KR101160601B1 - 도플러 시프트 및 레이저 자체-혼합을 기초로 한 광학 입력디바이스 - Google Patents

Abstract

객체(15)와 디바이스의 서로 상대적인 움직임에 기초하는 광학 입력 디바이스로서, 측정 빔(13)을 생성하는 레이저 공동(cavity)을 갖는 레이저(3)를 포함하는 적어도 한 개의 광학 센서부와, 동작 평면에 측정 빔을 수렴하고 레이저에 자체-혼합 효과(self-mixing effect)를 발생시키기 위해 레이저 공동에 객체에 의해 반사된 측정 빔 방사를 수렴하는 수렴 수단(50)과, 상기 움직임에 의해 그 효과가 결정되는 자체-혼합 효과의 결과를 측정하는 측정 수단을 포함하며, 수렴 수단(50)은 객체와 디바이스 사이의 거리의 확장 범위(ΔZ)에 대한 가능한 최대치보다는 작지만 검출 임계치보다는 큰 자체-혼합 효과를 제공하기 위해 적응된다. 이것은 객체와 디바이스 사이의 거리의 확장 범위 내에서 요구된 자체-혼합 효과를 얻도록 한다.

광학 입력 디바이스, 레이저 공동, 광학 센서부, 동작 평면, 측정 빔, 자체-혼합 효과, 수렴/측정 수단, 비구면량, 비점수차량, 코마량, 편향기, 신호 분석 수단

Description

도플러 시프트 및 레이저 자체-혼합을 기초로 한 광학 입력 디바이스{OPTICAL INPUT DEVICE BASED ON DOPPLER SHIFT AND LASER SELF-MIXING}

본 발명은 객체와 디바이스 서로에 상대적인 움직임을 기초로 한 광학 입력 디바이스에 관한 것으로, 이 디바이스는, 투명 윈도우를 구비하며, 측정 빔을 생성하기 위한 레이저 공동을 갖는 레이저를 포함하는 적어도 하나의 광 센서부를 포함하는 모듈과, 동작 평면(action plane)에서 측정 빔을 수렴하며, 레이저에서 자체-혼합 효과(self-mixing effect)를 내기 위해 레이저 공동 내에 객체에 의해 반사된 측정 빔 방사를 수렴하는 수렴 수단과, 상기 움직임에 의해 결정되는 자체-혼합 효과의 결과를 측정하기 위한 측정 수단을 포함한다.

본 발명은 또한 이런 광학 입력 디바이스를 포함하는 여러 유형의 장치들에 관한 것이다.

동작 평면은 측정 빔이 객체를 만나며 객체와 디바이스 서로에 상대적인 움직임에 영향을 받는 면을 의미하는 것으로 이해된다. 동작 평면은 디바이스 윈도우의 면이거나 또는 이런 윈도우 근처의 면일 수 있다. 레이저 자체-혼합 효과는 다이오드 레이저에 의해 방출되며 레이저 공동에 다시 반사되는 방사가 레이저 공동의 동작에서 공동을 재진입하려는 반사된 방사와 레이저 공동에서 생성된 광파와 의 간섭으로 인한 변화를 유발하는 현상을 의미하는 것으로 이해된다. 광학 입력 디바이스는 도플러 효과와 결합해서 자체-혼합 효과를 이용한다. 도플러 효과는 객체가 빔의 전파 방향으로 이동하는 경우 객체에 의해 반사된 방사 빔이 도플러 시프트라고 불리는 주파수 시프트를 나타내는 현상이다. 반사된 빔이 빔을 반사하는 레이저의 공동에 재진입하면, 객체의 움직임에 의해 결정되는 레이저 공동의 동작에서의 변화가 일어날 것이다. 따라서, 이들 변화를 측정함에 의해, 예컨대 레이저의 전면 측 또는 후면 측에서 방출된 빔에서의 변화를 측정하거나 레이저 공동의 전기 특성을 측정함에 의해, 객체의 움직임이 결정될 수 있다. 이런 움직임은 입력 디바이스가 일부분을 형성하는 장치에 입력될 데이터를 표현한다.

이런 입력 디바이스는, 입력 디바이스의 동작의 원리, 많은 수의 실시예, 및 디바이스의 가능한 어플리케이션을 설명하는 PCT 출원 WO 02/37410호에 개시되어 있고, 본 명세서에 참고로서 병합된다.

비록 디바이스의 원리가 실제로 증명되지 않았다고 할지라도, 특정 환경 하에서는 그 원리가 최적의 방식으로 작용하지 않는다는 것이 발견되었다.

본 발명의 일 목적은 상술한 상황 하에서 충분한 성능을 나타내는, 본 명세서에 기재된 것과 같은, 유형의 입력 디바이스를 제공하고자 하는 것이다. 본 발명에 따르면, 이런 입력 디바이스는, 수렴 수단이 객체와 디바이스 윈도우 사이의 거리의 확장 범위에 대한 가능한 최대치보다는 작으나 검출 임계치보다 큰 자체-혼합 효과를 제공하도록 적응되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 입력 디바이스의 성능이 객체와 디바이스 윈도우 사이의 거리의 변동에 민감하다는 통찰에 기초한다. 다이오드 레이저에 의해 방출된 방사 빔(이하에서는 측정 빔이라 불림)이 객체 상에서 완벽하게 포커싱되는 경우, 최대 자체-혼합 효과가 얻어지도록 하는 것이 설정되었다(이 최대는 실제로 요구되는 것보다 크다). 객체가 측정 빔의 포커스에 있지 않다면, 레이저 공동에 다시 결합된 측정 빔 방사량은 크게 감소한다. 이런 감소에는 2가지 이유가 있다. 제1 이유는 객체의 평면에 형성된 스폿(spot)의 크기가 객체 상에 포커싱된 빔에 의해 형성된 스폿의 크기보다 크다는 것이다. 이는 객체 면에 형성된 스폿의 강도(intensity)가 객체 상에 포커싱된 빔에 의해 형성된 스폿의 크기보다 상당히 작다는 것을 의미한다. 제2 이유는 수렴 수단을 통한 측정 빔 및 객체에서의 반사에 의해 형성된, 레이저 전면의 이미지가 전면 그 자체와 더 이상 일치하지 않는다는 것이다. 그 결과, 레이저 공동을 재진입하는 측정 빔 방사량은 객체 상의 스폿에서의 방사량보다 훨씬 빨리 감소한다. 따라서, 측정 빔의 축에 따른 객체의 상대적인 작은 시프트는 자체-혼합 효과가 신뢰성있게 검출될 수 없게 작게 되는 레이저 공동을 재진입하는 측정 빔 방사의 감소를 가져온다. 즉, 이런 효과는 수용가능한 레벨, 즉 검출 임계치 아래로 떨어진다.

더욱이, 설계 측정 범위, 즉 객체와 디바이스 간의 거리 범위 내에서, 자체-혼합 효과는 다이오드 레이저가 나타내는 복수 모드 동작에 기인하여 변동될 수 있다는 것이 설정되었다. 일부 예측가능하지 않은 거리에서는 자체-혼합 효과가 검출 임계치 아래로 떨어진다.

본 발명에 따르면, 광학 입력 디바이스는, 디바이스 윈도우 및 객체 사이의 거리의 확장 범위에서, 객체 상에서의 실질적으로 일정한 스폿 크기 및 레이저 공동에서의 이런 스폿의 실질적으로 일정한 이미지를 제공하도록 적응된 수렴 수단을 구비한다. 이런 식으로, 레이저 공동을 재진입하는 측정 빔 방사량은 실질적으로 일정하게 유지될 수 있고, 검출 임계치에 대응하는 레벨 이상으로 유지될 수 있으며, 레이저의 복수 모드 동작의 영향은 감소될 수 있다. 실질적으로 일정한 스폿 크기 및 이미지라는 용어는, 스폿 크기 및 이미지 위치의 변동이 각각 평균 스폿 크기 및 평균 이미지 위치에 대해 작다는 것을 의미한다. 추가적인 이점으로서, 이런 작은 변동은 전자 신호 검출 회로가 보다 나은 성능을 갖도록 한다.

디바이스의 바람직한 실시예는, 수렴 수단이, 다른 축 위치들에서 경계 빔 부분, 중앙 빔 부분 및 중간 빔 부분을 각각 수렴하는 수단으로 이루어지는 것에 특징이 있다.

