KR101100584B1 - 광학 시스템, 분석 시스템 및 전자 펜용 모듈형 유닛 - Google Patents

광학 시스템, 분석 시스템 및 전자 펜용 모듈형 유닛 Download PDF

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Abstract

전자 펜용 모듈형 유닛이 설계된다. 모듈형 유닛은 기록 기구를 위한 수납기를 갖춘 캐리어(70), 인쇄 회로 보드(72), 인쇄 회로 보드 상에 장착된 2차원 방사선 센서(78), 및 이미지 평면을 한정하는 이미징 유니트(82)를 포함한다. 캐리어(70), 인쇄 회로 보드(72), 및 이미징 유니트(82)는 방사선 센서(78)에서 이미지 평면이 위치되도록 방사선 센서(78)를 면하는 이미징 유니트(82)와 함께 결합된다. 모듈형 유닛은, 위치-코딩(position-coding) 패턴의 이미지에 기초한 위치 검출과 같이, 특정 광학 분석 분야에 전용되는 분석 시스템을 포함할 수 있다. LED 또는 레이저 다이오드와 같은 방사선 소스가 인쇄 회로 보드상에 배열되거나 또는 이미징 유니트상의 홀더에 장착될 수 있다. 이미지 유니트(82)는 방사선 센서(78)를 향해 전달된 방사선(radiation)의 공간적 시점(spatial origin)을 조절하는 조준 유니트(boresight unit)로서 동작될 수 있다. 조준 유니트는 방사선-전달 채널, 이미징 렌즈, 및 채널내의 재지향 미러를 포함할 수 있다.

Description

광학 시스템, 분석 시스템 및 전자 펜용 모듈형 유닛{AN OPTICAL SYSTEM, AN ANALYSIS SYSTEM AND A MODULAR UNIT FOR AN ELECTRONIC PEN}
본 출원은 모두 2003년 12월 15일자로 출원된 스웨덴 특허 출원 No. 0303351-1호 및 US 가특허 출원 No. 60/529,118호, 및 모두 2004년 7월 8일자로 출원된 스웨덴 특허 출원 No. 0401802-4호 및 US 가특허 출원 No. 60/586,083호의 장점을 청구하며, 상기 문헌들은 본 명세서에서 참조된다.
본 발명은 대상물(object)을 조사하도록(irradiate) 배열되고 이미지 평면에 대상물의 이미지를 전달하도록 배열된 광학 시스템에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 광학 시스템을 포함하는 분석 시스템, 및 전자 펜용 모듈형(modular) 유닛에 관한 것이다.
현대 사회에서 이동성(mobility)에 대한 수요 증가로, 이미징 능력을 가지는 작은 휴대용 장치들을 제공하는 것이 보편화되었다. 따라서 상기 형태의 광학 시스템은 핸드헬드(handheld) 스캐너 및 전자 펜들과 같이, 핸드헬드 이미징 소자들로 구현되었다. 이러한 핸드헬드 소자의 전체 크기를 제한하기 위해, 광학 시스템을 소형화하는 것이 바람직하다.
통상적으로 광학 시스템은 대상물의 조사(irradiation)를 제공하는 방사선 소스(radiation source)를 포함하는 조사 시스템, 및 대상물의 이미지를 기록하기 위한 2차원 방사선 센서를 포함하는 이미징 시스템을 포함한다. 핸드헬드 장치에 대해, 광학 시스템과 통상적으로 페이퍼(paper)와 같은 평면 표면인 대상물 사이의 공간적 방향은 실질적으로 가변적이다. 예를 들어, 전자 펜을 이용한 기록 프로세스 동안, 펜은 페이퍼에 대해 가변 각도로 빈번하게 쥐어진다. 따라서, 페이퍼의 공간 방향은 방사선 센서와 방사선 소스를 기준으로 변한다. 각도가 변함에 따라, 방사선 센서와 기록 표면간의 관계가 변한다. 이는 이미징 시스템 상에서 펜과 페이퍼 사이의 상이한 각도에 대해 대상물의 관찰 부분을 적절하게 이미지화시킬 것을 요구하게 한다.
또한 방사선 소스에 대해 대상물을 적절히 조사할 것을 요구한다. 이러한 요구조건은, 대상물에 대해 상이한 거리에 배치되고 대상물에 대해 상이한 각도를 형성하는 것과 같이, 방사선 소스 및 방사선 센서가 상이한 방식으로 대상물과 관련된 위치에 배열될 때 강조된다. 이러한 경우에 있어서, 방사선 소스는 핸드헬드 장치와 대상물 사이의 방향 변화와 상관없이 관찰 대상물 영역을 조사하도록, 방사선 소스는 충분히 큰 입체각으로 방사선을 방출하는 것이 요구된다.
WO 03/001358호는 전자 펜을 개시하고 있으며, 상기 전자 펜에서 상기 펜의 정면 단부에 배열된 공통 장착부에 의해 카메라 유니트, 광원 및 기록 기구가 보유된다. 이러한 설계는 펜의 관련 부품들의 상호 위치를 조절하기 위한 것이다. 그러나, 이러한 전자 펜의 어셈블리는 전체적으로 만족스럽지 못하다. 또한, 전자 펜은 카메라 유니트의 부품들과 광원 사이에 상당히 긴 허용오차 체인(tolerance chain), 및 제조 비용을 증가시키고, 펜의 내구성을 감소시키며 제조시 수동 조립 단계를 수반하는 인쇄 회로 보드와 카메라 유니트 사이에 전기적 커플링을 수반한다.
WO 03/025658호는 광학 부품을 개시하며, 상기 광학 부품은 조사(irradiating) 시스템 및 이미징 시스템이 광학 축을 공유하도록 설계된다. 따라서, 대상물을 중심으로 한 방향에 상관없이, 방사선 소스는 방사선 센서에 의해 이미지화되는 대상물 영역을 조사할 수 있다.
US 5,939,702호는 광학 판독기를 개시하며, 상기 광학 판독기에서 방출기(emitter) 및 광다이오드가 회로 보드 상에 장착되며 광 파이프는 광학 데이터를 갖는 페이퍼와 같은 외부 장치와, 방출기 및 광다이오드 사이에서 광을 통신하는데 이용된다. 이러한 광학 판독기는 단지 포인팅 수단만을 형성하고 기록 기능을 이용하는 동안 광학 검출 가능성은 제공하지 않는다. 또한, 광학 판독기는 포인트 검출만이 가능하여 1차원 또는 2차원 데이터를 얻기 위해 판독기가 이동되는 것을 요구한다. 또한, 방출기 및 광다이오드는 동일한 광 파이프를 사용하여, 광다이오드가 방출기로부터 직접 다가오는 광을 검출하게 하며 외부 장치와 상호작용하지 않는다.
본 발명의 목적은 개선된 광학 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 특별한 목적은 광학 시스템과 대상물 사이의 방향 및 거리를 변화시키는 것에 대해 허용오차를 가지는 조사된 대상물을 이미지화시킬 수 있는 광학 시스템을 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 콤팩트 형태로 구현될 수 있는 광학 시스템을 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 상기 언급된 문제점들을 적어도 부분적으로 완화시키거나 또는 해결하는 것이다.
하기의 상세한 설명으로 명백해지는 본 발명의 상기 목적들 및 다른 목적들은 청구항 제 1 항에 따른 광학 시스템, 청구항 제 20 항에 따른 분석 시스템, 청구항 제 21 항 및 청구항 제 38항에 따른 모듈형 유닛, 청구항 제 29 항에 따른 센서 조준 유니트(sensor boresight unit), 청구항 제 34 항에 따른 광학 부품, 및 청구항 제 49 항에 따른 전자 펜 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 실시예들은 종속항들에서 한정된다.
본 발명의 일 면에 따라, 본 발명은 광학 시스템에 관한 것이며, 상기 광학 시스템은 내부에 광학 축을 가지며 광학 소스를 포함하는 조사 시스템, 및 내부에 광학 축을 가지며 2차원 방사선 센서를 포함하는 이미징 시스템을 포함하며, 상기 이미징 시스템은 상기 조사 시스템에 의해 조사되는 대상물의 이미지를 제공하도록 배열되며, 상기 방사선 소스 및 상기 2차원 방사선 센서는 공통 기판 상에 장착되며, 상기 조사 시스템의 광학 축 및 상기 이미징 시스템의 광학 축은 상기 시스템들내에서 일치하지 않는다.
상기 면은 광학 시스템에 대해 방사선 소스와 2차원 방사선 센서 사이에 명확히 한정된 공간적 관계를 제공한다. 이는 대상물 상에 이미지화된 영역과 조사된 영역 사이의 관계의 가능성있는 변형을 한정하는 짧은 허용오차 체인을 가능케한다. 이로써, 설계 허용오차 및/또는 어셈블리 허용오차에 대한 요구조건이 완화되어, 일련의 제품 수율이 증가될 수 있다. 대안적으로, 조사되는데 요구되는 입체각(solid angle)이 감소되거나 또는 광학 시스템이 통합되는 장치와 대상물 사이에서 이용시 허용되는 방향 편차가 증가할 수 있다. 이는 조사된 영역과 이미지화된 영역 사이의 관계에서 허용오차로 인한 편차가 감소되기 때문에 가능하다. 입체각 감소는 방사선 소스에 공급되는 전력이 감소될 수 있어, 배터리 수명이 증가될 수 있다는 것을 의미한다.
공통 기판상에 장착되는 방사선 소스 및 방사선 센서는 공통 인쇄 회로 보드(PCB) 상에 방사선 소스 및 방사선 센서를 장착함으로써 구현된다. 이는 기능을 제어하고 습득된 이미지 정보를 분석하기 위한 전자장치에 대한 소스 및 센서의 값싸고 단순한 접속을 가능케한다.
시스템의 광학 축은 시스템에 대한 방사의 전파를 위해 대칭 라인을 형성한다. 광학 축은 시스템의 부품들 내부 및 사이로 연장되며, 또한 시스템 부품들 너머 시스템에 의해 이미지화 또는 조사되는 하나 이상의 대상물들로 연장된다. 본 출원에서, " 조사 시스템 내부의 광학 축" 및 "이미징 시스템 내부의 광학 축"이란 용어는 개별 시스템의 부품들 내부로만 한정되는 광학 축을 의미한다. 따라서, 이들 용어는 개별 시스템의 부품들 외측 및 상기 부품들 너머의 광학 축을 포함하지 않는다. 또한, 광학 축들이 "상기 시스템들 내에서 일치하지 않는다"라는 정의는 시스템들 내부의 임의의 포인트에서 광학 축들이 서로 중첩 또는 교차하지 않는다는 것을 의미한다.
상기 시스템 내부의 조사 시스템 및 이미징 시스템의 일치하지 않는 광학 축들의 제공은 조사 광학기(optics) 및 이미징 광학기를 이들 각각의 목적에 따라 최적화시킬 수 있는 가능성을 제공한다. 또한, 방사선 소스로부터 방사선 센서로의 직접적인 방사선 누설 위험을 감소시킬 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 광학 시스템이 통합되는 장치와 대상물 사이의 방향에 따라, 대상물의 상이한 영역들이 이미지화될 수 있다. 장치 및 대상물 사이의 특정 방향에서, 평면형 대상물은 이미징 시스템의 대상물 평면에 배열된다. 그러나, 방향이 변할 경우, 평면형 대상물은 이미징 시스템의 대상물 평면에 놓이지 않는다. 이미징 시스템은 대상물 평면으로부터의 편차를 허용하는 이미징 시스템의 초점심도(depth of field) 만큼 평면형 대상물을 이미지화시킨다.
조사 시스템은 방사선 소스로부터의 방사선을 재지향시키도록 배열될 수 있으며, 이미징 시스템은 방사선 센서를 향해 조사된 대상물로부터의 방사선을 재지향시키도록 배열될 수 있다. 이는 방사선 소스와 방사선 센서가 실질적으로 긴 장치의 길이 방향 축을 따르는 방향으로 연장되는 기판 상에 배열될 수 있다는 것을 의미하며, 이미지화 및 조사되는 영역은 장치의 짧은 단부(short end)에 있다. 이러한 장치는 전자 펜 또는 바코드 판독기일 수 있다. 따라서, 이러한 장치는 방사선 소스 및 방사선 센서가 이를테면 전자 펜의 공통 PCB 상에 장착되는 경우 바람직할 수 있다.
조사 시스템 내부의 광학 축 및 이미징 시스템 내부의 광학 축은 본질적으로 서로 평행하게 연장된다. 이는 광학 축들이 시스템들 내에서 일치하지 않게 한다. 또한, 조사 시스템의 광학 부품들 및 이미징 시스템의 광학 부품들은 서로 간섭하지 않게 배열될 수 있다.
조사 시스템 내부의 광학 축과 이미징 시스템 내부의 광학 축은 본질적으로 공통 기판으로 평행하게 연장될 수도 있다. 따라서, 기판은 조사 시스템 및 이미징 시스템의 광학 경로와 간섭하지 않는다.
또한, 조사 시스템 내부의 광학 축과 이미징 시스템 내부의 광학 축은 공통 기판으로부터 일정 거리를 두고 본질적으로 평행한 평면을 한정할 수 있다. 이러한 구성에서, 조사 시스템 및 이미징 시스템의 광학 축들은 공통 기판 위에서 나란히 배열된다. 이로써, 공통 기판 위에서 조사 시스템과 이미징 시스템의 높이는 최소화되며, 광학 시스템을 포함하는 전자 펜의 직경은 작게 유지될 수 있다.
조사 시스템은 방사선 소스로부터의 방사선을 대상물로 가이드하는 방사선 가이드를 더 포함할 수 있다. 방사선 가이드는 방사선이 대상물로 정확하게 향하도록 방사선 소스로부터 방출된 방사선의 방향을 가이드한다. 또한, 방출된 방사선을 제어하여, 스트레이 방사선의 퍼짐을 감소시킨다. 방사선 가이드는 방사선 소스로부터의 방사선의 재지향을 제공하기 위해 방사선 소스 위의 공통 기판 위에 미러를 포함할 수 있다.
방사선 가이드는 금속화된 비-배출(non-exit) 표면을 포함할 수 있다. 따라서, 방사선의 출력에 대해 의도되지 않는 방사선 가이드의 표면은 방사선의 누출을 방지하기 위해 금속화될 수 있다. 이는 방출된 방사선의 분산 제어를 강화시키고 방사선 소스로부터 스트레이 방사선의 제어를 강화시킨다.
