(57)【要約】  動作方法の一実施形態では、センサ（１）の接続線路（６１）が、外部の駆動制御ユニット（７）に接続されている。待機制御回路（６２）は、一方では接続線路（６１）が駆動制御ユニット（７）によって外部からアドレス指定されるかどうかを決定し、他方では接続線路（６１）がアクティブ状態線路（ＯＵＴ）によってアドレス指定されるかどうかを決定する。待機制御回路（６２）は、接続線路（６１）がアクティブ状態線路（ＯＵＴ）によってアドレス指定されないが、駆動制御ユニット（７）によって外部からアドレス指定されるかまたはスタンバイモード（ＳＴＡＮＤＢＹ）への移行が指示される場合にのみ、センサ（１）を待機モード（ＳＴＡＮＤＢＹ）に置き換えるかまたは対応する制御信号を出力する。
2020536303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ（１）であって、
−放射線（Ｒ）を検出するための少なくとも１つのセンサチップ（２）と、
−デジタルの双方向接続線路（６１）および待機制御回路（６２）ならびにアクティブ状態線路（ＯＵＴ）を有する電子ユニット（６）とを備え、
−前記接続線路（６１）は、外部の駆動制御ユニット（７）に接続されるように構成されており、
−前記待機制御回路（６２）は、前記接続線路（６１）が前記アクティブ状態線路（ＯＵＴ）によってアドレス指定されない場合に、前記接続線路（６１）が前記駆動制御ユニット（７）によって外部からアドレス指定されるかどうかを決定し、その後でのみ、前記センサ（１）を待機モードに置き換えるように構成されている、センサ（１）。
【請求項２】
請求項１記載のセンサ（１）のための動作方法であって、
−接続線路（６１）は外部の駆動制御ユニット（７）に接続されており、
−待機制御回路（６２）は、前記接続線路（６１）が前記駆動制御ユニット（７）によって外部からアドレス指定されるかどうかを決定し、
−前記待機制御回路（６２）は、前記接続線路（６１）がアクティブ状態線路（ＯＵＴ）によってアドレス指定されるかどうかを決定し、
−前記待機制御回路（６２）は、前記接続線路（６１）が前記アクティブ状態線路（ＯＵＴ）によってアドレス指定されずかつ前記駆動制御ユニット（７）によって外部からアドレス指定される場合にのみ、前記センサ（１）を待機モードに置き換える、動作方法。
【請求項３】
−前記センサ（１）は、前記接続線路（６１）によってのみ双方向に接続されており、前記センサ（１）は、通信プロトコルを有する通信インターフェースがなく、
−前記接続線路（６１）は、電位発生器（６３）から接続されており、
−前記接続線路（６１）からの信号（Ｙ）は、前記アクティブ状態線路（ＯＵＴ）が高電位であるかまたは前記接続線路（６１）上の前記駆動制御ユニット（７）がアクティブである場合に低電位に設定され、
−前記接続線路（６１）からの前記信号（Ｙ）は、前記アクティブ状態線路（ＯＵＴ）が低電位であり、その他に、前記接続線路（６１）上の前記駆動制御ユニット（７）が非アクティブである場合にのみ、前記電位発生器（６３）を介して高電位に設定され、
−前記待機モードは、前記接続線路（６１）上の前記駆動制御ユニット（７）がアクティブである場合にのみ、アクティブになる、請求項２記載の動作方法。
【請求項４】
前記電位発生器（６３）は、プルアップ抵抗器、プルダウン抵抗器、または最大電流を制限するアクティブ電流源である、請求項３記載の動作方法。
【請求項５】
前記電位発生器（６３）は、前記センサ（１）に統合されている、請求項３または４記載の動作方法。
【請求項６】
前記電位発生器（６３）は、前記駆動制御ユニット（７）に統合されており、前記駆動制御ユニット（７）は、現場でプログラミング可能な論理ゲートアレイである、請求項３から５までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項７】
前記接続線路（６１）上の前記電位発生器（６３）の状態は、前記電子ユニット（６）および／または前記待機制御回路（６２）において時間遅延されて処理され、前記時間遅延は、非反転シュミットトリガー、ＲＳフリップフロップ、ローパスフィルタ、ＲＣ素子、および／または２ｎ個のインバーターの直列回路によって達成され、ただし、前記ｎは自然数である、請求項３から６までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項８】
前記アクティブ状態線路（ＯＵＴ）上の信号は、前記センサチップ（２）のデジタル化された信号の包絡線に等しく、前記駆動制御ユニット（７）は、待機モードを設定するための前記接続線路（６１）の応答を唯一の信号として前記センサ（１）に送信する、請求項２から７までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項９】
前記センサ（１）は、厳密に４つの電気的端子、すなわち、接続線路（６１，ＯＵＴ）、さらなるデータ出力線路（ＤＯＵＴ）、２つの電圧端子（ＶＳＳ、ＶＤＤ）を有する、請求項２から８までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項１０】
前記センサ（１）は、厳密に３つの電気的端子、すなわち、接続線路（６１，ＯＵＴ）、２つの電圧端子（ＶＳＳ，ＶＤＤ）を有する、請求項２から８までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項１１】
前記接続線路（６１）は、オープンドレインモードで機能する、請求項２から１０までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項１２】
