KR20100059729A - 광 파이프 어레이 렌즈, 광 핑거 네비게이션 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

광 파이프 어레이 렌즈, 광 핑거 네비게이션 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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티모시 제임스 오슬레이
로버트 가이 리터
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아바고 테크놀로지스 이씨비유 아이피 (싱가포르) 피티이 리미티드
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Abstract

광 핑거 네비게이션 장치 및 이 장치를 제조하는 방법은 모놀리식 물질 블록 내에 형성된 광 파이프의 어레이를 포함하는 광 파이프 어레이 렌즈를 사용한다. 광 파이프 어레이 렌즈는 광섬유 묶음 렌즈와 유사하게 기능하여 모놀리식 물질 블록 내의 광 파이프를 사용하는 렌즈를 통해 광을 전달하도록 구성된다.

Description

광 파이프 어레이 렌즈, 광 핑거 네비게이션 장치 및 그 제조 방법{LIGHT PIPE ARRAY LENS, OPTICAL FINGER NAVIGATION DEVICE WITH THE LENS AND METHOD FOR MAKING THE DEVICE}
본 발명은 광 핑거 네비게이션 장치 및 이 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
광 네비게이션 시스템은 추적 동작을 수행하기 위해 광 네비게이션 시스템과 네비게이션 표면 간의 상대적 이동을 검출한다. 광 네비게이션 시스템은 광원을 사용하여 네비게이션 표면과 이미지 센서 상에 조명 광을 발생시키고 반사되는 조명 광을 사용하여 네비게이션 표면의 이미지 데이터의 프레임을 연속적으로 캡쳐한다. 광 네비게이션 시스템은 이미지 데이터의 연속적인 프레임을 비교하고 이미지 데이터의 현재 프레임과 이미지 데이터의 이전 프레임 간의 비교에 기초하여 광 네비게이션 시스템과 네비게이션 표면 간의 상대적 이동을 추정한다. 광 네비게이션 시스템은 이미지 데이터의 프레임을 연속적으로 캡쳐하고 비교함으로써 광 네비게이션 시스템과 네비게이션 표면 간의 상대적 이동을 추적할 수 있다.
광 네비게이션 시스템은 대개 컴퓨터의 광 마우스에 사용되어 이 마우스가 수동으로 조작되는 네비게이션 표면에 대한 마우스의 상대적 이동을 추적한다. 광 네비게이션 시스템은 또한 광 핑거 네비게이션 장치에도 사용된다. 광 핑거 네비게이션 장치에서, 핑거의 표면은 광 핑거 네비게이션 장치에 대한 핑거의 상대적 이동을 추적하기 위한 네비게이션 표면으로서 사용된다.
종래의 광 핑거 네비게이션 장치는 인쇄 회로 보드 상에 장착되는 이미지 센서 어레이를 구비한 센서 칩과 광원을 포함한다. 광 핑거 네비게이션 장치는 핑거로부터 반사되는 광원의 광을 센서 칩의 이미지 센서 어레이 상으로 광학적으로 조작하는 광학 소자를 포함할 수 있다. 그러나, 이 광학 소자는 비용 측면에서 효율적이지 못하며, 그에 따라 광학 핑거 네비게이션 장치의 전체 비용을 증가시킬 수 있다.
따라서, 핑거로부터 반사된 광을 광 핑거 네비게이션 장치의 이미지 센서 어레이 상으로 광학적으로 조작하기 위해 광 핑거 네비게이션 장치에서 사용될 수 있는 보다 낮은 비용의 광학 소자가 필요하다.
광 핑거 네비게이션 장치 및 이 장치를 제조하는 방법은 모놀리식 물질 블 록(a monolithic block of material) 내에 형성된 광 파이프 어레이를 포함하는 광 파이프 어레이 렌즈를 사용한다. 이 광 파이프 어레이 렌즈는 광섬유 묶음 렌즈(a fiber bundle lens)와 유사한 기능을 수행하도록 구성된다. 그러나, 광섬유 대신에, 광 파이프 어레이 렌즈는 모놀리식 물질 블록에 형성된 광 파이프 어레이를 사용하여 렌즈를 통해 광을 전달한다. 광 파이프 어레이 렌즈는 광 핑거 네비게이션 장치에서 광섬유 묶음 렌즈에 대한 경제적 대용품을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이프 어레이 렌즈는 제 1 및 제 2 표면을 갖는 모놀리식 블록과, 광 파이프가 제 1 표면에서 제 2 표면으로 연장하도록 모놀리식 블록 내에 배치된 2차원 광 파이프 어레이를 포함한다. 광 파이프는 제 1 물질로 구성된다. 각각의 광 파이프는 제 1 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 제 2 물질로 둘러싸여진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 핑거 네비게이션 장치는 광을 방출하도록 구성된 광원과, 네비게이션 표면으로부터 반사되는 광을 수신하도록 배치된 광 파이프 어레이 렌즈와, 광 파이프 어레이 렌즈로부터의 광을 수신하여 네비게이션 표면의 이미지 프레임을 캡쳐하도록 배치된 이미지 센서 어레이를 포함한다. 이미지 프레임은 광 핑거 네비게이션 장치에 대해 상대적인 네비게이션 표면의 변위 정보(displacement information)를 제공한다. 