WO1984003774A1

WO1984003774A1 - Photodetector system to determine, respectively measure the position of one or a plurality of light sources

Info

Publication number: WO1984003774A1
Application number: PCT/EP1984/000051
Authority: WO
Inventors: Karl-Erik Morander
Original assignee: Morander Karl Erik
Priority date: 1983-03-23
Filing date: 1984-02-28
Publication date: 1984-09-27
Also published as: DE3342721A1; EP0138858A1

Description

Fotodetektor-System zum Feststellen bzw. Messen der Position einer oder mehrerer Lichtquellen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fotodetektor-System zum Feststellen bzw. Messen der Position einer oder mehrerer Lichtquellen mittels einer fotoempfindlichen Detektoranordnung, zu der das von der jeweiligen Lichtquelle abgegebene Licht durch eine optische Abbildungsanordnung hingeleitet wird.

Ein System der vorstehend bezeichneten Art ist bereits bekannt (EP-Anmeldung 81106262.9). Dabei sind die fotoempfindliche Detektoranordnung und die optische Abbildungsanordnung bezüglich der gleichen Achse rotationssymmetrisch aufgebaut. Mit Hilfe dieses bekannten Systems ist es zwar möglich, die Anzeige der positionsempfindlichen Fotodetektoranordnung von der Oberflächengestalt des jeweils untersuchten Gegenstands, von der Größe des auf seine Oberfläche geworfenen Lichtflecks und von unterschiedlich starken Reflexionen oder Streuungen der Oberfläche des jeweils untersuchten Gegenstands weitgehend unabhängig zu machen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der Erfassungsbereich, d. h. der Bildwinkel der fotoempfindlichen Detektoranordnung einen zuweilen nicht ausreichenden Bereich einschließt.

Man könnte nun ein System der vorstehend betrachteten bekannten Art in einer Mehrzahl vorsehen und nebeneinander anordnen, um den Erfassungsbereich, d.h. den Bildwinkel auszuweiten. Dies ist im Prinzip auch möglich, zeigt jedoch den Nachteil, daß eine lineare Erfassung der Position einer oder mehrerer Lichtquellen praktisch nur längs der Achse möglich ist, längs der die betreffenden Systeme nebeneinander angeordnet sind. Ändert sich indessen die Position der Lichtquelle oder der Lichtquellen auch in anderer Richtung, so wirken sich im Bereich zwischen einander benachbarten Systemen vorhandene kissenförmige Verzerrungen negativ auf die Auswertung der jeweils gewonnenen Signale aus.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie bei einem System der eingangs genannten Art unter Vermeidung der vorstehend aufgezeigten Nachteile ein erweiterter Erfassungsbereich für das Feststellen bzw. Messen der Position einer oder mehrerer Lichtquellen erzielt werden kann.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einem System der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die Detektoranordnung durch wenigstens einen Detektorkörper mit einer Mehrzahl von übereinander oder nebeneinander angeordneten einzelnenDetektorelementen gebildet ist, die mit ihren Detektorflächen relativ zueinander versetzt sind, und daß die optische Abbildungsanordnung durch den einzelnen Detektorelementen zugehörige langgestreckte Linsenelemente gebildet ist, die der relativen Versetzung der Detektorflächen entsprechend zueinander versetzt angeordnet sind.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß auf relativ einfache Veise die Position einer oder mehrerer Lichtquellen festgestellt bzw. gemessen werden kann, deren Position sich in in einen relativ weiten Erfassungsbereich ändern kann, ohne daß bei der betreffenden Feststellung bzw. Messung Probleme der oben aufgezeigten Art auftreten. Dies bedeutet, daß in vorteilhafter Weise zwischen den einzelnen Detektorelementen keine Undefinierten Bereiche vorhanden sind, so daß sich die jeweils zu erfassende Lichtquelle praktisch in beliebiger Richtung in bezug auf die Detektorkörper ändern kann und dennoch in ihrer jeweiligen Position klar erfaßbar ist.

Von Vorteil ist ferner, daß gemäß der Erfindung mit geringeren Abmessungen des Meßraumes als bisher ausgekommen wird und daß der Abstand zwischen der jeweiligen Lichtquelle und den Detektorelementen kleiner sein kann, als dies bisher möglich war. Dies bringt eine bessere Auflösung und Genauigkeit in der Auswertung der Meßsignale mit sich.

