KR20100094422A - 광학 네비게이션을 수행하는 시스템 및 방법 - Google Patents

광학 네비게이션을 수행하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

광학 네비게이션을 수행하는 시스템 및 방법은 최초에 네비게이션 표면에 수직하는 방향으로 방출될 수 있는 광원으로부터 광 빔을 휘게 하고 콜리메이팅하도록 광원과 네비게이션 표면 사이에 위치하는 조명 광학 소자를 사용한다. 조명 광학 소자는 광원으로부터 광 빔을 수신하기 위한 오목 표면과 네비게이션 표면을 향해 조명 광학 소자로부터 광 빔을 전송하기 위한 볼록 표면을 포함한다. 네비게이션 표면 상에 입사하는 광 빔은 변위 추정을 위해 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하도록 이미지 센서 어레이에서 수신되는 광을 생성한다.

Description

광학 네비게이션을 수행하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PERFORMING OPTICAL NAVIGATION USING A COMPACT OPTICAL ELEMENT}
광학 네비게이션 시스템은 트래킹 동작을 수행하기 위해 광학 네비게이션 시스템과 타겟 또는 네비게이션 표면 사이의 상대 이동을 검출한다. 광학 네비게이션 시스템은 네비게이션 표면 상에서 조명 광을 제공하기 위한 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드와 같은 광원과, 경면 반사 광(specularly reflected light) 또는 산란 광(scattered light)일 수 있는 네비게이션 표면에서 반사된 조명 광에 응답하여 이미지 데이터의 프레임을 연속적으로 캡쳐하기 위한 이미지 센서를 사용한다. 광학 네비게이션 시스템은 이미지 데이터의 연속적 프레임을 비교하고 이미지 데이터의 현재 프레임과 이미지 데이터의 이전 프레임 간의 비교에 근거하여 광학 네비게이션 시스템과 네비게이션 표면 사이의 상대 변위 또는 상대 이동을 추정한다. 광학 네비게이션 시스템은 이미지 데이터의 프레임을 연속적으로 캡쳐하고 비교함으로써 광학 네비게이션 시스템과 네비게이션 표면 사이의 상대 이동을 트래킹할 수 있다.
광학 네비게이션 시스템은 마우스가 수동으로 조작되는 네비게이션 표면에 대해 마우스의 수평 이동을 트래킹하기 위해 광학 컴퓨터 마우스에서 통상적으로 사용된다. 전형적인 광학 컴퓨터 마우스에서, 조명 렌즈는 광원으로부터의 광을 네비게이션 표면 상으로 포커싱(focus)하고/하거나 콜리메이팅(collimate)하도록 사용되고 이미징 렌즈는 네비게이션 표면으로부터 반사된 광을 이미지 센서 상으로 포커싱하도록 사용된다. 조명 렌즈 및 이미징 렌즈는 단일의 광학 구성요소로서 구현될 수 있다. 광학 컴퓨터 마우스에서 사용된 통상적인 광학 구성요소는 특정의 애플리케이션에서 바람직할 수 있는 광학 네비게이션 시스템의 크기 감소를 제한한다.
따라서, 시스템의 전체 크기를 감소시키기 위해 보다 컴팩트한 광학 소자를 사용하는 광학 네비게이션을 수행하는 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
광학 네비게이션을 수행하는 시스템 및 방법은 최초에 네비게이션 표면에 수직하는 방향으로 방출될 수 있는 광원으로부터 광 빔을 휘게 하고 콜리메이팅하도록 광원과 네비게이션 표면 사이에 위치하는 조명 광학 소자를 사용한다. 조명 광학 소자는 광원으로부터 광 빔을 수신하기 위한 오목 표면과 네비게이션 표면을 향해 조명 광학 소자로부터 광 빔을 전송하기 위한 볼록 표면을 포함한다. 네비게이션 표면 상에 입사하는 광 빔은 변위 추정을 위해 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하도록 이미지 센서 어레이에서 수신되는 광을 생성한다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 네비게이션을 수행하는 시스템은 조명 광학 소자와 이미징 센서 어레이를 포함한다. 조명 광학 소자는 제 1 측면 상의 오목 표면 및 제 2 측면 상의 볼록 표면을 갖는다. 제 1 및 제 2 측면은 조명 광학 소자의 대향 측면에 존재한다. 조명 광학 소자는 광 빔이 오목 표면에서 수신되고 상기 조명 광학 소자 내로 전송되도록 배향되며 광 빔은 네비게이션 표면을 향해 상기 볼록 표면으로부터 방출된다. 이미지 센서 어레이는 네비게이션 표면 상에 입사하는 광 빔으로부터 광을 수신하도록 위치한다. 이미지 센서 어레이는 변위 추정을 위해 수신된 광으로부터 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하도록 구성된다. 