이런 식으로 다른 축 위치들에서 측정 빔에 의해 형성된 스폿은 실질적으로 동일 크기를 가진다. 이런 크기가 최소 크기를 갖는 스폿, 예컨대 단지 그 이미지 면에서의 편향 제한 스폿을 형성하는 종래의 이상적인 렌즈에 의해 형성된 스폿 크기 보다 크게 된다.

축방향으로 변위된 이미지를 얻는데 사용될 수 있는 수렴 수단의 통상 수차(aberration)로 불리는 이런 유형의 특징에 관하여, 여러 실시예들이 가능하다. 제1 실시예는 수렴 수단이 미리 결정된 비구면량(amount of asphericity)을 나타낸다는 특징이 있다.

제2 실시예는 수렴 수단이 미리 결정된 비점수차량(amount of astigmatism)을 나타낸다는 특징이 있다.

제3 실시예는 수렴 수단이 미리 결정된 코마량(amount of coma)을 나타낸다는 특징이 있다.

입력 디바이스는 여러 유형의 수렴 수단에 의해 실현될 수 있다. 제1 실시예는 수렴 수단이 렌즈 수단인 것에 특징이 있다.

제2 실시예는 수렴 수단이 거울(mirror) 수단인 것에 특징이 있다.

제3 실시예는 수렴 수단이 편향 수단인 것에 특징이 있다.

입력 디바이스는 렌즈 및 거울 수단의 조합, 렌즈 및 편향 수단의 조합, 또는 거울 및 편향 수단의 조합을 또한 포함하여, 바람직하게는 편향 수단이 렌즈 또는 거울 수단과 일체화된다, 즉 렌즈 또는 거울 수단의 표면 상에 배치된다.

또한, 광학 입력 디바이스는 수렴 수단이 측정 빔의 전체 단면을 커버하는 적어도 하나의 소자를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

대안적으로, 입력 디바이스는 수렴 수단이 측정 빔의 단면보다 작으며 이런 단면을 함께 커버하는 수렴 소자의 배열을 포함함을 특징으로 한다.

배열의 각 수렴 소자는 그 자신의 이미지를 형성한다. 모든 이미지들이 시스템 축 상에 위치되기 위해, 바람직하게는 수렴 소자가 구형을 따라 배치된다.

WO 02/37410에 개시된 바와 같이, 입력 디바이스는 하나 이상의 센서부를 포함한다. 센서부의 수는 객체의 움직임이 측정될 수 있는 측정 축 또는 방향의 수를 결정한다. 3개의 센서부에 의해, 윈도우의 면에서 X 축 및 Y 축에 따른 움직임과, 윈도우 면에 수직인 Z축에 따른 움직임은 측정될 수 있다. 2개의 센서부에 의해, X 축 및 Y 축에 따른 움직임, X 축 및 Z축에 따른 움직임, 또는 Y 축 및 Z 축에 따른 움직임이 측정될 수 있다. 본 발명에 따라 적응되는 수렴 수단은 Z 축에 따른 객체의 변위에 가장 중요한 센서부에서만 배치될 수 있다. 모든 센서부가 동일한 수렴 수단을 공유하는 경우, 본 발명은 모든 센서부에서 구현될 것이다.

본 발명은 WO 03/102717에 개시된 특정 입력 디바이스에서 사용될 수 있다. 여기에는, 적어도 하나의 센서부가 스크롤 및 클릭 동작 모두를 측정하며 센서 신호를 측정 수단에 포함된 신호 분석 수단에 제공하는 특징이 있으며, 신호 분석 수단이 통상적으로 스크롤 동작에 대한 것인 제2 신호 시간 패턴으로부터 통상적으로 클릭 동작에 대한 것인 제1 신호 시간 패턴을 구별하는 수단을 포함하는 특징이 있는 스크롤 동작 및 클릭 동작을 적어도 포함하는 움직임을 측정하기 위한 광학 입력 디바이스가 기재된다.

이 디바이스는 스크롤 동작과 클릭 동작 간을 명확히 판별하게 한다. 더욱이, 센서부의 수는 감소될 수 있다.

이 디바이스의 일 실시예는, 신호 분석 수단이 다른 시간 간격들에서 얻어진 측정 결과들을 조합하는 저장 및/또는 지연 수단을 포함하는 특징이 있다.

WO 03/102717에 기재된 바와 같이, 이런 실시예에 의해, 스크롤 동작의 사인(sign), 즉 상향 스크롤 또는 하향 스크롤은 매우 신뢰성 있게 결정될 수 있다.

또한, 이런 실시예는, 상술한 적어도 하나의 센서부가 활성화 펄스에 의해 활성화되며, 활성화 펄스에 의해 결정되는 측정 시간 간격 동안 분석을 수행하기 위해 분석 수단이 센서부와 적시에 동기화되는 특징이 있을 수 있다.

통상, 활성화 펄스는 다이오드 레이저를 제어하기 위한 전류 펄스일 것이다. 센서부 신호는 이들 전류 펄스들 각각에서 샘플링될 것이다.

본 발명은 WP 03/102751에 개시된 특정 광학 입력 디바이스에서 또한 사용될 수 있다. 여기에는, 적어도 하나의 센서부가 스크롤 동작 및 클릭 동작을 모두 포함하며, 디바이스 윈도우 상에 객체의 존재를 설정하도록 하는 추가 수단을 포함하는 특징이 있는, 스크롤 동작 및 클릭 동작을 적어도 포함하는 움직임을 측정하기 위한 광학 입력 디바이스가 기재된다.

이런 디바이스에서, 스크롤 동작 및 클릭 동작은 하나의 센서부에 의해 결정될 수 있다.

바람직하게, 이런 디바이스는, 객체에 의해 반사된 측정 빔이 스크롤 동작에 의해 야기된 주파수보다 낮은 주파수를 갖는 진폭 구성요소를 포함하는지를 설정하는 수단으로 추가 수단이 구성되는 특징이 있다.

이런 디바이스의 제1 실시예는 추가 수단이 레이저 공동 상에 입사하지 않는 측정 빔 방사를 수신하도록 배치된 방사 감도 검출기로 구성되는 특징이 있다.

이런 디바이스의 제2 실시예는 추가 수단이 센서부의 출력 신호에서 상기 구성요소를 검출하기 위한 전자 수단으로 구성되는 특징이 있다.

본 발명에 따르는 입력 디바이스는 다수의 장치들, 예컨대, 휴대 전화, 무선 전화 장치, 랩톱 컴퓨터, 핸드헬드 컴퓨터, 데스크톱 컴퓨터용 마우스, 데스크톱 컴퓨터용 키보드, TV 세트용 원격 제어기, 및 펜에서 사용될 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 양태들은 이하 설명되는 실시예들을 참고로 비제한적인 예에 의해 명백하게 설명될 것이다.

도 1a는 광학 입력 디바이스의 제1 실시예의 단면도를 도시한다.

도 1b는 이 디바이스의 상면도를 도시한다.

도 2는 디바이스에 사용되는 측정 방법의 원리를 도시한다.

도 3은 디바이스 및 객체 서로에 상대적인 움직임의 함수로서 레이저 공동의 이득 및 광 주파수의 변동을 도시한다.

도 4a는 종래의 렌즈를 포함하는 입력 디바이스에서 광선의 전파를 도시한다.

도 4b는 적응된 렌즈의 제1 실시예를 포함하는 입력 디바이스에서 광선 전파를 도시한다.

도 4c는 적응된 렌즈의 제2 실시예를 포함하는 입력 디바이스에서 광선 전파를 도시한다.

도 5는 도 4a-4c에 각각 도시된 렌즈들에 대한 디바이스와 객체 사이의 거리 함수로서의 자체-혼합 효과를 도시한다.

도 6은 거울 수렴 수단을 포함하는 입력 디바이스의 일 실시예의 단면도를 도시한다.

도 7은 입력 디바이스에서 사용되는 복수 편향기 소자의 일 실시예를 도시한다.

도 8은 일체화된 렌즈 및 복수 편향기 소자를 도시한다.

도 9a 및 9b는 비점수차 수렴 수단을 포함하는 입력 디바이스의 일 실시예의 상호 수직한 단면도를 도시한다.

도 9c는 다른 축 위치들에서 이 실시예에 의해 형성된 이미지 스폿들을 도시한다.

