NO320062B1 - Anordning til a detektere naerhet mellom et forste objekt (malobjekt) og et annet objekt (referanseobjekt), samt tegne-, skrive- og/eller pekeredskap for datapresentasjon etc. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning som kan detektere når ett eller flere målobjekt er i nærhet av sine respektive referanseflater eller referanseobjekt.

Det finnes i dag flere kjente teknikker for å avgjøre om et målobjekt er i nærheten av en referanseflate eller annet referanseobjekt.

Nærhetsdeteksjon har interesse i blant annet industrielle, automotive og avioniske systemer. Systemene kan ved hjelp av nærhetsdetektorer rapportere sin egen posisjon relativt til referanseobjekter og rapportere tilstander som for eksempel å fastslå tilstanden til ventiler (åpen,lukket) utstyrt med slike nærhetsdetektorer. I automatiske eller autonome systemer kan systemene selv reagere på tilstandene til nærhetsdetektorer og andre sensorer med å endre hastighet eller fartsretning, og eventuelt utføre en serie ulike operasjoner avhengig av systemets totale tilstand.

Nærhetsdetektorer har vanligvis den egenskap at det ikke kreves fysisk kontakt mellom det nevnte målobjekt og nevnte referanseobjekt for å fastslå at de to er nær hverandre. I noen tilfeller er det også avgjørende at det ikke kreves fysisk kontakt mellom detektorsystem og ett eller flere av de to nevnte objekter, og at nærhetsdeteksjonen dermed oppnås ved fjernmåling. Det er også ønskelig at utrustningen på de to nevnte objektene ikke krever elektrisk eller annen energi. Det kan videre være avgjørende at utrustningen har lav vekt. Det kan også være avgjørende at utrustningen er enkel og er billig å produsere. I mange tilfeller vil det kunne være viktig at utrustningen ikke krever vedlikehold. Videre er det ofte viktig at utrustningen eller målemetoden ikke påvirker målobjekt eller omgivelser med eksempelvis forstyrrende elektriske eller magnetiske felter. Ved bruk i medisinsk utstyr vil det være strenge krav til at utrustningen ikke kan skade pasienten. Den foreliggende oppfinnelse tilfredsstiller alle de nevnte hensyn.

En rekke ulike nærhetsdetektorprinsipper er kjent, for eksempel basert på ultralyd, ganglengdemåling etc.

(US6114950,DE3235028, US5144593), triangulering med synlig eller usynlig lys(W09219984), optisk differensiell fasemåling (US4752799), fiberoptiske sensorer (US6498654), laser-baserte prinsipper (DE2448898), magnetiske prinsipper (US6127821, US2003173957) etc.

US 5,200,604 beskriver en optisk nærhetsdetektorer for en sonde i en laserskalpellanordning. Nærhetsdetektoren består av en lyskilde, en lysleder som leder lyset ut til en utgangsapertur og en lysdetektor som mottar lys via en lysleder gjennom en apertur i nærheten av utgangsaperturen. Nærheten til en referanseflate beregnes ut fra lysintensiteten som reflekteres. Hensikten er å unngå at en laser-skalpell utløses før det er kontakt med vevet det skal skjæres i.

US 4,991,509 beskriver en metode og anordning for å bestemme avstanden mellom et objekt og en referanseflate. Nærhetsdetektoren består av en lyskilde, en lysleder som leder lyset ut til en utgangsapertur og en lysdetektor som mottar lys via en lysleder gjennom en apertur i nærheten av utgangsaperturen. De to aperturene har en viss avstand fra hverandre slik at den utsendte lyskjegle i større eller mindre grad overlapper det synsfelt som lysdetektoren fanger opp gjennom inngangsaperturen. Nærheten til en referanseflate beregnes ut fra lysintensiteten som reflekteres.

