DE102007029135A1

DE102007029135A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion der Position eines auf eine Anzeigeeinheit auftreffenden gebündelten Lichtstrahls

Info

Publication number: DE102007029135A1
Application number: DE102007029135A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Fürst; Josef Ott; Edgar Zaus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2027-06-26
Also published as: DE102007029135B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion der Position eines auf eine Anzeigeeinheit auftreffenden gebündelten Lichtstrahls. Dabei wird die Frontseite der Anzeigeeinheit durch eine transparente Photodiodenmatrix gebildet, bei der die Photodioden aus organischem Material bestehen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die von den Emissionsquellen der gebündelten Lichtstrahlen ausgesandten Signale kodiert, um diese zum einen gegenüber einem Rauschen unterscheiden zu können und um zum anderen auch die detektierten Signale den einzelnen Emissionsquellen zuordnen zu können. Ebenso betrifft die Erfindung eine Anzeigeeinheit mit einer zugeordneten Detektionseinheit, die aus einer Matrix auf organischen Photodioden besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Videospiele und Videosimulationen erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Durch die stetige Entwicklung in der Computertechnologie werden diese zunehmend realistischer bezüglich Graphik und Sound. Aber auch die Eingabegeräte werden immer realitätsnäher. Beispielsweise besteht bei Autorennsimulationen die Möglichkeit, ein Lenkrad anstatt eines Joysticks o. ä. zu verwenden. Für Schießspiele sind ebenfalls bereits Systeme entwickelt worden. Diese sind in großer Vielzahl in Spielhallen-Automaten realisiert. Auch für Heimkonsolen gibt es eine zunehmende Anzahl solcher Spiele.
Diese Simulationen werden auch als Training im militärischen Bereich und in der Schulung von Sicherheitskräften verwendet.
Die Detektion des Zeitpunktes und des Auftreffpunktes eines Schusses kann auf unterschiedlichen Funktionsweisen basieren. Der Anmelderin ist eine Variante bekannt, nach der eine Photodiode, die sich im Lauf der Pistole bzw. des Gewehrs befindet, Licht detektiert, das der Bildschirm aussendet. Die Betätigungseinrichtung und der Bildschirm sind derart synchronisiert, dass beim Betätigen des Abzugs der Bildschirm schwarz geschaltet wird, wobei gleichzeitig die Diode auf Empfang schaltet. Anschließend färbt sich der Bildschirm, wenn es sich um eine herkömmliche Kathodenstrahlröhre handelt, zeilenweise nacheinander und in den Zeilen von einer Seite des Bildschirms beginnend zur anderen Seite des Bildschirms weiß. Dies basiert darauf, dass bei einer Kathodenstrahlröhre (CRI), wie sie in den meisten Fernsehern und Monitoren eingebaut ist, das Bild zeilenweise nacheinander aufgebaut wird und somit die Bildpunkte nicht alle gleichzeitig weiß werden. Aus der Zeitdifferenz zwischen Betätigung des Abzugs (Start des Aufbaus des weißen Bildschirms) und der Lichtdetektion kann der Computer feststellen, wohin die Waffe zielt. Der Benutzer des Systems merkt von diesem Vorgang nichts, da der Vorgang sehr schnell abläuft.
Eine derartige Vorgehensweise ist beispielsweise beschrieben in der DE 42 413 60 A1 .
Aufgrund des nicht standardisierten Bildaufbaus bei LCD-, Plasma-Bildschirmen oder Projektoren (und den daraus resultierenden Kompatibilitätsproblemen) lässt sich diese Methode bei derartigen Anzeigeeinrichtungen nicht verwenden.
Ein Ansatz, die Kompatibilitätsprobleme im Einsatz mit PC-Videospielen zu lösen, besteht im Einsatz einer Schnittstelle bzw. eines Adapters ( DE 297 089 963 U1 , DE 699 03 939 T2 ).
Bei diesen herkömmlichen Systemen ist vor dem Einsatz eine Kalibrierung des Systems notwendig. Eine Kalibrierung ist immer mit gewissen Ungenauigkeiten verbunden, die sich negativ auf die Anwendung auswirken können.
