KR100773807B1 - Optical pointing device using diffractive gratings - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 한국공개특허 제2004-0089243호를 나타내는 참고도,1 is a reference diagram showing the Korean Patent Publication No. 2004-0089243,
도 2는 한국공개특허 제2006-0034735호를 나타내는 참고도,2 is a reference diagram showing the Korean Patent Publication No. 2006-0034735,
도 3은 한국공개특허 제2006-0017464호를 나타내는 참고도,3 is a reference diagram showing the Korean Patent Publication No. 2006-0017464,
도 4는 한국공개특허 제2006-0027930호를 나타내는 참고도,4 is a reference diagram showing the Korean Patent Publication No. 2006-0027930,
도 5는 본 발명에 따른 광포인팅장치의 제1실시예를 나타내는 구성도,5 is a configuration diagram showing a first embodiment of the optical pointing device according to the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 광포인팅장치의 제2실시예를 나타내는 구성도,6 is a configuration diagram showing a second embodiment of the optical pointing device according to the present invention;
도 7은 본 발명에 따른 광포인팅장치의 제3실시예를 나타내는 구성도,7 is a configuration diagram showing a third embodiment of the optical pointing device according to the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 광포인팅장치의 제4실시예를 나타내는 구성도,8 is a configuration diagram showing a fourth embodiment of the optical pointing device according to the present invention;
도 9는 본 발명에 따른 광포인팅장치의 제5실시예를 나타내는 구성도,9 is a configuration diagram showing a fifth embodiment of the optical pointing device according to the present invention;
도 10은 본 발명에 따른 회절격자의 미소회전을 나타내는 도면,10 is a view showing the micro-rotation of the diffraction grating according to the present invention,
도 11은 본 발명에 따른 위치연산수단의 일실시예를 나타내는 도면,11 is a view showing an embodiment of a position calculating means according to the present invention;
도 12는 도 11의 위치연산수단의 각 단계별 신호를 나타내는 도면,12 is a view showing signals for each step of the position calculating means of FIG. 11;
도 13은 본 발명에 따른 광포인팅장치가 탑재된 개인휴대단말기의 일실시예를 나타내는 도면이다.13 is a view showing an embodiment of a personal portable terminal equipped with an optical pointing device according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for main parts of the drawings>
501: 제1회절격자 502: 제2회절격자 503: 제3회절격자501: the first grating 502: the second grating 503: the third grating
504: 제4회절격자 510: 반사막 521, 522: 발광수단504: fourth diffraction grating 510: reflecting
531: 제1수광소자 532: 제2수광소자 533: 제3수광소자531: first light receiving element 532: second light receiving element 533: third light receiving element
534: 제4수광소자 540: 위치연산수단 541: 증폭회로534: fourth light receiving element 540: position calculating means 541: amplifying circuit
542: 위치연산회로 601: 제5회절격자 602: 제6회절격자542: position calculation circuit 601: fifth lattice 602: sixth lattice
801, 802: 반사거울 810: 광학필터 820: 인쇄회로기판801, 802: reflective mirror 810: optical filter 820: printed circuit board
910: 휴대단말기 920: 포인팅장치 930: 실행버튼910: portable terminal 920: pointing device 930: run button
본 발명은 회절격자를 이용한 광포인팅장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 렌즈 모듈과 같은 복잡한 광학계의 구성없이 회절격자를 이용한 개인휴대단말기와 같은 소형 공간에서의 2차원 광포인팅장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical pointing device using a diffraction grating, and more particularly, to a two-dimensional optical pointing device in a small space such as a personal portable terminal using a diffraction grating without the configuration of a complicated optical system such as a lens module.
종래의 휴대폰 등 개인휴대단말기에서는 키패드, 메뉴키 또는 기능키 등을 입력모듈방식으로 활용하고, 방향 설정키를 이용하여 전화번호 입력이나 문장작성 등의 다양한 기능을 지원하였다. Conventional mobile terminals such as mobile phones utilize keypads, menu keys or function keys as an input module method, and support various functions such as phone number input or sentence writing using direction setting keys.
그런데 최근 들어 개인휴대단말기의 디스플레이부에 그래픽 등을 표현할 수 있게 됨으로써, 개인용 컴퓨터에서와 같이 디스플레이부를 2차원으로 사용하는 것이 가능하게 되었다. 이에 따라 그래픽 유저 인터페이스를 이용하여 응용 프로그램을 효과적으로 사용하기 위한 2차원포인팅 장치를 갖는 휴대용 무선 정보 단말기용 2차원 광포인팅장치가 개발되었다.However, in recent years, by being able to express graphics and the like on the display unit of a personal portable terminal, it becomes possible to use the display unit in two dimensions as in a personal computer. Accordingly, a two-dimensional optical pointing device for a portable wireless information terminal having a two-dimensional pointing device for effectively using an application program using a graphic user interface has been developed.
