KR100894544B1

KR100894544B1 - 스페이스 터치스크린 장치 및 그 작동방법

Info

Publication number: KR100894544B1
Application number: KR1020070051563A
Authority: KR
Inventors: 한상필; 조인귀; 안승호; 성희경; 박경현; 오대곤
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2007-05-28
Publication date: 2009-04-24
Also published as: KR20080049589A

Abstract

본 발명은 Goggle, HMD, Glove, Screen 등의 보조 장치 없이 문자 또는 영상을 허공에서 볼 수 있도록 하고, 사용자의 손가락에 의해 허공 키패드 입력이 행해지면 입력에 대한 원하는 출력이 수행되는 저가의 소형 스페이스 터치스크린 장치 및 그 작동방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 스페이스 터치스크린 장치는, 디스플레이 소자에서 방출되는 광원을 이용하여 생성된 문자 및 영상 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 입력부를 포함하는 광플레인을 허공에 투영하는 패턴 프로젝션부; 상기 광플레인의 입력부에 대응하도록 채널별로 독립변조된 IR 광신호를 생성하여 상기 광플레인의 입력부에 투사하는 IR 광원부; 사용자가 상기 광플레인의 입력부를 터치할 때 제공되는 상기 IR 광신호를 감지하여 증폭 및 복조하는 IR 감지부; 및 상기 IR 감지부로부터 전달 받은 신호를 처리하는 신호처리부를 포함한다.

본 발명에 의한 스페이스 터치스크린 장치는 기계적인 키 입력장치가 필요 없어 소형 및 반영구적 사용이 가능하며, 도어락(door lock)이나 디지털 가전 키패드 등에 적용 가능하다.

스페이스 터치스크린, 가상 키패드, 가상 입출력장치

Description

스페이스 터치스크린 장치 및 그 작동방법{Space touch screen and the operating method}

도 1은 본 발명에 의한 스페이스 터치스크린 장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 의한 스페이스 터치스크린 장치의 패턴 프로젝션부의 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 스페이스 터치스크린 장치의 IR 광원부 및 IR 감지부의 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 부호의 설명>

1: 스페이스 터치 스크린 장치

10: 패턴 프로젝션부 11: 패턴 디스플레이 소자

12: 광빔 확장용 렌즈 13: 오목거울(Concave Mirror)

14: 프레넬 렌즈(Fresnel Lens) 15: 반투명 필터

16: 오목거울의 곡면

20: IR(infrared) 광원부 21: IR 광원 어레이

22: 콜리메이터(collimator)

30: IR 감지부 31: IR 통과필터

32: 수광렌즈(Spherical Bi-Convex Lens)

33: IR 검출기 34: 증폭기

35: 전기 대역통과 필터(Band Pass Filter)

40: 신호처리부 41:연산부 42:처리부

50: 광플레인

본 발명은 사람이 나타나면(스위치가 ON되면) 문자 또는 영상을 자유공간에 디스플레이로 제공하는 스페이스 터치스크린 장치 및 동작방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 IR(infrared) 광원이 광플레인에 조사되어 입력 준비상태가 되며, 사용자의 손가락에 의해 입력이 행해지면 IR 검출기에 의하여 XY 좌표 또는 XYZ 좌표 값이 결정되어 입력에 대한 원하는 출력이 수행되는 스페이스 터치스크린 및 그 작동방법에 관한 것이다.

일반적으로, 3차원 디스플레이는 Goggle, HMD(Head Mounted Display), Glove, Screen 등을 사용하여 구현한다. 그러나, 상기 보조 장치를 사용하지 않고 허공에서 문자 또는 영상 등을 보기 위해서는 허공에 투영되는 빛이 한 지점에서 사방으로 퍼져야 한다. 홀로그램과 같이 실제로 허공에 빛이 모이도록 하여 그 지점에서 마치 형상이 존재하여 빛을 내는 것처럼 수많은 발광 점들의 집합체, 즉, 실상이 만들어지는 것이다. 보조 장치를 사용하지 않고, 허공에 문자 또는 영상 등을 디스플레이 할 수 있는 방법이 다양하게 공지되어 있다. 특히, 비고체 스크린(non-solid screens)에 투영하는 방법 중 안개 스크린 프로젝션 장치(fog screen projection)로 알려진 단순한 물 스크린(water screen)에 영상을 투영하는 방법(미국특허 620,592호)과, 대기를 국부적으로 재가습하는 극미립자 구름 재료를 분사하여 제어된 미세 환경 내에 담겨 있는 비가시 입자 구름 스크린에 영상을 투영하는 방법(한국 공개 특허 2005-0037459 및 미국특허 6,857,746)이 공지되어 있다. 입자 구름 스크린 장치는 원래의 이차원 영상 생성 데이터와 지각된 공간적인 위치 사이의 불일치로부터 생기는 눈의 피로감을 해소하는 구조이다.

