KR101274032B1 - 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치 및 이를 이용한 자동초점 조절방법 - Google Patents

전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치 및 이를 이용한 자동초점 조절방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치 및 이를 이용한 자동초점 조절방법은 표적(50)에 대해 획득된 적어도 4개의 점영상의 변위로부터 계산된 광파면의 국부 기울기와 위상 값에서 디포커스(Defocus)의 크기를 계산하는 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)와, 표적(50)에 대한 광선 경로(30)를 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)로 변경시켜주는 광학계(20)가 포함됨으로써, 광학계(21)에서는 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)로 입사되는 광파면 위상정보를 이용한 디포커스(Defocus)크기로 초점이 신속하게 자동으로 이루어지고, 특히 영상의 대조비가 없는 단조로운 영상의 초점확인은 물론 자체적인 오차 보정으로 적외선 광학장치와 같은 비열화 설계도 가능한 특징을 갖는다.

Description

전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치 및 이를 이용한 자동초점 조절방법{Auto Focusing Arranging Device for Electric Optical Image Processing Apparatus and Method thereof}
본 발명은 전자광학 영상장비 자동초점 조절에 관한 것으로, 특히 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서를 이용해 광파면 위상정보를 획득하여 디포커스(Defocus)의 크기가 계산됨으로써 매우 빠른 초점조절구현은 물론, 자체 오차 보정기능을 구현함으로써 비열화 설계가 필수적인 적외선 카메라에도 적용 가능한 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치 및 이를 이용한 자동초점 조절방법에 관한 것이다.
일반적으로 광학 카메라에 사용되는 자동초점 조절 방식은 능동적 시스템과 수동적 시스템으로 구별될 수 있다.
통상, 자동초점 조절 방식의 능동적 시스템이란 피사체를 향해 초음파 또는 근적외선 광원을 조사하고, 반사파 또는 반사광을 검출한 후, 삼각측량 방식으로 피사체의 거리를 찾은 다음, 이를 이용하여 초점조절렌즈를 구동하는 방식으로 구현된다.
반면, 자동초점 조절 방식의 수동적 시스템은 그 방식에 따라 대조비 검출방식과 위상차 검출방식으로 구별된다.
상기 대조비 검출방식이란 초점조절렌즈를 구동하면서 영상의 대조비가 가장 강해지는 위치를 찾는 방식으로 구현되고, 주로 소형 컴팩트 카메라에 적용된다.
상기 위상차 검출방식이란 2개의 세퍼레이터 렌즈와 2개의 라인센서를 이용하여 라인센서에 맺히는 이미지의 간격으로 초점상태를 확인한 후 초점조절렌즈를 구동하는 방식으로 구현되고, 주로 DSLR카메라에 적용된다.
하지만, 자동초점 조절 방식의 능동적 시스템은 반사파를 이용함으로써 멀리 있는 물체나 투명한 물체 뒤에 있는 피사체에 대해 자동초점 조절이 어려운 한계를 가질 수밖에 없다.
또한, 자동초점 조절 방식의 수동적 시스템중 대조비 검출방식은 렌즈를 구동하면서 초점상태를 판단하기 때문에 자동초점 조절 속도가 느릴 수밖에 없고, 이러한 느린 속도로 인해 피사체가 이동하는 경우 초점상태 판단이 어렵게 된다. 특히 저광량 상태인 경우 정상적인 동작이 어려울 수밖에 없다.
그리고, 자동초점 조절 방식의 수동적 시스템중 위상차 검출 방식은 피사체에서 경계선과 같은 대조비 차이가 있는 영상에 대해서만 정상적인 초점상태 검출이 이루어짐으로써, 단조로운 배경이나 유사한 색상으로 구성된 피사체를 촬영할 경우 초점상태 검출이 어려울 수밖에 없다.
상기와 같이 능동적 시스템이나 수동적 시스템은 각각의 구조 및 방법적인 특징으로 인해 자동초점 조절 구현 시 각각의 어려움이 있을 수밖에 없다.
한편, 파면 센서는 광선의 파면의 형상(shape)을 측정하는 데에 사용된다. 이러한 파면 센서의 예로서 샥-하트만(Shack-Hartmann) 파면센서가 있다.
국내특허공개 10-2008-0100433(2008년11월18일)
상기 특허문헌은 입사 파면의 수차를 결정하기 위해 부-파면 집속 렌즈를 갖춘 파면 센서가 이용된 기술의 예를 나타낸다.