이러한 종래의 장치에는 한국공개특허 제2006-0017464호 '초슬림 광 조이스틱 및 초슬림 광 조이스틱을 포함하는 개인휴대단말기', 한국공개특허 제2004-0089243호 '손가락 표면을 이용한 소형 포인팅 장치', 한국공개특허 제2006-0034735호 '마이크로 렌즈 어레이 구조를 적용한 초슬림 광 조이스틱' 및 한국공개특허 제2006-0027930호 '일체형 광도파로 구조를 사용한 초슬림 광 조이스틱'과 같은 장치가 있다.Such a conventional apparatus includes Korean Patent Publication No. 2006-0017464 'Personal Handheld Terminal including Ultra Slim Optical Joystick and Ultra Slim Optical Joystick', Korean Patent Publication No. 2004-0089243 'Small Pointing Device Using Finger Surface', Korean Patent Publication There is a device such as 2006-0034735 'Ultra-slim optical joystick using a micro lens array structure' and Korea Patent Publication No. 2006-0027930 'Ultra-slim optical joystick using an integrated optical waveguide structure'.
도 1은 한국공개특허 제2004-0089243호 '손가락 표면을 이용한 소형 포인팅 장치'를 나타내는 참고도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 광마우스에 사용하는 이미지 입력장치는 커버글라스(110), 렌즈(120), 차단막(130) 및 이미지센서(140)를 포함한다. 발광다이오드(150)로부터 생성된 빛이 손가락에 반사되어 지문이미지정보를 획득하고, 이를 렌즈(120)를 통해 광이미지 센서에 집광한다. 집광된 정보는 전기적 신호로 변환되고, 개인 휴대단말기 등의 본체는 이 전기적 신호로부터 손가락의 움직임을 해석하여, X, Y의 변위를 검출한다. 그러나 초슬림형 개인휴대 장치의 경우 초점거리가 짧은 렌즈를 사용해야 하고, 이 경우 조립시 초점거리가 상하로 조금만 틀어져도 이미지센서 면에 맺히는 상의 변화가 커서 이미지센서의 사이즈보다 크게 됨으로써 불량 발생의 원인이 된다. 따라서 광학계 초점 심도 한계로 인하 여 기본적인 장치의 높이가 제한되어야만 하는 문제점이 있다.1 is a reference diagram showing a Korean Patent Publication No. 2004-0089243 'small pointing device using the finger surface'. Referring to FIG. 1, the image input apparatus used in the conventional optical mouse includes a
이에, 도 2, 도 3 및 도 4는 광학계의 초점 심도 한계로 인하여 기본적인 장치의 높이가 제한되는 문제를 극복하기 위해 제안된 기술이다.2, 3 and 4 are proposed techniques to overcome the problem that the height of the basic device is limited due to the depth of focus limit of the optical system.
도 2는 한국공개특허 제2006-0034735호 '마이크로 렌즈 어레이 구조를 적용한 초슬림 광 조이스틱'을 나타내는 참고도이다. 도 2를 참조하면, 렌즈의 곡률반경에 의해 제한되는 광학계의 초점 심도 한계를 극복하고자, 곡률반경이 작은 마이크로렌즈의 어레이(160)를 활용하여 초점거리를 줄이고자 하였다. 그러나 이 장치는 마이크로 사출성형이나, 자외선 경화성형법 및 핫 엠보싱기법 등을 통하여 수십 마이크로미터의 곡률반경을 갖는 정밀한 마이크로 렌즈어레이를 제작해야 하는 단점이 있으며, 또한 피사체인 손가락 표면의 이미지 이동량 검출시 발생할 수 있는 이미지 센서간의 광신호 혼선 문제를 해결하기 위해 곡률반경이 수십 마이크로미터인 마이크로 렌즈어레이를 이미지센서의 촬상영역의 픽셀수와 일대일 대응되도록 정렬시켜야 하는 문제점이 있다.FIG. 2 is a reference diagram showing Korean Laid-Open Patent Publication No. 2006-0034735 “Ultra-slim optical joystick to which a micro lens array structure is applied”. Referring to FIG. 2, in order to overcome the depth of focus limit of the optical system limited by the radius of curvature of the lens, the focal length is reduced by utilizing the
도 3은 한국공개특허 제2006-0017464호 '초슬림 광 조이스틱 및 초슬림 광 조이스틱을 포함하는 개인휴대단말기'를 나타내는 참고도이다. 도 3을 참조하면, 도 1에서 발생할 수 있는 짧은 초점거리의 렌즈가 발생시킬 수 있는 문제를 극복하기 위한 것으로 광경로를 더욱 늘리기 위해 두께 방향으로 광경로를 조절한 것이다. 광원(310)에서 발생된 빛이 피사체인 손가락표면(100)에 반사되어 제1도파로(320)를 거쳐 제1펑볼록렌즈(330)에 도달하고, 제2평볼록렌즈(340)를 포함하는 제2광도파로(340)를 거쳐 이미지센서면(360)에 집광된다. 이렇게 촬상된 이미지의 변화를 이용하여 좌표의 변화를 계산하게 되면 LCD 등의 디스플레이 상의 포인터를 움직이게 하는 광 조이스틱 장치로 구현할 수 있다. 