시스템은 광 빔을 방출하도록 구성된 광원을 또한 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 네비게이션을 수행하는 방법은 광원으로부터 광 빔을 방출하는 단계와, 조명 광학 소자의 오목 표면에서 광 빔을 수신하는 단계와, 조명 광학 소자의 오목 표면에서 광 빔을 제 1 각도만큼 편향시키는 단계와, 조명 광학 소자의 볼록 표면에서 오목 표면으로부터의 광 빔을 제 2 각도만큼 굴절시키는 단계와, 굴절시키는 단계는 볼록 표면에서의 광 빔을 콜리메이트하는 것을 포함하고, 네비게이션 표면을 향해 볼록 표면으로부터 광 빔을 방출하는 단계와, 변위 추정을 위해 수신된 광으로부터 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하도록 이미지 센서 어레이에서 네비게이션 표면 상에 입사하는 광 빔으로부터 광을 수신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면 및 장점은 본 발명의 원리를 예로서 도시하는 첨부 도면과 관련하여 취해지는 후술하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학 컴퓨터 마우스에 포함된 광학 네비게이션 시스템을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 광학 마우스에 포함된 광학 네비게이션 시스템의 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광학 네비게이션 시스템의 조명 및 이미징 광학 소자에 대해 광학 축 OC와, 광학 축 OI 및 OR에 의해 정의된 평면 사이의 각도 θ를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학 축 OC와 네비게이션 표면에 수직하는 축에 의해 정의된 평면과, 광학 축 OI 및 OR에 의해 정의된 평면 사이의 각도 ψ를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 조명 광학 소자의 도면,
도 6(a)는 본 발명의 실시예에 따른 광학 구성요소의 상부면을 도시하는 조명 및 이미징 광학 소자를 포함하는 광학 구성요소의 사시도,
도 6(b)는 광학 구성요소의 하부면을 도시하는 도 6(a)의 광학 구성요소의 다른 사시도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광학 네비게이션을 수행하는 방법의 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광학 네비게이션 시스템(100)이 기술된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 네비게이션 시스템(100)은 컴퓨터(104)에 접속되는 광학 컴퓨터 마우스(102) 내에 포함된다. 다른 실시예에서, 광학 컴퓨터 마우스(102)는 컴퓨터(104)에 무선으로 접속될 수 있다. 이 구현예에서, 컴퓨터(104) 상에 디스플레이된 커서를 제어하도록 사용자에 의해 광학 마우스가 네비게이션 또는 타겟 표면(106) 상에서 조작됨에 따라 광학 네비게이션 시스템(100)은 광학 마우스(102)의 이동을 광학적으로 트래킹하도록 사용된다. 그러나, 다른 구현예에서, 광학 네비게이션 시스템(100)은 각종 트래킹 애플리케이션에 대한 상이한 제품에서 사용될 수 있다. 이하 상세하게 기술되는 바와 같이, 광학 네비게이션 시스템(100)은 시스템의 볼륨을 감소시키도록 컴팩트한 광학 시스템을 사용한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광학 네비게이션 시스템(100)은 광원(208), 조명 광학 소자(210), 개구부(212), 이미징 광학 소자(214), 광 감지 소자의 어레이(218)(이하 "이미지 센서 어레이")를 갖는 이미지 센서(216), 드라이버 회로(220) 및 네비게이션 엔진(224)을 갖는 프로세서(222)를 포함한다. 도 2에서 광학 네비게이션 시스템(100)의 이들 구성요소가 개별적인 구성요소인 것으로서 도시되어 있으나, 이들 구성요소의 몇몇은 통합될 수 있다. 일례로서, 이미지 센서(216), 드라이버 회로(220) 및 네비게이션 엔진(224)을 갖는 프로세서(222)는 단일의 집적 회로 칩으로 통합될 수 있다.
광원(208)은 인가된 구동 신호에 응답하여 조명 광 빔을 방출하도록 구성된다. 광원(208)은 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드와 같은 임의의 유형의 발광 디바이스일 수 있다. 그러나, 광원(208)은 이하 기술되는 조명 광학 소자(210)의 수신 오목 표면(228)의 직경에 비해 광 빔이 작도록 작은 광원이어야 한다. 일례로서, 광원(208)은 광의 일관적인 레이저 빔을 생성하는 수직 캐비티 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser : VCSEL)일 수 있다. 실시예에서, 광원(208)은 조명 광학 소자(210)를 향해 타겟 표면(106)에 대한 법선 N 방향으로 광 빔을 방출하도록 위치한다. 광원(208)은 광원에 구동 신호를 제공하는 드라이버 회로(220)에 의해 활성화된다. 도시된 실시예에서, 발광 반도체 칩 형태의 광원(208)은 인쇄 회로 기판일 수 있는 기판(226) 상에 탑재된다. 도시된 바와 같이, 광원(208) 및 이미지 센서 어레이(218)가 동일한 평면에 놓이도록 광원(208)은 기판(226)의 받침대(227) 상에 탑재될 수 있다.
