CN101238428B - 自由空间指点和手写 - Google Patents

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Abstract

一种使用一个或多个一维图像传感器检测自由空间中的光源(22)的位置检测方法适合用于便携式自由空间数据输入装置(20)，用于控制计算机显示器(44)上的光标(42)。便携式自由空间数据输入装置(20)的用户应当在自由空间移动便携式自由空间数据输入装置(20)，以便控制光标在显示器上的移动。这种便携式自由空间数据输入装置也可以用作自由空间手写装置。有可能使这种指点装置适应于多媒体家庭娱乐系统的用户友好遥控装置的设计。

Description

自由空间指点和手写
技术领域
本发明涉及通常用作计算机的输入装置的指点和手写装置，诸如鼠标、轨迹球、触摸板、游戏杆和笔式图形输入板。更具体地说，本发明涉及以下各个方面：确定便携式自由空间数据输入装置的位置的方法；使光学位置检测装置能够确定便携式自由空间数据输入装置的位置的方法；便携式自由空间数据输入装置；光学位置检测装置；以及包括这样的便携式自由空间数据输入装置和光学位置检测装置的系统。
背景技术
在计算机系统中，各种不同的指点装置已经用来输入相对运动数据。最经常使用的指点装置是计算机鼠标。用户可以在平面上移动计算机鼠标。显示在计算机显示器屏幕上的光标跟随鼠标的移动和屏幕上与各种不同项目有关的点。虽然许多人喜欢使用鼠标胜于其他指点装置，但是，有些人在长期使用鼠标之后可能有手指、手、手腕、臂和肩疼痛的问题。对于有与鼠标相关的疼痛问题的人们来说，可以使用诸如轨迹球、触摸屏和游戏杆的其他可能的指点装置，以便减少或避免使用鼠标。
近年来，个人计算机的使用迅速增加。许多人每个工作日在工作中使用计算机几个小时。在家里，人们使用计算机来访问因特网、阅读和写电子邮件以及玩计算机游戏。计算机工业的新趋势是要把计算机与音频和视频设备以及信号源结合起来，以便提供家用的多媒体家庭娱乐系统。这样的计算机系统的用户可以坐在沙发上利用手持式遥控装置控制各种不同的功能，诸如选择电视频道、播放和记录视频、播放和记录音乐、显示数字照片和访问因特网。这样的遥控装置的一个期望的功能是控制光标运动的功能。这意味着应当在遥控装置上设计和实现指点装置。目前，轨迹球、游戏杆和小型陀螺仪已经用来在多媒体家庭娱乐系统的遥控装置上实现指点功能。笔式图形输入板既可以用作指点装置又可以用作手写装置。当用户利用光标在计算机显示器屏幕上指点时，他/她注意眼-手协调。当用户利用手写把字母或数字输入到计算机中时，他/她更多注意笔的移动而不是眼-手协调。还在许多手持式个人计算机上提供手写输入。用户可以使用铁笔在手持式个人计算机屏幕上书写字母和数字。在计算机上执行手写识别软件，以便识别字母和数字。
因此，需要一种便携式自由空间数据输入装置。但是，为了使用这样的装置，必需从所述装置提供要处理的数据以及跟踪所述装置的位置的可能性。
除上述的其他可能的指点装置以外，有另一种市场上可买到的指点装置，该指点装置利用陀螺仪来测量用户手的角度变化。在美国专利No.5,440,326、美国专利No.5,698,784、美国专利No.5,825,350和美国专利No.5,898,421中描述了这样的装置的设计。所述指点装置可以被握在用户的手中并且可以在自由空间移动。这向用户提供另一种可供选择的装置，以减少普通鼠标的使用，并且对于有与鼠标相关的疼痛问题的人们来说是可取的。
在手持式指点装置的设计中要解决的一个问题是如何让用户利用更自然的手和手腕移动在自由空间移动所述装置。基于陀螺仪的指点装置使用户可以在自由空间移动所述装置。但是，由于使用陀螺仪作为角度检测器，用户往往使用大角度手腕移动在屏幕上产生大的或快速的光标移动。这些大角度手腕移动大大地偏离用户手腕的中间位置。因此，如果长时间地做许多次大的手腕移动，那么，用户可能感觉到他/她手腕的疲劳。因为陀螺仪检测用户手的角度移动，所以，指点装置不能自然地用作自由空间手写装置，它需要检测用户手在自由空间中的位置。
另一种可以由有与鼠标相关的疼痛的用户使用的、由NaturalPoint Inc.销售的、称为SmartNav3TM的、市场上可买到的指点装置利用二维成像传感器来检测用户的头部或手的运动。用户可以在自由空间中移动他/她的头部或手来控制光标的运动。在用户的前面设置红外光源和红外摄像机。用户应当在他/她头部、眼睛或帽子上加上小片反射材料，或者戴上具有小片反射材料的环形物。当用户在摄像机的视角内移动他/她的头部或手时，摄像机捕获一序列二维图像。通过专用数字电路预处理每一个捕获的图像以便提取高亮度区域，所述高亮度区域对应于所述小片反射材料。然后，把预处理的图像通过USB(通用串行总线)端口发送到个人计算机供进一步处理。计算机软件检测预处理图像中高亮度区域的位置并且把变化转换成光标移动。还有可能使用手持式红外光源并且让红外摄像机直接捕获光源的图像。
当使用基于二维成像传感器的指点装置时，可以避免大角度手腕移动。自由空间中用户手的典型的运动不同于移动基于陀螺仪的指点装置的运动。因为用户可以利用他/她的臂来快速移动光源的三维位置，所以，用户不必做大角度手腕移动。因此，从人机工程学的观点看来，基于二维成像传感器的指点装置优于基于陀螺仪的指点装置。
目前，上述市场上可买到的指点装置使用有限分辨率(即，有限数目像素)的二维成像传感器，因而具有相当有限的视角。红外反射器或红外光源必须在摄像机的视角范围内移动。若用户利用他/她的头部来控制光标运动，那么，狭窄的视角是可以接受的。但是，若用户利用他/她的手来控制光标运动，那么，若视角太狭窄则他/她可能感觉不便。不能简单地利用广角镜头来增大摄像机的视角。由于二维成像传感器的有限分辨率的缘故，当增大摄像机的视角时，需要较大的手运动。在较大的视角的情况下，当红外光源被移动到更加远离摄像机的位置时，所需的手运动进一步增大。用户可能感觉到做非常大的手运动的不便。因此，最好增加摄像机的二维成像传感器的像素数目。但是，较大的二维成像传感器的增大的成本和关于增大数据处理硬件的通过量的要求可能导致比较昂贵的产品。
市场上可买到的基于二维成像传感器的指点装置的另一个潜在的问题是：若在摄像机的视场中存在一个以上红外光源或反射物体，则所述装置的图象处理算法可能不能检测预期的红外光源或用户所戴的反射材料片的位置。这意味着，应当控制环境光线和摄像机视场中的任何干扰反射材料，使得可以避免这个问题。若设计基于光学位置检测器的指点装置，那么，应当解决干扰环境光线的问题。
若基于光学位置检测器的指点装置用作自由空间中的手写装置，那么，所述装置的便携式部分上必须有可用的按钮，使得可以通过移动用户的手来操作它以便激活手写。市场上可买到的基于二维成像传感器的指点装置在所述便携式部分上没有用于激活手写的任何按钮。使用键盘上的按钮或脚动开关来激活手写是不方便的。
因此，在使用可以保持其设计简单的光学位置检测技术的同时，允许使用不需要大角度手腕移动的便携式自由空间数据输入装置是有利的。
的确存在用于利用一维成像传感器和狭缝来检测光源的单个点运动的导向头(除别的以外)的光学位置检测的旧技术。但是，它从未与输入数据结合使用，因此，也没有确实地逼近考虑供数据输入装置使用。因为未使用来自其位置已经确定的装置的数据输入，所以，所述技术还必须使用一直接通的光源。
例如，在美国专利No.4,092,072中描述这种技术，其中使用单一水平安装的一维成像传感器以及两个彼此倾斜的排列成V形配置的狭缝，用以检测光源的位置。穿过两个狭缝的光薄片照射在一维成像传感器上并且在捕获的一维图像上产生两个脉冲。可以通过测量两个脉冲之间的距离来确定光源的垂直位置。可以从所述脉冲相对于成像传感器的一个端部的位置计算光源的水平位置。不是使用两个V形狭缝，而有可能使用具有三角形孔的掩模，或使用具有其两个边缘彼此倾斜的三角形遮光构件的掩模。穿过具有三角形孔的掩模的光照射在具有一维成像传感器的平面上并在所述平面上形成三角形图案。因为三角形图案与光源的水平和垂直移动相对应地在所述平面上水平和垂直地移动，所以，所述图案与一维成像传感器的交点在捕获的一维图像上产生变更位置和宽度的脉冲。可以从所述脉冲的边缘相对于成像传感器的一个端部的位置来计算光源的水平位置。可以通过测量所述脉冲两个边缘之间的距离来确定光源的垂直位置。若使用具有其两个边缘彼此倾斜的三角形遮光构件的掩模，那么，由三角形遮光构件形成的阴影的图案和掩模的边缘被投影在具有一维成像传感器的平面上。所述图案和一维成像传感器的交点在捕获的一维图像中产生两个变更位置和宽度的宽脉冲。可以从一维图像中两个边缘(对应于掩模的彼此倾斜的边缘)的位置计算光源的水平和垂直位置。
