DE10132645A1

DE10132645A1 - Ball zur Verwendung in einer Zeigeeinrichtung und Zeigeeinrichtung

Info

Publication number: DE10132645A1
Application number: DE2001132645
Authority: DE
Inventors: Rene Sommer; Marc Bidiville
Original assignee: Logitech Inc
Current assignee: Logitech Inc
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2002-01-24
Also published as: WO2002003369A1; DE20111181U1; AU2001273086A1

Abstract

Ein Cursor-Steuergerät für PCs und Workstations umfasst verschiedene Ausführungsformen, von denen einige eine zweischichtige Kugel enthalten, wobei die innere Oberfläche der Kugel eine rauhe Textur aufweist und die äußere Oberfläche im Wesentlichen glatt ist. Die Bewegung der rauhen inneren Oberfläche wird mittels eines Sensorsystem erkannt. Die Schaltung des Sensors bestimmt die Bewegung der rauhen Oberfläche und übersetzt diese Bewegung in herkömmliche Cursor-Steuersignale, die an einen Host-Rechner übertragen werden.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine zweischichtige optische Rollkugel zur Ver wendung in Verbindung mit Zeigegeräten für Cursors auf dem Bildschirm von PCs, Work stations und anderen Rechengeräten mit Cursor-Steuergeräten, und betrifft im Genaueren op tische Geräte und Verfahren zur Übersetzung der Drehung einer gemusterten Rollkugel über optische Elemente bzw. der Bewegung eines optischen Geräts über eine gemusterte Oberflä che in digitale, der Bewegung entsprechende Signale.

DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Zeigegeräte wie Mäuse und Trackballs sind allgemein bekannte Peripheriegeräte für PCs und Workstations. Sie ermöglichen die schnelle Bewegung des Cursors auf dem Bild schirm und sind bei vielen Textverarbeitungs-, Datenbank- und Grafikprogrammen hilfreich. Die elektronische Maus ist wahrscheinlich die üblichste Form eines Zeigegeräts; an zweiter Stelle dürfte der Trackball folgen.

Bei einer Maus wird der Cursor durch die Bewegung der Maus über eine Bezugsfläche gesteuert. Richtung und Entfernung der Cursorbewegung sind proportional zur Mausbewe gung. Einige elektronische Mäuse funktionieren durch Lichtreflexion über eine Bezugsunter lage, andere sind mechanisch aufgebaut (mechanische Maus). Die meisten bekannten Mäuse arbeiten mit einer Rollkugel, die sich an der Unterseite der Maus befindet und über die Be zugsfläche (z. B. Schreibtischfläche) rollt, wenn die Maus bewegt wird. Bei diesen herkömm lichen Geräten berührt die Rollkugel zwei Drehgeber, und die Drehung der Rollkugel führt zur Drehung der Drehgeber, wozu historisch eine Codierscheibe mit einer Vielzahl an Schlit zen gehört. An einer Seite der Codierscheibe ist eine Lichtquelle (oft eine Leuchtdiode) ange bracht, während sich im Wesentlichen an der gegenüberliegenden Seite ein Fotosensor (z. B. ein Fototransistor) befindet. Durch die Drehung der dazwischen liegenden Codierscheibe empfängt der Fotosensor eine Reihe von Lichtimpulsen, mit deren Hilfe die Drehbewegung der Rollkugel in eine digitale Entsprechung umgesetzt werden kann, die zur Bewegung des Cursors verwendet werden kann.

Die optomechanische Funktionsweise eines Trackballs läuft, abgesehen von einigen strukturellen Unterschieden, ähnlich ab. Beim Trackball bleibt das Gerät an einer Stelle, wäh rend die Rollkugel mit dem Daumen, den Fingern oder der Handfläche bewegt wird; ein er gonomischer Trackball wird in US-Patent-Nr. 5.122.654 dargestellt, das auf den Rechtsnach folger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Wie bei der Maus stellt die Rollkugel in einem gewöhnlichen Trackball gewöhnlich Kontakt mit zwei Drehgebern her, an denen sich Codierscheiben befinden. Mit den Codierscheiben sind Lichtquellen sowie Fotosensoren ver bunden, die Lichtimpulse erzeugen, wenn die Drehgeber durch die Bewegung der Rollkugel gedreht werden. Ein bekannter Trackball mit dieser Funktionsweise wird in US-Patent-Nr. 5.008.528 beschrieben.

Obwohl qualitativ hochwertige Mäuse und Trackballs mit dieser bekannten Funkti onsweise über Jahre hinweg gute Dienste geleistet und problemlos funktioniert haben, ist die Lebensdauer dieser Zeigegeräte aufgrund der mechanischen Elemente notwendigerweise be grenzt.

Optische Mäuse, die eine Bezugsunterlage beleuchten, weisen zwar nur wenige oder gar keine mechanischen Teile auf, sind bisher jedoch nur beschränkt einsetzbar, da sie eine Bezugsunterlage mit einem gleichmäßigen Muster erfordern sowie viele andere Beschrän kungen aufweisen.

Bei herkömmlichen Mäusen wird außerdem durch Verwendung von zwei Leucht diodenpaaren und Fotodetektoren eine Quadratursignaldarstellung der Mausbewegung er zeugt. Dieses Quadratursignal weist jedoch nicht immer die gleiche Qualität auf, da es davon abhängig ist, wie exakt die Empfindlichkeit der Fotosensoren mit der Leuchtkraft der Leucht diode abgestimmt ist. Deshalb müssen die Leuchtdioden und Fotodetektoren vor dem Zu sammenbau oftmals aufeinander abgestimmt werden, was mit einem hohen Kostenaufwand verbunden ist. Unterschiedliche Leuchtkraftstärken der Leuchtdiode können außerdem eine ungenaue Lichtfokussierung auf dem Sensor verursachen, was eine extrem hohe Empfind lichkeit des Fotosensor-Ausgangssignals gegenüber der Entfernung zwischen Leuchtdiode, Codierscheibe und Fotosensor verursacht.

Daher besteht ein Bedarf an einem Fotosensor, der keine Abstimmung auf eine be stimmte Leuchtdiode bzw. Leuchtdiodenreihe erfordert und gleichzeitig ein gutes Ansprech verhalten bei verschiedenen Leuchtdioden-Sensor-Abständen aufweist.

Bei vielen bekannten Mäusen wird außerdem eine Maske zusammen mit der Codier scheibe benutzt, um die Drehung der Codierscheibe korrekt erkennen zu können. Da diese Masken und Codierscheiben gewöhnlich aus Spritzguss-Kunststoff hergestellt sind, kann de ren Maßgenauigkeit nicht mit der gleichen Präzision wie die meisten Halbleitergeräte einge stellt werden. Das hat effektiv dazu geführt, dass eine mechanische Höchstgrenze für die Ge nauigkeit der gewöhnlichen optomechanischen Maus besteht, obwohl die Weiterentwicklung der Software, die solche Mäuse verwendet, nach einer immer höheren Auflösung verlangt. Deshalb besteht ein Bedarf an einem Cursor-Steuergerät, dessen Genauigkeit nicht durch die historischen Toleranzgrenzen des Spritzgussverfahrens eingeschränkt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung überwindet die oben erwähnten Einschränkungen des Stands der Tech nik weitgehend dadurch, dass sie eine Rollkugel für Zeigegeräte, z. B. einen Trackball oder eine Maus, zur Verfügung stellt, die mindestens zwei Schichten aufweist. Die Oberfläche der Außenschicht ist im Wesentlichen glatt, damit sich die Rollkugel reibungslos innerhalb des Zeigegeräts bewegen kann. Die Außenschicht ist transparent für Lichtsignale einer bestimm ten Frequenz, die in Verbindung mit der Rollkugel dazu verwendet werden können, die Be wegung der Rollkugel zu bestimmen. Die Innenschicht weist eine Textur auf, die Lichtsignale mit verschiedenen Intensitäten streut. Die gewöhnlichen Rollkugeln in Zeigegeräten verwen den ein aufgedrucktes Muster. Die Bewegung der Rollkugel und somit auch des aufgedruck ten Musters wird von einem Sensor erfasst, der die Bewegung in ein Signal umsetzt, das zur Bewegung eines Cursors oder anderen Art Anzeige von Bewegung auf einem Sichtgerät, z. B. einem Computerbildschirm, benutzt werden kann. Damit sich die Rollkugel leicht innerhalb des Zeigegeräts bewegt, wird die Kugel nach dem Aufdrucken des Musters poliert.

Kurzbeschreibung der Abbildungen

Fig. 1 zeigt eine in Einzelteile aufgelöste Darstellung eines elektronischen Trackballs nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2A zeigt eine allgemeine Querschnittsdarstellung (Seitenansicht) des Kugelkäfigs und der Rollkugel nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2B zeigt eine detailliertere Querschnittsdarstellung (Seitenansicht) des Kugelkäfigs und der Rollkugel nach einer Ausführungsform der Erfindung einschließlich Lichtwegen.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Schaltungsanordnung eines einzelnen Pi xels nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung von 4 Blockdiagrammen aus Fig. 3 und zeigt so die Wechselbe ziehung zwischen den Pixeln nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5A zeigt ein schematisches Blockdiagramm der für die Cursorsteuerung verwendeten Schaltungsanordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5B zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Signalaufbereitungsschaltung aus Fig. 5A nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 6A-6B zeigen die Funktionsweise der Firmware, welche die Logik aus Fig. 3 und Fig. 4 steuert, nach einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Flussdiagramms.

Fig. 7A zeigt eine in Einzelteile aufgelöste perspektivische Darstellung einer zweiten Aus führungsform des Trackballs nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 7B zeigt eine dreiviertelperspektivische Ansicht der zusammengebauten Elemente aus Fig. 7A nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 8A zeigt einen Seitenaufriss der zusammengebauten Einheit aus Fig. 7A und 7B nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 8B zeigt eine Querschnittsdarstellung (Seitenansicht) der zusammengebauten Bauele mente aus Fig. 7A und 7B nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 9A-9D zeigen einen Seitenaufriss, eine Untenansicht, eine Draufsicht und eine Quer schnittsdarstellung (Seitenansicht) des in Fig. 7A und 7B allgemein dargestellten Kugelkä figs nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 10A-10D zeigen einen Seitenaufriss, eine Draufsicht, eine Untenansicht und eine Quer schnittsdarstellung (Seitenansicht) des in Fig. 7A und 7B allgemein dargestellten oberen Op tikgehäuses nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 11A-11D zeigen einen Seitenaufriss, eine Draufsicht, eine Untenansicht und eine Quer schnittsdarstellung (Seitenansicht) des in Fig. 7A-8B allgemein dargestellten unteren Optik gehäuses nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 12A zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung (Seitenansicht) der Optik- Funktionsweise nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 12B zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung (Seitenansicht) einer Anordnung für einen seitlichen Sensor nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 12C zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung (Seitenansicht) der Optik- Funktionsweise nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm der Bauelemente des seitlichen Sensors nach einer Ausfüh rungsform der Erfindung.

Fig. 14 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Schnittstellenlogik im Inneren des in Fig. 13 dargestellten Sensors nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 15 zeigt ein Zustandsdiagramm der Funktionsweise der in der Schnittstellenlogik aus Fig. 14 befindlichen Ablaufsteuereinheit nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 16 veranschaulicht die Anordnung der Pixel innerhalb der Pixelmatrix des Sensors aus Fig. 13 nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 17A veranschaulicht die mit jedem Pixel des Typs P (Fig. 16) verbundene Logik nach einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Form.

Fig. 17B zeigt zwei Darstellungen der Rollkugel auf der Pixelmatrix zu den Zeitpunkten t und t-1 nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 18 zeigt ein schematisches Diagramm der Funktionsweise der bidirektionalen Unterlage aus Fig. 13 nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 19A und 19B zeigen Zeitsteuerungsdiagramme der Ausführungsform aus Fig. 15 wäh rend verschiedener Betriebsphasen nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 20A zeigt eine in Einzelteile aufgelöste Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 20B zeigt eine Draufsicht der dritten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 20C zeigt eine Vorderansicht der dritten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 20D zeigt eine Rückansicht der dritten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 20E zeigt eine Seitenansicht der dritten Ausführungsform.

Fig. 21A zeigt eine dreiviertelperspektivische Ansicht des Kugelkäfigs dritten Ausführungs form.

Fig. 21B zeigt eine Querschnittsdarstellung (Seitenansicht) des Kugelkäfigs und der opti schen Elemente der dritten Ausführungsform.

Fig. 21C zeigt eine Rückansicht des Kugelkäfigs nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 21D zeigt einen Teil des Kugelkäfigs im Verhältnis zur Rollkugel nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 22 zeigt eine Querschnittsdarstellung (Seitenansicht) einer vierten Ausführungsform der Erfindung ohne Rollkugel.

Fig. 23A-B zeigen in Einzelteile aufgelöste perspektivische Darstellungen der optischen Bauelemente einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Fig. 23A ist eine Drahtmodell- Darstellung ohne verdeckte Linien und veranschaulicht zusätzliche strukturelle Merkmale; Fig. 23B ist eine gewöhnlichere perspektivische Darstellung.

Fig. 24A zeigt einen Querschnitt durch den zweischichtigen Trackball nach einer Ausfüh rungsform der Erfindung.

Fig. 24B zeigt eine detailliertere bildliche Darstellung eines Teils des zweischichtigen Track balls nach einer Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt ein elektronisches Zeigegerät, genauer gesagt eine in Einzelteile aufgelö ste Darstellung eines elektronischen Trackballs 10. Zu diesem Trackball gehören 10 ein Obergehäuse 20, eine Leiterplatte 30 mit einem dicht anliegenden Kugelkäfig 40, ein Unter gehäuse 50, eine Rollkugel 60 und eine Vielzahl von Tasten 70, die am Obergehäuse 20 an gebracht sind und zur Aktivierung der zugehörigen Schalter 80 dienen. Die Schalter 80 befin den sich gewöhnlich auf der Leiterplatte 30. Der Kugelkäfig 40 wird gewöhnlich auf der Lei terplatte 30 angebracht, kann aber auch an einem Gehäuseteil angebracht werden.

Die Leiterplatte 30 enthält eine Schaltanordnung zur Verarbeitung der Signale, die von einem Sensor und der zugehörigen Logik geliefert werden (siehe Fig. 3 und 4). Die Bewe gung der Kugel im Trackball wird in digitale Signale umgewandelt, die den Cursor auf dem Bildschirm einen angeschlossenen PCs, Terminals oder der Workstation steuern. In Zeigege räten für serielle Schnittstellen enthält die Leiterplatine gewöhnlich einen Mikroprozessor und eine entsprechende Treiberschaltung zum Senden und Empfangen von standardmäßigen seri ellen Nachrichtensignalen wie z. B. RS232-Signalen. Alternativ können die von der Maus gelieferten Signale auch mit PS/2-Anschlüssen kompatibel sein.

