empfängerlinse 46 und der Öff nung 47 angeordnet und er fluchtet auch direkt zu dem Primär strahlengang. Daher werden die Rückstrahlen von der Zielzone 14, die in die zweite oder Gegenrichtung des Primärstrahlengan ges gehen, durch die Öffnung 68 zwischen den Spiegelteilen, die Empfängerlinse 46 und die Öffnung 47 auf den Bildsensor 70 gelenkt.

Jede der 128 optischen Sensorelemente wird in aufeinanderfol gender Reihenfolge mit einer gewünschten Geschwindigkeit durch Impulse gesteuert, um die Zielzone 14 im Hinblick auf das Vorhandensein des rücklaufenden Lichtstrahles abzutasten und ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von dem Vorhandensein derartigen Lichtes zu erzeugen. Eine Wellenform 72 eines elektrischen Signales ist in Fig. 6 entsprechend dem optischen Muster dargestellt, wenn keines der Sensorelemente durch ein Hindernis blockiert ist (ein berührungsloses Muster, wenn der Schirm nicht berührt worden ist). Wie gezeigt, stellt die Wellenform 72 den Spannungspegel (Intensität des Rückstrahls) relativ zu den 128 Sensorelementen entsprechend 90° der Ziel zone 14. Wenn eines oder mehrere der Sensorelemente durch ein Hindernis (ein Berührungsmuster) blockiert sind, nehmen die Spannungspegel ab, so daß die Erscheinung von zwei Knoten A und B bewirkt wird. Der erste Knoten A liegt unter dem Pri märwinkel und wird direkt durch den Lichtstrahl bewirkt, der auf das Hindernis trifft (wie der Strahl 34, der auf das Hin dernis 28 in Fig. 1 trifft). Der zweite Knoten B liegt unter dem Sekundärwinkel und wird durch einen reflektierten Licht strahl erzeugt, der auf das Hindernis trifft (wie der Strahl 36 a, der auf das Hindernis 28 in Fig. 1 trifft).

Ein Blockdiagramm der externen elektronischen Schaltung 74 zur Verarbeitung des elektrischen Signales, das von dem Bildsen sor 70 erzeugt wird, um die Position der Hindernisse zu er mitteln, ist in Fig. 4 dargestellt. Die elektronische Schal tung 44 umfaßt eine CCD-Schnittstellenschaltung 76, deren Eingang mit dem Ausgang des Bildsensors 70 verbunden ist. Die Schnittstellenschaltung 76 erzeugt an ihrem Ausgang das elektrische Signal, deren Wellenform in Fig. 6 gezeigt ist, wobei analoge Prüfsignale für jede Abtastung von jedem der 128 Sensorelemente abgegeben wird. Dieses analoge elektrische Signal wird einem Analog/Digital-(A/D-)Wandler 78 zugeleitet, der dasselbe in digitale Signale zur Verwendung in einem Mikroprozessor 80 umwandelt.

Bevor der Berührungsschirm aktiviert wird (kein Hindernis berührt den Schirm) wird jedes der 128 Sensorelemente zu Be ginn abgetastet, um das elektrische Signal oder die Wellen form 72 nach Fig. 6 zu erzeugen. Dieses Signal wird durch die Schnittstellenschaltung 76 verstärkt, durch den A/D-Wandler 78 digitalisiert und in einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 82 zur späteren Bezugnahme über eine Verriegelungs schaltung 84 unter der Steuerung des Mikroprozessors 80 einge speichert. Wenn die digitalisierten Daten vom RAM 82 abge rufen und mit den entsprechenden Prüfsignalen von den ab schließenden Abtastungen verglichen werden, wird durch jeg lichen Unterschied zwischen der Anfangsabtastung und einer der späteren Abtastungen ein Hindernis an einigen der Sensor elemente durch das Erscheinen der beiden Knoten in der Wel lenform 72 angezeigt. (Beispielsweise die Knoten A und B in Fig. 6.) Diese Knoten zeigen eine Winkelverschiebung von einer Bezugsgröße eines Hindernisses an, das sich in der Ziel zone befindet. Unter Verwendung der Lage dieser beiden Kno ten (Primär- und Sekundärwinkel) nutzt der Mikroprozessor 80 ein abgespeichertes Programm zur Ermittlung der horizontalen und vertikalen Koordinaten auf dem Schirm, an dem das Hin dernis auftritt, und zwar unter Verwendung der Triangulations technik. Diese Information wird zu einem Primärrechner (nicht gezeigt) über die Eingabe/Ausgabepufferschaltungen 86 a, 86 b und 86 c übertragen.

