DE102004051565B4 - Optoelectronic arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects as well as force and / or moment sensor, pan / zoom sensor and PC keyboard with such an arrangement - Google Patents
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Abstract
Optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, die mindestens einen eindimensionalen positionsempfindlichen Detektor umfasst, wobei der positionsempfindliche Detektor von mindestens zwei Lichtemissionseinrichtungen beleuchtet wird, um mindestens zwei Messzellen mit einem gemeinsamen Detektor zu bilden, wobei jede der von einem gemeinsamen Detektor gebildeten Messzellen eine im Strahlengang der entsprechenden Lichtemissionseinrichtung zwischen der genannten Lichtemissionseinrichtung und dem positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende aufweist, wobei der positionsempfindliche Detektor in funktionalem Zusammenhang mit zwei benachbarten Schlitzblenden steht, wobei die zwei benachbarten Schlitzblenden einen Winkel zusammen einschließen und jeweils zueinander senkrecht angeordnete Schlitze aufweisen, wobei der eindimensionale positionsempfindliche Detektor um jeweils 45° zu jeder durch die Schlitze der zwei benachbarten Schlitzblenden entstehenden Lichtebenen verdreht ist, und wobei jede der zwei benachbarten Schlitzblenden in Richtung der zur benachbarten Schlitzblende gehörigen Lichtemissionseinrichtung angeordnet ist.Optoelectronic arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects, which comprises at least one one-dimensional position-sensitive detector, the position-sensitive detector being illuminated by at least two light emission devices in order to form at least two measuring cells with a common detector, each of the measuring cells formed by a common detector has a slit diaphragm arranged in the beam path of the corresponding light-emitting device between said light-emitting device and the position-sensitive detector, the position-sensitive detector being functionally connected to two adjacent slit diaphragms, the two adjacent slit diaphragms enclosing an angle together and each having slots arranged perpendicular to one another, the one-dimensional position sensitive detector at 45 ° to each through the slots of the two adjacent S The resulting light planes are twisted, and each of the two adjacent slit diaphragms is arranged in the direction of the light emission device belonging to the adjacent slit diaphragm.
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, welche Anordnung mindestens einen positionsempfindlichen Detektor umfasst, wobei jeder positionsempfindliche Detektor von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet wird, um eine Messzelle zu bilden. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraft- und/oder Momentsensor, der sich einer solchen Anordnung bedient. Schließlich betrifft die Erfindung eine PC-Tastatur, die den erfindungsgemäßen Kraft- und/oder Momentsensor aufweist.The invention relates to an optoelectronic arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects, which arrangement comprises at least one position-sensitive detector, wherein each position-sensitive detector is illuminated by a light-emitting device in order to form a measuring cell. Furthermore, the invention relates to a force and / or torque sensor, which makes use of such an arrangement. Finally, the invention relates to a PC keyboard having the force and / or torque sensor according to the invention.
Für den Computeranwender wird es immer wichtiger dreidimensionale Bewegungen durch ein Peripheriegerät zu steuern. Dabei wird eine dreidimensionale Auslenkung durch das Peripheriegerät erfasst und als Translation (X, Y, Z) und/oder als Rotation (A, B, C) im Raum beschrieben. Die wichtigste Komponente ist der Sensor, der die Auslenkung in bis zu sechs (6) Freiheitsgraden messen kann.For the computer user, it is becoming increasingly important to control three-dimensional movements through a peripheral device. In this case, a three-dimensional deflection is detected by the peripheral device and described as translation (X, Y, Z) and / or as rotation (A, B, C) in space. The most important component is the sensor, which can measure the deflection in up to six (6) degrees of freedom.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Die
Die
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DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDES PROBLEMTHE PROBLEM CONSTITUTING THE INVENTION
Optoelektronische Anordnungen zum Messen von Relativbewegungen oder Relativpositionen, sowie Kraft- und/oder Momentsensoren, die sich solcher Anordnungen bedienen, haben in der Vergangenheit vor allem in industriellen Anwendungen Bedeutung gewonnen. Beispiele sind das Steuern von Robotern und das Messen von Kräften an Kfz-Prüf- und Messständen. Den Anordnungen und Sensoren bieten sich aber prinzipiell auch im Bürobereich sowie in der Unterhaltungselektronik kommerziell höchst interessante Anwendungsmöglichkeiten. Sie haben hierbei die Funktion eines Eingabegerätes, mit dem bis zu sechs Komponenten eingegeben werden können, im Gegensatz zu einem Joystick, einer Maus oder einem Trackball, die im allgemeinen die Eingabe von nur zwei Komponenten erlauben. Eine einfache und bequeme Eingabe von sechs Komponenten, wie es ein Kraft- und/oder Momentsensor mit einer optoelektronischen Anordnung erlaubt, ist zum Beispiel zur Steuerung von 3D-Konstruktionssoftware und anspruchsvollen Computerspielen wünschenswert. Die bisherigen Eingabegeräte sind allerdings aufgrund ihres Flächen/Volumenbedarfs ausgesprochen unhandlich, was einer weiterreichenden Verbreitung wesentlich entgegenstand. Eine Miniaturisierung würde den Einbau z. B. in Spielkonsolen, PC-Tastaturen oder Notebook-Computern erlauben, und dadurch eine breite Marktdurchdringung ermöglichen.Optoelectronic arrangements for measuring relative movements or relative positions, as well as force and / or moment sensors, which use such arrangements, have gained importance in the past, especially in industrial applications. Examples include controlling robots and measuring forces on vehicle test benches. The arrangements and sensors offer in principle, however, in the office sector and in consumer electronics commercially very interesting applications. Here you have the function of an input device, with which up to six components can be entered, in contrast to a joystick, a mouse or a trackball, which generally allow the input of only two components. A simple and convenient input of six components, as permitted by a force and / or moment sensor with an opto-electronic device, is desirable, for example, for controlling 3D design software and demanding computer games. However, the previous input devices are extremely cumbersome due to their surface / volume requirements, which was substantially contrary to wider dissemination. A miniaturization would the installation z. As in game consoles, PC keyboards or notebook computers, and thereby enable a broad market penetration.
Die typischen 3D Eingabegeräte dienen der Ansichtsmanipulation von dreidimensionalen Objekten in gleichzeitig 6 Freiheitsgraden (6DOF = 3 Translationen und 3 Rotationen). Die Kappe bzw. die Kugel des 3D Eingabegeräts ist federnd gelagert und erlaubt eine beliebige Auslenkung im Raum (6DOF). Diese Gruppe von Eingabegeräte sind auf Kunden mit echten 3D Anwendungen (6DOF) gezielt, wie z. B. Catia oder andere CAD Anwendungen.The typical 3D input devices are used for manipulating the views of three-dimensional objects in 6 degrees of freedom (6DOF = 3 translations and 3 rotations). The cap or the ball of the 3D input device is spring-mounted and allows any deflection in space (6DOF). This group of input devices are aimed at customers with real 3D applications (6DOF), such as: Catia or other CAD applications.
Neben den echten 6DOF Anwendungen gibt es auch eine große Gruppe von Anwendungen, in denen ein Objekt zu drehen nicht gewünscht ist. Beispiele für solche Anwendungen sind die Office Produkte (Word, Excel, Powerpoint, usw.) und Bildverarbeitungsprogramme (Adobe Photoshop, Acrobat Reader, usw.). Das manipulierte Objekt ist meist eine zwei-dimensionales Vorlage („beschriftetes und/oder bemaltes Papier”), bei dem eine Verdrehung der Vorlage nicht gewollt ist. Der Wunsch des Kunden die Ansicht zu verändern bleibt, aber er beschränkt sich auf das Verschieben (Pan – 2 DOF) und das Vergrößern/Verkleinern (Zoom – 1 DOF) des Objekts.In addition to the true 6DOF applications, there is also a large group of applications in which an object is not desired to rotate. Examples of such applications are the Office products (Word, Excel, Powerpoint, etc.) and image processing programs (Adobe Photoshop, Acrobat Reader, etc.). The manipulated object is usually a two-dimensional template ("labeled and / or painted paper"), in which a rotation of the template is not wanted. The customer's desire to change the view remains, but it is limited to moving (Pan - 2 DOF) and zooming in / out (Zoom - 1 DOF) of the object.