광 파이프 어레이 렌즈는 제 1 및 제 2 표면을 갖는 모놀리식 블록과, 광 파이프가 제 1 표면에서 제 2 표면으로 연장하도록 모놀리식 블록 내에 배치된 2차원 광 파이프 어레이를 포함한다. 광 파이프는 제 1 물질로 구성된다. 각각의 광 파이프는 제 1 물질의 굴절률보다 낮은 굴절 률을 갖는 제 2 물질로 둘러싸여진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 핑거 네비게이션 장치를 제조하는 방법은 모놀리식 물질 블록 내에 광 파이프 어레이를 포함하는 광 파이프 어레이 렌즈를 제조하는 단계- 광 파이프는 제 1 물질로 구성되고, 각각의 광 파이프는 제 1 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 제 2 물질로 둘러싸여짐 -와, 광 파이프 어레이 렌즈를 이미지 센서 어레이를 구비한 네비게이션 센서에 부착하는 단계와, 광 파이프 어레이 렌즈를 구비한 네비게이션 센서를 기판 상에 장착하는 단계와, 광원을 기판 상에 장착하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면 및 장점은 본 발명의 원리를 예시적으로 도시한 첨부한 도면과 연계하여 후속하는 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 핑거 네비게이션 장치(100)가 개시되어 있다. 광 핑거 네비게이션 장치(100)는 사용자가 손가락을 사용하여 전자 환경 내에서 네비게이션을 수행할 수 있도록 해준다. 예를 들어, 광 핑거 네비게이션 장치(100)는 전자 스크린 상에 디스플레이되는 커서를 제어하거나 또는 전자 스크린 상에 디스플레이되는 서로 다른 대화형 그래픽 요소간의 이동을 위해 사용될 수 있다. 광 핑거 네비게이션 장치는 다양한 전자 장치, 예를 들어 도 1에 도시되어 있는 노트북 컴퓨터(102), 개인 보조 단말기(PDA)(104), 셀룰러 폰(106) 및 휴대용 미디어 플레이어(108)에서의 제어 장치로서 사용될 수 있 다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 핑거 네비게이션 장치(100)의 구성요소가 예시되어 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 광 핑거 네비게이션 장치(100)는 광원(202), 광 조명 렌즈(204), 광 파이프 어레이 렌즈(206), 네비게이션 센서(208) 및 인쇄 회로 보드(PCB)(210)를 포함한다. 광원(202)은 PCB(210) 상에 장착되어 전형적으로 사용자의 손가락의 표면인 목표 네비게이션 표면(212) 쪽으로 조명 광을 방출한다. 광원(202)은 발광 다이오드, 레이저 다이오드 또는 가시광 또는 적외선(IF) 광과 같은 임의의 유형의 광을 방출할 수 있는 임의의 다른 발광 장치일 수 있다. 예를 들어, 광원(202)은 수직 발광 IR LED일 수 있다. 조명 렌즈(204)는 광원(202) 위에 배치되어 광원은 조명 렌즈와 PCB(210) 사이에 배치된다. 조명 렌즈(204)는 광원(204)으로부터의 조명 광을 목표 네비게이션 표면(212) 상으로 광학적으로 조작하도록 구성된다. 조명 렌즈(204)는 광원(202)으로부터의 조명 광을 초점 맞추고/맞추거나 시준하도록 구성될 수 있다.
광 핑거 네비게이션 장치(100)의 네비게이션 센서(208)가 또한 PCB(210) 상에 장착된다. 네비게이션 센서(208)는 목표 네비게이션 표면(212)으로부터 반사된 조명 광을 수신하여 목표 네비게이션 표면의 이미지 데이터의 프레임을 전자적으로 캡쳐하도록 구성된다. 네비게이션 센서(208)는 광 핑거 네비게이션 장치(100)에 대한 목표 네비게이션 표면(212)의 임의의 변위를 결정하기 위해 이미지 데이터의 캡쳐된 프레임을 처리하도록 더 구성된다. 네비게이션 센서(208)는 이하에서 더 설 명된다. 광 파이프 어레이 렌즈(206)는 네비게이션 센서(208) 위에 배치되어 목표 네비게이션 표면(212)으로부터 반사되는 조명 광을 투과시킨다. 광 파이프 어레이 렌즈(206)는 광섬유 묶음 렌즈로서 기능을 한다. 그러나, 광 파이프 어레이 렌즈(206)는 호환가능한 광섬유 묶음 렌즈와 비교해 보다 비용 효율적이다. 광 파이프 어레이 렌즈(206)는 이하에서 보다 자세히 설명된다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 광원(202), 조명 렌즈(204), 광 파이프 어레이 렌즈(206) 및 네비게이션 센서(208)는 PCB(210)에 부착되는 하우징(214) 내에 배치된다. 하우징(210)은 광 핑거 네비게이션 장치(100)의 구성요소를 구조적으로 지지 및 보호한다. 하우징(210)은 플라스틱 물질로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 도 3에 예시되어 있는 바와 같이, 네비게이션 센서(208)는 구동 회로(302), 이미지 센서 어레이(304) 및 프로세서(306)를 포함하는 집적 회로 칩일 수 있다. 네비게이션 센서(208)는 또한 이미지 센서 어레이(304)를 위한 지원 회로(미도시), 예를 들어 아날로그-디지털 변환기와 행 및 열 디코더를 포함할 수 있다. 네비게이션 센서(304)는 또한 컴퓨터 광 마우스에 사용되는 종래의 네비게이션 센서에서 주로 발견되는 다른 소자를 포함할 수 있다.
