KR101247444B1 - 광학 요소, 광학 네비게이션 장치 및 광 빔을 광학적으로확장하고, 시준하고, 휘게 하는 방법 - Google Patents

광학 요소, 광학 네비게이션 장치 및 광 빔을 광학적으로확장하고, 시준하고, 휘게 하는 방법 Download PDF

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Abstract

광학 요소는 제 1 빔 각도 및 축을 갖는 입력 광 빔을 수신한다. 광학 요소는 입력 광 빔을 수신하여, 제 1 빔 각도 이상인 제 2 빔 각도를 갖는 확장된 광 빔을 생성한다. 광학 요소는 확장된 광 빔을 수신하여, 실질적으로 시준되거나 또는 거의 시준되는 출력 광 빔을 생성한다. 출력 광 빔은 입력 광 빔의 축에 대하여 사전결정된 도(degree)만큼 경사진다.

Description

광학 요소, 광학 네비게이션 장치 및 광 빔을 광학적으로 확장하고, 시준하고, 휘게 하는 방법{COLLIMATING LENS STRUCTURES}
도 1은 제 1의 종래 시준기를 도시한 도면,
도 2는 제 2의 종래 시준기를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 요소를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른, 제 1 표면으로서의 예시적인 구형 표면과, 구형 표면에 의해 생성된 경사진 확장 빔 각도를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른, 제 2 표면으로서의 예시적인 타원형 표면과, 타원형 표면에 의해 생성된 경사지고 실질적으로 시준된 빔을 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 예시적인 제 1 표면과, 광원에 대한 제 1 표면의 간격을 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 예시적인 제 2 표면과, 가상 광원에 대한 제 2 표면의 간격을 도시하는 도면,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른, 제 1 표면 및 제 2 표면을 포함하는 예시적인 광학 요소와, 제 1 표면에 의해 휘어진 양, 제 2 표면에 의한 광의 휘어진 양, 광학 요소에 의해 휘어진 전체 양을 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 광학 요소에 의해 수행된 광학 처리 단계들을 도시하는 흐름도,
도 10 본 발명의 다른 실시예에 따른, 광학 요소를 이용하는 광학 네비게이션 장치의 블록도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
302 : 광원 310 : 제 1 표면
320 : 제 2 표면 300 : 렌즈
전반적으로, 본 발명은 시준 렌즈 구조에 관한 것으로서, 특히, 빔 확장 및 시준을 수행하는 경사진 출력 빔을 갖는 시준 렌즈 구조에 관한 것이다.
유리 또는 플라스틱으로 형성되는 시준기 렌즈에 대해서는 잘 알려져 있다. 도 1은 제 1의 종래 시준기 렌즈(10)를 도시한다. 제 1의 종래 시준기 렌즈(10)는 쌍곡면 표면(12) 및 평탄 표면(14)을 포함한다. 레이저와 같은 광원(16)은, 일반적으로 소정의 빔 각도 또는 폭으로 발산하는 광 빔(18)을 생성한다. 광 빔들(20)은, 종래의 렌즈(10)를 통과한 후에, 일반적으로 평행하다. 쌍곡면 표면(12)은 시준 기능을 수행함을 알아야 한다.
도 2는 제 2의 종래 시준기 렌즈(30)를 도시한다. 제 2의 종래 시준기 렌즈(30)는 평탄 표면(32) 및 볼록 표면(34)을 포함한다. 레이저와 같은 광원(36)은, 일반적으로 제 1 빔 각도로 발산하는 광 빔(38)을 생성한다. 광 빔들(32)은, 종래의 렌즈(30)를 통과한 후에, 일반적으로 평행하다. 볼록 표면(34)은 시준 기능을 수행함을 알아야 한다.