Ziel einer Entwicklung für diese Kundengruppe, ist der Bau eines Eingabegeräts, welches speziell für Pan/Zoom-Anwendungen geeignet ist. Damit könnte man sich den kostspieligen Aufwand eines vollwertigen 3D Sensors (6DOF) sparen, bei dem die drei rotatorischen Bewegungen einfach ignoriert werden.The aim of a development for this customer group is the construction of an input device, which is especially suitable for Pan / Zoom applications. This would save you the costly overhead of a full 3D sensor (6DOF), ignoring the three rotatory movements.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt somit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte zu schaffen, die im Vergleich zu den bekannten Anordnungen ein wendigeres Design vorsieht. Zum Beispiel könnte das Design der Anordnung effizienter und/oder flexibler sein oder einen geringeren Flächenbedarf aufweisen. Ferner könnte das Design der Anordnung preiswerter sein und/oder speziell für Pan/Zoom-Anwendungen geeignet sein.Starting from the prior art, the present invention is therefore based on the object to provide an arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects, which provides a manoeuvrable design compared to the known arrangements. For example, the design of the assembly could be more efficient and / or more flexible or have a smaller footprint. Furthermore, the design of the assembly could be cheaper and / or more suitable for pan / zoom applications.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraft- und/oder Momentsensor zu schaffen, der ebenfalls ein im Vergleich zu den bekannten Sensoren eleganteres Design erlaubt. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Eingabegerät für den Einsatz im Büro zu schaffen, das eine unkomplizierte Eingabe von bis zu sechs Kraft- bzw. Drehmomentkomponenten erlaubt.In addition, the invention has for its object to provide a force and / or torque sensor, which also allows a more elegant compared to the known sensors design. Finally, the invention has for its object to provide an input device for use in the office, which allows an uncomplicated input of up to six force or torque components.
ERFINDUNGSGEMÄSSE LÖSUNGINVENTION SOLUTION
Zum Erfüllen dieser Aufgabe lehrt die Erfindung eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, die durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist. Die Erfindung lehrt weiter einen Kraft- und/oder Momentsensor, der durch die Merkmale des Anspruchs 9 definiert ist. Vorzugsweise dient der Kraftsensor als Pan/Zoom-Sensor für Bildverarbeitung und anderer gleichartigen Büroanwendungen. Schließlich lehrt sie auch eine Personalcomputer-Tastatur, die durch die Merkmale des Anspruchs 20 definiert ist.To achieve this object, the invention teaches an optoelectronic device for detecting relative movements or relative positions of two objects, which is defined by the features of claim 1. The invention further teaches a force and / or torque sensor, which is defined by the features of claim 9. Preferably, the force sensor serves as a pan / zoom sensor for image processing and other similar office applications. Finally, it also teaches a personal computer keyboard, which is defined by the features of claim 20.
AUFBAU UND WEITERBILDUNG DER ERFINDUNGSGEMÄSSEN LÖSUNGCONSTRUCTION AND TRAINING OF THE INVENTION SOLUTION
Eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte gemäß einer Form der Erfindung umfasst mindestens einen positionsempfindlichen Detektor und ist dadurch gekennzeichnet, dass der positionsempfindliche Detektor von mindestens zwei Lichtemissionseinrichtungen beleuchtet wird, um zwei Messzellen mit einem gemeinsamen Detektor zu bilden.An optoelectronic arrangement for detecting relative movements or relative positions of two objects according to a form of the invention comprises at least one position-sensitive detector and is characterized in that the position-sensitive detector is illuminated by at least two light-emitting devices in order to form two measuring cells with a common detector.
Erfindungsgemäß weist jede der zwei von einem gemeinsamen Detektor gebildeten Messzellen eine im Strahlengang der entsprechenden Lichtemissionseinrichtung zwischen der genannten Lichtemissionseinrichtung und der positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende auf. Jeder positionsempfindliche Detektor steht in Zusammenhang mit zwei benachbarten Schlitzblenden.According to the invention, each of the two measuring cells formed by a common detector has a slit diaphragm arranged in the beam path of the corresponding light emitting device between said light emitting device and the position sensitive detector. Each position sensitive detector is associated with two adjacent slit diaphragms.
Dabei kann eine Schlitzrichtung zumindest einer der Schlitzblenden schräg in Bezug auf den lichtempfindlichen Teil des Detektors ausgerichtet sein. In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung bildet eine Lichtebene, die durch zumindest eine der Schlitzblenden strahlt und auf den Detektor fällt, einen Winkel mit einer Ebene eines lichtempfindlichen Teils des Detektors.In this case, a slot direction of at least one of the slit diaphragms can be aligned obliquely with respect to the photosensitive part of the detector. In a preferred embodiment of the optoelectronic device, a plane of light radiating through at least one of the slit diaphragms and incident on the detector forms an angle with a plane of a photosensitive part of the detector.
Dabei wird bevorzugt, dass jeder Detektor abwechselnd (z. B. periodisch) von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet wird, wobei ein Messwert des Detektors zur gleichen Zeit ausgelesen wird. In anderen Worten wird der Detektor jeder Messzelle zu einer bestimmten Zeit nur von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet, wobei der Messwert des Detektors zur gleichen Zeit ausgelesen wird.In this case, it is preferred that each detector is illuminated alternately (eg periodically) by a light emission device, wherein a measured value of the detector is read out at the same time. In other In other words, the detector of each measuring cell is illuminated by a light-emitting device at a specific time only, with the measured value of the detector being read out at the same time.
In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung bildet die Lichtebene einen Winkel mit einer Ebene des lichtempfindlichen Teils des Detektors. Vorzugsweise verläuft eine Schlitzrichtung einer der Schlitzblenden im Wesentlichen senkrecht zum lichtempfindlichen Teil des Detektors.In a preferred embodiment of the optoelectronic device, the light plane forms an angle with a plane of the photosensitive part of the detector. Preferably, a slot direction of one of the slit diaphragms is substantially perpendicular to the photosensitive part of the detector.
In der erfindungsgemäßen Ausführung dieser optoelektronischen Anordnung steht der positionsempfindliche Detektor in Zusammenhang mit zwei benachbarten Schlitzblenden, wobei der positionsempfindliche Detektor als Teil zwei verschiedener Messzellen dient. Bevorzugt wird jede Schlitzblende von ihrer eigenen Lichtemissionseinrichtung beleuchtet, sodass jeder positionsempfindliche Detektor von zwei Lichtemissionseinrichtungen beleuchtet wird, um zwei Messzellen mit einem gemeinsamen Detektor zu bilden.In the embodiment of this optoelectronic device according to the invention, the position-sensitive detector is associated with two adjacent slit diaphragms, the position-sensitive detector serving as part of two different measuring cells. Preferably, each slit is illuminated by its own light emitting device so that each position sensitive detector is illuminated by two light emitting devices to form two measuring cells with a common detector.
In einer besonders bevorzugten Bauweise wird jede der zwei benachbarten Schlitzblenden von einer jeweils angeordneten Lichtemissionseinrichtung beleuchtet. Die zwei benachbarten Schlitzblenden schließen zusammen einen Winkel ein und weisen erfindungsgemäß jeweils zueinander senkrecht angeordnete Schlitze auf.In a particularly preferred construction, each of the two adjacent slit diaphragms is illuminated by a respectively arranged light emitting device. The two adjacent slit diaphragms together enclose an angle and according to the invention each have mutually perpendicular slits.
Die optoelektronische Anordnung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass die Messzellen gruppenweise angeordnet sind.The optoelectronic arrangement may further be characterized in that the measuring cells are arranged in groups.