또한, 최근에는 상기 비고체 스크린 방식(안개 스크린 프로젝션 장치, 입자 구름 스크린 장치 등)을 사용하지 않고 곧바로 허공에 디스플레이를 구현하기 위하여 각각의 디스플레이 소자, 오목거울, 프레넬 렌즈, 부분 투명 미러(spy mirror) 등을 정렬 및 조립하여 만든 가상 이미지 프로젝션 장치(미국 특허 5,944,403)가 공지되어 있다.

그러나, 전술한 문자 또는 영상 등을 디스플레이 하는 방법들 (비고체 스크린 방식 또는 가상 이미지 프로젝션 장치)을 사용하여 허공에 디스플레이를 구현하기 위해서는 각각의 광학소자의 정렬 및 조립 공정이 필요하며 별도의 장치가 필요하므로 제작이 용이하지 않다.

본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위해 고안된 발명으로, 본 발명의 목 적은, 별도의 비고체 스크린 장치가 필요하지 않고, 각각의 광학소자의 정렬 및 조립이 간편하며, 건물 내에서 도어락(door lock)이나 디지털 가전 키패드 등에 사용될 수 있는 소형 스페이스 터치 스크린 장치 및 그 작동 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 Goggle, HMD, Glove, Screen 등의 보조 장치 없이 문자 또는 영상을 허공에서 볼 수 있도록 하고, 사용자의 손가락에 의해 허공 키패드 입력이 행해지면 입력에 대한 원하는 출력이 수행되는 저가의 소형 스페이스 터치스크린 장치 및 그 작동방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스페이스 터치스크린 장치는, 디스플레이 소자에서 방출되는 광원을 이용하여 생성된 문자 및 영상 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 입력부를 포함하는 광플레인을 허공에 투영하는 패턴 프로젝션부; 상기 광플레인의 입력부에 대응하도록 채널별로 독립변조된 IR 광신호를 생성하여 상기 광플레인의 입력부에 투사하는 IR 광원부; 사용자가 상기 광플레인의 입력부를 터치할 때 제공되는 상기 IR 광신호를 감지하여 증폭 및 복조하는 IR 감지부; 및 상기 IR 감지부로부터 전달 받은 신호를 처리하는 신호처리부

를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 스페이스 터치스크린의 작동방법은,

(a) 디스플레이 소자에서 방출되는 광신호를 이용하여 문자 또는 영상을 생성하고 허공에 투영하는 단계; (b) 각 입력신호에 대응하는 채널별로 독립변조된 IR 광신호를 생성하여 상기 문자 또는 영상의 입력부분에 투사하는 단계; (c) 사용자가 상기 문자 또는 영상의 입력부분을 손가락으로 터치할 때 손가락으로부터 반사되는 광신호를 증폭 및 복조하는 단계; (d) 상기 증폭 및 복조된 광신호를 처리하는 단계를 포함한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스페이스 터치스크린 장치의 실시예에 대해 설명한다. 본 발명의 권리범위는 이하에 기술할 실시예에 한정되지 않으며, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자가 변형하여 실시할 수 있는 범위에까지 미친다.

도 1은 본 발명에 따른 스페이스 터치스크린 장치의 구성도이다.

도 1에 도시한 바에 의하면, 본 발명에 의한 스페이스 터치스크린 장치는, 패턴 프로젝션부(10), IR 광원부(20), IR 감지부(30), 신호처리부(40) 및 광플레인(50)을 포함한다.

상기 패턴 프로젝션부(10)는 문자 또는 화상을 생성하여 허공에 디스플레이하는 역할을 수행하며, 광플레인(50)은 패턴 프로젝션부(10)를 통해 허공에 투영되는 영상을 지칭하는 용어로, 사용자로부터 입력을 제공받기 위한 키패드 또는 영상과 사용자가 입력한 신호에 의해 허공에 나타나는 키패드, 정지 영상 및 허공 동영상을 모두 포함한다.

