KR100704762B1 - 저조도 카메라 - Google Patents

Abstract

이 발명은 저조도 카메라에 관한 것이다.

렌즈부에서 카메라로 입사하는 광을 1차 결상시키고, 1차 결상된 상을 회전 구동으로 해당 방향으로 순차적으로 반사시키는 폴리곤(polygon) 미러와, 상기 폴리곤 미러에 의해 반사된 광을 다시 반사시켜 목표하는 결상면으로 진행시키는 반사 미러와, 상기 반사 미러에 의해 반사된 광을 결상시키는 결상부를 포함하는 스캐너 광학계에서, TDI 라인 CCD에 스캐닝 식으로 상을 결상시킨다. 이때, TDI 라인 CCD는 일렬로 배열된 M개의 CCD의 라인을 N개 가지고 있으며, 한 프레임 동안 소정 방향으로 이동하여 상기 스캐너 광학계에 의해 결상된 상이 상기 최초 라인에서부터 마지막 라인으로 순으로 결상되며, 한 프레임이 끝나는 시점에서 광전 변환한 신호를 신호 처리부로 출력한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명은 저조도 상태에서 빠르게 이동하는 피사체의 움직임을 고속으로 재생 가능하게 하고, 재생된 피사체의 영상이 밝고 깨끗하다.

감시, 저조도, TDI, CCD, 카메라

Description

저조도 카메라{A LOW LUMINOUS CAMERA}

도1은 기존 감시 카메라가 광을 결상시키는 것을 보인 도면이다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 저조도 카메라의 블록 구성도이다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 TDI 라인 CCD와 일반 CCD의 차이점을 보인 도면이다.

도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 저조도 카메라의 주요부를 구체화한 도면이다.

도5는 본 발명의 실시예에 따른 저조도 카메라의 TDI 라인 CCD에 의해 이미지가 형성되는 것을 보인 도면이다.

도6은 이 발명의 제2 실시예에 따른 저조도 카메라의 주요부를 구체화한 도면이다.

본 발명은 저조도 카메라(camera)에 관한 것으로서, 특히, CCD(charge coupled device) 카메라를 이용하여 조명이 어두운 야간에 움직이는 피사체의 움직임을 감지하는 저조도 감시용 카메라에 관한 것이다.

도1은 기존 감시 카메라가 광을 결상시키는 것을 보인 도면이다. 도1에 도시되어 있듯이, 종래의 감시 카메라는 결상 렌즈(1)를 통해 피사체로부터 입사하는 광을 결상면인 에어리어 CCD(2)에 결상시킨다. 그러면, 에어리어 CCD(2)는 입사하는 광의 세기를 전기적 신호로 변환시켜 신호 처리부(3)로 출력한다.

그러나, 이러한 종래의 감시 카메라는 저조도 상태에서 고속으로 이동하는 피사체를 촬영할 경우 촬영되는 피사체가 어둡고 흐리게 되어 피사체를 분간할 수 없다. 따라서, 종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 여러 프레임(frame)의 영상을 지속적으로 누적시켜 하나의 적정밝기의 화면을 만들어 가는 소프트웨어(software) 또는, 전자적인 방법을 많이 사용하였으며, 이러한 방법은 빠른 피사체를 선명하게 재현하는데 한계가 있는 단점이 있다.

또한, 종래의 저조도의 피사체를 촬영하는 방법으로 여러대의 카메라를 이용하여 피사체의 영상을 어두운 상태로 잡아서 각기 여러대의 카메라로 잡은 영상을 누적시켜 밝은 영상을 얻는 방법이 있으나, 이 방법은 카메라의 파라락스를 없애지 못하므로 선명한 영상을 잡을 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하나의 카메라로 저조명하에서도 빠른 피사체의 움직임을 고속으로 재생가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 종래의 저조도 카메라가 저조명하에서의 피사체를 촬영하기 위해 광증폭기와 같은 장치를 이용하여 어두운 조명하에서의 피사체 영상을 증폭하여 밝은 영상을 얻도록 할 때 단일파장만을 형성하고 해상력도 낮은 문제점과 값이 고가인 것을 해결하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 저조도 카메라는 렌즈부, 스캐너 광학계, TDI(time delay integration) 라인 CCD 및, 신호 처리부를 포함한다.