在美国专利No.4,209,254中使用单一一维成像传感器。两个狭缝排列在正交的方向上。通过两个狭缝的光形成两个光片。一个光片与一维成像传感器垂直地相交。另一个光片被一组棱镜旋转，使得这个光片也与一维成像传感器垂直地相交。可以通过测量在捕获的一维图像中检测到的两个脉冲的位置来确定光源的垂直和水平位置。可以使用柱面透镜来代替所述狭缝，以把光聚焦在一维成像传感器上。
美国专利No.3,951,550描述的传感器可以借助于掩模中两个彼此垂直的狭缝(所述掩模在其他位置对发射的辐射不透明)来检测单一点光源的方向。处于相互正交平面中的扁平光束或入射光片穿过这些狭缝，可以借助于分别与这些光束相交的两个细长的辐射检测器来检测所述相互正交平面的取向。
虽然在美国专利No.4,092,072、美国专利No.4,209,254和美国专利No.3,951,550中，在光学位置/方向检测装置的设计中使用不同的限光装置，诸如具有以下各种特征的掩模：具有排列成V形配置的两个狭缝；具有三角形孔；具有其两个边缘相互倾斜的三角形遮光构件；和具有两个正交取向的狭缝(具有或没有光束旋转棱镜组)，但是，这些设计的一个共同特征是它们仅仅使用一维传感器来检测单一点光源的二维位置/方向。这种光学位置检测技术是可行的，因为来自单一点光源的光被限光装置限制，使得二维图案被投影在所述一维传感器的检测元件位于其中的平面(各平面)上。例如，在三角形孔的情况下，三角形图案是二维的，而在两个正交取向狭缝的情况下，所述图案的一部分是水平取向的狭窄的矩形而另一部分是垂直取向的狭窄的矩形。限光装置应当以这样的方式产生图案，即，当单一点光源在自由空间移动时，其至少两维的位置变化必须也产生二维的图案变化。一个或两个一维成像传感器可以用来捕获所述平面(所述各平面)上的二维图案变化。应当使用一个还是使用两个一维成像传感器取决于限光装置和所产生的图案。用于进行二维位置计算的算法既取决于限光装置又取决于如何相对于限光装置布置所述传感器(各传感器)。
发明内容
因此，本发明的一个目的指向解决以下问题：允许使用不需要大角度手腕移动的便携式自由空间数据输入装置，同时使用可以保持设计简单并且允许在所述便携式自由空间数据输入装置中有限的功率消耗的光学位置检测技术。
按照本发明的第一方面，这个目的是通过确定便携式自由空间数据输入装置的位置的方法来实现的，所述方法包括以下步骤：
在光学位置检测装置中接收来自便携式自由空间数据输入装置的第一组脉冲，所述第一组脉冲包括含有要处理的数据的至少一个脉冲；
在所述光学位置检测装置中接收来自便携式自由空间数据输入装置的光脉冲形式的第二组脉冲，所述第二组脉冲包括至少一个位置指示脉冲；
把所述第二组脉冲中的各脉冲限制成具有确定的第一横截面形状的至少一个第一光束；
把所述至少一个光束投影在其中设置至少第一一维检测器阵列的平面上，以便在所述平面上建立明暗区域的图案；
在每一个检测器阵列中检测所述图案的投影在该检测器阵列上面的一部分；和
根据通过每一个检测器阵列检测到的所述图案的各部分的明暗区域之间的接合，确定所述便携式自由空间数据输入装置的至少两维的位置，以便允许把所述位置同所述输入数据一起使用。
按照本发明的第二方面，这个目的是通过使光学位置检测装置能够确定便携式自由空间数据输入装置的位置的方法来实现的，所述方法包括以下步骤：
在便携式自由空间数据输入装置中接收由所述装置的用户输入的数据；
把第一组脉冲从便携式自由空间数据输入装置发送到光学位置检测装置，所述第一组脉冲包括含有要处理的数据的至少一个脉冲；以及
把光脉冲形式的第二组脉冲从所述便携式自由空间数据输入装置发送或反射到所述光学位置检测装置，所述第二组脉冲包括至少一个位置指示脉冲，以便允许所述光学位置检测装置根据设置在平面中的至少一个第一一维检测器阵列中检测到的明暗区域的图案各部分的明暗区域之间的接合，来确定用于同输入数据一起使用的所述便携式自由空间数据输入装置的至少二维的位置，其中已经把所述第二组脉冲中的各脉冲限制成至少一个第一光束，所述第一光束具有确定的第一横截面形状并且投影在用于建立所述图案的平面上。
此外，按照本发明的第三方面，所述目的是通过光学位置检测装置来实现的，所述光学位置检测装置包括：
被设置成从便携式自由空间数据输入装置接收第一组脉冲的数据接收单元，所述第一组脉冲包括含有要处理的数据的至少一个脉冲；
第一限制单元，用于接收光脉冲形式的第二组脉冲、把所述第二组脉冲中的各脉冲限制成具有确定的第一横截面形状的至少一个第一光束和把所述至少一个光束投影在平面上，以便在所述平面上建立明暗区域的图案；
在所述平面上的至少第一一维检测器阵列，其中每一个检测器阵列被设置成检测投影在它上面的所述图案的一部分；
控制检测器阵列的操作的图象捕获单元；和
脉冲检测单元，所述脉冲检测单元被设置成根据每一个检测器阵列检测到的图案的各部分的明暗区域之间的接合，来确定所述便携式自由空间数据输入装置的至少二维的位置，以便把所述位置同所述输入数据一起使用。
此外，按照本发明的第四方面，通过便携式自由空间数据输入装置来实现所述目的，所述便携式自由空间数据输入装置包括：
被设置成接收由所述装置的用户输入的数据的用户输入单元；
用于向光学位置检测装置发送第一组脉冲的部件，所述第一组脉冲包括含有要处理的数据的至少一个脉冲；
用于把光脉冲形式的第二组脉冲发送到或反射到所述光学位置检测装置的部件，所述第二组脉冲包括至少一个位置指示脉冲；和
传输控制单元，用于从用户输入单元接收所述输入数据并且至少控制用于发送所述第一组脉冲的部件，以便允许所述光学位置检测装置根据设置在平面中的至少第一一维检测器阵列中明暗区域的图案各部分的各明暗区域之间的接合，来确定所述便携式自由空间数据输入装置的至少二维的位置，以与所述输入数据结合使用，其中，所述第二组脉冲中的脉冲已经被限制成至少一个第一光束，所述第一光束具有确定的第一横截面形状并且被投影在所述平面上以便建立所述图案。
此外，按照本发明的第五方面，所述目的是通过用于确定便携式自由空间数据输入装置的位置的系统来实现的，所述系统包括便携式自由空间数据输入装置和光学位置检测装置，其中所述便携式自由空间数据输入装置具有：
被设置成接收由所述装置的用户输入的数据的用户输入单元；
用于发送第一组脉冲的部件，所述第一组脉冲包括含有要处理的数据的至少一个脉冲；
用于发送或反射光脉冲形式的第二组脉冲的部件，所述第二组脉冲包括至少一个位置指示脉冲；和
传输控制单元，所述传输控制单元从用户输入单元接收所述输入数据并且至少控制用于发送所述第一组脉冲的所述部件。
其中所述光学位置检测装置具有：
被设置成接收所述第一组脉冲的数据接收单元；
第一限制单元，用于接收所述第二组脉冲、把所述第二组脉冲中的各脉冲限制成具有确定的第一横截面形状的至少一个第一光束和把所述至少一个光束投影在平面上，以便在所述平面上建立明暗区域的图案；
在所述平面上的至少第一一维检测器阵列，其中每一个检测器阵列被设置成检测投影在它上面的所述图案的一部分；
控制检测器阵列的操作的图象捕获单元；和
脉冲检测单元，所述脉冲检测单元被设置成根据由每一个检测器阵列检测到的所述图案的各部分的明暗区域之间的接合，来确定所述便携式自由空间数据输入装置的至少二维的位置，以便允许把所述位置同所述输入数据一起使用。
在本发明中，一个或多个一维成像传感器用来检测单一点光源的移动，这和使用二维成像传感器的市场上可买到的指点装置的解决方案不相同。因此，本发明提供按人机工程学设计的不需要大角度手腕移动的便携式自由空间数据输入装置或者为其作好准备，同时使用可以保持其设计简单并且允许所述便携式自由空间数据输入装置中的有限功率消耗的光学位置检测技术。
因此，所述便携式自由空间数据输入装置可以是电池驱动的。用户可以将便携式自由空间数据输入装置握在他/她手中(或把它固定在他/她手指上)并且将它移动到自由空间中不同位置。用户可以通过按便携式自由空间数据输入装置上的不同按钮来激活指点装置的各种不同的功能。例如，当这种指点装置用作计算机输入装置时，所述装置的功能之一是允许用户通过在自由空间移动他/她的手来控制光标在计算机显示器屏幕上的移动。所述便携式自由空间数据输入装置上的一个按钮可以用来激活这种功能。当用户按这个按钮时，从便携式自由空间数据输入装置发送第一组脉冲到光学位置检测装置的数据接收单元。然后才可以开始确定位置。
