DE19734613A1 - Device and method for non-contact detection of two- and / or three-dimensionally marked surfaces and / or for detection of two and / or three-dimensional movements - Google Patents

Device and method for non-contact detection of two- and / or three-dimensionally marked surfaces and / or for detection of two and / or three-dimensional movements

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DE19734613A1
DE19734613A1 DE19734613A DE19734613A DE19734613A1 DE 19734613 A1 DE19734613 A1 DE 19734613A1 DE 19734613 A DE19734613 A DE 19734613A DE 19734613 A DE19734613 A DE 19734613A DE 19734613 A1 DE19734613 A1 DE 19734613A1
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Abstract

The invention concerns a device comprising a movement detector (1) which detects without contact the position of the device parallel to a marked surface (8) in two and/or three dimensions, a distance measuring element which determines without contact, for each detected position value of the movement detector (1), the variation between the movement detector (1) and the marked surface, and a signal processing unit which computes on the basis of the movement detector position signals and of the distance measuring element data capable of being electronically stored related to the marked surface and/or the movement produced by the movement detector. The movement detector (1) is preferably a matrix consisting of optical detecting means arranged side by side in a surface, such as photodiodes or pixels of an image detector. The variation between the image detector and the marked surface is preferably determined by means detecting the time taken by a light signal to travel the distance. Said device is particularly appropriate for position detecting for image reading electronic appliances, as well as for determining without contact the structure of surfaces in medical and dental applications.

Description

Zum Erfassen reliefartiger Oberflächenstrukturen sind nichtberührungsfreie Verfahren bekannt. So wird etwa bei Guß- oder Abdruckverfahren ein dreidimensionales Negativ­ bild des Gegenstandes erstellt, aus dem Informationen über dessen Oberflächenbeschaffenheit gewonnen werden. Nachteilig bei derartigen Verfahren ist, daß ihre Qualität sehr stark von dem eingesetzten Guß- oder Ab­ druckmittel abhängt. Zudem sind sie bei empfindlichen oder leicht zu beschädigenden Oberflächen nicht ohne Gefahr für die zu untersuchenden Areale einsetzbar.To capture relief-like surface structures are non-contact-free methods known. So is about Casting or impression processes a three-dimensional negative image of the item created from the information can be obtained from its surface quality. A disadvantage of such methods is that their Quality very much from the cast or Ab used pressure medium depends. They are also sensitive or easily damaged surfaces not without Danger can be used for the areas to be examined.

Desweiteren sind Bewegungsdetektoren bekannt, mittels derer die Position eines Gegenstandes, etwa eines Hand­ scanners, gegenüber einer Fläche bestimmbar ist. In der JP-O 5 341 904 wird ein Bewegungsdetektor beschrieben, der als eine drehbewegliche, von einem stark inhomoge­ nen Magnetfeld umgebene Kugel ausgebildet ist. Beim Be­ wegen des Bewegungsdetektors entlang der abzuscannenden Fläche wird die Kugel in eine Drehbewegung versetzt, die von einem Hallgenerator erfaßt und in elektronische , die Information über die Position des Bewegungsdetek­ tors gegenüber der abzuscannenden Fläche enthaltende Signale umgewandelt werden. Ein derartiger Bewegungs­ detektor kann jedoch nur die Position parallel zu einer zweidimensionalen Fläche erfassen, eine Reliefstruktur der abzuscannenden Oberfläche ist damit nicht detektier­ bar. Zudem arbeitet der vorbekannte Bewegungsdetektor ebenfalls nicht berührungsfrei und ist deshalb bei empfindlichen Oberflächen nicht einsetzbar.Furthermore, motion detectors are known by means of the position of an object, such as a hand scanners, can be determined against a surface. In the JP-O 5 341 904 describes a motion detector which as a rotatable, from a strongly inhomogeneous NEN magnetic field surrounding ball is formed. When loading because of the motion detector along the one to be scanned The sphere is set into a rotary motion, the surface  recorded by a Hall generator and converted into electronic the information about the position of the movement detector tors compared to the surface to be scanned Signals are converted. Such a movement However, the detector can only position parallel to one capture two-dimensional surface, a relief structure the surface to be scanned is therefore not detectable bar. In addition, the known motion detector works also not touch-free and is therefore at sensitive surfaces cannot be used.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Erfassen zwei- und/oder dreidimensionaler Oberflächen und/oder zum Erfassen zwei- und/oder dreidimensionaler Bewegungen entlang einer Fläche, wobei die Gefahr von Beschädigungen der Fläche weitestgehend zu vermeiden ist.The object of the present invention is to create a device and a method for detection two- and / or three-dimensional surfaces and / or to detect two and / or three-dimensional movements along a surface, taking the risk of damage of the area should be avoided as far as possible.