In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung der Erfindung ist ein Element jeder Messzelle bestehend aus Lichtemissionseinrichtung, Schlitzblende und Detektor relativ zu den anderen beiden Elementen bewegbar. Das bewegbare Element ist bevorzugt im Drehzentrum der Messzelle angeordnet, sodass die Messzelle hauptsächlich nur (d. h. ausschließlich) translatorische Bewegungen erfassen kann. Daher kann diese Messzelle grundsätzlich keine rotatorischen Bewegungen erfassen. Rotationen können nur erfasst werden, wenn sich das bewegliche Element mit einem Abstand vom Drehzentrum entfernt befindet. Ist dieser Abstand vom Drehzentrum null bzw. minimal, ist die Messzelle „blind” bzw. „fast blind” für die rotatorische Bewegung.In a preferred embodiment of the optoelectronic device of the invention, one element of each measuring cell consisting of light emitting device, slit diaphragm and detector is movable relative to the other two elements. The movable element is preferably arranged in the center of rotation of the measuring cell, so that the measuring cell can detect mainly only (that is to say exclusively) translatory movements. Therefore, this measuring cell can basically detect any rotational movements. Rotations can only be detected when the moving element is at a distance from the center of rotation. If this distance from the center of rotation is zero or minimal, the measuring cell is "blind" or "almost blind" for the rotational movement.
In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung der Erfindung umfasst die Anordnung mindestens drei Messzellen, bevorzugt von drei bis sechs Messzellen oder auch sogar mehr als sechs Messzellen.In a preferred embodiment of the optoelectronic device of the invention, the device comprises at least three measuring cells, preferably from three to six measuring cells or even more than six measuring cells.
In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung der Erfindung ist zumindest eine aus Lichtemissionseinrichtung, Schlitzblende und Detektor bestehende Messzelle mit einer beweglichen Lichtemissionseinrichtung versehen, wobei diese Messzelle einen größeren Arbeitsbereich bzw. Bewegungsbereich hat.In a preferred embodiment of the optoelectronic device of the invention, at least one measuring cell comprising light emitting device, slit diaphragm and detector is provided with a movable light emitting device, this measuring cell having a larger working range or range of motion.
In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung sind alle Lichtemissionseinrichtungen, bevorzugt Infrarot-Leuchtdioden (ILEDs), und positionsempfindlichen Detektoren, bevorzugt positionsempfindliche Infrarotdetektoren, in einer gemeinsamen (ersten) Ebene angeordnet.In one possible development of the invention, all light emitting devices, preferably infrared light emitting diodes (ILEDs), and position sensitive detectors, preferably position sensitive infrared detectors, are arranged in a common (first) plane.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Kraft- und/oder Momentsensor vorgesehen, der durch eine erfindungsgemäße optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte gekennzeichnet ist. Die zwei Objekte bestehen bevorzugt aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte, wobei die erste Platte und die zweite Platte elastisch miteinander verbunden und relativ zueinander bewegbar sind.According to another aspect of the invention, a force and / or torque sensor is provided, which is characterized by an optoelectronic arrangement according to the invention for detecting relative movements or relative positions of two objects. The two objects are preferably made of a first plate and a second plate, wherein the first plate and the second plate are elastically connected to each other and movable relative to each other.
Die 3D Eingabegeräte gemäß der Erfindung können mit einem Kraft- und/oder Momentsensor gleichgesetzt werden. Die translatorischen Bewegungen (X, Y, Z) entsprechen den Kräften (Fx, Fy, Fz) und die rotatorischen Bewegungen (A, B, C) entsprechen den Momenten (Mx, My, Mz). Ein Pan/Zoom Sensor entspricht einem Kraftsensor (Fx, Fy, Fz), da der Pan/Zoom Sensor nur translatorische Bewegungen (X, Y, Z) erfassen kann.The 3D input devices according to the invention can be equated with a force and / or torque sensor. The translational movements (X, Y, Z) correspond to the forces (F x , F y , F z ) and the rotational movements (A, B, C) correspond to the moments (M x , M y , M z ). A pan / zoom sensor corresponds to a force sensor (F x , F y , F z ), since the pan / zoom sensor can only detect translational movements (X, Y, Z).
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mitgeteilt.Further preferred embodiments of the invention are disclosed in the independent claims and in the following description of exemplary embodiments.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
In den nachfolgenden Figuren sind Ausführungsbeispiele dargestellt, wobei einander funktionsgleiche oder funktionsähnliche Bauteile mit denselben Bezugzeichen gekennzeichnet sind. Es zeigt:In the following figures, embodiments are shown, wherein functionally identical or functionally similar components are identified by the same reference numerals. It shows:
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Optischer SensorOptical sensor
Sensoren zum Erfassen der dreidimensionalen Auslenkung sind durch optische Elemente aufgebaut worden. Dabei hat sich die Anordnung von einer LED (Light Emittent Diode, Leuchtdiode), einer Blende und einem PSD (Position Sensitivity Detector) als Messzelle eines Gesamtsensors bewährt. In der
Eine LED sendet einen Lichtkegel aus, der auf eine Schlitzblende trifft und die hinter der Blende verbleibende Lichtebene schneidet sich mit einem eindimensionalen PSD. Der Schnittpunkt der Lichtebene mit dem PSD kann durch einen skalaren Faktor λ beschrieben werden. Er gibt den vorzeichenbehafteten Abstand des Schnittpunkts auf dem PSD von der Ruhelage (Ausgangsposition) an. Später wird der Faktor λ als die ermittelte Spannung des PSD's verstanden. Durch die Anordnung der drei optischen Elemente zu einer Messzelle ergibt sich eine wichtige Eigenschaft. Die Messzelle erfasst bestimmte Bewegungen (X, Y, Z, A, B oder C) und kann gleichzeitig anderer Bewegungen nicht messen. Somit kann jede einzelne Messzelle als Sensor für bestimmte Bewegungen betrachtet werden. Die Summe aller erfassten Bewegungen ergibt den Messraum des gesamten Sensors.An LED emits a cone of light that strikes a slit and the light plane remaining behind the panel intersects with a one-dimensional PSD. The intersection of the light plane with the PSD can be described by a scalar factor λ. It indicates the signed distance of the point of intersection on the PSD from the rest position (starting position). Later, the factor λ is understood as the detected voltage of the PSD. The arrangement of the three optical elements to form a measuring cell results in an important property. The measuring cell detects certain movements (X, Y, Z, A, B or C) and at the same time can not measure other movements. Thus, each individual measuring cell can be considered as a sensor for certain movements. The sum of all detected movements gives the measuring space of the entire sensor.
Parameter einer MesszelleParameters of a measuring cell
Für die genaue Beschreibung der Messzelle ist die Position der LED, der Blende und des PSD's erforderlich. Als Positionsangabe wird bei der LED die Quelle des erzeugten Lichts verwendet. Bei der Blende und dem PSD wird der Mittelpunkt des optischen Elements benutzt. Dies ist zwar nicht dringend erforderlich, macht jedoch die weitere Rechnung übersichtlicher und bewirkt, dass der skalare Faktor in der Ruhelage den Wert λ = 0 hat. Zusätzlich wird die Richtung des Schlitzes in der Blende benötigt, sowie die Richtung des positionsempfindlichen Bereichs des PSD's.
Bei der Festlegung der Parameter gelten einige Annahmen. Der Lichtkegel der LED wirft sein Licht auf die Blende und die entstandene Lichtebene schneidet sich im gesamten Arbeitsbereich mit dem PSD.When defining the parameters, some assumptions apply. The light cone of the LED sheds its light on the screen and the resulting light plane intersects with the PSD throughout the working area.
Für die späteren Überlegungen ist es nützlich die Blickrichtung der LED festzulegen. Sie ergibt sich aus der LED Position und der Blendenposition, sowie der LED Position und der PSD Position. Dabei geht man davon aus, dass die drei Punkte (LED, IRISpos und PSDpos) so angeordnet sind, dass sie sich auf einer Geraden befinden.For later considerations, it is useful to define the viewing direction of the LED. It results from the LED position and the aperture position, as well as the LED position and the PSD position. It is assumed that the three points (LED, IRISpos and PSDpos) are arranged so that they are on a straight line.
Der Vektor der Blickrichtung LEDdir ist auf die Länge 1 normiert. Die Normierung auf die Länge 1 gilt auch für die Richtung der Schlitzblende und für die Richtung des lichtempfindlichen Bereichs des PSD's.The vector of viewing direction LEDdir is normalized to length 1. The normalization to length 1 also applies to the direction of the slit and to the direction of the photosensitive area of the PSD.
