KR20060101859A - 광학 네비게이션 장치 및 방법 - Google Patents

광학 네비게이션 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

광 네비게이션 장치는 예를 들어 손가락과 같은 광학적으로 평탄하지 않은 표면의 상대적 움직임을, 표면 조직의 포착된 이미지, 예를 들어, 손가락 상의 융기된 부분을 비교함으로써 검출한다. 하우징 내에서는, 광원 및 센서 어레이는 근접하게 배치된다. 센서 어레이는 기판 상에 장착된다. 렌즈 어레이는 촬영될 표면 및 센서 어레이를 조정하여, 표면의 1:1 이미지, 예를 들어 사용자의 손가락 표면이 2차원(2D) 센서 어레이 상으로 형성되게 한다. 마이크로 렌즈는 센서 어레이 상의 개별 픽셀들을 매칭시키도록 설계될 수 있거나, 또는 렌즈 어레이의 각 소자가 센서 상의 픽셀 그룹을 커버하는데 사용된다. 마이크로-렌즈는 이미지가 센서 어레이 상에 형성되도록 또는 이미지가 표면으로부터 초점이 벗어나도록 공간을 두고 평면 내에 형성되도록 배치될 수 있다.

Description

광학 네비게이션 장치 및 방법{COMPACT AND LOW PROFILE OPTICAL NAVIGATION DEVICE}
도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시하는 도면,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예를 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
8 : 하우징 10 : 광원
12 : 센서 어레이 13 : 기판
14 : 렌즈 어레이 16 : 광학 렌즈
20 : 표면
이동 및 휴대용 전자 장치의 인기가 꾸준히 증가함에 따라, 소형 및 저가의 포인팅 장치에 대한 요구가 빠른 속도로 증가하고 있다. 광마우스 내부에 사용되는 광 네비게이션 기술은 정확성, 신뢰성 및 가요성 측면에서 다른 솔루션에 비해 다수의 장점을 제공한다. 그러나, 기존의 마우스 센서 모듈은 셀룰러폰 및 개인 보조 단말기(PDA)와 같은 휴대용 전자 장치에 적용하기에는 너무 크다.
광마우스 센서는 네비게이션 표면의 반사로부터 포착한 이미지의 변화를 추적함으로써 상대적 움직임을 검출한다. 네비게이션 이미지는 사선으로 조명되는 발광 다이오드(LED)에 의해 비추어지는 표면 상에서의 어두운 부분 및 밝은 부분으로 이루어진 패턴, 또는 간섭성 조명원에 의해 네비게이션 표면에 형성된 회절 패턴 또는 스펙클일 수 있다. 광마우스의 핵심부는 광원, 이미지 센서 및 광학 부품(이 부품은 포함될 수도 있고 포함되지 않을 수도 있음), 예를 들어 촬영 렌즈로 구성된 네비게이션 모듈이다. 광원, 예를 들어 LED 또는 레이저는 네비게이션 표면에 조명을 제공하는데 사용되고, 광학 부품의 촬영 부분은 이미지 센서 어레이 상으로 네비게이션 이미지를 형성한다. 촬영 렌즈는 전형적으로 네비게이션 이미지를 2D 센서 어레이 상으로 촬영하는데 사용된다. 전형적인 마우스 센서의 크기는 꽤 크며, 특히 높이가 높다. 큰 모듈 크기는 데스크탑 컴퓨터 마우스와 같은 애플리케이션에서의 광 네비게이션 기술의 확산에는 문제가 되지 않는다. 그러나, 큰 모듈 크기는 셀폰 및 PDA와 같은 휴대용 전자 장치에 동일한 기술의 보다 넓은 적용을 어렵게 한다. 휴대용 전자장치에 있어서, 2mm 정도의 두께를 갖는 포인팅 장치가 요구되는 반면, 전형적인 마우스 센서 모듈은 네비게이션 표면과 센서 사이에 10mm 이상의 공간을 필요로 한다.
