KR100957081B1 - 광원 및 이미지 센서를 사용하는 포커싱 시스템 - Google Patents

광원 및 이미지 센서를 사용하는 포커싱 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 장치는, 광축과 하나 이상의 포커싱 소자를 갖는 이동가능한 광학 소자, 광축을 따라 광축에 실질적으로 수직이 되도록 배치된 이미지 센서, 이동가능한 광학 소자에 설치되어, 방사 빔이 광축에 대해 미리 선택된 각도로 이미지 센서로 향하도록 하는 방사 광원을 포함한다. 본 발명의 방법은, 센서를 이동가능한 광학 소자의 광축을 따라 광축에 수직이 되도록 배치하는 단계, 방사 빔이 이동가능한 광학 소자로부터, 광축에 대해 미리 선택된 각도로, 센서로 향하게 투사하는 단계, 이동가능한 광학 소자의 위치를, 방사 빔이 센서에 도달하는 현재의 위치가, 이동가능한 광학 소자의 초점이 맞추어질 때의 방사 빔이 상기 센서에 도달할 것으로 예상되는 예측 위치에 대응할 때까지 조정하는 단계를 포함한다. 다른 실시예도 가능하다.

Description

광원 및 이미지 센서를 사용하는 포커싱 시스템{FOCUSING SYSTEM USING LIGHT SOURCE AND IMAGE SENSOR}
본 발명은 포커싱 이미지 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 이미지 센서와 광원을 사용하는 포커스 피드백 장치에 관한 것이다.
도 1은, 렌즈(102)가 이미지 평면(106) 상의 물체(104)의 이미지를 포커싱하는 단순한 렌즈 시스템(lens system)(100)을 나타낸다. 물체(104)는, 렌즈로부터 전방 초점 거리 ff만큼 떨어져 있으며, 이미지 평면(106)은 렌즈로부터 후방 초점 처리 fb만큼 떨어져 있다. 렌즈(102)가 이미지 평면(106) 상에 광학적으로 포커싱된 이미지를 유지하기 위하여, 광학 법칙에는 ff와 fb 사이에 소정의 관계가 있음을 나타낸다. 즉, ff에 대해, 이미지가 이미지 평면(106) 상에 적절하게 포커싱되는 것을 유지하여야 하는 구체적인 fb의 값이 존재한다.
단순한 렌즈 시스템(100)에 적용되는 것이 더 복잡한 포커싱 시스템에도 적용된다. 즉, ff에 대해, 유지하여야 하는 구체적인 fb의 값이 존재한다. 그러나, 더 복잡한 포커싱 소자를 포함하는 장치에서, 열 팽창, 기계적인 공차 등과 같은 다양한 인자에 의해, 포커싱 소자가 움직이게 되고, 이에 따라, ff 및 fb의 값이 변하게 되어, 포커싱된 이미지의 품질에 영향을 미치게 된다. 이러한 포커싱 소자의 이동을 보정하기 위해, 일부 장치는 제어 시스템에 의해 위치가 제어되는 이동가능한 광학 소자(movable optical element)를 사용한다. 이러한 제어 시스템은, 이미지가 초점에서 벗어나는 것을 감지해서, ff 및 fb가 원래의 적절한 값으로 될 때까지 이동가능한 광학 소자의 위치를 조정해서, 이미지가 최적의 초점에 오도록 한다.
제어 시스템을 적절하게 작동시키기 전에, 이동가능한 광학 소자의 위치를 검출하는 방법이 몇 가지 있다. 이동가능한 광학 소자의 위치를 검출하기 위한 가장 일반적인 방법은, 기계적인 센서를 사용하는 것이다. 그러나, 기계적인 센서는, 규모가 크고, 비싸며, 소규모의 시스템에 설치하는 것이 어렵다. 이러한 센서는, 기계적인 구성을 가지며, 센서의 정확도는 센서 내의 기계적 공차에 의해 제한될 뿐만 아니라, 센서는 열 팽창 등과 같은 요인에 의해 부정확하게 될 수 있다. 광학적인 방식을 사용하는 위치 센서가 개발되었지만, 이것들도 또한 규모가 크고 비싸며, 예컨대 신호를 송수신하고 거리를 재기 위해 지연을 측정함으로써, 전방 초점 거리 ff를 측정해야 하는 것에 의존해야 한다. 따라서, 저렴하며 규모가 작고 광학 시스템에 설치하기가 용이하면서, 이동가능한 포커싱 소자의 위치를 정확하게 측정할 수 있는 장치와 방법이 필요하다.
본 발명의 장치는, 광축과 하나 이상의 포커싱 소자를 갖는 이동가능한 광학 소자, 광축을 따라 광축에 실질적으로 수직이 되도록 배치된 이미지 센서, 이동가능한 광학 소자에 설치되어, 방사 빔이 광축에 대해 미리 선택된 각도로 이미지 센서로 향하도록 하는 방사 광원을 포함한다. 본 발명의 방법은, 센서를 이동가능한 광학 소자의 광축을 따라 광축에 수직이 되도록 배치하는 단계, 방사 빔이 이동가능한 광학 소자로부터, 광축에 대해 미리 선택된 각도로, 센서로 향하게 투사하는 단계, 이동가능한 광학 소자의 위치를, 방사 빔이 센서에 도달하는 현재의 위치가, 이동가능한 광학 소자의 초점이 맞추어질 때의 방사 빔이 상기 센서에 도달할 것으로 예상되는 예측 위치에 대응할 때까지 조정하는 단계를 포함한다. 이러한 본 발명의 실시예와 다른 실시예도 개시하고 있다.
