KR200319462Y1 - 포인팅 장치 - Google Patents

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KR200319462Y1
KR200319462Y1 KR20-2003-0004806U KR20030004806U KR200319462Y1 KR 200319462 Y1 KR200319462 Y1 KR 200319462Y1 KR 20030004806 U KR20030004806 U KR 20030004806U KR 200319462 Y1 KR200319462 Y1 KR 200319462Y1
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김인광
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김인광
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0354—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of 2D relative movements between the device, or an operating part thereof, and a plane or surface, e.g. 2D mice, trackballs, pens or pucks

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Abstract

본 고안은 디지타이저 등의 타블렛이 필요 없고 기구적으로 간단한 포인팅 장치 및 이를 포함하는 스캐너를 제공하기 위한 것으로서, 빛을 조사하는 광원, 장치 전체의 움직임에 의하여 회전하는 볼, 입력된 이미지로 장치의 움직임을 검출하는 광학 이미지 센서로 이루어지고, 움직이는 볼에 상기 광원으로 빛을 조사하여 볼표면의 이미지를 광학 이미지 센서에서 받아들여, 이전 이미지와 현재 이미지의 차이를 비교 분석하여 볼 회전의 이동방향과 거리 데이터를 감지하여 출력하는 것을 특징으로 한다. 또한 볼표면에 반사된 이미지를 렌즈를 이용하여 광학 이미지 센서에 일정한 배율로 입력되도록 하는 것, 베어링볼을 볼과 접촉되게 배치하여 볼의 회전을 원활하게 하는 것 및 장치 형태는 펜 타입인 것이면 더욱 바람직하다.

Description

포인팅 장치{POINTING DEVICE}
본 고안은 포인팅 장치에 관한 것으로서, 특히 펜 형태로 된 마우스 장치에 관한 것이다.
종래에 통상의 마우스는 마우스 패드 등의 평평한 면에 마우스를 이동시켜 마우스의 볼을 굴림으로써 커서를 이동시키거나 클릭을 실현하고 있다.
또한 상기 통상의 마우스 대신에 펜형 마우스를 사용하여 작업을 하는 경우도 있다. 이는 마우스를 펜 모양으로 형성하여 인간의 필기동작과 유사하게 하여 마우스의 동작을 좀 더 편하게 하고자 하는 것이다.
일반적으로 펜형 마우스는 디지타이저 등의 타블렛 위에서 펜형 마우스를 근접시키거나 접촉시키는 것을 타블렛이 인식하는 방법이다.
또한 커서의 이동이 펜형 마우스를 타블렛 위에서 타블렛에 접촉하면서 이동시켜서 이루어지는 것이 아니라, 타블렛 위를 일정한 간격(통상은 1.5cm 이내)을 두고 즉 비접촉으로 이동시킴으로써 이루어진다. 따라서 펜형 마우스를 이동시키는 것, 즉 타블렛으로부터 일정한 거리 이내로 떨어뜨리면서 펜형 마우스를 이동시키는 것이 불편하며, 펜형 마우스를 조금만 사용하여도 손목 등이 피곤하게 된다. 컴퓨터 및 마우스의 사용이 비약적으로 증가하고 있는 요즈음 이는 치명적인 약점이 되고 있다.
또한 종래의 볼 마우스로 펜 타입의 마우스를 구현하기 위하여 볼이 작아져야 하는데, 볼이 작아지면 마우스 움직임의 감도가 급격히 떨어져 기구상으로 기존 마우스의 감도를 갖게 하는 것이 어려웠다. 즉 볼을 이용한 대부분의 포인팅 장치는 일반적으로 피니언기어 등을 통하여 볼의 회전을 인지하는 방법을 사용한다. 그러나 볼이 작아질수록 피니언 기어를 회전시킬 수 있는 구동력이 작아진다. 따라서 포인팅 감도 및 정확도가 떨어지게 되어 펜 타입 마우스 등에 적합하지 않았다.
또한 종래의 광학 이미지 방식으로 만든 펜형 마우스는 동작시 기울기가 변화면 이미지 센서와 평면과의 거리도 변하여 초점이 맞지 않는 이유 등으로 마우스의 동작이 인식되지 않는 문제점이 있었다.
또한 종래의 펜 타입의 광학방식 장치로 포인팅 장치를 구현하는 방법으로 렌즈를 작게 하여 심도를 깊게(카메라에서의 렌즈의 조리개를 작게 하여 물체의 상이 맺게되는 거리의 폭을 길게 함)하며 장치 앞에 뾰족하게 돌출된 볼펜이나 팁포인트(Tip Point)로 이미지와 일정거리를 유지하도록 하여 포인팅 동작에 따른 장치의 기울기에 따른 물체의 이미지 왜곡현상을 어느 정도 극복시켜주는 방식도 있지만 일정한 패턴이 놓여 있는 평면(패턴이 인쇄된 종이나 마우스 패드 등)에서만 포인팅 기능이 가능하다.
따라서 본 고안은 상기와 같은 종래의 펜 타입 포인팅 장치의 단점을 해결하기 위한 것이다.
즉 디지타이저 등의 타블렛이 필요 없는 포인팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
또 기구적으로 간단한 마우스를 제공하기 위한 것이다.
또한, 마우스 볼(Moving ball)과 접촉된 면은 베어링으로만 접촉되어 있어 볼의 회전이 매우 원활하도록 되어 있어 움직임의 감도가 매우 뛰어난 마우스를 제공하기 위한 것이다.
또한 필기기구와 같이 자유자재로 움직이면서 사용할 수 있는 마우스를 제공하기 위한 것이다.
또한 마우스가 임의 방향으로 기울어진 상태에서도 마우스 동작을 정확히 구현할 수 있는 마우스를 제공하기 위한 것이다.
