CN102272704A - 探测器面 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光学信号的探测器面，该面作为柔性的包围面围绕物体安装，用以探测物体是否以及在哪里由光指示器被命中。探测器面由一个或多个平面的光波导(1.1)构成，其中，平面的光波导中的至少一层(1.2)具有光致发光的属性，并且光检测器(2)安装在平面的光波导上，使得该光检测器能够耦出来自光波导的光并能够探测所述光。平面的光波导(1)是作为由具有30至500μm的厚度的透明的聚合物形成的膜，并且光传感器(2)与光波导的所有边缘具有一定距离地的安装在光波导(1)上。

Description

探测器面

本发明涉及探测器面

其能够作为柔性的包围面

能够围绕物体或者在物体上安装，用以探测物体是否以及在哪里由光指示器(Leuchtzeiger)命中。

目前最重要的应用领域是作战模拟或比赛当中的命中探测，其中代替发射如颜料或软质泡沫橡胶球等材料的仿真枪支而使用发出准直的光脉冲的发光器件。

US 2007/0176165A1展示了基于感光有机半导体的平面构造的、关于命中的光点的位置探测器(Positionsdetektor)的构造方式。平面构造的探测器构成了一个单独的大面积的传感器单元。其由多个层组成，其中至少一层是光敏的。在其边缘处，位置探测器具有彼此间隔的连接电极，电信号能够借助这些连接电极接收(abnehmen)，由该电信号能够得到光线命中的位置。相对于具有许多彼此相邻安装的单个感光单元的构造方式，这样的排布成本较低廉并且易于建造，然而其提供的分辨率较低。

US 20070152985A1介绍了一种构成平面的光波导(Lichtwellenleiter)的光学触摸板。一个与触摸板的波导接触的物体通过物体表面处的散射将来自外部光源的光耦入触摸板的波导中。耦入位置的探测将通过并未详细描述的光电探测器来实现。

文献DE 42 39 389A1，EP 354 996A2和EP 225 625A2中描述了一些光学位置测量装置，其中，在光波导表面上或光波导表面中安装有荧光分子，该分子将从外界入射的光转化为长波的漫散射(diffus gestreut)光，该漫散射光在光波导面中传导到表面边缘，并且所述漫散射光不是已经在那里由传感器采集到了其强度，就是之前通过光导传导到另外一处。因为被测量光的强度随着距光线命中点的距离增加而减小，所以能够通过多个探测器测量结果的组合推断出光线的命中点。跟之前介绍的入射光在波导中并不转化而导入到传感器的方法相比，优点是，信号更少地依赖于光线到达表面上的角度。在数据处理设备的输入装置上应用该原理在这些文献中并不考虑。此外位置分辨率在较大面积时并不足够好，因为在所列文献中，探测器是安装在波导边缘的。

DE 2952608A1中介绍了一种运动衣，该运动衣装配有大量的彼此间隔的、近似为点状的光学传感器，典型的是光电二极管。运动衣的作用在于，在战争模拟训练或战争模拟游戏中显示身穿该运动衣的人何时被“命中”。在这里，该设备被当做仿真枪械来使用，使用该设备能够发射希望的短时定向的激光脉冲。为了记录命中，单个传感器与数据处理设备相连。

出于成本和实施方面的原因，衣服表面并不是由所装配的光电传感器完全平面覆盖，而是仅在相对粗略的间隔光栅上排布光电传感器。为了使命中被可靠探测到，激光脉冲必须强烈扩宽(aufweiten)，对此即使目标人物是差点被命中的，也可能也会有显示出为命中的情况。

DE 34 13 372A1在1985年已经描述了一种靶盘，由该靶盘探测光点命中的位置，并由数据处理设备读入。在刚性靶前面安装有一个层，该层含有发荧光的分子，并且光波能够导入该层。在该层的边缘安装有光检测器，通过荧光在该检测器处产生光，并导入所述层，且被探测到。因为导入所述层的光强度随着距命中点的距离增加而减弱，所以由在光检测器上探测到的光线的强度能够推断光点在层上的命中点的距离。当位置探测器安装在圆环形的、光波导层的内缘时，能够由测量得到的信号强度计算出光点命中点距离位置探测器的径向距离。在一个有益的实施方式中，光导面分布在宽度恒定的长条带(Streife)中，该条带相对于光导彼此间分离。在这里，在条带的每个长端

