CN104364740A - 用于辨识激光指示器的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实现一种用于辨识至少一个激光指示器(4)的设备，所述设备具有：具有扫描镜装置(5)的激光投影仪(3)，借助于所述扫描镜装置能够周期性地扫描投影面(2)；用于所述至少一个激光指示器(4)的激光束的调制装置(10)；和在所述激光投影仪(3)中设置的用于识别所述至少一个激光指示器(4)的经调制的激光束的识别装置(20)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于辨识至少一个激光指示器的设备。此外，本发明涉及一种用于辨识至少一个激光指示器的方法。
背景技术
不具有以下光学器件的激光投影仪是已知的：所述光学器件具有扫描投影面的微镜单元(英语：Scanning Mirror Laser Projector)。此外，还已知光指示装置，例如激光教鞭，其例如用于将听众的注意力引导到演示的确定的内容上。
在现有技术中还已知各种媒体多址接入方法。
文献EP 1 087 327A2公开了一种交互式演示控制***，其中演讲者通过借助于由激光教鞭发射的激光束将事先确定的空间图案投影到投影面上来控制演示。所述事先确定的空间图案被检测并且通过控制***解读，该控制***紧接着输出显示命令到投影仪上。
发明内容
根据第一方面，借助本发明提供一种用于辨识至少一个激光指示器的设备，所述设备具有：
具有扫描镜装置的激光投影仪，借助于所述扫描镜装置能够周期性地扫描投影面；
用于所述至少一个激光指示器的激光束的调制装置；和
在所述激光投影仪中设置的用于识别所述至少一个激光指示器的经调制的激光束的识别装置。
根据另一方面，借助本发明提供一种用于辨识至少一个激光指示器的方法，所述方法具有以下步骤：
借助于所述激光指示器(4)发射激光束到投影面(2)上，其中，借助于调制装置(10)调制所述激光束；
借助于激光投影仪(3)的识别装置(20)扫描所述投影面(2)；以及
借助于经调制的激光束辨识所述激光指示器(4)。
所述设备和方法的优选实施方式是从属权利要求的主题。
发明优点
本发明的优点在于，借助本发明可能的是，辨识和定位一个或多个激光指示器在投影面上的激光点。由此，激光指示器可以有利地例如承担鼠标指示器的功能，以便选择激光投影仪的操作菜单或应用程序的菜单点，它们借助于激光投影仪投影。有利地可以基本上实时地执行所述控制。
本发明的一个优选实施方式设置，调制装置设置用于控制借助于激光指示器发出的激光束的光强度。由此有利地借助于经调制的激光束提供关于激光指示器的经编码的信息，所述信息能够借助于已知的技术解码。
本发明的一个优选实施方式设置，借助于调制装置能够实施多址接入方法，尤其是能够生成CDMA码。由此有利地将经证明的编码方法用于激光指示器的激光束的调制或编码。
本发明的一个优选实施方式设置，激光指示器具有至少一个功能，其中，对于每个功能设有一个CDMA码生成器。由此有利地通过不同码实现了激光指示器的安全的功能多样性。
所述设备的优选实施方式设置，激光指示器具有用于选择所述功能的开关，其中，开关构造为机械开关或者构造为运动传感器。由此可以通过不同方式调节或选择激光指示器的功能。
本发明的一种优选实施方式设置，沿激光投影仪的接收方向设有光电二极管，其中，由投影面反射的光耦合输入到光电二极管中。有利地通过这种方式应用并且在技术上实现激光的物理波传播原理用于辨识激光指示器。
本发明的一种优选实施方式设置，识别装置还具有相关装置，借助于所述相关装置能够将二进制数据与CDMA码进行相关。由此将相关的经证明的技术原理用于安全地辨识或定位激光指示器。
本发明的一种优选实施方式设置，所述相关装置具有多个耙状设置的相关器，其中，每个相关器设置用于一个CDMA码。借助于瑞克接收器有利地支持数据的快速并行的相关。
所述设备的一种优选实施方式的突出之处在于，相关器中的每一个长于所使用的CDMA码中的每一个。由此可以基于相关器的长度有利地省去CDMA码之间的同步，因为实现了CDMA码的完整的周期性的移动。
