DE69713610T2

DE69713610T2 - Vektorieller photosensor

Info

Publication number: DE69713610T2
Application number: DE69713610T
Authority: DE
Inventors: Robles Manuel Ruiz; Sanchez Manuel Ruiz
Original assignee: Infrarrojo y Microelectronica SL
Current assignee: Infrarrojo y Microelectronica SL
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2017-09-11
Also published as: ES2119697A1; WO1998011450A1; EP0930512B1; US6355925B1; EP0930512A1; ES2119697B1; DE69713610D1

Description

GEGENSTAND DER ERFINDUNG

Diese Beschreibung bezieht sich auf ein Erfindungspatent, das einen Sensor für die automatische und genaue Ermittlung durch einen strikten Vorgang des Vektors umfasst, der die Energieflussdichte der Ausgangsenergie definiert, unter verschiedenen optisch oder thermisch aus jeder Richtung im Raum entstandenen Formen.

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung ist verwandt mit dem Sektor von intelligenten Sensoren. Sein Anwendungsgebiet findet man in intelligenten Schnittstellen für Informations-Systeme, Robotertechnik, industrielle Automation, Mann- Maschine-Schnittstellen, sowie in echten Anzeigevorrichtungen, die von großem Interesse sind auf dem Gebiet von behinderten und älteren Personen, vierseitig Gelähmten, Blinden, und die dafür geeignet sind, um in Eingabevorrichtungen integriert zu werden, zum Beispiel die Freiauslösungsmaus.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist in automatischen Systemen zu finden für die Studie von Patienten mit Bewegungs-Schwierigkeiten, zum Beispiel zur automatischen Erfassung und Analyse ihrer Bewegungen, sowie auf dem Gebiet der Rehabilitation dieser Art von Patienten: zweiseitig Gelähmte, vierseitig Gelähmte, Personen mit Arthritis, multiple Sklerose, zerebrale Lähmung...
Ein anderes Anwendungsgebiet sind die Eingabevorrichtungen für ein virtuelles Realitätssystem.

