DE2829464A1 - Geraet zur wahrnehmung der position eines untaetigen gegenstandes - Google Patents

Geraet zur wahrnehmung der position eines untaetigen gegenstandes

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Description

SW ie
£29024
SPERRY RAKß CORPORAtXOK,. New York, H. Y-/U. S, A, Gerät zur Wahrnehmung der Position eines untätigen Segenseanaes
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Wahrnehmung einer Position durch Lichtunterbrechungen mit zwei linearen Bilddetektoren, z, B« ladungsgekoppelten CCD-Geräten zur Abtastung der Unterbrechung einer Lichtquelle, damit von der zugehörigen Steuerschaltung leichter der Ort bestimmt werden kann, an dem in einer XY~Ebene die Unterbrechung stattfand.
Bei einer bekannten Anordnung zum Nachweis der Position eines untätigen Gegenstandes in einer XY-Ebene durch eine Lichtunterbrechung , z. B. eines Bleistiftes oder des Fingers einer Person sind in der X-Koordinate lunge einer Seite einer rechtwinkligen Schautafel zahlreiche Lichtquellen angebracht, die jeweils mit entsprechenden Lichtdetektoren an der entgegengesetzten Seite der Schautafel zusammenwirken. An den beiden anderen sich gegenüberliegenden Selten der Schautafel sind ebenfalls ähnliche, einander zugehörige Lichtquellen und -detektoren In der Y-Koordinate angebracht. Soait 1st der Umfang der Schautafel mit paarweise eich gegenüberstehenden Lichtquellen und »detektoren besetzt, wi· aus den USA-Patentschriften Nr. 3.478.220, 3,764.813, 3.775.560 und 3.860.754 hervorgeht.
Ein erster Nachteil dieser Art Anordnungen, der ihnen eigentumlich ist, ist die räumliche Auflösung, die durch die Anzahl, die Größe und den gegenseitigen Abstand der einzelnen Lichtquellen und -detektoren in der betreffenden Reihe beschrankt
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ist Bei einer AusfUhrungeform für den Handel kann der Finger einer Person zwischen zwei benachbarten Lichtquellen oder -detektoren eingeführt und von den durch die Lichtquellen hervorgerufenen Lichtstrahlen als vnggenommen bemerkt werden, Ein 'iv:,!"«!1 Nc.cihtoil ist di'i grciie Anzahl benutster aktiver filamente also c;er Lichtquellen umi -detektoren, die nicht zur 3lek-ΐΐ·:. sehen Schaltung zählen und in den meisten Fällen durch Handarbeit kostspielig und genau montiert werden müssen, so d iß die Kontenanteile für die Herstellung und den Zusammenbau hoc ι sind. Hin dritter Nachteil ists daß mit eier übermäßigen Zahl vo.i Lichtquellen and -detektoren komplizierte Schaltungsanordnungen zum Betrieb der Anordnung benötigt werden.
Die Anordnung gemäß der Erfindung weist demgegenüber eine ziemlich billige Lichtquelle, zwei lineare Bilddetektoren sur AbfUhiung einer Unterbrechung des aus der Lichtquelle austretenden Lichtes und einem jeweils einem Detektor zugeordnete Jffnung auf.durch die das von der Quelle ausgesendete Licht vom Ditektor aufgenommen wird.
Während eine genaue Montage der Detektoren und öffnungen in bezug auf die Lichtquelle innerhalb der Anordnung der Erfindung erforderlich ist, brauchen doch nur wenige Komponenten au Γ diese Weise angebracht zu werden.
Gegenüber den bekannten AusfUhrungsformen ist die Auflösung der Anordnung gemäß der Erfindung erheblich gesteigert. Insbesondere kann eine feststehende Lichtverteilung gleichförmig du-ch den Arbeitsbereich ausgestrahlt werden, in dem die Lage d;s untätigen Gegenstandes wahrgenommen werden soll., und die öf Tnungen bilder, jeweils koinzidierende Lichtfelder, die ν «η Wahrnehmungsbereich der Detektoren aufgenommen werden , e > daß alle· möglächen Orte einer Lichtunterbrechung innerhalb de > Ar^iej tsbeieithes von der. Detektoren gesehen werden.
