KR20100066192A - 광 스펙클들을 위한 대면적의 비왜곡 이미징 장치 및 그의 방법 - Google Patents

광 스펙클들을 위한 대면적의 비왜곡 이미징 장치 및 그의 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 스펙클들을 위한 대면적의 비왜곡 이미징 장치 및 그의 방법에 관한 것이다. 광 스펙클들을 위한 대면적의 비왜곡 이미징 장치는 발광 디바이스, 광제한 모듈, 및 센서를 포함한다. 광제한 모듈은 센서 앞에 배치되고, 복수의 광제한 부재들을 구비한다. 광제한 부재들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된다. 발광 디바이스가 광을 물체 표면으로 방출하면, 산란된 광의 하나 이상의 광선들이 생성된다. 광제한 모듈에 의해, 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들이 제한되고, 회절광의 복수의 광선들이 생성된다. 광제한 부재에 의해 생성된 특정 시야각 내의 회절광의 복수의 광선들이 서로 간섭하여 복수의 비왜곡 광 스펙클들을 생성하고, 센서 위에 광 스펙클 이미지들의 어레이를 형성한다. 끝으로, 광 스펙클 이미지들의 어레이에 따라, 대면적 및 비왜곡 광 스펙클 패턴이 주어진다. 광 스펙클 패턴이 왜곡되지 않고 물체 표면의 3차원 특징들을 기록하기 때문에, 비왜곡 이미징 장치는 컴퓨터 마우스들, 핑거 가이더들(finger guiders), 스마트 카드들, 3차원 지문 식별 장치들, 머신 툴 또는 정밀 조정 위치결정 시스템들에 적용될 수 있다.
광 스펙클, 이미징 장치, 발광 디바이스, 광제한 모듈, 광 스펙클 패턴

Description

광 스펙클들을 위한 대면적의 비왜곡 이미징 장치 및 그의 방법{Large area undistorted imaging apparatus for optical speckles and method thereof}
본 발명은 일반적으로 광 스펙클들을 위한 이미징 장치 및 그의 방법에 관한 것으로, 특히 광 스펙클들을 위한 대면적의 비왜곡 이미징 장치 및 그의 방법에 관한 것이다.
2004년에, 광원이 조명된 표면에 대해 이동할 때 레이저 스펙클들이 이동할 것을 제안하는 레이저 스펙클들에서 평균 크기 불변의 원리를 이용하는, 광 마우스에 사용되는 레이저 스펙클 패턴 기술이 공개된다. 그것에 의해, 검출기 상에서 레이저 스펙클들의 평균 이동 속도가 알려지면, 광원과 조명된 표면 사이의 상대 운동 정보가 추론될 수 있다. 따라서, 이 기술은 광 마우스에 적용될 수 있다. 레이저 스펙클들은 검출기 위의 조명된 표면으로부터의 산란된 광의 간섭 이미지들이다. 이미지들의 강도(intensity)는 산란된 광의 광로들 사이의 위상차와 관련이 있다. 레이저 광원이 조명된 표면에 대해 이동하면, 그에 따라 산란된 광로들의 위상차들이 변경되고, 그에 대응하여 검출기 상의 간섭 이미지들이 변경된다. 그것에 의해, 레이저 스펙클들이 왜곡되는 경향이 있다. 광로들의 변경은 이미지 강도 분 포의 변경을 야기 하지만, 이미지 변경들의 평균 강도는 거의 변하지 않는 데, 그 이유는 그것이 조명된 표면의 반사도와 레이저 광원의 강도에만 관련이 있기 때문이다. 레이저 광원이 조명된 표면에 대해 이동하면, 상기 2개의 조건들은 변경되지 않고, 그것에 의해 이미지들의 평균 강도는 거의 변경되지 않는다. 게다가, 광 스펙클들을 생기게 하는 표면의 거칠기는 균일하게 분포되고, 그러므로 검출기 위에 분포된 레이저 스펙클들의 평균 밀도는 거의 변하지 않아야 하는 데, 이것은 레이저 스펙클들의 평균 크기도 거의 변하지 않는다는 것을 의미한다. 상기 공보는 2003년 3월에 출원되었고, 2003년 6월에 받아들여졌다. 그 후, 중국의 쉔첸에서 2004년 1월 19일에, 창(Chang)은 컴퓨터 마우스의기능들을 구현하기 위해 레이저 스펙클들을 이용하는, 명칭이 "컴퓨터 마우스의 광신호 처리 방법"인 제 1 특허를 출원했다. 전술한 공보와 같은 이 특허는, 레이저 스펙클들이 왜곡되지만, 레이저 스펙클들의 평균 크기는 회절 원리를 따른다는 것을 공개한다. 광 스펙클들을 위한 이미징 장치가 고정되면, 광 스펙클들의 평균 크기가 예측될 수 있다. 창은 각 방향에 2개의 검출기를 가지며, 평면 위에 2개의 수직 방향으로 배열된 4개의 검출기를 이용하여 광 스펙클들을 검출하는 것을 제안했다. 레이저 광이 조명된 표면에 대해 이동하면 그에 따라 레이저 스펙클들이 이동한다. 광 스펙클 이동에 의해 생긴 2개의 수평 및 2개의 수직 검출기들에 대한 신호 타이밍을 비교함으로써, 광 스펙클들의 수평 및 수직 이동이 판단될 수 있다. 게다가, 샘플링 타임에서, 광 스펙클들의 평균 크기와 검출기들을 지나는 광 스펙클들의 수를 곱함으로써 샘플링 시간에서의 평균 이동 거리를 얻는다. 이동 방향 및 거리를 앎으로써, 광원과 조명된 표면간의 상대 운동 정보가 계산될 수 있다. 상기 설명은 창에 의해 제공된 신호 처리 방법이다.
동일한 사상이 애질런트 테크놀러지(Agilent Technologies)에 의한 광 스펙클 스타일러스의 특허에 적용된다. 2004년 4월에, 애질런트 테크놀러지는 상, 하, 좌, 우 및 중심 센서들을 구비하는 5개의 검출기들을 채택하는 사상을 제안했다. 센서들 사이의 거리는 원칙적으로 광 스펙클들의 평균 크기와 대략 같다. 광 스펙클들의 이동 정보는 5개의 센서들을 지나는 광 스펙클들의 관련된 타이밍에 의해 주어진다.
2005년 2월에, 애질런트 테크놀러지는 통상의 광 픽업 헤드의 레이저 스펙클 크기들이 30 마이크로미터의 화소 크기를 갖는 센서에 비해 너무 작은 약 수백 나노미터에서 수 마이크로미터인 것을 강조한 그들의 레이저 마우스의 특허를 어나운스했다. 따라서, 센서 화소는 수십 개의 광 스펙클들을 포함할 수 있고, 그러므로 광 스펙클들의 신호 변동은 평균화 효과가 쉽게 일어나기 때문에 명확하지 않다. 그것에 의해, 광 스펙클들의 신호들로부터 유효 정보를 직접 획득하는 것은 어렵다. 애질런트 테크놀러지는 레이저 스펙클들이 이들 특허에 사용되지 않는 것을 강조했다. 이들은 정반사(specular reflection)를 갖는 광 픽업 헤드 디자인을 제안했다. 반사각이 입사각과 동일한 것의 이점을 취하는 광로 디자인에서, 2차원 센서들이 반사각과 입사각이 동일한 위치에 설치된다. 반사광과 산란된 광의 신호들이 측정되고 분석되어 광원과 조명된 표면 사이의 상대 운동 정보를 제공한다.
