DE69509637T2

DE69509637T2 - Rechnerhinweisanordnung

Info

Publication number: DE69509637T2
Application number: DE69509637T
Authority: DE
Inventors: Branko Breyer; Bozidar Ferek-Petric
Original assignee: MONAMED MEDIZINTECHNIK GmbH; BREYER BRANCO
Current assignee: MONAMED MEDIZINTECHNIK GmbH; BREYER BRANCO
Priority date: 1994-02-15
Filing date: 1995-02-15
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2015-02-16
Also published as: WO1995022097A2; EP0745240A1; EP0745240B1; WO1995022097A3; DE69509637D1; US5959612A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Computerzeigeeinrichtung und insbesondere auf solche Geräte, wie sie in tragbaren Computern benutzt werden.

Hintergrund und Stand der Technik

Bei den gegenwärtig eingesetzten Zeigereinrichtungen wie etwa der Maus, dem Joystick oder dem Trackball werden mechanische bewegliche Teile dazu benutzt, die Bewegungen der Hand des Benutzers in die Bewegungen des Cursors des Computers umzusetzen. Jedoch ist bei kleinen und tragbaren Computern wie etwa Laptopcomputern der Raum an oder auf der Tastatur nicht ausreichend, um Geräte mit solchen Abmessungen zu montieren, daß sie für einfache und unbehinderte Betätigung geeignet sind. Während der Betätigung wird durch die Hand des Benutzers oftmals die Tastatur oder ein ähnlicher Teil der Tastatur abgedeckt und es ist die besagte Zeigeeinrichtung im Vergleich mit der Hand zu klein, um die Bewegung präzise steuern zu können. In Computern oder Steuertafeln, die für den Betrieb unter widrigen Umständen (Wasser, Staub, Körperflüssigkeiten usw.) ausgelegt sind, kann es schwierig sein, das System dicht und geschützt zu machen. Andere Lösungen umfassen Zeigereinrichtungen, die an dem Schirm zu benutzen sind, wie etwa einen Lichtgriffel. Ein solches Gerät weist den Nachteil auf, daß es eine separate zusätzliche Einrichtung darstellt, die in manchen Fällen schwierig auf einem geneigten Schirm zu benutzen ist. Es sind auch weitere Zeigeeinrichtungen, nämlich die Digitalisierer ("digitisers") entwickelt worden, die sich bei der präzisen Digitalisierung im Einsatz befinden und akustische Tabletts umfassen, bei denen die relative Position einer Schallquelle (z. B. einer elektrischen Entladung an der Spitze einer stiftförmigen Einrichtung) durch zwei orthogonale Mikrofone auf der Basis der Zeit erfaßt wird, die verstreicht, bis der Schall die jeweiligen Mikrofone erreicht. In allen uns bekannten Fällen ist die Zeigeeinrichtung ein bewegliches oder separates Gerät, das oftmals die Möglichkeit und den Raum zum Aufstützen der Hand und des Arms an einem feststehenden Objekt erfordert, damit die Bewegungen der Hand, die die Zeigeeinrichtung steuern, angepaßt bzw. präzise gesteuert werden können.
In der US 5 059 959 ist eine Computerzeigevorrichtung in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 offenbart. Die Vorrichtung ist in dem Gehäuse des Computers angeordnet und ist imstande, die Geschwindigkeit und die Richtung eines Objekts innerhalb eines Erfassungsbereichs, der außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, mit Hilfe von Sensoren zu erfassen, die mindestens zwei, ein Paar bildende Sender zum Aussenden von Wellen (mit akustischer oder elektromagnetischer Natur) zu dem Erfassungsbereich und mindestens zwei, als Paar vorgesehene entsprechende Empfänger zum Empfangen von Wellen enthalten, die durch ein Objekt in dem Erfassungsbereich reflektiert werden. In Übereinstimmung mit der erfaßten Geschwindigkeit und Richtung des Objekts wird eine Position eines Zeigers auf dem Bildschirm des Computers geändert.
Bei einer derartigen Zeigevorrichtung kann ein weiteres Objekt in dem Erfassungsbereich eine Störung bei dem Empfang hervorrufen, was nicht stets durch eine gewisse geeignete Nachverarbeitung seitens des Computers beseitigt werden kann; zur Deaktivierung der Bewegung des Cursors muß der Benutzer das Objekt (z. B. seine eigene Hand) aus dem Erfassungsbereich, d. h. dem sensitiven Bereich herausziehen; ferner ist die Vorrichtung zur Verhinderung einer nicht beabsichtigten Beeinflussung des Zeigers durch Bewegungen der Hand oder der Finger normalerweise deaktiviert, und es muß der Benutzer die Vorrichtung bei Bedarf aktivieren, indem er eine Steuertaste mit der einen Hand unten hält, während er mit der anderen Hand Bewegungen ausführt.

Kurzfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Computerzeigevorrichtung zu schaffen, die die Steuerung der Bewegungen eines Cursors durch die Aktivierung einer Vorrichtung ermöglicht, die keine beweglichen Teile enthält, wodurch die vorstehend erläuterten, bei den aktuellen kleinen oder separaten Aktuatoren für die Zeigeeinrichtungen auftretenden Probleme überwunden werden. Die Zeige- oder Steuervorrichtung soll in einem Gehäuse dicht und gegenüber einer Beeinträchtigung durch Wasser, Staub, Körperflüssigkeiten usw. geschützt angeordnet sein. Eine Störung, die durch nicht beabsichtigte Bewegungen von Objekten in einem empfindlichen Bereich der Zeigevorrichtung hervorgerufen wird, soll verhindert werden.
Die Erfindung zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 aus. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen beschrieben. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht die Steuerung der Bewegungen des Cursors durch die Aktivierung von Einrichtungen ohne bewegliche Teile und überwindet damit die Probleme bei den aktuellen kleinen Betätigungselementen für die Zeigevorrichtung in der folgenden Weise:
Die Bewegung des Objekts kann durch eine optische Bewegungserfassungseinrichtung an dem Boden einer Ausnehmung an dem Gehäuse des Computers oder durch einen Satz von Ultraschall-Transceivern (Sender und Empfänger) an der gleichen Stelle erfaßt und zu dem Computerspeicher weitergeleitet werden. Diese Einrichtungen können auch an oder auf einem von dem besagten Computergehäuse vorstehenden Vorsprung angebracht sein. In beiden Fällen arbeiten die Detektoren mit Wellen (mechanisch oder elektromagnetisch) zur Erfassung der Bewegung beispielsweise der Hand des Benutzers vor der Vorrichtung, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.
Das optische System enthält Lichtsende- und Empfangseinrichtungen, die die Bewegungen der sich vor ihnen bewegenden Objekte erfassen können. Diese Erfassung ist in einer solchen Weise ausgewählt, daß insbesondere die Bewegung der gegen die Ausnehmung gelehnten bzw. gebrachten Handfläche des Benutzers detektiert wird: Die Richteigenschaften der Sender und der Empfänger sind fokussiert und schneiden sich in der Ebene der Oberfläche der Handfläche, während sich diese vor ihnen bewegt. Die Sätze aus Sendern und Empfängern sind orthogonal angeordnet, derart, daß jeweils einer der Sätze eine (kartesische) Koordinate der Bewegung detektieren kann. Andere winkelmäßige Anordnungen weisen eine geringere Empfindlichkeit auf. Die Erfassung der Bewegung wird ausgeführt, indem die Berechnung bezüglich der Kreuzkorrelation der erfaßten Lichtpegel an den Lichtempfängerpaaren, die sich mit einem bekannten gegenseitigen Abstand voneinander entfernt befinden, und die Erfassung der Zeitver zögerung ausgeführt werden, die der Geschwindigkeit des sich vor den Detektoren vorbeibewegenden Objekts entspricht. Die Kreuzkorrelationsfunktion weist einen extremen Wert bei der Verzögerung auf, die der Zeit entspricht, die benötigt wird, daß die beiden Lichtreflexionsänderungsfunktionen angepaßt sind bzw. übereinstimmen. Sie werden durch die Lichtempfänger detektiert. Die Geschwindigkeit der Bewegung ist das Verhältnis zwischen dem Abstand zwischen den Detektoren und der charakteristischen Verzögerung, bei der ein Extremwert in der Kreuzkorrelationsfunktion auftritt. Die in dieser Weise berechnete Geschwindigkeit kann dazu benutzt werden, den Cursor auf dem Bildschirm des Computers zu lenken. Die beiden Sätze von optischen Bewegungsdetektoren können in einer Aufnehmung in dem Computergehäuse angeordnet sein, um hierdurch den Empfindlichkeitsabstand zu definieren und die Detektoren zu schützen. Die Bestätigung einer Aktion wird durch zusätzliche Tasten an der Tastatur vorgenommen, sobald auf das geeignete Symbol (Icon) gezeigt wird.
