KR100678694B1 - 초소형 일체형 광학장치 - Google Patents

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KR100678694B1
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Abstract

본 발명은 초소형 일체형 광학장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 광원에서 방사되는 빛이 산란하여 직접적으로 센서에 도달하는 것을 방지하여 광학장치의 광효율을 보장하고 단순공정을 통해 저가 생산이 가능한 초소형 일체형 광학장치에 관한 것이다.
본 발명의 초소형 일체형 광학장치는 광학장치에 있어서, 빛을 방사하는 광원; 방사하는 상기 빛을 대물면에 집광시키기 위한 조명광학부; 상기 조명광학부와 일체형으로 형성되며, 상기 대물면으로부터 반사되는 빛을 센서에 집광시키기 위한 수광부; 및 상기 조명광학부 및 수광부와 상호 조립되며, 상기 센서로 유입되는 빛의 양을 조절하기 위한 센서커버구조물을 포함한다.
광마우스, 광학장치, 렌즈, 산란광, 포인팅장치, 평행광

Description

초소형 일체형 광학장치{Micro integral optic device}
도 1은 종래의 광마우스를 나타내는 단면도,
도 2는 종래기술의 다른 예로서, 한국공개특허 제2004-89907호의 광학구조를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 광학장치의 일실시예를 나타내는 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 조명광학부의 일실시예를 나타내는 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 렌즈구조물의 일실시예를 나타내는 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 센서커버구조물의 일실시예를 나타내는 사시도이다.
본 발명은 초소형 일체형 광학장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 광원에서 방사되는 빛이 산란하여 직접적으로 센서에 도달하는 것을 방지하여 광학장치의 광효율을 보장하고 단순공정을 통해 저가 생산이 가능한 초소형 일체형 광학장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 광학장치를 나타내는 단면도이다.
종래의 광학장치는 볼록렌즈 형태의 발광표면을 가지는 LED(100)에서 방사된 빛이 광학적 투명체로 제작된 렌즈 및 반사면 일체형 광학구조물(110)의 오른쪽으로 유입되어 두 번의 반사를 거쳐 물체의 표면(120)에 반사된 후 결상렌즈를 거쳐 센서로 유입되는 구성이다.
종래의 광학장치에 따르면 볼록렌즈 형태를 띠는 LED 표면에서 빛이 방사됨으로써 방사패턴이 균일한 광원을 확보할 수 있고, 반사면을 단순히 광로만 계산하여 설계하여도 무방하다. 또한, 초점심도가 큰 결상렌즈를 확보할 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 광학장치는 박형의 초소형 광학장치를 위한 광학구조로는 적합하지 않은 것이며, 이러한 광학구조를 그대로 초소형으로 만들 경우 광효율이 심각하게 떨어져 광학장치가 제대로 동작할 수 없게 되는 문제점이 있다.
도 2는 종래기술의 다른 예로서, 한국공개특허 제2004-89907호의 광학구조를 나타내는 단면도이다. 여기서는 LED 대신 LED칩을 COB로 부착하기 때문에 광원에서 방사된 빛을 집속하기 위한 제1렌즈면(200)를 구비해야 하며, 물체표면으로 광로를 변화시키기 위한 반사면(210)을 포함한다. 따라서, 이러한 광학구조는 전체적으로 마우스의 크기를 줄이기 위해 동일한 평면에 센서(220)와 LED(230)를 COB로 부착하여 광학구조의 높이를 낮출 수 있다.
종래의 광학구조는 광경로상에 유효하지 않은 빛의 성분이 모두 잡음으로 영향을 미치게 되므로, 광원에서 방사된 빛이 광학적 투명체인 광학구조물의 몸체 내에서 산란되어 제2렌즈면(240)에 유입되는 것을 차단할 수 없다. 또한, 조리개의 예시가 없어 광원에서 방사된 빛이 직접 센서에 영향을 미치는 것도 방지할 수 없는 단점이 있다. 광원으로부터의 빛이 직접적으로 결상렌즈에 흘러든다면, 이 빛은 대물면에 반사되어 결상렌즈에 유입되는 빛에 비하여 큰 광량을 가지기 때문에 센서의 신호대 잡음비를 매우 저하시키므로 센서의 정상동작이 불가능하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 광원에서 방사된 빛이 산란하여 직접적으로 센서에 도달하는 것을 방지하기 위한 초소형 일체형 광학장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 개구부를 제외한 센서커버구조물의 형태를 완전 밀폐형 구조로 설계하여 조리개 기능과 더불어 센서 보호 기능을 갖는 초소형 일체형 광학장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 일체형 구조로 형성된 렌즈구조물과 센서커버구조물을 단순히 PCB에 끼워 상호 조립하여 광학장치 생산시 조립 오차를 최소화할 수 있고, 단순공정에 의해 생산될 수 있는 초소형 일체형 광학장치를 제공함에 있다.