Fig. 2A zeigt ein Kugelkäfig 40 (Querschnittsdarstellung) und eine erfindungsgemäße Rollkugel 60. Der Fachmann erkennt sofort, dass sich die Kombination aus Rollkugel 60 und Kugelkäfig 40 deutlich vom Stand der Technik unterscheidet und einen entscheidenden Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt. Im Einzelnen ist festzustellen, dass die Rollku gel 60 viele unregelmäßig geformte Markierungen aufweist, deren Farbe im Kontrast zur Hintergrundfarbe steht, so dass die Rollkugel unregelmäßig getüpfelt aussieht. Eine typische Rollkugel kann z. B. schwarze Flecken auf einem weißen Hintergrund aufweisen; es sind je doch auch viele andere Farbkombinationen möglich. Weitere Ausführungsformen könnten eine mit Infrarot-, Ultraviolett- oder anderem nicht-sichtbarem Licht beleuchtete Rollkugel beinhalten, in welchem Fall die Flecken von einer Art sein können, dass sie für die zugehöri ge Lichtquelle sichtbar sind, für sichtbares Licht jedoch undurchlässig. Ein Beispiel für eine solche Ausführung wäre eine Schicht der Rollkugel, die im sichtbaren Spektrum lichtun durchlässig (z. B. schwarz), für Infrarotlicht jedoch transparent ist. Die entsprechenden Flec ken befinden sich in diesem Fall unter der Schicht.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden die unregelmäßig geformten Markie rungen bzw. Flecken willkürlich oder unregelmäßig auf der Rollkugel verteilt, obwohl sich die Markierungen innerhalb eines vorher festgelegten, geeigneten Bereichs befinden. Bei die ser Ausführungsform bewegt sich die Größe der Markierungen typischerweise im Bereich von 0,5 mm² bis 0,7 mm², mit einer Dichte von ca. einem Fleck pro mm². In einem Ausfüh rungsbeispiel kann die Rollkugel einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 mm auf weisen, obwohl auch Durchmesser von weniger als 5 mm bis größer als 50 mm realisierbar sind. Durch Fig. 2B, eine detailliertere, Querschnittsdarstellung der Rollkugel und des Ku gelkäfigs entlang deren Mittellinie, wird noch deutlicher ersichtlich, dass der Kugelkäfig 40 mindestens eine (Fig. 2A) und in einigen Fällen auch zwei oder mehr (Fig. 2B) Lichtquellen 200 (z. B. eine Leuchtdiode) enthält, die Licht erzeugen, das auf die Rollkugel 60 auftrifft. Die Leuchtdiode bzw. andere Lichtquelle kann außerdem eine integral geformte Linse ent halten. Das von den Lichtquellen 200 kommende Licht wird vorzugsweise von der inneren Oberfläche 205 der Außenwand 210 des Kugelkäfigs 40 reflektiert und weggestreut und wird zum Teil von einer Innenwand 215 daran gehindert, direkt auf die Rollkugel 60 zu treffen. Die innere Oberfläche 205 kann z. B. die innere Oberfläche einer Kugel sein. Auf diese Art und Weise wird das von den Lichtquellen 200 ausgehende Licht relativ gleichmäßig über ei nen vorbestimmten Teil der Kugel verteilt, und gleichzeitig trifft das Licht schräg auf die Ku gel auf, so dass die Kugel beleuchtet wird und der Sensor diffuses Licht empfängt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Rollkugel mindestens zwei Schichten auf, wie in Fig. 24A dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Abmes sungen der Schichten in Fig. 24 nur zur Veranschaulichung dienen. Der Fachmann erkennt, dass die zwei oder mehr Schichten unterschiedliche Dicken aufweisen können. In allen des weiteren beschriebenen Ausführungsformen dieser Erfindung ist die Außenschicht 2404 im Wesentlichen glatt, damit sich die Kugel reibungslos auf den Rollen bzw. der anderen Lager vorrichtung bewegen kann. Die Außenschicht kann aus einem beliebigen Material bestehen, das für die von der Lichtquelle 200 benutzte und von den Sensoren erfasste Strahlungsfre quenz durchlässig ist. Die Außenschicht kann für sichtbares Licht undurchlässig, für Infrarot strahlung oder ultraviolette Strahlung jedoch durchlässig sein. Ein geeignetes Material für die Außenseite ist z. B. Epoxidharz. Es können jedoch auch andere feste Materialien und Farben verwendet werden, z. B. Polyurethan. Die Außenschicht 2404 wird mit Hilfe gewöhnlicher Verfahren poliert, damit sie im Wesentlichen glatt ist. Bei einem der Verfahren zum Polieren der Außenschicht 2404 ist diese anfänglich dicker als erforderlich. Die Außenschicht 2404 wird dann mit einem gewöhnlichen Spitzenlos-Schleifverfahren berichtigt und anschließend mit verschiedenen, zunehmend feinkörniger werdenden Schleifpasten poliert. Eine alternative Methode besteht darin, eine Reihe von Rollkugeln 2400 in eine Trommel mit Schleifsand zu geben und die Trommel wie einen Wäschetrockner rotieren zu lassen. Nach einer bestimmten Zeit ist die Oberfläche der Rollkugeln glatter. Haben die Rollkugeln einen bestimmten Durchmesser erreicht, wird die Trommel gestoppt. Die Rollkugeln werden dann gewaschen und in eine weitere Trommel mit einem feinkörnigeren Schleifmittel gegeben. Auf diese Art und Weise werden immer kleinere Schichten entfernt, und der Durchmesser kommt dem fest gelegten Wert immer näher. Gleichzeitig wird auch die Außenschicht 2404 immer glatter. Schließlich werden die Rollkugeln 2400 mit Polierpaste (ähnlich wie gewöhnliche Autopoli tur) poliert. Die Außenschicht sollte im Wesentlichen glatt sein, damit sich die Rollkugel bei der Bewegung durch den Anwender reibungslos auf den Lagern des Zeigegeräts (z. B. Track ball oder Maus) bewegen kann. Oberflächen, die nicht weitgehend glatt sind, können Proble me bei der mechanischen Bewegung der Rollkugel bewirken.

Die Innenschicht 2402 der Rollkugel 2400 kann aus einem oder mehreren verschiede nen Materialien bestehen. Ein Auswahlkriterium sind die Materialkosten. Günstige Materiali en sind z. B. Polyester, Phenolharz, Epoxid, Stahl, Aluminium, Glas oder eine Kombination dieser Materialien. In einer Ausführungsform sollte die äußerste Schicht eine Farbe aufwei sen, die mit der Farbe des Musters kontrastiert, oder aber Merkmale der Art aufweisen, dass z. B. einige Bereiche der Rollkugel bei Beleuchtung eine andere Lichtintensität als andere Be reiche aufweisen. Einige Bereiche könnten z. B. das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht streuen, während andere Bereich kein Licht erhalten und schwarz erscheinen, weil sie kein Licht streuen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Bewegungen der Innen schicht 2402 erkannt und zur Bestimmung der Bewegung der Rollkugel benutzt. Wie in dieser Druckschrift genauer beschrieben, wird ein Lichtsignal durch die Außenschicht 2404 gesen det, trifft auf die Innenschicht und wird reflektiert und gestreut (diffundiert). Diese reflektier ten und gestreuten Signalteile werden von einem Sensor empfangen, entweder einem ge wöhnlichen Sensor oder dem weiter unten beschriebenen Sensor, der Veränderungen des Mu sters auf der Oberfläche der Innenschicht erkennt. Bei herkömmlichen Systemen sind auf die ser Oberfläche der Innenschicht Muster aufgedruckt. Bei der vorliegenden Erfindung sind aufgedruckte Muster (einschließlich der damit verbundenen Kosten) nicht erforderlich, kön nen jedoch für einige Ausführungsformen verwendet werden und werden verwendet. Bei ei ner weiterer Ausführungsform ist die Oberfläche der Innenschicht nicht poliert. Deshalb weist die Oberfläche der Innenschicht 2402 keine glatte Textur auf. Dies ist in Fig. 24B genauer zu sehen. Fig. 24B zeigt eine genauere bildliche Darstellung eines Teils des zweischichtigen Trackballs nach einer Ausführungsform der Erfindung. Diese Textur 2406 braucht nur dem Sensor spezielle Merkmale (Rillen, Vertiefungen etc.) zu bieten, die abgetastet werden kön nen. In einer Ausführungsform wird die erforderliche Textur 2406 durch die Herstellung der Rollkugel mit einem gewöhnlichen Verfahren erzeugt. Ein Verfahren zur Rollkugelherstel lung besteht darin, einen Kugelkern 2404 aus einer Mischung aus flüssigem Material und fe sten Partikeln mit kontrastierender Farbe herzustellen. Nach Verfestigung des flüssigen Mate rials wird der Kern so berichtigt, dass die festen Partikel, die durch mit verfestigtem Material gefüllte Bereiche voneinander getrennt sind, sichtbar werden. Ein alternatives Verfahren be steht in der Injektion eines Balles, so dass die Außenfläche der Innenschicht 2402 kleine Beulen aufweist, z. B. ähnlich wie bei einem gewöhnlichen Tischtennisschläger (natürlich kleiner) bzw. viele kleine Löcher. Beim Auftragen der transparenten Außenschicht 2404 wer den die kleinen Lücken gefüllt, und die Oberfläche der Kugel wird gleichmäßig bedeckt. Es ist offensichtlich, dass viele andere Verfahren zur Herstellung der Kugel benutzt werden kön nen. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Verfahren wird bei diesem Verfahren die Innenschicht 2402 nicht poliert, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Textur vorhanden ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Prozess zur Rollkugelher stellung modifiziert. Bei der Herstellung werden Teilchen in die Innenschicht der Rollkugel 2402 eingespritzt, die aus einem anderen Material bestehen oder aus einem beliebigen Materi al mit andere Reflexionscharakteristik. Für dieses Verfahren eignen sich beispielsweise aus härtende Materialien wie Phenolharz, Polyester oder Epoxid, da diese nach der Polymerisie rung nicht mehr schmelzen. Anschließend können feste Teilchen mit dem Monomer des glei chen Materials in flüssiger Form vermischt werden, bevor die Polymerisierung des flüssigen Teils durchgeführt wird. Die festen Teilchen werden so eingespritzt, dass sie sich mindestens an der Oberfläche der Innenschicht 2402 befinden. Aufgrund der unterschiedlichen Refle xionseigenschaften können der Sensor bzw. die Sensoren die Bewegung der Innenschicht 2402 feststellen. Die Teilchen sollten so verteilt sein, dass auch geringe Bewegungen der Rollkugel 2400 feststellbar sind.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, bei der Herstellung der Innenschicht eine Form zu verwenden, damit die Innenschicht 2402 Linien, Punkte, Grübchen oder andere Merkmale aufweist, die zu einer unterschiedlichen Lichtreflexion führen, wenn sich die Rollkugel dreht. Das Formen erfolgt mit gewöhnlichen Verfahren.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden sowohl die Außenschicht 2404 als auch die Innenschicht 2402 aus einem bzw. mehreren Materialien hergestellt, die für die von der Lichtquelle 200 erzeugte Strahlungsfrequenz durchlässig sind (die Strahlung der Lichtquelle kann außerhalb des sichtbaren Spektrums oder teilweise im sichtbaren Spektrum liegen oder eine kombinierte Strahlung sein). Die Oberfläche der Innenschicht 2402 weist ein gemustertes Profil auf, z. B. Beulen oder Löcher. Die Vertiefungen im Profil können mit ei nem reflektierenden (nicht lichtdurchlässigen) Material gefüllt sein. Die Funktionsweise der Rollkugel läuft dann folgendermaßen ab: wenn die Vertiefungen mit einem Material mit einer Farbe gefüllt sind, die sich von der Farbe der Erhebungen abhebt, enthalten die Muster so wohl Regionen, die Licht streuen, als auch Regionen, die Licht absorbieren. Die Bewegung dieser Regionen kann mit einem gewöhnlichen oder dem weiter unten beschriebenen Sensor festgestellt werden. Werden die Vertiefungen mit einem lichtdurchlässigen Material gefüllt, so streuen die Seiten der Erhebungen, die Licht von der Leuchtdiode empfangen, dieses Licht. An der anderen Seite der Erhebung wird kein Licht gestreut. Alternativ kann die Innenschicht 2402 auch ein oder mehrere Teilchen eines Materials enthalten, das andere Reflexionseigen schaften als das Material der Basisinnenschicht aufweist. Wenn die Strahlung auf diese Teil chen trifft, unterscheidet sich die Lichtstreuung von der durch die Innenschicht verursachten Streuung.

Im folgenden wird aufgezeigt, wie eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen mehrschichtigen Rollkugel eingesetzt werden kann. Der Fachmann erkennt, dass die Rollku gel auf eine andere Art und Weise eingesetzt werden kann, ohne vom Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen. Das Zeigegerät kann z. B. verschiedene Käfige, Sensoren, Lager, Lichtquellen etc. enthalten. Die weiter unten beschriebenen Sensoren und Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung der Rollkugelbewegung dienen nur als Beispiel. Der Fachmann er kennt, dass die vorliegende Erfindung in Verbindung mit verschiedenen Sensoren, Photode tektoren, Leuchtdioden, Käfigen etc. eingesetzt werden kann.

Die Rollkugel wird durch eine Vielzahl von Stützvorrichtungen 150 in einer drehbaren Position gehalten, z. B. gewöhnliche Rollen oder die edelsteinbeschichteten Auflageflächen (Jeweled Bearing Surfaces), wie sie in der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 07/820.500 und dem Titel "Bearing Support for a Trackball" (Auflagefläche für einen Track ball), eingereicht am 14. Jan. 1992, mittlerweile fallen gelassen und auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen und durch Literaturhinweis summarisch in diese An meldung eingefügt, beschrieben werden. Obwohl in Fig. 2B aufgrund der dargestellten An sicht nur eine derartige Rolle zu sehen ist, werden mehrere, gewöhnlich drei, Rollen einge setzt, um eine gleichmäßige Lagerung der Rollkugel 60 zu gewährleisten. Bei einigen Aus führungsformen ist eventuell eine abnehmbare Abdeckung vorhanden, um ein rasches Einset zen und Herausnehmen der Rollkugel 60 zu ermöglichen; obwohl eine derartige abnehmbare Abdeckung derzeit als wünschenswert gilt, um eine Reinigung der Rollkugel und des Inneren des Zeigegeräts zu ermöglichen, ist eine derartige abnehmbare Abdeckung in zumindest eini gen Ausführungsformen jedoch nicht erforderlich.

Innerhalb eines Gehäuses 224 zwischen den Lichtquellen 200 befindet sich in einer Kammer 222 eine Photodetektoranordnung 220. Ein Teil des Lichts wird nach dem Auftref fen auf die Rollkugel 60 durch ein optisches Element 225 diffus in die Photodetektoranord nung reflektiert. Das bewirkt, dass auf der Anordnung 220 zumindest eine teilweise Abbil dung der beleuchteten Rollkugeloberfläche entsteht. Ein wichtiger Unterschied zu bekannten optomechanischen Mäusen besteht darin, dass der Kugelkäfig keine Drehgeber enthält und auch keine aufeinander abgestimmte Lichtquelle und Photodetektor umfasst, wie bei früheren optomechanischen Mäusen typisch. Das optische Element 225 ist gewöhnlich fest zwischen dem Gehäuse 224 und einem Blendengehäuse 228 angebracht, dessen Innenwand 215 die äußere Oberfläche bildet. Im Blendengehäuse 228 befindet sich eine Blende 229, über die das gestreute Licht von der Rollkugel 60 zum optischen Element 225 und anschließend zur Pho todetektoranordnung 220 reflektiert wird.

Die Gesamtgröße der Photodetektoranordnung 220 bewegt sich gewöhnlich zwischen 1 mal 1 mm bis 7 mal 7 mm, wobei jedes einzelne Segment des Detektors bzw. Pixel 220A-220n, Abmessungen im Bereich zwischen 20 × 20 µm bis 300 × 300 µm oder größer aufweist; die genauen Abmessungen sind abhängig von der Größe der gesamten Anordnung und der einzelnen Detektoren. In den in dieser Druckschrift beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung hat jeder Pixel eine Größe in der Größenordnung von 300 × 300 µm. Wie später im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 beschrieben wird, enthält bei den in dieser Druckschrift beschriebenen bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen jeder Pixel ein Photode tektorelement und eine zugehörige Schaltanordnung zur Aufbereitung des Ausgangssignals des Photodetektorelements in ein außerhalb der Anordnung verwendbares Signal. Der Durchmesser der Rollkugelfläche (bzw. der Fläche eines anderen Musters), deren Abbild auf den Sensor projiziert und anschließend zur Erkennung verwendet wird, entspricht dem Durchmesser des Detektorbereichs und bestimmt somit den maximalen Öffnungswinkel, der von der Optik abgedeckt werden muss. In einem Ausführungsbeispiel kann ein typischer Ku gelflächen-Durchmesser, der zur Erkennung betrachtbar ist, in der Größenordnung von 2,8 mm liegen, was einem Feld von 6,2 mm² entspricht, und die Anordnung 220 kann eine Matrix von 8 mal 8 Detektoren 220A-n umfassen, obwohl in weiteren, später beschriebenen Ausfüh rungsformen eine Matrix von 11 mal 11 Detektoren benutzt werden kann. Obwohl bei dieser Ausführungsform die Detektoren quadratisch angeordnet sind (im wesentlichen wie in Fig. 5A dargestellt), kann es zumindest bei einigen anderen Ausführungsformen günstiger sein, die einzelnen Detektoren in einem Kreis oder Sechseck anzuordnen. Je nach Anwendungsbe reich können die Detektoren innerhalb des Bereichs des Elements oder entlang der Peripherie, z. B. der Peripherie eines Kreises, angeordnet werden, wo Kontrast und Auflösung gleichmä ßiger sind, so dass die beste Leistung zu den niedrigsten Kosten erzielt wird. In einer bevor zugte Ausführungsform wird eine quadratische Matrix verwendet, doch die Eckelemente bleiben frei, um annähernd eine Kreisform zu erzielen. Im allgemeinen besteht das Ziel darin, den Sensorbereich mit aktiven Pixeln dem durch die Optik erhaltenen Sichtfeld anzupassen. In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen nähert sich die Form dieses Detektorfelds typischerweise einem Kreis, und in einer typischen Ausführungsform liegt der Durchmesser des Detektorfelds in der Größenordnung von 3,25 mm.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt hat es den Anschein, dass die Größe eines akzeptablen Flecks auf der Rollkugel relativ unabhängig vom Durchmesser der Kugel ist. Es hat sich je doch gezeigt, dass ein Fleck auf der Rollkugel zumindest so groß sein sollte, dass das Bild eines Flecks stets zumindest einen der Photodetektoren in allen Richtungen bedeckt, wenn das Bild der Rollkugel auf den Sensor fokussiert wird. Die Größe der Abbildung eines einzelnen Flecks auf dem Sensor sollte vorzugsweise mindestens den Mitte-Mitte-Abstand zwischen zwei benachbarten Pixeln auf dem Sensor abdecken. Im allgemeinen wurde die typische Punktgröße jedoch so gewählt, dass die von der Abbildung des Punktes verdeckte Fläche ca. 5 Pixel ausmacht. Bei der maximalen Punktgröße deckt die Abbildung den Sensor im Wesentli chen ganz ab, doch bewirkt eine solche Bildgröße eine Leistungsminderung, wie weiter unten beschrieben. Die Dichte der Punkte kann zwischen 0,8 Prozent und 99,2 Prozent liegen, doch im Allgemeinen wird eine Punktdichte zwischen 20 Prozent und 70 Prozent bevorzugt; die typische bevorzugte Punktdichte liegt in der Größenordnung von 40 Prozent. In einem we sentlichen Fall, bei dem die Größe des projizierten Bilds eine Fläche von 8,3 mm² auf dem Sensor abdeckt, beträgt die Gesamtsumme der Flächen der dunklen (schwarzen) Bereiche und der Bereiche mit geringer Lichtintensität 3,2 mm², während die Gesamtsumme der Flächen der hellen (weißen) Bereiche bzw. der Bereiche mit hoher Lichtintensität 5,1 mm² beträgt. Ein Kontrastverhältnis von mindestens 2,5 zwischen den Bereichen der Abbildung auf dem Sen sor mit hoher Lichtintensität und den Bereichen mit niedriger Lichtintensität wird generell bevorzugt.

