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Die Erfindung betrifft eine Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit der eine durch zumindest einen Finger ausgeführte Bedieneingabe erfassbar ist.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden als Bedienvorrichtung entsprechende Touchpads verwendet, um die entsprechenden Funktionseinheiten des Kraftfahrzeugs ansteuern zu können. Diese Touchpads werden üblicherweise mit einem Finger bedient. Die meisten Touchpads erkennen den Finger nur, wenn er die Bedienoberfläche des Touchpads berührt. Demzufolge können diese Touchpads nur eine zweidimensionale Koordinate des Fingers bestimmen. Einige Touchpads erkennen den Finger auch dann, wenn er einige Millimeter über der Oberfläche des Touchpads schwebt. Allerdings bestimmen diese Touchpads für den schwebenden Finger auch nur eine zweidimensionale Koordinate. Der genaue Abstand des Fingers zu der Oberfläche des Touchpads kann hierbei nicht ermittelt werden.
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Nahezu alle heute eingesetzten Touchpads verwenden eine kapazitive Sensorik. Diese besteht üblicherweise aus einem Gitter von Sensorelektroden und einem Auswertebaustein, der die Kapazitäten der Sensorelektroden bestimmt. Berührt ein Finger die Oberfläche des Touchpads, registriert die Sensorik die Kapazitätsänderung der Sensorelektroden und bestimmt anhand dieser Messwerte die Position des Fingers. Bei diesen Touchpads kann die zweidimensionale Koordinate des Fingers nicht mehr bestimmt werden, sobald der Finger die Oberfläche des Touchpads verlässt. Passiert dies während der Fahrt infolge einer Fahrzeugbewegung, wird die auf der Auswertung der Fingerbewegung basierende Bedieneingabe unterbrochen. Bei schlechten Fahrbahnverhältnissen, aber auch bei einem gewollten Abheben des Fingers, einem Weiterbewegen und Wiederaufsetzen des Fingers kann es leicht passieren, dass der Abstand des Fingers von der Oberfläche des Touchpads deutlich größer wird als einige Millimeter. In diesen Fällen kann der Finger mit Hilfe des Touchpads nicht mehr erfasst werden. Der Bedienvorgang wird unterbrochen.
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Mit einer Information über die zweidimensionale Position des Fingers auf der Bedienoberfläche des Touchpads können nur Bewegungen des Fingers in einer Ebene für Bedieneingaben ausgewertet werden. Werden beispielsweise mehr Bedienfreiheitsgrade benötigt, müssen parallel zur Bewegung des Fingers zusätzliche Eingaben getätigt werden. Ein Beispiel hierfür ist das Bewegen eines Mauszeigers, der auf einem Anzeigeelement dargestellt wird, durch eine entsprechende Bewegung des Fingers. Durch eine entsprechende Betätigung einer Zusatztaste kann ein entsprechendes Auswahlelement, auf dem der Zeiger positioniert ist, markiert werden. Um das markierte Auswahlelement zu verschieben, muss die Zusatztaste anhaltend gedrückt werden und zugleich der Finger auf der Oberfläche des Touchpads bewegt werden. Ansonsten könnte nicht unterschieden werden, ob durch die Bewegung des Fingers auf der Oberfläche des Touchpads nur der Mauszeiger bewegt werden soll oder mit Hilfe des Mauszeigers das markierte Objekt verschoben werden soll. Solche Bedieneingaben mit parallelen Bedienhandlungen stellen hohe koordinative Anforderungen an den Benutzer dar. Diese sind während der Fahrt sowohl mit einer hohen Ablenkungswirkung verbunden als auch aufgrund der Fahrzeugbewegung schwierig auszuführen.
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Aus der nachveröffentlichen, lediglich bezüglich der Neuheit relevanten
DE 10 2011 015 063 A1 ist eine Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, mit der eine durch zumindest einen Finger ausgeführte Bedieneingabe erfassbar ist, mit einer Sendeeinheit zum Senden eines Signals zu dem Finger, einer Empfangseinheit zum Empfangen eines von dem Finger reflektierten Signals, einem Bedienflächenelement, in Bezug zu dem der Finger zum Ausführen einer Bedieneingabe räumlich positionierbar ist, und einer Auswerteeinheit zum Bestimmen einer räumlichen Position des Fingers in Bezug zu dem Bedienflächenelement anhand des empfangenen Signals.