前記接続線路（６１）が前記アクティブ状態線路（ＯＵＴ）によってアドレス指定される前記駆動制御ユニット（７）の平均アクティブ時間間隔は、少なくとも２００μｓである、請求項２から１１までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項１３】
前記待機制御回路（６２）は、最大２５の論理ゲートを含む、請求項２から１２までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項１４】
前記待機制御回路（６２）は、厳密に３つのインバーター、厳密に１つのＲＳフリップフロップ、および厳密に１つのＡＮＤゲートを含み、その他の論理ゲートは含まない、請求項１３記載の動作方法。
【請求項１５】
−３Ｄ位置検出システム（１０）は、複数のセンサ（１）によって検出すべき放射線（Ｒ）を生成するための少なくとも１つの放射線源（１１）と、少なくとも１つのユーザー機器（１２）とを含み、
−前記複数のセンサ（１）は、前記ユーザー機器（１２）に組み込まれており、
−前記複数のセンサ（１）は、前記ユーザー機器（１２）と前記放射線源（１１）との間の角度を決定するように構成されており、それによって、前記角度を介して前記ユーザー機器（１２）の空間位置と配向とが算出可能である、請求項２から１２までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項１６】
−前記３Ｄ位置検出システム（１０）は、少なくとも５つのセンサチップ（２）を含み、
−前記検出すべき放射線（Ｒ）は、パルス制御された面状の近赤外線レーザービームであり、
−動作中に前記放射線（Ｒ）は、前記ユーザー機器（１２）が存在する空間領域を越えて横断し、それによって、複数の順次連続するレーザービームのパルスが関連するセンサチップ（２）に入射し、
−前記関連するセンサチップ（２）によって前記入射するパルスの強度ヒストグラムが検出され、該強度ヒストグラムから、関連する放射線源（１１）に対する角度の１つが算出され、
−前記ユーザー機器（１２）は、３次元画像を表示するための少なくとも１つのディスプレイを備えた仮想現実の分野のための眼鏡である、請求項１５記載の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに関する。その上さらに、本発明は、そのようなセンサのための動作方法に関する。
【０００２】
解決すべき課題は、エネルギー消費の少ないセンサを提供することにある。
【０００３】
この課題は、とりわけ、独立請求項の特徴を有するセンサおよび動作方法によって解決される。好適な発展形態は、従属請求項の対象である。
【０００４】
少なくとも１つの実施形態によれば、センサは、１つ以上のセンサチップを含む。この少なくとも１つのセンサチップは、放射線を検出するように構成されている。このセンサチップは、マルチチャネルセンサチップまたはフォトダイオードとも称されるシングルチャネルセンサチップであり得る。好適には、センサチップは、シングルチャネルフォトダイオード、特にＰＩＮフォトダイオードである。センサチップは、シリコンをベースにすることができるが、代替的に他の半導体材料系、例えばＧｅ、ＩｎＧａＡｓ、またはＩｎＧａＰなどをベースにすることもできる。
【０００５】
少なくとも１つの実施形態によれば、センサは電子ユニットを含む。この電子ユニットは、例えばセンサの支持体に統合されている。そのような支持体は、印刷されたプリント基板および／またはシリコンベースの回路基板、例えば集積回路（略してＩＣ）またはマイクロコントローラであり得る。代替的に、電子ユニットは、センサチップおよび／または支持体に取り付けられた別個のコンポーネントであり得る。
【０００６】
少なくとも１つの実施形態によれば、電子ユニットは、デジタルの双方向接続線路を含む。すなわち、接続線路は、センサから離れる方向のみならずセンサに向かう方向のデジタル信号用にも構成されている。この接続線路は、好適には、電子ユニットおよびセンサの唯一の双方向接続線路である。この接続線路は、センサの一次データ出力側および／または唯一のデータ出力側であってもよい。
【０００７】
少なくとも１つの実施形態によれば、電子ユニットは、待機制御回路を含む。この待機制御回路を介して、センサは、アクティブ動作に切り替え可能である。このアクティブ動作では、信号がセンサチップによって受け入れられ、センサから出力される。さらに、センサは、待機制御回路を介して、スタンバイモードとも称される待機モードに切り替えられ得る。このスタンバイモードでは、センサは、信号を供給しない。スタンバイモードでは、センサの平均エネルギー消費量、特に平均電力消費量がアクティブ動作に比べて、例えば少なくとも１０倍または１００倍低減する。
【０００８】
少なくとも１つの実施形態によれば、電子ユニットはアクティブ状態線路を含む。アクティブ状態線路は、センサがアクティブにデータを送信しているかどうかを示すように構成されている。好適には電子ユニットの内部に延びる線路もしくはコンタクト箇所であるアクティブ状態線路の信号を接続線路に出力することが可能である。すなわち、接続線路およびアクティブ状態線路には、時折同じ信号を印加することができる。
【０００９】
少なくとも１つの実施形態によれば、接続線路は、外部の駆動制御ユニットに接続されるように構成されている。この外部の駆動制御ユニットは、好適には、フィールドプログラマブルゲートアレイもしくは略してＦＰＧＡとも称される現場でプログラミング可能な論理ゲートアレイまたはマイクロコントローラまたはコンピュータである。この駆動制御ユニットを介して信号がセンサから読み出される可能性がある。また、この駆動制御ユニットを介して、センサがスタンバイモードで動作しているのかどうか、あるいはアクティブモードで動作しているのかどうかが決定される。すなわち、駆動制御ユニットは、センサから測定データを収集すべきか否かを決定する。
