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KR101139849B1 - 3차원 광학 트랙 패드 장치 및 이를 이용하는 방법 - Google Patents

3차원 광학 트랙 패드 장치 및 이를 이용하는 방법 Download PDF

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KR101139849B1
KR101139849B1 KR1020110065919A KR20110065919A KR101139849B1 KR 101139849 B1 KR101139849 B1 KR 101139849B1 KR 1020110065919 A KR1020110065919 A KR 1020110065919A KR 20110065919 A KR20110065919 A KR 20110065919A KR 101139849 B1 KR101139849 B1 KR 101139849B1
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송호영
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(주)와이앤지
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Abstract

본원 발명은 3차원 광학 트랙 패드 장치에 관한 것으로, 3차원 광학 트랙 패드 장치는 피사체로 광을 조사하는 광원부와 조사된 광이 반사경에 의해서 피사체에 반사되면 반사된 광을 감지하는 이미지 센서를 포함하는 3차원 광학 트랙 패드 장치에 있어서, 피사체와 상기 광원부 사이에 위치해서, 피사체에 의해 압력이 가해지면 전기적 신호를 생성하는 압력 센서를 더 포함하되, 이미지 센서는 피사체의 수평 움직임에 기초하여 수평 위치 데이터 정보를 획득하며, 압력 센서는 피사체의 수직 움직임에 기초하여 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 광학 트랙 패드 장치 및 이를 이용하는 방법{A APPARATUS FOR 3D OPTICAL TRACK PAD AND METHOD USING THE SAME}
본 발명은 3차원 광학 트랙패드 장치 및 이를 이용하는 방법에 관한 것으로, 특히, 3차원 디스플레이장치 또는 3차원 게임에서 사용자가 정보를 효과적으로 입력하기 위해서 광학 트랙패드를 이용하여 3차원 공간의 X축, Y축 및 Z축의 방향을 제어하여 컨텐츠의 정보를 인지하고 선택 및/또는 조작할 수 있는 3차원 광학 트랙패드 장치 및 이를 이용한 방법에 관한 것이다.
종래에는 모바일 기기(스마트폰, PDA, 랩탑 등)에서 PC의 마우스 역할을 수행하는 트랙볼(track ball)을 사용하여 실제로 마우스를 움직이는 것처럼 돌리고 클릭하여 메뉴를 선택할 수 있었다. 하지만 이러한 트랙볼은 오작동, 정밀한 조작의 어려움 등의 여러 가지 문제점으로 인하여 현재에는 널리 사용되고 있지 않다.
도 1은 종래에 광학 트랙 패드의 원리를 나타내는 개념도이다. 도 1을 참고하여 광학 트랙 패드에 대해서 설명하면 다음과 같다.
광학 트랙 패드는 광원, 반사경, 센서 및 렌즈를 포함할 수 있다. 광학 트랙 패드의 원리는 나노 광학 기술에 기초하여 사용자의 손가락에 광을 조사시키고 반사된 광을 감지하여 이에 대한 전기적 신호를 획득함으로써 사용자의 손가락의 움직임을 파악할 수 있다. 이러한 광학 트랙 패드는 모바일 기기에서도 PC의 마우스 커서와 동일한 움직임을 지원하는 솔루션으로써 최근 각광을 받고 있는 실정이다. 이러한 광학 트랙 패드는 자유로운 동작성과 미세영역에서의 컨트롤 및 웹과 PC 기반의 사용환경을 구현할 수 있는 등 많은 장점이 있다.
최근 광학 트랙 패드와 관련된 기술이 모바일 디바이스에 맞춰서 슬림화, 저전력화, 내부 광학 설계 및 실장구조의 자유로움의 특성을 갖추면서, 사용자는 기존의 모바일 기기가 갖고 있는 제한성에서 탈피하여 좀더 자유롭고 직관적인 조작을 실행할 수 있게 되었다.
다만, 이러한 광학 트랙 패드의 상용화 기술의 경우에, 손가락의 움직임에 따라 디스플레이상의 2차원(예컨대 X축, Y축) 컨트롤만 가능하다는 한계가 있었다. 최근 3D 기술의 발달로 인하여 종전 2차원 광학 트랙 패드를 이용해서는 3D 기술이 적용되는 3D 기기(예컨대, 3D TV, 3D 게임기 등)를 지원할 수 없으므로, 3D 환경에서도 광학 트랙 패드를 자유롭고 직관적으로 조작할 수 있는 3D 광학 트랙 패드 장치 및 이를 이용한 방법에 대한 개념이 필요한 현실이다.