上分别安装有光检测器。当在命中点处引入发光波导中的光能的绝对大小不是已知的情况下，由条带的两个光检测器测量的光强度的大小之比也能够很好的计算出光点在条带上的命中位置。相比之前描述的DE 2952608A1所对应的构造方式，其有益之处在于能够被“完全平面覆盖”地探测。缺点则在于，至今仍只能够在刚性探测器面上应用。

本发明的基础任务在于，创造一种能够围绕物体安装的柔性的包围面，该包围面是以可由数据处理设备继续处理的方式，如相应于DE 34 13372A1中“完全平面覆盖”的方式构造，而不是如相应于DE 2952608A1的构造方式那样仅能逐点探测光点是否以及在哪里命中探测器面。

为了完成本发明任务，以DE 34 13 372A1中的构造方式为出发点，其中，探测器面是平面的光波导，在该光波导中集成有光致发光的颗粒，并在该光波导上安装有一个或多个光电传感器(以下简称为“光检测器”)，这些光检测器所处的状态是，光从波导模式中耦出并由此生成电信号，该电信号的强度依赖于在光检测器处耦出的光的强度。这个信号将被传递到数据处理设备。通过该数据处理设备可知信号的强度，并且在应用多个光检测器的情况下得知该信号来自哪个光检测器。

与已知构造方式的不同之处在于，所形成的平面的光波导不是刚性的，而是柔性的膜(Folie)。另外，平面的光波导由透明的聚合物形成，所述聚合物具有20至500μm的层厚。(“透明的聚合物”的表述在本说明书和之后的权利要求书中还指代并包含有“透明的聚合物混合物”的含义。)

与已知构造方式的另一个不同之处在于，光检测器不是或者不仅仅是安装在光波导面的边缘，而是还特别安装在与所有边缘有一定距离的面区域上。

在一个特别优选的实施方式中，光检测器安装在光波导的凹槽(Mulde)中，该凹槽通过例如深模锻或铸造的变形工艺在其他平面的膜上形成。

关于波导面对单个光检测器的面分配，能有区分出两个基本的类型，但这两个基本的类型是能够彼此组合的：

根据第一原理，整个探测器面通过大量的单个小的平面的光波导构成，这些平面的光波导在几何上互相靠近，而关于波导却又互相分离。每个光波导上正好设有一个光检测器。它仅确认各个光波导是否由光线命中。它不需要为此提供有关的部分探测器面在光波导的哪个部分面上被精确命中的信息。

根据第二原理，整个探测器面作为单独的连续光波导来实现。该光波导具有彼此以光栅距离间隔的大量的小平面的光检测器。依赖于在波导中单个光检测器与光耦入点距离有多近，它的被测量信号具有不同的强度。由此能够由多个光检测器的信号幅值得知它在波导上的位置，并计算耦入点。

第一原理较为粗略，并要求较简单的测量电子设备和较简单的数据处理。而根据第二原理，能够在不增加成本的情况下达到更精细的分辨率这一目的。

两种原理的组合是，整个探测器面被分成很多个平面的光波导，其中至少一些光波导为了得到更精细的分辨率而装配有多于一个的光检测器。这例如能够提供更大的机械负载力和更简单的可塑性。

本发明将结合附图得以展示。

图1：象征性地展示了第二原理的基础元件。探测器面并未按原尺寸绘制在截面图中，光线则用点线代表。

图2：是依据本发明的探测器面的截面的正视图。

图3：是特别有益地实现的探测器面的截面的部分剖面视图。

图4：是另一个有益实现的探测器面的截面的部分剖面视图。

在图1中描绘了其构造的平面的光波导1例如由两个大约0.1mm厚的PET覆盖层1.1构成，在其中间有大约0.001mm厚的层1.2，该层1.2由塑料聚乙烯醇(Polyvinylalkohl)和着色剂罗丹明(Rhodamin)6G的均匀混合物压制而成。层1.2是光致发光的。其作用很强，以至于一般击中它的波长为532nm的光要被吸收掉80％以上。(对此所要求的层强度须通过实验获知)。

