KR20220054327A - 긴-노출 이미지를 캡처하기 위한 장치 - Google Patents

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블라디미르 엘리치 파슈코브스키
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Abstract

본 발명은 예를 들어 희미한 물체들을 촬영할 때 긴 노출이 필요한 이미지들을 캡처하는 분야에 관한 것이다. 이 장치는 이미지 형성 유닛, 이미지 캡처 유닛 및 셔터를 포함한다. 또한 이 장치는 제어 유닛을 통해 하나 이상의 간섭 센서에 연결되는 추가 셔터를 포함한다.

Description

긴-노출 이미지를 캡처하기 위한 장치
본 발명은 예를 들어 희미한 물체를 촬영할 때 긴 노출이 필요한 이미지들을 캡처하는 분야에 관한 것이다.
이미지를 캡처하려면 긴 노출이 필요한 분야들이 존재한다. 예를 들어, 천문 분야에서 이미지를 얻으려면 수백 초의 노출이 필요할 수 있다. 현미경 관찰에서도 긴 노출이 필요하다. 특히, 형광현미경으로 희미한 형광 물체를 촬영할 때는 수십 초의 노출이 필요할 수 있다.
현재 희미한 물체의 이미지 캡처는 감광 어레이들, 특히 CCD(charge-coupled device) 기술을 기반으로 하는 어레이들을 사용하여 수행된다. 감광 어레이는 노출 동안 전하를 통합하는 전자 장치이다. 통합 프로세스가 끝나면, 축적된 전하가 드랍(drop)된다. 짧은 시간이 지난 후에도 다음 노출은 초기 레벨로부터 전하 통합 프로세스를 시작하는 것을 의미하므로, 전체 노출 시간 동안 감광 어레이의 동작이 중단되어서는 안 된다.
긴 노출 시, 획득되는 이미지에 대한 외란의 영향으로 인한 위험이 높아지게 된다. 외란은 상이한 특성을 가질 수 있다. 이들은 지진동 등의 대지의 미진으로 인한 이미지 캡처 장치 또는 광학 장치의 충격 또는 진동과 관련될 수 있다. 예를 들어, 이들은 펄스 조명 장치들로 인한, 또는 망원경 뷰 필드에서 이동하는 밝은 물체인 위성들로 인한 광공해(light pollution)와 관련될 수 있다.
이러한 광학 장치의 프라이머리 셔터(primary shutter)는 외란 제거를 가능하게 하지 않는다. 일반적으로, 이 셔터는 고속 셔터가 아니라 캡처 프로세스의 시작 및 종료 시에 이미지 캡처 유닛을 개방 및 폐쇄하기 위한 것이다. 위에서 언급한 바와 같이, 통합 전하가 손실될 것이기 때문에, 외란을 제거하기 위해 감광 어레이의 작동을 중단하는 것은 바람직하지 않다.
본 출원인의 연구에서는 이 문제에 대한 해결책을 포함하는 출처를 밝히지 않았다. 그러나, 다음과 같은 접근 방식이 본 기술 분야에 알려져 있다.
2018년 7월 31일에 공개된 특허 RU 2662907, IPC G02B 23/00에는 실외 조명 장치의 광에 의한 천문 장치의 광공해를 줄이는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 천문 장치와 조명 장치의 동작 주기를 시간 분리하는 것을 포함한다. 펄스 광속은 300 내지 1000 Hz의 주파수와 2 내지 10의 듀티비로 형성되며, 여기서 천문 장치의 감광 어레이로의 광속을 중단하는 것은 주파수에 의해 정렬된 펄스 모드에서, 형성된 광속과 역위상으로 수행된다.
1995년 1월 27일에 공개된 특허 출원 RU 93005699, IPC G01J 1/44에는 렌즈와 렌즈 뒤에 설치된 빔 스플리터를 포함하는 "광 간섭에 대한 수광기 보호 장치(Device for protection of photo-receiver against light interferences)"가 개시되어 있다. 빔 스플리터는 각각 광수신기를 포함하는 두 개의 광 채널의 작동을 보장한다. 이 장치는 빔 스플리터와 광수신기 사이의 채널들 중 하나에 설치된 광학 부품을 특징으로 한다. 이 광학 부품은 가변 감쇠비를 가지며 제어 전극들로 이루어진 격자 메쉬를 포함한다. 다른 채널은 빔 스플리터와 광수신기 사이에 뉴트럴 광학 필터를 포함한다. 광수신기는 어댑터 장치를 통해 프로세서에 연결된다. 제어 유닛이 동일한 프로세서에 연결될 수 있다. 제어 유닛은 가변 감쇠비를 갖는 광학 부품과 결합된다. 이 장치는 항공, 천문학, 측지학, 항법 등과 같은 다양한 과학 및 기술 영역들에서 사용될 수 있다.