Als ein weiteres Beispiel existiert die Möglichkeit, die Bewegungen der Handfläche des Benutzers vor einem vorbestimmten Bereich an dem Computer durch den Einsatz von Ultraschallwellen zu erfassen. Die Detektoren sind in diesem Fall Ultraschallwandler, die imstande sind, Ultraschallwellen in die Luft auszusenden und Ultraschallwellen zu empfangen, die von einem reflektierenden Objekt vor ihnen reflektiert werden (z. B. der Handfläche des Benutzers wie in Fig. 1). Zwei Sätze der Wandler erfassen Wellen in einem Raumwinkel. Dies wird dadurch erreicht, daß die Achsen ihre jeweiligen Richtfunktionen verkippt werden, vorzugsweise in einer solchen Weise, daß die Projektionen der Achsen auf die Oberfläche, auf der sie montiert sind, in einem Winkel von 90º verlaufen, d. h. daß ihre azimutalen Winkel gleich 90º sind. Andere Winkel können ebenfalls benutzt werden, jedoch führen diese zu einer geringeren Empfindlichkeit bei der Bewegungserfassung. Ihre Elevationswinkel sind normalerweise kleiner als 60º. Die piezoelektrischen Wandler werden für die Doppler-Messung von Bewegungen der vor ihnen vorhandenen Objekte benutzt.
Falls die mit kontinuierlichen Wellen arbeitende Doppler-Technik eingesetzt wird, sind die besagten Wandler Paare von Sende-/Empfangswandlern. In diesem Fall wird durch die Orientierung der Aufteilung bzw. des Versatzes zwischen den beiden Wandlern die Achse, in der die Bewegung gemessen wird, zusätzlich zu der Orientierung bestimmt, die durch die Verkippung der Achse erhalten wird. Die Richteigenschaften der Wandler innerhalb eines Paars müssen so gewählt werden, daß eine Überlappung lediglich in einer kurzen Entfernung vorhanden ist, damit eine axiale Auflösung erzielt wird. Die besagte Entfernung muß in einer Tiefe liegen, in der die Handfläche des Benutzers liegt, während dieser die Zeigevorrichtung betätigt.
Falls ein Doppler-System mit gepulsten Wellen benutzt wird, dient jeder der besagten Wandler sowohl als Sender als auch als Empfänger, wobei die Länge der Ultraschallimpulse und die zeitliche Verzögerung die räumliche Auflösung bzw. die Meßposition bestimmen. Der Abstand, der durch die besagte Bereichsselektierung ("range gate") bestimmt wird, muß bei dem Abstand der Handfläche des Benutzers liegen, wenn dieser den Cursor bewegt. Durch die Länge der Ultraschallimpulse wird die Höhenlage bestimmt, in die die Handfläche angehoben werden muß, damit die Zeigevorrichtung nicht aktiviert wird. In diesen beiden angegebenen Fällen führt die Bewegung der Hand oberhalb des empfindlichen Bereichs auf der Tastatur des Computers zu zwei Dopplersignalen, die die Bewegung der Hand in zwei Dimensionen beschreiben und die in das Lenkungssignal für die Bewegung des Cursors auf dem die grafische Benutzerschnittstelle bildenden Schirm des Computers (GUI-Bildschirm = "graphic user interface"-Bildschirm) umgesetzt werden. In beiden Fällen wird die Bewegungsfunktion nicht aktiviert, wenn sich die Handfläche nicht innerhalb des Erfassungsbereichs, d. h. innerhalb einer vorbestimmten Höhenlage oberhalb der Zeigevorrichtung bewegt. Diese Höhenlage wird durch die die Bereichsauswahl bestimmende Verzögerung und Länge des Ultraschallimpulses für die gepulste Doppler-Vorrichtung und durch den Überlappungsbereich bei dem mit kontinuierlichen Wellen arbeitenden Verfahren bestimmt. Durch die elektronischen Schaltungen werden die gemessenen Daten für die Dopplergeschwindigkeitskomponente unter vektorieller Aufsummierung und durch Umwandlung dieser Daten in Signale benutzt, die für den Wechsel der Adresse des Cursors, d. h. der Position des Cursors auf dem Bildschirm, benutzt werden. Die Funktion der Maus- oder Trackball-Tasten, d. h. die Bestätigung einer Aktion, wird durch zusätzliche Tasten an der Tastatur erfolgt, sobald auf das geeignete Symbol (Icon) gezeigt worden ist. Die Ergebnisse der vorstehend umrissenen Prozedur führen zu einer neuen Methode zur Ansteuerung des Cursors bei einer grafischen Benutzerschnittstelle (GUI).

