CN1892558A - 用于控制光标运动的基于球的装置和用于这种装置的光学单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置(20)，包括致动球(30)；围绕球(30)的盒体(22)；用于在球(30)旋转时进行引导的元件(56)；至少一个第一探测光源(LS1)，用于发射至少一个朝向球(30)的入射探测光束(EL1)以及形成图像传感器(126)的装置，其接收从球(30)的被入射探测光束(EL1)照射的区域发出的光线(RL1)，其特征在于，第一光源(LS1)发射不可见的光线(EL1)，并且装置包括至少一个第二光源(LS2)，所述第二光源(LS2)与第一光源(LS1)不同，并且朝向球(30)发射可见的照亮光线(EL2)用于照亮球(30)。

Description

用于控制光标运动的基于球的装置和用于这种装置的光学单元

技术领域

本发明涉及一种基于球的控制装置。

本发明特别是涉及一种控制装置，特别是用于控制光标在电子设备的屏幕上的运动，包括一个球面球形式的致动构件，其限定一个可以被使用者操控的凸形的球形表面，也称为探测表面。

本发明特别是涉及一种通常称为Trackball类型的控制装置，其中探测表面直接被使用者的手指或手操控。

本发明特别是涉及一种“光学的”或光电类型的控制装置，包括球盒体，其限定围绕至少球的一部分的凹形面并且包括至少一个供光束通过的窗口；用于在球旋转时进行导向的元件，例如滚动球形体，其伸出于盒体的凹形面并且当球被操控时球在所述滚动球形体上滚动以便绕球的中心旋转；光源，用于发射至少一穿过所述窗口、朝向球的方向的入射光束；以及装置，其包括特别是透镜和形成图像传感器的装置，它们接受从被入射探测光束照射的球区域发出的光。

背景技术

这样一种普通设计由于1985年公开的文件DE-A-3.407.131中已知，其描述了一种鼠标，它的球安装成在球盒体或壳体中旋转，其中球在运动时被球形体引导，每个球形体本身被容纳在容纳球的壳体的凹形表面上的相配的空腔内。

在此文件中示出和描述的装置包括两组发光二极管和光学传感器，它们形成了用于探测球围绕其中心的旋转运动的光学装置，以便将这些旋转运动转换成电信号。

相应地，球的凸形球形表面具有平滑的、甚至在整个球表面上均匀分布的图案，所述图案被照射并且它的图像被传感器捕捉，而后被已知的图像处理装置分析。

这样的设计是特别有利的，因为在利用特别少的构件的情况下可以探测和分析球的旋转运动，没有与球接触的元件，唯一的运动的机械构件由球自身构成。

当上述装置是鼠标时，它的盒体在外侧也包括用于对各个开关进行致动的按钮，其可以被正在对鼠标进行操控的操作者的手指致动，例如为了传送信号，例如为了验证光标在电脑屏幕上的位置。

已知很多利用这个文件的内容来设计trackball的例子，其中球的顶部部分凸出于盒体，以便允许它直接被使用者的手操控。

这样的控制装置或trackball可以用在很多应用中，特别是当它具有非常小的尺寸时，可以应用在电子设备例如移动电话或GSM电话，或个人数字助理(PDA)中。

当trackball尺寸较大时，它例如可以用在车辆的乘客间的操控台上以便经由显示屏控制各种功能，光标在所述显示屏上移动。

发明内容

因此，本发明建议了一种上述类型的控制装置，包括至少一个第一探测光源，发射至少一个朝向球的入射探测光束，其特征在于：

-第一光源发射不可见的光线；

-装置包括至少一个第二光源，所述第二光源与第一光源不同，并且朝向球发射可见的照亮光线用于照亮球。

因此，使用者所具有的控制装置可以独立地实现探测球的旋转和照亮球，这提供了非常高的使用灵活性。

例如，光源在现有技术中由探测光源构成，其总是在可见光波段发射并且光线在球的表面上反射或漫反射，这种光线被看成虚假的光线，在需要谨慎的应用场合下在乘客舱或座舱中可以被去除。

也可以与探测光源的波长无关地用使用者希望的颜色照亮球。因此，例如可以提供波长的调和并且因此提供由多个光源发射的可见的颜色的调和，所述多个光源例如是在汽车的乘客舱内存在的发光二极管LED，各个汽车制造商通常设定相同的波长特征。

这样的可能性由本发明的设计提供，没有必要进行适配，或没有必要与探测旋转所需要的光源波长相称地来形成图像捕捉系统。

本发明还使得可以调节球的照亮强度(在需要光线闪动、发光或闪光等场合下)，无需考虑对光电探测球旋转的质量的影响，所述测量通过传感器例如是图像捕捉系统实现。

就照亮而言，本发明还使得可以消除在“等待”状态和“运动探测”状态之间的可见的光强变化，“运动探测”状态存在于普通的光学系统中，利用在可见波段内发射的探测光源来探测运动。