Eine alternative Lösung für solche Anzeigesysteme wurde mit dem Produkt RGT Licht Gun G1 von der Firma eReal Garnes Inc. realisiert. Dabei wird von einem in Bildschirmnähe angebrachten Sensor das Licht zweier Lichtquellen detektiert, die in die Waffe integriert sind. Der Sensor kann dadurch die relative Position der beiden Lichtquellen bestimmen; aus diesen Informationen kann berechnet werden, wohin die Waffe zielt.
Ähnlich funktioniert eine weitere alternative Lösung der Firma EMS, die unter dem Namen LCD TopGun eine neue Art von Lichtpistole auf den Markt gebracht hat. Hierbei wird jeweils links und rechts vom Bildschirm eine Leiste mit Infrarotemittern montiert, die mit der Lichtpistole und dem eingebauten Empfänger verbunden sind. In diesem Aufbau lässt sich nun die Position der Pistole im Raum ermitteln.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine andere Lösung vorzuschlagen, die sich speziell auch beim Einsatz im Zusammenhang mit Flachbildschirmen eignet.
Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst, indem bei einem Verfahren zur Detektion der Position eines auf eine Anzeigeeinheit auftreffenden gebündelten Lichtstrahls, die Frontseite der Anzeigeeinheit durch eine transparente Photodiodenmatrix gebildet wird, wobei die Photodioden aus organischem Material bestehen.
Durch den Aufbau der Fläche der Photodioden als Matrix kann eine Ortsauflösung des auftreffenden Lichtstrahls erfolgen durch eine Auswertung der Signale der einzelnen Photodioden. Die Größe der Photodioden bestimmt dabei die Genauigkeit der Ortsauflösung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist mit „Lichtstrahl" nicht nur Licht im Frequenzspektrum des sichtbaren Bereichs gemeint. Vielmehr kann es sich explizit beispielsweise auch im Licht im infraroten Bereich handeln.
Durch den Aufbau der Matrix aus Photodioden lässt sich vorteilhaft nutzen, dass sich die Photodioden einfach und mit beherrschbaren Prozesstechnologien auch großflächig herstellen lassen.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird der gebündelte Lichtstrahl von einer Zielvorrichtung zum Zielen auf einen Punkt der Anzeigeeinheit ausgesandt.
Dabei kann es sich um ein Spiel zum Zeitvertreib handeln oder auch um eine Vorgehensweise zur Simulation von Situation zur Schulung und Weiterbildung.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 sind die Photodioden im Bereich des sichtbaren Lichts transparent und weisen eine Signalempfindlichkeit im infraroten Bereich auf.
Durch diese Ausgestaltung wird vorteilhaft erreicht, dass die volle Bildinformation für den Benutzer sichtbar bleibt. Die erforderlichen Maßnahmen zur Erkennung, wo ein gebündelter Lichtstrahl auftrifft (in diesem Fall liegt die Wellenlänge des Lichts des gebündelten Lichtstrahls im infraroten Bereich), sind für den Benutzer nicht wahrnehmbar.
Bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 ist der auftreffende Lichtstrahl kodiert.
Diese Kodierung kann – abhängig von der spektralen Empfindlichkeit der Photodiode – durch einen entsprechenden spektralen Verlauf des gebündelten Lichtstrahls erreicht werden. Ebenso ist es möglich, den gebündelten Lichtstrahl taktweise anzusteuern, beispielsweise auch mit wechselnden Taktzeiten sowie wechselnden Raten von Pulseinschaltzeiten zu Pulsausschaltzeiten. Bei dieser Art der Ansteuerung erweist es sich als vorteilhaft, dass das Licht monofrequent sein kann, so dass keine besonderen Anforderungen an die spektrale Auflösung der Photodiode gestellt werden. Die Erfassung der jeweiligen Einschaltzeiten stellt nur geringe Anforderungen an die Signalauswertung, so dass damit in einfacher Weise bei einem detektierten Lichtstrahl durch eine Erkennung der entsprechenden Kodierung unterschieden werden kann, ob es sich um ein echtes Signal handelt oder lediglich um ein Rauschen.
Ebenso ist es auch möglich, eine Kodierung durch eine Variation der Intensitäten mit der Zeit vorzunehmen.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 werden von verschiedenen Emissionsquellen verschieden kodierte Lichtstrahlen ausgesandt. Durch eine Auswertung der Kodierung des detektierten auftreffenden Lichtstrahls wird ausgewertet, von welcher der Emissionsquellen der detektierte Lichtstrahl ausgesandt wurde.
