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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von
Verschiebungen einer Oberfläche
eines Gegenstandes, insbesondere für ein Computer-Zeigegerät, mit einer
Lichtquelle, Führungsmitteln
zum Lenken des Lichts von der Quelle schräg auf ein Feld der Oberfläche, einem
optoelektronischen Sensor, der mit einem Gitter aus Photodetektoren
versehen ist, und einem optischen System zum Erzeugen eines Bildes
des Feldes auf dem optoelektronischen Sensor.
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Im
US Patent Nr. 6124587 ist eine Kugelzeigevorrichtung beschrieben,
in der die durch Rotation der Kugel verursachten Verschiebungen
der Oberfläche
dieser Kugel auf optischem Weg erfasst werden, wobei diese Oberfläche mit
einem Muster versehen ist, das aus regelmässigen oder unregelmässigen Punkten
besteht. Ein kleiner Abschnitt der Oberfläche der Kugel, der ein durch
ein festes Fenster definiertes Feld bildet und in dem man die Verschiebungen
der Oberfläche
der Kugel erfassen will, wird mittels zweier Lumineszenzdioden (LED),
die beiderseits einer Linse an einem Träger angebracht sind, schräg beleuchtet.
Das an dem so beleuchteten Feld reflektierte Licht wird durch einen
Spiegel, der der Linse zugeordnet ist, auf einen optoelektronischen Sensor
mit einem Gitter aus Photodetektoren zurückgestrahlt. Die von diesem
Sensor ausgehenden Signale werden durch elektronische Schaltungen,
die an einer Karte mit gedruckten Schaltungen angebracht sind, verarbeitet,
um Informationen bezüglich
der Verschiebung des Felds längs
zweier Komponenten in seiner Ebene zu liefern.
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Die
insbesondere durch die 7 bis 12 des obenerwähnten Patents
illustrierte Konstruktion umfasst ein optisches Gehäuse aus
zwei Teilen, die als Fassung für
die LED dienen, den Spiegel, die Linse und den optoelektronischen
Sensor. Der Spiegel besteht aus einer reflektierenden Oberfläche auf
einer ebenen Fläche
der Linse. Das Gehäuse
wird durch Einrasten einerseits am Kugelführungsgehäuse und andererseits an der
Karte mit gedruckten Schaltungen befestigt. Der Sensor und die LED
umfassen metallische Verbindungslaschen für deren elektrischen Anschluss
an die gedruckten Schaltungen der Karte.
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In
einer solchen Anordnung müssen
zwei in Abstand voneinander liegende Lichtquellen verwendet werden,
um eine genügend
gleichmässige
Beleuchtung des beobachteten Feldes zu erhalten, damit die Erfassung
seiner Verschiebungen unter guten Bedingungen ausgeführt werden
kann. Das von den LED ausgehende Licht wird über entsprechende Kanäle, die
im optischen Gehäuse
ausgebildet sind, auf dieses Feld gelenkt. Daraus ergibt sich, dass
dieses Gehäuse
relativ kompliziert ist und dass mehrere Gruppen von Verbindungslaschen
für den
Anschluss der LED und des Sensors an die Karte mit gedruckten Schaltungen
nötig sind.
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Ein
weiterer Nachteil dieser Konstruktion liegt in den Kosten des Spiegels,
dessen Funktion darin besteht, einen abgewinkelten Weg des vom beobachteten
Feld zum Sensor gehenden Lichts zu erhalten, um zu vermeiden, dass
dieser Sensor anderswoher kommendes Störlicht empfängt.
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Weitere
Nachteile stehen im Zusammenhang mit der Tatsache, dass das optische
Gehäuse, welches
eine genaue gegenseitige Positionierung aller Bestandteile, welche
es trägt,
sicherstellt, ein kompliziertes Teil bildet, das für seine
Serienherstellung eine kostspielige Giessform benötigt. Wenn
man einen der Bestandteile oder seine Position verändern muss,
muss man eine neue Giessform kreieren, was beträchtliche Kosten mit sich bringt.
