KR20070029073A - 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20070029073A
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아바고 테크놀로지스 이씨비유 아이피 (싱가포르) 피티이 리미티드
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Abstract

본 발명에 따른 검출 시스템은 기판, 레이저 및 센서 어레이를 포함한다. 기판은 제 1 표면, 개념적으로 복수의 영역으로 분할된 제 2 표면 및 제 3 표면을 포함한다. 레이저는 기판으로 전자기 방사선을 방출하여 제 2 표면 영역 상으로 입사시키도록 구성되어 있다. 센서 어레이는 제 2 표면으로부터 반사된 전자기 방사선을 캡처하도록 구성된다. 제 1 유전율을 갖는 제 1 유전체가 일부 영역과 접촉하면, 이 영역에 입사하는 전자기 방사선이 전부 내부 반사를 일으키고, 만약 제 2 유전율을 갖는 제 2 유전체가 다른 영역과 접촉하면, 이 영역에 입사하는 전자기 방사선의 일부가 제 2 유전체에 의해 기판으로 다시 반사된다. 센서 어레이는 제 2 표면에서의 전자기 방사선의 입사에 의해 생성되는 레이저 스페클을 검출하고, 제 2 유전체로부터 반사된 전자기 방사선을 검출하도록 구성된다.

Description

검출 시스템 및 방법{POSITION DETECTION SYSTEM USING LASER SPECKLE}
도 1(a)는 평탄한 반사면에 입사하는 레이저 조명을 도시한 도면.
도 1(b)는 미세하게 거친 반사면에 입사하여 스페클을 생성하는 레이저 조명을 도시한 도면.
도 2는 다양한 실시예에서 설명한 바와 같은 검출 시스템을 도시한 도면.
도 3은 다양한 실시예에서 설명한 바와 같은 표면과 직교하는 각에서 본 제 2 표면을 도시한 도면.
도 4는 다양한 실시예에서 설명한 바와 같은 검출 시스템의 다른 도면.
도 5는 다양한 실시예에서 설명한 바와 같은 레이저 스페클을 이용하여 위치 변화를 결정하는 방법의 순서도.
포인팅 디바이스(pointing device)는 조작자가 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 이용하여 컴퓨터를 제어할 수 있게 하는 컴퓨터 시스템의 일반적인 구성요소이다. 조이스틱, 트랙볼, 기계식 마우스, 라이트펜(lightpen) 및 이러한 목적 을 위한 보다 최근의 광학 마우스를 포함하는 다양한 포인팅 디바이스가 수년에 걸쳐 개발되어 왔다. 또한, 통상적으로 스타일러스를 채용하는 다양한 유형의 디지털 방식의 태블릿이 있다.
이들 포인팅 디바이스의 주 목적은 조작자의 손의 움직임을 컴퓨터가 사용할 수 있는 신호로 변환시키는 것이다. 이것은 컴퓨터의 모니터 화면에 사용자의 손의 움직임에 따라 커서가 움직이는 것을 디스플레이함으로써 이루어진다. 사용자에 의해 선택될 수 있는 커맨드는 통상 커서의 위치로 조정된다. 원하는 커맨드는 먼저 포인팅 디바이스의 움직임을 통해 화면 상의 적절한 위치에 커서를 위치시킨 후, 포인팅 디바이스 상의 버턴 또는 스위치를 활성화시킴으로써 선택될 수 있다.
모니터 화면 상의 커서의 위치 조정은 처음에는 고정된 기준 프레임에 대한 조이스틱 또는 마우스의 상대적인 운동을 기계적으로 검출함으로써 이루어졌는데, 마우스의 경우에는 이 고정된 기준 프레임이 책상 표면 또는 마우스 패드가 될 수 있다. 일반적인 기법은 동작 중에 책상 표면 또는 기타 표면과 접촉하여 마우스가 이동할 때 굴러가는 마우스 내부의 볼을 사용하는 것이다. 마우스 내부에는 볼과 접촉하여 볼이 굴러가는 데로 회전하는 두 개의 롤러가 있다. 이들 중 하나의 롤러는 X 방향의 운동을 검출하도록 배향되고, 다른 하나는 상기 롤러와 90°의 각도로 배향되어 Y 방향의 운동을 검출한다. 이들 롤러는 별도의 축에 연결되어 있으며, 각각의 축은 별도의 광학 인코더에 연결되고, 이 광학 인코더는 관련 롤러의 이동에 해당하는 전기 신호를 출력한다. 이 신호는 적절히 인코딩되어 일반적으로 이진 데이터로서 컴퓨터로 전송되고, 컴퓨터는 이 수신 신호를 디코딩하여 마우스 의 물리적 움직임에 대응하는 양만큼 컴퓨터 화면상에서 커서를 이동시킨다.
