KR20060053147A - 촬상 장치 및 촬상 방법 - Google Patents

촬상 장치 및 촬상 방법 Download PDF

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Abstract

촬상 장치가 촬상 렌즈를 사용할 때, 촬상 장치의 크기는 촬상 렌즈의 크기에 대응하는 양만큼 증가되고, 그의 무게는 촬상 렌즈의 무게에 대응하는 양만큼 증가되고, 더욱이 그의 비용은 촬상 렌즈의 비용에 대응하는 양만큼 증가된다.
대상 화상은 촬상 기구(14)의 화상 표면에 대향하여 배열된 차광부(12) 내에 형성된 복수의 구멍(15)을 통해 촬상 기구(14)의 화상 표면 상에 형성된다. 촬상 기구(14)를 통해 광전 변환에 의해 화상 표면 상의 대상 화상으로부터 생성된 전기 신호는 구멍(15)을 통해 화상 표면 상에 형성된 대상 화상들 사이의 변위를 교정하기 위해 신호 처리 회로(16)에 의한 신호 처리를 받는다.
촬상 장치, 화상 표면, 핀홀, 렌즈, 신호 처리

Description

촬상 장치 및 촬상 방법 {IMAGING APPARATUS AND IMAGING METHOD}
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 장치의 개략적인 기본 구조의 도면.
도2는 렌즈를 사용하는 종래의 광학 시스템의 개념도.
도3은 본 발명에 따른 구멍(핀홀)을 사용하는 광학 시스템의 개념도.
도4는 일차원 모델을 사용하여 대상과 촬상 장치 사이의 관계를 도시하는 도면.
도5는 이차원 모델을 사용하여 대상과 촬상 장치 사이의 관계를 도시하는 도면.
도6은 촬상 렌즈를 사용하는 촬상 장치의 개략적인 기본 구조의 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
12 : 차광부
13 : 암상자
14 : 촬상 기구
15 : 구멍
16 : 신호 처리 회로
17 : 대상
본 발명은 2004년 8월 20일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 JP 2004-240605호의 장점을 청구하고, 이 전체 내용은 본 명세서에 병합되어 있다.
본 발명은 촬상 장치 및 촬상 방법에 관한 것이고, 특히 화상 표면 상에 형성된 대상 화상을 전기 신호로 변환시키기 위한 촬상 기구를 사용하는 촬상 장치 및 촬상 장치의 촬상 방법에 관한 것이다.
촬상 장치로서, 핀홀 카메라가 공지되어 있다. 핀홀 카메라에 따르면, 대상 화상은 암상자의 일 평면 상에 형성된 핀홀로 불리는 구멍을 통해 암상자 내의 필름과 같은 감광 재료 상에 형성된다. 핀홀 카메라의 경우에, 핀홀을 통과하는 약간의 광이 감광 재료 상의 일 지점에 도달한다. 그러므로, 광량이 작다. 저광 조건 하에서의 화상 포착 시에, 핀홀 카메라는 실제로 거의 유용하지 않다.
따라서, 종래의 일반적인 촬상 장치는 촬상 렌즈(101)를 포함한다. 도6에 도시된 바와 같이, 장치는 촬상 기구(102)가 촬상 렌즈(101)의 초점 위치 내에 배열된 구조를 갖고, 촬상 렌즈(101)에 의해 포착된 대상으로부터의 화상 광은 촬상 기구(102)가 광을 전기 신호로 쉽게 변환시키도록 광학 시스템(103)을 통해 광학 처리를 받고, 화상이 촬상 기구(102)의 화상 표면 상에 형성되고, 촬상 기구(102)를 통한 광전 변환에 의해 화상 표면 상의 대상 화상으로부터 생성된 전기 신호는 촬상 기구(102)의 하류에 배열된 신호 처리 회로(104)를 통해 소정의 신호 처리를 받는다.
이러한 유형의 촬상 장치는 자체가 디지털 스틸 카메라로서 사용되어 왔다. 또한, 촬상 장치는 최근에 이동 전화와 같은 소형 휴대용 장치 내로 통합되고 있다. 실제로, 촬상 장치의 크기, 무게, 및 비용의 감소는 장치를 이동 전화 내로 통합하는데 있어서 강력히 요구된다. 달리 말하면, 소형, 경량, 및 저비용의 촬상 장치의 사용은 이동 전화와 같은 소형 휴대용 장치의 크기, 무게, 및 비용 감소에 크게 기여한다.