Gelöst wird diese Aufgabe in vorrichtungstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Da­ nach umfaßt die Vorrichtung einen Bewegungsdetektor, ei­ nen Distanzmesser und eine Signalverarbeitungseinheit.This task is solved in terms of device technology In terms of the features of claim 1. Da after the device comprises a motion detector, egg NEN distance meter and a signal processing unit.

Der Bewegungsdetektor arbeitet berührungsfrei und erfaßt kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen die Po­ sition der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zur un­ tersuchenden Fläche parallelen, etwa aus einer Ebenenpro­ jektion der dreidimensional markierten Oberfläche erzeug­ ten Ebene. Die Erfassung des Reliefs erfolgt mittels des Distanzmessers, der zu jedem erfaßten Punkt der projizier­ ten Ebene den Abstand zwischen dem Bewegungsdetektor und der zu erfassenden Fläche bestimmt. Mit Hilfe der Sig­ nalverarbeitungseinheit werden die Informationen des Bewegungsdetektors sowie des Distanzmessers zusammenge­ führt und in ein elektronisch verwertbares Bild der Reliefstruktur der erfaßten Oberfläche und/oder der durchgeführten Bewegung umgewandelt.The motion detector works without contact and detects the butt continuously or at predetermined intervals sition of the device according to the invention in a to un parallel search surface, for example from a level pro the three-dimensionally marked surface level. The relief is recorded using the Distance meter that projects to each detected point th plane the distance between the motion detector and of the area to be recorded. With the help of the Sig nal processing unit, the information of the Motion detector and the distance meter together  leads and into an electronically usable picture of the Relief structure of the detected surface and / or the performed movement converted.

Die Erfassung der Oberflächenstruktur erfolgt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung berührungsfrei. Geeignete Bewegungsdetektoren bzw. Distanzmesser arbeiten etwa mit Hilfe von Licht oder sonstigen elektromagnetischen Strahlen, Schallwellen, elektrischen und/oder magneti­ schen Feldern. Der besondere Vorteil der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung besteht in ihrer Einsetzbarkeit in ver­ schiedensten Bereichen, und zwar insbesondere solchen, bei denen die zu erfassenden Oberflächen besonders empfindlich sind und es zudem auf eine hohe Präzision der ermittelten Daten ankommt. Dazu gehören etwa bestimmte Bereiche der Medizin, Zahnmedizin, Biologie, Archäologie oder Paläontologie.The surface structure is recorded at Device according to the invention without contact. Suitable Motion detectors or distance meters work approximately with the help of light or other electromagnetic Rays, sound waves, electrical and / or magneti fields. The particular advantage of the invention ß device consists in its usability in ver various areas, especially those where the surfaces to be recorded are particularly are sensitive and also to a high precision of the determined data arrives. These include certain Areas of medicine, dentistry, biology, archeology or paleontology.

Eine für eine große Zahl von Anwendungen besonders zweckmäßige Erfassungsvorrichtung arbeitet mit opti­ schen Mitteln. Dabei ist im Bewegungsdetektor eine in Richtung auf die markierte Fläche abstrahlende optische Strahlungsquelle integriert und der Bewegungsdetektor sowie der Distanzmesser erfassen von der markierten Fläche reflektiertes Licht. Als bevorzugte Strahlungs­ quellen kommen etwa Laser oder Halbleiterstrahler in Frage, deren Strahlungsfrequenzen der entsprechenden An­ wendung angepaßt sein sollten.One especially for a large number of applications Appropriate detection device works with opti means. There is an in in the motion detector Directional optical radiation on the marked surface Radiation source integrated and the motion detector as well as the distance meter from the marked Surface of reflected light. As a preferred radiation Sources come in as lasers or semiconductor emitters Question, whose radiation frequencies correspond to the corresponding An should be adapted to the application.

Vorteilhafterweise besitzt der Bewegungsdetektor eine Matrix aus in einer Fläche nebeneinander angeordneten optischen Erfassungsmitteln. Die vom Detektor vollzogene Bewegung entlang der markierten Fläche ist damit leicht aufgrund der zeitlichen Abfolge der von den einzelnen optischen Erfassungsmitteln abgegebenen elektronischen Signale nachvollziehbar.The motion detector advantageously has one Matrix of arranged side by side in a surface optical detection means. The one performed by the detector Movement along the marked area is therefore easy due to the chronological order of each  optical detection means delivered electronic Traceable signals.

Ein geeignetes und besonders preisgünstiges Erfassungs­ mittel ist ein Array aus Fotodioden. Die Fotodioden sind in einer Ebene in zumindest zwei unterschiedlichen Rich­ tungen beabstandet voneinander angeordnet, wodurch sich die Bewegung des Bewegungsdetektors in einer zu diesen Richtungen parallelen Fläche besonders leicht berechnen läßt. Stehen die Fotodioden in zwei zueinander senkrech­ ten Richtungen, so läßt sich unmittelbar eine X- und eine Y-Richtung zur Positionsbestimmung des Bewegungsdetek­ tors festlegen.A suitable and particularly inexpensive acquisition middle is an array of photodiodes. The photodiodes are on one level in at least two different riches lines spaced from each other, whereby the movement of the motion detector in one of these Calculate directions parallel surface particularly easily leaves. The photodiodes are perpendicular to each other in two ten directions, an X and a Y direction for determining the position of the motion detector set tors.

