KR920008982Y1 - 카메라의 자동 초점 시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

카메라의 자동 초점 시스템

제1도 (a)는 삼각측거방식을 설명하기 위한 도면.

제1도 (b), (c), (d)는 각도의 경우의 수광소자에 맺히는 상을 나타낸 도면.

제2도는 본 고안의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도면.

제3도는 본 고안의 실시예를 구체적으로 나타낸 상세회로도.

제4도는 (a), (b), (c), (d)는 제3도 회로의 각 부에 나타나는 실시예에 따른 파형도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 신호 전처리부 4 : 아날로그스위치

5 : 대역 통과 필터 6 : 증폭부

7 : 적분부 8 : 비교부

본 고안은 카메라의 자동 초점 장치에 관한 것으로, 특히 비용절감된 고 정밀도의 1채널 방식이 채용된 카메라의 자동 초점 조절 시스템에 관한 것이다.

자동 초점 카메라는 촬영자가 노출과 거리조정을 행하지 않고 조작에 어려움이 없이 간편하고 또한 선명한 화상을 얻을 수 있도록. 피사체와의 거리에 따라 초점거리를 이동시켜 자동 세팅시키는 장치가 내장된 카메라이다. 이러한 장치는 카메라 뿐만 아니라, CCD 카메라, 촬상관식 카메라, 전자 스틸 비디오 카메라, 비디오 카메라, 캠코더 등 많은 류의 장치에서도 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하여 현재 개발되어 있는 카메라의 자동 초점 방식에는 초점검출 방식과 측거방식이 있다.

초점검출 방식은 촬영렌즈를 통과하는 광을 이용하여 초점위치 부근에서 피사체상의 콘크라스트나 위치를 직접 검출하여 초점을 맞추는 방법으로 이에는 콘트라스트 검출방식과 위상차 검출방식이 있다.

또한 측거방식은 카메라와 피사체간의 거리를 측정하고, 그 결과를 피이드 백하여 포커싱을 행하는 방법으로, 카메라에서 초음파를 발사하여 피사체로부터 왕복하는 시간을 측정하여 계산하는 초음파 전파시간법과 카메라의 2점에서 피사체를 보는 각도를 검출하여 거리를 측정하는 삼각측량법이 있다.

상기한 삼각측량법은 일정한 간격으로 배치한 2개의 측정창으로 입사되는 피사체상을 포토다이오드 배열에 결상시켜 2개의 상을 비교하여 가동미러의 각도변위를 검출함으로써 거리를 측정하는 2중 상 합치방식과, 수광소자에서 일정거리만큼 이격되어 배치된 적외선 발광다이오드(이하 IR-LED라 함)에서 발사되는 비임이 피사체에서 반사된 후 수광소자 위에 결상되는 입사광의 각도를 검출하여 거리를 측정하는 투광방식이 있다.

이와 같이 다수의 방식 중에서 적외선 투광에 의한 삼각측거방식은 제어원리와 회로구성이 간단하고 주위 밝기에 영향을 받지 않는다는 장점때문에 많이 사용되는 방식으로서, 이 방식의 원리에 대해 제1도를 참조하여 설명한다.

이 방식은 제1도에 도시한 바와 같이 IR-LED(L)와 일정거리만큼 이격되어 1차원 이미지 센서(S)가 배치되어 있고, IR-LED(L)와 피사체(H) 사이에는 발광 비임 시준(collimation)렌즈(U)가 개재되고, 1차원 이미지 센서와 피사체(H) 사이에는 수광비임 결상렌즈(T)가 상기한 발광비임 시준렌즈(U)의 동일 중심 축 상에 개재되어, IR-LED(L)에서 발사되는 비임이 피사체(H)에서 반사된 후 수광비임 결상렌즈(T)를 통해 1차원 이미지 센서(S)에 결상되고 결상된 이미지에 대응하는 전류량에 따라서 수광부를 이동시켜 초점을 맞추도록 하는 방식이다.

