KR102323136B1

KR102323136B1 - 플로우스캔 방식을 적용한 3d edof 스캐닝 장치

Info

Publication number: KR102323136B1
Application number: KR1020210002082A
Authority: KR
Inventors: 윤진환
Original assignee: 주식회사 오엠에스
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2021-11-10

Abstract

본 발명의 실시 형태는 광학 축(Z축) 상에 배치되는 복수개의 렌즈; 상기 렌즈들에 대해서 연장된 초점 심도(EDOF)를 가지도록 동작시키며, 상기 연장된 초점 심도를 갖는 렌즈에 의하여 투과하는 결상된 광을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 광학 축(Z축)을 따라 이동변위되는 초점 심도를 구간이동 하며 설정된 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하여 이미지로서 복원하는 All in One Focus Image 이미지 프로세서;를 포함하며, 상기 이미지 프로세서는, 광학 축(Z축)을 따라 스캔구간에 있어서 속도를 등속도를 등속도가 유지되도록 하면서 구간내 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득함을 특징으로 할 수 있다.

Description

플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF 스캐닝 장치{3D EDOF scanning apparatus adapting flow scan}

본 발명은 3D EDOF 스캐닝 장치로서, 플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF 스캐닝 장치에 관한 것이다.

초점 심도(DOF: Depth Of Focus, 이하 'DOF'라 함)는 선명한 이미지를 얻을 수 있는 물체 면(object plane)과 렌즈 사이의 거리 범위 또는 렌즈와 이미지 면(image plane) 사이의 거리 범위를 특정짓는 광학 시스템의 중요한 특성 중의 하나이다. DOF를 결정하는 중요한 요소들은 렌즈의 개구 크기(apatuer size)와 다양한 광학적 렌즈의 수차(aberration) 등이 있다.

박막 렌즈 근사(thin lens approximation)를 이용하는 일반적인 광학 시스템은 레이저 물질 가공, 석판 인쇄술, 광 투사, 특히 마이크로스코프 시스템의 EDOF의 3D이미지 처리 등의 다양한 산업 분야에서 이용하는데 적합하지 않다. 산업분야에서는 일반적인 광학 시스템의 DOF보다 확장된 DOF를 갖는 확장된 All in Focus Image와 이를 재구성한 3D Topology 시스템에 대한 필요성이 증가하고 있다.

확장된 초점 심도(Extended Depth Of Focus: EDOF)를 갖는 광학 시스템(이하 'EDOF 광학 시스템'이라 함)의 해법은 빛의 초점을 맞추는 축대칭의 연장된 초점 심도를 갖는 구간에 있어서 다수의 결상된 이미지 레이어들을 이미지센서에 결상된다중 이미지를 복원하는 이미지프로세서과정과 광학시스템으로 구성되어 확장된 All in Focus Image와 3D Topology Data 제공을 특징으로 한다.

확장 피사계심도(EDOF: Extended Depth-Of-Field) 촬상시스템(즉, 확장초점심도(Extended Depth-Of-Focus)라고도 함)은 보편적으로 마크로 광학시스템 바이오메트릭스(예컨대, 홍채 인식) 시스템, 휴대폰의 카메라렌즈 모듈 뿐만 아니라 특히 고배율 마이크로 광학시스템에서 DOF가 매우 좁기 때문에 이를 개선 발전한 3D 마이크로스코프 시스템, 반도체 자동화검사의 다양하고 보편적인 응용에서 사용요구가 증가하고 있다. EDOF 촬상시스템(imaging system)의 광학시스템은 보통 하나 이상의 렌즈 요소를 포함하거나 입사 동공에 정렬되어 복합 파면 형상을 제공하는 비원형 대칭 "파면 코딩(wavefront coding)" 플레이트를 포함한다.

기존의 확장피사계심도(EDOF)를 이용하기 위하여 보다 많은 다중의 결상된 이미지 획득이 필연적이나 이 구간에서 Scan 시간을 단축시키는데 한계가 있다.