하지만, 상기 특허문헌은 자동초점 조절을 위해 복잡한 로직을 사용하고, 특히 복잡한 구성요소로 인해 크기 축소에도 한계가 있어 위상차 검출방식의 광학계에 널리 적용되기에 용이하지 않은 측면이 있을 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서를 이용해 광학계로 입사되는 광파면 위상정보를 직접적으로 측정함으로써, 초점조절이 매우 빠르게 구현될 수 있는 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치 및 이를 이용한 자동초점 조절방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서를 이용해 광학계로 입사되는 광파면 위상정보를 획득하여 디포커스(Defocus) 크기를 계산하고, 이를 이용하여 초점조절렌즈를 구동함으로써 영상의 대조비가 없는 단조로운 영상에서도 초점상태 확인이 가능하고, 특히 광학계 온도변화에 따른 초점상태 변화와 같은 광학계 자체 오차의 보정이 가능함으로써 비열화 설계가 가능한 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치 및 이를 이용한 자동초점 조절방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치는 표적에 대한 복잡한 광영상으로부터 다수의 점영상을 이루는 점광원이 획득되고, 상기 점영상의 변위로부터 상기 점광원을 형성하는 광파면의 국부 기울기 및 국소 경사각과 함께 위상 값을 획득하여 디포커스(Defocus)의 크기가 계산되는 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서와;
상기 표적에 대한 광영상의 광경로를 형성하고, 상기 점영상이 형성되도록 상기 광경로를 상기 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서로 변경시켜주는 광학계; 가 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 점광원은 상기 광영상에서 특정 시야 위치의 작은 영역의 빛만 통과시켜주는 공간필터로부터 획득되고, 상기 공간필터는 상기 광원입력기가 상기 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서로 연결되는 위치에 설치된다.
상기 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서는 상기 광영상으로부터 공간필터를 통과한 특정 시야 위치의 작은 영역의 빛을 받아들여 평행광으로 전환시켜주는 시준렌즈와, 상기 시준렌즈에서 나온 평행광을 다수의 상기 점광원으로 전환시켜주는 미소배열렌즈와, 상기 미소배열렌즈에서 나온 다수의 상기 점광원에서 필요로 하는 파장대역을 검출하는 파면센서 검출부와, 상기 점광원에 대한 파면정보 재구성을 위한 실행로직을 갖추고 그 결과를 송출하는 파면센서 신호처리부로 구성된다.
상기 미소배열렌즈는 제1배열렌즈와 제2배열렌즈를 쌍으로 하고, 상기 점광원이 적어도 4개 이상으로 생성된다.
상기 파면센서 검출부의 화소 한개의 크기는 상기 미소배열렌즈에 의해 생성되는 점영상의 에어리 디스크(Airy Disk)의 크기로 계산된다.
상기 파면센서 신호처리부의 실행로직에서는 다수로 생성된 상기 점광원으로부터 광파면의 의 국부 기울기가 계산되고, 무게중심법을 이용하여 상기 다수의 점광원이 형성하는 중심점을 산출하여 광파면의 국소적인 경사각이 계산되고, 기울기 측정점의 개수보다 위상점의 개수가 더 많게 계산되는 프라이드(Fried)방식을 이용해 상기 다수의 점광원이 형성하는 점영상 변위로부터 상기 표적의 초점조정을 위한 위상값이 계산되며, 상기 위상값으로부터 광축이동(Despace)을 이용한 만감도가 적용된 제르니케(Zernike)다항식을 이용해 디포커스(Defocus)의 크기가 계산되고, 상기 계산된 디포커스(Defocus)의 크기를 이용해 상기 표적에 대한 초점조정이 수행된다.
상기 파면센서 신호처리부에는 상기 파면센서 신호처리부에서 출력된 광학 신호로 상기 표적에 대한 영상을 제공하는 전자광학 영상장비와, 상기 파면센서 신호처리부에서 출력된 제어 신호로 상기 표적에 대한 초점 조정이 이루어지도록 상기 초점조절렌즈를 조작하는 렌즈조절기가 더 연결된다.