De to patentene US 5,200,604 og US 4,991,509 beskriver nærhetsdeteksjon ved hjelp av et prinsipp der kilde og detektor står i en viss innbyrdes avstand slik at lyskjeglen fra lyskilden og synsfeltet til lysdetektoren vil dekke et felles volum eller en felles flate på referanseobjektet som vil variere avhengig av avstand mellom målobjekt og referanseflate og som derved vil representere en varierende tilbakespredt lysintensitet. Disse patentene baseres ikke på linser eller krumme speil med tilhørende fokallengder som definerer nærhetsdeteksjonen. Patentene omtaler ikke anordninger der lyskildens lyskjegle og lysdetektorens synsvinkel er sammenfallende, tvert i mot kreves det en spesifisert lateral avstand mellom de to aperturene slik at lyskjegle og lysdetektor får delvis overlappende deknings-område. Dette er avhengig av avstand til referanseflaten og det varierende overlappende området gir en varierende tilbakespredt lysintensitet som kan måles med lysdetektoren. De to patentene forutsetter altså lateral avstand mellom inngangsaperture og utgangsaperture for at anordningene skal fungere, mens den foreliggende oppfinnelsen ikke krever at inngangsaperture og utgangsaperture skal være atskilt i lateral avstand.

Ved anordningen ifølge foreliggende oppfinnelsen vil nevnte målobjekt og nevnte referanseflate eller referanseobjekt belyses helt eller delvis med lys, der det nevnte lys har et spekter i eller utenfor det synlige området. Lysdetektoren kan være et kamera med etterfølgende analog og/eller også digital signalbehandling og/eller også digital billedbehandling, eller kan i en enklere utførelse være sammensatt av en eller flere optiske fotodetektorer med etterfølgende deteksjonselektronikk. Belysningen kan være pulset eller modulert for å skille den fra annen belysning, og en slik modulasjon kan også være synkronisert med lys-deteksjonen.

Nærmere angivelser av anordningen ifølge oppfinnelsen samt de nye og særegne trekk ved denne, er å finne i patent kravene.

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende forklares nærmere med henvisning til de vedføyde tegningene, hvor: Fig. 1 illustrerer en utførelsesform av nærhetsdetektoren. Fig. 2 illustrerer en utførelsesform av et system av nærhetsdetektorer med felles lyskilde og felles lysdeteksjon med kamera og datamaskin eller lignende digitalt system for bildeinnsamling, databearbeiding, visning, kommunikasjon og utføring av relatert programvare.

Fig. 3 illustrerer en utførelsesform der lyskilden er

tilordnet målobjektet.

Fig. 4-6 viser forskjellige varianter av utførelsesformer ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 viser en utførelsesform av nærhetsdetektoren. Nevnte belysningskilde 1 og nevnte lysdetektor 3 vil ha mest mulig nærliggende og mest mulig parallelle akser rettet mot målobjektet 2, mens målobjektet vil utstyres med en konveks linse 4 (bestående av et eller flere linseelement, alterna-tivt en kule eller sylinderstav) eller et konkavt speil (eller gruppe av flere speil med ulik krumning), som representerer en spesifisert fokallengde 7. Nærhetsdeteksjon kan oppnås når en slik linse/speil-konfigurasjon på et slikt målobjekt har en avstand til en slik referanseflate eller referanseobjekt som er tilsvarende 7 denne spesifiserte fokallengden, mens lyset i liten grad tilbakespres gjennom nevnte linse/speil ved større avstand 8 eller kortere avstand 6. Nevnte referanseflate 6,7,8 eller referanseobjekt må ha en viss reflektivitet slik at ikke alt innfallende lys blir absorbert. Under slike betingelser vil nærhet mellom nevnte målobjekt og nevnte referanseflate eller referanseobjekt kunne detekteres gjennom at nevnte linse/speil-anordning lyser opp, ved at det innfallende lyset fra nevnte belysningskilde gjennom den nevnte linse/speil-anordning tilbakespres fra nevnte referanseflate eller referanseobjekt til nevnte detektor gjennom nevnte linse/speil-anordning fordi avstanden mellom målobjektets nevnte linse/speil-anordning og referanseflaten er tilsvarende. Ved å sammen-likne lysintensitetsnivået med et fast eller dynamisk referansenivå er det mulig å detektere at det nevnte lysintensitetsnivået under disse nevnte betingelsene er for-høyet. Referansenivået kan være statisk, dynamisk eller settbart basert på målinger. Dersom belysningen er modulert, og eller også har synkronisert deteksjon vil muligheten reduseres for at tilfeldig annen belysning gir falsk deteksjon.

