KR101658570B1 - 회전 광학계를 이용한 지시물체의 위치인식장치 - Google Patents

회전 광학계를 이용한 지시물체의 위치인식장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 화면을 구성하는 디스플레이 장치의 테두리 일측에 각각 설치되어 상기 화면에 수직한 방향을 축으로 회전하면서 상기 화면과 평행한 방향으로 투사광을 조사하고, 상기 화면에 접근한 지시물체로부터 상기 투사광이 회귀 반사된 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하는 한 쌍의 회전광학부와, 상기 수광신호를 이용하여 상기 화면상에서 지시물체의 위치를 인식하는 제어부를 포함하되, 상기 투사광의 조사 영역은 동일한 평면상에서 서로 교차되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 디스플레이 장치의 테두리에 설치된 광학모듈에 의하여 화면 전방에 투사된 투사광이 상기 화면에 접근한 지시물체의 표면에 회귀 반사되어 상기 광학모듈에 입사되는 반사광을 이용하여 상기 화면상에서 상기 지시물체의 위치를 인식하도록 구성됨으로써 종래 기술과 대비할 때 디스플레이 장치의 테두리에 별도의 반사부재를 설치할 필요성이 없기 때문에 디스플레이 장치의 두께 증가를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

Description

회전 광학계를 이용한 지시물체의 위치인식장치{Apparatus for sensing the Position of an Object}
본 발명은 회전 광학계를 이용한 지시물체의 위치인식장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디스플레이 장치의 테두리에 별도의 반사부재를 설치하지 않더라도 단순히 광학모듈에 의해 화면 전방에 투사된 투사광이 지시물체의 표면에 회귀 반사되어 상기 광학모듈에 입사되는 반사광을 이용하여 디스플레이 화면상에서 상기 지시물체의 위치를 인식하도록 구성됨으로써 디스플레이 장치의 두께 증가를 최소화할 수 있는 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치에 관한 것이다.
일반적으로 디스플레이 장치는 컴퓨터 모니터, 텔레비전 모니터, 모바일폰 등 화면을 표시하는 제품에 사용되는데, 화면을 구현하는 방식에 따라 액정표시소자(LCD; Liquid crystal display), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP; Plasma display panel), 진공형광소자(VFD) 등으로 구분된다.
이러한 디스플레이 장치에서 화면상 임의의 위치를 물체로 지시(또는 접촉)할 때 화면상 물체의 위치를 인식하는 방법들은, 저항값의 변화를 감지하여 물체의 위치를 인식하는 방법, 정전 용량의 변화를 감지하여 물체의 위치를 인식하는 방법, 광학모듈을 이용하여 물체의 위치를 인식하는 방법 등 다양한 방법이 개발되고 있다.
위 방법들 중 저항값의 변화를 감지하여 물체의 위치를 입력하는 방법, 정전 용량의 변화를 감지하여 물체의 위치를 인식하는 방법은 대형 디스플레이 장치에 적용하기 어려운 점이 있고 터치 방식이기 때문에 장시간 사용할 경우 디스플레이 패널의 손상으로 인하여 오동작이 발생되는 문제점이 있었다.
따라서, 최근에는 디스플레이 장치의 화면과 평행하게 광을 조사하고 그 반사광을 이용하여 물체를 인식하는 광학모듈을 이용하는 방식이 개발되고 있는데, 이러한 광학모듈을 이용한 지시물체 인식장치에 관한 내용은 하기 [문헌 1] 등에 상세히 개시되어 있다.
그러나, 하기 [문헌 1] 등에서 적용하고 있는 광학모듈을 이용한 지시물체 인식장치는 광학모듈에서 조사된 광이 디스플레이 장치의 테두리에 설치된 반사부재에 반사되었는지 여부에 따라 물체를 인식하는 방식이기 때문에, 상기 반사부재를 별도로 부착해야 하는 문제점과 이로 인하여 반사부재의 두께만큼 디스플레이 장치가 전면으로 돌출되어야 하는 문제점이 있었다.