Die Dicke der Schlitzblende und des positionsempfindlichen Bereichs wird als ideal dünn angesehen. Das Kreuzen der Lichtebene mit dem PSD ergibt idealisiert einen Schnittpunkt und keine Schnittfläche. Die Größe λ gibt den Abstand des Schnittpunkts von der Ruhelange an. Es ergeben sich positive Werte für die Größe λ, wenn der Schnittpunkt sich von der Ruhelage in Richtung PSDdir bewegt und negative Werte für die entgegengesetzte Auslenkung. Natürlich kann die Festlegung der Größe λ nach belieben anders vorgenommen werden und die Ruhelage muss nicht notwendigerweise im Mittelpunkt sein. Eine andere Festlegung hat Einfluss auf die Berechnung/Arbeitsbereich der einzelnen Messzellen, aber nicht auf die grundsätzliche Funktion oder die Anordnung von mehreren Messzellen.The thickness of the slit and the position sensitive area are considered to be ideally thin. Crossing the light plane with the PSD ideally results in an intersection and no intersection. The size λ indicates the distance of the point of intersection from the rest length. There are positive values for the Size λ when the intersection moves from the rest position toward PSDdir and negative values for the opposite displacement. Of course, the determination of the size λ can be made differently as desired and the rest position does not necessarily have to be in the center. Another specification has an influence on the calculation / working range of the individual measuring cells, but not on the basic function or the arrangement of several measuring cells.
In der
Später wird der Abstand des Kreuzungspunktes von der Ruhelage (Größe λ) durch eine elektrische Spannung U1...6 des zugehörigen PSD's angegeben. Je größer der Betrag der Spannung, um so größer ist der Abstand des Kreuzungspunktes von der Ruhelage. Das Vorzeichen der Spannung gibt an, auf welcher Seite (PSDdir) von der Ruhelage der Kreuzungspunkt liegt.Later, the distance of the crossing point from the rest position (size λ) by an electrical voltage U 1 ... 6 of the associated PSD's is specified. The greater the amount of voltage, the greater the distance of the crossing point from the rest position. The sign of the voltage indicates on which side (PSDdir) from the rest position the crossing point lies.
Berechnung des SchnittpunktsCalculation of the point of intersection
Die Messzelle erfasst die relative Bewegung der drei optischen Elemente zueinander. Dabei wird die Größe λ bestimmt. Es wird davon ausgegangen, dass sich ein optisches Element (LED, Blende oder PSD) bewegt und die anderen beiden Elemente fest positioniert sind. Der Fall, dass sich zwei optische Elemente bewegen, kann auf den Fall mit einem beweglichen optischen Element übergeführt werden, solange sich die beweglichen Elemente gleichartig (starr verkoppelt) bewegen. Es ergeben sich drei verschiedene Szenarien:The measuring cell detects the relative movement of the three optical elements to each other. The size λ is determined. It is assumed that one optical element (LED, aperture or PSD) moves and the other two elements are firmly positioned. The case of moving two optical elements can be transferred to the case with a movable optical element as long as the moving elements move in the same way (rigidly coupled). There are three different scenarios:
Erfasste Bewegung 1. LED beweglich Detected movement 1. LED movable
2. Blende beweglich 2. Aperture mobile
3. PSD beweglich 3. PSD mobile
Der Vektor Translate gibt die Verschiebung des beweglichen optischen Elements an. Mit der Matrix Rotate wird die Verdrehung (Rotation) des beweglichen optischen Elements um den Koordinatenursprung beschrieben (z. B. mit den Winkeln roll, pitch, yaw). In der Ruhelage ist der Vektor Translate 0 und die Matrix Rotate ist gleich der Einheitsmatrix.The vector Translate indicates the displacement of the movable optical element. The Matrix Rotate describes the rotation of the moving optical element around the origin of the coordinates (eg with the angles roll, pitch, yaw). In the rest position, the vector is Translate 0 and the matrix Rotate is equal to the unit matrix.
Berechnung einer translatorischen BewegungCalculation of a translatory movement
Die obigen Gleichungen werden weiter aufgelöst. Der rotatorische Anteil wird in den translatorischen Anteil übergeführt. Eine rotatorische Bewegung kann nur deshalb von der Messzelle erfasst werden, weil aufgrund eines Hebels die Verdrehung auch zu einer Verschiebung führt.
Die Drehung wird in den Translate Vektor „übergeführt” und enthält dann auch die translatorische Bewegung, die durch die Rotation des beweglichen Anteils auftritt. Dieser translatorische Anteil kann nur auftreten, wenn das bewegliche Teil sich nicht im Rotationszentrum befindet. Die eigentliche Rotation des beweglichen Teils wird ignoriert. Die Vereinfachung des Anteils Rotate·Translate ≈ Translate wird angewendet.The rotation is "translated" into the Translate vector and then also contains the translational motion that occurs due to the rotation of the moving part. This translational part can only occur when the moving part is not in the center of rotation. The actual rotation of the moving part is ignored. The simplification of the proportion Rotate · Translate ≈ Translate is applied.
Die relative translatorische Bewegung des beweglichen Teils der Messzelle wird neu bestimmt und ist somit:
Unter der Bedingung:
Änderungen ohne funktionalen Einfluss auf die MesszelleChanges without functional influence on the measuring cell
Die obigen Gleichungen beschreiben ganz allgemein den Aufbau einer Messzelle. Aufgrund der geometrischen Anordnung wird sichtbar, dass in der Messzelle Parameter verändert werden können, ohne dass sich die Funktionsweise der Messzelle ändert. Bestimmte Änderungen an einem Parameter oder mehreren Parametern der Messzelle sind somit nicht von Bedeutung für die eigentliche Funktion. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher „Spielraum” für die Anordnung der Messzelle, der zwar einen veränderten geometrischen Aufbau verursacht, aber keinen Einfluss auf die Funktion der Messzelle hat.The above equations generally describe the construction of a measuring cell. Due to the geometric arrangement, it becomes apparent that parameters can be changed in the measuring cell without the functioning of the measuring cell changing. Certain changes to one or more parameters of the measuring cell are therefore not relevant to the actual function. This results in an additional "margin" for the arrangement of the measuring cell, which causes a changed geometric structure, but has no influence on the function of the measuring cell.
In der
In der
In der
Die Lichtebene um den LEDdir Vektor drehenTurn the light plane around the LEDdir vector
Es gibt andere Veränderungen an der Anordnung der Messzelle, die die Funktionalität der Messzelle beeinflussen. Dabei wird die übliche senkrechte oder quasi senkrechte Anordnung aufgegeben. Das Drehen der Blende um den LEDdir Vektor verursacht, dass die Lichtebene nur noch in einer Richtung senkrecht oder quasi senkrecht auf den PSD trifft. Die
In der
Tabelle 6a Table 6a
Translationsfehler 3.9%, Rotationsfehler 9.1% Tabelle 6b Translation error 3.9%, rotation error 9.1% Table 6b
Die Lichtebene um den IRISdir Vektor drehenTurn the light plane around the IRISdir vector
Eine weitere Veränderung der Messzelle erreicht man durch das Drehen der Lichtebene um den IRISdir Vektor. Die
In der
Tabelle 8a Table 8a
Translationsfehler 7.3%, Rotationsfehler 5.5% Tabelle 8b Translation error 7.3%, rotation error 5.5% Table 8b
Regeln für das Design eines optischen 3D Sensors Rules for the design of an optical 3D sensor
Gruppenbildunggrouping
Aus den einzelnen Messzellen soll ein kompletter 3D Sensor (Pan/Zoom – 3 Freiheitsgrade oder mit 6 Freiheitsgraden) aufgebaut werden. Dabei gilt die grundlegende Regel, dass mit N Messzellen bestenfalls ein N dimensionaler Sensor aufgebaut werden kann. Der Sensor wird dabei immer in einem kartesischen Koordinatensystem gesehen, das der rechten Handregel entspricht. Das Ziel der nachfolgenden Gruppenbildung ist, Regeln zu erstellen mit deren Hilfe Gruppen von Messzellen (eine oder mehrere Messzellen) bestimmte Freiheitsgrade im kartesischen Raum erfassen können.From the individual measuring cells, a complete 3D sensor (Pan / Zoom - 3 degrees of freedom or with 6 degrees of freedom) should be set up. The basic rule is that with N measuring cells at best an N dimensional sensor can be built up. The sensor is always seen in a Cartesian coordinate system, which corresponds to the right hand rule. The goal of subsequent group formation is to create rules with which groups of measuring cells (one or more measuring cells) can detect certain degrees of freedom in Cartesian space.