Bei bestimmten Anwendungen, inbesondere wenn eine hohe Auflösung gewünscht wird, kann auch anstelle des Foto­ diodenarrays ein optischer Bildsensor eingesetzt werden. Aus dem Vergleich aufeinanderfolgender Bildsequenzen des Bildsensors läßt sich zudem auch eine Information über eine etwaige, gegenüber der markierten Fläche senkrech­ te Bewegung gewinnen.In certain applications, especially when high Resolution is desired, can also be used instead of the photo diode arrays an optical image sensor can be used. From the comparison of successive image sequences of the Image sensor can also provide information about any, perpendicular to the marked area win movement.

Ein besonders vorteilhafter Distanzmesser besteht aus einer Fotodiode, die ein von der markierten Fläche re­ flektiertes Lichtsignal einer Strahlungsquelle empfängt und in ein elektronisches Signal umwandelt, das in einer Meßelektronik dazu benutzt wird, die Distanz zu bestim­ men. Es sind auch mehrere nebeneinander angeordnete Foto­ dioden denkbar, aus deren photovoltaischen Signalen der Abstand zwischen dem Bewegungsdetektor und der markier­ ten Fläche von einer geeigneten Meßelektronik berechnet wird. Im Zusammenhang mit einem Laser als Strahlungsquel­ le kann der Abstand etwa mittels optischer Triangulation bestimmt werden. A particularly advantageous distance meter consists of a photodiode, a right of the marked area received light signal from a radiation source and converts it into an electronic signal, which in a Measuring electronics is used to determine the distance men. There are also several photos arranged side by side diodes conceivable, from whose photovoltaic signals the Distance between the motion detector and the mark th area calculated by suitable measuring electronics becomes. In connection with a laser as a radiation source le can be the distance using optical triangulation be determined.  

Alternativ sind auch interferometrische Methoden zur Distanzmessung einsetzbar. Für mikroskopisch feine Ober­ flächenstrukturen, etwa insbesondere metallischer Ober­ flächen, ist ein optisches Interferometer besonders ge­ eignet.Alternatively, interferometric methods are also available Distance measurement can be used. For microscopic surfaces surface structures, for example in particular metallic surfaces surfaces, an optical interferometer is particularly suitable is suitable.

Um die Herstellung der erfindungsgemäßen Erfassungsvor­ richtung zu erleichtern und zu verbilligen ist der Be­ wegungsdetektor und/oder der Distanzmesser und/oder die Strahlungsquelle in einen Mikrochip integriert.In order to manufacture the acquisition device according to the invention The direction is to make it easier and cheaper motion detector and / or the distance meter and / or the Radiation source integrated into a microchip.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Signalver­ arbeitungseinheit mit einer Anzeigeeinheit, etwa einem Monitor verbindbar, so daß die jeweilige Position des Bewegungsdetektors während der Bewegung unmittelbar ver­ folgt werden kann.In an advantageous development, the signal ver unit of work with a display unit, such as one Monitor connectable, so that the respective position of the Ver motion detector immediately during movement can be followed.

In einer abermaligen Weiterbildung ist die Signalverar­ beitungseinheit vom Bewegungsdetektor räumlich getrennt angeordnet, und steht mit diesem in - vorzugsweise drahtlosem - Datenaustausch. Die räumlichen Dimensionen des Bewegungsdetektors lassen sich damit auf ein Minimum begrenzen und dadurch die Flexibilität und Effizienz deutlich erhöhen.The signal processing is in a further training processing unit spatially separated from the motion detector arranged, and stands with this in - preferably wireless - data exchange. The spatial dimensions the motion detector can be reduced to a minimum limit and thereby flexibility and efficiency increase significantly.

Zweckmäßigerweise steht die Signalverarbeitungseinheit mit einem elektronischen Speichermedium in Datenverbin­ dung, in dem die Informationen über die Oberflächenstruk­ tur und/oder die Bewegung gegenüber der Fläche elektro­ nisch abrufbar abgespeichert sind.The signal processing unit expediently stands with an electronic storage medium in data combination in which the information about the surface structure structure and / or the movement relative to the surface electro nisch accessible are stored.

In verfahrenstechnischer Hinsicht ist die Erfindungsauf­ gabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 12 gelöst. In terms of process technology, the invention is given by a method with the features of the patent Proverb 12 solved.  

