KR20070016950A - 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치 - Google Patents

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KR20070016950A
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Abstract

본 발명은 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 휴대형 정보기기에서 취득되는 영상의 변화를 이용하는 포인팅 장치에 있어서 프리즘 렌즈의 전반사 특징을 이용하여 광전달효율을 극대화시킴과 동시에 광학경로를 연장시킴으로써 점차 소형화되는 휴대형 정보기기의 크기를 더욱 줄일 수 있는 초박형 포인팅 장치에 관한 것이다.
본 발명의 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치는 광원으로부터 조사되는 빛을 제1프리즘렌즈를 통해 전반사시켜 대물면으로 조사하는 대물광학부; 및 피사체로부터 취득한 대물이미지정보를 포함하는 상기 대물면으로부터의 빛을 적어도 하나 이상의 반사면과 적어도 하나 이상의 제2프리즘렌즈를 통해 전반사시켜 이미지센서로 전달하는 결상광학부를 포함함에 그 기술적 특징이 있다.
본 발명의 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치는 프리즘 렌즈를 적어도 하나 이상 이용하여 광학경로를 변경하거나 광학거리를 연장할 수 있다. 또한, 본 발명의 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치는 프리즘 렌즈의 광학 반사율 100%라는 전반사를 이용하여 고품질 영상을 달성할 수 있다. 또한, 본 발명의 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치는 광학거리를 연장함으로써 포인팅 장치의 두께를 현저히 줄일 수 있다.
포인팅, 프리즘 렌즈, 결상렌즈, 집광렌즈, 이미지센서.

Description

프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치{Compact pointing device with prism lens}
도 1은 종래기술에 따른 포인팅 장치,
도 2는 종래기술에 따른 반투과거울을 사용한 포인팅 장치,
도 3은 종래기술에 따른 반사거울을 이용한 포인팅 장치의 구성도,
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치의 실시예,
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치의 광학경로.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
410: 광원 421: 집광렌즈
422: 제1프리즘렌즈 423: 조명렌즈
430: 대물면 441: 반사면
442: 제1결상렌즈 443: 제2결상렌즈
444: 제2프리즘렌즈 445: 제3결상렌즈
450: 이미지센서 451: 이미지면
452: 제어부 453: 연산부
460: 조리개 470: 회로기판
480: 터치센서 490: 가이드홀
본 발명은 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 휴대형 정보기기에서 취득되는 영상의 변화를 이용하는 포인팅 장치에 있어서 프리즘 렌즈의 전반사와 집광기능의 특징을 이용하여 광전달효율을 극대화시킴과 동시에 광학경로를 변경하거나 연장시킴으로써 점차 소형화되는 휴대형 정보기기의 크기를 더욱 줄일 수 있는 초박형 포인팅 장치에 관한 것이다.
디지털 컨버전스에 따라 휴대단말기에서 인터넷 등 다양한 서비스가 제공되는 추세이며 이에 대응하여 사용자가 보다 쉽게 다양한 기능을 사용하도록 하는 사용자 입력장치가 제안되고 있다.
도 1은 종래의 광학방식의 포인팅 장치를 나타낸 구성도이다. 도 1의 포인팅 장치는 본 출원인의 대한민국 등록특허 제488486호에 개시된 광학 방식의 장치로서, 휴대 정보기기에서 내장하여 사용할 수 있는 초소형 포인팅 장치에 관한 예이다. 이러한 기술은 고해상도이며, 손가락 등 제어표면의 움직임만큼 움직임정보를 제공할 수 있어서 휴대 정보기기에서 매우 효율적인 사용자 인터페이스를 구현할 수 있다.
도 1의 포인팅 장치의 구조를 보면, 소형의 광원(120)에서 발산되는 빛이 대물면(100)의 필요로 하는 영역에 균일하게 조사될 수 있도록 광을 집속하고 평행광으로 만들며 이를 대물면(100)으로 가이드하는 프리즘렌즈(110)와, 프리즘렌즈(110)로부터 센서(130)에 이르는 잡광을 차단하는 마스크와, 대물면(100)에서 반사된 빛(즉, 취득영상정보)을 결상하는 결상렌즈(140) 등을 단순화하고 소형으로 제작할 수 있으며, 이에 따라 원가가 저렴하고 실장성이 뛰어난 포인팅 장치를 제작할 수 있다.
