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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Detektorsystem mit einem Wellenleiter, der eine Eingabeschnittstelle bereitstellt.
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Bekannt sind beispielsweise Touchscreens (z.B. kapazitive Touchdisplays) als Userschnittstelle. Diese sind aber für virutelle Displays, wie z.B. Augmented-Reality-Displays oder Head-Up-Displays nicht geeignet.
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Eine weitere Alternative sind extern angebrachte Kameras, die z.B. die Person und/oder deren Handgesten oder Augengesten aufnehmen.
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Nachteilig ist hierbei, dass unterschiedliche Winkelverhältnisse zwischen Kameraaufnahme und virtuellem Bild vorliegen, was große Schwierigkeiten einer kontaktanalogen Überlagerung des virtuellen Bildes mit der Bedienung im virtuellen Bild mit sich bringt.
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Ausgehend hiervon soll ein verbessertes Detektorsystem bereitgestellt werden.
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Die Erfindung ist im Anspruch 1 definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Mit dem erfindungsgemäßen Detektorsystem ist eine berührungslose Detektion der Positionierung eines Objekts (wie z.B. einer Hand, eines Fingers oder eines Auges eines Benutzers) vor einem der diffraktiven Elemente möglich.
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Dabei ist die Detektion sehr robust gegen unterschiedliche Lichtverhältnisse oder sonstige äußere Einflüsse.
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Bevorzugt ist mindestens eines der diffraktiven Elemente und/oder mindestens einer der Auskoppelbereiche als Volumenhologramm ausgebildet. Damit können die gewünschten optischen Eigenschaften des diffraktiven Elementes bzw. des Auskopppelbereiches optimal designed bzw. eingestellt werden.
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Beispielsweise kann mindestens ein diffraktives Element zusätzlich eine Linsenfunktion aufweisen. Diese kann insbesondere so ausgelegt sein, dass die eingekoppelte erste Strahlung und/oder die eingekoppelte zweite Strahlung als paralleles Strahlenbündel im Basiskörper propagiert.
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Ferner kann das Detektorsystem eine Anzeigeeinrichtung aufweisen, die mindestens einen Auswahlbereich so darstellt, dass er bei Betrachtung der Vorderseite wahrnehmbar ist und mit einem der diffraktiven Elemente zusammenfällt. Insbesondere kann der Auswahlbereich so dargestellt werden, dass er als virtuelles Bild wahrnehmbar ist.
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Bevorzugt ist der Wellenlängenbereich für die Darstellung des Auswahlbereiches verschieden zum Wellenbereich der Strahlung für die Bestimmung der Positionierung des Objekts vor der Vorderseite. So kann der Auswahlbereich mit Wellenlängen aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich dargestellt werden, wohingegen die Strahlung zur Detektion der Positionierung aus dem Infrarotbereich oder im nahen Infrarotbereich stammt.
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Gerade bei der Verwendung von Volumenhologrammen lässt sich sehr gut einstellen, dass diese nur für die Strahlung aus dem Infrarotbereich oder nahen Infrarotbereich ihre gewünschte optische Wirkung entfalten und für Strahlung aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich vollkommen transparent sind.
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Das Detektorsystem kann als Head-Up-Display, als auf dem Kopf eines Benutzers zu tragende Anzeigevorrichtung oder als sonstiges Display realisiert sein. Ferner kann es z.B. in eine normale Glasscheibe integriert sein. Dabei kann es sich z.B. um eine Schaufensterscheibe, eine Scheibe eine Fahrzeugs oder eine Fensterscheibe handeln.
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Die Auskoppelbereiche können insbesondere so ausgebildet sein, dass sie die Strahlung über die Vorderseite, die Rückseite oder die Stirnseite des transparenten Basiskörpers auskoppeln.
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Die Steuereinrichtung kann ferner so ausgebildet sein, dass sie in Abhängigkeit des bestimmten diffraktiven Elementes, vor dem das Objekt positioniert ist, den Wert eines Mess- oder Ausgabeparameters ändert. Insbesondere kann es sich dabei um einen Parameter der Anzeigeeinrichtung handeln. So kann beispielsweise die Darstellung des Auswahlbereiches als Reaktion auf die Bestimmung der Position des Objekts geändert werden oder es kann ein anderes Bild für den Benutzer dargestellt werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht auf die Vorderseite des transparenten Basiskörpers 6 einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektorsystems;
- 2 eine Seitenansicht des Detektorsystems gemäß 1;
- 3 eine Variante zur Ausbildung der Sensorabschnitte 111-116 der Sensoreinrichtung 4, und
- 4 eine weitere Variante der Sensorabschnitte 111-116 der Sensoreinrichtung 4 mit der zusätzlichen Möglichkeit der Bilderzeugung mittels eines Bildmoduls 16.