그러나 이 장치는 제1도파로와 제2도파로가 분리되어있어 조립공정시 광축의 불일치정도에 비례하여 결상되는 이미지가 이미지 센서면(360)으로부터 벗어남으로써 불량의 원인이 될 수 있으며, 초슬림용 렌즈의 직경이 2mm미만으로 작아져 수차가 커지고 회절효과에 의해 이미지가 흐려지는 현상이 두드러지게 되는 문제점이 있다.FIG. 3 is a reference diagram illustrating Korean Laid-Open Patent Publication No. 2006-0017464 'a personal portable terminal including an ultra slim optical joystick and an ultra slim optical joystick'. Referring to FIG. 3, in order to overcome a problem in which a short focal length lens may occur in FIG. 1, the optical path is adjusted in the thickness direction to further increase the optical path. The light generated by the
도 4는 한국공개특허 제2006-0027930호 '일체형 광도파로 구조를 사용한 초슬림 광 조이스틱'을 나타내는 참고도이다. 도 4를 참조하면, 도3과 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 기술이다. 광원(310)에서 발생된 빛이 손가락표면(100)에서의 지문의 광학적 정보를 가지고, 제1평볼록렌즈(330)에 입사한 후, 일체형의 광도파로(350)와 제2평볼록렌즈(340)를 거쳐 잡광을 제거하기 위한 차단막(370)을 통과하여 이미지 센서면(360)에 집광된다. 이와 같은 렌즈와 광도파로가 일체화된 구조는 광축의 불일치문제를 해결하고, 렌즈의 직경을 늘일 수 있어 수차와 2mm미만의 소형 렌즈 직경에 의해 발생되는 회절현상에 의한 이미지 흐림을 방지할 수 있으나, 두 개의 Plano-Convex렌즈와 광도파로가 일체형인 정밀하고 복잡한 형상의 일체형 광도파로를 제작해야 한다는 문제점이 있다.FIG. 4 is a reference diagram showing Korean Patent Publication No. 2006-0027930 'Ultra-slim optical joystick using an integrated optical waveguide structure'. Referring to Figure 4, it is a technique proposed to solve the problems of the prior art as shown in FIG. Light generated by the
이상의 종래의 기술들은 모두 터치 방식으로서 지문의 이동 정보를 운동추적방식을 이용하여 변위를 검출하고 있다. 이러한 장치들은 공통적으로 수광부에 지문이나 임의의 포인터 형상의 이미지를 잘 전달하기 위한 렌즈모듈의 구비가 필수적이며, 이 렌즈모듈의 초점거리를 줄이는 데는 광학적인 한계 때문에 초슬림 광포 인팅 장치를 실현하기 어렵고, 또한 복잡하고 정밀한 렌즈 모듈을 제작해야하므로 그 제작과 조립공정의 어려움으로 인해 불량발생률이 높다.All of the above-described conventional techniques detect the displacement using the movement tracking method of the movement information of the fingerprint as the touch method. These devices are commonly required to have a lens module for transferring a fingerprint or arbitrary pointer-like image to the light receiver, and it is difficult to realize an ultra-slim optical pointing device due to optical limitations in reducing the focal length of the lens module. In addition, since the complicated and precise lens module has to be manufactured, the defect rate is high due to the difficulty of the manufacturing and assembly process.
지문인식방식은 경우에 따라 지문 채취가 불가능한 사람이나 손에 땀이 많이 나는 다한증을 가진 사람이 사용할 경우 2차원 변위검출이 매우 어렵다. 또한, 장마철이나 사우나 및 수영장에서 사용하기에 큰 취약성을 가지고 있다. 더군다나, 특정 사용자의 손가락으로부터 화학물질이 함유된 체액이 남겨졌을 경우, 다음 사용자가 손가락 지문을 입력하였을 때, 두 개의 지문이 중복되어 보이는 잔류지문 문제가 자주 관찰되고, 이 잔류지문은 운동추적을 방해하게 된다.The fingerprint recognition method is very difficult to detect two-dimensional displacement in some cases when it is used by a person who is unable to collect fingerprints or by a person with sweating on the hands. It also has great vulnerability for use in the rainy season, sauna and swimming pool. Furthermore, if a fluid containing chemicals is left from the finger of a particular user, the next fingerprint is frequently seen as a residual fingerprint problem where two fingerprints overlap when the next user enters a finger fingerprint. Will interfere.
