KR101441589B1 - 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는장치 - Google Patents

가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이미지 센서 장치에 관한 것으로, 특히 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 별도의 신호처리과정 없이 광학적으로 융합하는 장치에 관한 것이다. 일 예로써, 이미지 센서가 감지할 수 있는 빛을 내부에서 방출하고, 피사체로부터 원적외선이 감지된 경우에만 위 빛을 반사하여 이미지 센서로 전달함으로써 원적외선 정보를 이미지 센서가 감지할 수 있는 정보로 변환하는 것이 가능하다.
이미지 센서, 가시광선, 원적외선, 캔틸레버, 바이메탈

Description

가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치{Apparatus for combining visible images and far-infrared images optically}
본 발명은 이미지 센싱 기술에 관한 것으로, 특히 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 감지할 수 있는 이미지 센싱 기술과 관련된다.
이미지 센서 기술은 주로 우리 눈에 보이는 파장대인 가시광선 대역 중심으로 발전되었다. 다행히도 가시광선 대역은 가장 널리 쓰이는 반도체인 실리콘으로도 감지를 할 수 있기 때문에 매우 빠른 발전을 할 수 있었다. 그러나 빛이 없는 어두운 곳에서도 물체를 보려는 욕망은 적외선 이미지 센서의 기술도 발전시켰다.
근적외선의 경우에는 실리콘으로도 감지를 할 수 있기 때문에 손쉽게 적외선 이미지를 얻을 수 있다. 그러나 상온의 물체는 근적외선 거의 방출하지 않기 때문에 별도의 광원을 쏴서 반사된 근적외선을 감지한다. 이것은 반사된 빛을 감지하는 방식이기 때문에 물체의 표면의 반사 정도에 따라 크기 차이가 난다. 예를 들어 나뭇잎 같은 경우에는 근적외선을 아주 잘 반사해서 아주 밝게 나오고 하늘 같은 경우는 아주 어둡게 나온다.
우리가 주로 보고 싶어 하는 상온의 물체는 원적외선을 많이 방출하기 때문 에 자연히 원적외선에 대한 연구로 이어지게 되었는데 원적외선은 실리콘으로 감지할 수 없어서 별도의 감지소자가 필요하다. 원적외선을 이용하면 어두운 곳에서도 물체를 볼 수 있고 물체의 온도 정보도 알 수 있다. 그래서 가시광선 이미지에 원적외선 이미지를 융합하려는 시도가 많이 이루어 졌다.
가장 손쉬운 방법은 각각의 가시광선 이미지 카메라와 원적외선 이미지 카메라로 이미지를 얻은 후 합치는 방법인데 이 경우에 두 대의 카메라가 같은 초점선 위에 있지 않기 때문에 융합된 이미지에 왜곡이 생길 수 밖에 없다. 또한, 각각의 센서와 신호취득 회로를 이용하여 각각의 이미지를 얻고 DSP(Digital Signal Processor)를 이용해서 두 이미지를 융합하는 방법도 있다.
그러나 이 경우에도 2개의 신호취득 회로와 추가적인 DSP 신호처리가 필요하므로 가격이 비싸고 전력소모가 크고 고속동작이 어려운 단점이 있다. 게다가 이미지 센서가 고해상도화 되는 추세이기 때문에 이러한 단점은 점점 큰 문제가 되고 있다.
본 발명은 전술한 점을 고려하여 안출된 것으로, 별도의 신호처리과정 없이 광학적으로 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 융합하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 양상에 따른 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치는, 이미지 센서; 상기 이미지 센서가 감지할 수 있는 파장 대역의 빛을 방출하는 내부 광원; 피사체로부터 입사되는 빛을 가시광선과 원적외선으로 분리하는 스플리터; 및 상기 스플리터에서 분리된 원적외선을 감지하며, 상기 원적외선이 감지되면 상기 내부 광원에서 방출되는 빛을 반사하여 상기 이미지 센서로 전달하는 마이크로 캔틸레버; 를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 가시광선과 근적외선을 감지할 수 있는 실리콘 기반의 반도체 이미지 센서가 될 수 있다. 상기 이미지 센서의 예로는 CMOS 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서 등이 있다.