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Bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Detektorsystem 1 einen Wellenleiter 2, eine Anzeigeeinrichtung 3, eine Sensoreinrichtung 4 und eine Steuereinrichtung 5.
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Der Wellenleiter 2 umfasst einen transparenten Basiskörper 6 mit einer Vorderseite 7 und einer Rückseite 8. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Basiskörper 6 als planparallele Platte ausgebildet, so dass sowohl die Vorderseite 7 als auch die Rückseite 8 jeweils plan ist. Der Basiskörper 6 kann beispielsweise aus Glas oder Kunststoff gebildet sein.
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Natürlich ist es auch möglich, dass die Vorderseite 7 und/oder die Rückseite 8 gekrümmt ausgebildet sind/ist. Des Weiteren können die Vorderseite 7 und die Rückseite 8 nicht parallel zueinander verlaufen, so dass der transparente Basiskörper keilförmig ausgebildet ist
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Der Basiskörper 6 umfasst hier neun diffraktive Elemente 911, 912, 913, 921, 922, 923, 931, 932 und 933, die in drei Zeilen und drei Spalten angeordnet sind. Die diffraktiven Elemente 911-933 können auch als Einkoppelbereiche bezeichnet werden.
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Ferner umfasst der Basiskörper 6 sechs Auskoppelbereiche 101, 102, 103, 104, 105 und 106, die so angeordnet sind, dass jeweils einer der Auskoppelbereiche einer Zeile und jeweils einer der Auskoppelbereiche einer Spalte zugeordnet sind, wie schematisch in 1 dargestellt ist.
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Die Sensoreinrichtung 4 weist jeweils einen einem Auskoppelbereich 10 zugeordneten Sensorabschnitt 111, 112, 113, 114, 115 und 116 auf, wie es schematisch in 2 angedeutet ist. Die Sensorabschnitte 111-116 der Sensoreinrichtung 4 sind mit der Steuereinrichtung 5 verbunden. Ferner ist die Steuereinrichtung 5 mit der Anzeigeeinrichtung 3 verbunden.
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Wie schematisch in den 1 und 2 angedeutet ist, wird von einer Strahlung 12, die von einem vor der Vorderseite 7 positionierten Objekt 13 (wie z.B. ein Finger einer Person) ausgeht und über die Vorderseite 7 in den transparenten Basiskörper 6 eintritt und dort auf das diffraktive Element 912 trifft, in eine erste und zweite Strahlung 121 und 122 aufgespalten und umgelenkt. Wie insbesondere in der schematischen Darstellung in 1 gezeigt ist, wird die erste Strahlung 121 in Zeilenrichtung zum zugeordneten Auskoppelbereich 101 umgelenkt, wobei die Führung im Basiskörper 6 durch Reflexionen an der Rückseite 8 und der Vorderseite 7 erfolgt. Die zweite Strahlung 122 wird hingegen in Spaltenrichtung so umgelenkt, dass sie nach Reflexionen an Rückseite 8 und Vorderseite 7 auf den zugeordneten fünften Auskoppelbereich 105 trifft.
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Der fünfte Auskoppelbereich 105 bewirkt eine Umlenkung der zweiten Strahlung 122 hin zum zugeordneten Sensorabschnitt 115, der dadurch eine Intensitätsänderung misst. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird insbesondere die Strahlung aus dem Infrarotbereich (780nm - 1 mm) oder aus dem nahen Infrarotbereich (780nm - 3µm) mittels der Sensorabschnitte 111-116 detektiert.
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In gleicher Weise lenkt der erste Auskoppelbereich 10 die erste Strahlung 121 auf den zugeordneten Sensorabschnitt 111.
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Da die Sensorabschnitte 111-116 ihre Messsignale laufend an die Steuereinrichtung 5 weiter geben, kann die Steuereinrichtung 5 basierend auf den Intensitätsänderungen der Signale des ersten und fünften Sensorabschnitts 111 und 115 bestimmen, dass sich das Objekt 13 vor dem zweiten diffraktiven Element 912 befindet.
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Die Reflexion an der Rückseite 8 und der Vorderseite 7 der ersten und zweiten Strahlung 121 und 122 können interne Totalreflexionen sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Vorderseite 7 und die Rückseite 8 teilreflektiv oder reflektiv mindestens im Bereich zur Führung der eingekoppelten Strahlung 121, 122 beschichtet sind.
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Hinter der Rückseite 8 des transparenten Basiskörpers ist ferner die Anzeigeeinrichtung 3 angeordnet, die z.B. ein LCD-Display sein kann. Die Anzeigeeinrichtung 3 ist so ausgebildet und/oder wird mittels der Steuereinrichtung 5 so angesteuert, dass sie beispielsweise im Bereich jedes diffraktiven Elementes 9 einen Auswahlbereich darstellt. Dabei kann es sich um einen Buchstaben, ein beliebiges Bild, Symbole, Ziffern, mehrere Buchstaben oder Texte oder sonstiges handeln.