본 발명의 저자는 레이저 컴퓨터 마우스와 관련된 특허를 출원했다. 이 특허 는 작은 스펙클 크기에 의해 야기되는 식별 문제 및 레이저 스펙클들의 왜곡 문제를 해결하는, 비왜곡 광 스펙클들을 위한 이미징 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명의 저자들은 산란각이 10도만큼 반사각과 차이가 나는 위치에서 레이저 스펙클들을 측정하는, 비정반사(non-specular reflection)를 이용하는 광 스펙클들을 위한 2차원 이미징 장치를 제안했다. 게다가, 산란된 광이 2차원 검출기로 들어가는 입사 시야각(incident angular field of view)을 제한하기 위해, 즉 물체 표면 위의 이미징 영역을 제한하기 위해 광제한 디바이스가 채택된다. 스펙클들의 크기, 이미징 렌즈의 초점 거리, 촬상 각도, 및 이미징 표면 영역과 같은 패러미터들을 적절히 조합함으로써, 비왜곡 광 스펙클 패턴이 이미지 표면 위에 생성된다. 이미징 장치가 표면에 대해 상대 운동하면, 광 스펙클이 이미지 센서의 일측으로부터 나타나고 그것이 센서의 다른 측상에서 사라질 때까지 연속해서 이동하고, 광 스펙클의 형상 및 강도는 동일하게 유지된다. 이미징 장치에 의해 캡쳐된 스펙클은 이동되지만 왜곡되지 않으므로, 그것은 정밀한 패턴 인식에 좋다.
신호 처리를 위한 기초로서 광 스펙클의 평균 크기 변동의 원리를 이용하여 개발된 레이저 마우스는 몇가지 조명된 표면들(예컨대 광택이 있는 표면들)에 대해 불규칙하게 점핑하는 커서의 문제를 가지고 있다. 이것은 조명된 표면이 광택이 있으면 있을 수록, 광 스펙클의 이미지들이 더 약해지고, 그 크기가 더 작아지기 때문이다. 그것에 의해, 평균 크기를 갖는 방법은 신호 처리 결과에 불안정을 생기게 하는 에러들을 생기게 할 수 있다. 이러한 기술이 정밀한 각도 해상도, 예를 들면 핑거 가이던스(finger guidance)를 필요로 하는 응용들에 적용되면, 그 요구는 만 족될 수 없다.
정반사 구조를 이용하여 획득된 광 스펙클들의 이미지들은 2개의 성분들로 구성된다. 다수의 성분은 평탄하고 균일한 반사광으로부터 오고, 소수의 성분은 울퉁불퉁한 입자들의 산란된 광으로부터 온다. 균일한 반사광은 일정한 위상을 가지며, 반면 울퉁불퉁한 입자들의 산란된 광은 위상이 변한다. 구별되는 특징을 갖는 이들 2종류의 광이 서로 간섭하여 간섭 패턴들을 형성한다. 2개의 연속하는 간섭 패턴들간의 상관관계를 분석함으로써, 광원과 조명된 표면 사이의 상대 운동 정보가 제공될 수 있다. 조명된 표면이 매우 거칠면, 이 때 균일한 반사량이 크게 감소할 것이고, 산란된 광의 에너지가 증가할 것이고, 위상이 빠르게 변하여, 패턴 상관관계의 인식에 불리하다.
본 발명의 저자들에 의해 이전에 개발된 광 스펙클들을 위한 이미징 장치 및 그 방법은 스펙클들의 크기, 이미징 렌즈의 초점 거리, 촬상 각도, 및 이미징 표면 영역과 같은 패러미터들과 적절히 조합되는 2차원 이미징 장치를 채택한다. 그것에 의해, 광원이 조명된 표면에 대해 이동하면, 광 스펙클들의 위상 변화들이 효율적으로 제한된다. 그 결과, 광 스펙클 패턴들은 패턴 인식에 유리한 왜곡에 대한 저항력이 있다. 그러나, 광제한 디바이스가 2차원 검출기에 입사하는 산란된 광의 시야각을 제한하는 데 사용되기 때문에, 물체의 표면 위에서의 관측 범위가 작은 범위로 제한된다. 게다가, 이미징 장치와 조명된 표면 사이의 상대 이동 거리가 제한되고, 그렇지 않으면 광 스펙클들의 비왜곡 특성은 관측된 작은 영역이 이동할 때 유지될 수 없어, 특히 물체의 표면 위에서의 대면적 검출을 위한 기술의 응용에 바 람직하지 않다. 왜곡되지 않은 광 스펙클을 갖는 허용 가능한 상대 이동 거리가 넓어지면, 이미징 렌즈와 물체 표면 사이의 거리는 증가된 이동 거리의 부정적인 영향을 보상하기 위해 길어져야 한다. 그것에 의해, 광 판독 헤드가 커져, 경량화, 박육화(thinness), 단축화(shortness), 소형화의 경향과 일치하지 않는다. 그러므로, 개선이 이루어져야 한다.
본 발명의 목적은 다수의 비왜곡 광 스펙클 이미지들의 어레이를 획득하기 위한 광 제한 모듈을 채택하는, 광 스펙클들을 위한 대면적의 비왜곡 이미징 장치 및 그의 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다수의 비왜곡 광 스펙클 이미지들의 어레이를 재구성하고 대면적의 비왜곡 광 스펙클 패턴을 형성하는, 광 스펙클들을 위한 대면적의 비왜곡 이미징 장치 및 그의 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광 스펙클들을 위한 대면적의 비왜곡 이미징 장치 및 그의 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 광 스펙클 패턴은 물체의 3차원 변동들(variations)에 따라 생성된다. 또한, 광 스펙클 패턴이 왜곡되지 않기 때문에, 본 발명에 따른 광 스펙클 패턴은 3차원 변동들을 갖는 표면들을 인식하는 데 사용될 수 있다.
상기 목적들을 달성하기 위해, 본 발명은 대면적의 비왜곡 이미징 장치 및 그의 방법을 제공한다. 비왜곡 이미징 장치는 발광 디바이스, 광제한 모듈, 및 센서를 포함한다. 센서 앞에 배치된 광제한 모듈은 복수의 광제한 부재들을 구비한다. 광제한 부재들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된다. 발광 디바이스가 광을 물체 표면으로 방출하면, 산란된 광의 하나 이상의 광선들이 생성된다. 광제한 모듈에 의해 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들이 제한되고, 회절광의 복수의 광선들이 생성된다. 회절광의 복수의 광선들이 서로 간섭하여 복수의 비왜곡 광 스펙클들의 어레이를 생성하고, 센서 위에 광 스펙클 이미지들을 형성한다. 끝으로, 광 스펙클 이미지들의 어레이에 따라, 대면적의 비왜곡 광 스펙클 패턴이 주어진다.