Vorzugsweise sind die Detektorelemente mit ihren Detektorflächen auf einer gemeinsamen Linie liegend übereinander oder nebeneinander angeordnet. Dies bringt den Vorteil eines relativ einfachen konstruktiven Aufbaus mit sich.

Zweckmäßigerweise sind jedoch zumindest zwei Detektorelemente in einer Ebene mit ihren Detektorflächen zueinander versetzt vorgesehen, und in wenigstens einer der betreffenden Ebene unmittelbar benachbarten Ebene ist wenigstens ein Detektorelement vorgesehen, dessen Detektorfläche bezogen auf die Detektorflächen der in der erstgenannten Ebene vorhandenen Detektorelemente versetzt ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß der jeweilige Detektorkörper einen relativ weiten Erfassungsbereich hat.

Vorzugsweise sind die zwei unmittelbar benachbarten Ebenen zugehörigen Linsenelemente mit ihren Linsenflächen in einer Überlappungsbeziehung zueinander angeordnet. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß ein relativ weiter Erfassungsbereich eines Detektorkörpers mit relativ einfach aufgebauten Linsenelementen erreicht wird.

Von Vorteil ist es ferner, wenn mehrere Detektorkörper vorgesehen und mit ihren Längsachsen jeweils in einer von zwei zueinander senkrechten Ebenen angeordnet sind. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine räumliche Bestimmung der Position einer oder mehrerer Lichtquellen vorzunehmen.

Um die vorstehend erwähnte Positionsbestimmung mit einfachen Schaltungsmitteln vornehmen zu können, sind die Detektorelemente der Detektorkörper mit ihren Signalausgängen vorzugsweise an einer Rechenschaltung angeschlossen^ die einen Mikroprozessor enthalten kann.

Es ist aber auch möglich, mehrere Detektorkörper vorzusehen und mit ihren Längsachsen nebeneinander liegend anzuordnen. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß auf relativ einfache Weise Bewegungsabläufe in einer vorgegebenen Richtung ohne weiteres erkannt und damit ausgewertet werden können.

Die Lichtquellen, deren Licht festzustellen bzw. zu messen ist, gelangen vorzugsweise im Zeitmultiplexbetrieb zum Aufleuchten. Dies ermöglicht in besonders einfacher Weise die einzelnen Lichtquellen voneinander unterscheiden zu können.

Es ist aber auch ohne weiteres möglich, als Lichtquellen, deren Licht festzustellen bzw. zu messen ist, modulierte Lichtquellen zu verwenden. Auch diese Maßnahme ermöglicht in vorteilhafter Weise, die einzelnen Lichtquellen einfach voneinander unterscheiden zu können. Die Modulation der betreffenden Lichtquellen kann die Frequenz des jeweils abgegebenen Lichts betreffen.

Um die einzelnen Lichtquellen auf besonders einfache Weise betreiben zu können, ohne lästige Kabelverbindungen in Kauf nehmen zu müssen, sind vorzugsweise die einzelnen Lichtquellen mit jeweils eigener Stromversorgung versehen.

Vorzugsweise ist eine den Lichtquellen zugehörige Steuereinrichtung vorgesehen, welche die Intensität des von den Lichtquellen abgegebenen Lichtes auf einem vorgegebenen Wert hält. Von dieser Maßnahme wird in vorteilhafter Weise dann Gebrauch gemacht, wenn der Abstand zwischen den Lichtquellen und den Detektorelementen unterschiedlich ist bzw. variiert.

Als Lichtquellen und als Detektorelemente dienen vorzugsweise Halbleiterelemente. So werden als Lichtquellen insbesondere Leuchtdioden (LED) verwendet, und als Detektorelemente werden übliche Detektorelemente verwendet, wie sie im Zusammenhang mit dem oben betrachteten bekannten System bereits beschrieben sind. Es sei hier angemerkt, daß als Detektorelemente aber auch ladungsgekoppelte Einrichtungen (CCD) verwendet werden können.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer Perspektivansicht einen Detektorkörper, wie er bei dem Fotodetektor-System gemaß der Erfindung verwendet wird. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den in Fig. 1 dargestellten Detektorkörper.

Fig. 3 zeigt in einer Perspektivansicht die Verwendung von drei Detektorkörpern gemäß der Erfindung zur räumlichen Feststellung bzw. Messung der Position wenigstens einer Lichtquelle.

Fig. 4 zeigt in einer Ebene nebeneinanderliegend angeordnete Detektorkörper.