所述便携式自由空间数据输入装置可以是指点装置以及手写装置。当不便于使用键盘把文本输入计算机时，例如，当用户坐在多媒体家庭娱乐系统前面的沙发上时，可以使用基于本发明的手持式遥控装置通过在自由空间中的手写来输入文本。
本发明可以用作用于三维指点和导航的三维输入装置。
附图说明
下面将关于附图进一步描述本发明，附图中：
图1是指点装置和显示单元的透视图。
图2是两个狭缝和两个一维成像传感器的透视图。
图3a示出具有五个按钮的便携式自由空间数据输入装置的壳体单元的设计。
图3b示出便携式自由空间数据输入装置的壳体单元的笔形设计。
图4是便携式自由空间数据输入装置的框图。
图5是光学位置检测装置的框图。
图6示出输入信号B、命令和同步信号CS、LED启动信号LEN和传感器启动信号SEN的波形。
图7图解说明环境光线消除技术。
图7a示出在LED断开时段期间由1024像素一维成像传感器捕获的环境光线图像中像素的亮度值(I)。
图7b示出在LED接通时段期间由同一个一维成像传感器捕获的LED照明图像中像素的亮度值(I)。
图7c示出图7a和图7b的图像之间的差值图像中像素的亮度值(I)。
图7d示出在对图7c中的图像进行阈值处理之后的结果图像中像素的亮度值(I)。
图8示出具有转盘开关的便携式自由空间数据输入装置的壳体单元的另外两个可供选择的设计。
图9a示出具有多路开关的便携式自由空间数据输入装置的壳体单元的设计。
图9b示出具有多路开关的便携式自由空间数据输入装置的壳体单元的小型化设计。
图10a示出具有不同的按钮布置的便携式自由空间数据输入装置的壳体单元的设计。
图10b示出具有不同的按钮布置的便携式自由空间数据输入装置的壳体单元的小型化设计。
图11示出具有三个按钮的便携式自由空间数据输入装置的壳体单元的小型化设计。
图12示出用于多媒体家庭娱乐系统的便携式自由空间数据输入装置的壳体单元的设计。
具体实施方式
图1中示出本发明的优选实施例的透视图。图1描述按照本发明的系统10，系统10包括图中图解说明的便携式自由空间数据输入装置20，便携式自由空间数据输入装置20具有用于发送第一组脉冲的部件(在这里是红外发射二极管24)和用于发送或反射第二组脉冲的部件(在这里是发光二极管22)，其中两个部件都安装在便携式自由空间数据输入装置20的一个端部。发光二极管22和红外发射二极管24两者都具有宽发光角。发光二极管22发送第二组脉冲并且是应当由光学位置检测装置30检测的光源。红外发射二极管24发送第一组脉冲并且用来实现无线命令和同步信号发射机。光学位置检测装置30设置在显示单元40的旁边。在光学位置检测装置30的面板31上有：数据接收单元，在这里以实现无线命令和同步信号接收机的红外检测器32的形式提供所述数据接收单元；第一细长开口形式的第一限制单元，在这里是垂直狭缝34a的形式；和第二细长开口形式的第二限制单元，在这里是水平狭缝34b的形式。当用户在自由空间移动装置20时，光学位置检测装置30检测便携式自由空间数据输入装置20的移动并且把检测到的运动数据发送到计算机系统。光标42按照接收的运动数据在计算机系统的显示单元40的屏幕44上移动。
图2图解说明使用第一一维成像传感器36a形式的第一一维检测器阵列和第二一维成像传感器36b形式的第二一维检测器阵列来检测发光二极管22的移动的原理。在光学位置检测装置30的面板31上的狭缝34a具有第一基本上矩形形状，狭缝34a实质上提供第二组脉冲中的各脉冲的限制(所述第二组脉冲中的各脉冲被限制成具有第一横截面形状的薄的第一光束)，在这里所述第一横截面形状是矩形并接近于一维并且具有垂直取向，亦即，所述矩形的长边是垂直取向的。因此，狭缝34a是垂直取向的矩形开口。来自发光二极管22的第二组脉冲中的各脉冲穿过狭缝34a并且各自被限制成第二垂直光片或者被限制成具有第一横截面形状的光束，在这里所述第一横截面形状是矩形并接近于一维并且具有水平取向，亦即，所述矩形的长边是水平取向的。然后，两个光片被投影在通过使用电路板而提供的平面33上，并且两个投影的光片在所述平面上提供由明暗区域构成的图案。在这里，所述图案由一个垂直取向的亮的薄矩形和一个被暗背景包围的水平取向的亮的薄矩形构成。因此，每一个矩形边提供所述图案的明暗区域之间的接合。一维成像传感器36a水平地安装在印刷电路板上，使得一维成像传感器36a的检测元件处在与投影的第一光片成一定角度的平面33中，在这里所述角度是直角。因此，所述光片与一维成像传感器36a相交。所以，狭缝34a和一维成像传感器36a可以检测发光二极管22的水平运动。类似地，狭缝34b是水平的而一维成像传感器36b是垂直的，因而它们可以检测发光二极管22的垂直运动。因此，所述第二光片与检测器36b相交，以一定的角度设置所述检测器，在这里把所述检测器设置成垂直于投影的第二光片。因此，每一个检测器阵列检测投影在它上面的图案的一部分，其中，检测器36a检测所述图案由狭缝34a提供的部分，而检测器36b检测所述图案由狭缝34b提供的部分。一维成像传感器36a和36b由隔板(图2中未示出2)隔离，使得穿过狭缝34a的光片不会到达一维成像传感器36b而穿过狭缝34b的光片不会到达一维成像传感器36a。另一种类型的限制单元是柱面透镜。柱面透镜可以用来代替狭缝34a和34b，把光聚焦在一维成像传感器36a和36b上。可以在狭缝34a和34b或柱面透镜的前面使用滤光片来阻挡不想要的频带。
图3a中示出便携式自由空间数据输入装置20的壳体单元的详细的设计。发光二极管22和红外发射二极管24安装在便携式自由空间数据输入装置20的一个端部。当便携式自由空间数据输入装置20被握在用户的手中时，用户的拇指可以压用户输入单元中的任何一个，在这里所述用户输入单元以五个按钮26a、26b、26c、26d和26e的形式设置在便携式自由空间数据输入装置20的顶面上。本发明可以用作计算机输入装置来代替传统的计算机鼠标。当压按钮26a时，计算机屏幕上的光标跟随便携式自由空间数据输入装置20的移动。按钮26b和26c分别用来实现计算机鼠标的左按钮和右按钮的功能。当快速地单击或双击按钮26b和26c时，它们执行计算机鼠标的左按钮和右按钮点击或双击。当压按钮26b和26c时，光标跟随便携式自由空间数据输入装置20的运动。这允许用户使用本发明来执行计算机鼠标的标记、拖动和绘图操作。按钮26d和26e分别用来执行上滚和下滚操作。当压它们时，计算机屏幕上的光标应当不移动。
当用户操作图3a中所示的便携式自由空间数据输入装置20上的按钮时，他/她仅仅使用他/她的拇指。在压按钮之后，在用户开始压另一个按钮之前，必须松开刚才压下的按钮。若同时压下两个按钮，则便携式自由空间数据输入装置20仅仅响应它们中的一个，这取决于实际的硬件和/或软件实现方案。对于普通用户，由于拇指操作的规则简单，所以这种设计是方便的。对于某些其他用户，一旦光标被移动到选定位置，更重要的是易于单击按钮26b(左鼠标按钮)或按钮26c(右鼠标按钮)。这要求在单击按钮26b或按钮26c的同时，光标在显示器屏幕上连续地移动。可以或者通过操作便携式自由空间数据输入装置20底面上的按钮或者通过利用双击按钮26a进入连续移动模式来实现这种功能。可以通过添加便携式自由空间数据输入装置20底面上的按钮来修改图3a中所示的设计。可以通过用户的食指操作这个按钮，以便激活光标移动功能。当压下这个按钮时，计算机屏幕上的光标跟随便携式自由空间数据输入装置20的运动。当光标被移动到选定位置时，用户可以在不松开这个用食指操作的按钮的情况下立即利用他/她的拇指压下或单击按钮26b或按钮26c。代替添加新的按钮，可以通过简单地把按钮26a移到便携式自由空间数据输入装置20的底面来实现可供选择的设计。因为现在通过食指操作按钮26a，所以应当修改操作规则以便允许同时压下按钮26a和按钮26b与26c中的任何一个。最好应当利用接触敏感开关来实现便携式自由空间数据输入装置20底面上的按钮。若希望不改变按钮的设计，那么，也可以通过快速地点击按钮26a两次来进入连续移动模式。当压下或单击按钮26a时，应当结束这种模式。在某个时段(例如30秒)内没有单击按钮26b和26c中任何一个的情况下，也应当结束所述连续移动模式，以便节省便携式自由空间数据输入装置20的电池的电力。