네비게이션 센서(208)의 구동 회로(302)는 광원(202)용 구동 신호를 생성하도록 구성된다. 구동 회로(302)로부터의 구동 신호는 PCB(210)를 통해 광원(202)으로 전달되어 광원으로 하여금 목표 네비게이션 표면(212)을 조명하는데 사용되는 광을 생성하도록 한다.
네비게이션 센서(208)의 이미지 센서 어레이(304)는 소자 상에 입사하는 광 에 응답하여 신호들을 발생시키는 감광 픽셀 소자(308)의 어레이이며, 각 신호는 이미지 센서 어레이의 특정 소자 상에 입사하는 광의 양 또는 세기를 나타낸다. 이들 신호는 본 명세서에서 이미지 데이터로서 지칭된다. 따라서, 이미지 센서 어레이(304)는 입사 광, 즉 목표 네비게이션 표면(212)으로부터 반사되어 이미지 센서 어레이가 수신하는 조명 광에 응답하여 이미지 데이터의 프레임을 순차적으로 캡쳐할 수 있다. 이미지 데이터의 이들 프레임은 광 핑거 네비게이션 장치(100)에 대한 목표 네비게이션 표면(212)의 임의의 변위를 추정하기 위한 이미지 상관에 사용된다. 예를 들어, 이미지 센서 어레이(304)는 전하 결합 소자(CCD) 촬상 어레이 또는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 촬상 어레이일 수 있다. 이미지 센서 어레이(304) 내에 포함된 감광 픽셀 소자(208)의 개수는 변경될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서 어레이(304)는 더미 픽셀의 프레임을 포함할 수 있는 감광 픽셀 소자들의 21×21 어레이일 수 있다.
목표 네비게이션 표면(212) 상에 조명 광을 제공하고 목표 네비게이션 표면으로부터 반사된 조명 광에 응답하여 이미지 데이터의 프레임을 전자적으로 캡쳐하기 위해, 목표 네비게이션 센서(208)의 프로세서(306)는 구동 회로(302) 및 이미지 센서 어레이(304)를 포함한 네비게이션 센서의 다양한 구성요소를 제어하도록 구성된다. 프로세서(306)는 구동 회로(302)에 전기적으로 접속되어 구동 회로에 제어 신호를 제공함으로써 구동 회로로 하여금 구동 신호를 광원(202)에 인가하도록 하여 광원을 활성화시킨다. 프로세서(306)는 또한 지원 회로(미도시)를 통해 이미지 센서 어레이(304)에 전기적으로 접속되어 상관을 위한 이미지 데이터의 각 프레임 을 생성하기 위해 이미지 센서 어레이의 감광 픽셀 소자(308)에서 전기적 신호 또는 전하의 누적을 제어하는 제어 신호를 제공한다. 따라서, 프로세서(306)는 이미지 센서 어레이(304)의 프레임 레이트를 제어할 수 있다.
프로세서(306)는 마이크로프로세서 또는 마이크로제어기와 같은 범용 디지털 프로세서일 수 있다. 다른 실시예에서, 프로세서(306)는 디지털 신호 프로세서와 같은 전용 프로세서일 수 있다. 다른 실시예에서, 프로세서(306)는 다른 유형의 제어기 또는 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA)일 수 있다.
일 실시예에서, 프로세서(306)는 프로세서 내로 프로그래밍된 네비게이션 엔진(310)을 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 네비게이션 엔진(310)은 별도의 구성요소일 수 있다. 네비게이션 엔진(310)은 소프트웨어, 하드웨어 및/또는 펌웨어의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 네비게이션 엔진(310)은 이미지 센서 어레이(304)에 의해 캡쳐된 이미지 데이터의 프레임을 상관시켜 네비게이션 센서의 상위 표면과 평행한 X 및 Y 방향에 대해 목표 네비게이션 표면(212)의 임의의 측면 변위 변동을 추정하도록 동작한다. 움직임 추정 또는 네비게이션을 위해 이미지 데이터의 프레임을 상관시키는 프로세스는 잘 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 설명하지 않는다. 일 실시예에서, 네비게이션 엔진(310)의 출력은 방향성 델타 x 변위 값 및 방향성 델타 y 변위 값을 포함한다. 각 방향성 변위 값은 방향을 나타내는 음 또는 양의 부호 정보와, 그 방향에서의 변위량을 나타내는 절대 변위 값을 포함한다. 따라서, x 변위 값은 X축을 따르는 변위 변동을 나타내고, y 변위 값은 Y축을 따르는 변위 변동을 나타낸다. 특정 실시예에서, 방향성 델타 x 및 y 변위 값은 16진수(hex numbers) 형태로 생성된다.
