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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Handsteuer- bzw. Anwählvorrichtung
für Cursor
bei Videoanzeigebildschirmen für
Personalcomputer und Workstations, und insbesondere optische Bauelemente
und Verfahren zur Umsetzung der Drehbewegung einer Kugel in digitale
Signale, die eine derartige Bewegung darstellen.
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Anwähl- bzw.
Handsteuer-Vorrichtungen wie Mäuse
und sogenannte Trackballs (Rollkugeln) sind wohlbekannte Peripheriegeräte für Personalcomputer
und Workstations. Derartige Handsteuer- bzw. Anwählvorrichtungen ermöglichen
ein schnelles Verschieben des Cursors auf einem Anzeigebildschirm
und sind bei vielen Textverarbeitungs-, Datenbanken- und Graphikprogrammen
nützlich.
Die vielleicht üblichste
Form einer Anwählvorrichtung
ist die elektronische Maus, die zweithäufigste Form ist wohl der Trackball.
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Mit
einer Maus steuert der Benutzer den Cursor durch Bewegung der Maus über eine
Bezugsoberfläche;
der Cursor bewegt sich in eine zur Bewegung der Maus proportionalen
Richtung und Entfernung. Obgleich einige elektronische Mausvorrichtungen
sich die Lichtreflektanz über
einer Bezugsfläche
zunutzemachen und andere wiederum einen mechanischen Ansatz verwenden,
weisen die meisten Mausvorrichtungen aus dem Stand der Technik eine
Kugel auf der Unterseite der Maus auf, die bei Bewegung der Maus über die Bezugsoberfläche (beispielsweise
eine Schreibtischoberfläche)
rollt. Bei einer derartigen Vorrichtung aus dem Stand der Technik
berührt
die Kugel ein Paar Kodierscheiben ("shaft encoders") und durch Drehung der Kugel erfolgt
eine Drehung der Kodierscheiben, welche sich üblicherweise aus einem Kodierrad
mit einer Vielzahl daran vorgesehener Schlitze zusammensetzt. Eine
Lichtquelle, häufig
eine Leuchtdiode, befindet sich auf einer Seite des Kodierrads und
ein Photomeßfühler (Photosensor),
beispielsweise ein Phototransistor, befindet sich im wesentlichen
der Lichtquelle gegenüber.
Eine Drehung der Kodierscheibe zwischen diesen Elementen bewirkt,
daß der
Photosensor eine Reihe von Lichtimpulsen empfängt, anhand derer die Drehbewegung
der Kugel in eine digitale Darstellung umwandelbar ist, welche sich
zur Bewegung des Cursors verwenden läßt.
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Der
optomechanische Betrieb eines Trackballs ist ähnlich, wenngleich mit zahlreichen
strukturellen Unterschieden. Bei einem Trackball bleibt die Vorrichtung
selbst unbeweglich, während
der Benutzer die Kugel mit dem Daumen, den Fingern oder der Handfläche dreht;
ein ergonomischer Trackball ist im U.S.-Patent Nr. 5,122,654 beschrieben,
welches auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen
ist. Wie im Fall der Maus ist die Kugel bei einem herkömmlichen
Trackball typischerweise mit einem Paar Kodierscheiben in Eingriff,
an denen Kodierräder
vorgesehen sind. Lichtquellen und Photosensoren sind mit diesen
Kodierrädern verbunden,
die bei Drehung der Kodierscheiben aufgrund einer Bewegung der Kugel
Impulse erzeugen. Ein Trackball aus dem Stand der Technik, bei dem
dieser Ansatz verwendet wurde, ist im U.S.-Patent Nr. 5,008,528
beschrieben.
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Obwohl
ein derartiger Ansatz aus dem Stand der Technik für einige
Zeit gut funktioniert hat und qualitativ hochwertige Mausvorrichtungen
und Trackballs damit jahrelang problemlos verwendbar waren, ist
die Lebensdauer der Vorrichtung zwangsweise aufgrund der mechanischen
Elemente derartiger Anwählvorrichtungen
beschränkt.
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Hinzu
kommt, daß bei
herkömmlichen
elektronischen Mausvorrichtungen ein die Bewegung der Maus darstellendes
Quadratursignal mittels zweier Paare von Leuchtdioden und Photodetektoren
erzeugt wird. Die Qualität
dieses Quadratursignals schwankt jedoch häufig je nach der Abstimmung
der Empfindlichkeit des Photosensors auf die Lichtleistung der Leuchtdiode.
In vielen Fällen
erfordert dies den kostenintensiven Vorgang der Abstimmung von Leuchtdioden
und Photodetektoren vor dem eigentlichen Zusammenbau. Außerdem kann
aufgrund unterschiedlicher Lichtleistungen der Leuchtdiode eine
schlechte Fokussierung von Licht auf den Sensor erhalten werden
und eine extreme Empfindlichkeit des Photosensorausganges gegenüber dem
Abstand zwischen der Leuchtdiode, dem Kodierrad und dem Photosensor
verursachen.
