KR20070011133A - 광학장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동초점조절의 제어에 걸리는 시간을 저감할 수 있는 광학장치를 제공하는 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는 합초 렌즈(1)의 투과광을 수광하여 촬상 신호를 출력하는 촬상 소자(2)와, 촬상 소자(2)로부터의 촬상 신호에 의거하여 초점 평가값을 연산하는 연산수단(4)과, 초점 평가값에 따라 합초 렌즈(1)를 광축방향의 소정 단계 위치로 이동시키는 구동수단(3)을 구비하고, 합초 렌즈(1)는 각 단계 위치에서 각각 피사계심도의 범위 내에 설정된 합초거리 범위를 가지고, 구동수단(3)에 의한 합초 렌즈의 단계 위치는 이 단계 위치에서의 합초 렌즈(1)의 합초거리 범위와 2단계 떨어진 단계 위치에서의 합초 렌즈(1)의 합초거리 범위가 중복되지 않도록 설정되어 있다.

Description

광학장치{OPTICAL DEVICE}

도 1은 본 실시형태에서의 광학장치의 구성도,

도 2는 합초 렌즈와 피사체의 거리(L)에 대한 합초 렌즈와 촬상 소자의 거리(R)의 관계를 나타낸 도,

도 3은 단계 위치를 35분할한 경우에 있어서의, 단계 위치와 합초거리(A)와의 관계를 나타낸 도,

도 4는 단계 위치와 피사계심도와의 관계를 나타낸 도,

도 5는 합초 렌즈와 촬상 소자의 거리와 합초거리와의 관계를 나타낸 도,

도 6은 본 실시형태의 광학장치에서의 증가제어의 단계수를 나타낸 도,

도 7은 허용착란원 지름의 설정값이 다른 경우에 있어서의 합초 렌즈와 촬상 소자의 거리와 합초거리와의 관계를 나타낸 도,

도 8은 종래의 광학장치에서의 증가제어의 단계수를 나타낸 도면이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 합초 렌즈 2 : 촬상 소자

3 : 구동수단 4 : 연산수단

본 발명은 자동초점 조절을 행하는 촬영 광학계를 가진 광학장치에 관한 것으로, 특히 렌즈를 소정의 단계 위치에 의거하여 이동시킴으로써 자동초점조절을 행하는 광학장치에 관한 것이다.

종래부터 카메라 등의 광학장치에서의 자동초점 조절방식으로서, 콘트라스트방식이라 불리우는 것이 알려져 있다. 이것은 피사체를 촬상 소자로 촬상하여 상기 촬상 소자의 소정 영역 내에서의 촬상 신호를 사용하여 합초 위치를 정하는 것으로, 소정 영역의 콘트라스트에 따른 초점 평가값이 피크가 되는 위치를 찾아냄으로써 합초 위치를 검출하는 것이다.

자동초점조절을 위하여 촬상 소자에 결상하기 위한 렌즈를 단계 모터에 의하여 광축을 따라 이동시키고, 이른바 증가제어라 불리우는 방법에 의하여 초점 평가값이 피크가 되는 위치를 찾아낸다. 증가제어는 렌즈를 광축을 따라 이동시키면서 소정의 단계 위치마다 초점 평가값을 연산하여 그곳에서 피크위치가 되는 단계 위치를 찾아내는 것이다. 이와 같은 방법에 의하여 자동초점조절을 행하는 광학장치로서는 예를 들면 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 드는 것이 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개2003-307669호 공보

[특허문헌 2]

일본국 특개2003-315665호 공보

종래의 자동초점조절에서는 렌즈를 이동시키는 단계 위치를 가능한 한 미세 하게 취함으로써 초점 조절의 정밀도를 좋게 하고 있었다. 도 8은 종래의 광학장치에 서의 증가제어의 단계수를 나타낸 것이다. 이 도면의 가로축은 단계 위치를, 세로축은 초점 평가값을 나타내고 있고, 단계 위치는 0번부터 34번까지 35 분할되어 있는 것으로 하고, 26번의 위치가 피크 위치인 것으로 한다.

