CN100351854C - 用光束操作的计算机输入装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种给计算机输入信息的装置和方法，其不仅可以避免使用通常键盘和鼠标所带来的肢体伤害以及病菌的传播，而且具有读速快，使用方便，易于上手，并使得3维空间运动信息的输入简单易行。本发明包括一支手持光束笔和相应的光信号接收器。接收器的表面分布着一些光敏元件。接收器中的微处理器分析光束运动的位置和方式，并向计算机输入相应的信号。

Description

用光束操作的计算机输入装置

                                 技术领域

本发明是关于用光束来给计算机输入信息的装置和方法，更具体地说，本发明是关于用光束操作的计算机键盘，鼠标，及其使用方法。

                                 背景技术

目前，常用的计算机键盘和鼠标都要求使用者将手放置于一固定的平面上，身体基本保持一固定姿势，并用手指敲击或按击键钮。长期使用键盘和鼠标，会給使用者带来手腕和肩胛处的伤害和病痛，如计算机工作人员常见的腱鞘炎，腕管综合症，肩周炎等疾病。对于上肢本来就有伤病或残缺之人，按键式的键盘和鼠标就更为不便。手指时时接触的键盘同时还是细菌的温床和多种传染病的传播媒介。

另一方面，也出现过一些为双手都残废的人而设计的用激光束来操纵的键盘。这种键盘的设计使激光器依附在头上，用头部的移动来激发键盘，从而避免了手的使用。这种键盘用时间延迟或其它提示方式来判定所选键，以至于输入速度极为缓慢，且长时间注视激光对眼睛有所伤害，所以未能得到市场的欢迎。

                                 发明内容

本发明的目的是为可以用手来工作的人提供一种用光束来操作的键盘和鼠标，从而使得计算机操作变得方便，快捷，清洁，无接触，无敲击，无固定姿势要求，且对眼睛无害。

本发明包括一个类似于手电筒状的手持光束发生器，简称光束笔，以及一个光信号接收和分析装置。该装置与计算机主机相连，并有自己的微处理器和一些按特定方式安置的光敏元件，及其相关电路。象键盘那样对计算机输入字母符号或指令信号的装置称为光敏键盘，象鼠标那样控制光标在屏幕上的移动的装置称为光敏鼠标。

光束笔的外形类似于微型或笔型手电筒，体积小而重量轻，可以用一手轻松操作。采用发绿色光的LED为其光源从而对眼睛有益。所发光束经准直和聚焦后可以在光敏键盘和光敏鼠标上形成一小光斑。

光敏键盘和光敏鼠标的接收面分布着一些光敏元件，如光敏电阻或光电二极管等。当使用者将光束移进或移出光敏元件的接收区，即光敏区时，都会触发微处理器产生相应的信号，并将其传输给计算机主机。在光敏键盘上每个键都是一个光敏区。键与键之间相隔一定距离以使光点可以通过其间而不激发两边的光键。键列呈圆弧形分布，这样在激发完一个键后，光点和手都可以回到同一位置。这些设计使得手持光束可以方便快捷地进出每一个光敏区。

光敏鼠标有两种实施方案。第一种的表面有一呈向心形带状分布的光敏区，并标明横纵方向以与显示屏相对应。当光束进入此光敏带时，显示屏上的光标即开始移动。光敏带中心与光束位置连线所成的方向即为光标在显示屏上移动方向。光标移动的速度由光束位置与光敏带中心的距离来决定。当光束移出光敏带时，显示屏上的光标即停止移动。这种设计的特点是光标移动时，光束可以是静止的。第2种的光敏区分布为矩阵形或接近于连续的一块面积。当光点从一点移动至另一点时，光标也作相应的移动。光标移动的方向和距离即由光点移动的方向和距离决定。

光敏鼠标的表面另有一些独立分散的光敏区，以起到普通鼠标上按键的作用。

通常的鼠标利用在平面上运动的两个方向来决定光标的运动方向，这使得软件中涉及3维运动的操作不方便且计算常常失控。光敏鼠标将手的运动从2维平面上解脱出来，并把移动的物缩减为一个光点，这就使得直接输入3维运动的信息成为可能。本专利说明书公开两种设计。一种是在2维平面上投影一个3维坐标系，在每个2维截面上，即X-Y，Y-Z，和Z-X上，建立两个以坐标原点为中心的同心圆形的光敏带。外围光敏带的信号指示光标向坐标增大的方向移动，内部光敏带的信号指示光标向坐标减少的方向移动。在每一个坐标轴上还有一个光敏带，以决定绕轴的转动方向和角度。另一种是将光敏元件分布在球面上，球心到光敏面上的激发点自然成为3维空间中的方向。

使用普通键盘时，有时要同时按下几个键以向计算机输入特定指令。在光敏键盘上设置了一个特定的光敏键来锁存要同时输入的按键信号。锁存键的使用方式如下：

当锁存键被激发后，对每一个被激发的键都只将其被激发的信息传输给计算机，而将其退出激发状态的信息记存。当锁存键再次被激发时，则将所记存的信息一齐发往计算机，从而达到这些键同时被激发的效果。

在光敏鼠标上也设置了一个锁存键以取得按键按下时鼠标移动的效果。

在光敏键盘和光敏鼠标的表面有一层遮光介质，其表面在光敏元件对应处印制了相应的符号和颜色。这一层面的主要作用是屏蔽背景光线对光敏元件的影响而选择性地让光束笔发出的光通过。这就将光电元器件完全封闭起来，这就使得光敏键盘和光敏鼠标可以免于灰尘和液体的侵入并且便于清洁。

