专利名称：用于检测位置和/或移动的光电装置及其相关方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1或34的前序部分所述的用于检测目标的位置和/或移动的光电装置和方法。
背景技术：
在欧洲专利申请EP706648A1中披露了一种用于检测目标的反射光线的改变的光学系统，其中外来光线的变化对于测量值没有影响。这种系统主要用作刮水传感器，用于检测撞在防风玻璃上的雨点，同样也可以用作近距传感器(proximity sensor)，如果此时光电测量路径是平面结构的，则可确定二维值，以确定测量目标的位置和/或移动。
这种装置还表现为对移动灵敏的操作表面的形式。这种装置有许多固定的应用，例如在笔记本电脑中作为节省空间的单独按钮的解决方案，或作为相对较大的平面元件。在单独按钮方案中，按钮对侧压力反应灵敏。在平面解决方案中，通过用手指或专用触笔接触表面来控制光标，作为在二维平面上移动操作元件(手指或专用触笔)的结果，可视元件(例如光标)相应地在屏幕上移动。仅当操作表面被直接接触时，这些操作元件才能控制光标，例如，如果手指从操作表面移开，光标则消失或者保持不动。
较早的德国专利申请第10001955.2号披露了一种结构，其中有两个光源，一个向外照射，一个专门照射在接收器上，这种结构使操作元件(如手指)在接近及接触操作表面时的移动模式被识别。在压紧操作表面时，形成一个与测量值相应的参考值。参考值在手指刚接触操作表面之前立刻出现，以避免操作元件的轻微运动导致手指的接触不能被识别。只有当手指远离运动灵敏的操作表面，从而无法达到先前确定的测量值时，手指才被识别为已经离开。在这种情况下，可检测到移动模式，从而可以将故意操作与非故意操作区别开。
此外，还披露了导航系统，它可帮助驾驶员发现目的地，尤其在陌生的区域发现目的地。这些导航系统目前是通过手工操作元件如旋转和接触开关或通过整合到方向盘的操作元件来操作。但是，由于用户实际上不得不根据相应系统的先决条件输入行进路径，通过这种类型的操作，很容易造成注意力分散。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的在于提供光电装置或方法，也能够在第三维度测量位置。
通过具有权利要求1所述特征的光电装置或通过具有权利要求34所述特征的方法可以实现这个目的。
原则上，通过发射器，及可能是接收器，均匀照射空间，提供其它循环进行第三维度探测，从而可以确定目标离表面的距离。应用这种方法，则可消除先前已知系统通常对平坦的工作表面的限制。由于应用诸如光射线的射线，例如，操作表面也可设置在一个保护它的、可透过射出的射线的表面之后，如房间里的透明窗户之后、或甚至显示器或显示器的遮盖物之后，其对于射出的射线的波长来说是透明的，诸如在汽车变速杆上的啮合齿轮的显示器。
相应于光电装置操作的结果，基本上与迄今为止所使用的电容、电阻、或电感方案相对应。在光标控制的应用中，通过“接触”操作表面、通过手指的移动或者指尖的晃动，显示在屏幕上的光标以相应的方式移动。但除此之外，还可在几毫米或者几厘米的范围内检测到操作表面上的移动。因此，同时检测从操作表面测得的距离。瞬时的距离值可以控制进一步的功能。因此，例如，将手指离开操作表面几毫米就可以切换到另一功能平面。同样在这个功能平面中，光标也可以通过手指的移动即在距离操作表面几毫米或者几厘米的位置处进行控制。
一个实例是控制在光标区域的细节放大，例如在交通工具的导航系统中，其是通过操作元件如手指从操作表面上略微抬起来进行控制的。非常有利的是，放大路径(zoomed path)可以通过手指相应地离表面一定距离处移动而同时移动。尤其是，例如，在汽车中的齿轮显示器可装备在变速杆上。然而，显示表面同时是一个对移动灵敏的操作表面，其与例如导航系统相连接。例如，如果导航系统的显示器设置在驾驶员的可视范围内，那么，驾驶员只须在操作表面上移动手指或者晃动指尖，从而寻找路径。为了放大导航系统图的路径，他抬起手指而不需要将手从变速杆移开并且不需要操作其它操作元件。这样，驾驶员分散注意力的危险明显下降。因此以前所必需的键盘功能可被纯光学的而不是机械的功能或操作取代。
当然，这种功能也可以改变，使得手指在距离几厘米处的位置时，可以看见整个地图。如果光标相应地定位，通过到操作表面的移动，位于光标范围的部分可以相应放大，直到手指放到操作表面上，实现良好的可读性所必需的放大。在放大的状态下，突出显示的路径的位置可通过手指的移动或者指尖的晃动来改变。将手指从操作表面移开几毫米可再次返回概览。
从所附的权利要求可以明显地看到其他优点。
附图简要说明以下将根据特定实施例详细说明本发明
图1是一维定位系统的电路图。
图2至图4是发射器和接收器的不同布局图。
图5是二维定位系统的电路图。
图6是图5的可替代电路图。
图7是三维定位系统的电路图。
图8是带有重叠的识别场矩阵的发射器和接收器的可替代布局图。
图9是根据图8呈现的侧面图。
图10和图11是另一布局的具体实施例的截面图和俯视图。
图12示出该装置在汽车中的应用。
优选实施例详述本发明通过实施例并参考附图进行详细阐述，但是实例仅作为实施例而已，并不用于将本发明限于特定的设置。
图中示出了用于检测目标O的位置和/或移动的光电装置，该装置具有多个发射器A、B、C、D，用于发射光射线。至少一个接收器E或E1-E4与发射器相关联，以接收发射器A-D所发射的和从目标O反射回来的射线。如果目标O具有发射器，则不需要反射，射线将直接由目标发射。根据连接关系，几个相互不同的辐射路径(如果是光则为光线路径)，其中涉及至少部分发射器A-D和至少一个接收器E，E1-E4，配置在发射器、目标、和接收器之间。发射器的起动是通过带有作为定时电路的反相器21的振荡器10来完成。