상기 렌즈부는 카메라로 입사하는 광을 해당 굴절력으로 결상시키고, 스캐너 광학계는 상기 렌즈부에 의해 결상된 상을 회전 구동으로 해당 방향으로 순차적으로 반사시키는 폴리곤(polygon) 미러와, 상기 폴리곤 미러에 의해 반사된 광을 다시 반사시켜 목표하는 결상면으로 진행시키는 반사 미러와, 상기 반사 미러에 의해 반사된 광을 재 결상시키는 결상부를 포함한다.

상기 TDI 라인 CCD는 일렬로 배열된 M개의 CCD의 라인을 N개 가지고 있으며, 상기 스캐너 광학계에 의해 결상된 상이 상기 최초 라인에서부터 마지막 라인으로 순으로 결상되고, 마지막 라인에 상이 결상되면 결상된 광 신호를 전기적 신호로 변환시켜 출력한다. 상기 신호 처리부는 상기 TDI 라인 CCD에서 출력하는 전기적 신호를 입력받고, 이를 디지털 신호로 변환시킨 후 이미지 처리한다.

여기서, TDI 라인 CCD는 광에 대한 감도가 일반 CCD 즉, 에어리어 CCD의 40배 이상이다. 그러므로, TDI 라인 CCD는 에어리어 CCD가 반응하는 시간보다 월등히 빠르다.

상기 신호 처리부는 상기 에어리어 CCD의 출력과 상기 TDI 라인 CCD에서 출력하는 전기적 신호를 입력받아, 이미지 신호 처리하여 2차원의 이미지 정보로 출력한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 목적을 달성하기 위한 가장 바람직한 실시예를 설명한다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 저조도 카메라의 블록 구성도이다. 도2에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 저조도 카메라는 촬영 렌즈부(10), 스캐너 광학계(20), TDI 라인 CCD(30), 광학계 구동부(40), 타이밍 제어부(50), 신호 처리부(60), 표시부(70) 및, 제어부(80)를 포함한다.

상기에서, 촬영 렌즈부(10)는 다수의 렌즈로 이루어져 있으며 입사하는 광을 결상시켜 스캐너 광학계(20)측으로 투과되도록 한다. 그러면, 스캐너 광학계(20)는 입사하는 광을 반사시켜 TDI 라인 CCD(30)에 광이 재결상되도록 한다. TDI 라인 CCD(30)는 일정 방향으로 이동하면서 스캐너 광학계(20)에 의해 결상된 상을 인가받으며, 결상된 상을 전기적 신호로 변환시켜 신호 처리부(60)로 출력한다.

여기서, TDI 라인 CCD(30)는 일반 에어리어 CCD에 비해 감도가 40배 정도 높다. 도3은 본 발명의 실시예에 따른 TDI 라인 CCD와 일반 CCD의 차이점을 보인 도면으로, a는 일반 CCD를 나타낸 것이고, b는 TDI 라인 CCD를 나타낸 것이다.

도3에 도시되어 있듯이, TDI 라인 CCD(30)와 일반 CCD와의 차이는 광 정보를 담을 수 있는 그릇의 차이라고 할 수 있다. 즉, 감도의 차이에 의해 도3과 같이 일반 CCD는 하나의 정보 그릇을 가지고, TDI 라인 CCD는 다수의 정보 그릇을 가지고 있다고 할 수 있는데, 이 경우 일반 CCD가 나타내는 피사체의 감도는 이동하는 구름에서 쏟아지는 비를 담는 량이 단위 시간당 구름에서 쏟아지는 비의 량에 해당하는데, TDI 라인 CCD의 감도는 다수의 정보 그릇을 가지고 그 그릇에 담긴 정보를 축적하므로써, (다수의 정보 그릇)×단위 시간당 구름에서 쏟아지는 비의 량에 해당한다.

따라서, TDI 라인 CCD는 일반 CCD보다 훨씬 더 많은 정보를 가지게 되는 특성을 가진다.