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Aus
der
DE 34 07 131 A1 ist
eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Diese
Druckschrift schlägt
die optische oder magnetische Abtastung eines geeigneten Musters
einer Kugel vor, wobei jedoch die optischen Sensoren nicht in einer
Ebene liegen, sondern einen Winkel einschließen, das heißt die Anordnung
ist einer mechanischen Fassung mittels Kodierrädern vergleichbar.
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Aus
der
US 4,794,384 ist
eine Cursor-Handsteuervorrichtung bekannt, bei der Licht aus einer
Quelle durch eine Linse geleitet wird, um eine ebene Fläche zu beleuchten.
Das von der ebenen Fläche
reflektierte Licht wird von einem Detektor erfaßt und ausgewertet.
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Aus
der
US 4,799,055 ist
ebenfalls eine Cursor-Handsteuervorrichtung bekannt, bei der Licht
eine ebene Fläche
beleuchtet, und bei der das von der ebenen Fläche reflektierte Licht von
einem Detektor erfasst und ausgewertet wird. Zwischen der ebenen
Fläche
und dem Detektor kann hierbei eine Linse angeordnet sein.
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Aus
dem US Patent 4,521,772 ist es für
eine ähnliche,
auf einer Ebene verfahrbare Cursor-Handsteuervorrichtung bekannt,
ein gepunktetes Muster vor einer SensoranOrdnung zu bestrahlen,
wobei die Punkte lichtdurchlässig
sind, während
der Hintergrund lichtundurchlässig
ist. Das Muster kann gemäß einer
als alternativ beschriebenen Ausführungsform auf einer Oberfläche angeordnet
sein, welche nicht eben ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Cursor-Handsteuervorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruch 1 dahingehend zu verbessern, dass sie möglichst
kompakt gebaut werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Cursor-Steuervorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Alternativ wird
sie durch eine Cursor-Steuervorrichtung gemäß Patentanspruch 2 gelöst.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie eine
elektronische Handsteuer- bzw. Anwählvorrichtung verfügbar macht,
bei der zur Bereitstellung von Signalen zur Erzeugung von Cursorsteuersignalen
eine Quelle diffusen Lichts in Kombination mit einem optischen Element
und einer Photosensoranordnung verwendet wird.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in
Verbindung mit den beigefügten
Figuren.
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Es
zeigen
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1 eine
Aufrißansicht
eines elektronischen Trackballs gemäß vorliegender Erfindung;
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2A eine
verallgemeinerte Querschnitts-Seitenansicht der erfindungsgemäßen Kugel
und ihres Gehäuses;
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2B eine
detailliertere Querschnitts-Seitenansicht der erfindungsgemäßen Kugel
und ihres Gehäuses,
einschließlich
der Lichtwege;
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3 die
erfindungsgemäße Schaltung
in schematischer Blockschaltbildform eines einzigen Pixels;
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4 eine
Anordnung von vier der Blockschaltbilder gemäß 3, aus der
folglich das Verhältnis
der Pixel zueinander hervorgeht;
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5A die
gemäß vorliegender
Erfindung zur Steuerung des Cursors verwendete Schaltung in Blockschaltbildform;
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5B die
Signalaufbereitungsschaltung gemäß 5A in
schematischer Blockschaltbildform;
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6A u. 6B den
Betrieb der die logischen Schaltungen gemäß 3 und 4 steuernden Firmware
in Flußdiagrammform.
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In 1 ist
in perspektivischer Aufrißansicht
eine elektronische Handsteuer- bzw. Anwählvorrichtung und insbesondere
ein elektronischer Trackball 10 gezeigt. Der Trackball 10 weist
ein oberes Gehäuse 20,
eine gedruckte Leiterplatte 30, neben und in der Nähe derer
ein Kugelgehäuse 40 angeordnet
ist, ein unteres Gehäuse 50,
eine Kugel 60 und eine Vielzahl von auf dem oberen Gehäuse 20 befindlichen
Knöpfen 70,
die mit ihnen verbundene Schalter 80 betätigen, auf.
Die Schalter 80 befin den sich normalerweise auf der Leiterplatte 30.
Das Kugelgehäuse 40 ist
typischerweise auf der gedruckten Leiterplatte 30 angeordnet,
obwohl es in einigen Fällen
auf einem Gehäuseelement
angeordnet sein kann.
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Die
gedruckte Leiterplatte 30 weist eine Schaltung zum Betrieb
aufgrund der vom Sensor und den damit verbundenen logischen Schaltungen
(siehe 3 und 4) erzeugten Signale auf. Somit
wird eine Bewegung der Kugel im Trackball wiederum in digitale Signale
umgewandelt, die den Cursor auf dem Bildschirm eines an diesen angeschlossenen
Personalcomputers, Terminals oder einer Workstation steuern. Bei
Handsteuer- bzw. Anwählvorrichtungen
mit seriellem Port weist die gedruckte Leiterplatte typischerweise
einen Mikroprozessor und einen entsprechenden Treiberschaltungsaufbau
zum Senden und Empfangen von seriellen Standardkommunikationen,
beispielsweise RS232-Signalen, auf. Alternativ sind die von der
Maus erstellten Signale mit PS/2-Ports
kompatibel.