Damit kann insbesondere auch bei mehreren Teilnehmern erkannt werden, von welchem der Teilnehmer der erkannte Lichtstrahl ausgesandt wurde. Insbesondere bei der Kodierung über die Einschaltzeiten und die Ausschaltzeiten können in einfacher Weise mehrere Teilnehmer realisiert werden, ohne dass die spektrale Empfindlichkeit der Photodiode in besonderer Weise ausgestaltet werden muss.
Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich insbesondere für Videospiele unter Verwendung einer Lichtpistole. Dabei wird mit einer Lichtpistole beispielsweise ein Laserstrahl auf einen Bildschirm geschossen, der durch die Anbringung einer Matrix von transparenten Photodetektoren unmittelbar auf den Bildschirmbildpunkten räumlich aufgelöst detektiert wird.
Anspruch 6 betrifft eine Anzeige- und Detektionseinheit, wobei auf der Anzeigeeinheit Zielpunkte anzeigbar sind zur Markierung durch einen Benutzer mittels einer Zielmarkierungseinheit, wobei der Auftreffpunkt der Zielmarkierungseinheit auf der Anzeigeeinheit ermittelbar ist, wobei vor der Anzeigeeinheit eine Matrix aus organischen Photodioden angebracht ist, wobei der Auftreffpunkt der Zielmarkierungseinheit auf der Matrix detektierbar ist.
Mit einer solchen Vorrichtung ist das vorstehend beschriebene Verfahren durchführbar. Die organischen Photodioden sind vorteilhaft im spektralen Bereich des sichtbaren Lichtes transparent, so dass die Wahrnehmbarkeit der Bildschirmdarstellung nicht beeinträchtigt ist. Die Zielmarkierungseinheit kann in diesem Fall Licht im nicht sichtbaren Spektrum aussenden. Die organischen Photodioden haben dann eine spektrale Empfindlichkeit insbesondere in diesem spektralen Bereich. Der spektrale Bereich kann beispielsweise im Infrarot liegen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt dabei im Einzelnen:
1 einen beispielhaften Schichtaufbau einer Photodiode,
2 ein Transmissionsspektrum einer organischen Photodiode und
3 eine Darstellung eines Gesamtsystems.
Wie in 1 gezeigt, bestehen organische Photodioden beispielsweise aus einem vertikalen Schichtsystem. Es ist eine ITO-Bottom-Elektrode 1 gezeigt, über der sich eine Schicht PEDOT:PSS 2, über der sich wiederum ein P3HT-PCBM-Blend 3 und über diesem wiederum eine LiF/ITO-Top-Elektrode 4 befindet. Die Anordnung ist auf einem Träger 5 aufgebracht. Außerdem ist eine Strom bzw. Spannungsquelle 6 zu sehen. Selektive Elektroden 1, 4 sind nötig, um ein Diodenverhalten zu gewährleisten. Der Blend 3 aus den beiden Komponenten P3HT (Absorber- und Lochtransportkomponente) und PCBM (Elektronenakzeptor und -transportkomponente) ist hier die absorbierende Schicht und wirkt als sogenannte „Bulk Heterojunction", d. h. die Trennung der Ladungsträger erfolgt an den Grenzflächen der beiden Materialien, die sich innerhalb des gesamten Schichtvolumens ausbilden.
Durch die Wahl eines hochtransparenten Materials für die absorbierende Schicht und/oder durch die Verdünnung der Licht absorbierenden Schicht, können hochtransparente Dioden hergestellt werden.
Weiterhin ist es möglich, einen Infrarotdetektor transparent für sichtbares Licht zu gestalten.
2 zeigt die Transmission eines Beispiels von hoch transparenten Dioden. Diese Dioden können strukturiert werden und dann direkt auf den Bildschirm, etwa in Form einer zusätzlichen Folie, aufgebracht werden. Die Elektroden der Dioden werden an eine Auswerteelektronik kontaktiert, die dann die Information der Position des Lichtstrahls auf dem Bildschirm an das Videospielprogramm zur weiteren Verarbei tung sendet. Das Diagramm der 2 zeigt die Transmission in Prozent aufgetragen über der Wellenlänge in nm. Die Photodiode hat einen Schichtaufbau von ITO/P3HT:PCBM/LiF/ITO. Es ist zu sehen, dass im gesamten Bereich von 390 nm bis zu 900 nm die Transmission über 60% liegt.
