KR20150127391A

KR20150127391A - 고해상도 광학구조체의 영상안정화 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20150127391A
Application number: KR1020140054120A
Authority: KR
Inventors: 황재혁; 배재성; 박진호; 황재업; 강명수
Original assignee: 한국항공대학교산학협력단
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2015-11-17
Also published as: KR101587890B1

Abstract

본 발명은 경통(10) 상에 주경(12)과 부경(13)을 지닌 전자광학 카메라에서 이미지센서(55)의 영상을 안정화하는 장치에 있어서: 상기 경통(10)의 후단에 복수의 스테이지를 개재하여 이미지센서(55)를 자세변동 가능하게 지지하는 초점면부(20); 상기 초점면부(20)의 각 스테이지에 연결되는 복수의 작동기(31)(32)(33)를 구비하는 구동부(30); 및 상기 초점면부(20)의 스테이지의 자세변동 변위를 검출하여 구동부(30)에 대한 피드백 제어를 수행하는 제어수단;을 구비하고, 외부의 진동외란에 대응하여 X축 스테이지(21)와 Y축 스테이지(22)를 구동하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 소형위성에 탑재된 고해상도 광학구조체로 유입되는 진동에 대응하는 주요부의 실시간 자세 보정으로 초점면을 안정화하여 영상품질의 저하를 방지하는 효과가 있다.

Description

고해상도 광학구조체의 영상안정화 장치 및 그 방법{Apparatus and its method for stabilizing the image of the high-resolution optical structure}

본 발명은 영상안정화에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 소형위성에 탑재되는 고해상도의 전개형 광학구조체에 있어서 경통 직경의 소형화로 인해 센서의 노출시간이 증가됨에 따라 위성의 운동외란에 의한 영상의 왜곡을 보상하기 위한 영상안정화 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

통상적으로 소형위성(100~500kg)은 종래의 대형 위성에 비해 개발비용이 저렴하고 개발기간이 짧아 신기술 적용이 용이하다는 장점을 갖고 있으며, 지구 및 우주과학 기술 및 실험에 적합한 형태로서 전개형 위성카메라를 탑재한다. 이는 위성 궤도상에서 접혀진 위성카메라 구조체를 전개한 후 지구표면에 대한 영상을 획득하는 방식이다. 종래 대형 직경의 광학구조체는 영상 획득을 위한 이미지센서의 노출시간이 짧아 영상 안정화 제어장치가 필요하지 않았으나, 소형 위성의 경우 경통 직경의 소형화로 인해 이미지센서의 노출시간이 증가됨에 따라 위성의 운동 외란에 의한 영상의 왜곡 현상이 나타나며, 이를 최소화하기 위한 영상 안정화 제어장치를 통해 고해상도 영상획득을 구현할 수 있다.

이와 관련하여 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서, 한국 공개특허공보 제2010-0013170호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제0587528호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 영상 안정화의 한계에 대한 경고 기능을 갖춘 디지털 카메라 및 그 제어방법에 관한 것으로, 피사체의 상이 유입되는 광축에 대해 수직방향으로 이동하며 카메라의 흔들림을 보정하고, 기구적인 구속조건에 따라 보정의 한계를 갖는 보정렌즈, 보정렌즈에 커플링되어 보정렌즈를 구동하는 액츄에이터, 카메라의 흔들림을 감지하기 위한 자이로 센서 및 감지된 흔들림과 보정의 한계를 비교하여 보정의 한계를 벗어나는 과도한 흔들림을 포착해내는 제어부를 구비한다. 이에 따라, 촬영자의 손떨림이나 외부진동으로 인한 영상의 흔들림을 보정해주는 영상 안정화 기능을 통해 영상의 손떨림 보정 효과를 기대할 수 있다.