조명 광학 소자(210)는 광원(208)과 타겟 표면(106) 사이에 위치한다. 조명 광학 소자(210)는 광원(208)에 대면하는 측면 상의 오목 표면(228) 및 타겟 표면(106)에 대면하는 측면 상의 볼록 표면(230)을 포함한다. 따라서, 오목 표면(228)과 볼록 표면(230)은 조명 광학 소자(210)의 대향 측면 상에 위치한다. 조명 광학 소자(210)는 오목 표면(228)에서 광원(208)으로부터의 광 빔을 수신하고 수신된 광 빔을 광학적으로 조작하도록 구성됨에 따라 조명 광학 소자의 볼록 표면(230)으로부터 전송된 광 빔은 원하는 광학 특성을 갖는 원하는 입사각 α에서 타겟 표면(106) 상에 입사한다. 타겟 표면(106) 상에 입사하는 조명 광 빔의 광학 축이 도 2에서 "OI"로서 표시되어 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 광 빔의 "광학 축"은 광 빔의 주요 광선 또는 중심 광선과 동등하다. 실시예에서, 조명 광학 소자(210)로부터의 광 빔은 콜리메이팅된 광 빔이며, 타겟 표면에 대한 법선으로부터 대략 30도의 원하는 각도 α에서 타겟 표면(106) 상에 입사한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "대략"이란 용어는 주어진 값의 플러스 또는 마이너스 5 퍼센트를 의미한다. 그러나, 다른 실시예에서, 조명 광학 소자(210)로부터의 광 빔은 콜리메이팅된 광 빔이 아니고/아니거나 상이한 각도에서 타겟 표면(106) 상에 입사한다. 조명 광학 소자(210)는 이하 보다 상세하게 기술될 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 타겟 표면(106) 상에서 조명 광학 소자(210)로부터의 조명 광 빔은 경면 반사 광 빔 또는 산란 광을 생성한다. 경면 반사 광 빔의 광학 축은 도 2에서 "OR"로서 표시되어 있다. 경면 반사 광 광의 반사각은 β이며, 이는 입사각 α와 동등하다. 경면 반사 광 빔의 광학 축 OR은 입사 조명 광 빔의 광학 축 OI와 동일한 평면 상에 있다. 타겟 표면(106)으로부터의 산란 광은 상이한 방향으로 방출된다.
이미징 광학 소자(214)는 타겟 표면으로부터의 산란 광을 수신하고 이미지 센서의 이미지 센서 어레이(218) 상으로 지향하도록 타겟 표면(106)과 이미지 센서(216) 사이에 위치한다. 이미징 광학 소자(214)는 상부면(232)과 하부면(234)을 포함한다. 산란 광 및 경면 반사되지 않은 광의 일부를 캡쳐하기 위해, 이미징 광학 소자(214)는 경면 반사 광 빔의 광학 축 OR 및 조명 광 빔의 광학 축 OI와 동일한 평면 상에 위치하지 않는다. 즉, 이미징 광학 소자(214)의 광학 축 또는 중심 축은 조명 광 빔의 광학 축 OI 및 경면 반사 광 빔의 광학 축 OR에 의해 정의된 동일한 평면 상에 위치하지 않는다. 이미징 광학 소자(214)의 광학 축은 도 2에서 "OC"로서 표시되어 있다. 따라서, 이미징 광학 소자(214)는 광학 축 OC 근처에서 운행하는 산란 광을 수신할 것이다. 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 이미징 광학 소자(214)는 이미징 광학 소자(214)의 광학 축 OC 및 광학 축 OI와 OR에 의해 정의된 평면 사이의 각도 θ가 대략 30도가 되도록 위치한다. 도 3은 광학 축 OI 및 OR에 의해 정의된 평면에 평행한 방향을 향해 조명 광학 소자(210)의 전면으로부터의 사시도이다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 이미징 광학 소자(214)는 이미징 광학 소자(214)의 광학 축 OC와 타겟 표면(106)에 수직하는 축에 의해 정의된 평면과 광학 축 OI 및 OR에 의해 정의된 평면 사이의 각도 φ가 대략 80도 내지 100도가 되도록 위치한다. 일례로서, 이미징 광학 소자(214)는 각도 φ가 대략 90도가 되도록 위치할 수도 있다.
실시예에서, 이미징 광학 소자(214)는 이미지 센서 어레이(218) 상에서 네비게이션 표면(106)의 잘 포커싱된 이미지를 형성하는 굴절 또는 회절 이미징 렌즈이다. 이러한 이미징 렌즈 설계의 특정 사항(예를 들어, 상부면(232)과 하부면(234)의 곡률)은 당 분야에서 잘 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 기술하지 않는다. 이미징 광학 소자(214)는 이미지 센서 어레이(218)의 크기로 적절한 시야를 달성하기 위해 네비게이션 표면(106)의 이미지를 확대하거나 축소할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 조명 광학 소자(210) 및 이미징 광학 소자(214)는 폴리카보네이트와 같은 플라스틱 또는 글래스 등의 적절한 투명 재료를 이용하여 형성된 단일의 광학 구성요소로 통합될 수 있다.