图3b中示出便携式自由空间数据输入装置20的壳体单元的另一个可供选择的设计。可以把便携式自由空间数据输入装置20的壳体单元的形状设计成笔形。用户可以握着这种笔形设计的便携式自由空间数据输入装置20，好像他/她握着笔写字。用户可以使用他/她的食指或拇指来操作按钮。
图4中示出便携式自由空间数据输入装置20的框图。可以或者采用微处理器或者采用专门设计的集成电路来实现传输控制单元28。五个按钮26a、26b、26c、26d和26e连接到传输控制单元28的输入引脚。发光二极管22和红外发射二极管24连接到传输控制单元28的输出引脚。可能需要用于产生驱动发光二极管22和红外发射二极管24所需电流的附加的晶体管(图4中未示出)，这取决于传输控制单元28的输出电流限制。电池29向传输控制单元28供电。可以把用于开关电源的附加的开关或按钮(图4中未示出)添加到便携式自由空间数据输入装置20。
图5中示出光学位置检测装置30的框图。位置确定单元38控制一维成像传感器36a和36b、模数(A/D)转换器37a和37b、红外检测器形式的数据接收单元32、以及接口单元39的操作。所述位置确定单元包括图象捕获单元38a、图象处理单元38b和脉冲检测单元38c。可以或者采用CCD(电荷耦合器件)或者采用CMOS(互补金属氧化物硅)技术来实现一维成像传感器36a和36b。成像传感器的输出信号可以或者是模拟信号或者是数字信号。若输出信号是模拟信号，则应当采用模数(A/D)转换器来把模拟信号转换成数字信号。图5示出在一维成像传感器36a和36b的输出信号是模拟信号的情况下，如何连接模数转换器37a和37b。若一维成像传感器具有内部模数转换器，则这些传感器可以直接连接到位置确定单元的数字输入端。若采用市场上可买到的具有一个或两个内部模数转换器的数字信号处理器来实现位置确定单元38，则可以把一维成像传感器的模拟输出信号直接连接到所述数字信号处理器的模拟输入端。
在图1、图4和图5中红外发射二极管24和红外检测器32分别实现无线命令和同步信号发射机和接收机。使用38KHz已调制信号来驱动红外发射二极管24，这种通常使用的技术可以减小来自其他红外信号源的干扰，其中发射所述第一组脉冲。在光学检测单元30上的红外检测器32首先执行对接收信号的解调，然后把复原的二进制信号发送到位置确定单元38。
利用接口电路和用于通用串行总线(USB)的某些软件模块来实现图5中的接口单元39。USB通常用来连接计算机和它们的外围设备。具有USB接口电路的专用微处理器可以用来实现接口单元39。若采用市场上可以买到的数字信号处理器来实现位置确定单元38，那么，还有可能使用专用USB接口电路来实现硬件部分，并且在数字信号处理器上运行所需的软件模块。理想的是，若数字信号处理器具有内部USB接口电路，则可以实现最紧凑的设计。USB还可以向光学位置检测装置30提供电源。若光学位置检测装置的设计不使用来自USB电缆的电源，那么，应当把电源单元添加到光学位置检测装置30。
图6示出各种不同信号的波形。下面详细地说明一个示例操作序列。假定便携式自由空间数据输入装置20的按钮26a用来在压下该按钮时激活光标移动。当压下按钮26a时，传输控制单元28检测由用户输入的输入信号B的逻辑电平变化。然后，传输控制单元28产生第一组脉冲，其中至少一个脉冲包括要处理的数据，所述第一组脉冲是以命令和同步信号CS的形式出现的。如图6中所示，首先在时段CS1，以一序列位的形式产生关于按钮26a的接通状态的命令。因此，所述第一序列包括要处理的数据。用38KHz信号调制所述命令的每一位并且通过红外发射二极管24顺序地发送所述命令的每一位。光学位置检测装置30的红外检测器32解调接收的信号，并且随后把复原的二进制信号发送到位置确定单元38。在命令和同步信号CS中还提供若干同步脉冲。在解释接收命令之后，位置确定单元38应当等待第一同步脉冲。在时段CS1发送命令之后，发射控制单元28在时段CS2中产生同步脉冲，如图6中所示。在压下按钮26a的整个时段期间，定期地把38KHz已调同步脉冲从便携式自由空间数据输入装置20发送到光学位置检测装置30。这些同步脉冲用来避免便携式自由空间数据输入装置20和光学位置检测装置30的时钟信号源之间的累积时钟误差，因为便携式自由空间数据输入装置20的任何按钮都可能被压下一个长的时段。这些同步脉冲应当多少时间发送一次，取决于时钟信号源有多高精度。图6图解说明其中在发光二极管22的每一个断开/接通时段(例如，8ms)的起点发送所述同步脉冲的情况。现在，便携式自由空间数据输入装置20通过红外发射二极管24发送第一已调同步脉冲。当光学位置检测装置30接收到同步脉冲时，一维成像传感器36a和36b中的每一个被位置确定单元38的图像捕获单元38a激活，并且在LED断开时段P1期间开始捕获图像。传感器启动信号SEN(如图6中所示)仅仅表示一维成像传感器36a和36b应当开始捕获图像的时间。应当根据为一种设计选定的传感器产生实际的传感器定时控制信号。在LED断开时段P1之后，便携式自由空间数据输入装置20上的LED启动信号LEN接通发光二极管22。这样，在LED接通时段内，发光二极管22产生位置指示脉冲，该脉冲用于确定便携式自由空间数据输入装置的位置。在LED接通时段P2期间，一维成像传感器36a和36b中的每一个应当捕获另一个图像。这样，在图像捕获单元38a的控制下，它们提供被存储在存储器中的图像。然后，在LED接通时段期间，获得的图像显示投影在所述平面上的图案。正如在图6中可以看到的，只要提供同步脉冲就产生几个位置指示脉冲。这些位置指示脉冲构成第二组脉冲。当释放按钮26a时，便携式自由空间数据输入装置20结束同步信号的发送，断开发光二极管22并且在时段CS3通过红外发射二极管24把相应的命令发送到光学位置检测装置30。这样，在时段CS3中的命令组成至少一个结束脉冲，所述结束脉冲表示要处理的数据的结束。用这种方法处理用于提供要发送的数据的用户输入，以便获得包含所述数据的第一组脉冲。用户的输入还触发第二组脉冲的产生和发送。
因此，仅仅当要发送数据时，为了发送第一和第二组脉冲才由发射控制单元28激活发光二极管22和红外发射二极管24。
图7中图解说明环境光线消除技术。因为如图6中图解说明的，一维成像传感器36a和36b的操作与发光二极管22的开关同步，所以，捕获的图像是发光二极管22断开时的环境光图像和发光二极管22接通时的LED照明图像，亦即，图像包括由图像捕获单元38a存储在存储器中的位置指示脉冲。图7a示出在LED断开时段期间，由1024像素的一维成像传感器捕获的环境光图像中像素的亮度值(I)。图7b示出在LED接通时段期间，由同一一维成像传感器捕获的LED照明图像中像素的亮度值(I)。可以把所述图像从存储器转发到图象处理单元38b，在图象处理单元38b中，从利用同一传感器捕获的LED照明图像对应的像素值减去环境光图像的每一个像素值。图7c中示出结果图像。在单像素(pixel-wise)减法操作之后，可以在结果图像中轻易地识别对应于LED照明的像素(或脉冲)。可以利用小的阈值T1对结果图像进行阈值处理，以便进一步消除来自反射光、传感器和数字化过程的某些噪声。图7d中示出所述结果图像。在阈值处理之后，可以把所述过程图像提供给脉冲检测单元38c，其中可以利用各种不同的方法来计算对应于LED照明的脉冲的位置。若对位置分辨率的要求不是很高，那么，可以使用检测脉冲左边缘或右边缘的斜坡上的像素的简单方法。因此，在这里，由检测器检测到的投影形状的一部分的明暗区域之间的接合被用于确定位置。如图7d中图解说明的，这种像素可以定义为所述脉冲的左边缘上的像素并且其像素值PHALF最接近所述脉冲的最大像素值PMAX的50％。脉冲的位置PPOS定义为所述像素的索引号，如图7d中所示。若对位置分辨率的要求高，则应当使用利用子像素分辨率的某些边缘位置检测方法。还可以利用各种不同的数字滤波技术来抑制捕获的图像或任何中间图像中的噪声。利用垂直和水平方向上两个这样的脉冲位置，有可能识别便携式自由空间数据输入装置20的二维位置。
若要求的是相对光标移动，则应当把相对运动数据发送到主机计算机系统。位置确定单元38应当把每一个检测到的脉冲位置保存在它的存储器中。当检测到新的脉冲位置时，从存储器检索以前保存的脉冲位置，并且从新的脉冲位置减去以前保存的脉冲位置。通过接口单元39把所得到的相对脉冲运动数据发送到主机计算机系统。
