KR970009136B1 - 전자식 고속 카메라 - Google Patents

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KR970009136B1
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Abstract

내용 없음.

Description

전자식 고속 카메라
제1도 및 제2도는 본 발명에 따른 전자식 고속 카메라의 광전 기록 시스템의 두 실시예를 도시하는 도면.
제3도 및 제4도는 배면광 모드(제3도)와 정면광 모드(제4모드)에서의 카메라의 구조를 도시하는 도면.
제5도는 본 발명에 고속 카메라의 전자 회로도.
본 발명은 구상화된 사건현상(visualized events)을 포함하여 빠르게 움직이는 물체를 기록(recording)하기 위한 전자식 고속 카메라에 관한 것으로서, 광학 촬상 시스템(optical imaging system)의 촬상 빔 경로에 배열되고 관련 영상 메모리에 접속된 다수의 독립된 반도체 비디오 센서를 포함하는 전자식 고속 카메라에 관한 것이다.
전자식 영상 기록을 위한 한 공지된 장치(DE-PS 24 60 625)에 있어서는, 렌즈 시스템 뒤에 일렬로 배열되거나 몇 개열의 매트릭스로 배열되어 번갈아 순환식으로 질문받게(interrogated)되는 포토셀(photocells), 포토트랜지스터(phototransistors), 또는 포토다이오드(photodiodes)등과 같은 광전(optoelectronic) 반도체 영상 변환기를 이용하여 정면광 모드(front-light mode)에서, 예를들어 전호(electric arc)의 진행과 같은 빠르게 발생하는 사건현상이 기록된다.
또한 구상화된 사건현상(예:flows)을 포함하여 빠르게 움직이는 물체의 사진(photographic) 기록을 위해 회전식 드럼, 미러 또는 프리즘을 갖춘 고속 필름 카메라도 사용된다. 이들 카메라는 포토그램(photograms)이 필름의 노광(exposure) 이전에는 판정되거나 평가될 수 없다는 단점을 갖고 있다. 그러므로 프로그램에 비추어 사건현상(event)에서의 직접 간섭(interference)이 불가능하다. 이전의 독일 특허원 제40 41564.3호 따른 전전자식 크란쯔-샤르딘(Cranz-Schardin) 카메라는 확실히 즉시 이용 가능한 일련의 시스템그램(videograms)을 제공하지만, 그러나 정면광 촬상 동작에 대비한 것은 아니다.
이와 같은 배면광 모드 고속 카메라에는 관련 영상 메모리에 연결된 다수의 반도체 시스템 센서가 장착될 수 있는데, 이들 센서는 미러 피라미드 주위에 원형으로 배열되며, 상기 미러 피라미드의 각각의 미러 표면은 기록될 물체를 지나 원형으로 배열되어 번갈아 순환식으로 펄스에 의해 작동되는 다수의 발광 다이오드중 하나와 시스템 센서중 하나에 각각 할당된다.
그러나, 빠르게 움직이는 물체와 구상화된 사건현상, 특히 단일의 또는 부주기적인 사건현상의 사진 기록을 위해서는 물체의 종류에 따라 배면광 모드와 후면광 모드 두가지 모드로 작동할 수 있는 고속 카메라가 요구된다.
본 발명은 그 광전 기록 시스템의 변형없이 배면광 모드와 정면광 모드 두가지 모드로 사용될 수 있고 마모(wear)없이 작동할 수 있는 전자식 고속 카메라를 고안하기 위한 문제에 기초하고 있다. 바람직하게는 시스템그램이 즉시 이용가능해야 하며(스크린, 프린터등에), 직접적인 전자적 평가를 위해 컴퓨터 파일로서 적합해야 한다.
전술한 문제점을 해결하는데 있어서 본 발명에 따른 전자식 고속 카메라는 관련 영상 메모리에 연결된 다수의 독립된 반도체 비디오 센서를 갖춘 광전 기록 시스템과 상기 비디오 센서상에 물체의 영상을 촬상하는 광학 촬상 시스템을 포함하고 있으며, 상기 광학 촬상 시스템은 비디오 센서에 공통된 카메라 대물렌즈와 그 피라미드 첨단(tip)이 대물렌즈를 향해 있고 그 축이 카메라 대물렌즈의 광축에 놓여 있는 미러 피라미드를 포함하고 있다. 비디오 센서는 대물렌즈의 광축 주위에 원형으로 배열되어 있으며, 미러 피라미드는 비디오 센서중 하나에 각각 할당된 다수의 미러 표면을 포함하고 있다. 각각의 비디오 센서에는 트리거 가능한 전자식 셔터 수단이 할당된다.
