KR930001678B1

KR930001678B1 - Ccd 촬상소자의 초점자동 조정장치

Info

Publication number: KR930001678B1
Application number: KR1019880015967A
Authority: KR
Inventors: 김은진; 강복원
Original assignee: 삼성전자 주식회사; 안시환
Priority date: 1988-11-30
Filing date: 1988-11-30
Publication date: 1993-03-08
Also published as: KR900008842A

Abstract

내용 없음.

Description

CCD 촬상소자의 초점자동 조정장치

제1도는 CCD촬상소자의 구조와 촬상원리도

제2도는 종래의 초점조절상태 표시도

제3도는 결상점과 초점신호 표시도

제4도는 본 발명에 이용된 미러 배치도

제5도는 합초점과 신호출력 파형도

제6도는 본 발명의 전체구성도

제7도는 센서구동회로의 내부구성도

제8도는 센서구동신호와 센서출력신호 파형도

제9도는 센서구동신호(ψSH, ψ₁, ψ₂)의 타이밍 조건도

제10도는 센서구동회로(ψ₁, ψ₂, ψRS)의 타이밍 조건도

제11도는 암출력 보상회로의 내부구성도

제12도는 흑레벨 기준값 자동설정을 위한 입출력 및 스위칭 타이밍도

제13도는 쉬프트회로의 내부구성도

제14도는 신호처리계의 내부구성도

제15도는 증폭기의 내부구성도

제16도는 가변지연회로 및 비교기의 내부구성도

제17도는 CCD촬상소자 초점조정장치의 제어신호와 출력파형도

제18도는 렌즈구동회로의 내부구성도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 집광렌즈 111 : 하프미러

112 : 미러 113, 114 : 센서

115, 116, 225, 420, 501, 600, 700 : 증폭기

120 : 출력검출회로 205 : CCD촬상소자

210 : 센서구동회로 220 : 암출력보상회로

230 : 제어회로 235, 500 : 쉬프트회로

240 : 가변지연회로 245, 440 : 비교기

250 : 합초점식별회로 260 : 렌즈구동회로

315, 340∼342 : 카운터 320 : 디코더

330, 331 : 플립플롭 410 : 에미터폴로워회로

430 : 진폭검출기 511 : 아날로그멀티플렉서

본 발명은 이미지 스캐너 또는 팩시밀리에서와 같이 광학신호를 전기신호로 변환시키는 CCD촬상소자의 초점조정장치에 관한 것으로, 특히 센서에 결상된 상의 샤프함(콘트라스트)을 측정하여 렌즈의 초점을 정확하고 효율적으로 자동 조절할 수 있는 CCD촬상소자의 초점 자동조정장치에 관한 것이다. CCD(Charge Coupled Device)촬상소자를 사용할 경우에는 센서(Sensor)면상에 상을 결상시켜서 사용하는 것이 필요하다.

센서면이 센서피치와 외부 유리면과 비교했을 때 매우 깊은 곳에 있기 때문에 피사체에서 산란된 빛을 충분히 포착할 수 없게 된다.

또한 집광렌즈 등을 사용하여 결상한 경우에 합초점에서 상을 가까이 하거나 멀리함에 따라서 상의 엣지(Edge)부분이 완만해짐과 동시에 출력이 피크값도 내려가게 됨으로써 상의 샤프(Sharp)함 즉 콘트라스트가 측정된다. 따라서 렌즈에서 집광된 빛을 2개의 반사경을 일정간격 만큼 차이를 두어 배치시키면 이 거리차만큼 각각 결상점이 다르게 되어 2개의 반사경 상의 샤프함이 각각 다르게 된다.

이와같은 현상을 이용하여 원하는 상의 샤프함이 최대가 되도록 렌즈를 이동시켜 CCD촬상소자의 초점을 조정한다.