本发明的一种优选实施方式设置，由相关装置输出的数据借助于位置识别装置与扫描镜装置的位置数据关联。由此可以有利地获得用于激光指示器在投影面上的光点的位置的明确的位置数据。
所述设备的一个有利的扩展方案设置，识别装置还具有用于至少一个激光指示器的位置估计装置，其中，借助于位置估计装置估计位置识别装置的位置数据的中心。通过这种方式可以有利地实施用于激光指示器的光点的位置识别的优化或完善。
所述设备的一个优选实施方式设置，激光指示器发射具有不同波长的激光。由此为了进行位置识别例如可以更强地发射对于人眼不危险的激光，由此可以更准确并且更可靠地实施激光指示器的位置识别。
所述设备的一个优选实施方式设置，运算装置与激光投影仪连接，其中，由运算装置执行的应用程序能够借助于激光指示器控制。因此，有利地可以将激光指示器用于控制运算装置的应用程序，而不需要在激光指示器与运算装置之间的线缆连接。
随后根据各实施方式参考附图阐明本发明的另外的特征和优点。在此所有所描述的或所示出的特征自身或以任意组合形成本发明的主题，而与其在权利要求中的总结或其引用关系无关，以及与其在说明书或附图中的表达或表示无关。附图首先旨在阐明本发明重要的原理。在附图中，相同的参考标记表示相同或功能相同的元件。
附图说明
其中：
图1：根据本发明的设备的一种实施方式的原理配置；
图2：经定向的光学接收器的原理图；
图3：具有多个激光指示器的布置的原理图；
图4：根据本发明的激光指示器的调制装置的原理框图；
图5：用于产生根据本发明使用的码的装置的原理图；
图6：根据本发明的识别装置的原理框图；
图7：具有多个相关器的相关装置的原理框图；
图8：单个相关器的原理结构；以及
图9：位置识别装置的和位置估计装置的作用方式的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的设备的一种实施方式的原理上的总配置。
运算装置1(例如计算机、笔记本、移动电话、智能电话等)可以连接到激光投影仪3上。激光投影仪3构造为所谓的“扫描镜激光投影仪”并且包括扫描镜装置5，该扫描镜装置能够将图像(例如由运算装置1执行的应用程序)投影到投影面2上。激光投影仪3通过扫描镜装置5的可运动的振荡运动将进行成像的激光束偏转到投影面2上并且周期性地扫描该投影面。由此总是成像仅仅一个单个的光点，其中，通过高的成像速度在观测者这里生成完整图像的印象。投影面2上的图像包括可交互的内容8(例如程序窗、操作元件、菜单等)。
一个或多个激光指示器4发射直线激光束到投影面2上，由此在激光束在投影面2上的碰撞点中形成光点P。出于安全原因(激光保护级别)在其输出功率方面限制激光指示器4。从光点P将光作为经反射的、经衰减的散射光以半球形的波(未示出)反射到激光投影仪3。经反射的散射光耦合输入到激光投影仪3的光程中。
激光指示器4可以具有多个开关7，借助所述多个开关可以控制激光指示器4的功能(例如指示功能，按键1、按键2等)。开关7可以完全或部分地构造为运动传感器，其中，可以通过按键7的按压或通过激光指示器4的适当运动来控制功能。
对于在激光指示器4与激光投影仪3或运算装置1之间的交互需要的是，知道在投影面2上的由激光指示器4产生的光点P的位置。然后才能在激光指示器4的经激活的不同功能之间和/或在多个激光指示器4之间进行区分。
出于该目的本发明提出，通过应用多址访问方法(例如CDMA，英语：码分多址)使得在投影面2上可辨识激光指示器4的光束并且确定其位置。借助于根据本发明的方法有利地可能的是，识别并且进一步处理由所应用的激光指示器4输出的命令。
本发明具有在激光指示器4中、在激光投影仪3中并且可选择地在所连接的运算装置1中的构件/程序组件。例如可以通过这种方式和方法打开或关闭应用程序、移动窗口、控制运行***和应用程序和/或创建应用程序中的内容，等。