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In 2A sind
ein Kugelgehäuse 40 (in
Querschnittsdarstellung) und eine Kugel 60 gemäß vorliegender
Erfindung gezeigt. Wie für
den Fachmann auf dem Gebiet sofort erkennbar ist, unterscheidet
sich die Kombination aus Kugel 60 und Kugelgehäuse 40 erheblich
vom Stand der Technik und diese Elemente bilden einen Schlüsselaspekt
der vorliegenden Erfindung. Insbesondere ist erkennbar, daß auf der
Kugel 60 eine Vielzahl beliebig geformter Markierungen
in einer Farbe aufgebracht sind, welche einem guten Kontrast zum
Hintergrund ergibt, so daß sich
in Gesamtbetrachtung die Wirkung einer beliebig gesprenkelten oder
gemusterten Kugel ergibt. Auf einer typischen Kugel können beispielsweise
schwarze Punkte auf einem ansonsten weißen "Kugelhintergrund" aufgebracht sein, obwohl zahlreiche
andere Farbkombinationen ebenfalls akzeptabel wären. Die beliebig geformten
Markierungen oder Punkte sind auf der Kugel zufällig angeordnet, wenngleich
auch die Markierungen innerhalb eines vorbestimmten geeigneten Bereiches
liegen. Somit liegen die Markierungen typischerweise in einem Größenbereich
von 0,5 mm2 bis 0,7 mm2 mit
einer Dichte von ca. einem Punkt pro Quadratmillimeter. In einer
beispielhaften Ausführungsform
kann die Kugel in einer Größenordnung
des Durchmessers von 10 mm liegen, obwohl der Durchmesser auch in
einem Bereich von 5 mm bis größer als
20 mm liegen könnte.
Gegenwärtig
scheint die Punktgröße unabhängig vom
Durchmesser der Kugel zu sein.
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Wie
auch im einzelnen anhand 2B ersichtlich
ist, die eine detailliertere Querschnittsansicht der Kugel und des
Kugelgehäuses
entlang deren Mittellinien zeigt, weist das Kugelgehäuse 40 außerdem mindestens
eine (2A) und in einigen Fällen zwei
oder mehr (2B) Lichtquellen 200 auf,
beispielsweise eine Leuchtdiode, die Licht erzeugt, welches auf
die Kugel 60 fällt.
Die Leuchtdiode oder andere Lichtquelle kann eine integrierte Linse
aufweisen. Das von den Lichtquellen 200 abgestrahlte Licht
wird vorzugsweise von der inneren Oberfläche 205 der äußeren Wand 210 des
Kugelgehäuses 40 weg
reflektiert und durch eine innere Wand 215 teilweise davon
abgehalten, direkt auf der Kugel 60 aufzutreffen. Die innere
Oberfläche 205 kann zum
Beispiel die innere Oberfläche
einer Kugel sein. Auf diese Weise wird das Licht von den Lichtquellen 200 relativ
gleichmäßig über einen
vorbestimmten Teil der Kugel verteilt, während gleichzeitig das Licht
schräg
auf die Kugel fällt,
wodurch sich eine diffuse Beleuchtung der Kugel ergibt.
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Der
Ball wird durch eine Vielzahl von Halterungen 150 in einer
drehbaren Stellung gehalten, bei denen es sich zum Beispiel um Rollen
einer herkömmlichen
Art oder um Edelsteinlager-Oberflächen ("jeweled bearing surfaces") der Art handeln
kann, die in der U.S.-Patentanmeldung Ser.Nr. 07/820,500 mit dem
Titel "Bearing Support
for a Trackball",
Anmeldetag 14.01.1992 beschrieben sind, die ebenfalls auf die Anmelderin
der vorliegenden Erfindung übertragen
und durch ihre Bezugnahme hierin miteingeschlossen ist. Obwohl in 2B aufgrund
der Ansicht nur eine derartige Rolle dargestellt ist, sind zur Gewähr leistung
einer gleichförmigen
Halterung oder Lagerung der Kugel 60 eine Vielzahl derartiger
Rollen, im typischen Fall drei, vorgesehen.
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In
einigen Ausführungsformen
kann ein abnehmbarer Deckel vorgesehen sein, um ein rasches Einsetzen
und Entfernen der Kugel 60 zu ermöglichen; obwohl gegenwärtig ein
abnehmbarer Deckel als bevorzugt betrachtet wird, um eine Reinigung
der Kugel und des Inneren der Handsteuer- bzw. Anwählvorrichtung zu
ermöglichen,
ist zumindest in einigen Ausführungsformen
ein derartiger abnehmbarer Deckel nicht erforderlich.
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Eine
Photodetektoranordnung 220 befindet sich zentral zwischen
den Lichtquellen 200 in einer Kammer 222, die
innerhalb eines Gehäuses 224 ausgebildet
ist. Ein Teil des relativ diffusen Lichtes, das auf die Kugel 60 fällt, wird
durch ein optisches Element 225 in die Anordnung 220 reflektiert.