기존의 광마우스 센서는 주로 장치 어셈블리의 높이 때문에 예를 들어 셀폰과 같은 휴대용 전자장치 내에 집적하기에는 너무 크다. 전형적인 광마우스 센서 는 네비게이션에 필요한 촬영 여건을 만족시키기 위해 네비게이션 표면과 이미지 센서 사이에 14mm 이상의 공간을 필요로 한다. 현재의 모듈 설계에 따르면, 촬영 기능은 전형적으로 단일 렌즈 소자에 의해 수행된다. 표면과 센서 사이의 최소 공간은 센서 픽셀 크기 및 어레이 크기, 광학 효율(또는 f/#) 및 원하는 광학 배율에 의해 제한된다.
전형적인 마우스 센서 모듈의 높이는 주로 이미지 광학장치의 높이 요구치에 의해 제한된다. 전형적으로, 단위 배율을 갖는, 플라스틱 몰딩된 단일 렌즈가 사용되고, 50um 피치에서 20×20 픽셀을 갖는 2D 센서가 사용된다. 첫 번째 순서로, 1:1 촬영을 달성하기 위해, 네비게이션 표면과 센서 사이의 공간은 촬영 렌즈의 초점 거리의 4배일 것이다. 네비게이션 표면과 센서 사이의 공간이 줄어들게 됨에 따라, 촬영 렌즈의 초점 길이는 줄어들어야 한다. 이론적으로는, 이러한 목적을 위해 매우 짧은 초점 거리의 렌즈를 설계하는 것이 가능하고, 따라서 센서와 네비게이션 표면 사이에 거의 2mm 공간을 달성할 수 있지만, 실제로는 적절한 광 수집 효율을 유지하기 위해 렌즈의 개구 크기는 고려되어야 한다. 렌즈 초점 거리와 렌즈의 직경의 비율은 렌즈의 f-수이다. 단일 소자의 굴절 렌즈를 이용하여 좋은 이미지 품질로 넓은 시야 범위를 커버할 수 있는 1보다 작은 f/#을 달성하는 것은 실제로는 어렵다. 그러한 이유는, 전형적인 광마우스 센서 모듈이 센서와 네비게이션 표면 간에 10mm 이상의 공간을 필요로 하기 때문이다.
광 네비게이션 장치는 예를 들어 손가락과 같은 광학적으로 평탄하지 않은 표면의 상대적 움직임을, 표면 조직의 포착된 이미지, 예를 들어, 손가락 상의 융기된 부분을 비교함으로써 검출한다. 하우징 내에서는, 광원 및 센서 어레이는 근접하게 배치된다. 센서 어레이는 기판 상에 장착된다. 렌즈 어레이는 촬영될 표면 및 센서 어레이를 조정하여, 표면의 1:1 이미지, 예를 들어 사용자의 손가락 표면이 2차원(2D) 센서 어레이 상으로 형성되게 한다. 마이크로 렌즈는 센서 어레이 상의 개별 픽셀들을 매칭시키도록 설계될 수 있거나, 또는 렌즈 어레이의 각 소자가 센서 상의 픽셀 그룹을 커버하는데 사용된다. 마이크로-렌즈는 이미지가 센서 어레이 상에 형성되도록 또는 이미지가 표면으로부터 초점이 벗어나도록 공간을 두고 평면 내에 형성되도록 배치될 수 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서, 렌즈 어레이는 통상적인 광 네비게이션 장치에서의 단일 촬영 렌즈 대신에 사용된다. 하우징(8) 내에, 광원(10) 및 센서 어레이(12)는 근접하게 배치된다. 센서 어레이(12)는 기판(13), 예를 들어 인쇄 회로 보드(PCB) 상에 장착된다. 렌즈 어레이(14)는 광원(10)으로부터 방출된 광이 표면(20)으로부터 반사되도록 배치된다. 렌즈 어레이(14)는 M×N 소자를 포함하는데, 여기서 M>1이고 N≥이다. 렌즈 어레이(14)는 표면(20)으로부터 반사되는 광을 수집하고 2D 센서 어레이(12) 상의 바로 아래에 패 턴을 형성한다. 예를 들어, LED가 광원(10)으로서 사용되는 경우, 렌즈 어레이(14)는 표면, 예를 들어 사용자의 손가락 표면의 이미지를 형성하는데 사용될 수 있다. 도 2a-2c에 도시되어 있는 바와 같이, 렌즈 어레이(14)의 각 소자는 센서 어레이 상의 개별 픽셀을 매칭시키도록 설계되고(도 2a), 또는 렌즈 어레이의 각 소자는 센서 상의 픽셀 그룹을 커버하는데 사용되며(도 2b), 또는 렌즈 어레이의 각 소자는 센서 상의 하나의 픽셀의 일부를 커버하는데 사용된다(도 2c). 렌즈 어레이(14)는 표면(20)의 이미지가 센서 어레이 상에 형성되도록 또는 표면(20)과는 다르며 그 표면과 공간을 둔 다른 평면이 센서 어레이 상에 형성되도록 배치될 수 있다.