상기 광학계는 표적에 대한 초점이 변경될 수 있고, 상기 표적을 인식하는 광선 경로가 형성되도록 고정렌즈에 대해 이동하는 초점조절렌즈로 구성되고; 상기 광영상에서 특정 시야 위치의 작은 영역의 빛이 공간필터를 통해 상기 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서로 제공되도록, 상기 초점조절렌즈로 들어온 상기 광영상의 초점을 맞추는 초점면의 앞쪽에서 상기 광경로를 상기 공간필터로 변경시켜주는 평면거울; 이 구비된다.
상기 초점조절렌즈는 상기 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서에서 출력된 제어 신호로 상기 고정렌즈에 대한 거리 조절이 이루어진다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전자광학 영상장비 자동초점 조절방법은 표적에 대한 광 영상에서 특정 시야 위치의 작은 영역의 점광원이 다수로 생성되면 광파면의 국부 기울기가 계산되고, 무게중심법으로 상기 다수의 점광원이 형성하는 중심점을 산출하여 광파면의 국소적인 경사각이 계산되는 점광원 처리단계;
프라이드(Fried)방식으로 상기 다수의 점광원이 형성하는 점영상 변위로부터상기 표적의 초점조정을 위한 위상값이 계산되는 위상처리단계;
상기 위상값을 적어도 1가지 이상의 광학계 만감도가 적용된 제르니케(Zernike)다항식에 적용하고, 상기 제르니케(Zernike)다항식으로부터 상기 표적에 대한 초점이동량을 위한 디포커스(Defocus)의 크기가 계산되는 디포커스 산출단계;
상기 계산된 디포커스(Defocus)의 크기로 상기 표적에 대한 초점조정이 수행되는 자동초점실행단계;
상기 초점조정 수행은 상기 디포커스(Defocus)의 크기 변화에 따라 반복적으로 이루어지고, 상기 초점조정 수행이 반복됨으로써 상기 디포커스의 계수 크기가 작아지는 자동초점지속단계; 로 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 점광원 처리단계에서, 상기 다수의 점광원은 적어도 4개 이상이다.
상기 점광원 처리단계에서, 상기 무게중심법은 픽셀 강도와 픽셀의 좌표의 곱에 대한 평균값을 이용해 계산하는 방식이다.
상기 디포커스 산출단계에서, 상기 민감도는 광학소자의 변위오차 중 광축이동(Despace)이 적용된다.
상기 광학소자의 변위오차에는 곡률반경(Radius of Curvature)과 두께(Thickness) 및 중심이동 및 틸트(Decenter & Tilt)에 대한 항목이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명은 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서를 이용해 광학계로 입사되는 광파면 위상정보의 직접적인 측정으로 디포커스(Defocus)크기가 계산되고 이로부터 초점상태가 확인됨으로써, 전자광학 영상장비의 자동초점 조절이 매우 빠르게 이루어지는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서와 함께 피사체의 한 점에서 반사(가시광파장) 또는 방사(적외선파장)되는 광원의 위상을 이용함으로써, 일반적이고 널리 적용되는 기존의 초점상태 검출방법과 달리 대조비가 없는 단조로운 영상에서도 정확한 초점상태 확인이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서와 함께 피사체의 한 점에서 반사(가시광파장) 또는 방사(적외선파장)되는 광원의 위상을 이용함으로써, 위상차 검출방식의 광학계에 널리 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서를 이루는 시준렌즈와 미소배열렌즈 및 검출기가 적외선 파장에 적합하게 선택될 수 있고, 이로부터 자동초점조절 장치가 구현됨으로써 가시광 파장 뿐 아니라 적외선 파장까지 간단하게 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서를 이용해 피사체와 카메라의 거리에 따른 초점상태 변화의 확인뿐 아니라 온도에 따른 광학계 초점상태 변화와 같은 광학계 내부적으로 발생되는 초점상태 변화도 동시에 확인 가능함으로써, 광학계의 상태와 피사체의 거리정보를 고려하지 않아도 항상 최적의 초점상태를 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 온도에 따른 광학계 초점상태 변화와 같은 광학계 내부적으로 발생되는 초점상태 변화를 확인해 자체 보정함으로써, 비열화 설계가 필수적인 적외선 카메라에도 적용 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서를 이용한 자동초점 조절방법을 제공함으로써, 위상차 검출방식과 같은 자동초점 조절 방식의 수동적 시스템의 광학계나 적외선 카메라에도 널리 적용되는 확장성도 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치의 구성이고, 도 2는 본 발명에 따른 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치를 이용한 자동초점 조절방법이며, 도 3은 광파면의 국부 기울기 계산 원리와 무게중심법을 이용하여 점영상의 변위 계산을 수행하는 원리이고, 도 4는 본 발명에 따른 Fried 방법 적용에 의한 위상값 계산이 이루어지는 원리이며, 도 5는 도 4의 원리를 2x2 배열렌즈에 적용한 예이고, 도 6은 본 발명에 적용된 광학소자의 민감도에 따른 변위오차의 예이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치에는 표적(50)에 대해 다수의 점영상을 획득하고, 상기 점영상의 변위로부터 점광원을 형성하는 광파면의 국부 기울기와 함께 위상 값을 획득하여 디포커스(Defocus)의 크기가 계산되는 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)와; 표적(50)을 인식하는 광경로가 형성되고, 상기 점영상이 형성되도록 상기 광경로를 상기 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)쪽으로 변경시켜주는 광학계(21);가 포함된다.