根据本发明的其它特征：

-第一光源在红外波段内发射探测光线；

-由第一探测光源发射的红外探测光线的波长大约为880nm；

-第二照亮光源发射的可见的照亮光线的波长在大约470nm到大约630nm之间；

-光源是发光二极管；

-第一光源和第二光源属于一安装到盒体上的光电模块；

-模块包括光学的光线引导单元，其包括：

*用于由第一光源发射的不可见光线的第一光线入射表面；

*用于由第二光源发射的可见光线的第二光线入射表面；

*用于从球的被入射探测光束照射的区域发出的光线(RL1)的第三光线入射表面；

*用于由第一光源发射的、经由第一入射表面进入光学单元的不可见光线的第一出射表面；

*用于由第二光源发射的、经由第二入射表面进入光学单元的不可见光线的第二出射表面；

*用于从球的被入射探测光束照射的区域发出的、经由第三入射表面进入光学单元的光线的第三出射表面；

-第三入射表面属于光学单元的形状如同物镜的部分；

-第一光线入射表面和第二光线入射表面以及第三光线出射表面大致向下定向并且设置在光学单元的底面上；

-第一光线出射表面和第二光线出射表面以及第三光线入射表面大致向上定向并且设置在光学单元的顶面上；

-各光线入射表面和光线出射表面大致沿光学单元的一垂直的横向平面对准；

-第三光线出射表面基本上垂直地与第三光线入射表面对准；

-第二光线入射表面在横向上位于第一光线入射表面和第三光线出射表面之间；第一光线出射表面在横向上位于第二光线出射表面和第三光线入射表面之间；

-第一光线入射表面在横向上位于第二光线入射表面和第三光线出射表面之间；

-第三光线入射表面在横向上位于第二光线出射表面和第一光线出射表面之间；

-第一光线出射表面在横向上位于第二光线出射表面和第三光线入射表面之间；

-光学单元包括能够容纳被球反射的探测光束的光线的传感器的凹部；

-所述凹部是在光学单元的底面上开口的盲凹部；

-盒体包含用于供发射的光线和从球的被入射探测光束照射的区域发出的光线通过的窗口。

本发明还涉及一种用于本发明的装置的光学单元，其特征在于，此光学单元通过模制和/或对块状体机械加工制成一整体件，由可被所述光线透射的材料制成。

附图说明

通过阅读下面的详细的说明以及所参照的附图获得本发明的其它特征和优点。其中：

图1是根据本发明的特别是用于控制光标在电子设备的屏幕上运动的控制装置的从上方和从3/4前右方的外部透视图，包括一球面球形式的致动构件；

图2是图1中的装置的各个部件的放大的分解透视视图；

图3是与图1的视图相类似的视图，其中没有示出装置的顶盖、致动球、密封装置和底盖；

图4是图3中示出的装置的底部透视图；

图5是图3中示出的装置的俯视图，包含致动球、密封装置和底盖；

图6-8是沿图5的线6-6和线8-8的放大剖视图；

图9是装置的塑料绝缘盒体的底视图；

图10是形成装置的底部光电模块的各个构件的分解透视图；

图11从底部模块的3/4前左方的顶部透视图，其中示出了三个用于触发三个验证开关的构件；

图12是图11的底部模块的底部透视图；

图13是图8的底部部分的放大详图，特别是示出了由两个光源发射的以及由球的被照射区域发出的光束的主要路径；

图14是图13的光学单元的放大详图，并且是穿过光学单元的垂直和横向的中间平面的剖视图；

图15和16是图14中的光学单元的俯视透视图和底视透视图；

图17-20是与图13-16的视图相类似的视图，其中示出了光学模块特别是其光学单元的第二实施方式；

图21-24是与图13-16的视图相类似的视图，其中示出了根据本发明的光学模块特别是其光学单元的第二实施方式；

图25是图4中的光电模块的变化方案的底部透视图，其包括用于对触觉感应发生器进行供电或对其进行控制的构件；

图26是沿一穿过图25中的一构件的垂直平面的剖视详图。

具体实施方式

为了描述本发明，垂直方向、纵向方向和横向方向按照图1中的V、L、T指示以非限定方式引入。

按照惯例，特征下面、上面、前面、后面和左侧、右侧也参照图1引入。

在下面的说明中，相同的或类似的元件用相同的数字或字母标记示出。

在附图中示出的实施例中，控制装置是球装置，也称作“Trackball”。

装置20基本上包括一个中心控制球或操作球或球形体，它装在一普通形状的盒体22中，所述盒体通常是由顶盖24和底盖26封闭的直角平行六面体。