광학 렌즈(16)는 광원(10)과 출력 빔이 실질적으로 시준되는 표면(20) 사이에 배치될 수 있다. 광은 예를 들어 언급한 것이다. 본 발명의 개념은 약 1 나노미터(nm) 내지 약 1 미터(m)까지의 파장 범위에 걸쳐 전자기 방사를 포함하는 것으로 연장될 수 있다.
장치의 전체적인 높이는 상당히 줄어드는데, 그 이유는 단일 렌즈 소자의 동일한 f/#을 여전히 유지하면서 렌즈 어레이(14)의 각 소자의 초점 길이는 매우 짧을 수 있기 때문이다.
조명원(10)은 레이저 다이오드 또는 수직 공동 표면 방출 레이저와 같은 간섭성 광원일 수 있다. 이와 달리, 그 조명원은 발광 다이오드(LED) 또는 광학 필터를 구비한 또는 구비하지 않은 광대역 광원과 같은 비간섭성 또는 준-간섭성 광원일 수 있다. 이 실시예는 하우징(8) 내에 포함되어 있는 광원(10)을 개시하고 있지만, 표면은 외부 광원, 예를 들어 주변광에 의해 조명될 수 있다. 표면 그 자체는 표면이 형광 물질, 예를 들어 전자발광 물질을 포함하는 경우에서와 같이 자체 조명될 수 있다.
렌즈 어레이(14)는 굴절성, 회절성 또는 이들의 혼성일 수 있는 소자로 구성된다.
센서 어레이(12)는 전하 결합 디바이스(CCD) 또는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 촬영 어레이일 수 있다. 센서 어레이(12)는 바람직하게 렌즈 어레이에 의해 형성된 패턴을 포착하도록 배치된다. 이 패턴은 표면에 직접 대응하거나, 또는 표면 정보, 예를 들어 스펙클 또는 표면으로부터 반사되는 광으로부터 생성된 간섭 패턴로부터 유도될 수 있다.
본 발명은 상이한 광학 설계 개념을 사용하여 표면과 센서 어레이 사이에서 필요로 하는 공간을 상당히 줄이고, 그에 따라 네비게이션 모듈의 전체적인 높이를 줄인다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 다수의 소자 렌즈 어레이를 사용함으로써, 표면에서 센서 어레이까지의 거리는, 동일한 센서 어레이를 사용하는 단일 렌즈 실시예의 동일한 광학 특성, 예를 들어 배율 및 f/#을 유지하면서 상당히 줄어들 수 있다.
촬영 렌즈의 광 수집 효율은 단일 소자 렌즈의 경우와 동일하거나 또는 더 우수하도록 설계될 수 있다. 마크로-렌즈 어레이는 각 소자가 센서 어레이의 하나의 픽셀에 대응하거나, 또는 각 소자가 센서 내의 픽셀 그룹에 이미지를 매핑하도 록, 또는 센서 내의 각 픽셀이 렌즈 소자의 그룹에 대응하도록 설계될 수 있다.