Als Ergebnis hiervon wird ein Bild zumindest eines Teils der beleuchteten
Oberfläche
der Kugel auf der Anordnung 220 gebildet. In einer wichtigen
Unterscheidung gegenüber
optomechanischen Mausvorrichtungen aus dem Stand der Technik weist
das Kugelgehäuse
weder Kodierscheiben noch die abgestimmte Lichtquelle und Photodetektor
auf, wie sie für
optomechanische Mausvorrichtungen aus dem Stand der Technik typisch
sind. Das optische Element 225 ist typischerweise fest
zwischen dem Gehäuse 224 und
einem Öffnungsgehäuse 228 angeordnet,
dessen Innenwand 215 die äußere Oberfläche bildet. Eine Öffnung 229 ist
im Öffnungsgehäuse 228 vorgesehen
und ermöglicht,
daß das
von der Kugel 60 reflektierte diffuse Licht das optische
Element 225 und dann die Photosensoranordnung 220 erreicht.
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Die
Photodetektoranordnung 220 liegt in ihrer Gesamtgröße typischerweise
in einem Bereich von 2 × 2
mm bis 7 × 7
mm, wobei jedes Detektorsegment oder Pixel 220A–220n
Dimensionen in einem Bereich von 100 × 100 μm bis 200 × 200 μm hat (wobei die genaue Zahl
durch die Größe der Gesamtanordnung
und die Größe des einzelnen
Detektors bestimmt wird). Wie nachstehend in Verbindung mit den 3 und 4 erörtert werden
wird, weist in mindestens der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedes
Pixel ein Photodetektorelement und einen damit verbundenen Schaltungsaufbau
zur Verarbeitung des Ausgangs des Photodetektorelementes zu einem
Signal, das außerhalb
der Anordnung verwendbar ist, auf. Der Durchmesser der zur Erfassung
verwendeten Kugelfläche
entspricht der Diagonale des viereckigen Detektorfeldes und bestimmt
somit den maximalen durch die optischen Vorrichtungen abzudeckenden
Feldwinkel. In einer exemplarischen Ausführungsform liegt ein typischer
zur Erfassung betrachtbarer Kugelflächendurchmesser in einer Größenordnung
von 2,8 mm, was ein quadratisches Feld von 2 × 2 mm2 darstellt,
und die Anordnung 220 kann eine Matrix von 8 × 8 Detektoren 220A–n umfassen.
Obwohl eine quadratische Anordnung von Detektoren implementiert
wurde (wie es im wesentlichen in 5A dargestellt
ist), kann es wenigstens in einigen Ausführungsformen vorzuziehen sein,
die einzelnen Detektoren kreisförmig
oder hexagonal anzuordnen. Je nach Anwendungsfall können die
Detektoren über
der Fläche
des Elementes oder um den Umfang, beispielsweise den Umfang eines
Kreises angeordnet sein.
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Außerdem ist
es wichtig, die von der Kugel 60 reflektierte und auf die
Detektoranordnung 220 und insbesondere jedes bestimmte
Detektorelement 220A–n
einfallende Menge diffuser Lichtenergie zu maximieren. Obwohl ein
breiter Bereich von Vergrößerungen
möglich
ist, ist eine Vergrößerung von –1 zur Minimierung
der Auswirkungen mechanischer Toleranzen bevorzugt. Außerdem sind
aufgrund der geringen Größe, der
Kosten und des erforderlichen Modulationstransfers herkömmliche
Linsen wenigstens in den gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
unbefriedigend. Stattdessen sind beugende optische Elemente ("diffractive optical
elements", DOEs)
vorzuziehen, obwohl auch Anwendungen existieren, bei denen andere
optische Elemente akzeptabel wären,
zum Beispiel physikalisch größere Implementierungen.
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Insbesondere
beugende optische Elemente (DOEs) können den erforderlichen Lichttransfer
erzielen und haben den zusätz lichen
Vorteil, daß sie
gleichzeitig mittels relativ herkömmlicher, aus der Mikroelektronikherstellung
bekannter Lithographie- und Ätzverfahren
hergestellt werden, die in die normalen Herstellungsverfahren zur
Erzeugung der Detektoranordnung selbst einfügbar sind und somit die zusätzlichen
Kosten auf einem Minimum halten.
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Außerdem kann
in einem DOE mit praktisch keinen zusätzlichen Kosten rasch und problemlos
eine aspherische Funktionalität
erzielt werden, wodurch sich erwünschte
Lichttransferfähigkeiten
ergeben, wenngleich hierbei auch ein komplizierterer konstruktiver
Aufwand erforderlich ist. Außerdem
lassen sich verschiedene optische Funktionen in ein- und demselben
DOE vorsehen, so daß ein
Teil des DOE-Substrates mit einer ersten Mikrostruktur herstellbar
ist, die den Beleuchtungskonus von einer Lichtquelle unter dem entsprechenden
Einfallswinkel auf die Kugeloberfläche richtet, und einer zweiten
Mikrostruktur, die als eine aspherische Linse zur Abbildung von
Mustern dient, so daß das
von der ersten Mikrostruktur beleuchtete Bild der Kugel durch die
zweite Mikrostruktur richtig auf die Anordnung 220 fokussiert
wird. Obwohl derartige DOE-Mehrfachstrukturen bei wenigstens einigen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung attraktiv sind, wird in der allgemein
bevorzugten Anordnung ein DOE nur zur Abbildung des beleuchteten
Bereiches der gesprenkelten Kugel 60 auf die Anordnung 220 verwendet.