본 발명의 실시예에 대해, 이하의 도면을 참조하여 설명한다. 유사한 도면 부호는 따로 설명하지 않는 한 전체 도면에서 유사한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 전방 초점 거리와 후방 초점 거리를 나타내는 포커싱 소자를 간단하게 나타낸 개략도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3의 (A)~(C)는 도 2의 실시예에서의 이동가능한 광학 소자의 이동과, 방사 빔이 광학 센서에 도달한 곳에서 생기는 스폿의 대응하는 이동을 나타낸다.
도 4는 도 2에 도시된 본 발명의 실시예를 보정하기 위한 과정의 실시예를 나타내는 흐름도이다.
도 5A 및 도 5B는, 도 2에 도시된 실시예의 동작에 대한 실시예로서, 도 5A는 광학 센서 상의 스폿의 이동을 나타내며, 도 5B는 후방 초점 거리를 유지하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 대한 개략 도면이다.
광원과 센서를 사용하여 이미지 디바이스를 포커싱하기 위한 장치 및 방법에 대한 실시예를 개시한다. 이하의 설명에서, 본 발명의 실시예의 이해를 돕기 위해 많은 구체적인 설명을 하고 있다. 당업자라면, 본 발명이 이러한 많은 구체적인 설명이나 다른 방법, 구성요소, 재료 등이 없이도 실시할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 다른 경우에 대한 공지된 구조, 재료 또는 동작은 구체적으로 도시 또는 설명하고 있지 않지만, 본 발명의 범위에 포함된다.
본 명세서를 통해, "실시예" 또는 "일실시예"라고 표현한 부분은, 해당 실시예의 구체적인 특징, 구조, 구성 등이 본 발명의 다른 하나 이상의 실시예에도 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에서 "일실시예"에 포함된 구성이 해당 실시예에만 적용되는 것은 아니다. 또한, 구체적인 특징, 구조, 구성 등은 하나 이상의 실시예에 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
도 2는 포커스 피드백 시스템(200)을 구성하는 본 발명의 실시예를 개략적으로 나타낸다. 포커스 피드백 시스템(200)은, 하우징 또는 지지체(214) 내에 장착된 이동가능한 광학 소자(202)를 포함한다. 이동가능한 광학 소자(202)에는 이동 전달 기구(220)를 통해 스텝 모터(218)가 연결되어 있다. 이동가능한 광학 소 자(202)는 물체(도시 안 됨)의 이미지를 이미지 센서(222) 상에 포커싱한다. 즉, 물체와 이동가능한 광학 소자 사이의 전방 초점 거리 ff는 이동가능한 광학 소자와 이미지 센서(222) 사이의 후방 초점 거리 fb에 대응하게 된다. 방사 광원(radiation source)(212)은, 이동가능한 광학 소자(202)에 설치되어, 방사 빔(213)이 광축(210)에 대해 미리 선택된 각도 α를 유지하면서 이미지 센서(222)로 향하도록 한다. 이미지 센서(222)의 출력과 스텝 모터(step motor)(218)에는 컨트롤러(224)가 연결되며, 컨트롤러(224)는, 방사 빔(213)이 이미지 센서(222)에 도달하는 위치에 따라 스텝 모터(218)의 이동을 제어할 수 있다.
이동가능한 광학 소자(202)의 주요 기능은 물체(도시 안 됨)의 이미지를 이미지 센서(222)에 포커싱하는 것이다. 적절하게 포커싱된 이미지가, 이동가능한 광학 소자(202)로부터 가변의 전방 초점 거리에서 물체가 센서 상에 형성될 수 있도록 하기 위하여, 화살표(209)로 표시된 바와 같이, 이동가능한 광학 소자는 자신의 광축(210)을 따라 전방과 후방으로 이동할 수 있다. 도시된 실시예에서, 이동가능한 광학 소자(202)는 광축(210)을 따라 정렬된 3개의 포커싱 소자(204, 206, 208)를 포함하는 복합적인 광학 소자이다. 다른 실시예에서, 이동가능한 광학 소자(202)는, 포커싱 소자를 3개 이상 또는 3개 이하로 할 수 있으며, 이동가능한 광학 소자 내에 포커싱 소자를 다르게 배치할 수도 있다. 또한, 포커싱 소자(204, 206, 208)는, 도면에서는 굴절형 포커싱 소자로 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는 포커싱 소자를 회절형 소자 또는 반사형 소자로 할 수 있다. 또 다른 실시예 에서는 굴절형, 회절형, 및 반사형 포커싱 소자를 조합하여 사용할 수 있다.