BADOR1G1NAL
Die gesamte Schaltung zum Betrieb der Detektoren und Lichtquellen gemäß der Erfindung ist erheblich vereinfacht und verbilligt im Vergleich mit den bekannten AusfÜhrungsforraen,
Demgemäß enthält die Anordnung zur Wahrnehmung der Posits on von Gegenständen Hilfsmittel, von denen ein offener Arbeitsbereich definiert wird, eine teilweise um den Arbeitsbereich herangeführte Einrichtung, die von winkelförmig versetzten, einender anstoßenden Abschnitten ihres Umfanges aus eine ununterbrochene Aussendung von Licht bewirkt, weitere Hilfsmittel neben dsm Arbeitsbereich zu beiden Selten der Lichtemissionsmittel{ oamit zwei koinzidierende Felder des durch den Arbeitsbereich &3strahlten Lichtes jeweils gesehen werden können, und ein Gerät zum Empfang der Lichtfelder und zur Abtastung der Lichtunterbrechung an einem beliebigen Ort innerhalb der Felder.
Insbesondere weist das Gerät zum Empfang und zur Abtastung des Lichtes zwei lineare Bilddetektoren auf, die je an einem Ende der sich gegenüberliegenden Enden der Lichtemissionsmittel angeordnet sind, während die Sehhilfsmittel die Öffnungen fastlegen, die je an den beiden Enden der LichtemlssionsmitteL zwischen den betreffenden Lichtdetektoren und dem Arbeitsbereich liegen. Zu den Lichtemissionsmitteln gehört eine Lichtquelle, und zwei voneinander getrennte (also ein oberes und ein unteres)Gebilde befinden 3ich zwischen dem Arbeitsbereich und der Lichtquelle, um einen langgestreckten Spalt festzulegen, von dem das feststehende Lichtmuster von der Lichtquelle in den Arbeitsbereich gelenkt wird.
Bei der bevorzugten AuefUhrungsform der Erfindung ist ein etwa rechtwinkliger Rahmen mit vier Seiten und einem offenen Innenraum vorgesehen, auf dem die Hilfsmittel vorhanden sind, die das Licht von den drei Seiten des Rahmens durch seinen Inienraum hindurch aussenden; an seinen beiden Ecken sind auf lern
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Rahmen neben den entgegengesetzten Enden der vierten Seite die beiden linearen Bilddetektoren angebracht, und die die Öffnungen definierenden Hilfsmittel befinden sich an jeder der beiden Rahmenecken zwischen den Detektoren und dem Rahmeninnenraua, damit die koinzidierenden Lichtfelder daraus für die Detektoren gebildet werden, so daß sie diese empfangen. Jeder Detektor kann aus dem Rahmeninnenraum sein Lichtfeld aufnehmen und an einem beliebigen Platz in diesem Feld eine Lichtunterbrechung abtasten.
Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird Im folgenden ausfuhrlich erläutert. Es zeigen:
Figur 1 das Gerät zur Wahrnehmung der Position eines Gegenstandes gemäß der Erfindung, an dem der Deckel von Rahmen entfernt 1st, um die Anordnung der Lichtquelle auf dem Rahmen freizulegen,
Figur 2 einen linearen Bilddetektor und das die öffnung
festlegende Hilfsmittel an der einen Ecke des Rahmens der Anordnung gemäß der Figur 1,
Figur 3 eine vergrößerte Teilansicht auf den Bilddetektor und die Hilfseittel der Figur 2 von oben,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht ähnlich der Figur 1, in der der Deckel auf den Rahmen aufgesetzt ist,
Figur 5 einen untätigen Gegenstand innerhalb des Arbeitsbereiches der Anordnung zur Wahrnehmung von dessen Position, wobei die Lichtfelder unterbrochen sind, die von den die öffnungen festlegenden Hilfsmittel gebildet und von den Detektoren empfangen werden.
