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CN1247607A - 一种用于计算机的输入装置 - Google Patents

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CN1247607A
CN1247607A CN98802502.7A CN98802502A CN1247607A CN 1247607 A CN1247607 A CN 1247607A CN 98802502 A CN98802502 A CN 98802502A CN 1247607 A CN1247607 A CN 1247607A
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China
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ball
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pen
detecting
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CN98802502.7A
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约尔根·科斯加德·詹森
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Kanitech AS
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Abstract

本发明提供一种通过一个球(2)的运动用来在计算机屏幕上定位光标的输入装置,球的旋转运动变换成电子信号,该输入装置的特征在于:球(2)的角转动能由一个光学检测装置(11)通过以这样一种方式利用基本相干的光来检测,从而球的转动转换成相对于x轴和y轴的数据值,所述轴最好彼此垂直。这提供了一种适于把计算机鼠标建造成圆珠笔形的紧凑检测装置。

Description

一种用于计算机的输入装置
本发明涉及一种用来通过球相对于基板的运动定位计算机屏幕上的光标的输入装置，并且球的这些旋转运动转化成电子信号。
用于计算机操作的一般已知输入装置，如计算机鼠标，具有一定的缺陷。计算机鼠标需要一些在计算机用户范围内的可用空间。对于鼠标基板的另一个要求是，它必须是坚固和平的，而且基本是一定程度的水平基板，以使用户能够相对于计算机屏幕的整个范围定位鼠标的屏幕投影。以下情况可能有时是困难的或者甚至是不可能的：把计算机安置成对于鼠标操作所要求的空间总是适用的。况且，已知的计算机鼠标方案在长期使用后经常导致手指和手腕疼痛。
已经进行了几种尝试来克服这些缺陷，特别是几种提议用来把计算机鼠标建造成一种圆珠笔。这样一种“计算机笔”操作将极为方便、容易和更准确，有可能利用手指的微细运动功能远比手臂发展得好的事实。而且，关于其上使用鼠标的基板没有严格要求。
把计算机鼠标建造成圆珠笔也将能够扩展计算机的一般用途。因而，可以想象，计算机的未来使用尤其将包括“手写”字母或电子形式的笔记。因此有可能把个人接触给与计算机用户，并且完全或部分减小键盘的使用。
然而，已经发现，用来记录和把球的运动转换成电信号的布置的常规实施例，需要大量空间，特别是在球周围，这对可能给出的笔状计算机鼠标的小尺寸设置了限制。对于“计算机笔”的已知结构通常是，笔本身和球的外部直径较大，并且计算机笔因而不如普通圆珠笔方便。