종래에는 이와같은 초점조정을, 조정대상이 되는 촬상센서와 결상면이 다른 기준센서로 2개의 센서를 이용하기 때문에 조정후 메인시스템에 장착하면 그 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것인바, 집광렌즈 후단에 2개의 반사경을 이용하여 각각 결상점이 다른 광신호 1개의 라인촬상소자상에 서로 다른 위치에 결상시키고 가변지연소자를 이용하여 두광신호의 결상점 만큼 지연시켜 두신호를 비교함으로써 합초점의 원근을 식별하여 그 값만큼 렌즈의 위치를 조정하여 초점을 자동조정하기 위한 것으로 이하 첨부된 도면에 의하여 촬상원리 및 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 CCD촬상소자의 구조와 촬상원리를 도시한 것으로, 집광렌즈(100)을 통한 집광한 빛이 센서의 유리면을 통과하여 센싱면에 정확하게 초점이 맺혀 결상된 경우는 제3도에서 합초점시의 결상신호와 같이 상이 아주 샤프하게 되어 빛신호가 그대로 충실하게 전기신호로 변환되지만, 합초점에서 멀어지거나 가까워질때는 상의 샤프함이 열화된다.

따라서 렌즈의 초점을 조정하기 위해서는 이러한 상의 샤프함을 측정하는 방법이 많이 이용되고 있지만, 종래에는 제2도에 도시된 바와같이 센서를 두 개 사용하여 이 두센서가 각각 상거리가 Δℓ 만큼 차이가 나도록 배치하여 집광렌즈(100)를 전후 이동시켜 각 센서에서 출력신호의 샤프함 정도를 파악하여 초점을 조정한다. 또한 하프미러(111)는 반사율이 50%이며 미러(112)는 반사율이 100%인 반사거울이다.

상기 집광렌즈(100)를 통한 빛이 집광되어 하프미러(111)를 통과하며, 이 통과한 빛 중에서 절반은 투과되어 센서(113)에 입사되고, 나머지 절반은 반사되어 미러(112)를 통하여 센서(114)에 입사된다.

따라서 동일한 빛이 센서(113)와 센서(114) 사이의 미러 배치간격(Δℓ)만큼 거리차를 가진 상이 각각 맺히게 된다.

즉, 상기 센서(113)가 합초점에 있을 때 상기 센서(114)는 합초점에서 Δℓ만큼 떨어지게 되어 상의 샤프함이 떨어지게 되고, 상기 센서(114)가 합초점에 있을 때 상기 센서(113)는 합초점에서 Δℓ만큼 가까워져서 역시 상의 샤프함이 떨어지게 된다.

이와같이 센서의 출력신호의 샤프함을 출력차 검출회로(120)로 식별하여 결상점을 합초점의 위치에 오도록 집광렌즈(100)의 위치를 이동시켜 초점을 조정한다. 상기와 같은 초점조정은 센서의 개별적인 특성차를 고려하거나, 센서의 모델변경시에는 동일한 장치를 이용할 수 없으므로 본 발명에서는 제4도에 도시한 바와같이 라인센서를 횡방향으로 배치시켜 하프미러(111)에서 입사된 빛이 센서의 X₁점에 결상되되도록 하고, 미러(112)에서 입사된 빛을 같은 센서의 X₂점에 결상되도록 하면, 여기서 하프미러(111)와 미러(112) 사이의 상거리는 Δx만큼 차이가 있게되어 한 개의 센서로서 촬상원리와 같은 효과를 낼 수 있으며 센서의 종류 및 개개의 특성을 고려한 초점조정이 가능하다.

그런데, 상기 제4도에서 하프미러(111)와, 미러(112)에서 입사된 빛의 결상시간은 동일한 라인센서를 이용하기 때문에 각각 차이가 생긴다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 상거리차 Δx만큼 x₁의 상을 지연시켜 X₂의 상과 비교한다. 이때 지연비트(Bit)수 R는 다음과 같다.