한국등록특허 10-1610975

본 발명의 기술적 과제는 확장 피사계심도(EDOF)를 이용한 이미지 처리시에 이미지 획득 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 수단을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시 형태는, Z축의 광학 축 상에 배치되는 복수 개의 렌즈; 상기 복수 개의 렌즈에 대해서 연장된 초점 심도(EDOF)를 가지도록 동작시키며, 상기 연장된 초점 심도를 갖는 상기 복수 개의 렌즈에 의하여 투과하는 결상된 광을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 및 상기 광학 축을 따라 이동 변위되는 상기 연장된 초점 심도의 이동속도를 가속도로 증가시키면서 구간 이동시키며, 설정된 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하여 이미지로서 복원하는 이미지 프로세서;를 포함하되, 상기 이미지 프로세서는, 상기 가속도로 증가되는 상기 연장된 초점 심도의 이동속도가 기설정 속도에 도달하면, 상기 광학 축을 따라 스캔 구간 내의 다중 초첨된 결상 이미지의 획득시 상기 스캔 구간 내에서 정지하지 않고 상기 연장된 초점 심도의 이동속도를 일정하게 유지하면서 상기 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하여 연속적인 캡쳐를 진행하며, 상기 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하다가 설정된 리미트(limit)에 도달하면 캡쳐 동작을 중지하고, 상기 이미지 프로세서의 스캔 시간을 상기 스캔 구간 내에서 50~70%로 줄이는 것을 특징으로 하는 플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF(3-Dimension Extended Depth-Of-Field) 스캐닝 장치를 제공할 수 있다.

상기 이미지 프로세서는, 광학 축(Z축)을 따라 스캔구간내 다중초점된 결상이미지의 획득시 이동속도가 스캔구간내에서 멈추지 않고 연속적 캡쳐 프로세스를 진행함으로써, 가감속시 발생되는 Scan Delay를 제거할 수 있다.

삭제

상기 이미지 프로세서는, 미리 설정된 1차 캡쳐 구간에서는, 광학 축(Z축)을 따라 이동변위되는 초점 심도를 미리 설정된 가속도로서 증가시키며, 상기 1차 캡쳐 구간이 종료된 후에는, 광학 축(Z축)을 따라 이동변위되는 초점 심도를 등속도로 유지하며 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득할 수 있다.

삭제

이러한 전기신호는 올인 포커스 이미지(All in Focus Image)와 순차적 이동거리 함수값의 재배열을 통해 3D 토폴로지(Topology)로 구현될 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면 플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF 스캐닝을 적용함으로써, 기존 스캔방식과 비교할 때 이미지 처리 속도 향상을 가져올 수 있다.

또한 본 발명의 실시 형태에 따르면 EDOF 스캐닝시에 스톱 단계를 없애고 2단계 이동속도로서 스캔할 수 있어, 신속한 스캔이 가능하게 된다.

도 1은 광학 줌 렌즈부의 구동을 보여주는 그림.
도 2는 자동 초점(auto focus) 조절기능을 가진 카메라 모듈을 간략하게 나타낸 그림.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF 스캐닝 장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF 스캐닝이 이루어지는 캡쳐 순간을 도시한 그림.
도 5는 일반 스캐닝 방식과 본 발명의 플로우 스캐닝 방식의 프로세싱 차이를 도시한 그림.

이하, 본 발명에 따른 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다.

도 1은 광학 줌 렌즈부의 구동을 보여주는 그림이며, 도 2는 자동 초점(auto focus) 조절기능을 가진 카메라 모듈을 간략하게 나타낸 그림이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF 스캐닝 장치의 구성도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF 스캐닝이 이루어지는 캡쳐 순간을 도시한 그림이며, 도 5는 일반 스캐닝 방식과 본 발명의 플로우 스캐닝 방식의 프로세싱 차이를 도시한 그림이다.

기존의 EDOF시 Processing은 스캔구간내 All in Focus Image의 획득을 위하여 가속, 감속, 정지, 이미지획득으로 결상된 다중 이미지 획득 수만큼 위의 반복적인 다중사이클을 필요하게 된다. 특히 요구 이미지수량이 증가할수록 반복된 Cycle로 높은 Scan Delay를 가지게 된다.

이에 반해 본 발명은 획기적으로 Scan구간내 반복적인 가감속,정지의과정을 삭제한 One Cycle 통하여 연속적인 캡쳐(Capture)가 가능한 “Flow Scan방법“으로 Scan구간에서 Delay시간을 줄여 최소 50%이상 스캔시간을 낮출 수 있다.