Die Verwendung einer Punktgröße im angemessenen Bereich ermöglicht die Erken nung der Bewegung eines Bilds (z. B. Graustufen-, Binärformat etc.) anhand der Feststellung der Unterschiede der räumlichen Intensität (oder einfacher gesagt, der "Kanten") der Punkte. Die maximale Abmessung des Punktes steht in Relation zur gewünschten Mindest- Ausgangsgenauigkeit des Systems; wie später besser deutlich wird, hängt die Systemauflö sung von der Anzahl der sich bewegenden Kanten dividiert durch die Anzahl der insgesamt sichtbaren Kanten ab. In einem später beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es für eine ge wünschte Ausgabeauflösung von mehr als 15 Punkten/mm nützlich, wenn das Bild minde stens 16 Kanten in X-Richtung und 16 Kanten in Y-Richtung aufweist. Ist die Kantenanzahl zu gering, erscheint die als Reaktion auf die Rollkugelbewegung entstehende Cursorbewe gung "abgehackt". Für einen 4-Bit-A/D-Wandler plus Vorzeichen werden 16 Kanten benutzt, um eine Einheiteninkrementierung zu erreichen.

Außerdem ist es wichtig, die Menge der diffusen Lichtenergie zu maximieren, die von der Kugel 60 zur Detektoranordnung 220 (und insbesondere zu jedem einzelnen Detektorele ment 220A-n) reflektiert wird. Verschiedene Vergrößerungen sind möglich, doch am günstig sten ist eine Vergrößerung von -1, um die Auswirkungen von mechanischen Toleranzen so klein wie möglich zu halten. Aufgrund ihrer kleinen Größe, den hohen Kosten und der erfor derlichen Modulationsübertragung sind gewöhnliche Linsen (zumindest für einige der ge genwärtig bevorzugten Ausführungsformen) außerdem nur unzureichend geeignet. Für die Ausführungsformen, bei denen gewöhnliche Linsen nicht ausreichend sind, sind stattdessen diffraktive optische Elemente (DOE) vorzuziehen. Für einige der hier beschriebenen Ausfüh rungsformen können jedoch auch klassische Linsen verwendet werden, obwohl evtl. eine leichte Reduzierung der Auflösung erforderlich ist. Selbst bei Ausführungsformen, die klassi sche Linsen verwenden, ist eine Auflösung in der Größenordnung von einer Zeile pro Milli meter möglich.

Insbesondere können zumindest bei einigen Ausführungsformen diffraktive optische Ele mente die benötigte Lichtübertragung liefern und gleichzeitig die Kosten so gering wie mög lich halten, da sie mit relativ gewöhnlichen, in der Mikroelektronik gebräuchlichen Lithogra fie- und Ätzverfahren hergestellt werden können, die in den normalen Herstellungsprozess der Detektoranordnung selbst eingegliedert werden können.

Für einige der entsprechenden Ausführungsformen können zwar sowohl sphärische als auch asphärische Linsen verwendet werden, doch kann die asphärische Funktionalität ohne zusätzliche Kosten in diffraktiven optischen Elementen bereitgestellt werden und die ge wünschten Lichtübertragungsfähigkeiten bieten; die Konstruktion ist dabei allerdings etwas komplizierter. Außerdem können im selben diffraktiven optischen Element verschiedene opti sche Funktionen enthalten sein, dergestalt, dass ein Teil des DOE-Substrats mit einer ersten Mikrostruktur hergestellt werden kann, die den Beleuchtungskegel von einer Lichtquelle im geeigneten Einfallswinkel auf die Rollkugeloberfläche leitet, und einer zweiten Mikrostruk tur, die als asphärische Linse für die Musterdarstellung dient, so dass das von der ersten Mi krostruktur beleuchtete Bild der Rollkugel richtig von der zweiten Mikrostruktur auf die An ordnung 220 fokussiert wird. Obwohl solche Mehrfach-DOE-Strukturen für zumindest einige Ausführungsformen der Erfindung attraktiv sind, dient in der allgemein bevorzugten Anord nung ein diffraktives optisches Element nur zur Abbildung des beleuchteten Bereichs der ge tüpfelten Rollkugel 60 auf der Photodetektoranordnung 220.

In einem Ausführungsbeispiel liegt die Brennweite des DOE in der Größenordnung von 2,4 mm, während der Gesamtabstand zwischen Rollkugel und Detektoranordnung in der Größenordnung von 10 mm liegt. Der Blendendurchmesser liegt in der Größenordnung von 1-1,5 mm bzw. bei einer numerischen Apertur (NA) in der Größenordnung von 0,1. Da die Vergrößerung -1 beträgt, befindet sich das diffraktive optische Element außerdem in der Mitte zwischen der Rollkugel 60 und der Detektoranordnung 220.

Wie bei anderen optomechanischen Mäusen entspricht die zu erkennende Bewegung entweder zwei Parallelverschiebungen (x, y) oder einer Parallelverschiebung und einer Dreh bewegung um die Bildmitte. Aus Energiespargründen läuft die Impulsfolge in der Weise ab, wie in der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 07/717.187, eingereicht am 18. Juni 1991, jetzt US-Patent-Nr. 5.256.913 mit dem Titel "Low Power Optoelectronic Device and Method" beschrieben, was bedeutet, dass die Photodetektoren 220A-N lediglich eine Reihe von "Schnappschüssen" der Rollkugel erkennen können. Das Ausgangssignal der Detektoranord- nung 220 ist schließlich vorzugsweise mit dem Eingangssignal eines Mikroprozessors kom patibel, damit das Signal umgehend für die Steuerung des Cursors konvertiert werden kann. Das Ausgangssignal könnte z. B. der Art von Ausgangssignal entsprechen, die von Konstruk tionen mit optischen Codierern geliefert wird, wie in US-Patent-Nr. 5.008.528 beschrieben, wobei sich ein 2-Bit-Quadraturcode von. ca. 15 Impulsen pro Millimeter Rollkugelbewegung ergäbe.

In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Schaltungsanord nung zur Bearbeitung der von der Detektoranordnung 220 empfangenen Ausgangssignale besser unter Bezug auf Fig. 3 verstanden werden, obwohl in Fig. 3 der Photodetektor und die Logik nur einen einzelnen Pixel umfassen. Eine ähnliche Logik gilt für jeden einzelnen Pixel 200A-n in der Detektoranordnung (Fig. 4A zeigt eine Anordnung mit 4 Pixeln), und das Endergebnis ist eine kollektive Berechnung für die Detektoranordnung als Ganzes. In einem Ausführungsbeispiel sind die Detektoranordnung 220 und die zugehörigen logischen Anord nungen der in Fig. 3 dargestellten Art alle auf einem einzelnen Chip implementiert, und ins besondere der einzelne Detektor und die zugehörigen Schaltelemente sind auf dem gleichen Pixel gebildet.

Als allgemeine Erläuterung der Funktionsweise der Schaltkreise in Fig. 3 und 4 sei angemerkt, dass die Hauptfunktion des Algorithmus in der Korrelation von Kanten und zeitli chen Intensitätsänderungen (Temporal Intensity Changes, "tics") besteht. Wie im Einzelnen in Fig. 3 dargestellt, erzeugt ein Photodetektor 220A wie z. B. eine Photodiode mit Sperr- Vorspannung Strom, der proportional zur Intensität des von der Kugel auf den Detektor 220A reflektierten Lichts ist. Die Stromstärke wird anschließend von einer Schwellenwertschaltung 300 mit einem Schwellenwert verglichen, um festzustellen, ob der Pixel weiß oder schwarz ist. Der Schwellenwert kann für verschiedene Sensorbereiche unterschiedlich eingestellt wer den, um z. B. eine ungleichmäßige Beleuchtung auszugleichen; diese Einstellung kann je nach Anwendung automatisch oder anderweitig erfolgen. Alternativ kann eine Differential schaltung, die auf den Signalen von benachbarten Zellen basiert, zur Reduzierung der Emp findlichkeit auf Schwankungen der Beleuchtungsintensität, der Dichte des Rollkugeltüpfelung etc. benutzt werden.

Obwohl in dem Ausführungsbeispiel des Photodetektors 220A eine Photodiode ver wendet wird, können in einer Reihe weiterer Ausführungsformen auch Phototransistoren ein gesetzt werden. Phototransistoren bieten den Vorteil einer höheren Stromverstärkung und liefern dadurch einen hohen Ausgangsstrom für ein festgelegtes Beleuchtungsniveau. In ande ren Ausführungsformen werden jedoch weiterhin Photodioden bevorzugt, da zumindest einige Phototransistoren bei schwacher Beleuchtung verringerte Stromverstärkungs- und Anpas sungseigenschaften aufweisen, während Photodioden gegenwärtig eine geringfügig besser vorhersehbare Leistung und folglich höhere Präzision bieten.

Das Ausgangssignal der Schwellenwertschaltung 300 wird anschließend an einen er sten Speicher 305 übertragen, in dem die Daten der Schwellenwertschaltung gespeichert wer den und der bewirkt, dass die Leuchtdiode ausgeschaltet werden kann, ohne dass der Be leuchtungswert des Bildes verloren geht. Als erster Speicher 305 kann ein Speicher-Flipflop oder ein Signalspeicher verwendet werden, der als eine Ein-Bit-Abtast- und Halteschaltung angesehen werden kann. Im Einzelnen läuft diese Funktion folgendermaßen ab: in der ent sprechenden Phase des Taktsignals, z. B. wenn der Taktimpuls hoch ist, wird das Ausgangs signal der Schwellenwertschaltung 300 in den Speicher kopiert; dieser Wert wird im Speicher eingefroren, wenn der Taktimpuls niedriger wird. Ein zweiter Speicher 310, gewöhnlich eben falls ein Speicher-Flipflop oder ein Signalspeicher, speichert in ähnlicher Art und Weise den alten Zustand des ersten Speichers 305, so dass die Ausgabe des zweiten Speichers 310 gleich der Ausgabe des ersten Speichers 305 am Ende des vorherigen Taktzyklus ist. In einem Aus führungsbeispiel wird der Zyklus des Taktimpulses mit dem Impuls der Leuchtdiode syn chronisiert, wobei sich die aktive Flanke am Ende des Lichtimpulses befindet. Der alte Zu stand des Speichers wird über einen "CURRENT STATE"-Bus 306 auf die links und darunter liegenden Pixel angewendet.

Die temporäre Intensitätsänderung ("tic") eines Pixels kann folglich ermittelt werden, indem der Zustand des ersten Speichers 305 mit dem des zweiten Speichers 310 verglichen wird. Dieser Vergleich wird mittels Komparator-Logik 315 durchgeführt. Darüber hinaus wird die Ausgabe des ersten Speichers 305 an zwei weitere Komparatoren 320 und 325 wei tergeleitet, um Kanten an der Oberseite sowie auf der rechten Seite zu erkennen. Der Kompa rator 320 empfängt außerdem über eine Leitung 321 Daten über den aktuellen Zustand des darüber liegenden Pixels in der Anordnung. Der Komparator 325 empfängt über eine Leitung 326, einen "EDGE ON RIGHT"-Bus, Daten vom Pixel auf der rechten Seite und sendet über eine Leitung 327 Informationen an den Pixel auf der rechten Seite. Die Komparatoren 315, 320 und 325 können der Einfachheit halber jeweils als Exklusiv-ODER-Schaltungen imple mentiert werden.

Kanten auf der linken Seite und unten werden diesem Pixel von den Pixeln auf der linken Seite bzw. der Unterseite mitgeteilt, wie aus dem in Fig. 4A gezeigten Teil der Anord nung besser ersichtlich ist. Genauer gesagt, unter Bezugnahme auf Fig. 3, legen die entspre chenden Pixelschaltungen Strom an einer bestimmten Leitung an, wenn ein "tic" und eine zugehörige Kante festgestellt werden, was dazu führt, dass die Kanten an der linken Seite und an der Unterseite von den Werten der entsprechenden Nachbarpixel abgezogen werden. Die Erkennung einer horizontalen bzw. vertikalen Kante wird auf ähnliche Weise durch Anlegen von Strom an die entsprechende Leitung signalisiert. Demnach empfängt die linke Korrelati onslogikschaltung 330 Informationen auf einer Leitung 335, einem "MOVE LEFT"-Bus, so wie Informationen vom danebenliegenden Pixel auf einer Leitung 336, einem "EDGE ON LEFT"-Bus. Die untere Korrelationslogikschaltung 340 empfängt Informationen auf einer Leitung 345 von einem "MOVE DOWN"-Bus und vom darunter liegenden Pixel auf einer Leitung 341, dem "EDGE ON BOTTOM"-Bus. Die obere Korrelationslogikschaltung 350 hingegen empfängt ein Eingabesignal von Schaltung 330 und ein zweites Eingabesignal auf einer Leitung 351, einem "EDGE ON TOP"-Bus, und sendet ein Signal auf einer Leitung 355, einem "MOVE UP"-Bus; die rechte Korrelationslogikschaltung 360 sendet dann ein Si gnal auf einem "MOVE RIGHT"-Bus 365. Die Korrelationsschaltungen können einfach als UND-Gates angesehen werden.

Zwei Schaltstromquellen, 370 und 375, sorgen zusätzlich für eine kalibrierte Strom aufschaltung auf die Busse 380 und 385, wenn Kanten festgestellt werden; Stromquelle 370 erhält ihre Eingaben nur vom "EDGE ON TOP"-Bus 351. Wird eine horizontale Kante fest gestellt, die sich in vertikaler Richtung bewegt, liefert die Stromquelle 370 eine kalibrierte Stromaufschaltung auf Leitung 380. Dementsprechend legt die Stromquelle 375 eine kali brierte Stromaufschaltung auf Leitung 385, wenn eine vertikale Kante festgestellt wird, die sich in horizontaler Richtung bewegt. Die Leitungen 321, 326, 336 und 341 sind an den Rän dern der Anordnung mit falschen Logikpegeln verbunden. Bei allen Ausführungsformen ist keine Kalibration erforderlich.

