CN102089736B - 用于数据处理系统的控制面 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光信号的用于数据处理系统的控制面，所述控制面被构建为平面光波导，在其上安装了光电传感器，从所测得的信号回推出光信号命中控制面的位置，并且此位置被分配在数据处理系统中的处理标记。具有光致发光特性的层(1.2)延伸与平面光波导的至少一个层(1.1)接触。命中到控制面上的光束(5.1)的光通过光致发光转化为长波光，该长波光被耦入波导，在其中传播，并由光电传感器(1.3)测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光信号的用于数据处理系统(Datenverarbeitungsanlage)的控制面 以及此类控制面的工作方式(Verfahren)。
在其某方面中，本发明涉及将上述控制面应用为检测面，该面能够被布置作为柔性的封面 包裹身体或在身体上，以便检测身体是否和/或在哪里由光指示器(Leuchtzeiger)命中。
背景技术
US 2007/0176165A1示出了基于感光有机半导体平面构建的、关于命中光点(auftreffenden Lichtpunkt)的定位检测装置(Positionsdetektor)的构造方式。所述平面构建的检测装置形成了一个单独的大面积平面传感器单元。其由多个层构成，这些层中至少有一个层是光敏的。在其边缘上，定位检测装置具有相互间隔的连接电极，借助这些连接电极能够获取(abnehmen)电信号，从该电信号中能得到光束命中的位置。相对于具有很多相邻布置的单个感光单元的构造方式，上述布置较便宜并且较容易构建，但是其提供的分辨率较小。
US 200701522985A1中给出了构建为平面光波导(Lichtwellenleiter)的光学触摸板。一个与触摸板的波导接触的物体，其通过该物体表面上的散射把来自外部源的光耦入触摸板的波导。耦入位置的检测借助未详述的光电检测装置实现。
DE 4239389A1、EP 354996A2和EP 225625A2描述了一些光学的位置测量装置，其中在光波导表面上或表面中布置有发荧光的分子，其将从外部命中的光转换为长波的漫散射(diffus gestreut)光，所述漫散射光在光波导表面上向表面边缘传导，并且所述光不是已经在那里由传感器采集到了其强度，就是之前由光导传导到了另外的地方。因为被测光的强度随着与光束命中点的距离增加而减小，所以能够通过组合来自多个传感器的测量结果回推出光束的命中点。相对于将命中光不经波导中的转换就传导进传感器的前述方法有利的是，信号较小地依赖于光束命中表面的角度。在上述专利中未考虑对数据处理系统的输入装置应用所述原理。此外，对于较大面位置分辨率也不够好，因为在上述专利中检测装置通常安装(angebracht)在波导的边缘。
目前，将控制面应用成作为被布置包裹身体或在身体上的柔性封面的光学检测面，其最重要的应用案例是，检测在模拟比赛或者比赛中的命中(Treffern)，其中在射击武器模拟装置上射出如颜料或软泡沫塑料球的材料的地方，换成可以发射聚焦光脉冲的发光装置。
除了以类似射击武器的装置射出的发射物、在该发射物命中位置处有无害的、易清洗的颜料污迹的知名“彩弹射击”比赛之外，也有越来越多的比赛使用与真枪外观和操作相似的、可以发射短暂激光脉冲的装置。参加比赛的人们，即在比赛中可能被命中者，在他们所穿衣服上的、几厘米长的、有间隔的光栅中安装了被应用为光电传感器的发光二极管，以来检测上述激光脉冲的命中。人身上的单个发光二极管的位置被登记在数据处理系统上。当激光脉冲命中发光二极管时，将由此引发一个信号并传送到数据处理系统上，其中竞赛者身上确定位置处的相应发光二极管被登记为其身体被命中的位置。
