专利名称：用光束及其阻断方式操作的人机接口输入设备的制作方法
技术领域：
本发明是关于用光束及其阻断方式来给电子设备输入信息的装置和方法，更具体地说，本发明是关于用光束及其阻断方式操作的计算机键盘，鼠标，手机的键盘，以及各种电子仪器的输入设备及其使用的新方法。
背景技术：
让操作者用光束，以及红外光束来给电子仪器或设备输入信息的装置可分为两大类。一类是让操作者将光束发送到接收器的特定部位以触发输入信号。这一类的主要装置有用激光或光笔操作的键盘和鼠标，以及用反射光操作的键盘和鼠标等。第二类是通过阻断正在通行的光束，以达到触发输入信号的目的。这一类装置主要有红外触摸屏等。让操作者用发光器来操作的输入设备，主要缺陷是输入速度慢，且容易发生错误， 无法普及。用反射光操作的键盘和鼠标，虽然解决了输入速度问题，但生产成本较高，且由于反射距离难以控制一致，使得使用方式与传统键盘和鼠标相差较大，使用者需要花较长时间学习才行。这两种设备都基本上可以避免或减少传统按键式键盘和鼠标对使用者的伤害，但由于这些缺陷，很难成为市场的主流产品而取代传统的按键式键盘和鼠标。红外触摸屏是在显示屏周围分布红外发射和接受对管，当物体如手指进入光网时，可以从被阻挡的光束判断出物体的位置，并触发按键信号。常用的红外触摸屏由于在背景光较强时的不稳定性，和使用方法等原因，并不适用于小型电子设备，如个人计算机和手机等的输入设备。美国专利5，707，160试图把红外触摸屏的感知方式应用于键盘和鼠标，但其光学稳定性，手指误操作等问题均未实际解决，并不实用。
发明内容
本发明的目的在于创造一种基于光束的人机输入设备，使得其不仅可以避免传统键盘和鼠标对人体的伤害，而且还有输入速度更快，使用方式容易上手，在各种光学环境中都能稳定工作，且成本较低等优点。本发明包括一个光束的发射，接受，及分析装置。该装置有自己的微处理器和一些按特定方式安置的发光和光敏元件，及其相关电路。当光敏元件所接收的光线被阻断时，则触发输入信号。像键盘那样将触发信号转为输入字母符号或指令信号的装置称为光敏键盘，像鼠标那样控制光标在屏幕上的移动的装置称为光敏鼠标。光敏键盘有两种实施方案。第一种方案的光敏接收元件就处于字符处，其顶面略低于四周，但暴露于背景光中。发光管则处于四周，保证每个接收元件都能在周围X-Y四个方向上接收到来自发光管的光线。当手指或物件置于接收元件上方足够接近时，来自发光管和背景光的光线都被遮挡，则此接受元件的状态就可以触发一个输入信号。这种方案的好处之一是背景光不再成为干扰的因素，从而彻底解决了困扰各种光学输入系统的光学稳定性问题。另一好处是光敏接受面，即字符面，可以做得非常小，如贴片型的光敏元件可以只有l_2mm的尺度。这就使得在小型器件，如手机，手表等器件上也可以部属大量的字符， 解决了小型器件信息输入较难的问题。第二种的光信号发射和接受元件成对状，分布在印刷有键盘字符的盘面四周，有些类似于红外触摸屏。但在每个字符四周都有凸起间隔，在这些凸起上有小槽口以让发光管的光束通过。这些凸起主要有三重作用1)它们可以防止手指在起落时错误地触及其它字符位置。2~)它们给手指以触摸感。这种触摸感可以提高输入速度，又可以避免手指正面撞击在盘面上，以减少手的劳损伤害。3)这些凸起可以有效地防止背景光被盘面反射至接收管，从而大大地增加了光敏键盘的光学稳定性。当手指或其它物件，如笔杆等，置于字符上而挡住槽口时，光敏管就接收不到正常的光信号。这时，此装置的微处理器就产生相应的字符或命令信号，并通过相连电路进行处理。光敏鼠标的器件布置也有相应的两种方案，而每种器件又可以有两种不同的使用方式。第一种方案是接收元件成阵列集中排放，接收面略低于四周，但暴露于背景光中。 发射管则在四周，以保证每个接收面都可以接受到来自四方发射的光线。当手指或物件置于接收元件上方足够接近时，来自发光管和背景光的光线都被遮挡，则从此接受元件的状态就可以判断手指或物件的位置。这种方案的第一种使用方式可以根据手指或光线阻挡物移动的方向和距离来相应地移动光标在显示屏上的方向和距离。，也可以由光敏面的中心到手指或光线阻挡物的方向和距离来决定光标在显示屏上移动的方向和速度。第二种方案的发光元件和光敏元件分布在一个盘面的四周，S卩如红外触摸屏一样。但中间盘面用不反光的材料制成，且反光管和接收管前都有孔状的屏蔽装置以保证光敏元件只能接收到来自相对发射管的光线。发射管发射的光线由相对应的接收管接收，并形成一个光网。