도 8에 나타내는 바와 같이 먼저 단계 위치의 5번마다 초점 평가값을 구한다. 5 단계째까지는 초점 평가값은 증가하고, 6 단계째에서 초점 평가값이 감소한다. 따라서 이 시점에서는 4 단계째의 20번부터 6 단계째의 30번까지의 사이에 피크값이 있는 것을 알 수 있다. 따라서 7 단계째는 다시 4 단계째의 20번의 위치까지 되돌아가서, 이후 2번마다 초점 평가값을 구하여 간다.

그렇게 하면 10 단계째까지는 초점 평가값이 증가하고, 11 단계째에서 초점 평가값이 감소하기 때문에, 다시 12 단계째에서 10 단계째의 26번의 위치까지 되돌아가 피크값을 확정한다. 이와 같이 단계 위치를 35 분할한 경우에는, 최대 12 단계가 필요하게 된다.

초점 조절의 정밀도를 올리기 위하여 단계 위치의 분할수를 미세하게 하면, 이와 같이 초점 평가값의 피크값을 찾아내기 위한 단계수가 많아져 렌즈위치를 결정하기 위한 제어에 시간을 요하게 되어 응답성이 악화된다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 자동초점조절의 제어에 걸리는 시간을 저감할 수 있는 광학장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 관한 광학장치는, 합초 렌즈의 투과광을 수광하여 촬상 신호를 출력하는 촬상 소자와, 상기 촬상 소자로부터의 촬상 신호에 의거하여 상기 합초 렌즈의 초점 조절상태에 따라 변화하는 초점 평가값을 연산하는 연산수단과, 상기 연산수단으로 연산된 초점 평가값에 따라 상기 합초 렌즈를 광축방향의 소정 단계 위치로 이동시키는 구동수단을 구비한 광학장치에 있어서,

상기 합초 렌즈는 각 단계 위치에서 각각 피사계심도의 범위 내에 설정된 합초거리 범위를 가지고, 상기 구동수단에 의한 합초 렌즈의 단계 위치는 상기 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위와 2단계 떨어진 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위가 중복되지 않도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하여 구성되어 있다.

또, 본 발명에 관한 광학장치는, 상기 구동수단에 의한 합초 렌즈의 단계 위치는 상기 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위가 인접하는 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위와 10% 이하의 범위에서 중복되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하여 구성되어 있다.

또한 본 발명에 관한 광학장치는, 상기 합초 렌즈가 가지는 합초거리 범위는 전방 피사계심도의 범위와 후방 피사계심도의 범위의 양쪽을 포함하는 것을 특징으로하여 구성되어 있다.

본 발명의 실시형태에 대하여 도면에 따라 상세하게 설명한다. 도 1은 본 실시형태에서의 광학장치의 구성도이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이 본 실시형 태에 서의 광학장치는, 합초 렌즈(1)로부터의 투과광을 촬상 소자(2)로 수광하도록 구성되어 이루어지는 것이다. 촬상 소자(2)는, 수광면(2a) 위에 결상된 피사체(5)의 상의 광강도에 따른 전기신호를 출력하는 광전 변환소자로서, CCD나 CMOS 센서에 의하여 구성된다.

또, 합초 렌즈(1)는 구동수단(3)에 의하여 광축(6)방향으로 이동 자유롭게 되어 있다. 또한 촬상 소자(2)에는 촬상 신호에 의거하여 합초 렌즈(1)의 초점 조절상태에 따라 변화하는 초점 평가값을 연산하는 연산수단(4)이 설치되어 있다. 구동수단(3)은 연산수단(4)으로 연산된 초점 평가값에 의거하여 합초 렌즈(1)를 광축방향으로 이동시키는 것으로, 단계 모터에 의하여 구성된다.