Bei diesem Verfahren erfolgt während einer Bewegung eines Bewegungsdetektors relativ zu einer markierten Fläche eine berührungsfreie Ermittlung der Position in einer - zur markierten Fläche im wesentlichen parallelen - Projek­ tionsebene mit Hilfe von optischen Erfassungsmitteln (X, Y)-Position. Gleichzeitig wird zu jedem erfaßten (X, Y)- Wert der jeweilige Abstand des Bewegungsdetektors zur markierten Fläche, also der Wert Z (X, Y) , berührungsfrei ermittelt. In einem letzten Verfahrensschritt werden aus den auf diese Weise ermittelten (X, Y, Z)-Werten Informa­ tionen über die Bewegung bzw. die Oberflächenbeschaffen­ heit der markierten Fläche gewonnen.In this method, one takes place during a movement Motion detector relative to a marked area non-contact determination of the position in a - for marked area essentially parallel - projec tion level with the aid of optical detection means (X, Y) position. At the same time, every (X, Y) - Value of the respective distance from the motion detector to marked area, i.e. the value Z (X, Y), without contact determined. In a final process step, the (X, Y, Z) values Informa tion about the movement or the surface of the marked area.

Eine besonders vorteilhafte Bestimmung der Distanz er­ folgt dabei durch die Messung der Laufzeit eines Licht­ signals beim Durchlaufen der zu bestimmenden Distanz. Die Erfindung macht dabei Gebrauch von einem an sich bekannten Verfahren zur Messung der Lichtgeschwindig­ keit, bei dem die Phasenverschiebung eines mit hoher Frequenz modulierten Lichtsignals nach Durchlaufen einer vorgegebenen Distanz gegenüber dem ursprünglichen Modu­ lationssignal gemessen wird. Die Lichtgeschwindigkeit wird dabei als bekannt vorausgesetzt und das Verfahren zur Messung der vom Licht durchlaufenen Strecke einge­ setzt. Da die Lichtgeschwindigkeit in unterschiedlichsten Medien mit hoher Genauigkeit bekannt ist, ermöglicht dieses Verfahren eine sehr präzise Distanzmessung.A particularly advantageous determination of the distance follows by measuring the transit time of a light signals when walking through the distance to be determined. The invention makes use of one in itself known method for measuring the speed of light speed in which the phase shift is one with high Frequency modulated light signal after passing through a given distance from the original modu tion signal is measured. The speed of light is assumed to be known and the procedure to measure the distance traveled by the light puts. Because the speed of light in different Media with high accuracy is known this method a very precise distance measurement.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise zur Bewegungserfassung etwa eines Lesegerätes für die optische Erfassung und Speicherung von visuell markierten und projizierten alphanumerischen Zeichen, Graphiken und/oder fotografischen Bildern oder auch zur Positions­ bestimmung bei Handscannern geeignet. The method according to the invention is advantageous for motion detection such as a reader for the optical recording and storage of visually marked and projected alphanumeric characters, graphics and / or photographic images or positions suitable for hand scanners.  

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung eines zur Be­ wegungserfassung eingesetzten erfindungsgemäßen Verfah­ rens sieht vor, daß die vom Bewegungsdetektor aufgenom­ menen Daten zum Durchführen eines Korrekturausgleiches geeignet sind, um etwa die zeilenrichtige Erfassung einer Textseite durch ein Lesegerät zu ermöglichen.A particularly advantageous development of a Be motion detection method used according to the invention rens provides that those recorded by the motion detector my data for performing a correction compensation are suitable, for example, the line-correct recording to enable a text page by a reader.

Anhand der beigefügten Zeichnungen sollen nachstehend ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung und das Verfahren nach der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:With reference to the accompanying drawings an embodiment of the Vorrich invention device and the method according to the invention explained in more detail become. Schematic views show:

Fig. 1 den Bewegungsdetektor einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung in einer Draufsicht, Fig. 1 the motion detector of a detection device according to the invention in a plan view,

Fig. 2 einen in einem Abtastkopf aufgenommenen Bewe­ gungsdetektor bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in einem Längsschnitt, Fig. 2 is a housed in a scanning head BEWE supply detector for intended use in a longitudinal section;

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Erklärung der Funk­ tionsweise des Bewegungsdetektors aus Fig. 1, Fig. 3 is a block diagram for explaining the radio tion example of the motion detector from FIG. 1,

Fig. 4a einen beabstandet von einer Fläche gehaltenen Distanzmesser, FIG. 4a is a distance from a surface-held distance meter,

Fig. 4b das Prinzip der Abstandsmessung bei einem Di­ stanzmesser einer erfindungsgemäßen Erfassungs­ vorrichtung und Fig. 4b the principle of distance measurement in a Di stanzmesser a detection device according to the invention and

Fig. 5 in einem Blockschaltbild die elektronischen Komponenten des Distanzmessers aus Fig. 4a. Fig. 5 is a block diagram of the electronic components of the pedometer of Fig. 4a.