그러나, 촬상 렌즈(101)를 사용하는 촬상 장치에서, 장치의 크기는 촬상 렌즈(101)의 크기에 대응하는 양만큼 증가되고, 그의 무게는 촬상 렌즈(101)의 무게에 대응하는 양만큼 증가되고, 더욱이 그의 비용은 촬상 렌즈(101)의 비용에 대응하는 양만큼 증가된다. 또한, 주변광량은 촬상 렌즈(101)의 차광으로 인해 감소된다. 대상을 넓은 동적 범위로 촬영할 때, 촬상 기구(102)의 화소들 사이의 신호 전하의 차이가 크다. 그러므로, 넓은 동적 범위를 제공하도록 촬상 기구(102)를 설계하는 것이 필요하다.
본 발명은 상기 문제점을 고려하여 이루어졌고, 본 발명의 목적은 크기, 무게, 및 비용 감소를 달성하기 위해 렌즈를 필요로 하지 않는 촬상 장치, 및 촬상 장치의 촬상 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대상 화상이 화상 표면에 대향하여 배열된 차광부 내에 형성된 복수의 구멍을 통해 촬상 기구의 화상 표면 상에 형성되는 구조를 갖는 촬상 장치가 제공되고, 촬상 기구를 통한 광전 변환에 의해 화상 표면 상의 대상 화상으로부터 얻어진 전기 신호가 화상 표면 상에 형성된 대상 화상들 사이의 변위를 교정하기 위한 신호 처리를 받는다.
본 발명의 일 실시예가 이제 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명될 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 장치의 개략적인 기본 구조의 도면이다. 도1을 참조하면, 차광부(12)가 케이싱(11)의 개구에 배열되어, 암상자(13)를 형성한다. 촬상 기구(14)가 암상자(13) 내에 배열된다.
촬상 기구(14)는 전하 결합 장치(CCD) 촬상기에 의해 대표되는 전하 전달 촬상 장치, 또는 금속 산화물 반도체(MOS) 촬상기에 의해 대표되는 XY-번지 지정식 촬상 장치와 같은 화소마다의 광전 변환을 위한 장치를 포함한다.
차광부(12) 내에, 핀홀로 불리는 복수의 구멍(15)이 예를 들어 촬상 기구(14)의 화소의 개수만큼 많이 형성된다. 대상(17)으로부터의 광은 구멍(15)을 통과하여, 촬상 기구(14)의 화상 표면 상에 대상 화상을 형성한다.
촬상 기구(14)는 화상 표면 상에 형성된 각각의 대상 화상을 화소마다의 전기 신호로 변환시켜서 신호를 발생시킨다. 신호 처리 회로(16)가 촬상 기구(14)의 하류에 배열된다. 신호 처리 회로(16)는 촬상 기구(14)의 화상 표면 상에 구멍(15)을 통해 형성된 대상 화상들 사이의 변위를 교정하기 위해 촬상 기구(14)로부터 발생된 전기 신호를 처리한다. 신호 처리는 이후에 상세하게 설명될 것이다.
본 실시예에 따른 상기 구조를 구비한 촬상 장치의 촬상 원리가 이제 설명될 것이다.
대상(17)으로부터의 광은 차광부(12) 내의 구멍(15, 핀홀)을 통해 암상자(13) 내로 안내된다. 그 때에, 각각의 구멍(15)은 촬상 기구(14)의 화상 표면 상에 대상 화상을 형성한다. 이러한 경우에, 구멍(15)의 개수에 대응하는 대상 화상이 촬상 기구(14)의 화상 표면 상에 형성된다. 결과적으로, 형성된 대상 화상의 개수, 즉 구멍(15)의 개수에 대응하는 광량이 전체 화상 표면 상에서 얻어진다.
본 실시예에 따른 구멍(15)을 사용하는 광학 시스템이 도2 및 도3을 참조하여 촬상 기구 상의 입사광의 에너지(휘도)에 대해 렌즈를 사용하는 종래의 광학 시스템과 비교될 것이다. 도2는 렌즈를 사용하는 종래의 광학 시스템의 개념도이다. 도3은 본 발명에 따른 구멍(15, 핀홀)을 사용하는 광학 시스템의 개념도이다.