Fig. 4A zeigt eine genauere Darstellung der Implementierung einer Vier-Pixel- Anordnung und verdeutlicht insbesondere die Art und Weise, wie die Korrelationsschaltun gen 330, 340, 350 und 360 mit der jeweiligen benachbarten Pixellogik verbunden sind. Ähn lich lässt sich die Art und Weise, wie der vertikale und horizontale Kantendetektor 370 und 375 mit den benachbarten Pixeln zusammenarbeiten, besser verstehen. In diesem ersten Aus führungsbeispiel hat sich eine Matrix von 8 mal 8 Pixeln mit zugehöriger Logik als geeignet erwiesen, doch sind viele andere Anordnungsgrößen in speziellen Anwendungen geeignet, und in den später näher beschriebenen Ausführungsformen wird gewöhnlich eine Matrix von 11 mal 11 Pixeln verwendet. Die Anordnung aus 8 mal 8 Pixeln in einem Ausführungsbei spiel besteht außerdem aus vier Quadranten von jeweils 4 mal 4, doch es ist nicht nötig, die Anordnung in anderen Ausführungsformen in Quadranten zu zerlegen. Die Aufteilung der Anordnung in Quadranten ist bei der Erkennung der Drehung der Kugel hilfreich, doch die Parallelverschiebung kann auch ohne eine solche Aufteilung leicht erkannt werden. Jeder Quadrant erhält seine eigenen Ausgangssignale für die vier Verschiebungsrichtungen, damit die Verschiebung berechnet werden kann. In anderen Ausführungsformen ist zu erkennen, dass grundsätzlich 6 verschiedene Bus-Leitungen vorhanden sind, wobei die Ausgangssignale eines jeden Pixels mit dem jeweiligen Bus verbunden sind. Je nach den Bildeigenschaften im Pixel und in den benachbarten Pixeln können ein bis sechs Busse angesteuert werden. Die Funktion der Schaltungen in Fig. 3 und 4 besteht im Wesentlichen darin, dass jedes Pixel 200A-n entweder eine vorbestimmte Menge Strom an den entsprechenden Bus anlegt ("ON") oder nichts tut. Wenn sehr präzise Stromtreiber verwendet werden, kann anschließend durch Addition der entsprechenden Ströme an den einzelnen Bussen die Anzahl der Pixel auf dem Bus bestimmt werden. Die 6 Busse liefern 6 Zahlenwerte; durch Kombination dieser 6 Zah lenwerte können X und Y, d. h. die horizontale und die vertikale Verschiebung, berechnet werden. In einer der zur Zeit bevorzugten Ausführungsformen werden die X- und die Y- Verschiebung folgendermaßen berechnet:

Δ X = (.Σ NachRechts - Σ NachLinks)/(Σ. Kante_X)

Δ Y = (.Σ NachOben - Σ NachUnten)/(Σ. Kante_Y)

Der Algorithmus lässt sich folgendermaßen zusammenfassen:

Als Wert für c wird dabei eine Konstante gewählt, durch die Probleme aufgrund von Rauschen und Fehlanpassung zwischen zwei benachbarten Pixeln vermieden werden; in der beschriebenen Ausführungsform wurde für c der Wert 2 gewählt. Wie bereits allgemein er wähnt, macht der vorstehende Algorithmus außerdem deutlich, dass eine höhere Kantenan zahl im Bild zu einer genaueren Messung der Verschiebung führt. Außerdem ist ersichtlich, dass die gemessene Verschiebung einen Bruchteil des Abstands zwischen zwei Pixeln dar stellt. Die Berechnung der Werte kann digital oder anders durchgeführt werden.

Die Auswirkung einer Bewegung auf die Pixel wird in Fig. 17B grafisch dargestellt: die Pixelanordnung in dieser Abbildung enthält einige dunkle Pixel D, einige helle Pixel L und einige Pixel E, die eine Intensitätsänderung durchmachen, die auf die Anwesenheit einer Kante hindeutet. Wird nun eine erste ovale Fläche F als Abbild der Rollkugel zum Zeitpunkt (t-1) definiert und eine zweite ovale Fläche S als Abbild der Rollkugel zum Zeitpunkt (t), kann die Bewegungsrichtung wie durch den Pfeil angezeigt bestimmt werden.

Die Differenz zwischen den Bewegungen nach rechts und nach links (der Dividend in den oben erwähnten Bruchzahlen) kann leicht mittels eines Differenzstromverstärkers implemen tiert werden, der zumindest in einigen Ausführungsformen invertierende und nicht- invertierende Eingänge hat, wie im Folgenden genauer beschrieben (siehe auch Fig. 5B).

Fig. 5A stellt ein allgemeines, schematisches Blockdiagramm dar, in dem die Detek toranordnung 220 mit der für die Funktion als Trackball erforderlichen Schaltung verbunden ist. Die Anordnung 220 ist über eine Signalaufbereitungslogik 505A-B mit zwei A/D- Wandlern 510 und 520 und mit einem Mikroprozessor 530 verbunden. Der A/D-Wandler 510 liefert die Leitungssignale X0, X1 und X2 sowie das Vorzeichen der X-Bewegung an den Mikroprozessor auf den Leitungen 540; ähnlich liefert der A/D-Wandler 520 die Leitungs signale Y0, Y1 und Y2 sowie das Vorzeichen der Y-Bewegung an den Mikroprozessor auf den Leitungen 550. Für einige Ausführungsformen wird ein 4-Bit-A/D-Wandler plus Vorzei chen bevorzugt, in welchem Fall die Erweiterung der aktuellen Schaltung auf 4 Bits in den Rahmen des normalen Kenntnisstands fällt. Die Schalter 80 versorgen den Mikroprozessor 530 mit zusätzlichen Steuereingaben. Der Mikroprozessor sendet auf der Leitung 535 ein Taktsignal an die Anordnung und die zugehörigen Schaltungen (zusammenfassend mit 545 gekennzeichnet), das dann z. B. auf einer integrierten Einzelsensorschaltung implementiert werden kann. Der Mikroprozessor 530 überträgt das Signal anschließend bidirektional an die Schnittstellenlogik 560, von wo aus die Signale zur Steuerung des Cursors über einen Ausga bebus 570 auf gewöhnliche Art und Weise an einen Host-Rechner (in der Abbildung nicht dargestellt) weitergeleitet werden. Der Fachmann erkennt, dass der Mikroprozessor 530 in der hier beschriebenen Ausführungsform primär zur Bereitstellung des Protokolls für die Kom munikation mit dem Host-Rechner dient, obwohl er auch die Leuchtdiodenimpulse, den Ru hezustand (Sleep Mode) und die Service-Interrupts steuert.

Die in Fig. 5 dargestellten Signalaufbereitungsschaltkreise 505A-B werden durch Bezugnahme auf Fig. 5B besser verständlich. Der Einfachheit halber wird nur der Signalauf bereitungsschaltkreis für das X-Signal (horizontale Bewegung) genauer dargestellt; die Funk tionsweise des entsprechenden Schaltkreises für das X-Signal (vertikale Bewegung) ist iden tisch. Wie bereits erwähnt, werden die kumulativen Stromsignale von den verschiedenen Pi xeln an den entsprechenden Bussen addiert. Die Summen dieser Ströme von den "Move left"- und "Move right"-Bussen werden im Summierschaltkreis 570 subtrahiert, und anschließend wird der absolute Wert in einem Absolutwertschaltkreis 572 ermittelt; dieser Wert wird dann an den A/D-Wandler 510 übertragen. Außerdem wird das Vorzeichen der Bewegung ermit telt, indem das Ausgangssignal des Summierschaltkreises 570 an einen Komparator 574 übertragen wird. Abschließend wird die Summe aller Kantenströme durch eine Reihe von Komparatoren 576 verglichen und das Ergebnis an eine Kombinationslogik 578 übertragen, von wo aus die X0-X2-Ausgangssignale ausgegeben werden. Es sei außerdem erwähnt, dass die A/D-Umwandlung der Schaltungen 510 und 520 ohne weiteres mit einem Flash-A/D- Wandler implementiert werden kann. Die Division kann ebenfalls mit einem Flash-A/D- Wandler implementiert werden, wobei eine Referenzspannung verwendet wird, die proportio nal zum Bus-Strom für die horizontalen (bzw. vertikalen) Kanten ist. Die Verwendung von Stromquellen für solche Schaltungen liefert die wünschenswerte Einfachheit und Kompakt heit.

Das Betriebsprogramm zur Steuerung des Mikroprozessors 530 wird durch Betrachten von Fig. 6A und Fig. 6B besser verständlich. Fig. 6A zeigt, dass der Betrieb des in Fig. 1-5 dargestellten Systems mit Schritt 600 beginnt, dem Zurücksetzen und Initialisieren der Logik und der Aktivierung von Interrupts. Bei Schritt 610 wird kontrolliert, ob der Ruhezustand aktiviert wurde.

Ist der Ruhezustand aktiviert, d. h. die Rollkugel des Trackballs wurde eine Weile nicht bewegt, ruht die in Fig. 3-5 dargestellte Logik ab Schritt 620 bis zum Timeout bzw. bis eine Aktivität am Bus festgestellt wird. Der Ruhezustand wird in der US-Patentanmeldung mit Serien-Nr. 07/672.090, eingereicht am 19. März 1991, erläutert, die mittlerweile fallen gelas sen und auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und von der die relevanten Teile durch Literaturhinweis in diese Anmeldung eingefügt sind. Ist der Ruhe zustand nicht aktiviert bzw. ist ein Timeout eingetreten oder wurde eine Aktivität am Bus festgestellt, werden die Schalter 80 am Trackball bei Schritt 630 abgelesen. Danach wird bei Schritt 640 kontrolliert, ob sich die Kugel bewegt. Wenn nicht, wird bei Schritt 650 der Ruhe zustand aktiviert.

Wenn sich die Kugel bewegt, wird bei Schritt 660 die Gesamtverschiebung der Kugel berechnet. Nach Berechnung der Verschiebung werden die entsprechenden Daten bei Schritt 670 an den Host-Rechner übertragen, und der Prozess kehrt wieder zu Schritt 610 zurück.

Fig. 6B verdeutlicht die Interrupt-Service-Routine (ISR) der vorliegenden Erfindung. Die Interrupt-Service-Routine wird bei Schritt 675 in dem Fall aufgerufen, dass durch die Taktimpulsfunktion des Mikroprozessors eine Unterbrechung verursacht wurde; mindestens bei einigen Ausführungsformen können Unterbrechungen auch in regelmäßigen Abständen auf andere Art und Weise erzeugt werden. Das System reagiert, indem es bei Schritt 680 die Unterbrechung bestätigt und anschließend bei Schritt 685 die Leuchtdiodenimpulse ausläst und die Sensorausgabewerte für X und Y abfragt. Bei Schritt 690 wird die Zeit bis zur näch sten Abtastung berechnet. Diese Zeitspannen sind unterschiedlich und abhängig davon, ob die Rollkugel seit der letzten Abtastung viel oder wenig bewegt wurde; bei normaler Bewegung ist z. B. eine Abtastrate von einmal pro Millisekunde typisch, während die Zeitabstände län ger sind, wenn sich die Rollkugel nicht bewegt. Bei einer geringen Verschiebung wird die Zeit zwischen den Abtastungen verlängert, bei einer großen Verschiebung wird die Zeit zwi schen den Abtastungen verkürzt. In einer gegenwärtig bevorzugten Implementierung ist eine Verschiebung "gering", wenn die Rollkugel sich um maximal 1/400stel Zoll bewegt; eine "große" Verschiebung beträgt von 5/800stel bis 7/800stel Zoll. Nach Berechnung der Zeit bis zur nächsten Abtastung kehrt das System bei Schritt 695 von der Unterbrechung zurück.

Fig. 7A-7B und 8A-8B zeigen die in Einzelteile aufgelöste perspektivische Darstel lung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung innerhalb eines Trackballs, allgemein als 10 bezeichnet. Fig. 7B zeigt die Elemente der in Einzelteile aufgelösten perspektivischen Darstellung aus Fig. 7A in zusammengebautem Zustand, und Fig. 8A zeigt die zusammen gebaute Einheit im Seitenaufriss. Fig. 8B zeigt eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie AA-AA in Fig. 8A in Seitenansicht.

Der Fachmann erkennt, dass die vorliegende Ausführungsform im Wesentlichen aus vier Hauptelementen besteht: einer Rollkugel mit erkennbarem Muster an der Oberfläche, einer oder mehreren Lichtquellen (z. B. Leuchtdioden) zur Beleuchtung der Rollkugel, einem Sensor zur Erkennung von mindestens dem Teil der Rollkugel, die von den Lichtquellen be leuchtet wird, und einer Optik, mit der dieses Abbild auf den Sensor fokussiert wird. Außer dem muss ein mechanisches Gerüst vorhanden sein, das die Rollkugel, die Lichtquellen, die Optik und den Sensor unterstützt. Diese Bauelemente werden im Folgenden einzeln beschrie ben, beginnend mit dem mechanischen Gerüst.

Ein Obergehäuse 700 und ein Untergehäuse 705 sind in losgelöster Ansicht darge stellt; mindestens in einigen Ausführungsformen (z. B. Laptops, Handheld-Computer oder ähnliche Geräte) können das Ober- und Untergehäuse z. B. auch in eine Tastatur integriert werden. Eine Rollkugel 710 der hier beschriebenen Art wird mit einem Haltering 720, der am Obergehäuse 700 befestigt wird, im Kugelkäfig 715 gehalten. Der Durchmesser der Rollkugel beträgt gewöhnlich in der Größenordnung von zwischen fünf und fünfzig Millimetern, für verschiedene Ausführungsformen sind jedoch auch andere Größen vorstellbar. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Rollkugeldurchmesser in der Größenordnung von 19 Millimeter typisch. Unterhalb des Kugelkäfigs 715 befindet sich die Optikgehäuse- Abdeckung 725, in die eine Leuchtdiode 730 mit einer schrägen Bohrung eingepasst wird (besser erkennbar in Fig. 10A-10D). In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel kann z. B. eine Leuchtdiode mit einer Wellenlänge im Bereich von 940 nm verwendet werden (wie weiter oben beschrieben, kann das von der Leuchtdiode ausgegebene Lichtsignal im sichtba ren oder im nicht sichtbaren Bereich des Lichtspektrums liegen). Die Optikgehäuse- Abdeckung 725 umfasst außerdem auch eine Fassung für einen Sensor 735 und ein Fenster 740 sowie eine Linse 745. Die Optikgehäuse-Abdeckung 725 wird dann mit dem Optikgehäu se 750 verbunden und mit Hilfe einer Optikklemme 755 befestigt. Eine zweite Leuchtdiode 730 wird durch eine zweite schräge Bohrung in das Optikgehäuse 750 eingesetzt (besser er kennbar in Fig. 11A-11B). Die Optikklemme 755 wird dadurch in Position gehalten, dass sie unter eine im Optikgehäuse 750 gebildete Feststellvorrichtung 760 eingepasst wird (am be sten in Fig. 8B zu sehen). Die Untereinheit 765 aus Optikgehäuse-Abdeckung 725, Optikge häuse 750 und den zugehörigen Bauelementen befindet sich unterhalb des Kugelkäfigs 715.

Zwischen dem Kugelkäfig 715 und der Untereinheit 765 befindet sich in Sandwich- Schichtung eine PC-Platine 775, wobei die Rollkugel 710 von der Untereinheit 765 durch eine Öffnung 770 in der PC-Platine 775 gesehen werden kann. Der Kugelkäfig 715 ist mit Schrauben 780 oder einem anderen geeigneten Mittel an der PC-Platine 775 befestigt, und die Untereinheit 765 ist mit Schrauben 780, die durch das Optikgehäuse 750 und die PC-Platine 775 bis in den Kugelkäfig 715 reichen, an der PC-Platine 775 und dem Kugelkäfig 715 befe stigt. Die PC-Platine 775 weist außerdem eine oder mehrere Tasten bzw. Schalter 785 auf. Über einen Konnektor 790 wird die PC-Platine 775 auf gewöhnliche Weise (z. B. über ein serielles oder ein PS/2-Protokoll) mit einem Host-Rechner (nicht abgebildet), z. B. einem Notebook-Computer oder anderen Computer verbunden.