상기 내부 광원은 원적외선 정보에 대응되는 가시광선 정보 또는 근적외선 정보를 제공하기 위한 것이다. 내부 광원에서 방출된 빛은 마이크로 캔틸레버에 입사되는데, 마이크로 캔틸레버는 원적외선이 감지되는지 여부에 따라 상기 내부 광원의 빛을 이미지 센서 쪽으로 반사할 수 있다.
상기 스플리터는 상기 피사체로부터 반사되는 빛 중 상기 가시광선은 통과시키고 상기 원적외선은 반사시켜서 마이크로 캔틸레버 쪽으로 유도하는 것이 가능하 다.
또한, 상기 마이크로 캔틸레버는, 상기 원적외선을 흡수하며, 상기 원적외선이 흡수되면 온도가 상승하는 원적외선 감응체; 상기 원적외선 감응체의 온도 상승에 따라 그 형상이 변형되는 바이메탈; 및 상기 내부 광원에서 방출되는 빛을 반사하는 반사판; 을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따라 상기 내부 광원은 가시광선 또는 근적외선을 방출할 수 있다.
예컨대, 상기 내부 광원이 백색광을 방출하는 경우, 원적외선 정보가 밝기 정보로 매핑되는 것이 가능하며, 상기 내부 광원이 특정 색을 갖는 가시광선을 방출하는 경우 상기 원적외선 정보가 특정 색으로 매핑될 수 있다. 또한, 상기 내부 광원이 근적외선을 방출하는 경우 상기 원적외선 정보는 근적외선 정보로 매핑될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 양상에 따라 상기 장치는 이미지 센서 앞에 필터를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 필터는 적색, 녹색, 또는 청색의 빛만 선택적으로 투과시키는 3색 필터; 또는 적색, 녹색, 청색 또는 근적외선 대역의 빛만 선택적으로 투과시키는 4색 필터; 가 될 수 있다.
전술한 구성에 의하면, 가시광선 이미지와 원적외선 이미지가 광학적으로 융합되기 때문에 DSP를 이용하여 별도로 합치는 과정이 생략될 수 있다. 따라서, DSP로 인한 추가적인 전력소모를 줄일 수 있고 보다 고속으로 이미지를 융합할 수 있 다.
또한, 주로 노출을 맞추려고 하는 대상이 사람인데도 불구하고 배경이 밝은 경우에 사람이 너무 어둡게 나오는 경우가 있는데, 이 경우 적외선 이미지 정보를 이용해서 사람을 인식한 후 사람에 맞추어 노출을 자동으로 보정함으로써 가시광선 이미지의 질을 향상 시킬 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 빛의 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 빛은 그 파장에 따라 크게 자외선, 가시광선, 적외선으로 구분할 수 있다. 또한 적외선의 경우 다시 근적외선(NIR), 중간적외선(MIR), 원적외선(FIR)으로 나눌 수 있다. 도시된 바와 같이, 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, 가시광선 또는 백색광은 약 0.38~0.75μm의 파장을 갖는 빛으로, 근적외선(NIR)은 약 0.75~3μm의 파장을 갖는 빛으로, 원적외선(FIR)은 약 25~1000μm의 파장을 갖는 빛을 의미한다.
일반적으로 상온의 물체는 근적외선(NIR)보다 원적외선(FIR)을 상대적으로 더 많이 방출한다. 만약 원적외선(FIR)을 감지할 수 있으면 어두운 곳에서도 물체를 파악할 수 있고 그 물체의 온도 정보도 알 수 있기 때문에 물체에 대해 보다 풍부한 정보를 얻을 수 있는 장점이 있다.
실리콘 기반의 이미지 센서의 경우 이러한 빛 중에서 가시광선과 근적외선(즉, 101)만 감지할 수 있기 때문에 원적외선(FIR) 정보를 얻기에 한계가 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 따르면 실리콘 기반의 이미지 센서를 이용하여 원적외선(FIR) 정보를 얻는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치에 관한 구성을 도시한다.
도 2를 참조하면 본 실시예에 따른 융합장치(200)는 스플리터(201), 가시광선 렌즈(202), 이미지 센서(203), 적외선 거울(204), 적외선 렌즈(205), 마이크로 캔틸레버(206), 내부 광원(207), 시준기(208)를 포함할 수 있다.
스플리터(201)는 피사체로부터 입사되는 빛을 가시광선과 원적외선으로 분리한다. 예컨대, 피사체로부터 입사되는 빛 중에서 가시광선은 그대로 통과시키고 원적외선은 반사시키는 것이 가능하다.