본 발명의 구조, 특징 및 효과가 더 잘 이해되고 인식되도록 하기 위해, 본 발명의 상세한 설명이 바람직한 실시예들 및 첨부 도면들과 함께 다음과 같이 제공된다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구조적 개략도를 도시한다. 도면에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 광 스펙클들을 위한 대면적의 비왜곡 이미징 장치는 발광 디바이스(10), 광제한 모듈(12), 센서(14)를 포함한다. 발광 디바이스(10)는 물체 표면(2)에 고간섭성(high coherence)을 갖는 컬리메이팅(collimate)된 광(100)을 수렴 렌즈(convergence lens)(11)를 통해 방출한다. 발광 디바이스(10)는 수직 공동 면발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser; VCSEL), 에지 에미션 레이저(edge emission laser; EEL), 고간섭성 가스 레이저, 고간섭성 고체상태(solid-state) 레이저, 또는 협대역 광을 방출할 수 있는 고간섭 성 발광 다이오드일 수 있다. 광(100)이 물체 표면(2) 위에 방출하는 면적은 미리 정해진 면적에 따라 발광 디바이스(10)와 수렴 렌즈(11)를 적절히 조합하여 결정될 수 있다. 광제한 모듈(12)은 복수의 광제한 부재들을 가진다. 광제한 부재들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된다. 본 발명에 따른 광제한 부재들 각각은 개구(aperture)(121) 및 이미징 렌즈(122)를 구비한다. 개구(121)는 이미징 렌즈(122)와 물체 표면(2) 사이에 배치된다. 복수의 개구들(121) 및 복수의 이미징 렌즈들(122)은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된다. 센서(14)는 광제한 모듈(12) 뒤에 배치되고, CCD 또는 CMOS 센서와 같은 1차원 또는 2차원 센서이다.
발광 디바이스(10)가 광을 물체 표면(2)에 방출하면, 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들이 생성된다. 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들의 특징은 물체 표면(2)의 거칠기에 의존한다. 예를 들면, 광택이 있는(거울) 표면이면, 광(100)을 물체 표면(2) 위에 투영하여 생성된 산란된 광(102)의 광선들은 반사 방향으로 수집되고 광(100)과 동일한 에너지를 가질 것이다. 반대로, 물체 표면(2)이 거칠면(흐리면), 광(100)이 물체 표면(2) 위로 투영된 후, 상이한 방향들을 갖는 산란된 광(102)의 광선들이 생성될 것이다.
상기 설명으로부터, 물체 표면(2)이 거칠어 3차원 변동들을 가지면, 광(100)이 그 위로 투영될 경우, 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들이 생성되어 임의의 방향들로 전파될 것이므로, 인식하기 쉬운 광 스펙클들이 생성되는 것으로 알려져 있다. 반대로, 물체 표면(2)의 거칠기가 낮으면 낮을 수록 광(100)이 물체 표면(2) 위에 투영될 경우 산란 효과는 더 분명하지 않고 광 스펙클들이 인식되는 것이 더 어렵게 될 것이다.
광(100)이 물체 표면(2) 위에 투영되면, 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들이 생성된다. 광제한 모듈(12)은 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들을 수광하도록 사용된다. 광제한 모듈(12)은 복수의 광제한 부재들을 가진다. 상기 광제한 부재들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된다. 광제한 부재들 각각은 개구(121) 및 이미징 렌즈(122)를 구비한다. 이미징 렌즈(122)는 개구(121) 뒤에 배치된다. 즉, 이미징 렌즈(122)는 개구(121)와 센서(14) 사이에 배치된다. 복수의 광제한 부재들은 상기 하나 이상의 산란된 광(102)이 센서(14)로 들어가는 입사 시야각을 제한한다. 입사 시야각은 개구(121)와 이미징 렌즈(122) 사이의 거리 및 개구(121)와 이미징 렌즈(122)의 직경들에 의해 결정된다. 게다가, 다수의 개구들(121)의 어레이로 인해, 회절광의 복수의 광선들이 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들에 의해 생성된다. 회절광의 다수의 광선들은 다수의 이미징 렌즈들(122)의 어레이를 통과하고 다수의 광 스펙클 이미지들의 어레이를 생성하고, 스펙클들의 사이즈는 개구(121)의 직경에 따라 제어될 수 있다. 입사 시야각이 개구(121) 및 이미징 렌즈(122)의 위치들 및 직경들에 의해 적절히 결정되면, 광제한 모듈(12)의 광제한 부재들 각각은 물체 표면 위의 그 자신의 이미징 영역을 제한할 것이고 그에 대응하여 센서(14) 위에 복수의 광 스펙클들의 독립 이미지를 형성한다. 복수의 광 스펙클들의 독립 이미지들의 어레이에 따라 그리고 이미지 재구성에 의해, 대면적 및 비왜곡 광 스펙클 패턴이 생성된다.
도 1b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 개구 위치와 시야각 사이의 관계를 포함하는 광로의 개략도를 나타낸다. 도 1a의 바람직한 실시예에 따르면, 광제한 모듈(12)의 광제한 부재들은 복수의 이미징 렌즈들 및 복수의 개구들(121)을 포함하고, 양자는 어레이들로 배열된다. 도 1b에는, 단지 복수의 이미징 렌즈들(122) 중 하나의 렌즈(122) 및 복수의 개구들(121) 중 하나의 개구가 도시되어 있다. 개구(121)는 지점 G 또는 지점 H에 배치될 수 있다. 지점 H에 배치된 개구(121) 및 이미징 렌즈(122)에 의해 구성된 광제한 부재는 지점 G에 배치된 개구(121) 및 이미징 렌즈(122)에 의해 구성된 광제한 부재에 비해 광축으로부터 상대적으로 더 먼 산란된 광을 차단할 것이다. 광로의 본 개략도로부터, 복수의 이미징 렌즈들(122)와 센서(14) 사이에 배치된 복수의 개구(121)의 위치는 입사각을 제어할 수 있다. 본 바람직한 실시예에 있어서, 광이 물체 표면(2) 위의 지점들 E 및 F에 투영될 경우, 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들이 생성되고, 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들이 이미징 렌즈(122)를 통과한다. 개구(121)가 지점 G에 배치되면, 광이 지점들 E 및 F에 투영될 때 생성된 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들은 이미징 렌즈(122)를 통과하여 센서(14)의 지점들 E' 및 F'에 이미지들을 형성할 수 있고, 여기서 지점 F'의 광속(luminous flux)은 지점 E'의 광속보다 크다. 개구(121)가 지점 H에 배치되면, 광축과 더 가까운 지점인 지점 F은 이미지 렌즈(122)를 통해 센서(14)의 지점 F'에 이미지를 형성할 수 있다. 한편, 광축으로부터 상대적으로 더 멀리 떨어진 지점 E는 이미징 렌즈(122)를 통해 센서(14) 위에 이미지를 형성할 수 없다. 본 바람직한 실시예에 따르면, 개구는 개구 스톱(aperture stop)으로서 작용하고; 이미징 렌즈(122)는 필드 스톱(field stop)으 로서 작용한다. 본 바람직한 실시예에 있어서, 예를 들면 단지 광제한 부재들 중 하나가 취해진다. 본 발명에 따른 광제한 모듈(12)은 복수의 광제한 부재들을 구비한다. 광제한 부재들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된다. 개구(121)의 틈(opening) 및 위치들을 적절히 조정함으로써, 광 스펙클들의 크기가 제어될 수 있고, 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들이 센서(14)로 들어가는 입사 시야각이 효율적으로 제한될 수 있다.