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es gibt wohlbekannte Systeme, die die Richtlinie der Erscheinung einer Ausstrahlung von Energie durch Wellen benutzen, zum Beispiel leuchtende Strahlung oder infrarote Strahlung, um Vorrichtungen zu bauen, welche mehr oder weniger rudimentär die Richtungsbestimmung der Vorrichtung in Bezug auf den Richtungserhalt der Ausgangsenergie ermöglichen.
Die bekannten Systeme beinhalten keine Konzepte, womit es gestattet ist, in einer strikten Weise die Ausgabe möglicher Werte von einer sich ereigneten Strahlung in eine andere Ausgabe von elektrischen Signalen umzuwandeln, die die Intensität und Empfangsrichtung der Strahlung genau zum Ausdruck bringen.
Dies bedeutet, dass die Information über Intensität und Richtung, die man zu erfahren beabsichtigt, durch das eigene Konzept in dem Abtastungsverfahren verschlechtert wird.
Die am 20. Juli 1995 veröffentlichte Patentschrift WO 9519577 A beschreibt eine Methode zur Überwachung der räumlichen Position eines Artikels. Hiermit ist es ermöglicht, eine relative Präzision zu erhalten, wie im erwähnten Dokument angegeben, was jedoch kein strikte und genaue Methode für viele Anwendungen ist.
Es sind auch andere Methoden in den folgenden Patentschriften aufgeführt; US5367315A, veröffentlicht am 22. November 1994; USA 5187540 A, veröffentlicht am 16. Februar 1993; FR 2447017 A, veröffentlicht am 14. August 1980 und GB 2284478 A, veröffentlicht am 7. Juni 1995.
In keiner dieser Patentschriften wird eine Methode beschrieben, die es in einer praktischen und strikten Weise erlaubt, die Aufgabe des vektoriellen Photosensors zu verwirklichen: um auf einen genauen Weg die Intensität und die Ankunftsrichtung einer optischen Strahlung zu messen, die von jeder Richtung im Raum entstanden ist.
Die als Beschreibung des technischen Standes zitierten Dokumente, selbst wenn es sich um eine Lösung konkreter Schwierigkeiten handeln sollte, bieten jedoch keine Lösung zum Problem einer strikten Ermittlung der Intensität und der Ankunftsrichtung einer Strahlung, die von jeder Richtung her im Raum entsteht.
Die Lösung zu diesem Problem, speziell im Bereich des entsprechenden elektromagnetischen Spektrums zur direkten und thermischen Infrarotstrahlung, ist von großem Interesse durch den großen Umfang der davon abzuleitenden Anwendungen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung umfasst ein spezifisches Konzept zur genauen Messung der Intensität und des Richtungsempfangs der Ausgangsenergie am Sensor, durch einen strikten und automatischen Vorgang.
Dieser Sensor wird im unabhängigen Anspruch 1 definiert.
Wir haben diesen als vektoriellen Photosensor bezeichnet, weil er die Umwandlung der einfallenden Energie erlaubt, über ein geeignetes elektronisches Medium, in einer Ausgabe von elektrischen Signalen, die strikt und genau die Intensität und Richtung der einfallenden Energie darstellt.
Diese Erfindung sieht eine große Flexibilität in Bezug auf Anzahl und Verteilung der empfindlichen Mittel für die einfallende Energie vor, wobei es ermöglicht ist, irgendeinen Polyeder zu gestalten, der sich aus drei oder mehr lichtempfindlichen Mitteln zusammengesetzt, wie die Eingabevorrichtung des vektoriellen Photosensors.
Dieses basiert auf die Erfassung der Richtung und Intensität der Ausgangsenergie mittels der Messung von optischen Signalen, die von einem Satz von Photomedien empfangen wurden, die die Ausgangsenergie in elektrische Signale umwandeln.
Diese Photomedien befinden sich in einem einen Raum bildenden Polyeder, welches drei bis zu einer undefinierten Anzahl von Photomedien aufnimmt.
Die elektrische Ausgangsleistung von lichtempfindlichen Mitteln wird von einem elektronischen Medium empfangen, das die elektrischen Ausgangssignale von diesen Photomedien umwandelt, was sich auf die empfindlichen Facetten des Polyeders beruht.
Die elektronischen Medien verarbeiten auch die empfangenen Ausgangssignale durch einen spezifischen Algorithmus, womit es gestattet ist, die Bestandteile des Vektors zu erhalten, der die Energieflussdichte kennzeichnet.
Der Ausgangsenergiefluss wird durch die empfindlichen Elemente in proportionale elektrische Signale in die Energieflussdichte umgewandelt, zu dem Kosinus des Einfallswinkels, für die Wirkfläche sowie für die Ansprechempfindlichkeit jeder Photomedien.
Wir teilen p einem Vektor zu, dessen Modul den Wert der Energieflussdichte darstellt, wobei dessen Richtung und Empfindungsvermögen der Strahlungsverbreitung gleich sind.
Wir führten auch ein neues Konzept ein, welches wir als Vektoransprechempfindlichkeit bezeichnen, wobei dessen Modul das Produkt der Ansprechempfindlichkeit eines der Photomedien ist, wobei dessen empfindliche Oberfläche und dessen Richtung senkrecht zu dieser Oberfläche verläuft, ankommend bei der empfindlichen Seite.
Der elektrische Ausgang von jeden Photomedien, die als si bezeichnet sind, kann wie das Skalenprodukt der Vektoransprechempfindlichkeit ei und des Vektors p ausgedrückt werden, der die Energieflussdichte darstellt:
si = ei·p
Diese Erfindung kann drei bis zu einer undefinierten Zahl N von Photomedien aufnehmen, wobei sich jede davon auf einer der Seiten eines Polyeders befindet und dabei den Wandler des vektoriellen Photosensors bildet.
Für drei Photomedien lauten die elektrischen Ausgangssignale:
s&sub1; = e&sub1;·p s&sub2; = e&sub2;·p s&sub3; = e&sub3;·p
Eine orthogonale Basis OXYZ in Betracht ziehend, stellen wir die Vektoransprechempfindlichkeiten in Funktion von dessen Bestandteile in Bezug auf folgende Basis dar:
Auf eine analoge Art stellen wir die Energieflussdichte in Funktion ihrer Bestandteile in Bezug auf folgende Basis dar:
Auf diese Weise stellen wir die durch die Photomedien erzeugten Signale wie folgt dar:
dies bedeutet:
Die Gleichung, die die physische Implementierung dieser Erfindung beschreibt, lautet:
dies bedeutet:
[si] = [eij]·[pj]