当具有适合的光谱的光斑点命中层1.2时，它将在层1.2的着色剂颗粒处触发光致发光。由此将产生漫散射的长波的光。相应于已知的光波导基本工作原理，所述漫散射的长波的光在透明层1.1中传播，并基本上还留在该层中，由于折射率的不同，它在与环境(空气)的界面处被反射回层1.1的材料中。

例如在周期长度为5cm的正方形光栅中，光检测器2占据2×2mm²的截面面积，并安装在两个PET层1.2之一的自由面上，使得它将光线从PET层耦出，并耦入其pn结。所有光二极管2的信号将通过电导5和滤波器6导入数据处理设备7，在其中，信号被测量并被处理。

在光波导1中命中光斑点3.2处通过光致发光产生的光线3.3的强度随着距离光斑点3.2距离的增加而减弱。出于几何方面的原因，强度正比于距离的倒数(Kehrwert)减弱。另一个指数形式的强度减弱是因为在波导中的光导具有损失。

波导中光3.3的强度依赖于距离光斑点3.2的命中点的距离r，即距离发生发光的点的距离，能够用以下公式描述：

I＝I₀*exp(-k·r)/r

在这里，k是材料参数，并且依赖于引入光线3.1的能量的初始强度I₀。

在单个光检测器上由被探测光线产生的电信号的强度依赖于单个光检测器与光斑点3.2的命中点的距离。

当在平面的光波导上连接了多个光检测器时，测量在该波导模式下不同的光强度，其中测量结果依赖于待测光检测器距离由发光产生的光斑点的命中点的远近。从在单个光检测器上测得的信号强度的比值中能够利用数据技术可自动化的、数学的方法推断由发光所激发的光线在探测器面上准确的命中位置。

为了形象展示对此合适的、随后粗略描述的算法，在图2中：

假设对所有关注的光探测器都相同的初始强度I₀，其能够依赖于在单个光检测器处测得的结果为单个光检测器计算出，该初始强度I₀必须位于围绕待定位光斑点的命中点的有关光检测器的圆周线上。三个光检测器的相应的圆例如在图2中用虚线标明。这些圆总共有六个交点A、B、C、a、b、c。

为了计算，适用所有三个光检测器的初始强度I₀变大或变小，直到三个内交点a、b、c依照图2落于同一个交点上。命中光斑点的中心正好位于如此发现的“三重交点”处。

当介于单个光检测器的距离不大于几厘米时，在波导中所传递的光的、由损失引起的指数形式的强度减弱，其相对于几何相关的强度减弱是微不足道的。上述公式能够通过公式

I＝I₀/r

来实现足够好的近似。这样计算能够简化，并且所描述的计算能够快速进行。

以今天可毫无问题且经济合算地大量购得的数据处理设备的工作速度，根据第一公式的更精确的计算有可能在更快的时间里实现，因此相对命中光斑点位置的确定的快捷性，还可能觉得该位置是实时测量的。

根据面积和必要的分辨率能够在探测器面上装配任意多个光检测器，优选的是以有规律的式样进行装配。

光检测器装配得越紧密，最小信号强度就越大，并且相应地在相同读出电子设备中组件的分辨率就越高。在以掺有着色剂的塑料板为基底的理想波导上进行的实验中，在正方形样本中的光检测器的距离为12cm的情况下能够实现好于+/-1mm的准确度。

为了将光检测器装配在光波导中，应该使用粘接剂，该粘接剂在硬化状态下在波导和光检测器之间产生良好的光学接触。当硬化了的粘接剂对于波导模式中的光是透明的，并且当其折射率介于波导1(即层1.1)的折射率和光检测器与波导1靠近部分的折射率之间的时候，就制造出了“良好的光学接触”。(靠近的材料间的折射率系数相差越小，光更好地通过两个材料间的边界面。)

图3展示了光检测器2的典型构造，并且展示了在光波导1上的有益排布。

光检测器2由光电元件2.1，典型的是由一块硅晶片构成，该硅晶片从电学上看表现为光电二极管或光电晶体管。元件2.1的一侧与典型的陶瓷底板2.2的一侧相连，并与安装在此处的电导体电接触。该电接触通过同样与底板2.2相连的、引导走(wegführend)的电导线2.4进一步传递。该导线能够典型的通过电线或薄层形成在柔性的电路板上。