지문을 이용하지 않고 임의의 형상의 포인터를 이용하였을 경우도 포인터형상을 가지는 부가적인 기구를 개인휴대단말기기와 함께 휴대하여야하는 불편함이 있고, 포인터 형상과 그 이동부 및 지지부를 초슬림형 장치에 탑재하여야하는 어려움이 따른다. 또한 이러한 종래 기술들은 CMOS 공정으로 제작된 비교적 높은 해상도의 지문 스캐너 칩이나 CCD를 구비하여야 하는 단점이 있으며, 지문이나 포인터의 운동추적을 위한 별도의 영상처리 알고리즘이 구현되어야하며 복잡한 영상처리연산을 필요로 하는 단점이 있다. Even if a pointer having an arbitrary shape is used without using a fingerprint, it is inconvenient to carry an additional mechanism having a pointer shape together with the personal portable device, and the pointer shape, its moving part and the supporting part are mounted in the ultra-slim device. The difficulties that must be followed. In addition, these conventional technologies have the disadvantage of having a relatively high resolution fingerprint scanner chip or CCD fabricated in a CMOS process, and a separate image processing algorithm for tracking the movement of a fingerprint or a pointer must be implemented and requires a complicated image processing operation. There is a disadvantage.
따라서, 본 발명은 렌즈 모듈과 같은 광학계의 구성없이 개인휴대단말기와 같은 소형 공간에서의 정보입력을 위해 회절격자를 이용한 2차원 광포인팅장치를 제공함에 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a two-dimensional optical pointing device using a diffraction grating for inputting information in a small space such as a personal portable terminal without configuring an optical system such as a lens module.
본 발명의 상기 목적은 빛을 발산시키기 위한 발광부; 상기 발광부로부터 발산된 빛을 반사시키기 위한 반사막; 상기 반사막에서 반사된 빛을 회절시키기 위한 제1회절부; 상기 제1회절부의 슬라이딩 이동을 위한 격자 지지부; 상기 제1회절부와 소정 거리 이격되어 배치되고, 상기 제1회절부에 의해 회절된 빛을 투과시켜 확대된 광패턴을 형성시키기 위한 제2회절부; 상기 확대된 광패턴을 수광하기 위한 수광부; 및 수광된 상기 확대된 광패턴에 따른 가로축 및 세로축 방향으로의 변위량을 측정하기 위한 위치연산부를 포함하는 회절격자를 이용한 광포인팅장치에 의해 달성된다.The object of the present invention is a light emitting unit for emitting light; A reflecting film for reflecting light emitted from the light emitting unit; A first diffraction portion for diffracting the light reflected from the reflective film; A lattice support for sliding movement of the first diffractive portion; A second diffraction portion disposed to be spaced apart from the first diffraction portion by a predetermined distance, and configured to transmit light diffracted by the first diffraction portion to form an enlarged optical pattern; A light receiving unit for receiving the enlarged light pattern; And a position calculation unit for measuring displacements in the horizontal and vertical directions in accordance with the enlarged light pattern received by the diffraction grating.
