KR20060034735A - Ultra thin optical joystick of which enables micro lens array construction - Google Patents
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Abstract
본 발명은 휴대폰 등 소형 휴대기기에 있어서 숫자나 문자의 입력 시 기존의 키패드 누름 입력 방식에서 벗어나, LCD 화면상에 숫자 또는 문자판 등의 자판을 구현하고 커서의 이동을 통하여 숫자 또는 문자를 클릭하여 입력하는 방식에 관한 것 이다. The present invention escapes from the existing keypad press input method when inputting numbers or characters in small portable devices such as mobile phones, and implements keyboards such as numbers or characters on the LCD screen and clicks on numbers or characters through the movement of the cursor. It's about the way.
특히 커서의 클릭 방식에 있어서, 광 이미지센서를 이용한 디바이스(광 조이스틱™)를 장착 한 모듈 위에 손가락(피사체)을 움직이고 이러한 움직임을 감지함으로써 커서의 이동을 제어하여 입력을 하는 방식이다. 이 경우 기존의 키패드 누름 입력방식에 비해 더욱 단순하고 빠르게 입력이 가능하며, 점차적으로 확대해 나가고 있는 컴퓨터의 윈도우(Windows) 환경과 같은 GUI(Graphic User Interface) 환경에 최적화하여 적용할 수 있는 강점을 갖게 된다. In particular, in the cursor click method, a finger (subject) is moved on a module equipped with a device (optical joystick ™) using an optical image sensor and the input is controlled by detecting the movement of the cursor. In this case, it is possible to input simpler and faster than the existing keypad press input method, and it can be applied to the GUI (Graphic User Interface) environment such as the Windows environment of the computer which is gradually expanding. Will have
그러나 이러한 광 조이스틱™을 소형의 휴대기기에 적용하기 위해서는 광 이미지센서를 포함한 광학계의 소형화, 슬림화가 필수적으로 요구된다.However, in order to apply such optical joysticks ™ to small portable devices, miniaturization and slimming of optical systems including optical image sensors are essential.
따라서 기존의 일반적인 광학계의 적용이 불가능하게 되며, 초소형의 최적화된 광학계의 설계가 필수적이다. 이러한 초소형의 광학계를 구현하기위하여 최적화된 구조설계를 함으로써 광 조이스틱™을 소형화, 슬림화하여 소형 휴대기기에 장착이 가능하게 하였다.Therefore, it is impossible to apply the existing general optical system, and it is necessary to design a microscopic and optimized optical system. By designing an optimized structure to realize such an ultra-compact optical system, the optical joystick ™ can be miniaturized and slimmed so that it can be mounted on a small portable device.
이 방식을 이용함으로서 휴대폰 등 소형 휴대기기에서 키패드 누름의 사용 없이도 각종 입력을 가능하게 만들어 휴대폰 등 소형 휴대기기의 구조를 단순화하면서도 터치스크린의 이용 시 발생하게 되는 문제점인 스크린의 오염을 방지하고, LCD 화면상의 커서를 자유롭게 움직여가며 클릭이 가능하기 때문에 GUI(Graphic User Interface) 환경에서 스크롤 등의 기능 등의 적용 등 사용자 편의성의 극대화를 가능하게 한 것이다.By using this method, it is possible to input various types of small portable devices such as mobile phones without the use of keypad presses, simplifying the structure of small portable devices such as mobile phones, and preventing screen contamination, which is a problem caused when using the touch screen, and LCD. Since the cursor can be clicked while moving on the screen freely, the user's convenience is maximized by applying functions such as scrolling in the GUI (Graphic User Interface) environment.
휴대폰, 문자 인식, 광 조이스틱™ (Optical Joystick), 마이크로 렌즈 어레이 (Micro Lens Array), GUI (Graphic User Interface), 광 이미지센서 (Optical Image Sensor), 슬림화, 입력 장치 Mobile Phone, Character Recognition, Optical Joystick ™, Micro Lens Array, Graphical User Interface, Optical Image Sensor, Slimming, Input Device
Description
도 1a, b, c는 Plano-Convex(평면-볼록) 렌즈와 마이크로 렌즈 어레이를 사용하여 모듈의 두께를 초슬림화한 광 조이스틱™.1A, B, and C show an optical joystick ™ with ultra-slim module thickness using Plano-Convex lens and micro lens array.
도 2a, b, c는 대칭형 마이크로 렌즈 어레이를 사용하여 모듈의 두께를 초슬림화한 광 조이스틱™.2A, B, and C are optical joysticks ™ with ultra-thin modules thickness using a symmetric microlens array.
