KR20070026614A - Optical positioning device having shaped illumination - Google Patents

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KR20070026614A
KR20070026614A KR1020067026827A KR20067026827A KR20070026614A KR 20070026614 A KR20070026614 A KR 20070026614A KR 1020067026827 A KR1020067026827 A KR 1020067026827A KR 20067026827 A KR20067026827 A KR 20067026827A KR 20070026614 A KR20070026614 A KR 20070026614A
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photosensitive elements
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optical displacement
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KR1020067026827A
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클린톤 비 칼리슬
자자 아이 트리스나디
찰스 비 록슬로
데이비드 에이 레호티
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실리콘 라이트 머신즈 코포레이션
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Abstract

One embodiment relates to an optical displacement sensor for sensing relative movement between a data input device and a surface (304) by determining displacement of optical features in a succession of frames. The sensor includes an illuminator and a detector. The illuminator has a light source and illumination optics (506) to illuminate a portion of the surface (510) with a planar phase-front. The detector has a plurality of photosensitive elements (502) and imaging optics (512). The illuminator and the detector are configured such that the illuminated portion of the surface (510) is less than fifty percent larger than a field of view of the photosensitive elements (502) of the detector. Other embodiments are also described. ® KIPO & WIPO 2007

Description

형태화된 조명을 갖는 광학 위치추적 장치{OPTICAL POSITIONING DEVICE HAVING SHAPED ILLUMINATION}Optical Positioning Device with Shaped Illumination {OPTICAL POSITIONING DEVICE HAVING SHAPED ILLUMINATION}

<관련 출원서들>Related Applications

본 출원서는, 2004년 5월 21일에 출원된, 발명자 클린톤 비. 칼리슬(Clinton B. Carlisle), 자하 아이. 트리스나디(Jahja I. Trisnadi), 찰스 비이. 록슬로(Charles B. Roxlo), 및 데이비드 에이. 르호티(David A. LeHoty)에 의한, "형태화된 조명을 갖는 광학 위치 감지 장치(Optical position sensing device having shaped illumination)"의 표제의, 미국 가특허출원 제60/573,394호의 우선권을 청구한다. 위에 언급된 US 가특허출원서는 그 전체내용이 참조로서 본 명세서에 병합된다. This application, filed on May 21, 2004, finds inventor Clinton B. Clinton B. Carlisle, Zaha I. Jahja I. Trisnadi, Charles B. Charles B. Roxlo, and David A. Claims priority of US provisional application 60 / 573,394, entitled "Optical position sensing device having shaped illumination," by David A. LeHoty. The US provisional patent application referred to above is hereby incorporated by reference in its entirety.

본 출원서는 또한, 2004년 5월 21일에 출원된, 발명자 데이비드 에이. 르호티(David A. LeHoty). 더글라스 에이. 웹(Douglas A. Webb), 찰스 비이. 록슬로(Charles B. Roxlo), 클린톤 비. 칼리슬(Clinton B. Carlisle), 및 자하 아이. 트리스나디(Jahja I. Trisnadi)에 의한, "공유 인터페이스 감광 소자들의 상이한 조합을 사용하는 검출기 어레이를 갖는 광학 위치 감지 장치(Optical position sensing device having a detector array using different combinations of shared interlaced photosensitive elements)"의 표제의 미국 가특허출원 제60/573,075호 의 우선권을 청구한다. 위에 언급된 US 가특허출원서는 그 전체내용이 참조에 의해 본 명세서에 병합된다. The present application is also filed on May 21, 2004, the inventor David A. David A. LeHoty. Douglas A. Douglas A. Webb, Charles B. Charles B. Roxlo, Clinton B. Clinton B. Carlisle, and Zaha. Of "Optical position sensing device having a detector array using different combinations of shared interlaced photosensitive elements" by Jahja I. Trisnadi. Claims priority of U.S. Provisional Patent Application 60 / 573,075. The US provisional patent application referred to above is hereby incorporated by reference in its entirety.

<기술 분야><Technology field>

본 발명은 일반적으로 OPD(Optical Positioning Device)와, 그것을 사용하여 이동을 감지하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates generally to an optical positioning device (OPD) and a method for sensing movement using the same.

컴퓨터 마우스나 트랙볼과 같은 포인팅 장치는, 개인용 컴퓨터와 워크스테이션에 데이터를 입력하고 인터페이싱하는데 이용된다. 이와 같은 장치는 모니터 상의 커서를 신속하게 재배치하도록 하고, 다수의 텍스트, 데이터베이스, 및 그래픽 프로그램에서 유용하다. 사용자는, 예를 들어, 마우스를 표면에서 움직여 한 방향으로 마우스 움직임에 비례하는 거리만큼 커서를 움직임으로써, 커서를 제어한다. 다른 경우, 정지된 장치 상에서 손의 움직임이 같은 목적에 이용될 수도 있다.Pointing devices, such as computer mice and trackballs, are used to enter and interface data to personal computers and workstations. Such devices allow for quick repositioning of the cursor on the monitor and are useful in many text, database, and graphic programs. The user controls the cursor, for example, by moving the mouse on the surface and moving the cursor by a distance proportional to the mouse movement in one direction. In other cases, hand movements on a stationary device may be used for the same purpose.

컴퓨터 마우스는 광학식 버전과 기계식 버전이 있다. 통상, 기계식 마우스는 회전하는 볼을 이용하여 움직임을 검출하고, 볼과 접촉하는 한 쌍의 샤프트 인코더(shaft encoder)를 이용하여 컴퓨터에 의해 이용되는 디지털 신호를 생성함으로써 커서를 움직인다. 기계식 마우스가 갖고 있는 하나의 문제점은, 먼지 누적 등으로 인해 사용을 지속한 후 부정확해지고 고장이 일어나기 쉽다는 것이다. 또한, 기계식 소자들, 특히, 샤프트 인코더의 움직임과 결과로서 생기는 마모는 장치의 유용한 수명을 제한하게 된다.Computer mice come in both optical and mechanical versions. Typically, a mechanical mouse uses a rotating ball to detect movement and a pair of shaft encoders in contact with the ball to move the cursor by generating a digital signal used by a computer. One problem with mechanical mice is that they are inaccurate and prone to breakdown after continued use due to dust accumulation and the like. In addition, the movement of the mechanical elements, in particular the shaft encoder, and the resulting wear limit the useful life of the device.

기계식 마우스가 갖고 있는 상술한 문제에 대한 하나의 해결책(solution)은 광 마우스의 개발이었다. 광 마우스는, 더 견고하고 더 나은 포인팅 정확도를 제공할 수도 있기 때문에, 매우 널리 보급되었다.One solution to the above-mentioned problems with mechanical mice has been the development of optical mice. Optical mice have become very widespread because they may provide more robust and better pointing accuracy.

광 마우스에 이용된 지배적인 종래 기술은 스침각 입사(grazing incidence)로 표면을 조명하는 LED(light emitting diode), 결과로서 생기는 이미지를 캡처(capture)하는 2차원 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 검출기, 및 연속적인 이미지를 상관시켜 마우스가 움직인 방향, 거리, 및 속도를 결정하는 소프트웨어에 의존한다. 본 기술은 통상적으로 좋은 정확성을 제공하지만, 저 광학 효율성과 비교적 높은 이미지 처리 요구사항들을 감수한다.The dominant prior art used in optical mice is a light emitting diode (LED) that illuminates the surface with grazing incidence, and a two-dimensional complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) that captures the resulting image. It depends on the detector and the software that correlates the successive images to determine the direction, distance, and speed the mouse is moving. The technique typically provides good accuracy but at low optical efficiency and relatively high image processing requirements.