즉, 피사체(H)와 발광 비임 시준렌즈(U)의 광축 중심간의 거리를 1, 발광비임 시준렌즈(U)와 수광비임 결상렌즈(T)의 중심간의 거리를 w라 하고, 수광비임 결상렌즈(T)의 중심과 1차원 이미지 센서(S)와의 거리를 f, 수광비임 결상렌즈(T)의 중심과 1차원 이미지 센서(S)에 피사체(H)의 상이 결상되는 점과의 거리를 ▲라 하면, 1 : W=f : ▲이 성립함으로 따라서 1=w●f/▲인 관계식을 얻을 수 있다.

제1도(b), (c), (d)는 1차원 이미지 센서(S)에 피사체(H)의 위치에 따라 상이 2분할 포토다이오드에 맺힌 상태를 나타낸 도면으로서 제1도(b)는 기준위치, 제2도(c)는 피사체(H)와의 거리가 근거리 일 때, 제1도(d)는 피사체(H)와의 거리가 원거리 일 때를 나타내고 있다.

도면과 같이, 2분할 수광소자에 맺히는 상의 위치에 따라서 어느위치에 맺히는 가에 의존하여 각각의 영역에 맺힌 상에 대응하는 신호의 전류치의 양이 달라지며 따라서 두 신호의 양이 같아지도록 수광초점렌즈부가 기구적으로 연동이 되어 출력의 균형이 맞는 위치에 수광조절렌즈를 정지시키므로써 렌즈의 초점이 맞게 된다.

더욱 상세히 설명하면, 피사체에서 반사된 적외선을 받아들이는 수광소자인 이미지 센서(S)는 2개의 영역으로 나뉘어져 있고 이 영역에 들어오는 각각의 적외선 신호는 2개의 채널을 이용하여 대역 통과 필터(이하 BPF라 함) 및 증폭부와 적분부를 거쳐 내장된 마이컴으로 입력되고 마이컴은 적분된 양에 대응하는 각각의 신호의 계수량을 비교하여 이 두양이 서로 같아지도록 언급한 바와 같이 자동초점 모터 제어부를 구동하도록 되어있다.

상기식과 같이 거리(1)를 측정하는 이유는 수광부가 이동됨에 따라서 실제의 피사체간 거리(1)는 일정하나, w가 가변되므로 카메라에서 식에 의존하여 측정한 카메라와의 피사체간의 거리(1)가 가변되기 때문에 렌즈 초점 조정이 변동된다. 즉, 제1도(B)와 같이 위치되는 경우에 있어서 이에 대응한 w값이 정해지므로 상기식에서 w, f, ▲값에 의해 1값이 얻어지고 따라서 이 1값에 따라 카메라 렌즈를 조절하므로 자동초점이 이루어진다.

언급한 바와 같이 종래의 방식은 2채널을 사용하는 것으로 2분할 수광소자에 들어오는 적외선이 두영역의 수광소자에서 전류치로 변환되어 제1 및 제2 채널을 거치면서 신호가 처리되므로 소자의 특성들이 상호 정확히 일치될 것이 필요한 것이다. 즉 정밀제어를 위해서, 환원하면 선명한 화상을 얻기 위해서는 각 채널에 사용되는 소자간 특성이 정확히 일치되어야 한다.

수광소자에 입력되는 적외광에 대응하는 전류의 양을 신호 처리부의 2개의 채널을 이용하여 자동 초점을 행하는 상기 언급한 종래의 자동 초점 조절 시스템은 채널이 2개인 관계로 인하여 각 채널간의 각 전자부품 소자의 특성으로 인하여 야기되는 차이를 적분부와 증폭부 다음단에 각각 가변저항기를 설치하여 2채널간의 균형을 맞추기가 어렵고 정한바 규정의 수치 또한 정하기 어려운 문제점이 있어 제품으로서의 양산성이 희박하고, 더우기 2채널 방식은 소요 부품의 수량이 많아 원가가 상승되는 요인이 되는 문제점이 있는 것이다.

즉, 2채널을 이용한 자동 초점 시스템은 조정해야할 요소가 적어도 3개이상이며 또한 기구부와의 매칭이 어려운 문제점이 있다.