[문헌 1] 한국등록특허 제1097992호(2011. 12. 26. 공고)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 디스플레이 장치의 테두리에 별도의 반사부재를 설치하지 않더라도 단순히 광학모듈에 의해 화면 전방에 투사된 투사광이 지시물체의 표면에 회귀 반사되어 상기 광학모듈에 입사되는 반사광을 이용하여 디스플레이 화면상에서 상기 지시물체의 위치를 인식하도록 구성됨으로써 디스플레이 장치의 두께 증가를 최소화할 수 있는 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 화면을 구성하는 디스플레이 장치의 테두리 일측에 각각 설치되어 상기 화면에 수직한 방향을 축으로 회전하면서 상기 화면과 평행한 방향으로 투사광을 조사하고, 상기 화면에 접근한 지시물체의 표면으로부터 상기 투사광이 회귀 반사된 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하는 한 쌍의 회전광학부와, 상기 수광신호를 이용하여 상기 화면상에서 지시물체의 위치를 인식하는 제어부를 포함하되, 상기 투사광의 조사 영역은 동일한 평면상에서 서로 교차되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전광학부 각각은, 상기 화면과 수직인 회전축을 중심으로 회전하는 구동모터, 상기 구동모터에 결합되어 회전하면서 상기 회전축 방향으로 투사광을 조사하고 상기 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하는 광모듈, 및 상기 구동모터에 결합되어 회전하면서 상기 투사광을 화면과 평행한 방향으로 반사하고 상기 지시물체의 표면으로부터 반사된 반사광을 상기 광모듈 방향으로 반사하는 반사거울을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광모듈은 회전축의 중심에 설치되어 투사광을 조사하는 발광모듈과, 상기 발광모듈의 외주연에 설치되어 상기 반사거울에서 반사된 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하는 수광모듈을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 한 쌍의 회전광학부는 상기 디스플레이 장치의 일측 테두리에서 양측 모서리부에 서로 대향하도록 설치되고, 각각 상기 대향하는 방향을 기준으로 미리 정해진 각도로 정역회전 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전광학부 각각은, 상기 화면과 수직인 회전축을 중심으로 정역회전하는 구동모터, 상기 구동모터에 결합되어 회전하고 상기 화면과 평행한 판상의 베이스, 상기 베이스의 상면 일측에 고정 설치되어 투사광을 조사하는 발광모듈, 상기 베이스의 상면 타측에 고정 설치되어 상기 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하는 수광모듈, 상기 베이스의 상면에서 투사광의 경로와 동일 또는 평행한 경로상에 고정 설치되어 상기 지시물체로부터 회귀 반사되어 입사되는 반사광을 상기 수광모듈 방향으로 반사하는 하프미러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 베이스는 구동모터의 회전자인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 미리 정해진 기준 위치에 대한 상기 회전광학부 각각의 회전각을 이용하여 상기 지시물체의 위치를 인식하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전광학부는 상기 기준 위치에 도달하는 시각인 기준시를 감지하기 위한 위치 스캔부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 기준시와 상기 수광신호가 출력된 시각을 이용하여 상기 회전각을 연산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 수광신호를 외부 노이즈와 분리하기 위한 신호 필터모듈, 상기 노이즈가 제거된 수광신호를 증폭하기 위한 신호 증폭모듈, 및 상기 회전각을 연산하기 위한 회전각 연산모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 디스플레이 장치의 테두리에 설치된 광학모듈에 의하여 화면 전방에 투사된 투사광이 상기 화면에 접근한 지시물체의 표면에 회귀 반사되어 상기 광학모듈에 입사되는 반사광을 이용하여 상기 화면상에서 상기 지시물체의 위치를 인식하도록 구성됨으로써 종래 기술과 대비할 때 디스플레이 장치의 테두리에 별도의 반사부재를 설치할 필요성이 없기 때문에 디스플레이 장치의 두께 증가를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 각각의 회전광학부가 구동모터와 일체로 결합되어 회전하는 방식이기 때문에 구동모터와 광학계가 분리되어 있는 [문헌 1]등의 종래 기술과 대비할 때 조립공정이 매우 편리해지는 장점이 있다.
즉, 종래 기술의 경우 광모듈과 반사거울과의 광학적 정렬과 반사거울과 화면과의 광학적 정렬을 모두 고려하여 각 구성요소를 조립하여야 하는 문제점이 있으나, 본 발명과 같이 광모듈과 구동모터가 일체화될 경우 반사거울에서 반사되는 광만 화면과 평행하도록 회전광학부 전체를 정렬시키기만 하면 되기 때문에 부품 조립 및 설치가 매우 용이해지게 되는 장점이 있다.
도1는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치가 디스플레이 장치에 장착된 상태를 나타낸 사시도,
도2와 도3은 각각 도1의 A-A부에 대한 단면도와 회전광학부의 부분 확대 단면도,
도4는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치의 동작구성을 설명하기 위한 블럭도,
도5는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치의 다른 변형예를 나타낸 도면,
도6과 도7은 각각 본 발명의 제2실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치가 디스플레이 장치에 장착된 상태를 나타낸 분해사시도와 결합도,
도8은 도7의 B-B부에 대한 단면도,
도9는 본 발명의 제2실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도10과 도11은 본 발명의 제2실시예에 따른 지시물체 위치인식 장치에 적용된 회전 광학계의 전체적인 구성 및 동작원리를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.