【００１０】
少なくとも１つの実施形態によれば、待機制御回路は、接続線路がアクティブ状態線路によって内部からアドレス指定されない場合に、接続線路が駆動制御ユニットによって外部からアドレス指定されるかどうかを決定するように構成されている。待機制御回路は、接続線路が駆動制御ユニットによってアドレス指定されかつアクティブ状態線路が接続線路をアドレス指定しない場合にのみ、センサを待機モード＝スタンバイモードに置き換える。
【００１１】
その上さらに、そのようなセンサのための動作方法も示される。この動作方法によれば、上述した１つ以上の実施形態に関連して示されるように、１つ以上のセンサが動作させられる。それゆえ、センサの特徴は、動作方法についても開示され、その逆も成り立つ。
【００１２】
動作方法の少なくとも１つの実施形態では、接続線路は、センサの構成要素ではない外部の駆動制御ユニットに接続されている。待機制御回路は、一方では接続線路が駆動制御ユニットによって外部からアドレス指定されるかどうかを決定し、他方では接続線路がアクティブ状態線路によってアドレス指定されるかどうかを決定する。待機制御回路は、接続線路がアクティブ状態線路によってアドレス指定されないが、駆動制御ユニットによって外部からアドレス指定されるかまたはスタンバイモードへの移行が指示される場合にのみ、センサを待機モードに置き換えるかまたは対応する制御信号を出力する。
【００１３】
センサ、特にモバイルエレクトロニクスの分野またはモバイルおよびウェアラブル分野とも称される、衣服に統合されたエレクトロニクスの分野で使用される光学的センサの場合、エネルギー消費量は重要な変数であり、バッテリーの寿命もしくは充電池動作時間を延ばすために最小化する必要がある。この場合、広く拡張されている方法は、大幅に低い電力消費量によって特徴付けられる、使用されていない場合に、センサをスタンバイモードに置き換えることである。本明細書で説明される動作方法を用いることにより、複雑で付加的な構造的手段をセンサに講じさせる必要なしで、センサをスタンバイモードに置き換えることができる。
【００１４】
センサまたはＩＣベースの構成部品をスタンバイモードに置き換える１つの手段は、スタンバイモード専用の付加的な接続箇所を関連するＩＣに設けることにある。外部からこの接続箇所に印加された電圧が、例えばローレベルからハイレベルにもしくはハイレベルからローレベルに変更される場合、スタンバイモードがアクティブもしくは非アクティブになる。ただし、この目的のために、コントローラーのような制御ユニット、例えばＦＰＧＡもしくはマイクロコントローラと、スタンバイ接続箇所との間に専用の物理的接続部を確立する必要がある。
【００１５】
他の手段は、固有の通信インターフェース、例えばＩ２Ｃインターフェースなどを有するセンサを使用することにある。そのようなセンサは、通信プロトコルを介して直接アクティブ化すること、および非アクティブ化することが可能であり、ひいてはスタンバイモードに切り替え可能である。ただし、センサにおいて、通信インターフェースは比較的複雑な論理ユニットに接続されており、そのため、専用の通信インターフェースが比較的高価である。
【００１６】
つまり、これらの実現形態では、付加的な線路がスタンバイ接続箇所に引かれているか、比較的複雑な通信プロトコルが処理可能である通信インターフェースが存在している。これらの要件は、センサの技術的複雑さおよび／または消費電力を増加させる。本明細書で説明されるセンサを用いれば、スタンバイモードを駆動制御するための付加的な接続箇所も、通信プロトコルを用いた通信インターフェースも必要ない。
【００１７】
したがって、本明細書で説明されるセンサの場合、駆動制御ユニットへの付加的な接続を確立する必要なしで、スタンバイモードを、センサ機能に起因する既存のデジタル出力側を介してアクティブ化することが可能である。この目的のために、好適な実施形態では、接続線路は、出力側において、特に、例えば１０ｋΩのプルアップ抵抗を用いたオープンドレインモードの双方向接続部として設計され、供給電圧に接続される。出力側が非アクティブの場合、プルアップ抵抗は接続箇所を高電位（ハイレベルとも称される）に引き上げる。出力側がアクティブになると直ちに、出力段のオープンドレイントランジスタは、接続箇所を低電位（ローレベルとも称される）に引き下げる。これにより、センサのデジタル出力側の通常の機能がさらに制限なしで実現できる。
【００１８】
スタンバイモードをアクティブ化するために、それに接続されている駆動制御ユニット、好適にはＦＰＧＡまたはマイクロコントローラは、自身の側でこの接続箇所を低電位に引き下げることができる。例えば、３つのインバーター、１つのＲＳフリップフロップ、および１つのＡＮＤゲートのみからなる待機制御回路の形態の簡単な論理回路は、ここにおいて、駆動制御ユニットに基づき接続箇所が低電位であることを識別し、センサ側の出力側は非アクティブではあるが、相応にスタンバイモードをアクティブ化するかまたは対応する制御命令を出力する。
【００１９】
駆動制御ユニットが接続箇所を使用可能にすると直ちに、これはプルアップ抵抗によって再び高電位に引き上げられ、電子ユニットの待機制御回路の論理回路がスタンバイモードを非アクティブ化する。出力側がアクティブから非アクティブに切り替わる際には、出力側が既に非アクティブであっても、接続箇所がまだ低電位である状況が短時間だけ起こる可能性があるため、スタンバイモードが誤った方法でアクティブになることを防止するために例えばＲＳフリップフロップが使用される。このＲＳフリップフロップは、好適には、出力側が非アクティブになり、接続部が高電位になると直ちにアクティブになり、これはアイドルに対応する。好適には、その後ではじめて、スタンバイモードのアクティブ化が可能になる。