따라서 정밀하고 선명한 화상을 얻기 위해서, 2채널 시스템 보다는 단일 채널을 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 고안이 해결하고자 하는 것은 근본적으로 수광소자로 부터의 두신호의 특성차를 극복하는 것이다.

따라서, 본 고안의 목적은 단일 채널을 갖는 삼각 측거 방식에 의한 자동 초점 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 고안의 목적에 따라 구성된 장치의 개략적인 블록도면을 제2도에 도시하였다.

제1도에서 IR-LED(L)와 수광소자(S)는 제2도에서 대응하여 도시되어 있다. 제2도에 한쌍의 수광소자(S)가 신호 전처리부(1)에 연결되 있음이 도시되 있고, 이 수광소자 각각의 단자는 상기 신호 전처리부를 구성하고 있는 외란제거 및 전원 안정화 회로가 내장된 예를들면, 칩 일련번호인 AN8335S과 같은 소자(2)에 연결된다. 그리고 이 AN8335S(2)에는 전류를 전압으로 바꾸는 i-V변환기가 내장되어 있어 수광소자(S)로 부터 출력되는 전류 신호는 전압으로 변환되고 이어서 잡음제거를 위한 고역통과필터(3)로 입력된다.

신호 전처리부(1)에서 출력되는 전압으로 변환된 전압신호(A), (B)는 아날로그 스위치(즉, 칩번호 'CD4053AE')(4)에 인가된다.

이 아날로그 스위치(4) 출력은 연이어 연결된 대역 통과 필터(이하, BPF라 함)(5), 증폭부(6), 적분부(7), 비교부(8)를 거쳐 CPU(9)로 입력된다. CPU는 A, B채널 선택을 위해 상기한 아날로그 스위치(4)로 제어신호를 출력하고 동시에 충방전 제어신호를 출력하며, 자동 초점용 모터 제어부(10)와 적외선 구동부(11)로 소정의 적합한 제어 신호를 출력한다.

본 고안의 목적에 따라 구성된 본 고안 장치에 대한 실시예로서 제3도에 상세 회로 구성을 도시하였다.

제2도에서와 같이 본 고안의 사상을 설명하는 개략적인 블록도면에 상호 대응하여 본 고안회로가 제3도에 구체화되었다.

제3도의 각각의 부호에 있어 제2도와 동일부호는 동일 구성요소임을 의미한다.

제3도에 도시한 회로 동작 설명을 위해 제4도의 타이밍 챠트를 참조하여 설명한다.

피사체(U)를 반사하여 되돌아온 신호는 수광소자(S)로 입력되어 내부 구성이 도시된 신호 전처리부(1)로 수광자(S)의 전류신호가 공급된다. 이때 제1도(B) 내지 (D)의 각 경우에 대해 이미 급한 바와 같이 2분할 수광소자에 맺히는 상의 위치가 A, B 두부분중 어느 위치에 맺히는가에 따라 이에 대응하여 A, B 두 신호(전류)의 레벨이 달라지며 이 두 신호는 제3도의 참조부호 '3'로 표기된 고역 통고 필터(이하 HPF)로 각각 출력된다. 이 HPF(3)는 도시와 같이 2개의 콘덴서(C₁), (C₂)와 2개의 저항(R₁), (R₂)로 구성될 수 있다.

상기의 AN9335S(1)는 통상의 IC칩 소자이므로 그 내부구성이 간략하게 도시는 되었으나 상세한 동작설명은 생략한다. 그러나 그 기능은 이미 언급한 바와 같이 외란광에 대한 외란제거 및 전원 안정화이다.

수광소자로 부터의 전류신호는 내장된 i-V컨버터에 의하여 전압으로 변환되어 상기의 HPF(3)로 입력된다. 수광소자는 2분할되어 있으므로 2개의 신호가 HPF(3)를 구성하고 있는 콘덴서(C₁) 및 (C₂)로 각각 입력된다. 여기서, HPF(3)의 사용이유는 시스템의 기본 노이즈인 주파수 60Hz를 제거하기 위한 것이다. 따라서 이 HPF는 잡음 제거용으로 사용된 것이다.