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Bezüglich weiteren Standes der Technik wird auf die
DE 10 2010 026 910 A1 , die eine berührungsempfindliche elektronische Anzeige aufzeigt, bei der Infrarotlicht emittierenden Dioden unter der Anzeige angeordnet werden, die
DE 100 47 920 A1 , bei der eine Vorrichtung zum Erkennen einer Berührungsposition auf einem Bedienfeld eine Lichtquelle aufweist, die
EP 1 349 279 A2 , die eine optoelektronische Sensoranordnung für einen Berührungs- oder Näherungsschalter mit einem Strahler, der in einem lichtdurchlässigen Gehäuse angeordnet ist und einen Lichtstrahl aussendet, beschreibt, die
US 2002/0 020 808 A1 , die eine optische Berührungsschalteinrichtung mit einer Vielzahl von Schaltern unter Verwendung einer lichtemittierenden Vorrichtung und eines Photodetektors umfasst und die
DE 40 411 44 C1 , die eine berührungsempfindliche elektronische Anzeige die unter jedem berührungsempfindlichen Bereich eine impulsförmig Infrarotlicht emittierende und eine Infrarotlicht detektierende Vorrichtung aufweist, hingewiesen.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, mit dem eine einfachere und effektivere Bedienbarkeit zugelassen wird.
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Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit der eine durch zumindest einen Finger ausgeführte Bedieneingabe erfassbar ist, umfasst eine Sendeeinheit zum Aussenden eines Signals zu dem Finger, eine Empfangseinheit zum Empfangen des von dem Finger reflektierten Signals, ein Bedienflächenelement, in Bezug zu dem der Finger zum Ausführen einer Bedieneingabe räumlich positionierbar ist, und eine Auswerteeinheit zum Bestimmen einer räumlichen Position des Fingers in Bezug zu dem Bedienflächenelement anhand des empfangenen Signals. Zudem wird die Funktion der Bedienvorrichtung verbessert, indem die dreidimensionale Position des Fingers erst nach einer initialen Berührung des Bedienflächenelements mit dem Finger ermittelt wird. Ohne diese Bedingung kann nicht exakt zwischen einer intendierten Bedienung und einer anders motivierten Fingerbewegung über das Bedienflächenelement unterschieden werden, so dass Funktionen unbeabsichtigt ausgelöst werden können. Außerdem kann nach dem initialen Berühren des Bedienflächenelements ein Algorithmus gestartet werden, der die gemessenen Fingerpositionen anhand eines Modells der möglichen Fingerbewegungen plausibilisiert und die Messwerte glättet (Tracking-Algorithmus). Auf diese Weise kann die Bedienung der Bedienvorrichtung zuverlässiger gestaltet werden.
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Somit kann mit der Bedienvorrichtung auch eine von einem Finger durchgeführte Bedieneingabe erfasst werden, wenn der Finger nicht auf dem Bedienflächenelement platziert wird. Das von der Sendeeinheit ausgesendete Signal wird vom Finger reflektiert und von der Empfangseinheit empfangen. Die Auswerteeinheit berechnet dann aus den Sensorsignalen die räumliche Koordinate des Fingers. Dies ermöglicht es, den Finger in einem zuvor definierten Abstand, der beispielsweise mehrere Zentimeter betragen kann, zu verfolgen und seine dreidimensionale Position zu bestimmen. Hierbei wird die Position des Fingers auch dann ermittelt, wenn sich der Finger während des Bedienvorgangs von dem Bedienflächenelement abhebt. Somit kann eine durch den Finger ausgeführte Bedieneingabe von der Bedienvorrichtung zuverlässiger erfasst werden.
