ES2300539T3

ES2300539T3 - Metodo de medicion opto-electronica y dispositivo.

Info

Publication number: ES2300539T3
Application number: ES03029499T
Authority: ES
Inventors: Gerd Reime
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-03
Filing date: 2003-12-20
Publication date: 2008-06-16
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: EP1435509B1; DK1435509T3; DE50309017D1; ATE384249T1; EP1435509A1; DE10300224A1

Abstract

Método de medición opto-electrónica, en el que por lo menos tres fuentes de luz (11, 12, 13) emiten luz de forma sincronizada, secuencial en el tiempo, y por lo menos un receptor (14; 16) recibe la luz, emitida por lo menos por dos (11, 12) de las tres fuentes de luz en por lo menos dos trayectorias diferentes de la luz (17, 19; 18, 19), y reflejada en un objeto (15), y la intensidad de las fuentes de luz (11, 12) se puede regular en función de la señal recibida en el receptor (14; 16) como consecuencia de la luz que llega al receptor procedente de las dos trayectorias luminosas, de modo que el receptor percibe dos de las tres fuentes de luz con la misma intensidad, caracterizado porque para identificar un movimiento de giro del objeto (15) se hacen funcionar las fuentes de luz (11, 12, 13) por turnos, formando por lo menos tres grupos diferentes (11, 12; 12, 13; 13, 11) de fuentes de luz que emiten luz.

Description

Método de medición opto-electrónica y dispositivo.

La invención se refiere a un método de medición opto-electrónica según el término genérico de la reivindicación 1 así como a un dispositivo de medición opto-electrónica según el término genérico de la reivindicación 12.

Por el documento EP 0 706 648 B1, se conoce un sistema de medición óptica, en el que por lo menos dos diodos luminosos emiten luz recíprocamente, como fuente de luz, de tal modo que en un receptor hay una señal de luz constante sin componentes de luz sincronizados. Ese sistema se utiliza para reconocer gotas de lluvia sobre un parabrisas, aunque también se puede emplear en general para medir la distancia o la posición. Si se han previsto por ejemplo dos fuentes de luz, por ejemplo en forma de LEDs, y un receptor, un objeto situado por encima de los elementos opto-electrónicos reflejará luz de los LEDs al receptor. El circuito está constituido de forma que la luz extraña no ejerce ninguna influencia y se pueden apreciar claramente las señales luminosas procedentes de las trayectorias luminosas existentes entre la fuente de luz y el receptor. La transmisión óptica de cada fuente de luz al receptor depende principalmente de la posición y de la naturaleza del objeto que refleja la luz. Según el principio mencionado, sin embargo, sólo se regula la intensidad de las dos fuentes de luz, de modo que el receptor las ve con igual intensidad. La relación entre las corrientes LED necesarias para ello corresponde a la relación entre transmisiones ópticas de las dos trayectorias. La regulación controla siempre en sentido contrario las corrientes de servicio de los dos LEDs, de modo que se produce en cero una regulación hasta el máximo de las señales recibidas. De esta forma, la señal de regulación es proporcional a la relación entre uno de los dos factores de transmisión óptica y la transmisión total. En particular, es posible, sin conocer los factores de transmisión, reconocer su igualdad y por consiguiente la posición media del objeto. Esto significa, en particular, que independientemente del tipo de objeto, se puede reconocer con seguridad una posición que se encuentra a una distancia igual de los LEDs. La transmisión óptica depende por lo tanto monótonamente de la distancia del objeto.

Partiendo del estado de la técnica, la presente invención ofrece un método y un dispositivo de medición, que se pueden utilizar favorablemente para registrar movimientos de giro y de rotación.

El problema se resuelve con un método de medición con las características de la reivindicación 1 así como un dispositivo de medición con las características de la reivindicación 12.

