KR101566193B1

KR101566193B1 - 동적 기구에 대한 향상된 제어특성을 갖는 디지털 카메라

Info

Publication number: KR101566193B1
Application number: KR1020080138247A
Authority: KR
Inventors: 장영수; 박성
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2015-11-05
Also published as: KR20100079701A

Abstract

본 발명에서는 동적 기구에 대한 향상된 제어특성을 갖는 디지털 카메라가 개시된다. 상기 디지털 카메라는 동적 기구부를 구동하는 액츄에이터와, 액츄에이터에 대해 PWM 구동신호를 인가하는 것으로, PWM 구동신호의 온(on) 전압과 듀티비(duty ratio)를 가변적으로 제어하는 PWM 구동제어부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 구동력의 관점과 제어 분해능의 관점을 고려하여 현재의 동작모드에 따라 구동신호의 파형을 적응적으로 가변화시킬 수 있는 디지털 카메라가 제공된다.

Description

동적 기구에 대한 향상된 제어특성을 갖는 디지털 카메라{Digital camera having improved control-performance for driving mechanism}

본 발명은 디지털 카메라에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 구동력의 관점과 제어 분해능의 관점을 고려하여 현재의 동작모드에 따라 구동신호의 파형을 적응적으로 가변화시킬 수 있는 디지털 카메라에 관한 것이다.

최근 기술의 발전에 수반하여, 렌즈나 이미지 센서를 움직여서 이물질 제거(dust reduction)을 수행하고, 사람의 손떨림에 대해 자이로 센서의 정보를 가지고 렌즈나 이미지 센서를 움직여서 흔들림 없는 영상을 획득할 수 있는 디지털 카메라가 개발되고 있다. 렌즈나 이미지 센서를 움직이는 방법에는 DAC(Digital to Analog Converter)를 사용하거나 PWM(Pulse Width Modulation) 방식이 적용되고 있다.

이러한 제어방식에 의하면, DAC 또는 PWM 소자에 입력되는 전원단의 전압레벨이 낮은 경우에는 제어 분해능(resolution)은 높일 수는 있으나 구동력(power)이 낮아지고, DAC 또는 PWM 소자에 입력되는 전원단의 전압레벨이 높은 경우에는 구동력은 높지만 제어 분해능이 낮아지게 된다.

본 발명의 목적은 구동력의 관점과 제어 분해능의 관점을 고려하여 현재의 동작모드에 따라 구동신호의 파형을 적응적으로 가변화시킬 수 있는 디지털 카메라를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 디지털 카메라는,

동적 기구부를 구동하는 액츄에이터; 및

상기 액츄에이터에 대해 PWM 구동신호를 인가하는 것으로, PWM 구동신호의 온(on) 전압과 듀티비(duty ratio)를 가변적으로 제어하는 PWM 구동제어부;를 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 PWM 구동제어부는,

목표 온(on) 전압 및 목표 듀티비에 관한 제1 제어신호와 제2 제어신호를 출력하는 제어부;

상기 제1 제어신호에 따라 가변전압을 출력하는 전압조정부; 및

상기 가변전압에 따라 온(on) 전압을 조정하는 한편으로, 상기 제2 제어신호에 따라 PWM 구동신호의 듀티비를 조정하는 PWM 신호 발생부;를 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 동적 기구부는 피사체의 영상이 유입되는 렌즈부와, 피사체의 영상을 촬상하는 이미지 센서 중에서 적어도 하나를 포함한다.

바람직하게, 상기 PWM 구동제어부는 현재의 동작모드에 따라 PWM 구동신호의 온(on) 전압을 조정한다. 이때, 상기 동적 기구부에 대한 정밀한 제어가 요구되는 제1 동작모드의 온 전압(Von1)과, 상기 동적기구부의 신속한 응답 또는 큰 이동량이 요구되는 제2 동작모드의 온 전압(Von2)은 Von1 < Von2 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 상기 제1 동작모드는 카메라의 흔들림을 보상하기 위한 영상 안정화 모드를 포함하고, 상기제2 동작모드는 렌즈 면 상의 이물질을 제거하기 위한 진동 모드를 포함한다.