또한 기존 광학 마우스에서 작동되지 않는 유리면이나 동일 색깔의 매끄러운 재질 위에서도 마우스 동작이 구현되는 마우스를 제공하기 위한 것이다.
또한 광가이드는 광섬유를 사용하여 빛의 손실을 최소한으로 하면서 원하는 물체 표면에 빛을 가이드함으로써 광량의 효율이 매우 좋으며 필요 없는 물체 표면으로의 빛의 손실을 방지함으로써 조명에 따른 전력소모를 최소화하는 저전력용의 광학 이미지 방식의 마우스를 제공하기 위한 것이다.
또한 펜 타입의 포인팅 장치에서 장치를 움직여 포인팅을 감지하는 매개체인 볼의 크기가 작아도 마우스로 사용할 수 있는 충분한 포인팅 감도를 갖는 펜 타입의 마우스를 제공하기 위한 것이다.
또한 작은 크기의 볼을 채택함으로써 펜 타입의 스캔장치 등에서 엔코더 기능 및 필기 기능을 구비하는 포인팅 장치를 제공한다.
또한 본 고안은 간단한 구조이며 따라서 값싼 포인팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
도1은 본 고안에 의한 한 실시예의 마우스에 적용된 광학 이미지 센서에서 받아들인 이미지를 나타내는 도면,
도2는 본 고안에 의한 한 실시예의 마우스의 구성을 나타내는 모식도,
도3은 본 고안에 의한 한 실시예의 마우스 앞단의 볼과 볼의 회전을 원활하게 하기 위한 베어링볼 배치의 한 예를 나타내는 도면,
도4는 본 고안에 의한 한 실시예의 마우스 앞단의 볼과 볼의 회전을 원활하게 하기 위한 베어링볼 배치의 다른 실시예를 나타내는 도면,
도5는 버튼 스위치를 고려한 본 고안에 의한 한 실시예의 마우스의 구성을 나타내는 모식도,
도6은 본 고안에 의한 다른 실시예를 나타내는 것으로서, 광학 이미지 센서의 칩 외형이 SMD 타입인 경우의 마우스의 구성을 나타내는 모식도,
도7은 볼 표면의 이미지처리 가능 영역에 대한 참고도,
도8은 광섬유의 구조 및 빛의 경로 모식도,
도9는 기존 광학 마우스에서 광가이드를 통한 빛의 경로의 모식도,
도10은 기존 광학 마우스에서 광가이드를 광섬유로 대처하였을 때의 빛의 경로의 모식도,
도11은 기존 광학 마우스에서 광가이드는 광섬유로 대처하고 LED의 크기를 소형화 한 경우의 빛의 경로의 모식도,
도12는 각기 다른 볼 표면의 이미지 중첩 방식에 의한 광학 이미지 검출장치의 구성도,
도13은 정20면체의 축구공을 전개한 도면,
도14는 지오그라데식으로 정삼각형으로 표현된 구면 및 그 전개도를 나타낸 도면이다.
도15는 본 고안의 활용예로서, 볼펜형 광학 마우스 장치가 엔코더 기능으로 장착된 펜형 스캐너 장치의 외관도,
도16은 본 고안의 활용예로서, 볼펜형 광학 마우스 장치가 엔코더 기능으로 장착된 펜형 스캐너 장치의 시스템 구성도,
*도면의 주요부호에 대한 설명*
101, 101a, 101b : LED(Light Emitting Diode)(광원)
102, 102a, 102b : 광가이드
103 : 볼 104 : 렌즈
105 ,105a, 105b : 반사경
106 : 광학 이미지 센서
107, 107a : 베어링볼
108 : 베어링볼 지지부
109 : 베어링볼 리데나
110 : 내부기구 111 : 외부기구
112 : 스프링
113, 114는 : 버튼스위치
115: 휠스크롤 버튼 116: 기능버튼
117: 반투명 반사경
301: LED
302: 광가이드
303: 광학 이미지 센서
304: PCB기판
305: 마우스 하단
306: 평면
307: 이미지 검출영역
400: 이미지 스캔 입력부
401,411: LED
402, 412 : 광가이드
403: 평면, 413 : 볼
404, 414: 렌즈
405 : CCD 센서
406 : 신호 증폭 회로부,
407 : A/D 변환기
408 : 메모리, 409: MCU
410: 광학 이미지 센서
420: 스캔동작 검출부
430: 시스템 제어부
431 : 디스플레이 및 통신 제어모듈
상기 과제를 해결하기 위하여 본 고안은 펜 타입의 포인팅 장치를 구현하기 위한 일반적인 문제(포인팅의 감도, 기구물의 외형 크기)를 해결한 것으로서, 작은 볼을 채용하고 이의 움직임을 광학 이미지 센서를 사용하는 것이다.
광학 이미지 센서는 광마우스에서 많이 사용되고 있다. 현재 대부분의 광학 마우스에서는 광학 이미지 센서에서 400dpi(dot/inch) 해상도를 가질 수 있는 렌즈와 조합하여 사용하며 광학부에서 움직임을 검출하기 위한 계산에 필요한 이미지는 프레임당 16x16픽셀의 데이터를 사용하고 있다.