Som "mottager" (lysdetektor) kan tenkes også det menneskelige øye (operatørens syn) istedenfor et kamera eller lignende, idet mottagerinnretningen i så fall er utformet for å samvirke med operatørens/brukerens øye.

Den foreslåtte løsning vil i en foretrukket utgave kun ha nevnte linse/speil-anordning montert på nevnte målobjekt, mens nevnte belysningskilde og nevnte detektor er skilt fra målobjektet og referanseobjektet. Videre kan denne belysningskilden og denne detektoren være separert fra hverandre, sålenge detektoren er i aksen til det tilbakespredte lyset fra linse/speil-anordingen. I en annen foretrukket utgave som illustrert i Figur 3 kan belysningskilden 1 kan være lokali-sert på målobjektet 2 mens lysdetektoren 3 kan være plassert i et annet stasjonært eller mobilt punkt. I en tredje foretrukket utgave som illustrert i Figur 4 er detektoren 3 plassert på målobjekt 2 mens belysningskilden er plassert i et annet stasjonært eller mobilt punkt. I en fjerde foretrukket utgave som illustrert i Figur 5 er både detektoren og belysningskilden plassert på målobjektet.

I en femte foretrukket utgave som illustrert i Figur 6 er et konkavt speil 4 brukt som fokuserende optisk element plassert på målobjektet 2. Det er også mulig å endre akseretning til nevnte lysdetektor relativt til akseretning for nevnte belysningskilde ved hjelp av ekstra speil og/eller andre optiske elementer. Se varianter inntegnet ved 3a-14 på fig. 3.

En utførelsesform for et system for nærhetsbestemmelse og/eller også posisjonsbestemmelse 11 for benyttelse sammen med anordning(er) 9 som gjør det mulig å detektere når ett eller flere målobjekt er i nærheten av sine respektive referanseflater 6,7,8 eller referanseobjekt 6,7,8 er illustrert i Fig. 2. I denne utførelsesformen er det en eller et flertall nærhetsdetektorer med felles lyskilde og felles lysdeteksjon ved hjelp av kamera, og en datamaskin eller lignende digitalt system for bildeinnsamling, databearbeiding, visning, kommunikasjon og utføring av relatert programvare. Analog og/eller digital signalbehandling av bilde-pikslene vil ofte være nødvendig for å gjøre en sikker nærhetsdeteksjon, der også ulike referansenivåer brukes og også kan estimeres.

Oppfinnelsen vedrører det generelle prinsippet for nærhetsdeteksjon. Som beskrevet over kan nærhetsdetektorer ha betydelige industrielle muligheter innen ulike anvendelsesområder. Bruk av ny lavkostnads kamerateknologi og andre moderne optiske solid-state sensorer sammen med moderne belysningskilder som lasere, laserdioder og lysdioder etc. som enkelt kan moduleres eller pulses, gir prinsippene et stort anvendelses- og lønnsomhetspotensiale. Anvendelsene kan være der dimensjonene som skal overvåkes er store, eller der avstandene er på millimeter eller mikrometernivå.

Oppfinnelsen vil generelt kunne brukes sammen med anordninger for lateral posisjonsbestemmelse og bestemmelse av målobjekters orientering. Oppfinnelsen kan utnyttes sammen med posisjonerings- og orienteringsprinsippene i norsk patent 311740 (tilsvarer PCT/NO01/00369) i generelle tilfeller der man ønsker å detektere posisjonene og/eller også orienter-ingene til ett eller flere målobjekter i observasjonsplanet og samtidig også fastslå nærhet til ett eller flere referanseobjekter og/eller også fastslå ulike detaljer med hensyn til objektenes tilstand. Publikasjonen PCT/NO01/00369 dekker også generelt det å posisjonsbestemme og/eller også finne orientering til ett eller flere merkede målobjekter i et område eller observasjonsrom, og ved et flertall regi-streringer også kunne beregne bevegelsesretning og -hastighet for målobjektene.