特别是由图2可以看出，装置20的所有构件在轴向上沿着主垂直轴线AV堆叠，所述主垂直轴线AV穿过球30的中心C并且形成了球的凹部的轴线。

特别是由图9可以详细看出，盒体22是一个例如由电绝缘塑料组成的模制件，其被一个水平的顶面32和一个水平的底面34限定。

装置20在顶部部分上配有两个触觉感应发生器66L、66T，所述触觉感应发生器构造相同并且沿着两个水平轴线即纵向轴线AL和横向轴线AT设置。

因此，触觉感应发生器以及与之相关的部件的相同或类似的元件和构件分别用相同的附图标记“L”和“T”表示。

盒体22也由它的纵向垂直侧面36L和38L和它的横向垂直侧面36T和38T限定。

盒体22在其顶面32上限定一个通常半球形的空腔40，其被一个凹形的半球面42限定。

空腔40的容积稍微大于球30的下半部，因此空腔40部分围绕球30并且在球的正常使用位置在球30的凸形球形外表面31和空腔40的凹面42之间存在径向间隙。

盒体22在其底面34上限定一垂直向下开口的底部壳体44，底部壳体44大致是一直角平行六面体并且由一顶部水平壁46以及垂直侧壁48L、48T、50L和50T限定。

底部壳体44容纳底部模块53的所有部件，所述底部模块用于探测球30的旋转运动、用于照亮球、用于处理信号以及用于控制触觉感应发生器，底部模块特别是在图10-16中示出。

盒体22在其厚度上被一个横向的椭圆形的中心狭槽52以及三个垂直的管状通道54垂直穿过。

特别是由图5可以看出，三个通道54围绕中心轴线AV以相同方式成120度对称分布，它们的轴线形成一个等边三角形。

如同槽52，每个管状通道54在其两个对置端部垂直开口并且在球30的作用下在垂直方向上滑动地容纳一个滚动的和/或滑动的球形体56。

三个球形体56在球30旋转时进行引导并且相应地它们垂直地伸出空腔40的凹面42。

因此球通常在三个球形体56上滚动或滑动，以便绕其中心C旋转。

特别是在图9中可以看到，每个管状通道54在相应的凹部58的中心处通到壳体44的顶壁46，所述凹部58比较浅并且具有基本上正方形的轮廓。

每个正方形的凹部58设计成容纳一个形状相配的触发构件60，触发构件属于验证开关并且在下面将要详细阐述。

盒体22在其顶面32上也具有两个凹部62T和62L，它们垂直向上开口并且每个容纳一个触觉感应发生器66T、66L。

盒体22也包括一个水平的侧面狭槽68，它在其两端开口，沿纵向穿过面36T和48T。

盒体22的顶部被盖24封闭，它是一个由绝缘塑料制成的具有大致矩形轮廓的板状的模制件，其底部水平面68垂直地压在盒体22的顶面32上，盖24例如通过螺钉70连接在盒体22上。

盖24被一个垂直的圆形孔72穿透，用于通过球30的顶端露出部分。

所述盖因此充当与三个球形体56弹性接触的球的保持架。

底面68也具有两个与壳体62T和62L相配的壳体74T和74L。

盒体22在其底部部分上也具有椭圆形的水平狭槽76，其在纵向上通到垂直的侧面36T和48T。

盒体22的底部部分并且特别是凹部44在垂直向下的方向上被底盖26封闭，底盖26是一个厚的金属片并且由此具有一个底部水平板78，其与盒体22的底面34的形状相配并且通过四个垂直螺钉80连接到底面34上。

除了利用板78封闭盒体22的底部部分之外，金属盖26还充当在热点与冷点的热导体，所述热点是任何散热量大的电部件例如电磁触觉感应发生器的轭，所述冷点例如是框架，由金属制成(或其它的良热导体材料，例如陶瓷材料)的盖26连接到所述框架上；利用其外表面作为散热器，并且为了这个目的，金属盖26与外部的热交换能力由于两个垂直的侧面板82T和82L而增强，所述两个侧面板通过弯曲形成并且与底板78一体成形。

板82L与盒体22的侧面36L相邻，板82L通过一个水平螺钉84L连接到侧面36L上，而垂直的板82T与侧面36T相邻，板82T通过两个水平螺钉84T连接到侧面36T上。

为了改善被在下面阐述的印刷电路板、特别是底板印刷电路板PCB2支承的部件的冷却，并且特别是对于高散热的部件300，例如那些给触觉感应发生器供电或对其进行控制的构件，这些部件的某些部分302可以例如通过螺钉直接连接到面对盖26的印刷电路板上，这可以从图25和26中看到。