(제1실시예)
도1는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치가 디스플레이 장치에 장착된 상태를 나타낸 사시도이고, 도2와 도3은 각각 도1의 A-A부에 대한 단면도와 회전광학부의 부분 확대 단면도이다.
또한, 도4는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치의 동작구성을 설명하기 위한 블럭도이고, 도5는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치의 다른 변형예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 화면을 구성하는 디스플레이 장치(10)의 테두리 일측에 각각 설치되는 한 쌍의 회전광학부(20,30)와, 상기 회전광학부(20,30)를 이용하여 상기 화면에 접근한 지시물체의 위치를 인식하는 제어부(100)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 한 쌍의 회전광학부(20,30)는 각각 상기 화면에 수직한 방향을 축으로 회전하면서 화면의 전방에 상기 화면과 평행한 방향으로 투사광을 조사하고, 상기 화면에 접근한 지시물체의 표면으로부터 상기 투사광이 회귀 반사된 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하도록 구성된다.
따라서, 상기 회전광학부(20,30)에 의하여 조사되는 투사광은 방사상으로 조사되어 각각의 조사영역이 전체적으로 화면과 평행한 평면을 이루게 되며, 구체적으로는 후술하는 방식으로 지시물체의 위치를 인식할 수 있도록 상기 회전광학부(20,30) 각각의 조사영역은 동일한 평면상에서 서로 교차(즉, 중첩)되는 특성을 가지게 된다.
본 실시예에서는 일예로서 상기 한 쌍의 회전광학부(20,30)는 디스플레이 장치(10)의 상면 테두리 일측에 설치된 제1회전광학부(20)와 상기 제어부(100)를 사이에 두고 상기 제1회전광학부(20)와 대향하도록 상기 상면 테두리 타측에 설치된 제2회전광학부(30)를 포함하도록 구성하였으나 이에 한정되지 아니하며, 동일한 기능을 수행하는 범위 내에서는 상기 한 쌍의 회전광학부(20,30)는 필요에 따라 각각 디스플레이 장치(10)의 테두리 일측에 설치될 수 있다.
이때, 상기 제1회전광학부(20)는 하우징(21), 상기 하우징의 내부에 수용되어 상기 화면과 수직인 회전축(22d)을 중심으로 회전하는 구동모터(22), 상기 구동모터(22)에 결합되어 회전하면서 상기 회전축(22d) 방향으로 투사광을 조사하고 상기 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하는 광모듈(23,24), 및 상기 구동모터(22)에 결합되어 회전하면서 상기 투사광을 화면과 평행한 방향으로 반사하고 상기 지시물체의 표면으로부터 반사된 반사광을 상기 광모듈 방향으로 반사하는 반사거울(25)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 하우징(21)은 금속 또는 플라스틱 재질로 구성되며, 디스플레이 장치(10)의 상부면에 장착되는 하부면에는 장착홈(G)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하우징(21)의 적어도 일측에는 후술하는 바와 같이 회전하는 광모듈(23,24)이 조사하거나 수신하는 투사광 및 반사광이 투과될 수 있도록 광학창(W)이 형성되는데, 상기 광학창(W)은 개방된 슬릿 형상으로 구성될 수도 있으나 하우징(21)의 내부에 먼지 등의 오염물질이 유입되는 것을 방지하기 위하여 유리나 플라스틱 재질을 이용하여 밀폐형으로 구성하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 구동모터(22)는 소형 BLDC 모터와 같은 통상의 모터로 바람직하게 구현될 수 있는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 구동모터(22)를 중앙부에 중공형 홀(22g)이 형성된 외전형 BLDC 모터로 구성하였다.
상기 구동모터(22)는 모터를 동작시키기 위한 제어회로 등을 포함하는 기재패널(22a), 상기 기재패널(22a)의 상면에 중공형의 회전축(22d)을 중심으로 회전하도록 상기 회전축(22d)과 결합된 회전자(22e), 상기 회전축(22d)이 삽입 설치되는 베어링(22c), 상기 베어링(22c)의 외주면을 따라 설치되며 코일이 감긴 고정자(22b), 상기 고정자(22b)와 일정 간격을 유지하도록 상기 회전자(22e)의 내주면에 설치된 영구자석(22f)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 회전자(22e)는 상면이 평면인 캡 형상으로 구성되며, 상기 영구자석(22f)은 N극과 S극이 교대로 배치된다.