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Hand eines Benutzers, die an die in Fig. 1 gezeigte Zeigevorrichtung gelehnt ist und die sich zur Bewegung des Cursors auf dem Bildschirm des Computers bewegt;
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der rechten unteren Ecke einer typischen Tastatur eines Computers mit einer Ausnehmung, an der die Zeigevorrichtung, die die Bewegungen der Hand erfaßt, positioniert ist;
Fig. 3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines optischen Aufbaus für die Bewegungserfassung;
Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung von zwei optischen Ausgestaltungen, jeweils gemäß Fig. 3, von denen jede für die Erfassung der Bewegung in ihrer eigenen Ebene benutzt wird;
Fig. 5 zeigt eine von oben gesehene Projektionsdarstellung des in Fig. 4 gezeigten optischen Bewegungsdetektors, in der die tatsächliche Anordnung der Lichtsender und Empfänger dargestellt ist;
Fig. 6 zeigt in Form eines Blockschaltbildes die Schaltung, die zur Berechnung der aktuellen Geschwindigkeitskomponenten benutzt wird;
Fig. 7 zeigt in Form eines Blockschaltbildes die elektronische Schaltung, die mit Daten von zwei Schaltungen gemäß Fig. 6 arbeiten kann;
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teils der Tastatur, wobei am rechten unteren Ende befindliche Tasten und die Ultraschall-Zeigevorrichtung in die rechte Ecke des Gehäuses eingebaut sind;
Fig. 9 zeigt in größeren Einzelheiten die Auslegung der Positionierung und die Zielausrichtung der Ultraschallsende-/empfänger in der Zeigevorrichtung;
Fig. 10 zeigt das in Fig. 9 dargestellte Gerät in drei Projektionen, um hierdurch die bevorzugte geometrische Ausgestaltung zu klären.
Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltungen, die mit den von den in den Fig. 8 bis 10 gezeigten Geräten erhaltenen Daten in einer solchen Weise arbeiten können, daß die die Geschwindigkeit der Bewegung der Hand (Handfläche) angebenden Daten einer Vektorsumme unterzogen werden und zusammengesetzte Geschwindigkeitsdaten gebildet werden, die für die Bewegung des Cursors auf dem Computerbildschirm (GUI) eingesetzt werden.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Einsatz einer Computerzeigevorrichtung ohne bewegliche Teile demonstriert. Die hier beschriebene Zeigevorrichtung basiert auf der Erfassung der Größe und der Richtung der Bewegung der Handfläche 5 des Benutzers vor der hier beschriebenen Zeigevorrichtung, die an dem Rand des Computergehäuses 1 an der Tastatur 2 angebracht ist. Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort ist ersichtlich, daß unsere Zeigevorrichtung überhaupt keine beweglichen Teile aufweist. Sie ist an der rechten Seite der Tastatur des Computers für rechtshändige Benutzer angeordnet und kann für linkshändige Benutzer an der linken Seite angebracht werden. Die Position der Zeigevorrichtung ist derart festgelegt, daß auf sie zugegriffen werden kann, ohne daß die Sichtansicht oder der Zugriff zu der Tastatur behindert werden. Die Zeigevorrichtung besteht aus einer Ausnehmung 7 in dem Gehäuse, die in diesem Fall dreieckförmig dargestellt ist, auch wenn sie jede andere beliebig geeignete Form aufweisen kann (beispielsweise rund, quadratisch usw.). An dem Boden 6 der Ausnehmung 7 sind lineare Lichtsender 11 und 14 jeweils in rechtem Winkel zueinander angeordnet, und Lichtempfänger 21, 27, ..., paarweise vorhanden, die parallel zu den Lichtsendern positioniert sind.
Die Oberseite der Ausnehmung ist mit einer lichtdurchlässigen Abdeckung (nicht gezeigt, beispielsweise eine Glasscheibe) abgedeckt, um hierdurch die Bewegungsdetektoren zu schützen und die Entfernung der Handfläche nach unten zu dem Boden 6 konstant zu halten. Die Glasabdeckung muß aus einem harten Material bestehen, das gegenüber Zerkratzen und anderen Beschädigungen beständig ist. Bezugnehmend auf Fig. 3 wird das Prinzip der Bewegungserfassung in einer Richtung in größeren Einzelheiten dargestellt. Es besteht aus einer linearen Lichtquelle 11 mit einer Linse 12, die das blattförmige Lichtfeld 13 auf eine Position fokussiert, bei der es sich mit den Brennpunkten 36 und 37 der Lichtempfänger 22 und 23 schneidet. Alle diese erwähnten Elemente sind an dem Boden der in Fig. 2 gezeigten Ausnehmung 7 angebracht. Die Bewegung wird in derjenigen Ebene erfaßt, die durch die Punkte 36 und 37 verläuft. Die Empfänger 21 und 23 sind für den Sender 11 vorgesehen, wohingegen die Empfänger 25 und 27, wie in Fig. 4 gezeigt ist, für den Sender 14 vorgesehen sind.
