KR20070020084A

KR20070020084A - 광 포지셔닝 장치에서의 스펙클 사이징 및 감지기 치수들

Info

Publication number: KR20070020084A
Application number: KR1020067027002A
Authority: KR
Inventors: 클린턴 비. 칼리슬; 자자 아이. 트리스나디; 찰스 비. 록슬로; 데이비드 에이. 레호티
Original assignee: 실리콘 라이트 머신즈 코포레이션
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2007-02-16
Also published as: EP1756512A2; WO2005114097A3; TW200607985A; KR100877005B1; WO2005114097A2; TWI263032B; JP2008500557A

Abstract

일 실시예는 일련의 프레임들에서 광 피처들(optical features)의 변위를 결정함으로써 표면에 대한 데이터 입력 장치의 횡단 변위(transverse displacement)를 감지하기 위한 광 변위 감지기에 관한 것이다. 감지기는 적어도 가간섭성 광원(coherent light source)(306), 표면(304)의 일부분을 조명하는 조명 광학계(illumination optics)(308), 이미징 광학계(imaging optics)(310), 및 주기적 거리를 갖는 감광 소자들의 제1 어레이(302)를 포함한다. 조명기(illuminator) 및 검출기는 표면의 조명된 부분으로부터 반사되는 빛의 강도 패턴(intensity pattern)을 감광 소자들의 제1 어레이(302) 상에 생성하도록 구성된다. 강도 패턴은 어레이(302)의 주기적 거리의 0.5배와 2배 사이에 있는 평균 스펙클 직경을 갖는 복수의 스펙클을 포함한다.

이미지, 데이터 입력 장치, 스펙클, 변위, 감광 소자, 감지기

Description

광 포지셔닝 장치에서의 스펙클 사이징 및 감지기 치수들{SPECKLE SIZING AND SENSOR DIMENSIONS IN OPTICAL POSITIONING DEVICE}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은, 발명자들 Clinton B. Carlisle, Jahja I. Trisnadi, Charles B. Roxlo 및 David A. LeHoty에 의해 2004년 5월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Speckle-based optical position sensing device having speckle size matched to a sensor dimension"인 미국 가출원 번호 제60/573,062호의 이득을 주장한다. 전술한 미국 가출원의 개시 내용은 참조로서 그대로 포함되어 있다.

본 출원은 또한, 발명자들 David A. LeHoty, Douglas A. Webb, Charles B. Roxlo, Clinton B. Carlisle 및 Jahja I. Trisnadi에 의해 2004년 5월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Optical position sensing device having a detector array using different combinations of shared interlaced photosensitive elements"인 미국 가출원 번호 제60,573,075호의 이득을 주장한다. 전술한 미국 가출원의 개시 내용은 참조로서 그대로 포함되어 있다.

본 발명은 일반적으로 광 포지셔닝 장치(Optical Positioning Device: OPD) 및 이를 이용한 움직임 감지 방법에 관한 것이다.

컴퓨터 마우스나 트랙볼과 같은 포인팅 장치는, 개인용 컴퓨터와 워크스테이션에 데이터를 입력하고 접속하는데 이용된다. 이와 같은 장치들은 모니터 상에서 커서의 신속한 재배치를 허용하고, 다수의 텍스트, 데이터베이스 및 그래픽 프로그램에서 유용하다. 사용자는, 예를 들어, 마우스를 표면에서 움직여 마우스를 소정의 방향으로 또한 마우스 움직임에 비례하는 거리에 걸쳐 움직임으로써 커서를 제어한다. 다른 방법으로는, 정지된 장치 상에서의 손의 움직임을 같은 목적에 이용할 수도 있다.

컴퓨터 마우스 버전으로는 광학(optical) 버전과 기계식 버전이 있다. 통상, 기계식 마우스는 회전하는 볼을 이용하여 움직임을 검출하고, 볼과 접촉하는 한 쌍의 샤프트 인코더를 이용하여 컴퓨터에 의해 이용되는 디지털 신호를 생성함으로써 커서를 움직인다. 기계식 마우스가 갖고 있는 하나의 문제는, 먼지 누적 등으로 인해 사용을 지속한 후 부정확해지고 고장이 일어나게 된다는 것이다. 또한, 기계식 소자, 특히, 샤프트 인코더의 움직임과 결과로서 생기는 마모는 장치의 유용한 수명을 반드시 제한하게 된다.

기계식 마우스가 갖고 있는 전술한 문제에 대한 하나의 해결책은 광 마우스의 개발이었다. 광 마우스는, 더 강건하고 더 나은 포인팅 정확도를 제공할 수도 있기 때문에, 매우 널리 보급되었다.