板82T具有一个水平狭槽86，其在盒体22的水平狭槽68对面。

例如可以由图1可以看出，底板26沿着盒体22的每一侧纵向延伸，形成了两个侧翼90，其包括用于将装置20固定在一电子设备(未示出)中的孔92。

下面将要详细阐述容纳在底部凹部44中的底部模块53。

模块53是一个光电模块，用于探测球30围绕其中心的旋转运动。

通过将光反射到在装置20中使用的球的凸形外表面31上的光学以及图像处理原理是公知的设计并且不构成本发明的一部分。

所有将要提及的是，这些原理在于照亮球30的表面31，其表面状态是优选光滑的并且例如如文件DE-A-3.407.131所述具有在球30的整个表面上均匀地分布的规则的图案。

使用了光学导航技术，它在于通过光学捕捉连续的表面图像来测量位置变化以及用数学方法确定运动的方向和幅度。

不存在移动部件并且没有必要具有高的光学校准精度。

用于探测球的旋转的系统基本上包括光电构件，此光电构件包括一图像捕捉系统，其借助于一透镜和至少一个朝着球30的表面31发射光线的第一“LED”两极管；以及电子信号处理器，其产生相对运动Δx和Δy的数值，所述数值随后转换成在两个通道上的信号。

相应地，模块53基本上具有一顶部的水平的印刷电路板PCB1和一底部的水平的印刷电路板PCB2。

顶部的印刷电路板PCB1在其顶面上具有三组成对的固定接触垫，它们呈等边三角形设置，与壳体58和装在通道54中的球形体56布置相同。

每对垫包括一中心垫94和一包围中心垫94的边缘垫96。

以已知的方式，每个触发构件60是一个圆盖，作为一个非限定的例子，其包括星状的四个径向分叉，每个分叉具有一个与边缘垫96保持电接触的端部。

它也可以是一个简单的形状，如圆形的、矩形的、三角形等。

在构件60的正常静止状态，它的中心部分100位于中心垫94的垂直上方并且与其对准。

中心部分100在形状上具有一球形盖102形状的杯子，它的凸形朝向上方并且容纳一相应的球形体5，根据球形体5一方面与球的表面的摩擦系数值和另一方面与圆顶和管状通道的摩擦系数值，球形体5进行滚动和/或滑动。

当向下在球形体56上施加一垂直力时，中心部分100的球形盖102离开它的高的稳定位置(例如在图11中示出)与中心垫94建立电接触并且因此在两个固定的垫94和96之间建立电接触。

一旦作用在中心部分100上的触发力释放时，圆顶60的触发构件返回到稳定状态，在此稳定状态球面盖位于高的位置上并且在两个固定的垫94和96之间的电接触被中断。

三个中心垫94例如连接到印刷电路板PCB1中的一共同的导体印制线上，而每个边缘的垫96连接到一个不同的相应的印制线上。

与各垫94和96连接的各印制线与底部印刷电路板PCB2的各印制线连接以已知的方式通过四个管状的垂直间隔体104实现，所述间隔体优选由导电的金属制成并且插入到印刷电路板PCB1和印刷电路板PCB2之间。

两个印刷电路板PCB1和PCB2以及间隔体104形成一堆叠或夹层体，其通过四个垂直的螺钉106组装和连接在壳体44的顶面46之下，所述螺钉106横穿所述间隔体104并且拧入盒体22的材料中。

因此在组装位置，顶部印刷电路板PCB1的顶面被压紧在凹部44的顶面46上并且如此定位，使得每对垫94、96位于壳体58的对面，触发构件“陷在”壳体58中，以便形成三个开关60-94-96，它们围绕垂直轴线AV呈等边三角形分布并且每一个开关被一相应的球形体56控制。

印刷电路板PCB1的连接是通过两个螺钉107实现的。

为了将模块53的各个构件与盒体22并且因此与装置20的外侧电连接，模块53具有一连接器108，此连接器108具有一通常已知的设计并且连接到底部印刷电路板PCB2的顶面上，并且它的输出销110水平延伸穿过水平狭槽68，从而附加的连接器(未示出)可以通过对准的狭槽68和86连接到连接器108上，从而将模块53的电开关元件和光电探测元件与配备装置20的电子装置(未示出)的电路相连接。

在附图中，操作球30处于其正常操作位置，在此位置球正被使用者旋转。

在围绕中心C的旋转过程中，球30经由其凸形的外表面31在滚动或滑动的球形体56上滚动，各个球形体56在它们的管状通道54中以及在相应的触发构件60的球形盖102中滚动。