다른 접근법은 광 다이오드와 같은 광-감지기나 검출기의 1차원 배열을 이용한다. 연속적인 표면 이미지가 이미징 광학계에 의해 캡처되고, 광 다이오드들로 변환하고, 비교되어, 마우스의 움직임을 검출한다. 광 다이오드들을 그룹들로 직접 배선접속하여 움직임 검출을 용이하게 할 수 있다. 이것은 광다이오드 요구사항들을 감소시키고, 신속하게 아날로그 처리를 하도록 한다. 이와 같은 마우스의 일 예는 댄들리커 외(Dandliker et. al.)에 의한 미국특허 제5,907,152호에 개시되어 있다.Another approach uses a one-dimensional array of photo-detectors or detectors, such as photodiodes. Successive surface images are captured by imaging optics, converted to photodiodes, and compared to detect mouse movement. Photodiodes can be wired directly into groups to facilitate motion detection. This reduces photodiode requirements and allows for rapid analog processing. One example of such a mouse is disclosed in US Pat. No. 5,907,152 to Danliker et. Al.

댄들리커 외에 의한. 미국특허 제5,907,152호에서 개시된 마우스는 레이저와 같은 가간섭성(coherent) 광원을 이용한다는 점에서도, 표준 기술과 다르다. 거친 표면에서 산란된 가간섭성 광원으로부터의 광은 스펙클(speckle)로서 공지된 광의 랜덤 강도 분포(random intensity distribution)를 생성한다. 스펙클-기반 패턴의 이용은 보통 입사의 조명하에서도 효율적인 레이저-기반 광 생성 및 높은 대 비(contrast) 이미지를 포함하는 여러 이점들을 갖는다. 이는 더 효율적인 시스템이도록 하고, 전류 소비를 절약하므로, 전지 수명을 연장하기 위한 무선 어플리케이션에서 유리하다.By Dandlicker et al. The mouse disclosed in US Pat. No. 5,907,152 differs from standard technology in that it uses a coherent light source such as a laser. Light from the coherent light source scattered at the rough surface produces a random intensity distribution of light known as speckle. The use of speckle-based patterns has several advantages, including efficient laser-based light generation and high contrast images, even under normal illumination of incidence. This makes the system more efficient and saves current consumption, which is advantageous in wireless applications to extend battery life.

종래 LED-기반 광 마우스에 상당한 진보가 이루어졌지만, 이들 스펙클-기반 장치는 여러 가지 이유로 완전히 만족할 만한 진보를 이루지 못했다. 특히, 레이저 스펙클을 이용하는 마우스는, 일반적으로, 약 0.5%보다 작거나 그 정도의 경로 오차를 갖는 것이 바람직한 오늘날 최신 마우스에서 통상 요구되는 정확도를 나타내지 못했다.While significant advances have been made in conventional LED-based optical mice, these speckle-based devices have not made fully satisfactory advances for a variety of reasons. In particular, mice using laser speckles generally did not exhibit the accuracy typically required in today's modern mice where it is desirable to have path errors of less than or about 0.5%.

본 발명의 개시 내용은 종래 광 마우스와 다른 유사한 광 포인팅 장치가 갖고 있는 특정 문제점들에 대한 해결책을 논의하고 제공한다.The present disclosure discusses and provides solutions to certain problems with conventional optical mice and other similar optical pointing devices.

<발명의 개요><Overview of invention>

일 실시예는, 연속적 프레임들에서 광학 특징들의 변위(displacements)를 결정하여 데이터 입력 장치와 표면 사이의 상대 이동을 감지하는 광학 변위 감지기에 관한 것이다. 감지기는 적어도 한 개의 조명기와 검출기를 포함한다. 조명기는 표면의 부분을 조명하는 광원과 조명 광학계(illumination optics)를 갖는다. 검출기는 복수의 감광 소자와 이미징 광학계(imaging optics)를 갖는다. 조명기와 검출기는, 표면의 조명된 부분이 검출기의 감광 소자들의 시계(field of view;FOV)보다 50% 이하로 더 크도록 구성된다.One embodiment relates to an optical displacement detector that determines displacements of optical features in successive frames to detect relative movement between the data input device and the surface. The detector includes at least one illuminator and a detector. Illuminators have illumination sources and illumination optics that illuminate portions of the surface. The detector has a plurality of photosensitive elements and imaging optics. The illuminator and detector are configured such that the illuminated portion of the surface is 50% or less larger than the field of view (FOV) of the detector's photosensitive elements.

다른 실시예는 연속적인 프레임들에서 광학 특성들의 변위를 결정하여 데이터 입력 장치와 표면 사이의 상대 이동을 감지하는 방법에 관한 것이다. 광원으로 부터 조명이 발생되고, 조명 광학계에 의해 조명은 표면의 일부로 매핑된다. 표면의 조명된 부분으로부터 조명이 반사되고, 이미징 광학계에 의해, 그 반사된 조명은 검출기의 감광 소자들의 배열로 매핑된다. 표면의 조명된 부분은 감광 소자들의 FOV보다 50% 이하로 더 크다.Another embodiment is directed to a method of detecting relative movement between a data input device and a surface by determining displacement of optical properties in successive frames. Illumination is generated from the light source, which is mapped by the illumination optics to a part of the surface. Illumination is reflected from the illuminated portion of the surface, and by the imaging optics, the reflected illumination is mapped into an array of photosensitive elements of the detector. The illuminated portion of the surface is 50% or less larger than the FOV of the photosensitive elements.

다른 실시예는, 연속적 프레임들에서 광학 특징들의 변위를 결정하여 데이터 입력 장치와 표면 사이에 상대 이동을 감지하는 광학 변위 감지기에 관한 것이다. 감지기는 적어도 광원, 조명 광학계, 감광 소자들의 배열, 및 이미징 광학계를 포함한다. 조명 광학계는 제1 형태로 표면의 일부를 조명하기 위해 적응되고, 감광 소자들의 배열은 제1 형태와 유사한 제2 형태를 포함한다. 이미징 광학계는 표면의 조명된 부분으로부터 반사되는 조명을 매핑하기 위해 적응되어 그 반사된 조명이 감광 소자들의 배열을 덮도록 한다.Another embodiment relates to an optical displacement detector that determines the displacement of optical features in successive frames to sense relative movement between the data input device and the surface. The detector includes at least a light source, illumination optics, an array of photosensitive elements, and imaging optics. The illumination optics is adapted to illuminate a portion of the surface in a first form, and the arrangement of photosensitive elements comprises a second form similar to the first form. Imaging optics are adapted to map the light reflected from the illuminated portion of the surface such that the reflected light covers the array of photosensitive elements.

다른 실시예들도 개시된다. Other embodiments are also disclosed.

본 발명의 이들과 다양한 다른 특징들과 이점들은 다음에 첨부 도면들의 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해될 것이지만, 도시된 특정 실시예들로 첨부된 청구범위를 제한하는 것이 아닌, 단지 설명과 이해만을 위해서 인것으로서 이해되어야 한다.These and various other features and advantages of the present invention will be more fully understood from the following detailed description of the accompanying drawings, but are not intended to limit the scope of the appended claims to the specific embodiments shown, but are for illustration and understanding only. It should be understood as.