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Die bevorzugte AußfUhrungsform eines Gerätes 10 zur Wahrnehmung der Position eines Gegenstandes ist in den Figuren 1 und 4 zu sehen« Zu ihr gehören die Hilfsmittel, die einen im allgemeinen offenen Arbeitsbereich festlegen, vorzugsweise ein etwa rechtwinkliger Rahmen 12 mit vier untereinander verbundenen Seiten 14, 16, 18 und 20 und einem offenen Innenraum 22. Der letztere bildet einen Arbeitsbereich, in den ein untätiger Gegenstand, z. B. ein Bleistift oder der Finger einer Person zur Wahrnehmung seines Ortes eingeführt werden kann, sobald das Gera1· 10 zu arbeiten begonnen hat.
2ur Beleuchtung des Arbeitsbereiches sind zumindest teilweise um den Innenraum 22 herum Hilfsmittel angeordnet, die von den winkelförmig versetzten, benachbarten Teilen des Umfanges aus das Licht ununterbrochen durch den Arbeitsbereich hindurch aussenden. Zu ihnen zählen eine Lichtquelle 24 und zwei ober- bzw. unterhalb angeordnete Gebilde 26, 28 zwischen dem Innenraitm und der Lichtquelle 24, die einen langgestreckten Spalt 30 bilden, von dem ein feststehendes Lichtmuster von der Lichtquelle 24 aus in den Innenraum 22 geworfen wird.
Gemäß der Figur 1 bildet die Lichtquelle 24 den Umfang des Arbeitsbereiches 22 längs der drei Seiten 14, 16 und 18 des Rahmens 12. Während die spezielle Lichtquelle 24, wie sie in der Figur 1 zu sehen ist, von drei Leuchtstoffrühren 32, 34 und 36 zusammengestellt 1st, die je von zwei getrennten Fassungen 38, 40 und 42 mechanisch gehaltert und elektrisch gespeist werden, wobei diese Fassungen passend an den vier Ecken des Rahmens 12 montiert und über Drähte 44, 46 und 48 mit Ballastwiderständen 50, 52 an der ersten und dritten Seite 14 und 18 des Rahmens 12 verbunden sind, können auch andere Arten von Lichtquellen mit einer im allgemeinen geringen Intensität angewendet werden.
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Das in den Arbeitsbereich ausgesendete Licht der Lichtquelle wird von dem unteren und oberen Gebilde 26, 28 derart eingeengt, daß es durch den von den Gebilden 26, 28 freigelassenen Spalt 30 hindurchgeht. Das untere Gebilde 26 liegt in Form dreier schmaler, untereinander verbundener, langgestreckter Steg^ vor, die oberhalb der Innenränder der drei Seiten 14, 16 und 13 des Rahmens 12 nach oben ragen und an diesen Innenrändern festgemacht sind. Das obere Gebilde 28 besteht aus einem ringartigen, ebenen Deckblatt mit drei abwärts gedrehten, untereinander verbundenen Flanschen, die auf die drei langgestreckten Stegs zulaufen, aber kurz vor ihnen endigen, damit der Spalt 30 entsteht, der gemäß der Figur 4 eine gleichförmige Breite aufweist. Das obere Gebilde 28 ruht auf den oberen Enden von drei aafrechtstehenden Zapfen 56, die an der zweiten und vierten Seite 16, 20 des Rahmens 12 angebracht sind, und ist mit Schrauben 54 festgemacht.