상기 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)는 점광원을 받아들이는 시준렌즈(11)와, 시준렌즈(11)에서 나온 평행광을 점광원으로 전환시켜주도록 제1ㅇ2배열렌즈(13,14)를 쌍으로 하는 미소배열렌즈(12)와, 미소배열렌즈(12)에서 나온 점광원으로부터 필요로 하는 파장대역을 검출하는 파면센서 검출부(15)와, 미소배열렌즈(12)에 의해 생성된 다수의 점영상의 중심점 계산 및 파면정보 재구성이 이루어지는 파면센서 신호처리부(16)로 구성된다.
본 실시예에서, 상기 시준렌즈(11)의 설계 사양은 주 광학계의 설계 사양에 따라 결정된다.
또한, 상기 미소배열렌즈(12)의 설계 사양은 주 광학계의 설계 사양에 따라 결정된다. 통상, 상기 미소배열렌즈(12)는 쌍을 이루는 제1배열렌즈(14)와 제2배열렌즈(14)가 2개로 구성됨으로써 미소배열렌즈(12)를 통해 적어도 4개의 점 영상이 획득될 수 있다.
상기와 같이 미소배열렌즈(12)가 2ㅧ2배열를 이룸으로써 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)는 2ㅧ2 렌즈타입으로 구성된다.
상기 파면센서 검출부(15)는 주 광학계의 파장대역을 검출할 수 있는 형태로 선정된다. 특히, 상기 파면센서 검출부(15)에서 화소 수는 각 배열렌즈 당 최소 2ㅧ2 배열 이상의 개수를 가지며, 상기 화소 한개의 크기는 미소배열렌즈(12)에 의해 생성되는 점 영상의 에어리 디스크(Airy Disk)의 크기로부터 계산된다.
그러므로, 파면센서 검출부(15)의 화소 크기 및 수에 대한 설계는 미소배열렌즈(12)의 설계 규격에 맞춰진다.
상기 파면센서 신호처리부(16)는 디포커스(Defocus)의 크기를 계산하며, 이는 2ㅧ2 배열의 미소배열렌즈(12)에 의해 생성된 적어도 4개의 점영상의 중심점 계산 및 파면정보 재구성을 통해 이루어진다. 계산된 디포커스(Defocus)의 크기는 주 광학계의 전자회로부에 전달되어 적절한 초점조절렌즈 이동량을 계산하고 표적(50)에 대한 자동초점 데이터로서 이용된다.
한편, 상기 광학계(21)는 표적(50)을 인식하는 광선 경로(30)가 형성되는 고정렌즈(23)와, 고정렌즈(23)에 대해 움직이도록 작동하는 초점조절렌즈(22)와, 초점조절렌즈(22)를 나온 광영상의 초점을 맞추는 초점면(26)의 앞쪽으로 위치되어 광선 경로(30)를 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)쪽으로 변경시켜주는 평면거울(25)과, 표적(50)에서 들어오는 복잡한 영상에서 특정 시야 위치의 작은 영역의 빛만 통과시켜줌으로써 점광원으로 생성시켜주는 공간필터(17)로 구성된다.
상기 평면거울(25)은 표적(50)에 대한 초점 조정을 위해 움직이도록 이루어짐으로써, 초점조정이 필요할 때는 광선 경로(30)상에 위치하고 반면 초점조정이 완료되고 영상획득 시에는 광선 경로(30)로부터 떨어지도록 작동된다.