与现有的计算机输入装置相比，本发明的有益效果是(1)手持光笔轻巧灵便，依靠光束跨越距离就可以将使用手置于任意舒适方便处，并可随意变换。这就基本避免了由于不良姿势和肌肉紧张所导致的计算机使用者常见的颈，肩，腕等部位的疼痛和伤害。(2)操作时只是轻微晃动光笔，避免了手指与塑料介面的撞击，从而减少了诸多伤痛和腱鞘炎的机会。(3)光信号接收器可以完全封闭起来，这就避免了灰尘和液体的侵入而给机器带来的损害和错误信号的发生。(4)人体与接收器并无接触，这就杜绝了计算机输入设备成为细菌传染源的可能。(5)光笔头的轻微转动就可以使接收器上的光斑移动相当大的距离，加上光键的一触即发的特性，使得具有相同熟练程度的人的输入速度可以达到或超过通常依靠手动来按键所达到的速度。这主要是因为相当部分距离的跨越由光子替代了手指和手掌的移动，并且省去了判断那个键归哪个手指敲击的过程。(6)可以直接输入3维空间运动的信息。

                                 附图说明

图1是本发明的基本原理图；

图2是光敏键盘键位分布图；

图3是第一种2维光敏鼠标盘面示意图；

图4是第二种2维光敏鼠标盘面示意图；

图5是一种3维光敏鼠标盘面示意图；

                              具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

图1包括了本发明的主要元器件：光束笔，光屏蔽介质，光敏元件，微处理器及相关电路，信号输出线。光束源采用有足够亮度和适当波长的绿色LED。通常光束笔与键盘间距为50cm左右。光斑的尺度大约为光敏元件的接收面大小。光束的准直和聚焦可以通过在LED前加一个聚焦透镜来获得，也可以采用本身具备谐振腔的RCLED来得到。

光屏蔽介质的透光率为千分之一左右。采用适当厚度，且有与光束相应的折射率的材料既可。

光敏元件可采用光敏电阻或光电二极管等光敏器件，在光束的照射下，电阻或电压会发生相应的变化。当微处理器探测到这样的信号时，就会作相应的处理并输出适当的信号。

图2示例了一种键盘键位分布。其要点为键与键之间应有足够的距离以让光束通过，键位应排成圆弧形。在此图中，标示字母略大于所对应的光敏区，这有助于增加使用人与机器的距离。

图3是第一种2维输入的鼠标面盘设计。三个环形带以不同的灰度代表不同的速度区。灰度越深速度越快。坐标原点既相当于光标在屏幕上的位置。光束在环形带上的亮点与坐标原点连线的方向既为光标在屏幕上移动的方向。图中锁存键可用来实现鼠标拖动的功能。当锁存键被激发后，光标移动时计算机认为鼠标的左击键是按下的。当锁存键被再次激发时，则向计算机发出左击键被释放的信号。

图4是第二种2维输入的鼠标面盘设计。光敏区为矩阵列布，光点在矩阵上移动的方向和距离即转换为光标在显示屏上移动的方向和距离。图中三个独立键的功能与图3相同。

图5是一种输入3维运动信号鼠标的部分面盘设计。点射外环时，移动方向是从坐标原点向光点的连线方向。点射内环时，移动方向是从光点向坐标原点的连线方向。另外，在坐标轴上的双向箭头指示绕轴转动的方向。

Claims (10)

1.一种计算机输入装置，包括光束笔和光信号接收器；所述光束笔适于用手操作，发出准直而聚焦的光束；所述光信号接收器表面分布着一些对所述光束敏感的区域，并与内部的微处理器电路相连，其特征是，当光束一进入任何一个所述光敏区并被微处理器探测到，就立即产生相应的信号并发送给计算机，其间没有特意的延迟机制或其它信号的提示。

2.权利要求1所述的输入装置，其特征在于，光信号接收器可以被封闭起来从而阻挡灰尘和流体的进入。

3.权利要求1所述的输入装置，其特征在于，在所述的光敏区中有一个起着锁存的作用，当此光敏区被激发后，其它光敏区再被激发和退出激发态的信息都被记存处理，当此光敏区被再次激发时，所有被记存信息再次被处理以取得这些光敏区是被同时激发的效果。

4.权利要求1所述的输入装置，其特征在于，所述的光敏区分布为矩阵形，所述光束在其上移动的方向和距离决定光标在显示屏上移动的方向和距离。

5.权利要求1所述的输入装置，其特征在于，所述的光敏区之间有足够的间隔从而使得所述光束从其间通过而不至于激发两边的光敏区。

6.权利要求5所述的输入装置，其特征在于，所述的光敏区按圆弧线分布。

7.权利要求1所述的输入装置，其特征在于，所述的光敏区为环带形分布，被所述光束激发时则驱使光标在显示屏上移动，所述环形带原点到所述光束在其上亮点连线方向决定光标在显示屏上移动方向。

8.权利要求7所述的输入装置，其特征在于，所述的光敏区为多重同心环带形分布，所述光束激发不同光敏带，则光标移动速度不同。

9.权利要求8所述的输入装置，其特征在于，以所述的光敏区中心为原点建立一3维坐标系，所述坐标系轴相截的环形光敏带区决定光标在3维空间中的运动在此截面的投影。

10.权利要求9所述的输入装置，其特征在于，在所述的坐标轴上有一横跨之光敏带区以决定绕此轴转动的方向和角度。

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