【００２０】
したがって、本明細書で説明されるセンサと本明細書で説明される動作方法とにより、接触接続のための付加的なコンタクト箇所や複雑な通信インターフェースを必要とすることなしでスタンバイモードをセンサの集積回路に、つまり電子ユニットと待機制御回路とに統合することができるようになる。さらに、センサで使用される論理回路は、センサの集積回路に省スペース的および省エネルギー的に実現可能であり、特に異なるセンサチップに関連して多くの様々なセンサで使用可能である。さらに、センサの集積回路、特に電子ユニットならびに接続された駆動制御ユニットは、接続線路を相対抗方向に駆動するのではなく、常に同じ方向に駆動することが可能である。したがって、センサの電子機器と駆動制御ユニットとの衝突が好適に排除されている。
【００２１】
特に、仮想現実の分野での用途のためのディスプレイの場合、ディスプレイの位置決定の際に求められる精度を保証するためには、通常、数十のセンサが必要になる。したがって、センサのためのコストまたは専用のスタンバイ接続箇所に向かう付加的な信号線路のための手間は、ディスプレイの著しいコスト要因である。本明細書で説明されるセンサを用いれば、比較的僅かなセンサコストのもとで、相互接続の手間を小さく抑えることができる。
【００２２】
少なくとも１つの実施形態によれば、センサは、接続線路によってのみ双方向に接続されている。それにより、特に、センサには、通信プロトコルが実装された通信インターフェースがない。したがって、特に、クロックとも称する時間信号が、センサに伝送されることはない。すなわち、このセンサは、いわゆる通信インターフェースおよび／またはインターフェースブロックがなくてもよい。
【００２３】
少なくとも１つの実施形態によれば、接続線路に、電位発生器が例えば供給電圧を介して接続されている。この電位発生器は、特に、プルアップ抵抗器、プルダウン抵抗器、または最大電流を制限するアクティブ電流源である。この電位発生器を介して、接続線路は、駆動制御ユニットまたは電子ユニットからの信号の存在なしで、所定の電位に引き込むことができる。
【００２４】
少なくとも１つの実施形態によれば、接続線路から導出される信号は、アクティブ状態線路が高電位であり、かつ／または接続線路上の駆動制御ユニットがアクティブである場合に低電位に設定される。このことは、電位発生器は、アクティブ状態線路および／または接続線路上の駆動制御ユニットがアクティブである場合に無効になることを意味し得る。
【００２５】
少なくとも１つの実施形態によれば、接続線路からの信号は、アクティブ状態線路が低電位であり、その他に接続線路上の駆動制御ユニットが非アクティブである場合にのみ、電位発生器を介して高電位に設定される。換言すれば、アクティブ状態線路も接続線路もアクティブでない場合、電位発生器を介して接続線路上に高電位が印加される可能性がある。
【００２６】
少なくとも１つの実施形態によれば、駆動制御ユニットが接続線路上でアクティブである場合にのみ、待機モード、ひいてはスタンバイモードは、アクティブになる。このことは、センサの電子ユニットによって識別される。
【００２７】
上述の実施形態は、接続線路が、電位発生器によってアイドル時に高電位に設定されるケースについて説明している。同じように、電位発生器は、アイドル時に接続箇所を低電位に設定することも可能である。したがって、状態の高低に関する上記の実施形態は、相応に適合化する必要がある。
【００２８】
待機制御回路および電子ユニットの他のコンポーネントは、同じＩＣで実現されてもよい。すなわち、電子ユニット全体は、唯１つの部品に統合されてもよい。代替的に、電子ユニットを複数の異なるコンポーネントに収容することも可能である。
【００２９】
少なくとも１つの実施形態によれば、電位発生器は、センサに統合されている。すなわち、電位発生器は、センサの固定の構成部品であり、例えば待機制御回路を備えた電子ユニットに収容されている。代替的に、電位発生器は、駆動制御ユニットに統合されているか、または電位発生器が駆動制御ユニットおよびセンサとは異なる別個のコンポーネントであることも可能である。
【００３０】
少なくとも１つの実施形態によれば、接続線路上の電位発生器の状態は、待機制御回路において時間遅延されて処理される。この時間遅延は、例えば、非反転シュミットトリガー、ＲＳフリップフロップ、ローパスフィルタ、ＲＣ素子、および／またはインバーターの直列回路によって達成される。インバーターのケースでは、直列に接続された好適には偶数個のインバーターが存在する。
【００３１】
少なくとも１つの実施形態によれば、アクティブ状態線路上の信号は、センサチップのデジタル化された信号の包絡線に等しい。換言すれば、アクティブ状態線路は、好適には、センサチップのデジタルデータが駆動制御ユニットに伝送される場合にのみアクティブである。
【００３２】
少なくとも１つの実施形態によれば、駆動制御ユニットは、待機モードを設定するための接続線路の応答を唯一の信号としてセンサに送信する。すなわち、そのときには、駆動制御ユニットからは例えばクロック発生器などの他の信号はセンサに伝送されない。
【００３３】
少なくとも１つの実施形態によれば、センサは厳密に３つの電気的端子を有する。特に、接続線路の他に、高電圧用および低電圧用の２つの電圧端子が存在する。これらの電圧端子の１つは、グランド、ＧＮＤもしくはＶＳＳとも称されるアース端子であり得る。
【００３４】
少なくとも１つの実施形態によれば、センサは、厳密に４つの電気的端子を有する。特に、接続線路の他に、センサチップのデジタル化された信号用のさらなるデータ出力線路、ならびに高電圧用および低電圧用の２つの電圧端子が存在する。これらの電圧端子の１つは、グランド、ＧＮＤもしくはＶＳＳとも称されるアース端子であり得る。