선행문헌 2는 주 영상채널과 부 영상채널로 이루어진 위성 탑재체 전자광학 카메라의 영상 처리 시스템에 있어서, 상기 부 영상채널의 부 CCD를 주 영상채널의 주 CCD에 대해서 X축과 Y축으로 1/2 화소만큼 이동시켜서 서로 어긋나게 배치하여 고해상도의 이미지 필요시, 컨트롤러에 의해 상기 주 영상채널과 부 영상채널을 동시에 동작시키도록 구성한다. 이에 따라, 별도의 추가적인 하드웨어를 사용하지 않고 고품질의 이미지를 얻는 효과를 기대한다.

그러나, 선행문헌 1은 디지털 카메라에 대해 손떨림 외란에 대응하여 보정렌즈를 구동하여 외란을 보정하는 방식이기 때문에 위성용 광학구조체 적용에 적합하지 않고, 선행문헌 2의 소프트웨어적 처리만으로 광학구조체의 진동에 대응하는 보정이 미흡하다. 상기 어느 경우에나 위성의 자세 변화로 발생되는 외란으로 인하여 고해상도 영상을 유지하는데 한계성을 나타낸다.

1. 한국 공개특허공보 제2010-0013170호 "영상 안정화의 한계에 대한 경고 기능을 갖춘 디지털카메라 및 그 제어방법" (공개일자 : 2010. 2. 9.) 2. 한국 등록특허공보 제0587528호 "위성 탑재체 전자광학 카메라의 영상처리 시스템" (공개일자 : 2006. 6. 8.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 소형위성에 탑재된 카세그레인(Cassegrain) 타입의 고해상도 광학구조체로 유입되는 진동에 의한 영상품질 저하 문제를 개선하기 위한 소형위성의 광학카메라 영상안정화 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 의하면, 경통 상에 주경과 부경을 지닌 전자광학 카메라에서 이미지센서의 영상을 안정화하는 장치에 있어서: 상기 경통의 후단에 복수의 스테이지를 개재하여 이미지센서를 자세변동 가능하게 지지하는 초점면부; 상기 초점면부의 각 스테이지에 연결되는 복수의 작동기를 구비하는 구동부; 상기 경통의 선단에 부경을 자세변동 가능하게 지지하는 부경부; 및 상기 초점면부의 스테이지의 자세변동 변위를 검출하여 구동부에 대한 피드백 제어를 수행하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 초점면부는 지지대의 상측으로 Z축 스테이지를 탑재하고, Z축 스테이지의 상측으로 Y축 스테이지를 탑재하고, Y축 스테이지의 상측으로 X축 스테이지를 탑재한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 구동부는 작동기의 동력원으로 압전소자 또는 보이스코일을 탑재하는 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 부경부는 부경의 Z축운동과 틸팅운동을 수행하도록 지지판의 상측으로 Z축 작동기와 구면베어링을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어수단은 스테이지의 X축, Y축, Z축 병진운동을 검출하는 센서와, 위성과 스테이지의 진동외란을 검출하는 자이로센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일면에 의하면, 상기 제어수단을 구비하는 전자광학 카메라에서 이미지센서의 영상을 안정화하는 방법에 있어서, 외부의 진동외란에 대응하여 X축 스테이지와 Y축 스테이지를 병진 구동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 이미지센서의 영상을 안정화하는 방법은 진동외란을 측정하여 설정된 영상안정화 기준치를 벗어나면 초점면부의 X축 병진운동 및 Y축 병진운동을 수행하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 소형위성에 탑재된 고해상도 광학구조체로 유입되는 진동에 대응하는 주요부의 실시간 자세 보정으로 초점면을 안정화하여 영상품질의 저하를 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치를 전체적으로 나타내는 사시도
도 2는 본 발명에 따른 장치를 종단하여 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치를 후단에서 나타내는 구성도
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 장치의 초점면부를 나타내는 구성도
도 8은 본 발명에 따른 영상 안정화 방법을 나타내는 플로우차트

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 경통(10) 상에 주경(12)과 부경(13)을 지닌 전자광학 카메라에서 이미지센서(55)의 영상을 안정화하는 장치 및 설정된 알고리즘에 의하여 이미지센서(55)의 영상을 안정화하는 방법에 관하여 제안한다. 소형위성의 광학구조체로서 카세그레인(Cassegrain) 타입의 고해상도 전자광학 카메라를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 광학구조체는 경통(10)의 선단에서 후단으로 가면서 부경(13), 주경(12), 이미지센서(55)를 순차적으로 구비한다. 본 발명은 이와 같은 광학구조체로 유입되는 진동에 의한 영상품질 저하 문제를 개선함을 요지로 한다.

