KR20100055833A - 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법 - Google Patents

이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20100055833A
KR20100055833A KR1020080114713A KR20080114713A KR20100055833A KR 20100055833 A KR20100055833 A KR 20100055833A KR 1020080114713 A KR1020080114713 A KR 1020080114713A KR 20080114713 A KR20080114713 A KR 20080114713A KR 20100055833 A KR20100055833 A KR 20100055833A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
image
sensor
speckle
limiting module
Prior art date
Application number
KR1020080114713A
Other languages
English (en)
Inventor
이-여 황
신-아이 마
마우-란 왕
웬-쳉 황
친-더 황
광-쉰 류
Original Assignee
국방부 군비국 중산 과학 연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방부 군비국 중산 과학 연구원 filed Critical 국방부 군비국 중산 과학 연구원
Priority to KR1020080114713A priority Critical patent/KR20100055833A/ko
Publication of KR20100055833A publication Critical patent/KR20100055833A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0916—Adapting the beam shape of a semiconductor light source such as a laser diode or an LED, e.g. for efficiently coupling into optical fibers
    • G02B27/0922—Adapting the beam shape of a semiconductor light source such as a laser diode or an LED, e.g. for efficiently coupling into optical fibers the semiconductor light source comprising an array of light emitters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/48—Laser speckle optics
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0138—Head-up displays characterised by optical features comprising image capture systems, e.g. camera

Abstract

본 발명은 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법에 관한 것이다. 높은 간섭성 광은 표면을 조명하는 데 사용되고, 표면에 의해 산란되고, 정반사의 각도로부터 ±10°의 방향으로부터 캡쳐된다. 광제한 모듈은 센서의 시야각을 제한하도록 설계되고, 스펙클 캡쳐링 디바이스가 표면에 대해 상대 이동할 경우, 스펙클은 단지 이미지 위에서 이동하지만 형상 및 강도가 거의 일정하게 유지되어, 고정밀 광학 패턴 인식 및 위치결정에 바람직하다.
이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스, 높은 간섭성 광, 정반사, 광제한 모듈, 시야각, 스펙클, 고정밀 광학 패턴

Description

이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법{Image invariant optical speckle capturing device and method}
본 발명은 간섭하는 회절광으로부터 형성된 이미지 불변 광 스펙클, 더욱 상세하게는, 산란된 광을 작은 개구 광제한 요소로 통과시켜 발생된 광 스펙클을 캡쳐링하는 디바이스 및 그 방법에 관한 것이다.
2개의 높은 간섭성 광 빔들이 공간에서 중첩하고 광로 길이차가 간섭 길이보다 작을 경우, 간섭 패턴이 생성된다. 광학적 간섭은 보강 간섭 및 상쇄 간섭으로서 분류될 수 있고, 여기서 보강 간섭은 높은 휘도를 갖는 점들(spots)을 생성하고 한편 상쇄 간섭은 어두운 점들을 생기게 한다. 그러므로, 간섭의 결과는 산란된 밝고 어두운 점들을 갖는 공간 패턴일 수 있고 이는 스펙클 패턴(speckle pattern) 또는 스펙클 이미지(speckle image)로 불린다. 간섭은 파장 및 광로 길이차와 관련이 있다. 2개의 광빔들이 공간에서 중첩하고 이들 2개의 빔들간의 광로차가 절반 파장의 홀수 정수배이면, 상쇄 간섭이 생긴다. 이들 2개의 빔들간의 광로 길이의 차가 파장의 정수배이면, 보강 간섭이 생긴다. 그러므로, 간섭의 감도는 파장의 절반이다. 광의 파장은 상당히 짧고, 예를 들면 가시광에 포함되는 파장 범위는 0.4 ㎛ 내지 0.7㎛ 이다. 절반 파장 감도는 높은 정밀도를 가지며, 그러므로 간섭 효과가 다수의 다른 분야에서 광범위하게 사용된다.
높은 간섭성 광이 광학적으로 거친 표면 위에 입사하면, 산란된 광들이 생성되어 공간에서 임의의 방향으로 전파한다. 광의 간섭 길이보다 짧은 광로차를 갖는 상태에서 이들 산란된 광들이 공간에서 중첩하면, 안정된 간섭이 생성된다. 간섭의 결과는 광 스펙클로 불리는, 산란된 밝고 어두운 영역들을 갖는 이미지이다.
광 스펙클은 노이즈로서 인식되었고 광학계의 폐해 요소로서 고려되었다. 광 스펙클이 이동과 관련이 있는 것으로 발견되었지만, 그것은 일종의 감지 기술로서 사용되었다. 최근, 독특한 광 스펙클이 이동 감지를 위한 감지 기술로서 사용되었다. 2003년에 공개된 미국 특허 제 US6642506 B1호(이하 특허 506이라 함)는 간섭광, 광 개구, 및 이미징 렌즈로 구성되는 디바이스에 의해 광 스펙클 패턴이 캡쳐되는 1차원 변위 감지에 대해 개시하고 있다. 스펙클의 바람직한 크기는 이미징 센서의 화소 크기를 매칭시키기 위해 특허 506에 적합한 치수의 개구를 이용하여 얻어질 수 있다. 특허 506은 또한 개구가 이미징 렌즈의 초점에 놓여 있고 이미징 렌즈의 광축 및 개구가 표면에 수직이어서, 표면 위의 수직 방향에서의 높이 변동이 스펙클에 거의 영향을 주지않는 것을 강조했다. 다른 미국 특허 제 20050024623호(이하 특허 623이라 함)는 광 변위 검출 방법 및 디바이스를 개시한다. 높은 간섭성 광원이 사용되어 간섭성 광 빔을 방출하고, 표면을 조명하고 표면에 의해 반사되며, 정반사된 광은 반사 방향에 배치된 센서에 의해 수신된다. 표면에 의해 반사된 광의 각도가 입사광의 각도와 동일한 경우 정반사로 불린다. 센서는 정반사 및 산란된 광들을 동시에 수신하고, 수신된 광들은 서로 간섭하여 다수의 스펙클들을 센서 위에 생성한다. 이동 후의 스펙클 패턴과 이동 전의 스펙클 패턴을 비교하여, 변위 방향 및 양이 결정될 수 있다.
미국 특허 출원 제 WO2004075040 호(이하 케이스 040이라 함)에 공개된 다른 관련 기술은 디지털 신호 처리를 갖는 광 마우스에 사용되는 광 신호 처리 방법 및 디바이스를 개시한다. 스펙클 이동 신호들을 수집함으로써, 산란된 광이 생성되는 표면에 대한 마우스의 상대 변위가 얻어질 수 있다. 마우스는 전기 신호 증폭 및 성형 모듈들(shaping modules), 방향 판정 및 카운팅 모듈, 컴퓨터 인터페이스, 레이저 광원, 및 레이저 스펙클 이미지를 수신하는 센서를 포함한다. 센서에 의해 수신된 스펙클 이미지는 전기 신호로 전달되고 신호 증폭 및 성형 모듈들에 전송된다.
상기한 신호 분석들 모두는 센서에 의해 캡쳐되고, 이후 이동 방향 및 변위량으로 전달되는, 스펙클 이미지 내의 밝고 어두운 점들의 수를 분석하는 것과 관련이 있다. 케이스 040의 구조는 단순하다. 그러나 표면이 매끄러우면, 생성된 스펙클 크기가 매우 작아, 스펙클의 밝고 어두운 영역들의 분석에 바람직하지 않을 것이다. 그러므로, 시스템의 해상도 능력 및 감도는 떨어질 것이다.
