KR20080002383A - 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치 및 그를이용한 카메라 시스템 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치 및 그를 이용한 카메라 시스템에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 영상획득 장치에 있어서 단일 대형 렌즈를 사용하지 않고 다수의 초소형 렌즈들을 사용하여 영상을 획득함으로써, 외부에 노출이 잘되지 않는 렌즈 구성을 가능하게 하고, 모든 영역에 대해서 초점이 맞는 깨끗한 영상을 획득할 수 있게 하며, 또한 별도의 이미지 프로세싱 없이도 원하는 영역을 통해 보이는 특정 영상만을 획득할 수 있게 하는, 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치 및 그를 이용한 카메라 시스템을 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치에 있어서, 초소형 렌즈와 해당 영상 획득 소자로 이루어진 복수의 카메라 셀(CELL)을 포함하여 이루어지되, 피사체의 영상을 획득할 수 있도록 상기 각각의 카메라 셀(CELL)들이 규칙적으로 배열되는 것을 특징으로 함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 CCD를 이용한 영상 획득 등에 이용됨.

카메라, 영상 획득 장치, CCD, 자동 초점, 초소형 렌즈, 격박, 빛 차폐막

Description

초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치 및 그를 이용한 카메라 시스템{Apparatus for obtaining Image Signal using small-size Lens Array, and Camera System using it}

도 1a 내지 도 1d 는 CCD를 이용한 카메라에서의 초점을 맞추는 원리에 대한 설명도,

도 2 는 종래의 CCD를 이용한 영상신호 획득 장치의 구성도,

도 3a 및 도 3b 는 본 발명에 따른 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치의 일실시예 구성도,

도 4 는 본 발명에 따른 렌즈와 CCD소자가 결합된 카메라 셀(CELL)의 일실시예 상세구성도,

도 5 는 본 발명에 따른 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치의 다른 실시예 구성도,

도 6 은 본 발명에 따른 초소형 렌즈 배열을 이용한 카메라 시스템의 일실시예 구성도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

41: 초소형 렌즈 42: CCD

43: 격벽(빛 차폐막) 61: 영상 신호 획득 장치

62: 메모리 63: 영상 처리부

본 발명은 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치 및 그를 이용한 카메라 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 영상획득 장치에 있어서 단일 대형 렌즈를 사용하지 않고 다수의 초소형 렌즈들을 사용하여 영상을 획득함으로써, 외부에 노출이 잘되지 않는 렌즈 구성을 가능하게 하고, 모든 영역에 대해서 초점이 맞는 깨끗한 영상을 획득할 수 있게 하며, 또한 별도의 이미지 프로세싱 없이도 원하는 영역을 통해 보이는 특정 영상만을 획득할 수 있게 하는, 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치 및 그를 이용한 카메라 시스템에 관한 것이다.

도 1a 내지 도 1d는 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 카메라에서의 초점을 맞추는 원리에 대한 설명도이다.

CCD를 이용한 카메라 렌즈에서 초점을 맞추는 원리는 렌즈의 굴절현상을 이용하여 초점을 맞추는 것이다. 단순히 초점만을 맞추고 영상을 획득하고자 한다면 여러 장의 렌즈가 필요 없지만, 카메라에서 몇군 몇매라는 여러 장의 렌즈를 사용 하는 이유는 바로 초점을 정확하게 맞추고자 할 뿐만 아니라 굴절현상시 발생하는 색수차 등과 같은 여러 현상 등을 보정하기 위함이다.

기본적으로 렌즈에서 초점을 맞추는 방법은 다음과 같다. 예를 들어, 만약 3m의 거리에 촬영하고자 하는 피사체(101)가 있다면 카메라는 자동적으로 렌즈(102)를 이동시켜 카메라의 초점을 맞추게 된다(도 1a 참조).