한편, 본 실시예에 따른 상기 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치에는 표적(50)에 대한 거리조절을 위해 광학계(21)의 렌즈 배열을 조절하는 렌즈조절기(24)와, 초점면(26)의 뒤쪽으로 위치되어 초점면(26)에 맺힌 영상을 검출하는 영상장비 검출부(28)에 연결된 영상장비 신호처리부(27)가 더 포함된다.
여기서, 상기 렌즈조절기(24)는 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)를 구성하는 파면센서 신호처리부(16)로 제어됨으로써 표적(50)에 대한 초점거리를 조정하며, 이를 위해 상기 렌즈조절기(24)는 광학계(21)의 초점조절렌즈(22)나 평면거울(25)의 거리를 조절하도록 구성되고, 이러한 초점 이동 구조는 통상적인 초점 이동 구조와 동일하다.
그러므로, 본 실시예에 의한 전자광학 영상장비(20)는 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)와 광학계(21) 및 렌즈조절기(24)와 평면거울(25)로 이루어진 자동초점 조절 장치를 구비하고, 광학계(21)의 초점면(26)에 맺힌 영상을 검출하여 처리하는 영상장비 신호처리부(27)와 함께 구성될 수 있다.
한편, 도 2는 본 실시예에 따른 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치를 이용한 자동초점 조절방식을 나타낸다.
S10과 같이 표적에 대한 파장대역이 입력되면, 이의 인식 상태에서 S20과 S30 및 S40의 과정을 거쳐 표적에 대한 자동 초점이 구현됨으로써 S50과 같이 해당 표적에 대한 초점이 자동적으로 완료될 수 있다.
상기와 같은 표적의 파장대역 입력에 대한 인식과 이의 자동 초점 조정은 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)의 파면센서 신호처리부(16)에서 이루어진다.
이를 도 1을 참조로 설명하면, 광학계(21)로부터 초점면(26)을 향하는 표적(50)의 광선 경로(30)는 초점조절렌즈(22)와 초점면(26)사이의 광선 경로에 위치된 평면거울(25)에 의해 경로 변경된 후 공간필터(17)를 보내지고, 공간필터(17)에서 나온 광영상은 시준렌즈(11)를 거친 후 제1ㅇ2배열렌즈(13,14)에서 4개의 점광원으로 맺혀진 다음, 파면센서 검출부(15)에서 해당 파장대역의 광학신호가 전자 신호로 변환된다.
그리고, 파면센서 신호처리부(16)에서는 검출된 신호를 이용하여 내부 로직을 실행한다. 그러므로, 상기 파면센서 신호처리부(16)에는 표적(50)에 대한 자동 초점 조정을 위한 로직이 내장되거나 또는 모듈로서 탑재될 수 있다.
한편, S20내지 S50을 통해 이루어지는 표적(50)에 대한 자동 초점 과정은 크게 S20의 기준광원 획득과정과, S30의 광 파면 위상 정보 재 구성과정과, S40의 자동초점을 위한 렌즈 이동량 산출과정과, S50의 렌즈 초점 조절과정으로 수행된다.
S20은 기준광원 획득과정으로서, 이로부터 표적(50)에 대한 광영상으부터 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)의 파면센서 신호처리부(16)가 필요로 하는 점광원을 획득하고, 이를 이용해 파면정보를 획득하게 된다.
상기 점광원은 도 1에 도시된 바와 같이, 제1ㅇ2배열렌즈(13,14)로부터 적어도 4개의 점광원으로 획득된다. 이러한 점광원은 표적(50)에서 들어오는 복잡한 영상으로부터 공간필터(17)를 통과해 시준렌즈(11)를 거쳐 평행광으로 전환된 후, 특정 시야 위치의 작은 영역의 빛과 같은 점영상으로 나타난다.
상기 점영상은 파면센서 검출기(15)의 위치에서 영상이 맺혀진다.
S30의 광파면 위상 정보 재구성 과정은 획득된 점광원을 이용해 이루어지고, 이는 S31내지 S34를 통해 수행된다.
S31에서는 점영상의 중심점을 탐색하여 광파면의 국부 기울기 계산을 위한 변위 계산을 한다. 이를 위해 픽셀 강도와 픽셀의 좌표의 곱에 대한 평균값으로 계산되는 무게중심법이 적용된다.