도1은 광학 이미지 센서에 입력된 이미지 데이타의 예로서 64레벨의 그레이 이미지(gray image)이다.(Agilent Optical mouse Sensor ADNS-2051, HDNS-2000 Data Sheet 참조). 광학 이미지 센서 내부는 이미지를 받아들이는 IAS(Image Acquisition system)과 입력된 이미지를 디지털 신호처리 하는 DSP(Digital Signal processor)와 마우스의 PS/2 모드를 선택하는 기능과 x, y축 성분에 해당되는 데이터로 변환하여 출력하는 출력 변환기(OUTPUT Converter)로 이루어져 있다. 광학 이미지 센서 내부의 DSP(Digital Signal Processor)는, 전후로 샘플링 되어 입력된 이전 이미지와 현재의 이미지를 상관(correlation) 계산에 의하여 비교, 분석하여 방향과 거리를 계산하고 이를 가로, 세로방향(x, y축 성분)으로의 변위 데이터로 출력한다. 도1의 2개의 이미지를 비교 분석하면 이미지가 좌측으로 3픽셀, 하측으로 1픽셀 이동했음을 알 수 있다. 이러한 이미지의 이동방향 및 거리의 계산은 시간이 많이 걸리지만 디지털 신호처리 프로세서(DSP)를 이용하면 짧은 시간 안에 검출해낼 수 있다.
따라서 광마우스에서 실제로 받아들이는 마우스 패드 등 평면의 영상의 크기는 400dpi에서 가로, 세로 16픽셀을 나타낼 수 있는 크기이면 족하다.
즉, 16 픽셀 ÷(400픽셀/25.4mm) = 1.016 mm이다.
이론적으로는 약 1.0mm이지만 보통의 마우스에서 약간의 흔들림을 고려할 때에 안정적인 데이터 입력을 위해서는 대략 영역의 크기가 1.5mm x 1.5mm 정도이면 된다. 또한 보다 작은 영역의 볼표면에 의거하여 볼의 움직임을 검출할 수 있도록 하기 위해서는, 이미지를 받아들이는 렌즈를 800dpi에 맞도록 설계하면 광마우스내부의 이미지 프로세싱에 필요한 16픽셀 ×16픽셀에 해당되는 면적은 1.0mm의 1/2인 0.5mm ×0.5mm가 된다. 이와 같이 렌즈의 해상도(배율)를 높이게 되면 광학 이미지 센서에서 처리하는 이미지 데이터에 해당되는 볼표면의 면적이 작게된다. 그에 따라서 작은 볼을 채택할 수 있게 되어 펜형 마우스에 적합한 장치로서 매우 적당하다. 광학 이미지 센서에서 읽어들이는 1mm ×1mm에 해당되는 볼표면(400dpi 해상도에 해당되는 렌즈 사용시)은 볼의 크기가 클수록 평면에 가깝게 된다. 볼표면의 패턴모양과 광학 이미지 센서의 감도에 따라 약간의 차이가 있지만, 지름 3mm인 볼에서도 마우스의 포인팅 처리가 가능하다.
본 고안에서는 광학 이미지 센서에 400dpi 해상도의 이미지가 입력되도록 설계된 렌즈로써 광학 이미지 센서와 렌즈와의 거리는 약 15mm이고, 렌즈와 볼표면의 거리는 15mm로 구성하였으며 렌즈의 초점심도는 약1mm 로서 볼표면의 거리가 14mm에서 16mm 사이이면 볼표면의 이미지가 광학 이미지 센서에서 상으로 맺을 수 있다.
광마우스의 조명은 일반적인 광학센서와 차이가 있는데 그것은 16도에서 25도 사이의 조명각도(보통은 20도 전후)를 갖게 하여 움직임을 검출하는 면의 거친 상태(조도(粗度))를 구분하게 함으로써 아무것도 쓰여있지 않은 백지 위에서도 움직임이 검출되고 있다. 본 고안에서는 약간의 조도(미세하지만 표면에 요철이 있는 상태)를 갖는 볼을 채택하여 움직이는 볼의 표면을 검출함으로써 마우스 기능을 갖는다.
또한 광섬유를 이용한 광가이드는 빛을 물체 표면 가까이까지 유도하므로 조사의 효율이 매우 좋고, 또한 광섬유를 자유자재로 구부릴 수 있으므로 장치의 공간을 최소로 할 수 있다. 실제로도, 종래의 광학 이미지 방식의 마우스에서 널리 사용되는 광가이드 대신에 광섬유를 사용하여 빛을 물체에 조사하였을 때에 마우스 감도가 더 뛰어남을 알 수 있다. 이것은 LED에서 나온 빛이 퍼지는 특성 때문에 원하는 물체 표면에까지 도달하면서 필요 없는 표면까지 빛이 비쳐지기 때문에 광량의 손실이 있다. 반면, 광섬유는 구부려도 빛의 전달이 잘 이루어져 원하는 물체 표면 가까이 근접시킬 수가 있어 광량의 대부분을 필요한 물체 표면에 집중시킬 수가 있다. 따라서 양질의 이미지를 광학 이미지 센서가 얻게 되어 마우스 포인팅 감도가 좋아진다.
또한 광학 이미지 센서에서 볼의 움직임이 잘 검출될 수 있도록 볼 표면에 특정 패턴의 무늬를 인쇄하는 것이 바람직하다. 볼 표면의 패턴 무늬는 16픽셀(400DPI 기준)의 1/2인 8픽셀 단위로 영상이 구분될 수 있도록 하여, 8픽셀 내의 이미지에서 영상이 구분될 수 있도록 점, 선 또는 패턴 무늬가 적어도 하나 이상 있도록 한다. 이러한 형태는 지오데식 구면 형태의 정삼각형으로 나타낼 수 있다(도14 참조). 따라서 각각의 정삼각형 위치마다 패턴을 갖게 하며 이웃한 패턴들과 구분되는 형태를 갖으면 가장 바람직한 상태가 된다.
이하, 본 고안에 의한 한 실시예를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저 도면에 사용되고 있는 부호에 대하여 설명한다. 도2∼도6은 본 고안에 의한 한 실시예의 구성을 나타내는 모식도로서, 마우스의 내부구조 및 일부의 외부구조를 나타낸다.