그러나, 도 1에 따른 포인팅 장치는, 대물면(100), 결상렌즈(140) 및 센서(130)가 모두 직선 경로상에 순서대로 나열하게 되기 때문에 최소한의 광학거리를 확보하여야 하므로 최소두께를 확보해야 하는 문제가 있다. 즉, 대물면(100)으로부터 센서(130)에 이르는 광학거리가 길수록 결상이미지가 좋아지는 바, 도 1에 따른 포인팅 장치는 광학거리(I/O)를 길게하게 되면 포인팅 장치가 두꺼워진다.
도 2는 종래기술에 따른 반투과거울을 사용한 포인팅 장치를 나타낸 구성도이다. 도 2의 포인팅 장치는 본 출원인의 대한민국 등록특허 제508702호에 개시된 것으로서, 직선상에 위치한 광경로를 변화시켜 점차 소형화되는 휴대형 전자기기의 크기를 더욱 줄일 수 있는 반투과거울을 이용한 포인팅 장치에 관한 것이다. 도 2의 포인팅 장치는 반투과거울을 이용함으로써 기존의 포인팅 장치의 두께를 절반 이상 줄이면서 동일한 기능을 수행할 수 있다.
도 3은 종래기술에 따른 반사거울을 이용한 포인팅 장치의 구성도이다. 도 3의 포인팅 장치는 본 출원인의 대한민국 공개특허 제2005-32950호에 개시된 것으로서, 광마우스 원리를 이용함으로써 포인터를 움직이기 위한 마우스 패드 또는 평평한 면을 필요로 하지 않는 포인팅 장치에 관한 것이다. 도 3의 반사거울을 이용한 포인팅 장치는 기존의 포인팅 장치의 두께를 절반 이상 줄이면서 동일한 기능을 수행할 수 있다.
그러나, 도 2 및 도 3에 따른 포인팅 장치는 두께를 줄일 수 있으므로 박형 포인팅 장치의 구성이 가능하나, 반투과거울 또는 반사거울 등 반사경 구성을 위한 코팅 공정이 필요하여 제작공정이 복잡해지는 문제가 있다. 또한, 도 2 및 도 3에 따른 포인팅 장치 역시 대물면으로부터 이미지 센서에 이르는 광학거리(I/O)를 길게 할 수 없는 문제가 존재한다.
또한, 도 1 내지 도 3에 따른 포인팅 장치는 광원으로부터 대물면까지 그리고 대물면으로부터 이미지 센서에 이르는 광전달과정에서 100%의 광전달율을 달성하기에 문제가 있다. 예를 들어, 거울의 통상적인 반사율은 70% 정도이고 복잡한 코팅처리과정을 거치더라도 95% 정도에 불과하기 때문이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광학거리를 변경하거나 연장함으로써 포인팅 장치의 두께를 줄일 수 있는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 광학 반사율을 극대화함으로써 100%의 광전달율을 달성할 수 있는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 영상 품질과 포인팅성능을 향상시키는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 광원으로부터 조사되는 빛을 제1프리즘렌즈를 통해 전반사시켜 대물면으로 조사하는 대물광학부; 및 피사체로부터 취득한 대물이미지정보를 포함하는 상기 대물면으로부터의 빛을 적어도 하나 이상의 반사면과 적어도 하나 이상의 제2프리즘렌즈를 통해 전반사시켜 이미지센서로 전달하는 결상광학부를 포함하는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치에 의해 달성된다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기 로 한다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치의 실시예이다. 도 4a를 참조하면, 본 발명에 따른 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치의 주요 구성요소로는, 대물광학부 및 결상광학부를 포함한다. 즉, 대물광학부는 광원(410)으로부터의 빛을 대물면(430)까지 전달하는 것이고, 결상광학부는 대물광학부로부터 전달된 빛을 모아 이미지센서(450)로 전달하는 것이다. 이 때, 대물광학부의 광전달경로는 짧을수록 영상 품질이 우수하고, 결상광학부의 광전달경로는 길수록 영상 품질이 우수하다. 따라서, 초박형으로 포인팅 장치의 두께를 줄이는 동시에 대물광학경로는 짧고 결상광학경로는 길게 설계하며, 또한, 광전달과정에서 반사율 100%를 유지하는 것이 중요한 점이다. 특히나, 프리즘렌즈의 전반사율 100%를 이용함으로써, 결상광학경로를 더욱 길게 설계할 수 있다.
도 4a에 나타낸 구성요소들 간의 작용기능을 빛의 전달경로를 기준으로 상세히 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 광원(410)은 LED, 레이저다이오드 등으로 구성될 수 있는 소형광원이다. 광원(410)으로부터 조사되는 빛은 대물광학부로 전달된다.