도 1a와 도 1b는, 평탄한 표면으로부터 반사된 광의 회절 패턴과 거친 표면으로부터 반사되는 광의 간섭 패턴의 스페클(speckle)을 각각 나타낸다.1A and 1B show speckles of a diffraction pattern of light reflected from a flat surface and an interference pattern of light reflected from a rough surface, respectively.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스페클-기반 마우스의 기능 블럭도이다.2 is a functional block diagram of a speckle-based mouse in accordance with one embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광다이오드 어레이의 블럭도이다.3 is a block diagram of a photodiode array according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 집적 광학계(light collection optics)의 기능 블럭도이다.4 is a functional block diagram of light collection optics in accordance with an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조화된 조명을 나타내는 광학적 도해이다.5 is an optical diagram illustrating structured illumination in accordance with an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 각각이 복수의 행을 갖는, 검출기 소자들의 2개의 축을 나타내는 기능 블럭도이다.6 is a functional block diagram illustrating two axes of detector elements, each having a plurality of rows, in accordance with one embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기 소자들의 다양한 배열을 도시한다. 7 illustrates various arrangements of detector elements in accordance with one embodiment of the present invention.

종래 스페클-기반 광학 위치추적 장치의 한 가지 문제점은 검출기의 전체 광다이오드 어레이를 덮기 위한 검출기와의 반사된 조명의 오배치(misalignment)의 가능성이다. 전체 검출기 어레이를 신뢰성이 있게 덮기 위해, 종래 OPD는 통상적으로 검출기의 FOV보다 이미지 평면의 더 넓은 부분을 조명하기 위해 구성되어서, 잠재적 오배치의 문제에도 불구하고 반사된 조명에 의해 광다이오드 어레이 전체가 확실히 덮어지도록 한다.One problem with conventional speckle-based optical positioning devices is the possibility of misalignment of reflected illumination with the detector to cover the entire photodiode array of the detector. In order to reliably cover the entire detector array, conventional OPDs are typically configured to illuminate a wider portion of the image plane than the FOV of the detector, so that the entire photodiode array is prevented by reflected illumination in spite of potential misplacement problems. Make sure it is covered.

그러나, 넓은 조명 영역을 갖는 것은 광다이오드가 검출하는 반사되는 조명의 에너지 강도를 감소시킨다. 그러므로, 종래 OPD의 오배치 문제들을 해결하거나 피하기 위한 시도는 광다이오드 어레이에 이용가능한 반사된 광의 유실로 빈번하게 결과되거나, 또는 조명 에너지에 대해 더 높은 요구사항을 부가하였다.However, having a large illumination area reduces the energy intensity of the reflected light that the photodiode detects. Therefore, attempts to solve or avoid the misplacement problems of conventional OPDs frequently result from the loss of reflected light available to the photodiode array, or have placed higher requirements on the illumination energy.

아래에 상세히 논의된 바와 같이, 본 발명의 일 양태는 위에 논의된 조명 오배치와 비효율성의 문제들에의 해결책을 개시한다. As discussed in detail below, one aspect of the present invention discloses a solution to the problems of illumination misplacement and inefficiency discussed above.

본 명세서에 개시된 Disclosed herein OPDOPD 실시예들Examples

본 발명의 개시 내용은, 일반적으로, OPD를 위한 감지기, 및 표면에서 반사된, 스펙클로서 공지된, 광의 랜덤 강도 분포 패턴의 변위에 기초하여 감지기와 표면 간의 상대적 움직임을 감지하기 위한 방법에 관한 것이다. OPD는 개인용 컴퓨터에 데이터를 입력하기 위한 광 마우스나 트랙볼을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.The present disclosure generally relates to a sensor for an OPD and a method for sensing relative motion between a sensor and a surface based on displacement of a random intensity distribution pattern of light, known as speckle, reflected off the surface. will be. The OPD includes, but is not limited to, an optical mouse or trackball for entering data into a personal computer.

본 발명의 명세서에서, "일 실시예"나 "실시예들"에 대한 참조는, 실시예와 연결하여 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.In the context of the present invention, reference to "one embodiment" or "embodiments" means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the present invention. . The appearances of the phrase "in one embodiment" in various places in the specification are not necessarily all referring to the same embodiment.

일반적으로, OPD를 위한 감지기는 표면의 일 부분을 조명하는 광원 및 조명 광학계를 갖는 조명기, 다수의 감광 소자 및 이미징 광학계를 갖는 검출기, 및 각각의 감광 소자로부터의 신호를 조합시켜 검출기로부터의 출력 신호를 생성하기 위한 신호 처리 또는 혼합-신호 전자장치를 포함한다.In general, a detector for an OPD combines an illuminator with a light source and illumination optics to illuminate a portion of the surface, a detector with multiple photosensitive elements and imaging optics, and a signal from each photosensitive element to output an output signal from the detector. Signal processing or mixed-signal electronics for generating the electronic device.

일 실시예에서, 표준 CMOS 프로세스들과 기기를 사용하여 검출기와 혼합-신호 전자장치가 제조된다. 본 발명의 감지기와 방법은, 아날로그와 디지털 전자장치의 조합을 사용하여 단순화된 신호 처리 구성뿐만이 아니라 일정한 위상-프론트(phase-front)와 텔레센트릭(telecentric) 스페클-이미지를 생성하는 구조화된 조명의 사용에 의해 광학적으로 효율적인 검출 아키텍쳐를 제공하는 것이 바람직하다. 이 아키텍쳐는 신호 처리와 감지기에서 변위-추정에 제공된 전력량을 감소시킨다. 본 발명에 따라서 적절하게 구성된 스페클-검출 기술을 사용하는 감지기가, 최대 변위 속도, 정확성, 및 % 경로 에러율을 포함하는, 통상적으로 OPD에 기대되는 모든 성능 기준에 일치하거나 초과할 수 있슴이 발견되었다. In one embodiment, detectors and mixed-signal electronics are fabricated using standard CMOS processes and equipment. The detectors and methods of the present invention use a combination of analog and digital electronics to structure structured phase-front and telecentric speckle-images as well as simplified signal processing configurations. It is desirable to provide an optically efficient detection architecture by the use of illumination. This architecture reduces the amount of power provided to displacement-estimates in signal processing and detectors. It is found that a detector using a properly configured speckle-detection technique in accordance with the present invention may meet or exceed all performance criteria typically expected for OPD, including maximum displacement velocity, accuracy, and% path error rate. It became.

스페클Speckle -기반 변위 감지기들로의 서두Introduction to -based displacement detectors

본 섹션은 출원인에 의해 이해되고 믿어지는 바와 같은 스펙클-기반 변위 감지기의 작동 원리를 논의한다. 이들 작동 원리는 이해를 위해 유용하지만, 본 발명의 개시 내용의 실시예가 이들 원리에 의해 제한될 필요가 있도록 의도되지는 않는다.This section discusses the principle of operation of a speckle-based displacement detector as understood and believed by the applicant. These principles of operation are useful for understanding, but it is not intended that embodiments of the present disclosure be limited by these principles.

도 1a를 참조하면, 나타내진 파장의 레이저광은 표면에 제1 입사파(102)와 제2 입사파(104)로서 도시되고, 각각은 표면 법선(normal)에 대해 입사각 θ를 이룬다. 회절 패턴(106)은 λ/2sinθ의 주기를 갖는 결과를 낸다.Referring to FIG. 1A, the laser light of the indicated wavelength is shown on the surface as a first incident wave 102 and a second incident wave 104, each of which forms an incident angle θ with respect to the surface normal. Diffraction pattern 106 results in a period of λ / 2sinθ.