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Bei
einer derartigen exemplarischen Ausführungsform liegt die Brennweite
des DOE in einer Größenordnung
von 2,4 mm, wobei der Gesamtabstand zwischen Kugel und Detektoranordnung
in einer Größenordnung
von 10 mm liegt. Der Öffnungsdurchmesser
hat einen Größenbereich
von 1–1,5
mm oder eine numerische Öffnung
einer Größenordnung
von 0,1. Außerdem
ist, da die Vergrößerung –1 beträgt, das
DOE auf halber Strecke zwischen der Kugel 60 und der Detektoranordnung 220 angeordnet.
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Wie
bei anderen optomechanischen Mausvorrichtungen entspricht die zu
erfassende Bewegung entweder zwei Translationen (x, y) oder einer
Translation und einer Rotation um die Bildmitte. Ferner werden aus Gründen des
Stromverbrauchs die Leuchtdioden auf eine Weise gepulst, wie sie
in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 07/717,187, Anmeldedatum 18. Juni
1991, mit dem Titel: "Low
Power Optoelectronic Device and Method" beschrieben ist, d.h. die Photodetektoren 220A–N können nur
eine Reihe von "Momentaufnahmen" der Kugel erfassen.
Schließlich
ist der Ausgang der Detektoranordnung 220 vorzugsweise
mit einem Mikroprozessoreingang kompatibel, so daß das Signal
rasch zur Steuerung eines Cursors umwandelbar ist. Zum Beispiel
könnte der
Ausgang der Art von Ausgang entsprechen, wie er von Anordnungen
erstellt wird, bei denen optische Kodierer verwendet werden, wie
sie im U.S.-Patent Nr. 5,008,528 beschrieben sind, und würde einen
2-Bit-Quadraturkode von ca. 15 Impulsen pro Millimeter Kugelverschiebung
ergeben.
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Der
Schaltungsaufbau zum Betrieb aufgrund der von der Detektoranordnung 220 empfangenen
Ausgangssignale ist anhand 3 besser
verständlich,
obwohl 3 den Photodetektor und den logischen Schaltungsaufbau
mit nur einem einzigen Pixel zeigt. Ein ähnlicher logischer Schaltungsaufbau
existiert für
jedes Pixel 200A–n
in der Detektoranordnung (eine Anordnung mit 4 Pixeln ist in 4 gezeigt),
wobei das Endergebnis eine kollektive Berechnung für die Anordnung
als Gesamtes ist. In einer exemplarischen Ausführungsform sind die Detektoranordnung 220 und
die damit verbundene logische Anordnung der in 3 gezeigten
Art alle auf einer einzigen Form implementiert und insbesondere
der einzelne Detektor und die damit verbundenen Schaltungselemente
auf demselben Pixel ausgebildet.
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Als
allgemeine Erläuterung
des Betriebs der Schaltungen gemäß 3 und 4 ist
die Grundfunktion des Algorithmus die Korrelierung räumlicher
Intensitätsunterschiede
(als "Ränder" bezeichnet) und
zeitliche Intensitätsveränderungen
("Tics", "temporal intensity
changes"). Wie insbesondere
in 3 zu sehen ist, erzeugt ein Photodetektor 220A,
beispielsweise eine in Sperrichtung vorgespannte Photodiode, einen
Strom proportional zur Intensität
des von der Kugel auf den Detektor 220A reflektierten Lichtes.
Der Strom wird von einer Schwellenschaltung 300 mit einem
Schwellenwert verglichen, um festzustellen, ob das Pixel weiß oder schwarz
ist. Die Schwelle kann für
unterschiedliche Sensorzonen unterschiedlich eingestellt werden,
um eine ungleichmäßige Beleuchtung
zu kompensieren; eine derartige Einstellung kann automatisch oder
ansonsten in Abhängigkeit
von der Anwendung erfolgen. Alternativ kann eine Differenzschaltung
auf der Grundlage von Signalen von benachbarten Zellen zur Verringerung
der Empfindlichkeit gegenüber
Schwankungen in der Beleuchtungsintensität, der Kugelmuster- oder -sprenkelungsdichte
und so weiter verwendet werden.