불행하게도, 이들 2개의 종래의 방안은 몇 가지의 단점 또는 불이익을 겪게 된다. 첫 번째, 광 마우스 제품과 같은 콤팩트 공간 제한 응용(compact space-limited application)에서, 종래의 시준기는 광원으로부터, 광 빔이 반사되는 표면으로의 축을 따라 너무 많은 공간을 소비한다. 두 번째, 경사진 빔이 요구되는 시스템 및 응용이 존재한다. 그러나, 레이저의 경사화(tilting)는 제조시에 어렵고 달성 비용이 많이 소모되는 엄격한 허용오차 조건을 부과한다.
전술한 내용에 근거하여, 전술한 불이익을 극복하는 광학 요소에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 광학 요소와, 광 빔을 광학적으로 확장하고, 시준하고, 휘게 하거나 또는 경사지게 하는 방법이 기술된다. 광학 요소는 제 1 빔 각도 및 축을 갖는 입력 광 빔을 수신한다. 광학 요소는 입력 광 빔을 수신하여, 제 1 빔 각도 이상인 제 2 빔 각도를 갖는 확장된 광 빔을 생성한다. 광학 요소는 확장된 광 빔을 수신하여, 실질적으로 시준되거나 또는 거의 시준되는 출력 광 빔을 생성한다. 출력 광 빔은 입력 광 빔의 축에 대하여 사전결정된 도(degree)만큼 경사진다.
본 발명은 첨부 도면의 도형에 있어서 예를 통해서 도시되지만, 제한 사항으로서 도시되지는 않으며, 도면에 있어서 유사한 참조 번호는 유사한 요소들을 나타낸다.
경사진 출력 빔을 갖는 시준 렌즈 구조가 기술된다. 이하의 설명에서, 설명을 위한 목적으로, 본 발명의 전체적인 이해를 제공하도록 다양한 특정적인 세부 사항이 제공된다. 그러나, 당업자라면, 본 발명이 이들 특정적인 세부 사항없이도 실시될 수 있음을 명백히 알 것이다. 다른 경우, 불필요하게 본 발명을 모호하게 하는 것을 회피하기 위해, 잘 알려진 구조 및 장치가 블록도 형태로 제공된다.
시준기 렌즈 구조
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광학 요소(300)를 도시한다. 제 1 빔 각도(305)를 갖는 광 빔(304)(본 명세서에서는, "입력 광 빔(304)"이라고도 지칭됨)을 생성하는 광원(302)이 제공된다. 광원(302)은, 예를 들면, 레이저 또는 LED(light emitting diode)일 수 있다. 광원(302)은 본 발명에 따른 렌즈 구조(300)에 대하여, 사전결정된 축을 따라 사전결정된 빔 각도(305)로 광 빔(304)을 조사한다. 본 명세서에서, 사전결정된 축은 "입력 광원 축" 또는 "광원의 중심축"이라고도 지칭된다. 일례에서, 광원(302)은 약 +/- 6.5°의 좁은 빔 각도(305)를 갖는 광 빔(304)을 생성한다. 광원(302)은 공기와 같은 제 1 매체(306)에 위치된다.
광학 요소(본 명세서에서, "렌즈 구조"라고도 지칭됨)(300)은 제 1 표면(310) 및 제 2 표면(320)을 포함한다. 제 1 표면(310)은 구형 표면일 수 있고, 제 2 표면(320)은 타원형 표면일 수 있다. 일실시예에서, 제 1 표면(310)은 광원(302)의 중심축으로부터 오프셋되어 위치된다. 즉, 제 1 표면(310)은 광원(302)의 중심축의 위치 "오프"이다. 이와 관련하여, 본 명세서에서, 표면(310)은 "축외(off-axis) 제 1 표면(310)"이라고도 지칭된다. 본 예에서, 그 제 1 표면(310)이 일부분인 구의 중심을 통해 통과하는 축은 광원(302)의 중심축에 대해 전반적으로 평행하지만, 광원(302)의 중심축과 동일하지는 않다.