정반사는 특허 623에서 센서에 의해 수신되고 수신된 신호는 이후 DC 및 AC 부분들로 분할된다. DC 부분은 반사된 광의 부드러운 휘도이고, AC 부분은 스펙클의 밝고 어두운 영역들이다. 스펙클의 크기가 너무 작으면, AC 신호는 인식하기 어 렵고 그러므로 분석하기 어렵다.
개구는 텔레센트릭 투영 시스템(telecentric projection system)인 특허 506의 이미징 렌즈의 초점에 배치되어야 한다. 시스템은 수직 방향에서의 높이의 변화에 영향을 받지 않지만, 이러한 구조에서의 개구는 표면 위에 이미지 캡쳐링 영역을 제한하는 능력은 가지지 않는다. 그것은 이러한 구조가 표면으로부터의 산란된 광에 대해 센서의 시야각을 제한할 수 없다는 것을 의미한다. 특허 506에서의 구조는 스펙클의 크기를 제어하는 데 사용될 수 있지만 표면과 이미징 시스템 사이의 상대 이동 중 스펙클의 변화를 피하는 제한된 능력을 가진다.
그러므로, 2차원 스펙클 패턴을 정밀하고 정확하게 인식하기 위한 중요한 요소들은 스펙클 크기의 적당성, 스펙클 패턴의 가시성을 포함하고, 대부분 스펙클 패턴 이미지 불변의 스펙클이다. 이미지 불변 광 스펙클 패턴은 정확한 네비게이션 및 정밀한 위치결정을 위해 바람직한 유일한 것이고 레이저 마우스, 핑거 네비게이션(finger navigation), 지능형 카드(intelligence card), 3차원 지문 식별(three-dimensional finger print identification)과 같은 디바이스들에 광범위하게 사용될 수 있다.
상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에서 개발된 기술은 작은 크기의 스펙클, 형상 변화, 및 스펙클의 강도 변동과 같은 문제들을 합리적으로 해결하는 데 사용될 수 있다.
2차원 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스는 산란 방향(non-specular direction)에서 스펙클 패턴을 캡쳐하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 광은 정반사로부터 ±10°에서 캡쳐된다. 광제한 개구(light restrictive aperture)가 표면으로부터 산란된 광에 대한 시야각을 제한, 즉 표면 위에서 이미지 캡쳐링 영역을 제한하기 위해 광로에 도입된다. 스펙클의 크기, 이미지 캡쳐링 렌즈의 초점 길이, 이미지 캡쳐링 각도, 표면 위의 이미지 캡쳐링 영역과 같은 요소들을 조합함으로써, 스펙클 캡쳐링 디바이스에 의해 캡쳐된 광 스펙클은 이미지 불변으로 된다. 이미지 불변 광 스펙클은 스펙클 캡쳐링 디바이스가 표면에 대해 상대 이동할 때, 캡쳐된 광 스펙클들이 단지 변형없이 이미지 평면 위에서 움직이고, 즉 스펙클 캡쳐링 디바이스가 표면에 대해 연속해서 이동하는 동안, 광 스펙클이 이미지 센서의 일측에서 나타나서 그것이 센서의 다른 측 위에서 사라질 때까지 연속하여 이동하고, 이러한 광 스펙클의 형상 및 강도가 동일하게 유지되는 것을 의미한다. 스펙클 캡쳐링 디바이스에 의해 캡쳐링된 스펙클이 이미지 불변이므로, 본 발명의 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스는 정밀한 광학 패턴 인식 및 위치결정에 매우 유용하다.
본 발명의 이점 및 사상은 첨부 도면과 함께 다음의 설명에 의해 이해될 수 있을 것이다.
다음의 문단들은 본 발명의 광 스펙클 캡쳐링 디바이스와 표면 사이에 상대 이동이 있을 때 이미지 불변 광 스펙클을 얻는 방법을 기술한다. 이하 상대 이동 전후의 광로차의 계산이 상세히 기술될 것이다.
본 발명의 레이저 스펙클은 조명된 표면에 의해 산란되고 스펙클 캡쳐링 디바이스의 요소들에 의해 회절되는 광들의 간섭을 통해 형성된다. 기본적으로 이미지 센서 위에 생성된 스펙클 패턴은 광의 속성, 조명된 표면의 특성, 스펙클 캡쳐링 디바이스의 구성, 및 2차원 이미지 센서의 화소 크기와 같은 요소들과 관련이 있다. 모든 요소들을 상세히 분석하는 것은 곤란하고 이상적인 모델이 스펙클 패턴의 형성물을 분석하기 위해 본 발명에서 개발된다. 레이저는 높은 간섭성 소스이고 간섭을 통해 스펙클을 생성하기 위한 중요한 조건들을 만족시킨다. 표면의 특징은 취급하기 가장 어렵고 모든 종류의 표면 특성을 분석하는 것은 불가능하다. 본 발명에서 강조되어야 할 하나의 중요한 점은 적합한 크기 및 높은 휘도를 갖는 스펙클들은 이미지 분석에 바람직하고, 작은 크기와 낮은 휘도를 갖는 스펙클들은 항상 노이즈와 혼합되고 폐기될 것이라는 것이다. 따라서 본 발명에서의 분석은 높은 휘도와 큰 크기를 갖는 스펙클들에 초점을 맞춘다. 스펙클들의 휘도는 간섭 조건에 의존하고, 높은 휘도의 스펙클들은 보강 간섭에 의해 생성된다. 그러나, 스펙클들의 평균 크기는 스펙클 캡쳐링 디바이스의 특징과 관련이 있다. 스펙클들의 평균 크기는 2δ = 2Lλ/D로서 기재될 수 있고, 여기서 2δ는 스펙클들의 평균 직경이고, λ는 레이저 광의 파장이고, D는 스펙클 캡쳐링 디바이스의 개구의 직경이고, L은 개구로부터 이미지 센서까지의 거리이다. 산란 지점 및 그에 인접한 산란 지점들로부터의 광들이 결합되어 이미지 센서 위에 보강 간섭을 일으키면, 밝고 큰 크기의 스펙클이 생성된다. 반대로, 산란 지점 및 그에 인접한 산란 지점들로의 광들 이 이미지 센서 위에 상쇄 간섭을 일으키면 흐릿하거나 스펙클이 생성되지 않는다. 교차 상관이 표면과 스펙클 캡쳐링 디바이스 사이의 상대 이동 전후에 생성된 스펙클 패턴들을 매칭시키는 데 사용된다. 제 1 광 스펙클 패턴이 기록되고 높은 휘도를 갖는 특수한 스펙클이 있다고 가정하면, 스펙클 캡쳐링 디바이스가 표면에 대해 거리 d를 이동한 후 이러한 스펙클에 대해 일어나는 것은 다음과 같이 분석된다:
(i) 4-f 렌즈 이미징 시스템이 시스템의 치수를 최소화하기 위해 편리한 분석을 위해 선택되고, 여기서 f는 이미징 시스템에 사용되는 렌즈의 초점 길이이다. 물체 거리는 4-f 시스템에서 이미지 거리와 동일하고, 시스템 M의 배율은 1과 같다. 도 1a를 참조하면, γA = γB, γA' = γB', γA" = γB"이다.
