NL1032584C1

NL1032584C1 - Hoekverdraaiing sensor.

Info

Publication number: NL1032584C1
Application number: NL1032584A
Authority: NL
Inventors: Bernhard Theodoor Sikkens
Original assignee: Paccus Interfaces B V
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-03-28
Also published as: WO2008039066A1; EP2082194A1; US20100027030A1

Description

- 1 -

HOEKVERDRAAIING SENSOR

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het bepalen van een hoekverdraaiing, welke 5 bekend staat onder de naam: hoekverdraaiing sensor.

De onderhavige uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het bepalen van de hoekverdraaiing en op een op een chip geïntegreerde lichtontvanger voor 10 toepassing in de hoekverdraaiing sensor.

Dergelijke hoekverdraaiing sensoren zijn van algemene bekendheid. Zij vinden inmiddels toepassing in onder meer computer games, in het bijzonder high-end computer games, 15 maar ook op professioneel gebied zoals in automatische systemen als manipulatoren voor bijvoorbeeld industriële toepassingen en robots voor onder meer medische gebruik.

De bekende sensoren hebben het nadeel dat zij in het 20 algemeen kostbaar en omvangrijk zijn en op professioneel gebied met onvoldoende nauwkeurigheid of tegen hoge meerkosten hoekverdraaiingen kunnen bepalen.

Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen 25 van een verbeterde inrichting voor het nauwkeurig bepalen van hoekverdraaiingen waarin de bovenvermelde nadelen althans zijn afgezwakt.

Daartoe heeft de inrichting volgens de uitvinding de 30 kenmerken dat deze een lichtgever en een lichtontvanger omvat die over een hoek ten opzichte van elkaar verdraaibaar zijn, waarbij de lichtontvanger in een patroon op een chipoppervlak aangebrachte lichtgevoelige beeldpunten heeft waarop in afhankelijkheid van voornoemde 35 hoek licht van of via de lichtgever valt, en waarbij het .i üsssm - 2 - patroon althans een deel van een cirkelboogvormig patroon is.

De werkwijze volgens de uitvinding heeft de kenmerken 5 dat een hoekverdraaiing wordt bepaald tussen een lichtgever en een lichtontvanger die over een hoek ten opzichte van elkaar verdraaibaar zijn, waarbij in afhankelijkheid van voornoemde hoek licht van de lichtgever op in een patroon op een chipoppervlak aangebrachte lichtgevoelige 10 beeldpunten wordt geprojecteerd, en waarbij het patroon een deel van een cirkelboogvormig patroon is.

Voordeel van de inrichting en werkwijze volgens de uitvinding is dat een in de praktijk tot nu toe vereist 15 spelingarm mechanisch draai- en lagersysteem voor de lichtgever en de lichtontvanger met nauwe toleranties, noodzakelijk was om tot een inrichting met voor professionele toepassingen voldoende hoeknauwkeurigheid te komen. Een dergelijk kostbaar, zwaar en omvangrijk 20 mechanisch systeem is in de inrichting volgens de onderhavige uitvinding niet noodzakelijk. Eventuele afwijkingen tussen inrichtingen onderling of foutbronnen die bij hoekverdraaiing in eenzelfde inrichting in de praktijk optreden, dragen bij toepassing van de onderhavige 25 uitvinding niet langer bij tot een onnauwkeurigheid in de met de inrichting volgens de uitvinding bepaalde hoekverdraaiing. Er worden derhalve geen hoge mechanische eisen meer gesteld aan het gebruikte draai- en lagersysteem voor de onderling draaibare lichtgever en lichtontvanger, 30 welk systeem daarmee minder kostbaar kan zijn, hetgeen kostprijsverlagend is voor de daarmee tevens meer compacte inrichting volgens de uitvinding.

Bij voorkeur heeft een uitvoeringsvorm van de 35 inrichting volgens de uitvinding het kenmerk dat de - 3 - beeldpunten in een cirkel patroon op het chipoppervlak zijn aangebracht, waarbij in een verbijzondering de lichtgever is voorzien van veelal optische middelen om de beeldpunten in een gewenst lichtpatroon te belichten, waarbij een 5 lichtstreep of mogelijk kruisvormig patroon het cirkelpatroon van beeldpunten een of meer malen snijdt.

Met voordeel kan op deze wijze bijvoorbeeld een chipoppervlak worden gebruikt dat een oppervlakte heeft van 25 mm2, waarbij de cirkel van het cirkelpatroon een 10 diameter kan hebben van slechts 4 mm. Deze eigenschappen liggen binnen hetgeen mogelijk is met de hedendaagse 'image sensor' technologie, waarmee een op een silicium chip geïntegreerde inrichting met hoge resolutie haalbaar is gebleken.