스플리터(201)를 통과한 가시광선은 가시광선 렌즈(202)를 통해서 이미지 센서(203)로 입력된다.
이미지 센서(203)는 실리콘 기반의 반도체 센서가 사용될 수 있다. 예컨대, 이미지 센서(203)는 CMOS 이미지 센서(CIS) 또는 CCD 이미지 센서가 이용될 수 있다. 따라서 이미지 센서(203)는 가시광선 또는 근적외선을 감지하여 이를 전기적인 신호로 변환하는 것이 가능하다. 또한, 이미지 센서(203)는 전기적인 신호를 읽어내는 신호취득회로, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC, 신호를 처리하여 영상을 구현하기 위한 디지털 신호 처리기 등을 더 포함할 수도 있다.
스플리터(201)에서 반사된 원적외선은 적외선 거울(204)에서 다시 반사되고 적외선 렌즈(205)를 거쳐 마이크로 캔틸레버(206)로 입력된다.
마이크로 캔틸레버(206)는 입력되는 원적외선을 감지하고 감지된 원적외선에 따라 내부 광원(207)에서 방출된 빛을 이미지 센서(203)로 반사하는 것이 가능하다. 예컨대, 마이크로 캔틸레버(206)는 원적외선이 감지될 때만 내부 광원(207)의 빛을 반사하여 이미지 센서(203)로 전달하는 것이 가능하다.
이를 위해, 마이크로 캔틸레버(206)는 원적외선을 흡수하여 온도가 상승하는 물질과, 온도가 상승하면 형상이 변형되는 구조체와, 내부 광원(207)에서 방출되는 빛을 이미지 센서(203) 쪽으로 반사하는 반사체 등을 포함할 수 있다. 따라서 원적외선이 감지되면 마이크로 캔틸레버(206)의 온도가 상승하고 온도 상승에 따라 그 구조가 변형되면서 내부 광원(207)의 빛을 이미지 센서(203) 쪽으로 전달하는 것이 가능하다.
내부 광원(207)은 이미지 센서(203)가 감지할 수 있는 파장 대역의 빛을 방출한다. 예컨대, 내부 광원(207)은 도 1에서 101에 해당하는 영역의 빛을 방출하는 것이 가능하다. 이 빛은 시준기(208)를 거쳐 마이크로 캔틸레버(206) 쪽으로 입사된다.
내부 광원(207)에서 방출되는 빛은 다양하게 조절될 수 있다. 예컨대, 붉은 색과 같이 특정 색을 갖는 가시광선을 이용하거나, 백색광을 이용하는 것이 가능하다. 또한 근적외선을 이용할 수도 있다.
이러한 구성에 의하면, 피사체에 원적외선 정보가 있는 경우 마이크로 캔틸레버(206)가 내부 광원(207)의 빛을 이미지 센서(203) 쪽으로 전달하기 때문에 원적외선 정보를 가시광선 정보 또는 근적외선 정보로 변환하는 것이 가능하다. 이렇게 변환된 정보는 원래의 피사체의 가시광선 정보와 함께 이미지 센서(203)로 입력되기 때문에 별도의 처리 과정 없이 광학적으로 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 융합하는 것이 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버를 도시한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버(206)는 원적외선 감응체(301), 바이메탈(302), 반사판(303)을 포함할 수 있다.
원적외선 감응체(301)는 원적외선을 흡수하는 것이 가능하며 원적외선이 흡수되면 그 온도가 올라가는 물질이 이용될 수 있다. 예컨대, Vanadium Oxide (VOx), Amorphous Silicon (a-Si), Titanium (Ti) 등의 물질을 이용하여 원적외선 감응체(301)를 만드는 것이 가능하다.
바이메탈(302)은 온도에 따른 팽창계수가 다른 두 금속이 겹쳐져서 형성되며, 원적외선 감응체(301)와 일체로 구성된다. 따라서, 원적외선이 원적외선 감응체(301)로 입사되면 원적외선 감응체(301)의 온도가 올라가고 이 온도상승이 바이메탈(302)로 전달되어 바이메탈(302)이 휘어지는 것이 가능하다.
반사판(303)은 내부 광원(207)에서 방출되는 빛(304)을 반사하는 거울로써, 바이메탈(302)이 휘어짐에 따라 빛(304)의 반사 각도를 바꿀 수 있다.