구동수단(3)은 이동 가능 범위 내에 복수의 단계 위치가 설정되어 있고, 합초 렌즈(1)는 구동수단(3)에 의하여 어느 하나의 단계 위치에 배치된다. 촬상 소자(2)는, 합초 렌즈(1)가 단계 위치를 이동할 때 마다 피사체(5)를 촬상하여 소정 영역 내에서의 촬상 신호를 연산수단(4)에 송신한다. 촬상 신호를 수신한 연산수단(4)은, 콘트라스트법에 의거하여 초점 평가값을 연산한다.

구동수단(3)은 또한 연산수단(4)으로 연산된 초점 평가값이 피크값이 되는 단계 위치로 합초 렌즈(1)를 이동시킨다. 그것을 위한 제어방법으로서 이른바 증가제어가 사용된다. 그 제어에 대해서는 뒤에서 설명한다.

도 2에는 합초 렌즈(1)와 피사체의 거리(L)에 대한 합초 렌즈(1)와 촬상 소자(2)의 거리(R)의 관계를 나타내고 있다. 합초 렌즈(1)의 초점거리를 f라 하면, L과 R의 사이에는 (1/L) + (1/R) = 1/f의 관계가 성립한다. 여기서, 본 실시형태 의 합초 렌즈(1)의 초점거리(f)는 4.71 mm 인 것으로 하면, L과 R은 도 2와 같은 관계가 된다. 여기서는 이 도면에 나타내는 범위 중, L이 0.1m부터 무한원의 범위에 대하여 합초할 수 있도록 합초 렌즈(1)를 이동시킨다.

도 3에는 단계 위치를 35 분할한 경우에 있어서의, 단계 위치와 합초거리(A)와의 관계를 나타내고 있다. 단계 위치를 변화시킴으로써 합초 렌즈(1)와 촬상 소자(2)의 거리(R)가 변화하고, 그것에 따라 A도 변화한다.

여기서 촬상 소자(2)로 결상할 수 있는 합초거리에는 피사계심도를 위한 일정한 범위가 있다. 도 3에 나타낸 합초거리는, 촬영하고자 하는 피사체의 1점이 촬상 소자(2)에서 1점으로 결상되기 위한 거리이다. 이것보다 피사체까지의 거리가 긴 경우에는 결상하는 위치가 촬상 소자(2)보다도 뒤쪽이 되기 때문에, 촬상 소자(2) 위에서는 일정한 크기를 가진 원이 된다. 또 피사체까지의 거리가 짧은 경우에는 결상하는 위치가 촬상 소자(2)보다도 앞쪽이 되기 때문에 이것도 촬상 소자(2) 위에서는 일정한 크기를 가진 원이 된다. 그러나 실제로는 촬상 소자(2)에서 결상하는 크기가 1점보다 커지더라도, 화소는 일정한 크기를 가지고 있는 것 등에 의하여 피사체까지의 거리의 소정범위에 대해서는 피사계심도로 하여 합초의 허용 범위로 할 수 있다.

피사계심도에는, 피사체까지의 거리가 도 3에 나타내는 거리보다 짧은 경우의 전방 피사계심도(Lf)와, 도 3에 나타내는 거리보다 긴 경우의 후방 피사계심도(Lr)가 있고, 각각 이하의 식으로 나타낸다. 여기서, L은 피사체까지의 거리, F는 렌즈의 조리개값, f는 렌즈의 초점거리, d는 촬상 소자(2) 위에서의 결상원의 크기의 허용범위인 허용착란원 지름이다.

도 4에는 단계 위치와 이들 각 식에 의하여 산출되는 피사계심도와의 관계를 나타내고 있다. 본 실시형태에서는 렌즈의 조리개값은 2.8, 렌즈의 초점거리는 4.71 mm, 허용착란원 지름은 7㎛로 하고 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이 각 단계 위치의 피사계심도는, 인접하는 단계 위치의 피사계심도와 상당부분이 중복되어 있다. 또 2단계 내지 3단계 떨어진 단계 위치의 피사계심도와도 중복되어 있다. 상기한 바와 같이 피사계심도의 범위는 합초의 허용 범위이기 때문에, 피사계심도가 중복되어 있는 범위에 대해서는 중복되는 다른 단계 위치에서도 합초하여 있게 된다.