상기 문제점을 해결하기 위해서 상기 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 모바일 기기 및 TV 리모컨 등에서 사용되고 있는 2D용 광학 트랙 패드(Optical Track Pad ; OTP) 장치에 압력 센서를 더 포함함으로써 X축, Y축 및 Z축에 대한 위치 정보 데이터를 획득하여 사용자가 직관적이고 편리하게 컨텐츠를 선택 및/또는 조작할 수 있는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치는, 피사체로 광을 조사하는 광원부와 조사된 광이 반사경에 의해서 상기 피사체에 반사되면 반사된 광을 감지하는 이미지 센서를 포함하는 3차원 광학 트랙 패드 장치에 있어서, 상기 피사체와 상기 광원부 사이에 위치해서, 상기 피사체에 의해 압력이 가해지면 전기적 신호를 생성하는 압력 센서를 더 포함하되, 상기 이미지 센서는 상기 피사체의 수평 움직임에 기초하여 수평 위치 데이터 정보를 획득하며, 상기 압력 센서는 상기 피사체의 수직 움직임에 기초하여 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치는, 상기 이미지 센서가, 상기 피사체의 X축 및 Y축 각각의 위치 데이터 정보를 감지하고, 상기 X축 및 Y축의 각각의 위치 데이터 정보를 이용해서 상기 수평 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치는, 상기 압력 센서가, 상기 피사체의 수평 위치 데이터 정보가 획득된 후에, 상기 피사체에 의해서 Z축으로 가해지는 압력을 감지하고, 상기 Z축으로 가해지는 압력에 따라 상기 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치를 이용하는 방법은, 피사체로 광을 조사하는 광원부와 조사된 광이 반사경에 의해서 상기 피사체에 반사되면 반사된 광을 감지하는 이미지 센서와 상기 피사체와 상기 광원부 사이에 위치해서, 상기 피사체에 의해 압력이 가해지면 전기적 신호를 생성하는 압력 센서를 포함하는 3차원 광학 트랙 패드 장치를 이용하는 방법에 있어서, 상기 이미지 센서가 상기 피사체의 수평 움직임에 기초하여 수평 위치 데이터 정보를 획득하는 단계(S100); 및 상기 압력 센서가 상기 피사체의 수직 움직임에 기초하여 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치는, 피사체로 광을 조사하는 제1광원부와 조사된 광이 제1반사경에 의해서 상기 피사체로부터 반사되면 반사된 광을 감지하는 수직 제1 이미지 센서를 포함하는 수직 움직임 감지부; 및 상기 피사체에 제2 방향으로 광을 조사하는 제2광원부와 조사된 광이 제2반사경에 의해서 상기 피사체로부터 반사되면 반사된 광을 감지하는 제2 이미지 센서를 포함하는 수평 움직임 감지부;를 포함하고, 상기 수평 움직임 감지부는 상기 피사체의 수평 움직임에 기초하여 수평 위치 데이터 정보를 획득하며, 상기 수직 움직임 감지부는 상기 피사체의 수직 움직임에 기초하여 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치는, 수평 움직임 감지부가, 상기 피사체의 X축 및 Y축 각각의 위치 데이터 정보를 감지하고, 상기 X축 및 Y축의 각각의 위치 데이터 정보를 이용해서 상기 수평 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치는, 상기 수직 움직임 감지부가, 상기 피사체의 X축과 Z축 각각의 위치 데이터 정보 또는 상기 피사체의 Y축과 Z축 각각의 위치 데이터 정보를 감지하고, 상기 X축과 Z축 각각의 위치 데이터 정보 또는 상기 Y축과 상기 Z축 각각의 위치 데이터 정보를 이용해서 상기 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.
상기 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 모바일 기기 및 TV 리모컨 등에서 사용되고 있는 2D용 광학 트랙 패드(Optical Track Pad ; OTP) 장치에 압력 센서를 더 포함함으로써 X축, Y축 및 Z축에 대한 위치 정보 데이터를 획득하여 사용자가 직관적이고 편리하게 컨텐츠를 선택 및/또는 조작할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 종래 광학 트랩 패드의 원리를 나타내는 개념도이며,
도 2는 3차원 디스플레이의 편광 필름 방식의 동작원리를 설명하는 개념도이고,
도 3은 본원 발명에 따른 3차원 광학 트랙패드 장치의 구성도이며,
도 4는 본원 발명에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치를 이용하여 원하는 컨텐츠를 선택하는 원리에 대한 개념도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광학 트랙 패드를 이용하여 3차원 컨텐츠를 선택 및/또는 조작하는 방법에 대한 흐름도이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고하여 이하에서 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
일반적인 3차원 디스플레이의 구현 기술은 안경식과 무안경식으로 나눠진다. 안경식은 좌우 영상을 분리하는 방법이 핵심이며, 크게 공간분할과 시간분할로 구분된다. 비안경식은 안경식에 비하여 2D/3D 동시 구현이 힘들기 때문에 시스템으로 문제를 해결하고 있는 실정이다. 반면, 안경식은 편광 필름 방식과 셔터글래스 방식으로 나눠지고, 현재 이 두 기술이 상업화되고 있다.