또한, 몇몇 실시예에서, 광학 네비게이션 시스템(100)은 이미징 광학 소자(214)를 포함하지 않을 수도 있다. 이러한 실시예에서, 이미지 센서(216)는 네비게이션 표면(106)으로부터 산란 광을 직접 수신하기 위해 이미지 센서 어레이(218)의 중심이 광학 축 OC와 정렬되도록 위치한다. 따라서, 이미지 센서 어레이(218)는 광학 축 OC를 따라 위치한다.
개구부(212)는 네비게이션 표면(106)으로부터 이미지 센서 어레이(218)를 향해 산란 광을 전송하고 원치 않는 광을 차단하도록 사용된다. 개구부(212)는 광학 네비게이션 시스템(100) 또는 광학 마우스(102)의 구조적인 일부분일 수 있는 불투명한 벽 또는 플레이트(236) 내의 홀에 의해 제공될 수 있다. 도시된 실시예에서, 개구부(212)는 이미징 광학 소자(214)와 이미지 센서 어레이(218) 사이에 위치한다. 그러나, 다른 실시예에서, 개구부(212)는 네비게이션 표면(106)과 이미징 광학 소자(214) 사이에 위치할 수 있다. 개구부(212)는 특히 대칭적일 필요는 없다. 몇몇 경우에서, 개구부(212)는 한 방향에서 보다 짧고 다른 방향에서 보다 넓게 설계될 수 있다.
이미지 센서(216)는 이미지 센서 어레이(218)에서 이미징 광학 소자(214)로부터의 산란 광을 수신하도록 위치한다. 몇몇 실시예에서, 이미지 센서(216)는 도 2에 도시된 바와 같이, 이미지 센서 어레이(218)의 중심이 광학 축 OC와 정렬되도록 위치한다. 그러나, 다른 실시에에서, 이미지 센서(216)는 이미지 센서 어레이(218)의 중심이 광학 축 OC와 정렬되지 않도록 위치할 수도 있다. 이미지 센서 어레이(218)는 광 감지 픽셀 요소 상에 입사하는 광에 응답하여 신호를 생성하는 광 감지 픽셀 요소(도시되지 않음)를 포함하며, 각각의 신호는 이미지 센서 어레이의 특정의 요소에 입사하는 광의 양 또는 강도를 나타낸다. 디지털 형태의 이들 신호는 본 명세서에서 이미지 데이터로서 지칭된다. 따라서, 이미지 센서 어레이(218)는 시간 경과에 따라 이미지 데이터의 프레임을 연속적으로 캡쳐하기 위해, 입사 광, 즉, 네비게이션 표면(106)으로부터의 산란 광에 응답하여 단일의 이미지 데이터의 프레임을 동시에 캡쳐할 수 있다. 이들 이미지 데이터의 프레임은 광학 네비게이션 시스템(100)과 네비게이션 표면(106) 사이의 임의의 수평 상대 변위를 추정하기 위한 상관에 사용된다. 일례로서, 이미지 센서 어레이(218)는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서 어레이 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서 어레이일 수 있다. 이미지 센서 어레이(218)에 포함된 광 감지 픽셀 요소의 수는 가변할 수 있다. 일례로서, 이미지 센서 어레이(218)는 광 감지 픽셀 요소의 30×30 어레이일 수 있으며, 각각의 픽셀 요소는 50㎛×50㎛의 치수이다. 이미지 센서(216)는 이미지 센서 어레이(218)를 지원하기 위해, 아날로그-디지털 변환기, 로우와 칼럼 디코드 및 전자 셔터 제어와 같은 회로(도시되지 않음)를 또한 포함한다. 이미지 센서 어레이(218)가 네비게이션 표면(106)의 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하도록 산란 광을 사용하므로, 광학 네비게이션 시스템(100)은 네비게이션 표면(106)이 단지 경면 반사 광이 아닌 산란 광을 생성하는 유형의 표면인 경우에만 동작할 것이다.
프로세서(222)는 네비게이션 표면(106) 상에 조명 광 빔을 제공하고 네비게이션 표면으로부터의 산란 광에 응답하여 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하기 위해 드라이버 회로(220)와 이미지 센서(216)를 제어하도록 구성된다. 프로세서(222)는 제어 신호를 제공하도록 드라이버 회로(220)와 이미지 센서(216)에 전기적으로 접속된다. 프로세서(222)는 드라이버 회로(220)에 제어 신호를 제공하여 드라이버 회로로 하여금 광원(208)에 구동 신호를 인가하도록 함으로써 광원을 활성화시킨다. 프로세서(222)는 이미지 센서(216)에 제어 신호를 또한 제공하여 이미지 센서 어레이(218)의 광 감지 픽셀 요소에서 전기 신호 또는 전하의 축적을 제어함으로써 상관을 위한 각각의 이미지 데이터의 프레임을 생성한다.