광 마우스에 이용된 지배적인 종래 기술은 스침각(grazing) 입사로 표면을 조명하는 LED(light emitting diode), 생성된 이미지를 캡처하는 2차원 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 검출기, 및 연속적인 이미지를 상 관시켜 마우스가 움직인 방향, 거리 및 속도를 결정하는 소프트웨어에 의존한다. 통상, 이 기술은 양호한 정확도를 제공하지만, 낮은 광 효율 및 비교적 높은 이미지 처리 요건의 문제점이 있다.

다른 접근법은 광 다이오드와 같은 광-감지기나 검출기의 1차원 어레이들을 이용한다. 연속적인 표면 이미지를 이미징 광학계에 의해 캡처하고, 광 다이오드 상으로 변환하고, 비교하여, 마우스의 움직임을 검출한다. 광 다이오드를 그룹으로 직접 배선하여 움직임 검출을 용이하게 할 수도 있다. 이에 의해, 광 다이오드 요건이 줄어들어 아날로그 처리를 신속하게 할 수 있다. 이와 같은 마우스의 일 예는 Dandliker 등에 의한 미국 특허 번호 제5,907,152호에 개시되어 있다.

Dandliker 등에 의해 개시된 마우스는 레이저와 같은 가간섭성 광원을 이용한다는 점에서, 표준 기술과도 다른다. 거친 표면에서 산란된 가간섭성 광원으로부터의 빛은 스펙클(speckle)로서 공지된 빛의 무작위 강도 분포(random intensity distribution)를 생성한다. 스펙클-기반 패턴의 이용은, 수직 입사(normal incidence)의 조명하에서도 효율적인 레이저-기반 빛 생성 및 높은 콘트라스트 이미지를 포함하여 여러 이점을 갖는다. 이는 더 효율적인 시스템을 허용하고, 전류 소비를 보존하므로, 전지 수명을 연장하기 위한 무선 응용에서 유리하다.

종래 LED-기반 광 마우스에 비해 상당한 진보가 이루어졌지만, 이들 스펙클-기반 장치는 여러 가지 이유로 완전히 만족스럽지 못하다. 특히, 레이저 스펙클을 이용하는 마우스는, 일반적으로, 약 0.5%이거나 이보다 적은 경로 오차를 갖는 것이 요구되는, 최신 마우스에서 통상 요구되는 정확도를 나타내지 못했다.

본 발명은 종래의 광 마우스와, 기타 유사한 광 포인팅 장치가 갖고 있는 여러 문제점에 대한 해결책을 설명하고 제공한다.

일 실시예는 일련의 프레임들에서 광 피처들(optical features)의 변위를 결정함으로써 표면에 대한 데이터 입력 장치의 횡단 변위(transverse displacement)를 감지하기 위한 광 변위 감지기에 관한 것이다. 감지기는 적어도 가간섭성 광원(coherent light source), 표면의 일부분을 조명하는 조명 광학계(illumination optics), 이미징 광학계(imaging optics), 및 주기적 거리를 갖는 제1 감광 소자 어레이를 포함한다. 조명기(illuminator) 및 검출기는 표면의 조명된 부분으로부터 반사되는 빛의 강도 패턴(intensity pattern)을 제1 감광 소자 어레이 상에 생성하도록 구성된다. 강도 패턴은 어레이의 주기적 거리의 0.5배와 2배 사이에 있는 평균 스펙클 직경을 갖는 복수의 스펙클을 포함한다.

다른 실시예는 표면을 가로지르는 데이터 입력 장치의 움직임을 감지하는 방법에 관한 것이다. 표면의 일부분이 가간섭성 광원을 갖는 조명기를 이용하여 조명되고, 표면의 조명된 부분으로부터의 빛이 반사된다. 빛은 검출기 소자들의 어레이에 사상(mapping)되어, 어레이에서의 빛이 평균 스펙클 직경을 갖는 스펙클 패턴을 포함한다. 스펙클 패턴은 어레이에 의해 검출된다. 어레이는 평균 스펙클 직경의 0.5배와 2배 사이의 주기성(periodicity)을 포함한다.

다른 실시예는 소정 파장의 빛으로 표면 영역을 조명하는 레이저 광원, 및 제1 차원에서 주기적 거리를 갖는 제1 어레이를 포함한 검출기를 포함하는 광 포지셔닝 장치에 관한 것이다. 광 포지셔닝 장치는 조명된 영역으로부터 검출기까지 제1 차원에서 평균 스펙클 직경을 갖는 스펙클 패턴을 사상하기 위해, 제1 차원에서 개구수(numerical aperture)를 포함한 광학계를 더 포함한다. 제1 차원에서의 개구수는 제1 차원에서의 주기적 거리로 나눈 파장의 0.5배와 2배 사이에 있다.

다른 실시예들도 또한 개시된다.