도 3, 4, 5, 6은 광 조이스틱™을 사용한 휴대폰의 GUI(Graphic User Interface) 환경에서 포인터(커서)를 움직이고 클릭하여 메뉴를 실행 동작을 나타내는 도면.3, 4, 5, and 6 are diagrams illustrating an operation of moving a pointer (cursor) and clicking a menu in a GUI (Graphic User Interface) environment of a mobile phone using an optical joystick ™.
도 7은 렌즈의 R값은 렌즈의 구경 값보다 작을 수 없다는 것을 설명해 주기 위한 도면.7 is a view for explaining that the R value of the lens cannot be smaller than the aperture value of the lens.
도 8은 일반적인 구면 렌즈를 사용하였을 때의 초점 거리(Focal Length)를 나타내는 도면.8 is a view showing a focal length when a general spherical lens is used.
도 9는 Plano-Convex(평면-볼록) 렌즈와 마이크로 렌즈 어레이를 사용하였을 때의 초점 거리(Focal Length)를 나타내는 도면.FIG. 9 is a diagram showing a focal length when using a Plano-Convex lens and a micro lens array. FIG.
도 10은 대칭형 마이크로 렌즈 어레이를 사용하였을 때의 초점 거리(Focal Length)를 나타내는 도면.10 shows a focal length when using a symmetrical micro lens array.
본 발명은 휴대폰 등 소형 휴대기기에 있어서 숫자나 문자의 입력 시 기존의 키패드 누름 입력 방식에서 벗어나, LCD 화면에 숫자 또는 문자판 등의 자판을 디스플레이 하고 커서의 클릭에 의해 숫자 또는 문자를 입력하는 것과 GUI(Graphic User Interface) 환경인 자유평면(LCD 화면)에서 커서의 이동과 아이콘의 클릭이 자유로운 커서 이동 문자 입력과 아이콘 클릭 방식의 광 조이스틱™(Optical Joystick™)에 관한 것이다. 특히, 소형 휴대기기에 삽입하기 위한 초슬림 광 조이스틱™(Optical Joystick™)에 관한 것이다.The present invention deviates from the conventional keypad press input method when inputting numbers or characters in small portable devices such as mobile phones, displays keyboards such as numbers or characters on the LCD screen, and inputs numbers or characters by clicking a cursor. (Graphic User Interface) It is related to optical joystick ™ with cursor movement character input and icon click method that can move cursor and click icon in free plane (LCD screen) environment. In particular, it relates to an Ultra-Slim Optical Joystick ™ for insertion into small portable devices.
종래에 휴대폰 등 소형 휴대기기의 입력 방식으로는 키패드 누름 입력 방식이 주로 사용되었다. 이렇게 키패드 누름 입력 방식이 주로 사용되었던 이유는 다른 입력 방식에 사용하는 모듈의 두께에 한계가 있기 때문이다. 두께가 두꺼운 모듈은 휴대폰의 구성 상 PCB(Printed Circuit Board)의 위치 및 두께, RF 모듈의 위치 등 중요 부품의 위치에 의해서 사용이 불가능하기 때문이다. Conventionally, a keypad press input method is mainly used as an input method of a small portable device such as a mobile phone. The reason why the keypad press input method is mainly used is that the thickness of the module used for other input methods is limited. This is because thick modules cannot be used due to the location of important components such as the location and thickness of printed circuit boards (PCBs) and the location of RF modules.
이러한 키패드 입력 방식은 전화 번호 입력이나 기타의 메뉴 이용에 있어서 한칸씩만 움직일 수 있는 Mono(모노) 이동에 의한 누름 방식으로 인해 시간적, 작동 방법적으로 번거로운 문제점을 갖게 되며, 현재 진행되고 있는 컴퓨터 윈도우(Windows)와 같은 GUI(Graphic User Interface) 환경에서는 사용이 불가능한 한계점을 갖고 있다.The keypad input method is troublesome in terms of time and operation due to the pressing method by the mono movement, which can move only one space when entering a phone number or using a menu of other menus. It has a limitation that cannot be used in GUI (Graphic User Interface) environment.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 LCD 화면에 숫자나 문자판 또는 컴퓨터의 윈도우(Windows)와 같은 GUI(Graphic User Interface) 등의 환경을 구현하고 커서를 이동하여 숫자나 문자를 입력하거나 아이콘을 클릭하여 메뉴의 입력을 가능하게 하는 방식이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to implement an environment, such as a graphical user interface (GUI) such as a number or a dial or a computer window (Windows) on the LCD screen and move the cursor to enter the number or characters or click on the icon This is a way to enable the menu entry.