2012년 3월 26일에 공개된 실용 신안 UA68352U, IPC G02B 023/00에는 인공 위성 위치 결정을 위한 수신기 채널의 휴대용 레이저 망원경이 개시되어 있다. 이 망원경은 콜리메이터, 제 1 수렴 렌즈, 외란 필터, 제 2 수렴 렌즈, 프로펠러 셔터 및 광전자 증배관 장치를 포함하며, 이들 모두는 광학적으로 연결된다. 4개의 중성 필터를 가진 디스크가 외란 필터와 제 2 수렴 렌즈 사이에 배치된다. 디스크는 디스크 회전 메커니즘과 위치 센서에 연결된다. 뉴트럴 필터의 투과율은 25%, 50%, 75% 및 100% 중에서 선택된다.
1995년 8월 8일에 공개된 특허 RU2042155, IPC G01S 17/00에는 예를 들어 인공 지구 동기 위성의 발견을 제공하는 "별 배경을 가진 물체를 발견하는 장치(Device for discovering object with stellar background)"가 개시되어 있다. 이 장치는 수신 망원경, 제어 유닛이 장착된 공간 광 변조기, 간섭성 광원, 편광 빔 스플리터, 렌즈 및 송신 텔레비전 카메라 - 여기서 스플리터, 렌즈 및 카메라는 광학적으로 연결됨 -; 비교기 장치, 임계값 장치 및 비디오 모니터링 장치 - 여기서 비교기, 임계값 장치 및 모니터는 순차적으로 연결됨 -; 및 제어 및 계산 유닛을 포함한다. 이 장치는 제어 유닛이 장착되고 간섭성 광원과 편광 빔 스플리터 사이에 위치되는 전기 광학 셔터를 추가로 포함한다. 공간 광 변조기는 제 1 투명 전극, 유전체 미러, 광굴절 결정 및 제 2 투명 전극이 순차적으로 적용된 전기 광학 변환기이다.
상술한 해결책들은 긴-노출 이미지들을 캡처하는 프로세스가 중단되지 않고 외란이 있는 상황에서도 긴-노출 이미지들을 캡처하기 위한 장치의 작동을 보장하는 문제를 해결하지 못하고 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 결과는 이미지 통합 프로세스의 중단 없이 상이한 외란의 존재하에 긴-노출 이미지를 캡처하기 위한 장치의 작동을 제공하는 것이다.
일 양태에서, 긴-노출 이미지들을 캡처하기 위한 장치는 이미지 형성 유닛, 이미지 캡처 유닛, 프라이머리 셔터 및 제어 유닛을 통해 적어도 하나의 외란 검출기에 연결되는 세컨더리 셔터를 포함한다. 세컨더리 셔터는 이미지 형성 유닛과 이미지 캡처 유닛 사이에 설치될 수 있다. 또한, 세컨더리 셔터는 이미지 형성 유닛 내부에 설치되거나 통합될 수 있다.
세컨더리 셔터는 또한 이미지 형성 유닛의 전방에 설치될 수 있다. 세컨더리 셔터는 고속 셔터 형태로 제공될 수 있다. 외란 검출기는 진동 검출기의 형태로 제공될 수 있다. 외란 검출기는 이미지를 왜곡할 수 있는 물체들을 모니터링하기 위한 검출기의 형태로 제공될 수 있다.
외란 검출기는 위성 궤도들을 모니터링하기 위한 장치의 형태로 제공될 수도 있다.
또한, 외란 검출기는 펄스 광원들과의 동기화를 제공하는 검출기의 형태로 제공될 수 있다. 제어 유닛은 세컨더리 셔터를 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 유닛은 프라이머리 셔터 및 세컨더리 셔터 모두를 제어하도록 구성될 수 있다. 전술한 검출기의 예들은 이 장치의 실시예들을 제한하지 않는다. 세컨더리 셔터를 폐쇄해야 하는 다른 외란들이 있을 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 다음의 설명에서 기술될 것이고, 부분적으로는 이 설명으로부터 명백할 것이며, 또는 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 이점은 첨부된 도면뿐만 아니라 본 명세서에 기재된 설명 및 청구범위에서 특히 나타낸 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명적인 것이며 청구된 본 발명의 추가 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 추가 이해를 제공하고 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 발명의 실시예들을 예시한 것으로서, 본 명세서와 함께 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도면들에서:
도 1은 세컨더리 셔터를 갖는 긴-노출 이미지들을 캡처하기 위한 장치의 개략도를 나타낸다.