Para ello, se disponen por lo menos tres fuentes de luz alternadas sobre una línea cerrada imaginaria, de modo que se puedan hacer funcionar por turnos, formando por lo menos tres grupos diferentes de fuentes de luz. En otras palabras, se utilizan, por ejemplo, siempre dos de las tres fuentes de luz como emisor, mientras que la tercera fuente de luz está conectada como receptor. Una vez finalizado este ciclo, en el siguiente, el receptor se vuelve a utilizar como emisor, convirtiéndose en receptor uno de los emisores anteriores. En el tercer ciclo, se forma la combinación, no formada hasta entonces, de dos emisores y un receptor, de forma que, por turnos, se utilizan todas las posibilidades de registro/captación. Ese principio se puede realizar también con más de tres fuentes de luz. En lugar de utilizar siempre la tercera fuente luminosa como receptor, se puede prever también un receptor separado, por ejemplo en forma de fotodiodo. En este caso, si hay tres fuentes de luz, el tercer LED está de preferencia desconectado. Con una disposición prefijada, se obtienen por lo tanto curvas de señales que permiten reconocer de forma clara el movimiento de un objeto que describe círculos delante del dispositivo, pudiéndose, de este modo, formar un botón giratorio virtual, que requiere pocos componentes.

En el caso más favorable, sólo se necesitan tres LEDS, conectados por turnos de modo que se pueda utilizar siempre un LED como receptor y los otros dos LEDs como fuentes de luz. Si se elige además un dispositivo, en el que las fuentes de luz se encuentran en los vértices de un triángulo equilátero, se obtienen curvas de señal, analizables de forma sencilla para determinar el movimiento de rotación. Para ello, no es necesario que el usuario toque la superficie, sino que puede realizar el movimiento en el espacio delante del dispositivo de medición. No obstante, se puede reproducir también, como hasta ahora, un botón mecánico, previendo delante del dispositivo de medición un elemento rotatorio, que presenta en su cara inferior diferencias reconocibles ópticamente, como por ejemplo, un solo punto blanco o
negro.

En las sub-reivindicaciones se podrán apreciar otras ventajas.

A continuación, se describe detalladamente la invención en unos ejemplos de realización representados en las figuras siguientes.

La figura 1 es una representación esquemática del dispositivo de medición.

La figura 2 es un diagrama de bloques para una forma de realización sin elemento de recepción separado.

La figura 3 es un diagrama de bloques para una forma de realización con un fotodiodo como receptor.

La figura 4 muestra unas curvas típicas de señales en un movimiento de rotación de un objeto delante del dispositivo de medición.

Las figuras 5, 6 y 7 son representaciones esquemáticas de la configuración de un botón giratorio en un modo de conexión según la fig. 2.

Las figuras 8 y 9 son representaciones esquemáticas de la estructura de un dispositivo con un circuito según la fig. 3.

Las figuras muestran un dispositivo de medición optoelectrónica 10 con por lo menos tres fuentes de luz 11, 12, 13 que emiten luz de forma sincronizada, secuencial en el tiempo, y por lo menos un receptor 14, 16 para recibir la luz emitida por lo menos por dos de las tres fuentes de luz y reflejada en un objeto 15, por ejemplo, una mano, en la figura 1. Con este dispositivo de medición se reconocerán en particular los movimientos de giro o de rotación, que se producen delante del dispositivo de medición 10. Se reproduce de este modo un botón giratorio 38 o un botón giratorio virtual, en el que se produce únicamente el movimiento de giro del objeto 15, como por ejemplo el de un dedo o una mano delante del dispositivo de medición 10, sin que se tenga que girar éste. También son posibles unas configuraciones, por ejemplo según las figuras 5-9, en las que realmente se produce otra rotación de un elemento de accionamiento giratorio delante del dispositivo de medición.

El dispositivo de medición presenta además un dispositivo para regular la intensidad de las fuentes de luz 11, 12 en función de la señal recibida en el receptor 14, 16, donde la señal recibida está formada por la luz que llega al receptor procedente de las dos trayectorias de luz. La regulación hace que el receptor perciba con la misma intensidad la luz procedente de al menos dos 11, 12 de las tres fuentes de luz 11, 12, 13. Este principio se explica detalladamente a continuación, a la vista de las figuras 2 y 3.