Ferner benötigt diese
Konstruktion nach dem Montieren des optischen Gehäuses auf
der Karte einen Schritt für
die Ausführung
der zahlreichen elektrischen Verbindungen mit dieser Karte mit gedruckten
Schaltungen, was die Herstellung erschwert.
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Das
US Patent Nr. 5686720 beschreibt eine Konstruktion, die gewisse
der obenerwähnten
Nachteile vermeidet. Es handelt sich um einen sogenannten Navigationssensor,
der in einem Handscanner eingebaut ist und für die Messung der Verschiebungen
des Scanners auf einem Dokument bestimmt ist. In dem durch die 5 dieses
Patents illustrierten Beispiel wird ein kleines Feld des Dokuments
durch ein gerade über
diesem Feld angeordnetes Prisma hindurch mittels einer Lichtquelle
beleuchtet. Das Prisma lenkt das Lichtbündel derart ab, dass das Licht
mit einem geringen Winkel, der typischerweise kleiner als 16° ist, auf
das Papier des Dokuments einfällt.
Das durch das Papier zerstreute Licht durchquert wieder das Prisma
und wird mittels einer gewölbten
Oberfläche
des Prismas, welche eine Linse bildet, auf ein Gitter aus Photodetektoren
gerichtet. Dies ermöglicht,
die Lichtquelle und den optoelektronischen Photodetektorensensor
direkt an der Karte mit gedruckten Schaltungen anzubringen. Hingegen ermöglicht diese
Anordnung nicht, den Sensor wirksam gegen Störlicht, das vom Bereich des
Prismas herkommt, zu schützen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die wenigstens
gewisse der obenerwähnten Nachteile
des Standes der Technik vermeiden kann, wobei sie eine wirksame
Erfassung der Verschiebungen, eine sichere und genaue Positionierung
der Bestandteile und mässige
Herstellungskosten gewährleisten
kann.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Vorrichtung der weiter
oben einleitend gegebenen Art, dadurch gekennzeichnet, dass die
Führungsmittel
ein Prisma umfassen, das eine Reflexionsfläche besitzt, an der das Licht
der Quelle eine Totalreflexion erfährt, wobei diese Fläche eine
nicht gleichmässig ebene
Form hat, die so beschaffen ist, dass sie das auf das zu beobachtende
Feld gerichtete Licht auf der Oberfläche des Gegenstandes konzentriert.
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Diese
Anordnung hat einen doppelten Vorteil. Einerseits erzeugt das Prisma
im Weg des von der Quelle zum beobachteten Feld gehenden Lichts eine
Biegung, was ermöglicht,
das optische System und den optoelektronischen Sensor direkt gegenüber diesem
Feld anzuordnen, während
sich die Lichtquelle neben dem Sensor befinden kann und an der gleichen
Karte mit gedruckten Schaltungen angebracht sein kann. Daraus ergibt
sich eine sehr kompakte Konstruktion der Gesamtheit und eine Vereinfachung
der elektrischen Verbindungen. Andererseits ermöglicht eine geeignete Konfiguration
der Reflexionsfläche
des Prismas, die Verteilung des Lichts auf dem zu beobachtenden
Feld ohne Beifügung
eines zusätzlichen
optischen Elements zu vereinheitlichen.
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In
einer besonders einfachen und wenig kostspieligen Ausführungsform
umfasst die Reflexionsfläche
des Prismas zwei ebene Oberflächen,
die miteinander einen Winkel bilden. Dies ermöglicht, die Zerstreuung des
von der Lichtquelle herkommenden Bündels zu beseitigen, indem
dieses Bündel
in zwei Teilbündel,
die auf das zu beobachtende Feld gerichtet werden, aufgeteilt wird,
um eine korrekte Verteilung der Beleuchtung auf diesem letzteren
zu erhalten. Zugleich kann man ein Prisma verwenden, bei dem alle äusseren
Oberflächen
eben sind, was seine Herstellung und seine Positionierung erleichtert.