三个球形体56在一水平面内共面并且各构件的尺寸和设置设计成，使得在球30的表面31和空腔40的表面42之间存在径向间隙。

操作球30因此轻易地以较小的摩擦旋转并且所有它的围绕中心C的旋转运动被底部模块53探测，底部模块53的光学轴线是穿过球的中心C的垂直轴线AV，所述光学轴线因此平行于各球56在它们各自的管状通道54中的垂直滑动轴线。

当使用者希望使用球30作为致动验证开关或各开关60-94-96的构件，他必须通过大致垂直挤压球，将球往下压。

这样的作用在球30上的推力或挤压力被传送到三个球形体56上，球30靠在这些球形体56上。

在按压力的作用下，各个球形体56在各自的管状导向通道54中垂直向下滑动，这导致相应的触发构件60弹性变形。

这就是如何通过向下挤压球30以及借助于滚动的球形体56对球30进行作用来实现电开关功能。

球30在“开关”行程中的总体运动垂直的，沿着与底部模块53的光学轴线对准的垂直轴线AV。

因此在球30的沿着轴线AV垂直向下的开关或触发行程中，模块53的透镜116没有探测到球30的旋转运动，这种旋转运动可能会产生代表球旋转的虚假信号，因为球相对于透镜116没有转动。

因此，为了使得在垂直的验证行程中没有明显的球旋转运动被探测到，探测系统必须基本上在装置以及球的垂直的径向轴线中，也就是说在球的垂直运动轴线中。

现在将详细阐述光电模块53，特别是参考附图10-24。

模块53包括两个不同的光源LS1和LS2，分别在可见光波段和不可见光波段发射光线，以便形成一用于探测球的旋转的以及用于照亮球30的模块。

在本发明的意义上，特征“照射(light)”是用于不可见的光线，所述不可见的光线朝向球发射以便允许探测球的旋转，而特征“照亮(illuminate)”是用于可见的光线，所述可见的光线朝向球发射以便使得球在黑暗中可见和/或给予球一种可被使用者辨认的特殊的可见颜色。

用于探测球30的旋转的第一光源LS1在此是一个第一LED二极管，其连接在底部印刷电路板PCB2中的切口113中。

由二极管LS1构成的光源所发射的不可见的光线被一个光学单元114汇聚和导向，光学单元形成一个形状复杂的光线引导体，其在两个印刷电路板PCB1和PCB2之间水平延伸并且特别是包括一个中心探测透镜116，此透镜垂直向上定向并且其光学轴线与轴线AV相同，从而基本上垂直于球表面的被照射区域的表面。探测透镜116使得可以将由球30的被照射区域发出的光线聚焦并且因此将此区域的图像聚焦，所述探测透镜116有利地通过模制与单元14的主体制成一整体件，单元14形成光学引导体或光线引导体并且因此包含透镜116。

透镜116与盒体的狭槽52对准，以便对被传感器透过这个狭槽观察到的球的被照射区域的图像进行聚焦，并且顶部的印刷电路板PCB1具有一个横向定向的椭圆形的中心切口118，其与盒体的狭槽52对准。

形成光线引导体的单元114的顶部的水平面120被压紧在顶部的印刷电路板PCB1的底面115之下，并且单元114包括一个垂直位于透镜116之下的、与透镜116的垂直光学轴线相齐的盲圆柱形凹部122，此凹部容纳灵敏元件124，此灵敏元件属于一传感器或球表面的被照射区域的图像探测器126。

探测器126连接在底部印刷电路板PCB2的底面之下，底部印刷电路板PCB2具有一矩形的中心切口128用于设置各元件，特别是用于将引导体114与传感器126组装。

探测器126例如在商业上由“AGILENT TECHNOLOGIES”已知，见Mill Road in Palo Alto，California-USA第395页，参考了ANDS-2620(Solid-State Sensor)，具有8个孔安装类型的终端或销。

以一种已知方式，模块53的首要功能是穿过狭槽52照射球30以及通过透镜116和传感器126来捕捉由球30的被照射区域发出的不可见光线。两个不同的光源在此由两个发光二极管LED构成，它们在横向上彼此相邻地支承在底部印刷电路板PCB2上并且被容纳在横向通到中心矩形切口128的切口或开口130中。

安装二极管的SMC形式(SMT)提高了相对于单元114的定位精确度，并且避免了使用附加部件，这减小了空间需求。

两个LED二极管LS1和LS2设置成分别大致垂直向上地朝向光学单元114的底面121的面状部分(facing portion)135发射光线，特别是在图13中可以看到，现在要详细阐述光学单元114，它的第一实施例特别是在图10-15中示出。

