CN100555186C - 电子输入设备 - Google Patents

Abstract

一种电子设备(10)包含：显示屏(12)，用于显示存储在所述电子设备(10)中的数据；输入装置(16)；检测装置(20)，用于检测所述输入装置(16)相对于所述设备(10)的三维位置；以及控制装置，用于根据所述输入装置(16)相对于所述设备(10)的三维位置来控制显示在所述显示屏(12)上的数据。所述输入装置(16)包括将红外线圆锥形光束照向所述显示屏(12)的电磁辐射的源。所述检测装置(20)能够检测出入射在所述显示屏(12)上的电磁辐射的椭圆偏心率，以确定电磁辐射照射在所述显示屏(12)上的角度，并能够检测出入射在所述显示屏(12)上的电磁辐射的面积，来确定所述输入装置(16)与所述显示屏(12)之间的距离。

Description

电子输入设备

技术领域

本发明涉及计算机导航设备，尤其但不专用地涉及这样一种设备，即使在其显示屏很小的情况下，该种设备也能便利地导航存储在其上的软件。

背景技术

提供小的手持计算机设备例如袖珍组织器(pocket organizer)、个人数字助理(PAD’s)、蜂窝电话等是众所周知的。目前的趋势是把此种设备制造得尽可能小。比较小的设备更易于携带，而且一般需要的电能减少。

然而，这种设备的重大缺点是，尺寸的减小迫使用户界面的尺寸也变小，尤其是使得用于显示被该设备所存储或处理的信息或数据的屏幕或显示屏的尺寸减小。

许多这样的设备具有传统台式、膝上电脑或尺寸比它们大许多倍的类似设备的处理能力，并且很多产品例如Wacom和Sony Vaio便携式计算机都是使用诸如Microsoft Windows等操作系统的可完全操作的便携式计算机。

那些熟悉这种便携式设备的人会意识到这样一个问题，即需要在相对小的显示屏上显示所有需要的信息，尤其是在用户能从显示屏上的大量选项中选择特定功能的情况下。传统上，比如，一个选项的选择会导致打开一个新“窗口”来显示深一层的选项和子选项。具有大显示屏的设备能够组织数据，使得数据以更容易理解的方式显示；而具有较小屏幕的设备倾向于使用数据“层”或“级”，由此选择一个具有多个子选项的选项会导致全屏显示该子选项，其完全盖住原始菜单。偶然选择了错误选项，则需要许多步才能使显示屏返回到选项的原始列表。

提供这样一种便携式计算机或手持设备将是有益的，该便携式计算机或手持设备包括一种能够易于访问该设备中的数据的装置，同时改进了该设备的用户界面。

发明内容

因此，根据本发明的一个方面，提供了一种具有显示屏、输入装置和控制装置的电子设备，其中所述显示屏用来显示存储在该电子设备上的数据，所述控制装置用来根据该输入装置相对于上述设备的三维位置，控制显示在所述显示屏上的数据。

优选地，所述设备包括用于检测或监视所述输入装置相对于所述设备的位置的装置。

在一个实施例中，所述输入装置包括用于发射信号的发射器，显示屏包括用于检测该信号照射在所述显示屏上的位置的检测装置。该信号的形式可以是圆锥形的或圆形的红外线光束，所述检测装置可以在该光束照射在所述显示屏上时检测出该光束的面积和/或强度，从而确定所述输入装置相对于所述显示屏的三维位置。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于计算机等的输入设备，其具有用来显示存储在其上的数据的显示屏，所述输入设备包括：输入装置；和检测装置，该检测装置用于检测所述输入装置相对于该检测装置的三维位置，并根据该三维位置将一个位置信号施加给所述计算机等，从而控制显示在所述显示屏上的数据。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的形式来描述本发明，附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的一个设备；

图2示意性地示出了数据“级”的概念；

图3示意性地示出了根据本发明的一个实施例的一个设备的横截面；和

图4示出了根据本发明的实施例的一个示例。

具体实施方式

参考图1，根据本发明的一个电子设备一般如附图标记10所示。例如，设备10可以是手持或掌上电脑、个人数字助理(PDA)或移动通信设备如移动电话。设备10能够通过显示屏或屏幕12来存储和显示数据，该显示屏或屏幕12可以是液晶显示屏、点阵显示屏或TFT(薄膜晶体管)显示屏。