디지털 스틸 카메라 또는 이동 전화 내에서 사용되는 촬상 장치 내의 렌즈의 F수(초점 길이/다이어프램 개구 직경)에 대해, F수는 약 2.8이다. 다른 한편으로, 본 실시예에 따른 촬상 장치 내의 F수는 각각의 구멍(15)의 직경(p)이 3 ㎛이고 차광부(12)와 촬상 기구(14)의 화상 표면 사이의 길이(L)가 3 mm라는 가정에서 다음의 수학식에 의해 얻어진다.
Fa = L/p = 3000 ㎛/3 ㎛ = 1000
그러므로, 본 실시예에 따른, 즉 렌즈 대신에 구멍(15)을 사용하는 F수에 대한 렌즈의 F수, 즉 F=2.8의 비율은 다음의 수학식에 의해 얻어진다.
F/Fa = 2.8/1000
이러한 경우에, 렌즈를 사용하는 경우와 구멍을 사용하는 경우의 촬상 기구 상의 입사광의 에너지의 비율은 다음과 같다.
(F/Fa)2 = 0.00000784
이의 역수는 127,551이다.
예를 들어, 화소 크기가 3 ㎛이고 수평 방향으로의 화소의 개수가 1,000이고 수직 방향으로의 화소의 개수가 1,000이고 화소의 총 개수가 1,000,000인 기구가 촬상 기구(14)로서 사용될 때, 구멍(15)의 개수는 촬상 기구(14) 상의 입사광의 에너지가 F=2.8인 렌즈를 사용하는 광학 시스템 내의 입사광의 에너지에 상응한다는 조건에서 127,551이다.
상기 비교의 결과로부터 명백하게 이해되는 바와 같이, 약 100,000개의 구멍(15)이 차광부(12) 내에 형성되어, 디지털 스틸 카메라 또는 이동 전화 내에서 사용되는 종래의 촬상 장치에 상응하는 광의 에너지(휘도)를 얻는다. 그러므로, 본 실시예에 따르면, 촬상 기구(14)의 화소의 총 개수에 대응하는 구멍(15)이 형성되어, 촬상 기구(14) 상의 입사광의 에너지로서 충분한 에너지를 제공하고, 에너지는 디지털 스틸 카메라 또는 이동 전화 내에서 사용되는 촬상 장치 내의 에너지보다 더 높다.
구멍(15)의 개수에 관한 설명은 전술한 바와 같다. 차광부(12) 내에 구멍(15)들이 형성되는 구멍 형성 영역의 크기에 대해, 중심 내의 화소의 에너지에 상응하는 에너지를 제공하기 위해 광선이 촬상 기구(14)의 유효 화소 영역(촬상 정보에 대해 실제로 사용되는 화소)의 주연부 내에서 화소 상으로 입사되도록 허용하기 위해, 영역의 크기는 촬상 기구(14)의 유효 화소 영역보다 더 크다. 양호하게는, 유효 화소 영역에 대한 구멍 형성 영역의 면적비는 예를 들어 9:1이다.
촬상 기구(14)의 유효 화소 영역에 대한 차광부(12) 내의 구멍 형성 영역의 크기는 또한 촬상 기구(14)의 시야각과, 차광부(12)와 촬상 기구(14)의 화상 표면 사이의 길이(L) 사이의 관계에 의존한다. 예를 들어, 유효 화소 영역이 3 mm (수평) x 3 mm (수직) 및 L = 3 mm라고 가정하면, 시야각이 90°일 때, 차광부(12) 내의 구멍 형성 영역의 면적은 유효 화소 영역의 9배로 크다. 따라서, 유효 화소 영역 내의 모든 화소들 상의 입사광의 에너지는 대체로 균일화될 수 있다.
전술한 바와 같이, 대상 화상들은 구멍(15)을 통해 촬상 기구(14)의 화상 표면 상에 형성되어, 구멍(15)의 개수에 대응하는 광의 에너지가 전체 화상 표면 상에서 얻어질 수 있다. 그러므로, 필요한 광량은 구멍(15)의 개수를 임의로 설정함으로써 얻어질 수 있다. 그러나, 대상 화상들은 형성된 화상들이 구멍(15)들의 피치에 대응하는 변위량만큼 서로에 대해 변위되도록 화상 표면 상에 형성된다. 화상 표면 상에 형성된 대상 화상들 사이의 변위는 신호 처리 회로(16)를 통한 신호 처리에 의해 교정된다.