본 발명의 상기 목적은 광학장치에 있어서, 빛을 방사하는 광원; 방사하는 상기 빛을 대물면에 집광시키기 위한 조명광학부; 상기 조명광학부와 일체형으로 형성되며, 상기 대물면으로부터 반사되는 빛을 센서에 집광시키기 위한 수광부; 및 상기 조명광학부 및 수광부와 상호 조립되며, 상기 센서로 유입되는 빛의 양을 조절하기 위한 센서커버구조물을 포함하는 초소형 일체형 광학장치에 의해 달성된다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 광학장치의 일실시예를 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 조명광학부의 일실시예를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 광학장치는 광원(300)에서 방사된 빛의 이동로를 위한 렌즈구조물(330), 이동을 감지할 물체가 위치하는 대물면(340), 렌즈구조물(330)을 보호하기 위한 렌즈보호구조물(350), 대물면(340)에 위치하는 물체에 반사된 빛을 감지하는 센서(360) 및 센서(360)를 보호하고 센서(360)로 유입되는 빛의 양을 조절하기 위한 센서커버구조물(370)을 포함한다.
광원(300)은 칩형태의 LED 광원으로서 광학 특성이 다른 물체에 대한 반사 특성을 고려하여 다양한 색의 LED를 사용할 수 있다. 또한, 광원(300)은 LED뿐 아니라, LD 또는 IR diode chip을 사용할 수 있다.
렌즈구조물(330)은 광원(300)에서 방사된 빛을 집광하여 전달하는 조명광학부(310) 및 대물면(340)의 물체에 반사된 빛을 센서(360)에 모아주는 수광부(320)로 구분된다. 여기서 조명광학부(310)와 수광부(320)는 일체형으로 형성된다.
또한, 조명광학부(310)는 광원(300)에서 방사된 빛을 집광하여 대물면(340)으로 전달하기 위한 3개의 광학면을 갖는 프리즘 구조로 형성된다.
조명광학부(310)는 광원(300)에서 방사된 빛을 1차적으로 모아 평행광으로 만드는 프리즘 구조의 입사렌즈(311), 입사렌즈(311)로부터 평행광을 입사받아 2차적으로 모아 반사하는 반사렌즈(312) 및 반사렌즈(312)에 반사된 빛을 모아 대물면(340)에 비춰주는 출사렌즈(313)를 포함한다.
여기서, 입사렌즈(311)는 모든 방향으로 퍼지는 광원(300)의 빛을 모을 뿐 아니라, 광원(300)의 빛을 평형성을 갖도록 하는 빔포밍(beam forming) 기능을 수행할 수 있는 구조로 구성되고, 반사렌즈(312)는 입사렌즈(311)를 통과한 빛의 경로를 바꾸어 주며, 좌우로 퍼지는 빛의 성분을 중앙으로 모아주는 기능을 하는 구조로 구성되며, 출사렌즈(313)는 최종적으로 조명광학부(310)가 목표하는 대물면(340)에 빛이 한 점으로 모이게 하는 구조로 구성된다. 즉, 조명광학부(310)는 입체의 x, y, z축이 있을 경우, 입사렌즈(311)가 x축으로 퍼지는 빛을 모아주고, 이 빛을 반사하기 위한 반사렌즈(312)는 y축으로 퍼지는 빛을 모아주며, 출사렌즈(313)는 다시 z축으로 퍼지는 빛을 대물면(340)에 모이게 하는 구조로 구성된다.
또한, 조명광학부(310)의 입사렌즈(311), 반사렌즈(312) 및 출사렌즈(313)는 각각 구면, 비구면의 구형, 실린더형 및 토로이달(torroidal)형 중 어느 하나로 구성할 수 있다.
조명광학부(310)에 포함되는 3가지의 렌즈는 각각의 위치에서 무차별적인 방향으로 퍼지는 광원(300)의 빛을 모아 대물면(340)으로 보내는 기능을 함으로써, 광경로상의 무효한 빛을 유효한 빛으로 바꾸어 준다. 따라서, 칩 형태의 LED를 광원(300)으로 사용할 때 발생하는 문제를 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 광원(300)에서 방사되는 빛의 효율을 최대화하여 광원(300)의 광량을 낮추고, 이로 인해 광학장치의 소모전력을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
수광부(320)는 대물면(340)에 위치한 물체에 반사된 빛을 센서(360)에 모아주는 결상렌즈(321)를 포함한다.