Según la figura 1, las fuentes de luz 11, 12, 13 están dispuestas alternadas sobre una línea cerrada imaginaria, siendo dicha línea cerrada de preferencia un círculo o una elipse. En la figura 1, las fuentes de luz 11, 12 emiten luz, reflejada por la mano, como objeto 15, y que recibe el receptor 14. La luz pasa, siguiendo las trayectorias luminosas 17, 19 y 18, 19 de las fuentes de luz 11, 12 al receptor 14. Para captar el movimiento de giro, se hacen funcionar las fuentes de luz, por turnos, formando por lo menos tres grupos diferentes, en el ejemplo de realización, tres pares de fuentes que emiten luz. Emiten p. ej. sucesivamente, primero las fuentes de luz 11, 12, luego las fuentes de luz 12, 13 y finalmente las fuentes de luz 13, 11.

En el ejemplo de realización de la figura 1, las fuentes de luz 11, 12, 13 son unos LEDs. Debido a que, en principio, cada LED puede funcionar también como receptor, se conectan por lo tanto progresivamente, por turnos, una función receptor y una función emisor. Mientras en la figura 1 se ha conectado una fuente de luz 13 de los tres LEDs como receptor 14, mientras que los otros dos LEDs se conectan como fuentes de luz 11, 12, en el ciclo siguiente por ejemplo, las fuentes de luz 12 y 13 emitirían luz y la fuente de luz 11 estaría conectada, como LED, a modo de receptor. De este modo, se conectan progresivamente, por turnos, no solamente los grupos de fuentes de luz, sino también la función de la fuente de luz de servir de receptor o de elemento emisor. Simultáneamente los diversos grupos del ejemplo de realización están formados por dos LEDS cada uno.

Lo hace posible el hecho de que el material semiconductor utilizado para un LED debe ser permeable a la longitud de onda emitida. Esto significa que la separación energética en el semiconductor utilizado tiene que ser mayor que la longitud de onda emitida.

Por otra parte, un semiconductor sólo puede generar radiación, cuya longitud de onda se ajusta a la separación energética. De este modo, para decirlo de forma sencilla, la separación energética del material semiconductor se acerca a la longitud de onda dominante. Mediante la dotación y la estructura conveniente, se puede influir en este comportamiento, dentro de ciertos limites. En particular, cambia el tamaño de la separación energética en el semiconductor en función de la corriente de trabajo. Debido a ello, se solapan, en ciertas tecnologías, el espectro de emisión y de recepción del LED, es decir que se puede utilizar un LED de mismo tipo, como emisor y como receptor en un sistema. Esta forma de realización tiene la ventaja de que sólo se requieren esencialmente tres componentes opto-electrónicos para el dispositivo de medición. Además, el centro entre los componentes queda libre. Esto permite un mayor número de variantes de montaje, como se explica con más detalle seguidamente, con referencia a las figuras 5 - 7.

Las tres fuentes de luz 11, 12, 13 están dispuestas, de preferencia, en los vértices de un triángulo equilátero, de tal forma que, al moverse un objeto en torno a un eje de rotación 50 que pasa por el centro de gravedad del triángulo, se origina una señal, según la figura 4, que permite determinar el movimiento de giro. Como los diodos luminosos se pueden utilizar además también para detectar la distancia, es posible por ejemplo, al acercarse un objeto, conectar eficazmente todo el dispositivo, o también permitir que el usuario pueda apreciarlo añadiendo una luz, o volver a desconectar el dispositivo cuando se aleja el objeto 15. Se puede utilizar también, alternativamente, como receptor 16 un fotodiodo, que se dispone entonces de preferencia en el centro de gravedad del triángulo equilátero.

No es imprescindible disponer los LEDs exactamente en los vértices de un triángulo equilátero, si bien esto permite, sin necesidad de grandes cálculos, determinar exactamente el objeto. Si no se utiliza esta disposición, es decir también por ejemplo, no disponiendo las fuentes de luz sobre un círculo, se tienen que realizar operaciones de cálculo adicionales para llegar al mismo resultado.