HPF(3)를 통과한 잡음이 제거된 각각의 두 신호(A), (B)는 제4도(a)에 도시된 파형도와 같이 CPU로 부터 제어신호(CA)를 받는 아날로그 스위치(4)의 제1 아날로그 스위치(4-1) 입력단자(MA) 및 (BA)로 각각 입력된다.

도면에서 2개의 스위치가 사용되고 있음이 도시되어 있는데 제1아날로그 스위치(4-1)는 채널선택용 스위치로서, 입력되는 두 신호 선택은 CPU로 부터 채널선택 신호(CA)를 제허신호로 하여 선택된 신호는 제1의 아날로그 스위치 출력단자(OA)를 통해 출력된다. 그리고, 본 실시예에서는 A채널 신호를 먼저 선택하나, 순서에 제약이 있는 것은 아니다.

현재, 스위칭에 의하여 선택된 A채널의 신호는 IR-LED의 구동신호의 주파수 성분을 추출하고 증폭을 위해 제1 OP앰프(OP₁)의 비반전 입력 단자에 연결되어, 콘덴서(C₃, C₄) 및 저항(R₃, R₄)으로 이루어진 BPF(5)에 의해 소정범위의 주파수만 출력된 후 증폭되어 출력된다.

본 실시예에서 BPF(4)는 10KHz 주변의 주파수만 선별 출력하고 신호가 미세하므로 약 60배 정도 증폭시키도록, 증폭부(6)를 구성하고 있는 제1의 OP 앰프(OP₁)가 사용된다.

이와 같이 주파수 선별을 거치는 이유는 언급한 바와 같이 IR-LED(L) 구동을 위해 선택되는 것이며, 이 신호는 본 실시예에서 1V 레벨이므로 상기 증폭부(6)에 포함된 제2 OP앰프(OP₂)와 3개의 저항(R₆), (R₇), (R₈)로 구성된 증폭회로로부터 약 6배정도 다시 증폭된다.

이와 같이 증폭된 신호는 저항(R₉)을 거쳐 제3 OP앰프(OP₃)의 반전입력단자에 입력된다.

제2도의 블록도면에서 적분부(7)는 제3도에 대응하여 블록으로 지시되어 있지 않으나, 콘덴서(C₅)를 충 반전하는 동작에 따라서, 상기 제3의 OP앰프(OP₃) 및 다이오드(D₁), 스위칭 트랜지스터(TR)와, 상기 콘덴서(C₅)에 이르는 신호패스, 또한 콘덴서(C₅)에 충전된 전하를 접지로 방전시키기 위한 저항(R₅) 등에 의해 상기 요소는 적분부 전체를 구성한다.

이러한 적분부의 상세동작은 다음과 같다.

제3도의 OP앰프(OP₃)의 반전입력단자에 입력되는 신호는 적정레벨(즉, 6V)을 갖는 정현파형 형상의 신호로서 이 OP앰프의 출력은 입력신호 극성에 반대되는 신호가 출력되므로, OP앰프 입력단자와 출력단자간 역방향으로 연결된 다이오드(D₁)의 온, 오프 동작은 OP앰프 출력이 음(-)일 경우 오프상태 및 그 역의 동작이 수행된다.

즉 입력되는 정현파의 양의부분에 대해서는 다이오드가 오프상태에 있어 트랜지스터(TR)가 스위칭 '온'되고 따라서 아날로그 스위치(4)의 제2 아날로그 스위치 입력단자(MB)로 입력된다. 이때 제2아날로그 스위치의 신호흐름을 제어하는 CPU로 부터의 충방전 제어신호(CB)는 제4도의 (D)에 나타낸 바와 같이, t1 시간에서 약간 지연된 t₁'시간에서 하이레벨의 신호로서 상기 제2아날로그 스위치에 인가되어 충전이 개시되도록하고 있다. 구체적으로 800μs인 상기 언급한 약간의 지연된 제어신호의 의미는 하드웨어 구성상 스위치의 스위칭 작용에 기인한 발진신호에 의해 적분되는 것을 고려하여 취해진 것이다. 따라서 A채널 신호선택과 아울러 CPU는 t₁'시간에 충전을 위한 제어 신호를 아날로그 스위치에 공급한다.