본 명세서에서 사용되는 "스트레이 방사선(stray radiation)"은 이미지화된 영역상에 방사선 센서 정보를 제공하지 않는 방사선, 또는 이미지화될 대상물과 간섭하지 않고 방사선 소스로부터 방사선 검출기로 직접 통과 또는 누설되는 방사선을 의미한다는 것을 주목해야 한다.
또한, 방사선 가이드에는 경사진 방사선-재지향 배출 표면이 제공될 수 있다. 이는 조사 시스템 내부의 광학 축에 대해 배출 표면의 수직 축(normal axis)이 기운다는 것을 의미한다. 이는 대상물을 향해 방사선 소스로부터 방출된 방사선의 재지향을 제공한다. 따라서, 배출 표면은 기울어져 대상물에서 이미지화된 영역에 보다 잘 대응하는 조사된 영역을 생성하도록 방출된 방사선의 방향을 설정한다.
또한 방사선 가이드는 공통 기판 상에 장착될 수도 있다. 이는 방사선 소스와 관련하여 조사 시스템의 방사선 가이드의 위치를 명확히 한정하여, 조사 시스템의 허용오차 체인을 짧게 유지한다. 조사 시스템의 허용오차는 대상물상의 조사된 영역의 공칭 위치로부터의 편차를 한정한다. 따라서, 짧은 허용오차 체인 유지는 대상물 상의 조사된 영역의 보다 나은 제어를 야기시킨다.
또한 이미징 시스템은 방사선 센서를 향해 전송된 방사선의 공간적 원점(spatial origin)을 제어하기 위해 센서 조준 유니트를 더 포함할 수 있다. 센서 조준(boresight) 유니트는 센서에 의해 관찰된 영역을 제어한다. 따라서, 센서의 조준을 정의할 것이다. 이미징 시스템의 센서 조준 유니트는 조사 시스템의 방사선 가이드와는 별개의 유니트일 수 있다. 또한 센서 조준 유니트는 스트레이 방사선의 제어를 제공하여 스트레이 방사선이 방사선 센서에 의해 검출되는 것을 방지한다.
또한 센서 조준 유니트는 공통 기판에 부착될 수 있다. 이는 방사선 센서에 대해 이미징 시스템의 센서 조준 유니트 위치를 한정하여, 이미징 시스템의 허용오차 체인을 짧게 유지한다. 이미징 시스템의 광학-기계 허용오차는 대상물상에 이미지화된 영역의 공칭 위치로부터의 편차를 한정한다. 따라서, 짧은 허용오차 체인 유지는 대상물상에 이미지화된 영역의 보다 나은 제어를 야기시킨다.
또한, 센서 조준 유니트 및 방사선 가이드가 모두 공통 기판상에 장착되는 경우, 이들 부분들의 공간적 상호관계가 잘 한정될 수 있어, 짧은 허용오차 체인이 이미징 시스템과 조사 시스템 사이의 관계에 대해 얻어진다. 이는 대상물상의 이미지화된 영역 및 조사된 영역 사이의 관계가 적절히 제어될 수 있다는 것을 의미한다.
센서 조준 유니트는 대상물로부터의 방사선을 방사선 센서로 재지향을 위해 미러를 포함할 수 있다. 미러는 방사선 센서가 장착되는 기판 위 및 대상물로부터의 방사선을 방사선 센서상에 직접 반사시키기 위해 방사선 센서 위에 적절히 배열된다.
센서 조준 유니트는 방사선 센서 상에서 적절한 이미지 품질의 이미지를 생성하는 렌즈를 더 포함할 수 있다. 렌즈는 방사선 센서 상에 대상물 평면의 포커스를 제공한다. 이미징 시스템의 초점 심도는 대상물 평면으로부터 대상물이 멀리 이동하도록 하는 광학적 셋-업(set-up)에 대한 허용된 변화에 대해 충분한 이미지 품질이 얻어질 수 있도록, 대상물 평면에 또는 그 부근에 위치된 대상물을 볼 수 있도록 적절히 배열된다.
센서 조준 유니트는 방사선 센서를 향하는 방사선을 전달하도록 배열된 광학 부품을 포함할 수 있으며, 광학 부품은 대상물로부터의 방사선을 방사선 센서로 재지향을 위한 미러, 및 방사선 센서상에 적절한 이미지 품질의 이미지를 생성하는 렌즈를 포함한다. 이런 방식으로, 센서 조준 유니트는 소수의 부품들을 포함하여, 광학 시스템의 제조 허용오차 체인이 짧아진다. 이는 어셈블리 허용오차로 인한 조사된 영역과 이미지화된 영역 사이의 관계에서 허용되는 변형이 감소된다는 것을 의미한다. 상기 언급된 것처럼, 감소된 허용오차 체인은 조사된 영역이 감소되어, 방사선 소스에 공급되는 전력이 감소된다는 것을 의미한다. 이는 방출된 전력이 감소되기 때문에 스트레이 방사선으로 인한 몇가지 문제점을 산출한다.
센서 조준 유니트는 광학 부품의 정면에 배열되는 구경 조리개(aperture stop)를 더 포함할 수 있다. 구경 조리개는 이미징 시스템의 초점 심도를 조절하는데 이용될 수 있다. 구경 조리개의 개구 크기 감소는 이미징 시스템의 초점 심도를 증가시킨다.
광학 부품은 적어도 일부가 외부 표면에서 내부 반사를 감소시키도록 배열된 물질로 커버될 수 있는 외부 표면을 제공한다. 커버 물질은 광학 부품의 내부로부터 커버 물질과 충돌하는 방사선의 대다수가 광학 부품으로 다시 반사되지 않도록 조작되는 광학적 성질을 갖는다. 따라서, 커버 물질은 광학 부품 물질의 굴절률과 매칭되는 굴절률을 가질 수 있어, 커버 물질상에 입사하는 방사선은 커버 물질 속으로 전달된다. 부가적으로 또는 선택적으로, 커버 물질은 부품 내부로부터의 벽과 충돌하는 방사선의 흡수를 제공한다. 이는 광학 부품에서 내부 반사 또는 산란에 의해 야기되는 스트레이 방사선을 감소시킨다. 커버 물질은 센서에 의해 획득된 방사선 파장에 대해 적절히 큰 흡수율을 갖는다. 또한, 커버 물질은 커버 물질을 통해 광학 부품으로 방사선이 진입하는 것을 방지하도록 선택될 수 있다. 이를테면, 이는 광학 부품 외부로부터 충돌하는 방사선을 흡수 또는 반사하는 커버 물질에 의해 달성될 수 있다. 이는 진입 표면 보다는 다른 표면을 통해 광학 부품상에 입사하는 방사선에 대한 유효 블록(effective block)을 제공한다.
광학 부품은 단일체(unitary body)로 형성된 입체 광학 부품(solid optics component)으로 구현될 수 있다. 입체 광학 부품은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA,polymethylmethacrylate), 폴리카보네이트(PC), Zeonex
Figure 112009077597222-pct00001
, 폴리스티렌, 나일론, 또는 폴리설폰과 같은 플라스틱 물질로 형성될 수 있다.
센서 조준 유니트는 선택적으로 방사선을 방사선 센서로 전달하도록 배열된 내부 채널을 제공하는 하우징을 포함할 수 있으며, 대상물로부터의 방사선을 방사선 센서로 재지향을 위한 미러 및 방사선 센서 상의 적절한 이미지 품질의 이미지를 생성하는 렌즈가 상기 하우징에 장착된다. 렌즈 및 미러의 이러한 구현은 이미징 광학기가 종래의 개별 부품으로 구성되어, 제조 및 품질 제어가 쉽게 이루어질 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 하우징은 공통 기판과 적절한 부착을 위해 구조화될 수 있다.
센서 조준 유니트는 하우징에 배열된 구경 조리개를 더 포함할 수 있다. 구경 조리개는 하우징 내측 표면의 일부로서 형성될 수 있다. 이런 방식으로, 하우징은 방사선 센서를 향하는 방사 경로를 제어하는 이미징 시스템의 모든 부품을 보유할 수 있다.
하우징은 적어도 일부가 방사선의 경면 반사(specular reflection)를 감소시키도록 배열된 내부 표면을 제공한다. 내부 표면은 방서선을 흡수하고, 특히 센서에 의해 획득된 방사선 파장을 흡수하는 물질을 포함할 수 있다. 하우징 내부 표면은 거칠거나 또는 선택적으로 거칠거나 또는 경면 반사를 방지하도록 적절한 텍스쳐(texture)를 가질 수 있다. 이는 하우징에서 내부 반사 또는 산란에 의해 야기되는 방사선 센서에 대한 스트레이 방사선을 감소시킨다. 또한, 내부 표면에는 트랩 내부의 하나 이상의 반사부에 의해 수신된 방사선을 감쇠시키는 하나 이상의 방사선 트랩, 및/또는 방사선 센서로부터 멀리, 선택적으로 방사선 트랩 속으로 충돌하는 방사선을 반사시키는 하나 이상의 제어 표면이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 면에 따라서, 본 발명에 따른 광학 시스템을 포함하는 분석 시스템이 관련되며, 분석 시스템은, 공통 기판으로 구현되는 PCB, 및 방사선 센서로부터 수신된 이미지 정보를 분석하는 이미지 프로세서를 포함하며, 광학 시스템은 PCB에 의해 지지되며 이미지 프로세서는 PCB상에 장착된다.
PCB에 의해 지지되는 광학 시스템은 각각의 부품이 PCB 상에 실제적으로 장착 또는 부착될 필요가 없지만, PCB와 관련하여 광학 시스템 부품들의 공간적 위치가 한정되는 것을 의미한다. 예를 들어, 광학 시스템의 센서 조준 유니트는 PCB에 부착될 필요가 없다. PCB상에서 지지되는 광학 시스템 장치는 광학 시스템의 부품들 간에 잘 한정된 공간적 관계를 제공한다. 따라서, 이미지의 습득 및 이미징 처리를 위한 콤팩트한 장치가 제공될 수 있다. 또한, 분석 시스템은 PCB 상에 장착된 방사선 소스의 쉬운 제어를 제공하며, 도한 이미지 프로세서와 방사선 센서의 간단하고 저렴한 접속부를 제공한다.
본 발명의 또다른 면에 따라, 본 발명은 기록 기구(implement)를 가지는 전자 펜에 대한 모듈형 유닛에 관한 것이며, 상기 모듈형 유닛은 캐리어 및 캐리어 상에 장착되는 본 발명에 따른 분석 시스템을 포함하며, 상기 캐리어는 전자 펜 내부의 분석 시스템에 대해 기록 기구를 위치시키기 위해 상기 기록 기구를 수용하는 수단을 포함한다.
모듈형 유닛의 이러한 장치는 전자 펜의 외부 쉘(shell) 속으로 모듈형 유닛을 삽입함으로써 전자 펜이 최종적으로 장착되기 이전에 분석 시스템의 품질을 테스트하는 가능성을 제공한다. 따라서, 분석 시스템에서의 결함들이 제조시 초기 단계에서 검출될 수 있어, 결함이 있는 제품에 대한 보다 적은 수의 단계들이 요구된다. 이는 속도를 증가시켜 제조 프로세스를 개선시킨다.
분석 시스템이 캐리어 상에 장착되고 캐리어가 기록 기구를 수용하는 수단을 제공하기 때문에, 분석 시스템과 기록 기구 사이의 공간적 관계는 캐리어의 설계에 따라 한정된다. 이는 이미지화된 영역과 조사된 영역이 대상물과 접촉하는 기록 기구의 펜 포인트와 관련하여 정확하게 한정된다는 것을 의미한다. 또한, 분석 시스템과 기록 기구의 캐리어 상의 상호 장착은 모듈형 유닛이 펜 포인트에 대해 이미지화된 영역 및 조사된 영역과 관련하여 짧은 허용오차 체인을 제공한다는 것을 의미한다.
"모듈형 유닛"란 용어는 조립될 수 있는 유닛으로서 구성되며 유닛의 부품을 형성하지 않는 부품들에 의해 서로 유지되지 않는다. 이 경우, 전자 펜에 대한 모듈형 유닛은 전자 펜의 최종 어셈블리 이전에 일체형 유닛으로 형성된다.
적절한 모듈형 유닛은 전자 펜 내부에 상기 모듈형 유닛이 장착되는 적절한 치수를 가진다. 따라서, 전자 펜의 어셈블리시, 모듈형 유닛은 전자 펜의 외부 쉘 내에 배열될 수 있다.
분석 시스템의 PCB는 캐리어 상에 분석 시스템을 장착하기 위해 캐리어 상에 장착될 수 있다. 따라서, PCB의 위치는 캐리어에 의해 고정될 수 있다. 이는 펜의 외부 쉘속으로 모듈형 유닛의 삽입 조건이 쉘에 PCB를 고정하는 것을 포함하지 않는다는 것을 의미한다.
캐리어는 모듈형 유닛이 전자 펜에 통합될 때, 전자 펜의 길이 방향으로 연장되는 긴 형상을 갖는다. 이로써, 캐리어는 펜의 길이 방향 형상을 따라 펜의 몇개 부품의 위치를 고정하는 방법을 제고할 수 있다.
또한 모듈형 유닛은 캐리어상에 장착되는 콘택 센서를 더 포함할 수 있다. 콘택 센서는 기록 기구가 기록 표면에 대해 가압되는 경우를 검출할 수 있다. 이러한 검출은 대상물을 형성하는 기록 표면을 조사하고 이미지화하도록 광학 시스템을 작동시킬 수 있다. 콘택 센서의 기능은 캐리어 상에 통합 배열되는 부품에 의해 얻어지거나, 또는 선택적으로 캐리어 상에 장착되는 콘택 센서 유니트에 의해 얻어질 수 있다.
또한 모듈형 유닛은 전자 펜의 외부 쉘 부분과의 부착부를 형성하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 따라서, 모듈형 유닛은 펜 쉘에 장착부를 마련한다. 부착부 형성 수단은 외부 쉘로부터의 돌출부를 수용하는 슬롯 또는 리세스 또는 외부 쉘부와 맞물리는 후크 또는 핀일 수 있다.