Der in Fig. 1 gezeigte berührungsfreie Bewegungsdetek­ tor 1 weist einen Halbleiterstrahler 2 sowie insgesamt fünf Fotodioden 3, 3', 3'', 3''', 4 auf. Die Fotodioden 3 bis 3''' dienen der Erfassung einer Bewegung parallel zu einer zwei- oder dreidimensional markierten Fläche 8, während die Fotodiode 4 die Messung des Vertikalabstan­ des des Lesegerätes von der markierten Fläche ermöglicht.The non-contact Bewegungsdetek shown in Fig. 1 tor 1 has a semiconductor emitter 2 and a total five photodiodes 3, 3 ', 3' ', 3' '', 4 on. The photodiodes 3 to 3 '''serve to detect a movement parallel to a two- or three-dimensionally marked area 8 , while the photodiode 4 enables the measurement of the vertical distance of the reading device from the marked area.

Fig. 2 zeigt einen Abtastkopf 6, in dem der berührungs­ freie Bewegungsdetektor 1 aufgenommen ist. Bei dem Ab­ tastkopf 6 handelt es sich um ein eigenständiges Modul, das innerhalb einer größeren Vorrichtung, etwa eines Bildlesegerätes, einbaubar ist. Der Abtastkopf 6 ist auf der im bestimmungsgemäßen Zustand der markierten Fläche 8 zugewandten Seite mit einer - im Ausführungsbeispiel konvex-konkaven - Linse 7 versehen , die der Abbildung des vom Halbleiterstrahler 2 abgestrahlten Lichts auf der markierten Fläche 8 bzw. der Abbildung des von der markierten Fläche 8 reflektierten Lichtes auf die Foto­ dioden 3, 3', 3'', 3''', 4 dient. FIG. 2 shows a scanning head 6 in which the non-contact movement detector 1 is accommodated. From the probe 6 is an independent module that can be installed within a larger device, such as an image reader. The scanning head 6 is provided on the side facing the marked surface 8 in the intended state with a lens 7 , which is convex-concave in the exemplary embodiment, for imaging the light emitted by the semiconductor emitter 2 on the marked surface 8 or for imaging the marked surface Surface 8 of reflected light on the photo diodes 3 , 3 ', 3 '', 3 ''', 4 is used.

Die Funktionsweise des berührungsfreien Bewegungsdetek­ tors 1 läßt sich anhand des in Fig. 3 dargestellten Block­ diagramms beschreiben. In dieser Darstellung sind als Komponenten des berührungsfreien Bewegungsdetektors 1 der Halbleiterstrahler 2 sowie die Fotodioden 3, 3' , 3'', 3''' in einem Mikrochip 9 integriert. Durch eine geeig­ nete Ansteuerungselektronik 11 wird der Halbleiterstrah­ ler 2 betätigt, sobald die bestimmungsgemäße Bewegungsde­ tektion beginnt. Das durch die Linse 7 vom Halbleiter­ strahler 2 in Richtung auf die markierte Fläche 8 fokus­ sierte Licht wird von dieser reflektiert und von der Linse 7 auf den Mikrochip 9 abgebildet. Die Fotodioden 3, 3', 3'', 3''' erfassen das reflektierte Licht. Bei der Bewegung des Bewegungsdetektors 1 parallel zur markierten Flächen 8 wird in dem aus den Fotodioden 3, 3', 3'', 3''' bestehenden Diodenarray ein Muster zeitlich auf­ einanderfolgender elektrischer Signale erzeugt, aus dem mittels einer geeigneten Datenverarbeitung die Richtung und die Geschwindigkeit der Bewegung des Bewegungsdetek­ tors 1 in eindeutiger Weise bestimmbar ist.The operation of the non-contact motion detector 1 can be described using the block diagram shown in FIG. 3. In this illustration, the semiconductor emitter 2 and the photodiodes 3 , 3 ', 3 '', 3 ''' are integrated in a microchip 9 as components of the non-contact motion detector 1 . By a suitable control electronics 11 , the semiconductor beam 2 is actuated as soon as the intended movement detection begins. The focus through the lens 7 from the semiconductor emitter 2 in the direction of the marked surface 8 is reflected light from this and is reflected by the lens 7 on the microchip 9 . The photodiodes 3 , 3 ', 3 '', 3 ''' capture the reflected light. When the motion detector 1 moves parallel to the marked areas 8 , a pattern of temporal successive electrical signals is generated in the diode array consisting of the photodiodes 3 , 3 ', 3 '', 3 ''', from which the direction and the speed of movement of the movement detector 1 is uniquely determinable.

Die elektrischen Impulse der Fotodioden 3, 3', 3'', 3''', 4 werden in einem A/D-Konverter 12 verstärkt und als digitales Synchronisationssignal zur Beschreibung der Position des Bewegungsdetektors 1 gegenüber der markier­ ten Fläche 8 der Signalverarbeitungseinheit 13 zugeführt und/oder in den Speichereinheiten 14, 15 abgespeichert.The electrical pulses of the photodiodes 3 , 3 ', 3 '', 3 ''', 4 are amplified in an A / D converter 12 and as a digital synchronization signal for describing the position of the motion detector 1 relative to the marked area 8 of the signal processing unit 13 supplied and / or stored in the memory units 14 , 15 .