본 발명의 이들 및 여러 다른 특징들 및 이점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 더 완전히 이해할 수 있지만, 개시된 특정 실시예들은 첨부된 특허청구범위로 한정되어서는 안 되며, 단지 설명 및 이해를 돕기 위한 것이다.

도 1A 및 도 1B는, 각각, 평탄한 표면으로부터 반사된 빛의 회절 패턴(diffraction pattern) 및 거친 표면으로부터 반사된 빛의 간섭 패턴(interference pattern)에서의 스펙클을 도시한 도면.

도 1은 거친 표면으로부터 반사된 빛의 간섭 패턴에서의 스펙클을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙클-기반 마우스의 기능 블록도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 다이오드 어레이의 블록도.

도 4는 검출기 소자들의 어레이 및 그 소자들의 폭 및 길이 치수들을 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 감지기를 위한 소자 길이(L)에 대해 평균화한 변조 깊이 및 평균화하지 않은 변조 깊이를 도시한 그래프.

스펙클 검출의 문제점들

종래의 스펙클-기반 OPD가 갖는 하나의 문제점은, 이미징 면(imaging plane)에서의 스펙클들은 때때로 너무 작아서 적절하게 검출되지 않는다는 점이다. 이로 인해, OPD의 감도 및 정확도가 줄어들게 된다. 관련 문제점으로는, 스펙클 사이즈를 너무 많이 증가시키면, 결과적인 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)가 실질적으로 줄어들 수 있다.

종래의 스펙클-기반 OPD가 갖는 다른 문제점은, 스펙클 패턴의 이미지 분석이 스펙클 패턴에서의 통계적 변동들에 민감하다는 점이다. 스펙클들은 산란된 가간섭성 빛의 위상 무작위화(randomization)를 통해 생성되기 때문에, 실제 관측되는 스펙클은 기대되는 평균 스펙클 사이즈를 갖지 않는 국부 패턴들을 나타낼 수 있다. 다시 말해, 스펙클들은 평균적으로 정해진 사이즈 및 분포를 갖지만, 국부 패턴들은 그 평균과 일치하지 않을 수 있다.

이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명의 일 양태는 스펙클 검출 및 스펙클 패턴에서의 통계적 변동들에 대한 전술한 문제점들 둘다에 대한 해결책을 개시한다.

본원에 개시된 OPD 실시예들

본원의 개시 내용은, 일반적으로, 광 포지셔닝 장치(Optical Positioning Device: OPD)용 감지기, 및 표면에서 반사된, 스펙클로서 공지된, 빛의 무작위 강도 분포 패턴(random intensity distribution pattern)의 변위에 기초하여 감지기 와 표면 간의 상대적 움직임을 감지하기 위한 방법에 관한 것이다. OPD는 개인용 컴퓨터에 데이터를 입력하기 위한 광 마우스나 트랙볼을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.

본 명세서에서, "일 실시예"나 "실시예들"에 대한 참조는, 그 실시예와 함께 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 본 발명의 명세서의 여러 곳에서 "일 실시예에서"란 문구의 기재는 반드시 모두 같은 실시예를 지칭하지는 않는다.

통상, OPD용 감지기는 표면의 일 부분을 조명하는 광원 및 조명 광학계를 갖는 조명기, 다수의 감광 소자 및 이미징 광학계를 갖는 검출기, 및 각각의 감광 소자로부터의 신호를 결합시켜 검출기로부터 출력 신호를 생성하기 위한 신호 처리 또는 신호-혼합 전자장치(mixed-signal electronics)를 포함한다.

일 실시예에서, 검출기 및 신호-혼합 전자장치는 표준 CMOS 공정 및 장비를 이용하여 제조된다. 바람직하게는, 본 발명의 감지기 및 방법은, 아날로그 및 디지털 전자장치의 결합을 이용하여 단순화된 신호 처리 구성뿐만 아니라 균일한 위상-프론트(phase-front)를 생성하는 구조화된 조명 및 텔레센트릭(telecentric) 스펙클-이미징을 이용하여 광 효율적인 검출 구조를 제공한다. 이 구조는 감지기에서 변위-추정 및 신호 처리에 필요한 전력의 양을 줄인다. 본 발명에 따라 적절히 구성된 스펙클-검출 기술을 이용한 감지기는, 최대 변위 속도, 정확도 및 % 경로 오차율을 포함하여, OPD에 대해 통상 기대되는 모든 성능 기준을 만족하거나 능가할 수 있음을 발견하였다.

스펙클 -기반 변위 감지기의 개요

본 섹션은 출원인에 의해 이해되고 생각되는 바와 같은 스펙클-기반 변위 감지기의 작동 원리를 설명한다. 이들 작동 원리는 이해를 위해 유용하지만, 본 발명의 개시 내용의 실시예는 이들 원리에 의해 불필요하게 제한되는 것은 아니다.