또한, 모듈형 유닛은 캐리어에 장착되는 진동기(vibrator) 유니트를 포함할 수 있다. 진동기 유니트는 예를 들어, 전자 펜이 기록 표면을 적절히 이미지화시키는 것을 실패할 경우, 진동에 의해 사용자에게 피드백을 제공할 수 있다.
또한, 모듈형 유닛은 캐리어 상에 장착된 파장 필터를 포함할 수 있다. 파장 필터는 대상물로부터의 방사선이 방사선 소스에 의해 검출되기 전에 파장 필터를 통과하도록 배열될 수 있다. 따라서, 분석 시스템에 의해 수행되는 분석에 대해 바람직하지 못한 파장이 여과될 수 있다.
본 발명의 또다른 면에 따라, 본 발명은 기록 기구를 가지는 전자 펜용 모듈형 유닛에 관한 것이며, 상기 모듈형 유닛은 기록 기구를 위한 수납기(receiver)를 갖는 캐리어, PCB, 및 이미지 평면을 한정하는 이미징 유니트를 포함하며, 캐리어, PCB, 및 이미징 유니트는 방사선 센서에서 이미지 평면을 배치하기 위해 방사선 센서를 면하는 이미징 유니트와 함게 결합된다.
기록 기구의 위치 제어를 위해 캐리어가 제공된다. 캐리어는 별개의 제조 단계에서 적절한 정밀도로 제조될 수 있다. PCB 상에 방사선 센서의 제공은 간단하고 내구성있는 구성을 허용하여, 비용면에서 효과적인 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 방사선 센서는 별개의 제조 단계에서 PCB와 함께 부착 및 테스트될 수 있다. 이미징 유니트는 간단하고 내구성있는 구성으로 별개의 제조 단계에서 적절한 정밀도로 제조될 수 있다. 이미징 유니트는 상기 언급된 센서 조준 유니트일 수 있다. 캐리어, PCB, 및 이미징 유니트의 결합은 모듈형 유닛에 대해, 기록 기구의 팁과 방사선 센서에 의해 기록된 이미지 사이의 상호 관계에 영향을 미치는 광학-기계 허용오차의 적절한 제어를 허용한다. 또한, 이러한 모듈형 유닛은 전자 펜의 최종 어셈블리 이전에 품질 테스트되어, 제조시 비교적 초기 단계에서 결함들이 검출될 수 있다.
모듈형 유닛은 이미징 유니트에 의해 한정된 대상물 평면을 조사하는 방사선 소스를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이미징 유니트는 방사선 소스를 유지하는 홀더를 포함할 수 있다. 이는 방사선 소스와 이미징 유니트 사이에 짧은 허용오차 체인을 제공하는 간단하고 내구성있는 구성을 산출한다. 또한, 방사선 소스는 이미징 유니트와 밀접한 관계를 유지하여, 상기 언급된 기록 표면상에서 이미지화된 영역과 조사된 영역 사이의 관계에서 펜 방향에 대한 작용이 최소화된다.
일 실시예에서, 이미징 유니트는 PCB에 의해 지지된다. 이로써, PCB는 이미징 유니트의 위치를 한정할 수 있다. 그러나, 이미징 유니트는 실제적으로 PCB에 부착되거나 장착될 필요는 없다. 예를 들어 센서 조준 유니트가 PCB에 의해 지지되면서 캐리어에 직접 부착될 수 있다. PCB는 이미징 유니트의 위치를 적어도 부분적으로 한정하기 때문에, 이미징 유니트와 방사선 센서 사이에 짧은 허용오차 체인이 얻어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 면에 따라서, 본 발명은 대상물로부터 방사선 센서로 방사선을 전달하는 센서 조준 유니트에 관한 것이며, 상기 센서 조준 유니트는 내부의 턴(turn)에서 방향을 변경하는 내부 채널을 제공하며 상기 채널의 방사선 진입 단부 및 방사선 배출 단부를 제공하는 하우징, 상기 하우징의 상기 방사선 진입 단부에서 상기 내부 채널에 장착되는 렌즈, 및 내부 채널의 상기 턴에서 내부 채널의 방향 변화에 따라 방사선의 재지향을 위해 하우징에 장착되는 미러를 포함한다.
본 발명의 또 다른 면에 따라, 대상물로부터의 방사선을 방사선 센서로 전달하는 광학 부품이 관련되며, 상기 광학 부품은 몸체 내부에 방사 경로를 한정하는 고체 몸체(solid body)에 의해 형성되며, 상기 고체 몸체는 상기 방사 경로에 방사선을 수용하는 방사선 진입 표면을 포함하며, 상기 진입 표면은 렌즈 부재, 방사 선 배출 표면, 그의 길이 방향 축을 따라 방사 경로에서 방사선을 전달하는 튜브형 부분, 및 진입 표면과 상반되는 튜브형 부분 단부의 미러 표면을 포함하며, 미러 표면의 법선(normal)은 방사 경로가 미러 표면에서 고체 몸체의 방사선 배출 표면을 향해 재지향되도록 튜브형 부분의 길이 방향 축으로 기울어진다.
본 발명의 이들 최종 언급된 면들은 각각 대상물로부터 방사선 센서로 방사선을 전달하는 장치를 제공한다. 이러한 방사선 전달은 대상물로부터의 방사선을 수집하고 상기 방사선을 방사선 센서로 재지향시키기 위해 이미징 시스템에 바람직하게 사용될 수 있다. 따라서, 이들 장치 각각은 방사선 센서에 의해 이미지화되는 대상물에 대해 방사선 센서의 위치설정을 보다 자유롭게 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 면에 따라, 기록 기구, 펜이 작동하는 기록 표면 이미지를 발생시키도록 설계된 광학 시스템 ― 상기 이미지는 기록 수단의 일부를 포함함 ―, 및 상기 이미지의 위치-코딩 패턴 및 이미지의 상기 부분의 배치에 따라, 위치를 나타내는 데이터를 검출하도록 설계된 광학 시스템을 포함한다.
기록된 이미지에서 기록 기구의 일부를 포함하도록 광학 시스템을 설계함으로써, 프로세싱 유니트는 기록-코딩 패턴에 의해 부여된 디코딩 위치를 실제 기록 위치, 즉, 기록 기구와 기록 표면 사이의 접촉 포인트의 위치와 정확하게 상관시킬 수 있다. 따라서, 프로세싱 유니트는 실제 기록 위치에 대한 이미지 배치시 시간에 따른 또는 펜들 사이의 임의의 변형에 대해 자체 교정될 수 있다. 일 실시예에서, 프로세싱 유니트는 이미지, 펜의 공간 방향 및 디코딩된 위치를 기초로 계산되도록 배열된다. 앞서 말한 이미지 부분의 위치, 공간 방향 및 배치를 알고 있다면, 프로세싱 유니트는 정확한 기록 위치를 계산할 수 있다. 펜 장치의 정상 동작 동안, 프로세싱 유니트는 이미지 부분의 위치를 유추할 필요가 없다; 대신 실제 기록 위치의 계산은 이전의 교정 단계에서, 하나 이상의 이미지 부분들의 위치로부터 유추되는 교정 파라미터를 기초로 한다. 일 실시예에서, 전자 펜 장치는 기록 기구와 단일체로, 광학 시스템 및 프로세싱 유니트는 펜장치에 통합된다. 또다른 실시예에서, 기록 기구 및 광학 시스템은 펜 장치에 통합되는 반면, 프로세싱 유니트는 별개의 장치로 배치된다.
본 발명의 또다른 목적 및 장점, 특징은 본 발명의 보다 상세한 설명, 처부되는 청구항 및 도면을 통해 달성된다.
본 발명은 첨부되는 개략적 도면을 참조로 보다 상세히 설명되며, 상기 도면은 본 발명의 실시예에 대한 도시를 위한 예시적인 것이다.
도 1a 및 도 1b는 기록 표면에 대한 전자 펜의 방향을 한정하는 각도를 나타내는 도면,
도 2는 전자 펜의 광학 시스템에 대한 콘택 포인트, 이미지화된 영역 및 조사된 영역 사이의 관계를 나타내는 도면,
도 3은 전자 펜의 측면도,
도 4는 펜의 외부 쉘이 제거된, 전자 펜의 모듈형 유닛의 개략도,
도 5는 어셈블리되기 이전에 전자 펜에 대한 모듈형 유닛의 부품들의 개략도,
도 6은 어셈블리된 이후 도 5의 모듈형 유닛의 부품들의 개략도,
도 7은 잉크 카트리지의 측면 및 잉크 카트리지와 펜의 수용 보어(receiving bore) 사이의 방사상 갭의 작용을 나타내는 도면,
도 8은 광학 시스템 및 프로세서를 포함하는 분석 시스템의 투시도,
도 9는 광학 시스템의 이미징 시스템의 측면도,
도 10은 이미징 시스템의 실시예의 개략도,
도 11은 이미징 시스템의 또다른 실시예의 측면도,
도 12는 광학 시스템의 조사 시스템의 실시예의 측면도,
도 13은 전자 펜에 대한 모듈형 유닛의 또 다른 실시예의 확대 개략도,
도 14는 도 13의 모듈형 유닛에 포함된 부품의 투시도,
도 15는 도 14의 부품의 정면도,
도 16은 도 14의 부품의 상부 평면도,
도 17은 도 16의 라인 A-A을 따라 취한 단면도,
도 18은 도 14의 부품의 하부 평면도,
도 19는 도 14의 부품의 하부 투시도,
도 20은 본 발명에 따른 전자 펜으로 취한 샘플 이미지.
도 1-4를 참조로, 전자 펜의 부분들 및 부품들 및 펜의 기능을 먼저 개략적으로 설명한다. 본 발명은 전자 펜의 사용으로 제한되는 것은 아니지만, 전자 펜에 이용되는 본 발명의 실시예들은 적어도 본 발명의 일면에 따라 얻어질 수 있는 특징 및 기능을 설명한다.
당업자들은 하기의 특정 실시예들과 관련된 특징, 장점 및 목적들이 하기 개시된 다른 실시예들과 등가적으로 적용될 수 있다는 것을 알 것이다.
전자 펜용 광학 시스템 설계
도 1a-1b에서, 전자 펜(1)의 잉크 카트리지(8)가 도시된다. 잉크 카트리지(8)는 사용자가 기록할 때, 기록 표면(14)과 접촉하는 펜 포인트(9)를 포함한다. 기록 표면(14)은 기록 표면(14) 상에 정보를 보유하는 패턴을 포함한다. 패턴은 표면(14) 상에 위치 또는 기록과 관련되는 것에 관련된 일반적 정보를 인코딩할 수 있다. 이는 펜 포인트(9)의 이동의 계산 및/또는 기록이 체크 박스 또는 카렌다의 날짜와 같이, 지면상의 특정 영역에서 이루어지는 경우 등록하는데 사용된다. 기록 표면 상의 패턴을 디코딩하기 위해, 펜(1)은 표면(14)의 영역을 이미지화하기 위한 이미징 시스템(15)(도 4)을 포함한다. 이미지화된 영역의 사용으로, 펜(1)은 표면(14) 상에서 펜 포인트(9)의 위치를 검출할 수 있다. 이미징 시스템(15)은 이미지화된 영역의 충분히 섬세한(sharp) 이미지를 얻기 위해 포커싱 렌즈를 포함한다. 또한, 이미징 시스템(15)에 대해 표면(14)상에 영역을 적절히 이미지화시키기 위해, 상기 영역은 방사선 소스에 의해 조사된다.
사용자가 기록을 할 때, 표면(14)에 대한 잉크 카트리지(8)의 방향은 변한다. 실제로, 펜 포인트(9)상에 중심설정된 영역이 이미지화되어, 펜 방향을 변화시키는 이미지화된 영역과 펜 포인트(9) 사이의 관계에서 임의의 변형이 최소화된다. 그러나, 이는 이미징 시스템(15)의 광학 축이 잉크 카트리지(8)의 길이 방향 축과 일치하게 위치되어야 하기 때문에, 달성하기 어렵다. 또한, 잉크 카트리지(8) 및 펜 포인트(9)는 이미지화된 영역을 가린다. 따라서, 이미징 시스템(15)은 펜 포인트(9)에 인접한 영역을 이미지화하도록 배열된다. 이로써, 이미지화된 영역과 펜 포인트(9) 사이의 관계는 하기에 설명되는 것처럼, 잉크 카트리지(8)와 표면(14) 사이의 방향과 관련된다.
도 1a-1b에서, 잉크 카트리지(8)와 기록 표면(14) 사이의 방향이 도시된다. 이러한 방향은 3개의 각도를 사용함으로써 설명된다. 도 1a에 도시된 것처럼, 잉크 카트리지(8)는 잉크 카트리지(8)의 길이 방향 축(A)과 표면(14)의 법선(normal) 사이의 경사 각으로 정의된 입사각(θ)을 형성한다. 입사각(θ)은 기록 동안 실질적으로 변한다. 또한 도 1a에 도시된 것처럼, 펜(1)은 길이 방향 축(A) 부근을 회전할 수 있다. 이미징 시스템(15)이 상기 축에 배열되지 않기 때문에, 이러한 회전은 이미지화된 영역과 펜 포인트(9) 사이의 관계에 영향을 준다. 길이 방향 축(A) 부근에서 펜(1)의 회전을 스큐각(skew angle)(
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)이라 칭한다. 또한, 도 1b에 도시된 것처럼, 펜(1)은 표면(14) 상의 패턴에 대해 회전할 수 있다. 이러한 표면(14) 법선 부근의 회전은 패턴 회전각(α)이라 칭한다.