Et eksempel på en aktuell spesiell anvendelse av oppfinnelsen er nærhetsdetektering av skriveredskap og pekeverktøy som brukes i forbindelse med dataprosjektører. Et slikt system som anvender et kamera/synssystem som sensor og en dataprosjektør som belysningskilde er beskrevet i norsk patent 311740 (og PCT/NO01/00369). Disse patentene beskriver både et system for peking og tegning og skriving i data-pros jektørbildet og beskrivelse av mulige utforminger/- prinsipper av tegne-, skrive- og pekeredskapet og dets egenskaper, der et slikt redskap er utstyrt med en visuelt mønstret spiss med kodingsteorisk gode mønstre for god posisjonsbestemmelse i prosjektørbildeplanet. Disse patentene dekker også ulike former for aktiveringsprinsipper som for eksempel nærhetsdeteksjon ved direkte mekanisk berøring av skriveunderlaget, til forskjell fra nærhetsdeteksjon med prinsipper slik som her beskrevet. Det foreliggende nye prinsippet for nærhetsdeteksjon vil som nevnt kunne brukes alene eller sammen med ulike prinsipper for lateral eller romlig posisjons- og orienteringsbestemmelse av dette tegne-, skrive- og pekeredskapet. En kombinasjon av oppfinnelsen med posisjonerings- og orienteringsanordningene i norsk patent 311740 (PCT/NO01/00369) kan som beskrevet i forrige avsnitt brukes generelt der man ønsker å detektere posisjonen til ett eller flere målobjekter og også fastslå nærhet til referanseobjekter og/eller fastslå objektenes tilstand. Spesielt vil denne kombinasjonen av den her beskrevne nærhetsdetektoren med ett eller begge av de to nevnte patentene kunne danne grunnlag for et peke-, tegne- og skriveredskap med spesielt robust deteksjon og et svært godt lønnsomhetspotensiale. Videre vil denne kombinasjonen generelt kunne gi robust nærhetsdeteksjon og posisjons- og orienteringsregistrering av et antall merkede objekter i et område.

Oppfinnelsen vil også kunne utnyttes for nærhetsdeteksjon i et slikt tegne-, skrive- og pekeredskap selv om ikke prinsippene for posisjonsbestemmelse, og/eller også orienteringsbestemmelse, i prosjektørbildeplanet i de to

ovennevnte patentene, anvendes.

En av flere foretrukne utførelsesformer ville kunne være som i Fig. 2, men hvor lyskilden er en dataprosjektør og lysdetektoren er et kamera med digital deteksjonselektronikk som er plassert nær dataprosjektøren og med sin akse mest mulig parallelt med dataprosjektørens akse. I en foretrukket utførelsesform er kamera med digital deteksjonselektronikk innlemmet i dataprosjektøren. Systemet i Fig. 2 vil kunne detektere hvorvidt et interaksjonshjelpemiddel, slik som for eksempel et tegne-, skrive- eller pekeredskap, er i avstand fra eller er nært inntil skriveunderlaget (for eksempel veggen, bordet, tavla, bakprojeksjonsskjermen). Systemet i Fig. 2 vil også kunne detektere hvorvidt knapper eller andre innstillinger på tegneredskapet er trykket inn eller på annen måte aktivert ved å detektere avstand/nærhet mellom relaterte målobjekter og referanseobjekter.

Også nærhetsdeteksjon som beskrevet over, men der lyskilden ikke nødvendigvis er dataprosjektøren men en selvstendig konstant, pulset eller modulert lyskilde med synlig eller usynlig lys, kan komplettere slike systemer for gjøre dem mer robuste og redundante.

Oppfinnelsen vedrører nærhetsdeteksjon og posisjonsbestemmelse. Nærhetsdeteksjon har generell interesse og mange anvendelsesområder. Optisk nærhetsdeteksjon med det beskrevne prinsipp er spesielt attraktivt ettersom ny kamerateknologi og andre moderne optiske sensorer og belysningskilder er blitt tilgjengelige.

Oppfinnelsen tillater at lysdetektor og/eller lyskilde er skilt fra målobjekt og referanseobjekt. Oppfinnelsen muliggjør derved at det ved fjernmåling kan avgjøres om målobjektet og referanseobjektet er i nærhet av hverandre. Også tilstander til målobjektet kan avleses ved hjelp av slik fjernmåling.