有缺点的是，至今为止由于成本和操作(Handhabung)的原因，不可能用光电传感器平面地覆盖参赛者，而是装备相对粗的光栅(Raster)。为了确切地检测是否命中，由激光器发射出的光束截面积的尺寸必须至少与单个发光二极管之间的光栅间隔一样大。随之产生在激光器设计上的结构问题。此外，只有在传感器的布置(Anordnung)相当密集时才有可能实现命中位置的精确评估(Auswertung)，这会过度地提高衣服的成本。当传感器的布置比较松散时，光束必须很强地扩宽(aufweiten)，由此即使目标人物差点被命中，也会有显示出命中的情况。
发明内容
本发明的基本目的在于，为数据处理系统提供一种控制装置的构建方式，其中在控制面上发送一束光束，并且依赖于该光束在控制面上的命中点影响数据处理系统，例如通过命中点分配(zugeordnet)在菜单中的或者在虚拟书写板或显示板上的光标位置。相比于其中实现了该原理的前述控制装置，待实现的控制装置应当在有较简单和较经济的构建方式的同时可应用在较大的控制面，例如投影屏幕上，并且由此能够具有很好的绝对位置分辨率
在一个重要的方面中，本发明的基本目的在于，实现作为检测面的控制面，其能够被布置作为柔性的封面包裹在身体上，该控制面能够以数据处理系统所需要的方式来检测在身体上是否并且在哪里被光点命中。与前述在光栅中彼此间隔地布置的“点化”光电传感器元件的布置不同的是，待实现的检测面应当在有较简单和较经济的构建方式的同时至少近似于完全(lückenlos)感光(photosensitiv)。
为解决预定的目的，控制面构建为其中集成了光致发光粒子的平面光波导，并且该平面光波导在其一个侧面上具有多个被分散布置在面上的、小面积的光电传感器，这些光点传感器有可能将光从波导模式(Wellenleitermode)中耦出(auskoppeln)并进行检测，使得根据从各个位置耦出的光的强度来产生电信号。
通过光致发光粒子，例如着色剂分子(Farbstoffmoleküle)或半导体纳米微粒，将从外部命中的光转化为具有较长波长的散射光。这些光大部分耦入波导并在其中传播。因为光在波导中传播，并且光传导随之在波导中衰减，所以随着与光发射源，即发出荧光的点之间距离的增加，在波导中的光强度减弱，并且在各个传感器上产生的电信号也随之减弱。当在光波导上彼此间距地布置多个传感器时，运用数据技术可自动运算的方法能够从单个传感器上所测得信号的强度之比中回推出在控制面上荧光引发的光束的命中位置。
为实现依据本发明的控制面，能够划分两种可相互组合的基本技术：
依据第一种原理，能够运用大量单个的小面积光波导构建整个控制面，这些光波导在几何上彼此相邻，但是在波传导方面却彼此分离。每个光波导都配有正好一个光电传感器。该光传感器只能确定各个光波导是否由光束命中。该光传感器不需要也不能够提供信息，所述信息关于在光波导的哪部分面上的相关部分控制面被命中。
依据第二种原理，整个检测面能够被实现为单通的光波导。此光波导具有以光栅间距排列的、多个小面积的光电传感器。依赖于单个传感器与波导中的各个光耦入点有多接近，测量信号具有不同强度。从而能够通过多个在波导上的、位置已知的传感器的信号幅值回推出耦入点。
第一种原理较粗糙，并导致有较简单的电子评估(Auswerteelektron)和较简单的数据处理。根据第二种原理则能够不增加成本即实现较精细的分辨率。
两种原理的组合在于将整个控制面分割为多个平面的光波导，其中为至少一些以获得更精细分辨率为目标的光波导提供多于一个的传感器。这种方法可有利于获得例如较大的机械承受能力(Belastbarkeit)和较简单的可塑性(Formbarkeit)。
因为例如通过选择能够调整光致发光粒子，入射光中仅确定的窄光谱完全地引发荧光，并且运用正好在这个光谱区域中强烈发光的光指示器，能够使装置对环境光完全不敏感。通过使光波导里传导的光在检测面的两个大表面之一而不是强制地在检测面的正面上的区域中被量取(abgreifen)，在装置仅由测量点的相应窄光栅覆盖时，该装置也可以在比如作为银幕的大面积的实施方式上具有很好的绝对位置分辨率。
附图说明
依据本发明的控制面在以下三个附图中说明，其中：
图1象征性示出与依据本发明的控制面相关的第二原理中的主要元件。控制面本身以横截面图的形式未按比例绘制，光束用虚线象征性地示出。
图2示出依据本发明的控制面的有利应用方式。
图3示出依据本发明的控制面的有利扩展形式，其包括的可能应用是作为触摸板。