Fig. 5 zeigt in einer schematischen Darstellung Verhältnisse, die sich aus der Verwendung von zwei Detektorkörpern der in Fig. 3 dargestellten drei Detektorkörper ergeben.

Fig. 6 zeigt in einem Blockschaltbild eine Rechenschaltung, die in Verbindung mit der Vorrichtung gemäß Fig. 3 verwendbar ist.

Fig. 7 zeigt in einem Zeitdiagramm Impulse, mit deren Hilfe Lichtquellen zur Abgabe von Licht angesteuert werden können.

Fig. 8 zeigt in einem Blockschaltbild eine Steuereinrichtung, mit deren Hilfe die Intensität des von Lichtquellen abgegebenen Lichtes auf einem vorgegebenen Wert gehalten werden kann.

Fig. 9 zeigt eineMeßanordnung zum dreidimensionalen Feststellen bzw. Messen der Position einer oder mehrerer Lichtquellen

Fig. 10 zeigt ein bekanntes einachsiges Fotodetektor- System Figur 10 zeigt ein bekanntes einachsiges Detektor-System. Das von einer Lichtquelle 71 ausgehende Licht wird durch eine Linse 72 zu einem Lichtpunkt gebündelt, der auf die Oberfläche eines positionsempfindlichen Fotodetektorelementes fällt. Das positionsempfindliche Fotodetektorelement besteht aus einem halbleitenden Substrat 73, an dessen beiden Enden Elektroden 74 und 75 aufgebracht sind. Ferner ist in der Mitte an der Unterseite eine Elektrode 76 angebracht. Mit der Elektrode 76 ist ein Pol einer Spannungsquelle 77 verbunden. Der andere Pol der Spannungsquelle führt zum Plus-Eingang je eines Operationsverstärkers 78, 79. Der Minus-Eingang der beiden Operationsverstärker 78, 79 ist mit der entsprechenden Elektrode 74, 75 verbunden. Ferner ist der Minus-Eingang jedes Operationsverstärkers 78, 79 mit dem entsprechenden Ausgang durch einen entsprechenden Gegenkopplungswiderstand verbunden. Die Spannungen u₁ und u₂ an den Ausgängen der Operationsverstärker 78, 79 hängen davon ab, wo der Lichtfleck auf dem Substrat 73 auftrifft. Wenn der Lichtfleck genau in der Mitte auftrifft, sind beide Spannungen gleich. Wenn der Lichtfleck beispielsweise bei Veränderung der Lichtquelle 71 zu 71' näher an der Elektrode 74 auftrifft als an der Elektrode 75, so ist die Spannung u₁ größer als die Spannung u₂. Jede Winkel-Veränderung der Lichtquelle 71 führt dementsprechend zu einer Änderung der Spannungen an den Ausgängen der Operationsverstärker 78, 79. Das in Figur 10 gezeigte Fotodetektor-System entspricht dem Fotodetektor-System in Figur 4 der europäischen Patentanmeldung 81106262.9 des Anmelders. Ein solches Fotodetektor-System wird als "einachsig" bezeichnet. Dies deshalb, weil mit einem solchen System nur Ortsveränderungen festgestellt werden können, die in Verbindungsrichtung zwischen den beiden Elektroden 74, 75 erfolgen. Wenn man rechtwinklig zu den streifenförmigen Elektroden 74, 75 an den beiden Seiten des Substrates 73 weitere Elektroden anbringt und deren AusgangsSignale in der gleichen Weise auswertet, wie es in Figur 10 gezeigt ist, so erhält man ein "zweiachsiges "Fotodetektor-System. Ein solches ist beispielsweise im IEE JOURNAL OF SOLIDSTATE CIRCUITS, VOL. SC-13, NO. 3, June 1978 beschrieben.

Im vorliegenden Fall interessieren nur "einachsige" Lichtdetektor-Systeme.

Figur 1 zeigt einen generell mit 1 bezeichneten Detektorkörper, der bei dem Fotodetektor-System gemäß der Erfindung zum Feststellen bzw. Messen der Position einer oder mehrerer Lichtquellen verwendbar ist. Der Detektorkörper 1 weist einen kreisförmigen Zylinder auf, auf dessen Außenseite drei langgestreckte Linsenelemente 2, 3 und 4 vorgesehen sind. Diese Linsenelemente sind zy¬linderförmige Linsenelemente, die im vorliegenden Fall in zwei verschiedenen Ebenen liegen. In der einen Ebene befindet sich das Linsenelement 2, und in der anderen Ebene befinden sich die Linsenelemente 3 und 4. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind die Linsenelemente 3 und 4 so angeordnet, daß sie mit ihren Linsenflächen in einer Überlappungsbeziehung zu der Linsenfläche des Linsenelementes 2 liegen, welches in der anderen Ebene liegt.