Con la disposición elegida, se obtiene un montaje con el que se puede medir la posición angular de un objeto 15 al girar en torno al centro de gravedad del triángulo o al punto central del dispositivo. El usuario hace girar un objeto reflectante de la forma deseada en torno al centro de gravedad de este triángulo. Puede ser, p. ej. el dedo del usuario, o una rueda mecánica u otro elemento giratorio, que presenta en su cara inferior propiedades diferentes de reflexión u otras propiedades ópticas diferenciables, como p. ej. un punto blanco, o es mitad blanco y mitad negro.

La figura 2 muestra un diagrama de bloques electrónico, en el que se utilizan diodos luminosos como receptores, es decir, cuando no se han previsto fotodiodos. Partiendo del generador de impulsos 28 se seleccionan primero las fuentes de luz 11, 12 como LEDs, mediante un convertidor analógico-digital 29, seleccionándose una fuente de luz invertida respecto de la otra, es decir que los dos LEDS se sincronizan alternativamente. Se controla la intensidad de la potencia aportada a las dos fuentes de luz 11, 12 por medio de unos reguladores de potencia 21, 22 -y cuando la fuente de luz 13 se utiliza como fuente de luz, se controla por medio del regulador de potencia 23-. La luz emitida por las fuentes de luz 11, 12 es recibida por la fuente de luz 13 de un LED como receptor 14. Por esta razón, la fuente de luz 13 no recibe ninguna señal del inversor 30. No obstante, está acoplada por medio del multiplexor 24 al registro de señal, constituido por un pre-amplificador 25, un filtro pasabanda 26 y un demodulador de sincronismo 27. En el demodulador de sincronismo 27, la señal de recepción se vuelve a asociar a las dos trayectorias de la luz, es decir la que viene de la fuente de luz 11, por una parte, y de la fuente de luz 12, por otra parte, para obtener una señal de movimiento correspondiente. La señal así obtenida se registra y se analiza en la unidad de regulación 31 para determinar el sentido y el número de giro. No obstante, la señal de recepción así obtenida, se lleva nuevamente a los reguladores de potencia 21, 22 para ajustar la intensidad luminosa de las fuentes de luz 11 y 12.

En el ciclo siguiente, las fuentes de luz 11, 13 emitirían luz como LEDs y la fuente de luz 12 sería el receptor. Hay por lo tanto siempre un LED desconectado o que trabaja como receptor y los otros dos LEDs se sincronizan con un desplazamiento de fase de 180º, determinándose su amplitud con el convertidor analógico-digital 29.

Si se utilizan, como en la figura 3, tres LEDs y un fotodiodo como receptor 16, se prescinde del multiplexor para el receptor y el fotodiodo está siempre conectado directamente al receptor. El resto del circuito es igual.

En la variante de la figura 1, no se precisa ningún elemento mecánico adicional. Las tres fuentes de luz pueden encontrarse debajo de una ventana anular, que puede estar ligeramente abovedada, para ofrecer al usuario un acuse de ejecución táctil. En particular, con esta solución resulta ventajoso prever una compensación de luz extraña, ya que esta ventana puede estar por ejemplo expuesta directamente a la luz del sol. Esta ventana óptica puede estar también alojada a su vez de tal modo que, al pulsarla, se active una función adicional, como p. ej. una función de conexión.

Las demás figuras muestran variantes de montaje, provistas de un elemento giratorio adicional, debajo del cual se disponen, también protegidas, las fuentes de luz. Así por ejemplo, las figuras 5 - 7 muestras variantes de montaje, cuando se utilizan diodos luminosos, que se conectan alternativamente como fuente de luz y receptor, o sea con un circuito como el de la figura 2. En este caso, la zona central permanece libre, de modo que se puede introducir, centrado entre las fuentes de luz 11, 12 un botón giratorio. Las fuentes de luz se encuentran también sobre una placa de circuitos impresos, atravesada también por el botón giratorio 38, que gira alrededor del eje de rotación 50. En la figura 6, se ha previsto un disco giratorio 37, que tiene la misma función que la reproducción mecánica de un botón giratorio. El botón giratorio 38, el disco giratorio 37 así como el anillo giratorio 36 de la figura 7 están alojados en un elemento central 35 y están todos alojados de forma que se pueden comprimir o volcar para abarcar de este modo información adicional. También es posible disponer, como se muestra en la figura 7, todos los elementos sobre un disco 34 que deja pasar la longitud de onda de la luz que se utiliza, debajo del cual se disponen entonces los elementos opto-electrónicos.