예를 들면 단계 위치 1번의 피사계심도의 범위는, 단계 위치 0번이나 단계 위치 2번 및 단계 위치 3번의 피사계심도의 범위와, 도 4의 해칭으로 나타내는 범위에서 중복되어 있고, 단계 위치 0번과 단계 위치 3번의 피사계심도의 범위에서 모두를 커버하고 있다. 또 단계 위치 2번의 피사계심도의 범위에 대해서도 단계 위치 0번과 단계 위치 3번의 피사계심도의 범위에서 모두를 커버하고 있다. 따라 서 단계 위치 1번과 단계 위치 2번이 없더라도, 단계 위치 0번 또는 단계 위치 3번에 의하여 그것들의 범위에 대하여 합초를 행할 수 있다.

이와 같이 소정의 합초거리 범위에 대하여 피사계심도의 범위를 구하여, 각 단계 위치에서의 피사계심도의 중복범위를 적게 하고, 또한 어느 쪽의 단계 위치의 피사계심도의 범위에도 들어 가지 않는 영역이 없도록, 즉 소정범위의 모두를 커버하도록 단계 위치를 설정함으로써, 최저한의 단계 위치에서 소정범위에 걸치는 합초를 행할 수 있다.

도 5에는 0.1m부터 100m까지의 합초거리 범위에 대한 단계 위치의 설정을 나타내고 있다. 이 도면의 가로축에는 합초 렌즈(1)와 촬상 소자(2)의 거리를 취하고 있다. 도면에서 2개의 파선 사이가 피사계심도의 범위로서, 0.1m부터 100m의 합초거리 범위에 대하여 빠짐없이 커버할 수 있도록 단계 위치를 설정하면, 도면에 나타내는 바와 같이 5개의 위치가 정해진다. 이 예에서는 각 단계 위치에서의 피사계심도가 대략 겹치지 않도록 설정하고 있으나, 10% 정도 겹치도록 설정하여도 좋다. 어쨌든, 소정 단계 위치의 피사계심도에 대하여 2단계 떨어진 단계 위치에서의 피사계심도가 겹치는 일이 없도록 단계 위치를 설정한다.

이들 5개의 단계 위치를 합초 렌즈(1)에 대하여 설정함으로써, 0.1m부터 100m의 합초거리 범위에 대해서는 5개의 단계 위치 중 어느 하나에서 피사계심도의 범위에 들어 가기 때문에, 합초가 가능해진다. 또한 합초거리가 100m 이상인 범위에 대해서는 도 2에도 나타내는 바와 같이 합초 렌즈(1)와 촬상 소자(2)의 거리는 거의 변화하지 않기 때문에, 합초거리의 가장 긴 부분을 커버하는 단계 위치를 사 용함으로써 대략 합초한 상태를 얻을 수 있다.

다음에 합초를 행하기 위한 증가제어에 대하여 설명한다. 도 6에는 본 실시형태의 광학장치에서의 증가제어의 단계수를 나타내고 있다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 광학장치에서는 합초 렌즈(1)의 단계 위치는 상기한 바와 같이 5개소 설정되어 있고, 단계 위치 1번부터 순서대로 초점 평가값을 구한다. 이 예에서는 4 단계째까지는 초점 평가값은 증가하고, 5 단계째에서 초점 평가값이 감소한다. 따라서 4 단계째에 피크값이 있는 것을 알 수 있기 때문에, 다시 단계 위치 4번으로 되돌아가 제어를 종료한다. 즉 이 경우에는 6 단계로 초점조절이 이루어질 수 있다.