본 발명의 디지털 카메라에 의하면, 렌즈부나 이미지 센서와 같은 동적 기구물을 구동함에 있어 구동력 관점과 제어 분해능의 관점을 고려하여 구동신호의 파형을 최적화시킨다. 따라서, 구동력이 요구되는 환경에서는 구동신호의 전압레벨을 높이고, 정밀한 제어 분해능이 요구되는 환경에서는 구동신호의 전압레벨을 낮춤으로써 현재의 동작모드에 따라 구동신호의 파형을 적응적으로 가변시킬 수 있다.

이하, 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서를 통하여 디지털 카메라란 사용자가 소지하고 이동할 수 있도록 모바일 환경에 적합하게 설계되는 한편으로, 적정의 촬영기능을 갖춘 모바일 기기로서, 단순히 카메라라는 형태적인 특징에 기반하여 분류된 협의의 카메라만을 의미하는 것은 아니며, 이외에도 캠코더, 휴대폰, PDA 등과 같이 휴대성과 촬영기능을 겸비한 모바일 기기들을 모두 포괄하는 광의적인 의미로 사용된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 관한 디지털 카메라의 전체적인 구조를 보여주는 블록 구성도이다. 도면을 참조하면, 상기 디지털 카메라는 피사체의 영상을 촬상면에 대해 결상시키기 위한 렌즈부(110)와, 상기 렌즈부(110)를 경유한 피사체 영상을 전기적인 영상신호로 변환하기 위한 이미지 센서(120), 상기 이미지 센서(120)의 출력신호를 처리하여 양자화된 디지털 영상신호로 변환하기 위한 아날로그 프론트엔드(125, Analog Front End; AFE) 회로, 영상처리를 위한 작업영역을 제공하도록 영상신호를 일시적으로 저장하는 DRAM(140, Dynamic Random Access Memory), 피사체의 영상 데이터가 정지영상 또는 동영상 파일 형태로 저장되는 기록매체(135), 그리고 전반적인 데이터 흐름과 각 구성부분들을 총괄적으로 제어하는 디지털 신호 처리기(150,Digital Signal Processor)를 포함한다.

상기 렌즈부(110)는 광축 방향을 따라 전후 이동하며 촛점 거리를 변화시키는 줌 렌즈(미도시)나, 이미지 센서(120)에 결상되는 피사체 영상의 촛점을 조절하는 포커스 렌즈(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 이미지 센서(120)는, 예를 들어, CCD(Charged Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로서, 렌즈부(110)를 경유하여 입사된 피사체의 영상을 전기적인 화상 신호로 변환한다. 상기 렌즈부(110)와 이미지 센서(120)는 VCM 모터(170, Voice Coil Motor)의 구동에 따라 손떨림으로 발생되는 영상의 흔들림을 보정하기 위해 광축의 수직면 상에서 이동하며 피사체의 결상 위치를 고정시켜주는 안정 안정화(OIS) 동작을 수행할 수 있다. 또한, 상기 렌즈부(110) 등은 VCM 모터(170)의 구동력에 따라 높은 주파수로 진동하면서 렌즈 면에 부착된 이 물질들을 강제적으로 탈락시키는 진동 동작을 수행할 수 있다. 상기 렌즈부(110)와 이미지 센서(120)는 VCM 모터(170)의 구동에 따르는 동적 기구물로서, 영상 안정화 동작을 수행하는 주체가 되고, 진동동작을 수행하여 렌즈 면 등에 부착된 먼지 등을 효과적으로 제거할 수 있다. 다만, 도시된 일 실시형태에서는 렌즈부(110)와 이미지 센서(120)가 모두 VCM 모터(170)의 구동대상이 되는 동적 기구물로 도시되어 있으나, 이는 본 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 것이 아니며, 예를 들어, 렌즈부(110) 또는 이미지 센서(120) 중에 어느 하나만이 동적 기구물로 편성되더라도 본 발명의 기술적 원리는 사실상 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 상기 VCM 모터(170)는 동적 기구물을 구동하기 위한 액츄에이터의 일 예시로서, 미도시된 구동코일과 마그네트의 쌍으로 이루어질 수 있으며, VCM 모터(170)를 대신하여 DC 모터 또는 스탭 모터 등 다른 종류의 액츄에이터가 적용될 수도 있음은 물론이다.