도면에서 101은 LED(Light Emitting Diode) 등으로 구성되어 빛을 발산하는 광원이다. 102는 광섬유 등으로 구성된 광가이드로서, 상기 LED101에서 발산되는 빛을 원하는 방향 즉 볼103으로 유도한다. 상기 LED101로부터의 광이 볼103에 정확히 조사될 수 있다면 본 광가이드102는 생략될 수 있다. 103은 볼(ball)로서 통상의 마우스에서 사용되는 볼과 유사한데, 그 구면(球面)에는 미세한 요철이 형성되어 있거나 특정한 패턴이 인쇄되는 것이 바람직하다. 104는 렌즈로서 볼103에서 반사된 빛을 집광(集光)하는 역할을 하는 것으로 이미지를 적절한 크기로 배율시키는 역할을 한다. 그러나 렌즈104는, 볼103과 광학 이미지 센서106의 거리가 가까워 반사된 이미지가 배율될 필요 없어 직접 광학 이미지 센서106으로 입력될 수 있는 것이라면 생략될 수 있다.
105는 반사경으로서, LED101에서 광가이드102를 통하여 볼103에 조사되고 반사되어 렌즈104에 의하여 집광되는 빛의 방향을 바꾸어 광학 이미지 센서 106으로 조사되게 한다. 도6과 같이 빛이 직접 광학 이미지 센서106으로 입사되면 반사경105는 생략될 수 있다. 106은 광학 이미지 센서로서 광마우스에 사용되는 것과 유사한 것을 사용할 수 있다.
107, 107a은 볼과 접촉되어 회전을 원활하게 하기 위한 베어링볼로서, 특히 베어링볼107a은 볼이 외부로 나가지 않도록 하단부에 위치되어 있다. 이 베어링볼107, 107a은 볼이 장치에서 빠지지 않고 원활하게 회전할 수 있다면 생략될 수 있다. 108는 각각의 베어링볼107, 107a를 감싸고 있는 베어링볼 지지부로서, 엔지니어링 플라스틱 등으로 구성되어 있어 재질 특성상 회전을 매끄럽게 하고 있다. 도3에는 이들 배치의 한 예를 나타내고 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 베어링볼107, 107a가 볼103의 작동압력을 균등하게 받아드려 안정되고 원활하게 회전할 수 있도록 구성되어 있으면 족하다. 도4에는 베어링볼 배치의 다른 실시예를 나타내고 있다. 도4의 (a)는 볼과 베어링볼 지지부 사이에 베어링볼이 움직일 수 있는 공간을 설정하고 설정된 공간내에 다수의 베어링볼이 볼과 접촉되어 회전할 때에 베어링볼의 위치가 이동될 수 있도록 되어있다. 도4의 (b)와 (c)의 구조에서의 109는 베어링의 리데나(Retainer 또는 리테이너)와 유사한 형태의 베어링볼 리데나로서 베어링볼이 리데나109 안에서 원활한 회전을 갖는 구조로 되어있다. 도4(b)의 리데나109는 리데나109의 내면에 레일상의 홈을 형성하여 베어링볼107을 수용하여, 도4(c)의 리데나109는 리데나109의 내면에 홈을 형성하여 이 홈에 베어링볼107을 수용한다.
리데나109는 장치의 수직축을 중심으로 회전이 가능한 경우도 있다.
110은 펜형 마우스의 내부기구이고, 111은 외부기구이다. 112는 스프링으로서 볼103을 통하여 마우스에 가해지는 압력 및 충격을 흡수하며, 사용자로 하여금 필압(筆壓)을 느끼게 하고, 또한 후술하는 바와 같이 압력이 일정 이상이 되면 버튼 스위치113을 온 시킨다. 113, 114는 버튼 스위치로서 통상의 마우스의 좌/우 버튼의 역할을 한다. 즉 클릭이나 드래그 등을 위하여 사용된다.
이하, 광이 조사되어 볼103의 움직임이 검출되는 작용에 대하여 설명한다. LED101에서 조사된 빛은 광가이드102에 입력되고, 광가이드102는 LED101의 빛을 그 형태에 의하여 대략 20도의 각도로 볼103의 표면에 조사되도록 빛의 방향을 유도한다. 광가이드102의 끝단면의 모양은 볼103 표면에 설정된 패턴 영역의 크기 내에 빛의 대부분이 조사되도록 한다. 볼103 표면에 조사되어 반사된 빛은 렌즈104를 통하여 반사경105를 거쳐 광학 이미지 센서106으로 입력되고 이미지 처리가 이루어져 볼103 표면의 움직임, 즉 마우스의 움직임을 검출한다. 광학 이미지 센서106은 일반적으로 PS2통신 등의 통신기능이 내장되어 있어, 볼103의 움직임을 나타내는 데이터를 외부의 PC 등으로 전송하여 마우스 기능을 하게 된다. 상기 동작에 있어서 볼103은 그 표면에 일정한 조도(粗度) 즉 거칠기를 갖고 있다. 볼103의 미세한 요철에 의거하여 볼103의 움직임을 광학 이미지 센서106이 감지할 수 있다.
도5는 마우스를 내부기구110과 외부기구111로 분리하고 버튼 스위치113, 114를 배치한 하나의 예이다. 마우스 패드 등의 평면에 접촉된 볼103을 누르면 내부기구110이 일체가 안으로 들어가 버튼 스위치113을 누르게 되는데, 이는 마우스의 왼쪽 버튼 등으로 활용할 수 있다. 외부에 노출된 버튼 스위치114는 마우스의 오른쪽 버튼 등으로 활용할 수 있다. 볼을 누르지 않으면 스프링112에 의해 내부기구가 밑으로 밀리게 되어 버튼 스위치113이 작동하지 않게 된다. 버튼 스위치113을 마우스의 왼쪽 버튼으로 활용할 경우에는 상기와 같이 내부기구110과 버튼 스위치113 사이에 적당한 간격이 있어 일정 거리 이상 볼103이 눌려평면 내부기구110 전체가 스프링112의 탄성력에 반하여 위로 이동되어 버튼 스위치113이 눌려져 작동되도록 한다. 또한 볼103에 압력이 가해질 때에 볼103 만이 이동하여 버튼 스위치113을 작동하게 하는 것도 가능하다.