먼저, 편광 필름 (Film Patterned Retarter ; FPR) 방식을 설명하면, 편광 필름은 공간을 분할하는 방식으로, 편광 현상을 이용하되 디스플레이 화면에 위상제어기능을 가진 층, 즉 리타더(retarder)가 패턴화되어 있어서 좌우 영상을 공간적으로 분리하는 방식이다.
도 2는 3차원 디스플레이의 편광 필름 방식의 동작원리를 설명하는 개념도이다. 도 2를 참고하여, 3차원 디스플레이의 편광 필름 방식의 동작원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.
3차원 디스플레이는 LCD 패널, 패턴된 리타더(Patterned Retarder) 및 폴라라이저 글래스(Polarizer Glasses)를 포함할 수 있다. LCD 패널에서 나온 광은 패턴된 리타더에 의해서 위상이 제어되고, 위상이 제어된 광은 폴라라이저 글래스를 통과해서 분리된 좌/우 영상이 생성된다. 관찰자는 이렇게 분리된 좌/우 영상을 최종 3D 영상으로 시각적으로 인식하게 된다.
다음으로, 셔터 글래스(Shutter Glass ; SG) 방식에 대해서 설명하면 다음과 같다. 셔터 글래스 방식은 시간분할을 하는 방식으로, 셔터 글래스 방식은 60Hz의 주파수 기간 동안 좌측 눈과 우측 눈에 각각 다른 영상을 보여준다. 액정 셔터 글래스 방식을 이용한 입체 영상 표시 장치는 좌안 영상 및 우안 영상을 교대로 빠르게 디스플레이하고, 액정 셔터를 좌, 우 교대로 개폐(OPEN/CLOSE)한다. 이때 한 프레임이 보여지기 직전에는 블랙영상을 화면에 디스플레이함으로써 크로스토크의 발생율을 낮추기 위함이다.
도 3은 본원 발명에 따른 3차원 광학 트랙패드 장치의 구성도이다. 도 3을 참고하여 3차원 광학 트랙 패드 장치를 살펴보면 다음과 같다.
3차원 광학 트랙 패드 장치는, 광원부(100)와, 광원부(100)의 빛을 가이드하여 피사체(F)에 조사하는 광가이드(120)와, 피사체(F)로부터 반사된 빛을 집광시키는 렌즈(140)와, 집광된 빛의 변화를 감지하여 전기적 신호로 변환시키는 이미지 센서(160) 및 사용자의 손가락 압력과 위치에 따라 Z축의 위치를 제어하는 압력센서(180)를 포함할 수 있다.
광원부(100)는 피사체로 광을 조사하는 기능을 수행하고, 광가이드(120)에 의해서 조사된 광이 반사경에 의해서 반사되고, 상기 피사체에 반사된 광을 렌즈(140)가 집광하여 이미지 센서(160)로 보낸다. 이미지 센서(160)에 의해서 사용자의 손가락의 위치에 대한 X축 및 Y축에 대한 위치 정보 데이터가 획득된다.
그 후에 피사체와 광원부(100) 사이에 위치하고, 피사체에 의해 압력이 가해지면 전기적 신호를 생성하는 압력 센서(180)는 사용자의 손가락에 의해서 가해지는 압력에 기초하여 Z축에 대한 위치 정보 데이터를 획득하게 된다.
이때 광원(100)은 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)를 사용하고, 이미지 센서(160)로는 씨모스(CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor)센서를 사용하며, 압력센서(180)는 전단응력을 이용한 압저항형 압력센서가 사용될 수 있다. 이는 기판 위에 형성된 다이어프램과 다이어프램상에 형성되는 상호 직렬 연결된 복수의 Piezo 저항을 구비하고, 2개 내지 4개의 Piezo 저항을 상호 직렬로 연결하여 압력 크기에 따른 출력 전압을 산출하여 Z축의 위치를 획득할 수 있다. 이때, 광이 압력 센서(180)를 통과할 수 있도록 압력 센서(180)는 투명 재질로 구현될 수 있다.