이러한 마이크로 캔틸레버(206)는 이미지 센서(203)의 픽셀마다 대응되도록 다수 개가 어레이 형태로 구성될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치의 원리를 설명하면 다음과 같다.
어떠한 장면에 가시광선 이미지와 원적외선 이미지가 포함된 경우, 가시광선은 스플리터(201)를 통과하여 이미지 센서(203)에 입력되고 원적외선은 스플리터(201)에서 반사되어 마이크로 캔틸레버(206)로 입력된다. 내부 광원(207)은 이미지 센서(203)가 감지할 수 있는 파장 대역 빛을 방출하고 있는데, 마이크로 캔틸레버(206)는 원적외선이 감지된 경우에만 이 빛을 감지하여 이미지 센서(203)로 전달한다.
따라서 이미지 센서(203)가 감지할 수 없는 원적외선 정보를 이미지 센서(203)가 파악할 수 있는 가시광선 정보 또는 근적외선 정보에 매핑하여 전달하기 때문에 가시광선 이미지와 원적외선 이미지가 별도의 신호처리과정 없이 광학적으로 융합되는 것이 가능하다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 도시한다. 이 필터는 전술한 이미지 센서(203)의 앞 단, 즉 빛이 입력되는 방향에 구비되는 것이 가능하다.
도 4를 참조하면, R, G, B는 각각 적색, 녹색, 청색을 선택적으로 투과시키는 부분을 의미한다. 이와 같은 3색 필터와 함께 내부 광원(207)에서 특정 색을 갖는 가시광선 또는 백색광을 방출하면, 원적외선 정보가 특정 색 정보 또는 밝기 정 보로 변환되는 것이 가능하다.
예를 들어, 내부 광원(207)에서 붉은색 빛을 방출하면 온도가 높은 부분일수록 붉게 표시되는 것이 가능하다. 또한 내부 광원(207)에서 백색광을 방출하면 온도가 높은 부분일수록 밝게 표시되는 것이 가능하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터를 도시한다. 이 필터 역시 전술한 이미지 센서(203)의 앞 단, 즉 빛이 입력되는 방향에 구비되는 것이 가능하다.
도 5를 참조하면, R, G, B는 각각 적색, 녹색, 청색을 선택적으로 투과시키는 부분을 의미하며, NIR은 근적외선을 선택적으로 투과시키는 부분을 의미한다. 이와 같은 4색 필터와 함께 내부 광원(207)에서 근적외선을 방출하면 원적외선 정보를 근적외선 정보로 변환할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 빛의 스펙트럼을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합장치의 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터를 도시한다.

Claims (10)

  1. 이미지 센서;
    상기 이미지 센서가 감지할 수 있는 파장 대역의 빛을 방출하는 내부 광원;
    피사체로부터 입사되는 빛을 가시광선과 원적외선으로 분리하는 스플리터;
    상기 스플리터에서 분리된 원적외선을 감지하며, 상기 원적외선이 감지되면 상기 내부 광원에서 방출되는 빛을 반사하여 상기 이미지 센서로 전달하는 마이크로 캔틸레버; 를 포함하는 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 캔틸레버는,
    상기 원적외선을 흡수하며, 상기 원적외선이 흡수되면 온도가 상승하는 원적외선 감응체;
    상기 원적외선 감응체의 온도 상승에 따라 그 형상이 변형되는 바이메탈; 및
    상기 내부 광원에서 방출되는 빛을 반사하는 반사판; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 가시광선 또는 근적외선을 감지하여 이를 전기적인 신호 로 변환하는 것을 특징으로 하는 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 광원은 백색광을 방출하는 것을 특징으로 하는 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 광원은 특정한 색을 갖는 가시광선을 방출하는 것을 특징으로 하는 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 광원은 근적외선을 방출하는 것을 특징으로 하는 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서의 앞 쪽에 형성되며 적색, 녹색, 또는 청색의 빛만 선택적으로 투과시키는 3색 필터; 가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서의 앞 쪽에 형성되며 적색, 녹색, 청색 또는 근적외선 대역의 빛만 선택적으로 투과시키는 4색 필터; 가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스플리터는 상기 피사체로부터 반사되는 빛 중 상기 가시광선은 통과시키고 상기 원적외선은 반사시키는 것을 특징으로 하는 가시광선 이미지와 원적외선 이미지를 광학적으로 융합하는 장치.
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