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Der
Ausgang der Schwellenschaltung 300 wird dann an einen ersten
Speicher 305 gelegt, der den Zustand der Schwellenschaltung
speichert und ermöglicht,
daß die
Leuchtdiode abgeschaltet werden kann, ohne den Beleuchtungswert
des Bildes zu verlieren. Der erste Speicher 305, der entweder
ein Flipflop oder ein Latch (Signalspeicher) sein kann, kann somit
als eine 1-Bit-Abtast-und-Halteschaltung betrachtet werden. Insbesondere
wird bei der entsprechenden Phase des Taktsignals, zum Beispiel,
wenn das Taktsignal hoch ist, der Ausgang der Schwellenschaltung 300 in
den Speicher kopiert, und dieser Wert wird im Speicher "eingefroren", wenn das Taktsignal
niedrig geht. Ein zweiter Speicher 310, ebenfalls typischerweise
ein Flipflop oder ein Latch, speichert den alten Zustand des Speichers 305 auf ähnliche
Weise, und somit ist der Ausgang des zweiten Speichers 310 gleich
dem Ausgang des ersten Speichers 305 am Ende des vorhergehenden
Taktzyklus. Der Taktzyklus wird in einer exemplarischen Ausführungsform
mit dem Leuchtdiodenimpuls synchronisiert, wobei die aktive Flanke
sich am Ende des Lichtimpulses befindet. Der alte Zustand des Speichers
wird durch einen "AKTUELLER
ZUSTAND"-Bus 306 an
die unterhalb und links befindlichen Pixel gelegt.
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Die
zeitliche Intensitätsveränderung
("tic") eines Pixels kann
somit durch Vergleich der Zustände
jeweils des ersten bzw. des zweiten Speichers 305 bzw. 310 bestimmt
werden. Dieser Vergleich wird von einer Komparatorlogik 315 durchgeführt. Außerdem wird
der Ausgang des ersten Speichers 305 an zwei zusätzliche Komparatoren 320 und 325 gelegt,
um Ränder
jeweils oben bzw. rechts zu erfassen. Der Komparator 320 empfängt auf
einer Leitung 321 auch Informationen über den aktuellen Zustand des
oberhalb in der Anordnung befindlichen Pixels. Der Komparator 325 empfängt über eine
Leitung 326 oder einen "RAND
RECHTS"-Bus Informationen
von dem rechts befindlichen Pixel und überträgt diese Informationen über eine
Leitung 327 an das rechts befindliche Pixel. Die Komparatoren 315, 320 und 325 können jeweils
der Einfachheit halber jeweils als Exklusives-ODER-Schaltungen implementiert
werden.
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Ränder auf
der linken Seite und unten werden diesem Pixel jeweils durch die
Pixel auf der linken Seite und unten mitgeteilt, wie es aus dem
in 4 gezeigten Teil der Anordnung besser ersichtlich
ist. Wie es bereits unter Bezugnahme auf die 3 erläutert wurde,
legen die entsprechenden Pixelschaltungen genauer gesagt bei Erfassung
einer zeitlichen Intensitätsveränderung
und eines entsprechenden Randes einen Strom auf einen mit ihnen
verbundenen Draht, mit dem Ergebnis, daß Ränder auf der linken Seite und
unten von den Werten der entsprechenden benachbarten Pixel abgezogen
werden. Auf ähnliche
Weise wird die Erfassung eines horizontalen oder vertikalen Randes
durch Anlegen eines Stromes an den entsprechenden Draht signalisiert.
Somit empfängt
die linke logische Korrelator-Schaltung 330 Informationen
auf einer Leitung 335 von einem Bus, der als "BEWEGUNG NACH LINKS"-Bus betrachtet werden
kann, und empfängt
auch Informationen von dem benachbarten Pixel auf einer Leitung 336,
die als "RAND LINKS"-Bus betrachtet werden
kann. Die nach unten gerichtete Korrelatorlogik 340 empfängt Informationen
auf einer Leitung 345 von einem "BEWEGUNG NACH UNTEN"-Bus und auch von einer Leitung 341,
die von dem unterhalb befindlichen Pixel als "RAND UNTEN"-Bus zuge führt wird. Im Gegensatz dazu
empfängt
die nach oben gerichtete Korrelatorlogik 350 einen Eingang
von der Schaltung 330 und einen zweiten Eingang auf einer
Leitung 351, oder einem "RAND OBEN"-Bus und legt ein Signal auf eine Leitung 355,
oder einen "BEWEGUNG
NACH OBEN"-Bus;
die rechte Korrelatorlogik 360 legt ein Signal auf einen "BEWEGUNG NACH RECHTS"-Bus 365.
Die Korrelatorschaltungen können
einfach als UND-Gatter betrachtet werden.
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Außerdem legen
ein Paar geschaltete Stromquellen 370 und 375 bei
Erfassung von Rändern
einen kalibrierten Strom auf entsprechende Busse 380 und 385;
die Stromquelle 370 empfängt ihren einzigen Eingang
vom "RAND OBEN"-Bus. Somit legt
bei Erfassung eines sich senkrecht bewegenden horizontalen Randes
die Stromquelle 370 einen kalibrierten Strom auf Leitung 380; ähnlich legt
bei Erfassung eines sich horizontal bewegenden vertikalen Randes
die Stromquelle 375 einen kalibrierten Strom auf Leitung 385.
Die Leitungen 321, 326, 336 und 341 sind
alle an 'false' Logikpegel an den
Rändern
der Anordnung gebunden.