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.Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
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.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5는 본 발명에 따른 광포인팅장치의 제1실시예를 나타내는 구성도로서, 본 발명의 제1실시예에 따른 가로 또는 세로의 회절격자 장치를 이용한 광포인팅장치는 X축, Y축이 분리된 회절격자(501, 502, 503, 504)를 이용한다.5 is a block diagram showing a first embodiment of the optical pointing device according to the present invention, the optical pointing device using a horizontal or vertical diffraction grating device according to the first embodiment of the present invention is separated from the X-axis, Y-axis The used
여기서, 2차원 광포인팅 장치는 발광수단(521, 522), 반사막(510), 반사막(510)에 세로 방향으로 소정 피치를 갖는 제1, 2회절격자(501, 502), 반사막(510)에 가로 방향으로 소정 피치를 갖는 제3, 4회절격자(503, 504), 수광부(531, 532, 533, 534) 및 위치연산 수단(540)을 포함한다.Here, the two-dimensional optical pointing device is applied to the first and
한편, 제3, 4회절격자(503, 504)는 각각 소정 피치의 제1, 2회절격자(501, 502)와 동일하거나 미소한 차이를 가지는 피치로 배열되어 있으며, 제1, 2회절격자(501, 502)에 비해 미소하게 회전된 적어도 하나 이상의 제3, 4회절격자(503, 504)이다. 또한, 제1 내지 4회절격자(501, 502, 503, 504) 각각의 피치는 서로 다르게 구성할 수 있다.On the other hand, the third and
발광수단(521, 522)은 이동되는 포인터를 제어하기 위한 제1회절격자부(501, 503, 510)로 빛을 발산한다. 이러한 발광수단(521, 522)은 LED(Light Emitting Diode) 또는 LD(Laser Diode)일 수 있다. The light emitting means 521, 522 emits light to the first diffraction
제1회절격자부(501, 503, 510)는 손가락과 같이 힘을 가할 수 있는 수단(100)에 의해 이동이 가능하고, 발광수단(521, 522)으로부터 생성된 빛을 반사막(510)을 통해 반사시키고 제1, 3회절격자(501, 503)를 통해 회절시킨다. 제1회절격자부(501, 503, 510)는 제1, 3회절격자(501, 503)의 슬라이딩을 가능하도록 하기 위한 격자 지지부(미도시)를 구비하며, 손가락 등의 움직임에 의해 가로(X)축, 세 로(Y)축 상에서 2차원 이동이 가능하다.The first
제1회절격자부(501, 503, 510)에서 반사되고 회절된 빛에 의해 생성된 이미지는 제2, 4회절격자(502, 504)를 투과하여 제1 내지 4회절격자(501, 502, 503, 504)의 피치 주기보다 확대된 광학적 패턴을 형성한다. 여기서, 확대되는 광패턴은 제1회절격자(501) 및 제2회절격자(502) 상호간의 피치차이 또는 제1회절격자(501)에 대한 제2회절격자(502)의 회전정도에 따라 결정되며, 또한 제3회절격자(503) 및 제4회절격자(504) 상호간의 피치차이 또는 제3회절격자(503)에 대한 제4회절격자(504)의 회전정도에 따라 결정된다.The image generated by the light reflected and diffracted by the first
여기서 상기 제1회절격자(501) 또는 제3회절격자(503)는 X축 방향 또는 Y축 방향의 2가지 회절무늬가 제1회절격자(501) 또는 제3회절격자(503) 내의 서로 다른 위치에 배치된 것일 수 있으며, X축 방향 또는 Y축 방향의 2가지 회절무늬가 상호 겹쳐진 형태인 십자형태로 배치된 것일 수 있다. 물론, 이렇게 구성되는 제1, 3회절격자(501, 503)는 슬라이딩을 가능하게 하기 위한 격자 지지부를 구비할 수 있다.Here, the
수광부(531, 532, 533, 534)는 X축 변위량측정을 위한 제1, 2수광소자(531, 532) 및 Y축 변위량측정을 위한 제3, 4수광소자(533, 534)를 이용하여 확대된 상기 광패턴의 에너지를 취득한다. 여기서, 수광소자는 포토다이오드가 바람직하다.The
위치연산 수단(540)은 수광부(531, 532, 533, 534)에서 취득한 신호를 증폭하는 증폭회로(541), 증폭된 신호를 원하는 광세기 이상일 경우와 그 이하인 경우로 나누어 원하는 전압으로 디지털화하는 비교기회로(미도시), 및 X축, Y축 각 방 향에 대하여 이동거리와 방향을 검출하기 위한 위치연산회로(542)를 포함한다. The position calculating means 540 compares the