每一个一维成像传感器和它的狭缝在光学位置检测装置30的前面形成透视图。因此，计算机显示器上光标移动量既取决于便携式自由空间数据输入装置20在自由空间中的移动量，又取决于便携式自由空间数据输入装置20和光学位置检测装置30之间的距离。当便携式自由空间数据输入装置20接近于光学位置检测装置30时，便携式自由空间数据输入装置20在自由空间中的小的移动将在计算机显示器上产生大的移动。如果透视图的这种效果是不希望有的，那么，可以采用以下方法来减小所述效果：即利用脉冲的最大像素值PMAX(如图7d中所示)来调节相对脉冲移动数据，因为脉冲的最大像素值PMAX主要取决于便携式自由空间数据输入装置20和光学位置检测装置30之间的距离。例如，当脉冲的最大像素值大于预定的阈值时，应当把所述阈值对脉冲的最大像素值的比率乘到相对脉冲运动数据。因为所述比率小于1，所以相对脉冲移动数据的幅度变小，因而计算机显示器上光标移动量也变小。用这种方法，还有可能确定便携式自由空间数据输入装置20的第三维位置，以便可以确定它在空间中的位置。
因为脉冲的最大像素值提供便携式自由空间数据输入装置20和光学位置检测装置30之间的深度(范围)信息，所以有可能利用本发明作为用于三维指点和导航的三维输入装置。若需要更精确的三维位置数据，那么，可以通过在图2中，把一个水平安装的一维成像传感器添加到一维成像传感器36b的右边，并且把一个垂直狭缝添加到狭缝34b的右边来扩展本发明。在两个水平安装的一维成像传感器(传感器36a和新添加的传感器)上检测到的各脉冲位置数据可以用来通过三角测量法计算深度(范围)数据。
有些人当他们在自由空间中移动便携式自由空间数据输入装置20时，稳定地握紧他们的手可能有困难。最好当便携式自由空间数据输入装置20的移动速度减慢时，减小光标移动量对便携式自由空间数据输入装置20移动量的比率。可以通过以下方法来实现这一点：当检测到的移动速度低于预定的阈值时把小比例因子乘到检测到的移动量。若需要更仔细的控制，则可以使用几个不同的比例因子和阈值。因为标记、拖动和绘图一般不需要快速的光标移动，所以，当压下按钮26b和26c时也可以把小的比例因子乘到检测到的移动量。当单击或双击按钮26b和26c时，这也可以减小不想要的光标移动。
因为按钮26d和26e用于上滚和下滚操作，所以当压下这些按钮中任何一个时屏幕上的光标不移动。因此，便携式自由空间数据输入装置20不接通发光二极管22并且不通过红外发射二极管24发送同步信号。当压下按钮26d或26e时，重复地通过红外发射二极管24发送相应的命令。光学位置检测装置30对接收到的指令进行计数，并且通过接口单元39把具有适当极性的计数发送到主机计算机。
本发明还可以用作自由空间手写装置，用于把字母、数字或其他符号输入到计算机系统。用户可以使用便携式自由空间数据输入装置20在自由空间中书写字符，移动的位置数据被发送到计算机并且由用于手写识别的软件对其进行分析。若设计的装置的功能既包括传统的计算机鼠标的功能又包括手写装置的功能，那么，应当把单独的模式控制按钮添加到便携式自由空间数据输入装置20，并且将其用来控制操作模式。例如，可能会有一个用于鼠标操作的模式和另一个用于手写的模式，因而每一次单击所述模式控制按钮都把当前模式切换到另一种模式。在用于鼠标操作的模式中，按钮26a被指派来激活光标移动，而在手写模式中，它被指派来激活手写，就是说，当压下它时，特定的命令被从便携式自由空间数据输入装置20发送到光学位置检测装置30，并且便携式自由空间数据输入装置20的每一次移动被解释为字符的一个笔划。对于用于手写识别的软件，可能希望有关于每一个笔划的移动的绝对位置数据。例如，利用绝对位置数据，容易确定每一个输入的笔划是否与以前的笔划相关联或者是新字符的第一笔划。可以把笔划的所有采样的位置数据编码作为绝对位置数据。作为另一方案，每一个笔划的数据格式可以以绝对位置数据为起点，后跟一序列相对运动数据。作为另一个可供选择的设计，还有可能把用于激活手写体的专用按钮添加到便携式自由空间数据输入装置20，在这种情况下，不需要单独的模式控制按钮。若没有用于模式控制或激活手写体的专用按钮添加到便携式自由空间数据输入装置20，那么，仍旧可以通过双击(两次快速点击)按钮26a来实现模式控制。请注意，只有当按钮26a的双击不用于进入连续移动模式时，利用双击按钮26a的这种方法才是有可能的。
在该优选实施例中，用市场上可以买到的数字信号处理器来实现位置确定单元38。数字图像被保存在数字信号处理器的存储器中，并且随后被该数字信号处理器处理。有可能利用其他数字设计技术来实现位置确定单元38。例如，可以开发专用数字处理电路来执行所有数据处理和控制任务。
另一个可能的实施例是：位置确定单元38通过接口部件(例如USB端口)直接把数字图像传输到主机计算机。由于本发明使用一维成像传感器这个事实的缘故，这才是有可能。可以把或者捕获的图像或者任何中间处理图像(例如，单像素减法之后的结果图像、阈值处理之后的结果图像等)转移到主机计算机。可以把捕获的图像或中间图像压缩或编码成适合于经由接口部件的数据传输的数据格式。主计算机处理接收到的图像并且检测图像中的脉冲。检测到的光源位置用来控制主计算机显示器屏幕上的光标移动。这意味着光学位置检测装置可以是分布式的。作为替代方案，可以把整个装置设计在计算机中。在这里，位置确定单元38的功能(即，图像捕获、图象处理和脉冲检测)可以在三个子单元中单独地实现：图像捕获单元38a、图象处理单元38b和脉冲检测单元38c，如图5中所示。图像捕获单元38a应当产生对于一维成像传感器和模数转换器的所有控制信号，并且把捕获的图像保存在缓冲存储器中供进一步处理，或者把捕获的图像传输到主计算机供进一步处理。图象处理单元38b执行所有数字图象处理算法(例如，单像素减法)。脉冲检测单元38c利用可能的各种不同的算法执行脉冲检测。可以在主计算机上实现或者脉冲检测单元38c或者脉冲检测单元38c和图象处理单元38b两者，同时在光学位置检测装置上实现位置确定单元的子单元中剩余的子单元。
在本发明中，一维成像传感器用来检测单一点光源的移动，这和利用二维成像传感器的市场上可买到的指点装置的解决方案大不相同。因此，本发明提供或者允许提供按人机工程学设计的不需要大角度手腕移动的便携式自由空间数据输入装置，同时使用光学位置检测技术，所述光学位置检测技术在其设计方面可以是简单的，并且允许在便携式自由空间数据输入装置中的有限功率消耗。因此，所述便携式自由空间数据输入装置可以是电池驱动的。
具有大量像素(＞1000)的CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物硅)一维成像传感器是市场上可以买到的。当N大时，具有N个像素的CCD(或CMOS)一维成像传感器的制造成本大大地低于N×N个像素的CCD(或CMOS)二维成像传感器的成本。
处理来自两个N个像素的一维成像传感器的数据所需的数据通过量也大大地低于处理来自N×N个像素的一个二维成像传感器的数据所需的数据通过量。因此，可以以较简单的并且还较廉价的信号处理装置来实现本发明的信号处理装置。
消除干扰环境光线影响的环境光线消除技术可以用于或者具有一维成像传感器的指点装置或者具有二维成像传感器的指点装置。环境光线消除技术要求把每秒的帧数目加倍，并且把来自传感器的一个或两个数据帧存储在存储单元中供进一步处理。由于在本发明中使用一维成像传感器以及一维数据存储和处理，所以可以容易地实现环境光线消除技术。虽然环境光线消除技术可以用于具有二维成像传感器的指点装置，但是，增大每秒的成像帧数目以及增加对数据处理和数据存储的要求会使它成为成本更高的解决方案。
以下描述便携式自由空间数据输入装置20的壳体单元的几种可供选择的设计。
图8中示出便携式自由空间数据输入装置20的具有转盘开关的壳体单元的两个可供选择的设计。发光二极管22和红外发射二极管24安装在便携式自由空间数据输入装置20的一个端部。当便携式自由空间数据输入装置20被握在用户的手中时，用户的拇指可以压三个按钮26a、26b和26c中的任何一个并且操作转盘开关21。类似于图3中所描述的设计，当压下按钮26a时，计算机屏幕上的光标跟随便携式自由空间数据输入装置20的移动。按钮26b和26c分别用来实现计算机鼠标的左按钮和右按钮的功能。转盘开关21用来执行计算机鼠标的上滚和下滚操作。在图8b所示的设计中，按钮26b靠近按钮26c。当需要频繁地点击左鼠标按钮和右鼠标按钮两者时，这种配置可以减小用户拇指的移动量。