본 발명의 설명에 앞서 EDOF(Extended Depth of Field)의 이해를 돕기 위하여 광학 줌 렌즈부의 구동 모습과 자동 초점 조절 모습을 도 1 및 도 2를 참고하여 설명하기로 한다.

기존의 4군의 렌즈군으로 구성된 줌 렌즈의 구성을 간략하게 도시한 도 1을 참고하면, 도 1(a)는 광각단(wide단)에서의 줌 렌즈의 모습이고, 도 1(b)는 망원단(tele단)에서의 줌 렌즈의 모습이다.

광학 줌 렌즈부는 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2), 제3렌즈(L3), 제4렌즈(L4)로 구성된다. 광학 줌 렌즈부에서는 줌부(110) 및 초점조절부(130)를 포함하고, 줌부(110)는 배율을 변화시키기 위한 주밍(zooming) 렌즈군과 주밍 렌즈군의 이동에 따라 변화된 상면의 위치를 고정시키기 위한 보정(compensator) 렌즈군이 필요하다.

도 1에서 배율을 변화시키기 위한 주밍(zooming) 렌즈군은 제2렌즈(L2)로서, 제2렌즈(L2)가 이동하면서 줌 렌즈의 배율을 변화시킨다. 도 1(a)에서는 광각단일 때 제2렌즈(L2)가 제1렌즈(L1)에 인접하여 위치하는 것을 확인할 수 있고, 도 1(b)에서는 망원단일 때 제2렌즈(L2)가 제3렌즈(L3)에 인접하여 위치하는 것을 확인할 수 있다. 보정 렌즈군은 제1렌즈(L1) 및 제3렌즈(L3)이다.

초점조절부(130)는 제4렌즈(L4)로서 렌즈가 화살표 방향으로 이동하는 구조이다. 이를 구현하기 위한 렌즈의 이동 궤적은 광학적 계산을 통해 광학 배율 및 모터의 이동량에 크게 제약을 받는다. 또한, 줌부(110) 및 초점조절부(130)를 위한 모터가 각각 두 개 필요하며, 이에 대해서는 피에조(piezo) 모터 또는 스텝핑(stepping) 모터를 이용할 수 있다.

자동 초점(auto focus) 조절기능을 가진 카메라 모듈을 도시한 도 2를 참고하면, 배럴(220)에 다수의 렌즈를 포함하는 렌즈부(210)가 삽입되어 렌즈부(210)는 배럴(220)에 의해 보호되며, 이러한 배럴(220)에는 VCM(Voice Coil Motor) 또는 피에조 모터 등이 연결되어 렌즈부(210)의 물체 거리에 따른 상면 위치를 변화시켜 이러한 렌즈부(210)의 이동을 통해 초점 조절한다.

렌즈부(210)를 통과한 광이미지는 이미지 센서(230)에서 전기적 신호로 변환되고, 이미지 센서(230)의 후면에는 에폭시(epoxy) 등의 접착제에 의해 인쇄회로기판(240)이 부착된다.

최근에는 자동 초점(auto focus) 조절기능을 도 2에서 도시된 바와 다르게 렌즈의 이동이 없이 카메라 모듈의 피사계 심도(depth of field)를 확장하는 EDOF(Extended Depth of Field)기술을 이용하여 이미지 프로세싱을 통해 수행할 수 있다. EDOF(Extended Depth of Field)기술을 이용하는 경우, 실시간으로 근거리와 원거리의 물체 모두 초점 조절된 영상을 한 화면에서 얻을 수 있다.

본 발명의 플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF 스캐닝 장치는, 도 3에 도시한 바와 같이 광학 축(Z축) 상에 배치되는 복수개의 렌즈(310)와, 렌즈들에 대해서 연장된 초점 심도(EDOF)를 가지도록 동작시키며 연장된 초점 심도를 갖는 렌즈에 의하여 투과하는 결상된 광을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서(320)와, 광학 축(Z축)을 따라 이동변위되는 초점 심도를 다르게 하며 설정된 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하여 이미지로서 복원하는 이미지 프로세서(330;All in One Focus Image Processor)를 포함하는데, 특히 본 발명의 이미지 프로세서(330)는, 광학 축(Z축)을 따라 스캔구간에 있어서 속도를 등속도가 유지되도록 하면서 구간내 캡쳐구기마다 전기적 신호를 획득하도록 구현한다. 이하 상술하기로 한다.