图2示意地示出了具有可运动的扫描镜装置5和光电二极管6的激光投影仪3的细节。扫描镜装置5优选构造为微机械(MEMS)镜单元。光电二极管6设置在激光投影仪3的接收光程中。投影面2的经扫描的区域的光程耦合输入到激光投影仪3中并且成像在光电二极管6上。
因此，沿与投影相反的方向激光投影仪3通过光电二极管6作为经定向的光学接收器工作。该光学接收器的方向特性如此形成，使得总是投影面2的仅仅一个小的部分成像到光电二极管6上。光学通信连接在本发明的***结构中包括激光指示器4作为发送器并且包括激光投影仪3作为接收器。
所使用的激光投影仪3的方向特性(位置分辨率、位置灵敏度)沿接收方向相比于沿投影方向更弱地形成，由此位置分辨率沿接收方向相对于投影方向更小地构造。
该***特性在***设计中需要激光指示器4的大小(也就是光强)与***的辨识能力的折衷。如果由激光指示器4发出的激光束在直径方面太小，则不能够完整扫描在其中编码的CDMA码，因为在光点P之上的扫描时间不足够。否则如果由激光指示器4发出的激光束在直径方面太大，则位置分辨率并且因此辨识的精度降低。如果激光指示器4的强度太小，则还可能发生的是，接收器的灵敏度不再足以探测CDMA码。
因此根据本发明，该***在考虑上述方面的情况下如此设计，使得不仅激光指示器4的激光束的高的位置分辨率而且足够的光强可用。在一个变型中可以对于激光指示器4的激光束应用两个不同的波长。第一波长(例如红色的激光)在此用于光学显示，其对于用户实现了良好可识别地显示光点P。第二波长(例如红外激光)产生更大的(不可见的)光点，其用于辨识激光指示器4。
图3示出具有多个激光指示器4的布置的框图。激光指示器4的激光的光传播路径9标在虚线内。光传播路径9示意性地示为衰减和叠加。在光传播路径9内激光指示器4的激光束经历衰减。根据本发明的识别装置20——其根据图6还将进一步阐明——除了扫描镜装置5和光电二极管6之外还包括模拟和数字接收电子设备(未示出)。作为识别装置20的输出信号，激光指示器4的位置数据输出到随后的信号处理，用于进一步使用。
图4示出激光指示器4的调制装置10的原理结构的电路框图。调制装置10包括CDMA码生成器50，其可以基于通过开关7的选择生成多个码54。待生成的码54的选择通过具有特定的操作特性(例如单击、双击等)的开关7或者通过运动传感器(未示出)实现。码54优选构造为CDMA码并且唯一地或很少反复地对于激光指示器4的每个不同功能或对于每个激光指示器4单独生成所述码。
所生成的码54作为二进制序列提供给激光驱动器51，其控制连接在后面的激光二极管52，该激光二极管通过光学器件53发射经调制或经编码的激光。经调制的激光借助于激光指示器4朝着投影面2发射。
图5根据两个示意性的电路例子示出了如何能够借助于线性定时移位寄存器实现码54。出于该目的，在使用反馈支路的情况下使双稳态存储元件55(例如存储器触发器)相互串联连接，以便生成伪噪声序列。替代地，在图5的下部区域中示出了两个示意性的电路，借助它们可以以小的耗费生成Gold序列。借助于示出的电路产生的码涉及二进制序列，其具有好的互相关特性(例如m序列或卡西米序列)。为了实现所谓的移位寄存器，或者以专用半导体电路(ASIC)的实现或者通过软件的实现是可能的。
图6示出根据本发明的识别装置20的原理框图。由投影面2反射的激光耦合输入到扫描镜装置5中并且借助于光电二极管6转换成电流。连接在后面的放大器21(例如传输阻抗放大器)和自动放大调节器22预处理信号，以便针对连接在后面的模拟/数字转换器23的量化区域优化这些信号。相关装置60根据相关原理探测在所提供的信号中包含的CDMA码。位置识别装置70通过由扫描镜装置5提供的位置数据与由相关装置60提供的探测结果的关联来重构经扫描或经采样的图像。连接在位置识别装置70之后的位置估计装置80优化由位置识别装置70求取的、激光指示器4的光点P的位置数据。激光指示器4的光点P的经优化的位置信息随后可以传送到运算装置1以及运行在其上的应用程序上并且由其进一步使用。