이에 비해, 도 1b를 참조하면, 광의 파장보다 큰(즉, 약 1 ㎛보다 큰) 치수의 형태 불규칙성을 갖는 임의의 일반적인 표면은 대략 람버시안(Lambertian) 방식으로 완전한 반구로 광(114)을 산란시키게 된다. 레이저와 같은 가간섭성 광원을 이용하면, 공간적으로 가간섭성으로 산란된 광이 유한 구경을 갖는 제곱 법칙 검출기에 의해 검출시 복잡한 간섭 패턴(116)을 생성하게 된다. 상기 밝은 영역과 어두운 영역의 복잡한 간섭 패턴(116)은 스펙클로 지칭된다. 스펙클 패턴(116)의 정확한 특성과 대비는 표면 거칠기, 광의 파장과 그것의 공간 가간섭성의 정도, 및 광-집적 또는 이미징 광학계에 따른다. 종종 매우 복잡하지만, 스펙클 패턴(116)은 광학계에 의해 이미징되는 임의의 거친 표면의 섹션의 명백한 특징이고, 그렇게 해서, 그것이 레이저와 광학계-검출기 어셈블리를 가로질러 변위됨에 따라, 표면 상의 위치를 식별하는데 이용될 수 있다.In contrast, referring to FIG. 1B, any common surface with morphological irregularities of dimensions greater than the wavelength of light (ie, greater than about 1 μm) scatters light 114 in a complete hemisphere in a approximately Lambertian fashion. Let's go. Using a coherent light source such as a laser, the spatially coherent scattered light produces a complex interference pattern 116 upon detection by a square law detector with finite aperture. The complex interference pattern 116 in the bright and dark areas is referred to as speckle. The exact nature and contrast of speckle pattern 116 depends on the surface roughness, the wavelength of light and its spatial coherence, and the light-integrated or imaging optics. Although often very complex, speckle pattern 116 is an obvious feature of any rough surface section imaged by the optics, thereby identifying a location on the surface as it is displaced across the laser and optics-detector assembly. It can be used to

스펙클은, 도 1b에 도시된 바와 같은 그것의 개구율(nummerical aperture) NA = sinθ로 일반적으로 정의된 광학계의 효과적인 개구에 의해 설정된 공간 주파수에 달하는 모든 크기가 되는 것이 예상된다. 다음 굿맨(Goodman)에 따르면[제이. 더블유. 굿맨(J. W. Goodman)이 저자이고, 제이. 씨이. 데인티(J. C. Dainty)에 의해 편집된, "레이저 스펙클 및 관련 현상(Laser Speckle and Related Phenomena)"에서 "레이저 스펙클 패턴의 통계적 특성(Statistical Properties of Laser Speckle Patterns)", Topics in Applied Physics volume 9, Springer-Verlag(1984)-특히, 39-40 페이지 참조], 크기 통계 분포는 스펙클 강도 자동-상관(intensity auto-correlation)으로 표현된다. "평균" 스펙클 직경은 다음과 같이 정의될 수도 있다The speckle is expected to be of any magnitude reaching the spatial frequency set by the effective aperture of the optical system, generally defined by its numerical aperture NA = sinθ as shown in FIG. 1B. According to the next Goodman [J. W. J. W. Goodman is the author and Jay. See you. "Statistical Properties of Laser Speckle Patterns" in "Laser Speckle and Related Phenomena", edited by JC Dainty, Topics in Applied Physics volume 9, Springer-Verlag (1984) —see, in particular, pages 39-40]. The size statistic distribution is expressed in intensity auto-correlation. The "average" speckle diameter may be defined as

Figure 112006094400715-PCT00001
Figure 112006094400715-PCT00001

여기서, λ는 가간섭성 광의 파장이다. Is the wavelength of the coherent light.

위너-킨치네(Wiener-Khintchine) 이론에 의해, 스펙클 강도의 공간 주파수 스펙트럼 밀도가, 단순히 강도 자동-상관의 푸리에 변환인 것에 주목하는 것은 흥 미롭다. 가장 미세한 가능한 스펙클, amin = λ/2NA은, 주요 기여(contribution)가 도 1b의 극단적인 광선(118)(즉, ±θ에 있는 광선)으로부터 발생하고, 대부분의 내부 광선으로부터의 기여가 파괴적으로 간섭하는 거의 불가능한 경우에 의해 설정된다. 따라서, 차단(cut-off) 공간 주파수는 fco = 1/(λ/2NA) 또는 2NA/λ이다.By Wiener-Khintchine theory, it is interesting to note that the spatial frequency spectral density of speckle intensity is simply a Fourier transform of intensity auto-correlation. The finest possible speckle, a min = lambda / 2NA, is that the main contribution comes from the extreme light ray 118 of FIG. 1B (i.e., the light at ± θ) and the contribution from most of the internal light rays It is set by an almost impossible case of destructive interference. Thus, the cut-off spatial frequency is fco = 1 / (λ / 2NA) or 2NA / λ.

개구율은 직교하는 축("y")을 따라서보다는 제1 축(예를 들어, "x")을 따라서 이미지에서 공간 주파수에 대하여 서로 다를 수도 있슴을 주목한다. 이것은, 예를 들어, 다른 축보다 제1 축이 더 긴 광 구경에 의해(예를 들어, 원형 대신 타원형), 또는 왜상(anamorphic) 렌즈에 의해 발생할 수 있다. 이들 경우에 있어서, 스펙클 패턴(116)도 이방성(anisotropic)으로 되고, 평균 스펙클 크기는 2개의 축에서 서로 다르게 된다.Note that the aperture ratio may be different for spatial frequencies in the image along the first axis (eg, "x") rather than along the orthogonal axis "y". This may occur, for example, by light apertures with a longer first axis than other axes (eg elliptical instead of circular), or by anamorphic lenses. In these cases, the speckle pattern 116 is also anisotropic, with the average speckle size being different on the two axes.

레이저 스펙클-기반 변위 감지의 하나의 이점은, 거의 수직 입사각에 도달하는 조명 광으로 작동할 수 있다는 점이다. 또한, 거친 표면에 스침 입사각으로 도달하는 비간섭성(incoherent) 광과 이미징 광학계를 채용하는 감지기들이 횡단 변위 감지를 위해 채용될 수 있다. 그러나, 조명의 스침 입사각을 이용하여 이미지에서 표면 지형의 적당히 큰 밝고-어두운 그림자를 생성할 수 있으므로, 광의 상당 부분이 검출기로부터 거울(specular) 방식으로 반사되어 형성된 이미지에 어떤 기여도 하지 않을 때, 시스템은 본질적으로 광 효율이 낮다. 이에 비해, 스펙클-기반 변위 감지기는 레이저원으로부터 조명 광의 더 큰 부분을 효율적으로 이용할 수 있으므로, 광 효율이 좋은 변위 감지기의 개발을 허용하게 된다.One advantage of laser speckle-based displacement sensing is that it can operate with illumination light reaching a near normal angle of incidence. In addition, sensors employing incoherent light and imaging optics that reach the grazing incidence angle on rough surfaces may be employed for transverse displacement sensing. However, the grazing incidence angle of the illumination can be used to create a reasonably large bright-dark shadow of the surface topography in the image, so that when a significant portion of the light does not contribute to the image formed by reflecting in a specular manner from the detector, the system Is inherently low in light efficiency. In contrast, speckle-based displacement detectors can efficiently utilize larger portions of the illumination light from the laser source, thus allowing the development of light efficient displacement detectors.