Die Illustrationen in den Fig. 9A-9D zeigen Detailansichten des Kugelkäfigs 715. Fig. 9A zeigt den Kugelkäfig 715 im Seitenaufriss und Fig. 9B eine Untenansicht. Fig. 9C zeigt eine Draufsicht des Kugelkäfigs und Fig. 9D eine Querschnittsdarstellung in Seitenan sicht entlang der Linie B-B in Fig. 9C. Im Kugelkäfig 715 befindet sich ein oberer Kreisring 860 mit Drehschlitzen 865 zur Befestigung des Halterings 720. Unterhalb des oberen Kreis rings 860 bildet das Innere des Kugelkäfigs eine Mulde 870. Aus der Mulde sind drei Vertie fungen 875 ausgehoben, in denen sich die Lager 880 befinden, auf denen die Rollkugel 710 aufliegt. Die Lager 880 sind von der Art, wie in der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 07/820.500 und dem Titel "Bearing Support for a Trackball" beschrieben, eingereicht am 14. Jan. 1992 und jetzt aufgegeben (wie weiter oben erwähnt). Die Vertiefungen sind im Wesent lichen radialsymmetrisch in der Mulde 870 angebracht. Am Boden der Mulde 870 befindet sich eine Öffnung 885, durch welche die Kugel für den optischen Teil sichtbar wird, wie weiter oben allgemein diskutiert und später in dieser Druckschrift genauer beschrieben. Die Befestigungsunterlagen 990 haben jeweils eine Bohrung 995 zur Aufnahme der Schrauben 780 (Fig. 7A), mit denen der Kugelkäfig an der PC-Platine befestigt wird (Fig. 7A), und die Befestigungsstifte bzw. Vorsprünge 1000 haben ebenfalls eine Bohrung 995, mit der die Un tereinheit 765 am Kugelkäfig 715 befestigt wird. Zur korrekten Positionierung des Kugelkä figs im Verhältnis zur PC-Platine 775 sind außerdem zwei Führungsstifte 1005 vorhanden.

Ein flacher Abschnitt 1010 (Fig. 9D) dient zur Aufnahme und Positionierung des Sensors im Verhältnis zur Linse und zum Fenster, wie weiter oben im Zusammenhang mit Fig. 7A beschrieben. Der flache Abschnitt 1010 bewirkt zusammen mit der Öffnung 885, dass die Kugel 710 (Fig. 7A) durch die Öffnung ragt, so dass sie vom Licht der Leuchtdioden 730 beleuchtet wird und ein Sensor vom diffus von der Kugel 710 reflektierten Licht be leuchtet wird (Fig. 7A).

Der Aufbau der Optikgehäuse-Abdeckung und des Optikgehäuses ist in Fig. 10A-10D und Fig. 11A-11D besser zu erkennen. Die Abbildungen zeigen im Einzelnen die Optikge häuse-Abdeckung 725 als Vorderaufriss (Fig. 10A), Rückaufriss (Fig. 10B), Seitenaufriss (Fig. 1°C) und als perspektivische Vorder- und Rückansicht (Fig. 10D). Das Optikgehäuse 750, das mit dem Obergehäuse 725 verbunden wird, wird als Draufsicht (Fig. 11A), als Sei tenaufriss (Fig. 11B) und als Untenansicht (Fig. 11C) dargestellt. Fig. 11D ist eine Quer schnittsdarstellung in Seitenansicht und zeigt die Optikgehäuse-Abdeckung, das Optikgehäu se, die Linse, den Spiegel und den Sensor im zusammengebauten Zustand und im Verhältnis zur Rollkugel.

Unter Bezugnahme auf Fig. 10A-10D ist zu erkennen, dass die Optikgehäuse- Abdeckung 725 dazu dient, die Leuchtdioden 730 so zu positionieren, dass ein bestimmter Abschnitt der Rollkugel 710 vom Licht getroffen wird, und die Linse, das Fenster und den Sensor so relativ zur Rollkugel zu positionieren, dass das von der Rollkugel reflektierte Licht auf die Linse und von dort aus auf den Sensor trifft. Das Gehäuse 725 weist eine schräge Boh rung auf, an deren äußerem Ende eine der Leuchtdioden angebracht werden kann. Die Boh rung steht mit dem Mittelteil des Obergehäuses in Verbindung. Ein im Wesentlichen in der Mitte des Obergehäuses angebrachtes erhabenes Bauelement 1025 stützt ein Ende des Fen sters 740, während die Linse 745 in einer teilweise im Obergehäuse 725 geformten Ausspa rung 1030 aufliegt. Das erhabene Bauelement 1025 und die Aussparung 1030 sind mit ent sprechenden Teilen 1035 und 1040 im Optikgehäuse 750 verbunden, wie im Einzelnen in Fig. 11A dargestellt. Wie sowohl in Fig. 11A als auch 11B zu sehen ist, enthält das Optikge häuse außerdem eine schräge Bohrung 1045 symmetrisch zur Bohrung 1020 zur Aufnahme der zweiten Leuchtdiode 730, die - wie die erste Leuchtdiode - die Unterseite der Rollkugel 710 so beleuchtet, dass diffuses Licht auf den Sensor 735 trifft. Wie bereits erwähnt, wird gegenwärtig diffuses Licht bevorzugt, da es einen besseren Kontrast zwischen den hellen und dunklen Abschnitten der Rollkugel 710 erzeugt.

Wie in Fig. 11D besser erkennbar ist, weist das Untergehäuse 750 auch eine Ausspa rung 1050 für die Aufnahme des Sensors 735 auf.

Fig. 11D, eine Querschnittseitenansicht des Unter- und Obergehäuses einschließlich Linse, Sensor und Fenster, veranschaulicht den Zusammenhang zwischen den wichtigsten Optikelementen dieser Ausführungsform. Im Einzelnen ist zu sehen, wie die Optikgehäuse- Abdeckung 725 mit dem Optikgehäuse 750 zusammenpasst, wobei beide Gehäuseelemente dazu beitragen, die Linse 745 zwischen der Rollkugel 710 und dem Sensor 735 zu positionie ren und zu unterstützen. Das Fenster 740 befindet sich zwischen der Rollkugel und der Linse, und bei den Ausführungsformen, die zur Beleuchtung der Rollkugel Infrarotlicht einsetzen, kann das Fenster aus einem Material bestehen, das im sichtbaren Spektrum schwarz erscheint, für Infrarotfrequenzen jedoch durchlässig ist, so dass von außen eindringendes Licht (das z. B. zwischen der Rollkugel und dem Haltering eindringen könnte) herausgefiltert werden kann. An der Unterseite des Untergehäuses 750 ist außerdem die Feststellvorrichtung 760 zu sehen. Die Bohrungen, durch welche die Leuchtdioden 730 die Rollkugel 710 beleuchten, sind in Fig. 11D nicht abgebildet.

Zum besseren Verständnis des Strahlengangs der in Fig. 7-11 dargestellten Ausfüh rungsform wird die Funktionsweise der Optik in Fig. 12A-12C in vereinfachter Form darge stellt. Die vereinfachte Zeichnung in Fig. 12A zeigt im Einzelnen, dass die Rollkugel 710 vom Haltering 720 im Kugelkäfig gehalten wird. Zwei Leuchtdioden 730 beleuchten den un teren Teil der Rollkugel, und das Licht wird diffus durch einen transparenten Teil auf die Lin se 745 und von dort aus auf den Sensor 735 reflektiert. Weitere Aspekte dieser Ausführungs form, die in dieser vereinfachten Darstellung besser zu erkennen sind, sind die durch den Haltering gebildete Dichtung, die das Eindringen von Staub oder Schmutz in den Kugelkäfig verhindert, sowie das transparente Fenster, das weiter dazu beiträgt, dass kein Schmutz die Optik blockieren kann.

In Fig. 12B wird die Anordnung der Optik für eine klassische Linse mit einer Reihen anordnung von Rollkugel, Linse und Sensor dargestellt. Im Einzelnen ist zu sehen, dass ein Bereich 1210 der Kugel von den weiter oben beschriebenen Leuchtdioden angestrahlt wird. Diffuses Licht vom beleuchteten Teil der Rollkugel durchquert eine Linse 1220 und trifft auf einen Sensor 1230. Die Linse kann aus Glas oder einem geeignetem optischen Kunststoff wie Polymethylmethacrylat (gewöhnlich poliert oder heißgepresst) hergestellt sein und eine einfa che Bikonvexlinse mit Radien von beispielsweise 2,37 mm, einer Dicke in der Größenord nung von 1,23 mm und einem Abstand zwischen Rollkugel und der nächstgelegenen Linsen oberfläche in der Größenordnung von 4,35 mm sein. Entsprechend liegt die Entfernung zwi schen dem Sensor und der nächstgelegenen Linsenoberfläche in der Größenordnung von 4,42 mm. Bei einer derartigen Anordnung hat der Blickfeldwinkel der Kugel einen Durchmesser von ca. 2,8 mm. Der für das Licht passierbare Durchmesser der Linse ist vorzugsweise be grenzt und kann im hier dargestellten Beispiel auf eine Blendenöffnung von 1,5 mm begrenzt sein. Die optischen Grenzen können auf mechanische oder andere Art hergestellt werden.

Fig. 12C zeigt die Anordnung der Optik für eine klassische Linse mit seitlicher An ordnung von Kugel, Linse und Sensor. Bei dieser Anordnung, die gegenwärtig bevorzugt und in der zweiten und dritten hier beschriebenen Ausführungsform dargestellt wird, wird ein ge fächerter Lichtweg verwendet. Im Einzelnen wird, wie bereits beschrieben, ein Bereich 1240 der Kugel von den Leuchtdioden beschienen. Das diffuse Licht vom beleuchteten Kugelbe reich durchquert einen Abschnitt einer plankonvexen Linse 1250, die in einem Ausführungs beispiel halbkugelförmig ist. Wie bevor kann die Linse aus Polylmethacrylat (PMMA) herge stellt sein, weist jetzt jedoch eine flache, gespiegelte Rückfläche auf. Die Größe der gespie gelten Fläche liefert eine Öffnungsblende, die der in der Reihenanordnung von Fig. 12B er forderlichen Öffnungsblende entspricht und in der hier beschriebenen Ausführungsform z. B. in der Größenordnung von 1,8 mm betragen kann, wobei der Blickfeldwinkel der Kugel wie der 2,8 mm beträgt, die Entfernung zwischen Linse und Rollkugel jedoch in der Größenord nung von 3,2 mm liegt und die Entfernung zwischen Linse und Sensor in der Größenordnung von 3,3 mm. Der Radius der Linse beträgt in diesem Beispiel in der Größenordnung von 1,75 mm. Der gesamte Ablenkungswinkel der Linse ist nicht besonders kritisch und kann für die hier beschriebene Ausführungsform zwischen 72 und 90 Grad betragen, ohne dass die opti sche Leistung sich verschlechtert. Es kann ein Strahlablenker 1260 verwendet werden, um sicherzustellen, dass das von der Kugel reflektierte Licht nicht direkt auf den Sensor trifft. Falls der Sensor mit einer Schutzschicht bedeckt ist (gewöhnlich Epoxid), kann eine Vergrö ßerung des Abstands zwischen Linse und Sensor um etwa ein Drittel der Dicke der Schutz schicht erforderlich sein. Ein solch einfacher Korrekturterm kann für Schichten mit einer Dic ke von bis zu einem Millimeter und einer Brechungszahl von 1,5 ± 0,05 verwendet werden. Alternativ kann die Oberfläche der Schutzschicht kurvenförmig sein, so dass eine negative Linse entsteht, die als Bildfeldebener wirkt und die Bildfeldkrümmung reduziert. Dadurch werden Auflösung und Kontrast im Randbereich des Sensors verbessert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 13 wird die Funktionsweise der Sensorelektronik der in Fig. 7A dargestellten Ausführungsform besser verständlich. Allgemein wird die Elektronik der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform in mancher Hinsicht der Elektronik der oben beschriebenen ersten Ausführungsform vorgezogen, obwohl beide Vorgehensweisen ihre Vorteile haben. Im Allgemeinen enthält die Elektronik der zweiten Ausführungsform eine Pixelanordnung, die sowohl die Photodiode zur Erkennung des Abbilds als auch die Schaltung für die Berechnung und Speicherung der Daten umfasst sowie geeignete Elektronik zur Übertragung dieser Daten an einen Host-Rechner. Die Beschreibung von Fig. 5A macht klar, dass die Schaltungen in Fig. 13 im Wesentlichen ein Ersatz für die in Fig. 5A darge stellte Sensorschaltung sind. Im Einzelnen enthält die zu dem Bauelement in Fig. 7A gehöri ge Logik, wie in Fig. 13 zu sehen ist, eine Pixelmatrix 1305, gewöhnlich eine Anordnung aus 11 mal 11 Photodioden und den zugehörigen Schaltkreisen, könnte jedoch zumindest in eini gen Ausführungsformen weitaus größer sein. Die Schaltung enthält außerdem Folgendes: eine strombasierte A/D-Wandlerschaltung 1315 (im Wesentlichen ähnlich wie die in Fig. 5B dar gestellte Schaltung, jedoch auf 4 Datenbits plus Vorzeichen vergrößert), eine Absolutwert schaltung 1320 im Wesentlichen von der gleichen Art wie in Fig. 5B (dieser produziert das Vorzeichen für die 4-Bit-Daten des A/D-Wandlers), ein Schieberegister für den oberen Ring 1325 und einen Analog-Multiplexer 1330, ein Schieberegister für den rechten Ring 1335 und zugehörige zwei bis vier Decoder 1340 (11 Decoder bei einer Anordnung von 11 mal 11), eine Datenspeicherlogik 1345, eine Stromreferenzschaltung 1350 und eine Schnittstellenlogik 1355. Die Logik enthält außerdem ein erstes Testschieberegister 1360 für die linken Matrix reihen 1305 sowie ein zweites Testschieberegister 1365 für die unteren Matrixspalten. Bei einer Matrix von 11 mal 11 Umfasst jedes Schieberegister 11 Bits; es ist jedoch offensichtlich, dass die Größe des Schieberegisters über einen sehr großen Bereich variiert werden kann, um der Anzahl der Pixel auf einer Seite der Matrix zu entsprechen. Zusätzlich sind verschiedene Testunterlagen 1370 und V_DD- sowie V_SS-Schaltungen vorhanden. Die A/D-Wandlerschaltung für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise ein sequentielles, asynchrones Element, um die zu implementierende Schaltung so klein wie möglich zu halten, doch kann in anderen Ausführungsformen ein Parallelwandler bevorzugt sein. Bei einigen Ausführungs formen kann vor den A/D-Wandlerschaltungen eine Abtast- und Halteschaltung eingefügt werden.

Bei der Logik in Fig. 13 werden alle digitalen Blöcke von der Schnittstellenlogik 1355 ge steuert, die auch mit den primären Analogelementen gekoppelt ist. Der Chip wiederum wird gewöhnlich, wie weiter oben dargestellt, über einen Mikrocontroller gesteuert. Die Schnitt stellenlogik verwendet nur synchrone logische Blöcke und kann daher über eine synchrone Ablaufsteuereinheit mit Zähler gesteuert werden, z. B. einem 7-Bit-Zähler bei der Ausführungsform in Fig. 13. Die beschriebene Ausführungsform benötigt außerdem keine "Power on-Reset"-Funktion, da die Logik bereits nach einer voraussagbar kleinen Anzahl von Zyklen einen deterministischen Zustand erreicht, wie z. B. ca. 150 Zyklen mit einer erzwungen hohen bidirektionalen (bzw. I/O-) "Daten"-Leitung im gezeigten Ausführungsbeispiel.

Unter Bezugnahme auf Fig. 14 kann die Architektur der Schnittstellenlogik 1355 deutlicher erkannt werden. Eine Ablaufsteuereinheit 1400, die zusammen mit einem 7-Bit- Zähler 1405 betrieben wird, wählt aus den verschiedenen Eingaben Daten aus und legt diese auf einer bidirektionalen Unterlage 1410 durch Steuerung eines Multiplexers 1415 ab. Der Zähler 1405 kann voreingestellt werden oder kann so eingestellt werden, dass er den aktuelle Zählwert auf ein Signal der Ablaufsteuereinheit 1400 hin dekrementiert. Ist der Zählerstand des Zählers 1405 Null, so erhält die Ablaufsteuereinheit ein Signal, das sie zur Durchführung eines Zustandswechsels zwingt.