Während die Vielzahl von Blöcken der Schnittstellenschaltung 76, der LED Treiberschaltung 77, des A/D-Wandlers 78, des Mikroprozessors 80, des Taktgebers 81, von RAM 82, der Ver riegelungsschaltung 84 und der Eingabe/Ausgabepufferschal tungen 86-86 c auf die verschiedenste Weise ausgestaltet werden können, sind in den Fig. 5A und 5B entsprechende Schaltungen dargestellt, die sich diesen Figuren entnehmen lassen, wenn sie zusammengelegt werden. Diese detaillierte schematische Schaltungsplan ist aus sich heraus für den Fach mann unter Berücksichtigung der vorangehenden Ausführungen verständlich und daher kann eine eingehende Erläuterung der Arbeitsweise der jeweiligen Blöcke entfallen.

Zur Vervollständigung der Offenbarung nach der Erfindung, aber nicht zum Zwecke der Beschränkung, werden nachstehend Komponentenidentifizierungen der integrierten Schaltungen an gegeben, die in den Fig. 5A und 5B gezeigt sind. Der Fach mann wird erkennen, daß alternative Bauteile und Werte zu den dargestellten und beschriebenen verwendet werden können, wenn die Schaltung nach der Erfindung ausgelegt werden soll.

TeilArt

IC 1 aRegler, 78L12IC 1 bRegler, 7805IC 2Op Amp. TL082IC 3A/D-Wandler, ADC0820IC 4up, P8749HIC 5Verriegelung, 74LS373IC 6RAM, HM6116P4IC 7Einkreis, 74LS123IC 8 A-8 DUND-Verknüpfungsglied, 74LS08IC 9 A-9 EInverter, 74LS04IC 10, IC 11Taktgebertreiber, DS0026CN

Aus der vorstehenden Beschreibung läßt sich ersehen, daß die vorliegende Erfindung eine optische Positionsbestimmungsvor richtung angibt, die vollständig aus Festkörperbauteilen besteht und die eine hohe Schwingungsfestigkeit hat. Die optische Positionsbestimmungsvorrichtung umfaßt eine Detektor einrichtung, die von einem linearen CCD Bildsensor gebildet wird, der eine Mehrzahl von Sensorelementen hat. Die Sensor elemente werden in aufeinanderfolgender Reihenfolge pulsie rend betrieben, um die Zielzone im Hinblick auf das Vorhan densein der reflektierten Strahlungsenergie und zur Erzeugung eines elektrischen Signales in Abhängigkeit von dem Vorhan densein einer derartigen reflektierten Strahlungsenergie abzutasten. Ferner ist eine verbesserte Lichtrücklenkeinrich tung vorgesehen, die von einem geteilten Spiegel gebildet wird, der einen im wesentlichen ebenen ersten Teil und einen im wesentlichen zweiten Teil hat, der einen Abstand von dem ersten Teil hat und der einen Spalt dazwischen bildet.

Obgleich vorangehend das Wesen einer bevorzugten Ausbildungs form nach der Erfindung erläutert worden ist, sind selbst verständlich zahlreiche Änderungen und Modifikationen möglich und Elemente hiervon können durch Äquivalente ersetzt wer den, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen gemacht werden, um eine Anpassung an spezielle Situationen oder Materialien zu erreichen, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Daher ist die Erfindung nicht auf das speziell erläuterte und dargestellte Ausfüh rungsbeispiel beschränkt, sondern hierbei handelt es sich nur um eine spezielle Art zur Verwirklichung der Erfindung.