(ii) 이미징 평면 상의 위치 B에서의 스펙클의 크기는 회절에 기인하는 평균 크기 2δ로서 가정될 수 있다. 시스템의 배율이 1이므로, 반경 δ의 영역 내의 및 표면 위의 지점 A을 중심으로 하는 모든 지점들은 회절 제한 에어리 디스크(diffraction limit Airy disk)를 생성하고, 여기서 크기는 이미지 평면 위의 지점 B을 둘러싸는 대응 위치들 위에서 2δ
Figure 112008079512848-PAT00001
2Lλ/D이다. 그 에어리 디스크는 다른 산란 지점들에 의해 생성된 다른 에어리 디스크들과 중첩하여 간섭을 일으킨다. 지점 B는 반경 δ 영역 내의 및 지점 A을 중심으로 하는 각 지점으로부터 산란된 광들이 경로 길이차 0 또는 파장의 정수배를 갖는 지점 B에 도달한 것을 나타내는 밝은 지점이다. 스펙클 캡쳐링 디바이스가 표면에 대해 거리 d를 이동한다고 가정하면, 물체 평면 상의 지점 A는 스펙클 캡쳐링 디바이스에 대해 지점 A' 또는 A"으로 이동하고, 대응하는 이미지 지점들은 각각 B' 또는 B"가 될 것이다.
합리적으로 γA
Figure 112008079512848-PAT00002
2f 및 γA >> d >> δ라고 가정한다. 도 1b에 도시된 것과 같이, 우리는 반경 δ의 영역 내의 및 지점 A을 중심으로 하는 지점들로부터 생성된 최대 광로 길이차, 즉 γA+δ 및 γA-δ(γ, θA, δ로 표현됨, 여기서 δ는 광 스펙클의 평균 반경이고, θA는 광축과 광제한 모듈의 광축과 표면의 수직 방향 사이의 이미지 캡쳐링 각도이고, d는 0으로부터 이미지 캡쳐링 영역의 직경까지 조정 가능한 이동 거리이고 이미지가 불변인 최대 이동 거리와 같고, γ는 이미징 렌즈로부터 표면까지의 수직 거리임)를 평가한다:
Figure 112008079512848-PAT00003
테일러 급수 확장을 이용하고 2차 이상을 항들을 생략하면,
Figure 112008079512848-PAT00004
도 1c에 도시된 것과 같이, 스펙클 캡쳐링 디바이스가 표면에 대해 상대 이동하면, 지점 A는 거리 d를 이동하여 지점 A'(B'에 대응하는 이미지 지점)에 도달하고, 반경 δ의 영역 내의 및 지점 A을 중심으로 하는 모든 지점들로부터의 최대 광로 길이차가 계산된다. γA'+δ 및 γA'-δ 사이의 차이는:
γA'+δ - γA'-δ
Figure 112008079512848-PAT00005
2δsinθA'이다.
도 1c에 나타낸 것과 같이, 표면 위의 지점 A가 거리 d를 이동하여 지점 A'에 도달하고, 반경 δ의 영역 내의 및 지점 A'을 중심으로 하는 모든 지점들로부터의 최대 광로 길이차, 즉 γA'+δ - γA'-δ 는 반경 δ의 영역 내의 및 지점 A을 중심 으로 하는 모든 지점들로부터의 최대 광로 길이차,γA+δ - γA-δ와 비교되었고, 이들 2개의 최대 광로 길이 차들의 변화, 즉 (γA'+δ - γA'-δ) - (γA+δ - γA-δ)는 다음과 같이 계산될 수 있다.
θA' = θA + Δθ이고, 여기서 Δθ는 매우 작은 각도 변위라고 가정하면, 이 때,
Figure 112008079512848-PAT00006
Figure 112008079512848-PAT00007
및
Figure 112008079512848-PAT00008
이므로, 이 때,
Figure 112008079512848-PAT00009
4-f 렌즈를 통과한 표면의 지점 A로부터의 산란된 광이 광센서 위의 지점 B에 상을 형성하고, 이 때 유사하게, 표면의 지점 A' 및 A" 으로부터 산란된 광들은 광센서 위의 지점들 B' 및 B"에 각각 상을 형성한다고 가정한다. 회절 효과는 지점 B을 중심으로 하는 반경 δ(에어리 디스크의 반경 및 스펙클의 평균 반경) 내의 이미지 평면 위의 각 지점이 지점 B와 에너지 결합을 가지며, 즉 각 지점은 지점 B에서 간섭에 대한 기여를 제공한다는 것을 보인다. 또한, 배율이 1인 조건 하에서, 지점 B는 밝은 지점이고 이것은 표면 위의 지점 A을 중심으로 하는 반경 δ 내의 각 지점으로부터 산란된 광들이 지점 B에서 보강 간섭을 일으킨다는 것을 의미한다. 지점 A을 중심으로 하는 반경 δ 내의 각 지점으로부터 지점 B을 중심으로 하는 반경 δ내의 각 지점까지의 등가 광로 길이차는 0으로 간주될 수 있다. 각각의 산란된 광의 초기 위상은 등가 광로 길이차에 통합된다. 즉, 지점 A을 중심으로 하는 반경 δ내의 각 지점으로부터 지점 B을 중심으로 하는 반경 δ내의 각 지점까지의 원래 최대 광로 길이차, 즉 n(γA+δ + γB+δ) - n(γA-δ + γB-δ)
Figure 112008079512848-PAT00010
4δsinθA(n은 공기이기 때문에 1로 가정함)은 지점 A를 둘러싸는 영역의 본래의 미세구조에 의해 자동으로 보상된다. 광원과 조명된 표면 사이에 상대 이동 d가 있고 원래의 표면 조건이 유지되면, 지점 A'을 중심으로 하는 반경 δ 내의 각 지점으로부터 지점 B'을 중심으로 하는 반경 δ 내의 각 지점까지의 최대 광로 길이차는 (γA'+δ + γB'+δ) - (γA'-δ + γB'-δ)이다. 이 새로운 최대 광로 길이차는 최대 광로 길이차의 변동을 결정하기 위해 원래의 것과 비교되어야 하며, 최대 광로 길이차의 변동은 스펙클의 강도 변동에 있어서 중요한 요소이다. 최대 광로 길이차의 변동이 파장의 절반이면, 이 때 원 보강 간섭은 상대 이동 후 상쇄 간섭이 된다. 상대 이동 d으로 인한 최대 광로 길이차의 변동은 [(γA'+δ + γB'+δ) - (γA'-δ + γB'-δ)] - [(γA+δ + γB+δ) - (γA-δ + γB-δ)]
Figure 112008079512848-PAT00011
4δdcos3θA/γ이다. 4δdcos3θA/γ << λ가 만족되면 이 때 상대 이동 d로 인한 최대 광로 길이차의 변동은 매우 작다. 이것은 지점 B가 밝은 지점이면 보강 간섭 때문에 지점 B가 여전히 밝은 지점이 된다는 것을 의미한다. 스펙클은 이미지 평면에서 이동되지만 이미지 인식에서 중요한 이러한 특수한 조건 하에서 형상 및 강도의 변화는 없다. 본 발명에서 최대 광로 길이차의 변동은 4δdcos3θA/γ < λ/5로서 계산되었고 관측된 스펙클의 형상 변화 및 강도 변동은 없다.