德国Auslegeschrift No.DE 39 00 622 A1描述了一种笔状计算机鼠标，其中因为两个滚子与球恒定的接触，所以实现球的运动记录。滚子作为球转动的结果而转动。提供一个与滚子的每一个相连接的传感器单元，用于记录滚子的转动。两个滚子这样布置，从而可以记录在两个相对于x轴和y轴方向上的球运动。这种方案，需要较大的空间，就象普通“盒形”计算机鼠标中球的正常转动记录，但不同之处在于在圆珠笔结构中球后面的空间正好可用。因而，根据DE 39 00 622 A1的管形计算机鼠标不能以非常小的横截面直径制造，因为直接在球后面的管必须能够容纳整个空间要求的记录装置。
由US-A-5 434 594还得知计算机鼠标的笔形结构的另一个实施例。这里，记录装置和球悬架以与普通“盒形”鼠标相同的方式制成。结果是计算机鼠标具有这样一种结构，从而只在某种程度上，提供了相对于笔形计算机鼠标来说期望的优点。
EP-A-0 413 606描述了一种组合圆珠笔和计算机鼠标。它这样操作，流量计直接布置在球上方，所述流量计测量其中墨水作为球运动的结果而运动的方向。这种方案显得不是非常可靠，并且只有在笔中存在墨水才行。
由US-A5,288,993得知一种跟踪球装置，其中球提供有随机分布的对比色斑点、和光敏传感器装置，从而能检测球的运动。这种检测概念占用球下面和旁边的大量空间，并且仅由于这个原因就不适于在笔型方案中使用。而且，该装置需要至少5毫米直径的球。
由WO94/22071得知另一种光学方案。该装置包括能检测高尔夫球型的球的运动的光耦合器装置，高尔夫球型的球装有凹下反射器(凹坑)。该装置也占用球周围的大量空间，并且需要相当大的直径，该直径使该方案不适合作为笔型方案。
因而，本发明的目的在于，为用于计算机的输入装置提供一种记录装置，该记录装置比已知方案需要小得多的空间，由此使得有可能以与圆珠笔、或类似的书写器具相对应的尺寸建造笔形计算机鼠标。
本发明包括一种引言所述种类的输入装置，其中输入装置包括用来最好在彼此垂直的两个方向上检测球的角转动的光学检测装置，所述光学检测装置包括至少一个基本相干的电磁辐射源、至少一个透镜及一个或多个检测器。
这提供了一种用于输入装置的记录装置，该输入装置仅包含少量占空间的元件，并且就空间方面来说具有优势，因为光学检测装置可以布置在球的后侧，并且仅占用很少的空间。这使得该原理适于计算机笔的设计，因为它可以用较小的横截面直径制造，由于检测装置能用细长形状建造。
在本发明的第一最佳实施例中，光学检测装置适于检测斑点图案的运动，该斑点图案是由从球表面，如整洁表面，的粒状结构散射的电磁辐射产生的。
这是一种进行检测的特别简单方法，因为根据本发明该实施例的检测装置对于球表面不施加任何特别的要求。
当相干光离开表面散射并且进行建设性地或破坏性地干涉时，产生斑点，因为光在自由空间中传播。在离照明表面的一个距离处，观察到强的强度调制，这通常称作“斑点图案”。相干光最好由VCSEL类型的激光器(VCSEL：竖直腔表面发射激光器)提供，便利之处在于它具有非常低的电功率消耗、和较低的束发散。
根据本发明这个第一实施例的计算机输入装置的球能设计成具有相当小的直径，因为不需要特别的表面结构。通过用相干光照射物体表面的斑点确定圆柱形物体角转动的方法，一般由EP-B1-0671007得知。
在第一最佳实施例中，光学检测装置包括一个第一和一个第二检测器组、及一个公共激光源，并且每组检测器适于检测在第一和第二方向的角转动。另外，每组检测器包括两个检测器，这两个检测器以这样一种方式布置，从而由球表面依次产生的斑点图案，通过球的角转动由一个第一检测器检测，并且然后由一个第二检测器检测。而且，在检测斑点之间的过渡时间能由电子装置确定。由此能进行在两个方向上的球的角转动的可靠测量。另外，检测器能布置成四重检测器或类似的检测器阵列。
在另一个实施例中，球表面形成有用于运动的光学检测的光学可检测标记。来自表面的电磁辐射或激光束的反射由检测器和/或CCD摄象机检测，随后这些信号在电子信号处理单元中，转换成给出球转动方向的电子信号。标记的读也在一种光学系统中进行，该光学系统基本上类似于由紧致盘(CD)技术和其他形式的光学测量装置形成的已知光学系统。
根据该实施例的检测器也能布置成四重检测器或一个检测器阵列。