Anhand der Fig. 4a und 4b wird im folgenden die Funk­ tionsweise des erfindungsgemäßen Distanzmessers erklärt. Von der Leuchtdiode 2 wird ein Lichtsignal 18, zum Bei­ spiel eine voll durchmodulierte sinusförmige Schwingung in Richtung auf die markierte Fläche 8 abgestrahlt. Das Lichtsignal 18 wird an der markierten Fläche reflektiert und gelangt auf die Fotodiode 4. Für die dabei zurückge­ legte Wegstrecke, die größer als der doppelte Abstand 2 L zwischen dem Bewegungsdetektor 1 und der markierten Flä­ che 8 ist, benötigt das Licht die Laufzeit t. Mit der Lichtgeschwindigkeit c ergibt sich die zu berechnende Wegstrecke somit aus der Formel 2 L = c × t. Die Be­ stimmung der Lichtlaufzeit t erfolgt aus dem Vergleich der Phase des gesendeten Modulationssignals 19 mit der Phase des empfangenen Lichtsignals 18. In Fig. 4b sind die Amplituden der beiden Signale 18, 19 als Funktion der Zeit aufgetragen. Deutlich erkennbar ergibt sich die Lichtlaufzeit t aus der Phasendifferenz t2 minus t1 des Modulationssignals 19 und des Lichtsignals 18.4a and 4b, the radio is as explained tion of the pedometer according to the invention with reference to FIGS. Below. A light signal 18 , for example a fully modulated sinusoidal oscillation, is emitted by the light-emitting diode 2 in the direction of the marked area 8 . The light signal 18 is reflected on the marked area and reaches the photodiode 4 . For the distance covered thereby, which is greater than twice the distance 2 L between the motion detector 1 and the marked area 8 , the light requires the transit time t. With the speed of light c, the distance to be calculated thus results from the formula 2 L = c × t. The determination of the light propagation time t takes place from the comparison of the phase of the transmitted modulation signal 19 with the phase of the received light signal 18 . In FIG. 4b, the amplitudes of the two signals 18, 19 plotted as a function of time. The light propagation time t is clearly recognizable from the phase difference t2 minus t1 of the modulation signal 19 and the light signal 18 .

Die für die Distanzmessung erforderlichen elektronischen Komponenten sind in Fig. 5 gezeigt. Das abgestrahlte Licht der Leuchtdiode 2 wird mit dem im Oszillator 21 ge­ nerierten und im Signalverstärker 22 verstärkten Sinus­ wellensignal moduliert. Die Fotodiode 4 empfängt das mo­ dulierte, an der markierten Fläche 8 reflektierte Licht­ signal 18, wandelt es in ein moduliertes photovoltaisches Signal um und leitet dies dem Verstärker 23 zu. In einem Diskriminator 24 werden die Phasenlagen des generierten Sinuswellensignals 19 und des fotovoltaischen Signals 18 miteinander verglichen. Das Ausgangssignal des Diskrimi­ nators 24 verhält sich proportional zur Phasenverschie­ bung und ist somit ein Maß für die vom Licht innerhalb einer Zeit t2 minus t1 mit der Geschwindigkeit c zurück­ gelegten Wegstrecke.The electronic components required for the distance measurement are shown in FIG. 5. The emitted light of the light emitting diode 2 is modulated with the sine wave signal generated in the oscillator 21 and amplified in the signal amplifier 22 . The photodiode 4 receives the modulated light signal 18 reflected on the marked surface 8 , converts it into a modulated photovoltaic signal and forwards this to the amplifier 23 . The phase positions of the generated sine wave signal 19 and the photovoltaic signal 18 are compared in a discriminator 24 . The output signal of the discriminator 24 is proportional to the phase shift and is therefore a measure of the distance traveled by the light within a time t2 minus t1 at the speed c.

Das Diskriminatorsignal gelangt über den Signalverstär­ ker 25 zur Signalverarbeitungseinheit 13, in der es mit den entsprechenden Signalen der Fotodioden 3, 3', 3'', 3''' zu einem digitalen Informationspaket zusammengefaßt und in den Speichern 14, 15 abgelegt wird.The discriminator signal passes through the signal amplifier 25 to the signal processing unit 13 , in which it is combined with the corresponding signals from the photodiodes 3 , 3 ', 3 '', 3 ''' to form a digital information package and is stored in the memories 14 , 15 .