이 신호는 도면과 같이 제2아날로그 스위치 출력단자(OB)를 거쳐 콘덴서(C₅)로 인가되어 충전이 된다.

충전된 전압은 비교기로 사용되고 있는 제5 OP앰프(OP₅)의 반전 입력단자에 인가되고 있으므로, 신호 파형도인 제4도의 (B)와 같이 저항(R₁₄) 및 (R₁₅)에 의한 전압 분배치까지 콘덴서(C₅)에 충전이 된다. 본 실시예에 따라 약 1.3V까지 상기 콘덴서(C₅)의 전압이 상승되는데 그 이상 상승되는 순간 비교기의 출력은 로우(Low)신호가 되고 이 신호가 CPU로 인가된다. 즉 상기의 콘덴서(C₅)에 소정 전압치까지 충전되는 중에는 CPU에 하이(High)가 입력되다가 소정전압 이상이 되는 순간 로우신호로 입력된다.

이것은 제4도 (C)의 비교기 출력신호로서 도시된 바와 같다.

그러면 CPU 입력된 로우신호를 인식하여 제2 아날로그 스위치(4-2)에 제4도 (D)와 같이, t2시간에 로우레벨인 제어 신호(CB)를 보내어 제2 아날로그 스위치의 'DB'단자와 출력단자(OB)가 연결되게 하여 상기한 콘덴서(C₅)에 출력된 전하를 저항(R₅)을 통하여 방전시키도록 한다.

이어서 CPU는 앞서 A채널을 선택하기 위한 제어 신호 출력 시간 즉, t₁부터 상기 비교기 출력신호가 로우로 출력되는 시간 즉, t₂까지의 시간 T₁을 내부의 카운터(도시생략)을 사용하여 측정한 값을 기억장치(도시없음)에 저장하여 둔다. 이 값은 A채널로부터 얻어진 전류값에 대응하는 시간간격이다. 그리고 CPU는 본 실시예에 따라 약 1.6ms의 지연시간을 두고 t₃시간 부터 B채널 선택을 위한 채널 선택 제어신호(CA)를 로우레벨로서 출력하여 아날로그스위치의 제1 아날로그스위치 제어단자에 입력시키고 이어서, t₃ ^'시간부터 방전된 상태의 콘덴서(C₅)에서 B채널 신호에 대응하는 적분신호를 얻기위해 제4도 (D)의 충방전 제어 신호(CB)를 출력하여 콘덴서(C₅)가 전하를 축적하기 시작하도록 한다.

현재의 일예는 제1도 (C)와 같이 2분할된 수광소자의 B영역쪽에 상이 맺힌 상태의 경우로서 B채널신호의 전류값이 A채널 값보다 크다. 즉, 제4도 (B)와 같이 t₃-t₄시간 즉, T₂시간 간격은 T₁시간 간격 보다 짧게나타나므로, 언급한 가정에의해 CPU가 갖고 있는 T₁값과 T₂값의 비교가 이루어진다.

즉, 이 경우에는T₁>T₂인 경우이므로 T₁과 T₂가 같아지도록 하기 위해서는, 다시 말하면 자동 초점이 이루어 지기 위해서 수광 초점렌즈부가 기구적으로 연동이 되어 출력의 균형이 맞는 위치에서 수광 초점렌즈를 정지시키도록 해야한다. 즉, T₁과 T₂가 같아지도록 자동 초점용 모터제어부(10)와 적외선 구동부(11)에 CPU는 적합한 제어신호를 보내어, 제어토록한다. 이에 대한 상세한 논의는 이미 잘 알려진 방식에 따라 적합한 설계적 변경을 실현가능하므로 생략한다.