具体实施方式
通过层1.2中的光致发光粒子，例如着色剂分子或者半导体纳米微粒，将从外部命中的光转化为具有较长波长的散射光。这些光大部分被耦入波导并在其中传播。
因为光在波导中传播，并且光传导随之在波导中衰减，所以随着与光发射源，即发出荧光的点之间距离的增加，在波导中的光强度减弱，并且在各个传感器上产生的电信号也随之减弱。当在平面光波导上连接多个光电传感器时，运用数据技术可自动运算的方法能够从单个传感器上所测得信号的强度之比中回推出在控制面上荧光引发的光束的准确命中位置。
因为例如通过选择能够调整光致发光粒子，入射光中仅确定的窄光谱完全地引发荧光，并且运用正好在这个光谱区域中强烈发光的光指示器，能够使装置对环境光完全不敏感。通过使光波导里传导的光在检测面的两个大表面之一上而不是强制地在检测面的正面上的区域中被量取，在装置仅由测量点的相应窄光栅覆盖时，该装置也可以在非常大面积的实施方式上具有很好的绝对位置分辨率。
在所绘制的例子中，检测面例如由两个约0.1mm厚的PET表面涂层(Deckschicht)1.1构成，其中间有约0.001mm厚的层1.2，该层1.2由聚乙烯塑料和着色剂罗丹明(Rhodamin)6G的均匀混合物压制而成。PET层1.1与位于其中的层1.2构成光波导。层1.2是光致发光的。层1.2效果很强，使得对于正常命中到其上的、具有532nm波长的光，该层1.2具有超过80％的吸收率。(所需层的强度 最好由试验得出)。具有5cm周期长度 的正方形光栅是硅发光二极管1.3，其具有约2x2mm2的截面，两个PET层1.2之一被安装在一个自由放置的侧面上，使得硅发光二级管1.3将光从PET层中耦出，并耦入其PN结中。所有发光二极管1.3的信号通过电导线2.1和滤波器2.2传输到数据处理系统3，在该数据处理系统3中所述信号被测量和处理。
当具有匹配(passend)光谱的光斑点命中到层1.2上时，其引发层1.2中所集成的粒子发荧光。由此产生的长波光的大部分被耦入由层1.1和层1.2构成的波导。以波导模式的光随着其在波导中的分布和衰减而减弱。根据由荧光所产生的光的命中点与光电传感器相距多远，由此在光电传感器1.3上测得在所述波导模式中的光的不同强度。通过对比不同传感器上的信号能够回推出命中点的位置。
为得到预定的信号，通过可能是例如射击武器模拟装置或激光笔(Laserpointer)的一部分的激光器4，可将具有532nm的波长的、频率调制的、绿色激光束发送到控制面上。由此在控制面上产生光斑点5.2，其在着色剂上激发出荧光。具有较长波长的发射光5.3被部分地耦入由层1.1和1.2所构建的波导中，在其中传播，并且随着与光斑点5.2距离的增加而损失其强度。随着激光束5.1的命中点与各个发光二极管之间的距离的增加，各个发光二极管的信号衰减得越来越小。这可被用来确定命中点相对于多个发光二级管的距离。
根据面积和所需分辨率能够在控制面上安装任意多个传感器，优选地为在规则的模板上安装。安装时可为着色剂的激发应用透明的硬化的粘合剂，其在波导和传感器之间产生好的光学接触。当使用相同的电子读取元件时，传感器安装得越厚，信号和与之对应的元件的分辨率就越大。在使用以掺杂了着色剂的塑料板为基底的优化波导的实验中，传感器间距为12cm时，能够在正方形模板上获得好于+/-1mm的准确性。
依据本发明的控制面例如能够被实现为充当了电脑显示面的投影屏幕上的一个层。当使用激光笔4在该显示面上指示时，激光笔4的光束5.1命中到显示面上的每个点的坐标都以上述方式被数据处理系统识别。由这些坐标能够借助在数据处理系统上运行的操作系统在显示面上分配光标、以及一般通过“鼠标”移动的插入标记、书写标记或者输入标记的位置。
所述控制面也可在大面积的实施方式中经济地生产。例如当它被布置在显示面前面的情况下，该控制面可以完全用透明的材料制成。为此需要只吸收在可视光谱边界或以外的光的着色剂。
对于控制面本身充当显示面的情况，其例如能够借助半透明的表面涂 层实现为向外呈光学上的白色或银色。总之控制面构建成机械柔性的面，从而它能够安装到几乎所有通用的显示面上。在显示面透明的情况下，该控制面也能够安装在显示面后面。