Det er videre mulig å anordne et lysdetektorsystem som er innrettet til å oppta en eller flere målinger eller et kamerasystem innrettet til å oppta ett eller flere bilder hvorav i det minste en måling eller ett bilde gjør det mulig å avgjøre graden av tilbakespredt lysintensitet gjennom linse, speilelement eller linse/speil-system i anordningen. Det kan også inngå nærhetsbestemmende og/eller posisjons-bestemmende midler for bestemmelse av objekters nærhet og/eller posisjon ved at direkte måleverdier eller bilde-punkter, eller filtrerte utgaver av disse, er høyere enn en viss referanseverdi, for dermed å kunne fastslå at tilhørende måleobjekt og tilhørende referanseobjekt er i nærheten av hverandre. Informasjon om nærhet og/eller posisjon for disse måleobjektene, så vel som målingene og bildene i seg selv, kan samles inn fortløpende av en datamaskin, mikroprosessor eller annen digital krets og videresendes til andre data-maskiner eller lignende, direkte eller på forespørsel. Informasjonen kan benyttes til å følge, overvåke og/eller styre objektene som observeres, og/eller styre ett eller flere datamaskinprogrammer avhengig av denne nærhets-og/eller posisjonsinformasjon.

Claims (12)

1. Anordning til å detektere nærhet mellom et første objekt og et annet objekt, omfattende en lyskilde (1) og en mottager for resulterende tilbakespredt lys fra det andre objektet ved belysning av dette fra lyskilden (1), der intensiteten av tilbakespredt lys til mottageren benyttes som mål på nevnte nærhet, karakterisert ved at det første objektet (2) omfatter en optisk innretning (4) som har et fokalplan (7) og som er innrettet til å belyses av lyskilden (1), at aksene for lysstrålene fra lyskilden (1) og tilbakespredning til mottageren har innbyrdes nærliggende og tilnærmet parallelle eller sammenfallende partier, og at nevnte nærhet tilsvarer en avstand mellom det første objektet (2) og det andre objektet (6,8) der det andre objektet befinner seg tilnærmet i fokalplanet.

2. Anordning ifølge krav 1, der mottageren er en lysdetektor (3) innrettet til å motta resulterende tilbakespredt lys fra det andre objektet.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, der lyskilden (1) og/eller mottageren, eventuelt lysdetektoren (3) er plassert på det første objektet (2).

4. Anordning ifølge krav 1, 2 eller 3, der de nevnte akser utenom de nevnte partier har avvikende retninger, så som ved bruk av speil, optiske fibre eller lysledere (14).

5. Anordning ifølge et av krav 2-4, der lyskilden (1) er innrettet til å avgi modulert evt. pulset lys, og lysdetektoren (3) er synkronisert med slik modulering evt. pulsing.

6. Anordning ifølge et av kravene 2-5, der lysdetektoren omfatter et kamera (3).

7. Anordning ifølge et av kravene 1-6, der den optiske innretningen (4) har i det minste to fokalplan for bestemmelse av nevnte nærhet i minst to relative posisjoner av det første objektet (2) og det andre objektet (6,8).

8. Anordning ifølge et av kravene 2-7, der intensiteten av tilbakespredt lys til lysdetektoren (3) sammenlignes med et forutbestemt og fortrinnsvis innstillbart nivå, for deteksjon av nevnte nærhet.

9. Anordning ifølge et av kravene 2-8, der lyskilden (1) og lysdetektoren (3) er plassert separat i forhold til hverandre .

10. Anordning ifølge et av kravene 1-9, der lyskilden utgjøres av en dataprosjektør (fig. 2).

11. Anordning ifølge krav 1, der mottageren er innrettet til å samvirke med et øye tilhørende en bruker av anordningen.

12. Tegne-, skrive- og/eller pekeredskap for datapresenta-sjon, datastøttet arbeid eller interaktivt arbeid med datamaskin, der en anordning ifølge et av kravene 1-11 er inkorporert i redskapet.