제 1 표면(310)은 제 1 빔 각도(305)를 갖는 제 1 빔(304)을 수신하여, 제 2 빔 각도(315)를 갖는 광 빔(314)을 생성한다. 또한, 제 1 표면(310)은 광 빔(304)을 사전결정된 양(예를 들면, X°)만큼 선택적으로 휘게 한다. 예를 들어, 일실시예에서, 제 1 표면(310)은 이하의 선택적인 기능들, 즉, 1) 광원(302)으로부터의 빔(304)의 원래의 빔 각도(예를 들면, 제 1 빔 각도(305)) 이상의 사전결정된 빔 각도(예를 들면, 제 2 빔 각도(315))로 광 빔(304)을 광학적으로 확장하는 기능, 2) 광 빔(304)을 사전결정된 각도(예를 들면, X°의 경사)로 광학적으로 휘게 하거나 경사지게 하는 기능 중 하나 이상을 수행한다. 일실시예에서, 제 1 표면 (310)에 의해 생성된 경사 또는 휨은 약 15°이다. 제 1 표면(130)에 의해 수행된 광 빔(304)의 광학적인 확장 및 광 빔(304)의 휘어짐에 대해서는 이하에 보다 상세히 기술된다.
제 2 표면(320)은 확장되고 1회 경사진 광 빔(314)을 수신하여, 제 3 빔 각도(329)를 갖는 출력 광 빔(328)을 생성한다. 또한 선택적으로, 제 2 표면(320)은 전체 Y°에 대해 사전결정된 양만큼 광 빔(314)을 휘게 한다. 예를 들어, 일실시예에서, 제 2 표면(320)은 확장되고 1회 경사진 광 빔(314)을 수신하여, 전체 Y°의 경사(예를 들면, 전체 30°의 경사)로 실질적으로 시준되거나 또는 거의 시준되는(예를 들면, 약간 수렴하는 광선 또는 약간 발산하는 광선인) 출력 광 빔(328)을 생성한다. 제 2 표면(320)은 이하의 광학적 기능, 즉, 1) 확장되고 1회 경사진 광 빔(314)을 광학적으로 시준하는 기능과, 2) 확장되고 1회 경사진 광 빔(314)을 광학적으로 더 휘게 하는 기능 중 하나 이상을 수행한다.
일례에서, 제 2 표면(140)은 광 빔(314)을 더 휘게 하여, 사전결정된 각도(Y)에 의해 지정된 전체 경사를 갖는 출력 빔을 생성한다. 제 2 표면(320)에 의해 수행된 빔의 광학적 시준 및 광 빔의 휘어짐에 대해서는 이하에 보다 상세히 기술된다.
일실시예에서, 광학 요소는 거의 시준된 출력 광 빔(예를 들면, 약간 발산하거나 약간 수렴할 수 있는 광선을 갖는 빔)을 생성한다. 다른 실시예에서, 광학 요소는 시준되거나 실질적으로 시준되는 광선을 갖는 출력 광 빔을 생성한다. 실질적으로 시준된다는 것은 광학 요소에 의해 수신된 입력 광 빔의 제 1 빔 각도보 다 상당히 작거나 또는 매우 작은 빔 각도를 갖는 출력 빔을 의미한다(예를 들면, 거의 0의 발산도를 갖는 출력 광 빔).
광학 요소(300)는 유리 또는 플라스틱과 같은 재료 또는 광학 요소 제조 분야의 당업자에게 알려져 있는 다른 재료로 제조될 수 있다.
일실시예에서, 광학 요소(300)는 이상적인 회절 제한 굴절(ideal diffraction limited refraction)을 생성하는 제 1 몰딩가능 표면 및 이상적인 회절 제한 굴절을 생성하는 제 2 몰딩가능 표면을 포함하는 단일 렌즈 요소로 구현된다. 본 실시예에서, 단일 렌즈 요소(300)는 입력 광원 축(예를 들면, 레이저 축)으로부터의 사전결정된 빔 경사를 가능하게 하는 내장된 최소 편차 프리즘을 갖는 빔 확장기 시준기로 구현된다. 일례에서, 광학 요소는 입력 광 빔을 Y°(예를 들면, 30°)만큼 경사지게 한다. 본 발명에 따른 광학 아키텍처는 종래의 방안보다 짧은 공간에 경사진 빔을 생성하고, 낮은 파면 수차(wavefront aberration)를 더 제공한다.