Die Lichterzeugungsquelle 11 kann jeder beliebige homogene Lichtgenerator sein (z. B. Glühlampen, Gasentladungselemente oder Halbleiter-Leuchtdioden bzw. Halbleiter- LEDs). Die im wesentlichen zylindrische Linse 12 konzentriert das Licht ·zu einem blattförmigen Strahl, d. h. im Grundsatz zu einer Beleuchtungsebene 13, die gegenüber dem Boden 6 der Vorrichtung um einen Winkel verkippt ist. Die Vorrichtung enthält zwei Lichtempfänger 21 und 23 mit Fokussierlinsen 22 und 24, die enge Richteigenschaften mit Achsen 31 und 32 erzeugen, die sich jeweils mit der Lichtebene 13 in der gleichen Höhenlage wie die Kreuzungspunkte 36 bzw. 37 schneiden (diese durchsetzen) und entlang einer Parallelen zu der linearen Lichtquelle 11 verlaufen. Durch diese Ausgestaltung wird im wesentlichen lediglich nur das Licht detektiert, das von Objekten reflektiert wird, die sich in der Höhenlage der Punkte 36 und 37 bewegen. Falls sich das reflektierende Objekt in einer Richtung entlang der die Punkte 36 und 37 verbindenden Linie bewegt, sind die Lichtänderungsmuster in jedem der Empfänger 21 und 23 gleich groß, jedoch hinsichtlich der Zeit verzögert. Die Zeitverzögerung hängt von dem Abstand zwischen den Punkten 36 und 37 und der Geschwindigkeit der Bewegung ab. Es läßt sich zeigen (siehe z. B. in A. Papoulis: "Probability, Random Variables and Stochastic Processes" (Wahrscheinlichkeit, Zufallsvariable und stochastische Prozesse); McGraw Hill Inc., 1965), daß die Kreuzkorrelations- und Kreuzkovarianzfunktionen, die zwischen den beiden erfaßten Lichtänderungsfunktionen gebildet werden, einen Extremwert (Maximum oder Minimum) bei einer Verzögerung zeigen, die gleich groß ist wie die Verzögerung, die erforderlich ist, damit das gleiche Gebilde bzw. Merkmal von einem zu dem anderen Lichtdetektor gewandert ist. Die lichtempfindlichen Einrichtungen 21 und 23 können Fototransistoren oder andere Elemente sein, die zur Erfassung von Licht und zur Erzeugung von proportionalen elektrischen Signalen bekannt sind. Die Linsen 22 und 23 können in einer einfachen fokussierenden Gestalt, z. B. in Form von plankonvexen Glaslinsen vorliegen.
Da wir die Geschwindigkeit der Bewegung der Handfläche in allen Richtungen einer Ebene erfassen und messen wollen, ist bei der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung die Anordnung von zwei Vorrichtungen jeweils gemäß Fig. 3 veranschaulicht, die mit einem zwischen ihren Lichtgeneratoren eingeschlossenen Winkel angeordnet sind. Der optimale Winkel ist 90º, wobei aber auch andere Winkel mit Ausnahme des Winkels 0º ebenfalls im wesentlichen möglich sind. In diesem Fall werden durch die beiden Lichtgeneratoren 11 und 14 mit den Linsen 12 bzw. 15 jeweils zwei Lichtebenen 13 bzw. 16 gebildet, die sich entlang einer Linie 35 kreuzen. Die beiden Sätze aus den Lichtempfängern 21, 23 und 25, 27, die die Richtcharakteristiken mit Achsen 31, 34 bzw. 32, 33 aufweisen, kreuzen jeweils diese besagten Lichtebenen im wesentlichen in der gleichen Höhenlage von dem Boden 6 aus. Die Bewegung eines Objekts parallel zu der Lichtquelle 11 führt zu einer Komponente der Geschwindigkeit des das Licht reflektierenden Objekts, während die Bewegung parallel zu der Lichtquelle 14 zu der orthogonalen Geschwindigkeit führt. Falls die besagten Punkte, bei der sich die besagten Achsen der Lichtempfänger und die angegebenen Lichtebenen kreuzen, nahe genug beieinander liegen, besteht eine erhöhte Möglichkeit, daß das System bei schrägen Bewegungen die gleichen Merkmale der Handfläche der Benutzer erkennen können, da sich diese nicht abrupt ändern können. Wenn andererseits jedoch das gleiche Merkmal auf den beiden als Paar vorgesehenen Empfängern erscheint, ist die angegebene charakteristische Verzögerung gleich Null und kann damit automatisch ausgeschlossen werden, da die einzige andere Lösung trivial und unmöglich ist, d. h. eine unendliche Geschwindigkeit der Bewegung der Hand.
Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen. Dort sieht man eine Projektion der Anordnung für das Lichtaussenden und Empfangen an dem Boden 6 der Vorrichtung, durch die die Erläuterungen bezüglich Fig. 4 noch weiter geklärt werden. Die Methode zur Berechnung der Geschwindigkeit entlang eines Paars der Lichtempfänger kann realisiert werden, indem die elektronischen Schaltungen wie bei dem Blockschaltbild gemäß Fig. 6 benutzt werden. Die von den beiden Empfängern empfangenen Änderungen des Lichts werden zu einer Kreuzkorrelationsschaltung gespeist. Das von der Kreuzkorrelationsschaltung abgegebene Ausgangssignal wird zu der Maximalwert- (oder Extremwert -) erfassungsschaltung geleitet (z. B. durch Erfassen einer abrupten Änderung der ersten Ableitung), die den Maximalwert der in dieser Weise berechneten Kreuzkorrelations funktion und den Verzögerungszeitpunkt, zu dem dieser Maximalwert auftritt, erfaßt. Die Division des Abstands der Lichtachsen durch die besagte Verzögerung ist gleich groß wie die Bewegungsgeschwindigkeit in der spezifizierten Richtung. In Fig. 6 ist ein Blockschaltbild der Schaltung dargestellt, die zur Berechnung der aktuellen Geschwindigkeitskomponenten durch Kreuzkorrelation des von den beiden Empfängern empfangenen Lichts entlang einer Achse (bei diesem Beispiel die Achse X), zur Erfassung der charakteristischen Verzögerung bezüglich der charakteristischen Diskontinuierlichkeit auf der Kreuzkorrelationskurve und der Division des Abstands zwischen den beiden Empfängern durch den besagten charakteristischen Verzögerungswert benutzt wird.