이러한 광학 트랙 패드 장치에 의하면, 인가되는 전기에 의해 광원(100)이 발광한다. 그러한 광원(100)의 빛은 광가이드를 통해 피사체(F), 즉 사용자가 손가락에 조사되고, 조사된 빛은 피사체(F)에 반사되면서 하측의 렌즈로 조사되며, 조사된 빛은 렌즈에 의해 집광되면서 이미지 센서(160)에 결상된다.
그리고 이와 같은 상태에서 피사체(F)가 움직이면, 그 움직임에 따라 피사체(F)로부터 반사된 빛은 변화하게 되고, 빛의 변화에 따라 이미지 센서(160)에 결상된 영상도 변화된다.
결국, 이미지 센서(160)는 변화되는 영상을 전기적인 신호로 변환시키면서 모바일 기기의 데이터 처리부(도시하지 않음)에 입력시키고, 전기적 신호가 입력된 데이터 처리부는 이를 근거로 피사체(F)의 움직임을 2차원, 즉 X축 및 Y축에 대한 데이터로 변환시킨다.
이미지 센서(160)에 의해서 X축 및 Y축에 대한 위치 정보 데이터가 획득된 후에, 압력 센서(180)는 사용자의 손가락에 의해서 가해진 압력에 기초하여 압력의 위치 및 크기에 따른 출력 전압 데이터를 생성하고, 이러한 출력 전압 데이터는 Z축 위치 정보 데이터에 관한 것으로 이를 전기적 신호로 데이터 처리부에 전송한다.
도 4는 본원 발명에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치를 이용하여 원하는 컨텐츠를 선택하는 원리에 대한 개념도이다.
도 4를 참고하여 보다 구체적으로 살펴보면, 사용자는 3D 디스플레이 화면에서 A지점에 원하는 콘텐츠가 존재하고, A지점의 컨텐츠를 선택/조작하려고 한다면, 모바일 기기의 데이터 처리부가 A지점에 대한 X축, Y축 및 Z축 위치 정보 데이터를 알고 있어야 한다.
사용자가 본원 발명의 3차원 광학 트랙 패드를 사용하여 A지점에 대한 정보를 획득하는 원리를 살펴보면 다음과 같다. 우선 사용자가 A지점이 위치한 X축 및 Y축 위치 정보 데이터를 획득하게 된다. 이는 사용자의 손가락이 3차원 광학 트랙 패드 상에서 움직이게 되고, 해당 지점(A 지점)으로 이동함으로써 해당 위치 정보를 획득할 수 있게 된다.
사용자가 3차원 디스플레이 화면 속에서 A지점의 X축 및 Y축에 위치하게 되면, 사용자는 A지점의 Z축 위치에 해당하는 만큼 압력센서(180)에 압력을 가하거나 감함으로써 해당 Z축 위치에 위치하게 된다. 이때 가해진 압력을 압력센서가 처리하여 전기적 신호로 변환하여 Z축 위치 정보 데이터를 얻게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광학 트랙 패드를 이용하여 3차원 컨텐츠를 선택 및/또는 조작하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 5를 참고하여, 3차원 광학 트랙 패드 장치를 이용한 방법에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
3차원 광학 트랙 패드를 이용한 방법은, 이미지 센서가 피사체의 수평 움직임에 기초하여 수평 위치 데이터 정보를 획득하는 단계(S100); 및 압력 센서가 상기 피사체의 수직 움직임에 기초하여 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 단계(S200);를 포함한다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치의 개략적인 제1실시도이다.
도 6a를 참고하여 살펴보면 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치는 수평 움직임 감지부(200)를 이용하여 XY축을 센싱하고, 수직 움직임 감지부(300)를 이용하여 YZ축 또는 XZ축의 변이를 감지할 수 있도록 구현될 수 있다.
이러한 수평 움직임 감지부(200) 또는 수직 움직임 감지부(300)는 앞서 살펴본 바와 같이 광원부, 반사경, 렌즈 및 이미지 센서를 포함하여 구성된다. 수평 움직임 감지부(200) 및 수직 움직임 감지부(300)의 동작 원리는 도 4에서 설명한 바와 같이 피사체의 움직임에 대해서 이를 감지하고 움직임에 관한 위치 데이터 정보를 이용하여 수평 위치 데이터 정보 및 수직 위치 데이터 정보를 획득할 수 있다.