예시적인 제 1 표면(420)
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른, 제 1 표면으로서의 예시적인 구형 표면(420)을 도시한다. 광원(410)은 구형 표면(420)에 조사되는 광 빔을 생성한다. 표면(420)은 광원(410)으로부터 광 빔을 수신하여, 도 3에 도시된 바와 같은 출력 광선(예를 들면, 경사지고 확장된 광 빔)을 생성한다. 출력 광선이 역으로 될 때, 역 출력 광선(450)이 가상 광원(414)을 통과한다. 가상 광원(414)은 제 1 매체(430)(예를 들면, 공기)에 위치됨을 알아야 한다. 제 1 표면(420)에 의해 생성된 출력 광선은 제 2 매체(440)(예를 들면, 유리 또는 플라스틱)에서 이동한다.
예시적인 제 2 표면(520)
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른, 제 2 표면으로서의 예시적인 타원형 표면(520)과, 타원형 표면(520)에 의해 생성된 경사지고 실질적으로 시준된 빔을 도시한다. 가상 광원(510)은 제 2 표면(520)에 조사되는 확장된 광 빔(550)을 생성한다. 확장된 광 빔(550)은 제 2 매체(530)(예를 들면, 유리 또는 플라스틱)에서 이동한다. 제 2 표면(520)은 가상 광원(510)으로부터 확장된 광 빔(550)을 수신하여, 출력 광선(예를 들면, 경사지고 실질적으로 시준된 광 빔(560))을 생성한다. 제 2 표면(520)은 타원형 표면으로서 구현될 수 있다. 출력 광선은 다른 매체(예를 들면, 공기)에서 이동하며, 경사진 표면(570)에 부딪친다.
타원면에 대한 카파값(Kappa value)
타원면은 다음과 같은 표현으로 설명될 수 있다.
Figure 112006005870954-pat00001
, 여기서 K는 카파(K 또는 κ로 표현됨)이고, 원뿔(conic)의 유형을 결정하는 파라미터이며, c = 1/R은 극(pole)에서의 곡률이다. 예를 들어, K=0일 때, 원뿔은 구형이고, K=-1일 때, 원뿔은 포물면이다. 원뿔은 -1 <= K <= 0일 때, 타원면이다. 일실시예에서, ("K"에 의해 지정되는) 카파에 대한 범위는, -1.4/n2 <= K <= 0.7/n2이다. 예를 들어, 다른 실시예에서, ("K"에 의해 지정되는) 카파에 대한 범위는, -1.2/n2 <= K <= 0.85/n2이다. 하나의 특정적 인 구현에서, K는 약 -1/n2과 동일하도록 선택된다.
광원으로부터의 제 1 표면 간격
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 예시적인 제 1 표면(620) 및 광원(604)에 대한 제 1 표면(620)의 간격을 도시한다. 도 6을 참조하면, 반경(Rs)의 구 및 렌즈 재료 인덱스(n)에 대해, 다른 매체(예를 들면, 공기)에서의 광원(P)(예를 들면, 레이저)는 구(O)의 곡률 중심으로부터 사전결정된 거리(L)에 있다. 사전결정된 거리(g*Rs)(여기서, g는 소정의 실수임)는 변할 수 있으며, 값들의 범위로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 일실시예에서, 광원(P)과 구(O)의 곡률 중심 사이의 거리("L"에 의해 지정됨)에 대한 범위는, Rs <= L <= 2.5Rs 이다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 광원(P)과 구의 곡률 중심(O) 사이의 거리("L"에 의해 지정됨)에 대한 범위는, 1.25Rs <= L <= 2.0Rs 이다.