当手指或光线阻挡物进入光网时，相应光线被阻挡，接收管就接收不到相应信号，从而可以判断出手指或光线阻挡物所处位置。这种方案的第一种使用方式是根据手指或光线阻挡物在光网中移动的方向和距离来相应地移动光标在显示屏上的方向和距离。这种方式的好处是符合人们使用传统鼠标的习惯，无需学习就可上手。这种方案的第二种使用方式是当手指或光线阻挡物在光网中不动时，由光网的中心到手指或光线阻挡物的方向和距离来决定光标在显示屏上移动的方向和速度。这种方式的好处是大大减少了手的移动，能有效地减少使用鼠标所带来的伤害。这两种方案，也都可以用来实现鼠标上按键和滚轮的功能。即当光敏元件被遮挡时，相当于按键被按下，但光敏元件又接收到光线时，则相当于按键被释放。滚轮的功能可以用两个光敏元件来实现，即当一个元件的光线被遮挡时，相当于滚轮向一个方向转动。另一个光敏元件则起滚轮向另一方向转动的作用。在键盘和鼠标上都设置了一个锁存键。当键盘上的锁存键处于触发状态时，其后所有被触发的键都被处理为一直处于被触发状态，当锁存键被释放时，则释放其间所有被触发的键。也就是说在键盘的锁存键起作用时，它是一直处于被触发状态。鼠标上的锁存键工作方式略有不同。当鼠标上的锁存键被触发然后释放后，则相当于鼠标左键被一直按下，光标移动时则起拖动作用。当鼠标上的锁存键被再次触发然后释放后，则相当于鼠标左键被释放。当鼠标上的锁存键被触发时，如果有其它按键在同时被触发，则当锁存键被释放时，这些键被处理为一直按下。当鼠标上的锁存键被再次触发然后释放后，这些键则被释放。与现有的计算机输入装置相比，本发明并不需要改变使用习惯，而且还有下列优越之处(1)由于手无需移动任何实体，如按下实体键，或移动鼠标壳体，从而提高了输入的速度。( 由于手指可以不再接触物体受力，避免了一项伤害因素。( 可以使用笔或其它杆状物来操作，减少了对人体姿势的要求，更减少了对手腕和肩膀的压力。(4)可以大幅减少使用鼠标时手的紧张程度和移动距离，避免鼠标手的形成。
图1是第一种键盘方案的示意图；图2是第二种键盘方案的示意图；图3是第一种鼠标方案的示意图；图4是第二种鼠标方案的示意图；图5是鼠标按键的示意图；图6是鼠标滚轮的示意具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。图1是第一种键盘方案的示意图。发光管在四个角上，其光线的发散角度只要大于90度就可以到达每一个光敏元件，而任何一个或多个光接收元件被覆盖遮挡时，并不妨碍其它的光敏元件接收来自发光管的光线。光接收元件暴露在背景光中，当来自背景光和发射管的光都被遮住时，才触发信号。图中的光敏元件为矩形物，处于圆形凹陷中。实际使用时，但阻挡物处于圆形口时，不必触及底面，就可激发输入信号。图2包括了第二种键盘方案的主要构件，即发射管系列，接收管系列，字符所在面。各字符之间有凸起将其相隔，凸起上有通光槽口以让发射管的光线抵达接收管。当发射管发射光线，而通光槽口被阻挡时，接收管接收不到光线，则触发一个信号。根据收不到光的接收管所在的X和Y方向的位置，可以定出阻挡物所在的位置。从图中可以看到，字符所在平面略低于通光槽口的底面，这就使得阻挡物无需触及字符面就可阻断光信号而触发输入信号。图3显示了第一种鼠标方案，光接收元件顶部平面处于背景光中。当手指或遮挡物在光敏元件上部遮住同时来自背景光和发射管的光线时，才触发定位信号。微处理器定时扫描以确定遮挡物的位置。可以用遮挡物的位移来决定光标在显示屏上的位移，也可以用从中心到遮挡物位置处的方向和距离来决定光标移动的方向和速度，如距离越远，速度越快。图4显示了第二种鼠标方案。在发射管和光接收管前都使用了双重屏蔽物及槽口，以防止背景光干扰及发射管的光线散射到相邻对的接收管。当然，也可以用一个比较宽的屏蔽物来达到相同效果。中间手指活动地区的底面应为 光面，以防止背景光反光干扰。 微处理器定时扫描以确定遮挡物的位置。可以用遮挡物的位移来决定光标在显示屏上的位移，也可以用从中心到遮挡物位置处的方向和距离来决定光标移动的方向和速度，如距离越远，速度越快。图5是鼠标右按键的示意图。当光敏元件被遮挡时，相当于键被按下。当光敏元件重见光明时，相当于按键被释放。图6是鼠标滚轮的示意图。其中一个光接收元件被遮挡时，起滚轮向上转动的作用。另一个光接收元件被遮挡时，起滚轮向下转动的作用。
权利要求