接收器所测定的信号将传送到测定装置11，测定装置首先将从不同的光线路径中由接收器E，E1-E4接收的信号转化为二维值x、y，用于探测目标O(如手指)如在表面12上或者沿表面12的位置和/或移动。为了三维探测目标O的位置和/或运动，在图7中的具体实施例中，定时电路将发射器A-D和/或接收器E，E1-E4转入另外一个循环中以使发射器A-D在其中发射的空间尽可能均匀地在相同的循环运行中照射。然后，测定装置在另一循环中基于从目标反射的辐射可以确定用来确定目标O与表面12距离的值。x或y值也可仅沿着线进行一维确定，或者在点接触时，只探测目标与“零维”点的距离。
为了能够探测一个目标如操作元件，如操作表面上面的手指或笔，必须发射特定波长的辐射如光，其能穿透操作表面或表面12。在最简单的情形下，其是可见光或者红外光。这些光线被目标反射，并可在操作表面之下再次被接收。原则上，“背反射”也可以通过使目标本身具有光源这种方式来实现。在应用操纵杆时可以考虑这点，例如，在起重机控制应用中。这种操纵杆的下端设置在相对于外来光封闭的空间内，这样，这种操纵杆下端的位置改变就可以通过反射测量识别，或操纵杆本身具有相应的光源。否则，检测将通过以下方法获得。
如果操作元件并不位于封闭的空间，那么为了将外来光和灯光或太阳光区分开，就必须通过定时电路，在高于产生发光灯泡、氖灯等的通常扰动效应的频率的频率上脉冲产生发射源的光，如在100kHz的频率上。尽管借此消除了基本的干扰，但是，仍然存在所谓的“漫散光效应”(Stray light effect)。这是光电二极管中的物理过程，它导致接收的信号幅度改变百分几，其是在完全黑暗和完全的太阳光之间的循环光信号的接收。实践中，这将意味着，在使用光运动灵敏操作表面的情况下，光标在屏幕上的位置随环境光的改变而改变。例如当开启运动灵敏操作表面附近的灯时，这种不期望的光标移动会使整个系统产生问题。
专利申请EP706648A1说明了一种解决外来光补偿的方法。这种测量原理的基本组成部分也构成了本申请的基础。因此，这个申请所披露的内容也包含在本发明的内容之中。
手指的位置，例如，在给定表面，可通过两个分离的传感元件这种最简单的方法确定，如图3中所示，二者以交叉状结构设置。一个具有发射器A、B的传感元件确定水平位置，具有发射器C、D的另一个传感元件确定垂直位置。有利地，这些传感元件设置在表面12之下，并向操作元件例如目标O(如手指)的方向发射。由反射光确定的测量值分别给出在操作表面之外的目标的水平或垂直位置。图1说明了一维位置探测的原理。发射器A、B是例如发光二极管(LED)，例如，接收器E是光电二极管、或者是一个适当连接的发光二极管。发射器A、B通过反相器21反相起动。在这种情况下，它们的功率可通过调节电阻R1、R2来控制，这样，接收器E具有直流光分量(light component)而不具有循环同步的(cycle-synchronous)交流光分量。但是，与EP706648A1相反的是，发射元件的功率比并非故意延迟时间，而是尽可能快地重新调整。因此，在操作元件(如目标O)的位置变化的情况下，则可获得对发射元件的发射功率的调节电压校正的即时反应。
在EP706648A1中，只可以测定调节电压的动态变化。与此相反，确定位置时，需要静态的控制值。为了使这个值尽可能的不受热影响或老化影响，施加到单个调节电阻R1和R2上的控制电压UR，1、UR，2被进行分解以调节输出功率，并与比较器VIII相比较。通过比较器VIII确定的值构成操作元件如手指在X方向的机械位置的电值(electric value)。由接收器E探测的信号传送给高通滤波器23，并在循环中利用同步解调器22和其后在比较器VII中的比较进行比较。当目标O存在时，比较器VI产生用于加在调节电阻R1、R2上的控制电压的值。
如果不存在目标O，则具有适当结构的寄生反射PR(parasiticreflection)将相应地散射约相同分量的A和B的发射功率给接收器E。在这种情况下，控制电压基本上不会被影响，即零影响。如果手指不对称地接近中心，控制回路则试图调整光功率，以使在接收器E中再次存在直流光信号而没有交流光分量。根据手指的定位，这导致在调节电阻R1、R2处的调节电压对称性偏移，因此，也导致比较器VIII的输出信号偏向机械结构的中点的右边或左边。输出信号可采用或多或少的正值或者负值，如在图1的右下方关于手指的运动所说明的。
通过适当设置和选取光学元件，可在光的相应路径上实现与操作元件(如手指)的位置相联系的输出信号的足够好的线性。
在图2中描述同时也在图1中应用的测量路径，可以仅满足一维功能，例如作为光学滑块控制或者光学滑动开关，其中，只有例如手指位置的侧向改变可以被检测。为了对位置进行二维检测，根据图3需要两个分开的测量路径，二者尽可能呈90度设置。接收器E可以同时应用在两个测量路径中，即A、B，和C、D。这种情况下，x方向光线路径和y方向光线路径相互交替循环。这可以通过在几个相应循环阶段之后，例如30×A/B然后是30×C/D，或通过在每一个基本循环之后进行换向而发生。重要的是，测量值的输出相应地与各自的基本循环(basic cycle)相关联。