상기 광전 기록 시스템은 변형없이 정면광 모드 및 배면광 모드에 모두 적합하다. 배면광 작동을 위해서는 광학 배면광 시스템이 직렬로 배열되며, 물체는 그 빔 경로에 위치된다. 여기서 광학 배면광 시스템의 전면에는 그 광학 배면광 시스템과 카메라 대물렌즈를 통해 각각의 미러 표면에 촬상될 수 있는 다수의 플래쉬 광원이 원형으로 배열되어 있으며, 셔터 수단은 플래쉬 광원과 동기화 된다.
이와같은 방식으로, 본 발명의 전자식 고속 카메라는 그 새로운 광학 및 전자 장치로 인해 두가지 상이한 모드로 작동될 수 있다. 배면광 모드에서 카메라는 변형된 크란쯔-샤르딘 원리에 따라 작동한다. 그 변형은 반도체 비디오 센서가 각각 그 자체의 대물렌즈를 갖고 있지 않고, 카메라가 2차원 영상을 각각 제공할 수 있는 모든 비디오 센서에 공통인 오직 하나의 카메라 대물렌즈만을 갖고 있어 그 구성 및 조정이 상당히 단순화된다는 것에 있다. 광학 배면광 시스템과 플래쉬 광원이 결합되지 않는 정면광 모드에서는 광선의 빔이 대물렌즈-미러 피라미드 장치의 빔-분할 효과로 인해 모든 비디오 센서에 동시에 투사된다. 이들 비디오 센서는 그 셔터 수단에 의해, 영상 메모리에 저장될 수 있고 각각의 수개의 영상 메모리 입력을 가진 영상 메모리 유니트에서 조합될 수 있고 양호하게 접속된 영상 처리기에서 처리될 수 있는 영상 시퀀스가 발생되도록 하는 방식으로 번갈아 순환식으로 가동된다.
플래쉬 광원은 예를들어 스파크(spark) 광원이 될 수도 있지만, 그러나 특히 가시광을 방사하는 펄스로 작동되는 발광 다이오드나 레이저가 바람직하다. 플래쉬 광원은 영상 메모리와 동기화될 수 있다. 검출기 매트릭스로서 각각 설계된 비디오 센서는 서로 및 영상 메모리와 동기화 되는 것이 바람직하다. 셔터수단은 비동기적으로 트리거 가능하고 영상 메모리와 동기화되는 것이 바람직하다. 매우 짧은 셔터 간격동안, 셔터 수단은 비디오 센서의 정면에 위치한 영상 보력기(intensifier)로서 설계될 수 있다. 바람직하게는 최적의 상태 및 간섭 가능성을 위해 셔터 수단, 영상 메모리 및 어느 경우에는 플래쉬 광원까지 모두 제어하는 자유롭게 프로그램 가능한 시퀀서(sequencer)가 접속될 수 있다. 센서로서는 8개의 비디오 센서가 제공되는 것이 바람직하지만, 그 이하나 그 이상의 비디오 센서가 사용될 수도 있다.
본 발명에 의한 장점은 특히, 비교적 간단한 구성으로 고속 배면광 비디오그림과 고속 정면광 비디오그램을 발생할 수 있다는데 있다. 또한 상기 카메라는 두가지 모드 모두에서 온-라인 관찰을 허용한다. 기록된 영상은 카메라의 각 레이아웃에 따라, 전자적으로 저장, 전달, 평가, 처리될 수 있고, 즉시 프린트될 수 있다. 상기 카메라는 기계적 마모를 받지 않으며(이동부를 갖고 있지 않음), 재료의 소모도 없다(필름, 현상자 등이 없음).
이제 본 발명은 첨부 도면으로부터 명백한 실시예를 이용하여 설명되게 된다.