한편, 광학계 구동부(40)는 제어부(80)의 제어를 받으며, 스캐너 광학계(20)로 입사하는 광이 목표하는 방향으로 반사되고 결상되도록 스캐너 광학계(20)를 구동시킨다. 타이밍 제어부(50)는 제어부(80)의 제어를 받으며, 상기 스캐너 광학계(20)와 TDI 라인 CCD(30)의 구동이 동기되어 구동하도록 하는 신호를 발생하여, 스캐너 광학계(20)와 TDI 라인 CCD(30)에 인가한다.

신호 처리부(60)는 제어부(80)의 제어를 받으며, TDI 라인 CCD(30)에서 출력하는 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환시키고, 변환된 디지털 신호를 처리하여 해당하는 디지털 영상 신호를 표시부(70)로 출력한다. 표시부(70)는 제어부(80)의 제어를 받으며 신호 처리부(60)에서 출력하는 디지털 영상 신호를 입력받아 화상으로 출력한다.

제어부(80)는 촬영 렌즈부(10)에 의해 촬상되는 상이 표시부(70)에 이미지 화상으로 표시되도록 광학계 구동부(40), 타이밍 제어부(50), 신호 처리부(60), 및 표시부(70)의 동작을 제어한다.

이하에서는 도4를 참조로 TDI 라인 CCD(30)가 피사체의 정보를 획득하는 과정을 설명한다. 도4에 도시되어 있듯이, 스캐너 광학계(20)는 회전 구동하면서 결상 렌즈부(10)를 통해 입사하는 광을 반사시키는 폴리곤(polygon) 미러(mirror)(21)와, 폴리곤 미러(21)에 의해 반사된 광로를 변경시키는 반사 미러(22)와, 반사 미러(22)에 의해 반사된 광을 재결상시키는 릴레이(relay) 렌즈(23)로 이루어진다. 폴리곤 미러(21)는 광을 반사시키는 다수의 면을 가지고 광학계 구동부(40)의 구성인 모터(M)에 의해 회전(ratation) 한다. 모터(M)는 폴리곤 미러(21)와 기계적으로 연동하도록 설치된다.

TDI 라인 CCD(30)는 M×N개의 CCD로 이루어져 있으며 도 4의 화살표로 나타낸 B 방향으로 이동한다. 보통, TDI 라인 CCD(30)의 A로 표시된 부분은 일반적인 에어리어 CCD라 할 수 있는데, TDI 라인 CCD(30)는 이러한 A를 N개 가지고 있다.

이러한 구성에 의해, 주변 광원에 의해 피사체(O)에 반사된 광은 결상 렌즈부(10)로 입사하고, 입사한 광은 결상 렌즈부(10)에 의해 결상되어 스캐너 광학계(20)에 조사된다. 그리고, 스캐너 광학계(20)에 입사한 광은 폴리곤 미러(21)에 의해 반사되어 릴레이 렌즈(23)에 의해 TDI 라인 CCD(30)의 A 부분(피사체의 상이 결상되는 영역)에 결상된다. 여기서, 릴레이 렌즈는 원형의 경통 렌즈이다.

상기 A부분은 다수의 CCD가 일렬로 배열된 라인 형태로 이루어져 있으며, 타이밍 제어부((50)에서 출력하는 동기 신호에 따라 폴리곤 미러(21)의 이동에 동기 하여 도4를 기준으로 좌측으로 이동한다. 즉, 프레임내에 최초 결상되는 A 부분은 가장 좌측 부분의 라인 CCD이고, 그 이후로 TDI 라인 CCD(30)가 좌측으로 이동함에 따라 A 부분이 우측으로 이동하게 된다. 그리고, TDI 라인 CCD(30)의 이동과 함께 결상되는 상의 정보는 이전 결상된 정보를 갱신하게 된다.

상기에서, 폴리곤 미러(21)의 이동은 기계적으로 연결된 모터(M)에 의한 것으로, 모터(M)는 TDI 라인 CCD(30)와 마찬가지로 타이밍 제어부(50)에서 출력하는 동일한 동기 신호에 따라 구동한다. TDI 라인 CCD(30)는 타이밍 제어부(50)에서 출력하는 동기 신호에 따라 일정 시간 동안 축적한 피사체의 상에 대한 전기적 신호를 신호 처리부(60)로 출력한다.