传统上，设备10的用户，利用位于该设备上的许多按钮14或利用诸如临时存储区(scratch pad)或跟踪球的输入设备，来控制显示在显示屏12上的数据。可选地，许多这样的设备包括触摸显示屏，其允许用户在显示屏12上利用笔形指向设备来选择选项或改变数据，其中将该笔形指向设备点压在显示屏上的所需位置上，从而选择所需选项。当指向设备被点压在显示屏表面上时，这种触摸显示屏只能够确定该指向设备相对于显示屏12的二维(即X-Y)位置。

这种设备的一个缺点在于，为了获得所需的尺寸减小以使该设备能够用作手持设备或便携式计算机上，显示屏12相应地在尺寸上做得较小。然而，取决于该设备所预期的应用，显示屏12可能需要显示与传统台式或膝上电脑中相类似的数据量，而所述传统台式或膝上电脑的显示屏在尺寸上要相对大一个数量级。显示屏12的小尺寸减少了在任意给定时间内所能显示的数据量。

为了使这种影响最小化，可对这种设备进行编程，从而使它以多“级”的方式来显示数据，由此，显示屏12可最初显示例如4个可供用户选择的选项。例如利用所述指向设备来选择这些选项之一，可以使显示屏12显示第二“级”的选项，例如，以传统计算机通常所使用的下拉列表或菜单的形式显示第二级的选项。在该列表中显示的每一个选项可以产生更深一层的下拉列表。

应该理解的是，该设备所使用的级数量一般与提供给用户的选项数量成正比，而与显示屏的尺寸成反比。因此，可以经常地发现这样一种情况：为了激活该设备的一个具体功能，用户可能需要选择几个选项。这样费时且容易使用户烦躁。此外，下拉列表等的产生可能会完全遮掩住原始列表，使得一个错误的选择可能要求用户手动地退出当前列表以返回到选项的原始设置。这会显著地增加用户所需要做的操作数量。

根据本发明的优选形式，设备10具有显示屏12，用来显示存储在设备10上的数据，可以通过输入设备16形式的输入装置来对设备10进行控制。在优选的实施例中，输入设备16采用笔形装置的形式，下文中称作“触笔”，它允许用户选择显示在显示屏12上的各种选项。本发明的原理是，电子设备10能够检测或监视触笔16相对于设备10以及特别是相对于显示屏12的三维位置。这使得可以对显示屏12进行有效的“三维控制”，以用来实现例如以下的控制功能。

触笔16相对于显示屏12在X或Y方向上的运动会引起显示屏12上的光标(例如鼠标指针或等同物)以传统鼠标的方式做相应移动。然而，很重要地，触笔16在Z方向上(即与显示屏12大致垂直的方向上)的运动可执行“缩放”功能，即根据触笔16的运动方向(要么朝向显示屏，要么离开显示屏)，使显示屏12或者放大或者缩小。

在一个实施例中，例如触笔16沿朝向显示屏12的方向运动，使得与触笔16的X-Y位置对应的显示屏12的区域内的数据被放大，其放大方式与传统计算机和计算机程序中实现“放大”功能的方式相似。由此，随着触笔16被移动到更靠近于显示屏12，与触笔16的X-Y位置对应的显示屏12的区域内的数据会被放大。显示屏12的这种放大允许与子选项相关的数据取代原始选项显示。然而，尽管传统的软件提供具有离散选择的“增量缩放”，但是参考附图所描述的设备通过利用基于触笔的计算出的触笔轨迹不断刷新信息，来提供连续缩放。连续地缩放使得一个富于直觉的且反应迅速的用户界面成为可能。

当“放大”或“缩小”达到一个预定阈值时，除原始选项之外还显示与子选项相关的数据，或取代(或先显示一个然后显示另一个)原始选项，只显示与子选项相关的数据。

图2举例说明了由显示屏12所显示的信息的“级”的概念。如图2所示，首先，“级1”数据可以给用户两个选择，即供用户选择的选项1和选项2。选项1表示具体的“级2”数据，该“级2”数据可以例如进一步包括两个选择，即选项A和选项B。选项A和B表示各自“级3”数据，它可以例如表示设备10能够执行的不同功能，比如发送e-mail或接入因特网。