图7示出相关装置60的结构的详细原理图。相关装置60优选以瑞克接收器(英语：rake receiver)的形式实现。这样的接收器对于每一个可能的码具有分离的接收支路。因此，相关装置60包括多个并列连接的相关器61，其中，每个相关器61单独设置用于一个码。与每个相关器61连接的阈值决定器62在其阈值方面分别如此调节，使得可以明确地实现码的识别。基于CDMA码的好的相关特性可以通过简单的方式调节阈值。在一种变型中，阈值决定器62实现为所谓的“软决定器”，借助所述软决定器求取决定安全性的概率值。连接在后面的多路复用器63关联相关器61的探测结果并且将其转交到连接在后面的位置识别装置70。
图8示出单个相关器61的结构的细节原理图。相关器61例如可以实现为最优滤波器(英语mached filter：匹配滤波器)并且实现为有限冲击响应(FIR)滤波器。替代地，也可以对于这样的结构应用VHDL(英语：超高速集成电路硬件描述语言)模型。由A/D转换器23提供的输入信号借助于扫描单元64扫描并且随后借助于偏置单元65设有偏置。该偏置用于匹配用于相关的信号的平均值。接收信号被过采样，由此在激光指示器4与识别装置20之间的码同步变得多余。优选地，所使用的相关序列具有比每个所使用的CDMA码更大的长度(例如至少双倍长度)。
图9示意性地示出位置识别装置70的和连接在后面的位置估计装置80的作用方式。由相关装置60和扫描镜装置5给位置识别装置70提供位置数据。这导致，激光指示器4的在投影面2上成像的光点P在位置识别装置70内又组合成图像40。位置估计装置80据此估计光点P的中心或激光指示器4的运动方向。位置估计装置80也可以优选通过激光指示器4的激光束的遮暗来补偿激光指示器4的短时失灵。出于该目的，例如可以应用卡尔曼滤波器。
在一个替代的实施方式中，根据本发明的用于位置识别的方法也可以以空分多址(SDMA)技术借助于设置在扫描镜装置5之外的光电二极管矩阵实现，该光电二极管矩阵不是必须需要全装备。
SDMA方法例如应用在长期演进(LTE)移动无线电标准中。在该方法中可实现的波束成形(英语：beamforming)可以用于激光指示器的位置识别。SDMA***通常具有多个发送与接收元件。在本***中多个在空间上分散的光电二极管作为接收器是必要的，以便实现对于位置识别的必要的选择性。所应用的光电二极管在一个二维布置中安装在激光投影仪3的外侧上的固定位置处。不需要将光电二极管6集成到激光投影仪3中。在激光指示器4中为了实现可测量的相差必须应用高频载波，该相差通过渡越时间差引起。将CDMA码调制到该高频载波上。在接收部分中适当的信号处理随后产生准确的位置。在该情况下，激光指示器4的光点P的辨识也可以通过CDMA码实现。
总而言之，借助本发明提出了一种设备和方法，借助于其可以在激光投影仪的投影面上辨识和定位光指示装置、优选激光指示器。该方法有利地允许，在没有可识别的时间延迟的情况下、也就是基本上实时地同时辨识并定位所述光指示装置中的多个。根据本发明的方法还允许，同时区分由不同光指示装置触发的动作(例如按键按压)。
本发明的核心是用于在激光投影仪的投影面上辨识和定位一个或多个激光指示装置的方法。激光指示装置的辨识通过使用借助于CDMA码的编码方法实现。为此，由激光指示装置发出的激光束以CDMA码调制。在激光投影仪中在接收方向上借助于相关装置辨识通过激光指示器发出的CDMA码。激光指示器的定位通过激光投影仪的位置分辨率的时间上的分辨率实现。通过激光投影仪和经适当定位的光电二极管的可运动的微镜实现位置分辨率。信号再处理优化辨识或定位。
根据本发明的方法有利地不需要激光指示器与激光投影仪的识别装置的同步。在多个激光指示器的应用中，根据本发明的方法有利地还不需要激光指示器的相互同步。该方法有利地不需要用于在投影面上辨识激光指示器的摄像机。
本发明的可能的应用是：具有可见激光器的PC激光鼠标、具有红外激光器的激光鼠标、合法交互式激光指示器的辨识、与在投影面上的虚拟对象的交互、多个应用者与计算机的交互、交互式游戏等。
虽然根据优选实施例描述了本发明，但是本发明并不限于此。尤其所述电路例子和拓扑仅仅是示例性的并且不限于所阐明的例子。