도시된 실시예에서, 프로세서(222)는 프로세서 내로 프로그래밍되는 네비게이션 엔진(224)을 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 네비게이션 엔진(224)은 별도의 구성요소일 수 있다. 따라서, 네비게이션 엔진(224)은 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, 또는 그의 임의의 조합으로서 구현될 수 있다. 네비게이션 엔진(224)은 이미지 센서(216)에 의해 상이한 시각에서 캡쳐된 이미지 데이터의 프레임을 상관하도록 동작하여, 네비게이션 표면(106)에 평행한 X 및 Y 방향에 대해 광학 네비게이션 시스템(100)과 네비게이션 표면(106) 사이의 임의의 수평 변위 변화를 추정한다. 변위 추정 또는 네비게이션을 위해 이미지 데이터의 프레임을 상관하는 프로세스는 잘 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 기술하지 않는다. 실시예에서, 네비게이션 엔진(224)의 출력은 방향성 델타 X 변위 값 및 방향성 델타 Y 변위 값을 포함한다. 각각의 방향성 변위 값은 방향을 표시하는 네거티브 또는 포지티브 부호 정보, 및 그 방향에서 변위의 양을 표시하는 절대 변위 값을 포함한다. 특정의 구현예에서, 방향성 델타 X 및 Y 변위 값은 16 진수 숫자 형태로 생성된다. 네비게이션 엔진(224)은 광학 네비게이션 시스템이 네비게이션 표면으로부터 떨어져 있는지 여부와 같이, 광학 네비게이션 시스템(100)과 네비게이션 표면(106) 사이의 상호 작용의 다른 특성을 계산하도록 또한 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 조명 광학 소자(210)는 도 5를 참조하여 보다 상세하게 기술된다. 도 5는 광학 축 OI와 OR에 의해 정의된 평면을 도시하는 조명 광학 소자(210)의 측면도이다. 조명 광학 소자(210)의 오목 표면(228)은 네거티브 또는 역 바이어스트라우스(Weierstrauss) 또는 구체 수차 제거(Aplanatic) 구체이며, 이에 따라, 바이어스트라우스 또는 구체 수차 제거 구체와 유사한 광학 특성을 갖는다. 오목 구체 표면(228)의 중심은 지점 O에 위치한다. 광원(208)은 지점 O에서 중심을 갖는 nR 구체 상에 놓이는 지점 A에 위치하며, 여기서 R은 지점 O에서 그 중심으로부터의 오목 구체 표면(228)의 반경이고 n은 조명 광학 소자(210)의 굴절률이다. 지점 A는 오목 구체 표면(228)의 광학 축 OA, 즉, 타겟 표면(106)에 대해 수직하는 광학 축으로부터 거리 H에 위치한다. 지점 A에서의 광원(208)은 방출된 광 빔의 주요(중심) 광선이 오목 구체 표면(228)의 광학 축 OA에 평행하고 지점 Q에서 오목 구체 표면(228)을 스트라이킹(strike)하도록 배향된다. 오목 구체 표면(228)의 광학 특성으로 인해, 광원(208)으로부터의 광 빔의 주요 광선은 광 빔의 편향된 주요 광선이 지점 O로부터 R/n의 거리에서 지점 O와 A에 의해 정의된 라인 상의 지점인 지점 A'로부터 시작되는 것처럼 보이도록 오목 구체 표면 상의 지점 Q에서 편향된다. 따라서, 지점 A'는 지점 O에서 중심을 갖는 R/n 구체 상에서 가상 이미지 지점으로서 간주될 수 있다. 지점 A'는 H/n2인 광학 축 OA로부터 거리 H'에서 R/n 구체 상에 놓인다. 따라서, 오목 표면(228)의 확대율은 H/n2이다. 실시예에서, 파라미터 n, H 및 R은 광원(208)으로부터의 광 빔의 주요 광선이 오목 구체 표면(228)의 광학 축 OA로부터 15도의 각도에서 편향되도록 선택된다. 오목 구체 표면(228)은 빔 수렴 각도를 확대하도록 또한 설계됨에 따라, 광원(208)으로부터의 광 빔이 보다 빠르게 성장하여, 광학 네비게이션 시스템(100)을 컴팩트하게 하는데 도움을 준다.