도 2a는 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스가 개시되어 있는 하나의 대표적인 실시예의 구조를 나타낸 도면이다. 이 디바이스는 광원(10), 광제한 모듈(12), 및 광센서(14)를 포함한다. 컬리메이팅된 광파(100)는 광원(10)에 의해 방출되고 수렴 렌즈(converge lens; 11)는 표면(2)을 조명한다. 광원은 간섭성이 있고, 예를 들면 레이저이다. 그러므로, 광원(10)은 수직 공동 면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL), 에지 에미션 레이저(Edge Emission Laser; EFL), 고간섭성 고체 레이저(high coherent solid state laser), 또는 협대역 고간섭성(narrow band high coherent) 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)이다. 컬리메이팅된 광파(100)에 의해 조명되는 표면(2)의 영역은 광원(10)과 수렴 렌즈(11) 사이의 거리를 조정함으로써 소정값에 따라 조정된다. 광제한 모듈(12)은 다수의 광제한 요소들을 포함한다. 이 실시예에서, 광제한 모 듈(12)은 개구(121) 및 이미징 렌즈(122)를 포함하며 개구(121)는 이미지 렌즈(122)와 표면(2) 사이에 배치된다. 광 센서(14)는 광제한 모듈(12) 뒤에 배치되고 1차원 또는 2차원 CDD 또는 CMOS 어레이이다.
광원(10)은 컬리메이팅된 광파(100)를 방출하고 표면(2)을 조명하여 산란된 광들(102)을 낳는다. 산란된 광들(102)의 특징은 표면(2)의 속성에 의해 결정된다. 정반사는 표면이 고도로 매끄러우면 표면으로부터 생성되고, 즉 모든 산란된 광들(102)은 동일 방향으로 전파하고 컬리메이팅된 광파(100)에서 동일한 에너지를 포함한다. 산란된 광들(102)은 표면(2)이 광학적으로 거친(확산된) 표면이면 상이한 방향들로 분포될 것이다.
또한, 산란된 광들(102) 중 적어도 하나는, 표면(2)이 조명되고 거친 표면이면, 임의의 방향으로 전파할 것이고, 용이하게 인식되는 스펙클이 생성된다.
또한, 광원(10)이 컬리메이팅된 광파(100)를 방출하고 표면(2)을 조명하면 산란된 광들(102)이 생성되고, 산란된 광들(102) 중 적어도 하나는 광제한 모듈(12)에 의해 수집되고, 광제한 모듈(12)은 개구(121) 및 이미징 렌즈(122)를 포함하고 이미징 렌즈(122)는 개구(121) 뒤에 배치되고, 이것은 이미징 렌즈(122)가 개구(121)와 광센서(14) 사이에 배치된다는 것을 의미한다. 광제한 모듈(12)은 산란된 광(10)에 대해 광 센서(14)의 입사 시야각을 제한하고, 입사 시야각은 또한 개구(121)와 이미징 렌즈(122) 사이의 거리, 개구(121)와 이미징 렌즈(122)의 직경에 의해 결정된다. 개구(121)의 직경으로 인해, 산란된 광들(102) 중 적어도 하나는 개구를 통과하고 다수의 회절된 광들을 생성하고, 다수의 회절된 광들은 이미징 렌즈(122)를 통과하여 스펙클들을 생성한다. 스펙클들의 평균 크기는 개구(121)의 직경에 의해 조정될 수 있고 다수의 스펙클들은 이후 광 센서(14) 위에 상을 형성한다. 스펙클들의 크기, 이미징 렌즈의 초점 길이, 이미지 캡쳐링 각, 및 표면의 이미지 캡쳐링 영역과 같은 패러미터들을 적절히 조정함으로써, 최대 광로 길이차의 변화, 즉 4δdcos3θA/γ<λ/5가 만족될 수 있고 이미지 불변 광 스펙클 패턴이 이미지 표면 위에 생성된다.
3차원 표면의 가장 양호한 특징으로부터 이미지 불변 광 스펙클 패턴을 얻기 위해, 컬리메이팅된 광파(100)가 입사각 θi로 상기 표면(2) 위에 입사하고, 산란된 광들(102)은 본 발명에서 정반사로부터 ±10°의 편차각에서 수집된다. 본 발명의 광제한 모듈(12)은 정밀하게 θi±10°의 각도에서 산란된 광들(102)을 수집하도록 설계된다. 거의 컬리메이팅된 광의 빔이 표면을 조명하면, 대부분의 산란된 광들은 θr = θi의 방향으로 집중되고, 산란된 광들은 축소되고 산란된 방향은 θr = θi 방향으로부터 벗어난다. θr = θi에서의 산란된 광은 2개의 성분을 포함하며, 즉 주성분은 표면의 정반사로부터 오고 부성분은 표면의 본래의 미세구조로 인해 산란된 광으로부터 온다. 정반사의 광파들은 동일 위상을 가지지만 산란된 광들은 임의의 위상(random phase)을 가지며, 이들 광파들이 중첩되면서 간섭이 생긴다. 스펙클 캡쳐링 디바이스와 표면 사이에서의 상대 이동 전후의 간섭 패턴의 관계를 분석함으로써, 상대 이동의 정량적 데이터가 얻어질 수 있다. 표면이 충분히 광학적으로 거칠면, 정반사는 감소하고 임의의 산란기는 교차 상관을 통해 패턴 인식에 바람직하지 않은 위상 변화를 신속하게 증가시킨다. 본 발명에서 산란된 광파들을 수집하기 위한 방향으로 각도 θr = θi ± 10°를 선택함으로써, 정반사가 회피될 수 있고 더욱 산란된 광파들이 수집될 수 있고, 표면의 3차원 피쳐들로부터 생성된 광 스펙클 패턴은 효율적으로 기록될 것이고, 정밀한 인식 및 위치결정이 얻어질 것이다.
도 2b는 산란된 광에 대한 센서의 입사 시야각과 개구의 위치간의 관계를 나타낸 광로의 도면이다. 도면을 참조하면, 광제한 모듈(12)은 도 1a의 것과 똑같은 개구(121) 및 이미징 렌즈(122)를 포함하고, 개구(121)는 지점 G 또는 H에 배치될 수 있다. 지점 G에 개구(121)를 갖는 광제한 모듈(12)과 비교하면, 지점 H에 개구(121)를 갖는 광제한 모듈(12)은 광축으로부터 멀리 떨어진 산란된 광들을 차단할 것이다. 도면의 광로는 개구(121)가 이미징 렌즈의 초점 뒤에 배치되지만 센서(14)의 앞에 배치되고 개구(121)의 정확한 위치는 입사 시야각을 제어하기 위해 사용되고, 따라서 표면 위의 이미지 캡쳐링 영역을 제한하는 데 사용되는 것을 나타낸다. 이 실시예는 표면(2) 위의 지점 E 및 F 위에 입사하는 광파들이 적어도 산란된 광(102)을 생성할 경우, 산란된 광(102)은 이미징 렌즈(122)를 통과하고, 지점 E 및 F로부터의 산란된 광들(102)은 개구(121)가 지점 G에 배치되면 이미징 렌즈(122)를 통과하고, 센서(14) 위의 지점 E' 및 F' 위에 상을 형성하고, F'에서의 광속(light flux)은 E'에서의 광속보다 더 높은 것을 나타낸다. H에 배치된 개 구(121)에 있어서, 근광축 지점 F으로부터의 산란된 광은 이미징 렌즈(122)를 통과하고, 센서(14) 위에 상을 형성하고, 원광축 지점 E로부터의 산란된 광은 센서(14) 위의 E' 위에 상을 형성할 수 없다. 이 실시예에서, 개구(121)의 기능은 개구 스톱(aperture stop)이고, 이미징 렌즈(122)의 기능은 필드 스톱(field stop)이다. 이 실시예에서, 광제한 성분은 예로서, 이 실시예의 광제한 모듈(12) 내의 개구의 직경 및 위치를 적절히 조정하여 제안되고, 스펙클의 크기가 조정될 수 있고 산란된 광(102)에 대한 센서(14)의 시야각이 동시에 제한될 수 있다. 스펙클의 크기, 이미징 렌즈의 초점 길이, 이미지 캡쳐링 각도, 및 표면의 패러미터들, 최대 광로 길이차의 변화, 즉 4δdcos3θA/γ< λ/5이 만족될 조건과 같은 요소들을 적절히 조합함으로써, 이미지 불변 광 스펙클 이미지가 이미지 평면 위에 생성된다.