제1도의 고속 카메라의 광전 기록 시스템은 카메라 대물렌즈(3)를 가진 거의 포트(pot)모양의 케이스를 갖고 있으며, 대물렌즈 뒤에는 케이스내에 상기 대물렌즈(3)에 대해 동축으로 미러 피라미드(1)가 배치되어 있으며, 이 미러 피라미드(1)의 피라미드 첨단(tip)은 대물렌즈(3)를 향하고 있고, 그 미러 표면은 미러 피라미드(1)의 축상에 원의 중심이 있는 상기 미러 피라미드 주위의 원상에 배열된 비디오 센서(2)로 광선을 편향시키도록 되어 있으며, 비디오 센서는 그 축에 직각으로 정렬된다. 미러 피라미드(1)의 미러 표면의 수는 비디오센서의 수와 일치한다. 미러 피라미드(1)의 측연부(side edges)를 포함하는 원추체의 개구각(aperture angle)의 절반이 45o가 되는 것이 바람직하다. 빔 경로의 편향은 영상의 경사(tilting)와 반사(reflection)를 야기한다. 경사를 보상하기 위해, 센서는 그 센서의 갯수당 360o씩 그 자체의 광축 주위를 회전한다. 영상의 반사는 하드웨어에 의해(예를들어 영상 라인을 역으로 판독함으로써) 또는 영상 처리기를 이용한 소프트웨어에 의해 재변환될 수 있다. 그러나 경사 및 반사는 빔 경로의 이중 편향에 의해 광학적 방식으로도 없앨 수 있다. 제2도는 광전기록 시스템(1,2,3)의 변형을 도시하고 있는데, 여기서 미러 피라미드(1)의 측연부에 의해 편향된 광선은 제2도에 따른 광축에 대해 45o만큼 기울어져 배열된 추가의 미러(12)에 의해 또다시 편향된다. 이들 미러(12)의 수도 또한 센서의 수와 일치한다.
이와같은 변형에 있어서, 비디오 센서는 그 활성 표면이 카메라의 광축에 직각인 평면에 놓이도록 배열되는 것이 바람직한데, 제2도의 경우에 이 축을 따라 센서(2)가 케이스 하부에 원형으로 배열되어 있으며 광축과 병렬로 미러(12)와 정렬되어 있다.
비디오 센서는 전자식 셔터 수단(7)(제5도)을 각각 포함하고 있으며, 이 셔터수단의 셔터 간격은 매우 짧은 것이 좋다. 이 셔터 수단은 비동기로 작동하는데, 즉 외부 트리거 신호가 나타난 이후에 영상이 즉시 기록되고 분배된다. 다음에 영상은 영상 처리기가 접속된 영상 메모리(8)에 저장된다. 영상 메모리 입력(채널)의 수는 센서(2)의 수와 일치한다. 센서(2)의 셔터 수단(7)과 영상 메모리(8)는 시퀀서(11)에 의해 트리거된다. 이 시퀀서(11)는 전기적인 또는 수동의 개시(start) 신호와 물체의 트리거 신호 이후에 일련의 펄스를 발생한다. 펄스의 수와 채널 번호 및 펄스 사이의 공간은 자유롭게 프로그램될 수 있다.
이 펄스 시퀀스는 비디오그래프로 만들어질 물체(사건현상)와 종종 동기화되어야 한다. 전기 신호에 의해 트리거 또는 동기화될 수 있는 물체의 경우에, 시퀀서(11)에 의해 발생되는 트리거 신호에 의해 트리거 또는 동기화된다. 다른 경우에는, 트리거 신호가 물체로부터 유도되어 시퀀서(11)로 전달된다.