도 2는 망원경에 장착된 세컨더리 셔터의 작동을 나타내는 도면이다.
도 3은 망원경의 예에 도시된, 외란 검출기들을 사용하여 세컨더리 셔터를 제어하는 개략도를 나타낸다.
도 4는 제어 유닛이 프라이머리 셔터, 세컨더리 셔터 및 이미지 캡처 유닛을 제어하는, 긴-노출 이미지들을 캡처하기 위한 장치의 개략도를 나타낸다.
도 5는 세컨더리 셔터를 구비한 장치의 작동 시간도를 나타낸다.
이제 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 하며, 그 예들이 첨부 도면들에 도시되어 있다.
긴-노출 이미지들을 캡처하기 위한 장치(도 1)는 이미지 형성 유닛(1), 예를 들어 렌즈; 이미지 캡처 유닛(2), 예를 들어 검출기; 및 이미지 캡처 유닛(2)에서 통합 모드의 시작 및 종료를 제공하는 프라이머리 셔터와 같은 셔터(3)를 포함한다. 이미지 캡처 유닛(2)은 감광 어레이들, 특히 CCD 매트릭스 기술에 기반하여 구현될 수 있다.
일반적으로, 긴-노출 이미지들을 캡처하는 장치들은 전자, 기계, 전기기계 또는 전자-광학 셔터들로 구현되는 프라이머리 셔터들(3)을 사용하며, 이러한 셔터들은 일반적으로 진동, 전자기 복사, 열, 및 고속 장치와 관련된 기타 부정적인 요인들이 이미지 캡처 유닛의 작동에 미치는 영향을 배제할 수 있는 저속 셔터들(예를 들어, 커튼 셔터들)이다. 대안적으로, 이들은 긴-노출 이미지들을 캡처하기 위해 장치에 내장되는 전자 셔터들일 수 있으며, 여기서 폐쇄된 상태로의 전환은 감광 어레이가 노출되는 전자기 에너지의 입력 흐름의 중단을 의미할 뿐만 아니라, 해당 에너지의 통합을 취소하여 통합된 에너지를 더욱 잃게 됨을 의미한다.
본 발명에 따른 긴-노출 이미지들을 캡처하기 위한 장치는 또한 제어 유닛(5)을 통해 외란 검출기들(6)에 연결되는 세컨더리 셔터(4)를 포함한다. 세컨더리 셔터(4)는 이미지 캡처 유닛(2)의 상류 어디에나 위치할 수 있다. 예를 들어, 세컨더리 셔터(4)는 이미지 형성 유닛(1)(즉, 렌즈) 앞에 위치하거나 이미지 형성 유닛(1)에 내장되거나 이미지 형성 유닛(1) 뒤에 위치할 수 있다. 특히, 세컨더리 셔터(4)의 기계적 진동과 그에 의해 방출되는 열 및 전자기 에너지가 이미지 캡처 유닛(2)에 실질적으로 부정적인 영향을 미치지 않도록 하기 위해 이미지 캡처 장치(2)로부터 거리를 두고 위치할 수 있다.
긴-노출 이미지들을 캡처하기 위한 장치들은 특히 희미한 물체들의 광 방사 범위에서 전자기 방사선을 캡처해야 하는 분야들에서 주로 사용된다. 이러한 분야들은 천문 및 현미경 사진(현미경 관찰), 특히 형광현미경 관찰과 관련이 있다.
도 3은 세컨더리 셔터(4) 및 망원경(12)용 외란 검출기들(6)을 갖는 제어 유닛(5)의 예를 도시한 것이다. 이 구현 예를 나타내는 도면이 도 2에 제공되어 있다. 경우에 따라 망원경(12)에 장착된 카메라로 이미지를 캡처함에 있어서의 외란이 프레임에 포착된 인공 지구 위성들(14)에 의해, 또는 예를 들어 RU 특허 2662907에 언급된 시스템과 같은 실외 펄스 조명 시스템들(15)의 광 펄스들에 의해 발생하거나, 또는 지진에 의해 발생하는 지진파(13)가 망원경(12) 및 이미지 캡처 유닛(2)(검출기)을 외란시키는 경우에 발생하게 되며, 이에 따라 망원경의 이미지 캡처 유닛에서의 우주 물체들의 투사된 이미지를 시프트시키게 된다.