본 실시예에서는 상기 구동모터(22)가 상술한 바와 같이 구성되는 경우에 대해서 일예로서 설명하나 이에 한정되지 아니하며, 동일한 기능을 수행하는 범위내에서는 상기 구동모터(22)가 다르게 구성될 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 광모듈(23,24)은 회전축(22d)의 중심에 설치되어 투사광을 조사하는 발광모듈(23)과, 상기 발광모듈(23)의 외주연에 설치되어 상기 반사거울(25)에서 반사된 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하는 수광모듈(24)을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서는 상기 광모듈(23,24)이 일체형으로 구성됨으로써 종래 기술에서 사용되던 하프미러를 생략할 수 있는 장점이 있으며, 일예로서 광모듈(23,24)이 상기 회전축(22d)의 중공형 홀(22g)의 상부에 형성된 안착홈(미도시)에 고정 설치되는 것으로 구성하였다.
또한, 상기 발광모듈(23)은 특정 주파수 대역의 적외선을 조사하도록 구성되는 것이 바람직한데, 본 실시예서는 일예로서 통상의 적외선 레이저 광원을 이용하여 상기 발광모듈(23)을 구성하였다.
또한, 상기 수광모듈(24)은 입사되는 반사광의 세기에 비례하는 전기신호인 수광신호를 생성시키는 것으로서 다이오드 등으로 이루어지는 통상의 수광센서(포토 다이오드 등)를 이용하여 바람직하게 구현될 수 있다.
또한, 상기 반사거울(25)은 광모듈(23,24)의 상부에 위치하도록 상기 회전자(22e)의 상면 일측에 설치되는데, 상기 발광모듈(23)로부터 회전축(22d) 방향으로 방출되는 투사광을 디스플레이 면과 평행한 방향으로 반사할 수 있는 각도로 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 필요에 따라서는 상기 반사거울(25)에서 반사된 광의 광로상에는 집광렌즈(또는 collimating lense)(26)가 더 설치될 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하여 발광모듈(23)에서 조사된 투사광은 반사거울에 반사된 후 집광렌즈 방향으로 굴절되고, 상기 굴절된 광은 집광렌즈를 통과하면서 디스플레이면과 평행한 방향으로 조사된다.
한편, 디스플레이면에 위치한 지시물체에 반사된 반사광은 지시물체의 표면에서 난반사가 이루어지면서 대부분 상술한 조사광과 달리 디스플레이면과 일정 각도를 유지한 채로 집광렌즈를 통과한 후 반사거울에서 반사된다.
또한, 상기 반사광은 반사거울(25)에 의하여 상기 회전축(22d)과 일정 각도를 유지하면서 상기 회전축(22d) 방향으로 반사되기 때문에 본 실시예와 같이 발광모듈(23)의 외주연에 수광모듈(24)을 설치한 경우에도 상기 반사광의 센싱이 가능하게 된다.
이 경우, 본 실시예에 따른 제1,2회전광학부(20,30)는 일예로서 360도 회전하도록 구성되는데, 필요에 따라서는 후술하는 제2실시예와 같이 각각 90도의 각도로 정역회전하도록 구성될 수도 있다.
이와 같이 구성된 본 실시예에 따른 회전 광학계는 종래 기술과 대비할 때 하프미러를 생략가능하기 때문에 가용 광량이 이론적으로는 25%에서 100%로 증가하게 되는 장점이 있어, 지시물체에 난반사된 광을 수광부가 센싱할 수 있도록 한다.
또한, 광조사부와 수광부가 회전모터의 중공축부에 설치되는 구조이기 때문에 전체적으로 지시물체 위치인식장치의 크기를 소형화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 이와 같이 가용 광량이 최대화되기 때문에 종래 기술과 달리 디스플레이의 테두리에 반사체가 없는 경우이더라도 지시물체의 표면에서 난반사된 광을 효과적으로 센싱할 수 있으며, 하프미러에 의해 발생되는 75%의 광량에 의한 노이즈를 제거함으로써 신호 센싱의 정확도를 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 상기 구동모터(22)가 미리 정해진 기준 위치에 도달하는 시각인 기준시를 감지하여 전기신호로 출력하는 위치 스캔부(40)를 더 포함할 수 있는데, 상기 위치 스캔부(40)는 통상의 홀 센서나 동작 센서 등을 이용하여 바람직하게 구현될 수 있으며, 상기 구동모터(22)의 특정 위치에 설치된 금속이나 마그네틱 등과 같은 표식장치를 감지할 경우 펄스와 같이 미리 정해진 형태의 전기신호를 출력하도록 구성된다.