15

Een de voorkeur verdienende uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat het lichtstreep patroon ten minste een lichtstreep heeft die aan een einde breder is dan aan het andere einde.

20 Doordat het uitgangssignaal dat ontstaat bij het uitlezen van de belichte beeldpunten in dat geval een smal en een breed gedeelte heeft geeft dat informatie omtrent de oriëntatie (0° of 180° stand) van het lichtstreep patroon.

25 Thans zullen de inrichting en de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van de onderstaande figuren, waarin overeenkomstige onderdelen van dezelfde verwijzingscijfers zijn voorzien. Daarbij toont: 30 Figuur 1 een schematische uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding;

Figuur 2 een alternatieve uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding;

Figuur 3 een volgende alternatieve uitvoeringsvorm 35 van de inrichting volgens de uitvinding; en tonen: - 4 -

Figuren 4A, 4B en 4C illustraties van tnogelijke cirkelboogvormige patronen van de beeldpunten in de lichtontvanger volgens de uitvinding; en

Figuren 5A en 5B een alternatief lichtstreeppatroon 5 en bijbehorend uitleessignaal van een thans de voorkeur verdienende uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding.

Figuur 1 toont schematisch een inrichting 1 voor het 10 bepalen van een hoekverdraaiing. De inrichting 1 omvat een lichtgever 2 en een lichtontvanger 3 die over een met een stippellijn aangeduide hoek ten opzichte van elkaar verdraaibaar zijn. In principe kunnen in deze of volgende uitvoeringsvormen van de inrichting 1, zowel de lichtgever 15 2 als de lichtontvanger 3 draaibaar zijn, maar in de prakrijk zal veelal vanwege constructieve eenvoud slechts een van deze beide elementen 2, 3 draaibaar zijn opgesteld. In de uitvoering van figuur 1 is het lichtgever gedeelte 2 draaibaar en is de lichtontvanger 3, waarin zich een chip 20 bevindt, vast. Hier bevindt zich in de lichtgever 2 een lichtbron, bijvoorbeeld een laserdiode of LED (L), die licht met in hoofdzaak één frequentie door een spleet 4 straalt. Op het oppervlak 5 van de chip in de lichtontvanger 3, waarop zich in dit geval een 25 cirkelpatroon van lichtgevoelige beeldpunten 6 bevindt, wordt in dit geval een overeenkomstig streeppatroon geprojecteerd. Het streeppatroon snijdt hier het cirkelpatroon twee maal, alhoewel één maal snijden in principe ook tot de mogelijkheden behoort. Als sprake is 30 van een ster of kruispatroon in de onderhavige of een van de volgende uitvoeringsvormen van de inrichting 1, snijdt het lichtpatroon het althans cirkelboogvormige patroon van meestal gelijkelijk over dat patroon verdeelde beeldpunten 6 op het chip oppervlak 5 meer dan één maal. Uit de 35 meerdere beeldpunten 6 die al of niet belicht worden door - 5 - de lichtbron, in of van de lichtgever 2, is informatie af te leiden over de hoek of hoekverdraaiing tussen de lichtgever 2 en de lichtontvanger 3. De hoekverdraaiing wordt bepaald door met behulp van een daarvoor geschikt 5 algoritme een optisch zwaartepunt te berekenen van de groep of groepen in het cirkelboogvormige patroon gelegen beeldpunten 6, waarop het licht van de lichtgever 2 wordt geproj ecteerd.

Een illustratie daarvan is gegeven in de uitvoering 10 van de figuren 5A en 5B. Figuur 5A toont een variant waarin het lichtstreep patroon dat op de lichtgevoelige beeldpunten 6 wordt geprojecteerd een lichtstreep heeft die aan een hier onderste einde breder is dan aan het bovenste einde. Dientengevolge worden minder belichte beeldpunten 6 15 aan de bovenzijde van het beeldpunten patroon uitgelezen dan aan onderzijde, en zal het uitleessignaal dat in figuur 5B is getoond achtereenvolgens kort en langer duren. Uit de breedte wordt de oriëntatie, d.w.z. 'smalle einde wijst naar boven', afgeleid en na optische zwaartepunt bepaling 20 binnen elk van de bij dit lichtstreep patroon behorende twee bulten in het uitleessignaal is nauwkeurig bekend welke beeldpunten 6 op welke plaats wel en welke niet zijn belicht. Daarmee is de hoek of hoekverdraaiing bepaald met een nauwkeurigheid die mede afhangt van het aantal op de 25 chip aangebrachte beeldpunten 6.