즉, 제5도에 도시된 바와같이 제5a도는 X₁이 합초점에 있고 X₂가 합초점에서 멀어진 경우이고, 제5b도는 X₁, X₂가 모두 합초점 사이에 있는 경우이며, 제5c도는 X₁이 합초점에서 멀어져 X²가 합초점에 있는 경우를 각각 표시한 것이다.

제6도는 본 발명의 전체적인 구성도로서, 집광렌즈(100)는 하프미러(111)와 미러(112)를 통하여 CCD촬상소자(205)에 접속하고, 상기 CDD촬상소자센서(205)는 CCD촬상소자의 출력신호를 버퍼링하거나 흑레벨 기준값을 설정해 주는 암출력 보상회로(22)와 증폭기(225)를 통하여 가변지연회로 및 차동증폭회로로 구성된 가변지연회로(240)와 비교기(245)를 거쳐 샘플 앤드 홀더와 흑레벨클램프회로 및 자동이득조정 증폭회로로 구성된 합초점식별회로(250)에 접속됨과 아울러 CCD촬상소자 출력레벨 쉬프트회로(235)를 거쳐 상기 합초점식별회로(250)에 접속되며, 상기 신호처리회로(250)는 렌즈구동회로(260)에 접속한다.

또한 센서구동회로(210)는 상기 CCD촬상소자센서(205)와 마이크로프로세서로 구성된 제어회로(230)에 구동신호(ψSH, ψRS, ψ₁, ψ₂)를 인가하도록 접속하고, 상기 제어회로(230)는 상기 암출력보상회로(220)에 흑레벨조정회로(S₁, S₂)를 인가하도록, 상기 증폭기(225)에는 이득값조정신호를 인가하도록, 상기 가변지연회로(240)에는 지연비트수 결정신호를 인가하도록 각각 접속함과 동시에 상기 렌즈구동회로(206)에는 렌즈이동거리값을 제어하도록 접속한다. 또한 상기 제어회로(230)는 상기 증폭기(225)의 출력값을 받고, 상기 합초점식별회로(250)의 출력값을 받도록 접속한다.

제7도는 센서구동회로(210)의 내부 구성도를 도시한 것으로, 수정발진기(300)에서 발진된 신호가 낸드게이트(301∼303)와 저항(R₁∼R₃) 및 콘덴서(C₁)를 구성된 발진회로(310)를 통하여 카운터(315)와 디코더(320)를 거쳐 클럭신호를 발생한다.

이 클럭신호는 D형 플립플롭(330), (331)과 4비트 카운터(340∼342) 및 앤드게이트(305)를 통하여 제8도와 같은 센서구동회로(ψRS, ψCLK, ψ₁, ψ₂, ψSH)를 출력한다. 상기 신호(ψSH)는 CCD촬상소자(205)가 1라인의 빛을 받아들이는데 필요한 노광시간(Tint)을 결정하며, 이 노광시간은 CCD촬상소자내에 있는 각 포토셀의 전하가 전부 읽혀질 수 있는 시간보다 커야한다.

상기 센서구동신호(ψ₁, ψ₂)는 CCD촬상소자센서(205)내에 있는 축적용 어레이에 저장된 전하를 수평용 레지스터(205내에 있음)로 보내고 하나씩 차례로 읽혀지게 한다.

이와같이 동작하여 CCD촬상소자센서(205)의 출력신호(OS)는 리세트 노이즈와 산호성분으로 복합되어 나타나며, 실제의 포토셀에서 감지된 신호가 아닌성분이 축적신호의 전후에 포함되어 나타난다.

이때 더미(dummy)신호 중에는 흑레벨 기준값을 설정하기 위한 신호가 출력되는데 상기 제어회로(230)에서는 제11도에 내부구성도가 도시된 암출력보상회로(220)의 스위치(S1)를 온시키고 스위치(S²)를 오프시켜 흑레벨의 샘플을 취하여 출력신호중에서 이 샘플량만큼 제거시켜 리세트 노이즈를 없앤다.