센서커버구조물(370)은 투명하지 않은 재질로 구비되어 밝은 광원(300)과 높은 감도의 센서(360)를 광학적 또는 전기적으로 분리시킨다. 또한, 센서커버구조물(370)은 외부의 광원으로부터 센서(360)를 암실형태로 격리시키며, 광원(300)에서 방사된 빛이 산란하여 센서(360)로 유입되는 것을 방지하기 위한 산란광차단부(372)를 일체형으로 포함한다.
즉, 광원(300)에서 방사되는 빛이 직접적으로 결상렌즈(321)에 유입되면, 이 빛은 대물면(340)에 반사되어 결상렌즈(321)에 유입되는 빛에 비하여 더욱 큰 광량을 가지므로 소량의 광량일지라도 장치의 광학성능에 악영향을 미치게 되기 때문이다.
센서(360)는 와이어 본딩(wire bonding), 플립칩(flip chip) 등의 공정으로 PCB에 부착한다.
도 5는 본 발명에 따른 렌즈구조물의 일실시예를 나타내는 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 센서커버구조물의 일실시예를 나타내는 사시도이다.
여기서, 광학장치의 구조를 살펴보면, 센서커버구조물(370)은 센서(360)에 외부의 광원이 유입되는 것을 차단하기 위해 렌즈구조물(330)의 결상렌즈(321) 아래에 위치시키고, 개구부(371)를 제외한 센서커버구조물(370)의 형태를 완전 밀폐형 구조로 설계하여 조리개 기능 및 센서 보호 기능을 갖는다.
또한, 센서커버구조물(370)은 PCB(380)에 구비된 홀에 조립되기 위한 센서커버지지대(373)를 일체형으로 구비한다.
렌즈구조물(330)은 조명광학부(310)와 수광부(320) 사이에 센서커버구조물(370)과의 조립을 위한 조립홀(332)을 구비한다. 렌즈구조물(330)의 조립홀(332)에 센서커버구조물(370)의 산란광차단부(372)를 끼워 조립하여 조명광학부(310)의 빛이 광학장치의 광학구조 내부를 통과하여 수광부(320)로 유입되는 것을 방지한다. 이는 상기 조립을 통해 불투명의 산란광차단부(372)가 렌즈구조물(330)의 조명광학부(310)와 수광부(320) 사이를 가로막게 되기 때문이다.
또한, 렌즈구조물(330)은 자신과 조립되는 센서커버구조물(370)의 하부에 위치하는 PCB(380)에 조립되기 위한 렌즈지지대(331)를 일체형으로 구비한다.
센서커버지지대(373) 및 렌즈지지대(331)를 단순히 PCB(380)에 끼워 조립함으로써 광학장치 생산시 조립 오차를 최소화할 수 있고, 공정을 단순화할 수 있다.
본 발명의 광학장치는 박형 및 소형의 광학 방식센서에서 문제가 되는 발광부의 빛이 직간접 경로로 결상계 및 센서에 유입되어 센서의 성능을 저하시키는 것을 방지하는 구조로 구현하였고, 또한 센서커버구조물 및 렌즈구조물이 일체형 구조로 형성됨으로써 낮은 경비로 생산할 수 있다.
따라서, 본 발명의 광학장치를 초소형 광학방식의 광학장치 센서모듈로 사용하여 초소형 포인팅장치 또는 입력장치를 구현할 수 있다.
또한 광학 방식의 지문 센서로 소형화할 경우에도 조명품질의 저하나 산란광으로 인한 센서의 성능 저하를 막을 수 있게 되므로, 본 발명의 광학장치를 초소형 광학방식의 센서모듈로 사용하여 초소형 지문 센싱 장치의 구현이 가능하다. 이러한 초소형 지문 센싱 장치는 PC나 휴대형 단말기에서 보안기능을 강화하는데 실용적인 솔루션을 제공할 수 있게 한다.
더 나아가서 소형 박형의 포인팅장치나 입력장치를 구현하여 시계형, 반지형, 단추형 등 무선입력장치의 구현이 가능하다.
또한, 본 발명의 광학장치는 노트북이나 초소형 노트북 타블렛(tablet) PC등에 내장되어 적은 공간에서 고성능의 포인팅기능을 구현할 수 있으며, 소형의 고성능 포인팅장치를 내장하거나 부착하는 유무선 키보드에 사용할 수 있다.