S32에서는 광파면 위상정보의 재구성을 위한 광파면의 국부 기울기가 계산되는 과정으로서, 이를 위해 미소배열렌즈(12)의 제1ㅇ2배열렌즈(13,14)에 의해 생성된 점영상의 변위가 이용된다.
도 3은 광파면의 국부 기울기 계산 원리와 무게중심법을 이용하여 점영상의 변위 계산을 수행하는 과정을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 국소적인 경사각과 점영상의 변위는 수학식(1)과 같은 관계가 성립한다.
Figure 112012099921614-pat00001
Figure 112012099921614-pat00002
------ 수학식(1)
여기서, S(x,y)는 국소적인 경사각이고, W(x,y)는 파면의 위상.
또한, 국소적인 경사각을 알기 위해 점영상의 중심점 탐색에 적용되는 무게중심법은 수학식(2)와 같은 관계가 성립한다.
Figure 112012099921614-pat00003
------- 수학식(2).
여기서, N 은 각 하부개구내의 이미지 검출기에서 N x N 픽셀배열의 크기이고, I i,j(i,j)는 (i,j)좌표의 픽셀의 강도이며, xi,yi는 하부개구영역에서 (i,j)픽셀의 좌표이고, C x,C y는 특정 하부개구 영역에서 추정한 중심점 좌표.
S33은 상기와 같이 점영상의 변위로부터 광파면의 지역적 위상정보는 프라이드(Fried)방법을 사용함으로써 복원된다. 상기 프라이드(Fried) 복원 방법은 기울기 측정점의 개수보다 위상점의 개수가 더 많게 계산되는 방식으로서, 이는 본 실시예에와 같이 기울기 측정점의 개수가 4개로 작은 경우에 적합한 방식이다.
도 4는 프라이드(Fried) 방법 적용에 의한 위상값 계산이 이루어지는 원리를 나타내며, 이로부터 국소적인 경사각과 파면 기울기는 수학식(3)내지 (5)와 같은 관계성립을 알 수 있다.
Figure 112012099921614-pat00004
Figure 112012099921614-pat00005
,
----------- 수학식(3)
Figure 112012099921614-pat00006
,
Figure 112012099921614-pat00007
------------- 수학식(4)
여기서,
Figure 112012099921614-pat00008
는 기울기이고,
Figure 112012099921614-pat00009
위상이며, G는 기하관계(Geometry)행렬이고, S는 기울기 벡터이며, φ는 위상 벡터.
Figure 112012099921614-pat00010
-------------- 수학식(5)
여기서, 수학식(5)는 G의 유사 역행렬(Pseudo-Inverse)을 이용한 해를 의미한다.
상기 수학식(5)로부터 기울기 관련 행렬과 기하관계 행렬이 고정된 값임을 이용하면, 파면 측정 시 기울기 행렬과 바로 곱함으로써 위상 벡터φ가 손쉽게 구해질 수 있다.
한편, 도 5는 본 실시예에 따른 쌍을 이루는 제1배열렌즈(14)와 제2배열렌즈(14)로 2 x 2 배열을 갖는 미소배열렌즈(12)에 적용한 경우로서, 수학식(6)으로부터 알 수 있는 바와 같이 2 x 2 배열을 갖는 미소배열렌즈(12)로부터 각 하부개구에서 획득된 기울기 값과 프라이드(Fried) 방법을 통해 얻을 수 있는 위상 값의 관계 및 번호를 알 수 있다.
Figure 112012099921614-pat00011
-------- 수학식(6)
상기 수학식(6)로부터 2 x 2 배열을 갖는 미소배열렌즈(12)의 기울기 값이 각 하부개구별로 x축, y축 방향으로 총 8개의 값을 가짐을 알 수 있고, 이에 대한 프라이드(Fried)방법을 이용함으로써 위상행렬이 9개의 값을 가짐을 알 수 있다.
이로부터, 자동초절을 위해 필요로하는 렌즈 이동량을 위한 위상값(W)이 구해진다.
S34는 위상값(W)으로부터 디포커스(Defocus)가 제르니케(Zernike)다항식을 기반으로 산출되는 과정이고, 이 경우 변위오차를 가져오는 광학소자의 민감도가 함께 고려된다.
도 6은 제르니케(Zernike)다항식으로부터 디포커스(Defocus)가 계산되는 원리와 광학소자의 민감도에 따른 변위오차의 예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 제르니케(Zernike)다항식으로 표현된 위상값(W)은 수학식(7)로 표현된다.