Es wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen. Jedes der Ergebnisse der eindimensionalen Messungen jeweils gemäß Fig. 6 und 3 für die Richtungen X und Y werden zu einer Vektorsummierschaltung gespeist, die den Winkel zwischen den jeweils nur eine Dimension aufweisenden Vorrichtungen trigonometrisch berücksichtigt. Wenn der Winkel gleich 90º ist, genügt der Satz von Pythagoras. Das resultierende Signal wird dazu benutzt, den Cursor auf dem Bildschirm des Computers zu steuern. Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen. Dort ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, das überhaupt keine beweglichen Teile aufweist. Eine Ultraschallzeigevorrichtung ist an der rechten Seite der Computertastatur für rechtshändige Benutzer angeordnet, und kann für linkshändige Benutzer an der linken Seite angebracht werden. Die Position der besagten Zeigevorrichtung ist derart festgelegt, daß auf sie zugegriffen werden kann, ohne daß die Betrachtung oder der Zugriff zu der Tastatur behindert werden. Die Ultraschallzeigevorrichtung ist in einer Ausnehmung 7 des Gehäuses 1 angeordnet, die in diesem Fall rund dargestellt ist, obwohl sie jede beliebige andere geeignete Form aufweisen kann (z. B. dreieckig, quadratisch usw.). An dem Boden der Ausnehmung sind zwei Ultraschallsender/empfänger 101 und 102 angebracht.
Die Zeigevorrichtung weist eine Tiefe 9 auf, die so definiert ist, daß der Abstand zwischen den sendenden und empfangenden Wandlern fixiert ist, wenn der Benutzer die Vorrichtung dadurch betätigt, daß er die Handfläche vor ihr bewegt. Zwei sendende und empfangende Ultraschalleinrichtungen 101 und 102 sind in dem Gehäuse der Zeigevor richtung angebracht. Die Transceiver bzw. Wandler können entweder als Impulssysteme oder als mitkontinuierlichen Wellen arbeitende Systeme betrieben werden. Ein Impulssystem arbeitet derart, daß es kurze und Ultraschallimpulse aussendet und diese bei ihrer Reflektion durch den gleichen Wandler empfängt. Der mit kontinuierlichen Wellen arbeitende Wandler ist de facto ein aufgeteilter Wandler, bei dem ein Teil desselben (die Form kann sich ändern, jedoch sind einfache geometrische Unterteilungen bevorzugt) kontinuierlich Ultraschall aussendet und der andere Teil kontinuierlich den reflektierten Ultraschall empfängt. In beiden Fällen stellt die Differenz zwischen der ausgesendeten und der empfangenen Ultraschallfrequenz ein Maß für die Geschwindigkeit der Bewegung des Reflektors (Hand) dar und kann unter Einsatz der Doppler- Gleichung bewertet werden. Die Tiefe 9 des Gehäuses 7 ist so gewählt, daß es dem Benutzer möglich ist, die Handfläche gegen die Oberseite des Gehäuses 7 zu lehnen und somit mit der Handfläche in einem geeigneten Abstand von den Wandlern zu bleiben, wie dies noch bei der Diskussion der Fig. 8, 9 und 10 erläutert wird. Die Weise der Betätigung der Dopplermeßeinrichtungen durch die Bewegung der Hand 5 vor den besagten Ultraschallvorrichtungen ohne deren Berührung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Hand kann jedoch auch gegen das Gehäuse 1 des Computers gelehnt werden, da durch die Tiefe der Vorrichtung, die im Zusammenhang mit der Fig. 8 beschrieben ist, die Handoberfläche in dem geeigneten Abstand von den besagten Ultraschallwandlern gehalten wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 9 werden nun die geometrischen Beziehungen und die Methode der Betriebsweise in größeren Einzelheiten erläutert. Die Ultraschallwandler 101 und 102 sind an dem Boden 6 der Zeigevorrichtung angebracht (diese ist hier als eine hohle runde Tasse mit dem oberen Rand 106 dargestellt, auch wenn jede andere beliebig geeignete Form (elliptisch, dreieckförmig, quadratisch usw.) ebenfalls benutzt werden kann). Die beiden Ultraschallwandler können als Impulswellenwandler arbeiten, wobei sie in diesem Fall im wesentlichen einzelne, normalerweise piezoelektrische Wandler sind, oder können als mit kontinuierlichen Wellen arbeitende Wandler ausgelegt sein, wobei sie in diesem Fall durch einen kontinuierlich sendenden Teil und einem kontinuierlich empfangenden Teil gebildet sind. In beiden Fällen haben sie Strahlverkippungseinrichtungen 103 und 104, die an ihren vorderen Oberflächen angebracht sind, um hierdurch ihre jeweiligen Strahlen 111 und 112 in geeigneten Elevationswinkeln φ und τ zu verkippen. Die Projektionen der besagten Strahlachsen an dem Boden 6 befinden sich unter einem Winkel α, der vorzugsweise nahe bei dem rechten Winkel liegt. Die Strahlen kreuzen sich räumlich innerhalb eines gut definierten Bereichs 115 an einer Position, die so gewählt ist, daß sich die Handfläche der Hand des Benutzers in diesem speziellen Bereich bewegt, während das System aktiviert wird. Folglich können die Komponenten der Bewegungen der Handfläche durch die Dopplermethoden unter Verwendung der Wandler 101 und 102 und der zugehörigen elektronischen Schaltungen detektiert werden. Damit eine in der Praxis einsetzbare Richtwirkung und eine Einengung der Hauptstrahlkeule erzielt wird, muß die dominierende Oberflächenabmessung der Wandlerfläche sehr viel größer sein als die Wellenlänge bei der benutzten Frequenz, beispielsweise zehnmal größer als die besagte Wellenlänge.
Fig. 10 zeigt die Vorrichtung gemäß den Fig. 8 und 9 in drei Projektionen, wobei die bevorzugten geometrischen Beziehungen der unterschiedlichen Komponenten des Systems dargestellt sind. Die Verkippung in der Elevationsrichtung der Strahlen wird bei dieser Darstellung durch die strahlverkippenden Vorrichtungen - Linsen 103 und 104 - sichergestellt, wobei es sich aber versteht, daß der Strahl dadurch verkippt werden kann, daß die Wandler der Sender und Empfänger in korrekter Weise in einem gewissen gewünschten Elevations-Winkel und Azimut-Winkel angebracht werden.