한편, 광학구조체에서 경통(10)의 후단에는 위성에 고정하기 위한 프레임(11)을 구비한다. 주경(12)을 관통하도록 설치되는 배플(16)은 불필요한 빛을 차단하는 기능을 지닌다.

본 발명에 따르면 초점면부(20)가 상기 경통(10)의 후단에 복수의 스테이지를 개재하여 이미지센서(55)를 자세변동 가능하게 지지하는 구조를 특징으로 한다. 이미지센서(55)는 CCD를 사용하며 복수의 스테이지를 지닌 초점면부(20)의 상면에 탑재된다. 초점면부(20)를 구성하는 복수의 스테이지는 경통(10)의 후단에서 프레임(11)에 적어도 3축운동 가능하도록 탑재된다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 초점면부(20)는 지지대(28)의 상측으로 Z축 스테이지(23)를 탑재하고, Z축 스테이지(23)의 상측으로 Y축 스테이지(22)를 탑재하고, Y축 스테이지(22)의 상측으로 X축 스테이지(21)를 탑재한 것을 특징으로 한다. Z축 스테이지(23)는 지지대(28)와 샤프트(26)로 연결되어 경통(10)의 축방향 운동을 수행한다. 반면 Y축 스테이지(22)와 X축 스테이지(21)는 각각의 LM가이드(25)로 연결되어 경통(10)의 반경방향 운동을 수행한다. X축 스테이지(21)의 상면에는 이미지센서(55)가 패널을 개재하여 고정된다.

또, 본 발명에 따르면 구동부(30)가 상기 초점면부(20)의 각 스테이지에 연결되는 복수의 작동기(31)(32)(33)를 구비하는 구조를 특징으로 한다. X축 작동기(31)는 X축 스테이지(21)와 Y축 스테이지(22) 사이에 설치되고, Y축 작동기(32)는 Y축 스테이지(22)와 Z축 스테이지(23) 사이에 설치되고, Z축 작동기(33)는 Z축 스테이지(23)와 지지대(28) 사이에 설치된다. 구동부(30)는 각각의 작동기(31)(32)(33)를 통하여 이미지센서(55)를 탑재한 스테이지에 대한 X축, Y축, Z축 병진운동을 구현한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 구동부(30)는 작동기(31)(32)(33)의 동력원으로 압전소자 또는 보이스코일을 탑재하여 사용하는 것을 특징으로 한다. 진동외란의 대응을 위한 X축 작동기(31)와 Y축 작동기(32)는 고주파 구동을 위해 압전소자를 사용할 수 있다. 한편 초점 조절을 위한 Z축 작동기(33)는 상대적으로 구동주파수가 낮으므로 보이스코일을 사용할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 제어수단이 상기 초점면부(20)의 스테이지의 자세변동 변위를 검출하여 구동부(30)에 대한 피드백 제어를 수행하는 구조를 특징으로 한다. 제어수단은 마이크로 프로세서, 메모리, 입출력 인터페이스를 구비하는 마이컴 회로의 제어기(도시 생략)를 포함한다. 제어기는 피드백 제어를 위한 알고리즘을 수행하면서 입출력 데이터를 메모리 상에 저장하고 갱신한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어수단은 스테이지의 X축, Y축, Z축 병진운동을 검출하는 센서(51)(52)(53)와, 위성과 스테이지의 진동외란을 검출하는 자이로센서(56)를 구비하는 것을 특징으로 한다. X축센서(51)와 Y축센서(52)는 외란진동에 대응하는 신호를 생성하며, Z축센서(53)는 초점조절에 대응하는 신호를 생성한다. 자이로센서(56)는 진동외란에 의해 유발되는 위성의 3축방향 외에 회전 각속도 등의 신호를 생성한다. 이와 같이 제어수단은 센서(51)(52)(53)와 자이로센서(56)의 신호를 이용하여 고해상도 전개형 위성 광학카메라로 유입되는 진동외란에 대응하여 영상품질 저하 문제를 개선한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 제어수단은 광학구조체로 유입되는 진동외란을 자이로센서(56)로 검출하고, 설정된 영상안정화 기준치를 벗어나면 초점면부(20)의 X축 병진운동 및 Y축 병진운동을 수행하는 것을 특징으로 한다.