이를 위하여 본 실시예에서는 일예로서 상기 위치 스캔부(40)가 구동모터(22)의 측면 일측에 설치된 표식장치(41)와, 상기 하우징(21)의 내부 일측에 설치되어 상기 표식장치를 인식하여 전기신호를 출력하는 위치감지센서(42)로 구성하였다.
한편, 상기 제2회전광학부(30)도 전술한 제1회전광학부(20)와 동일한 구성을 가지는 것이기 때문에 이하에서는 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치의 동작구성을 살펴보면, 먼저 제어부(100)는 상기 발광모듈(23)과 구동모터(22)를 제어하여 화면과 평행한 방향으로 방사상의 투사광을 조사하면서 상기 수광모듈(24), 위치 스캔부(40) 및 타이머부(110)를 이용하여 상기 화면에 접근한 지시물체의 위치를 인식하게 된다.
이를 위하여, 상기 제어부(100)는 상기 광학창(W)을 통해 입사되는 반사광을 수신할 경우 상기 수광모듈(24)이 출력하는 수광신호를 외부 노이즈와 분리하기 위한 신호 필터모듈(101), 상기 노이즈가 제거된 수광신호를 증폭하기 위한 신호 증폭모듈(102), 상기 증폭된 수광신호를 이용하여 상기 기준 위치에 대한 구동모터(22) 또는 광모듈(23,24)의 회전각을 연산하기 위한 회전각 연산모듈(103), 및 상술한 각각의 장치부 및 모듈들의 동작을 제어하는 제어모듈(104)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 제어부(100)는 신호 필터모듈(101)과 신호 증폭모듈(102)을 이용하여 상기 수광모듈(24)이 출력한 수광신호 중 상기 투사광에 대하여 미리 정해진 특정 주파수 대역에 의해 발생된 수광신호만 선택 및 증폭하여 지시물체의 위치를 인식하게 된다.
이를 구체적으로 설명하면, 먼저 상기 신호 필터모듈(101)의 경우 주파수 필터를 이용하여 투사광의 주파수 대역과 동일한 주파수 대역의 광에 의하여 발생된 수광신호만 선택적으로 신호 증폭모듈(102)에 전달하고 상기 신호 증폭모듈(102)은 전달된 전기신호를 증폭하게 되는데, 이와 같은 전기신호의 주파수 필터링 기술과 신호 증폭 기술은 일반적인 기술이기 때문에 여기에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 실시예에서는 수광신호에 주파수 필터를 적용하여 노이즈를 제거하는 방식을 적용한 경우를 일예로서 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 상기 수광모듈(24)의 전단에 광필터(미도시)를 적용하여 상기 투사광의 주파수 대역에 해당하는 광만 수광모듈(24)이 수광하여 전기신호를 출력하도록 구성할 수도 있다.
또한, 상기 제어부(100)는 통상의 계측장치 등에서 사용되는 것과 마찬가지로 초기 설치시 일정시간 동안 상기 수광모듈(24)에서 출력되는 해당 설치 지역의 백그라운드 노이즈를 미리 측정하여 저장한 후, 상기 수광신호의 처리시 이를 반영하도록 구성될 수도 있다.
또한, 본 발명은 손가락이나 지시봉과 같은 지시물체의 표면이 적외선을 반사하는 점에 착안하여 화면과 평행한 방향으로 방사상의 투사광을 조사하면서 반사광이 수신된 경우 회전광학부(20,30) 각각의 회전각을 연산하여 화면상에서 지시물체의 위치를 인식하게 되는데, 상기 회전광학부(20,30)의 회전각을 이용하여 지시물체의 위치를 연산하는 방식은 [문헌 1] 등에 개시된 공지기술이거나 통상의 당업자가 용이하게 수행할 수 있는 수준이기 때문에 여기에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다만, 종래 기술의 경우 디스플레이 장치의 테두리에 반사부재를 설치하고 상기 반사부재에 반사된 광을 이용하는 방식이기 때문에 제어부가 동작 초기에 상기 화면의 전체 크기(즉, 사이즈)를 별도로 인식하는 과정이 불필요하나, 본 실시예의 경우 반사부재를 사용하는 방식이 아니기 때문에 제어부(100)가 동작 초기에 화면에 전체 크기를 인식하는 과정이 별도로 필요하게 되는데, 이에 대해서는 후술하는 제2실시예에서 구체적으로 설명하기로 한다.