한편, 도6은 광학 이미지 센서106을 SMD(Surface Mounting Device) 타입 등으로 제작하였을 때의 구성을 나타내는 모식도이다. 도5와는 달리 반사경의 필요가 없어지고 광학 이미지 센서의 크기가 상당히 작아지기 때문에 전체적으로 마우스의 크기가 축소되어 범용적으로 쓰일 수 있는 엔코더 기능의 장치로서도 활용될 수 있다. 도6의 115는 휠스크롤 기능을 갖는 버튼이다. 버튼을 누른 상태에서 상하의 포인팅 작업으로 휠스크롤 기능을 갖도록 되어있다. 이 기능을 위하여 장치 내부에 탑재된 연산장치의 프로그램이 변경된다.
일반적인 휠스크롤 기능에 해당되는 출력 펄스는 휠이 한바퀴 회전하였을 때에 22개의 펄스를 출력한다. 휠의 직경은 보통 24.5mm이고 휠의 둘레길이는 76.96mm 이다. 따라서 한　개의 펄스에 해당되는 길이는 3.49mm 이고, 이는 400 dpi의 해상도에서 약 55 픽셀에 해당되기 때문에 휠버튼을 누른 상태에서 약 3.49mm 움직이면 한 개의 휠스크롤과 동일한 펄스를 출력하도록 한다. 즉 휠버튼을 누른 상태에서 상하로 마우스를 움직여 포인팅할 때는 마우스 커서가 포인팅하는 방향으로 움직이지 않고 화면 스크롤 기능으로 대체된 휠스크롤 데이터를 출력한다.
도7은, 볼표면103의 비평면성을 나타내는 도면이다. 201은 볼표면과 광학렌즈104와의 거리(L1)로서 15mm이고, 202는 볼표면의 검출영역(면적 1mm2)에 있어서 영역 중심에서 영역의 한쪽 가장자리까지의 직선거리(L2)로서 0.5 mm이고, 203은 볼표면의 검출영역에 있어서 중심에서 영역 가장자리로 연결된 직선과 접선과의 각도(θ)는
θ = sin-1((L2/2)/볼의 반지름) = sin-1(L2/볼의 지름)
와 같이 계산된다.
볼표면의 1mm2면적에 대한 바같쪽에서의 최대 거리차이D는
L2 ×sinθ = L2 ×2/지름
으로 계산되며, L2에 해당되는 호의 길이는
볼의 지름 ×3.141592653 ×θ/180도
로 계산된다.
각 볼의 지름 크기에 따른 각각의 근사적인 해법으로 계산된 결과를 다음 표에 나타낸다.
상기 결과에 의하면, 볼 지름이 3mm 이상에서는 볼표면의 검출 영역 가장자리 부분과 접선과의 거리는 렌즈가 갖고 있는 심도 1mm의 1/10이하인 0.083mm 이하이기 때문에 비교적 좋은 상을 얻을 수 있다. 따라서 볼의 지름이 3mm 이상이면 충분히 좋은 포인팅 감도를 얻을 수 있다. 또한 400dpi의 이미지(본 고안에서는 볼표면의 1.0 mm2영역)를 받아들이도록 설계된 렌즈를 800dpi의 해상도를 갖도록 렌즈로 변경하면 볼표면에서 필요한 이미지 영역은 0.25mm2만 필요하게 되어 볼의 크기를 더욱 작게 할 수 있다.
102의 광가이드는 광섬유를 사용하여 빛의 손실을 최소한으로 하면서 원하는 물체 표면에 가까이 빛을 가이드함으로써 광효율이 좋으며 필요 없는 물체 표면으로의 빛의 손실을 방지함으로써 조명에 따른 전력소모를 최소화하는 저전력용의 광학 이미지 방식의 포인팅 장치를 제공하기 위한 것이다. 본 고안에서 사용되는 플라스틱 광섬유는 고순도 아크릴 레진(PMMA : Polymethyl methacrylate)으로 된 코어(Core)와 특수 불소 폴리머(F-PMMA : Fluorinated Poly methyl methacrylate)로 만들어진 얇은 클래드(Clad)층으로 구성되어 있다. 클래드의 굴절률(Reflective index)이 코어보다 낮으므로 광섬유의 한쪽 끝단으로부터 들어온 빛은 코어와 클래드의 접속면에서 난반사(Total Reflection)를 일으켜 코어를 통하여 광섬유의 다른 끝단으로　나간다. 코어의 굴절률은 1.495, 클래드의 굴절률은 1.402이다. 수광각도(Numerical Aperture) - 광섬유가 끝단에서 빛을 수용 할 수 있는 각도는 60도이다 플라스틱 광섬유 장점중의 하나는 광섬유 단면적 대비 코어의 비율이 매우 크다는 것이다. 예를 들면, 외경 1mm의 광섬유 코어 지름은 0.98mm, 클래드층 두께는 0.02mm이므로 광섬유 단면적 대비 코어 비율은 98%이다. 이는 플라스틱 광섬유의 빛 전달 효율이 매우 높다는 것을 보여준다. 수광각도(Numerical Aperture) 60도에서 빛을 받을 수 있고 광섬유 단면의 거의 100%를 빛의 선로로 사용할 수 있다. 도8에 광섬유에서의 빛의 경로를 보여주고 있다. 도9는 기존의 광학 마우스에서 실제 사용되는 광가이드를 보여주고 있으며 도10은 1.5mm 광섬유를 광가이드로 이용했을 때의 형태인데, 이 때 광섬유에 입력되는 LED조명의 빛이 일부임에도 불구하고 실제 광학 마우스 테스트에서 기존의 광학 마우스 보다 더 좋은 감도를 보여주고 있다. 도11은 작은 LED나 칩형태의 LED를 사용하여 광섬유에 입력되는 조명의 양을 많게 하였을 때의 형태이다. 도11과 같이 광가이드를 구성했을 때에 LED에 흐르는 전류를 1/2로 하여도 기존의 광학 마우스와 비슷한 포인팅 감도를 갖게된다. 즉, 광학 마우스 센서에서 동작의 검출에 필요한 이미지가 1mm2의 영역이기 때문에 그 영역으로 광섬유 등을 이용하여 조명을 집중시키면 훨씬 작은 전류로도 향상된 포인팅 감도를 얻을 수 있다.