신호 처리부(60)는 TDI 라인 CCD(30)로부터 인가되는 신호를 일반적인 CCD 신호 처리와 마찬가지로 디지털 신호로 변환시키고, 이미지 처리하여 표시부(70)로 출력한다.

여기서, 제어부(80)는 TDI 라인 CCD(30), 신호 처리부(60) 및 표시부(70)의 동작을 제어하는 제어 신호를 출력하여, 피사체의 상이 표시부(70)에 이미지 화상으로 나타나도록 제어한다.

결국, TDI 라인 CCD(30)에 결상되는 상은 도5와 같이 결상됨을 알 수 있다. 도5는 본 발명의 실시예에 따른 저조도 카메라의 TDI 라인 CCD에 의해 이미지가 형성되는 것을 보인 도면이다.

도5에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 저조도 카메라(100)가 고정되어 화살표 방향으로 이동하는 피사체(O)를 촬영하면, 카메라(100)에 형성되는 이미지는 I1 →I2 →I3 →I4의 순서로 이미지가 형성된다.

여기서, I1은 피사체(O)의 ⓑ 부분이 카메라(100)의 촬영 영역으로 진입하였을 때, 카메라(100)가 촬영한 이미지이고, I2는 ⓑ 부분의 좌측 부분이 카메라(10O)의 촬영 영역으로 진입하였을 때 카메라(100)가 촬영한 이미지이다. 그리고, I3은 ⓐ에 근접한 부분의 피사체가 카메라(100)의 촬영 영역에 진입하였을 때 카메라(100)가 촬영한 이미지이고, I4는 피사체(O)의 ⓐ 부분이 카메라(100)의 촬영 영역에 진입하였을 때 카메라(100)가 촬영한 영역이다.

도5에서 보면, 본 발명의 카메라(100)는 피사체를 I1 내지 I4의 이미지로 부분별로 촬영하고, 부분별로 촬영한 이미지를 각각 I1' 내지 I4'로 합성하여 피사체의 이미지를 형성한다.

그런데, 카메라와 피사체간의 거리가 멀수록 I1 내지 I4의 이미지는 중복되는 영역이 발생하게 되고, 그 중복되는 영역의 화상 신호는 축적되게 된다.

따라서, 본 발명의 저조도 카메라는 스캐너 광학계 및 TDI 라인 CCD를 통해 저조도하에서 빠르게 이동하는 피사체를 밝고 깨끗하게 영상화할 수 있게 된다.

이하, 도6을 참조로 이 발명의 제2 실시예에 따른 저조도 카메라를 설명한다. 이 발명의 제2 실시예에 따른 저조도 카메라는 기본적으로 도2의 구성을 가지며, 동일한 동작을 수행한다. 다만, 제1 실시예는 TDI 라인 CCD(30)에서 출력하는 신호가 흑백 영상 신호임에 반해, 제2 실시예는 칼라(color) 영상 신호를 출력하기 위한 것이므로, 릴레이 렌즈(23)를 통해 TDI 라인 CCD에 인가되는 신호가 칼라 신호가 되도록 하고, 이 칼라 신호를 TDI 라인 CCD가 인식할 수 있도록 한다.

이에 따라, 제2 실시예는 도6에 도시된 바와 같이, 도4에 도시된 릴레이 렌즈(23)의 우측 즉, 릴레이 렌즈(23)와 TDI 라인 CCD(30) 사이에 3판식 프리즘(90)을 형성하고, TDI 라인 CCD를 칼라 TDI 라인 CCD(30)로 한다.