1er Gruppe1 group
Mit der 1er Gruppe wird eine einzelne Messzelle so angeordnet, dass näherungsweise nur ein Freiheitsgrad erfasst wird. Die Messzelle kann eigentlich keine Rotationen erfassen, nur wenn die Rotation auch eine Verschiebung (Translation aufgrund einer Rotation, „Karussellfahrt”) verursacht, ist diese messbar.With the 1 group, a single measuring cell is arranged so that approximately only one degree of freedom is detected. The measuring cell can actually detect no rotations, only if the rotation also causes a shift (translation due to a rotation, "carousel ride"), this is measurable.
Umgekehrt gilt, das die Messzelle nur eine Translation messen kann, wenn das bewegte optische Element (LED, Blende oder PSD) sich im bzw. in der Nähe des Drehzentrum des Sensors befindet. Die
Tabelle 10a Table 10a
Translationsfehler 7.2% Tabelle 10b Translation error 7.2% Table 10b
Im nächsten Schritt wird der obige 3D Sensor (Pan/Zoom) weiter verändert. Statt den LED's im Drehzentrum werden jetzt die PSD's dort positioniert. Obwohl es möglich wäre drei PSD's im Drehzentrum zu platzieren, wird hier nur ein einziger PSD verwendet. Der einzige PSD wird aber von allen drei Messzellen benutzt (Mehrfachnutzung). Dies kann natürlich nicht gleichzeitig geschehen, weil der PSD nur einen Kreuzungspunkt einer Lichtebene detektieren kann. Drei Kreuzungspunkte zur selben Zeit resultieren in einem arithmetischen Mittel als Ergebnis, das nicht sinnvoll weiter verarbeitet werden kann. Es ist aber möglich die Messzellen nacheinander abzufragen und die LED's zeitlich versetzt (ohne Überschneidung) einzuschalten und die Kreuzungspunkte auf dem PSD nacheinander zu bestimmen.In the next step, the above 3D sensor (Pan / Zoom) is further changed. Instead of the LED's in the turning center, the PSD's are now positioned there. Although it would be possible to place three PSDs in the center of rotation, only a single PSD is used here. However, the only PSD is used by all three measuring cells (multiple use). Of course, this can not happen at the same time, because the PSD can only detect a crossing point of a light plane. Three crossing points at the same time result in an arithmetic Means as a result, which can not be sensibly further processed. However, it is possible to interrogate the measuring cells one after the other and to switch the LEDs on at different times (without overlapping) and to determine the crossing points on the PSD one after the other.
Im ersten Schritt wird eine 1er Gruppe gebildet. Mit ihr wird die Bewegung entlang einer Hauptachse bestimmt (hier entlang der X Achse).
Bewegungsvektormotion vector
In der
2er Gruppe2er group
In einer 2er Gruppe werden zwei Messzellen miteinander kombiniert, sodass jede Messzeile bis zu zwei Bewegungen entlang der Achsen (X, Y oder Z) erfassen kann. Durch die Kombination der beiden Messzellen müssen die beiden Bewegungen unterscheidbar sein. Dies lässt sich anhand der jeweiligen Bewegungsvektoren ablesen. Die Bewegungsvektoren dürfen nicht gleich sein BEW1 ≠ BEW2, oder anders ausgedrückt, das durch die Bewegungsvektoren aufgespannte Tetraeder (Kreuzprodukt) sollte möglichst groß im Volumen sein (hinreichende Bedingung).
Für die 2er Gruppe wird die erste Messzelle mit einer weiteren Messzelle kombiniert. Die zweite Messzelle wird seitlich angebracht, sodass die Lichtebene mit 45° auf den PSD trifft. Sie ist somit in der Lage neben den Bewegungen entlang der X Achse auch die Auf- und Ab- Bewegungen entlang der Y Achse zu erfassen. Beide Messzellen bilden zusammen eine 2er Gruppe, da jede Messzelle bis zu 2 Freiheitsgrade erfassen kann und die Kombination der beiden erfassten Bewegungen auf die einzelnen Freiheitsgrade eindeutig schließen lässt. Dieser Zusammenhang wird später in der Eichmatrix des kompletten Sensors (Pan/Zoom) noch einmal sichtbar. Die Anforderungen für eine 2er Gruppe macht es nicht erforderlich, dass eine Messzelle nur eine Bewegungsrichtung erfasst (wie z. B. hier die entlang der X Achse). Eine 2er Gruppe wäre auch gegeben, wenn die Messzelle 1 spiegelbildlich zur Messzelle 2 angeordnet wäre. In der
Die dritte Messzelle muss jetzt mindestens die Bewegung entlang der Z Achse erfassen. Dies könnte eine 1er Gruppe leiste. Sie ist aber hier nicht mehr einsetzbar, da der bereits positionierte PSD entlang der X Achse positioniert ist. Eine Bewegung in Z Achse kann nur von einer in der X/Z Ebene verdrehten Lichtebene auf dem PSD erfasst werden. Dies führt zu einer Anordnung der dritten Messzelle, bei der die LED versetzt ist (z. B. entlang der Z Achse) und die Lichtebene durch eine gedrehte Blende wie gewünscht auf den PSD fällt.
Tabelle 11a Table 11a
Translationsfehler 4.2% Tabelle 11b Translation error 4.2% Table 11b
Die Tabelle 11b zeigt die Eichmatrix, die aufgrund der Gruppenbildung sehr leicht interpretiert werden kann. Für die Bestimmung der Bewegung entlang der X Achse ist nur die erste Messzelle verantwortlich. Nur U1 wird für die Bestimmung dieser Bewegung benötigt. Die Spannung U2 (zweite Messzelle) erfasst in gleicher Weise die Bewegung entlang der X Achse, wie die erste Messzelle. Die Differenz der Spannung U2 und U1 eliminiert die X Bewegung und übrig bleibt nur die Y Bewegung, welche nur von der zweiten Messzelle erfasst wird. Die dritte Messzelle stellt eigentlich eine 3er Gruppe dar, weil sie translatorische Bewegungen entlang aller Achsen messen kann. Mit Hilfe der 2er Gruppe, die mit den ersten beiden Messzelle gebildet ist, können die dabei bereits bekannten Bewegungen entlang der X und der Y Achse eliminiert werden. Der Faktor für U1 eliminiert die Bewegung entlang der X Achse für die 2. und die 3. Messzelle. Mit dem Faktor für U2 wird zusätzlich die Bewegung entlang der Y Achse aus der dritten Messzelle rechnerisch entfernt. Übrig bleibt durch die Eichmatrix in der dritten Zeile die Bewegung entlang der Z Achse, die nur von der dritten Messzelle gemessen wird.Table 11b shows the calibration matrix, which can be interpreted very easily due to group formation. For determining the movement along the X axis, only the first measuring cell is responsible. Only U1 is needed to determine this movement. The voltage U2 (second measuring cell) detects movement along the X axis in the same way as the first measuring cell. The difference of the voltage U2 and U1 eliminates the X movement and leaves only the Y movement, which is detected only by the second measuring cell. The third measuring cell actually represents a group of 3 because it can measure translational movements along all axes. With the help of the 2-group, which is formed with the first two measuring cell, the already known movements along the X and the Y axis can be eliminated. The factor for U1 eliminates the movement along the X axis for the 2nd and the 3rd measuring cell. The factor for U2 additionally removes the motion along the Y axis from the third measuring cell. Remaining by the calibration matrix in the third line remains the movement along the Z axis, which is measured only by the third measuring cell.