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Durch das kontinuierliche Erfassen der Position des Fingers auch in dem von dem Bedienflächenelement abgehobenen Zustand und einer entsprechenden Visualisierung auf einem der Bedienvorrichtung zugeordneten Anzeigeelement kann der Benutzer seine Fingerbewegung besser koordinieren und einen auf dem Anzeigeelement dargestellten Zeiger bzw. Cursor genauer positionieren. Die Erfassung der Position des Fingers stellt einen zusätzlichen Bedienfreiheitsgrad dar, der für die Funktionssteuerung verwendet werden kann. Somit kann beispielsweise eine dreidimensionale Menüsteuerung ermöglicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bedienflächenelement für das Signal durchlässig und die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind an einer dem Finger abgewandten Seite des Bedienflächenelements angeordnet. Die Bedienvorrichtung umfasst bevorzugt eine geschlossene Bedienoberfläche in Form des Bedienflächenelements. Unter diesem Bedienflächenelement sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit angeordnet. Um mit der Sendeeinheit und der Empfangseinheit die Position des Fingers über dem Bedienflächenelement erfassen zu können, weist das Bedienflächenelement in einem Wellenlängenbereich des Signals einen hohen Transmissionsgrad auf. Somit wird das Signal, das auf seinem Weg von der Sendeeinheit zu dem Finger und zurück zur Empfangseinheit das Bedienflächenelement zweimal durchdringt, nicht abgelenkt bzw. verfälscht. Auf diese Weise kann die räumliche Position des Fingers besonders exakt bestimmt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sendet die Sendeeinheit Licht, insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich, als das Signal aus. Die Verwendung von Licht im infraroten Wellenlängenbereich weist den Vorteil auf, dass das Bedienflächenelement so gestaltet werden kann, dass es für das menschliche Auge nicht transparent ist. Somit kann der Benutzer die hinter dem Bedienflächenelement angeordnete Technik nicht sehen. Daher kann das äußere Erscheinungsbild der Bedienvorrichtung hochwertiger ausgeführt werden. Als Sendeeinheit kann eine entsprechende Infrarot-Beleuchtung und als Empfangseinheit eine entsprechende Infrarot-Sensorik verwendet werden. Das Bedienflächenelement sollte so ausgebildete sein, dass es im sichtbaren Wellenlängenbereich einen sehr geringen und im Infrarotbereich einen sehr hohen Transmissionsgrad aufweist. Die Verwendung einer entsprechenden Infrarot-Sensorik weist zudem den Vorteil auf, dass diese von dem Umgebungslicht nur geringfügig beeinflusst wird. Daher kann der Finger im Bezug zu dem Bedienflächenelement besonders exakt und zuverlässig bestimmt werden.
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In einer Ausführungsform ist durch die Auswerteeinheit die Position des Fingers anhand einer Laufzeit des Signals bestimmbar. Die Empfangseinheit kann als sogenannte Tiefenkamera ausgebildet sein. Eine solche Tiefenkamera weist üblicherweise nur ein Objektiv auf. Ein spezieller Bildsensor ermittelt durch die Laufzeitmessung des von der Sendeeinheit, die beispielsweise als entsprechende Beleuchtungseinheit ausgebildet sein kann, ausgesendeten und von der Umgebung reflektierten Lichts für jedes Bildpixel eine Entfernungsinformation. Durch die Auswertung der pixelfreien Entfernungsinformation kann die dreidimensionale Position des Fingers besonders exakt bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist durch die Auswerteeinheit die Position des Fingers anhand einer Intensität des empfangenen Signals bestimmbar. Ebenso kann zur Bestimmung der Position des Fingers eine sogenannte Mono-Kamera verwendet werden. Diese misst mit ihrem Sensor pixelweise die Intensität des reflektierten Lichts. Befindet sich ein Finger auf oder über dem Bedienflächenelement, kann durch die Auswertung der Intensitätsverteilung die dreidimensionale Position des Fingers bestimmt werden, da die Amplituden und die Form der Intensitätsverteilung mit dem Fingerabstand von der Bedienfläche korreliert. Dies ermöglicht es auf einfache Weise, die Position des Fingers dreidimensional zu erfassen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bedienvorrichtung zumindest zwei Empfangseinheiten, die in einer Erstreckungsrichtung parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des Bedienflächenelements beabstandet angeordnet sind. Die Empfangseinheit kann auch als Stereo-Kamera ausgebildet sein, die aus zwei Objektiven und Bildsensoren besteht, die den Finger aus unterschiedlichen Perspektiven aufnehmen. Mit dem bekannten Abstand der Sensoren zueinander kann durch die Verrechnung der beiden Bilder eine dreidimensionale Position des Fingers bestimmt werden. Die dafür notwendigen Verfahren und Algorithmen sind bekannt, wodurch die Position des Fingers ohne zusätzlichen Aufwand bestimmt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Bedienvorrichtung eine Mehrzahl von Sendeeinheiten und eine Mehrzahl von Empfangseinheiten, die in einer ersten und in einer zu der ersten senkrechten, zweiten Erstreckungsrichtung parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des Bedienflächenelements angeordnet sind. Zur dreidimensionalen Erfassung des Fingers kann ebenso eine diskret aufgebaute Kamera verwendet werden. Eine solche diskret aufgebaute Kamera besteht üblicherweise aus gitterförmig auf einer Leiterplatte angeordneten Infrarot-Sendern und Infrarot-Empfängern. Die Infrarot-Sender können beispielsweise als entsprechende Beleuchtungseinheit oder Leuchtdiode ausgebildet sein. Die Infrarot-Empfänger können als entsprechende Infrarotsensoren oder als Fotodioden ausgebildet sein. Durch eine geeignete Ansteuerung der Sendeeinheiten und Empfangseinheiten kann pixelweise die Intensität des reflektierten Lichts gemessen werden, wobei die Pixel je nach Art der Ansteuerung durch das Gitternetz der Sendeeinheiten oder der Empfangseinheiten definiert sind. Die Bestimmung der dreidimensionalen Position des Fingers erfolgt wie bei einer Monokamera anhand der Verteilung der Intensität des reflektierten Lichts, wobei die durch den diskreten Aufbau bedingte grobe Auflösung durch geeignete Interpolation der Messdaten ausgeglichen werden kann. Durch die besonders flache Bauweise der diskreten Kamera führen bereits kleine Änderungen des Fingerabstands von dem Bedienflächenelement zu einer großen Veränderung der Sensorsignale, so dass die Entfernungsbestimmung besonders hochauflösend und genau ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Bedienvorrichtung eine Sensoreinheit, mit der ein Berühren des Bedienflächenelements mit dem Finger erfassbar ist. Bei allen zuvor beschriebenen Kombinationen von Sende- und Empfangseinheiten kann die Genauigkeit der dreidimensionalen Fingerpositionsbestimmung gesteigert werden, indem das Berühren des Bedienflächenelements durch den Finger mit einer zusätzlichen Sensorik erfasst wird. Die Sensorik kann beispielsweise als kapazitiver Sensor ausgebildet sein. Da die Geometrie des Bedienflächenelements bekannt ist, kann die Abstandskoordinate des Fingers bei Berührung kalibriert werden. Hier können etwaige Ungenauigkeiten bei der Abstandsbestimmung, die beispielsweise aus einem unterschiedlichen Reflektionsverhalten verschiedener Finger resultieren können, entgegengewirkt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Bedienvorrichtung einen Aktor, mit dem ein haptisches Signal an dem das Bedienflächenelement berührenden Finger ausgebbar ist. Die Bedienvorrichtung kann zusätzlich eine entsprechende Betätigungshaptik aufweisen. Dabei kann der Benutzer durch das Aufbringen einer Auslösekraft auf das Bedienflächenelement eine entsprechende Funktion auslösen. Als Reaktion darauf wird eine haptische Rückmeldung erzeugt, indem das Bedienflächenelement zu Schwingungen angeregt wird. Dafür kann entweder ein permanent wirkender mechanischer Haptikmechanismus (z. B. ein Mikroschalter) oder ein steuerbarer elektromechanischer Haptikmechanismus (z. B. ein Wegsensor in Kombination mit einem elektromagnetischen Aktor) verwendet werden. In dem zweiten Fall kann die Betätigungshaptik abhängig von dem Bedienkontext ein- und ausgeschaltet werden, und es können durch eine unterschiedliche Ansteuerung des Aktors verschiedene haptische Effekte erzeugt werden. Somit kann die Bedienung der Bedienvorrichtung zuverlässiger ermöglicht werden.
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Bevorzugt sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit in Abhängigkeit von einem Signal der Sensoreinheit zum Bestimmen der Position des Fingers aktivierbar.
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In einer weitergehenden Ausführungsform der Bedienvorrichtung ist es auch vorstellbar, dass von mehreren Fingern gleichzeitig die dreidimensionale Position bestimmt wird. Dazu sind die Auswertealgorithmen entsprechend anzupassen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Bedienvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in einer geschnittenen Seitenansicht,
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2 eine zweite Ausführungsform der Bedienvorrichtung,
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3 eine dritte Ausführungsform der Bedienvorrichtung,
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4 eine vierte Ausführungsform der Bedienvorrichtung, und
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5 eine dreidimensionale Darstellung eines mit der Bedienvorrichtung empfangenen Messsignals.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines ersten Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt eine Bedienvorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen geschnittenen Seitenansicht. Die Bedienvorrichtung 10 umfasst eine Sendeeinheit 12 und eine Empfangseinheit 14. Die Sendeeinheit 12 und die Empfangseinheit 14 sind mit einer Auswerteeinheit 16 gekoppelt. Die Sendeeinheit 12, die Empfangseinheit 14 und die Auswerteeinheit 16 sind unterhalb eines Bedienflächenelements 18 angeordnet. Auf einer der Sendeeinheit 12, der Empfangseinheit 14 und der Auswerteeinheit 16 abgewandten Seite des Bedienflächenelements 18 kann ein Finger 20 zum Ausführen einer Bedieneingabe räumlich positioniert werden.