대물광학부는 집광렌즈(421), 제1프리즘렌즈(422), 조명렌즈(423)를 포함한다. 광원(410)으로부터 제1방향(도면에서는 수직방향)으로 조사되는 빛은 집광렌즈(421)로 집광되어 제1프리즘렌즈(422)로 전달된다. 제1프리즘렌즈(422)로 전달된 빛은 반사율 100%로 전반사되어 제2방향(도면에서는 대물면(430) 방향)으로 경로가 변경되어 조명렌즈(423)로 전달된다. 조명렌즈(423)로 전달된 빛은 다시 집속되어 대물면(430)을 조사하게 된다.
결상광학부는 반사면(441), 제1결상렌즈(442), 제2결상렌즈(443), 제2프리즘렌즈(444), 제3결상렌즈(445)를 포함한다. 대물면(430)은 포인터의 이동방향을 제어하기 위한 손가락 등 제어물체의 이동에 따라 반사되는 빛을 반사면(441)으로 전달한다.
반사면(441)은 프리즘 형태로 구성되는 바, 이러한 프리즘 면은 조명렌즈(423)로부터의 직각 내외의 범위로 조사되는 빛은 통과시켜 대물면에 이르게 하고, 대물이미지정보를 포함하는 빛은 전반사시킨다. 반사면(441)은 폴리카보네이트, 아크릴, PMMA 등과 같은 사출 성형이 가능한 플라스틱 소재에 전반사 조건의 프리즘 형태로 만드는 코팅 공정을 추가하여 구성된다. 반사면(441)에서 전반사되는 대물이미지정보를 포함하는 빛은 제1결상렌즈(442)로 전달되고, 제1결상렌즈(442)는 전달된 빛을 모아 제2결상렌즈(443)로 전달한다.
제2결상렌즈(443)는 전달된 빛을 모아 제2프리즘렌즈(444)로 전달하게 되는 바, 제2프리즘렌즈(444)도 제1프리즘렌즈(422)와 마찬가지로 반사율 100%로 전반사되어 제3방향(도면에서는 제3결상렌즈(445) 방향)으로 경로가 변경되어 제3결상렌즈(445)로 전달되고, 제3결상렌즈(445)는 전달된 빛을 모아 이미지센서(450)로 전달한다.
제3결상렌즈(445)로부터의 빛이 이미지센서(450)로 전달되기 전에 조리개(460)를 추가로 구비함으로써 산란된 빛이 이미지센서(450)로 유입되는 것을 방지한다. 이러한 조리개(460)는 영상 품질과 포인팅성능을 향상시키는 기능을 수행하는 것이다. 또한, 조리개(460) 뿐만 아니라 위 설명된 반사면(441)과 제2프리즘 렌즈(444)에 구비되는 코팅 면(프리즘 면)은 이미지센서(450)에서 수집되는 영상 품질과 포인팅성능을 더욱 향상시키게 된다. 또한, 반사면(441)에 구비되는 코팅 면(프리즘 면)은 비구면 광학렌즈 혹은 홀로그램렌즈를 추가하여 이루어질 수 있다.
이미지센서(450)는 CMOS 이미지센서 또는 CCD 이미지센서로 구성되어 대물면(430)의 피사체로부터의 영상을 취득한다. CMOS 이미지센서는 동작 속도는 늦지만 소비 전력이 작은 반도체로서 휴대폰 등의 소형 전자기기에서 유용하게 사용될 수 있다. 이미지센서(450)의 해상도는 통상 50㎛ 이하로서 통상 500㎛ 가량의 피사체(주로 손가락 지문) 골 간격보다 고해상도이므로 피사체의 이미지를 1/n로 축소하는 광학계를 구성할 수 있으며, 따라서 이미지센서(450)의 크기를 줄일 수 있다. 광학계를 1/n로 축소할 경우 n은 1 내지 5 사이의 범위로 조정할 수 있다. 이미지센서(450)는 영상을 취득하는 이미지면(451)과, 중앙처리장치(미도시)로 취득한 이미지를 전달하고 조정하기 위한 제어부(452) 및 연산부(453)를 포함할 수 있다.
광원(410), 이미지센서(450), 조리개(460) 등은 회로기판(470)에 구비된다. 대물면(300)을 포함하는 함체는 회로기판(470)과 광학구조물(대물광학부 및 결상광학부)과 함께 가이드홀(490)로 결합되고, 광학적암실구조를 이룬다. 가이드홀(490)은 양산시 공정오차를 최소화하고 조립을 간편화할 수 있도록 한다. 함체의 일측에는 대물면(430)의 피사체의 터치를 감지하는 터치센서(480)를 더 포함하여 피사체의 터치(접촉)시에만 작동하고 일정시간동안 접촉이 없을 경우에는 전력소모를 최소화하는 절전모드로 자동 전환할 수 있도록 한다. 또한, 터치센서(480)에서 피사 체를 땔 때, 혹은 피사체의 접촉시간을 짧은 유효시간범위내에서 한 번 또는 두 번 접촉시킬 때 일반 마우스의 클릭과 같은 신호로 판단하고 당시 커서가 지정하는 기능을 선택하도록 신호를 발생시킬 수 있다.