Die Matrix, deren Reihen die Vektoransprechempfindlichkeiten der lichtempfindlichen Polyederstruktur darstellen, die durch die Photomedien aufgebaut ist, bildet ein neues Konzept, welches wir als eine Matrix der Vektoransprechempfindlichkeit bezeichnen.
Die Matrix der Vektoransprechempfindlichkeit kennzeichnet die elektrische Reaktion des Polyeders auf die einfallende Energie, und bildet den Wandler der Erfindung: nämlich den vektoriellen Photosensor.
Die Ermittlung von Bestandteilen des Vektors p, womit die einfallende Energieflussdichte definiert wird, wird durch die Implementierung eines spezifischen Algorithmus erreicht, der mittels einem geeigneten elektronischen Medium die elektrischen Ausgangssignale der Photomedien des Polyeders verarbeitet.
Wenn einmal die Werte der Signale durch das Polyeder erzeugt worden sind, werden sie über ein geeignetes elektronisches Medium empfangen, und wenn die Matrix der Vektoransprechempfindlichkeit bekannt ist, deren Elemente im Speicher der elektronischen Medien gesammelt sind, erhält man den Vektor, der die Energieflussdichte durch den spezifischen Algorithmus darstellt, der mit den elektronischen Medien implementiert ist.
Viele mathematische Methoden erhalten den Vektor p aus der obengenannten Gleichung, die physisch die Implementierung des vektoriellen Photosensors beschreibt und ein grundsätzliches Kennzeichen dieser Erfindung bildet.
Die Elemente der Matrix der Vektoransprechempfindlichkeit sind charakteristische Parameter des vektoriellen Photosensors. Der Wert dieser Elemente hängt vom Kennzeichen der Photomedien ab und von dem Platz, den er räumlich einnimmt, was besagt, dass es von der Ansprechempfindlichkeit der Photomedien abhängt und von der implementierten geometrischen Form des Polyeders.
Ein Weg, um den Vektor p von der vektoriellen Photosensor-Gleichung zu erhalten, ist durch Implementierung des Algorithmus:
[pj] = [eij]&supmin;¹·[si]
Der Wert des Moduls des Vektors p stellt den Wert der Energieflussdichte von einer Quelle am Polyeder dar, und folglich ist es möglich, die Distanz zur Quelle zu berechnen, wenn die radiante Intensität bekannt ist und die atmosphärische Absorption gering ist.
Wenn die Photomedien im Raum auf eine orthogonale Weise aufgestellt sind, legen wir eine orthonormale Basis OXYZ fest, mit deren Achsen senkrecht zur aktiven Oberfläche jedes Fotosensors.
Die elektrischen Signale zum Ausgang von jedem Fotosensor, den wir als sj bezeichnen werden, sind folgende Skalen-Produkte:
sx = ex·p sy = ey·p sz = ez·p
das heisst:
sx = expcosα sy = eypcosβ sz = ezpcosγ
Bei der Aufteilung eines jeden Signals durch das Modul der Vektoransprechempfindlichkeit von jedem Fotosensor haben wir die normalisierten Signale:
s'x = sx/ex = pcosα
s'y = sy/ey = pcosβ
s'z = sz/ez = pcosγ
Der einheitliche Vektor u, der die Ankunftsrichtung der Emission definiert, in Bezug auf das Referenzsystem, wird durch einen Ausdruck bestimmt, der von den normalisierten Signalen abhängt, und es ist invariant in Bezug auf den Wert der Strahlung und folglich invariant auch in Bezug auf die Distanz zum Strahler. Der einheitliche Vektor ist:
u = cosαi + cosβj + cosγk
cosα = s'x/p cosβ = s'y/p cosγ = sz'/p: erlaubt zu schreiben:
(s'x/p)² + (s'y/p)² + (sz'/p)² = cos²α + cos²β + cos²γ = 1
das heisst:
p = (s'x² + s'y² +s'z²)1/2
indem der einheitliche Vektor bestimmt wird, der die Richtung der Strahlung definiert, durch den Ausdruck:
u = (s'x/(s'x² + s'y² + s'z²)1/2)i + (s'y/(s'x² + s'y² + s'z²)1/2)j + (s'z/(s'x² + s'y² + s'z²)1/2)k
Der vektorielle Photosensor umfasst in einer seiner Anwendungen ein Energieausstrahlungsmedium, das fest an einem im Raum befestigtes Referenzsystem O'X'Y'Z' sitzt, das mindestens drei der Photomedien beleuchtet, die an ein anderes Referenzsystem OXYZ befestigt sind, dessen Ursprung 0 im Raum befestigt wird. Diese Anwendung erlaubt, eine genaue Ausrichtung der Photomedien im Raum zu erhalten, das heisst die Ausrichtung des Systems OXYZ.
Der vektorielle Photosensor umfasst in einem seiner Anwendungen ein elektronisches Medium von pulsierten Energieausstrahlungen. Der Empfang von elektrischen Ausgangssignalen von jeden Photomedien wird mit dieser pulsierten Emission synchronisiert.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zur Vervollständigung dieser Beschreibung und zur Hilfe für ein besseres Verständnis von Kennzeichen der Erfindung, liegen dieser Beschreibung zwei Skizzen bei, die ein wesentliches Teil davon sind, worin folgendes mit einer illustrierten nicht begrenzenden Eigenschaft gezeigt wird:
Bild 1 zeigt eine Leuchtdiode (1) die eine IR-Strahlung ausgibt (2) und ein Polyeder beleuchtet (3), das durch Fotodioden aufgebaut ist. Jede Fotodiode bildet eine Facette des Polyeders, ein orthogonales Referenzsystem OXYZ (4), wobei p der Vektor ist (5), der die Energieflussdichte auf dem Polyeder ausdrückt (3) von der IR-Strahlung (2) in Bezug auf das orthogonale Referenzsystem OXYZ (4), wobei e1, e2, e3 die Vektoren sind, die die Vektoransprechempfindlichkeit (6) der Fotodioden darstellen, die das Polyeder (3) bilden.
Bild 2 zeigt das aus Fotodioden zusammengesetzte Polyeder (3), die Einheit der Signalkonditionierung (8), die die elektrische Ausgangssignale der Fotodioden verstärkt und filtriert (7); ein Multiplexer (10) schaltet die verstärkten und filtrierten elektrischen Ausgangssignale (9), indem dieser jedes geschaltete Signal (11) an einen WS/GS-Konverter (12) sendet, der diese analogen Signale (11) in numerische Signale (13) umwandelt. Diese Signale werden gelesen und über die elektronischen Medien (17) verarbeitet, die zur Ausgabe des Systems (18) die Bestandteile des Vektors liefern, der die Energieflussdichte ausdrückt, was die Intensitäts- und Richtungsinformationen über die Einfallsstrahlung (2) für deren Ausnutzung anbetrifft, und sie erzeugen ein digitales Modulations- Signal (14) das durch den GS/WS-Konverter (15) in ein analoges Signal umgewandelt wird durch den Modulator (16) bedingt ist, der die Emission der Leuchtdiode (1) erregt.