도 1c는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 구조적 개략도를 나타낸다. 본 바람직한 실시예에 따른 광제한 모듈(12)은 어레이로 배열된 복수의 광제한 부재들을 구비한다. 광제한 부재들 각각은 이미징 렌즈(122)와 개구(121)를 구비한다. 그러나, 본 바람직한 실시예와 도 1a의 것과의 차이는, 도면에 도시된 것과 같이, 이미징 렌즈(122)가 개구(121) 앞에 배치된다는 것이다. 즉, 개구(121)는 이미징 렌즈(122)와 센서(14) 사이에 배치된다.
도 2는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 구조적 개략도를 나타낸다. 도면에 도시된 것과 같이, 본 바람직한 실시예와 도 1a의 것과의 차이는 본 바람직한 실시예에 따른 광제한 모듈(12)이 어레이로 배열된 복수의 광제한 부재들을 구비하고, 광제한 부재들 각각은 이미징 렌즈(122), 제 1 개구(125) 및 제 2 개구(126)를 구비한다는 것이다. 이미징 렌즈(122)는 제 1 및 제 2 개구들(125, 126) 뒤에 배치된다. 즉, 이미징 렌즈(122)는 제 2 개구(126)와 센서(14) 사이에 배치된다. 광제한 모듈(12)로부터 센서(14)까지의 순서는 제 1 개구(125), 제 2 개구(126), 이미징 렌즈(122) 및 센서(14)이다. 발광 디바이스(10)가 광(100)을 물체 표면(2)에 방출하여 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들을 생성하면, 복수의 제 1 개구들(125)은 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들의 일부를 차단하여 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들이 센서(14)로 들어가는 것을 제한한다. 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들의 일부가 복수의 제 1 개구들(125)을 통과한 후, 복수의 제 2 개구들(126)은 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들의 일부(102)가 센서(14)로 들어가는 것을 다시 제한하는 데 사용된다. 복수의 제 1 및 제 2 개구들(125, 126)의 직경들 및 이들 사이의 거리는 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들이 센서(14)로 들어가는 입사 시야각을 결정한다. 이 후, 시야각 내의 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들은 회절광의 복수의 광선들을 생성할 것이고, 복수의 광 스펙클들을 형성하고, 어레이로 배열된 복수의 이미징 렌즈들(122)를 통과시켜 센서(14) 위에 복수의 광 스펙클 이미지들의 어레이를 형성한다. 이후, 복수의 광 스펙클 이미지들의 어레이는 대면적 및 비왜곡 광 스펙클 패턴을 형성하기 위해 재구성된다. 복수의 이미징 렌즈들(122), 복수의 제 1 개구(125), 및 복수의 제 2 개구들(126)의 순서는 복수의 이미징 렌즈들(122)이 복수의 제 1 및 제 2 개구들(125, 126) 앞에 배치되는 것일 수 있다. 즉, 복수의 제 1 및 제 2 개구들(125, 126)은 복수의 이미징 렌즈들(122)와 센서(14) 사이에 배치된다. 한편, 복수의 이미징 렌즈들(122)은 또한 복수의 제 1 개구들(125)와 복수의 제 2 개구들(126) 사이에 배치될 수 있다.
도 3a는 본 발명에 따른 2차 산란된 광의 개략도를 나타낸다. 도면에 도시된 것과 같이, 본 바람직한 실시예와 도 1b의 것과의 차이는, 본 바람직한 실시예에 있어서는, 광제한 부재가 주위 미광(stray light)을 차단하도록 센서(14) 위에 추가로 채용된 슬리브(141), 이미징 렌즈(122), 개구(121)를 구비한다는 것이다. 물체 표면(2)의 입사 시야각 내에 있지 않고, 즉 신호 영역에 있지 않은, 지점 I에 의해 생성된 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들이 슬리브(141)의 내벽 위의 지점 I'에 투영될 것이다. 지점 I'는 지점 H 위에 배치되는 개구(121)를 통과하고, 센서(14) 위의 지점 I''에 투영될 수 있는 2차 산란된 광(104)의 광선을 생성할 것이다. 2차 산란된 광(104)이 효율적으로 제거될 수 없으면, 스펙클 이미지들의 미왜곡(비왜곡)이 무효로 될 것이다. 2차 산란된 광의 위상은 강제로 제어될 수 없기 때문에, 1차 산란된 광(102)과 2차 산란된 광(104)의 중첩 결과인 스펙클 이미지들이 해롭게 반짝반짝한다. 그것은 신호 처리에 불리하다.
도 3b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 광로의 개략도를 나타낸다. 도면에 도시된 것과 같이, 본 바람직한 실시예와 도 3a의 것과의 차이는, 본 바람직한 실시예에 있어서는, 스펙클 이미지들이 센서(14) 위에서 반짝반짝 빛나게 할 수 있는 2차 산란된 광이 센서(14)로 들어가는 것을 차단하기 위해, 예비-광제한 모듈(16)이 광제한 모듈(12) 앞에 배치된다는 것이다. 예비-광제한 모듈(16)은 복수의 예비-광제한 부재들을 가진다. 예비-광제한 부재들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된 예비-개구들(161)이다. 본 바람직한 실시예에 있어서, 광제한 부재들 중 하나 및 예비-광제한 부재들 중 하나가 일 예로서 취해진다. 예비-광제한 모듈(16)이 물체 표면(2)과 광제한 모듈(12) 사이에 배치되기 때문에, 광제한 모듈(12)의 복수의 광제한 부재들은 복수의 이미징 렌즈들(122) 및 복수의 개구 들(121)을 구비하고, 그것에 의해, 예비-개구(161)는 물체 표면(2)과 이미징 렌즈(122) 사이에 배치되고, 개구(121)는 이미징 렌즈(122)와 센서(14) 사이에 배치된다. 광이 물체 표면(2)의 지점들 F와 I에 투영되면, 신호 영역 내에 위치된 지점 F에 의해 생성된 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들은 예비-개구(161), 이미징 렌즈(122), 및 개구(121)를 지나 센서(14)를 향해 가서 이미지를 형성한다. 한편, 비신호 영역내에 위치된 지점 I에 의해 생성된 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들은 예비-개구(161)에 의해 차단된다. 예비-개구(161)를 통과하는 상기 산란된 광(103)의 하나 이상의 광선들의 나머지는 슬리브(141)에 투영되고, 생성된 2차 산란된 광은 센서(14)로 들어갈 수 없다. 그것에 의해, 배경 노이즈 광이 효율적으로 감소될 수 있고, 센서(14)의 신호 대 잡음비가 향상될 수 있고 그 결과 비왜곡 스펙클 이미지들의 결과가 얻어진다. 본 바람직한 실시예에 따르면, 광제한 모듈(12) 앞에 배치된 예비-광제한 모듈(16)은 다른 물체 표면에 상기 산란된 광(103)의 하나 이상의 광선들을 투영하여 생성된 2차 산란된 광이 센서(14)로 들어가는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 그러므로, 센서(14)의 배경 노이즈가 효율적으로 감소될 수 있고 비왜곡 스펙클 이미지들이 또한 획득된다.
도 3c는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 구조적 개략도를 나타낸다. 도면에 도시된 것과 같이, 본 바람직한 실시예와 도 1c의 것과의 차이는, 본 바람직한 실시예에 있어서, 복수의 이미징 렌즈들(122) 및 복수의 개구들(121)을 구비하는 광제한 부재들 이외에, 어레이로 배열된 복수의 이미징 렌즈들(122)과 물체 표면(2) 사이에, 어레이로 배열된 복수의 예비-개구들(161)이 추가된다는 것이다. 예비-개구(161)는 다른 물체 표면 위로 투영된 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들에 의해 생성된 2차 산란된 광이 센서(14)로 들어가는 것을 방지할 수 있다.