도12에서는 또 다른 실시예의 마우스를 도시하고 있는데, 좌측에 있는 LED101a에서 발산되는 빛은 광가이드102a를 통해서 볼103의 좌측에 있는 볼표면118a로 유도된다. 볼표면118a의 이미지(빛)는 반사경105a를 통하여 반투명 반사경117로 유도된다. 반투명 반사경117은 50%의 투과율로 좌측면이 코딩되어 있다. 반투명 반사경117에서는 반사경105a를 통해 입력된 좌측의 볼표면118a 이미지의 50%는 반투명 반사경117의 좌측면에서 반사되어 렌즈104로 유도되고 나머지 50%는 그냥 통과된다. 마찬가지로 우측의 볼표면118b에 대한 광학구조를 살펴보면, LED101b에서 발산되는 빛은 광가이드102b를 통해서 볼103의 우측에 있는 볼표면118b로 유도된다. 볼표면118b의 이미지는 반사경105b를 통해 반투명 반사경117로 유도된다. 반투명 반사경117의 우측면에서는 이미지의 50%가 그대로 반사경 내부로 통과하며 나머지 50%는 우측으로 반사된다. 이렇게 볼103의 좌측 볼표면118a의 50%의 이미지와 우측 볼표면118b의 50%의 이미지가 반투명 반사경117을 통해서 합쳐지게 되고, 이 이미지는 렌즈104를 통해 광학 이미지 센서106으로 입력되어, 이미지 처리가 이루어져 볼103 표면의 움직임을 검출한다. 이러한 장치의 구현을 위해서는 이미지를 중첩시키기 위한 정교한 광학장치가 요구된다.
이와 같은 방식의 볼표면의 중첩된 이미지를 사용하는 것은 대상 이미지가 모두 같은 방향으로 움직이는 성질을 갖는 같은 구면 위의 이미지이기 때문에 가능하다. 이러한 방식의 장점은, 하나의 볼표면에서 받아들인 이미지보다 2개의 볼표면에서 받아들인 이미지를 통해서 이미지 프로세싱 하게 되기 때문에 보다 정교한 움직임을 가질 수 있게 된다.
한편, 볼103에 일정한 문양(패턴)을 인쇄하면 그 문양을 사용하여 광학 이미지 센서106이 볼103의 움직임을 정확히 인식할 수 있으므로, 예를 들어 도14와 같은 지오그라데식 구면체와 같은 정삼각형 문양을 구비하는 것도 바람직하다.
예를 들어 일반적인 다면체로 구면체를 만드는 방법 중의 하나는 축구공과 같이 정6각형 20개와 정5각형 12개로 만드는 방법이 있는데(도13), 정6각형은 작은정삼각형 6개로, 정5각형은 작은 정삼각형 5개로 분할할 수 있다. 이 때에 이용되는 정삼각형 개수는 180개인데, 하나의 정삼각형을 4개의 정삼각형으로 세분할 수록 구면체에 더 가깝게 된다. 따라서 180의 4의 배수로 증가시킬수록 구면체에 가깝게 된다.
따라서 720개(180 ×4) 정삼각형(도14 참조)으로 지름1cm의 구를 형성시켰을 때 구면체의 면적은
3.14 ×1cm ×1cm = 3.14 cm2
한 개의 정삼각형의 면적은 대략
3.14/720 = 0.00436 cm2
이 된다.
또한 삼각형 한 변의 길이는
root{0.00436 ×4/ root(3)} = 0.1cm
가 된다.
구면체에 보다 가깝게 하기 위하여 한 변의 길이가 1mm인 정삼각형 720개를 다시 4등분하면 삼각형의 개수는 2880이 되고, 그 때의 정삼각형의 한 변의 길이는 0.5 mm가 된다.
따라서 정3각형의 한 변의 길이가 0.5mm가 된다고 하는 것은 400dpi 해상도에서는 8픽셀에 해당되기 때문에, 16픽셀 단위의 이미지 처리를 하는 광학 이미지 센서에서는 적어도 한 개 이상의 정3각형 패턴을 갖게 되어 볼의 움직임을 검출하기 위한 이미지 패턴의 구분이 명확하게 된다. 이러한 삼각형 격자구조의 무늬로 볼의 표면을 인쇄하면 삼각형의 3변은 광학 이미지 센서에서 볼의 움직임을 충분히 감지할 수 있는 경계선이 되기 때문에 유효한 패턴구조가 된다. 지오그라데식 패턴은 구면체에서 있어서 표면의 면적을 균등분 할 때 가장 잘 표현되는 것으로 정삼각형 대신 그 위치 또는 각 삼각형마다 다른 문양을 인쇄할 수도 있다 . 또한 이러한 표현 방식 이외에도 볼표면에 400dpi 이상의 해상도를 갖는 인쇄방식으로 랜덤한 위치에 조밀하게 임의의 점을 인쇄하여 각기 다른 패턴의 이미지 형태로 인식하게 하여도 무방하다.