Een eventueel aanwezige speling in de niet weergegeven mechanische middelen waarin de lichtgever 2 en/of lichtnemer 3 in één van de toegelichte uitvoeringen van de inrichting 1 zijn vervat, ten behoeve van hun 30 draaibare montage, leidt tot een bij het uitlezen vast te stellen asymmetrische belichting van de in het cirkelboogvormige patroon op een chip aangebrachte beeldpunten 6. Hierdoor zal bij dit enkele de cirkelboog twee maal snijdende streeplijn patroon in figuur 5A links 35 van de streeplijn naar verhouding bijvoorbeeld meer - 6 - beeldpunten worden belicht dan rechts. Deze asymmetrie kan eenvoudig gecorrigeerd worden bij de bepaling van het optische zwaartepunt in de voornoemde bulten, waardoor een dergelijke speling geen negatieve invloed heeft op de 5 nauwkeurigheid van het bepalen van de hoekverdraaiing.

Figuur 2 toont een alternatieve uitvoeringsvorm van de inrichting 1. Hier is de draaibare lichtgever 2, doch in het algemeen de inrichting 1, voorzien van met name optische middelen 7 om de beeldpunten 6 in een nauwkeuriger 10 gedefinieerd patroon, veelal een lichtstreep patroon of desgewenst een kruis- of sterpatroon, te belichten. Hier bevat de onderzijde van de lichtgever 2 een spiegelend element 7' dat vanuit de nu niet in de lichtgever 2 aanwezige, vast opgestelde LED L door een half doorlatend 15 prisma 7 vallend licht reflecteert, waarna het prisma het gereflecteerde licht 90 graden afbuigt naar het verticaal opgestelde chip oppervlak 5. Door de loodrechte inval van licht op het element 7' en op het chip oppervlak 5 ontstaat een nauwkeurig bepaald, niet door de hoek van inval 20 beïnvloed en niet vertekend patroon op het oppervlak 5 van de compacte inrichting 1.

Figuur 3 toont een verdere alternatieve uitvoeringsvorm van de inrichting 1. Hier is de lichtgever 2 voorzien van optische middelen 7' die spiegelend zijn.

25 Het licht uit de buiten de lichtgever 2 geplaatste laser diode L reflecteert -onder een totale hoek a- tegen het een lichtpatroon genererende spiegelende element 7' dat onder tegen de lichtgever 2 zit en werpt een lichtpatroon op de beeldpunten 6 van het chipoppervlak 5. De vaste laser diode 30 L waarop een convergerend eenvoudig lensje zal zijn aangebracht zit dan naast het oppervlak 5 van de chip, en er worden nagenoeg geen tolerantie eisen gesteld aan de lichtgever 2. Voor de hoek α kan een softwarematig geïmplementeerde correctie worden uitgevoerd, terwijl in 35 dit geval de optische middelen 7' eenvoudiger zijn dan voor - 7 - de uitvoering uit figuur 2 het geval is, welke echter een dergelijke hoekcorrectie niet nodig heeft.

Desgewenst kan de LED L al of niet samen met diens besturinghardware op dezelfde chip zijn aangebracht als 5 waarop het cirkelvormige beeldpunten patroon is aangebracht. De hoek α is dan gemiddeld praktisch nul, hetgeen correctiesoftware bewerkingen scheelt. Anderzijds is het aansluiten van de lichtbron L als deze zich binnen een cirkelpatroon aan beeldpunten 6 bevindt minder 10 eenvoudig, omdat een dergelijke aansluiting de hoeksymmetrie van de beeldpunten enigszins verstoord en dus enige negatieve invloed heeft op de gewenste gelijke verdeling van het licht dat op de beeldpunten 6 valt.

Voor wat betreft de vorm van de individuele 15 beeldpunten 6 en het patroon waarin de beeldpunten 6 op het chip oppervlak 5 kunnen worden aangebracht zijn er meerdere in de figuren 4A, 4B en 4C weergegeven, in het algemeen puntsymmetrische, alternatieven. Afgezien van bijvoorbeeld rechthoekig, kunnen de beeldpunten bij voorkeur om 20 vervaardiging technische redenen regelmatig veelhoekig, bijvoorbeeld vierhoekig, maar ook cirkelvormig (fig. 4C) zijn. Verder kunnen de veelhoekige beeldpunten 6 in een patroon zijn opgesteld waarbij ten minste één vlakke zijde van het beeldpunt grenst aan een naburig beeldpunt, zoals 25 figuur 4B, maar met name figuur 4A voor vierkante beeldpunten toont. In dat laatste geval zijn de beeldpunten 6 hoekmatig echter niet gelijk verdeeld over de cirkel(boog), hetgeen dan voor een hoge nauwkeurigheid van de hoekbepaling in de berekeningen zou moeten worden 30 meegenomen. Ook kunnen de beeldpunten 6 in een patroon op het chip oppervlak 5 zijn opgesteld waarbij telkens een vlakke zijde van elk beeldpunt 6 naar het denkbeeldige middelpunt M van het cirkelvormige patroon is gekeerd (fig. 4B). Veelal wordt de eenvoud van de optische middelen 7 35 ingeruild tegen de complexiteit van de chip rooster lay-out - 8 - en architectuur van de in CMOS te integreren lichtontvanger 3.