【００３５】
少なくとも１つの実施形態によれば、接続線路は、オープンドレインモードで機能する。
【００３６】
少なくとも１つの実施形態によれば、接続線路がアクティブ状態線路によってアドレス指定される駆動制御ユニットの平均アクティブ時間間隔は、少なくとも２００μｓまたは２ｍｓまたは２０ｍｓである。代替的または付加的に、この時間間隔は、最大で１分または１０秒である。換言すれば、スタンバイモードは、電子部品のための通常のクロックレートに比べて長時間アクティブになる。特に、駆動制御ユニットからはより高速な変調信号はセンサに伝送されない。
【００３７】
少なくとも１つの実施形態によれば、待機制御回路は、電子的にコンパクトに構成されている。このことは、特に、待機制御回路が最大で２５または１５または１０の論理ゲートを含むことを意味する。例えば、待機制御回路は、厳密に３つのインバーター、厳密に１つのＲＳフリップフロップ、および厳密に１つのＡＮＤゲートを含み、それ以外の場合論理ゲートは含まない。
【００３８】
少なくとも１つの実施形態によれば、センサは、３Ｄ位置検出システム用に構成されている。３Ｄとは３次元の略である。すなわち、センサは、用途に従って位置検出システムの一部である。そのような３Ｄ位置検出システムは、特に、例えばユーザーに携帯されるディスプレイおよび／または例えばコンピュータゲーム用のコントロールユニットのディスプレイなどの可動コンポーネントの空間における姿勢および／または位置を識別し、相応に好適には仮想現実の領域からのゲーム環境を提供するために用いられる。
【００３９】
少なくとも１つの実施形態によれば、複数のセンサが３Ｄ位置検出システムで使用される。例えば、これらのセンサの数は少なくとも５個または１０個または２０個または３０個である。代替的または付加的に、これらのセンサの数は、最大で２００個または１００個である。
【００４０】
少なくとも１つの実施形態によれば、３Ｄ位置検出システムは、１つ以上の放射線源を含む。好適には複数の放射線源が存在している。少なくとも１つの放射線源は、複数のセンサによって検出すべき放射線を生成するように構成されている。
【００４１】
少なくとも１つの実施形態によれば、３Ｄ位置検出システムは、少なくとも１つのユーザー機器を含む。このユーザー機器は、好適には、ユーザーの頭に装着される表示機器であり、ヘッドマウントディスプレイまたは略してＨＭＤとも称される。特に、このユーザー機器は、仮想現実の分野での用途のための三次元画像を表示するように構成されている。好適には、ユーザー毎にまさにそのようなユーザー機器が設けられており、この場合は、例えば、いわゆるコントローラーの形態の付加的なユーザー機器が存在してもよい。複数のユーザーのケースでは、これらのユーザー機器は、好適には、各ユーザーに一義的に割り当てられている。同時に好適には、厳密に１人のユーザーのみが存在するか、同時に厳密に２人のユーザーのみが存在する。
【００４２】
少なくとも１つの実施形態によれば、これらのセンサは、１つ以上のユーザー機器に組み込まれている。前述したセンサの数は、好適には、各ユーザー機器毎に適用される。これらのセンサは、好適には不可逆的に組み込まれている。特に、センサ毎に厳密に１つのセンサチップが存在する。
【００４３】
少なくとも１つの実施形態によれば、これらのセンサは、ユーザー機器と放射源との間の角度を決定するように構成されている。この角度の決定を介して、ユーザー機器の空間位置および／または配向を算出することができる。すなわち、これらのセンサと少なくとも１つの放射線源との協働により、ユーザー機器の正確な位置特定が好適にはリアルタイムで可能になる。
【００４４】
少なくとも１つの実施形態によれば、３Ｄ位置検出システムは、仮想現実のためのシステムであり、ＶＲシステムとも称される。例えば、このＶＲシステムは、ＳｔｅａｍＶＲトラッキング、または例えばＨＴＣ  Ｖｉｖｅで使用されるバルブのＳｔｅａｍＶＲ２である。特に、この３Ｄ位置検出システムは、米国特許出願公開第２０１６／０１３１７６１号明細書に記載されているように構築され、その開示内容、特に、図８、２８ａおよび２８ｂならびに段落８１〜８９および１２２、その他に請求項１は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４５】
少なくとも１つの実施形態によれば、検出すべき放射線は近赤外線である。この放射線の最大強度の波長は、好適には少なくとも７８０ｎｍまたは８１０ｎｍおよび／または最大で１０５０ｎｍまたは９４０ｎｍまたは８６０ｎｍである。
【００４６】
少なくとも１つの実施形態によれば、検出すべき放射線は、少なくとも部分的にレーザービームである。このレーザービームは、好適には面状である。すなわち、平坦な照射面上でレーザービームは、連続した好適には直線として現れる。特に、米国特許出願公開第２０１６／０１３１７６１号明細書に記載されているように走査され、これについては、例えば段落７３が参照され、この参照によりその開示内容も本明細書に組み込まれる。
【００４７】
少なくとも１つの実施形態によれば、レーザービームは、パルス制御されたレーザービームである。この場合、繰り返し率は、好適には少なくとも１ＭＨｚである。これについては、米国特許出願公開第２０１６／０１３１７６１号明細書の例えば段落８３を参照されたい。パルス持続時間は比較的長くてもよく、例えば少なくとも５０ｎｓまたは１００ｎｓまたは３００ｎｓおよび／または最大で０．５μｓまたは２μｍまたは５μｓであり得る。
【００４８】