Zwei weitere Variationen sind in den
In der
Die obigen Beispiele zeigen, dass eine Vielzahl von Anordnungen einen Pan/Zoom Sensor ergeben. Es ist für die grundlegende Funktionalität nicht entscheidend, ob die schräg einfallende Lichtebene mit 45° erfolgt oder mit einem anderen Winkel. Der Einfallswinkel hat Einfluss auf die gewonnene Auflösung und den Arbeitsbereich der zu erfassenden Bewegung. Durch das Schrägstellen der Lichtebene (in zwei Freiheitsgraden, Drehung um den LEDdir Vektor und um den IRISdir Vektor) wird die Messzelle auch für „ungünstige” Bewegungen einsetzbar. Bei senkrechten oder quasi senkrechten Lichteinfall sind diese zusätzlichen Möglichkeiten nicht nutzbar.The above examples show that a variety of arrangements yield a pan / zoom sensor. It is not crucial for the basic functionality whether the obliquely incident light plane is at 45 ° or at another angle. The angle of incidence influences the resolution and the working range of the motion to be detected. By tilting the light plane (in two degrees of freedom, rotation around the LEDdir vector and around the IRISdir vector), the measuring cell can also be used for "unfavorable" movements. In vertical or quasi-vertical light incidence these additional options are not available.
Design von 3D Sensoren mit 6 FreiheitsgradenDesign of 3D sensors with 6 degrees of freedom
In ähnlicher Weise wie beim Pan/Zoom Sensor wird jetzt ein 3D Sensor mit 6 Freiheitsgraden aufgebaut. Dabei werden zuerst die 1er Gruppen gesetzt. In diesem Beispiel sollen die Blenden das bewegliche optische Element sein. Die Blenden werden auf die Hauptachsen positioniert, um die 1er Gruppen zu bilden. In der
Die Blende der ersten Messzelle wird auf der X Achse positioniert. Somit kann diese Messzelle ausschließlich Bewegungen entlang der X Achse erfassen. Sie bietet sich als Partner für eine 2er Gruppe an, weil die Bewegung entlang der X Achse aus einer 2er Gruppe vollständig herausgerechnet werden kann. In gleicher Weise wird die zweite Messzelle positioniert. Sie kann nur die Bewegungen entlang der Z Achse messen. Damit die dritte Messzelle ebenfalls eine 1er Gruppe bildet, wird deren Blende in den Koordinatenursprung gelegt. Sie kann somit nur noch die Bewegungen entlang der Y Achse erfassen. Mit diesen drei Messzellen werden ausschließlich die translatorischen Bewegungen gemessen. Nachdem jede Messzelle für genau eine Hauptachse zuständig ist, müssen die verbleibenden drei Messzellen nur noch in solcher Weise angeordnet werden, dass sie die rotatorischen Freiheitsgrade erfassen können. Die
Tabelle 13a Table 13a
Die Messzelle 4 erfasst neben der Bewegung entlang der Y Achse auch die Drehung um die Z Achse (C Wert). Für die Messzelle 5 gilt ähnliches, sie erfasst die Bewegung entlang der Y Achse und die Drehung um die X Achse (A Wert). Die verbleibende Drehung um die Y Achse wird durch die Messzelle 6 gemessen. Die auch die Bewegung entlang der X Achse erfassen kann. Somit ergibt sich die folgende Eichmatrix.In addition to the movement along the Y axis, the measuring cell 4 also detects the rotation about the Z axis (C value). The same applies to the measuring cell 5, it detects the movement along the Y axis and the rotation about the X axis (A value). The remaining rotation about the Y axis is measured by the measuring cell 6. Which can also detect the movement along the X axis. This results in the following calibration matrix.
Translationsfehler 4.9%, Rotationsfehler 13.6% Tabelle 13b Translation error 4.9%, rotation error 13.6% Table 13b
Die Eichmatrix zeigt sehr deutlich die gewählte Anordnung. Beispielsweise wird die Bewegung entlang der X Achse nur durch die erste Messzelle (Spannung U1) ermittelt, obwohl die Messzelle 6 ebenfalls die Bewegung entlang der X Achse erfassen kann. Die Eichmatrix ist insgesamt sehr dünn besetzt. Die Tabelle 13c zeigt die Eichmatrix, in der sehr kleine Werte entfernt wurden.The calibration matrix shows very clearly the chosen arrangement. For example, the movement along the X axis is determined only by the first measuring cell (voltage U1), although the measuring cell 6 can also detect the movement along the X axis. Overall, the calibration matrix is very sparse. Table 13c shows the calibration matrix in which very small values have been removed.
Tabelle 13c Table 13c
Die Fehler der Eichmatrix für die Translation und die Rotation, entstehen aufgrund der dabei angewandten Linearisierung. Aufgrund der gewählten Anordnung kann aber auch sehr einfach das genaue Modell verwendet werden.The errors of the calibration matrix for the translation and the rotation, arise due to the applied linearization. Due to the chosen arrangement but also the exact model can be used very easily.
2er Gruppe 2er group
Für die nächste Anordnung werden sofort 2er Gruppen gebildet. Die Messzellen in einer 2er Gruppe wird dabei so angeordnet, dass zwei Freiheitsgrade von einer 2er Gruppe erfasst werden. Dadurch muss das bewegliche optische Element nicht mehr im Ursprung oder entlang der Hauptachse angeordnet werden.
Nur durch die Kombination der Messzellen (zu einer 2er Gruppe) können die einzelnen Bewegungen eindeutig unterschieden werden.Only by combining the measuring cells (into a group of 2) can the individual movements be clearly distinguished.
Durch die seitliche Versetzung der Messzelle 2 zur Messzelle 1, kann die zweite Messzelle zwar auch Rotationen um die X Achse erfassen (Bewegung A). Aufgrund des kleinen Abstands zur Achse ist dies aber nicht sonderlich stark ausgeprägt.By the lateral displacement of the measuring cell 2 to the measuring cell 1, although the second measuring cell can also detect rotations about the X axis (movement A). Due to the small distance to the axis, this is not very pronounced.
Eine weitere 2er Gruppe erfasst jetzt zwei weitere Freiheitsgrade. Sie wird ähnlich wie die erste 2er Gruppe positioniert, aber um 90° verdreht angebracht. In der
Eine 2er Gruppe, die die fehlenden Bewegungen (Z und A) erfassen kann, könnte entlang der Y Achse angeordnet werden. Dies könnte mit der gleichen Anordnung geschehen wie bei den ersten beiden 2er Gruppen. Nachdem dies den Aufbau verkomplizieren würde, werden die beiden verbleibenden Freiheitsgrade getrennt erfasst. Dabei ergänzt jede Messzelle die vorher positionierten 2er Gruppen zu einer 3er Gruppe.
Tabelle 14a Table 14a
Die Messzelle 5 erfasst die A und die Y Bewegung. Sie ergänzt somit die erste 2er Gruppe (Messzelle 1 und 2 – Y/C) zu einer 3er Gruppe. Äquivalent passiert dies mit der Messzelle 6. Sie erfasst die Bewegung Z und B. Die zweite 2er Gruppe (Messzelle 3 und 4 – X/B) wir zur 3er Gruppe und kann die Bewegungen X, B und Z messen.The measuring cell 5 detects the A and the Y movement. It completes the first group of 2 (measuring cell 1 and 2 - Y / C) to a group of 3. Equivalent this happens with the measuring cell 6. It detects the movement Z and B. The second group of 2 (measuring cell 3 and 4 - X / B) we to the 3 group and can measure the movements X, B and Z.
Translationsfehler 3.5%, Rotationsfehler 6.9% Tabelle 14b Translation error 3.5%, rotation error 6.9% Table 14b
3er Gruppe3 group
In der
Tabelle 15a Table 15a
Translationsfehler 3.0%, Rotationsfehler 3.0% Tabelle 15b Translation error 3.0%, rotation error 3.0% Table 15b
Ausgehend von der obigen Anordnung werden erfindungsgemäß jeweils zwei Messzelle zusammengefasst. Dabei werfen die beiden LED's das Licht auf den selben PSD. Mit anderen Worten, die PSD's der beiden Messzellen befinden sich am selben Ort und haben die selbe Orientierung. Somit wird ein PSD von den zwei PSD's eingespart. Der PSD ist das in der Regel teuerste optische Element der Messzelle.Starting from the above arrangement, two measuring cells are combined according to the invention. The two LEDs throw the light on the same PSD. In other words, the PSDs of the two measuring cells are in the same place and have the same orientation. Thus, a PSD is saved from the two PSD's. The PSD is usually the most expensive optical element of the measuring cell.