In Fig. 11 ist das Blockschaltbild von elektronischen Schaltungen gezeigt, die mit den Daten arbeiten können, die durch die Reflexionen der Ultraschallwellen an der Handfläche des Benutzers erhalten werden. Die Wandler sind mit Dopplerverschlebungsmeßeinrichtungen verbunden, die auf dem Gebiet der Elektronik bekannt sind. Alternativ kann man Zeitdomänenberechnungen, z. B. Autokorrelationsberechnungen, zur Beurteilung der besagten Geschwindigkeit benutzen. Diese Dopplerverschiebungs- Meßeinrichtungen stellen Komponenten der Bewegungen der Handfläche des Benutzers bereit und werden einer Vektorsummierung unterzogen, wobei Elevationsbewegungen subtrahiert werden, die gleichzeitig bei beiden Wandlern 101 und 102 auftreten. Diese Vektorsumme der Geschwindigkeiten der Handflächenbewegung parallel zu dem Boden (6 in den Fig. 9 und 10) werden dann dazu benutzt, die Änderungen der Cursoradresse in dem Computerspeicher zu generieren. Die benutzten Frequenzen müssen in der Größenordnung von einigen wenigen hundert kHz sein; so daß die Wellenlänge in der Größenordnung von ungefähr 1 mm liegt. Der Vorteil der Benutzung der im Impulsmodus arbeitenden Dopplervorrichtung besteht darin, daß der Abstand zwischen der besagten Wandleroberfläche und dem Sensierungsvolumen 11 S zusätzlich durch die Zeitsteuerung bzw. Torsteuerung der Impulse gewährleistet werden kann. Ihr Nachteil besteht darin, daß sie ein kompliziertes elektronisches System im Vergleich mit dem kontinuierlichen Wellenmodus darstellt, der jedoch einen weniger gut definierten Empfindlichkeitsbereich 115 besitzt. Das insgesamt erzielte Ergebnis besteht in der Bewegung des Cursors auf dem Bildschirm ohne den Einsatz von beweglichen Teilen.
Es ist eine kompakte Computerzeigevorrichtung ohne bewegliche Teile beschrieben worden, bei der die Bewegung von Objekten einschließlich der Hand des Benutzers mit Hilfe von verschiedenartigen Wellen detektiert wird. Bei einer Ultraschallausführungsform besteht sie aus zwei Ultraschallsendern/empfängern, die an einer geeigneten Position an dem Gehäuse des Computers oder der Tastatur angebracht sind, und die die Richtung und die Geschwindigkeit von sich vor ihnen bewegenden Objekten unter Verwendung des Dopplereffekts erfassen können. Bei einem optischen Ausführungsbeispiel besteht sie aus zwei optischen Sendern/Empfängern 11/21; 14127, die an einer geeigneten Position an dem Gehäuse des Computers oder der Tastatur angebracht sind und die die Richtung und die Geschwindigkeit von sich vor ihnen bewegenden Objekten unter Einsatz von Lichtwellen und von Kreuzkorrelationsberechnungen erfassen können. Die Bewegung kann durch den Benutzer ausgeführt werden, der die Handfläche seiner Hand vor diesen Transceivern in der gewünschten Richtung mit der gewünschten Geschwindigkeit bewegt. Die hierbei erfaßte Bewegung wird gemessen und als Geschwindigkeitsvektoren für die Erzeugung der Signale für die Bewegung des Bildschirmcursors benutzt. Das System ist insbesondere für kompakte Computer geeignet, bei denen die Einsparung von Platz wichtig ist.
Die Sensoreinrichtung ist vorzugsweise in einer Ausnehmung des Gehäuses angeordnet und sollte an einem Boden der Ausnehmung angebracht sein, die ausreichend tief ist, so daß die Sensoren nicht aus der Ausnehmung vorstehen. Im Fall von lichtaussendenden und lichtempfangenden Einrichtungen weist die Wand unterhalb des Erfassungsbereichs eine Abdeckung auf, die für die Lichtwellen transparent ist. Die Computerzeigevorrichtung kann an dem Boden der Ausnehmung 2 im wesentlichen lineare Lichtsender mit im wesentlichen zylindrischen Linsen an ihren Sendeflächen, mindestens zwei Paare von optischen Empfängern mit fokussierenden Linsen an ihren Empfangsflächen aufweisen, die derart angeordnet sind, daß die Linien, die die Empfängerpaare miteinander verbinden, im wesentlichen parallel zu den entsprechenden linearen Lichtsendern verlaufen.
Die Computerzeigevorrichtung kann eine im wesentlichen zylindrische Lichtsendelinse mit einer Gestalt und Verkippung aufweisen, daß eine in Elevationsrichtung schräge Lichtebene vor der optischen Einrichtung erzeugt wird. Vorzugsweise zeigen die Lichtempfänger in eine solche Richtung, daß die Verbindungslinien zwischen den Punkten, bei denen ihre Richtachsen durch die Lichtebenen durchtreten, im wesentlichen parallel zu den Lichtsendern liegen, jedoch in einem Abstand oberhalb des besagten Bodens der Ausnehmung positioniert sind, wobei der Abstand im wesentlichen der Tiefe der Ausnehmung entspricht. Zwei Sätze von optischen sendenden und empfangenden Einrichtungen können derart angebracht sein, daß ihre Richtcharakteristika einen Azimutwinkel einschließen, der sich von 0º unterscheidet. Die Vektorgeschwindigkeitsmeßeinrichtung enthält eine elektronische Schaltung, die die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen den Lichtintensitäten berechnet, die an jedem Punkt bzw. Zeitpunkt durch die gepaarten Lichtempfänger berechnet wird.