제9도는 센서구동신호(ψSH, ψ₁, ψ₂)에서의 타이밍 조건이고 제10도는 센서구동신호(ψ₁, ψ₂, ψRS)에서의 타이밍 조건이다.

상기 11도는 암출력보상회로(220)내의 CCD촬상소자 출력신호의 버퍼링 및 흑레벨 기준값 설정회로로서 에미터폴로워(410)와 증폭기(420), 비교기(440), 진폭검출기(430) 및 스위치(S₁, S₂)로 구성하여 리세트 노이즈를 없애주는 동작을 한다.

즉, 상술한 바와같이 제어회로(230)에 의하여 스위치(S1, S²)가 온/오프되므로서 제11도에 도시한 흑레벨기준값 자동설정을 위한 입출력 및 스위칭타이밍도 처럼 CCD 촬상소자의 출력(Sø)은 스위치(S₁), (S₂)의 동작에 따라 흑레벨이 클램프되거나 샘플되며 흑레벨조정후 출력은 파형(S3)과 같다.

제13도와 제14도는 쉬프트회로(235)의 내부구성도로서 CCD촬상소자의 출력레벨을 쉬프트시키는 쉬프트회로(500)와 샘플앤드홀더 및 흑레벨클램프회로(510)으로 구성되며, 상기 쉬프트회로(500)는 연산증폭기(501)와 트랜지스터(TR1∼TR3) 및 저항, 다이오드들로 구성되고 상기 흑레벨 클램프회로(510)는 아날로그멀티플렉서(511)와 증폭기(512), 트랜지스터(TR₄), 저항 및 다이오드들로 각각 구성된다.

상기 쉬프트회로(510)에 의해 흑레벨의 기준값을 ψV로 세팅시켜 주게 되는데 이때 흑레벨이 클램프되고 그 기준값이 ψV로 천이시켜주게 된다.

이렇게 하여 CCD촬상소자(205) 고유의 노이즈와 암출력을 보상시켜준 뒤 유효한 신호만을 흑레벨클램프회로(510)를 거쳐 마이크로 프로세서로 구성된 제어회로(230)에 인가시키면, 상기 제어회로(230)는 증폭기(225)에 이득값 조정신호를 보내어 이득을 조정하게 된다. 이때 상기 이득조정은 제15도에 도시한 증폭기(225)의 내부구성도인 자동이득 증폭회로에서 하게 된다.

제16도는 가변지연회로(240)와 비교기(245)의 내부구성도로서 가변지연회로(240)는 n개의 1비트 지연소자로 구성되며 비교기(245)는 차동증폭기(700)로 구성된다.

이와같은 회로들의 종합적인 동작파형을 제17도에 도시하였다. 센서구동회로(ψSH)는 센서구동회로(210)의 출력신호로서 제7도의 논리회로에 의하여 결정되며 Tint 시간은 카운터의 프리세트값으로 조정된다.

파형(17-2)은 증폭기(225)내에 있는 자동이득조정증폭회로의 출력신호로서 가변지연회로(240)에 입력되며, 이 신호는 하프미러(111)를 통한 빛이 X₁지점에 결상된 신호의 출력으로서 신호(ψSH)가 출력된 뒤 T1 시간뒤에 나타나며, 미러(112)를 통하여 결상된 신호는 Δx만큼 지연되어 T²시간에 나타난다.

따라서 두 신호값을 비교하기 위하여 X₁의 신호를 T₂-T₁시간동안 지연회로(240)로서 지연시키며 이때의 샘플링 시간을 A로 한다. 따라서 T₂시간이 도달하면, 즉 X₂신호가 출력되면 하프미러(111)를 통한 신호(X₁)와 미러(112)를 통한 신호(X₂)가 비교기(245)내의 차동증폭기(700)에 입력된다. 이는 상거리가 각각 다른 신호가 입력되기 때문에 각각의 샤프함(콘트라스트)이 다르게 된다.