방사 광원(212)은, 이동가능한 광학 소자(202)에 장착된다. 방사 광원(212)은, 이동가능한 광학 소자의 광축(210)에 대해 미리 선택된 각도 α를 유지하면서 방사 빔(213)을 방출하도록 배치되어 있다. 방사 광원(212)은, 방사된 빔을 집광 또는 평행(collimate)하게 하는 소자를 포함한다. 방사된 빔이 평행하게 되는 경우, 방사 빔이 센서에 도달하는 위치에 실질적으로 타원형인 방사 스폿이 생성된다. 감도를 최대로 하기 위해, 선택된 각도 α는, 이동가능한 광학 소자(202)가 그 이동 범위에서 이동할 때 센서를 지나가는 방사 스폿의 이동이 최대가 되도록 선택될 수 있으며, 센서의 크기, 이동가능한 광학 소자와 센서 사이의 거리, 이동가능한 광학 소자가 광축을 따라 얼마나 멀리 이동할 수 있는지 등과 같은 파라미터에 의존하도록 한다. 일실시예에서, 선택된 각도 α는 62.5도의 값을 가지며, 다른 실시예에서는 물론 선택된 각도 α를 다른 값으로 할 수 있다.
도시된 실시예에서, 방사 광원(212)이 이동가능한 광학 소자(202)의 외부에 설치되는 부분은, 센서에 가장 가까운 광학 소자의 끝 부분이다. 그러나, 다른 실시예에서, 방사 광원은 이동가능한 광학 소자 상의 어떠한 위치, 또는 방사 광원으로부터 방사되는 방사 빔이 센서에 도달할 수 있는 한, 이동가능한 광학 소자(202)를 향하는 그리고 이미지 센서(222)로 다시 반사되는 방향의 센서 평면상의 어떠한 위치에도 배치될 수 있다. 일실시예에서, 방사 광원(212)에 의해 방출되는 방사 빔은 스펙트럼의 가시 부분이 될 수 있다. 즉, 방사 광원을 발광 다이오드(LED)로 할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 방출되는 방사 빔을 가시 범위 외의, 예컨 대 스펙트럼의 적외선 또는 자외선 범위의 부분으로 할 수 있다.
이동가능한 광학 소자(202)는, 광축을 따라 이동할 수 있기 때문에, 광축(210)을 따라 이동하는 것을 허용하면서 이동가능한 광학 소자(202)를 지지하는 요소에 의해 하우징(214) 내의 개구 내에 유지된다. 도시된 실시예에서, 이동가능한 광학 소자는 롤러(216)에 의해 하우징(214) 내에 지지되도록 되어 있지만, 다른 실시예에서는, 이동가능한 광학 소자가 다른 수단에 의해 하우징 내에 지지되거나, 하우징(214)에 설치되지 않은 수단에 의해 지지되도록 할 수 있다.
스텝 모터(218)는, 이동 전달 기구(motion transfer mechanism)(220)에 결합되어 있으며, 이동 전달 기구(220)는 이동가능한 광학 소자(202)에 결합되어 있다. 스텝 모터(218)가 액티브 상태로 되면, 스텝 모터(218)가 이동 전달 기구(220)를 구동시키고, 이동 전달 기구는, 모터의 이동을 이동가능한 광학 소자(202)의 선형 이동으로 변환시키게 되는데, 화살표(209)로 표시된 바와 같이, 실질적으로 광학 소자가 자신의 광축(210)을 따라 앞뒤로 이동하게 된다. 스텝 모터(218)의 이동이 회전 방향인 경우의 실시예에서, 이동 전달 기구(220)는 모터의 회전 이동을 이동가능한 광학 소자(202)의 선형 이동으로 변환시키는 소자가 될 수 있다. 적절한 이동 전달 기구의 예에는, 캠, 기어, 마찰 휠(friction wheel), 웜 기어(worm gear), 랙-피니온 조립체, 또는 이들 및/또는 다른 기구의 조합을 포함한다. 모터(218)의 이동이 선형인 실시예의 경우, 이동 전달 기구는, 모터를 이동가능한 광학 소자에 연결하는 고정된 소자와 같이 간단하게 할 수 있으며, 또는 캠, 기어, 마찰 휠, 웜 기어, 랙-피니온 조립체, 또는 이들 및/또는 다른 기구의 조합을 포함 하는 더 복잡한 기구로 할 수 있다.
이미지 센서(222)는, 이동가능한 광학 소자에 의해 이미지 센서 상에 포커싱되는 이미지를 캡처할 수 있는 것이면 어떠한 센서라도 가능하다. 일실시예에서, 이미지 센서(222)는 2차원 이미지를 캡처할 수 있는, 예컨대 1.3 메가픽셀의 픽셀 어레이를 포함하는 디지털 센서이다. 적절한 센서의 예에는, 전하 결합 디바이스(CCD) 어레이, 상보형 금속 산화 반도체(CMOS) 센서, 광 검출 장치 등이 포함된다. 그러나 다른 실시예에서는 다른 종류의 센서를 사용할 수도 있다.