도 1a 내지 도 3c는 본 발명의 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치에 따른 바람직한 실시예들이다. 비왜곡 이미징 장치는 주로 발광 디바이스, 예비-광제한 모듈, 광제한 모듈, 및 센서를 포함한다. 광제한 모듈은 복수의 광제한 부재들을 구비한다. 광제한 부재들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된다. 광제한 부재들 각각의 물체 표면(2) 위의 이미징 영역은 인접한 광제한 부재들의 이미징 영역과 부분적으로 중첩한다. 게다가, 광제한 부재들 각각의 최대 상대 광로 길이차는 광의 파장보다 작다. 그것에 의해, 광제한 부재들 각각에 의해 센서 위에 형성된 광 스펙클들은 왜곡되지 않는다. 끝으로, 이미지 재구성을 이용함으로써, 광제한 모듈들에 의해 생성된 다수의 광 스펙클 이미지들의 어레이가 대면적 및 비왜곡 광 스펙클 패턴으로 재구성된다. 따라서, 이 기술은 컴퓨터 마우스들, 핑거 가이더들, 스마트 카드들, 3차원 지문 식별 장치들, 머신 툴 또는 정밀 조정 위치결정 시스템들에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 비왜곡 이미징 장치는 촬상하기 위한 어레이에 배열된 복수의 광제한 부재들을 이용하고 대면적 및 비왜곡 광 스펙클 패턴을 획득하기 위해 이미지 재구성을 이용한다. 이미징 장치가 시야각을 제한하는 개구 없이 이미징 렌즈들만을 구비하면, 이 때 이미징 렌즈에 의해 보여진 물체 표면은 큰 범위의 시야각이다. 개구없이 렌즈들에 의해 센서 위에 큰 범위의 시야각으로 형성된 광 스펙클 패턴은 이미징 렌즈와 물체 표면 사이에서의 상대 운동으로 인해 간섭 조건들을 변경시킬 것이다. 그것에 의해, 이동 후의 광강도 분포는 광 스펙클 패턴에서의 이동 전의 광강도 분포와는 차이가 있다. 본 발명에 따른 비왜곡 이미징 장치는 시야각을 제한하기 위해 광제한 부재를 구비하고, 그것에 의해 광제한 부재에 의해 보여지는 시야는 작은 범위가 된다. 이미징 렌즈가 물체 표면에 대해 이동하면, 센서 위의 작은 범위에 의한 촬상의 간섭 조건은 크게 변화지 않을 것이다. 그러므로, 광 스펙클 패턴의 광강도 분포는 거의 변하지 않는다. 광 스펙클 패턴은 이동하지만 왜곡되지 않는다. 그러나, 상대 이동 거리는 또한 비왜곡을 유지하기 위해 제한된다. 예를 들면, 도 3d의 이미징 시스템에 있어서, 물체 평면과 이미지 평면 사이의 거리는 이미징 렌즈의 초점 거리의 4배이고 배율은 1이다. 광제한 부재의 기능 때문에, 물체 표면이 이미징 장치에 대해 거리 d만큼 이동하면, 이동 전후의 촬영된 광 스펙클들의 최대 상대 광로 길이차는 다음과 같다.
Δ(nL) = 2*[γA'+δ-γA'-δ]-2*[γA+δ-γA-δ]
또는 Δ(nL)
Figure 112008084807166-PAT00001
(4δdcos3θ)/γ (1)
여기서 2δ는 광 스펙클들의 평균 직경이고, d는 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치와 물체 표면 사이의 상대 운동 거리이고, 2γ는 센서와 물체 표면 사이의 거리이고, θ는 이미징 장치의 광축과 상기 물체 표면의 수직선 사이의 각도이다. 광 스펙클들의 비왜곡 목적을 달성하기 위해, 최대 상대 광로 길이차의 변동(variation)은 파장보다 훨씬 작아야 한다. 즉, Δ(nL)<<λ이어야 한다. 본 발명에서의 우리의 경험에 따르면, 왜곡되지 않은 광 스펙클들에 대한 최대 상대 광로 길이차 변동의 최소 요건은 (4δcos3θ)/γ<λ/5이다. 완성된 이미징 장치에 있어서, δ, γ, θ는 고정된다. 광 스펙클들에 대한 비왜곡 조건 즉, Δ(nL)<λ/5을 만족시키기 위해, 허용 가능한 이동 거리 d는 제한될 것이다. 광 스펙클들을 위한 이미징 장치가 PDA들 또는 노트북 컴퓨터들과 같은 작은 전자 디바이스들에 적용되면, 센서와 물체 표면 사이의 거리(2γ)는 축소되어야 한다. 조건 Δ(nL)<λ/5이 만족되면, 더 큰 이동 거리(d)가 허용될 수 없어, 광제한 부재만을 갖는 광 스펙클들을 위한 이미징 장치의 실용성을 제한한다. 본 발명에 의해 제공되는 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치 및 그의 방법에 따라 어레이로 배열된 부재들을 갖는 광제한 모듈로 인해, 광로 길이차 Δ(nL)의 최대 상대 변동은 소형(γ) 구조의 1/5 파장보다 작을 수 있고, 물체 표면에 대해 대면적 검출을 수행하는 동안 대면적 비왜곡 광 스펙클 패턴이 이동 거리(d)에 대한 제한 없이 주어진다. 허용 가능한 최대 이동 거리가 광 스펙클들에 대한 비왜곡 조건, Δ(nL)<λ/5이 광제한 모듈의 어레이내의 광제한 부재들 각각에 대해 만족되는 dmax 라고 가정한다. 즉, dmax
Figure 112008084807166-PAT00002
(λ/5)*(γ/(4δcos3θ))이다. 2개의 인접한 광제한 부재들(l) 사이의 거리가 dmax보다 작다고 하자. 게다가, 입사 시야각의 제한 하에서, 물체 표면 위의 이미징 영역들은 인접한 광제한 부재들의 것과 부분적으로 중첩한다. 입사 시야각의 제한 및 비왜곡 제한 l<dmax때문에, 2개의 인접한 광제한 부재들에 의해 보여지는 광 스펙클 패턴들의 중첩 부분은 동일하다. 이 때, 어레이내의 인접한 광 스펙클 패턴들 은 연속하는 광 스펙클 패턴을 형성하도록 연속하여 구성될 수 있다. 광제한 부재를 고려하라. 그것이 거리 l만큼 좌로 이동하면, 보여지는 이미징 영역 및 형성된 스펙클 패턴은 이동하기 직전에 그 좌측의 인접하는 광제한 부재에 의해 정확하게 형성되는 스펙클 패턴 및 정확하게 보여지는 이미징 영역이다. 그 결과 전술한 중첩 부분인 이동 전후의 상기 광제한 부재에 의해 반복해서 보여지는 이미징 영역의 일부가 존재한다. 중첩 부분의 광 스펙클 패턴은 왜곡되지 않는다. 2개의 인접한 광제한 부재들에 의해 형성된 촬영된 광 스펙클 패턴들은 왜곡되지 않은 이동 특성을 제공한다. 그것에 의해, 이미징 장치가 거리 l만큼 이동하면, 어레이 이미지들로부터 배열된 대면적의 연속하는 광 스펙클 패턴도 이동하지만 그것의 광 스펙클 패턴은 변하지 않는다. 이미징 장치가 더 많은 거리 l만큼 이동하면, 광 스펙클 패턴이 여전히 유지된다. 물론, 이동하는 동안, 연속하는 광 스펙클 패턴의 하나의 에지에는 끊임없이 사라지는 광 스펙클들이 있고 다른 에지에는 생성된 새로운 이미징 영역들의 새로운 광 스펙클들이 있다. 본 발명에 따른 광 스펙클들을 위한 이미징 장치의 특징을 발전시키기 위해, 본 기술은 먼거리 이동 후 대면적 및 비왜곡 광 스펙클 패턴들을 가지면서 소형 전자 디바이스들에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치의 광제한 모듈들에 의해 생성된 다수의 광 스펙클 이미지들의 어레이를 이미지-재구성한 후, 대면적 광 스펙클 패턴이 주어진다. 광 스펙클 이미지들 각각이 왜곡되지 않기 때문에, 그에 따라 최종 대면적 광 스펙클 패턴도 왜곡되지 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 복수의 광 스펙클들의 개략도를 나타낸다. 