상기 아날로그 프론트엔드 회로(125, AFE 회로)는 이미지 센서(120)의 출력 신호에 대해, CDS(Correlated Double Sampling) 처리와 ADC(Analog Digital Conversion) 처리를 수행함으로써, 이미지 센서(120)로부터 출력된 아날로그 화상 신호를 디지털 영상 신호로 변환한다. 디지털 영상 신호는 인코더/디코더(130)로 전달되어, 규정된 압축방식에 따라 부호화 데이터로 변환된 후 기록매체(135)에 저장된다. 상기 DRAM(140, 또는 SDRAM)은 인코더/디코더(130)와 디지털 신호 처리기(150)의 데이터 처리를 위한 작업영역을 제공한다.

상기 디지털 신호 처리기(150)는 EEPROM(155,Electrically Erasable and Programmable ROM)에 기록된 프로그램을 실행하고, 디지털 카메라의 각 구성요소들을 총괄적으로 제어한다. 특히, 상기 디지털 신호 처리기(150)는 PWM 구동제어부(160)를 개재하여 상기 렌즈부(110) 및/또는 이미지 센서(120) 등의 동적 기구물의 동작을 제어하는 기능을 한다.

영상 안정화를 위한 OIS 동작과 관련하여, 상기 디지털 카메라는 자이로 센서(191), 홀 센서(181), 그리고, 이들의 출력 측에 배치되는 자이로 필터(193) 및 홀 필터(183)를 포함한다. 상기 자이로 센서(191)는 수평축과 수직축에 대한 카메라의 각 속도를 검출해내고, 특정대역에 대한 선택특성을 갖는 자이로 필터(193)를 거쳐서 필요성분만을 추출해낼 수 있다. 그리고, 이어서 배치된 연산기(195)에서 적정의 적분처리를 거쳐 카메라의 흔들림 양이 산출되고 디지털 신호 처리기(150)로 전달된다. 상기 홀 센서(181)는 렌즈부(110, 또는 이미지 센서 120, 이하 같다.)의 현 위치에 관한 좌표값을 검출해내고, 현 위치에 관한 검출신호는 노이즈 성분을 제거하는 홀 필터(183)를 거쳐서 디지털 신호 처리기(150)로 전달된다.

상기 디지털 신호 처리기(150)는 자이로 센서(191)에서 출력되는 흔들림 양을 포착하고, 포착된 흔들림을 상쇄하기 위한 렌즈부(110)의 목표위치를 산출해내며, 홀 센서(181)에서 출력되는 렌즈부(110)의 현 위치와 비교한 결과에 따라 목표위치와 현 위치의 차이에 해당되는 만큼의 제어신호를 PWM 구동제어부(160)에 출력한다.

도 2에는 PWM 구동제어부(160)의 상세한 구성이 도시되어 있다. 도면을 참조 하면, 상기 PWM 구동제어부(160)는 VCM 모터(170)로 출력될 PWM 구동신호를 생성하며, 제어부(161), 전압조정부(163), 그리고 PWM 신호 발생부(165)를 포함한다. 상기 제어부(161)는 디지털 신호 처리기(150)의 지시에 따라 VCM 모터(170)로 출력될 PWM 구동파형의 목표전압과 목표듀티비를 산출한다. 그리고, 목표전압을 정의하는 제1 제어신호를 전압조정부(163)로 출력하는 한편으로, 목표듀티비를 정의하는 제2 제어신호를 PWM 신호 발생부(165)로 출력한다. 상기 전압조정부(163)는 제1 제어신호에 비례하는 가변전압을 생성하여 PWM 신호 발생부(165)로 출력한다. 상기 PWM 신호 발생부(165)는 목표듀티를 지시하는 제2 제어신호와, 목표전압을 지시하는 전압조정부의 가변전압을 이용하여 목표전압과 목표듀티를 갖는 PWM 구동신호를 생성한다. 도면으로 도시되어 있지는 않지만, 예를 들어, 상기 PWM 신호 발생부(165)는 제2 제어신호에 비례하는 주파수를 갖는 아날로그 정현파를 신호파형으로 하고, 일정한 주파수의 삼각파를 반송파형으로 하여 비교기에 입력하고 그 대소관계에 따라 구동전원과 연결된 스위칭 소자를 온/오프 구동하며, 이때 상기 전압조정부로부터의 가변전압을 구동전원으로 활용함으로써 목표듀티비와 목표전압을 갖는 PWM 구동신호를 생성해낼 수 있다.