光学可检测标记可以便利地嵌在信息层中，或者直接在球的表面上，或者在最好彼此垂直取向、且向其转移球的转动的两个轴上，所述标记层提供在这些轴上。为了保护信息层，可以把最好是一个透明保护层最后涂到信息层上，如例如从紧致盘已知的那样。
在本发明的最佳实施例中，把装置建造成包括管形壳体的计算机笔，其中球可转动地布置在一端。而且，在相对端处，计算机笔可以以电缆连接或无线连接的形式连接到计算机上。在这个实施例中，笔将提供有一个发射器和一个电源，如通常的可充电电池。键可以布置在基本上为管形的壳体的一侧，以产生用于连接计算机的辅助控制信号。这些键以及基本上为管形的壳体被成形，并且布置成人类工程学的正确配置。
在一个实施例中，另外可以设想，把来自激光器的激光束分成两个或多个束。作为对检测器的补充或代替检测器的一个或多个，检测装置另外可以包括一个或多个CCD摄象机。
电子信号处理单元可以是笔的一个集成部分，另外光学信号仅部分在笔中处理，随后由并入在发送接收器中或固定到计算机上的电子信号处理单元，进行最终信号处理。
光学可检测标记可以便利地嵌在信息层中，或者直接在球的表面上，或者在最好彼此垂直取向、且向其转移球的转动的两个轴上，所述标记层提供在这些轴上。为了保护信息层，可以把最好是一个透明保护层最后涂到信息层上，如例如从紧致盘已知的那样。
输入装置可以进一步包括一个电池、和有关的电池容量测量装置，该测量装置能产生显示剩余容量的信号，并且把这些信号传送到计算机。这意味着，在使用期间用户将有可能监视输入装置的状态。
下面参照附图将更详尽地描述本发明，在附图中
图1是根据按照本发明一种输入装置的一个最佳实施例的一种计算机笔的视图，
图2是根据在表面上形成有标记的一个实施例的球的基本详细视图，及
图3是根据本发明一个实施例的光学检测装置的示意图，
图4是根据按照本发明一种输入装置的一个最佳实施例的一种计算机笔的内部结构视图，
图5是图1和5中计算机笔的光学检测装置的详细视图，
图6a和6b是检测装置检测的具有“自然”表面的球的角转动的主要视图，
图7是根据本发明最佳实施例的光学检测装置的详细视图，
图8是与球有关的检测器的示意顶视图，
图9是一种通过根据本发明第一实施例的检测装置用来确定角转动量的数字处理方案，及
图10是通过根据本发明最佳实施例的检测装置用来确定角转动量的处理方案的另一部分。
图1表示根据本发明建造成一种计算机笔1的一种输入装置，计算机笔1包括安装在笔的基本上为管形的主要部分3的下端处的一个球2、和在相对端用来从笔1向一个计算机(未表示)发送信号的发送装置5。主要部分3的下部安装有一个键单元4，键单元4包括如此布置在笔1上的两个按钮，从而当用户把笔1握在其手中时与两个手指对准。
在所示的实施例中，主要部分3一般形成圆形横截面，但当然可以依据希望的设计具有任何横截面形状。
如图4中所示，光学检测装置11布置在主要部分3内球2的上方，以记录球在两个方向上的转动，借助于光学检测装置11可以把笔通过球的转动在X和Y方向上的运动，转换成经发送装置5发送到计算机的电信号。
在本发明的一个实施例中，球借助于带有光学可读标记的一个信息层形成，光学可读标记由光学检测装置11读出，并且转换成电子位置信号/位置变化信号。检测装置包括最好为激光的一个光源、一个或多个反射器、诸透镜和检测器。
如图2中所示，球2包括一个心部7。一个包括标记的信息层8提供在心部的表面上。信息层的表面已经涂敷到其上一个光学可反射层9。反射层9盖有一个可以是透明塑料或橡胶材料的保护层10。
在一个便利的实施例中，记录球转动和把这些转换成电子信号的光学检测装置11通过利用激光操作，如图3中所示。一个激光器12通过透镜14及检测器15还有反射器的一个系统发送光，该系统包括一个偏振光束分光器13，最好还有一个四分之一波片25。激光由球2上在不同深度的反射层9反射，这取决于光如何相对于信息层8中的标记落在反射层9上。透镜14和准直孔24保证光相对于球表面正确地聚焦。检测器15与处理检测信号的一个电子信号处理单元通信，检测的信号然后进一步通到计算机。