제 1 표면 경사
광빔(예를 들면, 레이저 빔)은 축외 각도("a"로 표기됨)로 될 수 있다. 축외 각도는 광선과 구의 반경 사이의 각도이다. 예를 들어, 일실시예에서, 구의 중심축과 광 빔의 축 사이의 각도("a"에 의해 지정됨)에 대한 범위는, 5°<= a <= 45°이다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 구의 중심축과 광 빔의 축 사이의 각도("a"에 의해 지정됨) 사이의 각도에 대한 범위는, 10°<= a <= 35°이다. 하나의 특정한 구현에서, "a"는 약 20°와 동일하게 선택된다.
가상 광원으로부터의 제 2 표면 간격
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 예시적인 제 2 표면(720) 및 가상 광원(704)에 대한 제 2 표면(720)의 간격을 도시한다. 도 7을 참조하면, 극 반경(Rp)의 타원면에 대해, 가상 광원(Q)은 축상에서, 극에서의 곡률(S)의 중심으로부터 ("M"으로 표기된) 거리에 놓인다. 사전결정된 거리(h*Rp)(여기서, h는 소정의 실수임)는 변할 수 있으며, 값들의 범위로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 일실시예에서, 가상 광원(Q)과 타원면의 곡률 중심(S) 사이의 거리("M"에 의해 지정됨)에 대한 범위는, 0.7Rp/(n-1) <= M <= 1.4Rp/(n-1)이다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 가상 광원(Q)과 타원면의 곡률 중심(S) 사이의 거리("M"에 의해 지정됨)에 대한 범위는, 0.85Rp/(n-1) <= M <= 1.2Rp/(n-1)이다. 하나의 특정한 구현에서, M은 약 Rp/(n-1)과 동일하도록 선택된다.
제 2 표면 경사
광 빔(예를 들면, 레이저 빔)은 축외 각도("b"로 표기됨)로 될 수 있다. 축외 각도는 광선과 타원면의 장축 사이의 각도이다. 예를 들어, 일실시예에서, 타원면의 중심축과 광 빔의 축 사이의 각도("b"에 의해 지정됨)에 대한 범위는, 2°<= b <= 30°이다.
2개의 표면에서의 편차 분할
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른, 제 1 표면 및 제 2 표면을 포함하는 예시적인 광학 요소와, 제 1 표면에 의해 휘어진 양, 제 2 표면에 의한 광의 휘어진 양, 광학 요소에 의해 휘어진 전체 양을 도시한다.
도 8을 참조하면, 광학 요소에 의해 수행된 광학적 휨 또는 경사의 전체 양이 d°로 표현된다. 제 1 표면에 의해 수행된 광학 경사의 양은 도(degree)로 표현될 수 있으며, 문자 "c"로 표기된다. (문자 "d"로 표기된) 광학 경사의 전체 양에 대한 제 1 표면 또는 제 2 표면에서의 전체 경사화 또는 휨의 프랙션(fraction)(f)이 결정될 수 있다. 이러한 프랙션(f)은 본 발명의 특정 실시예에 대해 광학 요소의 두 표면들 사이의 광학적 휨 또는 경사화의 할당을 기술하는데 이용될 수 있다. 프랙션은 광학 요소에 의해 초래된 전체 경사에 의해 나누어진 제 1 표면에 의해 초래된 휨 또는 경사의 양, 또는 광학 요소에 의해 초래된 전체 경사에 의해 나누어진 제 2 표면에 의해 초래된 휨 또는 경사의 양을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제 1 표면에 의한 휨의 프랙션은 f=c/d로서 표현될 수 있다. 유사하게, 제 2 표면에 의한 휨의 프랙션은 f=e/d로서 표현될 수 있으며, 여기서, "e"는 제 2 표면에 의해 수신된 빔의 광선의 투영 경로로부터 측정된 것으로서의, 제 2 표면에 의해 초래된 경사의 양이다.