En las variantes de montaje de las figuras 8 y 9 se ha previsto, centrado, un receptor 16 como fotodiodo. Por lo demás, estas figuras corresponden a las formas de realización de las figuras 6 y 7, es decir con un disco giratorio 37 o un anillo giratorio 36, pudiéndose facilitar también aquí información adicional, pulsando o volcando el disco giratorio 37 o el anillo giratorio 36. Estos movimientos adicionales de los elementos giratorios se pueden aprovechar por ejemplo como funciones de tecla. Las formas de realización representadas en las figuras 5 - 9 deben presentar sin embargo en la cara inferior de los elementos giratorios unas marcas, que permitan el reconocimiento óptico de la posición de estos elementos.

Como el dispositivo también trabaja con el botón giratorio quitado, existe también la posibilidad de crear un dispositivo que, con la misma estructura, pueda funcionar unas veces análogo a un botón giratorio y otras veces como botón giratorio virtual. El fabricante o el cliente pueden colocar el botón giratorio para un cliente y, manteniendo la misma estructura, quitarlo sencillamente para otros clientes. O también, utilizando el botón giratorio se puede acceder a otras funciones adicionales.

La figura 4 muestra un ejemplo de señales de regulación, al girar de modo continuo el objeto 15 o los demás elementos giratorios, como el botón giratorio 38, el disco giratorio 37 o el anillo giratorio 36.

Al proceder a la evaluación, hay por lo visto 6 posiciones que están a la misma distancia de los dos LEDs. Estas posiciones se pueden reconocer de forma fiable como "puntos de anulación" de las señales de regulación. Comparando las señales de regulación se pueden reconocer otras seis posiciones, ya que en estas, la relación entre distancias es siempre igual. De este modo, es posible distinguir primero 12 posiciones. Se pueden reconocer por lo menos otras 12 posiciones mediante valoración relativa, de forma que la posición de giro se puede reconocer con mucha precisión. Si se ha reconocido una posición, en la que dos señales de regulación eran iguales, se pueden descomponer otros pasos intermedios ya que la única incógnita, la escala, es conocida. Si el objeto detectado se mueve en círculos alrededor del centro de gravedad del triángulo de fuentes de luz, se modifican cíclicamente las tres señales de regulación. Evaluando las posiciones estáticas o dinámicas de los bordes se puede reconocer el sentido y la velocidad de giro. En particular, es posible emitir por cada giro 12 impulsos o más, además de un bit de orientación, como ya ocurre en los botones de giro mecánicos con evaluación óptica. Las emisiones se representan en las figuras 2 y 3.

Como ya se ha señalado, la señal de regulación no depende solamente de la posición, sino también de la naturaleza de la superficie reflectante, en particular de su distancia. Si se considera ahora el desarrollo dinámico de la suma de las señales de regulación, se podrá reconocer además, como se sabe por la solicitud de patente alemana DE 100 01 955 A1, la identificación de una función adicional de pulsación/tecla.

Leyenda

10: Dispositivo de medición

11, 12, 13: Fuente de luz

14: Receptor

15: Objeto

16: Receptor (Fotodiodo)

17, 18: Trayectoria de la luz (rayo de luz emitido)

19: Trayectoria de la luz (rayo de luz reflejado)

21, 22, 23: Regulador de potencia

24: Multiplexor

25: Pre-amplificador

26: Filtro pasabanda

27: Demodulador de sincronismo

28: Generador de impulsos

29: Convertidor analógico-digital

30: Inversor

31: Unidad de regulación

33: Placa de circuitos impresos

35: Elemento de alojamiento

36: Anillo giratorio

37: Disco giratorio

38: Botón giratorio

50: Eje de rotación

Claims

1. Método de medición opto-electrónica, en el que por lo menos tres fuentes de luz (11, 12, 13) emiten luz de forma sincronizada, secuencial en el tiempo, y por lo menos un receptor (14; 16) recibe la luz, emitida por lo menos por dos (11, 12) de las tres fuentes de luz en por lo menos dos trayectorias diferentes de la luz (17, 19; 18, 19), y reflejada en un objeto (15), y la intensidad de las fuentes de luz (11, 12) se puede regular en función de la señal recibida en el receptor (14; 16) como consecuencia de la luz que llega al receptor procedente de las dos trayectorias luminosas, de modo que el receptor percibe dos de las tres fuentes de luz con la misma intensidad,