렌즈(310)는, 광학 축(Z축) 상에 복수개로서 배치된다. 예를 들어, 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2) 및 제3렌즈(L3)로 구성되며, 배율을 변화시키기 위한 렌즈는 제2렌즈(L2)로서, 제2렌즈(L2)가 이동하면서 줌 렌즈의 배율을 변화시키고 광각단일 때와 망원단일 때의 제2렌즈(L2)의 위치는 도 1과 동일할 수 있다. 이러한 렌즈는 피에조(piezo) 모터 또는 스텝핑(stepping) 모터를 이용하여 렌즈를 이동시킬 수 있다. 또한 렌즈 개수는 상기 외에도 다양할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

참고로, 복수개로 배치되는 렌즈들은 초점 곡선 상의 점들과 렌즈의 개구 상의 점들 사이의 광선 대응 규칙(Ray Correspondence Rule: 이하 'RCR'이라 함)을 가진다. RCR은 초점 곡선 상의 모든 선택된 점들에 대하여 초점 곡선의 선택된 점들로 정확하게 빛의 초점을 맞추는 렌즈의 개구 상의 점들의 집합이 존재하는 것을 의미한다. 그러므로 렌즈들은 각각의 렌즈 레이어가 다른 점으로 빛의 초점을 맞추는 렌즈 레이어들의 위치에 상관되어 동작한다. 렌즈 레이어들의 각 점의 초점 거리를 순간 초점 거리(instant focal distance)라 한다.

이미지 센서(320)는 렌즈를 투과한 광을 전기적 신호로 변환한다. 이미지 센서의 후면에는 에폭시(epoxy) 등의 접착제에 의해 인쇄회로기판이 부착된다. 또한, 이미지 신호 처리부(Image Signal Process: ISP)(도시되지 않음)는 이미지 프로세싱을 통해 EDOF 기술로 피사체의 초점이 조절되게 전기적 신호를 변환할 수 있다.

본 발명의 이미지 센서(320)는, 렌즈들에 대해서 연장된 초점 심도(EDOF)를 가지도록 동작시키며, 연장된 초점 심도를 갖는 렌즈에 의하여 투과하는 결상된 광을 전기적 신호로 변환시킨다. 상술하면, CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide- Semiconductor) 등의 촬상 소자를 이용하여 광학계(OPS)로부터의 빛을 전기적 아날로그 신호로 변환시킨다. 그리고 CDS-ADC(Correlation Double Sampler and Analog-to-Digital Converter) 소자를 이용하여 광전 변환 모듈(OEC)로부터의 아날로그 신호를 처리하여, 그 고주파 노이즈를 제거하고 진폭을 조정한 후, 디지털 신호로 변환시킨다. 렌즈에 의하여 투과하는 결상된 광이 변환된 전기적 신호는, All in Focus Image와 다시 순차적 이동거리함수값을Image Pixel Metrics 통하여 재 배열을 통하여 3D Topology를 구현할 수 있다.

이미지 프로세서(330)는, 광학 축(Z축)을 따라 이동변위되는 초점 심도를 다르게 하며 설정된 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하여 이미지로서 복원하는데, 광학 축(Z축)을 따라 이동변위되는 초점 심도의 속도를 등속도가 유지되도록 하면서 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하도록 한다. 즉, 이미지 프로세서(330)는, 광학 축(Z축)을 따라 스캔간내 다중초점된 결상이미지의 획득시 이동속도가 스캔구간내에서 멈추지 않고 연속적 캡쳐 프로세스를 진행함으로써 가감속시 발생되는 Scan Delay를 제거할 수 있다.