스페클Speckle -기반 변위 감지기를 위한 개시된 설계Disclosed Design for a Based-Based Displacement Detector

이하, 상세한 설명은, 예를 들어, 850 nm VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)과 같은, 저전력 광원, 적당한 양의 디지털 신호 처리 회로 및 아날로그 신호 조합 회로를 갖는 CMOS 광 다이오드를 이용한 한 레이저-스펙클-기반 변위 감지기를 위한 구조를 설명한다. 이하, 상세한 설명에서 특정한 구현상의 세부사항들을 설명하지만, 당해 기술분야의 당업자는, 본 발명의 취지 및 범위로부터 일탈함이 없이 다른 광원, 검출기 또는 감광 소자, 및/또는 신호를 조합시키기 위한 다른 회로를 이용할 수도 있음을 이해할 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description is given of a laser speckle using a CMOS photodiode with a low power light source, an appropriate amount of digital signal processing circuit and an analog signal combination circuit, such as, for example, a 850 nm Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL). Describe the architecture for a -based displacement detector. While the following detailed description describes specific implementation details, those skilled in the art will appreciate that other light sources, detectors or photosensitive elements, and / or other circuits for combining signals without departing from the spirit and scope of the invention. It will be appreciated that it may be used.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙클-기반 마우스를 설명한다.Hereinafter, a speckle-based mouse according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

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 복수의 CMOS 광 다이오드 어레이(210), 전단(front-end) 전자장치(212), 신호 처리 회로(214), 및 인터페이스 회로(216)를 포함한다. 광 다이오드 어레이(210)는 2개의 직교 축, x 및 y를 따라 변위 측정을 제공하도록 구성될 수 있다. 각각의 어레이에서 광 다이오드 그룹들은 전단 전자장치(212)에서 수동 전자 구성요소를 이용하여 조합되어, 그룹 신호를 생성할 수 있다. 그 다음에, 신호 처리 회로(214)에 의해 그룹 신호를 순차적으로 대수적으로 조합시켜, x 및 y 방향으로 OPD의 변위 크기 및 방향에 관한 정보를 제공하는 (x, y) 신호를 생성할 수 있다. (x, y) 신호는 OPD에 의해 출력될 수 있는 x, y 데이터(220)로 인터페이스 회 로(218)에 의해 변환될 수 있다. 이 검출 기술을 이용하는 감지기는 "차동 빗 어레이(differential comb arrays)"로서 공지된 인터레이스된 선형 광 다이오드 그룹의 어레이를 가질 수 있다.2 is a functional diagram of a speckle-based system 200 according to one embodiment of the invention. System 200 includes a laser source 202, illumination optics 204, imaging optics 208, at least two sets of a plurality of CMOS photodiode arrays 210, front-end electronics 212, A signal processing circuit 214, and an interface circuit 216. Photodiode array 210 may be configured to provide displacement measurements along two orthogonal axes, x and y. Photodiode groups in each array may be combined using passive electronic components in front end electronics 212 to generate a group signal. The group signals can then be combined algebraically sequentially by the signal processing circuit 214 to generate a (x, y) signal that provides information about the magnitude and direction of the displacement of the OPD in the x and y directions. . The (x, y) signal may be converted by the interface circuit 218 into x, y data 220 that may be output by the OPD. Detectors using this detection technique may have an array of interlaced linear photodiode groups known as “differential comb arrays”.

도 3은 이와 같은 광 다이오드 어레이(302)의 일반적인 (한 축에 따른) 구성을 나타내고, 표면(304)은 조명 광학계(308)와 VCSEL(306)과 같은 가간섭성 광원에 의해 조명되고, 어레이(302)에서 인터레이스된 그룹의 조합은 스펙클 이미지들에 의해 생성된 밝고-어두운 신호의 공간 주파수 상의 주기적 필터로서 기능을 한다.3 shows a typical (along one axis) configuration of such a photodiode array 302, the surface 304 being illuminated by an incoherent light source such as illumination optics 308 and VCSEL 306, and the array The combination of interlaced group at 302 functions as a periodic filter on the spatial frequency of the light-dark signal generated by the speckle images.

거친 표면(304)에 의해 생성되는 스페클은 이미징 광학계(310)로 검출기 평면으로 매핑된다. 이미징 광학계(310)는 최적 성능을 위해 텔레센트릭이다.The speckle produced by the rough surface 304 is mapped to the detector plane with the imaging optics 310. Imaging optics 310 are telecentric for optimal performance.

일 실시예에서는, 빗 어레이 검출을 2개의 독립적인 직교 어레이로 수행하여, x 및 y의 변위 추정을 얻는다. 도 3에는 하나의 이와 같은 어레이(302)의 작은 버전이 도시되어 있다.In one embodiment, comb array detection is performed with two independent orthogonal arrays to obtain displacement estimates of x and y. 3, a small version of one such array 302 is shown.

검출기에서 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(배선된 합(sum)) PD2, PD3 및 PD4와 같이 그룹을 형성하여, 어레이로부터 발생하는 4개의 신호선을 제공한다. 그 대응하는 전류 또는 신호는 I1, I2, I3 및 I4이다. 이들 신호(I1, I2, I3 및 I4)는 그룹 신호로 지칭될 수 있다. 배경 억제(및 신호 강조)는 동상 차동 전류 신호(in-phase differential current signal;314; I13 = I1 - I3)를 생성하는 차동 아날로그 회로(312), 및 직교 차동 전류 신호(quadrature differential current signal;318; I24 = I2 - I4)를 생성하는 차동 아날로그 회로(316)를 이용함으로써 달성된다. 이들 동상 및 직교 신호는 라인 신호로 지칭될 수 있다. I13과 I24의 위상 비교는 움직임 방향을 검출하도록 한다.Each array in the detector consists of N sets of photodiodes, each set having M photodiodes PD arranged to form an MN linear array. In the embodiment shown in FIG. 3, each set consists of four photodiodes 4 PD, referred to as 1,2,3,4. The PD1s from all sets are electrically connected (wired sum) to form groups such as PD2, PD3 and PD4 to provide four signal lines from the array. The corresponding currents or signals are I 1 , I 2 , I 3 and I 4 . These signals I 1 , I 2 , I 3 and I 4 may be referred to as group signals. Background suppression (and signal emphasis) includes a differential analog circuit 312 that generates an in-phase differential current signal (314; I 13 = I 1 -I 3 ), and a quadrature differential current signal. signal; 318; I 24 = I 2 -I 4 ). These in-phase and quadrature signals may be referred to as line signals. Phase comparison of I 13 and I 24 allows the direction of movement to be detected.

변위 에러로 직접 변환될 수 있는, 위상 에러의 도입을 억제하기 위해, 본 발명의 감지기는 복수의 빗 어레이를 사용하는 것이 선호된다. 더욱이, 본 명세서에 설명된 실시예들이 개별적 어레이들에 대한 "4N" 스킴(scheme)을 사용하지만, 시스템 설계 원리는, 3N, 5N, 6N, 7N, 8N 등과 같은, 다른 어레이 구성 또는 스킴에 대해 적용가능하다(적절한 수정으로). "4N"이라는 용어는, 각 4번째 검출기가 함께 배선접속(wire)되고, 결과적 4개의 광전류 신호는 Dandliker 외(US 특허 제5,907,152호)에서 설명된 것처럼 서로로부터 공제된다. 그러나, 신호들을 조합하는 적절한 스킴으로 다수의 다른 그룹들이 가능하다.In order to suppress the introduction of phase error, which can be converted directly into displacement error, the detector of the present invention preferably uses a plurality of comb arrays. Moreover, although the embodiments described herein use a "4N" scheme for individual arrays, the system design principle is for other array configurations or schemes, such as 3N, 5N, 6N, 7N, 8N, and the like. Applicable (with appropriate modification). The term " 4N " is such that each fourth detector is wired together, and the resulting four photocurrent signals are subtracted from each other as described in Dandliker et al. (US Pat. No. 5,907,152). However, many other groups are possible with an appropriate scheme of combining the signals.