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Die Sendeeinheit 12 sendet ein Signal zum Finger 20 aus. Das Signal wird von dem Finger 20 reflektiert und das reflektierte Signal wird von der Empfangseinheit 14 empfangen. Die Auswerteeinheit 16 ist dazu ausgebildet, eine räumliche Position des Fingers 20 in Bezug zu dem Bedienflächenelement 18 anhand des empfangenen Signals zu bestimmen. Bevorzugt sendet die Sendeeinheit 12 Licht im infraroten Wellenlängenbereich als das Signal aus. Das Bedienflächenelement 18 weist bevorzugt in diesem Wellenlängenbereich einen hohen Transmissionsgrad auf.
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Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines zweiten Ausführungsbeispiels.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Bedienvorrichtung 10. Hierbei umfasst die Bedienvorrichtung 10 zwei Empfangseinheiten 14, die beabstandet zueinander angeordnet sind. Die Empfangseinheit 14 kann beispielsweise als entsprechende Stereo-Kamera ausgebildet sein, die zwei Objektive und zwei Bildsensoren umfasst, die den Finger 20 aus unterschiedlichen Perspektiven aufnehmen. Mit Hilfe des bekannten Abstands zwischen den beiden Empfangseinheiten 14 kann durch die Verrechnung der mit den Empfangseinheiten 14 aufgenommenen Bilder die dreidimensionale Position des Fingers 20 bestimmt werden.
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Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines dritten Ausführungsbeispiels.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Bedienvorrichtung 10. Vorliegend umfasst die Bedienvorrichtung 10 eine Sendeeinheit 12 und eine Empfangseinheit 14. Die Sendeeinheit 12 kann als entsprechende Beleuchtungseinheit ausgebildet sein. Die Empfangseinheit 14 kann als sogenannte Tiefenkamera ausgebildet sein, welche üblicherweise nur ein Objektiv aufweist. Ein spezieller Bildsensor ermittelt anhand der Laufzeit des von der Sendeeinheit 12 ausgesendeten Signals und des von der Empfangseinheit 14 empfangenen Signals die dreidimensionale Position des Fingers 20.
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Ebenso kann bei dem in 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel die Empfangseinheit 14 als Mono-Kamera ausgebildet sein. Eine solche Mono-Kamera erfasst mit ihrem Objektiv mit dem dazugehörigen Bildsensor pixelweise die Intensität des vom Finger 20 reflektierten Lichts. Somit kann anhand der Intensitätsverteilung die dreidimensionale Position des Fingers 20 bestimmt werden.
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Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines vierten Ausführungsbeispiels.
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4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Bedienvorrichtung 10, in der die Bedienvorrichtung 10 eine Mehrzahl von Sendeeinheiten 12 und eine Mehrzahl von Empfangseinheiten 14 umfasst, die alternierend und parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des Bedienflächenelements 18 angeordnet sind. Die Sendeeinheiten 12 können als entsprechende Infrarot-Sender, insbesondere als Leuchtdioden, und die Empfangseinheiten 14 als Infrarot-Empfänger, insbesondere als Fotodioden, ausgebildet sein. Diese können gitterförmig auf einer hier nicht dargestellten Leiterplatte angeordnet sein. Durch eine geeignete Ansteuerung der Sendeeinheiten 12 und der Empfangseinheiten 14 kann pixelweise die Intensität des reflektierten Lichts gemessen werden. Die dreidimensionale Position des Fingers 20 kann anhand der Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts bestimmt werden.
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5 zeigt ein Messsignal einer Bedienvorrichtung 10 gemäß den ersten bis vierten Ausführungsbeispielen. Der dreidimensionale Graph zeigt die Verteilung der Intensität des von dem Finger 20 reflektierten Lichts, das mit den Empfangseinheiten 14 erfasst ist. Die Achse 22 entspricht einer ersten Erstreckungsrichtung und die Achse 24 einer zu der ersten Erstreckungsrichtung senkrechten, zweiten Erstreckungsrichtung. Die Erstreckungsrichtungen verlaufen parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des Bedienflächenelements 18. Die in 5 dargestellte grobe Auflösung der Intensitätsverteilung, die durch den diskreten Aufbau bzw. die Anordnung der Sendeeinheiten 12 und Empfangseinheiten 14 bedingt ist, kann durch eine geeignete Interpolation der Messdaten ausgeglichen werden.
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Obgleich die vorliegende Erfindung vorhergehend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass verschiedene Ausgestaltungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
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Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird ausdrücklich auf die Offenbarung der Zeichnung verweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bedienvorrichtung
- 12
- Sendeeinheit
- 14
- Empfangseinheit
- 16
- Auswerteeinheit
- 18
- Bedienflächenelement
- 20
- Finger
- 22, 24, 26
- Achse