光学单元114由一种可被在模块53中使用的光线透射的材料制成，其例如通过模制和/或机械加工制成一整体件。

见图15和16，可以看到光学单元14具有大致直角平行六面体的形状，由其顶面120、底面121和两个相对的垂直横向侧面125和两个相对的垂直纵向侧面127限定。

顶面120通常开有凹槽，限定一垂直向上开口的空腔129，用于对从球30的表面31的被照射区域发出的、基本上沿着垂直轴线AV的光线RL1聚焦的透镜116位于空腔129的左面部分中。底面121包括定心在轴线AV上的、横截面为圆柱形的凹部122，其用于容纳传感器126。

在图14中的横向右侧，空腔129容纳一个多面体棱镜131，其垂直伸出于顶面20的平面。

特别是可以在图15中看出，棱镜131在纵向上以对称的方式朝着侧面125延伸，棱镜具有大致梯形形状的恒定横截面。

它的梯形横截面在侧向上被一第一倾斜侧面限定，其在图14中朝左定向，此第一倾斜侧面是用于由第一光源LS1发射的不可见光线EL1的第一出射表面OS1。

梯形断面在顶部上被一基本上水平的侧面限定，其形成了用于由第二光源LS2发射的可见光线EL2的第二出射表面OS2。

第二出射表面OS2相对于水平面轻微倾斜，以便大致平行于球30的表面31的对置部分的切线，见图13，从而穿过第二出射表面OS2射出的光束的光线大致在相对于球30的中心C的径向上定向。

最后，梯形断面在侧向上被一个完全反射的侧面133限定，由第一光源LS1发射的光束EL1的光线在此侧面133上被反射，以便将它们导向穿过第一出射表面OS1，这在图13中可以看出。

光学单元114的底面121在横向右侧包括一个平坦的水平部分135，其垂直向上偏移并且包括一个第一光线入射表面IS1，由第一光源LS1发射的光线EL1通过这个第一光线入射表面IS1垂直向上沿着一个基本上平行于垂直轴线AV的轴线射入棱镜131。

同样，部分135包括一个第二光线入射表面IS2，由第二光源LS2发射的光线EL2通过这个第二光线入射表面IS2垂直向上朝向第二光线出射表面OS2沿着一个基本上平行于垂直轴线AV的轴线射入棱镜131。

因此，可以从图13中看到，由第一光源LS1发射的光束EL1在被表面133完全反射之后与由第二光源LS2发射的光束EL2相交。

光线RL1由球30的被入射光束照射的区域发出，所述入射光束基本上位于透镜116的中心垂直轴线的右侧。光线RL1通过第三光线入射表面IS3射入透镜116，在被透镜116聚焦之后通过第三光线出射表面OS3朝向传感器126的灵敏元件124重新出射。

特别是由图13可以看到，由于光学单元114和它与模块53的其它构件的相对位置关系，确保了各个构件和部件、特别是两个光源LS1和LS2以及光学单元114的各个构件和部件的相对定位以非常小的空间需要实现。

第一光源LS1发射“不可见”光线，其例如是在红外波段(infrareddomain)内的波长例如为880nm的光线。

这种不可见的光线仅仅用来探测球30的旋转，因此它不会导致球的可见的照亮的虚假效果。

然而，第二光源LS2发射在可见光波段内的光线并且它的波长可以根据应用进行选择。

为了照亮球，对于红光而言它的波长例如为630nm，对于蓝光而言它的波长上升到470nm。

球的照亮在装置的外侧是可见的，就是说球的顶部突出部分被第二光源LS2发射的光束EL2的反射和/或散射照亮，第二光源LS2在可见波段内发射。

形成至少球的外层的材料选择成使得发射的光束EL2的光线在此层内散射并且在球的整个外表面层上产生均匀的照亮效果。

光线散射的质量特别是取决于制造球的技术，由于球的制造技术，相应地例如可以在构成球的外层的材料中分配例如粉末状的均匀着色的颗粒，它们均匀平整地分布并且形成球表面上的图案，颗粒分布于其中的材料例如是半透明的，图案被图像传感器“看到”。

光学单元114因此是可见光和不可见光的复杂导向体，其通过模制将各个透镜和光学表面制成一整体。

在图17-20中示出的第二实施例中，棱镜131在光学上仅仅用于透射由第二光源LS2发射的光束EL2，其通过第二底部光线入射表面IS2射入棱镜131并且通过第二顶部光线出射表面OS2出射。

由第一光源LS1发射的光线的第一入射表面IS1在横向上位于第二光线入射表面IS2和第三光线出射表面OS3之间。

垂直向上穿过第一表面IS1的光线在倾斜的完全反射表面133反射，完全反射表面133不再属于棱镜131，但是定向成使得发射光线EL1在其中完全地和水平地朝左侧反射，以便到达第二倾斜的完全反射表面，其由光学单元114的左面的纵向侧面127的对置部分构成，如图18所示。