일 예로, 발광수단(521, 522)으로부터 방사된 빛은 손가락(100) 등에 의해 이동되는 제1회절격자부(501, 503, 510)로 전달되고, 전달된 빛은 제1회절격자부(501, 503, 510)의 반사막(510)에 반사되며, 반사된 빛은 제1, 3회절격자(501, 503)에 의해 회절된다. 이렇게 회절되어 생성된 이미지가 제2, 4회절격자(502, 504)를 투과하여 확대된 광학적 패턴이 생성된다. 이 광패턴의 에너지는 X축 변위량측정을 위한 제1, 2포토다이오드(531, 532), 및 Y축 변위량측정을 위한 제3, 4포토다이오드(533, 534)에 의해 취득된다. 취득된 신호는 증폭되어 원하는 광세기 이상일 경우와 그 이하인 경우로 나누어 원하는 전압으로 디지털화하는 비교기회로를 거친 다음, 위치연산회로(542)를 거쳐 X축, Y축 각 방향에 대한 이동거리와 방향으로 검출된다. 이러한 거리와 방향정보는 광마우스가 평평한 바닥 표면 위를 이동하는 경우와 유사한 변위 정보를 갖는 것으로, 이 결과를 이용하여 휴대전화, PDA와 같은 개인 휴대단말기의 디스플레이 장치 화면상에서 움직이는 지시자인 포인터가 움직이게 된다.For example, the light emitted from the light emitting means 521, 522 is transmitted to the first diffraction
도 6은 본 발명에 따른 광포인팅장치의 제2실시예를 나타내는 구성도로서, 본 발명의 제2실시예에 따른 십자형 회절격자를 이용한 광포인팅장치는 십자형회절격자인 제5회절격자(601) 및 제6회절격자(602)를 이용한다.6 is a configuration diagram showing a second embodiment of the optical pointing device according to the present invention. The optical pointing device using the cross-shaped diffraction grating according to the second embodiment of the present invention is a
여기서, 제5회절격자(601) 및 제6회절격자(602)는 각각 입사되는 빛을 가로 및 세로 방향으로 회절시키기 위한 십자형 회절격자로서, 가로형 회절격자 및 세로형 회절격자를 일체형으로 갖는 십자형 회절격자일 수 있고, 또한 도 5의 가로 방 향으로 소정 피치를 갖는 가로형 회절격자와 세로 방향으로 소정 피치를 갖는 세로형 회절격자를 상호 겹쳐놓은 십자형 회절격자일 수 있다.Here, the
이때, 제6회절격자(602)는 소정 피치의 제5회절격자(601)와 동일하거나 미소한 차이를 가지는 피치로 배열되어 있으며, 제5회절격자(601)에 비해 미소하게 회전된 적어도 하나 이상의 제6회절격자(602)이다.In this case, the
하나의 발광수단(521)으로부터 생성된 빛이 손가락(100) 등에 의해 이동되는 십자형태의 제2회절격자부(510, 601)로 발산되어 반사막(510)에서 반사되고, 반사막(510)에 반사된 빛이 제5회절격자(601)에 의해 회절되어 생성된 이미지가 제5회절격자(601)와 동일한 피치를 가지지만 제5회절격자(601)에 대해 미소하게 회전되어있는 십자형태의 제6회절격자(602)를 투과하여 광학적 패턴을 생성하게 된다. 여기서, 확대되는 광패턴은 제5회절격자(601) 및 제6회절격자(602) 상호간의 피치차이 또는 제5회절격자(601)에 대한 제6회절격자(602)의 회전정도에 따라 결정된다.Light generated from one light emitting means 521 is emitted to the second
상기 광패턴의 에너지는 X축 변위량측정을 위한 제1, 2포토다이오드(531, 532), 및 Y축 변위량측정을 위한 제3, 4포토다이오드(533, 534)에 의해 취득된다. 취득된 신호는 X축, Y축의 이동량과 방향으로 분리된 신호로 나타나고, 각각의 신호는 증폭되어 비교기회로를 거쳐 디지털화되며, 디지털화된 신호는 위치연산회로(542)를 거쳐 X축, Y축 각 방향에 대한 이동거리와 방향으로 검출된다. The energy of the optical pattern is obtained by the first and
도 7은 본 발명에 따른 광포인팅장치의 제3실시예를 나타내는 구성도로서, 본 발명의 제3실시예에 따른 광포인팅장치는 도 6의 십자형 회절격자인 제5회절격자(601), 도 5의 세로형 회절격자인 제2회절격자(502) 및 가로형 회절격자인 제4회 절격자(504)를 이용한다.7 is a configuration diagram showing a third embodiment of the optical pointing device according to the present invention. The optical pointing device according to the third embodiment of the present invention is a
반사막(510)에 반사된 빛이 제5회절격자(601)에 의해 회절되어 생성된 이미지가 제2, 4회절격자(502, 504)를 투과하여 광학적 패턴이 생성된다. 생성된 광패턴은 X축, Y축으로 각각 분리 확대되어 나타난다. 여기서, 확대되는 광패턴은 제5회절격자(601)의 세로방향으로의 피치를 갖는 회절격자 및 제2회절격자(502) 상호간의 피치차이와, 제5회절격자(601)의 가로방향으로의 피치를 갖는 회절격자 및 제4회절격자(504) 상호간의 피치차이에 따라 결정되며, 또는 제5회절격자(601)에 대한 제2회절격자(502) 및 제4회절격자(504)의 회전정도에 따라 결정된다.The light reflected by the
도 8은 본 발명에 따른 광포인팅장치의 제4실시예를 나타내는 구성도로서, 본 발명의 제4실시예에 따른 광포인팅장치는 도 5의 광포인팅장치에서 발광수단(521, 522)이 회로기판(820)에 수직 고정되어 있을 경우, 발광수단(521, 522)으로부터 발산된 빛을 반사시켜 제1회절격자부(501, 503, 510)로 진행하게 하기 위한 반사거울(801, 802)을 포함한다.8 is a block diagram showing a fourth embodiment of the optical pointing device according to the present invention. In the optical pointing device according to the fourth embodiment of the present invention, the light emitting means 521 and 522 have a circuit in the optical pointing device of FIG. When it is vertically fixed to the