도 6의 예에서는 단계 위치 4번에 피크값이 있는 경우를 나타내었으나, 그것 이외의 위치에 피크값이 있는 경우에는 더욱 적은 단계수로 초점조절을 행할 수 있다. 즉, 본 예에서는 최대 6 단계로 초점 조절할 수 있다. 도 8에 나타낸 종래의 광학장치의 예로서는, 단계 위치를 35개소로 설정하여 증가제어를 행하고 있으나, 이 경우에는 최대 12 단계가 필요하다. 이와 같이 단계 위치를 피사계심도를 고려하여 최저한의 수로 함으로써 초점 조절을 위한 단계수를 줄일 수 있어 자동초점조절에 걸리는 시간을 저감할 수 있다.

피사계심도를 산출할 때의 허용착란원 지름에 대해서는 촬상 소자(2)를 구성하는 화소의 크기에 따라 설정할 수 있고, 허용착란원 지름을 소정값으로 설정함으로써 단계 위치의 설정도 정해진다. 지금까지 설명한 예에서는 허용착란원 지름을 7 ㎛로 하였으나, 이것을 15 ㎛로 한 경우의 단계 위치의 설정에 대하여 설명한다. 도 7에는 허용착란원 지름을 15 ㎛로 한 경우에 있어서의 합초 렌즈(1)와 촬상 소자(2)의 거리와 합초거리와의 관계를 나타낸 도면을 나타내고 있다.

도 7에 나타내는 2개의 파선 사이가 피사계심도의 범위이고, 0.1m부터 100m의 합초거리 범위에 대하여 빠짐없이 커버할 수 있도록 단계 위치를 설정하면, 도면에 나타내는 바와 같이 3개의 위치가 정해진다. 이와 같이 촬상 소자(2)를 구성하는 화소가 큰 경우에 허용착란원 지름을 크게 하면, 하나의 단계 위치에 대한 피사계심도의 범위가 넓어져, 더욱 적은 단계 위치에서 합초거리의 소정범위를 커버할 수도 있다.

지금까지 본 발명의 실시형태에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 적용은 이 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 그 기술적 사상의 범위 내에서 여러가지로 적용될 수 있는 것이다.

본 발명에 관한 광학장치에 의하면, 합초 렌즈의 단계 위치는 상기 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위와 2단계 떨어진 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위가 중복되지 않도록 설정되어 있음으로써, 피사계심도의 범위의 중복을 적게 하여 더욱 적은 단계 위치에서 원하는 합초거리의 범위를 커버할 수 있기 때문에 자동초점조절의 제어에 걸리는 시간을 저감할 수 있다.

또, 본 발명에 관한 광학장치에 의하면, 합초 렌즈의 단계 위치는 상기 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위가 인접하는 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위와 10% 이하의 범위에서 중복되도록 설정되어 있음으로써, 각 단계 위치에서의 합초거리 범위의 중복을 적게 할 수 있기 때문에, 더욱 적은 단계 위치에서 원하는 합초거리의 범위를 커버할 수 있다.

Claims (3)

1. 합초 렌즈의 투과광을 수광하여 촬상 신호를 출력하는 촬상 소자와, 상기 촬상 소자로부터의 촬상 신호에 의거하여 상기 합초 렌즈의 초점 조절상태에 따라 변화하는 초점 평가값을 연산하는 연산수단과, 상기 연산수단으로 연산된 초점 평가값에 따라 상기 합초 렌즈를 광축방향의 소정 단계 위치로 이동시키는 구동수단을 구비한 광학장치에 있어서,

   상기 합초 렌즈는 각 단계 위치에서 각각 피사계심도의 범위 내에 설정된 합초거리 범위를 가지고, 상기 구동수단에 의한 합초 렌즈의 단계 위치는 상기 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위와 2단계 떨어진 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위가 중복되지 않도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 광학장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 구동수단에 의한 합초 렌즈의 단계 위치는 상기 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위가 인접하는 단계 위치에서의 합초 렌즈의 합초거리 범위와 10% 이하의 범위에서 중복되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 광학장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 합초 렌즈가 가지는 합초거리 범위는 전방 피사계심도의 범위와 후방 피사계심도의 범위의 양쪽을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.

Images