세컨더리 셔터(4)는 전환 시의 노출 손실을 줄이기 위해 고속 셔터여야 하고, 발생되는 급작스럽고 짧은 외란들에 대해 신속한 응답을 제공해야 하며, 즉, 수 밀리초 또는 그보다 빠른 속도로 개방 상태와 폐쇄 상태 사이를 반복적으로 전환할 수 있어야 한다. 세컨더리 셔터(4)는 기계적 또는 전기기계적 장치(커튼 셔터, 라멜라 셔터, 회전식 셔터 등)로서 또는 전자 광학 장치(액정 기반 광학 스크린 등)로서 또는 다른 적절한 장치로서 제공될 수 있다.
현미경과 같은 임의의 장치의 베이스의 지진 진동들 및 다른 진동들에 대한 외란 검출기(8)가 진동 검출기로서 제공될 수 있다. 풍하중 검출기(11)가 또한 진동 검출기로서 제공될 수도 있다.
움직이는 위성들의 글로우(glow)에 대한 외란 검출기(9)가 물체 추적 검출기로서 제공될 수도 있다. 예를 들어, 외란 검출기(9)는 위성 궤도를 측량하기 위한 장치로서 제공될 수 있다.
펄스 광원들에 의한 광공해에 대한 외란 검출기(10)가 펄스 광원들과 동기화하기 위한 검출기로서 제공될 수 있다.
제어 유닛(7), 즉 셔터들 및 이미지 캡처 유닛들을 제어하는 유닛(도 4)은 프라이머리 셔터, 세컨더리 셔터 및 이미지 캡처 유닛의 검출기를 제어하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제어 유닛(7)은 이미지 캡처 유닛(2)을 스위치 온 스위치 오프할 때마다 제어한다. .
프라이머리 셔터(3)는 또한 감광 어레이에 내장된 전자 스위치일 수 있으며, 따라서 어레이를 스위치 온 및 스위치 오프하는 것은 프라이머리 셔터를 동시에 스위치 온 및 스위치 오프함을 의미한다.
도 1에 도시된 도면에 따른 긴-노출 이미지들을 캡처하기 위한 장치는 다음과 같이 작동한다.
초기에, 세컨더리 셔터(4)는 개방 상태이다. 세컨더리 셔터(4)는 외란 검출기들(8, 9, 10, 11) 중 임의의 것으로부터 명령이 내려질 때까지 그 상태로 유지된다.
또한, 이미지 캡처 유닛(2)의 감광 어레이가 활성화된다(도 2, 도 4, 도 5). 장치가 외부 외란들에 노출된 경우에도, 이미지 캡처 장치가 작동하는 동안 감광 어레이는 활성 상태를 유지한다. 언급한 바와 같이, 어레이의 비활성화는 통합된 광 에너지의 손실을 야기하므로, 프로세스는 처음부터 시작되어야 한다. 따라서, 이미지 캡처 프로세스는 T 시간 동안 프라이머리 셔터(3)를 개방하는 것으로 시작된다(도 5(A)). 일반적으로, 프라이머리 셔터(3)는 이러한 장치들에서 고속 셔터가 아니다. 외란이 발생하는 경우, 대응하는 검출기가 트리거된다. 예를 들어, 이것은 지진 진동 검출기(8)(도 5(B)), 위성 추적 검출기(9)(도 5(C)) 또는 실외 조명 시스템 검출기(10)(도 5(D))일 수 있다. 이러한 검출기들 중 임의의 검출기의 트리거에 의해서 세컨더리 셔터(4)(도 5(E))가 폐쇄되며, 이에 따라 오염되거나 시프트된 이미지의 통합이 차단된다. 이미지 캡처 유닛(2)의 감광 어레이는 활성 상태를 유지한다. 프라이머리 셔터(3)는 개방 상태를 유지한다. 또한, 외란이 끝나면, 대응하는 외란 검출기(유닛 8, 9 또는 10)는 세컨더리 셔터(4)를 개방하도록 하는 명령을 생성하는 신호를 제어 유닛(5)에 전송한다. 세컨더리 셔터(4)가 개방되어, 다음 외란이 발생할 때까지, 즉 제어 유닛(5)으로부터 다음 폐쇄 명령이 내려질 때까지 노출이 재개된다. 프라이머리 셔터(3)는 외란 발생과 무관하게, 노출이 종료될 때까지 개방 상태를 유지한다.