Die Transparenz der Diode im sichtbaren Spektralbereich muss so hoch sein, dass das ausgesendete Licht des Bildschirms nicht merklich abgeschwächt wird. Gerade hierin zeigt sich der Vorteil der organischen Photodioden nach der vorliegenden Erfindung, weil diese Transparenz im sichtbaren Bereich mit Dioden auf Basis von anorganischen Halbleitern nicht realisierbar ist, da diese nur unzureichend transparent hergestellt werden können und zusätzlich die benötigten Prozesse für große Flächen zu teuer sind.
Die Unterscheidung, ob ein Signal durch das Licht einer Pistole oder durch Umgebungslicht generiert wird, kann dadurch erfolgen, dass das emittierte Licht der Pistole kodiert wird (z. B. durch Amplitudenmodulation, oder Pulssequenzen). Falls mehrere Spieler gleichzeitig spielen (mit jeweils einer Lichtpistole), kann die Identifikation des einzelnen Spielers ebenso durch eine Signalkodierung erfolgen, die charakteristisch für die jeweilige Pistole ist. Die Identifikation erfolgt mittels der besagten Auswerteelektronik durch Dekodierung des Lichtsignals.
3 zeigt den schematischen Aufbau eines Gesamtsystems, bei dem eine Laserpistole 7, ein Bildschirm 8 mit aufgebrachter Detektormatrix 9 und eine Auswerteelektronik 10 dargestellt ist.
Ebenso kann das System neben dem Einsatz für Videospiele auch als Wandtafel eingesetzt werden, indem die bestrahlten Bereiche durch den Bildschirm 8 farblich gekennzeichnet werden.
Denkbar ist weiterhin, dass die Detektormatrix 9 nicht in einen Bildschirm 8 sondern in eine Leinwand integriert wird, die von einem Projektor beschienen wird. Nachteilig ist hier, dass hierbei eine Kalibrierung notwendig ist und u. U. auch keine Pixelgenauigkeit der Positionsbestimmung des Lichtstrahls realisierbar ist.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber der herkömmlichen Ausführungsart von derartigen Eingabesysteme für Videospiele besteht darin, dass mit der hier dargestellten Erfindung die maximal mögliche Genauigkeit der Positionsdetektierung erreicht werden kann, weil für jeden darstellenden Bildschirmpunkt ein detektierendes Pixel realisiert werden kann. Es ist also keine Kalibrierung notwendig und auch die mit der Kalibrierung verbundenen Ungenauigkeiten treten nicht auf.
Weiterhin kann mit der hier dargestellten Erfindung eine hohe Signalverarbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden und es ist kein (wenn auch nur kurzzeitiges) Dunkelbild notwendig wie bei der meistverbreiteten derzeitigen Methode.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4241360 A1 [0005]
- DE 297089963 U1 [0007]
- DE 69903939 T2 [0007]

Claims

Verfahren zur Detektion der Position eines auf eine Anzeigeeinheit auftreffenden gebündelten Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontseite der Anzeigeeinheit (8) durch eine transparente Photodiodenmatrix (9) gebildet wird, wobei die Photodioden aus organischem Material bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gebündelte Lichtstrahl von einer Zielvorrichtung (7) zum Zielen auf einen Punkt der Anzeigeeinheit (8) ausgesandt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodioden im Bereich des sichtbaren Lichts transparent sind und eine Signalempfindlichkeit im infraroten Bereich aufweisen.
Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der auftreffende Lichtstrahl kodiert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass von verschiedenen Emissionsquellen verschieden kodierte Lichtstrahlen ausgesandt werden und dass durch eine Auswertung der Kodierung des detektierten auftreffenden Lichtstrahls ausgewertet wird, von welcher der Emissionsquellen der detektierte Lichtstrahl ausgesandt wurde.
Anzeige- und Detektionseinheit (8, 9, 10), wobei auf der Anzeigeeinheit (8) Zielpunkte anzeigbar sind zur Markierung durch einen Benutzer mittels einer Zielmarkierungseinheit (7), wobei der Auftreffpunkt der Zielmarkierungseinheit (7) auf der Anzeigeeinheit (8) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Anzeigeeinheit (8) eine Matrix (9) aus organischen Photodioden angebracht ist, wobei der Auftreffpunkt der Zielmarkierungseinheit (7) auf der Matrix (9) detektierbar ist (10).