도 2c는 본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예의 구조의 도면이다. 도 2a와 비교하여, 이 실시예의 차이는 광제한 모듈(12)도 이미징 렌즈(122) 및 개구(121)를 구비하고, 반면 이미징 렌즈(122)가 개구(121)의 앞에 배치되는 점에 있고, 이것은 개구(121)가 이미징 렌즈(122)와 센서(14) 사이에 배치된다는 것을 의미한다. 산란된 광들을 수신하기 위해 센서의 시야각을 제한할 목적을 효율적으로 달성하기 위해, 개구(121)는 이미징 렌즈(122)의 초점 뒤에 배치되지만 일반적으로 센서(14)의 앞에 배치된다.
도 2d는 본 발명에 따른 다른 대표적인 실시예의 구조를 나타낸 도면이다. 도 2a와 비교하여, 이 실시예의 차이는 광제한 모듈(12)이 광 불투명 플레이트에 의해 둘러싸인 마이크로 렌즈(123)라는 점이다. 불투명 플레이트(124)의 기능은 도 2a의 개구(121)와 동일하며, 적어도 산란된 광(102)을 회절시켜, 회절 광파가 생기게 한다. 표면(2) 위의 조명된 영역과 결합하는 마이크로 렌즈(123)와 광 불투명 플레이트(124)는 산란된 광(102)에 대해 센서(14)의 시야각을 제한하고 이미지 불변광 스펙클 이미지를 센서(14) 위에 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예의 구조를 나타낸 도면이다. 도 2a와 비교하여, 이 실시예의 차이는 광제한 모듈(12)이 이미징 렌즈(122), 제 1 개구(125), 제 2 개구(126)를 포함한다는 점이다. 이미징 렌즈(122)는 제 1 개구(125) 및 제 2 개구(126) 뒤에 배치되고, 이것은 이미징 렌즈(122)가 제 2 개구(126)와 센서(14) 사이에 배치된다는 것을 의미한다. 이러한 구성에서, 제 1 개구(125)가 먼저 배치되고, 이후 제 2 개구(126)가 배치되고, 이후 이미징 렌즈(122)가 배치되고, 마지막에 센서(14)가 배치된다. 광원(10)이 광파(100)를 방출하여 표면(2)을 조명하고 적어도 산란된 광(102)을 생성하면, 제 1 개구(125)는 산란된 광(102)의 일부를 차단하고, 산란된 광(102)이 센서(14)로 들어가는 것을 제한한다. 산란된 광(102)의 일부가 제 1 개구(125)를 통과하면, 제 2 개구(126) 또한 산란된 광(102)의 일부가 센서(14)로 들어가는 것을 차단한다. 제 1 개구(125)와 제 2 개구(126) 사이의 직경 및 거리는 산란된 광(102)에 대한 센서(14)의 시야각을 결정한다. 즉, 표면 위의 이미지 캡쳐링 영역을 제한한다. 시야각 내의 산란된 광(102)은 더 회절되어 이미징 렌즈(122)를 통과하고, 센서(14) 위에 상을 형성하고, 이후 이미지 불변 광 스펙클 패턴을 생성한다. 다른 구성에서, 광제한 모 듈(12)은 또한 이미징 렌즈(122), 제 1 개구(125), 및 제 2 개구(126)로 구성되고, 이미징 렌즈(122)는 또한 제 1 개구(125)와 제 2 개구(126)의 앞에 배치될 수 있고, 이것은 제 1 개구(125)와 제 2 개구(126)가 이미징 렌즈(122)와 센서(14) 사이에 배치된다는 것을 의미한다. 다른 구성에서, 이미징 렌즈(122)는 또한 제 1 개구(125)와 제 2 개구(126) 사이에 배치될 수 있다.
도 4a는 이미지 센서의 일반적인 패키지로 인해 제 2 산란된 광이 생성되는 것을 나타낸 도면이다. 도 2c와는 달리, 광제한 모듈(12)은 이미징 렌즈(122)와 개구(121)를 포함하고, 슬리브(141)가 센서(14)를 둘러싸도록 구성된다. 도면으로부터, 표면(2) 위의 위치(I)는 센서(14)의 시야각 밖에 있다. 적어도 산란된 광(102)이 지점 I'에서 생성되고, 산란된 광은 슬리브(141)의 내측 표면 위의 I에 입사하고, 2차 산란된 광(104)을 생성하고, 2차 산란된 광(104)은 H에 위치된 개구(121)를 통과하여 센서(14)의 위치 I" 위에 떨어진다. 2차 산란된 광(104)이 제거되지 않으면 이미지 불변 광 스펙클 패턴을 생성하는 것은 곤란하다. 2차 산란된 광의 위상 변화는 임의이고 2차 산란된 광(104)이 이미지 평면 위에서 산란된 광(102)과 중첩할 경우 그 결과로 생긴 스펙클 플리커를 빈번하게 취급하는 것이 곤란하며, 이미지 불변 광 스펙클은 이러한 상황에서는 얻어질 수 없다.
도 4b는 본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예를 나타낸 도면이다. 도 4a와 비교하여, 슬리브(141)의 내측 표면 위에 입사하여 산란된 광(102)에 의해 생성되고 더 산란된, 2차 산란된 광(104)이 센서(14)로 들어가는 것을 방지하기 위해, 전단 광제한 요소(16)가 광제한 모듈(12)의 앞에 배치된다. 이 실시예에서의 전단 광 제한 요소(16)는 광제한 개구(161)이고, 전단 광제한 개구(161)는 표면(2)과 광제한 모듈(12) 사이에 배치되고, 광제한 모듈(12)은 이미징 렌즈(122)와 개구(121)를 포함하고, 따라서 전단 광제한 개구(161)는 표면(2)과 이미징 렌즈(122) 사이에 위치되고, 개구(121)는 이미징 렌즈(122)와 센서(14) 사이에 배치된다. 컬리메이팅된 광파가 표면(2) 위의 위치들 F와 I 위에 입사하면, 위치 F로부터의 산란된 광(102)은 전단 광제한 개구(161), 이미징 렌즈(122), 및 개구(121)를 통과하고, 이후 센서(14) 위에 직접 상을 형성한다. 이미징 영역 밖에 있는 위치 I로부터의 산란된 광(102)은 전단 광제한 개구(161)에 의해 차단될 것이다. 슬리브(141)의 내측 표면 위에 입사하여 2차 산란된 광을 생성하는 차단되지 않은 광(103)의 일부는 센서(14)에 도달하지 않을 것이다. 배경 노이즈(background noise)가 효율적으로 감소되고 센서(14)의 신호 대 잡음비가 향상되어 이미지 불변 광 스펙클이 얻어진다.
도 4c는 본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예의 구조를 나타낸 도면이다. 도 2c와 비교하여, 이 실시예의 차이는 각각의 광제한 모듈(12)이 이미징 렌즈(122)와 개구(121)를 포함하고, 전단 개구(161)가 이미징 렌즈(122)와 표면(2) 사이에 도입된다는 점이다. 전단 개구(161)는 표면(2)으로부터의 산란된 광(102)에 의해 생성되는 2차 산란된 광이 센서(14)로 들어가는 것을 방지하는 데 사용된다. 따라서 센서(14)의 배경 노이즈가 감소되고 이미지 불변 광 스펙클이 얻어진다.