图9中示出便携式自由空间数据输入装置20的具有多路开关的壳体单元的另外两个可供选择的设计。多路开关23用来代替图3所示的设计中的五个按钮。图9b所示的小型化设计使用户可以使用固定带27把便携式自由空间数据输入装置20固定在他/她的食指上。在当前的电池技术的情况下，不难找到用于这种设计的适当的可重复充电电池。若要求小型便携式自由空间数据输入装置的壳体单元非常小并且非常薄，那么，可以使用独立的电池单元(图9b中未示出)来为所述装置供电。这种电池单元可以固定在用户的手腕并通过短电缆连接到所述小型便携式自由空间数据输入装置。
图10中示出便携式自由空间数据输入装置20的具有不同按钮配置的壳体单元的另外两个可供选择的设计。因为按钮26b靠近按钮26c，所以，当需要频繁地点击左鼠标按钮和右鼠标按钮两者时，可以减小用户拇指的移动量。类似地，按钮26d靠近按钮26e，这使得更容易操作上滚和下滚按钮。类似于图9b中所示的设计，图10b中所示的小型化设计使用户可以把便携式自由空间数据输入装置20固定在他/她的食指上。
图11中示出便携式自由空间数据输入装置20的具有三个按钮的壳体单元的小型化设计。这种替代方案是为喜欢大按钮的人们设计的。因为食指不能支持大的便携式自由空间数据输入装置，所以难以设计具有五个大按钮的紧凑的便携式自由空间数据输入装置。因此，仅仅设计三个按钮26a、26b和26c。在仅仅三个按钮的情况下，仍旧可以通过利用按钮26a执行模式控制功能(除了其通常的光标移动功能以外)来实现上滚和下滚操作。有两种操作模式：光标模式和滚动模式。在光标模式中，按钮26b和26c分别用来实现计算机鼠标的左按钮和右按钮的功能。在滚动模式中，按钮26b和26c分别用来实现计算机鼠标的上滚和下滚操作。当压下按钮26a时，计算机屏幕上的光标照例跟随便携式自由空间数据输入装置20的移动。当双击按钮26a时，即快速地点击两次，操作模式被从当前模式切换到另一种模式。
图12中示出用于多媒体家庭娱乐系统的便携式自由空间数据输入装置20的壳体单元的设计。按钮25a、25b、25c和25d是模式控制按钮。按钮26a、26b、26c、26d和26e的功能取决于便携式自由空间数据输入装置20的操作模式。这种设计可以用作多媒体家庭娱乐系统的遥控装置。多媒体家庭娱乐系统把计算机与音频和视频设备组合在一起，因而使用户可以通过使用遥控装置来控制各种不同的功能，诸如选择电视频道、播放和记录视频、播放和记录音乐、显示数字照片和访问因特网。这样的遥控装置的一个期望的功能是控制光标移动的功能。本发明可以满足多媒体家庭娱乐系统的这种要求。可以通过点击按钮25a、25b、25c、25d和25e来分别输入五种操作模式，即指点模式、电视模式、音频模式、视频模式和收音机模式。
当点击按钮25a时，便携式自由空间数据输入装置进入指点模式。在指点模式中，用户可以使用按钮26a来控制光标移动，并且使用按钮26b和26c来执行计算机鼠标的左按钮和右按钮的功能。按钮26d和26e用来执行上滚和下滚功能。可以在这种模式中启动各种不同的个人计算机应用，例如，因特网访问。在这种模式中还可以进行多媒体家庭娱乐系统的参数设置和默认设置。
当点击按钮25b时，便携式自由空间数据输入装置20进入电视模式。可以指派按钮26a、26b、26c、26d和26e来执行电视频道选择和音量控制所需的功能。自由空间手写可以用于输入电视频道号或视频道名称。例如，按钮26a可以用来激活自由空间手写。音频模式、视频模式和收音机模式的功能可以类似地设计成能控制CD、DVD和收音机。其他可能的音频和视频多媒体家用娱乐活动(诸如计算机游戏和卡拉OK)可以在指点模式下使用图形用户界面来控制它们的功能。可以把本发明加入到用于多媒体家庭娱乐系统的遥控装置的不同设计中。例如，可以把用于控制多媒体家庭娱乐系统和发光二极管(它显示遥控装置的模式状态)的各种不同功能的其他按钮添加到图12所示的设计中。
在该优选实施例中，在光学位置检测装置上使用两个正交取向的狭缝和两个一维成像传感器。另一个可供选择的实施例可以使用单一一维成像传感器和各种不同的限光部件(掩模)，诸如设置成V形配置的两个狭缝、三角形孔、具有两个相互倾斜的边缘的三角形遮光构件(像在美国专利No.4,092,072中那样)。另一个可供选择的实施例可以使用两个正交取向的狭缝、单一一维成像传感器和光线旋转单元，例如用于旋转穿过一个狭缝的光片的一组棱镜，像美国专利No.4,209,254中的那样。在上述可供选择的实施例和所述优选实施例中，若狭缝是限光部件，那么可以使用柱面透镜来代替作为限制单元的狭缝来把光线聚焦到一维成像传感器上。可以在狭缝或柱面透镜的前面使用滤光片来阻挡不想要的频带。
如以前指出的，若利用限光部件限制来自单一点光源的光，使得二维图案投影在一维成像传感器的检测元件位于其中的平面(各平面)上，并且所述限光部件以这样的方式产生所述图案，即单一点光源的至少二维的位置变化产生所述图案的二维变化，那么，可以使用一个或两个一维成像传感器来捕获所述平面(各平面)上的二维图案变化，并且可以设计基于一维成像传感器(多个一维成像传感器)的光学位置检测装置。除了上面讨论的掩模之外，还有可能使用各种不同的光学元件(诸如透镜)来产生二维图案。如以前指出的，可以使用柱面透镜来代替作为限制单元的狭缝来把光线聚焦到一维成像传感器上。这些柱面透镜具有不变的焦距。若设计具有沿着透镜长边方向连续地变化的焦距(例如，增大的焦距)的柱面透镜，那么，这种透镜可以用来在一维成像传感器的检测元件定位在其中的平面上产生二维图案。然后，具有变焦距的柱面透镜最好与一维传感器垂直地取向。因此，可以基于这样的具有变焦距的柱面透镜和一维成像传感器来设计本发明的另一个可供选择的实施例。
已经指出，可以通过采用以下方法扩展本发明来获得深度(范围)数据：把一个水平安装的一维成像传感器添加到图2中一维成像传感器36b的右边，以及把一个垂直狭缝添加到图2中狭缝34b的右边。在两个水平安装的一维成像传感器(传感器36a和新添加的传感器)上检测到的各脉冲的位置数据可以用来通过三角测量法计算深度(范围)数据。这种添加额外的一维成像传感器和额外的限光部件的方法也可以用来扩展上述二维位置检测的可供选择的实施例，以便利用三角测量技术来获得第三维位置。
在该优选实施例中，借助于红外发射二极管24调制和发送指令和同步信号。红外检测器32接收已调制红外光脉冲并且将它解调。另一个可供选择的实施例可以使用便携式自由空间数据输入装置20上的近程无线电发射机来发送指令和同步信号，并且使用光学位置检测装置30上的无线电接收机来接收所发送的无线电信号。
在该优选实施例中，以无线模式发送指令和同步信号。另一个可供选择的实施例可以使用电缆来连接便携式自由空间数据输入装置20和光学位置检测装置30。把关于指令和同步信号的电脉冲从便携式自由空间数据输入装置20发送到光学位置检测装置30。因为可以通过电缆供电，所以，所述可供选择的实施例的便携式自由空间数据输入装置20不需要电池。
在该优选实施例中，便携式自由空间数据输入装置20上的发光二极管22用于发送供进行位置检测的脉冲。红外发射二极管24用于发送指令和同步信号。另一个可供选择的实施例可以使用单一红外发射二极管既发送用于指令和同步信号的已调制脉冲，又发送供进行位置检测的脉冲。在光学位置检测装置30上应当使用红外一维成像传感器。
在该优选实施例中，发光二极管22安装在便携式自由空间数据输入装置20上。另一个可供选择的实施例可以使用红外发射二极管来发送用于位置检测的脉冲。这种红外发射二极管可以设置在光学位置检测装置30的旁边并且朝着用户取向，使得红外发射二极管照射便携式自由空间数据输入装置20。在便携式自由空间数据输入装置20上，有用于把红外光反射到光学位置检测装置30的反射材料片。红外发射二极管受光学位置检测装置30的控制，并且与用于从便携式自由空间数据输入装置20发送的指令和同步信号的脉冲同步。
获得环境光图像的另一个可供选择的途径是计算在LED接通时段期间捕获图像的前后在断开光源的情况下捕获的图像的单像素平均值(或单像素最大值)。然后，对所得到的环境光图像和捕获的LED照明图像执行单像素减法。在环境光线消除技术的数据处理之后，可以容易地检测脉冲。