少なくとも１つの実施形態によれば、放射線は、動作中に、ユーザー機器が用途に従って存在する空間領域を越えて横断する。この場合、好適には、複数の順次連続するレーザービームのパルスが生成される。例えば、掃引とも称される空間領域のそのような横断は、垂直方向および水平方向に、特にそれぞれ直線的に行われ、そのため、放射線源の走査線は、所望の空間領域を越えて水平および／または垂直に移動する。これについては米国特許出願公開第２０１６／０１３１７６１号明細書の段落７１および１１０も参照され、この参照によりその開示内容も本明細書に組み込まれる。
【００４９】
少なくとも１つの実施形態によれば、空間領域の走査は、複数の順次連続するレーザービームのパルスが関連するセンサチップに入射するように構成されている。すなわち、角度を決定するために、複数のレーザーパルスが関連するセンサチップに到達する。これについては米国特許出願公開第２０１６／０１３１７６１号明細書の例えば段落８４および１１９も参照され、この参照によりその開示内容も本明細書に組み込まれる。
【００５０】
少なくとも１つの実施形態によれば、入射する放射線、特にパルスの強度ヒストグラムは、関連するセンサチップによって検出される。これについても米国特許出願公開第２０１６／０１３１７６１号明細書の例えば段落８４および１１９が参照され、この参照によりその開示内容は本明細書に組み込まれる。すなわち、順次連続するパルスの強度が測定される。パルスの強度または放射線の時間的経過の評価、およびそれに伴う強度ヒストグラムの作成は、センサ内部で、例えば支持体の電子回路で行うことができる。代替的に、この評価は、センサの外部で、例えばユーザー機器内かまたは当該ユーザー機器に好適にはワイヤレスデータリンクを介して接続されたコンピュータ内で行われる。この強度ヒストグラムからは、関連する放射線源に対する角度が算出される。
【００５１】
少なくとも１つの実施形態によれば、ユーザー機器は、３次元画像を表示するための１つ以上のディスプレイを備えた仮想現実の領域のための眼鏡である。したがって、ユーザー機器はＨＭＤであり得る。
【００５２】
以下では、本明細書で説明されるセンサおよび本明細書で説明される動作方法を、実施例に基づき、図面を参照しながらより詳細に説明する。この場合、個々の図面において同じ参照符号は同じ要素を示す。ただし、ここでは縮尺どおりの関係を示しているわけではなく、むしろ個々の要素は、より良好な理解のために拡大して誇張的に示され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本明細書で説明されるセンサの実施例の概略的断面図
【図２】本明細書で説明されるセンサの実施例の概略的断面図
【図３】本明細書で説明されるセンサを備えた３Ｄ位置検出システムの概略図
【図４】センサの実施例の電気的接続箇所の下面図
【図５】本明細書で説明されるセンサの実施例に関する概略的回路図
【図６】本明細書で説明されるセンサの実施例の実施例に関する概略的回路図
【図７】本明細書で説明されるセンサの実施例の信号経過の概略図
【図８】本明細書で説明されるセンサの実施例の実施例に関する概略的回路図
【図９Ａ】本明細書で説明されるセンサの実施例の信号経過の概略図
【図９Ｂ】本明細書で説明されるセンサの実施例の信号経過の概略図
【００５４】
図１には、センサ１の一実施例の断面図が示されている。このセンサ１は、シリコン支持体のような支持体３を含む。この支持体３は、好適には、例えばＩＣとしての電子ユニット６を含む。支持体３上には、当該支持体３とは反対側の検出側であるチップ上面２１を有するセンサチップ２が存在する。好適には、チップ側壁２２を介して信号は検出されない。このセンサチップ２は、好適には、ＯＳＲＡＭ社のＢＰＷ３４ＳのようなＰＩＮシリコンフォトダイオードである。
【００５５】
さらに、センサ１は、注型体４を有する。支持体３とは反対側の光入射側４１は、滑らかで平坦でかつ平面である。この光入射側と、注型体４の同様に滑らかで平坦でかつ放射線透過性の側壁４２との間の角度φは、好適には９５°〜１１０°の間、例えば１００°である。好適には、注型体４は、チップ上面２１を完全に覆い、平面視でセンサチップ２の周りを特に均一な幅で環状に取り囲むように延在している。
【００５６】
センサ１は、スペクトルフィルタなどの図示されていない付加的なコンポーネントを有することができ、そのため、検出すべき放射線のみがセンサチップ２に到達し、他の波長は吸収もしくは反射される。例えば、注型体４は、可視光に関して吸光的である。
【００５７】
図２には、センサ１のさらなる実施例が示されている。ここでは、光入射側４１は、表面全体にわたって粗面４４を備えている。この粗面４４により、センサチップ２に向かう光入射側４１の内側での放射線Ｒのランバート散乱が達成可能になる。側壁４２は、図１の実施例の場合もそうであり得るように、光入射側４１に対して垂直に配向されている。その他の点についても図１に対応する実施形態が当てはまる。
【００５８】
図３Ａには、３Ｄ位置検出システム１０が斜視図で示されている。このシステム１０は、複数の放射線源１１を含み、これらは、近赤外線スペクトル範囲の面状のレーザービームＲを水平および垂直に放射し、例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの繰り返し率で掃引ＳＷＥＥＰとも称される垂直および水平の線状の走査を行う。
【００５９】
ユーザー１４は、複数のセンサを含むユーザー機器１２を携帯し、この場合、これらのセンサは、図３Ａには示されていない。システム１０は、特に、米国特許出願公開第２０１６／０１３１７６１号明細書に記載されているように構成されている。このシステムでは、高い時間分解能が可能であり、そのため、ユーザー１４の移動とユーザー１４の位置の新たな検出との間の時間差は、めまいの発生を最小化もしくは防止するために比較的小さい。
【００６０】