光电元件2.1的感光侧面通过透明的“窗口”2.3围住。典型地由透明塑料构成的窗口与光波导1通过粘接相连。

在图3所示的有益实施方式中，在光波导1中与光检测器粘接的位置刻印有凹槽1.3，其内轮廓与窗口2.3的外轮廓相同。窗口2.3插入该凹槽1.3并与之粘接。

通过介于光检测器2和波导1之间的连接面的几何实现，将获得相对于在波导中平面的无变形的区域处的光检测器排布的显著优点。因为光检测器较少突出，该连接在机械上十分结实，组件易于控制，并且波导和光检测器之间的光学连接更好。

典型地，在波导平面中的光检测器2的窗口2.3的截面尺寸为2×2mm2，并且一般其高度值是大约0.5mm。这表明，当波导依本发明所确定由具有20至500μm层厚的聚合物构成时，与其匹配的凹槽1.3能够通过刻印毫无问题地在波导1中形成。

根据图4，通过在波导上切割出开口，而该开口正好具有光检测器2的窗口2.3的截面轮廓，窗口通过开口伸入并且开口截面在波导中与窗口2.3粘接，则能够将光检测器2也固定在波导1。这样的排布是尤其平整的。还要提及的是，还有可能通过压印工艺或气相沉积工艺直接在波导的表面上制造光检测器。

在图1中可见的光指示器4能够为激光器，其能够作为仿真枪支的一部分，并能够将波长为532nm的频率调制的绿色激光3.1发送到探测器面上。在那里通过已经介绍过的方式激发光致发光，由此产生的长波的光在波导1中传递，并由此在光检测器2中产生电信号。该电信号能够通过导线5和在大多数情况下通过插入装置

6进一步传导至数据处理装置7，其中所述插入装置能够包括滤波器和/或接口电路。

依照本发明的探测器面能够作为柔性的层安装在人们的衣服上。当使用激光器4将光脉冲发送到探测器面上时，探测器面上的各个点，即激光器4的光脉冲3.1命中指示面

的点的坐标能够通过数据处理装置7识别，该识别是通过例如借助以上描绘的算法，从多个光检测器的信号计算出这个坐标。

所述的探测器面还能在大的平面实现中成本低廉地制造。它能够由在很大程度上透明的材料整个构成。为此着色剂是必要的，其仅在可见光谱的边缘或之外进行吸收。

因为例如能够通过选择在层1.2中的光致发光的颗粒来进行设定，仅达到目标的光中确定的狭窄谱能完全激发光致发光，并通过使用正好在此光谱范围内发强光的光指示器4，设备能够具有非常好的对环境光的不敏感性。

还可能通过光指示器4来发射具有在时间上频率调制(zeitlichfrequenzmoduliert)的强度的光。也就是说，辐射3.1的强度在时间上以确定的频率波动。该频率将利用通信技术的手段从光检测器2提供的信号中过滤出去。通过应用不同频率编码的激光，通过使用滤波器可能实现，区分多个同时命中的激光，并识别在探测器面上的各个命中位置。

环境光线还能够通过安装在探测器面上的层被过滤掉，该层只允许在确定的光谱范围内的光通过。

在一个有益的实施方式中，为了产生电能而应用存在于探测器面上的光检测器，所述电能例如由读出电子设备和无线数据传输所使用。

还要补充强调的是，光线3.1并不必须强制为激光。只不过当光线3.1是激光的时候会得到特别有益的关系(Verhaltnis)，这是因为激光根据其特性能够被很精确地确定，并且还能够简单地实现在与光源距离非常大的情况下的探测。

模拟枪支的应用最好使探测器面的连接与移动通讯设备相结合，因为移动通讯设备可承担命中评价，并通过声音和/或视觉信号指示命中。此外，通讯设备能够采用与数据处理设备的无线的电连接，以便将事件的评价描述在屏幕上或经互联网来描述。