컨트롤러(224)는, 이미지 센서(222)의 출력에 결합되며, 스텝 모터(218)에 도 결합되어, 폐쇄(closed) 제어 루프를 형성한다. 도 5A, 5B를 참조하여 이하에 설명하는 바와 같이, 컨트롤러(224)는, 방사 광원(212)에 의해 생성되는 스폿의 위치 등과 같은 센서의 출력을 분석하고, 그 정보를 사용하여 스텝 모터(218)를 제어한다. 따라서, 컨트롤러(224)는, 이동가능한 광학 소자를 적절한 후방 초점 거리로 이동시키고, 일단 정해진 적절한 후방 초점 거리를 유지하는 등의 기능을 위한 스폿 위치 정보를 사용한다. 도시된 실시예에서, 컨트롤러는, 이미지 센서(222)로부터 물리적으로 분리된 유닛이지만, 다른 실시예에서는, 컨트롤러와 이미지 센서를 하나의 유닛의 일부로 할 수 있다. 예를 들어, 센서가 설치된 프로세서에서, 컨트롤러는 프로세서 내에 구현될 수 있다. 또한, 컨트롤러는 하드웨어뿐만 아니라 소프트웨어로도 구현될 수 있다.
도 3의 (A)~(C)는, 이동가능한 광학 소자(202)의 이동과, 방사 광원(212)에 의해 형성되는 스폿의 이미지 센서(222)를 지나가는 대응 이동을 나타낸다. 도면 에 도시된 치수는 보기 쉽도록 과장되어 있는 것이며, 많은 실제의 응용에서, Δfb 및 Δx 등의 거리는 실제로는 매우 작은 값이 될 것이다. 도 3의 (A)는 이동가능한 광학 소자(202)의 후퇴 위치(retracted position)를 나타내며, 스폿의 중심은 화살표(302)로 표시된 위치 xR 이다. 도 3의 (B)는 이동가능한 광학 소자(202)가 확장된 위치를 나타내며, 이동가능한 광학 소자는 자신의 후퇴 위치에서 거리 Δfb만큼 이동되어 있다. 이동가능한 광학 소자(202)가 확장 위치에 있으면, 스폿은 센서를 지나 화살표(304)로 도면에 표시된 위치 xE 까지 이동한다. 따라서, 이동가능한 광학 소자가 거리 Δfb만큼 이동함으로써, 스폿은 이미지 센서(222)를 지나 거리 Δx=xE-xR를 이동하게 된다. 선택된 각도 α가 일정하게 유지되면, Δfb와 Δx 사이의 관계는 선형으로 될 것이다.
도 3의 (C)는 이미지 센서(222)를 지나는 스폿의 이동을 나타낸다. 이동가능한 광학 소자(202)가 후퇴 위치에 있으면, 스폿(306)은 센서 상의 위치 xR에 있게 된다. 이동가능한 광학 소자(202)가 이미지 센서(222)로부터 멀어지는 방향으로 이동하면, 스폿이 이동해서 위치 xE에서의 스폿(308)이 된다. 스폿(308)은, 스폿(306)보다 큰 것으로 도시되어 있다. 이처럼 스폿이 커지는(즉, 영역 변화) 경향은, 방사 광원(212)으로부터 방사되는 빔이 평행하게 되지 않거나 불완전하게 평행하게 되는 경우에 발생할 것이다. 스폿(308)과 스폿(306) 사이의 영역 변화는 유용한데, 그 이유는 이러한 영역 변화가 컨트롤러(224)에 의해 사용될 수 있는 추 가의 스폿 이동 정보를 제공할 수 있기 때문이다. 도면에 도시된 다른 특징은, 일단 센서를 지나 이동하는 스폿의 위치와 크기가 정해지면, 센서 중에서 스폿이 이동하는 부분만 분석하면 되기 때문이다. 도면과 관련하여, 컨트롤러는 센서 전체로부터 제공되는 정보를 분석할 필요가 없으며, 대신 스폿의 경로와 크기를 정하는, 센서의 일부분(310)만을 분석하면 되므로, 분석이 용이하게 된다.
도 4는, 도 2에 도시된 포커스 피드백 시스템(200)을 보정하기 위한 과정(400)의 실시예를 나타낸다. 이 과정은, 단계 402에서 시작한다. 단계 404에서, 스텝 모터는 기준 위치에 배치되며, 단계 406에서 이미지 센서(222) 상의 스폿의 대응하는 기준 위치(xH, yH)가 기록된다. 스폿의 위치는, 이미지 센서(222)의 구체적인 원점(origin)으로부터 픽셀 내에서 일반적으로 측정된, 그 중심의 x 및 y 좌표를 사용하여 특정될 수 있다. 단계 408에서, 타겟은 이동가능한 광학 소자의 전방의, 시스템이 포커싱할 수 있는 최소 전방 초점 거리 ff에 위치하는데, 이 위치를 개시 위치 fS라고 한다. 단계 410에서, 이동가능한 광학 소자(202)는, 타겟이 포커싱 위치에 올 때까지 후방 초점 거리 fb를 조정하고, 단계 412에서, 스폿 개시 위치(xS, yS), 개시 영역 AS 및 ff가 기록된다. 스폿 영역은 일반적으로 픽셀 내에서 측정될 수 있다.