In anderen Ausführungsformen
kann jedoch vorgesehen werden, dass die Reflexionsfläche des
Prisma konvex ist, um einen konkaven Reflektor zu bilden, der die
Gleichmässigkeit
der Beleuchtung gewährleisten
kann. Sie könnte
auch eine Serie von ebenen Facetten umfassen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform,
die als nicht einschränkendes
Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben ist,
in denen:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Verschiebungserfassungsvorrichtung
gemäss der
Erfindung für
ein Computer-Zeigegerät
ist;
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2 eine
perspektivische Explosionsdarstellung der Hauptbestandteile der
Vorrichtung der 1 ist;
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3 den
Gegenstand der 2 im gefügten Zustand zeigt;
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4 eine
der 3 entsprechende Ansicht ist, in der man ein optisches
Element entfernt hat;
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5 die
Unterseite des Gegenstandes der 3 perspektivisch
darstellt;
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6 eine
Seitenansicht des auf 1 dargestellten Prismas ist;
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7 eine
Ansicht gemäss
dem Pfeil VII der 6 ist;
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8 den
optischen Effekt des Prismas schematisch darstellt, und
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9 ein
Diagramm der Verteilung der Beleuchtung E längs einer Längsrichtung X des Verschiebungserfassungsfeldes
ist.
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Die
in den Zeichnungen dargestellte Vorrichtung ist dazu bestimmt, in
einem Zeigegerät
mit drehbarer Kugel des "trackball"-Typs, zum Beispiel
des Typs, der im US Patent Nr. 6124587, auf welches der Leser betreffs
der weiteren strukturellen und funktionellen Merkmalen eines solchen
Geräts
Bezug nehmen kann, beschrieben ist, eingebaut zu werden. Es ist
jedoch festzuhalten, dass die Vorrichtung gemäss der Erfindung auch in anderen
Geräten,
insbesondere in kugelfreien Computermäusen, bei denen die relativen
Verschiebungen zwischen der Maus und der ebenen Oberfläche eines
Tisches oder einer Mausunterlage erfasst werden, oder auch in einem
Handscanner der im US Patent Nr. 5686720 beschriebenen Art, Anwendung
finden kann.
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In
dem hier beschriebenen Beispiel ist der Gegenstand, dessen Verschiebungen
erfasst werden, eine Kugel 1, deren Oberfläche in bekannter Weise
ein Muster aufweist, das aus Linien oder Punkten besteht. Die Kugel 1 ist
drehbar in einem Gehäuse 2 angeordnet,
das auf 1 nur schematisch dargestellt ist und ein durchsichtiges
Fenster 3 aufweist, hinter dem ein Objektfeld 4 der
Oberfläche der
Kugel 1 erscheint. Da das Feld 4, das einen Durchmesser
von etwa 2,8 mm aufweist, klein ist, kann es als annähernd eben
betrachtet werden. Die schematisch auf 1 dargestellte
Erfassungsvorrichtung ist innerhalb des Gehäuses 2 montiert. Sie umfasst
eine Karte 6 mit gedruckten Schaltungen, die am Gehäuse 2 befestigt
ist und die Gesamtheit der hier beschriebenen Vorrichtung trägt, nämlich insbesondere
eine Lumineszenzdiode (LED) 7, welche die einzige Lichtquelle
der Vorrichtung bildet, ein Prisma 8, das so beschaffen
ist, dass es das Licht der LED 7 auf das Objektfeld 4 richtet,
ein optisches System 9, das hier von einer Linse 10 und
einer Blende 11 gebildet ist, einen Träger 12 des optischen
Systems und einen optoelektronischen Sensor 13, der in
bekannter Weise von einer integrierten Schaltung, die an ihrer oberen
Oberfläche
mit einem Gitter aus Photodetektoren versehen ist, gebildet ist.