일반적으로, 도 4에 이미지 또 광 집적 광학계(402)의 일례가 도시된다. 광은 표면(404)의 면적 AS로 산란되고, 면적 Adet의 검출기(406)로 이미지화된다. 램버시안(Lambertian) 표면에 대해서, 검출기 집적 효율은 다음과 같이 표현된다:In general, an example of an image or light integrated optical system 402 is shown in FIG. 4. Light is scattered into the area A S of the surface 404 and imaged by the detector 406 of the area A det . For Lambertian surfaces, the detector integration efficiency is expressed as:

Figure 112006094400715-PCT00002
Figure 112006094400715-PCT00002

여기서, ηoptics는 광학 구성요소들(흡수, 프레스넬(Fresnel) 반사 등)의 효율이고, r은 효과적 표면 반사율이고, ΩS는 표면에 대한 입체각이고, Ωdet는 검출기에 대한 입체각이다.Where η optics is the efficiency of the optical components (absorption, Fresnel reflection, etc.), r is the effective surface reflectance, Ω S is the solid angle to the surface, and Ω det is the solid angle to the detector.

형태화된 조명Shaped lighting

출원인은, 조명광이 평면적이거나 또는 일정한 위상-프론트를 갖는다고 가정하면, 좋은 광학적 효율을 유지하는 한 가지 방법이 조명 풋프린트(footprint)를 맞춤 설계하여 검출기 풋프린트와 크기와 형태에서 근접하게 매치시키는 것임을 발견했슴을 믿는다. 조명 풋프린트는 충분히 가득하여 동작과 제조로부터 발생하는 사소한 오배치를 위한 원하는 마진(margin)을 제공하는 것이 더 바람직하다.Applicants assume that the illumination light is planar or has a constant phase-front, one way to maintain good optical efficiency is to custom design the illumination footprint to closely match the detector footprint in size and shape. I believe you have found it. It is more desirable that the lighting footprint is sufficiently full to provide the desired margin for minor misplacements resulting from operation and manufacturing.

도 5에 그런 구조화된 조명의 일 실시예가 도시된다. 도 5에 도시된 일 특성은, 이미징 광학계의 FOV 내의 광학적 표면 위의 단지 이들 위치들에만 조명된다는 것이다. 광검출기 어레이 또는 어레이들의 기하형태가, 도 5에 도시된 검출기 배치(502)에 대해 "L" 형태의 기하형태와 같은, 유별난 또는 비대칭 형태이면, 이상적으로는 조명 광학계(504)는 최적 광학 효율을 위해 거친 표면 상에서 단지 그 영역에만 조광을 해야 한다. 이 FOV 영역 외부의 거친 표면 상에 조광되는 광은 낭비되고 광학 위치추적 시스템의 네트(net) 효율을 감소시킨다.One embodiment of such structured illumination is shown in FIG. 5. One characteristic shown in FIG. 5 is that only these locations on the optical surface in the FOV of the imaging optics are illuminated. Ideally, the illumination optics 504 is optimal optical efficiency if the photodetector array or the geometry of the arrays is unusual or asymmetrical, such as the "L" shape with respect to the detector arrangement 502 shown in FIG. 5. For this purpose, only the area should be illuminated on the rough surface. Light dimmed on rough surfaces outside this FOV area is wasted and reduces the net efficiency of the optical positioning system.

일 구현에서, 조명된 부분의 비대칭(예를 들어, 원형이 아닌) 형태는 조명원의 직접 이미지가 아닐 것이고, 그 보다는 조명 광학계(504)의 구성에 의해 형성될 것이다. 조명된 영역의 형태는 볼록형(convex)도 아닐 수 있다. 도 5의 예에 도 시된 바와 같이, 회절 구조(508)와 조합된 표준 굴절 또는 반사 광학 표면(506)의 사용은 평면 위상-프론트를 갖는 특정 조명 공간적 프로파일(510)의 생성이 이미징 광학계로부터 요구되는 FOV를 최적으로 매치하도록 한다. 이미징 광학계(512)는 광 감지 소자들이 감지 영역들 외부의 과도하게 큰 영역을 덮지 않고 효율적으로 덮어지도록 하는 방식으로 검출기 배치(502)로 특정 조명 프로파일(510)을 매핑하도록 구성된다. 환언하면, 도 5의 광학 시스템(500)은 검출기 배치(502)의 형태에 반사된 조명을 적절히 매치하기 위해 구성되어, 검출기의 FOV 외부에 조광되는 광이 최소화되도록 한다. 유익하게도, 이것은 광원으로부터의 에너지를 더 효율적으로 사용한다.In one implementation, the asymmetric (eg non-circular) shape of the illuminated portion will not be a direct image of the illumination source, but rather will be formed by the configuration of the illumination optics 504. The shape of the illuminated area may not be convex. As shown in the example of FIG. 5, the use of a standard refractive or reflective optical surface 506 in combination with the diffractive structure 508 requires the creation of a specific illumination spatial profile 510 having a planar phase-front from the imaging optics. Try to match the FOV optimally. Imaging optics 512 is configured to map the specific illumination profile 510 to the detector arrangement 502 in such a way that the light sensing elements are efficiently covered without covering excessively large areas outside the sensing areas. In other words, the optical system 500 of FIG. 5 is configured to properly match the reflected light in the form of the detector arrangement 502 so that the light dimmed outside the FOV of the detector is minimized. Advantageously, this uses the energy from the light source more efficiently.

광학계는, 표면의 조명된 부분이 검출기의 감광 소자들의 FOV보다 50% 이하로 더 크도록 구성되는 것이 선호된다. 환언하면, 반사된 조명은, 검출기의 모든 감광 소자들을 덮기 위해 최소 영역의 150% 이하인 검출기의 영역을 덮는 것이 선호된다. 실질적으로 모든(예를 들어, 85% 이상) 표면의 조명된 부분이 검출기의 감광 소자들의 FOV 내에 속하도록 광학계가 구성되는 것이 더 바람직하다.The optics are preferably configured such that the illuminated portion of the surface is 50% or less larger than the FOV of the photosensitive elements of the detector. In other words, the reflected illumination is preferred to cover the area of the detector which is 150% or less of the minimum area to cover all the photosensitive elements of the detector. More preferably, the optics are configured such that the illuminated portions of substantially all (eg 85% or more) surfaces fall within the FOV of the photosensitive elements of the detector.

도 5에 도시된 특정 예는, 조명 프로파일(510)이 형태에서 광검출기 배치(502)를 덮는 반사된 조명에의 거울 이미지일 수 있슴이 도시된다. 이것은 이미징 광학계(512)의 구성에 따른다.The particular example shown in FIG. 5 is shown that the illumination profile 510 may be a mirror image of reflected illumination covering the photodetector arrangement 502 in form. This depends on the configuration of the imaging optics 512.

본 발명의 특정 실시예에 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 검출기 구성은 2개의 축을 따라서 평행한 행들에 배열된 복수의 인터레이스된(interlaced) "픽셀(pixel)"(검출기 소자)과 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 도 6은, x-축에 따라 평행한 행들에 배열된 3개의 인터레이스된 어레이(602), 및 y-축을 따라 평행한 행들에 배열되는 3개의 인터레이스된 어레이(604)를 도시한다.According to a particular embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6, the detector configuration may be used with a plurality of interlaced "pixels" (detector elements) arranged in parallel rows along two axes. have. More specifically, FIG. 6 shows three interlaced arrays 602 arranged in parallel rows along the x-axis, and three interlaced arrays 604 arranged in parallel rows along the y-axis. .