보다 최근에는, 좌표축의 방향을 따른 상대적인 움직임을 나타내는 움직임 신호(motion signal)를 생성하는 광학 네비게이션 기법들이 이용되고 있다. 이들 기법은, 컴퓨터 시스템에 대한 윈도우 사용자 인터페이스에서 화면 포인터의 위치 제어를 위해, 예를 들어 광학 컴퓨터 마우스에서 종래의 마우스 및 트랙볼을 대체하는데 사용되고 있다. 이러한 기법은 여러 가지 이점을 갖는데, 그 중에서도 이동 부분에 오물의 누적 및 기계적인 마모가 적다는 이점이 있다.
광학 네비게이션 기법을 이용하는 시스템에서의 움직임은 일련의 이미지의 상대적인 변위를 추적함으로써 측정된다. 먼저, 기준 표면의 영역의 2차원 뷰가 광 검출기 어레이 상에서 포커싱되며, 이 광 검출기 어레이의 출력은 디지털화되어 메모리의 대응 어레이 내에 기준 이미지로서 저장된다. 잠시 후에 제 2 이미지가 디지털화된다. 만약 아무런 움직임도 없다면, 기준 이미지 다음에 획득된 이미지의 패턴과 기준 이미지의 패턴이 동일할 것이다. 반면에, 움직임이 있었다면, 후속 이미지의 패턴이 광 검출기 어레이의 물리적 움직임의 크기만큼 이동축을 따라 이동하였을 것이다. 컴퓨터 시스템에서 위치 제어를 위해 기계적인 마우스 대신에 광 마우스를 사용하는 경우에 이 기법을 이용한다.
실제로, 광 마우스의 이동 방향 및 이동 양은 기준 이미지의 패턴과 일련의 제 2 이미지의 변화된 패턴을 비교함으로써 측정할 수 있다. 광 마우스의 실제 움직임에 가장 잘 대응하는 변화된 이미지는 기준 이미지와 가장 큰 상관 값을 제공할 가능성이 가장 높은 정확한 변화를 갖는 각각의 변화된 제 2 이미지 사이의 상 관(cross-correlation)을 통해 결정된다. 후속 이미지들은 전술한 방법을 이용하여 광 마우스의 후속 움직임을 나타내는데 사용될 수 있다. 광학 네비게이션 센서는 하부의 조사된 표면 텍스처의 일련의 이미지를 획득함으로써 동작한다. 이 표면은 마이크로 텍스처를 갖는다.
다른 최근의 장치는 원래 랩탑 컴퓨터에 사용하도록 개발된 터치패드이다. 터치패드는 사용자의 손가락의 접촉을 감지한다. 이들은 사용자가 터치패드의 표면을 따라 단순히 손가락 끝을 이동시킴으로써 컴퓨터 화면 상의 커서를 이동시킬 수 있게 한다. 사용자의 손가락은 터치패드의 표면 아래에 격자(grid)로 구성된 용량성 센서 어레이에 의해 검출된다. 컴퓨터 화면상의 커서의 네비게이션은 센서 어레이에 대한 사용자의 손가락의 용량성 결합을 통해 동작한다. 사용자의 손가락은 밀봉된 표면 위에서 움직이며, 이 밀봉된 표면 아래에는 격자로 구성되어 있으며 표면 전기장을 생성하는 미세한 전기 도체로 이루어진 두 개의 층이 놓여 있다. 이 표면에 손가락 끝을 접촉하면 그 지점에서 전기장이 왜곡된다. 손가락 끝의 접촉은, 격자를 스캐닝하고 각 도체 상의 변화의 세기를 감지함으로써 확인할 수 있다. 이 기술은 용량성 감지의 형태로서, 전기장 왜곡 감지(field distortion sensing)라고도 한다. 온 스크린 마우스 또는 커서의 방향은 터치패드의 표면 상의 사람의 손가락 끝의 이동에 의해 직접 영향을 받는다. 지원 소프트웨어는 마우스의 가속을 조정하고, 마우스 "클릭(click)" 및 "드래그 락(drag-lock)" 기능을 할당할 수 있게 한다. 이러한 터치패드의 크기는 제조업자 및 모델에 따라서 변한다. 일부는 2×2 평방인치이다.