도 2를 참조로, 잉크 카트리지(8)와 기록 표면(14) 사이의 상이한 입사각(θ)의 작용이 도시된다. 3개의 상이한 기록 표면(WSo, WS-45, WS45)이 잉크 카트리지(8)와 기록 표면(14) 사이에 상이한 입사각, 즉, 각각 θ=0°, θ=-45°, θ=45°을 나타내도록 도시된다. 도 2에 도시된 것처럼, 표면(14)은 입사각(θ)과 관련하여 이미징 시스템의 광학 축(C)을 따라 상이한 위치들에 배열된다. 따라서, 이미징 시스템(15)(도 4)의 방사선 센서와 기록 표면(14)상의 이미지화된 영역 사이의 거리는 입사각(θ)에 따라 좌우된다. 입사각(θ)은 기록 동안 이미지화된 영역과 방사선 센서 사이의 거리 범위를 한정하며, 방사선 센서는 표면(14)상의 패턴을 디코딩하기 위해 이미지화된 영역의 관련 부분들 위에 적절한 정밀도(sharpness)로 이미지화된 영역을 검출할 수 있다. 이러한 거리 범위를 이미징 시스템(15)의 초점 심도(FD) 조건이라 칭한다. 도 2에 도시된 것처럼, 필요한 초점 심도(FD)는, 콘택 포인트(P) 사이, 즉 펜 포인트(9)와 이미징 시스템(15)의 광학 축(C) 사이에서 기록 표면의 평면의 입사각(θ)이 0인 경우, 기준 평면의 거리(D)와 비례한다. 큰 초점 시도를 제공하기 위해, 이미징 시스템(15)은 방사선 센서를 통과하는 방사선의 양을 낮추는, 높은 f-값(f-number)을 가져야 한다. 광도(luminosity)가 중요하다면, 광학 축 오프셋 또는 최소 거리(D)를 유지하는 것이 바람직하다.
이미징 시스템(15)은 이미징 시스템(15)의 시야각(field of view)인 표면(14) 상의 영역을 이미지화한다. 방사선 센서의 이미지 평면상에서 대상물의 절대 크기(│m│)는 이미징 시스템(15)의 렌즈와 대상물 사이의 거리와 반비례하기 때문에, 시야각의 절대 크기는 잉크 카트리지(8)와 표면(14) 사이의 입사각(θ)에 따라 증가한다. 방사선 센서상의 활성 영역 상으로 이미지화되는 시야각은 보다 큰 절대 크기에서 작다. 이미징 시스템(15)은 표면(14)상의 패턴을 디코딩하기 위해 충분한 양의 정보를 보유하는 영역을 표면(14)상에 이미지화한다. 따라서 시야각은 디코딩 영역(DA)의 이미징을 허용하도록 충분히 커야 한다. 따라서, 절대 크기의 상한치는 시야각에 대해 디코딩 영역(DA)을 포함하도록 설정된다. 또한, 절대 크기의 하한치는 패턴의 가장작은 관련 사항의 식별이 가능하도록 설정된다. 또한, 필수적인 초점 심도(FD)를 가능한 작게 유지함으로써, 이미지화된 영역의 변형 편차가 최소화된다.
그러나, 필수적인 초점 심도(FD)를 가능한 작게 유지하기 위해, 시야각은 잉크 카트리지(8)의 팁 옆에 배열된다. 따라서, 시야각이 잉크 카트리지(8)의 팁에 의해 부분적으로 가려진다는 문제가 있다. 잉크 카트리지(8)가 시야각의 상당부를 가리는 경우, 표면(14)의 이미지화된 영역은 패턴의 디코딩이 가능하게 충분히 크지 않을 수 있다. 이는 거리(D)가 너무 작게 설계되지 말아야 한다는 것을 의미한다. 거리(D)가 일정하게 유지되면서 광학 축(C)과 잉크 카트리지(8)의 길이 방향 축(A)(도 2) 사이의 각도가 증가하는 경우, 시야각의 잉크 카트리지(8) 팁의 차단은 감소될 수 있다. 그러나, 큰 각도는 광학 축(C)이 펜(1) 내부의 길이 방향 축(A)으로부터 보다 떨어져, 보다 큰 반경의 펜(1)이 야기된다는 것을 의미한다.
상기 간략하게 설명된 것처럼, 이미지화된 영역의 적어도 관련 부분들, 즉, 디코딩되는 패턴을 보유하는 디코딩 영역(DA)은 조사되어야 한다. 이는 조사 시스템(13)의 광학 축(I)이 이미징 시스템(15)의 광학 축(C)과 일치하게 배열되는 경우, 쉽게 이루어진다. 그러나 이미징 시스템 및 조사 시스템(15, 13)의 광학 축들(C, I)이 일치되게 배열되는 경우, 일치하는 광학 축들상의 광학 부품들은 이미징 시스템 및 조사 시스템(15, 13) 모두의 기능을 수행하도록 조작되어야 한다. 이는 광학 부품들에서 방사선 손실을 야기시킨다. 한편, 광학 축들(C, I)이 일치하게 배열되지 않는 경우(도 2), 이미지화된 영역과 조사된 영역 사이의 관계는 잉크 카트리지(8)와 기록 표면(14) 사이의 각도에 따라 좌우된다. 다음, 펜의 설계는 조사된 영역이 잉크 카트리지(8)와 기록 표면(14) 사이에 허용되는 모든 각도에 대해 이미지화된 영역의 관련 부분들을 항상 포함하도록 조사 시스템(13)을 배열할 필요가 있다. 조사 시스템(13)은 예를 들어, 충분한 크기(조사)의 충분히 균일한 방사선으로 적절히 디코딩 영역(DA)을 조사해야 한다. 균일성은 조사시 큰 차 및/또는 디코딩 영역(DA) 내부에서 조사 기울기에 의해 한정된다.
잉크 카트리지(8)와 표면(14) 사이에 허용된 모든 각도에 대해 축적된 디코딩 영역(DA)은 조사되는 공간을 한정한다. 상기 설명된 것처럼, 이러한 공간은 펜(1)의 설계, 즉, 거리(D), 디코딩 영역(DA), 잉크 카트리지(8)의 길이 방향 축(A)과 광학 축(C) 사이의 각도 및 잉크 카트리지(8)와 표면(14) 사이에 허용되는 각도들에 따라 좌우된다. 따라서, 조사 시스템(13)은 조사되는 공간을 커버하는 큰 입체각(γ)에서 방사선이 방출되도록 배열되어야 한다. 방사 시스템(13)의 광학 축(I)을 이미징 시스템(15)의 광학 축(C)과 가깝게 배치한다는 것은 요구되는 입체각(γ)이 비교적 작게 유지된다 것을 의미한다. 요구되는 입체각(γ)을 얻기 위해 필요한 조사 시스템(13)의 특성은 광선-추적 프로그램을 사용하는 조사 패턴을 계산함으로써 설계될 수 있다.
상이한 입사각(θ)의 효과가 앞서 설명되었다. 또한, 상이한 스큐각(skew angle)은 초점 심도(FD)와 조사되는 공간의 요구조건에 영향을 미친다. 다시, 거리(D)가 증가한다는 것은 가변하는 스큐각이 허용되는 경우 보다 큰 초점 심도(FD)와 보다 큰 조사 공간이 요구된다는 것을 의미한다.
패턴 회전각(α)이 변하는 경우, 이미징 시스템(15)에 의해 관찰되는 인코딩된 패턴이 변하게 된다. 이는 표면(14) 상의 펜 포인트(9)의 위치의 계산을 위해 고려되어야 한다. 모든 패턴 회전각(α)을 허용한다는 것은 기록 표면의 이미지화된 영역의 요구되는 크기가 360°이상 디코딩 영역(DA)을 회전시킴으로써 형성되는 원형에 의해 실질적으로 한정된다는 것을 의미한다. 그러나, 패턴 회전각(α)의 변형은 이미지화되는 영역, 방사선 센서에 대한 이미지화된 영역의 거리 또는 간격(D)의 크기에 영향을 미지치 않는다.
허용오차의 효과
펜(1)은 펜(1)의 모든 부품에 대해, 크기 및 상대적 장착 각도 및 거리와 같은 공칭 파라미터로 설계된다. 이러한 설계는 거리(D)의 공칭값을 제공한다. 그러나, 펜(1) 제조시 공칭 파라미터에 대한 허용오차가 허용되어야 한다. 허용오차 체인은 거리(D)의 허용되는 가장 큰 값에 대한 설정 조건에 부가된다. 이러한 가장큰값은 이미징 시스템(15)의 초점 심도(FD)에 대한 요구조건을 설정한다. 또한, 허용오차 체인은 가능한 요구되는 조사 공간을 한정하도록 부가된다.
펜(1) 설계시, 이미징 시스템 및 조사 시스템(15, 13)의 상기 설명된 파라미터가 고려되어야 한다. 펜 포인트(9)와 기준 평면에서 이미징 시스템(15)의 광학 축(C) 사이의 공칭 거리(D)가 감소되면, 공칭 초점 심도(FD)가 감소될 수 있다. 이는 이미징 시스템(15)의 구경 조리개의 개구가 보다 많은 방사선이 방사선 센서에 도달하도록 증가할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 방사선 소스의 전력이 감소되어, 펜(1)의 배터리 수명이 증가된다. 감소된 거리(D)는 기록 표면(14) 상의 패턴이 보다 작은 세부사항(details)을 포함하도록 허용하는데 선택적으로 사용되는 반면, 이미징 시스템(15)은 변하지 않는다. 공칭 거리(D)의 감소는 기록 표면(14)과 잉크 카트리지(8) 사이의 각도의 보다 큰 차를 허용하는데 선택적으로 사용될 수 있는 반면, 공칭 초점 심도(FD)는 일정하게 유지된다. 또한, 공칭 거리(D)는 펜(1)의 개별 부품들에서 또는 부품들의 어셈블리시에 보다 큰 허용오차를 허용하는데 이용될 수 있다.
이러한 파라미터, 즉, 공칭 거리(D), 공칭 초점 심도(FD), 기록 표면(14)에 대한 세부사항 스케일, 잉크 카트리지(8)와 표면(14) 사이의 각도에서 허용되는 편차 및 허용되는 허용오차는 몇가지 상이한 방식으로 변형될 수 있고, 하나의 파라미터에 대한 요구조건 체인은 다른 파라미터들의 하나 이상의 요구조건에서의 변화를 야기시킬 수 있다.
허용오차 체인의 불충분한 제어로, 거리(D)는 일부 펜들에 대해 이미징 시스템(15)이 프로세서(16)(도 4)에 유용한 이미지를 공급할 수 없도록 커야 한다. 이는 구경 조리개의 개구 감소 및/또는 이미징 렌즈의 초점 길이를 감소시킴으로써 큰 공칭 초점 심도를 갖는 이미징 시스템(15)을 구성함으로써 해결된다. 그러나, 이는 방사선 센서로 전달될 수 있는 방사선의 양을 바람직하지 못하게 제한할 수 있다.
현재 바람직한 실시예는 약 3-5mm의 디코딩 영역(DA)을 처리하도록 설계된다. 거리(D) 범위는 바람직하게 약 2-4mm로 설정되고 필수적인 초점 심도(FD) 범위는 바람직하게 약 2.5-10mm, 보다 바람직하게는 약 4-8mm, 가장 바람직하게는 약 6.5-7.5mm로 설정된다. 바람직하게, 광학 시스템이 입사각(θ)의 대칭 범위, 모든 스큐각(
Figure 112009077597222-pct00003
)에 대해 허용되도록 설계되어, 임의의 스큐각에서 펜으로 사용자가 그립(grip) 및 기록을 수행할 수 있다. 바람직하게, 허용가능한 입사각의 범위는 약 ±30°, 및 바람직하게 약 ±40°, 및 가장 바람직하게는 ±45°이다. 바람직하게, 이미징 시스템은 약 15-60mm, 바람직하게는 약 30-45mm 범위에서 θ=0°및
Figure 112009077597222-pct00004
=0°에서 기록 표면으로부터 방사선 센서로, 광학 축(C)의 길이로 설계된다. 하한치에서, 이미징 시스템은 바람직하지 못한 작은 구경 조리개를 요구하며 이를테면 변형과 같이 중요한 이미지 수차를 나타낼 수 있다. 상한치에서, 이미징 시스템은 펜에서 상당한 길이 방향 및 방사상 공간 채택 및/또는 펜의 정면 단부에서 선택적 재지향 부재를 요구할 수 있다.
실시예들
하기, 펜(1) 내부의 이미징 시스템 및 조사 시스템의 소정 실시예들이 개시되며, 펜(1)을 설계하는 도시된 방식들은 상기 요구조건을 충족시킨다.
도 3에서 펜(1)은 전방부(2a)를 가지는 몸체(2) 및 클립(4)을 가지는 캡(3)을 포함한다. 전방부(2a)는 도 4에 도시된 것처럼, 중공의 케이싱(6) 내부에서 펜(1)의 후방부(7)로 연장되도록 배열된 캐리어(5)의 돌출 단부에 의해 형성된다.
펜 포인트(9)를 가지는 잉크 카트리지(8)는 도 5-6에 도시된 것처럼, 캐리어(5)의 수납기(10)에 삽입된다. 수납기(10)는 펜(1)의 전방부(2a)와 이들과 정렬된 길이 방향 그루브(10b)에 관통 보어(10a)를 제공한다. 잉크 카트리지(8)는 수납기(10)로 슬라이드되며 사용자에 의해 교체될 수 있다. 잉크 카트리지(8)와 수납기(10) 사이에는 일정한 라디얼 플레이(radial play)가 제공된다.
다시 도 4를 참조로, 인쇄 회로 보드(PCB)(12)는 잉크 카트리지 수납기(10)와 평행하게 연장되도록 캐리어(5) 상에 장착된다. 광학 시스템(11)은 PCB(12)에 부착된다. 광학 시스템(11)은 사용자가 펜(1)을 이용하여 기록을 수행하는 종이와 같은 통상적인 기록 표면인 대상물을 향해 방사선을 배출 및 방향설정을 위한 조사 시스템(13)을 포함한다. 또한 펜(1)은 대상물의 이미지를 기록하기 위해 대상물로부터 방사선을 수집하고 검출하는 이미징 시스템(15)을 포함한다. 조사 시스템 및 광학 시스템은 PCB(12) 상의 프로세서(16)의 제어하에서 동작하고, 상기 프로세서는 기록된 이미지를 수신 및 분석하는 이미지 프로세서를 구현한다.
또한 펜(1)은 프로세서(16)에 전력을 공급하는 수단, 광학 시스템(11) 및 전력이 요구되는 펜(1)의 임의의 다른 부분을 포함한다. 전력을 공급하는 수단은 배터리(21) 또는 외부 전력원과의 접속을 위한 플렉시블 코드(미도시)일 수 있다. 펜(1)은 기록된 이미지 또는 프로세서(16)로부터의 정보를 전달하는 외부 컴퓨터 유니트와의 접속을 가능케하는 수단(미도시)을 더 포함할 수 있다. 외부 컴퓨터 유니트와의 접속을 가능케하는 수단은 무선 전송기/수신기, 크래들 커넥터(cradle connect)(도킹 스테이션) 또는 USB-커넥터와 같은 임의의 형태의 와이어 접속부일 수 있다.