신호 처리 회로(16)를 통한 대상 화상들 사이의 변위의 교정을 위한 신호 처리의 상세 내용이 이제 아래에서 설명될 것이다.
이해를 쉽게 하기 위해, 도4에 도시된 바와 같은 일차원 모델이 촬상 기구(14)의 일례로서 설명될 것이다. 일차원 모델에서, 화소들은 일차원으로 배열된다. 도4를 참조하면, 도면 부호 L은 차광부(12)와 촬상 기구(14)의 화상 표면 사 이의 길이를 표시하고, P는 구멍(핀홀)들 사이의 피치를 표시하고, p는 각각의 구멍(15)의 직경을 표시하고, A는 개구비(= p/P)를 표시하고, m은 계수를 표시한다. 이러한 경우에, 피치(P)가 화소들 사이의 피치에 상응한다고 가정된다.
촬상 기구(14)의 화소(Si, i는 화소 번호를 표시함)에 공급되는 정보(Si)가 수학식 1에 의해 표현된다.
Figure 112005045563596-PAT00001
여기서, kij는 구멍(15)들 사이의 피치(P) 및 구멍 직경(p)에 의해 정의되는 계수이다.
대상(17)으로부터의 정보(Bj, 근적외선, 적외선, 또는 자외선과 같은 가시광 또는 전자기선을 포함한 광)가 산술 계산에 의해 얻어진다. 정보(Si)가 대상(17)의 휘도에만 관련되면, 휘도 정보가 산술 계산에 의해 정보(Bj)로서 재현될 수 있다. 정보(Si)가 대상(17)의 색에 관련될 때, 색 정보가 산술 계산에 의해 정보(Bj)로서 재현될 수 있다.
휘도 정보만이 있으면, 대상(17)의 휘도 정보(Bj)는 수학식 2에 기초한 산술 계산에 의해 계산될 수 있다. 대상(17)의 색을 재현하기 위해, 적색, 청색, 및 녹색과 같은 여러 종류의 색에 관련된 정보들이 화소의 출력 신호로서 얻어진다. 따라서, 대상(17)의 색 정보는 수학식 2에 기초한 산술 계산에 의해 유사하게 얻어질 수 있다.
Figure 112005045563596-PAT00002
화소 출력 신호로서 색 정보를 얻는 접근법으로서, 모든 공지된 색 분리 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 3-칩 촬상 시스템의 사용을 위한 프리즘에 의한 색 분리를 달성하기 위한 방법, 촬상 기구 상의 칩상(on-chip) 색 필터를 사용하는 방법, 구멍(15) 내에 색 필터를 배열하기 위한 방법, 및 촬상 기구의 화소 부분 내에서 색 분리를 달성하기 위한 방법이 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 신호 처리 회로(16)를 통한 산술 계산에 의해 얻어지는 정보(Bj)는 대상(17)의 휘도 정보 또는 색 정보로서 표시 장치 상에 표시되어, 대상(17)의 화상을 일차원 화상으로서 재현한다.
이해를 쉽게 하기 위해, 일차원 모델이 위에서 일례로 설명되었다. 도5는 이차원 모델을 도시한다. 이차원의 모델의 경우에, 수학식 3 및 수학식 4가 일차원 모델에 대한 수학식 1 및 수학식 2에 각각 대응한다. 신호 처리 회로(16)는 대상(17)의 휘도 정보 또는 색 정보인 정보(Bjk)를 얻기 위해 그러한 수학식에 따른 산술 계산을 수행한다. 정보(Bjk)가 표시 장치 상에 표시될 때, 대상(17)의 화상이 이차원 화상으로서 재현될 수 있다.
Figure 112005045563596-PAT00003
여기서, khijk는 구멍(15)들 사이의 피치(P) 및 구멍 직경(p)에 의해 정의되는 계수이다.
Figure 112005045563596-PAT00004
여기서, f는 다음의 역함수이다.
Figure 112005045563596-PAT00005
전술한 바와 같이, 대상 화상은 촬상 기구(14)의 화상 표면에 대향하여 배열된 차광부(12) 내에 형성된 각각의 구멍(15)을 통해 촬상 기구(14)의 화상 표면 상에 형성된다. 광전 변환에 의해 촬상 기구(14)의 화상 표면 상의 대상 화상으로부터 얻어지는 전기 신호가 신호 처리를 받아서 구멍(15)을 통해 화상 표면 상에 형성된 대상 화상들 사이의 변위를 교정한다. 따라서, 대상의 화상은 촬상 렌즈에 의하지 않고 원하는 광량에서 초점 이탈되지 않고서 포착될 수 있다. 이는 촬상 장치의 크기, 무게, 및 비용의 감소로 이어진다.