IR 광원부(20)는 광플레인(50)에서 사용자로부터 제공되는 터치 신호를 감지하기 위해 IR 광신호를 생성하는 역할을 수행하는 것으로, 구체적으로, IR 광원부(20)는 광플레인(50)에 표시된 각 입력 버튼에 대응하도록 채널별 독립 변조된 IR광신호를 생성하여 광플레인(50)에 제공함으로써, 상기 광플레인(50)을 입력 준비상태로 유지시킨다.

IR 감지부(30)는 광플레인(50)에 제공된 허공 키패드 및 영상 등을 터치함으로써 생성되어 반사된 IR 광신호를 증폭 및 복조하여 신호처리부(40)로 전달한다.

신호처리부(40)는 IR 감지부(30)로부터 전달된 IR 광신호를 연산 및 처리하여 사용자가 터치한 입력버튼을 찾아내고, 상기 입력 신호에 대한 출력신호를 패턴 프로젝션부(10)에 전달한다. 또한 신호처리부(40)는 IR 감지부(30)에서 전달된 IR 광신호가 미약하거나 오류가 발생한 경우에 IR 광원부(20) 및 패턴 프로젝션부(10) 중 하나에 제어신호를 전달하여 광플레인(50)을 재입력 준비상태로 유지시킨다.

스페이스 터치 스크린 장치를 구성하는 각 구성요소에 대해서는 이하 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2에 도시한 바에 의하면, 본 발명에 따른 패턴 프로젝션부(10)는 마운트(11a) 상에 설치되는 패턴 디스플레이소자(11), 패턴 디스플레이소자(11) 상에 설치되는 광빔 확장용 렌즈(12), 패턴 디스플레이 소자(11)와 대향하는 위치에 설치되며 오목거울 곡면(16)이 형성된 오목거울(13), 오목거울(13)의 일측면에 디스플레이 소자(11)로부터의 광신호가 굴절되는 방향에 설치된 프레넬 렌즈(14), 프레넬 렌즈(14)의 외부에 설치되는 반투명 필터(15)를 포함한다. 패턴 디스플레이 소 자(11)는 LED 또는 LD 등을 이용하며, 오목거울(13)과 프레넬렌즈(14)는 장치의 소형화를 위해 플라스틱 몰딩 공정에 의한 일체형으로 형성하고, 몰딩된 오목거울의 곡면(16)부분에는 반사효율을 높이기 위해 별도로 금속 코팅을 추가하는 것이 바람직하다.

패턴 디스플레이 소자(11)에서는 LED 또는 LD에서 제공되는 광원으로 광플레인(50) 상에 투영될 입력부인 키패드 패턴을 형성하여, 광빔 확장용 렌즈(12)를 통해 오목거울(13)측으로 제공한다. 오목 거울(13)측으로 제공된 허공 키패드 패턴은 오목거울 곡면(16)에 의해 일정 방향으로 굴절된다. 즉, 오목 거울(13)에서는 키패드 패턴을 일정 방향으로 모이게 하고, 프레넬 렌즈(14)는 키패드 패턴이 허공에 부유할 수 있도록 한다. 마지막으로 반투명 필터(15)는 외부에 있는 사용자가 스페이스 터치스크린 장치(1)의 내부를 볼 수 없도록 한다.

패턴 프로젝션부(10)에서는 청색 광원을 방출하는 블루 LED를 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다. 일반적으로, 적색보다 파장이 짧은 청색이 비교적 공기 중에서 산란이 잘 일어나기 때문에 허공에 키패드를 만드는데 유리하다. 또한, 밝은 곳에서는 청색보다 적색이 잘 보이지만, 건물 안에서는 주변이 어두워지면서 적색은 검게 보이고 청색이 눈에 띄게 된다. 색을 느끼는 원추세포는 주로 낮에 활발하게 활동하는데 비해 명암을 느끼는 간상세포는 주로 밤에 활성화되고, 간상세포는 짧은 파장인 청색에 민감하기 때문에 어두운 곳에서는 청색이 잘 보이게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 스페이스 터치스크린 장치의 IR 광원부(20), IR 감지 부(30), 신호처리부(40)의 구성도이다.

도 3에 의하면, IR 광원부(20)는 IR 광원(LD 또는 LED) 어레이(21), 콜리메이터(22)를 포함하며, IR 감지부(30)는 IR 통과필터(31), 구형 수광렌즈(32), IR 검출기(PIN-PD)(33), 증폭기(34), 채널 복조용 전기 대역통과필터(band pass filter: BPF)(35)를 포함하고, 신호처리부(40)는 분석부(41)와 처리부(42)를 포함한다.