도시되어 있는 실시예에서 구동 회로(302), 이미지 센서 어레이(304) 및 프로세서(306)는 네비게이션 센서(208) 내로 집적되지만, 다른 실시예에서 이들 구성요소의 일부 또는 전부는 물리적으로 별개의 장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 핑거 네비게이션 장치(100)의 광 파이프 어레이 렌즈(206)가 이제 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 보다 자세히 설명된다. 앞서 언급한 바와 같이, 광 파이프 어레이 렌즈(206)는 광섬유 묶음 렌즈로서 기능하여 목표 네비게이션 표면(212)으로부터 반사된 광을 네비게이션 센서(208)의 이미지 센서 어레이(304)로 유도한다. 그러나, 광섬유 대신, 광 파이프 어레이 렌즈(206)는 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있는 바와 같이 모놀리식 물질 블록(404) 내에 형성된 광 파이프의 어레이(402)를 사용한다. 도 4a는 블록(404)의 상위 표면(406)에서 광 파이프의 종단부를 보여주는 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 사시도이다. 블록(404)의 상위 표면(406)은 목표 네비게이션 표면으로부터 반사된 광을 수신하기 위해 목표 네비게이션 표면(212)과 대면하는 표면이다. 따라서, 블록(404)의 상위 표면(406)은 네비게이션 센서(208)의 이미지 센서 어레이(304)로부터 떨어져 대면하는 표면이다. 도 4b는 블록(404)의 하위 표면(408)에서 광 파이프(402)의 다른 종단부를 보여주는 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 저면도이다. 블록(404)의 하위 표면(408)은 변위 추정을 위한 목표 네비게이션 표면(212)의 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하기 위해 목표 네비게이션 표면(212)으로부터 반사된 광을 이미지 센서 어레이로 전달하는, 네비게이션 센서(208)의 이미지 센서 어레이(304)와 대면 하는 표면이다.
블록(404) 내에 형성된 광 파이프(402)의 개수는 광 파이프 어레이 렌즈의 응용에 따라 달라질 수 있다. 광 핑거 네비게이션 응용에 있어서, 광 파이프(402)의 개수는 이미지 센서 어레이(304) 내의 감광 소자(308)의 수와 일치할 수 있다. 따라서, 이미지 센서 어레이(304)의 각 감광 소자(308)마다, 광 파이프 어레이 렌즈(206) 내에 형성된 대응하는 광 파이프(402)가 존재한다. 예를 들어, 이미지 센서 어레이가 21×21인 경우, 광 파이프 어레이 렌즈(206)는 광 파이프(402)들의 21×21 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 광 핑거 네비게이션 용도에서, 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 개별 광 파이프(402)의 크기는 이미지 센서 어레이(304)의 개별 감광 소자(308)의 크기에 대응하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서 어레이(304)의 개별 감광 소자(308)의 크기(즉, 표면 영역)가 50㎛×50㎛인 경우, 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 각 개별 광 파이프(402)의 크기(즉, 종단 표면 영역)는 단일 감광 소자(308)의 표면 영역의 대부분을 차지하도록 선택된다.
예시되어 있는 실시예에서, 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 측단면도인 도 4c에 도시되어 있는 바와 같이, 광 파이프(402)는 광 파이프가 대략 45도(+/- 5도)의 각도(α)로 블록을 횡단하도록 블록(404) 내에 형성된다. 이 각도(α)는 도 4c에 도시되어 있는 바와 같이 블록(404)의 하부면(408)으로부터 측정된다. 그러나, 다른 실시예에서, 광 파이프(402)는 다른 각도로, 예를 들어 60도(+/-5도)의 각도로 블록을 횡단할 수 있다. 광 파이프(402)의 각도(α)는 이 각도가 지문(즉, 목표 네비게이션 표면(212))의 융기선(ridges)과 골(valleys) 간의 원하는 대비를 생성 한다는 점에서 중요하다. 손가락 융기선으로부터의 반사는 경사진 광 파이프 내로 잘 결합될 것이다. 그러나, 골은 광 파이프(402) 위에서 오프셋되기 때문에, 골로부터의 반사는 광 파이프 내로 잘 결합되지 않는다. 따라서, 이미지 센서 어레이(304)에게는, 융기선은 보다 밝게 나타날 것이며(보다 많은 광이 결합되기 때문에), 골은 보다 어둡게 나타나서(보다 적은 광이 결합되기 때문에), 대비를 생성한다. 원하는 정확한 각도는 광 파이프(402)와 주변 물질의 굴절률의 차이의 함수이다.
몇몇 실시예에서, 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 광 파이프(402)는 개별 광 파이프의 단면이 원형이도록 구성될 수 있다. 그러나, 광 파이프(402)가 블록(404) 내에서 90도 이외의 각도로 놓이게 되는 경우, 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 상위 표면(406) 및 하위 표면(408)에서의 광 파이프의 형상은 상위 및 하위 표면에 대한 광 파이프의 각도로 인해 타원형일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 광 파이프(402)는 개별 광 파이프의 단면이 정방형, 직사각형 또는 다른 기하학 도형이도록 구성될 수 있다. 이들 실시예에서, 광원(402)이 블록(404) 내에서 90도 이외의 각도로 놓이는 경우, 상위 표면(406) 및 하위 표면(408)에서의 광 파이프의 형상은 블록 내에서의 광 파이프의 각도로 인해 광 파이프의 단면 형상이 길다.
예시되어 있는 실시예에서, 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 광 파이프(402)의 두께는 광 파이프의 전체 길이를 따라 균일하다. 따라서, 이 실시예에서, 개별 광 파이프(402)의 단면적은 그들의 전체 길이를 따라 일정하게 유지된다. 그러나, 다 른 실시예에서, 광 파이프(402)의 두께는 광 파이프의 전체 길이를 따라 균일하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 도 4d에 도시되어 있는 바와 같이, 광 파이프(402)는 블록(404)의 상위 표면(406) 및 하위 표면(408) 중 하나 또는 모두의 근처에서 더 두꺼울 수 있다. 또 다른 예로서, 광 파이프(420)는 상위 표면(406)에서, 즉 광 진입 지점에서 모놀리식 블록(404) 내로 갈수록 더 좁아질 수 있고, 하위 표면(408)에서, 즉 광 출구 지점에서 모놀리식 블록 밖으로 갈수록 더 넓어질 수 있다. 따라서, 이들 실시예에서, 개별 광 파이프(402)의 단면적은 광 파이프의 길이를 따라 변동된다.