把电子信号从计算机笔传送到计算机的装置可以是一根导线5，或者另外是包括在计算机上的接收器单元和笔上的发送器单元的一种无线连接，如图1和4中所示。
图1表示一种建造成圆珠笔的计算机笔。由图1显见，当开关19中断从笔到有关计算机的信号传送时，球2缩进壳体3中。笔提供有一个夹片21，从而当笔不用时可以以实用方式放在用户的口袋等中。
图4表示笔的结构。光学检测装置的顶部在压敏计20的一端或两端与其接触。由此可以检测球上的压力和球压力的大小。笔然后可以依据安装软件用途，用于至计算机的图象输入。这允许笔通过贴着基板压紧用于单击功能，从而压敏计20可以用作一种选择方法，或用作对单击键4的补充，并且笔也可以用来产生图象，有可能把球压力转换成在画图中使用的线粗细的信号。根据本发明这个实施例的计算机笔因而可以用来产生“手写”电子信息等，正如其他形式的画图将是可能的那样。根据本发明这个实施例的计算机笔因而可以在基于计算机的任务方面使用，就象今天圆珠笔用于基于纸张的任务。
压敏计20最好实现成导电橡胶材料。在这个橡胶盘的一侧上，建立一个永久电气触点，而另一侧当施加球压力时进入电气接触。橡胶盘以这样一种方式成形，从而接触表面通过球压力的增大而增大。另外，压敏计20能作为压电或应变片方案提供。笔的结构况且包括一个集成在所示实施例的笔中的处理器单元18。另外，处理器单元18可以集成在发送接收器中、或在计算机上，其中来自光学检测装置11和压敏计20(如果安装这个的话)的检测信号，转换成电子信号，该电子信号借助于一个红外或无线电发送单元无线地发送到计算机。在该最佳实施例中，无线连接将基于无线电频率发送。一个可更换和/或可充电的电池17，如锂电池，布置成与处理器18相连接，作为用于笔中电子单元11、18、22的电源。
图5表示光学检测装置11的结构。其结构在上面已经联系图3进行了描述。如图5中所示，光学检测装置11包括：一个壳体23，容纳一个光源12；一个透镜系统，如一个双棱镜单元13；一个扫描物镜14，作为一个反射器；及一个涂敷有一个信息层的球2，安装在壳体23中。
一个或多个加速度表可以并入笔中。加速度表测量笔在一维、两维或三维中的加速度。笔其他可能功能的组合意味着，在笔的写功能中，有可能得到完全等效于普通圆珠笔等等的写功能。
当笔的球头贴着基板运动时，由此在计算机上写，压敏计20总是呈现一定的压力。当笔的球头从基板升起时，例如当升起笔开始一个新字、字母、图画等等时，一般仅希望使光标运动到新的开始位置，而这不会在计算机屏幕/文档上产生一条线。
笔的加速度测量在一个电子信号处理单元中转换，由此相对于X轴和Y轴可以检测笔的运动。
笔然后可以用在写和/或画软件程序中，从而当在运动中贴着基板致动球头时，该运动将转换成相对于X轴和Y轴的光标运动记录。压敏计将同时记录在球头上的一定压力。这两种测量的组合，例如导致运动记录为一条线、一个字母或其他电子“写”符号。当从基板升起笔以把光标运动到一个用于下一条线、字母或其他电子“写”符号的新开始点时，压敏计上的压力将下降到0。当压力已经下降到0时，加速度表或诸加速度表接管笔相对于X轴和Y轴运动的检测，并且光标然后将相对于X轴和Y轴相应地运动。相对于通过球转动的该运动，基于加速度表检测的运动在屏幕上不会产生电子“写”标记(线、符号等等)。
图6a、6b和7-10表示根据本发明一个最佳实施例的检测装置的各种细节，其中检测装置适于检测球的角转动，而不在其表面上存放任何特殊标记。
在图6a中，相干光的球面波100从一个激光点源12发散，激光点源12定位在具有焦距f的会聚透镜114的傅里叶(Fourier)平面110中。球面波100准直成向球2的表面102传播的平面波101。表面102近似定位在会聚透镜114的傅里叶平面130中。
