DE102007029135B4

DE102007029135B4 - Detektion der Position eines auf eine Anzeigeeinheit auftreffenden gebündelten Lichtstrahls

Info

Publication number: DE102007029135B4
Application number: DE102007029135.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Fürst Jens; Josef Ott; Edgar Zaus
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2027-06-26
Also published as: DE102007029135A1

Abstract

Verfahren zur Detektion der Position wenigstens eines auf eine Anzeigeeinheit (8) auftreffenden gebündelten Lichtstrahls, welcher von wenigstens einer Zielmarkierungseinheit (7) ausgesandt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Frontseite der Anzeigeeinheit (8) durch eine transparente Photodiodenmatrix (9) gebildet wird, wobei die Photodioden aus organischem Material bestehen, – von verschiedenen Zielmarkierungseinheiten (7) verschieden kodierte Lichtstrahlen ausgesandt werden, und – durch eine Dekodierung des detektierten auftreffenden Lichtstrahls ausgewertet wird, von welcher der Zielmarkierungseinheiten (7) der detektierte Lichtstrahl ausgesandt wurde.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion der Position wenigstens eines auf eine Anzeigeeinheit auftreffenden gebündelten Lichtstrahls nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein System mit einer Anzeige- und Detektionseinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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.
Derartige 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.
So ist aus der gattungsbildenden US 2004/00 09 798 A1 eine Einrichtung für ein Videospiel bekannt, bei dem das Videospiel durch Schießen mittels vierer, Laserlichtstrahler aufweisender Gewehrimitationen gespielt wird und dabei Lichtpunkte auf einer Spielszenen darstellenden Anzeigeeinheit erzeugt werden. Mittels einer Infrarotkamera werden die Lichtpunkte und deren Auftreffpunkte auf der Anzeigeeinheit erfasst und für jeden Lichtpunkt wird die Gewehrimitation bestimmt, welche diesen Lichtpunkt erzeugt hat. Zur Bestimmung der den jeweiligen Lichtpunkt erzeugenden Gewehrimitation wird ein Synchronisierungsprozess beschrieben, welcher die Erzeugung der Lichtpunkte der Gewehrimitationen mit der Erzeugung der Frames der Infrarotkamera synchronisiert und dabei die Lichtpunkte jeder der vier Gewehrimitationen phasenverschoben erzeugt werden.
Ferner ist aus der WO 2006/033 036 A2 ein elektronisches Spielbrett mit einer Brettoberfläche und einer Abtast- und Anzeigevorrichtung bekannt, bei dem die Abtast- und Anzeigevorrichtung Anzeigemittel zur Darstellung eines Spielelayouts auf der Brettoberfläche sowie Lichtsensoren aufweisende Detektionsmittel zum Abtasten einer Codeoberfläche eines Spielsteins zur Bestimmung des Codes eines auf der Brettoberfläche stehenden Spielsteins vorgesehen sind. Für die Detektionsmittel werden bspw. in einer Matrix angeordnete organische Photodioden (OLED) vorgeschlagen.
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 (CRT), 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- oder 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 08 963 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 Patentanspruch 1 gelöst, indem bei einem Verfahren zur Detektion der Position wenigstens eines auf eine Anzeigeeinheit auftreffenden gebündelten Lichtstrahls, welcher von wenigstens einer Zielmarkierungseinheit ausgesandt wird, erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Frontseite der Anzeigeeinheit durch eine transparente Photodiodenmatrix gebildet wird, wobei die Photodioden aus organischem Material bestehen, von verschiedenen Zielmarkierungseinheiten verschieden kodierte Lichtstrahlen ausgesandt werden, und durch eine Dekodierung des detektierten auftreffenden Lichtstrahls ausgewertet wird, von welcher der Zielmarkierungseinheiten der detektierte Lichtstrahl ausgesandt wird.
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 um 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.
Die Kodierung des Lichtstrahls 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.
Es werden von verschiedenen Zielmarkierungseinheiten 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.
Bei der Ausgestaltung nach Patentanspruch 2 werden die kodierten Lichtstrahlen der verschiedenen Zielmarkierungseinheiten 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 Patentanspruch 3 sind die Photodioden im Bereich des sichtbaren Lichts transparent und weisen eine Signalempfindlichkeit im infraroten Bereich auf.
Durch diese Ausgestaltung wird vorteilhafterweise 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.
Das den Patentanspruch 4 betreffende System mit einer Anzeige- und Detektionseinheit, bei dem auf der Anzeigeeinheit Zielpunkte zur Markierung durch einen Benutzer mittels einer Zielmarkierungseinheit anzeigbar sind und der Auftreffpunkt der Zielmarkierungseinheit auf der Anzeigeeinheit ermittelbar ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass vor der Anzeigeeinheit eine transparente Photodiodenmatrix aus organischen Photodioden angebracht ist, wobei der Auftreffpunkt der Zielmarkierungseinheit auf der Photodiodenmatrix detektierbar ist, mehrere als Emissionsquellen ausgebildete Zielmarkierungseinheiten vorgesehen sind, welche dazu eingerichtet sind, verschieden kodierte Lichtstrahlen auszusenden, und dass eine Auswerteelektronik zum Auswerten der Kodierung des detektierten auftreffenden Lichtstrahls hinsichtlich der diesen detektierten Lichtstrahls aussendenden Emissionsquelle vorgesehen ist.
Mit einer solchen Vorrichtung ist das vorstehend beschriebene Verfahren durchführbar. Die organischen Photodioden sind vorteilhafterweise 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 organischen 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 Verarbeitung 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 Eingabesystemen 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.

Claims

Verfahren zur Detektion der Position wenigstens eines auf eine Anzeigeeinheit (8) auftreffenden gebündelten Lichtstrahls, welcher von wenigstens einer Zielmarkierungseinheit (7) ausgesandt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Frontseite der Anzeigeeinheit (8) durch eine transparente Photodiodenmatrix (9) gebildet wird, wobei die Photodioden aus organischem Material bestehen, – von verschiedenen Zielmarkierungseinheiten (7) verschieden kodierte Lichtstrahlen ausgesandt werden, und – durch eine Dekodierung des detektierten auftreffenden Lichtstrahls ausgewertet wird, von welcher der Zielmarkierungseinheiten (7) der detektierte Lichtstrahl ausgesandt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kodierten Lichtstrahlen der verschiedenen Zielmarkierungseinheiten (7) zum Zielen auf einen Punkt der Anzeigeeinheit (8) ausgesandt werden.
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.
System mit einer Anzeige- und Detektionseinheit (8, 9, 10), bei dem auf einer Anzeigeeinheit (8) Zielpunkte zur Markierung durch einen jeweiligen Benutzer mittels einer Zielmarkierungseinheit (7) anzeigbar sind, und der Auftreffpunkt der Zielmarkierungseinheit (7) auf der Anzeigeeinheit (8) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – vor der Anzeigeeinheit (8) eine transparente Photodiodenmatrix (9) aus organischen Photodioden angebracht ist, wobei der Auftreffpunkt der Zielmarkierungseinheit (7) auf der Photodiodenmatrix (9) detektierbar ist, – mehrere als Emissionsquellen ausgebildete Zielmarkierungseinheiten (7) vorgesehen sind, welche dazu eingerichtet sind, verschieden kodierte Lichtstrahlen auszusenden, und – eine Auswerteelektronik (10) zum Auswerten der Kodierung des detektierten auftreffenden Lichtstrahls hinsichtlich der diesen detektierten Lichtstrahl aussendenden Emissionsquelle vorgesehen ist.