실시예에는 검출 시스템이 개시되어 있다. 검출 시스템은 기판, 레이저, 센서 어레이를 포함한다. 기판은 제 1 표면, 개념적으로 복수의 영역으로 분할된 제 2 표면 및 제 3 표면을 포함한다. 레이저는 기판으로 전자기 방사선을 방출하여 제 2 표면 영역 상으로 입사시키도록 구성되어 있다. 센서 어레이는 제 2 표면으로부터 반사된 전자기 방사선을 캡처하도록 구성된다. 제 1 유전율을 갖는 제 1 유전체가 일부 영역과 접촉하면, 이 영역에 입사하는 전자기 방사선이 전부 내부 반사를 일으키고, 만약 제 2 유전율을 갖는 제 2 유전체가 다른 영역과 접촉하면, 이 영역에 입사하는 전자기 방사선의 일부가 제 2 유전체에 의해 기판으로 다시 반사된다. 센서 어레이는 제 2 표면에서 전자기 방사선의 입사로부터 생성되는 레이저 스페클을 검출하고, 제 2 유전체로부터 반사된 전자기 방사선을 검출하도록 구성된다.
다른 실시예에서는, 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 레이저로 표면을 조사하는 단계와, 표면 상의 제 1 위치에 항목을 배치하는 단계와 센서 어레이에 의해 상기 조사된 표면으로부터 반사된 제 1 패턴을 캡처하는 단계와, 캡처된 제 1 패턴을 데이터 저장 장치에 저장하는 단계와, 항목을 표면 상의 제 2 위치로 이동시키는 단계와, 센서 어레이에 의해 조사된 표면으로부터 반사된 제 2 패턴을 캡처하는 단계와, 캡처된 제 1 패턴과 캡처된 제 2 패턴을 비교하여 제 1 위치로부터 항목의 위치 변화를 계산하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 제시된 실시예의 다른 측면 및 이점은 첨부 도면과 함께 설명하 는 이하의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
첨부한 도면은, 다양한 실시예를 보다 상세히 설명하기 위해 그리고 이들 실시예 및 이점을 보다 잘 이해하기 위해 사용되는 시각적 표시를 제공한다. 이들 도면에서 유사한 참조 번호는 대응하는 구성요소를 나타낸다.
예를 위해 도면에 도시된 바와 같이, 이하에서는 신규한 위치 검출 시스템의 실시예를 설명한다. 컴퓨터의 화면 상에서 커서를 이동시키기 위해 조이스틱, 트랙볼, 기계식 마우스, 라이트펜, 광 마우스 및 디지털 방식의 태블릿과 같은 다양한 네비게이션 장치가 사용되어 왔다. 그러나, 셀 폰과 같은 소형의 전자 제품에서는, 기계식 로커 스위치(mechanical rocker switch)가 현재의 네비게이션 기술을 구성한다. 특정한 사전에 프로그래밍된 전자 기능의 선택이 원형 디스크의 한 면을 누름으로써 이루어진다. 이 기술은 간단하며 비용면에 있어서 효율적이다. 그러나, 이러한 선택 유연성은, 흔히 소형 디스플레이와 결합되어 있는 네 개의 분리된 로커 위치(상/하 및 좌/우)로 제한된다. 이하의 실시예에서, 보다 고급의 네비게이션 방안을 개시하는데, 여기서는 컴퓨터 마우스의 이동과 유사한 방식으로 소형 디스플레이 상에서 커서를 이동시키기 위해 레이저 스페클의 검출이 손가락의 움직임과 결합된다.
이하의 상세한 설명 및 도면에서 유사한 구성요소는 유사한 참조번호를 갖는다.
도 1(a)는 평탄한 반사면(120)에 입사하는 레이저 조명(110)을 도시하고 있다. 레이저로부터의 광(110)은 코히어런트(coherent) 또는 동위상(in phase)이며, 도 1(a)에서와 같이 완전히 평탄한 표면으로부터 반사되는 경우에는 유지된다. 평탄한 표면(120)으로부터의 반사 후의 파는 반사된 레이저 광(111)으로 도시되어 있다.