Den Linsenelementen 2, 3, 4 sind einzelne flache Detektorelemente zugehörig, von denen in Fig. 1 lediglich das dem Linsenelement 2 zugehörige Detektorelement. 5 gezeigt ist, und die nur in Linsenkrümmungsrichtung der Linsenelementepositionsempfindlich sind und in Achsenrichtung der Linsenselemente einen exakt linearen Empfindlichkeitsverlauf zeigen. In Fig. 2 ist ge zeigt, daß den Linsenelementen 3 und 4 die Detektorelemente 6 bzw. 7 zugehörig sind. Aus Fig. 1 und 2 geht dabei hervor, daß die Detektorelemente 5, 6 und 7 mit ihren Detektorflächen relativ zueinander versetzt sind und daß die den einzelnen Detektorelementen 5, 6 und 7 zugehörigen langgestreckten Linsenelemente 2, 3 bzw.- 4 entsprechend der relativen Versetzung der Detektorflächen der Detektorelemente 5, 6 und 7 zueinander versetzt angeordnet sind.

An dieser Stelle sei noch angemerkt, daß in Abweichung von den in Fig. 1 und 2 dargestellten Verhältnissen jeder Detektorkörper grundsätzlich mehr Detektorelemente und Linsenelemente aufweisen kann, als zuvor angegeben. Im übrigen sei hier noch angemerkt, daß im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 zwar gezeigt ist, daß die Detektorelemente und diesen zugehörige Linsenelemente übereinander angeordnet sind, daß aber durch entsprechende Drehung die betreffenden Elemente dann nebeneinander angeordnet sind, Überdies sei noch angemerkt, daß die Detektorelemente in Abweichung von den zuvor betrachteten Verhältnissen mit ihren Detektorflächen auf einer gemeinsamen Linie liegend übereinander oder nebeneinander angeordnet sein können. In diesem Fall wäre die betreffende Linie die Mittellinie des kreisförmigen Zylinderkörpers bzw.Detektorkörpers 1.

Fig. 3 zeigt die Anwendung dreier Detektorkörper der in Fig. 1 und 2 gezeigten Art. Gemäß Fig. 3 sind die betreffenden Detektorkörper mit 11, 12 und 13 bezeichnet. Die Detektorkörper 11 und 12 sind mit ihren Längsachsen in vertikaler Richtung ausgerichtet, und der Detektörkörper 13 ist mit seiner Längsachse in horizontaler Richtung angeordnet.

Mit Hilfe der beiden Detektorkörper 11 und 12 wird der in Fig. 3 angedeutete Raum in einer Ebene bezüglich der Position wenigstens einer (nicht dargestellten) Lichtquelle überwacht bzw. erfaßt. Die Verwendung von zwei Detektorkörpern 11 und 12 bringt dabei eine Ausweitung des Erfassungsbereiches gegenüber der Verwendung nur eines Detektorkörpers mit sich. Mit Hilfe des Detektorkörpers 13 wird der erwähnte Raum in der vertikalen Richtung überwacht.

Die Detektorelemente der einzelnen Detektorkörper 11 , 12 und 13 sind mit ihren Signalausgängen an einer gemeinsamen Rechenschaltung 14 angeschlossen, von der an Ausgängen X, Y und ≠ für die einzelnen räumlichen Koordinaten einer Lichtquelle, die sich in dem in Fig. 3 angedeuteten Raum befindet, kennzeichnende Positionssignale abgegeben werden können. Hierauf wird im Zusammenhang mit Fig. 5 und 6 noch eingegangen werden.

Fig. 4 zeigt in Abweichung von den in Fig. 3 gezeigten Verhältnissen einen Fall, gemäß dem mehrere Detektorkörper/die mit 16, 17, 18 und 19 bezeichnet sind, vorgesehen und mit ihren Längsachsen nebeneinander liegend angeordnet sind. Durch eine solche Anordnung der Detektorkörper 16 bis 19 wird ein relativ weiter Erfassungsbereich für Lichtquellen erzielt, deren Position zu bestimmen bzw. zu messen ist. Derartige Lichtquellen können beispielsweise von Sportlern getragen werden, um deren Bewegungen feststellen und auswerten zu können.