도 5(F)는 희미한 물체에 대한 이미지 캡처 유닛(2)의 감광 어레이에 의한 긴 전하 통합 프로세스를 보여준다. 곡선(16)은 촬영 대상 물체의 글로우가 일정하고 발생되는 외란이 억제될 때의, 감광 어레이에 의한 전하 통합 프로세스를 나타낸다. 곡선(17)은 외란이 없는 경우를 나타내며, 따라서 통합이 중단되지 않는다. 곡선(16)과 곡선(17)을 비교하면, 외란 발생 시에, 촬영 대상 물체의 일정한 글로우를 위해 감광 어레이에 의한 전하 통합 프로세스에 더 많은 시간이 필요하다는 것을 알 수 있다.
도 4의 도면에 따른 장치의 구현은 필요한 노출을 보장하고 원하는 품질의 이미지를 얻기 위해 임의의 외란 발생 시 세컨더리 셔터(4)를 스위치 오프하는데 손실된 시간을 보상할 가능성을 제공한다. 이 경우, 외란 검출기 유닛(6)은 이미지 캡처 유닛(2)의 제어 유닛(7)(셔터 제어 유닛이기도 함)에 연결된다. 외란 검출기 유닛(6)은 세컨더리 셔터(4)의 중단 시간을 포함하는 신호를 제어 유닛(7)에 전송한다. 따라서, 제어 유닛(7)은 이미지 캡처 유닛(2)의 노출 시간을 증가시키며 세컨더리 셔터(4)가 폐쇄된 동안 손실된 시간을 보상할 수 있다.
특정 프레임을 캡처하는 것에 대한 품질 저하를 방지하기 위해, 노출 시간을 Tcomp = (T1+T2+T3+ ...)만큼 연장하게 되며, 여기서 T1, T2 및 T3은 외란 발생 시에 세컨더리 셔터(4)가 폐쇄되는 시간이다.
도 4에 도시된 도면에 따른 제어 유닛(7)은 Tcomp의 길이만큼 시간 T(프라이머리 셔터(3)의 개방 시간)를 연장한다. 이러한 방식으로 구현될 경우, 제어 유닛(7)은 이미지 캡처 유닛(2)을 제어할 수 있다.
장치의 진동 외란 검출기에 추가하여, 부주의하게 스위칭되는 조명에 대한 외란 검출기가 사용될 수도 있으며, 이것은 그 자체로 조명 동기화 검출기가 된다.
산업상 이용 가능성
본 발명은 새로 개발되는 장치뿐만 아니라 다양한 상업적으로 입수 가능한 장치들에서 구현될 수도 있다.
이와 같이 바람직한 실시예를 설명하였으므로, 본 설명된 방법 및 장치의 특정 이점들이 달성된다는 것은 당업자에게 명백하다. 또한, 본 발명의 범위 및 사상 내에서 다양한 수정, 개조 및 대안적인 실시예가 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (10)

  1. 이미지 형성 유닛, 이미지 캡처 유닛, 프라이머리 셔터 및 제어 유닛을 통해 적어도 하나의 외란 검출기에 연결되는 세컨더리 셔터를 포함하는 긴-노출 이미지들을 캡처하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세컨더리 셔터는 상기 이미지 형성 유닛과 상기 이미지 캡처 유닛 사이에 설치되는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세컨더리 셔터는 상기 이미지 형성 유닛과 통합되는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 세컨더리 셔터는 상기 이미지 형성 유닛의 전방에 설치되는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세컨더리 셔터는 고속 셔터인 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외란 검출기는 진동 검출기인 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 외란 검출기는 이미지를 왜곡할 수 있는 물체들을 모니터링하기 위한 검출기인 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 외란 검출기는 위성 궤도들을 추적하기 위한 장치인 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 외란 검출기는 펄스 광원(pulsed light source)들과 동기화하기 위한 검출기인 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 프라이머리 셔터와 상기 세컨더리 셔터를 모두 제어하도록 구성되는 장치.
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