광 파이프 어레이 렌즈(206)의 광 파이프(402)가 광섬유 묶음 렌즈의 광섬유와 유사한 기능을 하도록 하기 위해, 블록(404) 및 광 파이프(402)의 물질은 각 광 파이프가 광 파이프의 길이를 따라 광을 효율적으로 하향 전달할 수 있도록 선택된다. 따라서, 블록(404) 및 광 파이프(402)의 물질을 선택하는데 사용되는 특성 중 하나는 광 파이프 내에서 적절한 내부 반사를 야기하는 굴절률이다. 블록(404)의 물질의 굴절률은 광 파이프(402)의 물질의 굴절률보다 낮아야 한다. 일 실시예에서, 블록(404)의 물질은 광학 에폭시이다. 예를 들어, 블록(404)의 물질은 AP Master Bond로부터의 광학 에폭시, 예를 들어 EP 112(589nm에서 굴절률=1.5)의 이름으로 판매되는 광학 에폭시일 수 있다. 일 실시예에서, 광 파이프(402)의 물질은 나노입자의 폴리머이다. 예를 들어, 광 파이프(402)의 물질은 NanoGram Corporation의 고 투명도, 고 굴절률의 폴리머 나노혼합물일 수 있거나 또는 Nitto Denko Corporation의 폴리머 물질일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 광 파이 프(402)의 물질은 광학 에폭시이다. 예를 들어, 광 파이프(402)의 물질은 AP Master Bond의 광학 에폭시, 예를 들어 EP 30-3(589nm에서 굴절률=1.6)의 이름으로 판매되는 광학 에폭시일 수 있다. 또 다른 예로서, 광 파이프(402)의 물질은 Epoxy Technology의 광학 에폭시, 예를 들어 353ND의 이름으로 판매되는 광학 에폭시일 수 있다.
광 파이프 어레이 렌즈(206)의 블록(404) 및 광 파이프(402)용으로 사용되는 물질의 또 다른 바람직한 특성은 고온에 견딜 수 있는 능력인데, 그 이유는 네비게이션 센서가 무연 땝납 리플로우를 사용하여 PCB(210) 상에 장착되기에 앞서 광 파이프 어레이 렌즈가 네비게이션 센서(208)에 부착될 수 있도록 하기 위해 상기 물질은 일단 경화되면 무연 땜납 리플로우를 견뎌내야 하기 때문이다. 광 파이프 어레이 렌즈(206)는 무연 땜납 리플로우 동안의 온도 범위에 놓여질 수 있기 때문에, 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 블록(404) 및 광 파이프(402)용으로 사용되는 물질은 적어도 대략 섭씨 260도일 수 있는 무연 땜납 리플로우 동안의 최대 온도를 견딜 수 있도록 하는 것이 중요하다. 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 블록(404) 및 광 파이프(402)의 물질의 상기 예들은 무연 땜납 리플로우 동안에 수반되는 온도를 견딜 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이프 어레이 렌즈(206)를 제조하는 프로세스가 도 5의 흐름도를 참조하여 설명된다. 단계(502)에서, 적절한 기초 물질 블록이 제공된다. 예를 들어, 블록용의 적절한 기초 물질은 광학 에폭시일 수 있다. 일 실시예에서, 이 물질 블록은 물질 블록의 반대 측면에 위치한 상위 표면 및 하 위 표면을 갖는 직육면체로서 구성된다. 일 실시예에서, 물질 블록의 크기는 이 블록으로부터 다수의 광 파이프 어레이 렌즈를 생성하도록 선택된다. 다음으로, 단계(504)에서, 마이크로채널이 블록의 상위 표면으로부터 하위 표면으로 가로지르도록 마이크로홀 또는 마이크로채널이 물질 블록 내에 형성된다. 마이크로채널의 단면은 원형, 정방형 또는 직사각형일 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로채널은 레이저 마이크로드릴링을 사용하여 물질 블록 내에 형성된다. 다음으로, 단계(506)에서, 물질 블록 내의 마이크로채널은 적절한 충진 물질, 예를 들어 나노입자를 갖는 폴리머로 충진되어 물질 블록 내에 광 파이프를 형성한다. 일 실시예에서, 마이크로채널의 충진은 블록의 일 측면으로부터의 마이크로채널에 진공을 적용하여 블록의 다른 측면으로부터 마이크로채널을 통해 충진 물질을 끌어당기는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 충진 물질의 온도는 충진 물질이 마이크로채널을 지나 용이하게 흐를 수 있도록 실온부터 상승할 수 있다.