도 10은 수렴 수단이 소형 렌즈(lenslet) 배열로 구성되는 입력 디바이스의 일 실시예의 단면도를 도시한다.

도 1a는 본 발명이 이용될 수 있는 입력 디바이스의 단면도이다. 이 입력 디바이스는 그 하부 측에, 다이오드 레이저들(이 경우, VCSEL(vertical-cavity-surface emitting laser) 유형의 레이저) 및 검출기들(예를 들면 포토다이오드들)에 대한 캐리어인 베이스 플레이트(1)를 구비하고 있다. 도 1a에서는 하나의 다이오드 레이저(3) 및 이와 관련된 포토다이오드(4)만이 도시되어 있지만, 통상적으로는 도 1b의 디바이스의 상면도에 도시된 바와 같이 베이스 플레이트 상에는 적어도 제2 다이오드 레이저(5) 및 그와 관련된 포토다이오드(5)가 배치되어 있다. 다이오드 레이저들(3, 5)은 레이저, 또는 측정 빔(13, 17) 각각을 방출한다. 디바이스의 상부 측에는 투명 윈도우(12)가 제공되어 있으며 그 투명 윈도우(12)를 가로 질러 객체(15)(예를 들면 사람의 손가락)가 이동된다. 렌즈(10), 예를 들면 평철 렌즈(plano-convex)가 다이오드 레이저들과 윈도우 사이에 배치된다. 이 렌즈는 레이저 빔(13, 17)을 투명 윈도우 상부 또는 그 근처에 수렴시킨다. 객체(15)가 이 위치에 존재하면, 객체(15)는 빔(13)을 산란시킨다. 빔(13) 방사의 일부는 측정 빔(13)의 방향으로 산란되며, 이 부분은 렌즈(10)에 의해 다이오드 레이저(3)의 방출면 상에서 수렴되며 이 다이오드 레이저의 공동에 진입한다. 이하 설명하는 바와 같이, 공동 내로 되돌아가는 방사로 인해 이 공동에 변화가 발생되며, 이로 인해 특히 다이오드 레이저에 의해 방출되는 레이저 방사의 강도가 변화된다. 이 변화는 방사 변화를 전기 신호로 변환하는 포토다이오드(4) 및 이 신호를 처리하는 전자 회로(18)에 의해 검출될 수 있다. 측정 빔(17)은 또한 객체(15) 상에 수렴되어 이에 따라 산란되며 산란된 방사의 일부는 다이오드 레이저(5)의 공동으로 진입한다. 포토다이오드(6)로부터의 신호를 처리하는 회로(18) 및 회로(19)는 단지 예시용일 뿐이며 다소 통상적인 것일 수 있다. 도 1b에 도시한 바와 같이 이들 회로는 상호 접속되어 있을 수 있다.

도 2는 수직으로 방출되는 다이오드 레이저와, 이 레이저의 후면에 배치되는 포토다이오드가 이용되는 경우의 측정 방법과 입력 디바이스의 원리를 나타낸 도면이다. 이 도면에서, 다이오드 레이저, 예를 들면 다이오드 레이저(3)는 그것의 공동(20)과 그것의 전면 및 후면, 또는 레이저 거울(21, 22) 각각으로 표현된다. 공동의 길이는 L이다. 그 움직임이 측정될 객체는 참조 부호 15로 표시된다. 객체와 전면 사이의 공간은 길이 L₀를 갖는 외부 공동을 형성한다. 전면을 통해 방출되는 레이저 빔은 참조 부호 25로 표시되며, 전면의 방향에 있는 객체에 의해 반사되는 방사는 참조 부호 26으로 표시된다. 레이저 공동에서 발생되는 방사의 일부는 후면을 통과하여 포토다이오드(4)에 의해 포착된다.

객체가 레이저, 또는 측정 빔(13)의 방향으로 이동할 경우, 반사된 방사는 도플러 시프트가 된다. 이는, 이 방사의 주파수가 변화됨을 의미한다(즉, 주파수 시프트가 발생된다). 이 주파수 시프트는, 객체가 이동하는 속도에 따라 달라지며 이는 수 kHZ 내지 MHz 정도이다. 레이저 공동으로 진입하는 주파수 시프트된 방사는 공동 내에 발생되는 광파(optical wave)와 간섭한다(즉, 공동 내에 자체-혼합 효과가 발생된다). 광파와, 레이저 공동에 진입하는 방사 간의 위상 시프트량에 따라, 이 간섭은 건설적이 되거나 파괴적이 될 것이다, 즉, 레이저에 의해 방출되는 방사의 강도는 증가하거나 감소한다. 객체(15)가 이동하면, 측정 빔(25)의 강도는 주기적으로 증가하거나 감소한다. 이러한 방식으로 발생되는 레이저 방사의 변조 주파수는, 공동 내의 광파의 주파수와, 공동에 진입하는 도플러 시프트된 방사의 주파수 간의 차이와 정확하게 일치한다. 이 주파수 차이는 수 kHz 내지 MHz 정도이며 그러므로 검출하기 용이하다. 이 도플러 이동과 자체-혼합 효과의 결합으로 인해, 레이저 공동의 동작에 변화가 발생되며, 특히 그것의 이득 또는 광 증폭이 변화된다.

이는 도 3에 도시되어 있다. 이 도면에서, 커브(31, 32)는 객체(15)와 전면 거울(21) 사이의 거리 L₀의 함수로서, 각각 방출된 레이저 방사의 주파수 υ의 변동과 다이오드 레이저의 이득 g의 변동을 나타낸다. υ, g 및 L₀ 모두는 임의의 단위로 되어 있다. 거리 L₀의 변동이 객체의 움직임의 결과이기 때문에, 도 3의 횡좌표 는, 이득이 시간의 함수로서 표시되도록 시간 축으로 다시 스케일링이 될 수 있다. 객체(15)의 속도 v의 함수로서의 이득 변동 Δg는 다음의 수식으로 표시된다.

Δg=-(K/L)?cos(4π?υ?v?t/c+4π?L₀?t/c)

이 수식에서, K는 외부 공동에 대한 결합 계수이며, 이는 레이저 공동으로부터 결합되어 나오는 방사량을 나타내며, υ는 레이저 방사의 주파수이며, v는 레이저 빔의 전파 방향의 객체의 속도이며, t는 시간이며, c는 광 속도를 나타낸다.

이 수식은 자체-혼합 효과의 이론으로부터 도출될 수 있으며, 이 이론은 예를 들면 "Small laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a diode laser"(Applied Optics, Vol. 27, No.2, 1988년 1월 15일, 379-385페이지)라는 제목의 논문에 개시되어 있다. 이 논문은 본 명세서에서 개시된 유형의 입력 디바이스에서 자체-혼합 효과의 이용은 개시하지 않음에 유의한다. 도 2의 화살표 (16)로 나타낸 바와 같이, 객체 표면은 그 자신의 평면 내에서 이동한다. 도플러 이동은 측정 빔의 전파 방향의 객체의 움직임에 대해서만 발생하기 때문에, 이 움직임은 이 방향의 구성요소(16')를 가지도록 되어야 한다. 이에 따라, XZ 평면, 즉 도 2의 평면 내의 움직임을 측정하는 것이 가능하게 되며, 이 움직임은 X 움직임이라 칭해질 수 있다.

도 2는, 시스템의 나머지에 대해 기울어진(skew) 위치를 갖는 객체를 나타낸 도면이다. 실제로, 통상적으로 측정 빔은 기울어진 빔이며 객체 표면의 움직임은 XY 평면으로 발생될 것이며, 이에 따라 Y 방향은 도 2의 평면에 대해 수직이다. 이 방향의 움직임은 제2 다이오드 레이저에 의해 방출되는 제2 측정 빔에 의해 측정될 수 있으며, 그 산란된 방사는 제2 다이오드 레이저와 연관된 제2 포토다이오드에 의해 포착된다. 기울어진 측정 빔은, 도 1에 도시된 바와 같이, 렌즈(10)에 대해 편심적으로(eccentrically) 다이오드 레이저를 배치함으로써 얻어질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 렌즈(10)에 대해 편심적으로 다이오드 레이저를 배치하여 기울어진 측정 빔이 얻어질 수 있다.