단계 414에서, 타겟이 보정에 사용하기 위해 다음 초점 위치 ff에 배치된다. 단계 416에서, 이동가능한 광학 소자(202)는, 타겟이 포커싱될 때까지 후방 초점 거리 fb를 조정하도록 이동되며, 그 위치에서, 단계 418에서, ff의 값이 기록된다. 단계 420에서, 센서 상의 스폿의 위치 및 영역이 기록되고, 단계 422에서, 개시 위치와 현재 위치 사이에서의 스텝 모터(218)의 스텝의 수가 기록된다. 개시 위치와 현재 위치 사이에서 스텝 모터의 스텝의 수는 현재의 스폿 위치에서의 후방 초점 거리 fb의 측정값이 된다. 단계 424에서, 더 많은 초점 위치가 보정에 포함되어야 하는지 여부를 검사한다. 일반적으로, 적절한 보정을 위해서는 최소한 3개의 초점 거리가 있어야 한다. 보정을 위한 초점 거리가 더 많은 경우, 본 과정은 단계 414로 복귀하고, 그 초점 위치에 대해 단계 414~단계 422를 반복한다.
보정을 위한 초점 위치가 더 이상 없는 경우, 본 과정은 단계 424 내지 단계 426을 계속 수행하고, 예컨대 ff 및 fb의 기록된 값에 대한 곡선을, 개시 위치에 대한 모터 스텝에서의 기준이 되는 fb에 맞춤으로써, 전방 및 후방 초점 거리가 상관 관계를 갖는다. 일단 곡선이 맞추어지면, 보정 동안 수집된 ff의 구체적인 값에 대해서만이 아니라, ff의 임의의 값에 대해, 적절한 fb의 값이 구해질 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서는, 다른 수단이 ff와 fb를 상관시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, ff 및 fb의 수집된 값이 테이블에 저장될 수 있으며, 임의의 ff에 대한 fb의 값이 테이블 내의 값들 사이에서 보간을 행함으로써 산출될 수 있다. 마찬가지로, 스폿 위치가 각각의 보정된 물체 거리에 대해 기록될 수 있으며, ff에 대해 상 관되고, 상기 언급한 방식과 같이 곡선에 맞추어진다.
단계 428에서, 스폿 위치에 대해 수집된 데이터와 모터 위치에 대해 수집된 데이터가, 모터 스텝에 대한 스폿 위치에서의 평균 변화, 즉 스텝 모터의 각각의 이동에 대해, 평균적으로, 스폿이 이동하는 거리를 산출하는데 사용된다. 이 값은 단계 430에서 저장되며, 과정은 단계 432로 진행한다. 단계 432에서, 스폿 영역에 대해 수집된 데이터와 As에 대해 수집된 데이터가, 모터 스텝에 대한 스폿 영역에서의 평균 변화, 즉 스텝 모터의 각각의 이동에 대해, 평균적으로, 스폿 영역이 얼마나 많이 변화하는지를 산출하는데 사용된다. 이 값은 단계 434에서 저장되고, 보정 과정은 단계 436에서 완료된다.
도 5A 및 5B는 포커스 피드백 시스템(200)의 동작의 실시예를 나타낸다. 도 5A는 이미지 센서(222) 상의 스폿의 이동을 나타낸다. 도 5A에 표시된 모든 치수는 보기 쉽도록 과장되어 있는 것이며, 실제로 치수와 스폿 이동은 도시된 것보다 더 작은 값이 될 것이다. 포커스 피드백 시스템(200)은, 개시되면, 이동가능한 광학 소자(202)를 적절한 후방 초점 거리에 위치시키기 위해 보정 동안 수집된 정보를 사용한다. 이것은 이미지 센서 상의 스폿이 기록된 개시 위치(xS, yS)에 대한 적절한 위치에 도달할 때까지 이동가능한 광학 소자(202)를 먼저 이동시킴으로써 수행된다. 이어서, 보정 동안 생성되었던 곡선을 사용하여, 적절한 후방 초점 거리를 설정하기 위해 필요한 스텝의 수가 결정되고, 이동가능한 광학 소자(202)가 바람직한 위치로 이동된다. 그리고, 스폿 위치와 영역이 기록된다. 이것은 "예 측" 되는 스폿 위치(504)이다.
포커스 피드백 시스템의 동작 동안, 열 팽창, 기계적 이동 및 다양한 다른 요인들에 의해, 이동가능한 광학 소자(202)가 이동하게 되고, 이에 따라 후방 초점 거리가 변화게 되며, 스폿이, 예측된 스폿 위치(504)에서 스폿 위치(502, 506) 등과 같은 "현재"의 스폿 위치로 위치가 변화하게 된다. 포커스 피드백 시스템의 주요 목적은 이동가능한 광학 소자(202)에 대해 적절한 후방 초점 거리를 유지하는 것이다. 이것은, 현재의 스폿(502, 506)의 위치 및 영역이, 예측된 스폿 위치(504)와 실질적으로 일치할 때까지 광학 소자의 위치를 조정함으로써 수행된다.