Die Eingaben an den Multiplexer 1415 enthalten Pixelinformationen Pixeln auf Lei tung 1420, Flankeninformationen auf Leitung 1425, ein Kontrollbit auf Leitung 1430 oder entweder Reaktivierungsinformationen auf Leitung 1435 oder serielle Datenausgabe auf Lei tung 1440. Sowohl die Reaktivierungsinformationen als auch die seriellen Datenausgabein formationen werden von einem Parallel-Seriell-Wandler 1445 geliefert, der seine Eingabe von einem Multiplexer 1450 mit (im dargestellten Ausführungsbeispiel) 12-Bit-Ausgabe erhält. Die Eingabe am Multiplexer 1450 kann entweder aus Verschiebungsdaten auf Leitung 1455 oder vorher festgelegten Identifikationsinformationen wie z. B. ID = 'HOD1 auf Leitung 1460 bestehen. Es ist offensichtlich, dass der Multiplexer 1450 von der Ablaufsteuereinheit 1400 gesteuert wird und dass seine Funktion darin besteht, eine seiner beiden Eingaben für die Übertragung an den Parallel-Seriell-Wandler 1445 auszuwählen. Es sei erwähnt, dass weder die Pixelinformationen auf Leitung 1420 noch die Flankeninformationen auf Leitung 1425 im dargestellten Ausführungsbeispiel verriegelt, d. h. zwischengespeichert sind, um eine Echtzeit- Schaltung zu ermöglichen. Bei einigen Ausführungsformen könnte eine solche Verriegelung jedoch Vorteile haben. Das Kontrollbit auf Leitung 1430 wird nach jeder Bildabtastung um geschaltet, damit der Prozessor feststellen kann, ob der Chip zur Gewährleistung ordnungs gemäßer Datenübertragung synchronisiert ist.

Die spezielle Eingabe, die für die Übertragung durch den Multiplexer 1415 gewählt wird, wird durch Kontrollleitungen 1460 von der Ablaufsteuereinheit 1400 bestimmt, die auch auf Leitung 1465 Richtungsinformationen an die bidirektionale Unterlage 1410 liefert, um festzustellen, ob Signale zur oder von der Unterlage 1410 gesendet werden. Stellt die Ab laufsteuereinheit 1400 eine Informationsanfrage an die Unterlage 1410, können die eingehen den Daten in einem D-Flipflop 1470 zwischengespeichert werden, wobei der Taktimpuls von der Ablaufsteuereinheit 1400 gesteuert wird. Die von der Flipflop-Schaltung 1470 ausgege benen Daten werden dann an die Ablaufsteuereinheit 1400, an einen Seriell-Parallel-Wandler 1475 und an eine Vielzahl von Testbildsimulationsschaltungen 1480 zu Diagnosezwecken übertragen. Die Signale, die vom Seriell-Parallel-Wandler 1475 an den Rest der Schaltung weitergegeben werden können, sind der Bezugswert und die Hysterese auf Leitung 1485, dis_sample auf Leitung 1490 und dis_idle auf Leitung 1495.

In Fig. 15 ist die Funktionsweise der Ablaufsteuereinheit 1400 in Form eines Zu standsdiagramms näher dargestellt. Wie in Fig. 14 zu erkennen ist, wird die Ablaufsteuerein heit durch zwei Eingaben gesteuert: eine vom 7-Bit-Zähler 1405, wenn der Zähler den Wert Null erreicht hat, und eine weitere von der bidirektionalen Unterlage 1410 via den D-Flipflop 1470. In der Zeichnung bedeutet "in", dass der zum Sensorchip gehörige Mikrocontroller eine logische Ebene auf der Datenunterlage 1410 erzwingen muss, während "out" bedeutet, dass die Schnittstellenlogik 1355 eine logische Ebene auf der Datenausgangsleitung "data out" des Multiplexers 1415 ansteuert. Jede Box des Zustandsdiagramms in Fig. 15 zeigt die Bezeich nung des Zustands und die ausgeführte Operation, wie z. B. Voreinstellung auf einen festge legten Wert oder Dekrementierung. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wechseln die Zustände gewöhnlich an der steigenden Taktimpulsflanke, und die Steuerungseingaben wer den an der fallenden Taktimpulsflanke zwischengespeichert. Im Wesentlichen bewegt sich die Ablaufsteuereinheit am Ende eines jeden Zyklus zu dem Zustand, dessen Bedingung erfüllt ist; werden für keinen der Zustände die entsprechenden Bedingungen erfüllt, tritt in dem ent sprechenden Zyklus kein Zustandswechsel ein. Ein solcher Zustand kann z. B. dann vorkom men, wenn die Ablaufsteuereinheit den Zähler zu einer Dekrementierung zwingt. Der Fach mann erkennt, dass in Fig. 15 auch die bei der Programmiersprache C verwendeten Konven tionen berücksichtigt wurden.

Der Betrieb beginnt mit dem Schritt RESET 1500, der gewöhnlich im Anschluss an einen Initialisierungsschritt eintritt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt ein Zurücksetzen gewöhnlich durch Anwenden einer festgelegten Anzahl von Taktimpulszyklen mit erzwungen hohem Wert für die "data"-Leitung. Alternativ kann eine Pull-Up-Anordnung implementiert werden und für die "data"-Leitung ein niedriger Wert erzwungen werden, um ein entsprechendes Ergebnis zu erhalten. Die maximale Zyklenzahl, die benötigt wird, um von einem unbekannten, zufälligen Anfangszustand einen bekannten Zustand bzw. "Reset"- Zustand zu erreichen, kann durch Prüfung von Fig. 13 und 14 abgeleitet werden. Bei der dar gestellten Ausführungsform beträgt die maximale Zyklenzahl bis zum Erreichen eines fest gelegten Zustands 143 Zyklen, wenn der Anfangszustand "wakeup" (aktivieren) ist. Der Ein fachheit halber können konservativ etwa 150 Zyklen benutzt werden. Alternativ kann das Zu rücksetzen auf eine herkömmlichere Weise erfolgen. Nach dem Schritt RESET (Zurückset zen) geht die Ablaufsteuereinheit in einen von sieben Selektorzuständen über, SELECTOR1-SELECTOR7 (gekennzeichnet mit den Nummern 1505-1535), damit der Mikrocontroller eine der durchzuführenden Operationen auswählen kann. Wird der mit 1505 gekennzeichnete Zustand SELECTOR1 ausgewählt, ist der darauffolgende Zustand SSAMPLE, gekennzeich net mit 1540. Der Zustand SSAMPLE ist der erste Zustand in der Verschiebungsmessschleife. In diesem Zustand werden die Daten "data" zusammen mit dem Wert für "check_bit" (Kon trollbit) gesteuert (siehe 1430 in Fig. 14). Ist der Wert für "dis_sample" auf Leitung 1490 (Fig. 14) zu niedrig, werden die Pixelströme aus der Pixelmatrix 1305 (Fig. 13) an der ab fallenden Flanke des Taktimpulses CK abgetastet, wie später noch näher beschrieben. Beim Verlassen des Zustands wird das Signal des Kontrollbits ("check_bit") auf Leitung 1430 (Fig. 14) umgeschaltet, und die Verschiebung wird im Parallel-Seriell-Register/Wandler 1425 zwischengespeichert. Die Verschiebungsdaten werden dann später herausgeschoben. Im Anschluss an den Zustand SSAMPLE geht die Ablaufsteuereinheit 1400 zum Zustand WAKEUP 1545 über, wo Aktivierungsdaten auf "data" gelegt werden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel tritt eine Reaktivierung ("wakeup") ein, wenn eine ausreichende X- bzw. Y-Bewegung erfolgt, um die im System programmierte Hysterese zu überschreiten. Dies lässt sich wie folgt darstellen: "Wake-Up" = ((X [3 : 0] UND Hysterese) ODER (Y[3 : 0] UND Hysterese) ≠ 0). Ist das Ergebnis eine Eins, also hoch, werden die Flanken in den Pixeln zwi schengespeichert, wenn "CK", d. h. der Taktimpuls, niedrig ist. Bei einem hohen Ergebnis geht die Ablaufsteuereinheit zum Zustand GETDISP 1550 über, bei einem niedrigen Ergebnis springt der Zustand zurück zum Zustand SELECTOR1 1505. Der Mikrocontroller kann die Ablaufsteuereinheit zwingen, zum Zustand GETDISP 1550 zurückzuspringen, indem er einen hohen "data"-Pegel erzwingt, doch in diesem Fall werden die Flanken in den Pixeln nicht zwischengespeichert. Die Ablaufsteuereinheit kehrt anschließend zum Zustand SELECTOR1 1505 zurück.

Wird der Zustand SELECTOR2 1510 gewählt, so ist der nächste Zustand RESETALL, der mit 1555 gekennzeichnet ist. Bei hohem "data"-Wert wird ein normaler, allgemeiner Rücksetzvorgang durchgeführt. Alle Testschieberegister (Fig. 13) und Schalter werden auf 0 zurückgesetzt, und der Hysteresereferenzpegel wird auf 'B11110 zurückgesetzt;

desgleichen werden die Abtastfunktion und der normale Ruhezustand aktiviert und der Wert für das Kontrollbit gelöscht. Bei hohem "data"-Wert wird jedoch keine Operation ausgeführt. Die Ablaufsteuereinheit zum nächsten Zustand, GETID, gekennzeichnet mit 1560, über und legt serienweise Identifikationsbits auf "data", wobei mit dem wichtigsten Bit begonnen wird, z. B. 'B000011010001. Anschließend kehrt die Ablaufsteuereinheit zum Zustand RESET 1500 zurück.

Wird der Zustand SELECTOR4 gewählt und der "data"-Wert ist hoch, so geht die Ablaufsteuereinheit zum Zustand FORCESHIFT, gekennzeichnet mit 1565, über. Ist, der "data"-Wert hoch, werden die Flanken während der niedrigen Phase des Taktimpulses "CK" in den Pixeln zwischengespeichert, und die aktuellen Flanken ersetzen die alten Flanken. An schließend geht die Ablaufsteuereinheit zum Zustand NOTFORCESLEEP über, gekenn zeichnet mit 1570, in dem der Chip sich während der niedrigen Phase des Taktimpulses "CK" im Ruhezustand befindet, wenn der "data"-Wert niedrig ist. Im nächsten Zyklus geht die Ab laufsteuereinheit zum Zustand SETREFSW über, gekennzeichnet mit 1575. In diesem Zu stand können die Werte für die verschiedenen Schalter und Referenzpegel (bzw. die Hystere sewerte) definiert werden. Der Priorität nach wird zuerst dis_sample eingestellt; ist dieser Wert hoch, wird im Zustand "SSAMPLE" kein Bild abgetastet und die Flanken für das aktu elle Abbild werden "eingefroren". Der Sensorchip befindet sich daher in einem Modus mit. hohem Leistungsverbrauch. Als zweites wird dis_idle eingestellt, ist jedoch nur relevant, wenn dis_sample niedrig ist. Ist dis_sample niedrig und dis_idle ebenfalls, werden die Flanken für das aktuelle Bild nur in der niedrigen Phase des Taktimpulses "CK" im Zustand "SSAMPLE", im Zustand "WAKEUP" und in der ersten hohen Phase des Taktimpulses "CK" im Zustand "GETDISP" bzw. "SELECTOR1" gespeichert. Ist das Bit für dis_idle niedrig, werden die Flanken überall, außer in der hohen Phase des Taktimpulses "CK" im Zustand "SSAMPLE", gespeichert. Der Fachmann erkennt, dass unnötig Leistung verbraucht, wird, wenn dieses Bit aktiviert ist. Für die hier dargestellte Ausführungsform wird der Refe renzpegel bzw. die Hysterese durch vier Bits eingestellt, beginnend mit dem höchstwertigen Bit. Erreicht der Zähler 1405 Null, so kehrt die Ablaufsteuereinheit wieder zum Zustand RESET 1500 zurück (Fig. 14).

Wäre der "data"-Wert im Zustand SELECTOR4 niedrig bzw. "ldata", so ginge die Ablaufsteuereinheit anschließend zum Zustand GETIMAG über, gekennzeichnet durch 1580. In diesem Zustand wird ein Bildscan durchgeführt, indem die einzelnen Pixelströme nachein ander mit einem Referenzstrom verglichen werden. Auf nähere Einzelheiten zu dieser Opera tion, die bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform weiter oben beschrieben wurde, wird an späterer Stelle noch einmal ausführlich eingegangen. Wenn der Bildscan ab geschlossen ist, kehrt die Ablaufsteuereinheit zum Zustand RESET 1500 zurück, nachdem der Zähler 1405 auf Null übergegangen ist (Fig. 14).

Wird der Zustand SELECTOR5 gewählt, so geht die Ablaufsteuereinheit zum Zustand SETTEST über, gekennzeichnet mit 1585. Der Zustand SETTEST dient zur Überprüfung der Funktion der Pixelmatrix 1305. Die Ablaufsteuereinheit verbleibt für genau so viele Taktzy klen in diesem Zustand, wie benötigt werden, um alle Pixelspalten und -reihen zu durchlau fen; bei einer Matrix von 11 mal 11 verbleibt die Ablaufsteuereinheit also für 22 Taktzyklen im Zustand SETTEST. Die Bits auf "data" werden abgetastet und in den Testschieberegistern verschoben, um ein künstliches Bild zu erzeugen, mit Hilfe dessen die ordnungsgemäße Funktionsweise des Systems überprüft werden kann. Anschließend geht die Ablaufsteuereiri heit zum Zustand RESET 1500 über, nachdem der Zähler 1405 auf Null übergegangen ist.

Wird der Zustand SELECTOR6 gewählt, so geht die Ablaufsteuereinheit zum Zustand SCANCOLOR über, gekennzeichnet durch 1590. In diesem Zustand werden die Farbinfor mationen auf analog zur Funktionsweise des Systems im Zustand GETIMAG 1580 abgetastet. Geht der Zähler 1405 auf Null über, würde die Ablaufsteuereinheit anschließend zum Zustand RESET übergehen. Wird der Zustand SELECTOR7 gewählt und ist der "data"-Wert hoch, so geht die Ablaufsteuereinheit entsprechend zum Zustand SCANEDGEX über, gekennzeichnet durch 1595A, in dem die "Flanke X"-Informationen abgetastet werden. Alternativ würde die Ablaufsteuereinheit im Falle von "ldata" in den Zustand SCANEDGEY übergehen, gekenn zeichnet durch 1595B, in dem die "Flanke Y"-Informationen abgetastet werden. Die Ablauf folge des restlichen Systems während der Zustände SCANEDGEX und SCANEDGEY ist identisch mit der des Zustands GETIMAG 1580. Im Anschluss an alle diese Zustände kehrt die Ablaufsteuereinheit zum Zustand RESET 1500 zurück, wenn der Zähler 1405 auf Null geht (Fig. 14).

Nachfolgend wird das auf den Datenleitungen "data" der bidirektionalen Unterlage 1410 angesteuerte Signal, wenn sich der in Fig. 13 dargestellte Sensor im Ausgabemodus befindet, in tabellarischer Form dargestellt:

Es ist außerdem erforderlich, dass Schleifen in allen unbenutzten Zuständen der Ablaufsteuer einheit vermieden werden. Die Zustandsattribute werden in der folgenden Tabelle dargestellt:

Zustandswerte ohne Zustandsbezeichnung werden nicht verwendet; darüber hinaus wurde die Ablaufsteuereinheit im dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgelegt, dass er beim Eintreten in einen der unbenutzten Zustände nach nur einem Taktimpuls einen Rück setzvorgang durchführt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 16 lässt sich der Aufbau und die F 29678 00070 552 001000280000000200012000285912956700040 0002010132645 00004 29559unktion der Pixelmatrix 1305 (Fig. 13) besser verstehen. Wie bereits erwähnt, wurde für das zweite Ausführungsbei spiel eine Pixelmatrix von 11 mal 11 Pixeln verwendet. Folglich existieren 121 Pixel, die in vier Typen aufgeteilt werden: P-Pixel, d. h. standardmäßige Pixel mit Photodiode, Verstärker, Stromkomparator und digitalem Speicher zum Speichern der Flankeninformationen; D-Pixel, d. h. Pixel mit Diode und Verstärker; E-Pixel, d. h. leere Pixel sowie T-Pixel, d. h. Testpixel, die wie P-Pixel oder D-Pixel vorgespannt sind, deren Ausgabe jedoch anstatt an die Schaltung zur Verschiebungsberechnung an Testunterlagen weitergeleitet wird. Die P-Pixel liefern die gewöhnlichen Bilddaten, die von der restlichen Sensoreinheit benutzt werden. D-Pixel dienen zur Definition von Grenzzuständen und zur Weiterleitung des Beleuchtungsstroms an die be nachbarten Pixel. Die E-Sensoren führen das Signal-Routing durch. Auf die T-Pixel kann von außen zugegriffen werden; sie dienen ausschließlich zu Testzwecken. Die Pixelanordnung in Fig. 16 zeigt, dass die P-Pixel vorwiegend in der Sensormitte und die D-Pixel vorwiegend auf einer Linie um die P-Pixel herum liegen. Bei jedem Scanvorgang wird eine Reihe der Matrix nach der anderen durch Inkrementierung des Spaltenindexes abgetastet. Dies lässt sich wie folgt darstellen:

(Reihe#0, Spalte#0), (Reihe #0, Spalte #1, (Reihe #0, Spalte #2) . . . (Reihe #0, Spalte #10),
(Reihe #1, Spalte #0) . . . (Reihe #10, Spalte #10).