도 2a 내지 도 4c로부터 기술된 구조들 모두는 본 발명의 대표적인 실시예들이고, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스들은 발광원, 광제한 모듈(12), 및 센서를 포함한다. 광제한 모듈(12)은 산란된 광(102)에 대해 센서의 시야각을 제한 한다. 즉, 표면 위의 이미지 캡쳐링 영역을 제한한다. 스펙클의 크기, 이미징 렌즈의 초점 길이, 이미지 캡쳐링 각도, 및 표면 위의 이미징 영역, 최대 광로 길이차의 변화, 즉 4δdcos3θA/γ<λ/5이 만족될 조건과 같은 패러미터들을 적절히 조합함으로써, 이미지 불변 광 스펙클 이미지가 이미지 평면 위에 얻어질 수 있다. 이미지 불변 광 스펙클 이미지는 또한 레이저 마우스, 핑거 네비게이터, 지능형 카드, 3차원 상태 식별(three-dimension status identification), 머신 툴 또는 기계적 팔을 위한 고정밀 위치결정 디바이스(high accuracy positioning device for machine tool or mechanical arm)와 같은 디바이스들에 적용될 수 있다. 본 발명의 도 4c의 구조에 기초하여 구성된 레이저 스펙클 광학 캡쳐링 디바이스에 의해 잡힌 스펙클 이미지가 도 5에 도시되어 있고, 표면은 단단한 마우스 시험 플레이트였고, 각 프레임 사이에서 이동된 거리는 60㎛였고, 연속적으로 이동하는 프레임들은 좌에서 우로 도면에 도시되어 있다. 프레임들을 순차적으로 관찰하기 위해, 스펙클 이미지는 이미지 센서의 일측에서 나타나 이미지 센서 밖으로 이동할 때까지 연속해서 이동하고, 스펙클은 단지 이동할 뿐 어떤 형상 변화 및 강도의 변동이 없고, 따라서 이미지 불변 광 스펙클 이미지가 증명된다.
그러므로, 본 발명의 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스는 레이저 마우스에 적용될 수 있다. 도 6a는 광원(10) 및 센서(14) 양자가 레이저 마우스(300)의 케이스(310) 내에 배치되어 있는 본 발명에 따른 레이저 마우스의 도면이다. 광원(10)은 광파를 방출해서 수렴 렌즈(11)를 통과하여 컬리메이팅된 광파를 생성하 고 표면(2) 위에 입사하고, 산란된 광파(102)를 생성하고, 적어도 상기 산란된 광(102)은 이미징 렌즈(122)와 개구(121)로 구성되는 적절히 조정된 광제한 모듈(12)을 통과한다. 산란된 광(102)은 이미징 렌즈(122)와 개구(121)를 통과해 회절되고, 이미지 센서(14) 위에 적당한 크기를 갖는 스펙클을 생성하고, 개구는 또한 산란된 광(102)에 대해 센서(14)의 시야각을 제한한다. 케이스(310)가 이동하기 전에, 센서(14)는 제 1 스펙클 이미지를 기록하고, 케이스(310)가 표면(2)에 대해 이동한 후, 센서(14)는 제 2 스펙클 이미지를 기록한다. 제 1 스펙클 이미지와 제 2 스펙클 이미지를 비교함으로써, 표면(2)에 대한 케이스(310)의 이동 방향 및 거리가 계산될 수 있으며, 이것은 레이저 마우스의 기초 신호가 된다.
도 6b를 참조하면, 광원(10) 및 센서(14)가 레이저 마우스(300)의 케이스(310) 내에 배치된다. 광원(10)은 광파를 방출해서 수렴 렌즈(11)를 통과하고 컬리메이팅된 광파를 생성하고 표면(2) 위에 입사하고, 산란된 광파(102)를 생성하고, 산란된 광(102)은 전단 광제한 개구(161)를 통과하고 이후 제 2 산란된 광을 생성하고, 제 2 산란된 광은 차단되어 센서(14)에 도달할 수 없다. 적어도 상기 산란된 광은 전단 광제한 개구(161)를 통과하고 또한 이미징 렌즈(122)와 개구(121)로 구성되는 적절히 조정된 광제한 모듈(12)을 통과한다. 산란된 광(102)은 이미징 렌즈(122)와 개구(121)를 통과해 회절되고, 이미지 센서(14) 위에 적당한 크기를 갖는 스펙클을 생성하고, 개구는 또한 센서(14)에 의해 수신되는 표면 이미지 캡쳐링 영역을 제한한다. 케이스(310)가 이동하기 전에, 센서(14)는 제 1 스펙클 이미지를 기록하고, 케이스(310)가 표면(2)에 대해 이동한 후, 센서(14)는 제 2 스펙클 이미지를 기록한다. 제 1 스펙클 이미지와 제 2 스펙클 이미지를 비교함으로써, 표면(2)에 대한 케이스(310)의 이동 방향 및 거리가 계산될 수 있으며, 이것은 레이저 마우스의 기초 신호가 된다.
상기 설명으로부터, 이미지 불변 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법이 제공된다. 도 7a를 참조하면, 높은 간섭성 광의 빔이 먼저 방출된다(단계 500). 높은 간섭성 광의 빔은 표면 위에 입사하고 산란된 광을 생성한다(단계 511). 개구는 이미징 렌즈의 초점 뒤에 배치되지만 센서의 앞에 배치되고, 개구 및 이미징 렌즈는 광제한 모듈로서 구성된다(단계 522). 산란된 광이 광제한 모듈을 통과하면, 산란된 광에 대한 센서의 시야각이 광제한 모듈에 의해 제한되고, 산란된 광은 또한 광제한 모듈에 의해 회절된다(단계531). 회절된 광들은 서로 간섭하여 스펙클을 생성한다(단계 540). 스펙클은 이미지로서 기록된다(단계 550). 스펙클 이미지의 이동은 이미지들의 패턴 인식을 통해 인식되고, 스펙클 캡쳐링 디바이스와 표면 사이의 상대 이동이 결정될 수 있다(단계 560).
도 7b를 참조하면, 높은 간섭성 광의 빔이 먼저 방출된다(단계 500). 높은 간섭성 광의 빔은 표면 위에 입사하고, 산란된 광을 생성한다(단계 511). 산란된 광은 제 1 개구를 통과한다(단계 521). 산란된 광은 또한 제 2 개구 및 이미징 렌즈를 통과하고, 여기서 제 1 개구 및 제 2 개구는 광제한 모듈을 포함하고, 산란된 광에 대한 센서의 시야각은 광제한 모듈에 의해 제한된다. 즉 산란된 광은 또한 광제한 모듈에 의해 회절된다(단계 530). 회절된 광들은 서로 간섭하여 스펙클을 생성한다(단계 540). 스펙클은 이미지로서 기록된다(단계 550). 스펙클 이미지의 이 동은 이미지들의 패턴 인식을 통해 인식되고, 스펙클 캡쳐링 디바이스와 표면 사이의 상대 이동이 결정될 수 있다(단계 560).