在最简单的情况中，用于进行位置探测的光学元件的布局是交叉状的。但是，在具有相应尺寸的操作表面的角部区域内可产生非线性。虽然非线性可很容易通过相应的算法运算来校正，但是，如果发射器如图4所示进行设置，通过对发射元件进行适当设置也可以实现很好的线性而无需进行算法运算。每一个基本循环过程中，有一个以上的发射器发光，例如在第一循环中，发射器A、C交替地与B、D以确定水平位置，在另外一个基本循环中，发射器A、B交替地与C、D以确定y-位置。图4中的发光二极管的数量可容易地增加，例如为了能在更大的空间内实现这个功能。在此基础上，图3和图4中的布局可以仅用于确定x方向和y方向的位置。
为了进行第三维度的检测，在具有表面12的平面布局时，目标的位置相对于表面12进行测定。这个位置应当不依赖于手指或目标O的颜色。如果假设实际的光学元件是平面结构，也就是，没有发射器或接收器从表面12向上突出，可仅通过反射R基本确定目标O的位置。但是，由于至少目标O的反射特性影响测量值，离表面12不同距离d的不同反射目标将具有相同的反射值。因此，不能明确地确认在第三维度的精确位置。原则上，第三维度的函数的确定对于运行在机械接触平面即运行在区域12的表面是有用的。这个函数实质上与目标的大小、颜色、或者种类无关。但是对于这点需要特别指出的是，根据本发明，物理接触面不必一定存在。“表面”12可以是空气里的想象物，这样，操作元件透过该表面，穿过它，甚至部分地遮蔽接收器。
为了确定第三维度的位置，需要将至少另外一个基本循环加到两个基本循环中，以确定表面12上操作元件的位置的x值和y值。在这个基本循环中，发射器A-D被起动以使它们全部或者至少一部分接收相同的循环信号，即同时发光。在这种情况下，并不需要对它们进行单独控制，但是，在确定x方向和y方向的位置时，这一点却是必须的。此外，至少一个另外的光源20作为补偿元件位于接收器E，E1-E4的附近，这样，从该另外的光源发射的光可唯一地发射到接收器上。但是，如果外来光并不显著，则可省略这些补偿元件。
较早的德国专利申请第10001955.2号描述了两个光源的结构，可使与操作表面接触时清楚地识别对目标的接近和运动模式。这种布局基本上也应用于本申请，用于识别接触信号。但代替一个光源向外发射，如果需要的话，使用几个、优选所有发射器和接收器向外发射，目的在于尽可能均匀地照射表面12上的空间。
当目标O接近表面12时，可被识别元件14识别，且可以启动例如在x方向和y方向的位置确定。当接触表面12时，可用识别元件识别速度改变，并可转换为图7中的接触信号AS1。这个信号例如可以激活操作元件30如显示屏上的光标。同时，随着接触信号的出现，根据图7，一个源于三维(3D)信号3-D-S的值可以被储存在一个存储装置13中，例如储存在数字存储器中。这个值是作为目标O的最大接近参考值Ref3D。它是为了确保操作元件或手指的最小运动不会再次被检测为离开。由于表面12与目标O如手指接触时，它可能发生轻微的变形，如果此时测量，反射R的最大值可容易地高于手指轻轻地放到表面上的值。因此，在与表面12接触之前的瞬间，这个值就被立即储存。例如只有当手指离表面1毫米以上时，可得到第三维度的函数。这样就提高了操作的可靠性，尤其如果在表面上移动期间手指在不同的压力下运动或者轻微晃动。因此，当接触表面时，可以识别移动模式，其中优选当放到操作表面上或者刚放到操作表面上之前时确定一个参考值，其与各自的操作元件即目标的值相对应。可作为该参考值的函数进行第三维度的操作。如果在这种情况下不能到达特定的阈值，操作元件离开操作表面如此之远，以致其被认为是关闭信号，并因此被认为是参考值的消除信号。
测量值Ref3D可以通过一个延迟电路利用电路24探测，或者一个特定的给定值也可通过Ref3D推导。为确定这个值，但这个值也可能已经是在最大程度接近时的实际最大值，该检测到的值可以首先乘以小于1的固定系数。但是，图7右下边的电路应用在实际的实施例中。同时x值和y值储存在存储装置38和39中，而z值储存在存储装置40中。这个z值是通过设置触发器42的接触脉冲识别器41传送。如果该z值由于无意的运动而错误设置，它将通过阈值探测装置43进行探测，而在该值(通过时间延迟电路44传导)设置触发器26之前，触发器42被重新设置，然后触发器26向存储器13指示目前的电压值被用作参考值Ref3D。这个具体实施例的优点在于，参考值Ref3D适合于人为因素。也就是说，如果先前移动很快，即在用户很莽撞的情况下，在最大值和参考值之间有一个比小心地接近装置时更大的时间间隔。
离开表面12的每次运动都导致调节电压UR3D的变化。因此，存储值Ref3D和电流调节电压UR3D之间的差别产生模拟输出信号S23D。信号S23D与目标O到表面12的距离成比例。通过比较器，识别元件14探测在为补偿提供的另一光源20中直接射入接收器的射线和反射射线，其中，根据循环分配实现起动。如较早专利申请10001955.2所披露的，在第一个信号被储存在数字存储器13中之前，通过电路24，第一个信号首先延迟一定的时间。然后进一步的值可以在比较装置15中与参考值进行比较。
许多情况下，不仅识别表面12的接触而且识别何时手指已离开表面例如超过30mm的距离是有用的。这在比较器16内通过另外的阈值检测来执行。如果没有或不能达到阈值SW2，则触发器26重置，参考值Ref3D被消除，而控制信号AS1被重置。阈值SW2也可以是来源于参考值Ref3D的值。