더욱이, 임의의 촬상 렌즈가 사용되지 않으므로, 대상이 넓은 동적 범위로 포착될 때, 촬상 기구(14)의 화소들 사이의 신호 전하의 차이가 작다. 따라서, 촬상 기구(14)의 동적 범위는 효과적으로 이용될 수 있다. 또한, 렌즈가 없는 본 촬 상 장치가 적절한 구조를 가지므로, 주연부 화소 상의 입사광량이 감소하는 것이 방지될 수 있다.
본 실시예는 구멍(15)들이 균일한 피치로 차광부(12) 내에 형성된다는 가정으로 설명되었다. 균일한 피치를 제공하는 것이 항상 필요한 것은 아니다. 피치들은 부분적으로 변화될 수 있다.
상기 실시예에서, 신호 처리 회로(16)에 의한 신호 처리는 구멍(15)을 통해 화상 표면 상에 형성된 대상 화상들 사이의 변위의 교정에 관련된다. 대상의 화상을 얻기 위해 변위를 교정하는 상기 신호 처리 이외에, 대상 움직임 감지 및 대상 식별을 포함한 다양한 신호 처리가 또한 수행될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 촬상 장치가 원하는 광량에서 초점 이탈되지 않고서 대상의 화상을 포착할 수 있다. 이러한 실시예의 장치는 촬상 렌즈를 포함하지 않는다. 그러나, 몇몇의 이유로, 예를 들어 감광 수준을 상승시키기 위해 다른 렌즈 수단을 실시할 수 있다. 촬상 장치의 크기, 무게, 및 비용의 감소가 달성될 수 있다. 대상을 넓은 동적 범위로 촬영할 때, 촬상 기구의 동적 범위는 촬상 기구의 화소들 사이의 신호 전하의 차이가 작기 때문에 효과적으로 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 촬상 장치는 자체가 디지털 스틸 카메라 또는 카메라 모듈과 같은 범용 카메라로서 사용될 수 있다. 장치의 크기, 무게, 및 비용이 감소될 수 있으므로, 장치는 촬상 기구로서 이동 전화와 같은 소형 휴대용 장치 내로 통합될 수 있다. 이는 소형 휴대용 장치의 크기, 무게, 및 비용 감소에 크게 기여한 다.
본 발명에 의하면, 렌즈를 필요로 하지 않으므로 크기, 무게, 및 비용이 감소된 촬상 장치, 및 촬상 장치의 촬상 방법이 제공된다.

Claims (5)

  1. 화상 표면 상에 형성된 대상 화상을 화상 신호로 변환시키는 촬상 기구와,
    상기 촬상 기구의 화상 표면에 대향하여 배열된 차광부 내에 형성된 복수의 구멍을 포함하는 화상 형성부와,
    구멍을 통해 화상 표면 상에 형성된 대상 화상들 사이의 변위를 교정하기 위해 상기 촬상 기구로부터의 화상 신호를 처리하는 신호 처리부를 포함하는 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리부는 구멍들 사이의 피치 및 구멍의 직경에 기초한 계수를 사용하여 상기 촬상 기구의 각각의 화소들로부터의 화상 신호에 대한 산술 계산을 수행하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 구멍들이 형성된 구멍 형성 영역의 크기는 상기 촬상 기구의 유효 화소 영역의 크기보다 더 큰 장치.
  4. 촬상 기구의 화상 표면에 대향하여 배열된 차광부 상에 형성된 복수의 구멍을 통해 촬상 기구의 화상 표면 상에 대상 화상을 형성하는 단계와,
    구멍을 통해 화상 표면 상에 형성된 대상 화상들 사이의 변위를 교정하기 위해 촬상 기구를 통한 광전 변환에 의해 화상 표면 상의 대상 화상으로부터 얻어진 화상 신호를 처리하는 단계를 포함하는 촬상 방법.
  5. 제4항에 있어서, 처리 단계에서, 촬상 기구의 화소로부터의 화상 신호는 구멍들 사이의 피치 및 구멍의 직경에 기초한 계수를 사용하여 산술 계산을 받는 방법.
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