同样，级1数据中的选项2可以对应于第二级数据中的选项C和D，其中每一个选项可以表示设备10能够执行的不同功能，比如打开日历或打开日记。

在传统设备中，为了从上面示例中选择因特网功能，用户需要把触笔16按在屏幕的选项1上，然后再按在选项B上，最后按在因特网选项上。由此，需要三个单独的操作。如果发生错误选择，例如选择了选项A而不是选项B，则用户需要选择“退出”选项(未示出)来返回到级1数据。

另一方面，本发明允许用户利用最少的单个操作来选择比如因特网。例如，在一个实施例中，用户在包含选项1的显示屏12部分的上方移动触笔16，然后朝向该显示屏移动触笔16。设备10把触笔16朝向屏幕的动作解释为“放大”操作，即：将显示屏12从级1数据朝向级2数据放大，直到选项A和选项B都显示在屏幕上。然后，用户改变触笔16在X-Y平面上的位置，直到触笔16位于选项B图标的上方，再朝向显示屏移动触笔16。这个运动进行从级2数据朝向级3数据“放大”，直到因特网图标出现在屏幕上。然后用户就可以以传统的方式来选择，例如把触笔16按在屏幕上所需位置处。

应该理解的是，本发明基于设备10有能力来监视、跟踪或检测触笔16相对于显示屏12的X-Y-Z三维位置，同时触笔16与显示屏12本身没有接触，这与传统的触摸显示屏不同。这可以通过多种方式来实现。

在一个实施例中，触笔16是所谓的“智能触笔”，它包括电磁辐射源，例如红外线发射器、LED或其他类似的光发射设备(未示出)。触笔16通过圆形的、球形的或其他形状的尖端发射一束光，例如红外线或其他光谱的光。光可被位于显示屏12上或被并入其中的感应层(未示出)检测到。该光线感应层可以是比如CCD或CMOS红外线感应阵列等的形式。当触笔16移过显示屏12时，只有感应层的某些部分会被触笔16发射出的光束照亮，而这将被感应层检测到。感应层确定触笔16的合适X-Y坐标，并将相应的位置信号发送给设备10的中央处理单元或其他类似设备，该设备相应地调整显示屏12。图4是该实施例的示例。当触笔16被移到更靠近显示屏时，它所产生的圆或椭圆30的面积要比触笔16移开时所形成的圆或椭圆32的面积小。相同的椭圆偏心率，意味着输入触笔与显示屏所成的角度相同，且面积的大小代表触笔与显示屏之间的距离。

在另一实施例中，触笔16以传统光笔的方式进行操作，且其中包括光感应器或光电二极管，该光感应器或光电二极管检测显示屏发出的光线。如同传统的电视屏幕一样扫描显示屏12，使得以所谓的光栅扫描方式在显示屏的横向和纵向上连续刷新图像。这种连续刷新会使显示屏12的像素以非常高的频率交替变亮和变暗，从而使得这种效果对肉眼来说不可见。

然而，光电二极管能够检测出这种明/暗效果；并且当光电二极管接收到的光线从暗变到明时，触笔16发送信号给设备10中的显示控制器。由于显示控制器产生显示信号，显示控制器就知道当前光栅线的位置，所以在触笔16发送信号给控制器时，显示控制器就能够确定显示屏12的哪一个像素正在被刷新。然后，显示控制器设置一个锁存器(latch)，该锁存器将表示像素的X和Y坐标的两个数提供给设备10的中心处理单元或其他类似设备，该设备能够确定触笔16点在屏幕上所指的位置。

以上示例仅仅描述了设备10如何确定触笔16相对于显示屏12的X-Y坐标。应该理解的是，设备10还必须确定Z-坐标，即触笔16距显示屏的距离。这也可以通过多种方法来实现。

在一个实施例中，触笔16发射一个电磁辐射光束，例如红外线或其他光谱的光，其以圆锥形光束发射，该光束的直径随着与触笔16的笔尖的距离的增大而变大。

入射到显示屏12，即感应层上的光是椭圆的形式，该椭圆的偏心率取决于光照射在显示屏12的角度，即触笔16被握住的角度。举例来说，偏心率为1，表明入射光线为圆形且触笔16被垂直握着。