따라서 광 이미지 입력 모듈(광 조이스틱™) 위에서 손가락(피사체)을 이동시켜 화면상의 커서를 이동하게 함으로써 특정의 숫자나 문자, 아이콘을 입력하게 하는 것이다.Therefore, by moving a finger (subject) on the optical image input module (optical joystick ™) to move the cursor on the screen, a specific number, letter, or icon is inputted.
그리고 이러한 방법에 있어서 손가락(피사체)을 광 이미지 입력 모듈 위에서 움직여 특정의 숫자나 문자, 아이콘을 클릭하고 광 조이스틱™에서 손가락을 때면 바로 입력이 되거나 스위치(클릭 버튼)를 누르면 입력이 되게 하는 방식이다.In this method, a user moves a finger (subject) on the optical image input module and clicks a specific number, letter, or icon, and when the finger is pressed on the optical joystick ™, the input is performed immediately or when a switch (click button) is pressed. .
이를 구현하기 위해서는 광 이미지센서를 활용한 광 조이스틱™을 구현하여 활용한다.To realize this, the optical joystick ™ using the optical image sensor is implemented and utilized.
기존에 컴퓨터에 사용하는 광 마우스에서 광 이미지센서를 사용 할 때는 물체면(Object면)이 바닥면이기 때문에 광원의 조사가 하부를 향하며 렌즈가 광 이미지센서의 하부에 위치하게 하여 움직이는 방식이다. 그러나 휴대폰 등 소형 휴대기기에 적용하기 위해서는 물체면(Object면 : Cover Glass)의 상방향에서 손가락(피사체)으로 움직여주는 방식이기 때문에 광 이미지센서가 상부로 향하고 또한 렌즈도 그 위에 위치하게 된다(이것은 피사체의 위치에 따른 구분으로 기본적인 개념은 동일하다).When the optical image sensor is used in the optical mouse used in the existing computer, since the object surface is the bottom surface, the irradiation of the light source is directed downward and the lens is positioned below the optical image sensor. However, in order to be applied to small portable devices such as mobile phones, the optical image sensor is directed upwards and the lens is also placed on it because it is a method of moving a finger (subject) in the upper direction of the object surface (cover glass). The basic concept is the same as the classification according to the position of the subject).
이렇게 집광되어진 상의 변화를 광 이미지센서에서 변환하여 손가락(피사체)의 움직임을 해석하여 LCD 화면상의 커서의 위치를 지정한다.The change in the collected images is converted by the optical image sensor to analyze the movement of the finger (subject) and to specify the position of the cursor on the LCD screen.
이러한 광 이미지센서는 현재 시판되고 있는 광마우스에 많이 사용이 되는 센서로서 대표적인 제품으로는 Agilent(www.agilent.com) 사의 광 마우스 센서(Optical Mouse Sensor)가 있다.Such an optical image sensor is a sensor that is widely used in a commercially available optical mouse, and a representative product is an optical mouse sensor of Agilent (www.agilent.com).
이러한 종래의 구조에서는 물체면(Object면 : Cover Glass)과 렌즈계, 광 이미지센서가 광축 방향으로 수직으로 정렬되어 있는 구조이기 때문에 광학계 초점거리의 한계로 인하여 기본적인 높이의 한계를 갖게 된다. 이러한 한계는 소형화되고 슬림화되고 있는 휴대폰 등 소형 휴대기기에는 적용이 불가능하였다.In such a conventional structure, since the object surface (cover glass), the lens system, and the optical image sensor are vertically aligned in the optical axis direction, there is a limit of the basic height due to the limitation of the focal length of the optical system. This limitation was not applicable to small portable devices such as mobile phones, which are becoming smaller and slimmer.
따라서 휴대폰 등 소형 휴대기기에 장착하기 위한 광 조이스틱™은 일반적인 구면 렌즈 구조 이외의 비구면 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array)의 적용 등 새로운 렌즈 구조가 필요하다.Therefore, the optical joystick ™ for mounting in a small portable device such as a mobile phone requires a new lens structure such as application of an aspherical lens and a micro lens array in addition to the general spherical lens structure.
하기의 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 살펴보면 다음과 같다.Referring to the configuration of the present invention with reference to the following drawings.