스폿이 예측된 스폿 위치(504)에 있으면, 좌표(xEXP, yEXP)에 위치하는 것이며, 예측된 영역 AEXP를 가질 것이다. 현재의 스폿 위치(502)를 예로서 사용하여, 이동가능한 광학 소자가 동작 동안 위치가 변화하면, 스폿은 좌표(xCUR, yCUR)에 따라 현재의 스폿 위치(502)로 이동할 것이다. 이 좌표에서 스폿은 영역 ACUR을 가질 것이다. 따라서, 스폿은 그 예측된 위치로부터 수평으로 거리 Δx 만큼, 수직으로 거리 Δy 만큼 위치가 변동된다. 보정 동안 수집된 정보와 관련하여, 도 5B에 도시된 것과 같은 과정의 실시예를 사용하면, 본 발명의 피드백 시스템은, 스폿이 그 현재의 위치(502)로부터 예측된 위치(504)로 이동될 때까지 이동가능한 광학 소자(202)를 이동시킨다.
도 5B는 도 5A를 참조하여 포커스 피드백 시스템(200)의 동작의 실시예를 나타낸다. 본 과정은 단계 551에서 개시해서, 단계 552로 진행한다. 단계 552에서, 이동가능한 광학 소자(202)는 이 소자가 개시 위치로 될 때까지 이동된다. 단계 553에서, 본 과정은 보정에 기초하여 광학 소자(202)를 개시 위치에서 포커스 위치로 이동시키는데 필요한 모터 스텝의 수를 결정한다. 광학 소자(202)는 포커스 위치로 이동하고, 스폿 위치와 영역이 기록된다. 이것은 "예측된" 스폿 위치(504)이며, 좌표(xEXP, yEXP)와 영역 AEXP를 갖는다.
특정된 지연 시간 후, 단계 555에서, 스폿의 현재 위치(502)에 대한 좌표(xCUR, yCUR)가 결정되어 기록된다. 앞서 설명한 바와 같이, 스폿의 위치는 그 중심의 위치에 의해 정해지며, 일반적으로 센서 상의 구체적인 원점으로부터 픽셀의 수로 측정된다. 단계 556에서, 스폿(502)의 현재 영역 ACUR이 정해지고 기록된다. 단계 558에서, 시스템이 동작하는 포커스 거리에 대해, 스폿(504)의 예측된 영역 ACUR뿐만 아니라 스폿의 예측된 위치(504)에 대한 좌표(xEXP, yEXP)가 검색된다. 단계 560에서, 본 과정은, 스폿의 실제 위치가 그 예측된 위치에서 벗어나는 거리를 양으로 나타내는 오프셋 Δx 및 Δy를 산출한다.
오프셋 Δx 및 Δy를 산출해서, 본 과정은 이들 값을 스폿(502)이 타당한지 여부를 검사하는데 사용한다. 단계 562에서, 본 과정은 Δy의 값을 특정된 공차와 비교한다. Δy의 값이 특정된 공차를 초과하면, 본 과정은 단계 570에서 스폿이 타당하지 않다고 판단하고, 단계 566에서 중단한다. Δy의 값이 특정의 공차 내에 포함된다면, 본 과정은 단계 568로 진행하고, Δx의 값을 특정의 공차에 비교한다. Δx의 값이 특정의 공차를 초과하면, 본 과정은 단계 570에서 스폿이 타당하지 않 다고 판단하고 단계 566에서 중단한다.
스폿(502)이 Δx 및 Δy의 값을 사용하여 타당한 것으로 판단되면, 본 과정은 단계 572로 진행해서, 주어진 포커스 위치에 대한 예측된 스폿 영역과 실제 스폿 사이의 차에 해당하는 ΔA의 값을 산출한다. 단계 574에서는, 정규화 계수 ΔxF를 사용하여 Δx의 값을 정규화한다. 단계 576에는, 다른 정규화 계수 ΔAF를 사용하여 ΔA의 값을 정규화한다. 단계 578에서는, Δx와 ΔA의 정규화된 값을 비교한다. 정규화된 값들이 동일하지 않다면, 단계 564에서 스폿이 타당하지 않다고 판단하고, 단계 566에서 과정이 중단된다. 정규화된 값이 Δx 및 ΔA가 동일하다면, 스폿은 타당하고, 과정은 단계 580으로 진행해서, 보정에 기초하여, 스폿(502)이 거리 Δx만큼 이동하는데 필요한 모터 스텝의 수를 결정함으로써, 스폿(502)이 예측된 위치(504)로 이동할 수 있다. 필요한 모터 스텝의 수를 결정한 후에, 단계 582에서, 모터는 적절한 스텝의 수만큼 스폿을 그 예측된 위치(504)로 되돌리게 된다. 마지막으로, 단계 584에서는, 단계 555로 되돌아가고 단계 555 내지 단계 582를 다시 진행하기 전의, 특정의 시간을 대기한다.
도 6은, 포커스 피드백 시스템(600)의 다른 실시예를 나타낸다. 포커스 피드백 시스템(600)은 도 2와 관련하여 설명한 포커스 피드백 시스템(200)과 유사하다. 도 6의 포커스 피드백 시스템(600)과 도 2의 포커스 피드백 시스템(200)의 주요 차이점은, 방사 광원으로부터의 방사 빔이 이미지 센서(222)로 향하는 방향이다. 포커스 피드백 시스템(600)에서는, 방사 광원(604)이, 이미지 센서의 이미지 평면을 따라 위치하고, 이동가능한 광학 소자(202)에 장착된 반사기(602) 쪽을 향한다. 방사 광원(604)의 방사 빔(606)은 반사기(602)로 향하며, 반사기(602)는 방사 빔(606)을, 이동가능한 광학 소자의 광축(210)에 대해 미리 선택된 각도 α를 갖는 방사 빔(608)으로 재설정한다. 이 방사 빔(608)은 이미지 센서(222)를 향한다. 다른 실시예에서, 방사 광원은, 이동가능한 광학 소자(202)의 이동 범위 전체에서, 방사 빔(606)이 반사기(602)에 도달하고, 방사 빔(608)이 이미지 센서(222)에 도달하는 한, 상이하게 배치될 수 있다. 포커스 피드백 시스템(600)은, 보정될 수 있으며, 포커스 피드백 시스템(200)에 대해 앞서 설명한 것과 같이 동작할 수 있다.