다음으로, 단계(508)에서, 마이크로채널 내의 충진 물질은 충진 물질을 굳히도록 경화되어 블록 내에 광 파이프를 형성한다. 다음으로, 선택적 단계(510)에서, 블록의 상위 및 하위 표면 중 하나 또는 모두는 이들 표면을 매끄럽게 하기 위해 평탄화된다. 다음으로, 단계(512)에서, 블록은 개별 광 파이프 어레이 렌즈로 절단된다. 예를 들어, 블록은 기존의 레이저 단일화 기법을 사용하여 절단될 수 있다. 일 실시예에서, 결과적인 광 파이프 어레이 렌즈는 네비게이션 센서(208)와 같은 네비게이션 센서들에 정렬 및 부착되며, 이들은 광 핑거 네비게이션 장치(100)와 같은 광 핑거 네비게이션 장치 내로 패키지화된다.
이제 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 파이프 어레이 렌즈(206')가 도시되어 있다. 도 4a 내지 도 4d의 광 파이프 어레이 렌즈(206)와 유사하게, 광 파이프 어레이 렌즈(206')는 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 광 파이프(402)와 동일한 물질로 구성될 수 있는 모놀리식 블록(404') 내에 형성된 광 파이프(402')의 어레이를 포함한다. 광 파이프(402')는 또한 광 파이프(402')가 형성되는 블록(404')과 동일한 물질로 구성된다. 따라서, 이 실시예에서, 광 파이프(402') 및 블록(404')은 동일한 물질로 구성된다. 광 파이프(402') 내에서 적절한 내부 반사를 일으키기 위해, 광 파이프(402') 각각은 광 파이프의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 적절한 충진 물질(620)로 둘러싸여진다. 이 적절한 충진 물질(620)은 광 파이프 어레이 렌즈(206)의 블록(404)과 동일한 물질일 수 있다. 적절한 충진 물질(620)은 광 파이프 내에서 내부 반사를 일으키도록 보다 낮은 굴절률의 물질로 각 광 파이프를 둘러싸는 벽을 광 파이프(402') 주변에 형성한다. Y 축을 따라 충진 물질(620)로부터 형성된 벽은 본 명세서에서 수직 벽으로 지칭되고, X 축을 따라 충진 물질(620)로부터 형성된 벽은 본 명세서에서 수평 벽으로서 지칭될 것이다.
도 6a는 블록(404')의 상위 표면(406')에서 광 파이프의 종단부를 보여주는 광 파이프 어레이 렌즈(206')의 사시도이다. 블록(404')의 상위 표면(406')은 목표 네비게이션 표면으로부터 반사된 광을 수신하기 위해 목표 네비게이션 표면(212)과 대면하는 표면이다. 도 6b는 블록(404')의 하위 표면(408')에서 광 파이프(402')의 다른 종단부를 보여주는 광 파이프 어레이 렌즈(206')의 하단면이다. 블록(404')의 하위 표면(408')은 변위 추정을 위해 목표 네비게이션 표면(212)으로부터 반사된 광을 이미지 센서 어레이로 전달하여 목표 네비게이션 표면의 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하도록 네비게이션 센서(208)의 이미지 센서 어레이(304)와 대면하는 표면이다.
블록(404') 내에 형성된 광 파이프(402')의 개수는 광 파이프 어레이 렌즈(206')의 용도에 따라 달라질 수 있다. 광 핑거 네비게이션 용도에 있어서, 광 파이프(402')의 개수는 이미지 센서 어레이(304) 내의 감광 소자(308)의 개수와 일치할 수 있다. 따라서, 이미지 센서 어레이(304)의 각 감광 소자(308)마다, 광 파이프 어레이 렌즈(206') 내에 형성된 대응하는 광 파이프(402')가 존재한다. 예를 들어, 이미지 센서 어레이(304)가 21×21인 경우, 광 파이프 어레이 렌즈(206')는 광 파이프(402')의 21×21 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 광 핑거 네비게이션 용도에서, 광 파이프 어레이 렌즈(206')의 개별 광 파이프(402)의 크기는 이미지 센서 어레이(304)의 개별 감광 소자(308)의 크기에 대응하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서 어레이(304)의 개별 감광 소자(308)의 크기(즉, 표면 영역)가 50㎛×50㎛인 경우, 광 파이프 어레이 렌즈(206')의 각 개별 광 파이프(402')의 크기(즉, 종단 표면 영역)는 단일 감광 소자(308)의 표면 영역의 대부분을 차지하도록 선택된다.
예시되어 있는 실시예에서, 광 파이프 어레이 렌즈(206')의 측단면도인 도 6c에 도시되어 있는 바와 같이, 광 파이프(402')는 광 파이프(402')가 대략 45도(+/- 5도)의 각도(β)로 블록(404')을 횡단하도록 블록(404') 내에 형성된다. 이 각도(β)는 도 6c에 도시되어 있는 바와 같이 블록(404')의 하부면(408')으로부터 측정된다. 그러나, 다른 실시예에서, 광 파이프(402')는 다른 각도로 블록(404')을 횡단할 수 있다.