펜(1)이 사용되지 않을 때, 캡(3)은 통상적으로 펜 포인트(9) 및 다른 부품을 보호하기 위해 펜(1)의 전방부(2a) 위에 배열된다. 클립(4)은 이를테면 셔츠 주머니에 펜(1)을 고정하는데 사용될 수 있다. 펜(1)이 사용될 때, 캡(3)은 제거되고 펜(1)의 프로세싱 회로가 스탠바이 모드로 설정되고, 펜(1)은 동작을 활성화시키도록 감지된다. 캡 제거를 감지하고 선택적으로 펜의 전기적 활성화를 제어하는 기술은 본 출원인의 공보 US 2002/0175903호 및 Wo 03/069547호에 개시되며, 상기 문헌은 본 명세서에서 참조된다.
또한 펜(1)은 캐리어 상의 콘택 센서 수용 포켓(18)에 장착되는 콘택 센서 장치(17)를 포함한다. 콘택 센서 장치(17)는 수용 그루브(10b)의 말단부에 장착된다. 콘택 센서 장치(17)는 수납기(10)로 삽입될 때, 잉크 카트리지(80의 후방 단부를 수용한다. 펜 포인트(9)가 기록 표면(14)에 대해 가압될 때, 잉크 카트리지(18)는 포켓(18)의 벽에 부착된 콘택 센서(19)로 가압된다. 콘택 센서(19)를 통한 충분한 압력의 검출은 프로세서(16)와 같은 전자장치 제어를 완벽하게 활성화시켜, 조사 시스템(13), 이미징 시스템(15) 등을 활성화시키는데 사용된다. 콘택 센서의 출력 신호가 가압된 압력의 양을 나타내는 경우, 예를 들어 전자 펜 스트로크의 순차적인 렌더링에 사용되도록, 압력값은 동시에 기록되는 해당 이미지에 할당될 수 있다.
도 5-6의 실시예에서, 잉크 카트리지(8)의 후방 단부 부분은 포켓(18)에 이동가능하게 배열되는 삽입물(22)속으로 삽입되어 가압 고정된다. 콘택 센서(19)는 포켓(18)에 의해 한정된 공간에서 벽에 부착된다. 공간은 삽입물(22)이 콘택 센서(19)를 향해 그리고 콘택 센서(19)로부터 멀어지게 이동할 수 있으나, 동시에 삽입물(22)은 포켓(18) 밖으로 이동할 수 없다. 삽입물(22)은 유사한 잉크 카트리지들의 다양한 형태(make)를 유지하도록 설계되어, 통상적인 볼 포인트 펜들에 대해 교환가능한 잉크 카트리지를 사용하는 것이 가능하다. 삽입물(22)은 잉크 카트리지(8)의 펜 포인트(9)가 기록 표면(14)에 가압되는 경우 콘택 센서(19)와 양호하게 접촉되어 콘택 센서(19)를 손상시키는 잉크의 누설 위험이 감소된다. 포켓(18)의 설계는 잉크 카트리지(8)가 교환되는 펜(1)으로부터 제거될 때 삽입물(22)이 스트레이되게 한다. 잉크 카트리지(8)와 수납기(10) 사이의 방사상 플레이트는 잉크 카트리지(8)가 소수(minor) 저항만으로 펜(1)으로부터 제거될 수 있게 한다. 새로운 잉크 카트리지(8)가 장착될 때, 수납기(10)는 잉크 카트리지(8)가 펜(1)의 내부에 정확하게 위치되게 한다.
펜 포인트(9)와 이미징 시스템(15) 사이의 관계를 강화시키기 위해 카트리지(8)와 수납기(10) 사이의 방사상 플레이를 본질적으로 제거하는 것이 고려된다. 그러나, 펜 포인트(9)가 일반적으로 비-제로 방사상 연장부를 가지기 때문에, 실제 기록 표면(14)과 접촉되는 펜 포인트(9)의 부분은 펜(1)의 스큐각 및 입사각에 따라 변한다. 이는 기록 표면(14) 상의 펜 포인트 위치의 검출시 부정확도를 야기시킨다. 통상적으로 볼 포인트는 약 0.5mm의 직경의 펜 포인트(롤러 볼)를 갖는다. ±45°입사각에 대해, 상기 부정확도는 약 0.35mm이며, 이는 기록 표면을 나타내는 규정된 배경에 대해 필기체(handwriting)가 재현되는 경우가 드러나도록 충분히 크다. 펜 포인트(9)의 기하학 구조 뿐만 아니라 순간 입사각 및 스큐각을 알고 있다면, 이러한 부정확도를 최소화시키기 위해 보상 값을 계산할 수 있다. 그러나, 이러한 부정확도 대신 주의깊은 설계에 의해 전체 방사상 플레이가 낮아질 수 있다는 것이 발견되었다. 도 7은 2개의 극단적 입사각, +45°(실선) 및 -45°(점선)에서 잉크 카트리지(8)를 나타낸다. 도시된 것처럼, 실제 콘택 포인트는 본질적으로 일정하게 유지된다. 이는 잉크 카트리지(8)의 길이 방향 축에 수직인 평면상에서 돌출됨에 따라, 제로 방사상 플레이 실시예에 대해 극단 펜 입사각에서, 펜 포인트(9)상에 콘택 포인트 배치에 의해 한정되는 영역의 유효 직경과 같도록 설정되는 방사상 갭(RG)의 크기에 의해 달성될 수 있다. 실제로, 방사상 갭(RG)은 기록 동안 기록 표면(14)으로 펜 포인트(9)가 침투하는 것을 고려하여 유효 직경의 약 40-90%로 설정된다.
캐리어(5)상에 잘한정된 위치를 가지는 포켓(18)에 콘택 센서 장치(17)를 장착함으로써, 잉크 카트리지(8)와 콘택 센서 장치(17)의 상호 오정렬 위험이 감소된 다. 이러한 오정렬은 잉크 카트리지(8)의 축방향 이동을 간섭하여, 기록 표면과 접촉하는 펜의 콘택 센서 방향으로 임의의 지연이 유도될 수 있다. 또한, 이러한 오정렬은 삽입물(22) 및/또는 콘택 센서(19) 상에 마모를 야기시킬 수 있다. 캐리어(5)상에 콘택 센서 장치(17)의 장착은 펜의 기계적 쇼크 발생도를 감소시킬 수 있다.
또한 캐리어(5)는 이를 테면 펜(1)의 도전성 부재들 사이의 에어 갭과 같이 작은 절연 갭 위에서 과전압 방전 또는 스파크 형태인 정전기 방전(ESD)에 대해 펜의 전기 회로를 효과적으로 보호할 수 있다. ESD는 전기 회로 및/또는 그의 래치업에 대한 심각한 손상을 야기시킬 수 있다. ESD의 문제점은, 전하가 통상 금속으로 구성되는 잉크 카트리지(8)를 통해 펜(1) 안팎으로 이동할 수 있기 때문에, 전자 펜에서 강화될 수 있다. 도 4-6의 실시예에서, 카트리지/콘택 센서 및 PCB(12) 사이의 이러한 작은 모든 갭들은 수납기(10), 캐리어(5)의 한쪽 측면상에 위치되는 포켓(18), 및 캐리어(5)의 맞은편 측면에 배치되는 전기 회로(PCB(12), 프로세서(16) 등)에 의해 효과적으로 제거될 수 있다. 캐리어 물질은 연속적이다, 즉 적어도 수납기(10)와 포켓(18)을 한정하는 표면에서 관통 홀이 없다.
또한, 캐리어(5) 상에 콘택 센서 장치(17)의 장착은 펜(1)이 완전히 어셈블리되기 이전에 펜(1)의 기능을 검사하는 방안을 제공한다. 따라서, 최종 어셈블리는 펜(1)의 기능에서 결함이 검출되는 경우 제조될 필요가 없다.
또한 펜 포인트(9)가 기록 표면에 대해 가압될 때 펜(1)을 활성화시키기 위해 다른 형태의 센서들이 사용될 수도 있다. 이를 테면, 전기적 개방 회로(미도 시)의 일부가 콘택 센서(19)의 위치에 배열될 수 있다. 이 경우, 삽입물(22)에는 펜 포인트(9)가 기록 표면에 대해 가압되고, 전기적 회로와 접촉 및 근접해짐에 따라, 도전성 핀들 또는 도전성 시트가 제공된다. 선택적으로, 광학 또는 자기 검출기가 잉크 카트리지(8)의 이동을 감지하도록 사용될 수 있다. 앞서 언급된 Wo 03/69547호는 본 발명에 따라 접속부에 이용될 수 있는 콘택 센서를 개시한다.
또한 펜(1)은 캐리어(5)의 후방 단부 벽에 부착되는 진동기(20)를 포함한다. 진동기(20)는 PCB(12) 상의 제어 장비와 접속된다. 진동기(20)는 사용자에게 피드백을 제공하도록 진동한다. 이를 테면, 펜(1)은 사용자가 체크박스를 체크했다는 것을 검출하면, 진동기(20)는 체크박스가 체크되었다는 것을 펜(1)이 정확하게 검출했다는 것을 사용자에게 알리기 위해 진동한다. 또한, 펜(1)이 에러를 검출하면, 예를 들어, 펜(1)이 인식될 것으로 예상되는 표면(14) 상의 패턴을 인식하지 못한다면, 진동기(20)는 연속적으로 진동한다.
캐리어(5) 및 PCB(12)와 같이, 캐리어(5) 상에 장착된 부분, 광학 시스템(11), 콘택 센서 장치(17), 진동기(20), 및 잉크 카트리지(8)는 펜(1)에 대한 모듈형 유닛을 형성한다. 이러한 모듈형 유닛은 펜(1)의 최종 어셈블리에 대한 조건 없이 소정의 외부 조건에 대한 저항 및 기능에 대해 검사된다. 이는 펜(1)의 최종 어셈블리 이전에 결함 모듈형 유닛이 폐기될 수 있게 한다. 또한, 하나의 모듈형 유닛에서 이들 모든 부분의 배열은 모듈형 유닛이 하청업자에 의해 펜 제조자 또는 펜 판매자에게 전달되는 방안을 제공한다. 펜 제조자/판매자는 펜(1)을 판매하기 이전에 외부 쉘 또는 케이싱에서 배터리 및 임의의 다른 원하는 또는 요구되는 부분을 가지는 모듈형 유닛만을 패키징할 필요가 있다. 또한 배터리가 모듈형 유닛의 일부분을 형성할 수도 있다. 어떤 경우, 모듈형 유닛은 펜(1)의 기본적인 기능을 제공한다.
활성화된 펜(1)으로 사용자가 기록을 수행할 때, 펜 포인트(9)에 인접한 또는 그 부근의 기록 표면상의 영역은 광학 시스템(11)의 조사 시스템(13)에 의해 조사된다. 광학 시스템(11)의 이미징 시스템(15)은 펜 포인트(9)에 인접한 표면(14)의 조사된 영역의 이미지를 기록하고, 프로세서(16)는 이미지상에 기초한 펜(1)의 위치를 계산한다. 여기서, 표면(14)상의 특정 위치-코딩 패턴(미도시)은 이를 테면, US 6,570,104호, US 6,674,427호, US 2001/0038349호, US 2003/0066896, US 5, 477,012호 및 US 6,330,976호에 개시된 형태로 사용될 수 있다. 기록 표면상의 패턴의 보조로, 펜(1)의 위치는 언제라도 검출될 수 있고, 이런 방식으로 사용자의 기록이 등록될 수 있다.
양호한 이미지 품질을 달성하기 위해, 이미징 시스템(15)에 의해 이미지화된 영역은 조사 시스템(13)에 의해 적절히 조사될 필요가 있다. 이는 상기 설명된 바와 같이, 예를 들어, 펜(1)과 기록 표면 사이의 각도 및 펜(1) 부품들의 허용오차에 따라 이미지화된 영역의 가능 위치들에 의해 형성된 공간을 커버하며 입체각(γ)에서 방사선을 방출하는 조사 시스템(13)에 의해 달성된다.
도 8-12를 참조로, 분석 시스템이 개시된다. 전체 분석 시스템은 도 8에 도시되는 반면, 분석 시스템의 부분들은 도 9-12에 상세히 도시된다. 분석 시스템은 프로세서(16)가 배열되고 광학 시스템(11)이 장착되는 PCB(12)를 포함한다. 분석 시스템은 대상물을 조사하고 조사된 대상물을 이미지화시키는데 이용될 수 있다. 기록된 이미지는 PCB(12)상의 이미징 시스템(15)에 접속된 프로세서(16)에서 분석될 수 있다. 따라서, 분석 시스템은 분석 기능을 제공하여, 상이한 광학 분석 분야에서도 이용될 수 있다. 분석 시스템은 수동(handheld) 장치에서의 사용에 특시 적합하며, 대상물은 조사된 대상물의 이미지를 기초로 분석된다. 분석 시스템은 전자 펜의 분석 시스템의 분야와 관련하여 하기에 설명되나, 본 발명의 보호 범주는 상기 분석 시스템의 사용으로 제한되지는 않는다. 이를 테면, 바코드 판독기에 적용될 수 있다.
분석은 이미지 분석을 수행하도록 프로세서(16)를 프로그래밍함으로써 각각의 특정 분야에서 달성된다. 이미지 프로세서(16)는 이미지의 사전-프로세싱을 수행하며, 선택적으로 이미지로부터 정보를 추출하는 반면, 외부 컴퓨터 유니트는 상기 경우에서 처럼, 사전 -프로세싱된 이미지 또는 추출된 정보를 기초로, 기록 표면(14) 상에서 좌표(coordinate)를 계산할 수 있다. 선택적으로, 이미지 프로세서(16)는 이미지의 정보에 따라 모든 프로세싱을 수행한다. 선택적으로, 이미지 프로세서(16)의 모든 또는 일부는 방사선 센서(24)에 통합될 수 있다. 일 실시예에서, 이미지 프로세서(16)는 ASIC(application-specific integrated circuit)으로 구현된다.
수행되는 분석은 기록된 이미지로부터 필요한 정보 및 분석 시스템의 분야와 관련된다. 따라서, 하기 설명에서는, 도 9-12를 참조로, 분석 시스템의 광학 시스템을 상세히 설명하는 반면, 프로세서(16)의 기능은 간략히 설명한다.