这种装置的实施例在图12中示出。其涉及交通工具33的部分，即变速选择器33或变速杆。在杆的顶部，设置一光显示器34以显示选择的档位。该交通工具还拥有导航系统31，其可用变速杆32进行控制。为此，显示器34同时作为对运动灵敏的操作表面的表面12，其与例如导航系统相连接。因此，在操作元件30或导航系统31的光标区域内的细节放大，例如，可通过抬起操作元件如手指或目标O，稍微离开操作表面来控制。有利地，同时放大的路径可随手指的移动相应地运动。例如，如果导航系统31的显示器设置在驾驶者的可视范围内，然后为了搜索路径，例如，驾驶者只需要在表面12上移动手指或者晃动手尖。为了放大导航系统31图的路径，他不需要将手离开变速杆32，且不必进一步对操作元件进行操作，而是只需要抬起手指。这样，驾驶者注意力分散的危险就显著减小。表面12可以是如此之小以致为了操作操作元件30，手指基本上不再运动或移动，而仅仅是晃动。在这种情况下，操作表面可以只用稍微大于指尖。表面12的大小与目标O的接触面积大小几乎相同，其形状可以是圆形或拱形。当然，它也可以具有任何其它的形状如平面、几乎是圆形。如果需要，它也可以具有允许表面的中心被接触的结构。
图5和图6所示为二维电路，其与根据图1的一维电路具有相同的结构。定时电路拥有循环分配器(cycle distributor)25，其不仅能够起动相应的发射器和接收器，而且同时也能相应地起动功率控制器36，这样，比较器V2、V2′和V3、V3′能检测相应的测量值MwX和MwY。
在一些情况下，例如在使用对移动灵敏的操作表面时，使用图2至图4的接收器E的布局可能是不方便的，例如，如果定位的波长不能穿透对移动灵敏的操作表面。由于操作表面可以由透明塑料制成，例如，可布置其它的不破坏视觉的光学显示部件，正如之前对交通工具选择档位的显示器的布置所已经说明的。如果这个进一步的显示部件对用于移动灵敏的操作表面的波长来说是不可穿透的，接收器E则不能设置在表面的中心，而是必须布置在边缘。根据图8，也可以布置多个接收器，这样，与发射器A-D一起，它们分别形成一个或多个光线路径。因此，发射器A、C与接收器E2或者E4交替地与发射器B、D和接收器E1或E4可形成光线路径或测量路径以测定x值。也可以考虑这样的设置，其中发射器A、C与发射器B、D和接收器E3、E4交替地运行。接收器的数目和设置只和用于测量x值和y值以及三维(3D)值的输出信号的对称性有关。基本上，应用多个或全部、但至少一个接收器E1-E4接收从发射器A-D发射的信号。使用很少的结构元件，接收元件不仅可设置在发射器之间的中心，而且可设置在操作表面的边缘。
由于发光二极管(例如本申请中用来发射光的发光二极管)一般也能够转换为接收器，当发光二极管用作接收器E1-E4时，这些发光二极管自然也可以间断地作为接收器使用。于是这可以生成一种结构，其中，为确定x值的位置，例如，发射器A、C和接收器E3一起与发射器B、D和接收器E4一起交替地发光，而接收器E1和E2用作接收器。然后形成相应的设置，用以确定y值。
根据图8，接收器并联相连或它们的输出信号用合适的电路布局联系在一起。由于两个接收器E1、E2或E3、E4不在相同区域，一个接收器可能暴露在与另一个接收器不同的照明条件(太阳和阴影)中。只要照明条件是稳定的，具有可偶然出现不精确对称的发射器布局的不对称照明仅能表现为手指位置的输出信号的额外轻微不对称。但是，如果对移动灵敏的操作表面在一个持续改变的亮度条件中工作(例如，在一个运动的汽车中工作)，这一影响可具有破坏性。
为了消除这一影响，需要对发射元件和接收元件在对移动灵敏的操作表面上进行一定的设置，这样，每一个光线路径各自应用一个接收器。根据图8，例如x值探测时，只使用接收器E1，在这种情况下，发射器A或者A、C交替地和发射器B或者B、D发光。但是，在一个较大表面的情况下，位置只能在图中的上部区域明确地确定。因此，接收器E2在另一个测量循环(cycle)中使用，其中发射元件C或者A、C交替地和发射器D或者D、B发光。在第二个测量循环中，在对移动灵敏的操作表面的下部区域的位置现在则可以被明确地确定。现在合并第一和第二循环中的测量值并一起产生目标O的不受外来光影响的x值的测量值。因此，在这种设置下，x方向的两个测量值和y方向的两个测量值各自先后产生，接着被平均。y值的确定按照与上述相似方法实现。
另外的仅应用一个接收器E1-E4的替代方法在于发射器的不同加权起动(weighted actuation)。例如，在图8中，确定x值时，只应用了接收器E1。距离该接收器最近的发射器，即发射器A、B将通过适当降低的功率，例如，最大功率的30％起动。距离该接收器最远的发射器，即发射器C、D则可以发射最大功率的100％。如果接收器E3、E4也作为发射器应用，它们可以以最大功率的70％发射。通过加权起动，与目标O的实际机械位置有关的电定位信号(positioning signal)具有实际上的线性特性。当然，如果通过对应的算术运算将相应的校正输出值发射到每个测量的x值和y值，则可以省略所有这些措施。这一点尤其对大面积应用有利。这种设置也可以应用于仅确定x方向和y方向的二维位置。
如果仅通过将手指离开转入到另外一个操作平面上，则在确定第三维度时，也可以略去把接收信号补偿为0这一步骤。此处出现的对外来光的灵敏性对于在第三个方向数量较少的固定分配功能几乎没有影响，例如，只要通过抬起手指或操作元件转入第二个操作平面。