본 발명의 예시된 실시예에 대한 상기 설명은 개략적으로 개시되어 있을 뿐이며, 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하거나 배척하기 위한 것이 아니다. 본 발명에 개시된 실시예는 예시를 위한 것이며, 본 발명의 범위 내에서 다양한 등가의 변형이 가능하다는 것을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 이러한 다양한 변형은 상기 상세한 설명을 참조하여 본 발명에 의해 가능하다.
이하의 청구의 범위에 사용되는 용어는 본 발명을 본 명세서에 개시된 특정의 실시예에 한정되는 것으로 간주하여서는 안 된다. 또한, 본 발명의 범위는 이하의 특허 청구의 범위에 의해 전체적으로 결정되어야 하며, 청구범위의 해석의 원칙에 따라 간주되어야 한다.

Claims (40)

  1. 광축을 가지며 하나 이상의 포커싱 소자를 포함하는 이동가능한 광학 소자;
    상기 광축을 따라 배치된 이미지 센서; 및
    상기 이동가능한 광학 소자에 설치되어, 방사 빔을 상기 광축에 대해 소정의 각도로 상기 이미지 센서로 향하게 하는 방사 광원(radiation source)
    을 포함하고,
    상기 이동가능한 광학 소자는 상기 이미지 센서에 대해 상대적으로 이동가능한 것인, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동가능한 광학 소자에 결합되어, 상기 이동가능한 광학 소자를 상기 광축을 따라 이동시킬 수 있는 구동 기구를 더 포함하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이미지 센서와 상기 구동 기구에 결합되어, 상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달하는 위치에 따라 상기 구동 기구의 이동을 제어하는 컨트롤러를 더 포함하는 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 구동 기구는,
    모터; 및
    상기 모터와 상기 이동가능한 광학 소자에 결합되어, 상기 모터의 이동을, 상기 광축에 따른 상기 이동가능한 광학 소자의 선형 이동으로 변환하는 이동 전달 기구
    를 포함하는, 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이동 전달 기구는, 하나 이상의 마찰 휠, 웜 기어, 기어 및 캠을 포함하는, 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방사 빔은 평행 광선으로 되는(collimated), 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 포커싱 소자는, 굴절형, 회절형, 반사형 포커싱 소자, 또는 이들을 조합한 포커싱 소자를 포함할 수 있는, 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 방사 광원은 스펙트럼의 가시 부분에 포함되는 방사 빔을 방출하는, 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방사 광원은 발광 다이오드(LED)로 이루어진, 장치.
  10. 이미지 센서를 이동가능한 광학 소자의 광축을 따라 배치하는 단계;
    방사 빔이, 상기 이동가능한 광학 소자로부터, 상기 광축에 대해 소정의 각도로, 상기 이미지 센서로 향하도록 하는 단계; 및
    상기 이미지 센서에 대한 상기 이동가능한 광학 소자의 상대적인 위치를, 상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달하는 현재의 위치가, 상기 이동가능한 광학 소자의 초점이 맞추어질 때의 상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달할 것으로 예상되는 예측 위치에 대응할 때까지 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 방사 빔을 상기 이미지 센서로 향하게 하는 단계는, 상기 이동가능한 광학 소자에 설치된 방사 광원으로부터 상기 방사 빔을 방출하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 방사 빔을 상기 이미지 센서로 향하게 하는 단계는, 상기 이동가능한 광학 소자에 설치된 반사기(reflector)를 사용하여 상기 방사 빔을 상기 센서 쪽으로 반사하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 이동가능한 광학 소자의 위치를 조정하는 단계는,
    상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달하는 상기 현재의 위치를 판정하는 단계;
    상기 이동가능한 광학 소자의 초점이 맞추어질 때의 상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달할 것으로 예상되는 상기 예측 위치를 판정하는 단계; 및
    상기 현재의 위치와 상기 예측 위치의 차에 따라, 상기 방사 빔이 도달하는 위치를, 상기 현재의 위치에서 상기 예측 위치로 이동시키는데 필요한 스텝의 수만큼 상기 이동가능한 광학 소자에 결합된 스텝 모터를 구동시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 방사 빔은 상기 이미지 센서 상에 스폿을 형성하며,
    상기 이동가능한 광학 소자에 결합된 상기 스텝 모터는, 상기 현재의 위치에서의 스폿의 영역과 상기 예측 위치에서의 스폿의 영역 간의 차에 기초하여 구동되는, 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 이동가능한 광학 소자에 결합된 상기 스텝 모터를 구동시키는 단계는,
    상기 스텝 모터를 사용하여 이동 전달 기구를 이동시키는 단계;