도 7을 살펴보면 집광렌즈(51)이 있고 렌즈의 구경(D) 및 렌즈의 곡률반경(R)이 있다. 렌즈의 설계 시 기본적으로 렌즈의 곡률반경(R)은 렌즈의 구경(D)보다 작을 수 없게 되어 있다. 렌즈는 초점거리를 짧게 하기 위해선 재질의 굴절률(n)이 크거나 렌즈의 곡률반경(R)이 작아야지만 짧은 초점거리의 구현이 가능하게 된다. 그러나 굴절률(n)이 큰 재질의 경우 재료 자체의 가격이 비싸기 때문에 일반적인 제품에 적용이 불가능하며 특수한 용도로만 사용하게 된다. 따라서 쉽게 재료를 구할 수 있으면서도 짧은 초점거리의 구현이 가능하기 위해서는 렌즈의 곡률반경(R)을 작게 설계해야만 한다. 그러나 이러한 곡률반경(R)은 렌즈의 구경(D)보다 작을 수 없기 때문에 제작에 한계를 갖게 된다. 특히 휴대폰 등 소형 휴대기기처럼 두께가 얇은 장비에는 초슬림의 크기가 필요하게 되며 초슬림의 구현이 가능하게 하기 위해서는 극도로 짧은 초점거리의 구현이 가능해야 한다. 따라서 도 8처럼 일반적인 구경(D)의 집광 렌즈(62)로는 이미지센서의 이미지 촬상 영역(63)까지 도달하는 초점거리(Focal Length)를 줄이는데 한계를 갖게 되는 것이다. Referring to FIG. 7, there is a
그러나 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems), 마이크로 사출 성형, 핫 엠보싱(Hot Embossing), 자외선 경화 성형법 등을 이용한다면 수십 마이크로미터(um)의 곡률반경을 갖는 렌즈의 제작도 가능함으로 얼마든지 작은 초점거리의 구현도 가능하게 된다. 따라서 도 9와 도 10에서처럼 마이크로 렌즈 어레이 구조를 이용하게 된다면 훨씬 짧은 초점거리의 구현이 가능해져 초슬림의 모듈의 제작을 가능하게 한다. 또한 각각의 마이크로 렌즈의 배열을 픽셀(Pixel)의 수와 동일하게 배열함으로써 각각의 픽셀에 들어가는 상의 이미지를 선명하게 생성할 수 있는 구조가 된다. However, micro-electro-mechanical systems (MEMS), micro-injection molding, hot embossing, and ultraviolet curing molding can be used to produce lenses with a radius of curvature of several tens of micrometers (um). Distance implementations are also possible. Therefore, if the microlens array structure is used as shown in FIGS. 9 and 10, a much shorter focal length can be realized, thereby making an ultra slim module. In addition, by arranging each micro lens array in the same number as the number of pixels, a structure capable of sharply generating an image of an image entering each pixel.
도 9는 Plano-Convex(평면-볼록)렌즈(72)로 1차 집광을 시킨 후 각각의 픽셀(Pixel) 수량과 대응되는 마이크로렌즈 어레이(73)에서 2차 집광하여 이미지 센서의 촬상 영역(74)의 각 픽셀(Pixel)에 상을 맺히게 하는 구조이다. FIG. 9 shows a first condensing with a Plano-Convex
도 10은 각각의 픽셀(Pixel) 수량과 대응되는 대칭형 마이크로 렌즈 어레이 구조(92)를 제작하여 이미지 센서의 촬상 영역(93)의 각 픽셀(Pixel)에 상을 맺히게 하는 구조를 나타낸다. FIG. 10 illustrates a structure in which a symmetrical
따라서 이러한 마이크로 렌즈 어레이 구조의 특징을 이용하여 휴대폰 등 소형 휴대기기에 적용 가능한 초슬림한 광 조이스틱™을 제작할 수 있게 되었다. Therefore, by using the features of the micro lens array structure, it is possible to manufacture an ultra-slim optical joystick ™ applicable to small portable devices such as mobile phones.