도 1(b)는 미세하게 거친 반사면에 입사하여 스페클을 생성하는 레이저 조명을 도시한 도면이다. 도 1(b)에 도시되어 있는 바와 같이, 레이저 광(110)이 미세하게 거친 표면(120)에 입사되면, 입사 레이저 광(110)의 일부는 미소 결함(121)으로부터 산란되어, 센서 어레이에 의해 검출될 수 있는 밝고 어두운 "스페클(speckle)" 패턴을 생성한다. 이 산란은 산란된 광(112)으로서 도 1(b)에 도시되어 있으며, 여기서는 스페클 광(112)이라고도 한다.
도 2는 다양한 실시예에서 설명하는 바와 같은 검출 시스템을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 검출 시스템(200)은 기판(210), 레이저(220) 및 센서 어레이(230)를 포함한다. 기판(210)은 제 1 표면(211), 제 2 표면(212) 및 제 3 표면(213)을 포함한다. 레이저(220)는 기판(210)으로 광(110), 보다 일반적으로는 전자기 방사선(110)을 방사하도록 구성되며, 이 광은 제 1 표면(211)을 통해 제 2 표면 상으로 입사된다. 제 1 유전율을 갖는 제 1 유전체(250)가 제 2 표면(212)과 접촉할 때 레이저(220)로부터의 광(110)은 조준 광으로서 방사되어 경로(240)를 따라 기판(210)을 통해 진행한다. 이러한 경우에, 기판(210)의 유전율 및 제 2 표면(212) 상으로의 광(110)의 입사각은 광(110)이 완전히 내부 반사되어 어떠한 광(110)도 제 1 유전체(250)로 새나가지 않도록 정해진다. 제 1 유전체(250)의 예로는 공기 또는 기타 적절한 재료를 들 수 있다. 완전한 내부 반사가 일어나기 위해서는, 기판(210)의 유전율이 제 1 유전체(250)의 유전율보다 더 커야 한다.
광(110)이 제 2 표면(212)으로부터 반사되면, 광은 제 3 표면(213)으로 진행한다. 제 3 표면(213)은 제 1 부분(213a) 및 제 2 부분(213b)을 포함한다. 제 1 부분(213a)은, 제 2 표면(212)으로부터 반사된 광(111)이 다시 기판(210) 내부로 반사되도록 되어 있다. 센서 어레이(230)는 제 3 표면(213)의 제 2 부분(213b)에 입사되는 광(110)을 수신하도록 구성된다. 그러나, 통상 검출 시스템(200)은, 스페클이 없고 제 1 유전체(250)가 제 2 표면(212)과 접촉하는 경우에 레이저(220)로부터의 광(110) 빔이 제 3 부분(213)의 제 2 부분(213b) 상에 입사하지 않도록 설계된다. 그러나, 제 2 표면(212) 내의 미소 결함(121) 및 제 3 표면(213)의 제 1 부분(213a) 내의 미소 결함(121)으로 인해 센서 어레이(230) 상으로 광(110)의 일부가 수신된다. 따라서, 센서 어레이(230)는 제 2 표면(212)에서의 광(110)의 입사에 의해 발생하는 레이저 스페클 및 제 2 부분(213a)에서 광(110)의 입사/반사 및 제 2 표면(212)에서의 후속 입사/반사에 의해 발생하는 레이저 스페클을 검출하도록 구성된다.
또한, 제 3 표면(213)의 제 1 부분(213a)은 제 1 및 제 2 서브섹션(213a-1, 213a-2)을 포함할 수도 있다. 제 1 서브섹션(213a-1)은 반사시킬 수 있지만 제 2 서브섹션(213a-2)은 그렇지 않을 수 있다. 일례로서, 제 2 서브섹션(213a-2)은, 센서 어레이(230)에 입사하는 광(110)을 줄여 센서 어레이(230)가 스페클의 산란 광(110)을 잘 감지하도록 하기 위해 광(110)을 부분적으로 또는 완전히 흡수하도록 흑색 또는 기타 재료로 피복 또는 코팅될 수 있다. 제 2 서브섹션(213a-2)은 광이 기판(210)을 빠져나가도록 투명하게 할 수도 있다. 스페클에 의해 산란되지 않는 레이저(220)로부터의 광의 부분은 아무런 유용한 정보도 포함하지 않으며, 만약 센서 어레이(230)에 의해 수집되게 되면, 산란된 광(110)의 검출을 어렵게 할 수 있다.