상술하면, 이미지 프로세서(330)는, 광학 축(Z축)을 따라 이동변위되는 초점 심도의 이동속도가 설정된 최고속도에 도달할 때까지 본격적으로 캡쳐(capture)를 하는데, 이러한 캡쳐는 스캔구간이 끝날때까지 지속적으로 이루어지면 캡쳐되도록 한다. 즉, 도 4(b)에 도시한 바와 같이 광학 축(Z축)을 따라 이동변위되는 초점 심도의 이동속도를 가속도로 증가시켜 설정된 속도에 도달하면 등속도를 유지하며 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하도록 한다. 미리 설정된 1차 캡쳐 구간에서는, 광학 축(Z축)을 따라 이동변위되는 초점 심도를 미리 설정된 가속도로서 증가시키며, 1차 캡쳐 구간이 종료된 후에는, 광학 축(Z축)을 따라 이동변위되는 초점 심도를 등속도로 유지하며 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하는 것이다. 등속도로 유지하며 캡쳐하다가 설정된 Top limit에 도달하면 캡쳐를 멈추게 된다.

기존의 도 4(a)에 도시한 바와 같이 Image EDOF시 Processing은 3단계는, 광학 축(Z축) Move Stop Capture로 이미지 캡쳐(Image Capture)를 하기 위하여 가감속 후 Stop 구간을 가져, Image 획득이 많을수록 필연적으로 감속 및 가속 높은 Delay %비율을 차지하게 된다.

기존의 도 4(a)에 도시한 바와 같이 Image EDOF시 Processing은 All in FocusImage를 얻기위하여 가감속 후 Stop 구간을 가져, Image 획득에 있어 Scan구간이연장될수록 필연적으로 감속 및 가속 높은 Delay %비율을 차지하게 된다.

이에 반해 본 발명은 도 4(b)에 도시한 바와 같이 획기적으로 Scan Processing과정을 단순화를 통화여 연속적인 캡쳐(Capture)가 가능한 Flow Scan 방식을 통하여 동일구간에서 Delay구간을 제거하여 최소 50%이상 Scan 시간을 낮출 수 있게 된다. 따라서 도 5에 도시한 바와 같이 기존 스캔방식과 비교할 때, 이미지 처리 속도 향상을 가져올 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

310:렌즈
320:이미지 센서
330:이미지 프로세서

Claims

Z축의 광학 축 상에 배치되는 복수 개의 렌즈;
상기 복수 개의 렌즈에 대해서 연장된 초점 심도(EDOF)를 가지도록 동작시키며, 상기 연장된 초점 심도를 갖는 상기 복수 개의 렌즈에 의하여 투과하는 결상된 광을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 및
상기 광학 축을 따라 이동 변위되는 상기 연장된 초점 심도의 이동속도를 가속도로 증가시키면서 구간 이동시키며, 설정된 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하여 이미지로서 복원하는 이미지 프로세서;를 포함하되,
상기 이미지 프로세서는,
상기 가속도로 증가되는 상기 연장된 초점 심도의 이동속도가 기설정 속도에 도달하면, 상기 광학 축을 따라 스캔 구간 내의 다중 초첨된 결상 이미지의 획득시 상기 스캔 구간 내에서 정지하지 않고 상기 연장된 초점 심도의 이동속도를 일정하게 유지하면서 상기 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하여 연속적인 캡쳐를 진행하며, 상기 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하다가 설정된 리미트(limit)에 도달하면 캡쳐 동작을 중지하고,
상기 이미지 프로세서의 스캔 시간을 상기 스캔 구간 내에서 50~70%로 줄이는 것을 특징으로 하는 플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF(3-Dimension Extended Depth-Of-Field) 스캐닝 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 전기적 신호는 올인 포커스 이미지(All in Focus Image)와 순차적 이동 거리 함수값의 재배열을 통해 3D 토폴로지로 구현되는 플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF 스캐닝 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 이미지 프로세서는,
미리 설정된 1차 캡쳐 구간에서는 상기 광학 축을 따라 이동변위되는 초점 심도를 미리 설정된 가속도로서 증가시키며,
상기 1차 캡쳐 구간이 종료된 후에는 상기 광학 축을 따라 이동변위되는 초점 심도를 등속도로 유지하며 캡쳐 주기마다 전기적 신호를 획득하는 플로우스캔 방식을 적용한 3D EDOF 스캐닝 장치.