예를 들어, 일실시예에서, ("f"에 의해 지정된) 어느 표면에서의 중심 광선의 전체 편차의 프랙션에 대한 범위는, 1/3 <= f <= 2/3이다. 예를 들어, 다른 실시예에서, ("f"에 의해 지정된) 어느 표면에서의 중심 광선의 전체 편차의 프랙션에 대한 범위는, 0.4 <= f <= 0.6이다. 각각의 표면에 대해 동일한 양의 광학적 경사화 또는 휨에 관해 수행(즉, 제 1 표면의 프랙션은 제 2 표면의 프랙션과 대략 동일함)하는 것이 바람직한 것으로 결정되는 하나의 특정한 구현에서, 프랙션(f)은 약 0.5 또는 1/2과 동일하게 선택된다.
광학 처리
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 광학 요소에 의해 수행된 광학 처리 단계를 도시하는 흐름도이다. 광 빔을 광학적으로 확장하고, 시준하고, 휘게 하는 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다. 단계(910)에서, 예를 들면, 광원으로부터 광 빔이 수신된다. 단계(920)에서, 수신된 광 빔 각도는 확장되고 선택적으로 휘어져서, 확장되고 1회 휘어진 광 빔을 생성한다. 단계(920)에 개시된 광학 기능은 제 1 표면(예를 들면, 구형 표면)에 의해 수행될 수 있다. 일실시예에서, 구형 표면은 바이어슈트라스(Weierstrass) 또는 어플라나틱(aplanatic) 구면이다. 몇몇 실시예에서, 빔 각도는 확장되지만, 단계(920)에서는 광 빔의 휨은 발생되지 않음을 알아야 한다(예를 들면, 광 빔은 경사지지 않음). 이들 실시예에서, 광 빔 휨 또는 경사화가 단계(930)에서 발생된다.
단계(930)에서, 확장되고 1회 휘어진 광 빔이 시준되고 선택적으로 휘어져서, 확장되고, 실질적으로 시준되거나 또는 거의 시준된, 2회 휘어진 광 빔을 생성한다. 단계(930)에 개시된 광학 기능은 제 2 표면(예를 들면, 타원형 표면)에 의해 수행될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광 빔이 시준되지만, 단계(930)에서 광 빔의 휨은 발생되지 않음을 알아야 한다(예를 들면, 단계(920)에서, 광 빔이 경사지거나 또는 휘어짐). 다른 실시예에서, 광 빔은 단계(920)에서 제 1 사전결정된 양(예를 들면, 광학 요소에 의해 초래된 전체 경사의 50%)만큼 경사지고, 제 2 사전결정된 양(예를 들면, 단계(930)에서 광학 요소에 의해 초래된 전체 경사의 50%)만큼 경사진다.
광학 네비게이션 장치(1000)
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 광학 요소(1010)를 이용하는 광학 네비게이션 장치(1000)의 블록도이다. 광학 네비게이션 장치(1000)는 광원(1004) 및 광 감지기(1008)를 포함한다. 광원(1004)은, 예를 들면, 레이저 광원일 수 있고, 광 감지기(1008)는 이미저 집적 회로일 수 있다. 광학 네비게이션 장치(1000)는, 때때로 광 마우스라고 지칭되는 커서 제어 장치(예를 들면, 마우스)이며, 기계적인 볼을 이용하는 기계 마우스보다 일반적으로 보다 정확하고, 유지 보수가 덜 요구된다.
광학 네비게이션 장치(1000)는 사용자에 의해 표면(1050)(예를 들면, 테이블 상부 표면, 작업 표면, 또는 마우스 패드) 위에 올려져서, 표면(1050)을 따라 이동된다. 광학 네비게이션 장치(1000)는 다음과 같은 방법, 즉 1) 광이 생성되어 표면(1050)으로 조사되고, 2) 표면(1050)으로부터 광이 반사되어, 장치(1000)에 의해 캡쳐되고, 3) 캡쳐된 이미지에 근거하여, 장치(1000)가 커서 이동을 결정하는 방법으로 동작한다.