W(x,y) = C defocus Z defocus(x,y) --------- 수학식(7)
여기서, Ci는 기저함수의 계수이고, Zi는 제르니케(Zernike)다항식.
또한, 광학소자의 변위오차는 (a)곡률반경(Radius of Curvature), (b)광축이동(Despace), (c)두께(Thickness), (d)중심이동 및 틸트(Decenter & Tilt)를 예로 들 수 있고, 이로부터 광학소자의 민감도가 계산될 수 있다.
통상, 상기와 같은 초점조절렌즈 디포커스 민감도는 광학설계 프로그램을 이용하여 이론적으로 또는 실험적으로 사전에 계산된다.
본 실시예에서, 초점조절렌즈의 광축이동(Despace)에 대한 제르니케(Zernike)계수 중 디포커스 계수의 민감도가 적용된다. 수학식(8)은 이로부터 계산된 디포커스(Defocus)의 크기 S defocus이고, 이는 렌즈 이동량을 의미한다.
S defocus = ΔC defocus / Δd ---------- 수학식(8)
여기서, ΔC defocus은 디포커스 계수의 변화량이고, Δd 는 광축이동.
상기와 같이 렌즈 이동량은 민감도 값과 디포커스 계수의 변화량을 이용함으로써 손쉽게 계산될 수 있다.
S40은 계산된 렌즈 이동량을 이용해 초점조절렌즈의 초점을 조절하는 과정이고, 이를 통해 표적(50)에 대한 초점이 자동으로 조절될 수 있다.
이러한 과정을 도 1을 참조하면, 계산된 렌즈 이동량에 대한 신호가 파면센서 신호처리부(16)에서 렌즈조절기(24)로 보내지고, 렌즈조절기(24)는 입력된 제어 값에 따라 이동렌즈(23)를 고정렌즈(23)에 대해 움직여줌으로써 표적(50)에 대한 광학계(21)의 초점이 변경될 수 있다.
이어, 표적(50)에 대해 초점이 변화된 광영상이 광학계(21)를 통과한 후 평면거울(25)과 공간필터(17)를 거쳐 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)로 들어오면, 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)에서는 제1ㅇ2배열렌즈(13,14)로부터 얻은 4개의 점광원을 획득하고, 이로부터 전술한 S20과 S30 및 S40의 과정을 반복 수행함으로써 표적(50)에 대한 초점이 정확하게 맞춰지게 된다.
S50은 표적(50)에 대한 초점이 정확하게 맞춰짐으로써 자동 초점 조정 과정이 모두 완료된 상태로서, 이 과정이 완료됨으로써 초점면(26)에 맺힌 영상이 영상장비 신호처리부(27)에서 처리됨으로써 전자광학 영상장비(20)에서는 고 품질 영상이 획득될 수 있다.
본 실시예에서, 상기와 같은 수행되는 표적(50)에 대한 자동 초점 과정은 디포커스 계수인 ΔC defocus의 부호만 확인하고, 이로부터 초점조절렌즈를 단계적으로 이동시키면서 계속적으로 파면을 관찰함으로써 디포커스 계수의 크기가 최소화 될 때까지 반복적으로 이루어진다.
특히, 상기와 같은 자동초점 과정에서 광학소자의 민감도가 적용되고, 이러한 민감도가 적용된 렌즈 이동량이 더 계산됨으로써 초점의 미세조정이 수행되면서도 통상의 자동초점 과정에 비해 신속한 수행 속도가 구현된다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치 및 이를 이용한 자동초점 조절방법은 표적(50)에 대해 획득된 적어도 4개의 점영상의 변위로부터 계산된 광파면의 국부 기울기와 위상 값에서 디포커스(Defocus)의 크기를 계산하는 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)와, 표적(50)에 대한 광선 경로(30)를 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)로 변경시켜주는 광학계(20)가 포함됨으로써, 광학계(21)에서는 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서(10)로 입사되는 광파면 위상정보를 이용한 디포커스(Defocus)크기로 초점이 신속하게 자동으로 이루어지고, 특히 영상의 대조비가 없는 단조로운 영상의 초점확인은 물론 자체적인 오차 보정으로 적외선 광학장치와 같은 비열화 설계도 가능하게 된다.