이하, 본 고안 포인팅 장치의 하나의 활용예를 설명한다.
상기의 광학 이미지 방식의 비접촉 방식의 마우스의 볼의 움직임을 검출하는 장치를 모듈화 하여 다른 용도의 스캔 장치에 있어서 스캔속도나 방향을 감지하는 엔코더 기능을 통하여 스캔된 이미지를 정합하는 장치로 활용 할 수 있고 또한 자체 마우스의 포인팅 기능을 통하여 필기방식이 자유로운 장치에 활용될 수 있다.
도15는 상기 포인팅 장치가 결합된 펜형 스캐너 장치를 나타내는 외관도로서, 400은 펜형 스캐너의 이미지 입력부이고, 420은 본 고안의 포인팅 장치가 내장되어 인코더 장치로 활용된 인코더이다.
인코더420의 앞부분에 있는 볼은 이미지 입력부400의 입력단보다 앞으로 약0.5-1.0mm 정도 돌출되어 있으며 필기동작에 의한 광학식 포인팅이 자유롭도록 하단부에도 케이스 밖으로 볼이 돌출되어 있다. 스캔이나 필기동작 상태를 검출하기 위하여 동작시에는 볼은 안쪽으로 살짝 들어간 상태로 볼이 회전되도록 구성되어 있다. 스캔시 볼의 회전에 따른 포인팅(스캔속도와 방향)을 검출하여 X,Y방향의 엔코더데이타로 활용할수 있는데 이미지 입력부400에 의해 이미지를 스캔할 때 엔코더데이타의 X성분으로 샘플링하여 일정 스캔속도의 데이터를 얻을수 있으며, 엔코딩데이터의 Y성분을 이용하여 기울어진 이미지 데이터를 교정한다. 또한 볼이 펜형 스캐너의 아래쪽에 위치해 있기 때문에 펜형 스캐너를 안쪽으로 기울여 볼에 의한 포인팅 기능만을 이용하면 마우스 동작이나 필기동작 인식을 수행할 수 있다.
이하, 본 고안에 의한 스캐너의 구체적인 실시예를 도면에 의거하여 설명한다.
도16은 펜형 스캐너의 전체 시스템 구성도로서 400의 이미지 스캔부와 420의 스캔동작 검출부와 430의 시스템 제어부로 나누어진다. 이미지 스캔부400의 동작을 보면, LED401는 광가이드402를 통해서 빛을 평면403 등에 조사한다. 평면403은 스캔하고자 하는 이미지 영역이 있는 곳으로서, 조사된 빛에 의해 반사, 산란된 이미지는 렌즈404를 통하여 CCD센서 405로 입력된다. CCD 센서405에 입력된 이미지는 전기적인 신호로 변경되어 증폭 회로부406을 통하여 적절한 전압 레벨의 아날로그 영상신호로 증폭되어 A/D변환기407에 인가된다. A/D변환기407은 입력된 아날로그 영상신호를 8비트(Bit)의 디지털 코드(Digital code)로 변환한다. A/D변환기407에서 변환되어 출력되는 디지털 데이터는 MCU409의 제어에 의해 메모리408에 저장된다.
한편 엔코더로 활용되고 있는 스캔동작 검출부420의 동작을 보면, LED411은 광가이드412를 통해서 빛을 볼413에 조사한다. 볼413은 회전하는 볼로서 평면을 스캔하는 속도로 따라 회전하고 있다. 볼413의 표면에 조사되어 반사된 빛은 렌즈414를 통하여 광학 이미지 센서410으로 입력된다. 광학 이미지 센서410은 입력된 이미지를 센서 내부에 있는 DSP(디지탈신호처리) 기능에 의해 스캔 방향과 속도를 검출하여 이를 엔코더 X(스캔방향과 일치), Y(스캔방향과 수직) 성분의 데이터로 출력한다. 엔코더 데이터 중에 스캔방향과 일치하는 수평방향 X데이터는 일차적으로는 A/D 변환기407의 샘플링에 직접 관여하여 스캔동작 검출 시에만 샘플링이 이루어지고 있다. 엔코더 데이터의 수직방향인 Y데이터는 메모리408에 입력된 이미지에 의거하여 기울기 정합을 할 때 활용되고 있다. 수직 데이터는 보통 스캔 이미지의 기울어진 상태나 왜곡 상태를 보정해 주는데 매우 중요한 데이터로 활용되어진다. MCU409는 전체적인 시스템 제어 및 이미지 프로세싱, 문자인식 처리 등의 복합기능을 갖는 RISC칩이다. 431은 MCU409에 의해서 제어되어 스캔된 이미지나 인식된 문자 등을 표시하고, 또한 외부와의 통신을 담당하는 디스플레이 및 통신 제어모듈이다.
이상과 같이 본 고안의 마우스는, 저가의 일반적인 광학 이미지 센서를 장착하고 센서 앞단에서 회전하는 볼의 표면을 감지하는 간단한 장치를 부가하여 지름이 7mm 정도의 작은 볼로도 기존의 마우스와 같은 감도를 갖는 펜 타입의 안정적인 마우스 장치를 구현함으로써 지금까지의 고가의 펜형 마우스 입력장치를 대체할 수 있다. 또한 인간공학적으로 편리한 저가의 펜형 마우스를 손쉽게 구현할 수 있다.