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In
4 wiederum
ist die Implementierung einer Anordnung von vier Pixeln besser erkennbar
und inbesondere die Art und Weise, in der sich die Korrelatorschaltungen
330,
340,
350 und
360 mit
der benachbarten Pixellogik verknüpfen, ist besser verständlich. Ähnlich ist
auch die Art und Weise, in der die vertikalen und horizontalen Ränder-Detektoren
370 und
375 mit
benachbarten Pixeln zusammenwirken, leichter erkennbar. In einer
exemplarischen Ausführungsform
hat sich eine 8 × 8
Matrix aus Pixeln und verbundener Logik als geeignet erwiesen, obgleich
zahlreiche andere Anordnungsgrößen in bestimmten
Anwendungen akzeptabel sind. Außerdem
besteht die 8 × 8
Anordnung in einer exemplarischen Ausführungsform aus vier 4 × 4 Quadranten.
Jeder Quadrant ist mit seinen eigenen Ausgängen für die vier Verschiebungsrichtungen
versehen, um eine Berechnung der durchzuführenden Verschiebung zu ermöglichen.
Es versteht sich, daß im
Grunde genommen sechs Busleitungen vorgesehen sind, wobei der Ausgang
eines jeden Pixels mit einer Ausgangs leitung verknüpft ist.
Im wesentlichen besteht die Funktion der Schaltungen gemäß
3 und
4 darin,
daß jedes
Pixel
200A–n
entweder eine vorbestimmte Menge Strom auf den mit ihm verbundenen
Bus ("EIN") treiben oder nichts
tun kann. Durch Verwendung sehr präziser Stromtreiber ist es dann
möglich,
die entsprechenden Ströme
auf jedem der Busse zu summieren und die Anzahl von auf dem Bus
befindlichen Pixeln zu bestimmen. Die sechs Busse ergeben sechs
Zahlen und die sechs Zahlen werden zur Berechnung von X- und Y-Verschiebungen
kombiniert. In einer gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsform
lassen sich die X- und Y-Verschiebungen als folgendes berechnen:
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Die
Differenz zwischen den Bewegungen nach rechts und nach links (der
Dividend in den oben angegebenen Brüchen) läßt sich leicht unter Verwendung
von invertierenden und nichtinvertierenden Eingängen mit einem Differenzverstärker implementieren,
wie es im Zusammenhang mit der nachstehend erläuterten 5B besser
verständlich
ist.
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In 5A ist
ein verallgemeinertes schematisches Blockschaltbild gezeigt, in
dem die Anordnung 220 mit dem restlichen Schaltungsaufbau
verbunden ist, der zum Betrieb als Trackball erforderlich ist. Die
Anordnung 220 ist über
eine Signalaufbereitungslogik 505A–B mit A/D-Wandlern 510 und 520 mit
einem Mikroprozessor 530 verbunden. Der A/D-Wandler 510 legt
die Leitungen X0, X1 und X2, sowie das Vorzeichen der X-Bewegung an den Mikroprozessor
auf Leitungen 540; ebenso legt der A/D-Wandler 520 die
Leitungen Y0, Y1 und Y2 sowie das Vorzeichen der Y-Bewegung an den
Mikroprozessor auf Leitungen 550. Die Schalter 80 legen
zusätzliche
Steuereingänge
an den Mikroprozessor 530. Der Mikroprozessor legt ein
Taktsignal auf Leitung 535 an die Anordnung und die mit
ihr verbundenen Schaltungen, die allgemein mit 545 bezeichnet
sind, die bei spielsweise auf einem einzigen Chip implementiert sein
können.
Der Mikroprozessor 530 kommuniziert dann bidirektional
mit der Leitungsschnittstellenlogik 560 und der Ausgang
der Leitungsschnittstellenlogik 560 legt über einen
Ausgangsbus 570 Cursorsteuerungssignale in herkömmlicher
Form an ein Hostsystem (nicht dargestellt). Für den Fachmann auf dem Gebiet
ist offensichtlich, daß in
der hierin angegebenen Ausführungsform
der Mikroprozessor 530 vorwiegend zur Erstellung des Protokolls
für die
Kommunikation mit dem Hostrechner verwendet wird, obwohl er auch
die Pulsierung der Leuchtdiode und die Erzeugung von Unterbrechungen
steuert.
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In 5B sind
die Signalaufbereitungsschaltungen 505A–B gemäß 5 im
einzelnen dargestellt. Der Einfachheit halber ist nur das X-Signal
(horizontale Bewegung) im Detail gezeigt; das entsprechende Y-Signal
(vertikale Bewegung) ist funktionell identisch. Wie bereits oben
erwähnt,
werden die kumulativen Stromsignale von den verschiedenen Pixeln
auf ihren entsprechenden Bussen summiert. Diese Summen derartiger Ströme von den "Bewegung nach links"- und "Bewegung nach rechts"-Bussen werden in einer Summierschaltung 570 subtrahiert,
wobei anschließend
der Absolutwert in einer Absolutwertschaltung 572 bestimmt
wird, woraufhin der Absolutwert an den A/D-Wandler 510 gelegt
wird. Außerdem
wird das Vorzeichen der Bewegung durch Anlegen des Ausganges der
Summierschaltung 570 an einen Komparator 574 bestimmt.