이 위치에 배치되는 포토다이오드에 의해 레이저의 후면에서의 방사의 강도를 측정함으로써, 객체 움직임에 의해 유발되는 레이저 공동 이득의 변화를 측정하는 것이 가장 간단하고 그러므로 가장 흥미로운 방식이다. 통상적으로, 이러한 포토다이오드는 레이저 방사의 강도를 일정하게 유지하는 데에 이용되지만, 지금은 객체(15)의 움직임을 측정하는 데에 이용된다.

전술한 WO 02/37410에서 개시된 바와 같이, 이득 변화 및 이에 따른 객체의 이동은 레이저 정션(junction)의 저항을 판정함으로써도 또한 측정될 수 있다. 이에 따라, 레이저 방사의 강도는 상기 레이저 정션의 도전 대역 내의 전자의 수에 비례한다는 사실이 이용된다.

움직임량, 즉, 객체가 움직이는 거리(이 거리는 시간에 대해 측정된 속도를 적분함으로써 결정될 수 있음) 외에도, 또한 움직임의 부호, 즉 객체가 움직임 축을 따라 전방으로 움직이는지 혹은 후방으로 움직이는지를 결정해야 한다. 움직임 부호는 자체-혼합 효과로부터 기인하는 신호의 형상을 판정함으로써 검출될 수 있다. 도 3의 그래프(32)로 나타낸 바와 같이, 이 신호는 비대칭 신호이다. 그래 프(32)는, 객체(15)가 레이저를 향하여 움직이고 있는 상황을 나타낸다. 상승 슬로프(32')는 하강 슬로프(32'')보다 더 가파르다. 객체가 레이저로부터 멀어지도록 움직이고 있는 경우, 하강 슬로프는 상승 슬로프보다 더 가파르게 될 것이다. 자체-혼합신호의 비대칭의 유형을 판정함으로써, 객체 움직임의 부호가 설정될 수 있다.

바람직하게는, 서로에 대한 디바이스와 객체의 움직임의 부호는, 주기적으로 변동하는 전류를 레이저 공동에 공급하고 제1 반 주기 및 제2 반 주기 각각 동안 생성되는 제1 및 제2 측정 신호를 비교함으로써 결정된다. WO 02/37410에 설명되어 있는 바와 같이, 주기적 전류는, 레이저 공동에서 생성되는 스탠딩 광파가 주기적으로 변동하는 주파수를 갖게 하며, 이에 따라 객체에 의해 반사되는 방사에 대해 연속적으로 변동하는 위상 시프트가 발생되며 공동에 진입하게 된다. 이로 인해, 방출된 레이저 빔의 시간에 따른 강도 변화가 발생하게 된다. 전류의 주기 동안 다수의 방출된 레이저 펄스가 발생된다. 객체가 디바이스에 대해 정적인 경우, 제1 반 주기 동안의 펄스의 수는 제2 주기 동안의 수와 동일하게 된다. 객체가 하나의 방향으로 이동하는 경우, 제1 반 주기 동안의 펄스의 수는 제2 반 주기 동안의 펄스의 수보다 많게 될 것이다. 객체가 반대 방향으로 움직일 경우, 제1 반 주기 동안의 펄스의 수는 제2 반 주기 동안의 펄스의 수보다 작게 될 것이다. 제1 반 주기 동안 발생되는 펄스의 수를 제2 반 주기 동안 발생되는 펄스의 수와 비교함으로써, 측정 축에 따른 객체의 움직임의 부호가 결정될 수 있다. 이 움직임 부호를 결정하는 방법에 대한 더 상세한 사항에 대해서는 WO 02/37410에 개시되어 있 다.

WO 02/37410에 개시된 입력 디바이스에서, 수렴 수단, 또는 렌즈(10)는, 측정 빔이 객체(15) 상에 포커싱되는 유형이며 이와 같이 배열된다. 실제로, 이는, 측정 빔이 디바이스 윈도우(12)의 상부면의 평면 내에 포커싱됨을 의미하는데, 그 이유는 디바이스를 이용할 때 사람의 손가락, 또는 객체가 이 면 위에 놓여져서 이를 가로질러 움직일 것이기 때문이다. 객체에 의해 산란되는 방사의 일부는 레이저 공동 내의 렌즈(10)에 의해 포커싱된다. 객체가 포커싱될 경우, 즉 측정 빔이 객체 상에 포커싱될 경우, 전면은 렌즈에 의해 자신의 위에 반사 산란 객체 면을 통해 결상된다. 이 상황에서, 객체 면 상에 형성되는 스폿의 강도는 최대이며, 또한 레이저 공동 상에 조사되는 산란된 방사량도 최대이며, 이로 인해 최대 자체-혼합 효과 및 최대 측정 신호를 얻을 수 있게 된다. 그러나, 이는 객체가 포커스 상태이며 이로 유지되는 경우에만 해당된다. 이는, 다이오드 레이저, 수렴 수단 및 객체의 상호 위치에 대해 엄격한 요건들이 설정되어야 함을 의미하며, 이는 입력 디바이스가 사용될 소비자 디바이스에 대한 단점이다.

측정 빔이 객체 상에 포커싱되지 않을 경우, 객체 상에 형성되는 스폿의 크기는 인-포커스(in-focus)의 경우보다 더 크게 되어서 스폿의 강도 및 이에 따른 다이오드 레이저를 향해 산란되는 방사 강도는 상당히 감소될 것이다. 또한, 전면은 더 이상 자신의 위에 결상되지 않으며, 이로 인해 레이저 공동에 진입하는 방사량이 더욱 감소된다. 이들 두 가지 효과는, 이미 상대적인 작은 디포커스(defocus)에 대해, 허용될 수 없는 레벨로의 자체-혼합 효과의 감소를 유발하며, 이에 따라 검출가능한(임계) 레벨보다 낮은 레벨로의 측정 신호의 감소를 유발한다. 입력 디바이스의 포커스 민감도의 문제는 특히 클릭 기능을 생성하는 데에 이용되는 입력 디바이스에서 명백하게 된다. WO 02/37410에 개시된 바와 같이, 이 클릭 기능은 객체의 움직임이 디바이스 윈도우에 수직이며, 이에 따라 Z축을 따를 것을 요구한다.

본 발명에 따르면, 하나의 평면, 즉, 이미지 평면에만 최소의 스폿의 형성을 허용하는 표준 렌즈 대신에, 잘 정의된 수차를 나타내는 렌즈를 사용하는 것이 이러한 문제를 해결할 수 있다. 후자의 렌즈, 또는 일반적으로 수렴 시스템은, 다이오드 레이저의 전면에서 통상의 렌즈의 이미지 평면 도처에서 미리 결정된 Z 범위에 대해 실질적으로 일정한 크기를 가지는 스폿 내에 이미지화하도록 적응된다. 이 스폿 크기는 통상의 렌즈에 의해 형성된 스폿의 크기보다 더 크지만, 연속적으로 또는, 주기적인 신호인 경우에서는 충분히 긴 시간 주기 동안, 전체 Z 범위에 대해 임계 레벨 위인 측정 신호를 얻을 만큼 충분히 작다. 이 범위 내에서, 객체 상에 형성된 스폿의 크기는 실질적으로 일정하기 때문에, 다이오드 레이저 공동으로 들어가는 방사량(amount of radiation)도 실질적으로 일정하다. 따라서, 측정 신호 진폭의 변동은 상기 범위 내에서는 작게 유지되며, 이는 신호 처리 회로의 성능을 향상시킨다. 이러한 방법으로, 본 발명은 제2 이점을 제공한다.

적응 렌즈(adapted lens), 또는 수렴 수단의 설계는, 입력 디바이스의 설계 및 이 입력 디바이스가 이용되는 조건에 따른다. 이 조건 및 디바이스 파라미터가 공지된다면, 당업자는 원하는 적응 렌즈를 설계할 수 있다. 예로서, 도 4b 및 도 4c는, 도 4a에 도시된, 표준 렌즈(10)를 대체하는 제1 유형의 적응 렌즈의 다른 실시예를 나타낸다. 표준 렌즈는, 예를 들어, 그 면이 동일한 굴곡 반경(radius of curvature)을 갖는 두 개의 볼록 굴절면(23, 24)을 구비한 대칭형 양면 볼록 렌즈이다. 이 렌즈는, 렌즈의 객체 평면 OP 내에 배치되는, 다이오드 레이저(3)의 전면 FF(front facet)를 렌즈의 이미지 평면 내의 스폿 SP₁ 내에 결상한다. 이는, 다이오드 레이저(3)의 한 점 p₁으로부터의 모든 방사 광선이 이미지 평면 PL₁ 내의 한 점 p₃에 함께 수렴됨을 의미한다. 이들 방사 광선들로부터, 경계 광선(boundary lays)(40, 41), 중앙 광선 (central lays)(43, 44), 및 중간 광선(intermediate lays)이 도 4a 내지 도 4b에 도시되어 있다.