도 1A를 참조하면, 표시된 파장의 레이저 광은 표면으로의 제1 입사파(102) 및 제2 입사파(104)로서 도시되어 있고, 각각은 표면에 대해 입사각(θ)이 수직이 되게 한다. 결과적으로, λ/2sinθ의 주기성을 갖는 회절 패턴(106)이 발생된다.

이와는 달리, 도 1B를 참조하면, 빛의 파장보다 큰(즉, 약 1 ㎛보다 큰) 치수의 토폴로지 불규칙성을 갖는 임의의 일반적인 표면은 대략 램버시안(Lambertian) 방식으로 완전한 반구로 빛을 산란시키게 된다(114). 레이저와 같은 가간섭성 광원을 이용하면, 공간상으로 가간섭성의 산란된 빛이 유한 개구(finite aperture)를 갖는 제곱법 검출기(square-law detector)에 의한 검출시 복잡한 간섭 패턴(116)을 생성하게 된다. 상기 밝은 영역과 어두운 영역의 복잡한 간섭 패턴(116)이 스펙클로 지칭된다. 스펙클 패턴(116)의 정확한 성질과 콘트라스트는 표면 거칠기, 빛의 파장과 공간 가간섭성 정도, 및 집광 또는 이미징 광학계에 의존한다. 종종 매우 복잡하지만, 스펙클 패턴(116)은 광학계에 의해 이미징되는 임의의 거친 표면의 섹션의 명백한 특징을 갖고, 그 자체를 이용하여, 레이저와 광학계-검출기 어셈블리(assembly)를 가로질러 변위될 때, 표면상의 위치를 식별할 수 있다.

스펙클은, 도 1B에 도시된 바와 같은 그 개구수 NA = sinθ에 대하여 종래 정의된 광학계의 유효 개구에 의해 설정된 공간 주파수까지 모든 크기를 형성할 것으로 예상된다. Goodman[J. C. Dainty에 의해 편집된 "Laser Speckle and Related Phenomena," Topics in Applied Physics volume 9, Springer-Verlag(1984)-특히, 39-40 페이지 참조-에서의 J. W. Goodman의 "Statistical Properties of Laser Speckle Patterns"]에 따르면, 크기 통계 분포는 스펙클 강도 자기-상관(auto-correlation)에 대해서 표현된다. "평균" 스펙클 직경은 다음과 같이 정의될 수 있다.

여기서, λ는 가간섭성 광의 파장이다.

스펙클 강도의 공간 주파수 스펙트럼 밀도는, 위너-킨친 정리(Wiener-Khintchine theorem)에 의해, 단순히 강도 자기-상관의 푸리에 변환인 것에 주목하는 것은 흥미롭다. 가장 미세한 가능한 스펙클, a_min = λ/2NA은, 주요 기여가 도 1B의 맨 가장자리 광선(118)(즉, ±θ에 있는 광선)으로부터 발생하고 대부분의 "내측" 광선으로부터의 기여는 파괴적으로 간섭하는 바람직하지 않은 경우에 의해 설정된다. 따라서, 차단 공간 주파수는 fco = 1/(λ/2NA) 또는 2NA/λ이다.

개구수는 직교 차원("y")보다 1차원(예를 들어, "x")을 따르는 이미지에서의 공간 주파수마다 서로 다를 수 있다. 이는, 예를 들어, 한 차원이 다른 차원보다 긴 광 개구(예를 들어, 원형 대신 타원형)에 의해, 또는 아나모픽(anamorphic) 렌즈에 의해 발생할 수도 있다. 이들 경우에 있어서, 스펙클 패턴(116)도 이방성으로 되고, 평균 스펙클 사이즈는 두 차원이 서로 다르게 된다.

레이저 스펙클-기반 변위 감지의 하나의 이점은, 거의 수직 입사각으로 도달하는 조명 광으로 작동할 수 있다는 것이다. 또한, 거친 표면에 스침 입사각으로 도달하는 비간섭성 빛과 이미징 광학계를 채용하는 감지기는 횡단 변위 감지를 위해 채용될 수 있다. 그러나, 조명의 스침 입사각을 이용하여 이미지에서 표면 영역의 적당히 큰 밝고-어두운 그림자를 생성할 수 있으므로, 빛의 상당 부분이 검출기로부터 거울 방식으로 반사되어 이미지 형성에 어떤 기여도 하지 않을 때, 시스템은 본질적으로 광 효율이 낮다. 이와는 달리, 스펙클-기반 변위 감지기는 레이저원으로부터 조명 빛의 더 큰 부분을 효율적으로 이용할 수 있으므로, 광 효율이 좋은 변위 감지기의 개발을 할 수 있게 된다.