IR 광원부(20)를 구성하는 IR 광원 어레이(21)는 각 채널(예를 들면, 허공 키패드의 문자 및 숫자의 개수)만큼의 IR 광원칩(미도시)과 각 IR 광원칩에 대해 드라이버칩(미도시)과 구동회로(미도시)를 포함하며, 콜리메이터(22)는 상기 IR 광원 어레이(21)와 대응되어 상기 IR 광원 어레이(21)에서 제공되는 IR 광원을 광플레인(50)에 평행빔으로 투사한다. 상기 IR 광원 어레이(21)는 광플레인(50)의 키패드의 키 버튼 개수에 맞추어 개수가 결정된다.

즉, IR 광원 어레이(21)에서는 각 키 버튼에 해당되는 각 IR 광원마다 독립적으로 변조하여 콜리메이터(22)로 내보내며, 상기 콜리메이터(22)에서는 광변조 신호(f₁~f₄)를 평행 빔으로 바꾸어 광플레인(50) 쪽으로 보낸다. 사용자가 키패드 패턴을 통해 광플레인(50)으로 보내진 광변조 신호를 터치하면 터치된 광변조 신호가 IR 감지부(30)로 전송된다. 예를 들면, 임의의 키버튼에 해당되는 광변조 신호 f₂가 사용자의 손가락 끝에 의해서 반사되면, 반사된 f₂는 IR 광원 대역만 통과시키는 IR 통과필터(31)와 코팅된 수광렌즈(32)를 통하여 IR 검출기(33)로 보내진다. 이 때, 사용자가 터치하지 않은 신호(f₁, f₃, f₄)는 반사되지 않을 뿐 아니라 IR 감지부(30)로 전송되지 않는다. IR 검출기(33)는 광플레인 상에서 f₂가 반사된 위치의 XY 좌표 또는 XYZ 좌표 값을 결정하고, 이후 IR 광변조 신호 f₂는 증폭기(34)와 채널복조용 전기 대역통과필터(BPF)(35)를 통과하여 복조되며, 이에 따라 상기 f₂는 입력 키 버튼으로 사용된다. IR 검출기(33)는 PIN-PD 하나만으로 구성하는 것이 바람직한데, 그 이유는 IR 광원부(20)의 어레이 광원에서 각각에 대한 독립변조를 수행하므로 광플레인(50)에서 입력되는 허공 키 조작에 대해 일대일로 대응되는 광검출기 어레이가 필요 없기 때문이다.

IR 감지부(30)에서 증폭 및 복조된 IR 광신호는 신호처리부(40)로 전달되고, 신호처리부(40)의 분석부(41)는 IR 감지부(30)로부터 전달 받은 신호를 이용하여 사용자가 입력한 내용을 분석하고, 처리부(42)는 사용자 입력에 대응하여 패턴 프로젝션부 및 IR 광원부에 대한 제어신호를 생성하게 된다.

IR 감지부(30)로부터 전달받은 신호가 미약하거나 오류가 발생한 경우에 신호처리부(40)는 IR 광원부(20) 및 패턴 프로젝션부(10)를 조정하는 제어신호를 보낸다. 또한 신호처리부(40)는 프로젝션되는 허공 주변의 밝기에 따라 적절한 명암비로 맞추기 위해서 패턴 프로젝션부(10)의 광원을 조절한다.

IR 감지부(30)는 키버튼이 사용자의 손가락 끝으로 터치된 경우에만 키가 제대로 입력된 것으로 간주한다. 여러 개의 키 버튼이 동시에 터치되는 경우에는 무효 처리함과 동시에 잘못 입력되었다는 의미의 음향효과를 내고, 여러 개의 키 버 튼이 일정한 시간간격으로 터치될 때에는 먼저 터치되는 순서대로 키가 입력되는 것으로 간주한다. 키 버튼이 제대로 터치될 때마다 IR 감지부(30)에서는 제대로 입력되었다는 의미의 음향효과를 낸다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 청색 광원(LED 또는 LD등)을 사용함으로써 허공에서 보다 더 산란이 잘 되는 이점이 있어 허공 키패드가 사용자의 눈에 잘 보이게 되고, 특히 주변 환경이 다소 어두운 건물 내에서는 가시광선 중에 청색의 영상이 눈에 더 민감하여 Goggle, HMD, Glove, Screen 등의 보조 장치 없이도 허공 디스플레이(광플레인)를 실행시키는데 유리하다.