조명 광학 소자(210)의 볼록 표면(230)은 1/n의 편심률을 갖는 타원체의 부분적인 표면이며, 여기서 또한 n은 조명 광학 소자의 굴절률이다. 볼록 타원체 표면(230)은 타원체 표면의 장축이 타원체 표면의 초점들 중 하나에서 가상 이미지 지점 A'와 교차하고 다른 초점이 타원체 표면의 장축 상의 정점 v와 지점 A' 사이에 위치하도록 오목 구체 표면(228)에 대해 위치한다. 1/n의 편심률을 갖는 타원체의 특성 중 하나는 광의 현재의 광선이 타원체의 장축에 평행하도록 타원체의 장축 상에서의 보다 멀리 있는 정점을 향해 축을 벗어나(off-axis) 운행하는 타원체의 초점들 중 하나로부터의 광의 광선이 굴절될 것이라는 것이다. 따라서, 오목 구체 표면(228)으로부터의 광 빔의 주요 광선은 타원체 표면의 장축에 평행하도록 타원체 표면(230)에서 굴절될 것이다. 실제로, 오목 표면(228)으로부터의 광 빔의 모든 광선은 타원체 표면(230)의 장축에 평행할 것이다. 따라서, 타원체 표면(230)으로부터의 광 빔이 콜리메이팅될 것이다. 실시예에서, 타원체 표면(230)은 오목 표면(228)의 광학 축 OA로부터의 장축의 각도가 오목 표면에서 굴절된 각도의 2배가 되도록 구성된다. 따라서, 오목 표면(228)이 광원(208)으로부터의 광 빔의 주요 광선을 오목 표면(228)의 광학 축 OA로부터 15도의 각도만큼 굴절시키도록 구성되면, 타원체 표면(230)은 오목 표면의 광학 축 OA로부터의 장축의 각도가 30도가 되도록 구성된다. 이 예에서, 광원(208)으로부터의 광 빔의 주요 광선은 네비게이션 표면(106)에 수직하는 최초의 방향으로부터 총 30도만큼 굴절될 것이다. 따라서, 광원(208)으로부터의 광 빔은 법선으로부터 30도의 각도에서 타겟 표면(106)을 스트라이킹하는 콜리메이팅된 광 빔이 될 것이다.
표면(228 및 230)의 각각에서 광 빔의 주요 광선의 동일한 편향 각도에 의해, 주요 광선은 "최소 편향" 상태를 보이며, 이는 조명 광학 소자(210)의 약간의 각도 변위가 총 빔 편향에서 변화가 없거나 최소 순수 변화를 초래함을 의미한다.
이 결과는 컴팩트하고, 견고하며, 제한된 회절성의 단일의 요소 레이저 콜리메이터이다. 이 단일의 요소는 이미지 센서의 동일한 기판 상에 레이저가 탑재되도록 하는 최초의 레이저 방향으로부터 편향된 일부의 작은 각도(예를 들어, 40도 한도의)에서 고 품질 콜리메이팅된 레이저 빔을 생성하는 컴팩트 레이저 콜리메이터를 제공한다.
또한, 광학 네비게이션 시스템(100)은 경면 반사 광보다 네비게이션 표면(106)의 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하도록 산란 광을 사용하기 때문에, 특정의 애플리케이션에서 바람직할 수 있는 네비게이션 표면과 광학 네비게이션 시스템 사이에 투명 윈도우(도시되지 않음)가 배치된다 하더라도, 광학 네비게이션 시스템은 역시 잘 수행될 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예에서, 광학 네비게이션 시스템(100)은 경면 반사 광을 사용하도록 구성될 수도 있다. 이들 실시예에서, 이미지 센서 어레이(218) 및/또는 이미징 광학 소자(214)는, 예를 들어, 광학 축 OI와 OR에 의해 정의된 평면 상에서, 네비게이션 표면으로부터의 경면 반사 광을 수신하도록 적절한 위치에 위치할 것이다.
이제 도 6(a) 및 도 6(b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 조명 광학 소자(210) 및 이미징 광학 소자(214)를 포함하는 단일의 광학 구성요소(600)가 도시되어 있다. 따라서, 이 실시예에서, 조명 광학 소자(210) 및 이미징 광학 소자(214)는 단일의 모노리딕 광학 구성요소로 통합된다. 도 6(a)는 네비게이션 표면(106)에 대면하는 측면인 광학 구성요소(600)의 하부면을 도시한다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 광학 구성요소(600)의 하부면은 조명 광학 소자(210)의 타원체 표면(230) 및 이미징 광학 소자(214)의 하부 표면(234)를 포함한다. 도 6(b)는 광원(208) 및 이미지 센서(216)에 대면하는 측면인 광학 구성요소(600)의 상부면을 도시한다. 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 광학 구성요소(600)의 상부면은 조명 광학 소자(210)의 오목 구체 표면(228) 및 이미징 광학 소자(214)의 상부 표면(232)를 포함한다. 실시예에서, 광학 구성요소(600)는 다음과 같은 치수, 즉, 12㎜의 길이, 9㎜의 폭 및 6㎜의 두께를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 네비게이션을 수행하는 방법이 도 7의 프로세스 흐름도를 참조하여 기술된다. 블록(702)에서, 광원으로부터 광 빔이 방출된다. 블록(704)에서, 광 빔은 조명 광학 소자의 오목 표면에서 수신된다. 블록(706)에서, 광 빔은 조명 광학 소자의 볼록 표면에서 제 1 각도만큼 편향된다. 블록(708)에서, 오목 표면으로부터의 광 빔은 조명 광학 소자의 볼록 표면에서 제 2 각도만큼 반사된다. 또한, 광 빔은 볼록 표면에서 콜리메이팅된다. 블록(710)에서, 광 빔은 네비게이션 표면을 향해 볼록 표면으로부터 방출된다. 블록(712)에서, 네비게이션 표면 상에 입사하는 광 빔으로부터의 광은 변위 추정을 위해 수신된 광으로부터 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하도록 이미지 센서 어레이에서 수신된다.