10 : 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서
11 : 시준렌즈 12 : 미소배열렌즈
13,14 : 제1ㅇ2배열렌즈 15 : 파면센서 검출부
16 : 파면센서 신호처리부 17 : 공간필터
20 : 전자광학 영상장비 21 : 광학계
22 : 초점조절렌즈 23 : 고정렌즈
24 : 렌즈조절기
25 : 평면거울 26 : 초점면
27 : 영상장비 신호처리부 28 : 영상장비 검출부
30 : 광선 경로 50 : 표적

Claims (12)

  1. 표적에 대한 복잡한 광영상으로부터 다수의 점영상을 이루는 점광원이 획득되고, 상기 점영상의 변위로부터 상기 점광원을 형성하는 광파면의 국부 기울기와 함께 위상 값을 획득하여 디포커스(Defocus)의 크기가 계산되는 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서와;
    상기 표적에 대한 초점이 변경될 수 있고, 상기 표적을 인식하는 광선 경로가 형성되도록 고정렌즈에 대해 이동하는 초점조절렌즈와, 표적에 대한 거리조절을 위해 상기 초점조절렌즈의 렌즈 배열을 조절하거나 평면거울의 거리를 조절하도록 상기 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서로 제어되는 렌즈조절기와, 상기 초점조절렌즈로 들어온 상기 광영상의 초점을 맞추는 초점면의 앞쪽에서 상기 광경로를 변경시켜주는 상기 평면거울로 이루어진 광학계와;
    상기 평면거울에서 변경된 상기 광경로가 상기 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서로 연결되는 위치에 설치된 공간필터와;
    상기 초점면의 뒤쪽으로 위치되어 상기 초점면에 맺힌 영상을 검출하는 영상장비 검출부에 연결된 영상장비 신호처리부;
    가 포함된 것을 특징으로 하는 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 점광원은 상기 광영상에서 특정 시야 위치의 작은 영역의 빛만 통과시켜주는 상기 공간필터로부터 획득되는 것을 특징으로 하는 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 샥-하트만(Shack-Hartmann)파면센서는 상기 광영상으로부터 공간필터를 통과한 특정 시야 위치의 작은 영역의 빛을 받아들여 평행광으로 전환시켜주는 시준렌즈와, 상기 시준렌즈에서 나온 평행광을 다수의 상기 점광원으로 전환시켜주는 미소배열렌즈와, 상기 미소배열렌즈에서 나온 다수의 상기 점광원에서 필요로 하는 파장대역을 검출하는 파면센서 검출부와, 상기 점광원에 대한 파면정보 재구성을 위한 실행로직을 갖추고 그 결과를 송출하는 파면센서 신호처리부로 구성된 것을 특징으로 하는 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 미소배열렌즈는 제1배열렌즈와 제2배열렌즈를 쌍으로 하고, 상기 점광원이 적어도 4개 이상으로 생성되는 것을 특징으로 하는 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 파면센서 검출부의 화소 한개의 크기는 상기 미소배열렌즈에 의해 생성되는 점영상의 에어리 디스크(Airy Disk)의 크기로 계산되는 것을 특징으로 하는 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 파면센서 신호처리부의 실행로직에서는 다수로 생성된 상기 점광원으로부터 광파면의 의 국부 기울기가 계산되고, 무게중심법을 이용하여 상기 다수의 점광원이 형성하는 중심점을 산출하여 광파면의 국소적인 경사각이 계산되고, 기울기 측정점의 개수보다 위상점의 개수가 더 많게 계산되는 프라이드(Fried)방식을 이용해 상기 다수의 점광원이 형성하는 점영상 변위로부터 상기 표적의 초점조정을 위한 위상값이 계산되며, 상기 위상값으로부터 광축이동(Despace)을 이용한 만감도가 적용된 제르니케(Zernike)다항식을 이용해 디포커스(Defocus)의 크기가 계산되고, 상기 계산된 디포커스(Defocus)의 크기를 이용해 상기 표적에 대한 초점조정이 수행되는 것을 특징으로 하는 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 파면센서 신호처리부에는 상기 파면센서 신호처리부에서 출력된 광학 신호로 상기 표적에 대한 영상을 제공하는 전자광학 영상장비와, 상기 파면센서 신호처리부에서 출력된 제어 신호로 상기 표적에 대한 초점 조정이 이루어지도록 초점조절렌즈를 조작하는 상기 렌즈조절기가 더 연결된 것을 특징으로 하는 전자광학 영상장비 자동초점 조절 장치.
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