依据本发明的检测面能够作为柔性层安装在人们的衣服上。当使用激光笔4将光脉冲发送到检测面上时，激光笔4的光脉冲5.1命中到显示面上的每个点的坐标都以上述方式被数据处理系统识别。
能够很容易地考虑到的问题在于，不应允许以错误的方式将环境光解释为标识了命中的发光指示器的命中点。一方面，由荧光引发的光的光谱范围能够被保持非常紧密地围绕激光笔4工作的光谱线。另一方面，激光器能够发射频率调制的光。即光束5.1的强度以确定的频率时间性地波动。该频率通过通信技术的方式从发光二极管1.3发送的信号中过滤出来。通过应用不同的频率编码激光束，运用滤波器可能实现将多个同时命中的激光束加以区分，并且识别这些激光束在控制面上的各个命中位置。
环境光还能够通过被安装在控制面上的层过滤掉，所述层只允许确定的光谱范围中的光通过。
在有利的扩展方式中，检测面上预置的光电传感器能够被用来产生电能，该电能例如供电子读取元件和无线数据传输使用。
在根据图2所示的应用实例中，在依据本发明的控制面1上平铺一个可书写的面7，例如一张纸或可清洗的薄膜，在上面可以用笔6手写或手画。笔6不止在其笔尖处给出颜料而且还发送光束5.1(例如通过耦合在光导纤维上的发光二极管)到层7上的点附近，所述笔以给出其颜料的笔尖与层7接触。而当层7是看起来不透明的纸时，所述光中穿透层7的部分完全能够在铺在下面的控制面1上以上述方式产生信号，通过该信号能够检测笔在控制面上的位置。从而容易地实现，不但用手在纸上或薄膜上书写或绘画，而且还同时将作品作为图像数据存储在数据处理系统中以作后续使用和/或加工。通过仅用发光笔沿着铺在控制面上的图样线条临描，能够很好地将现有的图样选择性地描成(pause)图像数据。
需要补充强调的是，不强制光束5.1必须是激光束。当且只当，光束 5.1是激光束时，能产生特别有利的特性，因为光束的特性可由此被很精准地确定，而且也能够容易地在离光源很远的地方进行检测。
依据本发明的控制面1作为触摸板的、在图3中描绘的、很有利的附加应用性能够被实现，即通过平行于依据本发明的控制面1，在尽可能小的距离上布置另一个平面波导8的方式来实现，其中光10优选地从正面耦入波导8中。波导8不需要具有荧光特性。当通过机械应力，例如通过手指或铁笔9的按压将波导8和控制面1向一起挤压时，在两个面相互接触的地方，光从波导8耦入控制面1中，正如前述在此处引发荧光并且有可能实现定位。从而得到很确切的定位方法。通过对被馈入波导8中的光进行频率调制，能够实现使所述布置对背景光极其不敏感。然而除此之外，依据图3的构建方式还能够通过光指示器控制，并且通过对光源不同的频率调制可以明确地区别两个信号。
应用在模拟武器射击时，以优化的方式地将传感面与移动通信设备连接，所述通信设备承担命中评估并且通过声学的和/或光学的信号指示命中。此外通信设备能够接受与数据处理装置的无线电子连接，从而将发生事件的评估结果传输到显示屏上或通过网络重现。
其他有利的应用是，将检测面安装在建筑物的表面上或表面里，以便将其应用为不同设备的开关，例如照明灯、投影设备、自动大门、自动门或电子设备的开关。所述设备可以利用光指示器远程启动。其优势在于，单个光指示器能够作为大量应用的通用遥控装置。以何种方式开关何种应用，取决于传感面的布置。
Claims (18)
1.一种基于光信号的用于数据处理系统的控制面，所述控制面包括：
平面光波导，所述平面光波导具有至少一个光致发光层(1.2)；
多个光电传感器，安装在所述平面光波导的大的前部或后部的平面表面上；
命中到所述控制面上的光点在所述平面光波导的一个层上通过光致发光转化为较长波长的光，所述较长波长的光在所述平面光波导中传播，所述较长波长的光随着与所述光点之间距离的增加而衰减，所述较长波长的光在被布置到所述平面光波导上的光电传感器处从所述平面光波导中被耦出并被检测，从所测得的信号回推出命中所述控制面的光点的位置，并且将所述数据处理系统中的处理标记分配给所述位置；
其中，所述光电传感器(1.3)被安装在邻近所述光致发光层的外层(1.1)的表面区域上，并且所述光电传感器远离所述外层的边缘放置，使得光从该平面光波导被耦出并进入所述光电传感器。