图8示出了另外一种替代方式，只要位置分配的有限数目是可用的，例如，在一个运动灵敏的操作表面的情况下，如在12区键盘区的情况下也是可能的。在图中，以另外一个光源20的形式表现的可能需要的补偿装置的显示已被略去。如果目标不能接触按键且可能偶然处于两个区之间，带有数字的按键区可容易产生错误的操作。为消除这种错误，对移动灵敏操作表面的表面19可具有凹进或升高或在其他的情况下可感到的透明识别区18，其具有不能被它们之间的辐射穿透的区域。接触按键面时，即接触识别区18时，产生具有关于x值和y值的同步信息的接触信号。如果随着接触信号的出现，位置可以同时被识别，相应的数字或相应的函数就可清楚地赋给测量值且加上一个特定的公差范围。在这个例子中，获得了对机械按键区的确定的优点。因为在理想情况下，根据图2或图3中的具体实施例的按键区可仅用三个到四个廉价的LED和一个接收器进行操作，其可以是光电二极管，但也优选是LED，它可同时进行发光和按键功能。这种识别区和分区功能可以单独使用，而不确定距离，如果希望它仅是二维的应用，即当只有识别区的识别是重要的时候。操作表面也可以具有部分地不透明的涂层或者覆盖层，这样仅用3到4个LED和一个接收器就可以识别不同的识别区，接收器可以是光电二极管或者发光二极管。
理想状况下，四个LED足够使用，在正方形表面的每一个角落区域都有一个。如果根据图4，例如发射器A和C交替循环，而作为LED的发射器B或D交替作为接收器使用。交替获得的发射器B或D(此处指接收器)的接收信号或调整大小结合在一起并提供y方向的第一个测量值。为了改善线性或者为了优化测量结果，用发射器A或C作为接收器可转入测量路径B/D，交替地用发射器B或D作为接收器转入测量路径A/C。分别交替获得的测量结果再次合并，并产生一个线性化的完全不受外来光影响的y轴的测量值。对于x轴的测量值可类似地重复相同的过程。
为获取第三个方向的z值，发射器A和C同时循环，而发射器B应用为接收器，且发射器D应用为补偿LED(类似光源20)。为改善线性，交替地用测量路径A和C(同时循环)，发射器D可以应用为接收器，而发射器B可以应用为补偿LED(与光源20类似)，即与第一连接相比，发射器B和D在功能上可互换。从两个测量获得的值或者控制的大小值合并在一起并产生出第一z值。此外相似地，发射器B和D(同时循环)和发射器A和C相互交替，一次作为接收器一次作为补偿LED运行，以确定第二z值。为了确定第三和第四z值，可类似地应用相同的方法，其中发射器A和B或者C和D应用为同时循环的发射器而相应的其它两个发射器应用为接收器或者补偿LED。如果应用所有的四个z值，那么这样的切换顺序可类似地按照顺序在几微秒之内完成，其中每个发射器在路径中不仅起到发射器的作用而且起到接收器或补偿LED的作用。在对全部获得的测量值进行相应的评估后，根据上述布局，x、y、z的位置可仅从一个电路并通过一起计算相应的结果而获得。如果对第三维度上的z值的确定并不重要，这种设置也可单独地用来测定x和y值。
此外，可以获得迫近函数(proximity function)，其中目标可以被识别，例如如果目标位于识别区18或在识别区18之上几厘米或几毫米。这一点可应用在盲操作的过程中，例如用于接通照明设备或者用于声音应答(acoustic acknowledgement)手指正放在哪个按键之上。例如汽车在黑暗中时，可选择一种功能而无需看见键盘。如果接着接触了相应的识别区18，利用同样的方法可以选择另外一个功能。这种键盘不包括任何机械部件，因此，发光二极管可以集成在电路板上，并仅仅需要对应于按键的透明区。这降低了制造成本以及出现错误的可能性，同时也不受水、沙子、或灰尘的影响。如果需要的话，带有12键的按键区也可以折叠起来，甚至可获得对移动灵敏的操作表面，如用于借助手指输入一个完整的、粗略的行进路线。用户因此可以，例如，在地图上用手指大致追踪想到的阶段和路线，而导航系统依此计算出推荐路线。
根据图10、11，并不绝对需要将发射器A、B和接收器E设置在表面12的下面。如果显示器34′或者另外一个同时不被射线穿透的结构元件设置在那里，那么，例如发射器和/或接收器也可以放在表面之上。于是分隔介质不是表面12而是空气或别的介质。这些发射器和接收器可以用遮盖物41保护，并仅通过在表面12和覆盖物41之间的间隙发射和接收辐射，或者在操作表面上用相应的、如果需要的话，可以与成角度的光导装置耦合。
原则上，x值和y值的探测也可以利用形式为另外的光源20的补偿装置来实现，并且z值的探测也可在没有补偿装置的情形下进行。
操作试验表明，尽管存在复杂的切换顺序，毫无疑问，可进行位置的光电探测。单独测量路径可在几微秒之内运行，因此可靠和顺利的位置探测是可能的。
显然，本说明书可包括各种各样的修改、改变、和调整，而不偏离本发明的精神和范围，本发明的范围由所附权利要求及其等同方案所涵盖。
标号说明(不构成申请文件的部分)10 振荡器11 测定装置12 表面13 用于接触信号的存储装置14 识别元件15 比较装置16 比较器17 材料18 识别区19 表面20 另外的光源21 反相器22 同步解调器23 高通滤波器24 用于时间延迟的电路25 循环分配器
26 触发器30 操作元件31 导航系统32 变速杆33 交通工具34，34′显示器35，36 存储装置37 功率控制38，39，40 存储装置41 接触脉冲识别器42 触发器43 阈值检测装置44 时间延迟电路A-D 发射器E，E1-E4接收器O 目标d 距离
AS1接触信号Ref3D 参考值S23D 距离值Mwx测定值xMwy测定值yVI-VIII比较器V1-V3 比较器V2′，V3′ 比较器
权利要求