본 발명의 카메라는 두가지 모드로 작동하는데, 배면광 모드(제3도)에서는 크란쯔-샤르딘 원리(Zeitschrift fur Physik 56(1929), 147-183페이지 참조)에 따라 작동한다. 그러나 이 원리는 다른 광학 장치에 의해 변형 되었다. 그 변형은 카메라가 그 구성 및 조정이 실질적으로 간단하게 되도록 하는 모든 비디오 센서에 공통인 대물렌즈(3)를 포함하고 있다는데 있다. 이 구성에 있어서, 광은 펄스에 의해 작동되는 플래쉬 점광원(4)에 의해 발생된다. 광원으로서는 고효율 LED가 양호하다. 이들 LED는 포토 컨덕터(photoconductor)에 결합될 수 있으며 펄스 증폭기(10)에 직접(전도 케이블 없이) 전기적으로 접속될 수 있다. 이렇게 함으로써, 작은 직경을 가진 양호한 모양의 광 출력이 얻어지며, 방사된 광은 실질적으로 균일하다. 또한 다이오드 케이블의 부정합(unmatching)에 의해 야기될 수 있는 전기적 제어 펄스의 왜곡이 없다. 비디오 센서(2)의 수(예, 8개)와 일치하는 갯수의 광원은 광학 시스템의 축에 놓인 중심을 가진 공통 원상에 배열되며, 광학 시스템의 축과 병렬로 정렬된다. 이들 대부분은 광학 배면광 시스템(5)의 제1렌즈(5a)의 촛점거리에 있다. 비디오그래프로 만들어질 물체는 그생성되는 평행 빔내에 위치된다. 물체를 통과한 후의 광은 광학 시스템(5)의 제2렌즈(5b)에 의해 프리포커스(prefocussed)된다. 이렇게 하므로써 광은 카메라 대물렌즈(3)에 집속되고 광손실이 감소된다. 미러 피라미드(1)와 카메라 대물렌즈(3) 사이의 거리는 광원이 미러 피라미드(1)의 각각 대응하는 미러 표면상에 선명하게 상을 맺게 되도록 선택된다. 이것은 빔 경로의 가장 가까운 스폿이 되므로 영상이 미러 피라미드(1)에 의해 서로로부터 최적으로 분리된다. 비디오 센서의 광반응면은 원의 접선 평면에 놓이는데 이 원의 반경은 대물렌즈(3)와 미러 피라미드(1)의 첨단 사이의 거리와 반경의 합계가 대물렌즈로부터의 영상면의 거리와 동일하게 되도록 선택되는 것이 바람직하다. 이렇게 하므로써, 각 센서(2)에 물체의 상이 선명하게 이루어진다.
개시 펄스 이후에 또는 물체의 종류에 따라서는 시퀀서(11)에 의해 발생되는 물체 트리거 신호에 의해 사건 현상이 시작된 후 또는 물체 트리거 신호가 물체로부터 시퀀서에 주어진 후에, 시퀀서(11)에 의해 제어되는 광원의 순차적인 조명(lighting)이 이루어진다. 각 광원의 조명은 그 광원에 할당된 비디오 센서상의 물체의 촬상에 일치한다. 이런 방식으로, 영상 시퀀스가 비디오 센서(2)상에 생성되고, 그 다음에 시퀀서에 의해 발생되는 영상 메모리 트리거 신호로 인해 영상 메모리(8)에 전달되어 저장된다. 또한 비디오 센서(2)의 셔터 수단(7)이 광원의 조명과 동기로 시퀀서에 의해 트리거 되는 경우에, 저장된 영상의 동력(dynamics) 및 신호대 잡음비가 상당히 증가된다. 이것은 산란 광(예: 일광)이 있을때 노광을 수행해야 하는 경우에 이용되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 외측 광은 전체 통합 간격(CCIR 표준에서 40ms) 동안이 아닌 활성 셔터 간격(예: 0.1ms)동안에만 영상에 영향을 주게된다.
배면광 모드에서의 카메라의 최대 프레임 속도(framing rate)는 광원의 최대 플래쉬 연쇄 주파수에 의존한다. 현재 V-MOS-제어 발광 다이오드로 얻을 수 있는 플래쉬 연쇄 주파수는 약 10MHZ이다. 레이저 광원을 이용하면 실질적으로 더 높은 프레임 속도가 얻어질 수 있다.
정면광 모드에서(제4도), 물체(6)는 미러 피라미드의 빔-분할 효과로 인해 모든 비디오 센서(2)에 동시에 촬상된다. 제1도 및 제2도에 따른 카메라의 광전 기록 시스템(1,2,3)의 광학적, 기계적 및 전기적 구성은 변경되지 않는다. 개시 펄스 이후에, 또한 물체의 종류에 따라서는 시퀀서에 의해 발생되는 물체 트리거 신호에 의한 사건현상의 개시이후 또는 물체로부터 시퀀서에 물체 트리거 신호가 주어진 이후에, 비디오 센서의 셔터 수단(7)의 순차적인 가동이 이루어지는데 이것은 시퀀서(11)에 의해 제어된다. 이런 방식으로 얻어지는 영상 시퀀스는 영상 메모리(8)로 전달되어 그후 시퀀서(11)에 의해 발생되는 트리거 신호에 따라 저장된다.