도면에 도 시된 것과 같이, 본 발명은 광제한 모듈(12)을 포함하는 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치를 제공한다. 광제한 모듈(12)은 복수의 광제한 부재들을 구비한다. 광제한 부재들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된다. 본 바람직한 실시예에 있어서, 복수의 광제한 부재들은 예를 들면 1차원으로 배열된다. 광제한 부재들 각각은 이미징 렌즈(122)와 개구(121)를 구비한다. 이미징 렌즈(122)의 배율은 M으로 설정된다. 본 바람직한 실시예에 있어서, M은 0.5이다. 광제한 부재에 의해 샘플링된 물체 표면(21)은 인접한 광제한 부재에 의해 샘플링된 물체 표면(22)과 부분적으로 중첩한다. 광을 물체 표면(2) 위에 투영하여 생성된 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들이 광제한 모듈(12)을 통과하면, 광제한 부재들 각각에 의해 형성된 센서 위의 이미지들은 서로 분리된다. 예를 들면, A1 물체 표면은 A1' 표면 위에 이미지를 형성할 것이다. 마찬가지로, B1 물체 표면은 B1' 표면 위에 이미지를 형성할 것이고, C1 물체 표면은 C1' 표면 위에 이미지를 형성할 것이다. 비록 A1 표면이 B1 표면과 부분적으로 중첩하고, B1 표면이 C1표면과 부분적으로 중첩할지라도, 이미지 배율에 따라, A1', B1', 및 C1'표면들은 광제한 부재의 기능들에 의해 분리된다. 그것에 의해, 본 발명에 따른 장치를 이용하여, 물체 표면(2)은 복수의 이미징 영역들을 제공하기 위해 효율적으로 분할될 수 있다. 게다가, 예비-광제한 모듈(16)은 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들에 의해 다른 물체 표면 위에 투영하여 생성되는 2차 산란된 광이 센서로 들어가는 것을 방지하기 위해 광제한 모듈(12) 앞에 배치된다. 따라서, 센서의 신호 대 잡음비가 향상될 수 있다. 전술한 방법은 2차원 어레이로 배열된 광제한 모듈에 적용되도록 확대될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 이미지 재구성의 개략도를 나타낸다. 도면에 도시된 것과 같이, 이미징 렌즈(122)의 배율은 0.5로 설정되고 물체 표면은 발광 어레이 모듈(12)에 의해 복수의 블록들로 분할된다. 블록들(23) 각각은 인접한 블록들과 부분적으로 중첩한다. 이 후, 본 발명에 따른 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치에 의해, 복수의 광 스펙클 블록들(3)이 2차원 어레이로서 주어진다. 센서(4) 위에 형성된 복수의 광 스펙클 블록들(3)의 이미지들은 분리된다. 2개의 인접한 블록들(23)은 블록들 2, 3, 4, 5와 같은 중첩 부분 위에 2번 반복해서 상을 형성한다. 블록들(23)의 일부는 블록들 6, 7, 8, 9 위에 3번 반복해서 상을 형성한다. 반복해서 상을 형성하는 것의 목적은 물체 표면(2) 위에 모든 정보를 기록하지만 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치가 물체 표면(2)에 대해 이동할 때 어떠한 정보라도 놓치지 않기 위함이다. 광제한 모듈내의 광제한 부재들 각각의 기하학적 구조는 동일하고, 블록들 23의 어레이 각각으로부터 대응하여 형성된 광 스펙클 블록들 3은 이동 후 거의 왜곡되지 않기 때문에, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치에 의해 주어진 복수의 광 스펙클 블록들(3)의 어레이에 의해 이미지-재구성된 광 스펙클 패턴(4)은, 복수의 블록들(23)을 포함하는 대면적 물체 표면(2)이 이미징 장치에 대해 이동할지라도, 일단 이미지-재구성되면 왜곡되지 않는다.
도 1c 및 도 6a는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 구조적 개략도 및 플로차트를 각각 나타낸다. 도면들에 도시된 것과 같이, 본 바람직한 실시예는 레이저 마우스 또는 다른 네비게이터들에 적용될 수 있는 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치 및 그의 방법을 제공한다. 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치는 발광 디바이스(10), 광제한 모듈(12), 및 센서(14)를 포함한다. 레이저 마우스 또는 다른 네비게이터들에 적용하기 위한 방법은, 먼저 단계 S10이 실행되며, 이 단계에서 발광 디바이스(10)는 광(100)을 레이저 마우스 또는 다른 네비게이터들과 마주하는 물체 표면(2)에 방출하고, 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들을 생성한다. 이 후, 단계 S12가 실행되며, 이 단계에서 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들은 광제한 모듈(12)로 들어가고, 이 광제한 모듈(12)은 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들이 센서(14)로 들어가는 것을 제한하기 위해 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된 복수의 광제한 부재들을 구비한다. 광제한 부재들 각각은 회절광의 복수의 광선들을 생성한다. 다음에, 단계 S14가 실행되며, 이 단계에서 광제한 부재에 의해 생성된 특정 시야각 내의 회절광의 복수의 광선들이 서로 간섭하여 복수의 광 스펙클들을 생성한다. 이 후, 단계 S16이 실행되며, 이 단계에서 이미지 재구성이 복수의 광 스펙클들의 이미지 어레이에 따라 수행되고 광 스펙클 패턴이 생성된다. 끝으로, 단계 S18이 실행되며, 이 단계에서 광 스펙클 패턴이 다른 광 스펙클 패턴을 제공하기 위해 단계들 S10 내지 S16을 반복하기 위한 기초로서 사용된다. 이후 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치가 물체 표면(2)에 대해 이동하는지의 여부를 판정하기 위해 원래의 광 스펙클 패턴을 다른 광 스펙클 패턴과 비교한다. 더욱이, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치의 이동 방향 및 거리가 판정되어 컴퓨터 스크린 상에서의 커서의 움직임으로서 사용된다. 게다가, 컴퓨터 마우스 또는 다른 네비게이터들에 배치된 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미 징 장치의 구조는 도 3c에 도시된 것일 수 있다. 예비-광제한 모듈(16)은 물체 표면(2)과 광제한 모듈(12) 사이에 배치된다. 그것에 의해, 단계 S10가 실행된 후, 단계 S11가 실행되면, 이 단계에서 예비-광제한 모듈(16)은 물체 표면(2) 위에 광을 투영하여 생성된 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들을 다른 물체 표면 위에 투영하여 생성된 2차 산란된 광의 역효과를 피하기 위해 사용된다. 따라서, 센서(14)의 배경 노이즈가 감소되고, 복수의 광 스펙클들의 인식이 향상될 수 있다.