Es lässt sich erkennen, dass in dem in Fig. 16 dargestellten Beispiel einer Pixelanord nung die rechte untere Ecke willkürlich als Ausgangspunkt definiert wurde.

Bei den verschiedenen Scanvorgängen an der Pixelmatrix 1305 werden aufgrund der verschiedenen Pixeltypen verschiedene Informationen erhalten. In der nachfolgenden Tabelle sind die verschiedenen Arten von Informationen aufgeführt, die durch die verschiedenen Scanvorgänge von diesen jeweiligen Pixeltypen geliefert werden; der jeweilige Zustand der Ablaufsteuereinheit ist in Klammern angegeben:

Im dargestellten Ausführungsbeispiel darf der Wert für den Referenzstrom I_ref nicht gleich Null sein, damit keine neutralen (potentialfreien) Verknüpfungspunkte auftreten. Der Referenzstrom I_ref kann über den Referenzpegel oder die Hysterese eingestellt werden, wie weiter oben im Zusammenhang mit der Beschreibung der Ablaufsteuereinheit 1400 beschrie ben.

Die mit einem Sternchen (*) versehenen Tabelleneinträge gelten nur dann, wenn über die Testunterlagen kein Strom angelegt wird. Zu Testzwecken kann die Schnittstelle 1355 (Fig. 13) in einen speziellen Modus versetzt werden, um ein künstliches Bild zu erzeugen. Das künstliche Bild wird mit pseudoaktiven Pixeln des Typs D und T hergestellt, indem an der Überkreuzung zweier senkrechter aktiver Zeilen zwei Testwörter, eines für Zeilen und eines für Spalten, eingegeben werden. Das künstliche Bild kann durch einen "data High"- Vorgang im Zustand RESETALL 1555 wieder gelöscht werden.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Sensors besteht hauptsächlich darin, Kanten zu erkennen und die Veränderungen dieser Kanten im Ablauf der Zeit aufzuzeichnen. Wie be reits erwähnt, wird "Kante" als die Differenz zwischen der Intensität eines schwarzen Pixels und der des daneben liegenden weißen Pixels definiert. Die Differenz zwischen den Intensi täten wird erfindungsgemäß gewöhnlich (aber nicht zwingend) als eine Differenz der Strom stärken wahrgenommen. Bei der Optik und der Rollkugel des Ausführungsbeispiels liegt das Verhältnis zwischen den Strömen, die den schwarzen und weißen Punkten entsprechenden, gewöhnlich zwischen 3 und 4 - auf jeden Fall aber über 2 - sowohl in der x- als auch in der y- Richtung, doch bei einigen Ausführungsformen können auch geringere Differenzen akzepta bel sein. Für die Zwecke der Erklärung dieser Ausführungsform wird eine Kante als zwischen zwei Photodetektoren befindlich definiert, falls das Verhältnis der Intensitäten der beiden be nachbarten Photodetektoren größer als 2 ist. Bei Verwendung eines Differentialverfahrens, wie weiter oben kurz als Alternative zu der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform erwähnt, können die Kanten unabhängig von der absoluten Lichtintensität erkannt werden. Die Diffe renzabtastung ist außerdem weniger empfindlich gegenüber Gradienten, die durch die Be leuchtungsbedingungen oder die Krümmung der Rollkugel verursacht werden, solange der Lichtintensitätsabfall zwischen zwei Pixeln bei einer Kugeloberfläche mit gleichmäßiger Far be kein Verhältnis von mehr als 2 hat.

Der Differentialsensor in Fig. 17A ist ein Verfahren zur Erkennung der Kanten der rollenden Kugel und kann in Verbindung mit Fig. 17B betrachtet werden. Fig. 17B zeigt eine Vielzahl von P-Pixeln und zwei aufeinander folgende Bilder I_t und I_t-1 zu den Zeitpunk ten t und t-1, wobei die schwarzen Pixel niedrige und die weißen Pixel hohe Lichtpegel dar stellen, während die gemischten Pixel Pixel darstellen, die eine Intensitätsänderung erkennen. Das Licht wird von der Kugel reflektiert und von einer Photodiode 1700 empfangen, wo die Aufladung proportional zum auftreffenden Licht akkumuliert wird, während die Leuchtdioden 730 (die gewöhnlich gepulst sind) eingeschaltet sind (siehe Fig. 7A). Der Strom wird an ei nen Verstärker 1705 übertragen. Im Verstärker 1705 wird der Strom so weit verstärkt, dass ein Strom I_out ausgegeben wird, der einen Vergleich mit den benachbarten Pixeln rechts und oben in einem festgelegten Zeitraum (z. B. 50 µs) erlaubt. Jedes Pixel sendet seinen Strom auch an die benachbarten Pixel unten und links, wie weiter oben im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert (siehe auch die graphischen Darstellungen in Fig. 17, 1710A-B, 1715, 1720, 1725, 1730, 1735, 1740 und 1745). Die Ausgangssignale der verschiedenen Differenzphasen 1710, 1745 können anschließend mit Stromkomparatoren 1750A-1750D verglichen werden, und die Ergebnisse dieser Vergleiche können in den Sperrschaltungen 1760A-1760C zwischengespei chert werden, nachdem sie durch eine Kombinationslogik 1765-1775 aufbereitet wurden und das Speichersignal nshift aktiviert wurde. Anschließend können Vergleiche durchgeführt werden, während die Leuchtdiode ausgeschaltet ist, wobei in den Zwischenspeichern Werte gespeichert sind, die Werte für Kanten auf der X-Achse (E_X), Kanten auf der Y-Achse (E_Y) und die Farbe des Pixels (C und dessen Komplement NC) repräsentieren, wie im vorherge henden Zustand vorlagen. Die gespeicherten Daten des vorhergehenden Zustands können als oE_X, o E_Y und oC dargestellt werden.

Für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel wurden verschiedene Annahmen bezüg lich der Signalströme gemacht. Als erstes wurde weiter oben angenommen, dass für eine ge naue Kantenerkennung das Verhältnis zwischen den Strömen eines schwarzen und eines wei ßen Flecks mindestens 2 betragen sollte; deshalb wurde für den Stromkomparator arbiträr der Wert 2 gewählt, obwohl auch ein höherer bzw. ein niedrigerer Wert funktionieren würde. Zweitens wurde für das Ausführungsbeispiel angenommen dass die Nichtübereinstimmung zwischen zwei benachbarten Photodioden weniger als 20% beträgt, obwohl gezeigt wurde, dass die Schaltung mindestens bis zu einem Verhältnis von 1,7 : 1 akzeptable Ergebnisse lie fert.

Es wird eine Kante festgestellt, wenn der Strom im geprüften Pixel entweder das Dop pelte oder die Hälfte des Stroms im benachbarten Pixel beträgt. Die Farbe des Pixels wird außerdem als "hoch" bzw. "weiß" definiert, wenn der Strom im Pixel entweder das Doppelte des Stroms in der rechts benachbarten Zelle oder das Doppelte des Stroms in der oben be nachbarten Zelle beträgt. Der Fachmann erkennt aufgrund der hierin dargelegten Lehren, dass ein solches Paradigma die Farbe eines geprüften Pixels nur dann feststellt, wenn es eine Kante an seiner rechten oder oberen Seite aufweist, und dass nur weiße Pixel geprüft werden. Es wird als offensichtlich angesehen, dass die Erfindung die Ausweitung der Erkennung auf den Vergleich mit anderen ausgewählten Pixeln und die Prüfung von schwarzen Flecken umfasst, und eine ausführliche Diskussion solcher zusätzlicher Merkmale wird in dieser Offenbarung nicht für nötig gehalten.

Die in Fig. 17 dargestellte Pixelschaltung weist das zusätzliche Merkmal auf, dass eine Testschaltung in den Sensor integriert ist. Es gibt eine Test-Stromquelle I_test (1785), die ein Referenzsignal parallel zum Ladungsverstärker 1705 liefert. Dadurch kann auf der Wafer- Testebene ein Bild durch die Schaltung eingespeist werden, wodurch die für die Prüfung jedes Wafers erforderlich Zeit reduziert wird. Wie bereits erwähnt, kann außerdem mit Hilfe eines Abtastverfahrens der Wert des analogen Ausgangsstroms am Ladungsverstärker mit einem programmierbaren Referenzstrom verglichen werden. Wie bereits angegeben, kann der Refe renzstrom I_ref durch ein vier Bit umfassendes digitales Wort zur Steuerung der Hysterese ein gestellt werden. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist I_ref gleich Null, wenn alle vier Bits des Hystereseworts Nullen sind; sind alle vier Bits Einsen, beträgt der Referenzstrom I_ref ca. 500 nA, was im Wesentlichen der Reaktion des Stromverstärkers auf einem Stoß weißen Lichts während einer geeigneten Zeitdauer entspricht.

Unter Bezugnahme auf Fig. 18 lässt sich die erfindungsgemäße bidirektionale Unter- Lage besser verstehen. Ein DATA OUT-Signal auf Leitung 1900 wird mit einem DIR-Signal auf Leitung 1905 in einem NOR-Gate 1910 kombiniert. Der Ausgang des NOR-Gates 1910 liefert ein nicht-invertierendes Gate an einen Transistor 1915 und ein invertierendes Gate an einen Transistor 1920. Zwischen die Quelle und Drain der Transistoren 1915 und 1920 ist ein Pull-down-Widerstand 1925 von 10-20 KΩ geschaltet. Über die Quelle und den Drain des Transistors 1915 wird eine Diode 1930 geshuntet, und der Drain ist an Masse gelegt. Die Ausgabe der Transistor/Pull-up-Widerstand-Stufe wird an der Verbindung 1935 zwischen dem Drain des Transistors 1920 und einem Ende des Widerstands 1925 gemessen. Eine zweite Diode 1940A ist zwischen die Masse und die Verbindung 1935 und 1940 geschaltet, und eine dritte Diode 1940B ist zwischen die Spannungsversorgung und die Verbindung 1935 geschaltet. Zwei Verteilerwiderstände 1945A-B werden in Reihe zwischen die Ausgangsun terlage 1950 des Sensors und die Verbindung 1935 geschaltet. Zwei Dioden 1955A-B sind gemeinsam an die Verbindung zwischen der Unterlage 1950 und dem Widerstand 1945B ge schaltet, und die anderen Anschlüsse der Dioden sind an Masse bzw. die Spannungsversor gung gelegt. Schließlich wird über zwei Pufferinverter 1960 eine Dateneingabe von der Un terlage 1950 (bzw. extern zum Sensor) an die restliche Schnittstellenlogik 1355 an der Ver bindung der beiden Widerstände 1945A-B übernommen.

Die in Fig. 18 dargestellte Anordnung unterstützt die bidirektionale Kommunikation zwischen dem erfindungsgemäßen Sensor und der Außenwelt und ist deshalb sehr wichtig, weil sie eine Reduzierung der Stiftzahl ermöglicht. In dem hier beschriebenen Ausführungs beispiel, insbesondere wie in Fig. 7A dargestellt, weist der Sensor nur vier Pins auf, wodurch die Anbringung etc. erleichtert wird.

Um das Ziel der Bidirektionalität zu erreichen, schaltet der Pull-down-Widerstand 1925 zu geeigneten Zeiten zwischen dem Eingabe- und dem Ausgabezustand hin und her. Die Unterlage 1410 (Fig. 14) wird so gesteuert, dass eine Verbindung zum Pull-down- Widerstand 1925 besteht, wenn sich die Unterlage im Eingabemodus befindet - dies ist der Fall, wenn das Richtungssignal DIR auf Leitung 1905 niedrig ist. Befindet sich die Unterlage im Ausgabemodus, wird die Verbindung zum Widerstand 1925 jedoch getrennt, da das Rich tungssignal DIR hoch ist. Der Fachmann erkennt, dass der Zustand des DIR-Signals wichtig ist, wenn das Datenausgabesignal auf Leitung 1915 hoch sein soll. Der Zustand des DIR- Signals ist jedoch irrelevant, wenn das Signal auf Leitung 1915 niedrig sein soll. Der Fach mann versteht, dass die durch die Kapazität der Unterlage bedingte Verzögerung berücksich tigt werden muss, um akzeptable Ansprechzeiten zu erreichen; bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Kapazität der Unterlage ca. 20 pf.

In Fig. 19A und 19B werden die verschiedenen Betriebszustände des Systems in Form von Ablaufdiagrammen dargestellt. Fig. 19A veranschaulicht den Hauptregelkreis zum Messen der Verschiebungen, während Fig. 19B die Flipflop-Speicherung eines neuen Bildes und die Aktivierung des Ruhezustands beschreibt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 20A-E ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung besser verständlich. Fig. 20A-E zeigen den Trackball in einer in Einzelteile aufgelösten Dar stellung, als Draufsicht, als Vorderaufriss, Rückaufriss und Seitenaufriss, wobei die entspre chenden Elemente wie in den Ausführungsformen in Fig. 7A ff. dieselben Bezugsnummern aufweisen. Diese Ausführungsform, bei der es sich ebenfalls um einen Trackball handelt, der jedoch als externes Zusatzgerät ausgeführt ist, statt in den Rest eines Systems wie z. B. einen Laptop-Computer oder ein anderes Steuergerät integriert zu werden, umfasst ein Obergehäuse 2005 und ein Untergehäuse 2010, die in der Explosionsdarstellung in Fig. 20A am besten zu erkennen sind. Das Obergehäuse 2005 weist eine schräge Öffnung 2015 auf, durch welche eine Kugel wie z. B. die Kugel 710 eingesetzt werden kann. Zum einfacheren Einsetzen und Entfernen der Kugel kann ein Haltering 2017 vorhanden sein. Eine Vielzahl von Tasten und Schaltern 2020A-C zur Eingabe von Befehlen für das Zeigegerät kann vorhanden sein.

Im Inneren der Gehäuse 2005 und 2010 befindet sich ein Kugelkäfig 2050 (siehe Fig. 21A-D) zur Aufnahme der Rollkugel 710. Der Kugelkäfig ist mit zwei Klemmen 2052A-B und zwei Fixierstiften 2052C-D, die durch die entsprechenden Schlitze bzw. Löcher in der PC-Platine 2051 gesteckt werden, an der PC-Platine 2051 befestigt. Die Linse 745 wird mit einer Metallklemme 2053 in Position gehalten, die von der Unterseite der PC-Platine 2051 aus durch zwei Schlitze in der Platine geführt und an zwei Ösen 2054 am Kugelkäfig befestigt wird. Die Kugel liegt auf drei Lagern 2055, die jeweils innerhalb einer der drei Stützen 2060A, 2060B und 2060C angeordnet sind. Im Gegensatz zu anderen bekannten Stützvor richtungen, bei denen die Lager meist in horizontal angeordnet sind, ist die Stütze 2060C hier kürzer als die Stützen 2060A und 2060B, so dass die Lager auf einer Ebene mit einer Neigung von ca. 30 Grad angeordnet sind. In Verbindung mit dem Obergehäuse 2005 bewirkt diese schräge Kugelaufnahme, dass die Kugel durch die schräge Aperturöffnung 2015 herausragt, wodurch eine bessere, ergonomische Positionierung des Daumens im Verhältnis zur restli chen Hand ermöglicht wird, bei der die Finger und der Daumen sich während der Trackball bedienung in einer weitgehend neutralen Haltung befinden. Außerdem können zwei genaue Stützvorrichtungen hinzugefügt werden, um die Steifigkeit der Basisplatte zu erhöhen und eventuell den Aufschlag etwas zu dämpfen, wenn das Gerät einmal herunterfallen sollte. Durch eine Öffnung 2070 kann die Kugel von der gleichen Optik und Elektronik wie bei der in Fig. 7A dargestellten Ausführungsform beleuchtet und betrachtet werden. Der Sensor 735 wird mit zwei weiteren Klemmen 2056 in Position gehalten, die gewöhnlich als ein Teil des Kugelkäfigs 2050 ausgestaltet sind.

Unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 21C und 21D kann die Funktionsweise der Optik besser verstanden werden. Fig. 21C zeigt einen Rückaufriss des Kugelkäfigs 2050 in, während Fig. 21D einen Teil des Kugelkäfigs 2050 im Verhältnis zu einer Kugel wie z. B. der Kugel 710 zeigt. Im optischen Weg zwischen der Kugel 710 und dem Sensor 735 befindet sich ein Messfenster 2075, wobei die Linse 745 wie die Linse in der dritten Ausführungsform einen gefächerten Lichtweg erzeugt. In Fig. 21B ist zu sehen, dass die Position des Sensors 735 durch einen Befestigungsvorsprung 2080 markiert wird, und dass zwei zylindrische Öff nungen 2085A-B zur Aufnahme von zwei Leuchtdioden (z. B. die Leuchtdioden in Fig. 7A) vorhanden sind, mit denen die Kugel 710 durch die Öffnungen 2090A und 2090B angeleuch tet wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 22 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung zu erkennen. Die Ausführungsform in Fig. 22 ist von besonderem Interesse, da sie keine getüp felte Kugel oder ein anderes getüpfeltes Muster verwendet, ansonsten aber nach dem gleichen Prinzip wie die anderen in dieser Druckschrift vorgestellten Ausführungsformen funktioniert. Im Einzelnen weist ein Gehäuse 2200 eine Öffnung 2205 auf, in die ein Fenster 2210 einge setzt werden kann, obwohl das Fenster in allen Ausführungsformen weder notwendig noch bevorzugt ist. Innerhalb des Gehäuses 2200 befindet sich außerdem ein Prisma 2215 in einer Position, die optisch auf das Fenster 2210 optisch ausgerichtet ist. In einem Ausführungsbei spiel ist das Prisma 2215 ein rechtwinkliges Prisma, dessen Hypotenusenseite parallel zum Fenster 2210 (bzw. als Ersatz für das Fenster) ausgerichtet ist. Eine oder mehrere Leucht dioden sind in Reihe mit einer der rechtwinkligen Seiten ausgerichtet, damit das gesamte von den Leuchtdioden emittierte Licht von der Innenseite der Hypotenuse zum Prisma 2215 re flektiert wird, gesetzt den Fall, dass keine Interferenzen vorhanden sind. Eine Linse 2220, die eine Bikonvexlinse sein kann, ist optisch mit den Leuchtdioden ausgerichtet, jedoch auf der anderen rechtwinkligen Seite des Prismas 2215. Das Prisma kann einen beliebigen geeigneten Winkel haben, der eine innere Totalreflexion verursacht; das heißt, der Einfallswinkel des Lichts ist größer als arcsin(1/n), wobei "n" die Brechungszahl des Prismenmaterials darstellt. In dem Ausführungsbeispiel, bei dem das Prisma aus PMMA bestehen kann, beträgt dieser Winkel ca. 42 Grad von der Senkrechten aus. Das Fenster 2210 kann als Filter für sichtbares Licht dienen und bietet außerdem eine kratzfestere Oberfläche als das Prisma 2215; zumin dest in einigen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, das Fenster direkt am Prisma anzubrin gen.

Auf der dem Prisma 2215 gegenüberliegenden Seite der Linse 2220 und optisch mit diesem ausgerichtet befindet sich ein Sensor wie z. B. der Sensor 735. Während der Bedie nung des Trackballs kann ein Finger (nicht abgebildet) auf das Fenster 2210 gelegt und dar über bewegt werden. Ohne Finger tritt das Licht von der Leuchtdiode in das Prisma ein und trifft in einem Winkel von mehr als 42 Grad zur Senkrechten auf die obere Prismenfläche, so dass eine innere Totalreflexion verursacht wird. Liegt ein Finger auf dem Fenster, so berühren die Rillen des Fingerabdrucks die Glasfläche, wodurch die Totalreflexion in den Kontaktbe reichen unterdrückt wird. Wenn die Brennweite der Linse 2220 und die Länge des optischen Lichtweges zwischen dem Fenster 2210 und dem Sensor 735 richtig eingestellt werden, kann auf dem Sensor 735 ein Abbild des Fingerabdrucks mit seinen Rillen und Quirlformen entste hen. Auf diese Weise wird durch die Bewegung der hellen und dunklen Flächen des Finger abdrucks über das Fenster 2210 die gleiche Kantenbewegung über den Pixeln des Sensors 735 erzielt wie bei einer Bewegung der Rollkugel 710, so dass die Cursorbewegung allein durch eine Fingerbewegung gesteuert werden kann. Der Fachmann erkennt, dass der in Fig. 22 dar gestellte lineare Lichtweg durch Verwendung eines komplizierteren Prismas, welches den Lichtweg auffächert, kompakter gestaltet werden kann. Zumindest in einigen Ausführungs formen kann eine Linse integral mit dem Prisma geformt werden, um das Bild auf dem Sensor zu fokussieren, und eine der rechtwinkligen Prismenoberflächen könnte selbst als das Fenster dienen, auf das der Finger gelegt wird. In anderen Ausführungsformen kann die Linse über flüssig gemacht werden, indem der Finger einfach auf die Hypotenuse eines rechtwinkligen Prismas gelegt wird, so dass eine Lichtquelle auf einer der rechtwinkligen Seiten den Finger anleuchten kann, wobei das reflektierte Licht wiederum einen Sensor vom oben beschriebe nen Typ anleuchtet. Das resultierende Abbild ist bei allen diesen Ausführungsformen das Er gebnis einer vereitelten inneren Totalreflexion, wobei die Totalreflexion des einfallenden Lichts durch die Anwesenheit der hellen und dunklen Stellen auf dem Finger verhindert wird.

Das Ablesen der Fingerabdruckrillen stellt nicht nur eine elegante und einfache Lö sung für die Cursorsteuerung dar, sondern kann auch zum Erkennen der Schaltaktivität einge setzt werden. Wird der mit dem Finger auf das Fenster oder Prisma ausgeübte Druck erhöht, so steigt der Prozentsatz der dunklen Bereiche. Mittels einer Schwellenwertschaltung kann eine "Schaltaktivität" anhand der Zunahme der dunklen Bereiche über den Schwellenwert hinaus festgestellt werden. Die Ausführungsform in Fig. 22 stellt außerdem ein wirksames und effizientes Verfahren zur Identifikation von Fingerabdrücken dar, wenn sie mit geeigneter Elektronik zum Speichern und Vergleichen der Fingerabdrücke kombiniert wird. Der Fach mann erkennt aufgrund der hier dargestellten Lehre, dass es noch zahlreiche weitere Alterna tiven gibt.

Durch Anwendung einer ähnlichen Bildgebungstechnik kann auch eine optische Maus entwickelt werden, für die keine Rollkugel erforderlich ist. Ein Muster, z. B. auf einem Tisch oder eine andere geeignete Musterung mit einer ausreichenden Anzahl von dunklen und hel len Bereichen ausreichender Größe, kann auf ungefähr die gleiche Weise wie ein Fingerab druck erkannt werden, obwohl die speziellen Bauelemente des verwendeten Geräts ein biss chen anders sind. Fig. 23A-B zeigt eine optische Maus, welche die gleichen Funktionsprinzi pien verwendet, die im Zusammenhang mit der weiter oben beschriebenen zweiten und drit ten Ausführungsform diskutiert wurden. In Fig. 23 sind das Ober- und das Untergehäuse der Deutlichkeit halber nicht dargestellt, doch passende Gehäuse sind auf dem Fachgebiet allge mein gut bekannt; siehe z. B. Fig. 2 in der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 672.090, eingereicht am 19. März 1991, mittlerweile fallen gelassen und auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen und von der die relevanten Teile durch Literaturhinweis in diese Anmeldung eingefügt sind. Wie vorher, sind dieselben Bauelemente mit denselben Nummern gekennzeichnet. Im Einzelnen umfasst eine Optikeinheit 2290 ein Optikgehäuse 2300, das zwei schräge Bohrungen 2310A-B zur Aufnahme jeweils einer Leuchtdiode 730 aufweist. Eine obere zentrale Bohrung 2320 führt von der Oberseite des Optikgehäuses 2300 teilweise durch dieses hindurch, bis sie mit einer unteren zentralen Bohrung 2330 in Verbin dung steht. Die untere zentrale Bohrung führt durch die Unterseite des Optikgehäuses 2300, doch ihr Durchmesser ist geringer als der der oberen Bohrung 2320, so dass die untere zen trale Bohrung zwischen die schrägen Bohrungen 2310A-B passt, und ist gewöhnlich symme trisch zwischen diesen angeordnet. Zweck der zentralen Bohrung 2360 ist es, eine Blende darzustellen und den Sensor vor Nebenlicht zu schützen. Eine Platte oder ein Fenster ist mit einem beliebigen geeigneten Mittel an der Unterseite des Gehäuses 2300 angebracht. Diese Platte 2340 ist transparent für die von den Leuchtdioden 730 emittierte Lichtfrequenz und kann aus einem beliebigen transparenten Material, das außerdem kratzfest ist, wie z. B. Pla stik oder Glas bestehen.

Die Linse 745 wird in die obere zentrale Bohrung 2320 eingesetzt, die typischerweise so bemessen ist, dass die Linse 745 mittig über der unteren zentralen Bohrung 2330 positio niert ist. Eine Aperturplatte 2350, die gewöhnlich im Wesentlichen den gleichen Außen durchmesser wie die obere zentrale Bohrung 2320 aufweist, wird in die untere zentrale Boh rung 2320 eingesetzt, um die Linse 745 unverschiebbar zu positionieren. Die Aperturplatte 2350 weist außerdem eine zentrale Bohrung 2360 auf, die das Licht, das durch die Linse 745 passiert, an den Sensor 735 weiterleitet, der sich oberhalb der Aperturplatte 2350 befindet. Die zentrale Bohrung 2360 kann auch konisch geformt sein, mit dem schmaleren Teil am un teren Ende. Die relative Position von Sensor 735, Aperturplatte 2350 und Linse 745 wird durch einen Haltering 2370 aufrechterhalten, der mit einem geeigneten Mittel wie Klemmen oder Schrauben oben am Optikgehäuses 2300 befestigt ist.

Die zusammengebaute Einheit 2290 wird so zwischen dem Ober- und Untergehäuse einer Maus positioniert, dass sich die Platte bzw. das Fenster 2340 oberhalb eines getüpfelten Musters, das dieselben Kriterien wie das auf der Rollkugel 710 erfüllt, befindet, doch in die sem Fall befindet sich das Muster auf einer Unterlage, einer Tischfläche oder einer anderen geeigneten, im Wesentlichen ebenen Fläche. Ein Teil eines geeigneten Untergehäuses ist bei 2380 zu sehen. Wenn die Maus über das Muster bewegt wird, wird das Licht von den Leucht dioden 730 durch die Platte 2340 auf das Muster geleitet, von wo aus es wiederum durch die Platte 2340 und durch die untere zentrale Bohrung 2330 nach oben und schließlich durch die Linse 745 geleitet wird. Die Linse erzeugt dann auf die weiter oben beschriebene Weise ein Abbild des Musters auf dem Sensor 735, so dass die Bewegung anhand der Veränderungen der Kantenpositionen im Muster festgestellt werden kann. Das hier dargestellte Ausführungs beispiel weist zwei Leuchtdioden auf, doch in mindestens einigen Ausführungsformen wird nur eine einzelne Leuchtdiode benötigt.

Obwohl die vorstehend beschriebene Auslegung ein einfaches und elegantes Design für eine Maus darstellt, die Bewegungen erkennen kann, wird typischerweise ein Muster mit Flecken benötigt, die den weiter oben beschriebenen Kriterien entsprechen. Durch Abände rung der optischen Bauelemente derart, dass sie kleine Musterelemente auflösen können, kann jedoch auch ein Zeigegerät bereitgestellt werden, das Bewegung über einen Gegenstand wie z. B. normales Papier erkennt, wobei die Webart des Papiers das erkannte Muster liefert.

Nach dieser ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung und verschiedener Alternativen erkennt der Fachmann aufgrund der Lehre in dieser Druckschrift, dass zahlreiche Alternativen und Äquivalente existieren, die nicht von dieser Erfindung abweichen. Die Erfindung soll deshalb nicht durch die vorstehende Beschreibung beschränkt werden, sondern nur durch die beigefügten Patentansprüche.

Claims

1. Kugel zur Verwendung in einem Zeigegerät, beleuchtet von einer Lichtquelle zur Ausgabe von Lichtsignalen mit einer ersten Wellenlänge, und ein Sensor, die Kugel be stehend aus:
einer Innenschicht mit einer Oberfläche, die Lichtsignale streuen kann; und
einer Außenschicht mit einer im Wesentlichen glatten Oberfläche, die Innenschicht umgebend, die Außenschicht transparent für die Lichtsignale;
dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht die Lichtsignale mit verschiedenen Intensitäten je nach einer Beleuchtungsposition auf der Innenschicht streut, wobei die besagte Beleuchtungsposition eine Position der Innenschicht ist, die von den Lichtsignalen beleuchtet wird.

2. Kugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht un durchlässig für sichtbares Licht ist.

3. Kugel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Innenschicht eine Textur aufweist, die die Lichtsignale mit verschiedenen Intensitäten streut.

4. Kugel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Textur eine Vertie fung, eine Linie und eine Erhöhung aufweist.

5. Kugel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht und die Außenschicht verschiedene Reflexionseigenschaften aufweisen.

6. Kugel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht eine Textur aufweist, die von einem Sensor erkannt werden kann.

7. Kugel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Textur nachvollzogen werden kann.

8. Kugel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht ein aufgedrucktes Muster aufweist.

9. Kugel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht Partikel enthält, deren Reflexionseigenschaften sich von denen der Innenschicht unterscheiden.

10. Kugel nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter bestehend aus:
der Lichtquelle; und
dem Sensor, angeordnet zum Empfang des von der Innenschicht gestreuten Lichts; zur Identifizierung der Bewegung der unterschiedlichen Intensitäten der gestreuten Lichtsignale, um die Bewegung der Rollkugel zu erkennen.

11. Kugel nach Anspruch 10, weiter bestehend aus: einem optischen Element zur Fokussierung des gestreuten Lichts auf den Sensor.

12. Zeigegerät bestehend aus:
einer Lichtquelle zur Emission von Lichtsignalen, wobei die Lichtsignale Signale ei ner ersten Wellenlänge umfassen;
einer Rollkugel mit:
einer Innenschicht mit einer Oberfläche, die Lichtsignale streuen kann; und
einer Außenschicht mit einer im Wesentlichen glatten Oberfläche, die Innen schicht umgebend, die Außenschicht transparent für die Lichtsignale mit der ersten Wellen länge;
dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht die Lichtsignale mit verschie denen Intensitäten je nach einer Beleuchtungsposition auf der Innenschicht streut, wobei die besagte Beleuchtungsposition eine Position der Innenschicht ist, die von den Lichtsignalen beleuchtet wird; und
einem Sensor, angeordnet zum Empfang des von der Innenschicht gestreuten Lichts, zur Identifizierung der Bewegung der unterschiedlichen Intensitäten der gestreuten Lichtsignale, um die Bewegung der Rollkugel zu erkennen.

13. Zeigegerät nach Anspruch 12, weiter bestehend aus: einem optischen Element zur Fokussierung des gestreuten Lichts auf den Sensor.

14. Zeigegerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Au ßenschicht undurchlässig für sichtbares Licht ist.

15. Zeigegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Innenschicht eine Textur aufweist, die Lichtsignale mit verschiedenen In tensitäten streut.

16. Zeigegerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Textur eine Vertiefung, eine Linie und eine Erhöhung aufweist.

17. Zeigegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht und die Außenschicht verschiedene Reflexionseigenschaften aufweisen.

18. Zeigegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht eine Textur aufweist, die von einem Sensor erkannt werden kann.

19. Zeigegerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Textur nachvollzogen werden kann.

20. Zeigegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht ein aufgedrucktes Muster aufweist.

21. Zeigegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht Partikel enthält, deren Reflexionseigenschaften sich von denen der Innen schicht unterscheiden.

22. Zeigegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 21, weiter bestehend aus:
der Lichtquelle; und
dem Sensor, angeordnet zum Empfang des von der Innenschicht gestreuten Lichts, zur Identifizierung der Bewegung der unterschiedlichen Intensitäten der gestreuten Lichtsignale, um die Bewegung der Rollkugel zu erkennen.