도 3과 관련하여 상술된 것처럼, 각 "4N" 어레이는 전기적으로 접속되는(배선된 합) N 검출기 소자들의 4개의 그룹들로 구성되어, 4개의 신호 S1 S2 S3 S4를 발생시킨다. 배경 억제(및 신호 강조)는 차동 신호 S13=S1-S3와 S24=S2-S4를 사용하여 이루어진다. 평행이동(translation)의 양과 방향은 직교 쌍, S13과 S24로부터 유도될 수 있다.As described above with respect to FIG. 3, each “4N” array consists of four groups of N detector elements that are electrically connected (wired sum), so that four signals S 1. S 2 S 3 Generate S 4 . Background suppression (and signal enhancement) is achieved using the differential signals S 13 = S 1 -S 3 and S 24 = S 2 -S 4 . The amount and direction of translation can be derived from orthogonal pairs, S 13 and S 24 .

이 특정 실시예에서, 3개의 "4N" 어레이(602, 604)가 각 축(x와 y)에 대해 사용되어 변위에서 축적된 위상 에러를 억제한다. 이 특정 실시예에서, 신호를 처리하고 디지털 신호 처리기(608)에 입력을 제공하는, 전단(front-end) 전자장치(606)로 제공되는 24 라인(2축, 3 어레이/축, 4 신호/어레이)이 존재한다. 예를 들어, DSP(608)는 USB I/F(universal serial bus interface;610)를 가질 것이다.In this particular embodiment, three " 4N " arrays 602, 604 are used for each axis x and y to suppress the accumulated phase error in displacement. In this particular embodiment, 24 lines (two axes, three arrays / axis, four signals / s) provided to the front-end electronics 606 that process the signals and provide inputs to the digital signal processor 608. Array). For example, the DSP 608 may have a USB universal serial bus interface (610).

다른 실시예들은 4와는 상이한 M 값들(즉, 소자 그룹의 수)을 갖는 인터레이스된 검출기 어레이들을 사용할 수 있다. 다른 실시예들은 또한 축마다, 3이 아닌, 다른 수의 행들을 사용할 수도 있다. 행들의 수는 x와 y 축에서 동일할 필요는 없다.Other embodiments may use interlaced detector arrays with M values different from four (ie, number of device groups). Other embodiments may also use other numbers than three, per axis. The number of rows need not be the same on the x and y axes.

다른 실시예들은 "L" 배치(702)에 있지 않은 검출기 어레이 배치로 구성될 수 있다. T 배치(704), 사각형 배치(706), 및 "+" 또는 "X" 배치(708)와 같은, 다른 가능한 배치들의 예가 도 7에 도시된다. 다른 실시예들이, 예를 들어, "V" 또 는 "△" 형태의 배치와 같은, 수직이 아닌 경사각으로 축들(행들)과의 배치에 구성될 수 있다.Other embodiments may be configured with a detector array arrangement that is not in an "L" arrangement 702. Examples of other possible arrangements, such as the T arrangement 704, the rectangular arrangement 706, and the “+” or “X” arrangement 708 are shown in FIG. 7. Other embodiments may be configured in an arrangement with the axes (rows) at an angle other than vertical, such as, for example, an arrangement of the form "V" or "Δ".

본 발명의 특정 실시예들과 예들의 전술된 설명은 설명과 기재 목적으로 제공되었고, 본 발명이 전술된 예들로 기재되고 설명되었지만, 그렇게만 제한되는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 그것들은 총망라하거나 또는 개시된 정확한 형태들로만 본 발명을 제한하려고 의도되지는 않고, 전술된 설명을 통해 본 발명의 범위 내에서 다수의 수정, 개선, 및 변형이 가능하다. 본 발명의 범위가, 본 명세서에 첨부된 청구항들과 그것들의 동격들에 의해, 본 명세서에 개시된 바와 같은 일반 영역을 포함하려고 의도된다. The foregoing description of specific embodiments and examples of the present invention has been presented for purposes of illustration and description, and although the present invention has been described and described in the foregoing examples, it should not be construed as so limited. They are not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed, and numerous modifications, improvements, and variations are possible within the scope of the invention through the foregoing description. The scope of the invention is intended to cover the general scope as disclosed herein by the claims appended hereto and their equivalents.

Claims (20)