Der Ort eines untätigen Gegenstandes P, der innerhalb des beleuchteten Arbeitsbereiches, also des Innenraumes 22 dee Gerätes 10 abgelegt ist, wird von Hilfsmitteln wahrgenommen, die sich an den entgegengesetzten Enden der Lichtquelle 24 neben dem Arbeitsbereich befinden. Diese Hilfsmittel befinden sich in der Figur 1 an den beiden Ecken des Rahmens 12, die von der ersten und vierten Seite 14, 20 bzw. von der dritten und zierten Seite 18, 20 gebildet sind. Wie aus der ausführlichen Figur 2 in Verbindung mit der Figur 1 hervorgeht, sind diese Hilfsmittel zur Wahrnehmung zwei lineare Detektoren 58, 60 und zwei mit je einer öffnung versehene Blenden 62, 64, die Je von Fassungen 66, 68 gehaltert und über diese mit Strom versorgt werden. Diese Fassungen befinden sich ihrerseits an je einem aufrechten Arm 70 bzw. 72, der an den beiden Ecken des Rahme is 12 montiert ist. Die betreffende Blende 62, 64 ist an der Vorderseite des jeweiligen Bilddetektors 58, 60 angebracht. Di3 Kombination aus dem einer Datektor 58 und seiner Blende i2 wird
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mit Hilfe des Armee 70 derart eingestellt, daß sie quer zum Innenraum 22 diagonal in Richtung auf den einen Abschnitt der Lichtquelle 24 (die Leuchtstoffröhren 32, 34) blickt, die längs der ersten und zweiten Seite 14, 16 des Rahmens 12 angebracht sind. Dementsprechend wird auch die Kombination aus dem eäderen Detektor 60 und seiner Blende 64 am Arm 72 derart eingestallt, dafl sie quer zur Arbeltsfläche einem weiteren Abschnitt csr Lichtquelle 24 (also den Röhren 34, 36) zugewendet ist, die längs der zweiten und dritten Seite 16, 18 des Rahmens 12 montiert 3ind.
In der Figur 3 ist die Blende 62 an der Vorderseite des Eatektors 58 ausführlicher dargestellt. Sie liegt als rechtwinkliges Stuck eines photographischen Filmes 74 vor, der mit Hilfe zweier getrennter Blöcke 76, 78 vor dem Detektor 53 festgemacht ist. Der Film 74 weist in seiner Mitte einen vertikal verlaufenden, schmalen Spalt 80 auf, der eine öffnung bildet, die ain winkelförmiges Blickfeld von etwa 90° auf den Arbeitsbereich zuläßt. Da die Korabination aus dem einen Detektor 58 und 3einer Blende 62 dem ersten Abschnitt der Lichtquelle 24 an der ersten und zweiten Seite 14, 16 des Rahmens 12 zugewendet ist, wird ein Lichtfeld F1 (Figur 5) der Leuchtstoffröhren 32, 34 im Innenraum 22 hinter dem Spalt 80 wahrgenommen und seinerseits auf die Vorderflache des Detektors 58 gevorfen.
Der Aufbau der zweiten Blende 64, das winkelförmige Blickfeld im Innenraum 22 und die Anbringung des zweiten Detektors SO entsprechen denen, die in Verbindung mit der ersten Blende 62 genannt sind, wenn man davon absieht, daß ein zweites Licntfeld F2 (Figur 5), das von zweiten Abschnitt der Lichtquell· durch den Arbeitsbereich gesendet wird, durch die Öffnung der zureiten Blende 64 auf die Vorderfläche des zweiten Detektors 60 geworfen wird, da die Kombination aus dem zweiten Detektor 60 und seiner Blende 64 den Leuchtstoffröhren 34, 36 als zweitem Abschritt der
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Lichtquelle 24 zugewendet ist, der an der zweiten und dritten Seite 16 und 18 des Rahmens 12 vorgesehen ist. Die beiden Kombinationen sind dabei genau bezüglich des jeweiligen Abschnittes der Lichtquelle ausgerichtet, so daß ihre Lichtfelder F1 und F2 sich im gesamten Innenraum 22 (Figur 5), also im Arbeitsbereich decken und zusammenfallen. Somit befindet sich ein untätiger Gegenstand P an einem beliebigen Ort innerhalb des Arbeitsbereiches im Blickfeld jedes linearen Detektors 58 und 60.