정면광 모드에서의 카메라의 최대 프레임 속도는 비디오 센서(2)의 최소 셔텨 간격에 의존한다. 현재 얻을 수 있는 가장 짧은 셔터 간격은 10KHz의 최대 프레임 속도(일시적인 오버래핑 없이)에 대응하는 약 0.1ms이다.
짧은 셔터 간격에서 물체는 최대한도로 조명되어야 한다. 그러나 영상 보력기(intensifier)가 셔터 기능의 역할을 하면서 각각의 비디오 센서(2)의 레이아웃에 의해 조명의 비례적 증가없이 실질적으로 더높은 프레임 속도가 실현될 수 있다.

Claims (13)

  1. 지정된 영상 메모리(8)에 접속된 다수의 독립된 반도체 비디오 센서(2)를 가진 광정 기록 시스템을 갖추고 있고, 또한 상기 비디오 센서(2)에 공통인 카메라 대물렌즈(3)와 그 첨단이 카메라 대물렌즈(3)를 향하고 있고 그 축이 카메라 대물렌즈(3)의 광축에 놓여있는 미러 피라미드(1)를 포함하는, 물체의 영상을 비디오 센서(2)에 촬상하기 위한 광학 촬상 시스템을 갖추고 있는 전자식 고속 카메라에 있어서, 상기 비디오 센서는 대물렌즈(3)의 광축 주위에 원형으로 배열되어 있으며, 상기 미러 피라미드(1)는 비디오 센서(2)중 하나에 각각 할당된 다수의 미러 표면 갖고 있고, 각각의 비디오 센서에는 전자식 셔터 수단(7)이 할당되어 있는 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  2. 제1항에 있어서, 카메라 대물렌즈(3) 전단에 광학 배면광 시스템(5a,5b)이 직렬로 배열되어 있으며, 물체는 배면광 시스템의 빔 경로에 배열되게 되고, 광학 배면광 시스템(5a,5b)의 전단에는 다수의 플래쉬 광원(4)이 원형으로 배열되어 있으며, 이들 광원은 각각 광학 배면광 시스템 및 카메라 대물렌즈(3)에 의해 미러 피라미드(1)의 미러 표면중 하나에 촬상될 수 있으며, 셔터 수단(7)은 플래쉬 광원(4)과 동기화되어 있는 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  3. 제2항에 있어서, 상기 플래쉬 광원(4)은 펄스로 작동되는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 플래쉬 광원(4)은 영상 메모리(8)와 동기화되어 있는 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 비디오 센서(2)는 서로 동기화되어 있고 영상 메모리(8)와도 동기화 되어 있는 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  6. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 셔터 수단(7)은 비동기로 트리거 가능한 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  7. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 셔터 수단(7)은 비디오 센서(2)와 직렬로 접속된 게이트형 영상 보력기로서 설계된 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  8. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 셔터 수단(7)은 영상 메모리(8)와 동기화되어 있는 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  9. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 영상 메모리(8)는 영상 처리기(9)에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  10. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 셔터 수단(7), 상기 영상 메모리(8) 및 소정 경우에 상기 플래쉬 광원(4)에는 그 제어를 위해 자유롭게 프로그램 가능한 시퀀서(11)가 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  11. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 비디오 센서(2)는 미러 피라미드(1)의 미러 표면과 정렬되어 있으며 그 빔 경로축 주위를 회전하는 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  12. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학촬상 시스템은 미러 피라미드(1)의 미러 표면과 비디오 센서(2) 사이의 빔 경로에 배치된 편향 미러(12)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
  13. 제1항에 있어서, 상기 셔터 수단(7)은 비동기로 트리거가능하고, 상기 영상메모리(8)와 상기 셔터수단(7)에는 그 제어를 위해 자유롭게 프로그램 가능한 시퀀서(11)가 접속되어 있으며, 상기 비디오 센서(2)는 서로 동기화되어 있고 상기 영상 메모리(8)와도 동기화되어 있는 것을 특징으로 하는 전자식 고속 카메라.
KR1019930703826A 1992-04-11 1993-03-23 전자식 고속 카메라 KR970009136B1 (ko)

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DEP4212271.6 1992-04-11
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