예시되어 있는 실시예에서, 광 파이프 어레이 렌즈(206')의 광 파이프(402')는 개별 광 파이프의 단면이 정방형 또는 직사각형이도록 구성된다. 광 파이프(402')가 블록(404') 내에서 90도 이외의 각도로 놓이게 되는 경우, 상위 표면(406) 및 하위 표면(408)에서의 광 파이프(402')의 형상은 블록(404') 내에서의 광 파이프(402')의 각도로 인해 광 파이프(402')의 단면 형상에 대해 길어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 파이프 어레이 렌즈(206')를 제조하는 프로세스가 도 7의 흐름도를 참조하여 설명된다. 단계(702)에서, 적절한 기초 물질 블록이 제공된다. 블록용의 적절한 기초 물질은 광학 에폭시 또는 광학적으로 투명한 나노입자를 갖는 폴리머일 수 있다. 일 실시예에서, 이 물질 블록은 물질 블록의 반대 측면에 상위 표면 및 하위 표면이 위치한 직사각형 고체로서 구성된다. 물질 블록의 크기는 다수의 광 파이프 어레이 렌즈를 생성하도록 선택된다. 다음으로, 단계(704)에서, 수직 벽을 형성하기 위해 (Y 축을 따라) 다수의 병렬 수직 절단(multiple parallel vertical cuts)이 물질 블록 내에 수행된다. 예를 들어, 수직 절단은 레이저를 사용하여 물질 블록 내에 수행될 수 있다. 다음으로, 단계(706)에서, 수직 절단에 의해 형성된 물직 블록 내의 수직 공간은 기초 물질 블록보다 작은 굴절률을 갖는 광학 에폭시와 같은 적절한 충진 물질로 충진된다. 다 음으로, 단계(708)에서, 수직 공간 내의 충진 물질은 수직 벽을 형성하도록 경화된다. 다음으로, 단계(710)에서, 수평 벽을 형성하기 위해 (X 축을 따라) 다수의 병렬 수평 절단이 물질 블록 내에 수행된다. 예를 들어, 수평 절단은 레이저를 사용하여 물질 븍록 내에서 수행된다. 다음으로, 단계(712)에서, 수평 절단에 의해 형성된 물질 블록 내의 수평 공간은 수직 절단에 의해 형성된 공간용 충진 물질과 동일할 수 있는 적절한 충진 물질로 충진된다. 다음으로, 단계(714)에서, 수평 공간 내의 충진 물질은 수평 벽을 형성하도록 경화된다. 그 결과, 수직 및 수평 벽에 의해 블록 내에 광 파이프가 한정된다. 또 다른 실시예에서, 수평 벽은 수직 벽 이전에 형성될 수 있다.
다음으로, 선택적 단계(716)에서, 블록의 상위 및 하위 표면 중 하나 또는 모두는 이들 표면을 매끄럽게 하기 위해 평탄화된다. 다음으로, 단계(718)에서, 블록은 개별 광 파이프 어레이 렌즈로 절단된다. 예를 들어, 블록은 기존의 레이저 단일화 기법을 사용하여 절단될 수 있다. 일 실시예에서, 결과적인 광 파이프 어레이 렌즈는 네비게이션 센서(208)와 같은 네비게이션 센서들에 정렬 및 부착되며, 이들은 광 핑거 네비게이션 장치(100)와 같은 광 핑거 네비게이션 장치 내로 패키지화된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 핑거 네비게이션 장치를 제조하는 방법이 도 8의 흐름도를 참조하여 설명된다. 단계(802)에서, 모놀리식 물질 블록 내에 광 파이프의 어레이를 포함하는 광 파이프 어레이 렌즈가 제조된다. 광 파이프는 제 1 물질로 구성된다. 광 파이프 각각은 제 1 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 제 2 물질로 둘러싸여진다. 다음으로, 단계(804)에서, 광 파이프 어레이 렌즈는 이미지 센서 어레이를 구비한 네비게이션 센서에 부착된다. 다음으로, 단계(806)에서, 광 파이프 어레이 렌즈를 갖는 네비게이션 센서는 기판 상에 장착된다. 다음으로, 블록(808)에서, 광원이 기판 상에 장착된다. 광원은 조명 광을 목표 네비게이션으로 방출하는데 사용되며, 이 조명 광은 목표 네비게이션 표면으로부터 반사되어 광 파이프 어레이 렌즈를 통해 네비게이션 센서의 아미지 센서 어레이로 유도된다.
본 발명의 특정 실시예가 기술 및 설명되었지만, 본 발명은 그와 같이 기술 및 설명된 부분의 특정 구성 또는 배열에 국한되지 않는다. 본 발명의 범주는 본 명세서에 첨부된 청구항 및 그들의 균등물에 의해 정의된다.
도 1은 다양한 전자 장치에 사용될 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 광 핑거 네비게이션 장치를 나타내는 도면,
도 2는 도 1의 광 핑거 네비게이션 장치의 블록도를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 핑거 네비게이션 장치의 네비게이션 센서의 블록도를 나타내는 도면,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 광 핑거 네비게이션 장치의 광 파이프 어레이 렌즈의 상이한 도면,
도 4d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 파이프 어레이 렌즈의 측단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도 4a 내지 도 4c의 광 파이프 어레이 렌즈를 제조하는 과정의 흐름도,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 핑거 네비게이션 장치의 광 파이프 어레이 렌즈의 상이한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 도 6a 내지 도 6c의 광 파이프 어레이 렌즈를 제조하는 과정의 흐름도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광 핑거 네비게이션 장치를 제조하는 방법의 흐름도.