이것은 도 1a처럼 커버 글래스(11)과 광원(LED)(12), 광 도파로(조명계)(13), Plano-Convex(평명-볼록)렌즈(14), 이미지 센서(17), PCB(Printed Circuit Board)(18), 경통(19)로 이루어 진다. 도 1b처럼 커버 글래스(11) 면 위에 피사체(손가락)이 없다면 광원(LED)(12)에서 조사된 광은 광 도파로(조명계)(13)을 진행하여 커버 글래스(11)로 조사되어 밖으로 투과되게 된다. 그러나 도 1c처럼 피사체(손가락)(19)가 커버 글래스(11) 면 위에 놓이게 되면 커버 글래스(11)에 조사된 광은 피사체(손가락)(19)에 반사되어 Plano-Convex(평면-볼록)렌즈(14)에 의해 1차 집광이 되며, 다시 마이크로 렌즈 어레이(15)에 의해 2차 집광(최종 집광)되어 이미지 촬상 영역(16)의 픽셀(Pixel)에 상을 맺히게 된다. 이러한 구조는 마이크로 렌즈의 작은 곡률반경이 갖는 특성상 아주 짧은 초점거리의 구현이 가능하게 되며 이것은 구현하려는 광 조이스틱™의 두께를 초슬림하게 제작할 수 있도록 가능하게 해주는 요소가 된다. 이렇게 전달되는 이미지의 정보는 피사체(손가락)(19)의 움직임에 따라 이미지 센서의 촬상 영역(16)에 영상 정보를 전달하여 휴대폰 등 소형 휴대기기의 LCD 화면에 구현되어 있는 포인터(커서)를 움직이게 하며 이러한 포인터(커서)가 아이콘을 지정(클릭)하여 메뉴를 실행할 수 있는 환경을 만들어 주게 된다.This includes a
도 2a는 대칭형 마이크로 렌즈 어레이(24) 구조를 이용한 초슬림 광 조이스틱™ 이다. 도 2b에서처럼 커버 글래스(21) 면 위에 피사체(손가락)이 없으면 광원(LED)(22)에서 조사된 광은 광 도파로(조명계)(23)을 진행하여 커버 글래스(21)에 조사되어 투과되는 형태를 갖게 된다. 그러나 도 2c처럼 커버 글래스(21) 위에 피사체(손가락)(29)이 놓이게 되면 커버 글래스로 조사된 광은 피사체(손가락)에 반사되어 대칭형 마이크로 렌즈 어레이(24)를 통과하여 이미지 센서의 촬상 영역(25)의 픽셀(Pixel)에 상을 맺히게 된다. 이러한 구조 역시 마이크로 렌즈의 작은 곡률반경이 갖는 특성상 아주 짧은 초점거리의 구현이 가능하게 되며 이것은 구현하려는 광 조이스틱™의 두께를 초슬림하게 제작할 수 있도록 가능하게 해주는 요소가 된다. 이렇게 전달되는 이미지의 정보는 피사체(손가락)(29)의 움직임에 따라 이미지 센서의 촬상 영역(25)에 영상 정보를 전달하여 휴대폰 등 소형 휴대기기의 LCD 화면에 구현되어 있는 포인터(커서)를 움직이게 하며 이러한 포인터(커서)가 아이콘을 지정(클릭)하여 메뉴를 실행할 수 있는 환경을 만들어 주게 된다.2A is an ultra-slim light joystick ™ using a symmetric
도 3은 마이크로 렌즈 어레이 구조를 적용한 초슬림 광 조이스틱™을 이용한 휴대폰이다. 초슬림 광 조이스틱™(31)이 실장된 휴대폰의 LCD 화면에 아이콘(33)과 포인터(32)가 구현되어 있다. 이러한 휴대폰의 메뉴 실행은 도 4에서처럼 피사체(손가락)(34)을 광 조이스틱™(31)위에 올려놓고 움직이면 포인터(커서)(32)가 지정(클릭)하려는 아이콘(33) 위로 움직이게 된다. 이 아이콘(33)을 클릭하면 도 5에서처럼 서브 메뉴(41)이 나오게 되며 이것은 다시 도 6에서처럼 피사체(손가락)(34)를 광 조이스틱™(31) 위에 올려놓고 포인터(커서)(32)를 움직여 지정(클릭)하여 메뉴를 실행하게 된다.3 is a mobile phone using an ultra-slim optical joystick ™ applying a micro lens array structure. The
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이 구조를 적용한 초슬림 광 조이스틱™은 마이크로 렌즈가 갖는 작은 곡률반경에 의한 짧은 초점거리 구현의 가능으로 휴대폰 등 소형 휴대기기의 경박 단소화를 가능하게 한다.As described above, the ultra-slim optical joystick ™ to which the microlens array structure according to the present invention is applied enables realization of a short focal length due to the small curvature radius of the microlenses, thereby making it possible to reduce the thickness of a small portable device such as a mobile phone.
또한 이러한 광 조이스틱™을 이용하여 LCD 화면에 구현되어 있는 아이콘 등의 메뉴를 자유롭게 지정할 수 있는 특징을 갖게 된다. In addition, the optical joystick ™ is used to freely specify menus such as icons implemented on the LCD screen.
따라서 본 발명은 향후 도래하게 될 휴대폰의 GUI(Graphic User Interface) 환경의 구현을 가능하게 하는 중요한 키 역할을 하게 될 것이다.
Therefore, the present invention will serve as an important key that enables the implementation of a Graphical User Interface (GUI) environment of a mobile phone that will come in the future.
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