실제로, 다른 것들 중에서도, 레이저로부터의 빔의 가우시안 강도 분포(Gaussian intensity distribution)로 인해, 객체 평면 내의 한 점으로부터의 광선은, 단일 평면 내의 한 점과 같은 스폿에 수렴되지 않으며, 레이저 빔은 단일 평면 내에 포커싱되지 않지만, 빔은 최소 지름을 갖는 빔에 수렴될 것이다. 따라서, 빔은 주어진 Z 범위, 즉, 렌즈의 광학 축 OO'의 방향으로의 범위 내에서 소위 가장 협소한 압축(constriction)을 나타낸다. 가장 협소한 압축 범위는 도 4a에서 NCR로 나타내어 있다. 최소의, 가령, 편향 제한 스폿을 형성하도록 설계된 통상의 렌즈에 있어서, 이 범위는 작다.

본 발명에 따르면, 이 범위는, 예를 들어, 범위 NCR의 길이를 갖는 다수의 하위 범위(sub-ranges) -이 하위 범위는 서로 이웃하며 상호 간에 병합될 수 있슴- 를 생성함으로써 확장된다. 이는 빔의 경계 광선이 빔의 중앙 광선 및 중간 광선과 다른 축 점에서 수렴된다는 것을 의미하는 렌즈의 비구면 효과(aspherical effect)를 이용함으로써 구현될 수 있다. 주로, 각각의 렌즈는 비구면성을 나타내고, 이에 대해 수정하기 위해 통상적으로 도 4a의 렌즈의 경우에서와 같이, 가령, 하나의 렌즈 표면 또는 두 개의 렌즈 표면을 비구면으로 만듦으로써, 측정을 한다. 비구면 표면은 기본 형태가 구면이지만, 렌즈 또는 거울의 기본 형태에 의해 유도되는 구면의 수차를 수정하기 위해서, 구형으로부터 벗어난 표면을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

도 4b는, 렌즈(50)의 비구면 특성이 이용되는, 본 발명에 따른 입력 디바이스 부분에 대한 제1 실시예를 나타낸다. 빔이 방사하는 각이 크기 때문에 -특히, 바깥쪽의 광선이 렌즈 표면상에 입사함-, 렌즈의 자연 발생적 비구면성이 이용될 수 있다. 단지 설명을 위해서, 렌즈(50)의 배면(54)은 어느 정도 평평하게, 즉, 비구면성을 나타내기 위해 굴절면(54)의 곡률 반경이 굴절면(53)의 굴곡의 반경보다 큰 것으로 표현되어 있다. 객체 점 p₁으로부터 렌즈(50)를 통과하는 경계 광선은 평면 PL₁보다 렌즈(50)에 더 가까운 평면 PL₂ 내의 점 p₃과 만난다. 렌즈(50)를 통과하는 중앙 광선(43 및 44)은 평면 PL₁보다 렌즈로부터 더 먼 평면 PL₃ 내의 점 p₄에서 만나고, 렌즈(50)를 통과하는 중간 광선들은, 이 예에서는, 점 p3 및 점 p₄ 사이에 있는 평면 PL₁ 부근의 점 p5에서 만난다. 따라서, 렌즈(50)는, 렌즈(10)가 가지는 것보다는, 경계 광선에 대해서 더 많은 렌즈 파워를 가지며 중앙 렌즈에 대해서는 더 적은 렌즈 파워를 갖는다. 이런 방법으로, 렌즈의 포커스 범위, 즉, 가장 협소한 압축의 범위는, 도 4a의 NCR보다 상당히 큰 △Z까지 확장된다. 결과적으로, 렌즈(50)에 의해 평면 PL₂ 및 평면 PL₃ 사이의 임의의 평면 내에 형성된 스폿의 크기는, 범위 △Z 내에서, 실질적으로 일정할 것이다.

도 4c는 비구면성이 이용되는 입력 디바이스 부분의 제2 실시예를 나타낸다. 렌즈(60)의 비구면성은 도 4b의 렌즈(50)의 비구면성과 반대이다. 이 반대의 비구면성은, 렌즈(60)의 굴절 배면(rear refractive surface)(64)을 구면형 빛 쐐기형(wedge shape)의 조합으로 형상화함으로써 얻을 수 있다. 이 렌즈는, 광선이 렌즈(50)에 의해 굴절되는 방식과 반대의 방식으로 광선을 굴절시킨다. 렌즈(60)를 통과하는 경계 광선은, 평면 PL₁보다 렌즈로부터 더 먼 평면 PL₃ 부근의 점 p6에서 만나지만, 중앙 광선은 평면 PL₁보다 렌즈와 더 가까운 평면 PL₂ 내의 점 p7에서 만난다. 중간 광선은 평면 PL₁ 내의 점 p₈에서 만난다. 또한, 렌즈(60)는 렌즈(60)에 의해 범위 △Z 내의 임의의 평면 내에 형성된 스폿의 크기가 실질적으로 일정하게 되도록 유지한다.

도 5는 도 4a, 4b 및 4c의 렌즈가 레이저 자체-혼합 효과에 대해 가지는 효과를 나타낸다. 자체-혼합 효과 Sme는 수직 축을 따라 임의의 단위로 표시되어 있고, 이동이 측정되는 객체의 Z 위치는 수평 축을 따라 역시 임의의 단위로 표시되어 있다. 도 5의 곡선 A는 도 4a의 렌즈(10)와 연관된다. 그러한 렌즈를 이용하면, 객체가 렌즈들의 이미지 평면 PL₁에 배치되는 경우에 최대 자체 혼합 효과가 얻어진다. 그러나, 자체 혼합 효과는, 객체가 평면 PL₁으로부터 멀어지게 되는 경우에, D_th로 나타낸 검출 임계값 아래로 급속하게 떨어진다. 도 4b 및 도 4c의 렌즈(50 및 60)와 각각 연관된 곡선 B 및 C는 일치한다. 이 렌즈들을 사용할 때에 자체 혼합 효과는 렌즈(10)에 의해 얻을 수 있는 최대 효과보다는 작지만, 렌즈(10)가 충분한 자체 혼합 효과를 제공하는 범위보다는 상당히 큰 범위 △Z에 대해 임계값 이상으로 유지된다. 따라서, 수렴 수단이 렌즈(50) 또는 렌즈(60)에 의해 구성된 입력 디바이스는, 움직임이 측정되는 디바이스 및 객체 사이의 거리에 대해 상대적으로 큰 변동을 허용한다. 따라서, 그러한 입력 디바이스는 넓은 분야의 어플리케이션에 이용될 수 있다.

또한, 입력 디바이스는, 렌즈 대신에 도 6에 도시된 바와 같은 거울을 포함할 수도 있다. 이 도면 참조 번호 70은, 다이오드 레이저로부터 측정 빔(13)을 디바이스의 윈도우(12) 상에 수렴하는 거울을 나타낸다. 그러한 거울은 입력 디바이스의 높이가 더 줄어들어야 하는 경우, 예를 들어, 얇아져야 하는 장치에 바람직하다. 또한, 거울의 형상은, 스폿의 크기가 거의 일정한, 요구되는 정도의 비구면성 및 그에 따른 요구되는 축 범위의 확장을 얻도록 적응될 수 있다.

수렴 수단은, 하나의 렌즈 소자 또는 하나의 거울 소자 대신에, 적어도 두 개의 렌즈 소자 또는 적어도 두 개의 거울 소자를 포함할 수도 있다. 또한, 수렴 수단은, 적어도 하나의 렌즈 소자 및 적어도 하나의 거울 소자의 조합을 포함할 수 도 있다. 이들 각 수렴 수단 중에서, 적어도 하나의 굴절면이 본 발명에 따라 적응될 수 있다.