본 발명의 디지털 카메라에 의하면, VCM 모터(170)에 인가되는 PWM 구동신호의 듀티비와 전압레벨을 모두 가변화시킴으로써 현재의 요구조건에 따라 구동환경을 최적화시킬 수 있다. 예를 들어, 렌즈부(110) 등의 동적 기구물이 신속한 속도로 이동될 필요가 있거나 스트로크를 증가시킬 필요가 있을 때에는 PWM 구동신호의 전압레벨을 높이고 구동력을 극대화시킴으로써 구동의 응답성과 스트로크를 증가시 킬 수 있다. 반면에, 렌즈부(110) 등의 동적 기구물을 정밀하게 제어할 필요가 있을 때에는 PWM 구동신호의 전압레벨을 최소화하여 제어 분해능을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 정밀한 제어가 가능하게 된다.

만일 PWM 구동신호의 전압레벨이 일정한 정 전압으로 고정된다면, 즉, PWM 구동신호를 생성하는 전원단이 일정하게 고정되면, 제어 분해능은 듀티비를 조정하는 제어신호(ex. 제2 제어신호)의 n bit로 제한되며, 단위 bit 당의 이동량을 더욱 세밀하게 제어할 수 없게 된다. 또한, 고정된 전원단의 전압레벨에 따라서는 최대 n bit(full bit)의 제어신호(ex. 제2 제어신호)에도 불구하고 동적 기구물이 요구되는 스트로크(stroke)에 이르지 못하거나, 또는 응답성능이 요구수준을 충족시키지 못하는 문제도 발생된다. 본 발명에서는 요구되는 구동조건에 맞추어 PWM 구동신호의 듀티비는 물론이고 전압레벨까지 가변시킬 수 있으므로, 충분한 구동력과 정밀한 제어 분해능을 요구상황에 맞게 선택할 수 있고, 전압조정부의 가변전압으로 전원단을 변화시킴으로써 소비전력을 절감시킬 수 있는 효과도 수득할 수 있다.

상기 렌즈부(110) 또는 이미지 센서(120)의 동적 기구물을 가동하는 동작모드로는, 영상 안정화를 위한 OIS 모드와, 광학렌즈에 부착된 이물질을 제거하기 위한 진동모드가 예시될 수 있다. 상기 OIS 모드는 손떨림으로 발생되는 영상의 흔들림을 보정하기 위해 동적 기구물을 이동시키면서 피사체의 결상위치를 고정시키기 위한 동작모드이다. 상기 진동모드는 동적 기구물을 빠르게 진동시킴으로써 렌즈 면상에 부착되어 있는 이물질을 강제로 탈락시키기 위한 동작모드이다.

상기 제어부(161)는 현재의 동작모드를 확인하고, OIS 모드로 판단되면 PWM 구동신호의 온(on) 전압을 낮춤으로써 동적 기구물이 높은 분해능으로 제어될 수 있도록 한다. OIS 모드에서는 미세한 손떨림을 감지하고, 이를 상쇄시키기 위해 기구물을 목표위치로 정밀하게 제어하는 것이 필수적이므로, PWM 구동신호의 온(on) 전압을 낮추어 제어신호의 단위 bit 당의 제어 분해능을 높이는 것이 바람직할 것이다. 도 3에는 제어신호의 bit 수에 따른 동적 기구물의 이동량이 도시되어 있는데, 각기 프로파일 S1, S2는 온 전압을 저 전압/고전압으로 조종했을 때의 동적 기구물의 이동량을 보여준다. 단위 bit 당의 이동량을 비교하면, 저 전압에서의 이동량(d1)이 고 전압에서의 이동량(d2) 보다 휠씬 적다는 것을 확인할 수 있다. 즉, PWM 구동신호의 온(on) 전압을 저 전압으로 조정함으로써 단위 bit 당의 제어 분해능이 그만큼 향상될 수 있는 것이다.