Claims

1. Computerzeigevorrichtung umfassend,

ein Computergehäuse (1);

eine Sensoreinrichtung (11/21/23, 14/25/27, 101, 102), die in dem Gehäuse angeordnet ist und

wenigstens ein Paar von Sendern (11, 14; 101, 102) zum Senden von nicht oberflächengebundenen, sich räumlich ausbreitenden Wellen zu einem außerhalb des Gehäuses (1) angeordneten Erfassungsbereich (36, 37, 115) und

wenigstens ein Paar von Empfängern (21, 23; 25, 27; 101, 103) zum Empfangen von durch ein in dem Erfassungsbereich angeordnetes Objekt (5) reflektierten Wellen aufweist;

eine Vektorgeschwindigkeitsmeßeinrichtung zum Messen der Geschwindigkeit und der Richtung einer Bewegung des Objekts (5) in dem Erfassungsbereich (36, 37, 115), die die Geschwindigkeit und die Richtung der Bewegung des Objekts darstellende Vektorgeschwindigkeitssignale liefert;

eine auf die Vektorgeschwindigkeitssignale ansprechende Steuereinrichtung, die die Position einer grafischen Zeigeeinrichtung in dem Grafikbildschirm des Computers verändert, wobei die Zeigevorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Erfassungsbereich (36, 37, 115) in einer vorbestimmten Höhe über dem Sende-Empfänger (11/21/23; 14/25127; 101, 102, 103) angeordnet ist, in welchem Bereich das Objekt (5) an der Oberfläche einer Zeigevorrichtungsabdeckung bewegbar ist.

2. Computerzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensoreinrichtung wenigstens zwei Ultraschallwandlereinrichtungen (101, 102) hat, die unter einem Teil der Wand des Gehäuses (1) in einer solchen Tiefe derart befestigt sind, daß eine Bewegung eines im wesentlichen gerade Wellen reflektierenden Objekts, einschließlich der Oberfläche des Handtellers der Hand einer Bedienperson, das bzw. die gegen die Oberfläche des Teils der Wand gelehnt wird und translatorisch in einem im wesentlichen konstanten Abstand von den Wandlern bewegt wird, entlang der Achsen (111 und 112) der Richtcharakteristiken der Wandlereinrichtungen (101, 102) gemessen wird.

3. Computerzeigevorrichtung nach Anspruch 2, wobei die beiden Ultraschallwandlereinrichtungen (101, 102) an dem Computergehäuse (1) mit einem von 0 Grad verschiedenen azimutalen Strahlachsenschnittwinkel (a) befestigt sind, wobei die Wandlereinrichtungen (101, 102) zum Senden und Empfangen gerichteter Ultraschallsignale in den Raum vor ihnen bzw. aus diesem Raum geeignet sind.

4. Computerzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Richtcharakteristiken der Ultraschallwandlereinrichtungen sich in einem im Raum wohldefinierten Erfassungsbereich (115) schneiden.

5. Computerzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vektorgeschwindigkeitsmeßeinrichtung elektronische Schaltungen umfaßt, die zum Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit der reflektierenden Zielobjekte (5) vor den Wandlerübertagungseinrichtungen unter Verwendung des Dopplereffekts oder eines äquivalenten Verfahrens geeignet sind und zum Vektoraddieren von Werten aus wenigstens zwei der Bewegungsgeschwindigkeitswerte und zum Übertragen derselben zu dem Adressengenerator der grafischen Zeigeeinrichtung des Computers geeignet sind.

6. Computerzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinrichtung die durch die Sensoreinrichtung (101, 102) und durch die Vektorgeschwindigkeitsmeßeinrichtung erhaltenen Geschwindigkeitskomponenten vektoraddiert und die Vektorsumme verwendet, um das Signal zum Erzeugen der Veränderung der Position, d. h. der Speicheradresse der grafischen Zeigeeinrichtung zu erzeugen.

7. Computerzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensoreinrichtung umfaßt:

wenigstens zwei lineares Licht emittierende Einrichtungen (11, 14) und wenigstens zwei Paare von fokussiertes Licht empfangende Einrichtungen (21, 23; 25, 27).

8. Computerzeigevorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Licht emittierenden Einrichtungen mit einem von 0º verschiedenem azimutalen Winkel befestigt sind und wobei sich die Licht emittierenden und empfangenden Einrichtungen mit ihren Richtwirkungen (13, 16; 31, 32, 33, 34) der Sende- und Übertragungscharakteristiken kreuzen.

9. Computerzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vektorgeschwindigkeitsmeßeinrichtung elektronische Schaltungen umfaßt, die zum Berechnen der Kreuzkorrelation der zu jedem Zeitpunkt in den gepaarten Empfangseinrichtungen (21, 23 bzw. 25, 27) erhaltenen Signale und zum Berechnen des Quotienten des Abstandes zwischen den gepaarten Empfangseinrichtungen und der Verzögerung des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion fähig sind und zum Vektoraddieren von wenigstens zwei der Quotienten und Übermitteln derselben zu dem Adressengenerator der grafischen Zeigeeinrichtung fähig sind.

10. Computerzeigevorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrichtung mit einer elektronischen Schaltung versehen ist, die die durch die Licht-Sende-Empfänger und die Vektorgeschwindigkeitsmeßeinrichtung erhaltenen Geschwindigkeitskomponenten vektoraddiert und die Vektorsumme dazu verwendet, das Signal zum Erzeugen des Wechsels der Position, d. h. der Speicheradresse der grafischen Zeigeeinrichtung zu erzeugen.