도 7c를 참조하면, 높은 간섭성 광의 빔이 먼저 방출된다(단계 500). 높은 간섭성 광의 빔은 표면 위에 입사하고, 산란된 광을 생성한다(단계 511). 전단 광제한 요소는 표면과 이미징 렌즈 사이에 배치된다(단계 512). 산란된 광은 전단 광제한 요소를 통과하고, 슬리브 위에 입사하여 2차 산란된 광을 생성하고, 2차 산란된 광은 차단되어 센서에 의해 수신되지 않을 것이다(단계 513). 개구는 이미징 렌즈와 센서 사이에 배치되고, 개구 및 이미징 렌즈는 광제한 모듈을 포함한다(단계 522). 산란된 광이 광제한 모듈을 통과하면, 산란된 광에 대한 센서의 시야각이 광제한 모듈에 의해 제한되고, 산란된 광은 또한 광제한 모듈에 의해 회절된다(단계 531). 회절된 광들은 서로 간섭하여 스펙클을 생성한다(단계 540). 스펙클은 이미지로서 기록된다(단계 550). 스펙클 이미지의 이동은 이미지들의 패턴 인식을 통해 인식되고, 스펙클 캡쳐링 디바이스와 표면 사이의 상대 이동이 결정될 수 있다(단계 560).
일반적으로, 이미지 불변 스펙클 캡쳐링 디바이스들 및 방법이 본 발명에 개시된다. 광제한 모듈은 센서의 앞에 배치되고, 스펙클의 크기, 이미징 렌즈의 초점 길이, 이미지 캡쳐링 각도, 및 표면 위의 이미지 캡쳐링 영역, 최대 광로 길이 차의 변화, 즉 4δdcos3θA/γ<λ/5이 만족될 조건과 같은 패러미터들을 적절히 조합함으로써, 이미지 불변 광 스펙클 이미지가 이미지 평면 위에 얻어질 수 있다. 스 펙클 캡쳐링 디바이스와 표면 사이에 상대 이동이 있을 경우, 얻어진 스펙클은 그에 따라 적절히 이동될 것이지만 상대 이동에 대해 불변이 될 것이므로, 정밀한 위치결정 및 인식에 바람직하다. 그러므로, 이미지 불변 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법은 레이저 마우스, 핑거 네비게이터, 지능형 카드, 3차원 지문 식별, 머신 툴 또는 기계적 팔을 위한 고정밀 위치결정 디바이스와 같은 디바이스들에 적용될 수 있다.
상기 예시 및 설명들에 의해, 본 발명의 특징들 및 사상들은 희망하건데 잘 기술될 것이다. 이 기술분야에서 숙련된 사람들은 본 발명의 사상을 유지하면서 상기 디바이스의 다수의 변경 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 용이하게 알 수 있을 것이다. 따라서, 상기 개시내용은 첨부된 청구항들의 한계 및 경계에 의해서만 한정되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1a, 1b, 1c는 본 발명의 이론적 계산에 사용되는, 스펙클 이미지들 사이의 상대 광로차의 개략도들.
도 2a는 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 구조를 나타낸 도면.
도 2b는 본 발명에 따른 제 2의 예시적인 실시예의 광로의 개략도.
도 2c 및 도 2d는 본 발명에 따른 바람직한 실시예들의 구조를 나타낸 도면.
도 3는 본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예의 구조를 나타낸 도면.
도 4a는 2차 산란의 개략도.
도 4b는 본 발명에 따른 다른 예시적인 실시예의 광로의 개략도.
도 4c는 본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예의 구조를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스에 의해 캡쳐된 이미지 불변 광 스펙클들의 화상을 나타낸 도면.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 기초한 레이저 마우스의 개략도들.
도 7a, 도 7b, 도 7c는 본 발명에 따른 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링을 생성하는 과정들을 나타낸 도면.

Claims (20)

  1. 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스에 있어서,
    표면을 조명하고 복수의 산란된 광들을 생성하기 위해 높은 간섭성 광을 방출하는 광원;
    상기 산란된 광에 대해 입사 시야각을 제한하고, 복수의 회절된 광들이 서로 간섭하여 복수의 스펙클들을 생성하도록 상기 산란된 광들로부터 상기 복수의 회절된 광들을 생성하는 광제한 모듈; 및
    상기 스펙클들을 수신하여 제 1 스펙클 이미지를 발생하는 센서로서, 제 2 스펙클 이미지는 상기 광제한 모듈 및 상기 센서가 상기 표면에 대해 이동한 후 발생되고, 상기 표면에 대한 상기 센서의 이동 방향 및 이동 거리는 상기 제 1 스펙클 이미지와 상기 제 2 스펙클 이미지를 비교하여 결정되는, 상기 센서; 및
    상기 광제한 모듈과 상기 표면 사이에 배치되고, 상기 산란된 광들의 2차 산란된 광들이 상기 센서로 들어가는 것을 방지하는 전단 광제한 디바이스(pre-stage light restrictive device)를 포함하는, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전단 광제한 디바이스는 개구(aperture)인, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광제한 모듈은 이미징 렌즈 및 개구를 포함하고, 상기 개구는 상기 이미징 렌즈의 초점 뒤 및 상기 센서의 앞에 배치되고; 상기 산란된 광들이 상기 광제한 모듈의 상기 이미징 렌즈 및 상기 개구를 통과하여 상기 센서 위에 상을 형성할 경우, 상기 광제한 모듈은 상기 센서의 시야각을 제한하여 상기 산란하는 광들이 상기 센서로 들어가는 것을 제한하는, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    컬리메이팅된 광이 상기 높은 간섭성 광으로부터 생성되고 상기 표면을 조명하도록 상기 광원의 앞에 배치된 수렴 렌즈(converge lens)를 더 포함하는, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광제한 모듈의 광축은 θr≥θi+10°의 방향으로 배열되고, 여기서 θr은 상기 광제한 모듈의 광축과 상기 표면의 수직 방향 사이의 각도이고, θi는 상기 입사광의 방향과 상기 표면의 수직 방향 사이의 각도인, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광제한 모듈의 광축은 θr≥θi-10°의 방향으로 배열되고, 여기서 θr은 상기 광제한 모듈의 광축과 상기 표면의 수직 방향 사이의 각도이고, θi는 상기 입사광의 방향과 상기 표면의 수직 방향 사이의 각도인, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상대 광로 길이차의 변화, 즉 4δdcos3θA/γ는 λ/5보다 작고,
    여기서 δ는 상기 광 스펙클의 평균 반경이고,
    θA는 상기 광제한 모듈의 광축과 상기 표면의 수직 방향 사이의 이미지 캡쳐링 각도이고,
    d는 이미지 캡쳐링 영역의 직경이고, 상기 이미지가 불변인 최대 이동 거리와 같고,
    γ는 이미징 렌즈로부터 상기 표면까지의 수직 거리이고,
    λ는 상기 높은 간섭성 광의 파장인, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광제한 모듈은 개구 및 이미징 렌즈를 포함하고, 상기 개구는 상기 이 미징 렌즈의 앞에 배치되고, 상기 산란된 광들은 상기 광제한 모듈의 상기 개구 및 상기 이미징 렌즈를 통과하여 상기 센서 위에 상을 형성하고, 상기 광제한 모듈은 상기 산란된 광들이 상기 센서로 들어가는 것을 제한하여 상기 센서의 입사 시야각을 제한하는, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 산란된 광을 수신하기 위한 상기 센서의 입사 시야각을 제한하기 위해 상기 표면 근방에 배치된 제 2 개구를 더 포함하고,
    상대 광로 길이차의 상기 변화, 즉 4δdcos3θA/γ는 λ/5보다 작고,
    여기서 δ는 상기 광 스펙클의 평균 반경이고,
    θA는 상기 광제한 모듈의 광축과 상기 표면의 수직 방향 사이의 이미지 캡쳐링 각도이고,
    d는 이미지 캡쳐링 영역의 직경이고, 상기 이미지가 불변인 최대 이동 거리와 같고,
    γ는 이미징 렌즈로부터 상기 표면까지의 수직 거리이고,
    λ는 상기 높은 간섭성 광의 파장인, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광제한 모듈은 마이크로 렌즈인, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광제한 모듈은 상기 마이크로 렌즈를 둘러싸고 바람직하지 않은 산란된 광을 차단하는 불투명 플레이트를 더 구비하는, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스.