Claims (20)

  1. 광 파이프 어레이 렌즈에 있어서,
    제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 모놀리식 블록(monolithic block)과,
    광 파이프가 상기 제 1 표면에서부터 상기 제 2 표면으로 연장하도록 상기 모놀리식 블록 내에 배치된 2차원 광 파이프 어레이를 포함하되,
    상기 광 파이프는 제 1 물질로 구성되고, 상기 광 파이프 각각은 상기 제 1 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 제 2 물질로 둘러싸여지는
    광 파이프 어레이 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모놀리식 블록은 상기 제 2 물질로 구성되는
    광 파이프 어레이 렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모놀리식 블록 내에 배치된 상기 제 2 물질의 벽을 더 포함하여, 상기 광 파이프 각각이 상기 벽에 의해 한정되고 둘러싸이는
    광 파이프 어레이 렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 나노입자를 갖는 폴리머를 포함하는
    광 파이프 어레이 렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 물질은 광학 에폭시를 포함하는
    광 파이프 어레이 렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 파이프는 상기 모놀리식 블록의 바닥면으로부터 대략 45도의 각도로 배치되는
    광 파이프 어레이 렌즈.
  7. 광 핑거 네비게이션 장치에 있어서,
    발광하는 광원과,
    네비게이션 표면으로부터 반사되는 광을 수신하도록 배치된 광 파이프 어레 이 렌즈와,
    상기 광 파이프 어레이 렌즈로부터 광을 수신하여 상기 네비게이션 표면의 이미지 프레임- 상기 이미지 프레임은 광 네비게이션 시스템에 대해 상대적인 상기 네비게이션 표면의 변위 정보를 제공함 -을 캡쳐하도록 배치된 이미지 센서 어레이
    를 포함하되,
    상기 광 파이프 어레이 렌즈는,
    제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 모놀리식 블록과,
    광 파이프가 상기 제 1 표면에서부터 상기 제 2 표면으로 연장하도록 상기 모놀리식 블록 내에 배치된 2차원 광 파이프 어레이를 포함하되, 상기 광 파이프는 제 1 물질로 구성되고, 상기 광 파이프 각각은 상기 제 1 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 제 2 물질로 둘러싸여지는
    광 핑거 네비게이션 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 파이프 어레이 렌즈의 상기 모놀리식 블록은 상기 제 2 물질로 구성되는
    광 핑거 네비게이션 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 파이프 어레이 렌즈는 상기 모놀리식 블록 내에 배치된 상기 제 2 물질의 벽을 더 포함하여 상기 광 파이프 각각이 상기 벽에 의해 한정되고 둘러싸이는
    광 핑거 네비게이션 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 나노입자를 갖는 폴리머를 포함하는
    광 핑거 네비게이션 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 물질은 광학 에폭시를 포함하는
    광 핑거 네비게이션 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 파이프 어레이 렌즈의 상기 광 파이프는 상기 모놀리식 블록의 바닥 면으로부터 대략 45도의 각도로 배치되는
    광 핑거 네비게이션 장치.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 어레이는 네비게이션 센서의 일부이고, 상기 네비게이션 센서는 상기 이미지 센서 어레이로부터의 상기 네비게이션 표면의 상기 이미지 프레임을 사용하여 상기 네비게이션 표면의 상대적 변위를 추정하는 네비게이션 엔진을 포함하는
    광 핑거 네비게이션 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    인쇄 회로 보드를 더 포함하되,
    상기 광원 및 상기 네비게이션 센서는 상기 인쇄 회로 보드 상에 장착되는
    광 핑거 네비게이션 장치.
  15. 광 핑거 네비게이션 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    모놀리식 물질 블록 내에 광 파이프의 어레이를 포함하는 광 파이프 어레이 렌즈- 상기 광 파이프는 제 1 물질로 구성되고, 상기 광 파이프 각각은 상기 제 1 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 제 2 물질로 둘러싸여짐 -를 제조하는 단계와,
    상기 광 파이프 어레이 렌즈를 이미지 센서 어레이를 구비하는 네비게이션 센서에 부착하는 단계와,
    상기 광 파이프 어레이 렌즈를 갖는 상기 네비게이션 센서를 기판 상에 장착하는 단계와,
    상기 기판 상에 광원을 장착하는 단계를
    포함하는 광 핑거 네비게이션 장치 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광 파이프 어레이 렌즈의 상기 모놀리식 블록은 상기 제 2 물질로 구성되는
    광 핑거 네비게이션 장치 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광 파이프 어레이 렌즈를 제조하는 단계는 상기 모놀리식 블록 내에 마이크로채널을 형성하고 상기 마이크로채널을 상기 제 1 물질로 충진하는 단계를 포 함하는
    광 핑거 네비게이션 장치 제조 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 광 파이프 어레이 렌즈를 제조하는 단계는 상기 광 파이프 각각을 한정하고 둘러싸도록 상기 모놀리식 블록 내에 벽을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 벽은 상기 제 2 물질로 구성되는
    광 핑거 네비게이션 장치 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 벽을 형성하는 단계는 상기 모놀리식 블록 내에서 수직 및 수평 절단을 수행하고, 상기 수직 및 수평 절단에 의해 형성된 수직 및 수평 공간을 상기 제 2 물질로 충진하는 단계를 포함하는
    광 핑거 네비게이션 장치 제조 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 광 파이프 어레이 렌즈를 제조하는 단계는 상기 모놀리식 블록의 바닥 면으로부터 대략 45도의 각도로 상기 광 파이프를 상기 모놀리식 블록하는 단계를 포함하는
    광 핑거 네비게이션 장치 제조 방법.
KR1020090114904A 2008-11-26 2009-11-26 광 파이프 어레이 렌즈, 광 핑거 네비게이션 장치 및 그 제조 방법 KR20100059729A (ko)

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