연속적 프레임들에서 광학 특성들의 변위(displacement)를 결정하여 데이터 입력 장치와 표면 사이에 상대 이동을 감지하는 광학 변위 감지기(optical displacement sensor)로서,An optical displacement sensor that determines the displacement of optical properties in successive frames to detect relative movement between the data input device and the surface, 실질적으로 평면 위상-프론트(phase-front)를 갖는 조명광에 의해 상기 표면의 일 부분을 조명하기 위해 광원과 조명 광학계(illumination optics)를 갖는 조명기; 및An illuminator having a light source and illumination optics for illuminating a portion of the surface by illumination light having a substantially planar phase-front; And 복수의 감광 소자들과 이미징 광학계(imaging optics)를 갖는 검출기(detector)를 포함하고,A detector having a plurality of photosensitive elements and imaging optics, 상기 조명기와 상기 검출기는, 상기 표면의 상기 조명된 부분이 상기 검출기의 상기 감광 소자들의 시계(field of view;FOV)보다 50% 이하로 더 크도록 구성되는 광학 변위 감지기. The illuminator and the detector are configured such that the illuminated portion of the surface is greater than or equal to 50% or less than a field of view (FOV) of the photosensitive elements of the detector. 제1항에 있어서, 상기 조명 광학계는 회절과 굴절 광학계를 포함하여 상기 검출기의 FOV의 외부에 속하는 광을 최소화하는 광학 변위 감지기.The optical displacement detector of claim 1, wherein the illumination optics include diffraction and refractive optics to minimize light that falls outside of the FOV of the detector. 제1항에 있어서, 상기 복수의 감광 소자들은, 제1 축을 따라 실질적으로 직선으로 배열된 제1 복수의 감광 소자들, 및 제2 축을 따라 실질적으로 직선으로 배열된 제2 복수의 감광 소자들을 포함하고, 상기 제2 축은 상기 제1 축에 비평 행(non-parallel)인 광학 변위 감지기. 10. The device of claim 1, wherein the plurality of photosensitive elements comprises a first plurality of photosensitive elements arranged substantially straight along a first axis, and a second plurality of photosensitive elements arranged substantially straight along a second axis. And wherein the second axis is non-parallel with the first axis. 제3항에 있어서, 상기 제2 축은 상기 제1 축에 대해 약 90도의 일 각도(an angle)에 있는 광학 변위 감지기. The optical displacement sensor of claim 3, wherein the second axis is at an angle of about 90 degrees with respect to the first axis. 제3항에 있어서, 상기 제1과 제2 복수의 감광 소자들은 상기 제1 축과 상기 제2 축을 따라 배열되어서 'L', 'T', '+', 'X', 'V', '△', 또는 사각 형태의 어레이를 형성하는 광학 변위 감지기.The method of claim 3, wherein the first and second plurality of photosensitive elements are arranged along the first axis and the second axis such that 'L', 'T', '+', 'X', 'V', ' Δ ', or optical displacement detector forming an array of square shapes. 제5항에 있어서, 상기 조명기는, 상기 표면의 조명된 부분이 상기 표면 상에 대응하는 'L', 'T', '+', 'X', '△', 또는 사각 형태를 정의하도록 더 구성하는 광학 변위 감지기. 6. The illuminator of claim 5, wherein the illuminator is further configured such that an illuminated portion of the surface defines a corresponding 'L', 'T', '+', 'X', 'Δ', or square shape on the surface. Constituting optical displacement detector. 제1항에 있어서, 상기 조명기는, 상기 표면의 조명된 부분이 상기 검출기의 상기 감광 소자들의 FOV로 형태와 영역에서 대응하도록 더 구성되는 광학 변위 감지기.The optical displacement detector of claim 1, wherein the illuminator is further configured such that an illuminated portion of the surface corresponds in shape and area to the FOV of the photosensitive elements of the detector. 제1항에 있어서, 상기 조명기는, 상기 표면의 조명된 부분이 상기 검출기의 FOV보다 충분히 커서 광학 변위 감지기 구성요소들의 동작과 제조에서 에러들에 대한 사전결정된 마진(margin)을 제공하도록 더 구성되고, 상기 표면의 조명된 부분 은 상기 검출기의 FOV보다 50% 이하로 더 큰 광학 변위 감지기. The apparatus of claim 1, wherein the illuminator is further configured to provide a predetermined margin for errors in manufacturing and operation of optical displacement detector components such that the illuminated portion of the surface is sufficiently larger than the FOV of the detector. Wherein the illuminated portion of the surface is less than 50% greater than the FOV of the detector. 제1항에 있어서, 상기 감광 소자들은 광다이오드들을 포함하고, 상기 광원은 레이저를 포함하는 광학 변위 감지기.The optical displacement sensor of claim 1, wherein the photosensitive elements comprise photodiodes and the light source comprises a laser. 제1항에 있어서, 상기 광학 변위 감지기는 상기 표면으로부터 반사된 광에 의해 생성된 복잡한 간섭 패턴에 기초하여 상기 표면 상의 한 위치를 식별하기 위해 적응되는 스페클-기반(speckle-based) 변위 감지기이고, 상기 레이저는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)를 포함하는 광학 변위 감지기.The optical displacement sensor of claim 1, wherein the optical displacement sensor is a speckle-based displacement detector adapted to identify a location on the surface based on a complex interference pattern generated by light reflected from the surface. And the laser comprises a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL). 제1항에 있어서, 상기 조명기와 상기 검출기가, 상기 표면 상의 실질적으로 모든 조명된 부분이 상기 감광 소자들의 FOV 내에 속하도록 구성되는 광학 변위 감지기. The optical displacement detector of claim 1, wherein the illuminator and the detector are configured such that substantially all illuminated portions on the surface fall within the FOV of the photosensitive elements. 연속적인 프레임들에서 광학 특징들의 변위를 결정하여 데이터 입력 장치와 표면 사이에 상대적 이동을 감지하는 방법으로서,A method of detecting relative movement between a data input device and a surface by determining displacement of optical features in successive frames, 광원으로부터 조명을 발생시키는 단계;Generating illumination from a light source; 상기 조명광이 실질적으로 평면 위상-프론트를 갖도록 조명 광학계에 의해 상기 표면의 일 부분으로 상기 조명을 매핑하는 단계;Mapping the illumination to a portion of the surface by illumination optics such that the illumination light has a substantially planar phase-front; 상기 표면의 조명된 부분으로부터 조명을 반사시키는 단계; 및Reflecting illumination from the illuminated portion of the surface; And 이미징 광학계에 의해 상기 검출기의 감광 소자들의 배열로 상기 반사된 조명을 매핑하는 단계를 포함하고,Mapping the reflected illumination to an array of photosensitive elements of the detector by imaging optics, 상기 표면의 조명된 부분은 상기 감광 소자들의 FOV보다 50% 이하로 더 큰 방법. The illuminated portion of the surface is greater than 50% less than the FOV of the photosensitive elements. 제12항에 있어서, 상기 조명 광학계에 의한 상기 조명을 매핑하는 단계는, 상기 표면의 조명된 부분이 상기 검출기의 감광 소자들의 FOV로 형태에서 대응하도록 상기 조명을 굴절시키고 회절시키는 단계를 포함하는 방법. 13. The method of claim 12, wherein mapping the illumination by the illumination optics includes refracting and diffracting the illumination such that an illuminated portion of the surface corresponds in shape to the FOV of photosensitive elements of the detector. . 제13항에 있어서, 제1 복수의 상기 감광 소자들은 제1 축을 따라 실질적으로 직선으로 배열되고, 제2 복수의 상기 감광 소자들은 제2 축을 따라 실질적으로 직선으로 배열되고, 상기 제2 축은 상기 제1 축에 비평행인 방법.The method of claim 13, wherein the first plurality of photosensitive elements are arranged substantially straight along a first axis, and the second plurality of the photosensitive elements are arranged substantially linearly along a second axis, wherein the second axis is the first axis. Non-parallel to one axis. 제14항에 있어서, 상기 감광 소자들은 'L', 'T', '+', 'X', 'V', '△', 및 사각 형태로 구성되는 일 그룹의 형태들로부터의 일 형태를 형성하기 위해 배열되고, 상기 표면의 조명된 부분은 대응하는 형태를 형성하는 방법. The photosensitive device of claim 14, wherein the photosensitive elements have a shape from a group of shapes consisting of 'L', 'T', '+', 'X', 'V', 'Δ', and a square shape. Arranged to form, wherein the illuminated portion of the surface forms a corresponding shape. 제14항에 있어서, 상기 조명을 매핑하는 단계는 상기 표면 상에 'L', 'T', '+', 'X', 'V', '△', 및 사각 형태를 정의하기 위해 상기 표면의 부분을 조명하는 단계를 포함하고, 상기 조명된 부분은 형태에서 상기 검출기의 FOV에 겹치고 대응 하는 방법. 15. The method of claim 14, wherein mapping the illumination comprises: defining an 'L', 'T', '+', 'X', 'V', 'Δ', and rectangular shape on the surface. Illuminating a portion of the illuminated portion overlapping and corresponding in shape to the FOV of the detector. 연속적인 프레임들에서 광학적 특징들의 변위를 결정하여, 데이터 입력 장치와 표면 사이에 상대 이동을 감지하는 광학 변위 감지기로서,An optical displacement detector that determines the displacement of optical features in successive frames and detects relative movement between the data input device and the surface, 광원;Light source; 제1 형태로 상기 표면의 부분을 조명하기 위해 적응되는 조명 광학계;Illumination optics adapted to illuminate a portion of the surface in a first form; 상기 제1 형태와 유사한 제2 형태를 포함하는 감광 소자들의 배열;An array of photosensitive elements comprising a second form similar to the first form; 상기 반사되는 조명이 감광 소자들의 배열을 덮도록 상기 표면의 조명된 부분으로부터 반사되는 조명을 매핑하기 위해 적응되는 이미징 광학계Imaging optics adapted to map illumination reflected from an illuminated portion of the surface such that the reflected illumination covers an array of photosensitive elements 를 포함하는 광학 변위 감지기.Optical displacement detector comprising a. 제17항에 있어서, 상기 제1 형태는 비원형(non-circular)이고, 상기 광원의 직접 이미지가 아닌 광학 변위 감지기. 18. The optical displacement sensor of claim 17, wherein the first shape is non-circular and is not a direct image of the light source. 제17항에 있어서, 상기 제1 형태는 볼록(convex)이 아닌 광학 변위 감지기.18. The optical displacement sensor of claim 17, wherein the first form is not convex. 제17항에 있어서, 상기 표면의 조명된 부분은 상기 감광 소자들의 FOV보다 50% 이하로 더 큰 광학 변위 감지기.18. The optical displacement sensor of claim 17, wherein the illuminated portion of the surface is greater than 50% greater than the FOV of the photosensitive elements.
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