Das optische System ist so beschaffen, dass es auf diesem Gitter
ein Bild des Feldes 4 erzeugt. Dieses gegenüber dem Fenster 3 angeordnete
System weist eine geradlinige optische Achse 14 auf, die
senkrecht zum Feld 4 ist. Man erhält somit für den Sensor 13 mit
sehr einfachen Mitteln eine gute Qualität des Bildes des Feldes 4.
Eine durchsichtige Schutzplatte 15 kann vor dem Fenster 3 angeordnet
werden.
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Die
Karte 6 mit gedruckten Schaltungen ist eine einseitige
Karte, d.h. dass sich alle gedruckten Schaltungen auf ihrer oberen
Oberfläche 16 befinden,
was die Kosten der Herstellung der Karte und des Montierens der
Bestandteile auf dieser letzteren vermindert. Der Sensor 13 wird
durch die "chip-on-board"-Methode (COB) direkt
an der Fläche 16 der
Karte angebracht, wodurch direkte elektrische Verbindungen gewährleistet
werden. Die LED 7 wird von unten in ein Loch 17 der
Karte 6 eingefügt,
die sie fest in einer genauen Position hält. Ihre beiden elektrischen
Verbindungslaschen 18 sind nach oben gebogen, um in zwei
andere Löcher
der Karte eingefügt zu
werden und durch Schweissung auf die obere Fläche 16 der Karte an
die gedruckten Schaltungen angeschlossen werden zu können. Ein
an der unteren Fläche
der Karte 6 befestigter Kondensator 19 wird in gleicher
Weise elektrisch angeschlossen.
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Die
anderen elektrischen Bestandteile, wie 20, 21,
der Vorrichtung werden an der oberen Fläche 16 der Karte angebracht.
Die gedruckten Schaltungen der Karte 6 werden mittels eines
flachen Kabels 24 an die anderen elektrischen Schaltungen
des Geräts
angeschlossen.
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Der
Träger 12 des
optischen Systems ist aus einem gegossenen Teil aus Plastik gebildet,
das dank zweier elastischer Hakennasen 22, die in Löcher 23 der
Karte eingeführt
werden, durch Einrasten an der Karte 6 befestigt wird.
Dies gewährleistet
eine genaue Positionierung des Trägers 12, der zudem
den Sensor 13 überdeckt
und schützt.
Oberhalb der Blende 11 umfasst der Träger 12 zwei einwärts gebogene Seitenwände 25 und 26,
die um die Linse 10 herum eine Abschirmung bilden, um zu
verhindern, dass sie Störlicht
empfängt.
Allgemein bildet der Träger 12 ein Gehäuse, das
verhindert, dass der Sensor 13 Licht empfängt, das
anderswoher als vom zu beobachtenden Feld her kommt.
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Das
Prisma 8 und die Linse 10 sind vorteilhaft in
Form eines gleichen gegossenen Teils 27 aus durchsichtigem
Kunststoff, zum Beispiel aus Polycarbonat oder aus PMMA, ausgeführt, wobei
dieses Teil zwei seitliche Arme 28 umfasst, die das Prisma
starr mit der Linse verbinden. Dieses Teil 27 wird durch Einrasten
an der oberen Oberfläche 29 des
Trägers 12 angebracht,
der mit zwei elastischen Haken 30 versehen ist, die sich
an den Armen 28 festhaken, um das Teil 27 durch
Einrasten zu befestigen. Diese Befestigungsart und die rechtwinklig
abgewinkelte Form der Arme 28, die zwischen die beiden
Wände 25 und 26 des
Trägers
eingeführt
werden, gewährleisten eine
genaue Positionierung der beiden optischen Elemente 8 und 10 in
bezug auf die anderen Bestandteile der Vorrichtung. Ferner sind
die Herstellungskosten des gegossenen Teils 27 sehr gering, und
das Montieren ist extrem einfach.
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Unter
Bezugnahme auf die 6 bis 9 wird nun
die bevorzugte Form und die Funktion des Prismas 8 beschrieben.