이해를 쉽게 하기 위해, 제 2 표면(212)의 미소 결함(121), 제 3 표면(213)의 제 1 부분(213a)의 미소 결함(121) 및 그 결과의 산란광(112)은 도 2에 도시하지 않았다.
도 3은 다양한 실시예에서 설명하는 바와 같이 표면과 직교하는 각에서 본 제 2 표면(212)을 도시한 도면이다. 도 3에서, 제 2 표면(212)은 복수의 영역(212m)으로 개념적으로 분할되어 있으며, 이해를 쉽게 하기 위해 그 중 하나에만 도면 부호를 표시하였다. 복수의 작은 영역(212m)은 단지 개념적일 뿐이며, 설명을 쉽게 하기 위한 것일 뿐이다.
도 4는 다양한 실시예에서 설명하는 바와 같이 검출 시스템의 다른 도면이다. 도 4에서는, 예를 들어 손가락 또는 손가락의 융선(ridge) 또는 기타 적절한 재료와 같은 제 2 유전체(260)가 제 2 표면(212)의 일부와 접촉하고 있다. 구체적으로는, 제 2 유전체(260)는 제 2 표면(212)의 복수의 영역(212m) 중 하나 이상과 접촉하는 반면에, 제 1 유전체(250)는 제 2 표면(212)의 나머지 영역(212m)과 접촉하고 있다. 제 2 유전체(260)는 제 1 유전율보다 훨씬 더 큰 제 2 유전율을 가지 며, 따라서, 제 2 유전체(260)가 접촉하고 있는 제 2 표면(212)의 이들 영역(212m)에서는 완전한 내부 반사가 일어나지 않는다. 제 1 유전체(250)가 접촉하고 있는 이들 영역(212m) 내의 제 2 표면에 입사되는 레이저광(110)은 도 2에 대해 설명한 바와 동일할 것이다. 그러나, 제 2 유전체(260)가 접촉하고 있는 이들 영역에 있어서는, 반사된 광(111)이 제 2 유전체(260) 및 제 2 유전체(260)의 반사 특징에 의해 부가된 스페클에 따라서 변화될 것이다. 따라서, 제 2 표면(212) 상의 하나 이상의 위치에 제 2 유전체(260)가 존재하는 경우의 센서 어레이(230)에 의해 수신된 광 패턴은 제 2 유전체(260)가 없는 경우에 수신된 광 패턴으로부터 변화될 것이다.
기판(210)을 완전히 통과하기 전에, 광(110)은 1회 이상 제 2 표면(212)으로 입사되어 제 2 표면(212)으로부터 반사될 수 있다. 이 반사된 광(111)은 그 후에 제 3 표면(213)으로부터 1회 이상 반사되거나 또는 제 3 표면(213)에서 전혀 반사되지 않을 수도 있다. 통상, 제 2 표면(212)은 기판 길이의 아래쪽 광(110)을 센서 어레이(230)가 위치해 있는 단부쪽으로 보내는 도파관 역할을 하는 제 3 표면(213)에 평행하다. 또한, 통상적으로 광(110)은 제 2 및 제 3 표면(212, 213)에서 여러 차례 반사를 거친다.
또한, 제 3 표면(213)의 제 1 부분(213a)은 제 1 및 제 2 서브섹션(213a-1, 213a-2)을 포함할 수도 있다. 제 1 서브섹션(213a-1)은 반사시킬 수 있지만 제 2 서브섹션(213a-2)은 그렇지 않을 수 있다. 일례로서, 제 2 서브섹션(213a-2)은, 센서 어레이(230)에 입사하는 광(110)을 줄여 센서 어레이(230)가 스페클의 산란 광(110)을 잘 감지하도록 하기 위해 광(110)을 부분적으로 또는 완전히 흡수하도록 흑색 또는 기타 재료로 피복 또는 코팅될 수 있다. 제 2 서브섹션(213a-2)은 광이 기판(210)을 빠져나가도록 투명하게 할 수도 있다. 스페클에 의해 산란되지 않고 제 2 유전체(260)에 의해 반사되지 않은 레이저(220)로부터의 광의 부분은 유용한 정보를 포함하지 않으며, 만약 센서 어레이(230)에 의해 수집되게 되면, 산란된 광(110)의 검출을 어렵게 할 수 있다.