Voor het uitlezen van de al of niet belichte beeldpunten 6 kan als basis gebruik worden gemaakt van een 5 standaard APS (Active Pixel Sensor) circuit met desgewenst meervoudige bemonstering voor het onderdrukken van de bekende verschillende typen optredende ruis. Deze en andere hardware kan met voordeel voor wat betreft de compactheid samen met andere benodigde hardware voor bijvoorbeeld 10 patroonherkenning en signaalverwerking op een en dezelfde chip worden opgenomen als de beeldpunten 6 zelf. Dat geldt ook voor de middelen die worden gebruikt om desgewenst interpolatietechnieken toe te passen voor het uitlezen van de belichte beeldpunten, met behulp waarvan een hoge 15 nauwkeurigheid en resolutie van de hoekverdraaiing sensor inrichting 1 kan worden behaald. Ook kan bijvoorbeeld voor de voor telemetrie toepassingen noodzakelijke hardware, al of niet met programmeerbare IP protocol communicatie hardware, op dezelfde chip zijn geïmplementeerd.

20 Indien een voornoemd kruispatroon op de beeldpunten 6 wordt geprojecteerd, vereenvoudigd het cirkelboogvormige beeldpunten patroon zelfs tot slechts twee cirkel kwadranten.

1032584

Claims

1. Inrichting voor het bepalen van een hoekverdraaiing, omvattende een lichtgever en een 5 lichtontvanger die over een hoek ten opzichte van elkaar verdraaibaar zijn, waarbij de lichtontvanger in een patroon op een chipoppervlak aangebrachte lichtgevoelige beeldpunten heeft waarop in afhankelijkheid van voornoemde hoek licht van of via de lichtgever valt, en waarbij het 10 patroon althans een deel van een cirkelboogvormig patroon is.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de lichtgever verdraaibaar is opgesteld. 15

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de lichtontvanger vast is opgesteld.

4. Inrichting volgens een van de conclusies 1-3, met 20 het kenmerk dat de beeldpunten gelijkelijk over het deel van het cirkelvormige patroon zijn verdeeld.

5. Inrichting volgens een van de conclusies 1-4, met het kenmerk dat de beeldpunten puntsymmetrisch, in het 25 bijzonder regelmatig veelhoekig, bijvoorbeeld vierhoekig, of cirkelvormig zijn.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk dat de vierhoekige beeldpunten in een patroon zijn 30 opgesteld waarbij ten minste één vlakke zijde van het beeldpunt grenst aan een naburig beeldpunt.

7. Inrichting volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk dat de vierhoekige beeldpunten in een patroon zijn 35 opgesteld waarbij telkens een vlakke zijde van het /1 03 2 5 “ 4 - 10 - beeldpunt naar het denkbeeldige middelpunt van het cirkelvormige patroon is gekeerd.

8. Inrichting volgens een van de conclusies 1-7, met 5 het kenmerk dat de beeldpunten in een cirkel patroon op het chipoppervlak zijn aangebracht.

9. Inrichting volgens een van de conclusies 1-8, met het kenmerk dat de inrichting is voorzien van optische 10 middelen om de beeldpunten in een gewenst lichtpatroon, bijvoorbeeld een lichtstreep of kruispatroon, te belichten.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk dat de inrichting is ingericht om het lichtstreep patroon 15 de cirkel 1, 2, 3 of 4 of meer maal te laten snijden.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk dat het lichtstreep patroon ten minste een lichtstreep heeft die aan een einde breder is dan aan het andere einde. 20

12. Werkwijze waarbij een hoekverdraaiing wordt bepaald tussen een lichtgever en een lichtontvanger die over een hoek ten opzichte van elkaar verdraaibaar zijn, waarbij in afhankelijkheid van voornoemde hoek licht van of 25 via de lichtgever op in een patroon op een chipoppervlak aangebrachte lichtgevoelige beeldpunten wordt geprojecteerd, en waarbij het patroon een deel van een cirkelboogvormig patroon is.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, waarbij de hoekverdraaiing wordt bepaald door een optisch zwaartepunt te berekenen van die in het cirkelboogvormige patroon opgestelde beeldpunten waarop het licht van de lichtgever wordt geprojecteerd. 35 - 11 -

14. Lichtontvanger volgens een van de conclusies 1-11, met het kenmerk dat de lichtontvanger in een chip is geïntegreerd waarop in een patroon lichtgevoelige beeldpunten op een oppervlak van de chip zijn aangebracht, 5 waarbij het patroon althans een deel van een cirkelboogvormig patroon is.