이때 X₁의 지점을 원하는 합초점의 지점이 되도록 하기 위해서는 두신호(X₁), (X₂)를 비교한 출력이 양(+)의 최대가 되는 점으로 렌즈를 렌즈구동회로(260)를 구동시켜 렌즈(100)를 자동조정하게 한다.

이때의 차동증폭기(700)의 값이 양(+)이 된다는 것은 X1 지점이 합초점에 있고, 음(-)이 된다는 것은 X₁지점이 합초점보다 가깝기 때문에 렌즈(100)를 렌즈구동회로(260)에 의해 전방으로 이동시키도록 하면 된다.

즉, 합초점식별회로(250)에서 각 신호의 샤프함을 계산하여 X₁지점이 합초점에 있는지의 여부를 판정하여 렌즈(100)를 전방 또는 후방으로 이동시켜야 하는 결정을 위한 신호값을 제어회로(230)에 입력시키면 상기 제어회로(230)는 18도에 도시한 렌즈구동회로(260)의 순방향으로 구동할 것인지, 역방향으로 구동할 것인지를 결정하여 제어값을 렌즈구동회로로 보낸다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명에 의하여 이미지 스캐너 또는 팩시밀리에서 광신호를 정확하게 전기신호로 변환시킬 수 있도록 렌즈의 초점조정을 용이하게 할 수 있는 장점과, 이에따른 광학장치의 생산성향상 효과가 있는 것이다.

Claims

센서에 결상된 상의 콘트라스트를 측정하여 렌즈의 초점을 자동으로 조정하는 장치에 있어서, 집광렌즈(100)의 후단에 2개의 반사경을 이용하여 결상점이 서로 다른 광신호를 1라인 촬상소자상에 각각 결상시키기 위한 CCD촬상소자(205)와, 상기 CCD촬상소자(205)를 구동시키기 위한 센서구동회로(210)와, 상기 CCD촬상소자(205)의 출력신호를 버퍼링하거나 흑레벨기준값을 설정해 주는 암출력보상회로(220)와, 상기 암출력보상회로(220)를 통한 두 개의 광신호중 하나를 상거리차(ΔX)만큼 지연시키고 상기 두 광신호를 비교하기 위한 가변지연회로(240) 및 비교기(245)와, 상기 CCD촬상소자(205)의 출력의 흑레벨을 클램프하고 그 기준값을 OV로 천이시키는 쉬프트회로(235)와 쉬프트회로(235)의 출력신호를 받아 각 신호가 합초점에 있는지의 여부를 판정하여 그 결과를 제어신호에 인가하는 합초점식별회로(250)와, 상기 센서구동회로(210)로부터 소정의 제어신호를 받아, 암출력보상회로(220)에 흑레벨조정신호를 인가하고, 가변지연회로(240)에 지연비트수 결정신호를 인가함과 함께 렌즈이동거리값을 렌즈구동수단에 제공하는 제어회로(230)와, 상기 합초점식별회로(250)로 부터의 초점위치 판별데이터 및 상기 제어회로(230)로부터의 렌즈이동량 데이터를 받아 렌즈를 구동시키기 위한 렌즈구동회로(260)를 포함하는 것을 특징으로하는 CCD촬상소자의 초점자동 조정장치.
제1항에 있어서, 상기 가변지연회로(24)는 n개의 1비트 지연소자로 구성하고, 상기 비교기(245)는 차동증폭기로 구성한 것을 특징으로 하는 CCD촬상소자의 초점자동 조정장치.
제1항에 있어서, 상기 암출력보상회로(220)는 스위치를 이용하여 흑레벨의 샘플을 취하고, 신호중에서 이 샘플의 양만큼 제거시켜 주어 리세트노이즈를 제거하도록 구성한 것을 특징으로 하는 CCD촬상소자의 초점자동 조정장치.