그런데, 이 피사체(111)가 1m의 거리 내로 이동하게 되면, 기존의 렌즈의 초점거리에서는 초점이 정확하게 맞지 않게 되어 CCD(113) 뒤쪽에 초점이 맞게 되며, 이로 인하여 전체적으로 초점이 맞지 않은 영상이 획득된다(도 1b 참조).

따라서, 도 1b와 같이 초점이 맞지 않는 영상이 획득되는 경우에는, 초점이 맞지 않는 이미지에 초점을 맞추어 주기 위해 렌즈를 움직여야 한다(121)(도 1c 참조). 이때, 피사체와 카메라 렌즈와의 거리를 측정하고 그 측정 결과에 따라 렌즈의 초점 위치를 정하게 되며, 이렇게 하면 초점이 맞는 영역은 화면(142) 정가운데의 일부분만(141)임을 알 수 있다(도 1d 참조).

다음은, 카메라에서의 거리 측정 방법에 대하여 설명하면, 다음과 같다. 일반적으로 카메라가 자동으로 초점을 검출하는 방식에는 (1) 초음파를 발사해서 이것이 돌아오는 시간을 계산해서 거리를 추정하는 방식(초음파를 이용하는 방식), (2) 비교적 거리가 멀지 아니한 경우에 사용하는 방법으로서 적외선을 발사해서 거리를 측정하는 방식(적외선을 사용하는 방식), (3)그리고, 피사체의 휘도의 차이가 존재하는 부위에 그 휘도 차이를 극명하게 하여 거리를 측정하는 방식(TTL 위상차 검출 방식) 등의 세가지 방식이 있다.

이 중에서 초음파를 이용하는 방식은 특수한 카메라가 아니면 사용되지 아니하며, 일반 카메라에서는 적외선을 사용하는 방식과 TTL(Through The Lens) 위상차 검출 방식을 보통 사용한다.

한편, 적외선을 이용하는 방식은 보통 저가형 컴팩트 카메라에서 사용되며, 적외선을 사용하기 때문에 주위가 어두워도 촬영할 수 있는 장점이 있지만, 원거리까지는 측정이 불가능하다는 문제점이 있었다.

한편, TTL 위상차 검출 방식은 렌즈를 통해 보이는 피사체의 어떤 면, 즉 초점센서가 놓여지는 면에 존재하는 휘도의 차이 내지 콘트라스트의 차이가 최대가 되는 지점을 초점이 맞는 부분으로 가정하고, 그 휘도의 차이를 계산한 다음, 이를 이용하여 거리를 역추정하는 방식이다. 이러한, TTL위상차 검출방식은 대개의 SLR(Single-Lens Reflex)타입 카메라가 사용하는 방식으로서, 고가 기종일수록 초점검출 센서의 민감도와 정밀도, 그리고 그 위상차 측정결과를 통해 빠르게 거리를 연산하는 CPU가 성능이 좋아서 더 빠르고 정확하게 초점을 검출할 수 있다.

하지만, TTL 위상차 검출 방식은, 표면에 휘도 차이가 없는 부위에 초점을 맞추게 되면 AF는 헌팅만 하고 초점검출을 하지 못하게 되며, 또한 반사율이 100%에 가까운 백색에 이를 위치시켜도 검출에 실패하게 된다는 문제점이 있다. 또한, 아주 어두운 상황에서는 역시 반사율이 거의 제로(ZERO)에 가깝기 되기 때문에 핀을 검출하지 못하게 된다는 문제점이 있다.

도 2 는 종래의 CCD를 이용한 영상신호 획득 장치의 구성도이다.

이하, 도 2를 참조하여, CCD를 이용한 이미징 장치의 기본 개념에 대하여 설 명하기로 한다. CCD란 "Charge Coupled Device"의 약자로 '전하 결합 소자'로서, CCD에 들어오는 빛을 전기적인 신호로 바꿔주는 역할을 한다. 그리고 그 전기적인 신호에 의해 발생된 전하들을 일시적으로 기억상태로 보유하다가 이를 다른 신호에 의해 방출시키고 다시 다음 신호의 충전을 대비하는 장치이다.