在第二次完全反射之后，由第一光源LS1发射的光线EL1完全垂直向上改向并且通过第一光线出射表面OS1离开光学单元114，第一光线出射表面OS1在此是设置在空腔49的左侧壁上的倾斜表面。

入射光线EL1在通过第一出射表面OS1出射后，被朝着表面31引导，以便照射大致盘状的极点区域。

这个被照射区域的图像和由这个区域发出的以便形成这个区域的图像的光线垂直向下朝着透镜116的第三入射表面IS3传播，并且基本上沿着垂直轴线AV。

第三光线入射表面IS3因此在横向上位于第一光线出射表面OS1和第二光线出射表面OS2之间。

如同前面所述，照亮光束经由第二出射表面OS2基本上垂直于球30的表面31的对置部分投射，以便阻止或减小产生虚假反射的风险。

几何相对位置关系也设计成使得被照亮光束EL2到达的区域不同于被探测光束EL1的光线到达的区域。

因此消除了照亮光束EL2的“虚假光线”出现在图像捕捉系统124、126上的风险。

此外，所描述的设计使得可以为两个光源选择波长，它们之间的偏离非常大，以便进一步减小虚假光线风险。

在刚刚描述的第二实施例中，两个光束EL1和EL2在光学单元114内部没有相交。

现在参照附图21-23来阐述第三实施例。

与第二实施例相比，光学单元114的设置是大致相同的，除了在光学单元114内部第一光束ES1的光线只在倾斜表面133上经历一次完全反射，以便接下来经由一个邻近的第一出射表面OS1出射，限定三角形横截面的棱镜131′的两个表面133和OS1在横向上位于透镜116和棱镜131之间。

因此，在光学单元114的顶面上，第一出射表面OS1在横向上位于第三光线入射表面IS3和第二光线出射表面OS2之间。

光学单元或光线导向体114因此被显著简化了，在光学单元114内部不发生两光束的光学相交。

触觉感应发生器66L、66T是与探测球的旋转的装置独立的，就是说它们不包括与探测装置相同的构件。

触觉感应发生器66L和66T基本上分别具有一前滚子140L、140T，它们始终通过摩擦与球30的表面31相互作用并且旋转连接到发生器轴142L、142T，发生器轴142L、142T的后轴端旋转连接到转子144L、144T上，转子144L、144T属于一个能够在确定的角位置吸引和/或制动轴142L、142T的电磁装置，此电磁装置还包括一个定子146L、146T，定子146L、146T包含一管状的轭，此管状的轭容纳管状线圈148L、148T，管状线圈148L、148T本身围绕中心芯体147L、147T并且它的馈电导线连接到底部印刷电路板上，此底部印刷电路板支承用于控制触觉感应发生器的电子构件。

外部的部件146L、146T嵌在凹部62L、62T中并且被水平的螺钉152L、152T固定，所述螺钉横向穿过金属底盖26的垂直板82L、82T中的相配的孔。

每个滚子140T通过弹性销141L、141T始终压紧在球30的表面31上。

因此可以将触觉感应或效应应用在球30上，并且与球的运动的位置和方向无关，并且也与探测球30旋转的装置的操作无关。

密封装置也设置在装置20中，特别是阻止外部体、特别是灰尘进入到装置中并且特别是空腔40中。

在操作球围绕其轴线的旋转运动中，密封装置也具有清洁操作球30的表面31的功能。

在图2和3中示出的实施例中，密封装置具有一个顶部的弹性的垫圈300，例如由金属制成；一个中间垫片302，例如由“特氟隆”制成；以及一个底部的垫片304，例如由金属制成。

中间的柔性的垫圈302执行在球的整个边缘球形表面上的刮垢密封的功能，所述边缘球形表面位于球的突出于盖24的部分的底部上。

顶部的弹性的垫圈300是一个齿形的弹簧垫圈，其在形成中间垫圈302的刮垢密封的整个边缘上施加一垂直向下的弹性力。

此外，当为了验证或选择动作而垂直向下挤压球时，密封装置提供受控的制动效应，这防止了球围绕其中心的虚假的旋转运动。

Claims (20)