또한, 본 실시예에서는 상기 구동모터(22)가 중공형 모터로 구성된 경우를 일예로서 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 도5에 도시한 바와 같이 상기 구동모터(22)가 일반적인 외전형 모터로 구성되고 회전자의 상면 또는 회전자에 결합된 평면상에 상기 광모듈(23,24), 반사거울(25), 집광렌즈(26)가 설치되도록 구성될 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 디스플레이 장치의 테두리에 설치된 광학모듈에 의하여 화면 전방에 투사된 투사광이 상기 화면에 접근한 지시물체의 표면에 회귀 반사되어 상기 광학모듈에 입사되는 반사광을 이용하여 상기 화면상에서 상기 지시물체의 위치를 인식하도록 구성됨으로써 종래 기술과 대비할 때 디스플레이 장치의 테두리에 별도의 반사부재를 설치할 필요성이 없기 때문에 디스플레이 장치의 두께 증가를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 각각의 회전광학부(20,30)가 구동모터(22)와 일체로 결합되어 회전하는 방식이기 때문에 구동모터와 광학계가 분리되어 있는 [문헌 1]등의 종래 기술과 대비할 때 조립공정이 매우 편리해지는 장점이 있다.
즉, 종래 기술의 경우 광모듈과 반사거울과의 광학적 정렬과 반사거울과 화면과의 광학적 정렬을 모두 고려하여 각 구성요소를 조립하여야 하는 문제점이 있으나, 본 발명과 같이 광모듈과 구동모터가 일체화될 경우 반사거울에서 반사되는 광만 화면과 평행하도록 회전광학부 전체를 정렬시키기만 하면 되기 때문에 부품 조립 및 설치가 매우 용이해지게 되며 이는 후술하는 제2실시예의 경우도 마찬가지이다.
(제2실시예)
도6과 도7은 각각 본 발명의 제2실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치가 디스플레이 장치에 장착된 상태를 나타낸 분해사시도와 결합도이고, 도8은 도7의 B-B부에 대한 단면도이다.
또한, 도9는 본 발명의 제2실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도10과 도11은 본 발명의 제2실시예에 따른 지시물체 위치인식 장치에 적용된 회전 광학계의 전체적인 구성 및 동작원리를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 광학계의 구성에 있어서만 전술한 제1실시예와 차별되는 것이기 때문에 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고 중복된 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에서는 일예로서 상기 한 쌍의 회전광학부(20,30)는 디스플레이 장치(10)의 상면 테두리에서 일측 모서리부에 설치된 제1회전광학부(20)와 상기 제1회전광학부(20)와 대향하도록 상기 상면 테두리의 타측 모서리부에 설치된 제2회전광학부(30)를 포함하도록 구성하였다.
이때, 상기 제1회전광학부(20)는 하우징(21), 상기 하우징의 내부에 수용되어 상기 화면과 수직한 방향으로 정역회전하는 구동모터(22), 상기 구동모터에 결합되어 회전하면서 상기 투사광을 조사하거나 반사광을 수신하는 일체형의 광학모듈(B,23,24,27)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 광학모듈(B,23,24,27)은 상기 구동모터(22)에 결합되어 회전하고 화면과 평행한 판 또는 패널 형상의 베이스(B), 상기 베이스(B)의 상면 일측에 고정 설치되어 투사광을 조사하는 발광모듈(23), 상기 베이스(B)의 상면 타측에 고정 설치되어 상기 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하는 수광모듈(24), 상기 베이스(B)의 상면에서 투사광의 경로와 동일 또는 평행한 경로상에 고정 설치되어 상기 지시물체로부터 회귀 반사되어 입사되는 반사광을 상기 수광모듈(24) 방향으로 반사하는 하프미러(27)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 베이스(B)는 화면의 전방에 투사광이 조사될 수 있도록 발광모듈(23), 수광모듈(24) 및 하프미러(27)가 설치된 면(즉, 상면)이 화면으로부터 소정 거리 이격되어 돌출되도록 구성되는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 일예로서 상기 베이스(B)를 원반 형상으로 구성하였다.
상기와 같이 구성된 베이스(B)는 후술하는 구동모터(22)의 회전자(22e)와 연결되어 화면에 수직한 회전축(22d)을 중심으로 회전되면서 상기 투사광이 화면과 평행한 평면에 방사상으로 조사될 수 있도록 한다.
또한, 본 실시예에서는 상기 광학모듈이 별도로 구비된 베이스상에 설치되도록 구성되나, 필요에 따라서는 상기 베이스는 제1실시예와 마찬가지로 구동모터의 회전자일 수 있다.