이때, 주변잡광에 기인한 노이즈를 제거하고 원하는 형태의 파형만을 검출하기 위해 광학필터(810)를 설치하여 수광부(531, 532, 533, 534)에서 발생 가능한 노이즈를 제거한다.At this time, in order to remove noise due to ambient light and to detect only a waveform having a desired shape, an
한편, 회로기판(820)은 연성회로기판으로 발광수단(521, 522)과 수광부(531, 532, 533, 534)를 실장한다.On the other hand, the
도 9는 본 발명에 따른 광포인팅장치의 제5실시예를 나타내는 구성도로서, 본 발명의 제5실시예에 따른 광포인팅장치는 도 6의 광포인팅장치에서 발광수 단(521)이 회로기판(820)에 수직 고정되어 있을 경우, 발광수단(521)으로부터 발산된 빛을 반사시켜 제5회절격자(601)로 진행하게 하기 위한 반사거울(801)을 포함한다.9 is a block diagram showing a fifth embodiment of the optical pointing device according to the present invention. In the optical pointing device according to the fifth embodiment of the present invention, the light emitting means 521 of the optical pointing device of FIG. When it is fixed vertically to 820, it includes a reflecting
이때, 제6회절격자(602)를 투과한 빛은 X축, Y축이 동시에 확대되어 나타난다. 십자형 회절격자를 이용한 2차원 광포인팅장치는 원하는 방향의 광패턴을 검출하기 위해 광패턴을 X축 방향으로 확대된 광으로 분리시켜주는 광학필터X(미도시)와 Y축 방향으로 확대된 광으로 분리시켜주는 광학필터Y(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 수광부(531, 532, 533, 534)에서 주변잡광에 기인한 노이즈를 제거하기 위한 광학필터(810)를 포함할 수 있다.At this time, the light transmitted through the
도 10은 본 발명에 따른 회절격자의 미소회전을 나타내는 도면이다. 도 10을 참조하면, 손가락(100) 측에 위치하는 상부회절격자(501, 503, 601)에 대해 수광부(531, 532, 533, 534) 측에 위치하는 하부회절격자(502, 504, 602)가 미소한 각(θ)으로 회전되었을 경우, 상하부회절격자를 상호간에 일정한 거리를 두고 겹치게 배치하면 반사막(510)에 반사된 빛이 하부회절격자를 투과한 후 주기가 큰 패턴이 나타남을 알 수 있다.10 is a view showing the micro-rotation of the diffraction grating according to the present invention. Referring to FIG. 10, the
이때 새로이 형성된 확대된 패턴의 주기(λm)는 [수학식 1]과 같다. 여기서, P는 피치, θ는 회전각을 나타낸다.In this case, the period λ m of the newly formed enlarged pattern is represented by Equation 1 below. Where P is a pitch and? Represents a rotation angle.
이에 따라, X축, Y축의 이동량을 검출하기 위한 수광부(531, 532, 533, 534)의 포토다이오드들은 동일축상에서 λm/4만큼 상호간의 거리를 두고 위치함으로써 이동방향 및 변위를 감지할 수 있다. 이때, X축, Y축 방향으로의 한 피치(P)의 이동은 확대된 패턴주기(λm)의 이동으로 나타난다. Accordingly, the photodiodes of the
일 예로, X축 방향으로 0.1㎜ 피치(P)를 가지는 상하부회절격자를 투과한 빛은 미소회전각(θ)에 따라 확대된 패턴주기(λm)를 갖게 되는데, X축 방향으로 약 1㎜(10P) 이동시 확대된 패턴은 10λm만큼 이동하게 되고, 수광부는 이렇게 확대된 패턴의 이동을 아날로그신호로 검출하게 된다. 따라서 회절격자의 피치, 회절격자간의 거리, 회전각 및 수광부의 크기를 적절히 조절함으로써 회절격자의 이동방향과 변위를 손쉽게 측정할 수 있다.For example, the light passing through the upper and lower diffraction gratings having a pitch P of 0.1 mm in the X-axis direction has a pattern period λ m that is enlarged according to the small rotation angle θ, which is about 1 mm in the X-axis direction. During the movement of 10P, the enlarged pattern moves by 10λ m , and the light receiving unit detects the movement of the enlarged pattern as an analog signal. Therefore, by properly adjusting the pitch of the diffraction grating, the distance between the diffraction gratings, the rotation angle and the size of the light receiving portion, it is possible to easily measure the movement direction and displacement of the diffraction grating.