VORZUGSLÖSUNG DER ERFINDUNG

Im Lichte dieser Figuren gesehen, basiert der vektorielle Photosensor auf einer Formgestaltung, um das hierin beschriebene Konzept in die Praxis umzusetzen.
Bild 1 zeigt einen Photosender, der durch eine Leuchtdiode zusammengesetzt ist (1), die durch eine IR-Strahlungs-Emission (2) die Seiten eines Polyeders (3) beleuchtet. Die Ankunftsrichtung der IR-Strahlung auf der Oberfläche des Polyeders (3) wird durch den Vektor p definiert (5), womit die Energieflussdichte der IR-Strahlung ausgedrückt wird. Das Polyeder (3), dessen Seiten durch Photodioden mit Vektoransprechempfindlichkeit e1, e2, e3 (6) zusammengesetzt werden, wird an dem orthogonalen Referenzsystem OXYZ befestigt (4).
Bild 2 zeigt den Vektor p (5), der die IR-Energieflussdichte (2) darstellt, die in der Leuchtdiode (1) entstanden ist, welche die Photodioden des Polyeders (3) beleuchtet mit einer Strahlung, deren Richtung durch den Vektor p (5) definiert wird, welche die von jeder Photodiode empfangene optische Energie proportional zur beleuchteten Oberfläche ist, zu dem Kosinus des Einfallwinkels der Strahlung auf der beleuchteten Oberfläche und zum Modul der Energieflussdichte p (5). Die Werte der elektrischen Signale (7), die von den Photodioden geliefert wurden, die das Polyeder (3) bilden, werden durch die Einheit (8) der Signalkonditionierung verstärkt und filtriert, deren Ausgabe (9) durch den analogen Multiplexer (10) geschaltet ist, dessen Ausgangssignal (11) in ein numerisches Signal über einen WS/GS-Konverter umgewandelt wird (12), dessen Ausgabe (13) über die elektronischen Medien (17) gelesen wird. Die elektronischen Medien (17) verarbeiten diese Signale durch die Gleichung, die die physische Implementierung des Systems definiert:
Dieses ermöglicht es, die Werte der Energieflussdichte zu erhalten mit [pj] = [eij]&supmin;¹·[si], dies bedeutet die Richtung der Einfallsstrahlung, die durch den Vektor p dargestellt ist. Dieser Vektor wird erreicht, wenn mindestens drei Photomedien nicht parallel von dem Polyeder (3) beleuchtet werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Ein vektorieller Photosensor, der die genaue Messung einfallender Energieflussdichten (5) erlaubt, sowohl in Bezug auf das Modul als auch auf die Richtung. Er tastet die Infrarot-Energie (2) ab, die durch einen Infrarot-Strahler (1) entstand. Dieser ist durch Photomedien zusammengesetzt, die auf einem Polyeder (3) liegen, das eine undefinierte Anzahl von Facetten beinhalten kann, und eine elektronische Signal-Verarbeitung (17). Der Infrarot-Strahler (1) beleuchtet mindestens drei von den Photomedien der Facetten des Polyeders (3), wobei er die empfangene Energie in elektrische Signale (7) umwandelt, die durch einen spezifischen Algorithmus 7) verarbeitet werden, der mit den elektronischen Medien (1) implementiert ist, die die Bestandteile des Vektors erhält, der die Energieflussdichte ausdrückt (5). Diese Erfindung findet ihr Anwendungsgebiet in intelligenten Mann-Maschine-Schnittstellen für Informations-Systeme, Kontrollsysteme und Automation.