스펙클 -기반 변위 감지기에 대한 개시된 설계

이하, 상세한 설명은, 예를 들어, 850nm VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)과 같은, 저전력 광원, 적당한 양의 디지털 신호 처리 회로 및 아날로그 신호 결합 회로를 갖는 CMOS 광 다이오드를 이용한 레이저-스펙클-기반 변위 감지기를 위한 구조를 설명한다. 이하의 상세한 설명에서는 특정한 구현 상세를 설명하고 있지만, 당해 기술분야의 당업자이면, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 다른 광원, 검출기 또는 감광 소자, 및/또는 신호들을 결합시키기 위한 다른 회로를 이용할 수 있다는 것을 알 수 있다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙클-기반 마우스를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙클-기반 시스템(200)의 기능도이다. 시스템(200)은 레이저원(202), 조명 광학계(204), 이미징 광학계(208), 적어도 2개 세트의 다수의 CMOS 광 다이오드 어레이(210), 프론트-엔드 전자장치(212), 신호 처리 회로(214) 및 인터페이스 회로(216)를 포함한다. 광 다이오드 어레이(210)는 2개의 직교 축, x 및 y를 따르는 변위 측정을 제공하도록 구성될 수도 있다. 프론트-엔드 전자장치(212)에서 수동 전자식 컴포넌트를 이용해서 각각의 어레이에서의 광 다이오드들의 그룹들을 결합하여 그룹 신호들을 생성할 수 있다. 그 다음에 그룹 신호들을 신호 처리 회로(214)에 의해 대수적으로(algebraically) 결합하여, x 및 y 방향으로 OPD의 변위의 크기 및 방향에 관한 정보를 제공하는 (x, y) 신호를 생성할 수 있다. (x, y) 신호는 인터페이스 회로(218)에 의해 x, y 데이터(220)로 변환될 수 있으며, x, y 데이터(220)는 OPD에 의해 출력될 수 있다. 이러한 검출 기술을 이용하는 감지기는 "차동 코움 어레이(differential comb arrays)"로서 공지된 인터레이스된 선형 광 다이오드 그룹의 어레이(arrays of interlaced groups of linear photodiodes)를 가질 수 있다.

도 3은 이와 같은 광 다이오드 어레이(302)의 (한 축을 따르는) 일반적인 구성을 나타내고, 여기서, 표면(304)은 조명 광학계(308) 및 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)(306)와 같은 가간섭성 광원에 의해 조명되고, 어레이(302)에서의 인터레이스된 그룹의 결합은 스펙클 이미지에 의해 생성된 밝고-어 두운 신호들(light-dark signals)의 공간 주파수들(spatial frequencies)에서 주기성 필터로서 기능을 한다.

거친 표면(304)에 의해 생성된 스펙클은 이미징 광학계(310)에 의해 검출기 면에 사상된다. 바람직하게는, 이미징 광학계(310)는 최적 성능을 위한 텔레센트릭이다.

일 실시예에서는, 코움 어레이(comb array) 검출을 2개의 독립적인 직교 어레이에서 수행하여, x 및 y의 변위 추정을 얻는다. 도 3에는 하나의 이와 같은 어레이(302)의 일부 변형이 도시되어 있다.

검출기에서의 각각의 어레이는 N개의 광 다이오드 세트로 이루어지고, 각각의 세트는 MN 선형 어레이를 형성하도록 배열된 M개의 광 다이오드(PD)를 갖는다. 도 3에 도시된 실시예에서, 각각의 세트는 1,2,3,4로 지칭되는 4개의 광 다이오드(4 PD)로 이루어진다. 모든 세트로부터의 PD1을 전기적으로 접속하여(배선하여) 그룹을 형성하고, PD2, PD3 및 PD4도 이와 마찬가지로 하여, 어레이로부터 나오는 4개의 신호선을 제공한다. 그 대응하는 전류 또는 신호는 I₁, I₂, I₃ 및 I₄이다. 이들 신호(I₁, I₂, I₃ 및 I₄)는 그룹 신호로 지칭될 수도 있다. 배경 억제(및 신호 강조)는 동상 차동 전류 신호(314; I₁₃ = I₁ - I₃)를 생성하는 차동 아날로그 회로(312) 및 직교 차동 전류 신호(318; I₂₄ = I₂ - I₄)를 생성하는 차동 아날로그 회로(316)를 이용함으로써 달성된다. 이들 동상 및 직교 신호는 라인 신호로 지칭될 수도 있다. I₁₃과 I₂₄의 위상을 비교함으로써 움직임 방향을 검출할 수 있다.