Die beiden Detektoren 58 und 60 sind elektronische Bildsensoren» die im Handel als ladungsgekoppelte CCD-Geräte geläufig sind und eine Fläche aufweisen, die die auf sie fallende Lichtenergie absorbiert, und mit einer weiteren anliegenden Fläche versehen sind, die eine Reihe leitender Elektroden enthält, die linear angeordnet sind; in dieser linearen Anordnung entsprechen die Elektroden gleichen winkelförmigen, einander anstoßenden Ausschnitten des Lichtfeldes, das von einer lichtabsorbierenden Fläche 81 des Gerätes (Figur 3) empfangen wird. Im halbleitenden Material des Gerätes wird eine gewisse Menge, also ein Haufen elektrischer Ladung, die der Lichtintensität innerhalb jedes Ausschnittes des absorbierten Lichtfeldes proportional ist, in den Bereichen in unmittelbarer Nähe zur zugehörigen Elektrode in der linearen Anordnung gespeichert. Auf diese Weise wird eine räumlich lineare Ladungsverteilung im Gerät aufbewahrt, die das lineare Bild des Innenraumes elektrisch wiedergibt, wie es vom Gerät durch die öffnung der zugeordneten Blende gesehen wird. Ein im Innenraum 22 befindlicher Gegenstand unterbricht somit den Lichtfluß in einem oder mehreren benachbarten Ausschnitten der Lichtfelder zu den Detektoren 58, 60. Diese Unterbrechung wird in den Geräten durch eine geringe Ladung dargestellt, die gerade neben einer oder mehreren Elektroden gespeichert wird, die den unterbrochenen Ausschnitten in den von den Detektoren 58, 60 empfangenen Lichtfeldern entsprechen. Die Anordnung dieser gespeicherten Ladungen kann in be-
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nachbarte Register Übertragen werden, die unter der Steuerung mehrerer Takt- und übertragungsslgnale hintereinander die Ladungspakete der Reihe nach in eine Detektor- und Vorverstärkerstufe einführen. Danach läuft das Signal durch einen Verstärker zur Ausgangsklemme des Gerätes. Die folgenden Aufsätze dienen der ausfuhrlichen Erklärung des Aufbaues und der Theorie der ladungsgekoppelten CCD-Geräte, sowie ihrer Arbeltsweise:
1) "New MOS Technique Points Way to Junctionless Devices"» erschienen in der Zeitschrift "Electronics", Ausgabe vom 11.Mai 1970}
2) "The New Concept for Memory and Imaging: Charge Coupling", erschienen in der Zeitschrift "Electronics", Ausgabe vom 21.Juni 1971;
3) "Charge-Coupling Improves its Image,Challenging Video Camera Tubes", erschienen in der Zeitschrift "Electronics", Ausgabe vom 18. Januar 1973;
4) "Charge-Coupled Devices Move in on Memories and Analog Signal Processing", erschienen in der Zeitschrift: "Electronics", Ausgabe vom B.August 1974.
Dem Gerät 10 ist nach den Figuren 1 und 4 eine Steuerschaltung 82 zugeordnet, damit es auf eine beliebige Unterbrechung des von den Detektoren 58 und 60 abgefühlten Lichtes ansprechen kann, um zu bestimmen, wo in den betreffenden Lichtfeldern F1, F2 die Unterbrechung stattfand. Insbesondere werden von dieser Steuerschaltung 82 die Koordinaten X und Y des Ortes der Lichtunterbrechung, also die körperliche Lage des untätigen Gegenstandes P innerhalb des Arbeitsbereiches, also des Innenraumes 22 ermittelt.