또한, 이 확장은, 도 7에 도시된 바와 같이, 각각이 상이한 빔의 부분에 배치되어 대응하는 빔 부분들의 각각을 상이한 축 위치 방향으로 굴절시키는 소형 개별 빔 굴절기들에 의해 달성될 수 있다. 빔 굴절기의 세트(82, 84 및 86) 및 빔 굴절기의 세트(82', 84' 및 86')는 광학 축 OO'에 대해 대칭으로 배치된다. 빔 굴절기의 굴절면과 광학 축 사이의 각은 밖으로부터 중심으로 갈수록 증가한다. 결과적으로, 빔 부분(83, 83')이 굴절기(82, 82')에 의해 굴절되는 각은, 빔 부분(85, 85')이 굴절기(84, 84')에 의해 굴절되는 각보다 크고, 후자의 각은 빔 부분(87, 87')이 굴절기(86, 86')에 의해 굴절되는 각보다 크다. 바람직하게, 빔 굴절기들은, 복수 굴절 소자(multiple deflecting element)로 지칭될 수 있는, 하나의 광학 소자(80) 내에 통합된다.

단지 굴절 효과를 증명하기 위해, 소자(80) 상에 입사하는 빔(13')은 직사된 빔(colliminated beam)이고, 빔 부분(83, 85, 87, 83', 85' 및 87')은 직사된 빔 부분이다. 빔은 포커싱되어야 하기 때문에, 소자는 소자(80)에 선행하는 수렴 소자, 예를 들어, 렌즈와 함께 통합되어야 한다. 이 소자는 수렴 소자와 함께 통합되는 것이 바람직하다. 도 8은, 변형된 렌즈 구조를 갖는, 그러한 수렴 복수 굴절 소자(90)를 나타낸다. 그 전면(91)은 통상의 렌즈 표면으로서 작용하는 구면 또는 비구면이지만, 그 배면(93)은 각면(facet)(92, 94, 96, 96', 94' 및 62')이 그들을 통과하는 빔 부분을 상이한 방향으로 굴절시키도록 각면화된 표면(facetted surface)이다. 바람직하게, 굴절 각면들은, 그들이 전면과 함께, 요구되는 수렴 기능을 제공하도록 만곡되어(curved) 있다.

명확히 하기 위해, 도 7 및 도 8에는 몇 개의 굴절 소자만 도시되어 있다. 빔 부분이 더 작도록 굴절 소자의 수는 더 많을 수 있으며, 요구되는 축 범위 △Z에 대해 보다 균일한 분포를 얻을 수 있도록 더 많은 수의 굴절 각에서 굴절될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같은, 많은 수의 굴절 각면을 포함하는 수렴 소자 및 굴절 소자는 도 4b 및 4c의 비구면 렌즈 소자와 유사한 효과를 제공한다.

도 6의 거울(70)의 굴절면은 도 8의 렌즈 표면(93)과 유사한 방식으로 변형될 수 있다. 그러한 변형된 거울 표면은, 시스템의 광학 축에 대해 상이한 각으로 지향되어 있는, 2차원 배열의 굴곡된 굴절 각면들을 포함한다. 모든 거울 각면은 입사하는 방사 광선을 수렴하고, 각 각면은 입사 빔 부분을, 다른 각면이 입사 빔 부분을 반사하는 방향들과는 상이한 방향으로 반사한다.

본 발명의 입력 디바이스에 사용될 수 있는 다른 유형의 수렴 수단은 비점수차(astigmatism)를 이용한다. 비점수차를 나타내는 광학 시스템은, 접평면(tangential plane) 및 구결 평면(sagittal plane)으로 지칭되는 두 개의 수직 평면 내에 상이한 (렌즈) 파워를 갖는다. 그러한 시스템은 하나의 초점이 아니라 서로 수직인 두 개의 초점 라인을 가진다. 렌즈 시스템의 비점수차를 증가시키는 공지된 방법은, 이 시스템 내에 단지 하나의 평면 내에만 렌즈 파워를 가지는 실린더형 렌즈를 포함시키는 것이다. 도 9a는 XZ 평면 내에 렌즈 파워를 갖는 실린더형 렌즈(100)를 포함하는 입력 디바이스 부분의 XZ 평면에 따른 단면을 나타낸다. 실린더형 렌즈의 부재시, 레이저로부터의 빔(13)은 XZ 평면 및, 도 9b에 도시된, YZ 평면 모두에 위치(102)에서 초점이 생길 것이다. 렌즈(100)는 XZ 평면에 렌즈 파워를 가지기 때문에, 빔은 이 평면 내에서 위치(102)보다 렌즈 시스템에 더 가까운 위치(104)에서 초점이 생길 것이다. 위치(104)에서 형성된 스폿은 그것의 긴 축이 Y 방향인 타원형 스폿이다. YZ 평면(도 9b)에서, 빔은 위치(106)에서 초점이 생기고, 이 위치에서의 스폿은 그것의 긴 축이 X 방향인 타원형 스폿이다. 도 9c에 도시된 바와 같이, Z 방향에서 보면, 스폿은 긴 축이 X 방향인 타원으로부터 원형(위치(102))을 경유하여 긴 축이 Y 방향인 타원으로 변한다. 위치(104)에서 위치(106)까지의 Z 범위 내에서, 스폿 크기는, 이 범위를 통해 이동된 객체에 의해 다이오드 레이저(3)로 반사된 방사량의 변동이 충분히 작도록 하여 거의 일정한 자체 혼합 신호가 얻어지도록 하는 것을 달성할 정도로 충분히 작다.

또한, 비점수차는, 레이저 빔의 축에 대해 예각으로 배열되는 평면 평행 플레이트(plane parallel plate)를 렌즈 시스템 또는 거울 시스템 내에 포함시킴으로써, 렌즈 시스템 또는 거울 시스템에 도입될 수 있다. 시스템은, 빔이 수렴 렌즈를 통해 비스듬히 지나도록 배치함으로써, 추가 소자를 포함하지 않고도, 비점수차를 만들 수 있다. 이 해결책은 소형 장치 내에 적합하도록 입력부가 매우 소형일 경우에 바람직하다. 하나 이상의 거울을 포함하는 수렴 시스템도 비점수차를 만들 수 있다는 것이 명백하다.

코마는, 통상적으로 원치 않는, 또 다른 공지된 렌즈 수차이지만, 지금은 유리하게 이용될 수 있으며, 필요한 경우에는, 본 발명의 목적을 달성하도록 증대될 수도 있다. 정의된 양의 코마를 도입함으로써, 상대적으로 큰 축 범위에 대해 크기가 거의 일정하고, 통상적으로 요구되는 이미지 스폿에 대해 확장 및/또는 변형될 수 있는 이미지 스폿을 얻을 수 있다. 코마 스폿에 의해 얻어진 자체 혼합 신호는 임계값보다 크며, 상대적으로 큰 축 범위에 대해 거의 일정하다.

굴절 소자 대신에, 또한 수렴 수단은 편향 소자를 포함할 수도 있다. 편향 소자는 굴절 대신에 편향으로 빔의 파면을 변화시킨다. 편향 소자는, 예를 들어, 프레넬 렌즈(Fresnel lenz) 또는 존 플레이트(zone plate)와 같은 편향 렌즈는 제2 영역과 교번하는 다수의 제1 영역 - 제1 영역과 제2 영역은 상이한 광학 특성을 가짐- 을 포함한다. 예를 들어, 제1 및 제2 영역은 상이한 투명도 또는 상이한 반사 계수를 가질 수 있거나, 또는 그들을 통과하는 빔 부분들에 상이한 위상 시프트를 유도할 수 있다. 후자의 경우, 제1 및 제2 영역은 상이한 평면들 내에 배치될 수 있거나 또는 상이한 굴절 계수를 가질 수 있다. 편향 소자가 렌즈일 경우에는, 영역은 환형 영역(annular areas)이다. 입력 디바이스는 단일 파장 (레이저) 빔을 채택하므로, 이 디바이스 내에 배치된 편향 소자는, 그러한 소자가 입력 디바이스 내에서의 사용에 적합하도록, 색 효과(chromatic effect)를 유도하지 않을 것이다.

주기성 및 영역의 형상과 같은 편향 소자의 파라미터들을 적응시킴으로써, 이 소자에는 필요한, 잘 정의된 양의 비구면, 비점수차, 또는 코마가 제공되어, 이 소자에 의해 형성된 이미지 스폿이 상대적으로 큰 축 영역 내에서 거의 일정하게 될 수 있으므로, 본 발명의 목적이 달성된다.