3판식 프리즘(90)은 3개의 프리즘(91, 92, 93)으로 이루어져 있는데, 제1 프리즘(91)은 릴레이 렌즈(23)에 가장 가까이 있는 프리즘으로, 광축에 접하는 두 면에 B색을 반사시키는 막이 코팅(coating)되어 있고, B색 코팅막에 의해 반사된 광이 출력하는 면에 B색 투과 칼라 필터가 형성되어 있다. 그리고, 제2 프리즘(92)은 제1 프리즘(91)과 일정한 공기 간격을 가지고 있으며 광축에 접하는 두면에 R색을 반사시키는 막이 코팅되어 있고, R색 코팅막에 의해 반사된 광이 출력하는 면에 R색 투과 칼라 필터가 형성되어 있다. 그리고, 제3 프리즘(93)은 제2 프리즘(92)의 일면에 일면이 접합되고 광축에 접하는 면에 G색 칼라 투과 필터가 형성되어 있다.

따라서, 3판식 프리즘(90)에 입사하는 광은 R, G, B 색으로 분리되고, 분리된 R, G, B색은 칼라 TDI 라인 CCD의 해당 CCD에 인가된다. 여기서, 3판식 프리즘(90)에 입사하는 광의 색에 따라 R, G, B색의 등급 정도가 달라지고, 그에 따라 칼라 TDI 라인 CCD에서 출력하는 R, G, B색에 대한 세기 신호는 달라진다.

이러한 R, G, B색에 대한 세기 신호는 신호 처리부(60)에 의해 디지털 신호로 변환되고, 이미지 처리되어 표시부(70)에 화상으로 나타나게 된다.

이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 목적을 달성하기 위한 가장 바람직한 실시예중 하나일 뿐 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명의 실시예에 따르면, 저조도 상태에서 빠르게 이동하는 피사체의 움직임을 고속으로 재생 가능하게 하고, 재생된 피사체의 영상이 밝고 깨끗하다.

Claims (4)

1. 입사되는 광을 결상시키는 렌즈부;

   제1 방향에서 제2 방향으로 순차적으로 회전하면서, 상기 렌즈부에 의해 결상된 상을 소정 방향으로 반사시키는 폴리곤(polygon) 미러와, 상기 폴리곤 미러에 의해 반사된 광을 다시 반사시켜 목표하는 결상면으로 진행시키는 반사 미러와, 상기 반사 미러에 의해 반사된 광을 상기 결상면에 결상시키는 결상부를 포함하는 스캐너 광학계;

   상기 스캐너 광학계의 폴리곤 미러를 소정 방향으로 회전시키는 광학계 구동부;

   일렬로 배열된 M개의 CCD로 이루어진 라인을 N개 가지고 있으며, 한 프레임 동안 소정 방향으로 이동하면서 결상되는 상에 해당하는 광전 변환된 신호를 출력하는 TDI 라인 CCD;

   상기 광학계 구동부와 상기 TDI 라인 CCD로 동일한 동기 신호를 출력하여, 상기 폴리곤 미러와 상기 TDI 라인 CCD의 이동이 동기화되도록 하는 타이밍 제어부; 및

   상기 TDI 라인 CCD에서 출력하는 광전 변환된 신호를 입력받고, 이를 디지털 신호로 변환시킨 후 이미지 처리하는 신호 처리부

   를 포함하며,

   한 프레임 동안 상기 스캐너 광학계에 의하여 결상되는 상이 순차적으로 상기 TDI 라인 CCD의 최초 라인에서부터 마지막 라인의 순으로 해당 라인에 결상되면서, 이전 라인에 결상되는 상의 정보가 현재 라인에 결상되는 정보에 의하여 갱신되며, 한 프레임이 끝나는 시점에서 상기 TDI 라인 CCD는 광전 변환한 신호를 출력하는 저조도 카메라.
2. 삭제
3. 제1항에서,

   상기 스캐닝 광학계는,

   상기 결상부와 상기 TDI 라인 CCD 사이에 위치되어, 상기 결상부로부터 출력되는 상에 해당하는 광을 각각 R, G, B색으로 분리시켜서 상기 TDI 라인 CCD로 입사시키는 3판식 프리즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저조도 카메라.
4. 제3항에서,

   상기 TDI 라인 CCD는,

   상기 3판식 프리즘으로부터 인가되는 R, G, B색에 각각 해당하는 광을 광전변환시켜 해당하는 칼라 신호로 출력하는 칼라 TDI 라인 CCD인 것을 특징으로 하는 저조도 카메라.

Images