入射到感应层上的光线的分布，将随着感应层与触笔16中光源的距离的变化而变化。当触笔16放置在距显示屏的感应层一定距离时，被照亮的感应层总面积将会相对大，但该入射光线的强度比较低。随着触笔16移动到更靠近显示屏，入射在感应层上的光线面积将减小，而强度将增大。当触笔16离显示屏很近时，显示屏12被来自触笔16的光线照亮的面积将很小，而强度将很大。

为了测量入射光的强度，可能强度的连续范围被分成多个激发阈值范围。因而，可以根据其落入的阈值范围来计算光线强度。

在操作中，感应层检测入射在显示屏12上的光线，并发送适当的信号给设备10的处理单元。然后，计算入射在显示屏12上的光线的椭圆偏心率，并由此来确定触笔16所处的角度。入射在显示屏12上的光线总面积也可被计算出来，并由此可确定触笔16与显示屏12之间的距离。可选地或另外地，可以测量出入射光线的强度，并且用来或者独立地确定触笔16到显示屏12的距离，或者使基于测量面积的计算结果更精确。

然后，将触笔16的角度和触笔16到显示屏12的距离结合起来用于确定触笔16在显示屏12上方的垂直高度。因此，通过设备10确定触笔16在Z-方向上的位置。

随着触笔16被移动，每秒几次地进行触笔位置的重复计算，使得触笔的轨迹被记录下来。然后，可以用触笔轨迹来协助预测用户意图。

触笔16的位置和角度，也可以在触笔16与显示屏无物理接触时，用来确定用户何时做出一个选择。例如，简单的下降动作，可用来代表选择。可选地或者另外地，光线的面积和/或强度也可用来表示无接触选择。例如，可以通过入射光线的面积降到某一最小阈值之下和/或入射光线的强度升到某一最大阈值之上来表明这种选择。

在一个不同的实施例中，如图3所示，设备10设置有多个光感应器20，这些光感应器20被安置在显示屏12的周边上。光感应器沿Z-方向被分段或分层，以使在触笔16向显示屏12移近或离开时，光感应器的不同分段或不同层会被触笔16所发射出的圆锥形光束照亮。特别是，当触笔16越移近屏幕时，显示屏12周边上的被照亮的光感应器就越少，如图3所示。利用设备10的处理单元解释来自感应器的信号，由此该处理单元计算触笔16与显示屏12之间的距离。

在另外一个未示出的实施例中，显示屏12被嵌入或沉入进设备10的机身内以提供外壁。在该外壁中两面上都设置有多个光发射设备，在另外两面上设置有相应数量的光感应设备。光发射器所发射的光线会被相对的光感应器检测到，从而使得如果触笔16被移向显示屏12，那么将会中断一些光发射器和相应光感应元件之间传送的光，由此向电子设备10指示触笔16已经被移近显示屏。如果光线发射器和感应器沿Z-方向被分层，就能提供一个触笔16与显示屏之间的距离的指示。

很显然地，本领域的熟练技术人员可以有很多的方法来检测触笔16相对于显示屏的X-Y-Z三维位置，以上示例说明了特别简单而且有益的技术。本发明的重要特征是，用户能够通过相对于设备10或设备10的显示屏12在三维方向上移动触笔16或其他输入设备，来改变设备10所显示的数据。

还应该理解的是，可以对上述的发明进行多种修改、改进或变化，以提供特定的优点。在触笔16中含有光线发射设备来产生圆锥光束的情况下，可以选择该设备的功率以产生一个具有预定长度和圆锥角的光束，从而限制用户执行放大或缩小功能时所需的Z-方向移动量。光发射器的类型可以根据需要进行选择，以提供可使用的红外线、可见光或是其他形式的电磁辐射。可选地，触笔16既可以包括光电二极管，以使其用途与光笔相似，也包括光发射器，以确立Z-坐标信息。为了向设备10发送信号或从设备10接收信号，触笔16可以利用电缆连接到设备10上。可选地，触笔16可以远程地连接到设备10上，或可以根本不提供数据链接。后一种情况在当触笔16中使用光发射设备的情况下是可能的。