1.用于检测目标(O)的位置和/或移动的光电装置，包括多个发射器(A、B、C、D)，用于发射射线，尤其是光射线；至少一个接收器(E、E1、E2、E3、E4)，用于接收所述发射器(A-D)发射和所述目标(O)反射的射线、或者与所述目标相关联的发射器发射的射线；多个相互不同的辐射路径，形成在所述发射器(A-D)中的至少一部分、所述目标(O)、和所述接收器(E，E1-E4)之间，或者形成在与所述目标相关联的发射器和所述接收器之间；定时电路，用于循环转换所述不同射线路径的所述发射器(A-D)；测定装置(11)，用于将由所述接收器(E，E1-E4)接收的所述不同射线路径中的信号转换为值(x，y)，以沿着线或在表面(12)上检测所述目标(O)的所述位置和/或移动；其特征在于为了对所述目标(O)的所述位置和/或移动进行三维检测，所述定时电路在至少一个另外的循环中转换多个、但至少一部分所述发射器(A-D)和/或接收器(E，E1-E4)，以便所述发射器(A-D)在其中进行发射的空间几乎被均匀照射，以及在所述另外的循环中基于由所述目标(O)发射或反射的射线，所述测定装置(11)确定用于确定所述目标(O)离所述线或表面(12)的距离(d)的值。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述接收器(A-D)和所述发射器(E，E1-E4)位于一个平面中。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述接收器(A-D)和所述发射器(E，E1-E4)设置在形成所述表面(12)的操作表面之下，以及在另外的循环中，发射器和/或接收器发射到所述操作表面之上的空间内。
4.根据权利要求1至3中任一所述的装置，其特征在于至少四个发射器(A-D)以交叉形状结构设置，被交替交叉循环地操作以进行二维检测。
5.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于在所述另外的循环中，所有接收器(A-D)一起循环。
6.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于另外的光源(20)作为发射器设置在所述至少一个接收器(E，E1-E4)的附近，因此所述另外的光源(20)的光基本上都发射到所述接收器(E，E1-E4)中。
7.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于在所述另外的循环中，所述至少一个接收器(E，E1-E4)起到发射器的作用。
8.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于呈辐射路径形式的所述光线路径交替起动；所述测定装置(11)优选无延迟地通过功率控制装置控制所述发射器的功率，从而使得所述接收器(E，E1-E4)中存在直流分量而不存在循环同步的交流分量。
9.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于为了估计所述位置，控制电压被施加给与所述各个发射器(A-D)相关联的控制元件(R1，R2)，并提供给用于确定所述值的比较器(VIII)。
10.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于设置识别元件(14)，当接触所述表面(12)时，可识别移动模式；存储装置将反射射线的确定值为参考值(Ref3D)储存。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于设置比较元件(15)，通过在反射回的射线的存储值或从其中推导出的值和当前值之间进行比较，确定所述目标(O)离所述表面(12)的距离(d)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于将在所述目标(O)与所述表面(12)接触之前产生的值作为导出值储存。
13.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于所述装置可识别所述目标(O)的接近，并通过改变基本循环可有效地转换所述位置检测。
14.根据权利要求10至13中任一所述的装置，其特征在于所述存储装置(13)储存所述确定的参考值(Ref3D)；如果比较器(16)确定所述当前值低于给定值(SW2)或从所述参考值导出的值，那么所述存储装置(13)将删除所述确定的参考值。
15.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于所述表面(12)是对移动灵敏的操作表面。
16.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于所述发射器(A-D)和所述接收器(E1-E4)沿所述表面(12)的边缘分布。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于所述发射器(A-D)设置在所述表面(12)的角部，而所述接收器(E1-E4)设置在所述发射器之间。
18.根据权利要求16或17所述的装置，其特征在于设置在所述表面(12)的相邻角部的两个相应的发射器(A-D)与位于它们之间的所述接收器(E1-E4)一起构成测量装置，所述发射器和所述接收器(A-E3-C、B-E4-D；A-E1-B、C-E2-D)彼此相对设置以确定在x方向或y方向的相应值，且被交替操作(图8)。