마크로-렌즈 어레이의 제조는 예를 들어, 에칭, 리플로우, 복제 또는 몰딩과 같은 다수의 방식을 통해 달성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 렌즈 어레이는 웨이퍼 레벨에서 센서 어레이에 집적된다. 다른 실시예에서, 렌즈 어레이는 표면과 센서 사이에 배치되는 별개의 부품이다.
본 발명에 따르면, 상이한 광학 설계 개념을 사용하여 표면과 센서 어레이 사이에서 필요로 하는 공간을 상당히 줄이고, 그에 따라 네비게이션 모듈의 전체적인 높이를 줄일 수 있다.

Claims (23)

  1. 하우징과,
    표면으로부터 전자기파를 수집하는, M>1 이고 N≥1인 M×N의 소자 어레이와,
    상기 전자기파를 수신하는 센서 어레이를 구비하여, 제 1 및 제 2 축을 따른 방향에서의 상대적 움직임을 판단하는 움직임 검출 회로를
    포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기파는 가시 광선, 적외선, 마이크로파, 음파를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 하우징 내에 배치되어 상기 표면으로 상기 전자기파를 방사하는 광원을 더 포함하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 M×N 어레이의 각 소자는 상기 센서 어레이 내 센서의 적어도 일부에 대응하는 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 M×N 어레이의 각 소자는 상기 센서 어레이 내의 단일 센서에 대응하는 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 M×N 어레이의 각 소자는 상기 센서 어레이 내의 센서 그룹에 대응하는 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 광원은 가시광선 또는 적외선을 방출하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 M×N 어레이의 각 소자는 렌즈인 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 렌즈는 굴절성, 회절성을 가지는 소자 또는 그들의 혼성을 갖는 소자인 장치.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 광원은 간섭성, 준-간섭성, 및 비-간섭성 광원 중 하나인 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광원은 간섭성 광원이고, 상기 간섭성 광원은 레이저 다이오드 및 수직 공동 표면 방출 레이저로 구성된 그룹으로부터 선택되는 장치.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 광원은 비-간섭성 또는 준-간섭성 광원이고, 상기 광원은 발광 다이오드(LED) 및 광대역 광원으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 장치.
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 어레이는 CCD 및 CMOS 촬영기 중 하나인 장치.
  14. 제 3 항에 있어서,
    상기 M×N 어레이는 상기 표면의 패턴을 상기 센서 어레이 상으로 형성하도록 배치된 장치.
  15. 제 3 항에 있어서,
    상기 M×N 어레이는 상기 표면과는 다르며 상기 표면과 공간을 둔 평면의 이미지를 상기 센서 어레이 상에 형성하도록 배치된 장치.
  16. 제 3 항에 있어서,
    상기 패턴은 스펙클, 회절 및 표면 이미지를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  17. 전자기 소스를 표면 상으로 적용하는 단계와,
    M>1 및 N≥1인, M×N의 수집 소자 어레이를 적용함으로써 상기 표면의 반사에 대응하는 패턴을 형성하는 단계와,
    센서 어레이를 사용하여 일련의 패턴을 검출하는 단계와,
    상기 패턴을 분석하여 상대적 움직임을 판단하는 단계를
    포함하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전자기 소스는 광학 파장 범위의 광을 방출하고,
    상기 패턴은 스펙클, 회절, 및 표면 이미지를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드 및 수직 공동 표면 방출 레이저로 구성된 그룹으로부터 선택되는 간섭성 광원인 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 광원은 비-간섭성 및 준-간섭성 광원 중 하나이고, 상기 광원은 발광 다이오드(LED) 및 광대역 광원으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 센서 어레이는 CCD 및 CMOS 촬영기 중 하나이고,
    상기 M×N 어레이는 렌즈 어레이인 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 M×N 어레이는 상기 표면의 패턴을 상기 센서 어레이 상으로 형성도록 배치된 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 M×N 어레이는 상기 표면과는 다르며 상기 표면과 공간 둔 평면의 이미지를 상기 센서 어레이 상에 형성하도록 배치된 방법.
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