이러한 CCD(22)에는 픽셀(Pixel)(221)이라고 부르는 수십, 수백만 개의 광전 변환 소자들이 손톱 만한 크기에 매우 촘촘히 집적되어 있으며, 도 2에서 도시된 바와 같이, 이들의 각 입자들(221)은 렌즈(21)를 통과하여 초점이 맞추어진 영상을 각각 나누어 가지게 된다. CCD(22)는 신호를 기억하고 전송하는 2가지 기능을 동시에 가지고 있다.

상기와 같은 특성을 가지는 CCD와 단일 대형 렌즈(21)를 이용한 종래의 영상신호 획득 장치는, 대형 렌즈를 사용하기 때문에 외부에 노출되는 문제점이 있고, 단일 초점을 사용하기 때문에 초점에서 벗어나는 부분은 깨끗하지 않게 인식되는 문제가 있으며, 또한 원하는 영역을 통해 보이는 특정 영상만을 획득하기가 곤란하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 영상획득 장치에 있어서 단일 대형 렌즈를 사용하지 않고 다수의 초소형 렌즈들을 사용하여 영상을 획득함으로써, 외부에 노출이 잘되지 않는 렌즈 구성을 가능하게 하고, 모든 영역에 대해서 초점이 맞는 깨끗한 영상을 획득할 수 있게 하며, 또한 별도의 이미지 프로세싱 없이도 원하는 영역을 통해 보이는 특정 영상만을 획득할 수 있게 하는, 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치 및 그를 이용한 카메라 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치에 있어서, 초소형 렌즈와 해당 영상 획득 소자로 이루어진 복수의 카메라 셀(CELL)을 포함하여 이루어지되, 피사체의 영상을 획득할 수 있도록 상기 각각의 카메라 셀(CELL)들이 규칙적으로 배열되는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 본발명은, 어느 카메라 셀로 입사되는 빛이 다른 카메라 셀로 들어가지 않도록, 격벽으로 각각의 카메라 셀을 분리하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은, 초소형 렌즈와 해당 영상 획득 소자로 이루어진 복수의 카메라 셀(CELL)들의 배열로 이루어진 영상 신호 획득 수단; 상기 영상 신호 획득 수단에서 출력되는 다수의 영상 신호(부분 영상신호)를 저장하는 저장 수단; 및 상기 저장 수단에 저장된 부분 영상 신호들을 합성하여, 피사체에 대한 전체 영상을 생성하는 영상 처리 수단을 포함한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치의 일실시예 구성도로서, 격벽을 사용하는 경우를 나타낸다. 그리고, 도 3a는 위에서 바라본 평면도, 도 3b는 옆에서 본 측면도를 나타낸다.

본 발명에 따른 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치는 다수의 카메라 셀(Cell)(이하, 간단히, '셀' 이라 함)로 구성되며, 각각의 셀은 하나의 초소형렌즈와 하나의 영상 획득 소자(예: CCD)를 쌍으로 이루어지되, 렌즈의 초점을 맞출 수 있도록 렌즈초점거리를 측정하는 렌즈초점거리 측정부(도면에 도시되지 않음)와 상기 측정된 렌즈초점거리를 이용하여 초소형렌즈를 이동시키기 위한 렌즈 이동부(도면에 도시되지 않음)가 더 포함될 수 있다. 렌즈 이동부 대신에 영상 획득 소자(예: CCD)를 이동시킬 수도 있다.

한편, 렌즈를 고정 초점으로 사용하거나, 각각의 렌즈가 하나의 픽셀에 해당할 정도로의 소형이거나 또는 다른 이유가 있다면, 렌즈초점거리 측정부와 렌즈 이동부는 각(CELL)에서 제외될 수도 있다.