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Die beschriebene Bestimmung, dass das Objekt 13 vor dem zweiten diffraktiven Element 912 positioniert ist, kann dann beispielsweise als Auswahl dieses Auswahlbereiches bzw. als Eingabe festgelegt werden.
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Da die Anzeigeeinrichtung 3 die Auswahlbereiche im sichtbaren Wellenlängenbereich (400nm - 780nm) darstellt und die beschriebene Messung der Position des Objektes vor der Vorderseite 7 des transparenten Basiskörpers 6 mit Wellenlängen im Infrarotbereich oder nahen Infrarotbereich durchgeführt wird, tritt vorteilhaft keine unerwünschte Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Strahlungen gerade im Bereich der diffraktiven Elemente 911-933 auf.
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Somit wird ein berührungsloser Flächensensor bereitgestellt, der universell einsetzbar ist und selbst bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen ausgezeichnete Ergebnisse liefert.
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Die diffraktiven Elemente 91-933 sind bevorzugt als Volumenhologramme ausgebildet. In gleicher Weise sind die Auskoppelbereiche 101-106 bevorzugt als Volumenhologramme verwirklicht.
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Sowohl die diffraktiven Elemente 91-933 als auch die Auskoppelbereiche 101-106 sind jeweils im transparenten Körper vergraben ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, dass die diffraktiven Elemente 911-933 und/oder die Auskoppelbereiche 101-106 auf der Vorderseite 7 oder auf der Rückseite 8 ausgebildet sind.
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In 2 sind die Sensorabschnitte 11 schematisch als Sensoren dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Sensorabschnitte 111-116 neben dem Sensor 14 eine Optik 15 aufweisen, wie in 3 für einen Sensorabschnitt 11 schematisch dargestellt ist.
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Natürlich ist es auch möglich, dass die Auskoppelbereiche 101-106 so ausgebildet sind, dass sie die abbildende Funktion der Optik 15 bereits aufweisen. In diesem Fall kann die Optik 15 weggelassen werden.
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Ferner ist es möglich, dass die diffraktiven Elemente 911-933 eine Linsenfunktion aufweisen. Diese Linsenfunktion ist bevorzugt so designed, dass die eingekoppelte erste Strahlung 121 und die eingekoppelte zweite Strahlung 122 jeweils als paralleles Strahlenbündel im Basiskörper propagiert.
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Ferner kann in einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Detektorsystems 1 auf die Anzeigeeinrichtung 3 verzichtet werden. Dies kann z.B. dann der Fall sein, wenn keinerlei Anzeige gewünscht ist. Des Weiteren kann der transparente Basiskörper 6 so ausgebildet sein, dass er selbst Markierungen aufweist, die im Bereich der diffraktiven Elemente 911-933 gebildet sind.
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Alternativ ist es möglich, die entsprechenden Kanäle von den diffraktiven Elementen 911-933 bis zu den zugeordneten Auskoppelbereichen 101-106 in entgegensetzte Richtung für eine Bilddarstellung zu benutzen. Dazu kann der entsprechende Sensorabschnitt 11, wie in 4 dargestellt ist, neben der Optik 15 und dem Sensor 16 noch ein Bildmodul 16 mit einem Display 17 und einer Optik 18 aufweisen, wobei ein Strahlenteilewürfel 19 dafür sorgt, dass die entsprechenden Kanäle sowohl in Vorwärtsrichtung (vom diffraktiven Element 911-933 bis zum Auskoppelbereich 101-106) zur Detektion sowie in Rückwärtsrichtung vom Auskoppelbereich 101-106 bis zum diffraktiven Element 911-933 zur Bilddarstellung überlagert werden. Anstatt des Strahlteilerwürfels 19 kann z.B. eine teilreflektive Platte oder ein sonstiges optisches Element zur Strahlengangüberlagerung verwendet werden.
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Bei der Darstellung in 2 sind die Anzeigeeinrichtung 3 und der transparente Basiskörper 6 voneinander beabstandet. Sie können jedoch auch direkt miteinander verbunden sein. Ferner ist es möglich, für den transparenten Basiskörper 6 gleich die Anzeigeeinrichtung 3 selbst zu benutzen, so dass beide Elemente ineinander integriert sind.
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Der erfindungsgemäße Flächensensor kann beispielsweise als Scheibe (beispielsweise Schaufensterscheibe) oder auch als sogenanntes Head-Up-Display (z.B. in Fahrzeugen wie PKWs) verwirklicht sein.