도 8에 도시된 것처럼, 조사 시스템(13) 및 이미징 시스템(15)은 서로 인접하게 배열된다. 따라서, 조사된 영역과 이미지화된 영역 사이의 관계에 따른 기록 표면(14)과 펜 포인트(9) 사이의 가변 각도의 작용은 낮게 유지된다.
도 8에 도시된 것처럼 광학 시스템(11)은 PCB(12)상에 장착된다. 이는 광학 시스템(11)의 강하고 간단한 어셈블리를 제공한다.
도 9를 참조로, 이미징 시스템이 개략적으로 설명된다. 이미징 시스템은 2차원 방사선 센서(24)를 포함한다. 2차원 방사선 센서(24)는 CCD 또는 CMOS 센서와 같이, 전기광 이미지 센서일 수 있다. 방사선 센서(24)는 PCB(12)에 납땜되는 패키지(25)에 배열된다. 선택적으로, 센서 칩은 웨지(wedge) 또는 볼 본딩을 통해 PCB(12)에 직접 부착될 수 있다. 방사선 센서(24)는 PCB(12)를 통해 제어 및 분석을 위한 이미지 프로세서(16)에 접속된다.
이미징 시스템은 방사선 센서(24) 상으로 방사선이 향하도록 센서 조준 유니트 또는 이미징 유니트(26)를 더 포함한다. 도 9의 실시예에서, 조준 유니트(26)는 방사선 센서(24)를 둘러싸는 PCB(12)상에 장착된다. 조준 유니트(26)는 센서(24)와 함께 패키지(25)를 수용하는 센서 포켓(27)을 포함한다. 따라서, 조준 유니트(26)를 통해 전파되는 방사선만이 센서(24)에 도달한다. 조준 유니트(26)는 센서(24) 위에 배열된 미러(28)를 포함한다. 미러(28)는 기록 표면으로부터 센서(24) 상으로의 방사선을 반사시키고, 이미징 시스템의 광학 축을 재지향시키도록 배열된다. 미러 표면은 평면일 필요는 없으나, 약간 굽은 표면도 고려될 수 있다.
미러(28)에 의한 방사선의 재지향은 센서(24)가 PCB(12)상에 장착되는 것을 허용하며, 실질적으로 수직인 방향으로 기록 표면으로부터 떨어져 연장된다. 방사선은 미러(28)에서 본직적으로 90°로 재지향되어, 미러(28) 업스트림의 광학 경로에서 이미징 시스템의 광학 축은 PCB(12)의 표면과 본질적으로 평행하게 된다. 따라서, PCB(12)는 이미징 시스템(15)의 시야각을 차단하지 않는다. 미러(28) 업스트림의 이미징 시스템의 광학축은 잉크 카트리지의 길이 방향 축에 대해 다소 경사지며, 통상적으로는 약 15°미만, 바람직하게는 약 10°미만, 보다 바람직하게는 3°- 8°로 경사질 수 있어, 이미징 시스템은 펜 포인트와 근접한 기록 표면의 영역을 관찰한다.
또한 조준 유니트(26)는 광학 경로에서 미러(28) 업스트림에 렌즈(29)를 포함한다. 렌즈(29)는 미러(28)를 통해 기록 표면으로부터 센서(24)상에 방사선을 포커싱하도록 배열된다. 렌즈(29)는, 렌즈(29)와 센서(24) 사이의 거리가 렌즈(29)와 기록 표면 사이의 거리보다 짧아, 기록 표면 상의 이미지화된 영역이 증가하도록 조준 유니트(26)에 배열된다. 조준 유니트(26)는 펜 포인트(9)의 위치를 검출하도록 기록 표면(14)의 충분한 영역이 센서(24)상에 이미지화된 것의 축소화를 제공한다. 그러나 이미지화된 영역은 디코딩을 위해 요구되는 피쳐들을 기록된 이미지에서 구별될 수 없을 정도로 축소화되지는 않는다.
또한 조준 유니트(26)는 구경 조리개(30)를 포함한다. 구경 조리개(30)는 센서(24)를 향해 지나는 방사선의 양을 감소시킨다. 구경 조리개(30)의 개구가 증가하는 경우, 보다 많은 방사선이 센서(24)를 향해 통과되나, 동시적으로 이미징 시스템(15)의 초점 심도는 감소된다.
도 10에 도시된 일 실시예에서, 렌즈 및 미러는 하나의 광학 부품(31)으로 구현된다. 광학 부품(31)은 이미징 프리즘으로서 본 명세서에서 도시된 입체 광학 부품이다. 이미징 프리즘(31)은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), Zeonex
Figure 112011035132910-pct00005
, 폴리스티렌, 나일론, 또는 폴리설폰과 같은 플라스틱 물질로 형성될 수 있다. 프리즘(31)은 아교접착, 스냅핑(snapping), 클램핑 또는 초음파 용접에 의해 PCB(12)에 부착되는 베이스(32)를 포함한다. 센서 포켓(27)이 베이스(32)에 배열된다. 프리즘(31)의 포켓(27) 내부 표면은 평면형이거나 또는 약간 구부러지며 방사선 센서를 향하는 방사선 배출 표면(33)을 형성한다. 또한 프리즘(31)은 베이스(32)에 대해 경사지며 포켓(27)의 상부에 배열되는 미러 표면(34)를 포함한다. 미러 표면(34)은 반사 표면을 제공하도록 외측에서 금속화된다. 따라서, 프리즘(31) 내부로부터 미러 표면(34)상에 입사하는 방사선은 미러 표면(34)에서 반사된다. 선택적으로, 글라스 미러는 광학 아교에 의해 프리즘(31)에 아교접착된다. 프리즘(31)은 베이스(32)에 의해 적어도 부분적으로 지지되며 미러 표면(34)으로부터 연장되는 본질적으로 튜브형 부분(35)을 포함한다. 미러 표면(34)으로부터 연장되는 튜브형 부분(35)은 베이스(32)의 기하학적 평면을 향해 약간 경사진다. 이로써, 광학 축은 잉크 카트리지(8)의 길이 방향 축으로 기울어져, 이미징 시스템(15)이 펜 포인트(9)에 가까운 영역을 이미지화시킨다. 튜브형 부분(35)의 근접 단부는 베이스(32) 너머로 연장된다. 이러한 단부는 프리즘(31)의 진입 표면(36)을 형성한다. 진입 표면(36)은 렌즈 표면을 포함하며 대상물 평면으로부터 방사선을 수용하도록 배열된다. 렌즈 표면은, 표면(36)의 굴곡 및/또는 표면(36)의 프레넬 존(Fresnel zone)과 같이, 임의의 적절한 반사 수단에 의해 형성될 수 있다.
진입 표면(36) 및 배출 표면(33)을 제외한 이미징 프리즘(31)의 모든 표면, 및 선택적으로 미러 표면(34)은 방사선-전달 물질로 커버된다. 방사선 전달 물질은 프리즘 물질의 굴절률과 충분히 매칭되는 굴절률을 가져, 커버된 표면상에 충돌하는 프리즘내의 임의의 방사선의 상당부가 프리즘으로 재반사되는 대신 방사선-반사 물질로 전달된다. 또한 방사선-전달 물질은 펜 케이싱 내부에서 전달된 방사선의 분산을 방지하기 위해, 적어도 0.5의 흡수율로, 관련 파장을 흡수하도록 선택된다. 이미징 시스템의 외측상에 방사선-전달 물질의 제공은 스트레이 방사선이 방사선 센서에 도달하는 것이 방지된다. 프리즘에서의 내부 반사의 효과적인 방지가 제공되기 때문에, 프리즘 표면은 프리즘에서 원하는 광학 경로로 근접하게 배열될 수 있다. 따라서, 프리즘은 작은 크기를 가질 수 있다. 또한 방사선-전달 물질은 진입 표면 이외의 다른 표면을 통해 방사선이 프리즘으로 진입하는 것이 방지되도록 선택된다. 일 실시예에서, 방사선-전달 물질은 블랙 페인트이다.
또한, 베이스(32)에는 노치(37)가 제공된다. 이러한 노치(37)는 진입 표면(36)으로부터 볼 수 있는 바와 같이 방사선 센서의 정면에 배리어를 형성하며 방사선이 미러 표면(34)과 간섭하지 않고 진입 표면(36)으로부터 직접 방사선 센서상에 충돌하지 않게 한다.
본 실시예에서, 조준 유니트(26)는 프리즘(31)과 구경 조리개(38)로 구성된다. 구경 조리개(38)는 진입 표면(36)에서 이미징 프리즘(31)의 튜브형 부분(35) 위에 장착되는 캡으로서 구현될 수 있다. 구경 조리개(38)는 방사선이 프리즘(31)으로 허용되도록 진입 표면(36)의 정면에 배열되는 개구(39)를 포함한다. 구경 조리개(38)는 플라즈틱 물질로 형성되며 프리즘(31)에 아교접착 또는 스냅핑된다. 구경 조리개(38)는 예를 들어, 프리즘(31)의 다른 표면들에 대해 사용되는 방사선-전달 물질로, 방사선을 전달하지 않는 진입 표면(36)의 일부를 마스킹함으로써 선택적으로 제공될 수 있다.
도 11에 도시된 또다른 실시예에서,조준 유니트는 요구되는 광학 부품들을 함유하는 하우징(40)으로 구현된다. 방사선은 하우징(40)에 형성된 채널(41)에서 전파된다. 하우징(40)은 이미징 프리즘(31)과 본질적으로 동일한 형상으로 유사한 광학 경로가 하우징(40) 내부에 형성된다. 하우징(40)의 베이스(42)는 PCB(12)를 향하는 큰 표면을 가질 수 있다. 또한, 하우징(40)은 예를 들어, 아교접착, 스냅핑, 크램핑 또는 초음파 용접에 의해 PCB(12)에 하우징을 강하게 부착하는 최적의 물질로 형성된다. 하우징(40)은 채널(41)속으로 개방되는 센서 포켓을 형성하는 베이스(42)에 개구(43)를 갖는다.
미러(44)는 베이스(42)에서 개구(43) 위에 하우징(40) 개구를 커버하도록 아교접착에 의해 부착된다. 하우징(40)은 미러(44)의 위치를 한정하고 미러(44)를 수용하는 슬롯(미도시)을 제공할 수 있다. 또한 하우징(40)은 미러(44)로부터 연장되는 채널(41)의 튜브형 부분(45)을 제공한다. 하우징(40)은 채널(41)의 하부 내측 표면을 형성하는 두꺼운 베이스 벽을 가질 수 있다. 튜브형 부분(45)의 단부에서, 하우징(40)의 내부 벽들은 채널(41)의 직경을 감소시키고 효과적으로 구경 조리개(7)를 형성하는 방사상 돌출부(46)를 포함할 수 있다. 구경 조리개(47)는 하우징(40)의 채널(41) 속으로 짧은 부분을 배열할 수 있다. 또한 하우징(40)은 기록 표면(14)으로부터 방사선을 수용하는 외부 개구를 더 포함한다. 렌즈(48)는 예를 들어, 아교접착, 크러쉬 리브(crush ribs), 초음파 용접, 폼 핏팅(form fitting), 스냅 핏팅(snap fitting) 등에 의해 구경 조리개(47) 업스트림 하우징(40)에 부착될 수 있다.
선택적으로(미도시), 렌즈는 구경 조리개 다운스트림의 채널(41)에 부착될 수 있다. 전형적으로, 렌즈는 구경 조리개와의 접합부와 같이 예정된 위치로 채널에서 슬라이드된다. 이러한 다운스트림 장착은 렌즈와 방사선 센서 사이의 거리에 따른 어셈블리 허용오차의 영향력을 감소시킬 수 있으며, 이는 예정된 위치로부터 렌즈의 배치시 임의의 편차는 홀더에 대한 미러의 배치 및 방사선 센서에 대한 홀더의 배치시 임의의 편차가 보상되기 때문이다. 채널의 내부로부터 미러를 장착함으로써 유사한 장점들이 얻어질 수 있다.
구경 조리개는 하우징(40)에 삽입 및 부착되는 개별 부품으로 선택적으로 배열될 수 있다. 선택적으로 구경 조리개는 하우징(40)의 정면 단부 위에 배열되는 캡에 의해 제공된다. 이러한 캡은 렌즈(48)를 포함할 수 있다.
하우징(40)은 스트레이 방사선을 흡수하는 방사선-흡수 물질로 형성될 수 있다. 하우징(40)의 내부 표면은 방사선-흡수 물질이거나 상기 물질로 선택적으로 코팅될 수 있다. 하우징의 내부 표면은 경면 반사를 감소시키도록 거칠어지거나 텍스춰링될 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 하우징(40)의 내부 표면은 개구(43)로부터 경면 반사의 방향을 설정하는 하나 이상의 제어 표면을 가질 수 있다. 구경 조리개(47)를 형성하는 돌출부(46)의 다운스트림 벽, 즉, 미러(44)를 면하는 벽들은 미러로부터 테이퍼진다. 이로써, 이들 돌출 벽에서의 반사는 하우징(40)의 벽으로 조절된다. 이러한 돌출 벽은 거치어지거나 텍스춰링될 수 있다.
기록 표면 상의 위치-코딩 패턴은 근적외선 파장대에서 가시적으로 프린트될 수 있다. 또한, 펜(1)으로부터의 잉크는 위치-코딩 패턴의 정보와 간섭하지 않도록 근적외선 파장대에서 가시적이지 않도록 선택될 수 있다. 가시 영역에서 파장을 이미지화시키지 않기 위해, 적외선 필터(23)(도 4)가 이미징 시스템(15)의 렌즈 정면에 배열될 수 있다. 적외선 필터(23)는 근적외선 파장 보다 짧은 모든 파장을 흡수할 수 있다. 적외선 필터(23)는 태양 및 외부 조명으로부터 원치않는 방사선을 흡수한다. 이미징 시스템(15)의 렌즈(29) 정면에 적외선 필터(23)를 위치시킴으로써, 적외선 필터(23)는 보호 윈도우 또는 차폐 플레이트로서의 역할을 한다.