本领域技术人员也可以以适当的方式改动或相互组合本发明的所述特征，而不偏离本发明的核心。
Claims (15)
1.一种用于辨识至少一个激光指示器(4)的设备，所述设备具有：
具有扫描镜装置(5)的激光投影仪(3)，借助于所述扫描镜装置能够周期性地扫描投影面(2)；
用于所述至少一个激光指示器(4)的激光束的调制装置(10)；和
在所述激光投影仪(3)中设置的用于识别所述至少一个激光指示器(4)的经调制的激光束的识别装置(20)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述调制装置(10)设置用于控制借助于所述激光指示器(4)发出的激光束的光强度。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，借助于所述调制装置(10)能够实施多址接入方法，尤其是能够生成CDMA码。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述激光指示器(4)具有至少一个功能，其中，对于每个功能设有一个CDMA码生成器(50)。
5.根据权利要求5所述的设备，其中，所述激光指示器(4)具有用于选择所述功能的开关(7)，其中，所述开关(7)构造为机械开关或者构造为运动传感器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，沿所述激光投影仪(3)的接收方向设有光电二极管(6)，其中，由所述投影面(2)反射的光耦合输入到所述光电二极管(6)中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述识别装置(20)还具有相关装置(60)，借助于所述相关装置能够将二进制数据与所述CDMA码进行相关。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述相关装置(60)具有多个耙状设置的相关器(61)，其中，每个相关器(61)设置用于一个CDMA码。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述相关器(61)中的每一个长于所使用的CDMA码中的每一个。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的设备，其中，由所述相关装置(60)输出的数据借助于位置识别装置(30)与所述扫描镜装置(5)的位置数据关联。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述识别装置(20)还具有用于所述至少一个激光指示器(4)的位置估计装置(70)，其中，借助于所述位置估计装置(70)估计所述位置识别装置(30)的位置数据的中心。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，其中，所述激光指示器(4)发射具有不同波长的激光。
13.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中，运算装置(1)与所述激光投影仪(3)连接，其中，由所述运算装置(1)执行的应用程序能够借助于所述激光指示器(4)控制。
14.一种用于辨识至少一个激光指示器(4)的方法，所述方法具有以下步骤：
借助于所述激光指示器(4)发射激光束到投影面(2)上，其中，借助于调制装置(10)调制所述激光束；
借助于激光投影仪(3)的识别装置(20)的扫描镜装置(5)扫描所述投影面(2)；以及
借助于经调制的激光束辨识所述激光指示器(4)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，将由所述投影面(2)反射的波耦合输入到所述激光投影仪(3)的光程中的光电二极管(6)上。
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