광학 네비게이션 장치(1000)는 수신된 이미지에 대해 이미지 처리를 수행하는 이미징 전자 장치(1060)를 포함한다. 또한, 광학 네비게이션 장치(1000)는 본 발명에 따른 시준 렌즈(1010)를 포함한다. 시준 렌즈(1010)는 제 1 표면(1020) 및 제 2 표면(1024)을 포함하며, 경사지고 확장된 시준 광 빔(1034)을 생성하여, 표면을 향해 조사한다.
광학 요소(1010)는 광을 광학적으로 휘게 하여, 광원(1004)이, 광학 네비게 이션 장치(1000)가 놓여지거나 위치되는 표면(1050)과 전반적으로 평행한 평면에 "편평하게" 탑재될 수 있도록 한다. 표면(1050)은, 예를 들면, 마우스 패드 표면 또는 테이블 상부 표면일 수 있다. 그 후, 시준 렌즈(1010)로부터의 빔이 표면(1050)으로부터 반사된다. 그 다음, 반사된 빔(1035)은 감지기 광학(sensor optics)(1070)을 통과한 후, 광 감지기(1008)에 의해 검출된다.
본 발명에 따른 광학 렌즈는 광 빔을 확장하고 광 빔을 휘게 하는 제 1 표면 및 광 빔을 시준하고 광 빔을 더 휘게 하는 제 2 표면을 이용하는 특수한 기하 구조로 인해, 소정의 광학적 이점을 달성한다. 전술한 하나 이상의 광학적 기능들은 전적으로 제 1 표면에 의해서, 전적으로 제 2 표면에 의해서, 또는 제 1 표면과 제 2 표면 사이에서 나누어져 수행될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 제 1 표면 또는 제 2 표면은 광 빔의 모든 휨 또는 경사화를 수행할 수 있다.
비록, 본 발명의 시준 렌즈 구조는 도면에 도시된 다양한 실시예에 의해 기술되었지만, 다음과 같은 하나 이상의 기능, 즉 광학 빔 각도 확장, 광학 시준, 및 광학적 휨 또는 경사화를 수행하는 다른 렌즈 구조를 실현하기 위해, 본 발명의 개시 내용에 따라 다른 구성이 고안될 수 있다.
전술한 설명에서, 본 발명은 특정한 실시예를 참조하여 기술되었다. 그러나, 본 발명의 보다 넓은 영역을 벗어나지 않고서도, 다양한 수정 및 변경이 가능함을 알 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아닌, 예시적인 것으로서 간주될 것이다.
본 발명에 따르면, 빔 확장 및 시준을 수행하는 경사진 출력 빔을 갖는 시준 렌즈 구조를 제공할 수 있다.

Claims (25)

  1. 광학 요소(optic element)에 있어서,
    구(sphere)형을 포함하며, 구의 곡률 중심으로부터 사전 결정된 거리(L)에 위치한 광원으로부터 제 1 축외각(off-axis angle)(a)으로 입력 광 빔을 수신하고, 이로부터 확장된 광빔을 생성하도록 구성된 제 1 표면－상기 사전 결정된 거리(L)는 상기 구의 반경(Rs)과, 일정 범위의 값들로부터 선택되는 실수(g)의 곱임－과,
    상기 확장된 광 빔의 중심 축에 대한 제 2 축외각(b)으로 상기 확장된 광 빔을 수신하고, 이로부터 출력 광 빔을 생성하도록 구성된 제 2 표면을 포함하는
    광학 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 표면과 상기 제 2 표면 중 적어도 하나는 상기 입력 광 빔의 중심 축에 대한 상기 출력 광 빔의 경사화(tilting)를 제공하는
    광학 요소.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 표면은 실질적으로 시준된 출력 광 빔을 생성하도록 구성되는
    광학 요소.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 표면은 상기 경사화의 50%를 수행하고, 상기 제 2 표면은 상기 경사화의 50%를 수행하는
    광학 요소.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 표면의 구형은 상기 광원으로부터 이격된 위치에 제 1 가상 광원을 위치시키도록 선택되는
    광학 요소.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 표면은 타원형 표면인
    광학 요소.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 표면은 타원형의 극(pole)에서의 곡률 중심으로부터 일정 거리(M)에 제 2 가상 광원을 위치시키도록 선택되는 극 반경(Rp)을 갖는 타원형이며, 상기 M은 상기 극 반경(Rp)과, 일정 범위의 값들로부터 선택되는 실수(h)의 곱인
    광학 요소.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 광 빔은 수렴하는 광선과 발산하는 광선 중 하나를 포함하는
    광학 요소.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 광 빔은 시준된 광선을 포함하는
    광학 요소.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 요소는 유리와 플라스틱 중 하나로 제조되는
    광학 요소.