虽然已经结合具体的实施例描述了本发明，但是，这不是用来将其限于这里提出的特定形式。相反，本发明的范围仅仅由后附的权利要求书限定。在权利要求书中，术语″包括″不排除存在其他元件。另外，虽然可以把各个特征包括在不同的权利要求中，但是有可能可以把它们有利地组合在一起，而包括在不同的权利要求中并不意味着这些特征的组合不是可行的和/或有利的。另外，单数的参考符号不排除多数。因此，说″一″、″第一″、″第二″等，不排除多数。仅仅为了清晰的示例而在权利要求书中提供参考符号，因而不应该以任何方式将其解释为限制权利要求书的范围。

Claims (42)

1.一种确定便携式自由空间数据输入装置(20)的位置的方法，所述方法包括以下步骤：
在光学位置检测装置(30)中接收来自所述便携式自由空间数据输入装置的第一组脉冲(CS)，所述第一组脉冲包括含有要处理的数据的至少一个脉冲(CS1，CS3)；
在所述光学位置检测装置中接收来自所述便携式自由空间数据输入装置的光脉冲形式的第二组脉冲(LEN)，所述第二组脉冲包括至少一个位置指示脉冲(P2)；
将所述第二组脉冲中的各脉冲限制成具有确定的第一横截面形状的至少一个第一光束；
把所述至少一个光束投影在其中提供至少第一个一维检测器阵列的平面(33)上，以便在所述平面上建立明暗区域图案；
在每一个检测器阵列中检测投影在它上面的所述图案的一部分；和
根据由每一个检测器阵列检测到的所述图案各部分的明暗区域之间的接合，确定所述便携式自由空间数据输入装置的至少二维的位置，以便允许把所述位置同所述输入数据一起使用。
2.如权利要求1所述的方法，其中还包括以下步骤：把所述第一组脉冲从所述便携式自由空间数据输入装置发送(24)到所述光学位置检测装置；和发送(22)供在所述光学位置检测装置中接收的所述第二组脉冲。
3.如权利要求2所述的方法，其中发送所述第二组光脉冲的步骤包括：把所述第二组脉冲从所述便携式自由空间数据输入装置发送到所述光学位置检测装置。
4.如权利要求1所述的方法，其中还包括：在检测位置指示脉冲(P2)之前和/或之后，在每一个检测器阵列中检测环境光线(P1)的步骤，以及还包括对于每一个检测器阵列，从检测到的包含所述位置指示脉冲的光中减去所述之前和/或之后检测到的环境光线以便安全地检测所述位置指示脉冲的步骤。
5.如权利要求4所述的方法，其中在检测位置指示脉冲的前后检测环境光线，以及所述方法还包括以下步骤：组合在检测位置指示脉冲的前后检测到的环境光线，然后在所述减法步骤中使用所述组合的检测到的环境光线。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述第一组脉冲包括指示发送所述第二组脉冲的时间的至少一个同步脉冲(CS2)，以及所述方法还包括以下步骤：根据所述同步脉冲控制(SEN)对环境光线和包含位置指示脉冲的光的检测。
7.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：根据所述至少一个同步脉冲来安排发送所述第二组光脉冲的时间。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述第一组脉冲包括指示要处理的数据的起始的至少一个起始脉冲(CS1)和指示要处理的数据的结束的至少一个结束脉冲(CS3)，以及所述方法还包括以下步骤：当接收到所述起始脉冲时激活所有检测器阵列；和当接收到所述结束脉冲时将所有检测器阵列去激活。
9.如权利要求1所述的方法，其中沿所述第一个一维检测器的长度方向的接合位置用于确定至少第一维的位置。
10.如权利要求9所述的方法，其中两个检测到的接合处之间的距离用于确定第二维的位置。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述第一形状是矩形，当所述矩形投影在所述第一个检测器阵列上时，所述矩形的长边垂直于所述第一个检测器阵列，并且所述方法还包括以下步骤：把所述第二组脉冲的各脉冲限制(34b)成具有第二横截面形状的第二光束，所述第二横截面形状对应于将所述第一形状旋转90度；把所述第二光束投影在所述平面(33)上以便建立所述图案，其中与所述第二光束相关联的沿一维检测器阵列的长度方向的接合位置用于确定第二维的位置。
12.如权利要求11所述的方法，其中还包括以下步骤：在将所述第二光束投影在所述平面上之前，将所述第二光束旋转90度。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述平面包括方向垂直于所述第一阵列的第二个一维检测器阵列以及将所述第二光束投影在所述第二个检测器阵列上。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述平面包括方向与一个其他检测器阵列相同的第三个一维检测器阵列，并且所述方法还包括以下步骤：把所述第二组光脉冲限制成具有确定的横截面形状的第三光束；和把所述第三光束投影在所述平面(33)上以便建立所述图案，其中与所述第三光束相关联的沿所述第三个一维检测器阵列的长度方向的接合位置用于根据由所述第三个检测器阵列检测到的所述图案的一部分和由具有相同方向的所述另一个检测器阵列检测到的所述图案的一部分，使用三角测量法，来确定既垂直于第一维又垂直于第二维的第三维的位置。
15.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：确定所述第二组脉冲中至少一个检测到的位置指示脉冲(P2)的强度(I)，以及根据所述强度确定所述便携式自由空间装置的第三维位置，所述第三维既垂直于所述第一维又垂直于所述第二维。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述第一组脉冲的发送已经触发所述第二组脉冲的发送。
17.一种使光学位置检测装置(30)能够确定便携式自由空间数据输入装置(20)的位置的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述便携式自由空间数据输入装置中接收由装置的用户输入的数据；
从所述便携式自由空间数据输入装置发送第一组脉冲(CS)到所述光学位置检测装置，所述第一组脉冲包括含有要处理的数据的至少一个脉冲(CS1、CS3)；和
从所述便携式自由空间数据输入装置向所述光学位置检测装置发送或反射光脉冲形式的包括至少一个位置指示脉冲(P2)的第二组脉冲(LEN)，以便使所述光学位置检测装置可以根据设置在平面(33)中的至少第一个一维检测器阵列(36a)中的明暗区域的图案的各部分的明暗区域之间检测的接合处，确定所述便携式自由空间数据输入装置的至少二维的位置，以便同所述输入数据一起使用，其中已经把所述第二组脉冲中的各脉冲限制成(34a)具有确定的第一横截面形状的并且投影在所述平面(33)上以便建立所述图案的至少一个第一光束。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述第一组脉冲的发送触发所述第二组脉冲的发送。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一组脉冲包括指示要发送所述第二组脉冲的时间的至少一个同步脉冲(CS2)，并且所述方法还包括以下步骤：根据所述至少一个同步脉冲安排发送所述第二组光脉冲的时间。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述第一组脉冲包括指示要处理的数据的起始的至少一个起始脉冲(CS1)和指示要处理的数据的结束的至少一个结束脉冲(CS3)，以便使所述光学位置检测装置在接收到所述起始脉冲时可以激活所有检测器阵列而在接收到所述结束脉冲时可以将所有检测器阵列去激活。
21.一种光学位置检测装置(30)，包括：
数据接收单元(32)，它被设置成从便携式自由空间数据输入装置(20)接收第一组脉冲(CS)，所述第一组脉冲包括含有要处理的数据的至少一个脉冲(CS1，CS3)；
第一限制单元(34a)，用于接收光脉冲形式的第二组脉冲(LEN)，把所述第二组脉冲中的各脉冲限制成具有确定的第一横截面形状的至少一个第一光束并且把所述至少一个光束投影在平面(33)上，以便在所述平面中建立明暗区域的图案；
在所述平面上的至少第一个一维检测器阵列(36a)，其中，每一个检测器阵列被设置成检测投影在它上面的图案的一部分；
图像捕获单元(38a)，它控制检测器阵列的操作；和