각각의 셀(CELL)은 독립적으로 동작하며, 빛이 투과되지 않는 '격벽'으로 분리된다. 고정 초점을 사용할 경우의 각각의 셀(CELL)의 구조는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같다. 이때, 렌즈의 크기가 매우 작고, 렌즈와 CCD 소자 간의 거리가 매우 짧기 때문에, 하나의 CCD 소자에 획득되는 영상은 전체의 완전한 영상은 아니며, 모든 CCD 소자의 영상 신호를 모두 종합하여 이미지 프로세싱을 거쳐야 원래의 이미지를 획득하는 것이 가능할 것이다.

그러나, 격벽의 높이가 높아지면 렌즈에 도달 가능한 빛이 제한되기 때문에, 그 격벽의 높이를 적절히 조정함으로써 인접한 셀(CELL)의 렌즈에 비치는 영상과 중복되지 않게 할 수 있다. 즉, 격벽은 어느 셀로 입사되는 빛이 다른 셀로 들어가지 않도록 하기 위한 것(빛 차폐막)으로서, 다각형 형태로 각각의 셀을 포위하도록 구성한다. 그리고, 격벽의 높이는 셀들간의 이격 거리, 초소형 렌즈와 해당 CCD 간의 거리, 초소형 렌즈의 직경을 이용하여 결정할 수도 있으며, 실험을 통하여 최적의 높이를 결정할 수도 있다.

또한, 각 렌즈의 격벽은 사각형이 아닌 다른 도형으로도 구성 가능하며, 셀 수의 증가할 때에는 각각의 격벽이 상충되지 않도록 구성되어야 한다. 따라서 격벽의 형태는 원이 아닌 다각형이 바람직하다.

도 4 는 본 발명에 따른 렌즈와 CCD소자가 결합된 카메라 셀(CELL)의 일실시예 상세구성도이다.

각각의 카메라 셀(CELL)은 하나의 초소형 렌즈(41), 해당 초소형 렌즈를 통 하여 투과된 빛으로부터 해당 영상을 획득하기 위한 하나의 CCD(42), 및 각각의 셀을 구분하기 위한 격벽(빛 차폐막)(43)을 포함하여 이루어진다.

도 5 는 본 발명에 따른 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치의 다른 실시예 구성도로서, 격벽이 낮거나 격벽을 사용하지 않는 경우를 나타낸다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 격벽을 사용하는 실시예와 달리, 각 렌즈가 서로 일정한 간격을 두고 떨어져 있도록 셀이 구성될 수도 있다. 이 경우 각 렌즈가 보다 넓은 지역을 담당할 수 있도록, 격벽의 높이는 보다 낮아질 필요가 있다.

도 6 은 본 발명에 따른 초소형 렌즈 배열을 이용한 카메라 시스템의 일실시예 구성도이다.

초소형 렌즈 배열을 이용한 카메라 시스템은 다수의 카메라 셀로 이루어진 영상신호 획득 장치(61), 메모리(62), 영상 처리부(63)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 메모리(62)는 영상신호 획득 장치(61)의 각각의 셀로부터 전달된 해당 영상(부분 영상)을 저장하며, 영상 처리부(63)는 메모리(62)에 저장되어 있는 다수의 영상 신호(부분 영상신호)를 합성하여, 피사체에 대한 전체 영상을 생성한다.

격벽을 사용하지 않는 영상신호 획득 장치에서는 격벽이 없이 렌즈가 배열되기 때문에 각 렌즈들을 통과한 모든 영상을 그대로 메모리(62)에 로드한 후, 영상처리부(63)를 이용하여 서로 다른 렌즈의 영상 간에 중복된 부분이 없도록 영상을 재구성하여 사용하는 것도 가능하다. 이때는 각 렌즈에서 들어온 영상의 중심 부분 을 렌즈 배열 형태에 따라 작은 도형의 형태로 자르고 이를 축소 또는 확대해 가면서 중복된 이미지가 없을 때까지 이를 반복한다. 예를 들어, 렌즈를 벌집 모양으로 배열한 경우는 기준 도형의 형태는 육각형이 된다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, 단일 대형 렌즈를 사용하지 않고 다수의 초소형 렌즈들을 사용함으로써, 외부에 노출이 잘되지 않는 렌즈 구성을 가능하게 하고, 모든 영역에 대해서 초점이 맞는 깨끗한 영상을 획득할 수 있게 하며, 또한 별도의 이미지 프로세싱 없이도 원하는 영역을 통해 보이는 특정 영상만을 획득할 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치에 있어서,