또한, IR 광원부의 어레이 광원에서 각각에 대한 독립변조를 수행하므로 광플레인에서 입력되는 허공 키 조작에 대해 일대일로 대응되는 광검출기 어레이가 필요없으며 PIN-PD 하나만 필요하여 저가의 허공 입력장치를 제공할 수 있고, 기계적인 키 입력장치가 필요 없어 장치의 소형화 및 반영구적 사용이 가능하며, 도어락(door lock)이나 디지털 가전 키패드 등에 적용 가능한 스페이스 터치스크린을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 패턴을 형성하는 프로젝션부에서 패턴 디스플레이소자를 LCD, GLV(grating light valve), DLP(digital light processing) 등의 패턴 가변성 광원 모듈로 사용하게 되면 허공 키패드의 색 유연성 및 문자 유연성 등의 효과를 줄 수 있다.

Claims

디스플레이 소자에서 방출되는 광원을 이용하여 생성된 키패드를 포함하는 광플레인을 허공에 투영하는 패턴 프로젝션부;

상기 키패드에 포함된 키들 각각에 대응하도록 채널별로 독립변조된 복수개의 IR 광신호를 생성하여 상기 키패드에 포함된 키들 각각에 투사하는 IR 광원부;

사용자가 상기 키패드에 포함된 키들 중 어느 하나를 터치할 때 제공되는 상기 IR 광신호를 감지하여 증폭 및 복조하는 IR 감지부; 및

상기 IR 감지부로부터 전달 받은 신호를 처리하는 신호처리부

를 포함하는 스페이스 터치스크린 장치.
제 1항에 있어서, 상기 패턴 프로젝션부는,

상기 디스플레이 소자 상에 형성되어 상기 디스플레이 소자에서 생성된 상기 광원의 투사면적을 확장시키는 광빔 확장용 렌즈;

상기 광빔 확장용 렌즈와 마주 보도록 설치되어 상기 광원을 일정 방향으로 모이게 하는 오목거울;

상기 오목 거울의 일측면에 상기 광원이 굴절되는 방향에 설치되어 상기 광원을 허공에 부유시키는 프레넬 렌즈; 및

상기 프레넬 렌즈의 노출면에 형성된 반투명 필터

를 포함하는 스페이스 터치스크린 장치.
제 2항에 있어서,

상기 오목거울과 상기 프레넬렌즈는 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스페이스 터치스크린 장치.
삭제
제 2항에 있어서, 상기 패턴 프로젝션부는,

상기 디스플레이 소자의 광량을 조절하여 상기 광플레인의 명암을 조절하는 것을 특징으로 하는 스페이스 터치스크린 장치.
제 1항에 있어서, 상기 IR 광원부는,

상기 IR 광원을 어레이로 사용하고 상기 IR 광원을 채널별로 독립 변조하는 IR 광원 어레이와, 상기 IR 광원 어레이를 통과한 광변조 신호를 평행 빔으로 바꾸는 콜리메이터를 포함하는 스페이스 터치스크린 장치.
제 1항에 있어서, 상기 IR 감지부는,

상기 광플레인에서 제공된 상기 IR 광신호의 IR 광원 대역만 통과시키는 IR 통과필터, 상기 IR 통과필터를 통과한 상기 IR 광신호를 수광하는 수광렌즈, 적어도 하나의 PIN-PD를 포함하며 상기 수광렌즈를 통과한 상기 IR 광신호의 위치를 검출하는 IR 검출기, 상기 광신호를 증폭하는 증폭기 및 상기 증폭된 IR 광신호를 복조하여 통과시키는 채널복조용 전기 대역통과필터를 포함하는 스페이스 터치스크린 장치.
제 1항에 있어서, 상기 디스플레이 소자는,

청색 광원을 방출하는 LED 또는 LD를 사용하는 것을 특징으로 하는 스페이스 터치스크린 장치.
(a) 디스플레이 소자에서 방출되는 광신호를 이용하여 키패드를 생성하고 허공에 투영하는 단계;

(b) 각 입력신호에 대응하는 채널별로 독립변조된 복수개의 IR 광신호를 생성하여 상기 키패드에 포함된 키들 각각에 투사하는 단계;

(c) 사용자가 상기 키패드에 포함된 키들 중 어느 하나를 손가락으로 터치할 때 손가락으로부터 반사되는 해당 키의 IR 광신호를 증폭 및 복조하는 단계; 및

(d) 상기 증폭 및 복조된 광신호를 처리하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 터치스크린 작동 방법.