편향 소자는 굴절 소자 또는 반사 소자를 대체할 뿐만 아니라, 그러한 소자 와 함께 조합될 수 있다. 입력 디바이스의 광학 시스템에 있어서, 광학 활성화 표면의 수를 줄이기 위해서는, 편향 소자가 다른 소자와 함께 통합되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 편향 구조는 굴절 렌즈의 표면 상 또는 거울의 반사 표면 상에 배치될 수 있다. 이런 방식으로, 요구되는 광학 기능이 다른 종류의 소자에 대해 분담될 수 있거나, 또는 추가적인 광학 기능이 수행될 수 있다.

전체 빔 단면을 커버하는 소자 대신에, 수렴 장치는, 상이한 광 파워를 가지는 소형 소자, 가령, 소형 렌즈의 배열에 의해 구성될 수도 있으며, 이것으로 입사빔 부분들을 상이한 축 위치들에서 수렴할 수 있다. 소형 렌즈에 의해 형성되는 이미지 스폿이 광학 축 OO' 상에 위치하는 것을 달성하기 위해, 소형 렌즈는 이 축에 대해 상이한 방향으로 배치될 수 있다. 바람직하게, 소형 렌즈는 구형 구성, 예를 들어, 구형 투명 캐리어 상에 배치된다. 도 10은 그러한 소형 렌즈 배열의 일 실시예의 단면을 나타낸다. 소형 렌즈(112 및 120)는 광학축 OO' 상에 위치(134)에서 빔 부분(122 및 130)을 수렴시킨다. 소형 렌즈(114 및 118)는 축 위치(136)에서 빔 부분(124 및 128)을 수렴하지만, 소형 렌즈(116)는 축 위치(132)에서 빔 부분(126)을 수렴한다. 실제로, 보다 우수한 균일성을 달성하기 위해서는, 소형 렌즈의 수가 도 10에 도시된 수보다는 많을 것이다.

소형 렌즈의 배열 대신, 수렴 수단은, 소자가 상이한 광학 파워를 가지고 바람직하게는 그들이 시스템의 축 상에 이미지를 형성하도록 배열되는, 소형 거울 소자의 배열 또는 소형 편향 소자의 배열로 구성될 수도 있다.

두 개 이상의 측정 빔 경로, 즉 두 개 이상의 다이오드 레이저 및 관련 검출 기를 포함하는 광학 입력 디바이스에서, 이들 각 측정 경로는 그 자신의 수렴 수단을 포함할 수 있다. 제공된 측정 경로에 의해 측정되는 이동이 이 경로에서 본 발명이 사용되어야 하는지 여부를 결정한다. 본 발명이 둘 이상의 측정 경로에서 구현되면, 이들 경로가 본 발명에 따라 설계된 것과 동일한 수렴 수단, 예를 들어, 렌즈를 공유하도록 배치된다. 예를 들어, 제1 및 제2 방향으로의 스크롤 이동을 판정하기 위한, 제1 및 제2 측정 경로와, 클릭 움직임을 판정하기 위한 제3 측정 경로를 포함하는 입력 디바이스에서는, 본 발명을 제3 측정 경로에서만 구현하는 것만으로도 충분할 수 있다. 제1 및 제2 측정 경로는 그때 공통 수렴 장치를 가질 수 있다.

본 발명의 입력 디바이스는, 디스플레이 상에서 커서를 이동시켜 디스플레이된 메뉴의 기능을 선택하기 위한 몇몇 유형의 장치, 예를 들어, 데스크톱 컴퓨터와 연관된 광 마우스, 또는 핸드헬드나 랩톱 컴퓨터에 사용될 수 있다. 기능, 또는 항목을 선택하기 위해 또는 메뉴를 형성하기 위해, 사람의 손가락(객체)이 입력 디바이스의 윈도우를 가로질러 윈도우의 평면과 평행한 방향으로 이동된다. 이러한 움직임은 스크롤 동작이라 지칭된다. 선택된 기능을 활성화하기 위해, 손가락은 윈도우에 대해 수직인 방향으로 이동될 수 있다. 이 동작은 클릭 동작이라 지칭된다. 모두 윈도우의 평면 내에 있는 X 방향 및 Y 방향 및 이 평면에 수직인 Z 방향과 같은, 상이한 방향들로의 이동을 측정하기 위해, 다이오드 레이저의 개별 조합, 연관된 광 검출기, 및 렌즈가 사용될 수 있다. 그러한 조합은 광학 센서부로 지칭될 수 있다. 몇몇 광학 센서들은 동일한 렌즈, 또는 수렴 수단을 공유하여, 센서 부의 측정 빔이 상이한 방향으로 렌즈를 통과하도록 한다.

입력 디바이스는 광학 센서부가 매우 작기 때문에 소형일 수 있다. 이는 입력 디바이스에 대한 새로운 어플리케이션들로의 길을 연다. 입력 디바이스는, 메뉴의 항목을 선택하고 인터넷 페이지를 액세스하기 위해, 예를 들어, 휴대폰 내에, 또는 광펜이나 PDA와 같은 다른 핸드헬드 장치에 빌트인(built-in)될 수 있어서, 그것의 그래픽 또는 수기된 데이터가 메모리 가령 컴퓨터 메모리 내에 디지털로 송신 및/또는 저장되도록 할 수 있다. 이러한 어플리케이션은 문서 WO 02/37410 내에 기술되어 있다. 본 발명은 이 문서에 설명되어 있는 모든 실시예들에 사용될 수 있어서, 본 발명에 따라 적응된 수렴 수단은 바람직하게는 입력 디바이스의 이 실시예들에 존재하는 모든 센서부에 의해 공유된다.

WO 02/37410 내에 기술된 스크롤 및 클릭 디바이스에서, 제1 센서부는 스크롤 동작의 속도 및 방향을 판정하는데 사용되고, 제2 센서부는 클릭 동작을 판정하는데 사용된다. 이들 센서부는, 예를 들어, 윈도우의 디바이스에 대해 반대의 예각에서 지향되어 있다. 또한, WO 03/102717에서 설명된 바와 같이, 동일한 센서부를 사용함으로써, 그리고 이 센서부로부터의 신호가 클릭 동작과 연관된 제1 전형적 시간 패턴 또는 클릭 동작과 연관된 제2 전형적 시간 패턴을 나타내는지를 판정함으로써, 스크롤 동작 및 클릭 동작 사이의 명백한 구분 및 매우 신뢰할 만한 스크롤 동작의 측정이 달성된다. 이에 의해, 사용자가 동시에 스크롤 및 클릭하지 않는다는 사실과, 클릭 동작은 스크롤 동작에 의해 생성된 센서부 신호와 실질적으로 상이한 센서부 신호를 생성한다는 통찰이 이용된다. 클릭 동작은 비이동(non- movement)의 기간이 선행과 후행되는, 빠르고 짧은 지속기간의 이동이며, 이에 따라 센서 출력 신호로서 펄스와 유사한 응답을 생성한다. 클릭 동작은 개별 사용자의 손가락 동력화(motorization) 및 클릭의 방향(업 클릭 또는 다운 클릭)과 무관하게 검출될 수 있다. 스크롤 동작은, 동일한 시간 기간 동안, 클릭 동작이 생성하는 단일 파동, 예를 들어, 펄스보다 상당히 많은 신호 파동 수를 나타내는 출력 신호를 생성한다.

그러한 하나의 센서부로부터의 신호의 최적 사용에 의해, 입력 디바이스 내의 센서부의 수, 그리고 그에 따른 다이오드 레이저의 수가 감소될 수 있다. 이는, 다이오드 레이저가 디바이스의 소자들 중 가장 비싸고, 사용되는 디바이스는 장치 내에서 더 적은 공간을 차지하도록 단순화될 수 있기 때문에, 큰 이점이 된다. 또한, 원래 수의 센서부를 유지하고, 다른 기능 또는 측정을 위해 유리된(disengaged) 센서부를 이용하는 것도 가능하다.