이해를 쉽게 하기 위해, 제 2 표면(212)의 미소 결함(121), 제 3 표면(213)의 제 1 부분(213a)의 미소 결함(121) 및 그 결과의 산란광(112)은 도 4에 도시하지 않았다.
센서 어레이(230)로는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 센서 어레이가 바람직하다. 그러나, CCD(charge coupled-device), 광 다이오드 어레이 또는 광 트랜지스터 어레이와 같은 다른 장치도 사용될 수 있다. 도 2 및 4에 도시된 레이저(220)로는 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser)(220)이 바람직하지만 다른 유형의 레이저(220)를 사용해도 된다. 레이저(220)는 예를 들어 LED(light emitting diode) 등과 같은 다른 광원으로 대체될 수도 있다. 그러나, 레이저(220)가 보다 양호한 스페클의 분해능을 제공한다.
도 4에 도시된 검출 시스템(200)은 센서 어레이(230)로부터 신호(455)를 수집하는 네비게이션 회로(470)를 더 포함한다. 수집된 신호(455)는 그 후 메모리(480)와 같은 데이터 저장 장치(480)에 저장된다. 검출 시스템(200)은 제어기(490)를 포함할 수도 있다.
동작 중에, 연속 노광을 캡처하기 위해 센서 어레이(230)를 사용하면, 제 2 유전체(260)와 제 2 표면(212) 사이의 상대적인 움직임이 검출될 수 있다. 제 1 위치에 제 2 유전체(260)가 있으면, 제 1 패턴이 캡처되어 네비게이션 회로(470)로 전송되고, 네비게이션 회로(470)는 통상적으로 이 패턴을 메모리(480)에 저장한다. 제 2 표면(212)에 대한 제 2 유전체(260)가 제 2 위치로 이동하면, 제 2 유전체(260)의 위치가 달라졌기 때문에 제 1 패턴과 상이한 제 2 패턴이 형성된다. 제 2 유전체(260)의 상대적인 움직임은 제 1 패턴과 제 2 패턴을 비교함으로써 네비게이션 회로(470)에 의해 계산될 수 있다.
센서 어레이(230)는 애플리케이션에 의해 결정되는 속도로 패턴을 캡처하며, 이 속도는 간혹 변할 수도 있다. 캡처된 패턴은 제 2 유전체(260)의 존재 및 위치에 의해 변형되는 제 2 표면(212)의 여러 영역(212m)을 나타낸다. 이 위치 정보는 위치 신호(475)로서 제어기(490)로 전송된다. 그 후 제어기(490)는 커서(497) 또는 기타 지시기를 화면(499) 상에 위치시키는데 사용될 수 있는 출력 신호(495)를 생성한다.
네비게이션 회로(470) 및/또는 메모리(480)는 네비게이션 회로(470)의 일체형 부분 또는 이로부터 분리된 부분으로서 구성될 수 있다. 또한, 네비게이션 회로(470)는, 예를 들면, 전용 디지털 신호 처리기, 애플리케이션 특정 집적 회로 또는 논리 게이트의 조합으로서 구현될 수 있다.
도 5는 다양한 실시예에서 설명하는 바와 같은 레이저 스페클을 이용하여 위치 변화를 결정하는 방법의 순서도이다. 단계 510에서, 레이저(220)로부터의 광(110)으로 표면(212)을 조사한다. 그 다음에 단계 510으로부터 단계 520으로 진행한다.
단계 520에서, 센서 어레이(230)에 의해 조사된 표면(212)으로부터 산란되는 스페클 패턴이라고 하는 스페클을 포함하는 패턴이 캡처된다. 그 다음에 단계 520으로부터 단계 530으로 진행한다.
단계 530에서, 캡처된 스페클 패턴이 메모리(480)에 저장된다. 그 다음에 단계 530으로부터 단계 540으로 진행한다.
단계 540에서, 조사된 표면(212)으로부터 산란되는 다음 스페클 패턴이 센서 어레이(230)에 의해 캡처된다. 그 다음에 단계 540으로부터 단계 550으로 진행한다.