caracterizado porque para identificar un movimiento de giro del objeto (15) se hacen funcionar las fuentes de luz (11, 12, 13) por turnos, formando por lo menos tres grupos diferentes (11, 12; 12, 13; 13, 11) de fuentes de luz que emiten luz.

2. Método de medición opto-electrónica según la reivindicación 1, caracterizado porque las fuentes de luz están dispuestas en un círculo o una elipse imaginaria.

3. Método de medición opto-electrónica según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el receptor (16) es un fotodiodo.

4. Método de medición opto-electrónica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las tres fuentes de luz (11, 12, 13) están dispuestas en los vértices de un triángulo equilátero y el receptor (16) eventualmente presente se encuentra en el centro de gravedad del triángulo equilátero.

5. Método de medición opto-electrónica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las fuentes de luz (11, 12, 13) son LEDs y cada grupo está formado de preferencia por dos LEDs.

6. Método de medición opto-electrónica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una de las tres fuentes de luz (13) está conectada como receptor (14), mientras que las otras dos fuentes de luz están conectadas como fuentes de luz (11, 12), y porque la función de servir de receptor y de fuente de luz, se conecta progresivamente, por turnos, con la formación de los diversos grupos.

7. Método de medición opto-electrónica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el objeto es un elemento giratorio que presenta unas características diferenciables ópticamente, orientadas hacia las fuentes de luz.

8. Método de medición opto-electrónica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento giratorio es un botón giratorio (38) alojado centralmente respecto de las fuentes de luz.

9. Método de medición opto-electrónica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento giratorio se puede quitar para una utilización sin botón giratorio y/o se puede orientar, volcar y/o mover de forma limitada en el sentido del eje de rotación (50) para transmitir información adicional.

10. Método de medición opto-electrónica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las fuentes de luz se encuentran debajo de una ventana ópticamente permeable y captan el movimiento de giro sin elementos mecánicos.

11. Método de medición opto-electrónica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la ventana para captar funciones adicionales se puede orientar, volcar y/o mover de forma limitada en el sentido del eje de rotación (50).

12. Dispositivo opto-electrónico (10) que comprende un botón giratorio (36, 37, 38) para ajustar o regular parámetros y con por lo menos tres fuentes de luz (11, 12, 13), que emiten luz de forma sincronizada, secuencial en el tiempo, y por lo menos un receptor (14; 16) para recibir la luz, emitida por lo menos por dos (11, 12) de las tres fuentes de luz en por lo menos dos trayectorias luminosas diferentes (17, 19; 18, 19), y reflejada en un objeto (15), así como con un dispositivo para regular la intensidad de las fuentes de luz (11, 12) en función de la señal recibida en el receptor (14; 16) como consecuencia de la luz que llega al receptor procedente de las dos trayectorias luminosas, de modo que el receptor percibe dos de las tres fuentes de luz con la misma intensidad,

caracterizado porque para identificar el movimiento de giro del botón giratorio que constituye el objeto (15) las fuentes de luz (11, 12, 13) se disponen de forma alternada sobre una línea cerrada imaginaria, y se hacen funcionar formando de forma alternada por lo menos tres grupos diferentes (11, 12; 12, 13; 13, 11) de fuentes de luz que emiten luz.

13. Dispositivo opto-electrónico (10) según la reivindicación 12, caracterizado porque el botón giratorio (36, 37, 38) presenta unas características diferenciables ópticamente, orientadas hacia las fuentes de luz y/o está alojado centralmente respecto de las fuentes de luz, y/o se puede quitar para una utilización sin botón giratorio y/o se puede orientar, volcar y/o mover de forma limitada en el sentido del eje de rotación (50) para transmitir información adicional.