바람직하게는, 시간 간격 동안 스크롤 동작 및 클릭 동작을 측정하는데 사용되는 센서 출력 신호의 분석은 다른 시간 간격 동안 얻어진 이동 데이터로 이루어진다. 제공된 시간 간격 동안 측정된 신호를 분석할 때, 과거의 측정 및 미래의 측정을 고려하는 것은 스크롤 동작의 움직임의 방향, 즉, 상향 스크롤 또는 하향 스크롤을 매우 신뢰할만하게 판정하게 한다. 상기 제공된 시간 간격 동안 얻어진 신호의 분석을 시간상 지연하는 것은 상기 미래의 측정, 즉 상기 제공된 시간 간격 후에 수행되는 측정을 사용하도록 한다. 하나의 센서로부터의 스크롤 동작 및 클릭 동작을 유도하는 것의 추가 세부사항 및 그 방법에 의해 제공되는 가능성들은 WO 03/102717을 참조하면 된다.

또한, 본 발명은, 동일한 센서부(들)로 스크롤 및 클릭 동작을 판정하기 위해 다른 방법이 사용되는 광학 입력 디바이스 내에 사용될 수 있다. 그 방법은 WO 03/102751에 기술되어 있다. 후자의 방법은, 센서부의 측정 빔에서 지금까지 사용되지 않은 정보가 디바이스 윈도우 상의 손가락의 존재를 검출하는데 사용될 수 있다는 통찰에 기초하고 있다. 한 번의 클릭 동작은 디바이스 윈도우 방향과 그 반대 방향으로의 손가락의 빠른 움직임으로 구성될 수 있고, 클릭 동작은 아무런 움직임도 발생하지 않는 시간 간격이 선행 및 후행한다. 다른 가능한 클릭 동작은 손가락을 윈도우 상에 놓고, 손가락을 빼고, 손가락을 다시 윈도우 상에 놓는 것이다. 윈도우 방향으로의 움직임과 윈도우로부터의 움직임 사이의 짧은 시간 간격 동안 손가락이 윈도우 상에 머무르게 된다. 윈도우 상에서의 그러한 머무름, 또는 존재가 발생하는 경우, 클릭 동작이 발생했다고 결론지어 질 수 있다. 이 검출은 스크롤 이동을 측정하는 센서부에 의해 수행될 수 있다.

바람직하게는, 윈도우 상에서의 객체 또는 손가락의 존재는, 다이오드 레이저 공동에 들어오는 측정 빔 방사가 스크롤 이동에 의해 야기되는 진폭 변화보다 더 낮은 주파수에서 변하는 진폭 성분을 포함하는지 여부를 판정함으로써 설정될 수 있다. 여기서, 센서부의 출력 신호의 고 주파수 성분이 스크롤 동작을 판정하기 위해 사용되고, 동일한 신호의 저 주파수 및 DC 성분이, 손가락이 디바이스 윈도우 상에 존재하고, 이에 따라 클릭 동작이 발생하는지 여부를 판정하는데 사용된다. 저 주파수 성분은 추가적인 사진 검출기에 의해 측정될 수 있다. 대안적으 로, 저 주파수 성분은 센서부 출력 신호로부터 분리될 수 있다.

본 발명은, 다이오드 레이저에서 도플러 시프트 및 자체 혼합을 이용하는 임의의 광학 입력 디바이스에, 이 디바이스 내의 센서부의 수와는 무관하게, 사용될 수 있다. 본 디바이스는 스크롤 동작, 또는 스크롤 동작뿐만 아니라 클릭 동작을 판정하는 하나의 센서부, 또는 디바이스 윈도우의 평면 내의 두 방향(X, Y)에 따른 이동의 측정 또는 이들 움직임뿐만 아니라 윈도우에 대해 수직(Z 방향)인 이동의 측정을 하는 두 개의 센서부, 또는 후자의 세 가지 이동을 측정하는 세 개의 센서부를 포함할 수 있다.

Claims (25)

1. 객체와 디바이스 서로의 상대적인 움직임에 기초한 광학 입력 디바이스로서, 상기 디바이스가, 투명 윈도우가 제공되고 측정 빔(beam)을 생성하는 레이저 공동(cavity)을 갖는 레이저를 포함하는 적어도 한 개의 광학 센서부를 포함하는 모듈, 동작 평면에서 상기 측정 빔을 수렴하고 상기 레이저에 자체-혼합 효과(self-mixing effect)를 생성하기 위해 상기 레이저 공동에 객체에 의해 반사되는 측정 빔 방사를 수렴하는 수렴 수단, 및 상기 움직임에 의해 효과가 결정되는 상기 자체-혼합 효과의 결과를 측정하는 측정 수단을 포함하고, 상기 수렴 수단이 상기 객체와 상기 디바이스 윈도우 사이의 거리의 확장 범위에 대해 가능한 최대치보다 작지만 검출 임계치보다는 큰 자체-혼합 효과를 제공하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 상기 수렴 수단은, 경계 빔 부분, 중앙 빔 부분, 및 중간 빔 부분 각각이 서로 다른 축 위치들로 수렴하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
3. 제2항에 있어서, 상기 수렴 수단은 미리 결정된 비구면량(amount of asphericity)을 나타내는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
4. 제2항에 있어서, 상기 수렴 수단은 미리 결정된 비점수차량(amount of astigmatism)을 나타내는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
5. 제2항에 있어서, 상기 수렴 수단은 미리 결정된 코마량(amount of coma)을 나타내는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수렴 수단은 렌즈 수단인 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
7. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수렴 수단은 거울(miror) 수단인 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
8. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수렴 수단은 편향(diffraction) 수단인 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
9. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수렴 수단은, 상기 측정 빔의 전체 단면을 커버하는, 적어도 한 개의 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
10. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수렴 수단은, 상기 측정 빔의 단면보다 더 작고 함께 이 단면을 커버하는, 수렴 소자들의 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
11. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 적어도 스크롤 동작과 클릭 동작을 포함하는 움직임의 측정에 대해서, 적어도 한 개의 센서부가 스크롤 동작과 클릭 동작 모두를 측정하고 상기 측정 수단에 포함되는 신호 분석 수단으로 센서 신호를 공급하고, 상기 신호 분석 수단은, 통상적으로 클릭 동작에 대한 것인 제1 신호 시간 패턴을 통상적으로 스크롤 동작에 대한 것인 제2 신호 시간 패턴으로부터 구분하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
12. 제11항에 있어서, 상기 신호 분석 수단은 상이한 시간 간격들에서 얻어지는 측정 결과들을 조합하는 저장 및/또는 지연 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
13. 제11항에 있어서, 상기 적어도 한 개의 센서부는 활성화 펄스에 의해 활성화되고, 상기 분석 수단은, 상기 활성화 펄스에 의해 결정되는, 측정 시간 간격들 동안 분석을 수행하기 위해 상기 센서부와 적시에 동기화되는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
14. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 적어도 스크롤 동작과 클릭 동작을 포함하는 움직임의 측정에 대해서, 적어도 한 개의 센서부는 스크롤 동작과 클릭 동작 모두를 측정하고 상기 디바이스 윈도우 상에 상기 객체의 존재를 설정하도록 하는 추가 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
15. 제14항에 있어서, 상기 추가 수단은, 상기 객체에 의해 반사되는 상기 측정 빔이 스크롤 동작으로 인한 것들보다 더 낮은 주파수를 갖는 진폭 구성요소를 포함하는지를 설정하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
16. 제15항에 있어서, 상기 추가 수단은, 상기 레이저 공동 상에 입사되지 않는 측정 빔 방사를 수신하기 위해 배치되는, 방사-민감형 검출기로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
17. 제15항에 있어서, 상기 추가 수단은 상기 센서부의 출력 신호에서 상기 구성요소를 검출하는 전자 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 입력 디바이스.
18. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 광학 입력 디바이스를 포함하는 휴대 전화 장치(mobile phone apparatus).
19. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른, 입력 디바이스를 포함하는 무선 전화 장치.
20. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른, 입력 디바이스를 포함하는 랩톱 컴퓨터.
21. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른, 입력 디바이스를 포함하는 핸드헬드(hand-held) 컴퓨터.
22. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른, 입력 디바이스를 포함하는 데스크톱 컴퓨터용 마우스.
23. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른, 입력 디바이스가 통합되는 데스크톱 컴퓨터용 키보드.
24. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른, 입력 디바이스를 포함하는 TV 세트를 위한 원격 제어기.
25. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른, 입력 디바이스를 포함하는 펜.

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