단계 550에서, 상기 다음에 캡처된 스페클 패턴이 메모리(480)에 저장된다. 그 다음에 단계 550으로부터 단계 560으로 진행한다.
단계 560에서, 두 개의 캡처된 스페클 패턴을 비교하여, 표면(212) 상에 위치하는 항목(260)(제 2 유전체(260))의 위치 변화가 검출되었는 지를 판정한다. 그 다음에 단계 560으로부터 단계 560으로 진행한다.
단계 570에서, 만약 위치 변화가 검출되면, 단계 570으로부터 단계 580으로 진행한다. 그렇지 않으면, 단계 570으로부터 단계 540으로 진행한다.
단계 580에서, 예를 들어 화면 상의 커서(497)와 같은 움직임 표시기(497)가 계산된 위치 변화에 따라 이동한다. 그 다음에 단계 580으로부터 단계 540으로 진행한다.
요약하면, 위치 결정 및 네비게이션을 위해 레이저 스페클을 이용하는 시스템을 개시하였다. 실시예에 개시된 내용은 이러한 목적을 위해 표면 상에서의 손가락의 움직임을 사용할 수 있는 소형의 저비용의 시스템을 제공하는데 이용될 수 있다. 검출 프로세스는 집중된 레이저로부터의 광이 미세하게 거친 표면에 의해 산란되어 그 결과의 반사된 광이 밝고 어두운 스페클 패턴을 생성하는 레이저 스페클이라고 하는 광학 현상을 이용한다.
레이저 광은 광원으로부터 방사되어 도파관으로 커플링되며, 예를 들어 실리콘 센서에 의해 검출된다. 도파관의 표면 상에서의 손가락의 움직임은 센서 상의 광 패턴을 변화시킨다. 이 변화는 센서 어레이에 의해 검출될 수 있다. 도파관 구조는 여러 이점을 갖고 있다. 첫째, 레이저 출력에 대한 눈의 안전 염려를 감소시킨다. 완전한 내부 반사에 의해 손가락이 도파관에 닿을 때까지 레이저 광이 도파관(및 모듈) 내부에 유지된다. 그 다음에, 레이저 광이 도파관 외부로 누설되지 않고 손가락으로부터 반사된다. 또한, 도파관 구조를 이용하면, 시스템을 통한 광 경로 길이가 길어진다. 광학 길이는 스페클의 크기를 결정하며, 따라서 센서 어레이 상의 픽셀의 크기를 결정한다. 스페클 크기가 클수록 센서 상에 보다 큰 픽셀을 형성할 수 있으며, 이로 인해 감도가 증가한다. 도파관 구조는 모듈의 높이를 증가시키지 않고 광학 길이를 증가시킬 수 있으므로, 통상 소형의 이동 애플리케이션에서 유용하다.
스페클 네비게이션은 코히어런트 광 간섭 기술에 기초하며, 따라서 통상 레이저 소스를 필요로 한다. 방사된 광은 프리즘 구조에 의해 도파관으로 커플링된 다. 이 구조는 예를 들어 플라스틱 부분의 사출 성형에 의해 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 도파관에 일체화될 수도 있고 또는 도파관으로부터 분리될 수도 있다. 이 커플링을 돕기 위해, 에어 갭 없이 예를 들어 광학 접착제에 의해 센서가 도파관에 부착될 수 있다. 만약, 손가락 또는 다른 항목이 존재하지 않거나 또는 손가락이 정지해 있으면, 센서는 정지 스페클 패턴을 검출할 것이다. 만약 손가락이 움직이면, 센서 상의 스페클 패턴이 움직인다. 이 스페클 패턴의 변화는 센서로 검출할 수 있다. 스페클 음직임의 검출은 둘 이상의 캡처된 패턴을 비교함으로써 이루어질 수 있다.
본 명세서에서 상세하게 설명한 실시예들은 예시를 위한 것으로서 한정적인 것은 아니다. 당업자라면 이상 설명한 실시예의 형식 및 세부사항에 다양한 변화를 가해 첨부된 청구범위 내의 동등한 실시예를 만들어 낼 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 레이저 스페클을 이용하여 표면 상에서의 손가락의 움직임을 사용할 수 있는 소형의 저비용의 시스템이 제공된다. 시스템에 도파관 구조를 이용함으로써 레이저 출력에 대한 눈의 안전 염려를 감소시키고, 시스템을 통한 광 경로 길이가 길어져서 감도가 증가한다. 도파관 구조는 모듈의 높이를 증가시키지 않고 광학 길이를 증가시킬 수 있으므로, 통상 소형의 이동 애플리케이션에서 유용하다.