  12. 레이저 마우스에 있어서,
    표면을 조명하고 복수의 산란된 광들을 생성하기 위해 높은 간섭성 광을 방출하는 광원;
    상기 산란된 광에 대해 입사 시야각을 제한하고, 복수의 회절된 광들이 서로 간섭하여 복수의 스펙클들을 생성하도록 상기 산란된 광들로부터 상기 복수의 회절된 광들을 생성하는 광제한 모듈; 및
    상기 스펙클들을 수신하여 제 1 스펙클 이미지를 발생하는 센서로서, 제 2 스펙클 이미지는 상기 광제한 모듈 및 상기 센서가 상기 표면에 대해 이동한 후 발생되는, 상기 센서;
    상기 광제한 모듈과 상기 표면 사이에 배치되고, 상기 산란된 광들의 2차 산란된 광들이 상기 센서로 들어가는 것을 방지하는 전단 광제한 디바이스; 및
    상기 제 1 스펙클 이미지 및 상기 제 2 스펙클 이미지의 데이터를 수신하고, 상기 제 1 스펙클 이미지와 상기 제 2 스펙클 이미지를 비교하여 상기 표면에 대한 상기 센서의 이동 방향 및 이동 거리를 결정하는 처리 유닛을 포함하는, 레이저 마우스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광제한 모듈은 이미징 렌즈 및 개구를 포함하고, 상기 개구는 상기 이미징 렌즈의 초점 뒤 및 상기 센서의 앞에 배치되고; 상기 산란된 광들이 상기 광제한 모듈의 상기 이미징 렌즈 및 상기 개구를 통과하여 상기 센서 위에 상을 형성할 경우, 상기 광제한 모듈은 상기 센서의 입사 시야각을 제한하여 상기 산란하는 광들이 상기 센서로 들어가는 것을 제한하는, 레이저 마우스.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상대 광로 길이차의 변화, 즉 4δdcos3θA/γ는 λ/5보다 작고;
    여기서 δ는 상기 광 스펙클의 평균 반경이고,
    θA는 상기 광제한 모듈의 광축과 상기 표면의 수직 방향 사이의 이미지 캡쳐링 각도이고,
    d는 이미지 캡쳐링 영역의 직경이고, 상기 이미지가 불변인 최대 이동 거리와 같고,
    γ는 이미징 렌즈로부터 상기 표면까지의 수직 거리이고,
    λ는 상기 높은 간섭성 광의 파장인, 레이저 마우스.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 광제한 모듈은 개구 및 이미징 렌즈를 포함하고, 상기 개구는 상기 이미징 렌즈의 앞에 배치되는, 레이저 마우스.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 광제한 모듈은 마이크로 렌즈 주위에 불투명 플레이트를 결합한 것인, 레이저 마우스.
  17. 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 방법에 있어서,
    높은 간섭성 광을 방출하는 단계;
    복수의 산란된 광들을 생성하기 위해 상기 높은 간섭성 광에 의해 표면을 조명하는 단계;
    상기 산란된 광들의 2차 산란된 광들을 차단하기 위해 상기 산란된 광들을 전단 광제한 디바이스로 통과시키는 단계;
    상기 센서의 입사 시야각을 제한하고 복수의 회절된 광들을 생성하기 위해 상기 산란된 광들을 광제한 모듈로 통과시키는 단계;
    복수의 스펙클들을 생성하기 위해 상기 회절된 광들을 서로 간섭시키는 단계; 및
    이미지를 생성하기 위해 상기 스펙클들을 기록하는 단계를 포함하는, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    표면에 대한 이동을 결정하기 위해 상기 스펙클들의 이동을 모니터링하기 위한 상기 이미지들을 비교하는 단계를 더 포함하는, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 광제한 모듈은 이미징 렌즈 및 개구를 포함하고, 상기 개구는 상기 이미징 렌즈의 초점 뒤 및 상기 센서의 앞에 배치되고; 상기 산란된 광들이 상기 광제한 모듈의 상기 이미징 렌즈 및 상기 개구를 통과하여 상기 센서 위에 상을 형성할 경우, 상기 광제한 모듈은 상기 센서의 입사 시야각을 제한하여 상기 산란하는 광들이 상기 센서로 들어가는 것을 제한하는, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 광제한 모듈은 상대 광로 길이차의 변화, 즉 4δdcos3θA/γ을 λ/5보다 작게 제한하기 위해 이용되고;
    여기서 δ는 상기 광 스펙클의 평균 반경이고,
    θA는 상기 광제한 모듈의 광축과 상기 표면의 수직 방향 사이의 이미지 캡쳐링 각도이고,
    d는 이미지 캡쳐링 영역의 직경이고, 상기 이미지가 불변인 최대 이동 거리와 같고,
    γ는 이미징 렌즈로부터 상기 표면까지의 수직 거리이고,
    λ는 상기 높은 간섭성 광의 파장인, 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 방법.
KR1020080114713A 2008-11-18 2008-11-18 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법 KR20100055833A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080114713A KR20100055833A (ko) 2008-11-18 2008-11-18 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080114713A KR20100055833A (ko) 2008-11-18 2008-11-18 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20100055833A true KR20100055833A (ko) 2010-05-27

Family

ID=42280108

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080114713A KR20100055833A (ko) 2008-11-18 2008-11-18 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20100055833A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7715016B2 (en) Image invariant optical speckle capturing device and method
JP5106521B2 (ja) スペックルの定位方法およびその定位系統
EP0526982B1 (en) Fine structure evaluation apparatus and method
US11287248B2 (en) Method and system for optical three dimensional topography measurement
US7205521B2 (en) Speckle based sensor for three dimensional navigation
JP2962581B2 (ja) 光距離センサ
US20070139659A1 (en) Device and method for capturing speckles
TWI644098B (zh) 透明基板之瑕疵檢測方法與裝置
JP4335218B2 (ja) スペックル捕獲デバイス、光学式マウス及びスペックル捕獲方法
JP2004101532A (ja) 共焦点距離センサ
WO2010134343A1 (ja) 形状測定装置、観察装置および画像処理方法
JP2009139134A (ja) 大面積不変形光斑撮像装置及びその方法
KR100905382B1 (ko) 컴퓨터 마우스 내의 광신호 처리 방법
EP2439486A1 (en) Image correlation displacement sensor
JP2004101530A (ja) 共焦点型距離センサ
US20180045646A1 (en) System and method for three-dimensional micro particle tracking
JP2011002257A (ja) 球状粒子径の計測装置および計測方法
EP2202613A1 (en) Image invariant optical speckle capturing device and method
JP2010117253A (ja) 画像不変光斑点の捕獲装置と方法
KR20100055833A (ko) 이미지 불변 광 스펙클 캡쳐링 디바이스 및 방법
CN101751148B (zh) 一种不变形光斑的取像装置与方法
EP1918674B1 (en) Device and method for capturing speckles
CN117109444A (zh) 一种激光位移传感器及其控制方法
CN116840260A (zh) 晶圆表面缺陷检测方法及装置
JPH0789057B2 (ja) 距離測定装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application