1.一种电子输入装置，包括一些发光管和一些光敏接收元件，并与内部的微处理器电路相连；所述的发光管的光线可以激发所述光敏接收元件，其波长范围可以是从可见光到红外光的全部可用范围中的一段；其特征是，所述的光敏接收元件处于所述的发光管和背景光的照射范围，而背景光也有可能激发所述的光敏接收元件；所述的发光管分布在所述的光敏接收元件的四周，以使得当所述的光敏接收元件中的一个或多个被覆盖遮挡时，并不会妨碍其余所述的光敏接收元件被所述发光管的出射光激发；当所述光敏接收元件中的一个或多个被手指或其它物件覆盖遮挡，而不能在所述的周围发光管发光时被激发，则所述的微处理器电路可以判定被遮挡的所述光敏接收元件的位置。
2.根据权利要求1所述的输入装置，其特征是，所述的微处理器电路根据所述被遮挡的光敏接收元件的位置产生相应的键盘输入的信号，并做相应处理。
3.根据权利要求1所述的输入装置，其特征是，所述的微处理器电路根据所述被遮挡的光敏接收元件的位置产生出光标在屏幕上移动的方式；从所述光敏接收元件所在区域的中心到所述被遮挡的位置的方向决定光标在屏幕上移动的方向，从所述光敏接收元件所在区域的中心到所述被遮挡的位置的距离决定光标在屏幕上移动的速度。
4.根据权利要求1所述的输入装置，其特征是，所述的微处理器电路周期性地扫描并检查所述被遮挡的光敏接收元件的位置的移动，并将移动的方向转换成光标在屏幕上移动的方向，将移动的距离转换成光标在屏幕上移动的距离。
5.根据权利要求1所述的输入装置，其特征是，所述的微处理器电路根据所述被遮挡的光敏接收元件的位置产生相应的鼠标键被按下的信号，并做相应处理。
6.根据权利要求1所述的输入装置，其特征是，所述的微处理器电路根据所述被遮挡的光敏接收元件的位置产生相应的鼠标滚轮被转动的信号，并做相应处理。
7.一种电子输入装置，包括成阵列相对的发光管和光敏接收元件，并与内部的微处理器电路相连；所述的发光管的光线可以激发所述光敏接收元件，其波长范围可以是从可见光到红外光的全部可用范围中的一段；当所述的光敏接收元件在与其相对的所述发光管发光时也不能被激发时，则所述的微处理器电路会产生一个键盘输入的信号，并做相应处理； 其特征是，有一些凸起将所述的发光管和光敏接收元件之间的区域划分成一些小块，每个所述小块对应于键盘上的一个键；所述凸起上有一些通光口，可以让特定的所述发光管所发出的光线通过并激发特定的所述光敏接收元件；当所述的通光口被阻挡时，就可以触发一个键盘输入的信号。
8.一种电子输入装置，包括成阵列相对的发光管和光敏接收元件，并与内部的微处理器电路相连；所述的发光管和光敏接收元件的波长范围可以是从可见光到红外光的全部可用范围中的一段；其特征是，在所述的发光管和光敏接收元件之间有带通光口的屏蔽，以使得每个所述光敏接收元件只能被其所正对的所述发光管激发；所述发光管和光敏接收元件之间的物质均为 光材料；当所述通光口被手指或其它物件阻挡时，所述的光敏接收元件在所述的与其正对的发光管发光时也不能被激发，则所述的微处理器电路可以从被阻挡的光通道判断出阻挡物的位置。
9.根据权利要求8所述的输入装置，其特征是，所述的微处理器电路根据所述阻挡物的位置产生出光标在屏幕上移动的方式；从所述成阵列相对的发光管和光敏接收元件所在区域的中心到所述阻挡物位置的方向决定光标在屏幕上移动的方向，从所述成阵列相对的发光管和光敏接收元件所在区域的中心到所述阻挡物位置的距离决定光标在屏幕上移动的速度。
10.根据权利要求8所述的输入装置，其特征是，所述的微处理器电路周期性地扫描并检查所述阻挡物位置的移动，并将移动的方向转换成光标在屏幕上移动的方向，将移动的距离转换成光标在屏幕上移动的距离。
11.一个输入装置上的键位称为锁存键，其特征是，但所述锁存键被触发并处于触发状态时，其后所有被触发的键都被处理为一直处于被触发状态，当所述锁存键被释放时，则还原其间所有被触发的键为其实际状态。
全文摘要
本发明公开了一种用光束及其阻断方式来给电子设备输入信息的装置和方法。本发明包括成阵列的发光管和光敏接收元件，其主要特征是用阻断光束来触发输入信号。这些装置和方法不仅可以避免使用通常键盘和鼠标所带来的对肢体的伤害，而且可以提高输入速度，无需改变使用习惯。
文档编号G06F3/048GK102214002SQ20101014131
公开日2011年10月12日 申请日期2010年4月8日 优先权日2010年4月8日
发明者颜涌 申请人:颜涌