    상기 이동 전달 기구의 이동을 상기 이동가능한 광학 소자로 전달하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달하는 위치의 모터 스텝당 평균 이동(average movement)을 판정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 방사 빔을 평행 광선으로 만드는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달하는 상기 현재의 위치를 판정하는 단계는, 상기 이미지 센서의 일부분만을 분석하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 방사 빔을, 이동가능한 광학 소자로부터 상기 이동가능한 광학 소자의 광축을 따라 배치된 이미지 센서로, 상기 광축에 대해 소정의 각도로, 향하게 하는 단계;
    상기 이동가능한 광학 소자로부터 소정의 전방 초점 거리(front focus distance)만큼 떨어진 위치에 복수 개의 타겟을 각각 위치시키는 단계; 및
    각각의 상기 전방 초점 거리에 대해, 상기 이동가능한 광학 소자의 후방 초점 거리와, 상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달하는 위치를 판정해서 기록하는 단계
    를 포함하고,
    상기 이동가능한 광학 소자는 상기 이미지 센서에 대해 상대적으로 이동가능한 것인, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 방사 빔을 상기 이동가능한 광학 소자로부터 상기 이미지 센서로 향하게 하는 단계는, 상기 이동가능한 광학 소자에 설치된 방사 광원으로부터 방사 빔을 방출하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 방사 빔을 상기 이동가능한 광학 소자로부터 상기 이미지 센서로 향하게 하는 단계는, 상기 이동가능한 광학 소자에 설치되어 상기 방사 빔을 상기 이미지 센서로 반사하는 반사기를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 후방 초점 거리를 판정하는 단계는,
    상기 이미지 센서 상의 상기 타겟의 이미지에 대한 초점이 맞추어질 때까지 상기 이동가능한 광학 소자의 위치를 조정하는 단계; 및
    상기 이동가능한 광학 소자와 상기 이미지 센서 사이의 거리를 정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 방사 빔에 의해 상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달하는 곳에 스폿이 형성되는, 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달하는 위치는 상기 스폿의 중심의 위치가 되는, 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 스폿의 영역을 판정하여 기록하는 단계를 더 포함하는 방법.
  26. 제19항에 있어서,
    후방 초점 위치에 대해 전방 초점 위치를 상관시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 전방 초점 위치를 상기 후방 초점 위치에 대해 상관시키는 단계는, 상기 전방 초점 위치와 상기 후방 초점 위치의 기록된 값에 곡선을 맞추는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제19항에 있어서,
    상기 이동가능한 광학 소자는 이동 전달 기구에 의해 결합된 스텝 모터를 가지며, 각각의 상기 전방 초점 위치에 대한 상기 스텝 모터의 위치를 기록하는 단계를 더 포함하는 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 방사 빔이 상기 센서에 도달하는 위치에 대해 상기 스텝 모터의 위치를 상관시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달하는 위치에 대해 상기 스텝 모터의 위치를 상관시키는 단계는, 상기 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달하는 위치의 모터 스텝당 평균 이동을 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  31. 광축을 가지며 하나 이상의 포커싱 소자를 포함하는 이동가능한 광학 소자;
    상기 광축을 따라 배치된 이미지 센서; 및
    상기 이동가능한 광학 소자에 장착되어, 방사 빔을 방사 광원으로부터 상기 광축에 대해 소정의 각도로 상기 이미지 센서로 향하도록 하는 반사기
    를 포함하고,
    상기 이동가능한 광학 소자는 상기 이미지 센서에 대해 상대적으로 이동가능한 것인, 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 이동가능한 광학 소자를 상기 광축에 따라 이동시키기 위해 상기 이동가능한 광학 소자에 결합된 구동 기구를 더 포함하는 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 이미지 센서와 상기 구동 기구에 결합되며, 방사 빔이 상기 이미지 센서에 도달하는 위치에 따라, 상기 구동 기구의 이동을 제어하는 컨트롤러를 더 포함하는 장치.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 구동 기구는,
    모터; 및
    상기 모터와 상기 이동가능한 광학 소자에 결합되어, 상기 모터의 이동을, 상기 광축에 따른 상기 이동가능한 광학 소자의 선형 이동으로 변환하는 이동 전달 기구
    를 포함하는, 장치.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 이동 전달 기구는, 하나 이상의 마찰 휠, 웜 기어, 기어 및 캠을 포함 하는, 장치.
  36. 제31항에 있어서,
    상기 방사 빔은 평행 광선으로 되는, 장치.
  37. 제31항에 있어서,
    하나 이상의 포커싱 소자는, 굴절형, 회절형, 반사형 포커싱 소자, 또는 이들을 조합한 포커싱 소자를 포함할 수 있는, 장치.
  38. 제31항에 있어서,
    상기 방사 광원은 스펙트럼의 가시 부분에 포함되는 방사 빔을 방출하는, 장치.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 방사 광원은 발광 다이오드(LED)로 이루어진, 장치.
  40. 제31항에 있어서,
    상기 방사 광원은 상기 이미지 센서의 평면에 위치하는, 장치.
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