平面波101和在位置A中的表面单元104(图6b)提供球面散射反射105，反射105的法线相对于平面波101的法线成角度-Φ。这出现在当表面单元104以这样一种方式取向，从而入射角等于反射角时。随着把球2转动一个角度Φ，现在相对于平面波101在位置B中的相同表面单元104，以角度+Φ提供一个新的反射。总之，球的Φ度转动提供反射的2Φ转动。图6b进一步指示落在检测器151和152的立体角度内的反射，检测器151和152定位在傅里叶平面110外面的检测器平面150中。
在表示最佳实施例的横截面视图的图6b中，平面波101被反射，并且从转动表面102移开，转动表面102通过在散射镜面与非镜面反射之间的建设性或破坏性干涉，产生包括提供斑点的分量的反射复合波图案105。反射复合波图案105通过转换透镜114傅里叶变换成一种复合变换波图案106，转换透镜114产生在检测器平面150内线性运动的主观斑点107。主观斑点107首先由一个第一检测器151和一个第二检测器152检测。第一检测器151具有一个立体角ΔΦ，并且以至光轴103的角距离-Φ定位在检测器平面150中。第二检测器152，最好类似于第一检测器151，以角度+Φ定位，也在检测器平面150中。两个检测器151和152的检测器信号通过先有技术中已知的方法电气互相关，并且通过跟踪提供两个检测器信号之间的最大互相关的时间延迟，提供主观斑点的过渡时间，并且转换成球2的转动速率测量。
图7是根据用来检测球转动的最佳实施例的检测装置的光学实施的视图。如图7中所示，来自激光源12的发散光束，具有最好在680nm(纳米)至860nm范围内的波长，由一个透镜114收集，并且转换成照射球2的表面的准直或聚焦光束。斑点形成在离球约20毫米的距离处，其中布置有透镜114和检测器151x、152x；151y、152y。这些斑点将根据球的转动显示在x和y方向上的位移。斑点的位移与球2的角转动成比例。
图8是主剖视图，表示检测器151、152及透镜114相对于球2的布置。在一种最佳实施中，球表面上的焦点，与图8中所示的相反，偏离球的中心，从而光学检测轴103偏离计算机笔的轴。这是为了当把笔用作通常的写用具时，用对于笔倾斜的粗略补偿制备计算机笔。该倾斜否则会引起某些错误的方向检测。
随着球在给定方向转动，斑点将在检测器151、152的相关组中从一个检测器转移到下一个。一种确定其中斑点运动的、和与球转动方向相对应的方向的方法，是当第二检测器152具有增大信号时通过观察一个检测器信号的值。在第二检测器152具有增大信号强度的同时在第一检测器151中的较大检测器信号，是从第一检测器151至第二检测器152运动的结果。
在图9中，是一种用来推导斑点位移和方向的处理方案。根据这种方案通过对于来自检测器之一的高通滤波信号计数“零交点”的数量，能推导球转动的量。采用根据图9的数字处理方案，以便提供不仅运动方向而且还有实际斑点位移的坚实确定。图10中所示的专用数字处理器用于一个方向。来自两个检测器的两个信号称作A和B。两个信号Y和X分别通过逻辑与和或门由A和B导出。如图10中上部所示。四个“D触发器”提供输出A3的“递增计数”、和输出B3的“递减计数”的方式连接。当标记↑的输入走高时，四个“D触发器”的每一个将发送D输入的状态。输出将存在，直到接收到复位脉冲(R输入到零)或者标记↑的输入走高再次发送新的D输入。
来自四个检测器模拟信号被放大和高通滤波，并且以后借助于一个施密特触发电路数字化。包括在这个触发电路中的是少量滞后，以排除虚假零交点的检测。
在图10中，呈现图9中处理方案的另一部分。来自检测器15的信号被增强，并且被箝位到单元200中的稳定直流电平。
在“升和降”检测器单元202中，一个升高信号将产生比电容器C1高的电容器C2的电压。比较器203的上触发电平和比较器输出走“高”，能够使AND1用于激光同步。C1然后将通过二极管D1以一定的电压差向上跟随C2的电压变。当信号下降时，C1将保持在其已经最高得到的电压处，直到C2是该电压电平下的一定量。当后者已经出现时，比较器203的下触发电平和其输出走“低”。这能够使AND2和C1通过二极管D2，以便以一定差值向下跟随C2的电压变化。该信号处理的结果是升高电压信号转换成“高”信号，而下降电压信号转换成“低”信号。这保证对在具有低信/噪关系的信号中的噪声的免疫性。