이러한 볼펜형 마우스는 필기동작에 매우 적합하며 그림을 그린다든지 컴퓨터 그래픽 기능을 보다 직관적으로 실행할 수 있기 때문이다. 특히 어린이들이 컴퓨터로 그래픽을 그리거나 글씨 연습을 하는 등의 학습도구로서의 편리성이 있고 휴대가 간편한 장점이 있으므로 노트북 등에서 활용될 수 있다. 노트북과 같은 경우에도 자체에 내장된 패드형 마우스 장치가 때론 불편하기 때문에 펜타입 마우스를 기본으로 장착하여 사용하면 제품의 부가가치를 높일 수 있다.
또한 펜 타입의 경우에는 마우스를 마치 펜을 잡고 필기하듯이 하여 움직일 수 있으므로 인체에 주는 피곤이 경감된다.
마우스의 기울기를 임의로 하여도 마우스의 움직임을 정확하게 인식할 수 있는 장점이 있다.
또한 마우스의 볼은 다수의 베어링으로만 접촉되어 있어 감도가 매우 뛰어난 장점이 있다.
또한 종래의 광학 마우스가 작동되지 않는 유리면이나 동일 색깔의 매끄러운 재질 위에서도 마우스 작동이 가능하다.
또한 펜 타입의 마우스로서 닿는 면이 작아도 되기 때문에 손바닥이나 손등과 같은 굴곡이 있는 어떤 곳에서도 마우스 포인팅이 가능하다. 따라서 본 고안에 의한 장치는 마우스 패드 등이 없어도 임의의 장소에서 자유롭게 활용될 수 있다.
또한 광가이드는 광섬유를 사용하여 빛의 손실을 최소한으로 하면서 정확한 장소에 원하는 방향으로 빛을 가이드함으로써 조명에 따른 전류소모를 줄여 저 전력용 마우스에 적합하다.
또한 작은 크기의 볼을 채택함으로써 소형의 펜 타입의 포인팅 장치 구현이 가능하기 때문에 펜 타입의 스캔장치 등에서는 엔코더 기능과 함께 포인팅 기능을 제공한다.

Claims (21)

  1. 빛을 조사하는 광원,
    장치 전체의 움직임에 의하여 회전하는 볼,
    입력된 이미지로 장치의 움직임을 검출하는 광학 이미지 센서로 이루어지고,
    움직이는 볼에 상기 광원으로 빛을 조사하여 볼표면의 이미지를 광학 이미지 센서에서 받아들여, 이전 이미지와 현재 이미지의 차이를 비교 분석하여 볼 회전의 이동방향과 거리 데이터를 감지하여 출력하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    볼표면에 반사된 이미지를 렌즈를 이용하여 광학 이미지 센서에 일정한 배율로 입력되도록 하는 것을 특징으로 포인팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    베어링볼을 볼과 접촉되게 배치하여 볼의 회전을 원활하게 하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    장치 형태는 펜 타입인 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    광원으로부터의 빛을 물체 표면에 유도하는 조명방식에 있어서 광가이드는 광섬유를 사용하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    볼표면의 서로 다른 2개 이상의 영역에 빛을 조사하고 각각에서 반사된 이미지를 반투명 반사경으로 이미지로 겹치게 하고 겹쳐진 이미지를 광학 이미지 센서로 받아들여 움직임을 검출하게 하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    볼표면의 서로 다른 2개 이상의 영역에 빛을 조사하고 각각에서 반사된 이미지를 각각에 해당되는 이미지 센서에서 받아드려 그 중에서 변위의 폭이 가장 큰 이미지에 의거하여 볼의 움직임을 감지하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    광학 이미지 센서에서 이미지 프로세싱에 필요한 데이터에 대응되는 볼표면의 면적이 1mm x 1mm 이하가 되도록 한 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    볼표면의 굴곡이나 이물질도 하나의 구분된 이미지 패턴으로 형성되도록 볼표면에 대한 빛의 조명 각도를 15-30도로 조사하게 하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 볼은 표면에 문양을 구비하여 상기 광학 이미지 센서가 볼표면의 영역을 확실하게 구분하여 볼의 움직임을 정확하게 파악할 수 있는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 문양은 지오그라데식 정3각형 형태의 문양이거나 삼각형 배열의 위치마다 점이나 선 또는 임의의 패턴으로 인쇄된 모양의 볼을 사용하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  12. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    베어링볼 지지부를 형성하여 이 베어링볼 지지부와 볼과의 사이에서 베어링볼이 움직일 수 있는 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  13. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    베어링볼을 지지하여 베어링볼이 원활하게 회전되게 하는 리데나(Retainer)를 더 갖춘 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    리데나 내면에는 홈을 형성하여 이 홈에 베어링볼을 수용하는 것을 특징으로하는 포인팅 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 홈은 연속되어 레일모양이 되는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  16. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 볼의 크기는 7 mm 이하인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 렌즈는 해상도가 400dpi 이상의 데이터를 받아드려 볼의 이미지를 비교, 분석하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  18. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    장치 작동시에 볼에 가해지는 압력을 흡수하는 스프링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 볼은 스프링에 의하여 마우스의 외부로 밀리고 있다가, 볼에 힘이 가하여져 볼이 스프링의 탄성력에 반하여 안으로 밀리면서 버튼 스위치를 온(ON)시키는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
  20. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    마우스 장치는 펜형 기구물 앞단의 볼, 광원, 광학 이미지 센서를 내부기구물에 고정시키고 나머지 부품들을 외부기구에 고정시키는 형태로 내부기구와 외부기구로 나누어 부품을 고정시켜 분리하여 볼을 어느 이상 수직으로 누르면서 마우스 작동할 때에 내부기구가 일체로 이동하여 볼의 표면에서 광학센서까지의 거리를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 포인팅 장치.
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