  11. 광학 네비게이션 장치에 있어서,
    중심 축을 가지며, 광 빔을 생성하도록 구성된 광원과,
    구형 부분을 포함하는 제 1 표면을 포함하는 광학 요소－상기 구형 부분은 상기 광원의 중심 축에 평행한 축을 가지며, 상기 제 1 표면상의 오프셋 위치에서 입력 광 빔을 수신하고 이로부터 확장된 광 빔을 생성함－를 포함하는
    광학 네비게이션 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광학 요소는
    상기 확장된 광 빔의 중심 축에 대한 축외각(b)으로 상기 확장된 광 빔을 수신하고, 이로부터 출력 광 빔을 생성하도록 구성된 제 2 표면을 더 포함하는
    광학 네비게이션 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 표면은 상기 광 빔을 상기 광원의 중심 축에 대해 제 1 각도(M) 만큼 휘게 하고, 상기 제 2 표면은 상기 확장되고 한 번 휘어진 광 빔의 축에 대해 제 2 각도(N) 만큼 상기 광 빔을 휘게 하는
    광학 네비게이션 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 광 빔을 광학적으로 확장하고, 시준하고, 휘게 하는 방법에 있어서,
    광학 요소의 제 1 표면의 구형 부분에서, 광 빔을 제 1 축외각으로 수신하는 단계－상기 제 1 축외각은 상기 구형 부분의 중심 축과 수신된 광 빔의 중심 축 사이의 각도임－와,
    상기 광학 요소의 상기 제 1 표면을 사용하여 상기 광 빔을 제 2 광 빔 각도로 확장하고 상기 광 빔을 휘게 하여, 확장되고 한 번 휘어진 광 빔을 생성하는 단계와,
    상기 광학 요소의 제 2 표면을 사용하여 상기 확장되고 한 번 휘어진 광 빔을 시준 및 휘게 하여, 실질적으로 시준되고, 두 번 휘어진 광 빔을 생성하는 단계를 포함하는
    광 빔을 광학적으로 확장하고, 시준하고, 휘게 하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 표면은 상기 광 빔을 수신된 상기 광 빔의 중심 축에 대해 제 1 각도(M) 만큼 휘게 하고, 상기 제 2 표면은 상기 확장되고 한 번 휘어진 광 빔의 축에 대해 제 2 각도(N) 만큼 상기 광 빔을 휘게 하는
    광 빔을 광학적으로 확장하고, 시준하고, 휘게 하는 방법.
  21. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 표면과 상기 제 2 표면 중 적어도 하나는 상기 확장된 광 빔의 중심 축에 대한 출력 광 빔의 경사화를 제공하도록 구성되며, 상기 광학 요소는 상기 제 1 표면과 상기 제 2 표면의 각각에서의 광학적 경사화의 사전 할당된 양을 제공하도록 구성되는
    광학 요소.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 축외각(a)은 5도와 45도 사이의 범위에 있는
    광학 요소.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 광 빔은 10도와 35도 사이의 범위에 있는 제 1 축외각으로 상기 제 1 표면에 지향되는
    광학 요소.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 실수(g)는 1에서 2.5까지의 범위인
    광학 요소.
  25. 제 1 항에 있어서,
    제 2 축외각(b)은 2도에서 30도까지의 범위인
    광학 요소.
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