도 8에서, 광학구조체에 진동외란이 발생하면 자이로센서(56)가 이를 검출하고, 제어기는 진동외란이 영상안정화를 충족하는 기준치에 부합하는지 판단하고, 기준치를 벗어나면 센서(51)(52)(53)의 피드백을 활용하고, 설정된 진동제어 알고리즘에 따라 초점면부(20)의 X축 작동기(31)와 Y축 작동기(32)에 대한 이동량을 결정하고, 연산된 값으로 X축 스테이지(21)와 Y축 스테이지(22)를 구동한다. 이에 따라 위성의 자세 변화 등으로 발생하는 진동외란에 대응하여 안정된 영상을 지속적으로 획득할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 경통 12: 주경
13: 부경 20: 초점면부
21: X축 스테이지 22: Y축 스테이지
23: Z축 스테이지 25: LM가이드
26: 샤프트 28: 지지대
30: 구동부 31: X축 작동기
32: Y축 작동기 33: Z축 작동기
40: 부경부 41: 지지판
43: Z축 작동기 45: 구면베어링
48: 지지아암 51: X축센서
52: Y축센서 53: Z축센서
55: 이미지센서 56: 자이로센서

Claims

경통(10) 상에 주경(12)과 부경(13)을 지닌 전자광학 카메라에서 이미지센서(55)의 영상을 안정화하는 장치에 있어서:
상기 경통(10)의 후단에 복수의 스테이지를 개재하여 이미지센서(55)를 자세변동 가능하게 지지하는 초점면부(20);
상기 초점면부(20)의 각 스테이지에 연결되는 복수의 작동기(31)(32)(33)를 구비하는 구동부(30);
상기 초점면부(20)의 스테이지의 자세변동 변위를 검출하여 구동부(30)에 대한 피드백 제어를 수행하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고해상도 광학구조체의 영상안정화 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 초점면부(20)는 지지대(28)의 상측으로 Z축 스테이지(23)를 탑재하고, Z축 스테이지(23)의 상측으로 Y축 스테이지(22)를 탑재하고, Y축 스테이지(22)의 상측으로 X축 스테이지(21)를 탑재한 것을 특징으로 하는 고해상도 광학구조체의 영상안정화 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 구동부(40)는 작동기(41)(42)(43)의 동력원으로 압전소자 또는 보이스코일을 탑재하는 사용하는 것을 특징으로 하는 고해상도 광학구조체의 영상안정화 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어수단은 스테이지의 X축, Y축, Z축 병진운동을 검출하는 센서(51)(52)(53)와, 위성과 스테이지의 진동외란을 검출하는 자이로센서(56)를 구비하는 것을 특징으로 하는 고해상도 광학구조체의 영상안정화 장치.
청구항 1의 제어수단을 구비하는 전자광학 카메라에서 이미지센서(55)의 영상을 안정화하는 방법에 있어서, 외부의 진동외란에 대응하여 X축 스테이지(21)와 Y축 스테이지(22)를 구동하는 것을 특징으로 하는 고해상도 광학구조체의 영상안정화 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 이미지센서(55)의 영상을 안정화하는 방법은 진동외란을 측정하여 설정된 영상안정화 기준치를 벗어나면 초점면부(20)의 X축 병진운동 및 Y축 병진운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 고해상도 광학구조체의 영상안정화 방법.