Das Signal ist auch zur Steuerung eines Sensormotors 27 einsetzbar, mittels dessen etwa die Brennweite der Lin­ se 7 ansteuerbar ist, oder der eine an einem Lesegerät zur Erfassung von alphanumerischen Zeichen, Graphiken oder fotografischen Bildern vorgeschaltete Optik ansteu­ ert.The signal can also be used to control a sensor motor 27 , by means of which the focal length of the lens 7 can be controlled, or which controls an optics connected upstream of a reading device for detecting alphanumeric characters, graphics or photographic images.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Erfassen zwei- und/oder dreidimensional markierter Oberflächen und/oder zum Erfassen zwei- und/oder dreidimensionaler Bewegungen,
mit einem Bewegungsdetektor (1), der kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen seine jeweilige Position bei einer Bewegung parallel zu einer zwei-und /oder dreidimensional mar­ kierten Fläche (8) berührungsfrei erfaßt und in elektronische Signale umwandelt,
mit einem Distanzmesser (4), der den Abstand (L) des Bewe­ gungsdetektors (1) bei einer vorgegebenen Position relativ zur markierten Fläche (8) berührungsfrei ermittelt und in elektro­ nische Signale umwandelt,
und mit einer Signalverarbeitungseinheit (13), die aus den Si­ gnalen des Bewegungsdetektors (1) und/oder des Distanzmessers (4) elektronisch abspeicherbare Informationen über die Bewe­ gung des Detektors relativ zur markierten Fläche (8) und/oder die dreidimensionale Struktur der markierten Fläche (8) er­ zeugt.1. Device for detecting two- and / or three-dimensionally marked surfaces and / or for detecting two- and / or three-dimensional movements,
with a motion detector ( 1 ) which detects its respective position continuously or at predetermined time intervals during a movement parallel to a two- and / or three-dimensionally marked surface ( 8 ) and converts it into electronic signals,
with a distance meter ( 4 ) which determines the distance (L) of the movement detector ( 1 ) at a predetermined position relative to the marked area ( 8 ) without contact and converts it into electronic signals,
and with a signal processing unit ( 13 ) which, from the signals of the motion detector ( 1 ) and / or the distance meter ( 4 ), stores electronically storable information about the movement of the detector relative to the marked area ( 8 ) and / or the three-dimensional structure of the marked one Area ( 8 ) he creates. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bewegungsdetektor (1) eine in Richtung auf die markierte Flä­ che (8) abstrahlende optische Strahlungsquelle (2), vorzugs­ weise ein Laser- oder ein Halbleiterstrahler, integriert sowie von der markierten Fläche (8) reflektiertes Licht vom Bewe­ gungsdetektor (1) und/oder dem Distanzmesser (4) erfaßbar ist. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that in the motion detector ( 1 ) in the direction of the marked surface ( 8 ) emitting optical radiation source ( 2 ), preferably as a laser or a semiconductor emitter, integrated and of the marked area ( 8 ) reflected light from the motion detector ( 1 ) and / or the distance meter ( 4 ) can be detected. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsdetektor (1) eine Matrix aus in einer Fläche nebeneinander angeordneten optischen Erfassungsmitteln (3, 3', 3'', 3''') aufweist, mittels derer eine zur markierten Fläche (8) im wesentlichen parallele Bewegung in eine charak­ teristische Abfolge elektronischer Signale umwandelbar ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the motion detector ( 1 ) has a matrix of optical detection means ( 3 , 3 ', 3 '', 3 ''') arranged next to one another in a surface, by means of which one is marked Area ( 8 ) essentially parallel movement can be converted into a characteristic sequence of electronic signals. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrix optischer Erfassungsmittel (3, 3', 3'', 3''') ein Array aus Fotodioden vorgesehen ist, welche Fotodioden in einer bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zur markierten Fläche (8) im we­ sentlichen parallelen Ebene in wenigstens zwei unterschiedli­ chen, vorzugsweise zueinander senkrechten Richtungen beabstan­ det voneinander angeordnet sind.4. The device according to claim 3, characterized in that an array of photodiodes is provided as a matrix of optical detection means ( 3 , 3 ', 3 '', 3 '''), which photodiodes in a designated use for the marked area ( 8 ) are arranged in a substantially parallel plane in at least two different, preferably mutually perpendicular directions spaced from one another. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrix optischer Erfassungsmittel (3, 3', 3'', 3''') ein Bild­ sensor vorgesehen ist.5. The device according to claim 3, characterized in that an image sensor is provided as a matrix of optical detection means ( 3 , 3 ', 3 '', 3 '''). 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Distanzmesser (4) wenigstens ei­ ne Fotodiode sowie eine mit dieser wirkverbundene Meßelektronik (24) vorgesehen ist, wobei die Fotodiode ein von der markierten Fläche (8) reflektiertes Lichtsignal (18) einer Strahlungsquelle (2) erfaßt und die Meßelektronik (24) hieraus den Vertikalabstand (L) errechnet.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that as a distance meter ( 4 ) at least ei ne photodiode and with this functionally connected measuring electronics ( 24 ) is provided, the photodiode being a light signal ( 18 ) reflected from the marked area ( 8 ) ) a radiation source ( 2 ) is detected and the measuring electronics ( 24 ) use this to calculate the vertical distance (L). 