ここでは、灯台とも称される各放射線源１１は、開始時点ｔ０を画定するために、例えば持続時間Ｔの赤外線フラッシュを放射する。これについては米国特許出願公開第２０１６／０１３１７６１号明細書の図３Ｂまたは図２８ａおよび２８ｂとともに関連する説明も参照されたい。赤外線フラッシュには、垂直および水平のレーザービームが追従する。赤外線フラッシュは、ＳＹＮＣとも称される。この赤外線フラッシュＳＹＮＣと、掃引ＳＷＥＥＰの検出時間との間の時間差は、放射線源１１に対する関連するセンサの角度の計算を可能にする。
【００６１】
付加的な信号は、赤外線フラッシュＳＹＮＣのパルス長および／またはパルスシーケンスにコード化されてもよい。バックグラウンド抑制のために、光信号は、好適には変調されており、それによってパルス列が生成される。この場合、変調周波数は、好適には少なくとも１ＭＨｚである。ユーザー機器１２と関連する放射線源１１との間の角度は、関連するセンサによって測定された強度信号Ｉから、特に信号Ｉにおける重心Ｃの時点から生じる。
【００６２】
図４Ａには、センサ１の電気的接触面３１の下面図が示されている。供給電圧ＶＳＳ，ＶＤＤのための２つの接触面３１が存在する。さらに、ＯＵＴおよびＤＯＵＴとも称される２つのデータ線路６１，６４が存在し、これらを介して、センサチップ２から得られたデータがデジタル化されて出力される。データ線路ＯＵＴ６１は、さらに、信号Ｙが印加可能な双方向接続線路６１として構成されている。
【００６３】
それに対して、図４Ｂのセンサは、供給電圧ＶＳＳ，ＶＤＤのための２つの接触面３１および付加的なデータ出力線ＯＵＴとしての接続線路６１のみを有する。したがって、センサデータは、デジタル化されて接続線路６１を介して出力される。
【００６４】
図５には、本明細書で説明される動作方法のための回路構造が概略的に示されている。センサ１は、特に支持体３内に電子ユニット６を含む。この電子ユニット６は、センサ１をスタンバイモードＳＴＤＢＹに切り替えることができる待機制御回路６２を含む。接続線路６１上で電子ユニット６からは、例えばアクティブ状態線路ＯＵＴに対応する、デジタル化されたデータＤＯＵＴのためのデータ包絡線ＯＵＴが出力される。
【００６５】
接続線路６１は、プルアップ抵抗６３に接続され、このプルアップ抵抗６３は、供給電圧ＶＤＤに接続されている。さらに接続線路６１上には、特に図５には示されていないユーザー機器１２内に統合された外部の駆動制御ユニット７が存在している。この駆動制御ユニット７は、例えばＦＰＧＡである。したがって、このセンサには完全装備の通信インターフェースがなく、特にＩ２Ｃユニットのようなドライバーブロックは含まれない。
【００６６】
接続線路６１は、好適には、オープンドレイン接続部として構成されている。例えば、これに関して双方向の出力ドライバが使用できる。
【００６７】
この構造により、待機制御回路６２は、単に小さな論理ブロックとして実施可能であり、接続箇所６１が外部から操作されるか内部から操作されるかを効率的に検出でき、そこからスタンバイモードのアクティブ化のための条件が導出される。待機制御回路６２の出力側ＳＴＤＢＹは、好適にはセンサ内に既存のスタンバイ切り替え回路の論理ブロックに接続されてもよい。
【００６８】
図５の実施形態では、双方向ドライバおよび論理ブロックは、スタンバイモードの期間中は駆動制御ユニット７によってアクティブに駆動制御され得る。
【００６９】
図６には、待機制御回路６２のさらなる実現手段が概略的に示されている。ここでは、接続線路６１を介して信号Ｙが、電位発生器６３から直接印加される。この信号Ｙは、一方ではインバーターに印加され、他方ではアクティブ状態線路ＯＵＴの信号と同様にＲＳフリップフロップに印加される。このＲＳフリップフロップの出力ならびに反転された信号Ｙは、ＡＮＤゲートに転送される。任意選択的に、干渉パルスの抑制のために二重のインバーター段を介して遅延が生成される。これにより、信号ＤＩＳが生成され、この信号ＤＩＳを介してスタンバイモードがアクティブになる。
【００７０】
この目的のために、例示的な信号経過が図７において時間軸ｔに沿って示されている。上方には、その内部でデータが出力側６４，ＤＯＵＴに印加される包絡線に相応するアクティブ状態線路の信号ＯＵＴが示されている。この信号ＯＵＴが高電位ｈｉｇｈならば、センサ１のモードＭＯＤＥは、アクティブＡＣＴＩＶＥである。この信号ＯＵＴが高電位ｈｉｇｈならば、接続線路６１に印加される信号Ｙは低電位ｌｏｗに引き下げられる。このことは、僅かな時間遅延を伴って発生する。
【００７１】
さらに、接続線路６１上でＦＰＧＡ７がアクティブ信号を送信する場合、信号Ｙは、再び僅かな時間遅延を伴って低電位ｌｏｗに引き下げられる。ＦＰＧＡ７の信号が高電位ｈｉｇｈである場合のこの時間範囲では、モードＭＯＤＥは、ＳＴＡＮＤＢＹに設定される。それ以外の場合、モードＭＯＤＥは、アイドルＩＤＬＥに対応する。スタンバイモードのアクティブ化のために結果的に生じる制御信号ＤＩＳは（図６参照）、図７では時間経過として一番下にプロットされている。
【００７２】
図７によれば、信号ＯＵＴがゼロへリセットされた直後のモードＡＣＴＩＶＥの終了時に値ＯＵＴ＝０＝Ｙが存在する。これは、スタンバイモードをアクティブ化するために必要である信号コンステレーションＯＵＴ＝０＝Ｙと同じである。アクティブモード終了時のこの遷移領域を、スタンバイモードのアクティブ化のための信号として誤って使用しないようにするために、好適には、フィルタリングが、例えばＲＳフリップフロップを介して行われる。
【００７３】
図６には、論理回路に関する一例が示された。ただし、同じ論理テーブルを得るために、他のゲートの組み合わせも可能である。これにより、所望の特性を、異なるアレイと駆動制御とを用いて実現することができる。切り替え期間中の問題を、図７に関連して説明したように回避するために、本来の論理回路による２つのインバーター（図６参照）は、十分な遅延を生成する。同じ効果は、２つのインバーターの代わりに、例えばＲＣフィルタなどのローパスフィルタによっても達成可能である。