도 1c 및 도 6b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 구조적 개략도 및 플로차트를 나타낸다. 도면들에 도시된 것과 같이, 본 바람직한 실시예는 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치 및 그 방법을 제공한다. 광 스펙클 패턴이 3차원 변동들을 갖는 물체 표면(2)에 따라 생성되기 때문에, 그것은 3차원 변동들을 갖는 물체 표면(2)을 인식하는 데 적용될 수 있고, 그것에 의해 지문 인식 장치들 또는 정밀 위치결정에도 적용될 수 있다. 3차원 변동들을 갖는 물체 표면(2)의 인식에 적용하기 위한 방법은 먼저 단계 S20가 실행되면, 이 단계에서 발광 디바이스(10)는 광(100)을 3차원 변동들을 갖는 물체 표면(2)에 방출하여 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들을 생성한다. 이 후, 단계 S22가 실행되며, 이 단계에서 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들은 광제한 모듈(12)로 들어가며, 이 광제한 모듈은 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들이 센서(14)로 들어가는 입사 시야각을 제한하기 위해 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된 복수의 광제한 부재들을 구비한다. 광제한 부재들 각각은 회절광의 복수의 광선들을 생성한다. 다음에, 단계 S24가 실행되며, 이 단계에서 광제한 부재에 의해 생성된 특정 시야각 내의 회절광의 복수의 광선들이 서로 간섭하여 복수의 광 스펙클들을 생성한다. 이 후, 단계 S26가 실행되며, 이 단계에서 이미지 재구성이 복수의 광 스펙클들의 이미지 어레이에 따라 수행되고 광 스펙클 패턴이 생성된다. 게다가, 센서(14)는 하나 이상의 광 스펙클 패턴들을 저장하는 저장 유닛에 접속될 수 있다. 끝으로, 단계 S28이 실행되며, 이 단계에서 저장 유닛에서 기준 광 스펙클 패턴들 중 하나가 판독된다. 기준 광 스펙클 패턴에 따라, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치에 의해 생성된 광 스펙클 패턴이 기준 광 스펙클 패턴과 동일한지 아닌지가 판정된다. 마찬가지로, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치가 지문 인식 장치에 적용되면, 각각의 사람의 기준 광 스펙클 패턴이 저장 유닛에 확립된다. 이후, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치에 의해, 모든 사람의 지문의 광 스펙클 패턴이 취해지고 지문 인식 기능을 수행하기 위해 저장 유닛에 저장된 기준 광 스펙클 패턴들과 비교된다. 게다가, 3차원 변동들을 갖는 물체 표면을 인식하는 데 적용되는 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치의 구조는 도 3c에 도시된 것일 수 있다. 예비-광제한 모듈(16)이 물체 표면(2)과 광제한 모듈(12) 사이에 배치된다. 그것에 의해, 단계 S10이 실행된 후, 단계 S21이 실행되며, 이 단계에서 예비-광제한 모듈(16)은, 물체 표면(2)에 광을 투영하여 생성된 상기 산란된 광(102)의 하나 이상의 광선들을 다른 물체 표면 위에 투영하여 생성된 2차 산란된 광의 역효과를 피하기 위해 사용된다. 따라서, 센서(14)의 배경 노이즈가 감소되며, 복수의 광스펙클들의 인식이 향상될 수 있다.
도 6a 및 도 6b의 바람직한 실시예들간의 차이는 도 6a의 바람직한 실시예의 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치가 레이저 마우스 또는 정밀 위치결정 디바이스와 같은 응용들에 적용될 때, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치가 이동 가능하고, 한편 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치와 마주하는 물체 표면은 고정된다는 점이다. 반대로, 도 6b의 바람직한 실시예에 따른 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치가, 3차원 변동들을 갖는 물체 표면을 인식하는 데 적용되면, 예컨대 핑거 가이더(finger guider), 스마트 카드 또는 3차원 식별 디바이스에 적용되면, 3차원 물체 표면은 이동 가능하고, 반면 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치는 고정된다.
요컨대, 본 발명은 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치 및 그 방법을 제공한다. 복수의 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된 광제한 부재들을 구비한 광제한 모듈을 센서 앞에 배치함으로써, 광이 물체 표면에 투영되어 산란된 광의 하나 이상의 광선들을 생성하면, 광제한 모듈에 의해 회절광의 복수의 광선들이 생성된다. 이 후, 그에 따라 복수의 비왜곡 광 스펙클들의 어레이가 생성된다. 끝으로, 복수의 비왜곡 광 스펙클들의 어레이에 따라 그리고 이미지 재구성에 의해, 대면적 및 비왜곡 광 스펙클 패턴이 생성된다. 본 발명에 따르면, 광 스펙클 패턴이 물체 표면의 3차원 변동들에 따라 생성된다. 게다가, 광 스펙클 패턴이 비왜곡 특성을 가지기 때문에, 이동하는 물체의 물체 표면으로부터 주어진 광 스펙클 패턴은 왜곡되고, 이동 전의 광 스펙클 패턴과 동일하다. 그것에 의해, 광 스펙클의 이동이 명확하게 인식되고 물체의 이동 정보가 주어질 수 있다. 본 발명에 따른 비왜곡 이미징 장치는 컴퓨터 마우스들, 핑거 가이더들, 스마트 카드들, 3차원 지문 식별 장치들, 머신 툴, 또는 정밀 조정 위치결정 시스템들에 적용될 수 있다.
상기 예 및 설명들에 의해, 본 발명의 특징들 및 사상들이 희망하건대 잘 기술될 것이다. 이 기술 분야에서 숙련된 사람은 본 발명의 사상을 유지하면서 디바이스의 다수의 변경예들 및 변형예들이 만들어질 수 있다는 것을 용이하게 발견할 수 있을 것이다. 따라서, 상기 개시내용은 첨부된 청구항들의 한계들 및 경계들에 의해서만 제한되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구조적 개략도.
도 1b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 광로의 개략도.
도 1c는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 구조적 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 구조적 개략도.
도 3a는 본 발명에 따른 2차 산란된 광의 개략도.
도 3b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 광로의 개략도.
도 3c는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 구조적 개략도.
도 3d는 비왜곡 스펙클의 움직임의 상대 광로 길이차의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 다수의 광 스펙클들 어레이의 개략도.
도 5는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 이미지 재구성의 개략도.
도 6a는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 플로차트.