脉冲检测单元(38c)，它被设置成根据由每一个检测器阵列检测到的图案的各部分的明暗区域之间的接合确定所述便携式自由空间数据输入装置的至少二维的位置，以便允许将所述位置同所述输入数据一起使用。
22.如权利要求21所述的光学位置检测装置，其中所述第一限制单元是开口(34a)，被制造成用于提供所述第一横截面形状。
23.如权利要求21所述的光学位置检测装置，其中所述第一限制单元是第一透镜，被制造成用于把所述第一光束聚焦成具有第一横截面形状。
24.如权利要求21所述的光学位置检测装置，其中所述图像捕获单元(38a)被设置成控制每一个检测器阵列在检测位置指示脉冲(P2)之前和/或之后检测环境光线(P1)，并且所述光学位置检测装置还包括图象处理单元(38b)，所述图象处理单元被设置成对于每一个检测器阵列，从检测到包含所述位置指示脉冲的光中减去所述之前和/或之后检测到的环境光线，以便安全地检测所述位置指示脉冲。
25.如权利要求24所述的光学位置检测装置，其中所述图像捕获单元(38a)被设置成控制每一个检测器阵列在检测位置指示脉冲的前后检测环境光线，以及所述图象处理单元(38b)还被设置成组合在检测位置指示脉冲的前后检测到的环境光线，然后在所述减法中使用所述组合的检测到的环境光线。
26.如权利要求24所述的光学位置检测装置，其中所述第一组脉冲包括指示发送所述第二组脉冲(LEN)的时间的至少一个同步脉冲(CS2)，所述数据接收单元(32)被设置成将所述至少一个同步脉冲转发到所述图像捕获单元(38a)，以及所述图像捕获单元还被设置成根据所述同步脉冲控制每一个一维检测器阵列对环境光线和包含位置指示脉冲的光的检测。
27.如权利要求21所述的光学位置检测装置，其中所述第一组脉冲包括指示要处理的数据的起始的至少一个起始脉冲(CS1)和指示要处理的数据的结束的至少一个结束脉冲(CS3)，所述数据接收单元被设置成将所述起始脉冲和所述结束脉冲转发到所述图像捕获单元(38a)，所述图像捕获单元还被设置成当接收到所述起始脉冲时激活所有检测器阵列而当接收到所述结束脉冲时将所有检测器阵列去激活。
28.如权利要求21所述的光学位置检测装置，其中所述脉冲检测单元(38c)被设置成把沿所述第一个一维检测器的长度方向的接合位置用于确定至少第一维的位置。
29.如权利要求28所述的光学位置检测装置，其中所述脉冲检测单元(38c)被设置成把两个检测的接合处之间的距离用于确定第二维的位置。
30.如权利要求29所述的光学位置检测装置，其中所述第一形状是矩形，当投影在所述第一检测器阵列上时所述矩形的长边垂直于所述第一检测器阵列，以及所述光学位置检测装置还包括第二限制单元(34b)，所述第二限制单元用于接收所述第二组脉冲(LEN)、把所述第二组脉冲中的各脉冲限制成具有对应于将所述第一形状旋转90度的第二横截面形状的第二光束、以及把所述第二光束投影在所述平面(33)上，以便建立所述图案，其中所述脉冲检测单元(38c)被设置成把与沿一维检测器阵列的长度方向的所述第二光束相关联的接合位置用于确定第二维的位置。
31.如权利要求30所述的光学位置检测装置，还包括：光线旋转单元，所述光线旋转单元被设置成在投影在所述平面上之前将所述第二光束旋转90度。
32.如权利要求30所述的光学位置检测装置，还包括：在所述平面上方向垂直于所述第一阵列的第二个一维检测器阵列，其中所述第二光束投影在所述第二个检测器阵列上。
33.如权利要求21所述的光学位置检测装置，还包括设置在所述平面上具有与一个其他检测器阵列相同方向的第三个一维检测器阵列，以及所述光学位置检测装置还包括第三限制单元，所述第三限制单元用于接收所述第二组脉冲(LEN)、把所述第二组脉冲中的各脉冲限制成具有确定的横截面形状的第三光束、并且把所述第三光束投影在所述平面(33)上，以便建立所述图案，其中所述脉冲检测单元(38c)被设置成把与所述第三光束相关联的沿所述第三个一维检测器阵列的长度方向的接合位置用于根据由所述第三个检测器阵列检测到的所述图案的一部分和由所述另一个检测器阵列检测到的图案的一部分，使用三角测量法，确定既垂直于第一维又垂直于第二维的第三维的位置。
34.如权利要求21所述的光学位置检测装置，其中所述图象处理单元(38b)还被设置成确定所述第二组中至少一个检测到的位置指示脉冲(P1)的强度(I)，以便所述脉冲检测单元(38c)可以根据所述强度确定所述便携式自由空间装置的第三维的位置，所述第三维既垂直于所述第一维又垂直于所述第二维。
35.如权利要求21所述的光学位置检测装置，还包括光源，所述光源被设置成发射所述第二组脉冲，所述第二组脉冲在设置在所述便携式自由空间数据输入装置上的反射材料上被反射。
36.如权利要求21所述的光学位置检测装置，其中所述第一组脉冲的发送已经触发所述第二组脉冲的发送。
37.一种便携式自由空间数据输入装置(20)，包括：
用户输入单元(26a，26b，26c，26d，26e)，所述用户输入单元被设置成接收由所述装置的用户输入的数据；
用于把第一组脉冲(CS)发送到光学位置检测装置(30)的部件(24)，所述第一组脉冲包括含有要处理的所述数据的至少一个脉冲(CS1，CS3)；和
用于把光脉冲形式的第二组脉冲(LEN)发送到或反射到所述光学位置检测装置的部件(22)，所述第二组脉冲包括至少一个位置指示脉冲；和
发射控制单元(28)，它从所述用户输入单元接收所述输入数据并且至少控制用于发送所述第一组脉冲的所述部件(24)，以便使所述光学位置检测装置可以根据检测设置在平面(33)中的至少第一个一维检测器阵列(36a)中明暗区域图案的各部分的各明暗区域之间的接合处，确定所述便携式自由空间数据输入装置的至少二维的位置，以便与所述输入数据结合使用，其中所述第二组脉冲中的各脉冲已经被限制成(34a)具有确定的第一横截面形状的至少一个第一光束并且投影在所述平面(33)上以便建立所述图案。
38.如权利要求37所述的便携式自由空间数据输入装置，其中用于发送第一组脉冲的所述部件和用于发送或反射第二组脉冲的所述部件设置在发送光脉冲的同一单元中。
39.如权利要求37所述的便携式自由空间数据输入装置，其中所述第一组脉冲的发送触发所述第二组脉冲的发送。
40.如权利要求39所述的便携式自由空间数据输入装置，其中所述发射控制单元(28)还被设置成通过用于发送第一组脉冲的所述部件在要发送的所述第一组脉冲中提供至少一个同步脉冲(CS2)，并且被设置成控制所述第二组光脉冲(LEN)的发送相对于所述至少一个同步脉冲的定时。
41.如权利要求37所述的便携式自由空间数据输入装置，其中所述第一组脉冲包括指示要处理的数据的起始的至少一个起始脉冲(CS1)和指示要处理的数据的结束的至少一个结束脉冲(CS3)，以便使所述光学位置检测装置可以在接收到所述起始脉冲时激活所有检测器阵列，而在接收到所述结束脉冲时将所有检测器阵列去激活。
42.一种用于确定便携式自由空间数据输入装置(20)的位置的系统，包括：
便携式自由空间数据输入装置(20)，所述便携式自由空间数据输入装置(20)具有：
设置成接收由所述装置的用户输入的数据的用户输入单元(26a，26b，26c，26d，26e)，
用于发送第一组脉冲(CS)的部件(24)，所述第一组脉冲包括含有要处理的所述数据的至少一个脉冲(CS1，CS3)，
用于发送或反射光脉冲形式的第二组脉冲(LEN)的部件(22)，所述第二组脉冲包括至少一个位置指示脉冲(P2)，和
发射控制单元(28)，所述发射控制单元(28)从所述用户输入单元接收所述输入数据并且至少控制用于发送所述第一组脉冲的单元，
光学位置检测装置(30)，所述光学位置检测装置(30)具有：
设置成接收所述第一组脉冲的数据接收单元(32)，
第一限制单元(34a)，用于接收所述第二组脉冲(LEN)、把所述第二组脉冲中的各脉冲限制成具有确定的第一横截面形状的至少一个第一光束以及把所述至少一个光束投影在平面(33)上，以便在所述平面上建立明暗区域的图案，
所述平面上的至少第一个一维检测器阵列(36a)，其中每一个检测器阵列被设置成检测投影在它上面的图案的一部分，控制各检测器阵列的操作的图像捕获单元(38a)，和
脉冲检测单元(38c)，它被设置成根据由每一个检测器阵列检测到的图案各部分的明暗区域之间的接合确定所述便携式自由空间数据输入装置至少两维的位置，以便允许把所述位置同所述输入数据一起使用。
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