상기 진동 모드에서는 렌즈 면에 부착된 이물질을 제거함으로써 이물질로 인한 광학적인 간섭을 방지하기 위한 목적으로, 렌즈부(110)를 단위 시간당 높은 진동수와 많은 이동량으로 구동시킬 것이 요구된다. 즉, 진동모드에서는 동적 기구물을 활발하게 진동시키도록 PWM 구동신호의 온(on) 전압을 높임으로써 단위 bit 당 속도 및 구동력을 높이는 것이 바람직하다. 도 3에서 확인할 수 있듯이, 제어신호의 단위 bit 당의 이동량은, 저 전압(d1)에서 보다 고 전압(d2)에서 휠씬 크다는 것을 알 수 있고, 그 만큼 단위 bit 당의 구동력이 높아질 수 있다.

결론적으로, 상기 제어부(161)는 현재의 동작모드에 따라, OIS 모드에서는 PWM 구동신호의 온(on) 전압을 낮춤으로써 정밀한 구동제어를 도모하고, 진동 모드에서는 PWM 구동신호의 온(on) 전압을 높임으로써 동적 기구물에 가해지는 구동력 을 극대화시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 관한 디지털 카메라의 전체적인 구성을 보여주는 블록 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 PWM 구동제어부의 구성을 보여주는 블록 구성도이다.

도 3은 제어신호 bit 수에 따른 동적 기구물의 이동량을 도시한 도면으로, 각기 PWM의 온(on) 전압이 저 전압/고 전압으로 조정되었을 때의 이동량을 보여주는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 렌즈부 120 : 이미지 센서

125 : 아날로그 프론트엔드 회로 130 : 인코더/디코더

135 : 기록매체 140 : DRAM

150 : 디지털 신호 처리기 155 : EEPROM

160 : PWM 구동제어부 161: 제어부

163 : 전압 조정부 165 : PWM 신호 발생부

170 : VCM 모터 181 : 홀 센서

183 : 홀 필터 191 : 자이로 센서

193 : 자이로 필터 195 : 연산기

Claims

동적 기구부를 구동하는 액츄에이터; 및

상기 액츄에이터에 대해 PWM 구동신호를 인가하는 것으로, PWM 구동신호의 온(on) 전압과 듀티비(duty ratio)를 가변적으로 제어하는 PWM 구동제어부;를 포함하고,

상기 PWM 구동제어부는 현재의 동작모드에 따라 PWM 구동신호의 온(on) 전압을 조정하는 것을 특징으로 하고,

상기 동적 기구부에 대한 정밀한 제어가 요구되는 제1 동작모드의 온 전압(Von1)과, 상기 동적 기구부의 신속한 응답 또는 큰 이동량이 요구되는 제2 동작모드의 온 전압(Von2)은 Von1 < Von2 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 디지털 카메라.
제1항에 있어서,

상기 PWM 구동제어부는,

목표 온(on) 전압 및 목표 듀티비에 관한 제1 제어신호와 제2 제어신호를 출력하는 제어부;

상기 제1 제어신호에 따라 가변전압을 출력하는 전압조정부; 및

상기 가변전압에 따라 온(on) 전압을 조정하는 한편으로, 상기 제2 제어신호에 따라 PWM 구동신호의 듀티비를 조정하는 PWM 신호 발생부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 카메라.
제1항에 있어서,

상기 동적 기구부는 피사체의 영상이 유입되는 렌즈부와, 피사체의 영상을 촬상하는 이미지 센서 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 카메라.
삭제
삭제
제1항에 있어서,

상기 제1 동작모드는 카메라의 흔들림을 보상하기 위한 영상 안정화 모드를 포함하고, 상기제2 동작모드는 렌즈 면 상의 이물질을 제거하기 위한 진동 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 카메라.