[논문]백만화소급 카메라폰의 자동초점 시스템

이승진; 안비오; 김현우

백만화소급 카메라폰의 자동초점 시스템
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이승진 (중소기업진흥공단 대구경북지역본부) , 안비오 (중소기업진흥공단 대구경북지역본부) , 김현우 (중소기업진흥공단 대구경북지역본부)

본 논문에서는 AF 기능을 구현함에 있어서 2 백만 화소 카메라 모듈인 Sharp LZ0P3731의 기능, AF 모터 (VCM, Voice Coil Motor)에 작용하는 힘과 구동원리, 이를 구동하기 위한 H/W의 설계 특성, 및 DM270을 이용한 AF 제어 시 Focus Value의 특성 분석을 바탕으로 Focus Value 특성을 고려한 최적 AF 알고리즘을 개발하였다. 본 논문에서 제안한 최적 AF 알고리즘은 '최대의 Focus Value가 각 State의 Step Value 마다 각각 다른 위치에서 검출'되는 AF 모터 및 구동 H/W특성을 고려하여, 최적 AF 기능은 최대의 AF Value에 근접하는 Lens Position 제어가 가능하도록 하였다. 이를 검증하기 위한 윈도우용 S/W로 성능을 확인한 결과, 일반적인 AF 기능은 58 프레임으로 3.87초의 시간이 소요되는 반면, 제안한 AF 기능은 25 프레임으로 1.67초로 2배 이상의 빠른 AF 성능을 가졌다.

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문제 정의

본 논문에서는 AF 기능을 구현함에 있어서, 2 백만 화소 카메라 모듈인 Sharp LZ0P3731의 기능, AF 모터 (VCM, Voice Coil Motor)에 작용하는 힘과 구동원리, 이를 구동하기 위한 WW의 설계 특성, 및 DM270을 이용한 AF 제어시 Focus Value의 특성을 분석하였다.
백만 화소 이상의 고화질 카메라폰에 있어서는 자동초점기능이 필수적이라 할 수 있다. 본 논문에서는 AF(Auto Focus) 기능을 구현함에 있어서, 이백만 화소 카메라 모듈인 Sharp LZ0P3731의 기능, AF 모터 (VCM, Voice Coil Motor)에 작용하는 힘과 구동원리, 이를 구동하기 위한 H/W의 설계 특성, 및 DM270을 이용한 AF 제어시 Focus Value의 특성을 분석하였다. 이를 바탕으로 Focus Value 특성을 고려한 최적 AF 알고리즘을 개발하였다.