通过本发明认识到，作为对上述计算机笔的一种选择，本发明的范围，如在权利要求中定义的那样，也可以联系其他类型输入装置的构造使用，如跟踪球或常规计算机鼠标。

Claims (20)

1.一种输入装置，如一种计算机笔，用来通过一个球相对于一个基板的运动在计算机屏幕上定位光标，并且球的这些旋转运动变换成电子信号，其特征在于：输入装置包括最好在彼此垂直的方向上，用来检测球的角转动的光学检测装置，所述光学检测装置包括至少一个基本相干的电磁辐射源、至少一个透镜及一个或多个检测器。
2.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于：光学检测装置适于检测斑点图案的运动，该斑点图案是由从球表面，如自然表面，的粒状结构散射的电磁辐射产生的。
3.根据权利要求1或2所述的输入装置，其特征在于：光学检测装置包括一个第一和一个第二检测器组、及一个公共激光源，并且每组检测器适于检测在第一和第二方向的角转动。
4.根据权利要求3所述的输入装置，其特征在于：每组检测器包括两个检测器，这两个检测器以这样一种方式布置，从而球表面上的斑点图案通过球的角转动依次由一个第一检测器、且然后由一个第二检测器检测。
5.根据权利要求4所述的输入装置，其特征在于：在检测斑点之间的过渡时间由电子装置确定。
6.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于：球在其表面上提供有由光学检测装置可光学检测的标记。
7.根据权利要求6所述的输入装置，其特征在于：由相干光照射的球表面面积基本上与表面上的可检测标记大小相同。
8.根据权利要求6或7所述的输入装置，其特征在于：检测装置包括一个激光源(12)、一个绕射光学元件和/或一个包括一个或多个准直透镜及最好还有一个圆化透镜的透镜系统(14)、一个偏振光束分光器(13)、一个四分之一波片(25)及一个或多个检测器(15)。
9.根据权利要求6或7所述的输入装置，其特征在于：球包括一个涂有一个包括标记的标记层、一个反射层及一个保护层的芯部。
10.根据权利要求6或7所述的输入装置，其特征在于：球的标记由检测装置的一个CCD摄象机检测。
11.根据以上权利要求任一项所述的输入装置，其特征在于：诸检测器在一个阵列中，如四方地布置，用来检测球表面上具体标记相对于检测装置在方向和距离方面的相对运动。
12.根据以上权利要求任一项所述的输入装置，其特征在于：电磁辐射源的至少一个光束分成两个或多个光束。
13.根据以上权利要求任一项所述的输入装置，其特征在于：球由诸如钢之类的半反射坚固材料制成。
14.根据以上权利要求任一项所述的输入装置，其特征在于：该装置装有用来记录球压力的压敏计。
15.根据以上权利要求任一项所述的输入装置，其特征在于：该装置装有能够测量装置在一维、两维或三维中的加速度的加速度表。
16.根据以上权利要求任一项所述的输入装置，其特征在于：该装置建造成一支包括一个基本为管形的壳体的计算机笔，在该壳体中球可转动地布置在一端。
17.根据以上权利要求任一项所述的输入装置，其特征在于：该输入装置进一步包括一个用来把来自光学检测装置的信号转换成与该方向或其中球转动的方向相对应的信号的电子信号处理单元。
18.根据以上权利要求任一项所述的输入装置，其特征在于：光学检测装置的焦点非对称地指向球表面。
19.根据权利要求1-18任一项所述的输入装置，其特征在于：球的旋转运动转移到最好彼此相互垂直布置的两根轴上，并且光学检测装置检测每一个轴的角转动。
20.根据以上权利要求任一项所述的输入装置，其特征在于：输入装置包括进一步包括一个电池、和电池容量测量装置，该电池容量测量装置能够产生一个反映输入装置的电池的剩余容量的信号，并且把该信号发送到计算机。
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