CPU로 부터 출력되는 채널 선택 신호가 하이 레벨이라는 것은 본 실시예에서 A채널 선택임을 의미하여 CPU가 인식하고 있는 사항이며, A, B채널의 시간적 순서에 따른 샘플링으로 취한 데이타 값, 즉 T₁, T₂값의 대소비교에 따라, 서로 같아지는 순간에 자동 초점이 이루어지는 것으로 동작이 완료된다.

원 칩 마이크로프로세서 즉, 본 명세서에서 CPU라 호칭하고 있는 이 구성요소가 갖고 있어야 할 소정의 프로그램은 지금까지 논의된 동작과정을 고려하여 용이하게 실현 가능하다.

본 고안에 따라서 2채널 방식이 갖는 본질적인 조정의 어려움이 1채널 방식에 따라 제거되고 양 신호의 비균일성 또한 제거된다.

더우기, 2채널을 1채널로 하므로서, 정밀도가 더욱 높아지고 원가의 혁신적인 절감을 기대할 수 있다.

더우기, 연속적으로 변화되는 피사체에 대해 자동 초점을 행할 필요가 있는 시스템에 효과적이며, 비디오 카메라용 자동 초점 방식 시스템에 특히 적합하다.

Claims (7)

1. 적외선 발광다이오드로 부터 출력된 빛이 피사체에서 반사되어 되돌아오는 빛을 받아들이는 2분할된 수광소자와, 이 수광소자의 출력 신호를 처리하여 자동 초점을 행하도록 CPU 및 신호처리부를 갖고 또한 상기 CPU에 연결된 자동 초점용 모터 제어부와, 적외선 구동부를 포함하는 카메라의 자동 초점 조절 시스템에 있어서, 상기 신호처리부는 상기 2분할된 수광소자 출력신호의 잡음제거 및 전압신호를 출력하는 신호 전 처리부와, 이 신호 전 처리부로 부터의 2채널 신호를 순차 접속키 위한 아날로그스위치와, 이 스위치의 출력신호를 적분하여 소정 레벨이상의 시간 간격을 상기 CPU에 제공하기 위한 상기한 적분부 및 비교부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 카메라의 자동 초점 조절 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 아날로그스위치 출력신호를 소정레벨까지 적분하도록 아날로그스위치와 적분부간에 증폭부를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라의 자동 초점 조절 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 아날로그 스위치로부터 출력된 신호에서 적외선 발광다이오드 구동신호에 적합한 신호 추출을 위해 아날로그스위치와 상기 적분부간에 소정범위의 주파수만을 통과시키는 대역통과필터를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라의 자동 초점 조절 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 아날로그스위치는 상기 CPU로부터 채널선택을 위한 제어신호를 받고, 신호 전처리부로 부터 2채널 신호를 입력으로 하는 제1아날로그스위치와, 상기 CPU 로 부터 충방전 제어신호를 받고 상기 적분부의 신호 충방전을 스위칭하는 제2 아날로그스위치를 갖는 것을 특징으로 하는 카메라의 자동 초점 조절 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 신호 전 처리부로 부터 출력되는 2채널 신호는 상기 CPU에 의해 A채널 또는 B채널이 선 선택됨과 동시에 상기 적분부의 출력시기를 지령하는 제어신호가 CPU로부터 상기 아날로그스위치의 제어단자에 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 카메라의 자동 초점 조절 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 적분부는 증폭부의 출력신호를 제공받는 제3의 OP앰프의 반전 입력단자와 출력단자간에 스위칭을 위한 다이오드와 트랜지스터가 연결되어 그 출력에는 충전을 위한 콘덴서(C5) 및 제2아날로그스위치를 거쳐 방전을 위한 저항(R₄)이 연결 구성된 것을 특징으로 하는 카메라의 자동 초점 조절 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 비교부는 제5의 OP앰프를 갖고 있고, 이의 비반전입력 단자에는 기준 전압신호를 인가하고, 반전 입력단자에는 상기 적분부 출력신호가 인가되도록 연결되어 상기 CPU로 출력신호를 공급하도록 연결구성된 것을 특징으로한 카메라의 자동 초점 조절 시스템.