Claims (15)

  1. 검출 시스템으로서,
    제 1 표면과, 복수의 영역으로 개념적으로(conceptually) 분할된 제 2 표면과, 제 1 및 제 2 부분을 갖는 제 3 표면을 포함하는 기판과,
    전자기 방사선(electromagnetic radiation)을 상기 제 1 표면을 통해 상기 기판으로 방사하여 상기 제 2 표면의 일부 영역에 입사하도록 구성된 레이저와,
    상기 제 2 표면으로부터 반사되어 상기 제 2 부분으로 입사된 전자기 방사선을 캡처하도록 구성된 센서 어레이를 포함하고,
    만약 제 1 유전율을 갖는 제 1 유전체가 일부 영역과 접촉하면, 그 영역에 입사되는 전자기 방사선이 완전한 내부 반사를 하고, 만약 제 2 유전율을 갖는 제 2 유전체가 다른 영역에 접촉하면, 그 영역에 입사되는 전자기 방사선의 일부가 상기 제 2 유전체에 의해 상기 기판으로 반사되며,
    상기 제 1 부분의 적어도 일부는 그 부분에 입사되는 전자기 방사선을 반사하도록 구성되고,
    상기 센서 어레이는 상기 제 2 표면에서의 상기 전자기 방사선의 입사에 의해 발생하는 레이저 스페클을 검출하고 상기 제 2 유전체로부터 반사된 전자기 방사선을 검출하도록 구성되는
    검출 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    스페클로 인한 산란을 제외하면, 상기 제 1 유전체가 상기 영역들 중 하나 이상과 접촉하는 경우에, 그 영역에 입사되는 상기 전자기 방사선이 상기 센서 어레이에 의해 수집되지 않는
    검출 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저는 수직 공동 표면 방사 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser)인
    검출 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 방사선은 적어도 2회 상기 제 2 표면에 입사되고, 적어도 1회 상기 제 3 표면에 입사되는
    검출 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 표면의 적어도 일부는 미러형 표면인
    검출 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체는 손가락 조직(finger tissue) 및 공기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    검출 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체는 손가락 조직 및 공기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    검출 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 레이저로부터의 상기 전자기 방사선에 대한 도파관으로서 작용하는
    검출 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 표면은 상기 제 3 표면에 실질적으로 평행한
    검출 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체는 적어도 하나의 손가락 융선(ridge)을 포함하는
    검출 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    데이터 저장 장치와,
    네비게이션 회로를 더 포함하되,
    상기 네비게이션 회로는 상기 센서 어레이로부터의 신호를 수집하고, 상기 수집한 신호를 상기 데이터 저장 장치에 저장하고, 여러 시점에서 수집한 신호를 비교하여 상기 제 2 표면에 대한 상기 제 2 유전체의 상대적인 움직임을 계산하는
    검출 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제어기를 더 포함하되,
    상기 위치 정보가 상기 네비게이션 회로로부터 상기 제어기로 위치 신호로서 전달되고, 그 다음에 상기 제어기가 화면상에 커서를 위치시키는데 사용될 수 있는 출력 신호를 생성하는
    검출 시스템.
  13. 레이저로 표면을 조사하는 단계와,
    상기 조사된 표면으로부터 반사된 스페클 패턴을 센서 어레이로 캡처하는 단계와,
    상기 캡처된 스페클 패턴을 데이터 저장 장치에 저장하는 단계와,
    상기 조사된 표면으로부터 반사된 그 다음 스페클 패턴을 상기 센서 어레이로 캡처하는 단계와,
    적어도 두 개의 캡처된 스페클 패턴을 비교하여 위치 변화를 계산하는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    만약 위치 변화가 발생하면, 상기 계산된 위치 변화에 응답하여 화면 상의 커서를 이동시키는 단계와,
    상기 그 다음 스페클 패턴을 캡처하는 단계부터 시작하여 상기 단계들을 반복하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 스페클 패턴은 상기 표면과 접촉하고 있는 항목으로부터의 스페클을 포함하는
    방법.
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