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Distanzmesser (4) ein Interfero­ meter vorgesehen ist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an interferometer is provided as a distance meter ( 4 ). 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Bewegungsdetektor (1) und/oder der Distanzmesser (4) und/oder die Strahlungsquelle (2) in ei­ nem Mikrochip (9) integriert sind. 8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the motion detector ( 1 ) and / or the distance meter ( 4 ) and / or the radiation source ( 2 ) are integrated in egg nem microchip ( 9 ). 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (13) mit einer Anzeigeeinheit, etwa einem Monitor, verbindbar ist.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the signal processing unit ( 13 ) with a display unit, such as a monitor, is connectable. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (13) vom Bewegungsdetektor (1) getrennt ist, mit diesem jedoch in - vorzugsweise drahtlosem - Datenaustausch steht.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the signal processing unit ( 13 ) from the motion detector ( 1 ) is separated, but with this is - preferably wireless - data exchange. 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (1) mit einem elektronischen Speichermedium (14, 15) verbunden ist, in dem die aus den Signalen des Bewegungsdetektors (1) und/oder des Distanzmessers (4) gewonnenen Informationen ab­ speicherbar sind.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the signal processing unit ( 1 ) is connected to an electronic storage medium ( 14 , 15 ) in which the signals from the motion detector ( 1 ) and / or the distance meter ( 4 ) information obtained can be saved. 12. Verfahren zum Erfassen zwei- und/oder dreidimensional mar­ kierter Oberflächen und/oder zum Erfassen einem zwei-/oder dreidimensionalen Bewegung, bei dem
  • - ein Bewegungsdetektor (1) relativ zu einer markierten Fläche (8) und /oder die markierte Fläche (8) relativ zum Bewegungs­ detektor (1) bewegt wird,
  • - die Bewegung des Bewegungsdetektors (1) optisch erfaßt und, kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen, in ein elektronisches Signal übersetzt wird, welche Abfolge jeweils eine Information über eine - auf eine zur markierten Fläche im wesentlichen parallelen Ebene bezogene - (x,y)-Positionen des Bewegungsdetektors (1) aufweist,
  • - zu jedem erfaßten Wert der (x,y)-Position der jeweilige Ab­ stand des Bewegungsdetektors (1) von der markierten Fläche (8), z(x,y) berührungsfrei ermittelt und
  • - aus einer Abfolge ermittelter (x,y,z)-Werte eine Information über den Bewegungsverlauf des Bewegungsdetektors (1) und/oder die Oberflächenstruktur der markierten Fläche (8) errechnet wird.
12. A method for detecting two- and / or three-dimensionally marked surfaces and / or for detecting a two- or three-dimensional movement, in which
  • - A motion detector ( 1 ) is moved relative to a marked area ( 8 ) and / or the marked area ( 8 ) relative to the motion detector ( 1 ),
  • - The movement of the motion detector ( 1 ) is optically recorded and, continuously or at predetermined time intervals, is translated into an electronic signal, which sequence in each case provides information about a (x, y) plane that is essentially parallel to the marked area - Positions of the motion detector ( 1 ),
  • - For each detected value of the (x, y) position, the respective position of the motion detector ( 1 ) from the marked area ( 8 ), z (x, y) was determined without contact and
  • - From a sequence of determined (x, y, z) values, information about the movement profile of the movement detector ( 1 ) and / or the surface structure of the marked area ( 8 ) is calculated.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Abstandes (L) die Laufzeit eines diesen Ab­ stand (L) durchlaufenden Lichtsignals (18) relativ zu einem optischen oder elektronischen Referenzsignal (19) gemessen wird.13. The method according to claim 12, characterized in that to determine the distance (L) the transit time of this from stand (L) passing light signal ( 18 ) is measured relative to an optical or electronic reference signal ( 19 ). 14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Bewegungserfassung bei einem Lesegerät für die optische Erfassung und Speicherung von visuell markierten und projizierten alphanumerischen Zeichen, Grafiken und/oder fotographischen Bildern.14. The method according to claim 12 or 13, characterized by the use for motion detection in a reader for the optical acquisition and storage of visually marked and projected alphanumeric characters, graphics and / or photographic images. 15. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Bewegungsdetektor (1) erzeugten elektronischen Si­ gnale als Referenzinformation zum Durchführen eines Korrektur- Ausgleiches der von einem Lesegerät erfaßten Zeichen, Grafiken und/oder Bildern einsetzbar sind.15. The method according to claim 16, characterized in that the electronic signals generated by the motion detector ( 1 ) can be used as reference information for carrying out a correction compensation of the characters, graphics and / or images detected by a reading device.
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