본 발명의 특정의 실시예가 도시되고 기술되었으나, 본 발명은 이와 같이 기술되고 도시된 부분의 특정의 형태 또는 배치로 제한되지 않는다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구 범위 및 그 균등물에 의해 정의된다.
100 : 광학 네비게이션 시스템 102 : 광학 컴퓨터 마우스
104 : 컴퓨터 106 : 네비게이션 또는 타겟 표면
208 : 광원 210 : 조명 광학 소자
212 : 개구부 214 : 이미징 광학 소자
216 : 이미지 센서 218 : 이미지 센서 어레이
220 : 드라이버 회로 222 : 프로세서
224 : 네비게이션 엔진

Claims (20)

  1. 광학 네비게이션을 수행하는 시스템으로서,
    제 1 측면 상의 오목 표면 및 제 2 측면 상의 볼록 표면을 갖는 조명 광학 소자-상기 제 1 측면 및 제 2 측면은 상기 조명 광학 소자의 대향 측면에 존재하고, 상기 조명 광학 소자는 광 빔이 상기 오목 표면에서 수신되고 상기 조명 광학 소자 내로 전송되도록 배향되며 상기 광 빔은 네비게이션 표면을 향해 상기 볼록 표면으로부터 방출됨-와,
    상기 네비게이션 표면 상에 입사하는 상기 광 빔으로부터 광을 수신하도록 위치하는 이미지 센서 어레이-상기 이미지 센서 어레이는 변위 추정을 위해 상기 수신된 광으로부터 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하도록 구성됨-를 포함하는
    광학 네비게이션 수행 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 네비게이션 표면에 수직하는 방향으로 상기 조명 광학 소자의 상기 오목 표면을 향해 상기 광 빔을 방출하도록 구성된 광원을 더 포함하는
    광학 네비게이션 수행 시스템.

  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조명 광학 소자의 상기 오목 표면은 상기 광 빔을 편향시키고 확대하기 위한 오목 구체 표면인
    광학 네비게이션 수행 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 조명 광학 소자의 상기 볼록 표면은 타원체 표면인
    광학 네비게이션 수행 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 조명 광학 소자는 상기 타원체 표면의 장축이 상기 오목 표면의 중심에서 중심을 갖는 R/n 구체 상, 그리고 상기 오목 표면의 상기 중심과 상기 광 빔이 시작된 지점 사이의 라인 상에 놓이는 가상 이미지 지점과 교차하도록 구성되며, R은 상기 오목 표면의 반경이고 n은 상기 조명 광학 소자의 굴절률인
    광학 네비게이션 수행 시스템.

  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 조명 광학 소자는 상기 타원체 표면의 상기 장축과 상기 네비게이션 표면의 법선 사이의 각도가 상기 오목 표면의 편향 각도의 2배가 되도록 구성되는
    광학 네비게이션 수행 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 네비게이션 표면과 상기 이미지 센서 어레이 사이에 위치하는 이미징 광학 소자를 더 포함하는
    광학 네비게이션 수행 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 이미징 광학 소자는 상기 이미징 광학 소자의 광학 축이 상기 타원체 표면의 상기 장축과 상기 네비게이션 표면의 상기 법선 사이의 각도와 동등한 상기 네비게이션 표면의 상기 법선으로부터의 각도만큼 경사지도록 위치하는
    광학 네비게이션 수행 시스템.

  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 이미징 광학 소자는 상기 이미징 광학 소자의 광학 축이 상기 네비게이션 표면에 수직하는 제 1 평면 상에 놓이도록 위치하고, 상기 제 1 평면과 상기 네비게이션 표면 상에 입사하는 상기 광 빔의 주요 광선에 의해 정의된 상기 네비게이션 표면에 수직하는 제 2 평면 사이의 각도는 80 내지 100도 사이에 있는
    광학 네비게이션 수행 시스템.