另一个有益的应用是将探测器面安装在建筑物中和在建筑物上的表面上，以便将其用作不同设备例如照明、遮蔽设备、自动大门和房门、或者电子设备的开关来使用。探测器面能够使用光指示器从远处启动。其优点在于，单个光指示器能够被作为大量应用的通用遥控器来使用。通过在确定的设备上、或者在设备确定的面区域上或者部分上布置探测器面，能够建立一种可简单且清楚理解的分配(Zuordnung)：何种应用以何种方式处理，或者在何种应用中应该通过该开关作用，或者有关何事应该通过该开关报告信息。

通过对每个光指示器特殊的时间调制，能够数码加密地传送光指示器的序号。从探测器面给出的信号不仅包括光斑点的命中点的信息，而且还包括能从该信息中识别的数字信息，通过所述信号能确定命击的光斑点是源自哪一个光指示器的。一个连接在探测器面之后的、处理其信号的电子设备能够被编程，使得其能够读取序号，并且仅进一步处理来自一个或多个完全确定的光指示器中发出的信号，这些光指示器能够通过其特殊序号识别。所述设备的开关能够仅通过这些确定的光指示器来激发。从而光指示器就同时作为钥匙和遥控器。

此类功能至今大多借助无线电或不具方向性的红外传递来实现，这导致的结果是，为了破译编码和能够不经授权使用设备，必须在输入设备上为每台设备和每项功能设置不同的按键，并且信号要能够被拦截。

在所述情况下，通过直接的光传导几乎不可能出现不希望出现的对信号的窃听，这是因为信号仅在一个方向上发射。

此外，受控设备通过操作者来瞄准，因而不必为了所有设备和功能在遥控上准备按键。

当然，还能够在指示设备上设有多个按键，通过这些按键能够激发彼此被不同地编码的光指示器。因而，能够为探测器面的单个面区域分配不同的、待接通的功能，这些功能根据通过指示设备的哪些键，命中所述面区域的光指示器来激发。

Claims (12)

1.一种由一个或多个平面层构成的、关于光信号的探测器面，所述探测器面作为柔性的包围面围绕物体或者在物体上安装，以便探测物体是否和/或在哪里由光指示器命中，其中，所述探测器面由一个或多个平面的光波导构成，其中，所述平面的光波导中的至少一层具有光致发光的属性，并且其中，平面的光波导与至少一个光检测器通过透光的接触面相连，

所述探测器面的特征在于，

所述平面的光波导(1)是作为由具有20至500μm的厚度的透明的聚合物形成的膜，并且光检测器(2)中的至少一个与所述光波导的所有边缘具有一定距离地安装在所述光波导(1)上。

2.根据权利要求1所述的探测器面，其特征在于，所述探测器面由大量在几何上互相靠近的光波导(1)的部分面构成，所述部分面相对于光波导彼此分离，并且其中为每个光波导安装至少一个光检测器(2)。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的探测器面，其特征在于，至少一个光波导设有多个彼此以一定距离安装的光检测器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的探测器面，其特征在于，光检测器(2)粘接在光波导的凹槽(1.3)之中。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的探测器面，其特征在于，光检测器(2)插入在光波导(1)中的开口，并与所述开口的边缘粘接。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的探测器面，其特征在于，所述光检测器通过压印工艺或气相沉积工艺直接在所述波导的表面上制造。

7.根据前述权利要求中任一项所述的探测器面，其特征在于，在所述光检测器(2)之后连接有滤波器(6)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的探测器面，其特征在于，所述探测器面是人们衣服的一部分。

9.根据前述权利要求中任一项所述的探测器面，其特征在于，所述探测器面作为设备的开关使用，所述设备能够借助光指示器从远处操作。

10.根据权利要求9所述的探测器面，其特征在于，通过所述开关进行开关的设备是围绕其安装有所述探测器面或在其上安装有所述探测器面的物体本身。

11.根据权利要求9所述的探测器面，其特征在于，通过所述开关进行开关的设备作用在那些围绕其安装有所述探测器面或在其上安装有所述探测器面的物体上，和/或产生和/或进一步传递有关所述物体的信息。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的探测器面，其特征在于，所述探测器面与光指示器组合使用，所述光指示器发送对其进行标记的、在时间上调制的光信号，并且在所述探测器面之后连接一装置，所述装置能够执行对来自于所述探测器面的调制信号的处理，所述处理依赖于哪些信息在调制中进行了编码。

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