Zusammenfassend gibt die Erfindung eine optische Positions bestimmungsvorrichtung zum Detektieren der Strahlungsenergie an, die von einer Zielzone reflektiert wird, welche eine Emissionseinrichtung zur Erzeugung und Emission einer Strah lungsenergie, eine Einrichtung zur Rücklenkung der Strahlungs energie über die Zielzone hinweg, eine reflektierende Ein richtung zum Reflektieren der Strahlungsenergie von der Zielzone zurück und eine Detektoreinrichtung enthält, um das Vorhandensein der Strahlungsenergie zu erfassen, die von der Zielzone reflektiert wird. Die Emissionseinrichtung ist stationär und gibt einen Strahl einer Strahlungsenergie in Richtung auf die Rücklenkeinrichtung ab, die die Strah lungsenergie längs eines Primärstrahlenganges zurücklenkt. Die Rücklenkeinrichtung ist ebenfalls derart ausgestaltet, daß ein Rückstrahl des Lichts von der Zielzone auf die De tektoreinrichtung auftreffen kann, die bezüglich der Verlauf richtung des Rückstrahlers hinter diesem liegt. Die De tektoreinrichtung umfaßt einen CCD (ladungsgekoppelte Ein richtung), linearen Sensor, der von einer Mehrzahl von Sen sorelementen gebildet wird. Die Sensorelemente werden in einer aufeinanderfolgenden Reihenfolge pulsiert, um die Zielzone im Hinblick auf das Vorhandensein der reflektierten Strahlungsenergie abzutasten und ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von dem Vorhandensein einer derartigen re flektierten Strahlungsenergie zu erzeugen.

Claims

1. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung zum De tektieren der Strahlungsenergie, die von einer Zielzone re flektiert wird, gekennzeichnet durch:
eine Emissionseinrichtung (40) zur Erzeugung und Abgabe von Strahlungsenergie,
eine Einrichtung (44) zum Rücklenken der Strahlungs energie über die Zielzone (14) hinweg,
eine Einrichtung (16) zum Reflektieren der Strahlungs energie von der Zielzone (14) zurück, und
eine Detektoreinrichtung (48), die das Vorhandensein der Strahlungsenergie ermittelt,
wobei die Emissionseinrichtung (40) stationär ist und einen Strahl einer Strahlungsenergie in Richtung auf die Rücklenkeinrichtung (44) abgibt, um von dieser längs eines primären Strahlengangs (64) in einer ersten Richtung auf die Zielzone (14) gelenkt zu werden,
wobei die Detektoreinrichtung (48) längs des Pri märstrahlenganges (64) angeordnet ist, um die Strahlungs energie zu detektieren, die von der Zielzone (14) längs des Primärstrahlenganges (64) in einer zweiten Richtung zurückreflektiert wird, die im wesentlichen zur ersten Richtung gegensinnig ist,
wobei die Rücklenkeinrichtung (44) derart ausge staltet ist, daß wenigstens ein Teil eines auftreffenden Strahles, der in die zweite Richtung längs des primären Strahlenganges (64) geht, zur Detektion durch die Detektor einrichtung (48) durchgelassen wird, und
wobei die Detektoreinrichtung (48) einen linearen CCD (ladungsgekoppelte Einrichtung) Bildsensor (70) ent hält, der von einer Mehrzahl von Sensorelementen gebildet wird, wobei die Sensorelemente in aufeinanderfolgender Reihenfolge pulsierend betrieben werden, um die Zielzone (14) im Hinblick auf das Vorhandensein der reflektierten Strahlungsenergie abzutasten und ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von dem Vorhandensein der reflektierten Strah lungsenergie zu erzeugen.

2. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine elek tronische Verarbeitungsschaltungseinrichtung aufweist, die mit dem linearen Bildsensor (70) verbunden ist, um das elektrische Signal zu verarbeiten, wobei die elektronische Verarbeitungsschaltungseinrichtung eine Schnittstellen schaltungseinrichtung (76) enthält, um Winkelverschiebungen von einer Bezugsgröße anzuzeigen, so daß, wenn ein Hinder nis sich in der Zielzone (14) befindet, ein erster Knoten (A) mit einem Sekundärwinkel und ein zweiter Knoten (B) mit einem Primärwinkel im elektrischen Signal auftreten.

3. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Verarbeitungsschaltungseinrichtung ferner eine Mikropro zessoreinrichtung (80) enthält, um die vertikalen und ho rizontalen Koordinaten des Hindernisses, basierend auf den primären und sekundären Winkeln zu ermitteln.

4. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklenkeinrich tung einen geteilten Spiegel (44) aufweist, der von einem ersten Teil (66 a) und einem zweiten Teil (66 b) gebildet wird, der einen Abstand von dem ersten Teil (66 a) hat und dazwischen ein Spalt (68) gebildet wird, daß jeder der er sten und zweiten Teile (66 a, 66 b) eine im wesentlichen ebene reflektierende Fläche hat, die von dem linearen Bild sensor (70) wegweist, und daß der Spalt (68) durch die reflektierenden Flächen geht und im wesentlichen zentriert bezüglich des linearen Bildsensors (70) und des Primär strahlengangs (64) angeordnet ist.

5. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (68) zwischen den ersten und zweiten Spiegelteilen (66 a, 66 b) von dem einen Ende zum anderen Ende divergierend verläuft.

6. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelteile (66 a, 66 b) Ränder der Öffnung (68) benachbart haben, die unter einem Winkel von etwa 50° abgeschrägt sind, um die von der Emis sionseinrichtung (40) übertragene Lichtmenge zu reduzieren, die direkt durch die Spiegelteile gehen kann.

7. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionseinrichtung (40) eine Leuchtdiode aufweist.

8. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Trans mitterlinse (42) aufweist, die zwischen der Emissionsein richtung (40) und dem geteilten Spiegel (44) angeordnet ist, um den Strahl der Strahlungsenergie, der von der Emis sionseinrichtung (40) erzeugt wird, auf einen Bereich der Spiegelteile (66 a, 66 b) zu fokussieren, der im wesent lichen den darin befindlichen Spalt (68) umgibt.

9. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Empfänger linse (46) zwischen dem geteilten Spiegel (44) und dem linearen Bildsensor (70) angeordnet ist, um die reflektierte Strahlungsenergie von der Zielzone (14), die durch den Spalt (68) empfangen wird, auf den linearen Bildsensor (70) zu fokussieren.

10. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen der ersten und zweiten Spiegelteile (66 a, 66 b) angeordnet sind, um den Strahl der Strahlungsenergie von der Emissionseinrichtung (40) im wesentlichen unter einem rech ten Winkel zurückzulenken, wobei die Emissionseinrichtung (40) oberhalb des Primärstrahlenganges (64) angeordnet ist.

11. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung zum De tektieren der Strahlungsenergie, die von einer Zielzone reflektiert wird, gekennzeichnet durch:
eine Emissionseinrichtung (40) zur Erzeugung und zur Abgabe von Strahlungsenergie,
eine Einrichtung (44) zum Rücklenken der Strahlungs energie über die Zielzone (14) hinweg,
eine Einrichtung (16) zum Reflektieren der Strah lungsenergie von der Zielzone (14) zurück, und
eine Detektoreinrichtung (48) zum Ermitteln des Vorhandenseins der Strahlungsenergie und zur Erzeugung eines elektrischen Signals in Abhängigkeit hiervon,
wobei die Emissionseinrichtung (40) stationär ist und einen Strahl von Strahlungsenergie in Richtung auf die Rücklenkeinrichtung (44) emittiert, um von dieser längs eines Primärstrahlenganges (64) in einer ersten Richtung zu der Zielzone (14) gelenkt zu werden,
wobei die Detektoreinrichtung (48) längs des Primär strahlenganges (64) angeordnet ist, um die Strahlungsenergie zu detektieren, die von der Zielzone (14) längs des Primär strahlenganges (64) in einer zweiten Richtung zurückreflek tiert wird, die im wesentlichen gegensinnig zur ersten Rich tung ist,
wobei die Rücklenkeinrichtung (44) derart ausgelegt ist, daß wenigstens ein Teil eines auftreffenden Strahles, der in die zweite Richtung des Primärstrahlenganges (64) geht, durch diese zur Detektion durch die Detektoreinrich tung (48) gehen kann, und
wobei die Rücklenkeinrichtung einen geteilten Spie gel (44) enthält, der von einem ersten Teil (66 a) und einen zweiten Teil (66 b) gebildet wird, der einen Abstand von dem ersten Teil (66 a) hat und dazwischen ein Spalt (68) gebildet wird, wobei jeder der ersten und zweiten Teile (66 a, 66 b) eine im wesentlichen ebene reflektierende Fläche hat, die von der Detektoreinrichtung (48) wegweist, und wobei der Spalt (68) durch die reflektierenden Flächen verläuft und im wesentlichen zentriert bezüglich der Detektorein richtung (48) und des Primärstrahlenganges (64) angeordnet ist.

12. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen den ersten und zweiten Spiegelteilen (66 a, 66 b) von einem Ende zum anderen Ende divergierend verläuft.

13. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelteile (66 a, 66 b) der Öffnung (68) benachbarte Ränder haben, die unter einem Winkel von etwa 50° abgeschrägt sind, um die von der Emissionseinrichtung (40) übertragene Lichtmenge zu reduzieren, die direkt durch die Spiegelteile (66 a, 66 b) gehen kann.

14. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen der ersten und zweiten Spiegelteile (66 a, 66 b) der art angeordnet sind, daß der Strahl der Strahlungsenergie von der Emissionseinrichtung (40) im wesentlichen unter einem rechten Winkel zurückgelenkt wird, wobei die Emissions einrichtung (40) oberhalb des Primärstrahlenganges (64) liegt.

15. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine elektronische Verarbeitungsschaltungseinrichtung aufweist, die mit der Detektoreinrichtung (48) verbunden ist, um das elektrische Signal zu verarbeiten, und daß die elek tronische Verarbeitungsschaltungseinrichtung Schnittstel lenschaltungseinrichtungen (76) enthält, um Winkelverschie bungen von einer Bezugsgröße anzuzeigen, so daß, wenn ein Hindernis sich in der Zielzone (14) befindet, ein erster Knoten (A) mit einem Sekundärwinkel und ein zweiter Knoten (B) mit einem Primärwinkel im elektrischen Signal er scheinen.

16. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Verarbeitungsschaltungseinrichtung ferner eine Mikropro zessoreinrichtung (80) enthält, um die vertikalen und ho rizontalen Koordinaten des Hindernisses, basierend auf den primären und sekundären Winkeln zu ermitteln.

17. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung zum De tektieren der Strahlungsenergie, die von einer Zielzone reflektiert wird, gekennzeichnet durch:
eine Emissionseinrichtung (40) zur Erzeugung und zur Abgabe von Strahlungsenergie,
eine Einrichtung (44) zum Rücklenken der Strahlungs energie über die Zielzone (14) hinweg,
eine Einrichtung (16) zum Reflektieren der Strah lungsenergie von der Zielzone (14) zurück, und
eine Detektoreinrichtung (48) zum Erfassen des Vorhandenseins der Strahlungsenergie und zur Erzeugung eines elektrischen Signales in Abhängigkeit hiervon,
wobei die Emissionseinrichtung (40) stationär ist und einen Strahl von Strahlungsenergie in Richtung auf die Rücklenkeinrichtung (44) ermittiert, um von dieser längs eines Primärstrahlenganges (64) in einer ersten Rich tung zur Zielzone (14) gelenkt zu werden,
wobei die Detektoreinrichtung (48) längs des Primär strahlenganges (64) angeordnet ist, um die Strahlungsener gie zu detektieren, die von der Zielzone (14) längs des Primärstrahlenganges (64) in einer zweiten Richtung zurück reflektiert wird, die im wesentlichen gegensinnig zur er sten Richtung ist,
wobei die Rücklenkeinrichtung (44) derart gestaltet ist, daß wenigstens ein Teil eines auftreffenden Strahles, der in die zweite Richtung längs des Primärstrahlenganges (64) geht, zur Detektion durch die Detektoreinrichtung (48) durchgelassen wird, und
die Rücklenkeinrichtung (44) einen einteiligen Spiegel enthält.

18. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine elektronische Verarbeitungsschaltungseinrichtung aufweist, die mit der Detektoreinrichtung (48) verbunden ist, um das elektrische Signal zu verarbeiten, und die elektronische Ver arbeitungsschaltungseinrichtung eine Schnittstellenschal tungseinrichtung (76) enthält, um Winkelverschiebungen von einer Bezugsgröße anzuzeigen, so daß, wenn ein Hindernis sich in der Zielzone (14) befindet, ein erster Knoten (A) mit einem Sekundärwinkel und ein zweiter Knoten (B) mit einem Primärwinkel im elektrischen Signal erscheinen.

19. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Verarbeitungsschaltungseinrichtung ferner eine Mikropro zessoreinrichtung (80) enthält, um die vertikalen und ho rizontalen Koordinaten des Hindernisses, basierend auf den primären und sekundären Winkeln zu ermitteln.

20. Optische Positionsbestimmungsvorrichtung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklenkein richtung (44) einen einteiligen Spiegel aufweist.