본 발명의 광학장치는 소형의 박형 포인팅기능을 구현할 수 있어 기존 단말기들의 네비게이션(navigation) 키기능을 대치하거나 포인팅기능을 추가하는 장치로서 활용될 수 있으며, 휴대형 게임기기에서도 소형 포인팅장치로서 적용이 가능하다.
또한, 본 발명의 광학장치를 홈네트워크 환경에서의 원격제어장치에 적용하여 다기능 고성능의 원격제어장치를 구현할 수 있다.
본 발명의 광학장치를 이용한 초소형 포인팅장치는 Kiosk 등 여러 사람이 접근하고 사용하는 기기에 내장되어 그 성능을 고도화하고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 3면의 렌즈를 일체형으로 갖는 렌즈구조물을 구비함으로써 광원의 빛을 평형성을 갖도록 모아주고, 좌우로 퍼지는 빛을 중앙으로 모아주며, 대물면에 빛이 한 점으로 모이게 하는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 조명광학부를 통해 광경로상의 무효한 빛을 유효한 빛으로 바꾸어 줌으로써, 칩 형태의 LED를 광원으로 사용할 때 발생하는 문제를 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 광원에서 방사되는 빛의 효율을 최대화하여 광원의 광량을 낮추고, 이로 인해 광학장치의 소모전력을 줄이는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 센서커버구조물을 구비함으로써, 광원에서 방사된 빛이 산란하여 센서로 유입되는 것을 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 개구부를 제외한 센서커버구조물의 형태를 완전 밀폐형 구조로 설계함으로써 조리개 기능과 더불어 센서 보호 기능을 갖는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 렌즈구조물과 센서커버구조물을 조립식으로 형성하여 이들을 단순히 PCB에 끼워 조립함으로써 광학장치 생산시 조립 오차를 최소화할 수 있고, 공정을 단순화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 빛을 방사하는 광원;
    방사되는 상기 빛을 상기 대물면에 집광시키기 위한 조명광학부;
    상기 조명광학부와 일체형으로 형성되며, 상기 대물면으로부터 반사되는 빛을 센서에 집광시키기 위한 수광부;
    상기 조명광학부 및 수광부와 상호 조립되며, 상기 센서로 유입되는 빛의 양을 조절하기 위한 센서커버구조물; 및
    상기 센서커버구조물에 일체형으로 구비되며, 상기 광원으로부터의 산란광이 상기 센서로 유입되는 것을 방지하기 위한 산란광차단부
    를 포함하며,
    상기 조명광학부는,
    상기 광원으로부터의 빛을 평행광으로 모아주기 위한 입사렌즈;
    상기 입사렌즈로부터 평행광을 입사받아, 광경로를 상기 대물면 방향으로 보정하며, 일축에 대해 퍼지는 빛을 모아주기 위한 반사렌즈; 및
    상기 반사렌즈로부터의 빛을 전달받아, 타축에 대해 퍼지는 빛을 대물면에 모아주기 위한 출사렌즈
    를 포함하는 초소형 일체형 광학장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센서커버구조물은,
    상기 센서커버구조물 및 산란광차단부와 일체형으로 구비되며, PCB에 조립하기 위한 센서커버지지대
    를 더 포함하는 초소형 일체형 광학장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 산란광차단부는 상기 조명광학부와 상기 수광부 사이의 조립홀에 끼워져 조립되는 초소형 일체형 광학장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 입사렌즈, 반사렌즈 및 출사렌즈는 투명의 프리즘 구조인 초소형 일체형 광학장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 입사렌즈, 반사렌즈 및 출사렌즈의 형태는 각각 구면형, 비구면의 구형, 실린더형 및 토로이달형 중 어느 하나인 초소형 일체형 광학장치.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원은 박형의 LED, LD 및 IR 다이오드 칩 중 어느 하나인 초소형 일체형 광학장치.
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학장치는 유선 광마우스에 적용되는 초소형 일체형 광학장치.
  9. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학장치는 무선 광마우스에 적용되는 초소형 일체형 광학장치.
  10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학장치는 노트북실장형 포인팅장치에 적용되는 초소형 일체형 광학장 치.
  11. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학장치는 휴대형 단말기의 포인팅장치에 적용되는 초소형 일체형 광학장치.
  12. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학장치는 원격제어장치의 포인팅장치에 적용되는 초소형 일체형 광학장치.
  13. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학장치는 Kiosk의 내장포인팅장치에 적용되는 초소형 일체형 광학장치.
  14. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학장치는 지문센싱장치에 적용되는 초소형 일체형 광학장치.
KR1020060049787A 2006-03-30 2006-06-02 초소형 일체형 광학장치 KR100678694B1 (ko)

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