적외선 필터의 기능은 이미징 시스템(15)이 있는 어디에서도 구현될 수 있다. 따라서, 적외선 필터는 하우징(40)에 선택적으로 배열되거나 또는 근적외선 파장보다 짧은 파장에 대해 흡수성이 높은 프리즘(31)의 물질에 의해 프리즘(31)에 통합될 수 있다. 선택적으로, 또는 부가적으로, 적외선 필터는 렌즈, 미러, 방사선 센서 또는 패키지(도 9의 25)로 통합될 수 있다.
도 12는 도 8의 조사 시스템(13)을 보다 상세히 나타낸다. 조사 시스템은 방사선을 방출하도록 배열된 방사선 소스(50)를 포함한다. 소스(50)는 전형적으로 발광 다이오드(LED) 또는 제한된 파장대에서 방사선을 방출하는 레이저 다이오드이다. 소스(50)는 PCB(12)의 관통 홀(51)에 장착되며 및 그와 전기적으로 접속된다. 또한 조사 시스템(13)은 기록 표면상의 원하는 영역으로 방사선이 향하도록 방사선 가이드(52)를 포함한다. 가이드(52)는 PMMA, 폴리카보네이트, Zeonex
Figure 112006048751544-pct00006
, 폴리스티렌, 나일론, 또는 폴리설폰과 같은 플라즈틱 물질의 한 부품으로 형성된다.
가이드(52)는 관통 홀(51) 위에 PCB(12)에 장착된다. 가이드(52)는 아교접착에 의해 PCB(12)에 부착될 수 있는 베이스 표면(53)을 포함한다. 베이스 표면(53)은 예를 들어, 바닥(floor)으로 펜이 떨어지는 경우 발생되는 기계적 쇼트를 견디는 것이 요구되는 경우, PCB(12)에 큰 부착 영역을 제공하기 위해 플랜지(54)를 포함할 수 있다. 플랜지(54)는 단지 가이드(52)의 부착을 고정하도록 배열되며 소스(50)로부터 방사선을 전달하지는 않는다. 가이드(52)는 이미징 시스템(15)의 인접한 조준 유니트(26) 및/또는 PCB(12)와 관련하여 가이드(52)의 위치설정을 제어하기 위해 가이던스 핀들 또는 홀들(미도시)을 더 포함할 수 있다.
가이드(52)는 PCB(12)의 관통 홀(51) 위에 배열되는 소스 수용 포켓(55)을 포함한다. 포켓(55)은 그의 베이스에서 평면형 진입 표면(56)을 가지며 소스(50)로부터의 방사선은 진입 표면(56)을 통해 가이드(52)로 진입한다.
또한 가이드(52)는 소스 수용 포켓(55) 위에 배열되며 베이스 표면(53)에 대해 경사진 미러 표면(57)을 포함한다. 미러 표면(57)은 반사 표면을 제공하도록 외측에서 금속화된다. 방사선은 미러 표면(57)에서 본질적으로 90°로 재지향되어, 미러 표면(57)의 광학 경로 다운스트림에서 조사 시스템(13)의 광학 축은 PCB(12)의 표면과 본질적으로 평행하다. 따라서, PCB(12)는 조사 시스템(13)에 의해 기록 표면의 조사를 차단하지 않는다. 미러 표면(57) 다운스트림의 조사 시스템(13)의 광학 축은 잉크 카트리지의 길이 방향 축에 대해 통상적으로 약 15°미만, 바람직하게 약 10°미만으로 다소 경사져, 조사 시스템(13)은 펜 포인트에 근접한 기록 표면의 명역을 조사한다.
가이드(52)는 미러 표면(57)의 반사 이후 방사선을 가이드하는 본질적으로 튜브형상으로 형성된다. 방사선은 튜브형 형상의 단부에 제공되는 배출 표면(58)을 통해 가이드(52)를 벗어난다. 진입 표면(56) 및 배출 표면(58)을 제외하고 모든 표면들은 금속화되어, 방사선이 배출 표면(58)을 통해서만 배출되도록 제어된다. 다른 벽들에 충돌하는 임의의 내부 방사선은 가이드(52)로 다시 반사된다.
가이드(52)의 튜브형 형상은 본질적으로 일정한 단면을 가진다. 튜브형 형상의 단면은 조사되는 영역의 원하는 형상을 산출하도록 설계된다. 또한, 보다 긴 튜브형 형상은 가이드(52)가 방출하는 방사선을 보다 균일하게 한다. 그러나, 방출되는 방사선 대부분이 가이드(52)를 벗어나기 전에 일단 반사되도록 짧은 튜브형 형상을 유지하면 충분하다. PCB 표면과 평행한 방향에서 튜브형 형상의 단면의 최소 폭은 소스 수용 포켓(55)의 크기에 의해 주로 한정된다. 튜브형 형상의 단면은 펜(1) 아래로 방사상 크기를 가능한 작게 유지해야 하는 반면, 방출되는 방사선은 충분히 큰 영역을 조사해야 한다. 이를 위해, 가이드(52)의 튜브형 형상은 비대칭 단면으로 설계된다.
도 8 및 도 12에 도시된 것처럼, 가이드(52)의 배출 표면(58)은 방사선이 조사되는 기록 표면을 향해 배출 표면(58)에서 제한되도록 가이드(52)의 튜브형 형상의 길이 방향 축과 각을 이룬다. 배출 표면(58)에서 방사선의 재지향은 가이드(52) 너머의 조사 시스템의 광학 축이 기록 표면을 향해 이미징 시스템(15)의 광학 축으로 수렴된다는 것을 의미한다. 배출 표면(58)에서 조사 시스템(13)의 광학축의 재지향이 요구되며, 이는 가이드(52)의 튜브형 형상에서 조사 시스템(13)의 광학축이 하우징(40)의 채널(41) 또는 프리즘(31)의 튜브형 부분(35)의 이미징 시스템(15)의 광학 축과 본질적으로 평행하기 때문이다. 통상적으로 이미징 시스템과 조사 조사 시스템의 광학 축들 사이의 각도는 15°미만이다.
가이드(52)의 배출 표면(58)은 평면형이다. 선택적으로, 배출 표면(58)은 조사된 영역의 크기를 제어하는 표면 전력을 제공하도록 구부러질 수 있다.
소스(50) 및 방사선 센서(24)는 PCB(12)상에서 서로 근접하게 배열되기 때문에, 소스(50)로부터 방사선 센서(24)로의 직접적인 방사선 누설을 방지해야 한다. 사이 언급된 특정 광학 시스템(11)은 이러한 누설을 차단하는 역할을 한다. 따라서, 조사 시스템(13)의 가이드(52)는 방사선이 배출 표면(58) 이외의 다른 표면으로부터 탈출하는 것을 방지하도록 금속화된다. 또한, 프리즘(31) 또는 하우징(40)은 진입 표면 이외의 다른 표면을 통해 프리즘(31) 또는 하우징(40)으로 방사선이 진입하는 것을 방지하도록 비-전달 물질에 의해 페이팅 또는 코팅된다.
방사선 센서(24)가 후면으로부터 투명한 것이 공통적이지 않기 때문에, 소스(50)로부터 방사선 센서(24)로 PCB(12)를 통해 방사선이 전달되지 않도록 하는 것은 중요하다. 소스(50)로부터 PCB(12)로 방사선의 임의의 직접적인 누설을 최소화시키기 위해, PCB(12)의 관통 홀(51)은 금속화될 수 있다. 또한, 하나 이상의 구리층이 PCB(12)에 배열되어 PCB(12)에서 방사선 전파를 감소시킬 수 있다. 또한, 비-전달 아교가 PCB(12)에 프리즘(31) 또는 하우징(41)을 부착하는데 이용될 수 있다. 이로써, 프리즘(31) 또는 하우징(40)과 PCB(12) 사이의 계면으로 방사선 전파가 방지된다.
또한, 차폐 플레이트(23)(도 4)가 이미징 시스템의 정면에 배열되는 경우, 방사선 가이드(52)로부터 방출된 방사선은 플레이트(23)에서의 반사에 의해 이미징 시스템(15)의 진입 표면으로 지향될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 이미징 시스템(15)은 조사 시스템(13)에 의해 조사되는 플레이트(23) 영역과 일치하지 않는 플레이트(23)의 영역을 통과하는 방사선을 수용하도록 배열될 수 있다. 또한, 플레이트(23)는 한쪽 또는 양쪽 표면이 비-반사 코팅될 수 있다. 또한, 플레이트(23)는 방출된 방사선으로부터의 방사선이 이미징 시스템(15)으로부터 멀리 편형되도록 각을 이룰 수 있다.
상기 모든 실시예에서, 조사 시스템의 방사선 소스는 캐리어, PCB 또는 모듈형 유닛의 다른 부품들 상의 임의의 위치에 직접 장착될 수 있다. 그러나, 방사선 소스는 이미징 시스템에 근접한 관계로 유지하여, 기록 표면 상의 이미지화된 영역과 조사된 영역 사이의 관계에 따라 펜 방향의 작용을 최소화시키는 것이 바람직하다.
도 13-19에 도시된 일 실시예에서, 방사선 소스는 PCB에 의해 지지되는 센서 조준 유니트 또는 이미징 유니트의 외부 표면상의 홀더에 장착된다. 이로써, 짧은 허용오차 체인 및 결과적으로 잘한정된 관계가 조사 시스템과 이미징 시스템 사이에서 얻어진다. 또한, 조준 유니트에 방사선 소스를 부착함으로써, 방사선 소스는 생략된 방사선 가이드에 대한 이미징 시스템의 대상물 평면에 충분히 근접하게 된다. 방사선 가이드를 분산시킴으로써, 광학 시스템의 복잡성 및 비용이 감소될 수 있다.
도 13-19의 실시예는 앞서 개시된 실시예들과는 상이한 특징, 기능 및 장점을 강조하게 보다 상세히 설명된다. 특히, 조사 시스템에 대한 상기 설명은 하기 개시되는 실시예서는 적용되지 않는다는 것을 주목해야 한다.
캐리어(70) 및 PCB(72)는 도 4와 관련하여 개시된 실시예들과 본질적으로 상이하다. 따라서, 캐리어(70)는 펜 포인트를 가지는 기록 기구(컴파트먼트(74)), 기록 기구에 대한 콘택 센서(컴파트먼트(75)), 사용자 피드백을 위한 진동기, 프로세서 전력 공급을 위한 배터리 및 임의의 추가 전기 부품들, 사용자 피드백을 위한 다수의 LED(컴파트먼트(76)), 펜의 내부를 보호하는 투명 정면 플레이트(컴파트먼트(77))에 대한 장착 컴파트먼트들(74-77)을 포함할 수 있다. PCB(72)는 방사선 센서(78), 프로세서(80) 및 추가의 전자 장비(미도시)를 보유한다.
광학 시스템은 조준 유니트(78), 방사선 센서(78) 및 조사 시스템(84)을 포함한다.
조준 유니트(82)는 이미징 렌즈(86), 구경 조리개(88), 및 재지향 미러(90)를 포함한다. 조준 유니트(82)는 대상물 평면, 이미지 평면, 광학 축, 및 대상물 평면의 초점 심도를 한정한다. 조준 유니트(82)는 단일 부품으로 제조되거나 개별 부재들로부터 어셈블리될 수 있는 단일 부품이다. 따라서, 도 13-19에 도시된 실시예에 대한 대안으로서, 조준 유니트는 도 10의 조준 유니트와 유사하게 입체 광학기에 기초한다. 하기 설명은 대안적 실시예에 등가적으로 적용될 수 있다.
조준 유니트는 그 위에 센서(78)가 제공되는 PCB(72)상에 장착되도록 설계된다. 결국 PCB(72)는 캐리어(70)상에 장착되도록 설계된다. 홀더(92)는 LED의 경우, 그러나 선택적으로 레이저 다이오드의 경우, 조준 유니트(82)와 통합되어 방사선 소스(94)의 장착을 제공한다. 조준 유니트(82)에 홀더(92) 통합은 시야각의 상대 위치 및 기록 표면상의 조사된 영역에 대한 어셈블리 허용오차의 영향력을 최소화시킨다. 대안적 실시예(미도시)에서, 홀더는 조준 유니트의 몸체에 부착된 개별 부품이다.
소스(94)는 프로세서(80)의 제어하에 전력이 공급되는 (도 13-19에서 절단된) 한 쌍의 접속 핀(94')을 통해 PCB(72)에 전기적으로 접속된다. 핀(94')은 홀더(92) 및 다운스트림 돌출부(95)에 형성된 한 쌍의 가이드 트랙에 의해 가이드된다. 돌출부(95)의 트랙은 핀(94') 형성을 제공하도록 구부러진다. 어셈블리 동안, 핀(94')은 트랙에 배열되며 PCB(72)에 있는 대응하는 수용 홀들(미도시)에 용접됨으로써 적절히 고정되기 이전에 PCB(72)를 향해 구부러진다. PCB(72)에 핀(94')의 고정은 조준 유니트(82)와 PCB(72) 사이에 원하는 클램핑력을 산출한다는 것이 발견되었다.
조준 유니트(82)는 센서(78)와의 적절한 배열로 PCB(72) 표면을 면하도록 조절되는 방사선 출구(96)를 갖는 하부 표면, 및 차폐 플레이트(도 13의 홀더(77))를 면하는 방사선 입구(98)를 갖는 근접 단부를 포함한다. 출구(96)는 센서(78)에 클리어런스를 갖게 크기설정된다. 따라서, 하나 및 동일한 조준 유니트가 상이한 형 태 및/또는 기하학구조의 센서/패키지를 수용할 수 있다. 본 실시예 및 본 명세서에서 개시된 다른 실시예들에 있어, 조준 유니트에 의해 한정된 이미지 평면은 방사선 센서에 위치 및 방사선 센서에 대해 예정된 공간에 위치된다.