Auf 6 ist die Position des Prismas in bezug auf eine
Referenzebene 32 dargestellt, die parallel zur Karte 6 mit
gedruckten Schaltungen und zur Ebene des Objektfeldes 4 ist.
Alle äusseren
Oberflächen
des Prismas sind eben. Die Eingangsfläche 33 des Prismas
ist in bezug auf die Ebene 32 um etwa 3,47° geneigt.
Die Ausgangsfläche 34 ist
in bezug auf diese Ebene um etwa 86,7° geneigt. Die dritte Fläche 35 ist
eine Reflexionsfläche,
die zwei ebene Oberflächen 36 und 37 umfasst, die
längs einer
Kante 38 miteinander verbunden sind, wobei sie miteinander
einen relativ schwachen Winkel, im vorliegenden Fall einen Winkel
von ungefähr 6,5°, bilden.
Im dargestellten Beispiel beträgt
die Neigung der Oberfläche 36 in
bezug auf die Ebene 32 etwa 57,26°, und diejenige der Oberfläche 37 beträgt etwa
50,71 °.
Die seitlichen Flächen 39 des
Prismas sind im vorliegenden Fall parallel zueinander, aber sie
könnten
auch leicht nach oben konvergierend sein, um das Licht, welches
an diesen Flächen
Totalreflexionen erfährt,
zu lenken.
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Wie
dies schematisch 8 zeigt, tritt ein von der LED 7 herkommendes
Lichtbündel 40 durch die
untere Fläche 33 des
Prismas in dieses letztere ein und erfährt an der Reflexionsfläche 35 des
Prismas eine Totalreflexion. Da die beiden ebenen Oberflächen 36 und 37 dieser
Fläche
verschiedene Neigungen haben, teilen sie das Bündel 40 in zwei Teilbündel 41 und 42 auf,
wovon eines gestrichelt und das andere mit Vollstrich gezeichnet
ist. Nach Strahlenbrechung an der Ausgangsfläche 34 des Prismas 8 fallen
die beiden Bündel
auf das Objektfeld 4 ein, um es zu beleuchten.
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Das
Diagramm der 9 stellt die Verteilung der
so auf dem Objektfeld 4 erhaltenen Beleuchtung E in Abhängigkeit
von der Abszisse in der Längsrichtung
X des Feldes 4 dar. Die Kurve 43 stellt die durch das
Bündel 41 erzeugte
Beleuchtung dar, während die
Kurve 44 diejenige darstellt, die durch das Bündel 42 erzeugt
wird. Die Kurve 45, welche die gesamte durch die beiden
Bündel
erzeugte Beleuchtung darstellt, zeigt eine hervorragende Gleichmässigkeit
der Beleuchtung über
die Länge
des Felds 4. Dies gewährleistet
ein gutes Ansprechen des Gitters aus Photodetektoren des Sensors 13 und
ermöglicht
eine einfache Verarbeitung der Ausgangssignale der Photodetektoren.
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Es
ist festzuhalten, dass eine gute Gleichmässigkeit der Beleuchtung des
Felds 4 auch erhalten werden könnte, wenn die Reflexionsfläche 35 des Prismas 8 eine
gewölbte
Form oder Facetten hätte.
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Die
vorige Beschreibung zeigt, dass die vorliegende Erfindung ermöglicht,
eine einfache und robuste Erfassungsvorrichtung auszuführen, die
mit geringen Kosten serienmässig
gefertigt werden kann, wobei sie gute Leistungen bietet. Wenn ferner in
einer Serienherstellung einer der Bestandteile der Vorrichtung verändert werden
muss, kann dies mühelos
und ohne erhebliche Kosten ausgeführt werden, da die nötigen Veränderungen
einfach an der Karte mit gedruckten Schaltungen oder gegebenenfalls
am Träger 12 oder
am optischen Teil 27 vorgenommen werden können, ohne
die anderen Elemente der Vorrichtung zu verändern.