Für die Berechnungen geht man weiterhin von zwei einzelnen PSD's aus. Die erfindungsgemäße Anordnung wird so abgeändert, dass eine benachbarte LED auf den PSD des Nachbarn scheint. Damit beide Lichtebenen auf dem PSD einen Schnittpunkt verursacht, werden die beiden PSD's gedreht. Die beiden PSD's haben somit die gleiche Orientierung, die um 45° zu beiden Lichtebenen verdreht ist. Die Lichtebenen der zwei Messzellen stehen rechtwinkelig zueinander. Die Blende ist das bewegliche optische Element. Sie ist so angeordnet, dass die LED der Partner Messzelle nicht durch die falsche Schlitzblende ihre Lichtebene auf den PSD werfen kann. Die Partner Schlitzblende („falsche Schlitzblende”) wird dabei so angeordnet, dass die Blende in Richtung der Partner LED angeordnet ist und somit kein Lichteinfall möglich ist. Die Blende nutzt dabei den Freiheitsgrad (siehe Änderungen ohne funktionalen Einfluss auf die Messzelle) um einerseits die korrekte Schlitzblende für die eigene LED zu sein und andererseits entlang der Richtung der Partner LED zu stehen und somit das Licht abzuschatten. Die Blende kann an dem Ende erweitert werden, damit sichergestellt ist, dass kein fremdes Licht einer LED auf den PSD fällt. Die
Die Messzellen 1, 3, 5 und die Messzellen 2, 4, 6 bilden jeweils eine 3er Gruppe. Mit den Messzellen 1, 3, 5 werden die Bewegungen X, Z und C erfasst. Die Messzellen 2, 4, 6 sind für die Bewegungen Y, A und B zuständig. Die
Tabelle 17a Table 17a
Translationsfehler 10.7%, Rotationsfehler 9.5% Tabelle 17b Translation error 10.7%, rotation error 9.5% Table 17b
Einen gleich funktionierenden 3D Sensor kann man erhalten, wenn man alle PSD's um den jeweiligen LEDdir Vektor mit dem gleichen Winkel dreht. Entsprechend müssen die Schlitzblenden gedreht werden, damit die Lichtebenen wieder jeweils um 45° (oder einen ähnlichen Winkel) verdreht auf den PSD's fallen und messbare Schnittpunkte bilden.An equally functioning 3D sensor can be obtained by turning all PSDs around the respective LEDdir vector with the same angle. Accordingly, the slit diaphragms must be rotated so that the light planes again fall by 45 ° (or a similar angle) twisted on the PSDs and form measurable points of intersection.
Weitere Variationen zur Anordnung von MesszellenFurther variations to the arrangement of measuring cells
Koordinatentransformationcoordinate transformation
Die Anordnung der einzelnen Messzellen erfolgt in einem vorgegebenen kartesischen Koordinatensystem. Die Definition eines Koordinatensystems kann aber beliebig erfolgen. Die Relation zwischen zwei Koordinatensystem wird durch eine lineare Koordinatentransformation beschrieben. Die Abbildung stellt dabei sicher, dass die Größenverhältnisse unverändert bleiben und die Relation der Elemente zueinander gleich bleibt. Für einen 3D Sensor mit 6 Freiheitsgraden gilt somit, dass das benutzte Koordinatensystem beliebig im Raum definiert sein darf. Ein 3D Sensor kann somit als äquivalent angesehen werden, wenn mit Hilfe einer linearen Koordinatentransformation das benutzte Koordinatensystem auf ein hier beschriebenes Koordinatensystem übergeführt werden kann.The arrangement of the individual measuring cells takes place in a predetermined Cartesian coordinate system. However, the definition of a coordinate system can be arbitrary. The relation between two Coordinate system is described by a linear coordinate transformation. The figure ensures that the proportions remain unchanged and the relation of the elements remains the same. For a 3D sensor with 6 degrees of freedom, therefore, the used coordinate system may be arbitrarily defined in space. A 3D sensor can thus be considered equivalent if, with the aid of a linear coordinate transformation, the used coordinate system can be transferred to a coordinate system described here.
Unterschiedliche bewegliche optische ElementeDifferent moving optical elements
Für den Betrieb einer Messzelle wird neben den festen optischen Elementen auch ein bewegliches Element benötigt. In allen bisherigen Anordnungen wird immer davon ausgegangen, dass dies vom selben Typ ist (LED, Blende oder PSD). Natürlich können auch Messzellen mit unterschiedlichen beweglichen Elementen miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können Messzellen mit beweglichen Blenden und beweglichen PSD's angeordnet werden. Dabei behalten die obigen Regeln zur Anordnung von 3D Sensoren ihre Gültigkeit.For the operation of a measuring cell, a movable element is needed in addition to the fixed optical elements. In all previous arrangements, it is always assumed that this is of the same type (LED, aperture or PSD). Of course, measuring cells with different moving elements can be combined with each other. For example, measuring cells with movable diaphragms and movable PSDs can be arranged. The above rules for the arrangement of 3D sensors remain valid.
Gemeinsam genutzte SchlitzblendeShared slit diaphragm
Die Bewegung die durch eine Messzelle erfasst werden kann, wird durch den Bewegungsvektor beschrieben. Der Bewegungsvektor berechnet sich aus dem Produkt IRISdir × LEDdir. Daraus wird ersichtlich, dass mit einer Schlitzblende zwei unterschiedliche Bewegungsvektoren gebildet werden können, wenn die Richtungen der beiden LEDs unterschiedlich ist.The movement that can be detected by a measuring cell is described by the motion vector. The motion vector is calculated from the product IRISdir × LEDdir. It can be seen that with a slit diaphragm two different motion vectors can be formed if the directions of the two LEDs are different.
Signalführung über die FedernSignal routing via the springs
Es ist möglich das bewegliche optische Element und die beiden festen optischen Elemente über Drahtfedern zu verbinden. Diese Verbindung kann auch zur elektrischen Verkabelung von beweglichen und festen Teil des Sensors genutzt werden. So kann neben einer Stromversorgung auch verschiedene Steuersignale geführt werden. Sind die LED's die beweglichen optischen Elemente, können diese über die Federn betrieben werden, beispielsweise in einer Matrixanordnung.It is possible to connect the movable optical element and the two fixed optical elements via wire springs. This connection can also be used for electrical wiring of moving and fixed part of the sensor. Thus, in addition to a power supply and various control signals are performed. If the LEDs are the movable optical elements, they can be operated via the springs, for example in a matrix arrangement.
Bewegliche LED's für die Erweiterung des ArbeitsbereichsMovable LED's for extending the workspace
Aus den Gleichungen von „Berechnung einer translatorischen Bewegung” wird noch einer interessante Eigenschaft deutlich und die Erfahrung bestätigt dies. Bei einer Messzelle mit beweglicher LED kann der Arbeitsbereich des beweglichen optischen Elements durch die Anordnung der festen optischen Elemente beeinflusst werden.From the equations of "computation of a translatory motion", one more interesting feature becomes clear and experience confirms this. In a movable LED measuring cell, the working range of the movable optical element may be affected by the arrangement of the fixed optical elements.
In der Gleichung 1 (LED beweglich) steht der Abstandsvektor PSD – Blende im Verhältnis zum Abstandsvektor LED – Blende. Ist die Blende näher am PSD positioniert als an der LED, vergrößert dies den Bewegungsbereich der LED. Im umgekehrten Fall wird der Bewegungsbereich der LED eingeschränkt. Der kleinere Bewegungsbereich wird aber dann feiner aufgelöst.In equation 1 (LED movable), the distance vector PSD diaphragm is in relation to the distance vector LED diaphragm. If the shutter is positioned closer to the PSD than to the LED, this increases the range of movement of the LED. In the opposite case, the range of movement of the LED is restricted. The smaller range of motion is then resolved finer.
In der Gleichung 2 (Blende beweglich) steht der Abstandsvektor LED – PSD im Verhältnis LED – Blende. Nachdem die Blende immer vor dem PSD stehen muss ist der Abstand LED – PSD immer größer als der Abstand LED – Blende. Bei einer beweglichen Blende kann es deshalb nur zu einer Einschränkung des Bewegungsbereichs kommen.In equation 2 (movable aperture), the distance vector LED - PSD is in the ratio of the LED aperture. After the aperture must always be in front of the PSD, the distance LED - PSD is always greater than the distance LED - aperture. With a movable panel, therefore, only a limitation of the range of motion can occur.