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Die Steuerschaltung 82, die selbst keinen Teil der Erfind mg bildet, kann alle gespeicherten Ladungspakete aus den Detektoren 58, 60 empfangen und der Reihe nach mit den aufeinanderfolgenden winkelförmigen Ausschnittan, die die Lichtfelder F, und F2 aufbauen, zur Bestimmung i» Beziehung setzen, wo in diesen Lichtfeldern die unterbrechung stattfand«
Wenn auch bei der bevorzugten Ausfuhrungsforra vom Rahmen 12 ein etwa rechteckiger Innenrajm 22 als Arbeitebereich fettgelegt wird, so kann er doch andere mehrseitige bzw. vieleckige Formen, ja selbst eine halbkreisförmige Gestalt annehmen. An diese kann dann die Lichtquelle angepaßt werden, damit sie sich längs der winkelförmig vereetzten, anstoßenden Abschnitte des ümfanges des Arbeitsbereiches erstreckt. Ferner werden wie bei der bevorzugten AusfUhrungsform die linearen Bilddetektcren und die Blenden an den gegenüberliegenden Enden der Lichtquellen ausgerichtet, um die koinzidierenden Lichtfelder aufzunehmen, die den Arbeitsbereich bedecken.
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Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    ■"'~"\
    1.) Gerät zum Nachweis eines bewegungslosen Gegenstandes in einem Arbeitsbereich mit einer teilweise um diesen herum angeordneten Lichtquelle, von der ständig das Licht an winkelförmig versetzten, aneinander anstoßenden Urafangsabschnitten ausgesendet und parallel zum Arbeitsbereich auf gegenübergestellte Detektoren geworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle zumindest zwei Leuchtröhren (32, 34, 36) enthält, an deren voneinander entfernten Enden neben dem Arbeitsbereich (22) je eine Detektoreinrichtung (58, 60) derart aufgestellt ist, daß sie eines von zwei koinzidierenden Lichtfeldern (F_, F) vom Arbeitsbereich (22) her aufnimmt und eine Lichtunterbrechung durch den Gegenstand (P) innerhalb des Lichtfeldes (F1 bzw. F) wahrnimmt.
  2. 2. Gerät nach dem Anspruch 1, dadurch gekennz e i c h η e t, daß von zwei Gehäusen (26, 28) zwischen den Leuchtröhren (32, 34, 36) und dem Arbeitsbereich (22) ein langgestreckter Spalt (30) festgelegt ist, von dem eine feststehende Lichtverteilung im Arbeitsbereich (22) herstellbar ist.
  3. 3. Gerät nach dem Anspruch 1,dadurch gekennz ei c h η e t, daß die Detektoreinrichtung (^8 bzw. 60) einen linearen Bilddetektor in Form eines ladungsgekoppelten (CCD-)Gerätes aufweist, dem eine Blende (62 bzw. 64) vorgesetzt ist, in der sich vertikal ein Spalt (80) erstreckt, der ein Blickfeld von etwa 90 auf den Arbeitsbereich (22) freigibt.
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    ORIGINAL INSPECTED
  4. 4. Gerät nach den Ansprüchen 1 und 3,dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsbereich von einem etwa
    rechtwinkligen Rahmen (12) mit vier Seiten (14, 16, 18, 20) und
    einem offenen Innenraum (22) gebildet ist, durch den die Leuchtröhren (32, 34, 36) das Licht von drei Seiten (I4, 16, 18) des
    Rahmens (12) hindurchwerfen, daß die Blenden (62, 64) an den beiden Enden der vierten Seite (20) des Rahmens (12) die beiden koinzidierenden, von der ersten und zweiten Seite (14, 16) bzw. von der zweiten und dritten Seite (16, 18) des Rahmens (20) ausgehenden und
    durch den Innenraum (22) geworfenen Lichtfelder (F , F?) begrenzen, und daß je ein linearer Bilddetektor an den beiden Enden der vierten Seite (20) des Rahmens (12) vorgesehen ist.
  5. 5. Gerät nach dem Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (58, 60) und die Blenden (62,
    64) an den beiden Ecken des Rahmens (12) parallel zur Diagonalen
    des rechtwinkligen Rahmens (12) gestellt sind.
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DE19782829464 1977-07-08 1978-07-05 Geraet zur wahrnehmung der position eines untaetigen gegenstandes Ceased DE2829464A1 (de)

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