Bezüglich der in Fig. 4 gezeigten Verhältnisse sei noch angemerkt, daß in den schraffierten Bereichen 20 eine Doppelauswertung der von jeweils einer Lichtquelle abgegebenen Lichtstrahlen erfolgt. In diesen Fällen kann jedoch eine entsprechende Korrektur der Ausgangssignale der betroffenen Detektorkörper 16 bis 19 erfolgen.

Fig. 5 veranschaulicht mathematische Beziehungen, die zwischen den in Fig. 3 dargestellten Detektorkörpern 11 und 12 vorhanden sind. Gemäß Fig. 5 sind die beiden Detektorkörper 11 und 12 in ein Koordinatenfeld mit einer x-Achse und mit einer y-Achse gelegt. Eine

Lichtquelle ist mit Pxy bezeichnet, um anzudeuten, daß deren x- und y-Kooridnatenwerte zu bestimmen sind. Eine von dem Detektorkörper 11 zu dem Punkt Px,y verlaufende Gerade bildet mit der y-Achse einen Winkel α Eine zwischen dem Detektorkörper 12 und dem Punkt Px,y verlaufende Gerade bildet mit der y-Achse einen Winkel ß . Der Abstand zwischen den beiden Detektorkörpern 11 und 12 beträgt 2d. Mit Rücksicht auf diese Werte ergeben sich folgende Beziehungen:

2d = y (tanα + tanβ) , (1) woraus für y die Beziehung folgt

und der Wert x ergibt sich zu x = -d + ytan α (3) Für die Bestimmung der vorstehend angegebenen Koordinatenwerte y und x sind lediglich die Größen tanα und tan ß erforderlich. Diese Größen sind jedoch den Ausgangssignalen proportional, welche die Detektorkörper 11 und 12 bzw. deren Detektorelemente liefern. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß die AusgangsSignale der Detektorelemente der Detektorkörper 11 und 12 nach Multiplikation mit bestimmten vorgegebenen Proportionalitätskonstanten für die Größen tan« und tan ß verwendet werden können.

Fig. 6 zeigt in einem Blockschaltbild eine Rechenschaltung, welche die zuvor erwähnten Größen tan α und tan ß für die Durchführung von Rechenvorgängen ausnutzt. Gemäß Fig. 6 wird einem Eingangsanschluß 21 die Größe tan α zugeführt, und einem Eingangsanschluß 22 wird die Größe tan ß zugeführt. An dieser Stelle sei angemerkt, daß tatsächlich die betreffenden Größen tan α und tanβ angebende Binärzahlen bzw. Binärwörter zugeführt werden. An den beiden Eingängen 21 und 22 ist eine erste Rechenschaltung 23 mit ihren Eingängen angeschlossen. Diese Rechenschaltung 23 gibt an einen Ausgangsanschluß 25 ein Ausgangssignal ab, welches der obigen Gleichung (2) genügt. Dies bedeutet, daß am Ausgangsanschluß 25 ein Ausgangssignal auftritt, welches den y-Koordinatenwert einer gerade erfaßten Lichtquelle betrifft.

Am Ausgang der Rechenschaltung 23 und am EingangsanSchluß 21 ist eine weitere Rechenschaltung 24 angeschlossen, welche an einem Ausgangsanschluß 26 ein Ausgangssignal entsprechend der obigen Beziehung (3) abgibt. Dies bedeutet, daß am Ausgangsanschluß 26 ein für den x-Koordinatenwert einer gerade erfaßten Lichtquelle kennzeichnendes Ausgangssignal zur Verfügung steht. Ergänzend zu den vorstehenden Ausführungen sei noch angemerkt, daß eine den in Fig. 6 angedeuteten Rechenschaltungen entsprechende Rechenschaltung vorgesehen sein kann, um bezüglich des Detektorkörpers 13 gemäß Fig. 3 eine Positionsbestimmung für eine Lichtquelle in einer weiteren Koordinatenachse z vorzunehmen. Der betreffende Koordinatenwert z genügt dabei der Beziehung z = ytan γ , (4) wobei γ der Winkel bedeutet, den eine Gerade zwischen dem Detektorkörper 13 gemäß Fig. 3 und einer Lichtquelle in bezug auf eine Bezugsebene (das ist die x-y-Ebene) einschließt.