Schließlich wird
die Summe der Randströme
durch eine Reihe von Komparatoren 576 hindurch verglichen,
wobei deren Ausgänge
an eine Kombinationslogik 578 gelegt werden und dann als
X0–X2-Ausgänge erstellt
werden. Es ist zu beachten, daß die
A/D-Wandlung der Schaltungen 510 und 520 unter
Verwendung eines Flash-A/D-Wandlers rasch implementierbar ist. Die
Division kann ähnlich
unter Verwendung einer Referenzspannung proportional zum Busstrom
für die
horizontalen (oder vertikalen) Ränder
mit einem Flash-A/D-Wandler implementiert werden. Durch Verwendung
von Stromquellen für
einen derartigen Schaltungsaufbau ergibt sich eine wünschenswerte
Einfachheit und Kompaktheit.
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In
den 6A und 6B ist
das Betriebsprogramm zur Steuerung des Mikroprozessors 530 zu
sehen. 6A zeigt den Betrieb des Systems
gemäß 1–5, der in Schritt 600 durch Rückstellen
und Initialisieren der Logik und der Ermöglichung von Unterbrechungen
beginnt. Eine Überprüfung erfolgt
in Schritt 610 zur Bestimmung, ob der Ruhemodus ("sleep mode") freigegeben wurde.
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Ist
der Ruhemodus freigegeben, d.h. es wird keine aktuelle Bewegung
der Kugel des Trackballs erfaßt, dann
ruht die Logik gemäß 3–5 bei Schritt 620 bis zur Zeitabschaltung
(dem sogenannten Timeout) oder dem Auftreten einer Busaktivität, je nachdem,
welches als erstes auftritt. Das Auftreten von Ruhemodi ist in der
U.S.-Patentanmeldung Ser.Nr. 07/672,090, Anmeldedatum 19. März 1991
beschrieben, die auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen
ist und deren relevante Abschnitte durch Bezugnahme hierin miteingeschlossen
sind. Ist der Ruhemodus nicht freigegeben oder ein Timeout oder
eine Busaktivität
erfolgt, dann werden in Schritt 630 die Schalter 80 auf
dem Trackball abgelesen. Nach dem Ablesen der Schalter erfolgt bei
Schritt 640 eine Überprüfung um
festzustellen, ob die Kugel sich bewegt. Ist dies nicht der Fall,
dann wird in Schritt 650 der Ruhemodus freigegeben.
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Bewegt
sich die Kugel, dann wird in Schritt 660 die Gesamtverschiebung
berechnet. Im Anschluß an die
Berechnung der Verschiebung werden die Daten in Schritt 670 als
Ausgang an das Hostsystem übertragen und
der Prozeß kehrt
in einer Schleife zurück
zu Schritt 610.
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In 6B ist
die Interrupt-Service-Routine der vorliegenden Erfindung im einzelnen
dargestellt. Auf die Interrupt-Service-Routine wird in Schritt 700 jedesmal
dann zugegriffen, wenn eine Zeitgeberfunktion vom Mikroprozessor
ein Interrupt erzeugt, obwohl andere Verfahren zur Erzeugung eines
Interrupts in regelmäßigen Intervallen
ebenfalls zumindest in einigen Ausführungsformen akzeptabel sind.
Das System antwortet durch Bestätigung
des Interrupts in Schritt 710, worauf in Schritt 720 eine
Pulsierung der Leuchtdioden erfolgt und die Sensorausgänge für X und
Y abgetastet werden. In Schritt 730 wird die Zeit, bevor
die nächste
Abtastung erfolgen soll, berechnet. Diese Zeitdauer kann schwanken,
je nachdem, ob die Verschiebung der Kugel seit der letzten Abtastung
groß oder
klein ist; zum Beispiel ist eine Abtastrate von einmal pro Millisekunde
typisch während
der normalen Bewegung, wobei eine weniger häufige Abtastung erfolgt, wenn
die Kugel angehalten wird. Ist die Verschiebung gering, dann erhöht sich
die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen; ist die Verschiebung
groß,
dann verringert sich die Zeit zwischen den Abtastungen. In einer
gegenwärtig bevorzugten
Implementierung stellt eine "geringe" Verschiebung eine
Bewegung in der Größenordnung
von 1/400stel eines Inch (1 inch = 2,54 cm) oder weniger dar; eine "große" Verschiebung liegt
in einem Bereich von 5/800stel und 7/800stel eines Inch. Nach Berechnung
der Zeit bis zur nächsten
Abtastung kehrt das System in Schritt 740 vom Interrupt zurück.
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Nach
der vollständigen
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
verschiedener Alternativen ist es für den Fachmann auf dem Gebiet
in Anbetracht der hierin beschriebenen Lehren klar, daß zahlreiche
Alternativen und Äquivalente
existieren, ohne dabei von der Erfindung abzugehen. Die Erfindung
soll daher nicht durch die obenstehende Beschreibung, sondern lediglich
durch die nachstehenden Ansprüche
beschränkt
sein.