제안 방법

하였다. HAV 변경시, 각 배열로 정의된 State의 Step 값을 변경함으로써 최적 AF 제어가 가능하도록 하였다. 이를 검증하기 위한 윈도우용 S/W로 성능을 확인한 결과, 일반적인 AF 기능은 58 프레임으로 387초의 시간이 소요되는 반면, 제안한 AF 기능은25 프레임으로 1.
VCM의 동작은 플레밍의 왼손 법칙에 따라서 영구자석에 의한 자기장 속에 있는 voice 코일에 전류를 인가함으로써 발생하는 힘 F2 를 이용하여 렌즈를 앞으로 움직일 수 있도록 하였다. 그림 2(d)는 voice 코일의 단면을 나타낸 것이다.
렌즈가 움직이게 된다. 렌즈의 움직임은 CCD에 맺히는 영상을 변화 시키고, 변화된 영상에 따라 설정된윈도우 내에서 LZ0P3731 카메라 모듈 내부의 DSP가 AF Value를 계산한다.
개발하였다. 본 논문에서 제안한 최적 AF 알고리즘은 '최대의 Focus Value가 각 State의 Step Value 마다 각각 다른 위치에서 검출'되는 AF 모터 및 구동 WW특성을 고려하여, 최적 AF 기능은 최대의 AF Value에 근접하는 Lens Position 제어가 가능하도록 하였다.
이를 바탕으로 Focus Value 특성을 고려한 최적 AF 알고리즘을 개발하였다. 본 논문에서 제안한 최적 AF 알고리즘은 '최대의 Focus Value가 각 State의 Step Value 마다 각각 다른 위치에서 검출'되는 AF 모터 및 구동 하드웨어 특성을 고려하여, 최적 AF 기능은 최대의 AF Value에 근접하는 Lens Position 제어가 가능하도록 하였다.
본 알고리즘의 핵심은 이전 이후의 Focus Value를 이용하여 그 차가 음이 되는 곳까지만 Scan한 다음 반대 방향으로 Scan함으로써 AF를 위한 Searching Time을 최소화하였다. 접사 및 원거리 초점을 제외한 그림 7의 B 영역에 위치한 피사체를 촬영할 경우, Max Focus V기ue를 Searching하는 방법은 다음 3단계로 나눌 수 있다.
본 논문에서는 AF(Auto Focus) 기능을 구현함에 있어서, 이백만 화소 카메라 모듈인 Sharp LZ0P3731의 기능, AF 모터 (VCM, Voice Coil Motor)에 작용하는 힘과 구동원리, 이를 구동하기 위한 H/W의 설계 특성, 및 DM270을 이용한 AF 제어시 Focus Value의 특성을 분석하였다. 이를 바탕으로 Focus Value 특성을 고려한 최적 AF 알고리즘을 개발하였다. 본 논문에서 제안한 최적 AF 알고리즘은 '최대의 Focus Value가 각 State의 Step Value 마다 각각 다른 위치에서 검출'되는 AF 모터 및 구동 하드웨어 특성을 고려하여, 최적 AF 기능은 최대의 AF Value에 근접하는 Lens Position 제어가 가능하도록 하였다.
추후 기능 보완 및 HAV 변경에 대처하기 위하여, 정의된 특정 상수를 변경함으로써, 보다 근접 촬영이 가능하도록 하였다. HAV 변경시, 각 배열로 정의된 State의 Step 값을 변경함으로써 최적 AF 제어가 가능하도록 하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용된 2백만 화소 카메라 모듈 (Sharp LZ0P3731)의 그 내부는 기구적으로 그림 1과 같이 CCD 센서와 DSP 칩을 장착한 메인 보드, 렌즈 모듈, 및 AF (Auto Focus) 구동을 위한 VCM (Voice Coil Motor) 등으로 구성되어 있다.

성능/효과

거리에 따른 Auto Focus를 위한 AF Value 특성을 측정한 결과 Lens position을 제어하는 값이 측정 거리에 따라서 5cm일 때 220, 10cm일 때 160 및 50cm일 때 92 에서 최대의 AF Value 값이 검출 되었다. 또한 VCMe 최초 움직임이 65정도에서 시작되고, 225에서 더 이상 움직이지 않는 것을 알 수 있다.
그리고 제어값 230 일 때, 렌즈가 최대로 이동하였기 때문에 230~255 사이의 제어값에서도 AF Value 값이 일정하게 나타났다. 따라서 렌즈 모듈의 산포를 고려하고, 소음발생을 줄이기 위하여 제어값의 최대 변위를 50~240 정도로 설정하는 것이 적당하다고 판단된다. 이렇게 함으로써 VCM에 의해 설정할 수 있는 초점 거리의 범위는 10cm ~ 8 까지 가능하다.
HAV 변경시, 각 배열로 정의된 State의 Step 값을 변경함으로써 최적 AF 제어가 가능하도록 하였다. 이를 검증하기 위한 윈도우용 S/W로 성능을 확인한 결과, 일반적인 AF 기능은 58 프레임으로 387초의 시간이 소요되는 반면, 제안한 AF 기능은25 프레임으로 1.67초로 2배 이상의 빠른 AF 성능을 가졌다.
측정을 통해 AF 제어에 따른 Focus Value의 반영이 6째 프레임에 완료됨을 알 수 있었다. 이는 Sharp 카메라 모듈의 DSP가 Focus Value를 계산하기 위하여 2 프레임이 소모되는 것을 고려하더라도, VCM이 동작하는데 4프레임의 Delay가 발생하였다.

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