즉, 수평 움직임 감지부(200)는 피사체의 제1 수평 움직임을 감지하여서 사용자 손가락의 X축 및 Y축 위치 데이터 정보를 획득한다. X축 및 Y축 위치 데이터 정보에 기초하여 수평 위치 데이터 정보를 획득할 수 있다.
수직 움직임 감지부(300)는 피사체의 제2 수평 움직임을 감지하여서 사용자 손가락의 X축과 Z축 위치 데이터 정보 또는 Y축과 Z축의 위치 데이터 정보를 획득한다. X축과 Z축의 위치 데이터 정보 또는 Y축과 Z축의 위치 데이터 정보에 기초하여 수직 위치 데이터 정보를 획득할 수 있다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광학 트랙 패드 장치의 개략적인 제2실시도이다.
도 6b를 참고하여 살펴보면, 수평 움직임 감지부(200)와 수직 움직임 감지부(300)는 서로 직각 형태로 결합하여 구성될 수도 있다. 이러한 변형 실시예는 당업자가 본 명세서를 참고하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 응용할 수 있으므로, 대표적인 2개의 실시예를 기재한다.

Claims (7)

  1. 피사체로 광을 조사하는 광원부와 조사된 광이 반사경에 의해서 상기 피사체에 반사되면 반사된 광을 감지하는 이미지 센서를 포함하는 3차원 광학 트랙 패드 장치에 있어서,
    상기 피사체와 상기 광원부 사이에 위치해서, 상기 피사체에 의해 압력이 가해지면 전기적 신호를 생성하는 압력 센서를 더 포함하되,
    상기 이미지 센서는 상기 피사체의 수평 움직임에 기초하여 수평 위치 데이터 정보를 획득하며,
    상기 압력 센서는 상기 피사체의 수직 움직임에 기초하여 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학 트랙 패드 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지 센서는,
    상기 피사체의 X축 및 Y축 각각의 위치 데이터 정보를 감지하고, 상기 X축 및 Y축의 각각의 위치 데이터 정보를 이용해서 상기 수평 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학 트랙 패드 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압력 센서는,
    상기 피사체의 수평 위치 데이터 정보가 획득된 후에, 상기 피사체에 의해서 Z축으로 가해지는 압력을 감지하고, 상기 Z축으로 가해지는 압력에 따라 상기 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학 트랙 패드 장치.
  4. 피사체로 광을 조사하는 광원부와 조사된 광이 반사경에 의해서 상기 피사체에 반사되면 반사된 광을 감지하는 이미지 센서와 상기 피사체와 상기 광원부 사이에 위치해서, 상기 피사체에 의해 압력이 가해지면 전기적 신호를 생성하는 압력 센서를 포함하는 3차원 광학 트랙 패드 장치를 이용하는 방법에 있어서,
    상기 이미지 센서가 상기 피사체의 수평 움직임에 기초하여 수평 위치 데이터 정보를 획득하는 단계(S100); 및
    상기 압력 센서가 상기 피사체의 수직 움직임에 기초하여 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학 트랙 패드 장치를 이용하는 방법.
  5. 피사체로 광을 조사하는 제1광원부와 조사된 광이 제1반사경에 의해서 상기 피사체로부터 반사되면 반사된 광을 감지하는 수직 제1 이미지 센서를 포함하는 수직 움직임 감지부; 및
    상기 피사체에 제2 방향으로 광을 조사하는 제2광원부와 조사된 광이 제2반사경에 의해서 상기 피사체로부터 반사되면 반사된 광을 감지하는 제2 이미지 센서를 포함하는 수평 움직임 감지부;를 포함하고,
    상기 수평 움직임 감지부는 상기 피사체의 수평 움직임에 기초하여 수평 위치 데이터 정보를 획득하며,
    상기 수직 움직임 감지부는 상기 피사체의 수직 움직임에 기초하여 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학 트랙 패드 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 수평 움직임 감지부는,
    상기 피사체의 X축 및 Y축 각각의 위치 데이터 정보를 감지하고, 상기 X축 및 Y축의 각각의 위치 데이터 정보를 이용해서 상기 수평 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학 트랙 패드 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 수직 움직임 감지부는,
    상기 피사체의 X축과 Z축 각각의 위치 데이터 정보 또는 상기 피사체의 Y축과 Z축 각각의 위치 데이터 정보를 감지하고, 상기 X축과 Z축 각각의 위치 데이터 정보 또는 상기 Y축과 Z축 각각의 위치 데이터 정보를 이용해서 상기 수직 위치 데이터 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학 트랙 패드 장치.
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