1.一种特别是用于控制光标在电子设备的屏幕上运动的控制装置(20)，包括：

-致动构件(30)，其形状为具有可以被使用者操控的探测表面(31)的球面球；

-球盒体(22)，其限定一围绕球(30)的至少一部分的凹形的面(42)；

-元件(56)，其用于在球(30)旋转时进行引导，从而球围绕其中心(C)旋转；

-至少一个第一探测光源(LS1)，其用于发射至少一个朝向球(30)的入射探测光束(EL1)；以及

-形成图像传感器(126)的装置，其接收从球(30)的被入射探测光束(EL1)照射的区域发出的光线(RL1)；

其特征在于，第一光源(LS1)发射不可见的光线(EL1)，并且装置包括至少一个第二光源(LS2)，所述第二光源(LS2)与第一光源(LS1)不同，并且朝向球(30)发射可见的照亮光线(EL2)用于照亮球(30)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一光源(LS1)在红外波段内发射探测光线(EL1)。

3.如上述权利要求所述的装置，其特征在于，由第一探测光源(LS1)发射的红外探测光线(EL1)的波长大约为880nm。

4.如上述权利要求所述的装置，其特征在于，第二照亮光源(LS2)发射的可见的照亮光线(EL2)的波长在大约470nm到大约630nm之间。

5.如上述权利要求之任一所述的装置，其特征在于，光源(LS1，LS2)是发光二极管。

6.如上述权利要求之任一所述的装置，其特征在于，第一光源(LS1)和第二光源(LS2)属于一安装到盒体(22)上的光电模块(53)。

7.如上述权利要求所述的装置，其特征在于，模块(53)包括光学的光线引导单元(114)，其包括：

-用于由第一光源(LS1)发射的不可见光线(EL1)的第一光线入射表面(IS1)；

-用于由第二光源(LS2)发射的可见光线(EL2)的第二光线入射表面(IS2)；

-用于从球(30)的被入射探测光束(EL1)照射的区域发出的光线(RL1)的第三光线入射表面(IS3)；

-用于由第一光源(LS1)发射的、经由第一入射表面(IS1)进入光学单元(114)的不可见光线(EL1)的第一出射表面(OS1)；

-用于由第二光源(LS2)发射的、经由第二入射表面(IS2)进入光学单元(114)的不可见光线(EL2)的第二出射表面(OS2)；

-用于从球(30)的被入射探测光束(EL1)照射的区域发出的、经由第三入射表面(IS3)进入光学单元(114)的光线(RL1)的第三出射表面(OS3)。

8.如上述权利要求所述的装置，其特征在于，第三入射表面(IS3)属于光学单元(114)的物镜形状的部分。

9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，第一光线入射表面(IS1)和第二光线入射表面(IS2)以及第三光线出射表面(OS3)大致向下定向并且设置在光学单元(114)的底面上。

10.如权利要求7至9之任一项所述的装置，其特征在于，第一光线出射表面(OS1)和第二光线出射表面(OS2)以及第三光线入射表面(IS3)大致向上定向并且设置在光学单元(114)的顶面上。

11.如权利要求7至10之任一项所述的装置，其特征在于，所述各光线入射表面和光线出射表面大致沿光学单元(114)的一垂直的横向平面对准。

12.如上述权利要求所述的装置，其特征在于，第三光线出射表面(OS3)基本上垂直地与第三光线入射表面(IS3)对准。

13.如权利要求11或12所述的装置，与权利要求9相结合，其特征在于，第二光线入射表面(IS2)在横向上位于第一光线入射表面(IS1)和第三光线出射表面(OS3)之间；第一光线出射表面(OS1)在横向上位于第二光线出射表面(OS2)和第三光线入射表面(IS3)之间。

14.如权利要求11或12所述的装置，与权利要求9相结合，其特征在于，第一光线入射表面(IS1)在横向上位于第二光线入射表面(IS2)和第三光线出射表面(OS3)之间。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，第三光线入射表面(IS3)在横向上位于第二光线出射表面(OS2)和第一光线出射表面(OS1)之间。

16.如权利要求14的装置，其特征在于，第一光线出射表面(OS1)在横向上位于第二光线出射表面(OS2)和第三光线入射表面(IS3)之间。

17.如权利要求7至16之任一项所述的装置，其特征在于，光学单元(114)包括能够容纳被球(30)反射的探测光束(RL1)的光线的传感器(126)的凹部。

18.如上述权利要求的装置，与权利要求9相结合，其特征在于，所述凹部是在光学单元(114)的底面上开口的盲凹部。

19.如上述权利要求之任一所述的装置，其特征在于，盒体(22)包含窗口(52)，其用于供被发射的光线(EL1，EL2)和从球(30)的被入射探测光束(EL1)照射的区域发出的光线(RL1)通过。

20.一种用于按照权利要求7-18的装置的光学单元(114)，其特征在于，光学单元(114)通过模制和/或对块状体机械加工构成为一整体件，光学单元由可被所述光线(EL1，EL2，RL1)透射的材料制成。

Images