도 6b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 플로차트.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 물체 표면 10 : 발광 디바이스
11 : 수렴 렌즈 12 : 광제한 모듈
14 : 센서 100 : 컬리메이팅된 광
102 : 광선들 121 : 개구
122 : 이미징 렌즈

Claims (25)

  1. 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치에 있어서,
    고간섭성 광을 물체 표면으로 방출하고, 산란된 광의 하나 이상의 광선들을 생성하는 발광 디바이스;
    상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들을 제한하고, 서로 간섭하여 복수의 광 스펙클들을 생성하는 회절광의 복수의 광선들을 생성하는 복수의 광제한 부재들을 포함하는 광제한 모듈; 및
    상기 광제한 모듈 뒤에 배치되고, 상기 복수의 광 스펙클들을 수신하고, 상기 복수의 광 스펙클들에 따라 광 스펙클 패턴을 생성하는 센서를 포함하는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 디바이스는 수직 공동 면발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser; VCSEL), 에지 에미션 레이저(edge emission laser; EEL), 고간섭성 가스 레이저, 고간섭성 고체상태 레이저, 및 협대역 광을 방출할 수 있는 고간섭성 발광 다이오드로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광제한 부재는 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들이 상기 센서로 들어가는 상기 입사 시야각을 제한하고, 상기 이미징 장치의 단위 확대(unit magnification)의 경우에, 비왜곡 이미지에 대한 시야각의 선형 치수는 (λ/5)*(γ/(4δcos3θ))보다 작도록 제한되고, 여기서 λ는 고간섭성 광의 파장이고, 2δ는 광 스펙클들의 평균 직경이고, 2γ는 상기 센서와 상기 물체 표면 사이의 수직 거리이고, θ는 이미징 장치의 광축과 상기 물체 표면의 수직선(normal) 사이의 각도인, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 광제한 부재들은 복수의 개구들 및 복수의 렌즈들을 구비하고, 상기 복수의 개구들 및 상기 복수의 렌즈들은 일차원 또는 2차원 어레이로 배열되고, 상기 복수의 렌즈들은 상기 복수의 개구들 앞에 배치되고, 상기 산란된 광의 복수의 광선들은 상기 복수의 렌즈들 및 상기 복수의 개구들을 통과하고, 복수의 광선들의 상기 회절광이 생성되고, 상기 복수의 광제한 부재들은 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들이 상기 센서로 들어가는 상기 입사 시야각을 제한하고, 상기 광제한 모듈의 2개의 인접한 광제한 부재들 사이의 거리는 (λ/5)*(γ/(4δcos3θ))보다 작아야 하고, 여기서 λ는 고간섭성 광의 파장이고, 2δ는 광 스펙클들의 평균 직경이고, 2γ는 상기 센서와 상기 물체 표면 사이의 수직 거리이고, θ는 이미징 장치의 광축과 상기 물체 표면의 수직선(normal) 사이의 각도인, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 광제한 부재들은 복수의 개구들 및 복수의 렌즈들을 구비하고, 상기 복수의 개구들 및 상기 복수의 렌즈들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열되고, 상기 복수의 렌즈들은 상기 복수의 개구들 뒤에 배치되고, 상기 산란된 광의 복수의 광선들은 상기 복수의 개구들 및 상기 복수의 렌즈들을 통과하고, 상기 회절광의 복수의 광선들이 생성되고, 상기 복수의 광제한 부재들은 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들이 상기 센서로 들어가는 상기 입사 시야각을 제한하고, 상기 광제한 모듈의 2개의 인접한 광제한 부재들 사이의 거리는 (λ/5)*(γ/(4δcos3θ))보다 작아야 하고, 여기서 λ는 고간섭성 광의 파장이고, 2δ는 광 스펙클들의 평균 직경이고, 2γ는 상기 센서와 상기 물체 표면 사이의 수직 거리이고, θ는 이미징 장치의 광축과 상기 물체 표면의 수직선 사이의 각도인, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들의 상기 2차 산란된 광이 상기 센서로 들어가는 것을 제한하기 위해 상기 물체 표면과 상기 광제한 모듈 사이에 배치된, 복수의 예비-광제한 부재들을 포함하는 예비-광제한 모듈을 더 포함하는, 광 스펙 클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 예비-광제한 부재들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된 복수의 예비-개구들이고, 상기 예비-광제한 모듈의 2개의 인접한 예비-광제한 부재들 사이의 거리는 (λ/5)*(γ/(4δcos3θ))보다 작아야 하고, 여기서 λ는 고간섭성 광의 파장이고, 2δ는 광 스펙클들의 평균 직경이고, 2γ는 상기 센서와 상기 물체 표면 사이의 수직 거리이고, θ는 이미징 장치의 광축과 상기 물체 표면의 수직선 사이의 각도인, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광제한 부재는 복수의 제1 개구들 및 복수의 제 2 개구들을 구비하고, 상기 제 1 개구들 및 상기 제 2 개구들은 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들이 센서로 들어가는 상기 입사 시야각을 제한하기 위해 1차원 또는 2차원 어레이들로 배열되고, 상기 광제한 모듈의 2개의 인접한 광제한 부재들 사이의 거리는 (λ/5)*(γ/(4δcos3θ))보다 작아야 하고, 여기서 λ는 고간섭성 광의 파장이고, 2δ는 광 스펙클들의 평균 직경이고, 2γ는 상기 센서와 상기 물체 표면 사이의 수직 거리이고, θ는 이미징 장치의 광축과 상기 물체 표면의 수직선 사이의 각도인, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광제한 부재는 상기 복수의 제 1 개구들의 일측에 배치되고 상기 복수의 제 2 개구들과 마주하는 복수의 렌즈들을 더 구비하고, 상기 렌즈들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열되는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 광제한 부재는 상기 복수의 제 1 개구들과 상기 복수의 제 2 개구들 사이에 배치된 복수의 렌즈들을 더 구비하고, 상기 렌즈들은 1차원 또는 2차원 어레이로 배열되는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 스펙클 패턴은 상기 센서에서의 상기 광 스펙클들에 따라 이미지 재구성을 수행하여 생성되는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서에 의해 생성된 상기 광 스펙클 패턴은 상기 이미징 장치가 상기 물체 표면에 대해 이동하는지 여부를 판단하는 데 사용되는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서에 접속하고 하나 이상의 광 스펙클 패턴들을 저장하는 저장 유닛을 더 포함하는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기준 광 스펙클 패턴들은 상기 센서에 의해 생성된 상기 광 스펙클 패턴이 상기 하나 이상의 기준 광 스펙클 패턴들과 동일한지 여부를 판단하는 데 사용되는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체는 이동 가능한, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체는 이동 가능하지 않은, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 장치.
  17. 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 방법에 있어서,
    고간섭성 광을 물체 표면에 방출하고, 산란된 광의 하나 이상의 광선들을 생성하는 단계;
    상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들을 제한하고, 회절광의 복수의 광선들을 생성하는 단계;
    상기 회절광의 복수의 광선들을 서로 간섭시켜 복수의 광 스펙클들을 생성하는 단계; 및
    상기 광 스펙클들에 따라 광 스펙클 패턴을 생성하는 단계를 포함하는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들을 제한하는 상기 단계는 상기 입사 시야각을 제한하는 것을 의미하는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들을 생성하는 상기 단계 후, 상기 산란된 광의 하나 이상의 광선들에 의해 생성된 상기 2차 산란된 광을 차단하는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    이미징 장치가 상기 광 스펙클 패턴에 따라 상기 물체 표면에 대해 이동하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    기준 광 스펙클 패턴을 판독하는 단계를 더 포함하는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 기준 광 스펙클 패턴에 따라 상기 광 스펙클 패턴이 상기 기준 광 스펙클 패턴과 동일한지의 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 광은 레이저 광 및 다른 고간섭성 광으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 방법.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 물체는 이동 가능한, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 방법.
  25. 제 17 항에 있어서,
    상기 물체는 이동 가능하지 않은, 광 스펙클들을 위한 비왜곡 이미징 방법.
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