  10. 광학 네비게이션을 수행하는 방법으로서,
    광원으로부터 광 빔을 방출하는 단계와,
    조명 광학 소자의 오목 표면에서 상기 광 빔을 수신하는 단계와,
    상기 조명 광학 소자의 상기 오목 표면에서 상기 광 빔을 제 1 각도만큼 편향시키는 단계와,
    상기 조명 광학 소자의 볼록 표면에서 상기 오목 표면으로부터의 상기 광 빔을 제 2 각도만큼 굴절시키는 단계-상기 굴절시키는 단계는 상기 볼록 표면에서의 상기 광 빔을 콜리메이팅(collimate)하는 것을 포함함-와,
    네비게이션 표면을 향해 상기 볼록 표면으로부터 상기 광 빔을 방출하는 단계와,
    변위 추정을 위해 상기 수신된 광으로부터 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하도록 이미지 센서 어레이에서 상기 네비게이션 표면 상에 입사하는 상기 광 빔으로부터 광을 수신하는 단계를 포함하는
    광학 네비게이션 수행 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광 빔을 방출하는 단계는 상기 네비게이션 표면에 수직하는 방향으로 상기 광원으로부터 상기 조명 광학 소자의 상기 오목 표면을 향해 상기 광 빔을 방출하는 단계를 더 포함하는
    광학 네비게이션 수행 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 조명 광학 소자의 상기 오목 표면은 상기 광 빔을 편향시키고 확대하기 위한 오목 구체 표면인
    광학 네비게이션 수행 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 조명 광학 소자의 상기 볼록 표면은 타원체 표면인
    광학 네비게이션 수행 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광 빔을 굴절시키는 단계는 상기 타원체 표면의 장축에 평행한 방향으로 상기 조명 광학 소자의 상기 볼록 표면에서 상기 오목 표면으로부터의 상기 광 빔을 굴절시키는 단계를 포함하는
    광학 네비게이션 수행 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 빔을 굴절시키는 단계는 상기 조명 광학 소자의 상기 볼록 표면에서 상기 오목 표면으로부터의 상기 광 빔을 상기 제 1 각도의 2배인 상기 제 2 각도만큼 굴절시키는 단계를 포함하는
    광학 네비게이션 수행 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 네비게이션 표면과 상기 이미지 센서 어레이 사이에 위치하는 이미징 광학 소자에서 상기 네비게이션 표면으로부터의 광을 수신하는 단계를 더 포함하는
    광학 네비게이션 수행 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 이미징 광학 소자에서 상기 네비게이션 표면으로부터의 광을 수신하는 단계는 상기 이미징 광학 소자의 광학 축이 상기 네비게이션 표면에 수직하는 제 1 평면 상에 놓이도록 위치하는 상기 이미징 광학 소자에서 상기 네비게이션 표면으로부터 광을 수신하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 평면과 상기 네비게이션 표면 상에 입사하는 상기 광 빔의 주요 광선에 의해 정의된 상기 네비게이션 표면에 수직하는 제 2 평면 사이의 각도는 80 내지 100도 사이에 있는
    광학 네비게이션 수행 방법.
  18. 광학 네비게이션을 수행하는 시스템으로서,
    네비게이션 표면에 수직하는 방향으로 상기 네비게이션 표면을 향해 광 빔을 방출하도록 구성된 광원과,
    제 1 측면 상의 오목 표면 및 제 2 측면 상의 볼록 표면을 갖는 조명 광학 소자-상기 제 1 측면 및 제 2 측면은 상기 조명 광학 소자의 대향 측면에 존재하고, 상기 조명 광학 소자는 상기 광원으로부터의 상기 광 빔이 상기 오목 표면에서 수신되고 상기 조명 광학 소자 내로 전송되도록 배향되며 상기 광 빔은 네비게이션 표면을 향해 상기 볼록 표면으로부터 방출됨-와,
    상기 네비게이션 표면 상에 입사하는 상기 광 빔으로부터 광을 수신하도록 위치하는 이미지 센서 어레이-상기 이미지 센서 어레이는 상기 수신된 광으로부터 이미지 데이터의 프레임을 캡쳐하도록 구성되고, 상기 이미지 데이터의 프레임은 변위 추정을 위해 사용됨-를 포함하는
    광학 네비게이션 수행 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 조명 광학 소자의 상기 오목 표면은 오목 구체 표면이고, 상기 조명 광학 소자의 상기 볼록 표면은 타원체 표면인
    광학 네비게이션 수행 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 조명 광학 소자는 상기 타원체 표면의 장축이 상기 오목 표면의 중심에서 중심을 갖는 R/n 구체 상, 그리고 상기 오목 표면의 상기 중심과 상기 광 빔이 시작된 지점 사이의 라인 상에 놓이는 가상 이미지 지점과 교차하도록 구성되며, R은 상기 오목 표면의 반경이고 n은 상기 조명 광학 소자의 굴절률인
    광학 네비게이션 수행 시스템.
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