도 17-18에 도시된 것처럼, 입구(98)와 출구(96) 사이에 방사 경로가 한정되며, 방사 경로는 조준 유니트(82) 내부에 제한된다. 이미징 렌즈(86)는 구경 조리개(88)와의 접합부에서 정면 포켓에 수용된다. 구경 조리개(88)로부터 출구(96)로 연장되도록 채널이 한정된다. 또한 채널은 홀더(92)로부터 떨어져 면하는 측벽부에 한정되는 방사선 트랩(104)과 접속된다. 트랩은 임의의 충돌하는 방사선을 수집 및 감쇠시키는 채널 벽 리세스로서 설계된다. 특히, 트랩(104)은 홀더(77)(도 13)에 장착된 차폐 플레이트에 의해 조준 유니트로 반사되는 임의의 방사선 소스에 대해 위치 및 설계된다. 또한, 배리어벽(106)은 미러(90)와 간섭하지 않고 센서(78)상에 방사선이 충돌하는 것을 차단하도록 출구(96) 업스트림에 형성된다. 이렇게 차단된 방사선을 감쇠시키기 위해서, 하부벽 방사선 트랩(108)이 배리어벽(106)의 업스트림에 형성된다. 또한, 제 2 차 방사선 트랩(104')은 배리어 벽(106)의 측벽 다운스트림에 형성된다. 도면에 도시되지는 않았지만, 추가의 방사선 트랩들이 상부벽 부분 및/또는 홀더를 면하는 측벽 부분에 형성될 수 있다. 방사선 트랩은 내부 채널의 직경을 최소화시키는 것이 요구되는 경우 조준 유니트 내부의 스트레이 광을 감소시키는데 특히 중요하다.
하부 표면은 PCB(72)상의 조준 유니트(82)의 배치를 한정하기 위해 PCB(72)의 해당 가이드 홀들(110', 112')과 협력하는 2개의 돌출 가이드 핀(110, 112)을 포함한다.
도 13-18의 실시예에서, 조준 유니트(82)는 PCB(72)의 해당 관통 홀(114')에서 보조 고정 핀(114)의 변형에 의해 PCB(72)에 고정된다. 선택적으로 또는 부가적으로, 가이드 핀(110, 112)중 하나 또는 둘다의 변형에 의해 고정이 달성될 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 외부 클램핑 고정물 및/또는 용접, 아교접착, 폼 핏팅(form fitting), 프레스 핏팅(press fitting), 스냅 핏팅 등이 이용될 수 있다.
또한 PCB(72)는 PCB(72)의 해당 관통 홀(116', 118')의 캐리어(70) 상에서 보조 고정 핀(116, 118)의 변형에 의해 캐리어(70)에 고정된다. 선택적으로 또는 부가적으로, 외부 클램핑 고정물 및/또는 용접, 아교접착, 폼 핏팅(form fitting), 프레스 핏팅(press fitting), 스냅 핏팅 등이 이용될 수 있다.
따라서, 분석 시스템은 조준 유니트(82), 소스(94) 및 센서(78)와 프로세서(80)를 보유한 PCB(72)의 조합에 의해 형성된다.
이처럼, 모듈형 유닛은 분석 시스템 및 캐리어(70)의 조합에 의해 형성된다. 모듈형 유닛은 쉘 부분(들) 상의 대응 커넥터와 맞물리도록 설계될 수 있는 캐리어(70) 상의 하나 이상의 커넥터(120)에 의해, 펜의 외부 케이싱을 형성하는 하나 이상의 쉘 부분과 접속될 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 외부 클램핑 고정물 및/또는 용접, 아교접착, 폼 핏팅(form fitting), 프레스 핏팅(press fitting), 스냅 핏팅 등이 이용될 수 있다.
본 명세서에서 개시된 것처럼 전자 펜들은 기록 표면상의 위치-코딩 패턴의 이미지로부터 위치 검출을 허용하며, 상기 검출은 예를 들어, US 2002/0044138, US 2002/0048404, US 2003/0053699, US 2003/0118233, US 2003/0122855, US 2003/0128194, WO 04/097723 및 본 명세서의 참조문 중 임의의 하나에 개시된 것처럼, 펜의 내부 프로세서 또는 외부 프로세서에 의해 수행된다. 또한 상기 검출은 기록 표면상의 콘택 포인트(P)(도 2)의 위치와 같이, 이미지화된 패턴으로부터 실제 기록 위치로 디코딩된 위치가 관련되도록 거리(D)(도 2)를 사용하는 단계를 수반한다. 이를테면, 프로세서는 기록 위치를 계산하기 위해 이미지, 펜의 공간 방향(예를 들어, 입사각(θ) 및 스큐각(
Figure 112009077597222-pct00007
)) 및 위치, 및 알고 있는 위치, 공간 방향 및 거리(D)를 기초로 계산하도록 배열된다. 그러나, 거리(D)의 공칭값으로 부터의 편차는 계산된 기록 위치에 계통 오차(systematic error)를 유도할 수 있다.
이러한 편차의 작용을 완화시키기 위해, 광학 시스템/모듈형 유닛은 잉크 카트리지에의해 부분적으로 차단되는 기록 표면의 영역을 이미지화시키도록 설계될 수 있다. 잉크 카트리지의 팁은 잉크 카트리지의 실린더형 몸체로 유도되는 콘(cone)에 의해 고정된 볼로 구성된다. 잉크 카트리지의 실린더형 몸체와 콘 사이의 에지는 기록된 이미지들에 차단 에지(obscuration edge)를 형성한다. 차단 에지는 펜 부품의 허용오차 체인이 이미지 내부에 위치된 차단 에지를 유지하도록 이미지에 공칭적으로 위치될 수 있다. 따라서, 차단 에지는 이미지에서 상상 검출될 수 있다. 이로써, 기록된 이미지의 차단 에지의 위치가 개별 펜들에 대한 거리(D)를 계산하는데 이용될 수 있다. 거리(D)는 기준 평면에서 벡터이며 이로 인해 교정은 2차원으로 이루어질 수 있다는 것을 주목해야 한다. 도 20은 차단 에지를 볼 수 있는 위치-코딩 패턴(P)의 이미지의 예를 나타낸다(차단 에지의 기준 포인트는 R로 표시된다).
본 명세서에 개시된 실시예들은 제한을 위한 것이 아니며 첨부된 청구항에 의해 한정되는 보호 범주내에서 다수의 다양한 실시예들이 구현될 수 있다는 것이 강조되어야한다.
이를테면, 상기 기록 기구는 잉크 카트리지 대신에, 만년필 유니트, 펜슬 유니트, 펠트펜(felt pen) 유니트, 선택적으로 자성을 띠는 베이스와 협력하는 마그네틱 헤드, 열 감지 베이스와 협력하는 히팅 헤드, 전기적으로 제어되는 잉크 젯 유니트, 소형화된 레이저 프린트 유니트 등일 수 있다. 심지어 기록 기구는 기록 표면을 따르는 임의의 경로 트레이스를 남지지 않을 수 있고, 이미징 시스템 및 이미지 프로세서에 의해 검출되는 기록은 눈으로 볼 수 없을 수 있다. 이 경우, 기록 기구는 예를 들어 스타일러스 또는 포인티드 바 또는 로드일 수 있다.
또한, 상기 설명에서, 렌즈는 몇가지 상이한 상황에서 개시된다. 이런 경우, 렌즈는 렌즈 기능을 나타내는 단일 광학 부품으로 구현되거나 또는 선택적으로 혼합 렌즈 또는 렌즈 패키지로서 구현될 수 있다.
이처럼, 상기 언급된 인쇄 회로 보드(PCB)는 금속 또는 세라믹 물질의 두꺼운 하이브리드막, 또는 와이어 랩(wire wrap)처럼, 다른 등가 구조물을 포함하도록 고안된다.
선택적 실시예에서, 조준 유니트는 조준 유니트에 직접적으로 부착되지 않고 PCB에 의해 지지된다. 특히, 캐리어의 한쪽 측면상에 방사선 센서를 갖는 PCB가 위치되며, PCB의 적어도 하나의 관통 홀은 캐리어내의 대응 수용 보어와 정렬된다. 적어도 하나의 돌출 가이드 핀을 가지는 조준 유니트는 관통 홀을 통과하는 가이드 핀을 가지며 캐리어의 수용 보어에 고정되는 PCB 상에 장착되어, 조준 유니트, 방사선 센서, 및 캐리어가 적절하게 정렬된다. 선택적 또는 부가적으로, PCB의 관통 홀을 통해, 조준 유니트 상의 수용 보어와 협력하는 캐리어 상에 적어도 하나의 대응하는 가이드 핀이 제공될 수 있다. 또한, 조준 유니트의 베이스는 PCB 및/또는 방사선 센서 상에서 적어도 하나의 대응 제어 표면 상의 접합부에 대해 적어도 하나의 제어 표면을 가질 수 있다. 장착에 따라, 조준 유니트는 PCB에 대해 가압되어, 방사선 센서의 공칭 방향으로 조준 유니트의 위치에서 임의의 변화가 최소화될 수 있다. 조준 유니트는 외부 클램핑 고정물 및/또는 용접, 아교접착, 폼 핏팅(form fitting), 프레스 핏팅(press fitting), 스냅 핏팅 등에 의해, 예를 들어 가이드 핀을 통해 캐리어에 고정될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 조준 유니트는 PCB 대신 캐리어에 의해 직접적으로 지지되도록 배열된다. 따라서, 캐리어는 PCB를 지지하는 수단 뿐만 아니라 조준 유니트를 지지하는 수단을 포함한다. 이러한 수단은 협력하는 핀들 및 보어들, 폼 핏트, 스냅 핏트, 용접 표면, 아교접착 표면 등으로 구현될 수 있다.

Claims (50)

  1. 기록 기구를 갖는 전자 펜용 모듈형 유닛(modular unit)으로서,
    상기 기록 기구를 수용하기 위한 수납기(receiver)를 갖는 캐리어;
    상기 캐리어 상에 장착된 인쇄회로기판 ― 상기 인쇄회로기판은 적어도 하나의 홀(hole)을 가짐 ―;
    상기 인쇄회로기판 상에 표면 장착된 2차원 방사선 센서(radiation sensor) ― 상기 방사선 센서는 적어도 하나의 홀에 대하여 상기 인쇄회로기판 상에 위치됨 ―;
    상기 방사선 센서에 도달하는 방사선의 공간적 원점(spatial origin)을 제어하도록 설계된 이미징 유닛 ― 상기 이미징 유닛은 이미지 평면과 대상물(object) 평면을 규정하고, 상기 이미징 유닛은 몸체(body), 및 상기 몸체의 외부 부분과 연관되는 홀더를 가지며, 상기 이미징 유닛은 적어도 하나의 핀(pin)을 추가적으로 가짐 ―; 및
    상기 대상물 평면을 조명하기 위한 방사선 소스 ― 상기 방사선 소스는 상기 이미징 유닛의 상기 홀더에 의해 유지됨 ―
    를 포함하고, 상기 이미징 유닛은 상기 인쇄회로기판과 정렬되어 상기 방사선 센서 상에 상기 이미지 평면을 위치시키도록 상기 이미징 유닛을 정렬하기 위해 상기 이미징 유닛의 상기 적어도 하나의 핀이 상기 인쇄회로기판의 상기 적어도 하나의 홀 내에 삽입되는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어, 상기 인쇄회로기판, 및 상기 이미징 유닛은 상기 인쇄회로기판이 상기 캐리어와 상기 이미징 유닛 사이에 위치되도록 함께 결합되는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어는 가이드 핀(guide pin)을 포함하고, 상기 인쇄회로기판은 가이드 핀 수용 홀을 가지며, 상기 인쇄회로기판은 상기 가이드 핀이 상기 가이드 핀 수용 홀 내에 삽입되도록 상기 캐리어 상에 장착되는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사선 소스와 상기 인쇄회로기판 사이에 전기적 연결부(connection)를 더 포함하는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전기적 연결부는 상기 이미징 유닛과 상기 인쇄회로기판 사이에 클램핑 력(clamping force)을 가하는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은 상기 캐리어에 의해 지지되는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은 상기 캐리어에 부착되는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미징 유닛은 상기 인쇄회로기판에 의해 지지되는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미징 유닛은 상기 인쇄회로기판에 부착되는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 펜의 외부 케이싱의 적어도 일부를 부착하기 위한 적어도 하나의 커넥터를 더 포함하는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 몸체의 외부 부분과 통합되는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 몸체의 외부 부분에 부착되는,
    전자 펜용 모듈형 유닛.
  13. 대상물로부터 방사선 센서로 방사선을 전달하기 위한 이미징 유닛으로서,
    상기 이미징 유닛은 상기 방사선 센서에 도달하는 방사선의 공간적 원점을 제어하도록 설계되고, 상기 이미징 유닛은,
    내부 채널, 방사선 입구 단부, 및 방사선 출구 단부를 갖는 하우징 ― 방사선은 상기 하우징의 상기 방사선 입구 단부로부터 상기 하우징의 상기 방사선 출구 단부로 상기 내부 채널 내에서 전달됨 ―;
    상기 하우징의 상기 방사선 입구 단부에서 상기 내부 채널 내에 장착된 렌즈 ― 상기 렌즈는 상기 방사선 출구 단부에서 이미지 평면을 규정함 ―;
    상기 하우징과 연관되고, 상기 내부 채널을 통하여 전달되는 방사선이 상기 하우징의 상기 방사선 출구 단부를 향하여 재지향(redirect)되도록 상기 내부 채널 내에서 방사선을 재지향시키도록 구성된 미러(mirror);
    방사선 소스를 수용하기 위한 홀더 ― 상기 홀더는 상기 하우징의 외부 부분과 연관됨 ―; 및
    방사선 센서가 장착되는 인쇄회로기판 상의 대응하는 홀 내에 삽입되도록 구성된 적어도 하나의 핀 ― 상기 적어도 하나의 핀은 상기 방사선 센서 상에 이미지 평면을 위치시키기 위해 상기 이미징 유닛이 상기 인쇄회로기판과 정렬되도록 함 ―
    을 포함하는 이미징 유닛.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 하우징의 외부 부분과 통합되는,
    이미징 유닛.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 하우징으로부터 연장하는 적어도 2개의 암(arm)들을 포함하고, 상기 암들은 이들 사이에 상기 방사선 소스를 수용하도록 구성되는,
    이미징 유닛.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 내부 채널 내에 포함되는 배리어(barrier)를 더 포함하고, 상기 배리어는 상기 방사선 입구 단부로부터 상기 이미지 평면을 차단(screen)하도록 구성되는,
    이미징 유닛.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 배리어와 상기 방사선 입구 단부 사이에 포함되는 적어도 하나의 방사선 트랩(radiation trap)을 더 포함하는,
    이미징 유닛.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 내부 채널 내에 포함되는 구경 조리개(aperture stop)를 더 포함하는,
    이미징 유닛.
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