바람직하게는, 변위 오차로 직접 변환(translate)될 수 있는 위상 오차의 도입을 억제하기 위해, 본 발명의 감지기는 다중 코움 어레이를 이용한다. 또한, 여기서 개시된 실시예는 개별적인 어레이에 대하여 "4N" 방식을 이용하지만, 본 발명의 시스템 설계 원리는, 3N, 5N, 6N, 7N, 8N 등과 같은, 다른 어레이 구성 또는 방식에 (적당한 변형에 따라) 적용 가능하다. 용어 "4N"은 모든 제4 검출기가 함께 배선되는 검출기 어레이를 지칭하고, 결과로서 생기는 4개의 광전류 신호는 Dandliker 등에 의해 설명된 바와 같이 서로로부터 제거된다(미국 특허 번호 제5,907,152호). 그러나, 다수의 다른 그룹화는 신호를 결합시키기 위한 적당한 방식에 따라 가능하다.

검출기 피치와 관련된 스펙클 사이즈 일치

전술한 바와 같이, 종래 스펙클-기반 OPD가 갖고 있는 문제점은 더 작은 스펙클을 검출하는 어려움과 더 큰 스펙클을 검출할 때의 신호의 감소를 포함한다. 본 출원은, 평균 스펙클 직경(a)이 검출기에서 소자의 폭(w)보다 큰 특정 인자 또는 그 근방에 있도록 광학계를 구성함으로써 이들 문제점에 대한 효과적인 해결책을 제공한다. 다른 방법으로는, 검출기는, 검출기 소자의 폭(w)이 평균 스펙클 직경(a)의 특정 부분 또는 그 근방에 있도록 구성될 수 있다.

MN개의 검출기 소자를 갖는 선형 코움 어레이(linear comb array: LCA)를 고려한다(여기서, N은 어레이 내의 세트 수이고, 각각의 세트는, 어레이의 피치가 Mw 가 되도록, M개의 소자를 갖는다). 이 경우, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광학계는, 다음 식에 따라 주어지거나 대략 주어지는 평균 스펙클 직경(a = λ/NA)을 생성하도록 구성된다.

a = Mw

더욱 일반적으로, 광학계는, M을 곱한 소자 폭의 0.5배와 2배 사이에 있는 평균 스펙클 직경을 생성하도록 구성된다. 다른 관점에서, 바람직하게는, 검출기 소자는 다음 식에 따라 주어지거나 대략 주어지는 폭(w)으로 구성될 수도 있다.

w = a/M

더욱 일반적으로, 검출기 소자는 M으로 나눈 평균 스펙클 직경의 0.5배와 2배 사이에 있는 소자로 구성될 수도 있다.

"4N" 방식(즉, M = 4)을 이용하는 도 3에 도시된 특정 검출기 실시예에서, 광학계는, 바람직하게는, 평균 스펙클 직경(a)이 다음 식에 따라 검출기 소자 폭(w)과 일치할 수 있도록 구성될 수도 있다.

a = Mw = 4w

이 사이즈 일치는 다음의 이유로 최적이거나 최적 근방이다. 스펙클이 상당히 커지면, 평균 스펙클은 전체 어레이 주기 이상을 포함하게 된다. 이 경우, 여러 광 다이오드가 같은 스펙클에서 한번 조명되기 때문에, 여러 신호 배선에서 생 성된 전류는 스펙클의 위치에 약하게 의존하게 된다. 한편, 스펙클이 검출기 소자 폭(w)보다 훨씬 더 작으면, 다수의 스펙클이 각각의 검출기 소자에 존재하게 된다. 이로 인해, 스펙클 위치와도 독립적인, 상당한 배경 광 전류를 발생시키고, OPD의 성능을 감소시킨다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 평균 스펙클 직경은 이와 같은 "4N" 구성에 대한 검출기 소자 폭의 0.5배와 2배 사이에 있다.

스펙클에 관한 논문에는, 공간 주파수의 범위가 스펙클 이미지에 존재하고, 상기 타입의 코움 검출기를 그 범위로부터 특정 공간 주파수(검출기 피치에 대응)를 추출한 것으로서 볼 수 있다는 것이 공지되어 있다. 출원인은, 스펙클 사이즈가 수학식 2에 따른 검출기 어레이에 일치하거나 대략 일치하는 경우, 움직임 신호의 강도를 최대화하고, 원하지 않는 배경을 최소화할 수 있음을 알고 있다.

개구수가 서로 다른 방향으로 서로 다른 경우, 평균 스펙클 직경도 서로 다르고, 일치 조건도 x와 y에 대하여 서로 다르다는 것에 주목할 필요가 있다. x-축에 평행한 장축에 따라 배향된 어레이의 경우, x-방향으로 평균 스펙클 직경은 x-방향으로 측정된 피치와 일치할 필요가 없다.