In der Gleichung 3 (PSD beweglich) steht im Zähler wie auch im Nenner der Abstandsvektor LED – Blende. Der Bewegungsbereich des PSD's ist somit immer gleich und entspricht der maximalen Ausdehnung des lichtempfindlichen Teils des PSD'sIn Equation 3 (PSD moveable), the distance vector LED aperture is in the numerator as well as in the denominator. The range of movement of the PSD is thus always the same and corresponds to the maximum extent of the photosensitive part of the PSD
3D Sensor mit mehr als 6 Messzellen3D sensor with more than 6 measuring cells
Für den Aufbau eines 3D Sensors mit 6 Freiheitsgraden sind mindestens 6 Messzellen notwendig. Natürlich können weitere Messzellen benutzt werden, als eigentlich erforderlich wäre. Diese Redundanz des 3D Sensors kann für die Erhöhung der Genauigkeit des Sensors eingesetzt werden oder den Sensor in Betrieb halten, auch wenn eine oder mehrere Messzellen ausfallen. Äquivalent gilt dies auch für einen Pan/Zoom Sensor.For the construction of a 3D sensor with 6 degrees of freedom at least 6 measuring cells are necessary. Of course, more measuring cells can be used than would actually be required. This redundancy of the 3D sensor can be used to increase the accuracy of the sensor or keep the sensor in operation, even if one or more measuring cells fail. Equivalently, this also applies to a Pan / Zoom sensor.
Anhang A Appendix A
Beispielrechnungexample calculation
1. LED beweglich – Figur 19 1. LED movable - Figure 19
2. Blende beweglich – Figur 20 2. Aperture movable - Figure 20
3. PSD beweglich – Figur 21 3. PSD mobile - Figure 21
Anhang BAppendix B
Alternative Anordnung gemäß der
Translationsfehler 9.8% Translation error 9.8%
In dieser in
Der Sensoraufbau ist deshalb nur für Pan/Zoom Anwendungen geeignet und nicht für Anwendungen mit 6 Freiheitsgraden (6DOF). Das Designziel für einen Pan/Zoom Sensors ist deshalb das bewegliche Element in das Drehzentrum zu verlagern.The sensor design is therefore only suitable for Pan / Zoom applications and not for applications with 6 degrees of freedom (6DOF). The design goal for a Pan / Zoom sensor is therefore to move the moving element into the turning center.
Wenn es in dieser Beschreibung davon gesprochen wird, dass eine Messzelle ”hauptsächlich nur” oder ”ausschließlich” translatorische Bewegungen erfassen kann, ist gemeint damit, dass die Messzelle oder der Sensor zumindest in erster Näherung ausschließlich translatorische Bewegungen messen kann. Rotatorische Bewegungen können ebenfalls einen kleinen Einfluß auf die Messung haben. Dieser Teil ist zwar klein und deshalb vernachlässigbar, aber trotzdem vorhanden. Die Verschiebung und Verdrehung des Sensors verursacht, dass bei dem Sensor die einzelnen Messzelle ihre ideale Position etwas verlassen (z. B. das bewegliche Element ist nicht mehr exakt im Drehzentrum), sodass kleine Fehler entstehen.When it is spoken in this description that a measuring cell "mainly" or "exclusively" can detect translational movements, it is meant that the measuring cell or the sensor can measure at least to a first approximation only translational movements. Rotatory movements can also have a small influence on the measurement. This part is small and therefore negligible, but still available. The displacement and rotation of the sensor causes the individual measuring cell to leave its ideal position somewhat (eg the moving element is no longer exactly in the center of rotation) in the sensor, so that small errors occur.
Diese Situation wird mit der folgenden Methodik behandelt:
Methodik zum Ermitteln von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte in einer erfindungsgemäßen Anordnung, die translatorische und rotatorische Bewegungen oder die hauptsächlich nur translatorische Bewegungen erfassen kann, mit den Schritten:
man gibt die exakten Gleichungen für die erfassten Bewegungen der Messzellen an; (siehe Abschnitt „erfasste Bewegung”)
man gibt eine erste Annäherung an, die die verkoppelten Bewegungen zwischen Rotation und/oder Translation vernachlässigt; oder
man gibt für jede Messzelle die Eichmatrix der Linearisierung und den maximalen Fehler an.This situation is treated with the following methodology:
Method for determining relative movements or relative positions of two objects in an arrangement according to the invention, which can detect translational and rotational movements or the mainly only translational movements, with the steps:
one gives the exact equations for the detected movements of the measuring cells; (see section "detected movement")
one gives a first approximation, which neglects the coupled movements between rotation and / or translation; or
For each measuring cell, the calibration matrix of the linearization and the maximum error are indicated.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101101
- LEDLED
- 102102
- Lichtkegellight cone
- 103103
- Blendecover
- 104104
- Lichtebenelight plane
- 105105
- PSDPSD
- 301301
- Lichtebenelight plane
- 302302
- PSDPSD
- 303303
- Schnittflächesection
- 304304
- Schnittpunktintersection
- 401401
- PSDPSD
- 402402
- Blendecover
- 403403
- Blendenabstandaperture spacing
- 404404
- Verschiebung XShift X
- 405405
- Verschiebung YShift Y
- 406406
- LEDLED
- 10011001
- Messzelle 1Measuring cell 1
- 10021002
- Messzelle 2Measuring cell 2
- 10031003
- Messzelle 3Measuring cell 3
- 11001100
- Messzelle 1Measuring cell 1
- 11011101
- Bewegungsvektor 1Motion vector 1
- 11021102
- Messzelle 2Measuring cell 2
- 11031103
- Bewegungsvektor 2Motion vector 2
- 11041104
- Messzelle 3Measuring cell 3
- 11051105
- Bewegungsvektor 3Motion vector 3
- 13001300
- Messzelle 1Measuring cell 1
- 13011301
- Messzelle 2Measuring cell 2
- 13021302
- Messzelle 3Measuring cell 3
- 13031303
- Messzelle 4Measuring cell 4
- 13041304
- Messzelle 5Measuring cell 5
- 13051305
- Messzelle 6Measuring cell 6
- 14001400
- Messzelle 1Measuring cell 1
- 14011401
- Messzelle 2Measuring cell 2
- 14021402
- Messzelle 3Measuring cell 3
- 14031403
- Messzelle 4Measuring cell 4
- 14041404
- Messzelle 4Measuring cell 4
- 14051405
- Messzelle 5Measuring cell 5
- 15001500
- Messzelle 1Measuring cell 1
- 15011501
- Messzelle 2Measuring cell 2
- 15021502
- Messzelle 3Measuring cell 3
- 15031503
- Messzelle 4Measuring cell 4
- 15041504
- Messzelle 5Measuring cell 5
- 15051505
- Messzelle 6Measuring cell 6
- 17001700
- Messzelle 1Measuring cell 1
- 17011701
- Messzelle 2Measuring cell 2
- 17021702
- Messzelle 3Measuring cell 3
- 17031703
- Messzelle 4Measuring cell 4
- 17041704
- Messzelle 5Measuring cell 5
- 17051705
- Messzelle 6Measuring cell 6
- 17101710
- Keine LED aktivNo LED active
- 17111711
- LED 1 aktivLED 1 active
- 17121712
- LED 2 aktivLED 2 active
- 17131713
- LED 3 aktivLED 3 active
- 17141714
- LED 4 aktivLED 4 active
- 17151715
- LED 5 aktivLED 5 active
- 17161716
- LED 6 aktivLED 6 active
- 1800 1900 2000 21001800 1900 2000 2100
- LEDLED
- 1801 1901 2001 21011801 1901 2001 2101
- Blendecover
- 1802 1902 2002 21021802 1902 2002 2102
- PSDPSD
- 22002200
- Messzelle 1Measuring cell 1
- 22012201
- Messzelle 2Measuring cell 2
- 22022202
- Messzelle 3Measuring cell 3
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