또한, 상기 하프미러(27)는 발광모듈(23)에서 조사된 투사광이 화면에 접근한 지시물체의 표면에 반사되어 상기 광학창(W)을 통해 입사되는 반사광의 일부를 후술하는 상기 수광모듈(24) 방향으로 반사시키는 기능을 수행하는 것으로서 통상의 광학용 하프미러를 이용하여 바람직하게 구현될 수 있다.
또한, 상기 구동모터(22)는 하우징(21)의 일측에 고정 설치되는 것으로서 전술한 제1실시예와 같이 360°회전하도록 구성될 수도 있으나, 본 실시예에서는 일예로서 상기 구동모터(22)는 후술하는 바와 같이 미리 정해진 각도를 따라 정역회전하도록 구성하였다.
또한, 상기 제2회전광학부(30)도 전술한 제1회전광학부(20)와 동일한 구성을 가지는 것이기 때문에 이하에서는 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
한편, 본 실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 상기 회전광학부(20,30)와 제어부(100)를 연결하는 연결부재(50)와, 상기 연결부재(50)를 통해 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치를 디스플레이 장치(10)의 테두리 일측(본 실시예의 경우 디스플레이 장치의 상부면)에 장착하는 장착부재(60)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이 경우 상기 장착부재(60)는 통상의 나사, 리벳, 볼트/너트를 이용하여 바람직하게 구현될 수 있으나, 본 실시예에서는 일예로서 상기 장착부재(60)를 양면테이프와 같은 접착부재로 구성하였다.
또한, 상기 연결부재(50)와 장착부재(60)와 관련된 구성은 전술한 제1실시예에 적용될 수도 있음은 물론이다.
한편, 전술한 제1실시예에서 언급한 바와 같이 본 발명에 따른 지시물체 위치인식장치는 종래 기술과 같이 화면 테두리부에 반사부재를 사용하는 방식이 아니기 때문에 제어부(100)가 동작 초기에 화면에 전체 크기를 인식하는 과정이 별도로 필요하게 된다.
따라서, 본 실시예에서는 도8에 도시한 바와 같이 동작 초기에 제어부(100)가 화면의 좌상점(X1), 우상점(X2), 우하점(X3), 및 좌하점(X4)을 인식하는 초기화 과정이 필요할 수 있는데, 상기 초기화 과정은 디스플레이 장치에 설치가 완료된 후 제어부(100)에 미리 저장된 알고리즘에 따라 사용자가 상기 좌표(X1,X2,X3,X4)를 지시물체로 순차적으로 지시하고 제어부(100)가 상기 좌표 각각에 대응되는 회전광학부(20,30)의 회전각을 연산하여 저장하는 방식으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 제어부(100)는 지시물체의 표면에 반사된 반사광을 수신한 경우 상기 위치 스캔부(40)와 회전각 연산모듈(103)을 이용하여 회전광학부(20,30)마다 상술한 각각의 기준 위치에 대한 회전각을 연산하게 되는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 기준 위치를 각각의 회전광학부(20,30)가 서로 대향하는 방향으로 투사광을 조사하는 위치(즉, 투사광의 광로가 디스플레이 장치의 상부면과 평행한 위치)로 설정하였다.
또한, 상기 회전광학부(20,30)는 소정 주기(T)로 회전 또는 정역회전 하면서 투사광을 조사하도록 구성되는데, 본 실시예에서는 상기 회전광학부(20,30)가 일예로서 상기 기준 위치를 기준으로 미리 정해진 각도(일예로서, 90°)로 정역회전 하는 것으로 구성하였다.
이때, 상기 위치 스캔부(40)는 상기 베이스(B)의 저면에 설치된 표식장치( 41)가 상기 기준 위치에 도달할 경우 상기 위치감지센서(42)가 이를 인식하여 상기 회전광학부(30)가 상기 기준 위치에 도달하는 시각인 기준시(즉, t0)를 감지하게 된다.
상기와 같은 구성에 의하여 상기 제어부(100)는 상기 회전광학부(20,30)가 반사광을 수신하는 위치의 회전각을 연산할 수 있는데, 이하에서는 이에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
예를 들어, 상기 위치센서부(42)가 홀 센서로 구성되고 베이스(B)의 저면에 설치된 표식장치(41)는 자석으로 구성된 경우, 상기 회전각 연산모듈(103)은 회전광학부(30)의 기준시, 이로부터 얻은 회전광학부의 회전 주기(T)와 상기 반사광을 수신한 시각(즉, 수광신호가 출력된 시각)을 이용하여 상기 수광신호를 출력한 회전광학부(20,30)의 기준 위치에 대한 각도인 회전각을 연산하게 된다.