위와 같이 이루어지는 포인팅장치는 포인팅장치가 사용되는 전자기기의 뒷면 또는 대물면과 인접한 위치에 기계적 클릭스위치(미도시)를 더 포함하여 포인팅장치의 연산부(453)가 계산한 커서의 좌표를 클릭할 수 있도록 한다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치의 광학경로를 나타낸 것이다. 대물면(430)의 피사체로부터 취득한 대물이미지정보를 포함하는 빛은 반사면(441)에서 반사되고 제1결상렌즈(442)와 제2결상렌즈(443)를 거쳐 제2프리즘렌즈(444)에서 경로를 변경하여 제3결상렌즈(445)를 거쳐 이미지센서(450)로 전달된다.
도 4a 내지 도 4b에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 포인팅장치의 광학경로의 특징은 제1프리즘렌즈(422) 및 제2프리즘렌즈(444)를 통해 빛을 전반사시켜 광전달효율을 극대화시키는 동시에, 반사면(441) 및 제2프리즘렌즈(444)를 통해 광 경로를 변경함으로써 광학거리(I/O)를 얼마든지 길게 설계할 수 있다. 따라서, 고영상품질을 유지하면서 포인팅장치의 두께를 초박형으로 줄일 수 있는 점이다. 또한, 대물이미지정보의 전달과정에서 사용된 제1결상렌즈(442) 내지 제3결상렌즈(445)는 그 위치(결합방법)와 갯수를 필요에 따라 다양하게 변경하여 광학거리(I/O)를 필요사양에 알맞게 설계할 수 있음은 자명하다. 즉, 프리즘렌즈의 전반사 특징을 이용하여 대물면(430)으로부터 이미지센서(450)에 이르는 광경로를 적어 도 한 번 이상 경로변경하여 광학거리(I/O)를 필요사양에 알맞게 설계할 수 있는 것이다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치는 프리즘 렌즈를 적어도 하나 이상 이용하여 광학경로를 변경하거나 광학거리를 연장할 수 있다.
또한, 본 발명의 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치는 프리즘 렌즈의 광학 반사율 100%라는 전반사를 이용하여 고품질 영상을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치는 광학거리를 연장함으로써 포인팅 장치의 두께를 현저히 줄일 수 있다.

Claims (9)

  1. 광원으로부터 조사되는 빛을 제1프리즘렌즈를 통해 전반사시켜 대물면으로 조사하는 대물광학부; 및
    피사체로부터 취득한 대물이미지정보를 포함하는 상기 대물면으로부터의 빛을 적어도 하나 이상의 반사면과 적어도 하나 이상의 제2프리즘렌즈를 통해 전반사시켜 이미지센서로 전달하는 결상광학부
    를 포함하는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대물광학부는 상기 광원으로부터 조사되는 빛을 집광하여 상기 제1프리즘렌즈로 전달하는 집광렌즈를 더 포함하는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 대물광학부는 상기 제1프리즘렌즈로부터의 빛을 상기 대물면으로 조사하는 조명렌즈를 더 포함하는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사면은 상기 대물광학부로부터의 직각 내외의 범위로 조사되는 빛은 통과시켜 상기 대물면에 이르게 하고, 상기 피사체로부터 취득한 대물이미지정보를 포함하는 빛은 전반사시키는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 결상광학부는 상기 반사면으로부터의 대물이미지정보를 포함하는 빛을 결상하여 상기 결상광학부로 전달하는 제1결상렌즈를 더 포함하는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 결상광학부는 상기 제1결상렌즈로부터의 대물이미지정보를 포함하는 빛을 결상하여 상기 제2프리즘렌즈로 전달하는 제2결상렌즈를 더 포함하는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 결상광학부는 상기 제2프리즘렌즈로부터의 대물이미지정보를 포함하는 빛을 결상하여 상기 이미지센서로 전달하는 제3결상렌즈를 더 포함하는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지센서가 상기 결상광학부로부터의 빛을 전달받기 전에, 산란된 빛이 상기 이미지센서로 유입되는 것을 방지하기 위한 조리개를 더 포함하는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 대물면은 피사체의 터치를 인식하는 터치센서와 연결되는 프리즘 렌즈를 이용한 초박형 포인팅 장치.
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