   초소형 렌즈와 해당 영상 획득 소자로 이루어진 복수의 카메라 셀(CELL)을 포함하여 이루어지되,

   피사체의 영상을 획득할 수 있도록 상기 각각의 카메라 셀(CELL)들이 규칙적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   어느 카메라 셀로 입사되는 빛이 다른 카메라 셀로 들어가지 않도록, 격벽으로 각각의 카메라 셀을 분리하는 것을 특징으로 하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 격벽은,

   다각형 형태로 상기 각각의 카메라 셀을 포위하도록 구성하고, 상기 격벽의 높이는 상기 카메라 셀들간의 이격 거리, 초소형 렌즈와 해당 영상 획득 소자 간의 거리, 초소형 렌즈의 직경을 이용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 초소형 렌즈의 초점거리를 측정하기 위한 렌즈초점거리 측정 수단; 및

   상기 측정된 렌즈초점거리를 이용하여 상기 초소형 렌즈를 이동시키기 위한 렌즈 이동 수단

   을 더 포함하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 카메라 셀은,

   하나의 초소형 렌즈; 및

   상기 초소형 렌즈를 통하여 투과된 빛으로부터 해당 영상을 획득하기 위한 하나의 영상 획득 소자

   를 포함하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 영상 획득 소자는,

   전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device)인 것을 특징으로 하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 영상 신호 획득 장치.
7. 초소형 렌즈 배열을 이용한 카메라 시스템에 있어서,

   초소형 렌즈와 해당 영상 획득 소자로 이루어진 복수의 카메라 셀(CELL)들의 배열로 이루어진 영상 신호 획득 수단; 및

   상기 영상 신호 획득 수단에서 출력되는 다수의 영상 신호(부분 영상신호)를 저장하는 저장 수단; 및

   상기 저장 수단에 저장된 부분 영상 신호들을 합성하여, 피사체에 대한 전체 영상을 생성하는 영상 처리 수단

   을 포함하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 카메라 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 영상 신호 획득 수단은,

   초소형 렌즈와 해당 영상 획득 소자로 이루어진 복수의 카메라 셀(CELL)을 포함하여 이루어지되,

   피사체의 영상을 획득할 수 있도록 상기 각각의 카메라 셀(CELL)들이 규칙적 으로 배열되는 것을 특징으로 하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 카메라 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,

   어느 카메라 셀로 입사되는 빛이 다른 카메라 셀로 들어가지 않도록, 격벽으로 각각의 카메라 셀을 분리하는 것을 특징으로 하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 카메라 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 격벽은,

    다각형 형태로 상기 각각의 카메라 셀을 포위하도록 구성하되;

    상기 격벽의 높이는, 상기 카메라 셀들간의 이격 거리, 초소형 렌즈와 해당 영상 획득 소자 간의 거리, 초소형 렌즈의 직경을 이용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 카메라 시스템.
11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 초소형 렌즈의 초점거리를 측정하기 위한 렌즈초점거리 측정 수단; 및

    상기 측정된 렌즈초점거리를 이용하여 상기 초소형 렌즈를 이동시키기 위한 렌즈 이동 수단

    을 더 포함하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 카메라 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 카메라 셀은,

    하나의 초소형 렌즈; 및

    상기 초소형 렌즈를 통하여 투과된 빛으로부터 해당 영상을 획득하기 위한 하나의 전하 결합 소자(CCD)

    를 포함하는 초소형 렌즈 배열을 이용한 카메라 시스템.

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