【００７４】
複数の実施例では、接続線路６１の各配線は、プルアップ抵抗を用いたオープンドレインとして示されている。同じ原理は、プルダウン抵抗を用いて実現することもできる。そのため、出力側の極性は所望されるときに反転することができる。このケースでは論理回路を相応に適合化する必要がある。さらに、電位発生器６３のためのパッシブ抵抗の代わりに、例えば最大電流を例えば１００μＡに制限するトランジスタもしくはトランジスタ回路を用いてアクティブ電流源を使用することも可能である。次いで、ドライバ６２，７は、場合によってはこの電流源に対して、接続線路６１の接地のために機能する。
【００７５】
図８および図９には、さらなる実現例が示されている。図９Ａの時間経過は、図８Ａに対応し、図９Ｂは図８Ｂに対応する。この場合、図８Ａは、スタンバイモードに関連している。図８Ｂは、特に、センサ１がアクティブである場合のモードに関連している。
【００７６】
センサチップには光信号Ｉが印加される。アクティブモードでは、光信号Ｉからデータ出力信号ＤＯＵＴが生成される。駆動制御ユニット７によってスタンバイモードが要求されると、データ出力は発生しない。
【００７７】
図８において駆動制御ユニット７、待機制御回路６２、ならびに電位発生器６３に関して例示的に述べた値および回路は、他のすべての実施例において、例えば最大で５０％の許容差で使用することができる。
【００７８】
したがって、本明細書で説明される動作方法を用いることにより、既存のチップ設計を備えたスタンバイ回路を実現することができる。これにより、出力線路はオープンドレインの双方向接続部に変更される。このことは、例えば、外部または内部の例えば１０ｋΩのオーダーのプルアップ抵抗を介して、あるいは駆動制御ユニット７のＦＰＧＡから任意選択的に提供される例えば約１３０μＡのプルアップ電流を用いて行われる。これに対しては、スタンバイ問合せのための信号を識別するために、例えば３つのインバーター、１つのフリップフロップ、および１つのＡＮＤゲートのみから形成された小さな論理ブロックが、センサ１に必要とされるだけである。
【００７９】
つまり、スタンバイモードは、データＯＵＴの包絡線の接続線路が駆動制御ユニット７によって低電位に引き下げられることにより、アクティブ化することができる。このことは、特に、データ包絡線の信号ＯＵＴがアイドルモードＩＤＬＥであり、そのため、データ包絡線が生成されない場合にのみ可能である。このことは、通常、対応する用途において与えられてもよい。スタンバイモードのアクティブ化は、好適には、出力が一度トリガーされた後でのみ可能である。なぜなら、フリップフロップの初期状態は、スイッチオン後は良好に定められていないからである。
【００８０】
ただし、本明細書で説明される回路と動作モードにより、スタンバイモードがアクティブである場合にのみ、特に約３００μＡのプルアップ抵抗によって付加的な電力消費が発生する。例えば容量が３０ｐＦで負荷が１０ｋΩの場合、包絡線ＯＵＴの遅延時間は特に最大で２００ｎｓである。立ち上がりエッジの立ち上がり時間は、好適には、出力ドライバのドライバ強度によって決定され、これは、例えば約２０ｎｓである。
【００８１】
本明細書で説明される発明は、実施例に基づく説明によって限定されるものではない。それどころか、本発明は、当該特徴もしくは当該組み合わせ自体が特許請求の範囲または実施例において明示的に示されていない場合であっても、あらゆる新規の特徴ならびに特に特許請求の範囲の特徴のあらゆる組み合わせを含めたこれらの特徴のあらゆる組み合わせを含む。
【符号の説明】
【００８２】
１      センサ
２      センサチップ
２１    チップ上面
２２    チップ側壁
３      支持体
３１    支持体コンタクト面
４      注型体
４１    光入射側
４２    側壁
４４    粗面
４５    電気的コンタクト箇所
５      ボンディングワイヤ
６      電子ユニット
６１    双方向接続線路
６２    待機制御回路（Ｓｔａｎｄｂｙ）
６３    電位発生器（プルアップ抵抗）
６４    データ線路（ＤＯＵＴ）
７      駆動制御ユニット
１０    ３Ｄ位置検出システム
１１    放射線源
１２    ユーザー機器
ＯＵＴ  アクティブ状態線路
Ｉ      光信号強度
Ｒ      放射線
ＧＮＤ  アースコンタクト（Ｇｒｏｕｎｄ）
ＶＤＤ  供給電圧
【図１】
2020536303.tif 000003
【図２】
2020536303.tif 000004
【図３Ａ）】
2020536303.tif 000005
【図３Ｂ）】
2020536303.tif 000006
【図４Ａ）】
2020536303.tif 000007
【図４Ｂ）】
2020536303.tif 000008
【図５】
2020536303.tif 000009
【図６】
2020536303.tif 000010
【図７】
2020536303.tif 000011
【図８Ａ）】
2020536303.tif 000012
【図８Ｂ）】
2020536303.tif 000013
【図９Ａ）】
2020536303.tif 000014
【図９Ｂ）】
2020536303.tif 000015
【国際調査報告】
2020536303.tif 000016
2020536303.tif 000017
2020536303.tif 000018
2020536303.tif 000019
2020536303.tif 000020