触笔可选择性地使用一条简单系绳(螺旋塑料绳等)来系在该设备上，仅仅为了防止触笔在有许多人可能经常使用的场合下丢失，例如冰箱、计算机或商业场所。

设备10中可以采用触摸屏或传统屏幕，其中利用触笔16上的按钮等形式通过显示屏来选择，该按钮等产生发送到设备10上的信号，其类似于传统的光枪等。在使用感应层的情况下，其可以由任何合适的材料形成，另外地或可选地，其可以是热敏材料。感应层可以分层在显示屏12的屏幕上方或下方，或者与显示屏12的屏幕集成在一起。所选择材料的敏感性和品质可以根据需要来选择。

虽然上述实施例谈到了触笔16相对于设备10的显示屏12的位置的检测，但是应该理解的是，相对于设备10的任何其他部分或相对于任何固定位置的触笔16的三维位置也可以用作同样的用途。在这一点上，本发明仅提供触笔16和能够确定触笔16相对于该检测板的三维位置的检测“板”等。该检测板能够利用任何易于理解的合适方法连接到设备10上进行通信。这样的实施例可以使触笔16和检测“板”用在传统台式或膝上电脑上来代替更加传统的鼠标、临时存储区或跟踪球。

应该理解的是，本发明中的设备10与现存的系统相比，具有许多优点。特别地，根据设备10来计算触笔16的深度/高度坐标，从而使设备10的软件能随着触笔16与显示屏12或设备10的距离改变来调整显示屏12上的内容。当触笔16更靠近显示屏时，设备10将这个动作解释为试图选择特定范围内的一个坐标，并放大该坐标内显示的所有信息去填充显示屏的一个更大的部分。这能使信息显示从直觉上更“接近”满足用户的意图。此外，因为显示较少的级1选择，显示屏12上有更多的可用空间，并且能选择性地添加附加选择层(比如上下文菜单)，以允许用较少的“点击”或触笔16的选择做出更多选择。在需要两个或更多级选择的情况下，触笔16的运动可以允许设备10预测用户所需的选择，而这一选择的做出仅需要触笔16的单个操作。

Claims (9)

1、一种电子输入设备，包括：

输入物体；

感应器阵列，用于感应和提供所述输入物体在所述感应器阵列上产生的电磁辐射图样的位置，以及取向、形状和大小中至少两者的输出指示；和

输入电路，用于接收所述输出指示且提供一个表示所述输入物体的二维位置、三维位置和取向中的至少一个的电子输入。

2、如权利要求1所述的电子输入设备，并且其中所述感应器阵列还用于感应和提供在所述电子辐射图样中的电磁辐射的强度的输出指示，且所述输入电路用于提供一个电子输入，该电子输入是基于被感应的电磁辐射的强度和电子辐射图样的所述大小中的至少一个的。

3、如权利要求1或2所述的电子输入设备，其中所述感应器阵列用于提供由所述输入物体在所述感应器阵列上产生的电磁辐射图样的位置、取向、形状和大小中至少三个的输出指示。

4、如权利要求1所述的电子输入设备，并且其中所述感应器阵列用于提供由所述输入物体在所述感应器阵列上产生的电磁辐射图样的位置、取向、形状和大小的输出指示。

5、如权利要求1或2所述的电子输入设备，并且其中所述输入物体包括用于产生所述电磁辐射图样的电磁辐射源。

6、如权利要求5所述的电子输入设备，并且其中所述电磁辐射源产生一个由所述感应器阵列感应的圆锥形光束，该圆锥形光束在所述感应器阵列上产生椭圆形式的所述电磁辐射图样，其中该椭圆具有一个为在垂直于所述感应器阵列的平面中的所述输入物体的取向的函数的椭圆偏心率。

7、如权利要求6所述的电子输入设备，并且其中所述输入电路用于基于来自所述感应器阵列的所述输出指示，根据所述椭圆偏心率计算所述输入物体的所述取向。

8、如权利要求1所述的电子输入设备，还包括一个显示屏，用于响应所述电子输入。

9、如权利要求8所述的电子输入设备，并且其中所述感应器阵列分层在所述显示屏的上方或下方，或者与所述显示屏集成在一起。

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