2.如权利要求1所述的控制面，其特征在于，命中所述控制面的光束(5.1)的强度是频率调制的，并且所述光电传感器(1.3)具有连接到其下游的滤波器(2.2)，所述滤波器的通带范围被设置到所述光束的强度的调制频率。
3.如权利要求1或2所述的控制面，其特征在于，所述平面光波导的基本材料由透明的聚合物或复合聚合物构成。
4.如权利要求3所述的控制面，其特征在于，所述平面光波导的基本材料由透明的合成橡胶构成。
5.如权利要求1或2所述的控制面，其特征在于，所述光电传感器通过压制方式或汽化方式被直接制造在所述平面光波导的表面上。
6.如权利要求1或2所述的控制面，其特征在于，另一个平面波导(8)平行于所述平面光波导延伸，且能够通过压力将所述平面波导与所述平面光波导联接，并且光(10)能够从外界光学耦入所述另一个平面波导(8)中。
7.如权利要求1或2所述的控制面，其特征在于，所述控制面被布置作为柔性的封面包裹身体或在身体上，以便检测身体是否和/或在哪里由光指示器命中。
8.如权利要求7所述的控制面，其特征在于，所述控制面由平面光波导的多个几何相邻的部分面构成，所述部分面在波传导方面是相互分离的，并且其中每个部分面配有至少一个光电传感器。
9.如权利要求7所述的控制面，其特征在于，所述控制面由平面光波导的多个几何相邻的部分面构成，所述部分面在波传导方面是相互分离的，其中至少一个部分面配有多个被相互间隔地布置的光电传感器，并且其中在一事件中由不同的光电传感器所生成的信号彼此的幅值比例能够被评估。
10.如权利要求7所述的控制面，其特征在于，所述控制面是人们服装的一部分。
11.如权利要求1或2所述的控制面，其特征在于，所述控制面被用作设备的开关，该开关能够借助光指示器远程控制。
12.如权利要求11所述的控制面，其特征在于，所述控制面被布置包裹身体或在身体上。
13.如权利要求11所述的控制面，其特征在于，被所述开关接通/断开的所述设备作用于身体，和/或产生和/或转发关于身体的信息，所述控制面被布置包裹身体或在身体上。
14.一种基于光信号的用于数据处理系统的控制面的方法，所述方法包括：
在平面光波导的大的前部或后部的平面表面上安装多个光电传感器；
将命中到所述控制面上的光点(5.2)在所述平面光波导的一个层上通过光致发光转化为较长波长的光(5.3)，所述较长波长的光在所述平面光波导中传播，并且随着与所述光点(5.2)之间距离的增加而衰减；
将所述较长波长的光通过光电传感器处从所述平面光波导中被耦出并被检测；以及
根据在所述光电传感器上所产生的信号借助自动化的计算方法回推出光点(5.2)的位置；
其中，所述光电传感器被安装在邻近光致发光的所述层的外层(1.1)的表面区域上，并且所述光电传感器远离所述外层的边缘放置，使得光从该平面光波导被耦出并进入所述光电传感器。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述光点(5.2)由激光束(5.1)激发，所述激光束的强度是频率调制的，并且具有所述激光束(5.1)的调制频率的信号通过滤波从所述光电传感器(1.3)的输出信号中被选择出来。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，应用多个激光束(5.1)，这些激光束使用不同的频率调制，并且根据单个的频率对所述光电传感器的输出信号进行滤波。
17.如权利要求14至16之一所述的方法，其特征在于，在所述控制面上平铺可书写的层(7)，并且在所述层(7)上借助笔(6)书写，所述笔(6)能够在所述层(7)上的点附近区域上发送光束，所述笔(6)的尖部接触所述层(7)。
18.如权利要求14至16之一所述的方法，其特征在于，通过外部施加的机械负荷使光(10)所耦入的另一个平面波导(8)与所述控制面接触，使光从所述另一个平面波导(8)耦入所述控制面(1)。
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