Um die Position der einzelnen Lichtquellen mit Hilfe der zuvor beschriebenen Detektorkörper ermitteln zu können und zugleich eine Unterscheidung zwischen den verschiedenen Lichtquellen treffen zu können, ist vorgesehen, die betreffenden Lichtquellen entweder im Zeitmultiplexbetrieb nacheinander zum Aufleuchten zu bringen bzw. gelangen zu lassen, oder aber die einzelnen Lichtquellen in der Frequenz zu modulieren, so daß sie verschiedenfarbenes Licht ausstrahlen. Es ist aber auch möglich, beide Maßnahmen in Verbindung miteinander anzuwenden.

Fig. 7 zeigt in einem Zeitdiagramm verschiedene Impulse, die für den Zeitmultiplexbetrieb einer Vielzahl von Lichtquellen verwendet werden können. Mit 30 sind in Fig. 7 Triggerimpulse bezeichnet, die dazu ausgenutzt werden können, auf die Zuführung eines weiteren Impulses 31, 32 bzw. 3n hin Licht abzugeben, und zwar für die Dauer des betreffenden Impulses 31, 32 bzw. 3n. Wie auf der Zeitachse in Fig. 7 aufgetragen, wiederholen sich die betreffenden Vorgänge in einem festgelegten Zyklus. Dabei können die einzelnen Licht quellen vorzugsweise mit eigener Stromversorgung, d.h. mit eigener Batterie versehen sein.

Der vorstehend erwähnte Zeitmultiplexbetrieb der einzelnen Lichtquellen kann in Abweichung von den im Zusammenhang mit Fig. 7 speziell erläuterten Verhältnissen auch so erfolgen, daß die einzelnen Lichtquellen gesonderte Zeitgeber enthalten, welche beispielsweise in der aus Fig. 7 ersichtlichen gestaffelten Weise zur Wirkung gelangen. Dazu kann der jeweilige Zeitgeber beispielsweise von einem der Triggerimpulse 30 gemäß Fig. 7 angesteuert werden.

Fig. 8 zeigt in einem Blockschaltbild eine Schaltungsanordnung, mit deren Hilfe das Nutz-Rausch-Signalverhältnis bei der Auswertung der die Position von Lichtquellen angebenden Signale relativ hoch gehalten werden kann. Die betreffende Schaltungsanordnung weist zwei Eingangsanschlüsse 40 und 42 auf, denen Signale zugeführt werden, die für unterschiedliche Koordinatenwerte einer Lichtquelle in ein und derselben Koordinatenrichtung, z.B. in der x-Koordinatenrichtung, kennzeichnend sind. Am Eingangsanschluß 40 ist ein Verstärker 41 mit einstellbarem Verstärkungsfaktor angeschlossen. Ausgangsseitig ist der Verstärker 41 am Eingang + eines Differenzverstärkers 44 und am Eingang + eines Summierers 47 angeschlossen. Der Differenzverstärker 44 ist mit seinem Eingang - zusammen mit einem weiteren Eingang + des Summierers 47 am Ausgang eines Verstärkers 43 abgeschlossen, dessen Verstärkungsfaktor einstellbar ist und der eingangsseitig an dem Eingangsanschluß 42 angeschlossen ist.

Am Ausgang des Differenzverstärkers 44 ist eine Detektorschaltung 45 angeschlossen, die an einem Ausgangsanschluß 46 einen x-Wert abgibt.

Am Ausgang des Summierers 47 ist eine Detektorschaltung 48 angeschlossen, die an einem Ausgangsanschluß 49 ein Steuersignal abgibt, welches für die Intensität bzw. Stärke des jeweiligen Signals kennzeichnend ist. Dieses Signal wird ferner über einen Analog-Digital- Wandler (ADC) 50 zur Ansteuerung eines Speichers 51 ausgenutzt, in welchem das jeweils letzte Abfrageergebnis, d.h. das jeweils zuvor ermittelte Intensitätssignal abgespeichert ist. Dieses Signal wird mit dem nunmehr von dem Analog-Digital-Wandler 50 abgegebenen Signal in einer Logikschaltung 52 verglichen, um ein Einstellsignal zur Einstellung der Verstärkungsfaktoren der Verstärker 41 und 43 zu gewinnen. Durch diese Maßnahme wird ein Intensitätsabfall bzw. ein übermäßiger Intensitätsanstieg der Eingangssignale ausgeglichen. Durch Ausnutzen der an den Ausgangsanschlüssen 46 und 49 auftretenden Signale kann somit die Intensität des von den Lichtquellen abgegebenen Lichtes auf einem vorgegebenen Wert gehalten werden.