즉, 먼저 도8에서와 같이 상기 위치 스캔부(40)가 시각 t0 와 t0+T 에서 회전광학부(구체적으로는 베이스)가 상술한 기준 위치에 도달하는 것으로 인식하였고, 지시물체로부터 반사된 반사광을 수광모듈(24)이 수신한 시각(즉, 수광신호가 출력된 시간)이 t 라고 가정할 경우 상기 시각 t에서의 해당 회전광학부(20,30)의 회전각 θ1은 아래의 [수학식 1]로 구해질 수 있다.
Figure 112014128245641-pat00001
Figure 112014128245641-pat00002

이때, 상기 회전 주기(T)는 구동모듈(27)의 특성값으로 미리 정해진 값이거나 전술한 바와 같이 상기 제어부(100)가 위치 스캔부(40)의 출력을 이용하여 얻을 수 있는 값이다.
또한, 상기 반사광을 수신한 시각(즉, 시각 t)은 통상의 신호처리 기술에 의하여 수광모듈(34)의 출력인 수광신호와 이에 대응되는 타이머부(110)의 측정 결과를 이용하여 구할 수 있다.
상술한 바와 같이 한 쌍의 회전광학부(20,30)의 회전각이 연산되면 상기 제어부(100)는 [문헌 1]에 개시된 바와 동일한 방식에 의하여 화면상에서 상기 반사광을 반사한 지시물체의 좌표(위치)를 연산할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 지시물체를 인식하기 위한 상기 광학모듈을 외부 동력에 의하여 회전하는 평판상에 투사광을 조사하는 발광장치와 상기 투사광이 지시물체에 반사된 반사광을 수광하는 수광장치를 고정 설치하여 구성함으로써 제1실시예와 대비할 때 반사거울의 구성을 생략할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 실시예에 따른 회전 광학계를 이용한 지시물체 위치인식장치는 상기 회전판이 필요한 범위 내에서만 왕복으로 회전(즉, 정역회전)하도록 구성됨으로써 상기 회전판을 회전시키기 위한 외부 구동원의 불필요한 동력낭비 및 신뢰성 저하를 현저히 방지할 수 있는 장점이 있다.
10 : 디스플레이 장치 20,30 : 회전광학부
40 : 위치 스캔부 50 : 연결부재
60 : 장착부재 100 : 제어부

Claims (9)

  1. 화면을 구성하는 디스플레이 장치의 테두리 일측에 각각 설치되어 상기 화면에 수직한 방향을 축으로 회전하면서 상기 화면과 평행한 방향으로 투사광을 조사하고, 상기 화면에 접근한 지시물체의 표면으로부터 상기 투사광이 회귀 반사된 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하는 한 쌍의 회전광학부;와
    상기 수광신호를 이용하여 상기 화면상에서 지시물체의 위치를 인식하는 제어부를 포함하되,
    상기 투사광의 조사 영역은 동일한 평면상에서 서로 교차되고,
    상기 회전광학부 각각은, 상기 화면과 수직인 회전축을 중심으로 회전하는 구동모터, 상기 구동모터에 결합되어 회전하면서 상기 회전축 방향으로 투사광을 조사하고 상기 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하는 광모듈, 및 상기 구동모터에 결합되어 회전하면서 상기 투사광을 화면과 평행한 방향으로 반사하고 상기 지시물체의 표면으로부터 반사된 반사광을 상기 광모듈 방향으로 반사하는 반사거울을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 회전 광학계를 이용한 지시물체의 위치인식장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광모듈은 회전축의 중심에 설치되어 투사광을 조사하는 발광모듈과, 상기 발광모듈의 외주연에 설치되어 상기 반사거울에서 반사된 반사광을 수신하여 수광신호를 출력하는 수광모듈을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 회전 광학계를 이용한 지시물체의 위치인식장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 미리 정해진 기준 위치에 대한 상기 회전광학부 각각의 회전각을 이용하여 상기 지시물체의 위치를 인식하는 것을 특징으로 하는 회전 광학계를 이용한 지시물체의 위치인식장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 회전광학부는 상기 기준 위치에 도달하는 시각인 기준시를 감지하기 위한 위치 스캔부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 기준시와 상기 수광신호가 출력된 시각을 이용하여 상기 회전각을 연산하는 것을 특징으로 하는 회전 광학계를 이용한 지시물체의 위치인식장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 수광신호를 외부 노이즈와 분리하기 위한 신호 필터모듈, 상기 노이즈가 제거된 수광신호를 증폭하기 위한 신호 증폭모듈, 및 상기 회전각을 연산하기 위한 회전각 연산모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 광학계를 이용한 지시물체의 위치인식장치.
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