도 11은 본 발명에 따른 위치연산수단의 일실시예를 나타내는 도면이고, 도 12는 도 11의 위치연산수단의 각 단계별 신호를 나타내는 도면이다. 도 11 및 12를 참조하면, 위치연산수단(540)은 수광부(531, 532, 533, 534)를 통해 취득한 신호를 처리한다.11 is a view showing an embodiment of the position calculation means according to the present invention, Figure 12 is a view showing a signal for each step of the position calculation means of FIG. 11 and 12, the position calculating means 540 processes signals acquired through the
X축의 이동량과 방향을 검출하기 위한 제1, 2포토다이오드(531, 532) 상호간의 거리와 Y축의 이동량과 방향을 검출하기 위한 제3, 4포토다이오드(533, 534) 상호간의 거리는 λm/4의 정수배만큼의 거리임이 바람직하다. 한편, 상하부회절격자 각각의 피치주기에 따라 확대되는 주기는 다를 수 있다.The distance between the first and
제1, 2포토다이오드(531, 532)에서 검출된 신호 A와 제3, 4포토다이오드(533, 534)에서 검출 신호 B는 증폭회로(541)를 거쳐 최대전압과 최소전압의 차이가 1Volt 이상을 갖는 아날로그 신호로 증폭된다. 증폭된 아날로그 신호는 비교기를 거쳐 원하는 광세기 이상일 경우와 그 이하인 경우로 나누어 원하는 최대전압과 최소전압으로 나눈 스텝신호로 변환된다. 상기 신호 A는 그 반전 신호()와 미소한 위상 차이를 가지는 펄스신호(△A, △)로 변환되고, 신호 B는 그 반전 신호()로 변환된다. 이 신호들은 각각 +방향의 신호를 검출해 내는 ×△A, 및 -방향의 신호를 검출해 내는 ×△의 논리회로를 거쳐 X축, Y축 각 방향에 대하여 이동거리과 방향을 검출한다.The signal A detected by the first and
도 13은 본 발명에 따른 광포인팅장치가 탑재된 개인휴대단말기의 일실시예를 나타내는 도면이다. 도 13을 참조하면, 휴대폰과 같은 개인휴대단말기(910)는 본 발명의 광포인팅장치(920)를 포함한다. 광포인팅장치(920)는 손가락이나 손가락과 유사한 힘을 가할 수 있는 수단으로 상부회절격자(501, 503, 601)를 이동시킴으로써 포인터를 제어할 위치로 이동시키게 된다. 또한 개인휴대단말기(910)는 광포인팅장치(920)와 연결된 적어도 하나 이상의 실행 버튼(930)을 포함하는 것이 바람직하다. 이 실행버튼(930)은 광포인팅장치(920)에 의해 이동된 포인터를 이용하여 대상을 선택하여 실행 명령을 입력하기 위해 사용될 수 있다.13 is a view showing an embodiment of a personal portable terminal equipped with an optical pointing device according to the present invention. Referring to FIG. 13, the personal
한편, 회절격자는 주기적인 피치를 가지는 회절무늬를 투명한 플라스틱필름 또는 유리에 프린팅하여 제작한다. 또한 실리콘웨이퍼를 에칭하여 제작할 수 있다.On the other hand, the diffraction grating is produced by printing a diffraction pattern having a periodic pitch on a transparent plastic film or glass. In addition, it can be produced by etching the silicon wafer.
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.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various modifications and variations are possible without departing from the spirit of the present invention and equivalents of the claims to be described below.
따라서, 본 발명의 회절격자를 이용한 광포인팅장치는 회절격자를 이용함으로써 복잡한 렌즈와 광도파로와 같은 복잡한 광학계의 구비없이 소형 광포인팅장치를 구현할 수 있는 장점이 있다.Therefore, the optical pointing device using the diffraction grating of the present invention has an advantage that a small optical pointing device can be realized without the use of complicated optical systems such as a complicated lens and an optical waveguide by using the diffraction grating.
또한, 본 발명은 기존의 지문 운동추적방식을 이용한 고가의 광포인팅장치 대신 저가의 회절격자 및 포토다이오드를 사용함으로써 저가생산이 가능하다는 장점이 있다.In addition, the present invention has the advantage that low-cost production is possible by using a low-cost diffraction grating and a photodiode instead of an expensive optical pointing device using a conventional fingerprint motion tracking method.
Claims (13)
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KR1020060074456A KR100773807B1 (en) | 2006-08-08 | 2006-08-08 | Optical pointing device using diffractive gratings |
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