Vorstehend ist ein System zum Feststellen bzw. Messen der Position einer oder mehrerer Lichtquellen mittels einer fotoempfindlichen Detektoranordnung erläutert worden. Mit Hilfe derartiger Lichtquellen, die insbesondere durch Halbleiterelemente, wie Leuchtdioden (LED) gebildet sein können, ist es möglich, Bewegungsablaufe zu erfassen, wie beispielsweise von Sportlern oder von Parkinson-Kranken. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, die Erfindung zur Erfassung von beliebigen Bewegungsabläufen, beispielsweise auch in industriellen Bereichen, anzuwenden. Als Detektorelemente können dabei u.a. auch CCD-Detektoren verwendet werden. Ganz allgemein können die verwendeten Detektorelemente irgendwie geformte Oberflächen, also z. B. auch gekrümmte Oberflächen aufweisen. In Fig. 9 ist eine Meßanordnung zum dreidimensionalen Feststellen bwz. Messen der Position einer oder mehrerer Lichtquellen gezeigt. Dieses System kann beispielsweise für bio-mechanische Messungen, in der Sport- medizin und zur Überprüfung von Bewegungsabläufen beim Sporttraining verwendet werden. Ferner kann diese Meßanordnung für Messungen bei Autozusammenstößen od. dgl. verwendet werden.

Die in Fig. 9 gezeigte Meßanordnung besteht aus einem rohrförmigen vertikalen Träger 60, an dem mit etwa gleichem Abstand zueinander drei einachsige Fotodetektor-Systeme 61, 62, 63 vorgesehen sind. Der Winkelbereich des obersten Detektorsystems 61 ist durch eine Gerade 64 und durch eine Schräge 65 begrenzt. Der Winkelbereich des untersten Detektor-Systems ist durch eine Gerade 67 und eine Schräge 66 begrenzt. Die beiden Winkelbereiche der beiden Fotodetektor-Systeme 61, 63 gehen in einem bestimmten Abstand von dem Träger 60 ineinander über.

Der Winkelbereich des mittleren Fotodetektor-Systems 62 ist durch die gestrichelte Linie 68, 69 angedeutet. Dieser Winkelbereich erstreckt sich senkrecht zu den Winkelbereichen der äußeren Fotodetektor-Systeme 61,

63. Der Winkelbereich des mittleren Fotodetektor-Systems 62 ist allerdings nicht auf die durch die Linien 68 , 69 begrenzte Ebene beschränkt, sondern er hat auch in vertikaler Richtung einen hier nicht dargestellten Öffnungswinkel. Das mittlere Fotodetektor-System 62 registriert jedoch nur Veränderungen von Lichtquellen, die senkrecht zur Zeichnungsebene erfolgen. Demgegenüber registrieren die beiden äußeren Fotodetektor- Systeme 61, 63 Änderungen von Lichtquellen, die zwisehen Decke und Boden des Meßraumes erfolgen. In dem Meßräum in Figur 9 trägt eine Versuchsperson 70 eine Lichtquelle 71, beispielsweise in Form einer Leuchtdiode. Mit den drei Fotodetektor-Systemen 61, 62, 63 können drei Winkelkoordinaten festgestellt werden, die mittels eines Rechners in kartesische Raumkoordinaten umgerechnet werden können.

Es ist auch möglich, daß die Versuchsperson 70 mehrere Lichtquellen 71 trägt. Diese können dann beispielsweise unterschiedlich moduliert sein, wodurch eine Trennung der jeder Lichtquelle zugeordneten Reaktionssignale an den Fotodetektorsystemen 61, 62, 63 möglich ist. Eine solche Verwendung mehrerer Lichtquellen und eine entsprechende Trennung der Signale ist beispielsweise in der DE-OS 23 39 390 beschrieben.