Claims

1. Vektorieller Photosensor aus mindestens drei lichtempfindlichen Mitteln, die sich jeweils auf verschiedenen Seiten eines Polyeders befinden, der die Ausgangsenergie in elektrische Signale umwandelt, und eine elektronische Vorrichtung, die die von den soeben genannten Photomedien entstandenen elektrischen Signale zum Richtungserhalt der Ausgangsenergie empfängt und umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die oben genannte elektronische Vorrichtung die durch die drei bereits genannten Photomedien entstandenen elektrischen Signale empfängt und umwandelt vorzugsweise keine parallelen optische Achsen aufweist und einen Vektor p hat, der die Energieflussdichte der Ausgangsenergie mittels folgender Gleichung ausdrückt:

wobei

s1, s2, s3 die durch die oben genannten drei Photomedien entstandenen Signale sind;

e1x, e1y, e1z, ..., e3x, e3y, e3z die Bestandteile der Vektoransprechempfindlichkeit, bzw. jeweils eines der drei Photomedien, die die Elemente der Matrix für die Vektoransprechempfindlichkeit zusammensetzen;

und px, py, pz die Komponenten zum Ausdruck der Energieflussdichte der Ausgangsenergie des Vektors p sind.

2. Vektorieller Photosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bereits erwähnte elektronische Medium die elektrische Ausgangsgröße der Photomedien umwandelt und zwar durch den Algorithmus

[pj] = [eij]&supmin;¹·[si]

zum Erhalt von Vektor [pj], der den Vektor für die Intensität und Richtung der Ausgangsenergie repräsentiert; [eij] stellt die Zusammensetzung der durch die Photomedien entstandenen Matrix für die Vektoransprechempfindlichkeit dar und [si] ist die elektrische Ausgangsgröße der Zusammensetzung der Photomedien.

3. Vektorieller Photosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photomedien orthogonal angeordnet sind und das elektronische Medium die elektrische Ausgangsgröße der orthogonalen Photomedien empfängt und durch folgenden Algorithmus umwandelt

u = (s'x/(s'x² + s'y² + s'z²)1/2)i + (s'y/(s'x² + s'y² + s'z²)1/2)j + (s'z/(s'x² + s'y² + s'z²)1/2)k

um den Einheitsvektor u zu erhalten, der die Richtung der Energieflussdichte der Ausgangsenergie ausdrückt, dadurch dass s'x, s'y und s'z die vereinheitlichten Signale darstellen, die man erhält, indem man jedes Signal s1, s2, s3 durch das Vektoransprechempfindlichkeitsmodul des jeweiligen bereits genannten Photomedium dividiert.

4. Vektorieller Photosensor nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass er einen lichtempfindlichen Sender aufweist, so dass die elektrische Ausgangsgröße der Photomedien mit der Energieabgabe des Photosenders synchronisiert werden kann.