19.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于为了在所述表面(12)上确定所述目标(O)的所述位置的x值或y值，设置了关于所述表面彼此相对设置的两个接收器，交替地提供测量值，将所述测量值平均后用于确定所述位置。
20.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于所述接收器(E，E1-E4)是发光二极管。
21.根据以上权利要求之一所述的装置，其特征在于包括至少四个发光二极管(A-D、E)，其中两个分别交替相互起到发射器的作用，一个用作接收器，另一个用作补偿LED。
22.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于所有所述发射器(A-D)交替地与相应的接收器(E1-E4)一起循环，其中所述发射器的发射功率随着与所述接收器的距离的增加而按照一定比例增加。
23.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于所述表面(12)部分地涂布有或覆盖有防止所述发射器(A-D)的射线穿透的材料(17)，而其中在未涂布或者未覆盖的区域，即所述发射器的射线可穿过的区域，形成明确指定的识别区(18)。
24.根据权利要求21所述的装置，其特征在于所述识别区(18)形成优选是12区的数字键盘块。
25.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于所述涂层或覆盖层具有触敏表面(19)。
26.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于四个发光二极管(A-E)同时照亮所述表面或按键区，且至少间断地用作接收器和/或补偿元件。
27.根据权利要求21至24中任一所述的装置，其特征在于当所述目标(O)接近所述识别区(18)时，所述识别元件(14)识别所述目标，且根据所述识别区重新产生所述识别区(18)的特征识别，并在接触已发生的情况下，触发其它功能。
28.根据权利要求25所述的装置，其特征在于所述识别是声识别。
29.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于所述目标(O)是身体部分，优选是用户的手指；所述表面(12)是如此之小，使得为了操作操作元件(30)，所述手指基本上不移动，而仅是晃动。
30.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于与所述目标(O)的接触面积相比，所述表面(12)具有大体相同的大小，形状是圆形和拱形。
31.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于提供所述表面(12)以控制交通工具(33)的导航系统(31)。
32.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于所述表面(12)结合到交通工具(33)的变速杆(32)中。
33.根据以上权利要求中任一所述的装置，其特征在于所述发射器(A、B)和所述接收器(E)设置在所述表面(12)之上或通过光传导元件在所述表面(12)之上发射或接收光，其中隔开所述发射器(A、B)、所述接收器(E)、以及所述目标(O)的介质是所述射线可以传播过的空气或其它介质。
34.用根据权利要求1至33中任一所述装置对目标(O)的位置和/或移动进行光电检测的方法，其中所述装置具有多个发射器(A、B、C、D)，用于发射射线，尤其是光射线；至少一个接收器(E、E1、E2、E3、E4)，用于接收所述发射器(A-D)发射和所述目标(O)反射回的射线，或与所述目标相关联的发射器发射的射线；多个相互不同的辐射路径，形成在所述发射器(A-D)中的至少一部分、所述目标(O)、和所述接收器(E，E1-E4)之间，或形成在与所述目标相关联的发射器和所述接收器之间；定时电路，用于循环转换具有所述不同辐射路径的所述发射器(A-D)；测定装置(11)，用于将所述接收器(E，E1-E4)接收的用于所述不同辐射路径的信号转换为值(x，y)，以沿线或者在表面(12)检测所述目标(O)的所述位置和/或移动；其特征在于为了对所述目标(O)的所述位置和/或移动进行三维探测，所述定时电路在至少一个另外的循环中转换多个、但至少一部分所述发射器(A-D)和/或接收器(E，E1-E4)，以致所述发射器(A-D)在其中进行发射的空间被几乎均匀地照射，以及在所述另外循环的过程中，根据由所述目标(O)辐射或者反射回的射线，所述测定装置(11)确定用于确定所述目标(O)离所述线或表面(12)的距离(d)值。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于在另外的循环中，设置在形成所述表面(12)的操作表面之下的所述发射器和/或所述接收器发射到所述操作表面之上的空间内。
36.根据权利要求34或35所述的方法，其特征在于至少四个发射器(A-D)以交叉形状结构设置，被交替交叉循环操作，以进行二维检测。
37.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于在所述另外的循环中，所有所述接收器(A-D)一起循环。