Die drei Fotodetektor-Systeme 61, 62, 63 können vom Schmalwinkeltyp gemäß Figur 10 sein oder vom Weitwinkeltyp gemäß den Figuren 1 und 2.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Fotodetektor-System zum Feststellen bzw. Messen der Position einer oder mehrerer Lichtquellen mittels einer fotoempfindlichen- Detektoranordnung, zu der das von der jeweiligen Lichtquelle abgegebene Licht durch eine optische Abbildungsanordnung hingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung durch wenigstens einen Detektorkörper ( 1 ) mit einer Mehrzahl von übereinander oder nebeneinander angeordneten einzelnen Detektorelementen (5,6,7) gebildet ist, die mit ihren Detektorflächen relativ zueinander versetzt sind, und daß die optische Abbildungsanordnung durch den einzelnen Detektorelementen (5, 6, 7) zugehörige langgestreckte Linsenelemente (2, 3, 4) gebildet ist, die der relativen Versetzung der Detektorflächen entsprechend zueinander versetzt angeordnet sind.

2 . Fotodetektor-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (5, 6, 7) mit ihren Detektorflächen auf einer gemeinsamen Linie liegend übereinander oder nebeneinander angeordnet sind.

3. Fotodetektor-System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Detektorelemente (6, 7) in einer Ebene mit ihren Detektorflächen zueinander versetzt vorgesehen sind und daß in wenigstens einer der betreffenden Ebene unmittelbar benachbarten Ebene wenigstens ein Detektorelement (5) vorgesehen ist, dessen Detektorfläche bezogen auf die Detektorfläche der in der erstgenannten Ebene vorhandenen Detektorelemente (6, 7) versetzt ist.

4. Fotodetektor-System nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die zwei unmittelbar benachbarten Ebenen zugehörigen Linsenelemente (2, 3, 4) mit ihren Linsenflächen in einer Überlappungsbeziehung zueinander angeordnet sind.

5. Fotodetektor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektorkörper (11, 12, 13) vorgesehen und ihren Längsachsen jeweils in einer von zwei zueinander senkrechten Ebenen angeordnet sind.

6. Fotodetektor-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente der Detektorkörper (11, 12, 13) mit ihren Signalausgängen an einer Rechenschaltung (14) angeschlossen sind.

7. Fotodetektor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektorkörper (16, 17, 18, 19) vorgesehen und mit ihren Längsachsen nebeneinander liegend angeordnet sind.

8. Fotodetektor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (5, 6, 7) flach ausgebildet sind.

9. Fotodetektor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (5, 6,

7) gekrümmt ausgebildet sind.

10. Fotodetektor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen, deren Licht festzustellen bzw. zu messen ist, im Zeitmultiplexbetrieb zum Aufleuchten gelangen.

11. Fotodetektor-System nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen, deren Licht festzustellen bzw. zu messen ist, modulierte Lichtquellen sind.

12. Fotodetektor-System nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lichtquellen mit jeweils einer Stromversorgung versehen sind.

13. Fotodetektor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Lichtquellen eine Steuereinrichtung (Fig. 8) zugehörig ist, welche die Intensitat des von den Lichtquellen abgegebenen Lichtes auf einem vorgegebenen Wert hält.

14. Fotodetektor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquellen und Detektorelemente Halbleiterelemente dienen.

15. Anordnung zum Feststellen bzw. Messen der Position einer oder mehrerer Lichtquellen unter Verwendung eines einachsigen in einem Winkelbereich wirksamen Fotodetektor-Systems, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung von den drei Raumkoordinaten der Lichtquelle (n) (71) entsprechenden Signalen zwei weitere einachsige FotodetektorSysteme verwendet sind, von denen jedes in einem Winkelbereich wirksam ist, und daß mindestens zwei der drei Fotodetektor-Systeme (61, 62, 63) so gegeneinander versetzt sind, daß sich ihre Winkelbereiche kreuzen.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Fotodetektor-Systeme (61, 62, 63) auf einer

Geraden angeordnet sind.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbereiche der beiden äußeren FotodetektorSysteme (61, 63) parallel zueinander verlaufen, und daß der Winkelbereich des mittleren Fotodetektor-Systems (62) senkrecht zu den Winkelbereichen der beiden äußeren Fotodetektor-Systeme (61, 63) verläuft.

18. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Fotodetektor-Systeme (61, 62, 63) an einem Träger (60) so angeordnet sind, daß die Gerade vertikal verläuft, daß die Winkelbereiche der beiden äußeren Fotodetektor-Systeme (61, 63) jeweils durch eine Horizontale (64, 67) und eine Schräge (65, 66) begrenzt sind, derart, daß die beiden Winkelbereiche in einer bestimmten Entfernung vom Träger (60) ineinander übergehen.