또한, 검출기 피치는 축을 따라 검출기의 평균 간격에 의해 결정된다는 것에 주목해야 한다. 일부 실시예에서, 검출기는 고정 피치(주기성)로 일정하게 이격되지만, 완전한 주기성은 여기서 설명한 검출기 방식에는 필요하지 않다. 검출기가 고정 피치로 일정하게 이격되지 않고, 평균 피치(p)를 가지면, 수학식 2는 아래 수학식 5로 수정될 수 있다.

a = p

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 평균 스펙클 직경은 검출기 피치의 대략 0.5배이다. 더욱 일반적으로, 평균 스펙클 직경은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기 피치의 0.25배와 1배 사이이다.

검출기 소자의 길이

도 4는 검출기 소자의 어레이와 그 소자의 폭(w) 및 길이(L) 치수를 나타낸 도면이다. 전술한 설명은 소자의 폭 치수에 초점을 맞추지만, 본 섹션은 길이 치수에 초점을 맞춘다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, LCA의 강건한 작동을 위해, 검출기 소자의 길이(L)가 적어도 여러 스펙클 직경 길이인 것이 바람직하므로, 움직임을 감지하는 의도된 방향에 수직인 변형은 잘못된 신호를 생성하지 않게 된다. 상기 스펙클 평균화는 (a/L)^1/2의 인자만큼 변조 깊이의 감소에 기여할 수도 있다. 예를 들어, 평균 스펙클 직경(a)의 약 4배인 검출기 소자 길이(L)를 이용함으로써 약 4개 내지 5개의 스펙클의 평균화는 약 2의 인자만큼 변조 길이를 줄인다.

도 5에는 소자 길이(L)에 대해 평균화하지 않은(원래) 및 평균화한 변조 깊이(스펙클 콘트라스트)를 도시한 그래프 예가 제공된다. 도 5를 참조하면, √2의 인자만큼 변조 깊이에서의 추가 감소는 표면 편광 소멸로부터 발생한다. 검출기 소자 길이를 가로지른 스펙클 평균화 및 편광소멸(depolarization) 후의 변조 깊이(γ)는 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따르면, 검출기는 대체로 균일한 소자 길이를 포함하고, 소자 길이는, 소자의 길이에 대체로 평행한(폭에 수직인) 움직임을 갖는 비교적 안정한 신호를 유지하기 위해, 평균 스펙클 직경보다 크도록 구성된다. 소자 길이가 더 길어지면, 안정성이 더 커진다.

그러나, 도 5를 참조하면, 길이가 길어질수록, 변조 깊이의 감소는 더 커진다. 따라서, 그 트레이드오프(tradeoff)에 따르면, 소자 길이는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평균 스펙클 직경의 2배와 10배 사이에 있도록 구성될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예들 및 예들에 대한 전술한 설명은 예시 및 설명을 위해 제공된 것으로, 본 발명을 전술한 특정 예들에 의해 설명하고 나타냈지만, 이에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 이는 본 발명을 개시된 특정 형태로 한정하거나 망라하는 것이 아니고, 교시에 따라 본 발명의 범위 내에서 다수의 수정, 개량 및 변형이 가능하다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구의 범위 및 그 등가물에 의해 본원에 개시된 것과 같은 일반적인 영역을 포함한다.

Claims

일련의 프레임들에서 광 피처들(features)의 변위를 결정함으로써 표면에 대한 데이터 입력 장치의 횡단 변위(transverse displacement)를 감지하기 위한 광 변위 감지기로서,

상기 표면의 일부분을 조명하는 가간섭성(coherent) 광원 및 조명 광학계(illumination optics)를 갖는 조명기(illuminator); 및

주기적 거리를 갖는 적어도 제1 감광 소자 어레이 및 이미징 광학계(imaging optics)를 갖는 검출기

를 포함하고,

상기 조명기와 상기 검출기는 상기 표면의 조명된 일부분으로부터 반사된 빛의 강도 패턴(intensity pattern)을 상기 제1 감광 소자 어레이 상에 생성하도록 구성되고,

상기 강도 패턴은 상기 어레이의 상기 주기적 거리의 0.5배와 2배 사이에 있는 평균 스펙클(speckle) 직경을 갖는 복수의 스펙클을 포함하는 광 변위 감지기.
제1항에 있어서,

제공된 상기 평균 스펙클 직경은 상기 어레이의 대략 한 주기적 거리인 광 변위 감지기.
제1항에 있어서,

상기 제1 감광 소자 어레이는 M개의 인터레이스된 소자 그룹을 갖는 차동 코움 어레이(differential comb array)를 포함하는 광 변위 감지기.
제3항에 있어서,