38.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于在所述另外的循环中，在所述至少一个接收器(E，E1-E4)的附近，另外的光源(20)作为发射器将光线基本上都发射到所述接收器(E，E1-E4)，从而进行补偿。
39.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于在所述另外的循环中，所述至少一个接收器(E，E1-E4)起到发射器的作用。
40.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于呈辐射路径形式的光线路径交替起动；所述测定装置(11)优选无延迟地通过功率控制装置(36)控制所述发射器的功率，以使得在所述接收器(E，E1-E4)中存在直流分量而不存在循环同步的交流分量。
41.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于为了估计所述位置，控制电压被施加给与所述各个发射器(A-D)相关联的控制元件(R1，R2)，并提供给比较器(VIII)，用于确定所述值。
42.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于当接触所述表面(12)时，识别元件(14)可识别所述移动模式；存储装置(13)将反射射线的确定值作为参考值(Ref3D)储存。
43.根据权利要求41所述的方法，其特征在于通过在反射射线的存储值或从其中推导出的值和当前值之间进行比较，比较元件(15)确定所述目标(O)离所述表面(12)的距离(d)。
44.根据权利要求43所述的方法，其特征在于在所述目标(O)与所述表面(12)接触之前产生的值被作为导出值储存。
45.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于所述装置可识别所述目标(O)的接近，并通过改变基本循环可切换到有效的位置探测。
46.根据权利要求42至45中任一所述的方法，其特征在于所述存储装置(13)储存所述确定的参考值(Ref3D)，以及如果比较器(16)确定所述当前值低于给定值(SW2)或由所述参考值导出的值时，那么所述存储装置(13)将删除所述确定的参考值。
47.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于设置在所述表面(12)的相邻角部的两个有关的发射器(A-D)连同位于它们之间的所述接收器(E1-E4)一起构成测量装置；相对设置以确定在x方向或y方向的相应值的所述发射器和所述接收器(A-E3-C、B-E4-D；A-E1-B、C-E2-D)被交替操作(图8)。
48.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于为了在所述表面(12)上确定所述目标(O)的所述位置的x值或y值，相对于所述表面相对设置的两个接收器交替地提供测量值，将所述测量值平均后用于确定所述位置。
49.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于至少包括四个发光二极管(A-D、E)，其中二个分别交替地起到发射器的作用，一个作为接收器，另一个作为补偿LED。
50.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于所有所述发射器(A-D)交替地与相应的接收器(E1-E4)一起循环，其中所述发射器的发射功率随着到所述接收器的距离的增加按一定的比例增加。
51.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于所述表面(12)部分地涂有或覆盖有防止所述发射器(A-D)的射线穿透的材料(17)，其中在未涂布或者未覆盖的区域，即所述发射器的射线可穿过的区域，形成指定明确的识别区(18)。
52.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于四个发光二极管(A-E)同时照射所述表面或按键区，以及至少间断地用作接收器和/或补偿元件。
53.根据权利要求51或52所述的方法，其特征在于当所述目标(O)接近所述识别区(18)时，所述识别元件(14)识别所述目标，以及根据所述识别区，重新产生所述识别区(18)的特征识别，并在接触已发生的情况下，触发另外的功能。
54.根据以上权利要求中任一所述的方法，其特征在于所述目标(O)是身体部分，优选是用户的手指；所述表面(12)是如此之小，使得为了操作操作元件(30)，所述手指基本上不移动，而仅是晃动。
全文摘要
本发明涉及光电装置，其包括几个发射器(A－D)和至少一个接收器(E)，用于检测目标的位置和移动。在发射器和接收器之间形成多个光线路径。发射器通过一个具有振荡器(10)的定时电路运行。测定装置可以对表面上的目标的运动进行二维检测。在对运动目标的位置和/或运动的进行三维探测时，定时电路可以将发射器和接收器切换到另一循环，因而发射器在其中发射的空间尽可能被均匀地照射。根据在另一循环中目标所反射的光线，测定装置创建了一个值，结合此值确定目标(O)到表面(图7)的距离(d)，该值在目标与表面接触之前，就已经被探测到。
文档编号G06F3/0346GK1541451SQ02814179
公开日2004年10月27日 申请日期2002年7月9日 优先权日2001年7月16日
发明者格尔德·赖梅, 格尔德 赖梅 申请人:格尔德·赖梅, 格尔德 赖梅