상기 각각의 감광 소자는 대체로 균일한 소자 폭을 포함하고,

상기 조명기와 상기 검출기는 M을 곱한 상기 소자 폭의 0.5배와 M을 곱한 상기 소자 폭의 2배 사이의 평균 스펙클 직경을 제공하도록 구성되는 광 변위 감지기.
제4항에 있어서,

제공된 상기 평균 스펙클 직경은 M을 곱한 대략 한 소자 폭인 광 변위 감지기.
제1항에 있어서,

상기 가간섭성 광원으로부터의 빛의 파장과 상기 이미징 광학계의 개구수(NA; numerical aperture)는 상기 평균 스펙클 직경을 제공하도록 선택되는 광 변위 감지기.
제1항에 있어서,

상기 각각의 감광 소자는 상기 평균 스펙클 직경보다 큰 대체로 균일한 소자 길이를 포함하는 광 변위 감지기.
제7항에 있어서,

상기 소자 길이는 상기 평균 스펙클 직경의 2배와 10배 사이에 있는 광 변위 감지기.
제1항에 있어서,

제2 감광 소자 어레이를 더 포함하고,

상기 제2 어레이는 상기 제1 어레이의 감광 소자들이 배열되는 제1 축에 평행하지 않은 제2 축을 따라 배열된 감광 소자들을 갖는 광 변위 감지기.
제9항에 있어서,

제공된 상기 평균 스펙클 직경은, 상기 제1 축을 따른 개구수와 상이한 상기 제2 축을 따른 개구수를 갖는 상기 광학계를 구성함으로써, 상기 제1 축을 따른 직경과 상기 제2 축을 따른 직경이 상이한 광 변위 감지기.
표면을 가로지르는 데이터 입력 장치의 움직임을 감지하는 방법으로서,

가간섭성 광원을 갖는 조명기를 이용하여 상기 표면의 일부분을 조명하는 단계;

상기 표면의 조명된 부분으로부터 빛을 반사하는 단계;

검출기 소자 어레이 상에 빛을 사상(mapping)하여, 그 어레이에서의 상기 빛이 평균 스펙클 직경을 갖는 스펙클 패턴을 포함하도록 하는 단계; 및

상기 어레이에 의해 상기 스펙클 패턴을 검출하는 단계

를 포함하고,

상기 어레이는 상기 평균 스펙클 직경의 0.5배와 2배 사이에 있는 주기성을 포함하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 주기성은 상기 평균 스펙클 직경과 대략 같은 방법.
제11항에 있어서,

상기 어레이 내의 각각의 소자는 대체로 균일한 소자 폭을 포함하는 방법.
제13항에 있어서,

상기 어레이는 M개의 인터레이스된 소자 그룹을 포함한 차동 코움 어레이를 포함하고,

상기 사상에 의해, 상기 어레이에서의 상기 평균 스펙클 직경을, M을 곱한 상기 소자 폭의 0.5배와 2배 사이에 있게 하는 방법.
제13항에 있어서,

상기 사상에 의해, 상기 어레이에서의 상기 평균 스펙클 직경을, M을 곱한 상기 소자 폭과 대략 같게 하는 방법.
제13항에 있어서,

상기 어레이 내의 각각의 소자는 상기 평균 스펙클 직경보다 큰, 대체로 균일한 소자 길이를 포함하는 방법.
제16항에 있어서,

상기 소자 길이는 상기 평균 스펙클 직경의 적어도 2배인 방법.
소정 파장의 빛으로 표면 영역을 조명하는 레이저 광원;

제1 차원에서 주기적 거리를 갖는 제1 어레이를 포함한 검출기; 및

상기 제1 차원에서 개구수를 포함하여, 상기 조명된 영역으로부터 상기 검출기까지 상기 제1 차원에서 평균 스펙클 직경을 갖는 스펙클 패턴을 사상하는 광학계

를 포함하고,

상기 제1 차원에서 상기 개구수는 상기 제1 차원에서 상기 주기적 거리로 나눈 상기 파장의 0.5배와 2배 사이에 있는 광 포지셔닝 장치(optical positioning device).
제18항에 있어서,

상기 개구수는 상기 주기적 거리로 나눈 상기 파장과 대략 같은 광 포지셔닝 장치.
제18항에 있어서,

상기 검출기는 제2 차원에서 주기적 거리를 갖는 제2 어레이를 더 포함하고,

상기 광학계는 상기 제2 차원에서 상이한 개구수를 더 포함하여, 상기 조명된 영역으로부터 상기 검출기까지 상기 제2 차원에서 상이한 평균 스펙클 직경을 갖는 상기 스펙클 패턴을 사상하고,

상기 제2 차원에서 상기 개구수는 상기 제2 차원에서 상기 주기적 거리로 나눈 상기 파장의 0.5배와 2배 사이에 있는 광 포지셔닝 장치.