검안기의 자동초점 방법{Auto focusing method of optometer}

본 발명은 안구의 굴절력, 난시력, 난시축 등의 다양한 시력정보를 자동으로 측정하는 검안기에 있어서, 빠른 시간에 자동으로 초점을 맞추어 줄 수 있도록 하는 검안기의 자동 초점 방법에 관한 것이다.

기존의 검안기는 시력정보를 획득하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 턱받이(11)에 피검안자의 턱을 고정시켜 안구(1)의 움직임을 정지시킨 후 검안기(10)를 X,Y,Z 축으로 이동시키며 초점이 맞추게 되는 것으로, 상기 검안기(10)에는 도 2에 도시된 바와 같이 측정광을 안구(1)로 비추어 반사되는 빛을 검출하는 광학계(20)를 구비하는 한편 상기 광학계(20)를 X,Y,Z 축으로 이동시켜 초점을 맞추도록 하는 구동장치(30)가 구비되어 있게 된다.

검안기(10)의 광학계(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 이미지가 형성된 가시광선을 안구(1)의 망막에 비추어 안구(1)의 움직임을 고정시킨 후 안구(1)로 측정광을 조사시켜 안구(1)에서 반사된 빛을 광검출기(3)로 검출하게 되는 것으로, 광검출기(3)의 전단에는 빛의 통과를 조절하는 조리개(2)를 설치하게 되고, 빛의 전달을 위하여 다단의 미러와 렌즈를 구비하게 되며, 이러한 광학계(20)는 공지된 구조이다.

그리고, 구동장치(30)는 상기 된 광학계(20)를 X,Y,Z 축 방향으로 이동하여 턱받이(11)에 받쳐진 안구(1)에 정확한 초점이 잡히도록 하는 것으로, 상기 구동장치(30)는 통상 스텝모터를 이용하여 X,Y,Z 축 방향으로 이동시켜 초점을 잡는 기본 구조와 기능은 공지된 사실이다.

이러한 기존의 검안기(10)를 이용하여 초점을 잡는 경우 광학계(20)에서 안구(1)의 망막에 이미지를 형성하여 피검안자가 시선을 고정시키면 광학계(20)에서 측정광을 안구(1)로 비추어 반사된 측정광을 광검출기(3)로 검출한 후 광검출기(3)로 검출된 측정광의 모양과 크기 선명도 등을 체크하여 기억시키고, 검안기(10)를 일방향으로 이동시켜 다시 상기 된 과정을 거쳐 광검출기(3)로 검출된 측정광의 모양과 크기 선명도 등을 기억시킨 후 최초 기억된 측정광의 상태와 검안기(10)를 이동시킨 후 다시 기억된 측정광의 상태를 비교하여 최적의 초점이 이루어지는 위치를 찾도록 하고 있다.

즉 기존의 검안기(10)에서는 최초 측정광의 크기와 선명도를 측정한 후 인 또는 아웃 포커싱 중 특정의 방향으로 이동하여 다시 한번 측정광의 크기와 선명도를 측정하여 최초 측정한 값과 비교를 한 후에야 초점을 잡기위한 검안기(10)의 이동 방향을 선택하게 되는 것으로, 초점을 잡기 위한 검안기(10)의 이동 방향을 설정하였다 하더라도 정확한 초점위치를 잡아주기 위해서는 여러 번에 걸친 측정이 이루어져야 하기 때문에 상당한 시간을 소모하게 된다.

현재 산업에서 자동 초점에 관련하여 보편적으로 사용하고 있는 방법은 영상을 초점 방향으로 움직여 가면서 기울기(Gradient) 연산자를 영상에 적용해 그 값이 최대값이 되는 곳이 정 초점이라고 판단하는 기울기의 최대화(Gradient Magnitude Maximization) 방법을 이용하고 있는 것으로, 이러한 기울기(Gradient) 연산자를 검안기(10)에 적용하여 초점 방향으로 움직이면서 기울기(Gradient) 연산자를 영상에 적용한 값을 그래프로 그려보면 다음과 같다.

상기 표에서 보면 카메라 렌즈와 안구와의 거리가 약 31.50mm정도 되었을 때 정 초점이 되나, 기울기 연산자를 이용하여 자동초점을 적용하면 검안기(10)에서는 정 초점으로 측정될 거리의 변화량이 약 40mm정도 되고 이곳에서 의미 있는 초점의 값은 폭은 약 5mm정도가 되므로, 정확한 초점위치를 찾기 위해 많은 시간이 걸리고, 다시 피보나치 검색 등을 이용하여 최대값의 초점위치를 찾기에는 많은 시간이 걸리는 문제가 있게 된다.

본 발명은 검안기의 초점을 자동으로 찾아 시력정보를 획득함에 있어서, 초점위치를 찾기 위하여 여러 번에 걸친 측정광을 검출 한 후 검출된 값을 비교하여 검안기의 이동방향을 잡아 초점의 근접위치로 이동하게 하고, 초점위치를 정확히 찾기 위해서는 기울기 연산 방법을 이용하여 적은 위치의 초점 값을 찾기에는 상당한 시간과 노력을 필요로 하며, 특히 초점위치를 빠르게 찾아 자동 초점에 따른 시력정보를 빠르게 획득할 필요가 있다.

본 발명은 검안기에서 안구의 초점을 자동으로 잡아줌에 있어서, 안구의 중심에서 등간격으로 이격되고 4방향으로 LED를 설치하여 안구에서 반사되는 LED 화상을 검출하되 한 곳에서 조리개를 열고 닫은 상태에서 안구의 중심에서 LED 화상의 중심점까지의 거리를 측정한 후 거리를 이동하여 다시 조리개를 열고 닫은 상태에서 측정이 이루어지게 하고, 상기 측정을 반복하면 초점거리가 서로 다른 위치에서의 조리개를 닫은 상태와 열은 상태의 LED 화상과 안구 중심의 거리를 나타낸 그래프를 얻게 되며, 차후에는 특정 위치에서 조리개를 열고 닫은 상태의 거리를 확인하면 상기 그래프와 비교하여 검안기의 이동거리를 한번에 초점거리 근처로 이동하여 최소 시간에 초점을 잡을 수 있도록 하는 것이다.

즉, 본 발명은 안구의 중심에서 4방향으로 이격된 LED 화상을 검출하여 초점거리별로 조리개를 열고 닫음에 따른 거리를 그래프로 설정한 후 특정위치에서 조리개를 열고 닫아서 두 번에 걸린 안구 중심에서 이격된 LED 화상의 거리를 검출하여 미리 설정된 그래프와 비교하면 초점거리의 위치와 방향을 설정할 수 있어 빠른 시간에 자동으로 초점을 잡아줄 수 있다.

본 발명은 미리 설정된 그래프의 값을 이용하여 초점위치를 간단하고 빠르게 찾을 수 있도록 하는 것으로, 특정 위치에서 안구 중심으로부터 이격된 LED 화상의 거리를 조리개를 닫은 상태와 열은 상태에서 검출한 후 미리 기억시킨 그래프와 검출된 값을 대응하여 연산함으로써 초점위치와 검안기가 이동하여야 할 초점 방향을 산출할 수 있어 빠른 시간에 초점을 잡을 수 있는 것이다.

도 1은 기존 검안기의 사용상태 측면도
도 2는 기존 검안기의 내부 구성도
도 3은 본 발명의 광학계 구성도
도 4는 본 발명의 측정광 발생기 정면도
도 5는 본 발명의 초점이 맞은 상태의 화면
도 6은 본 발명의 인포커싱 화면
도 7은 본 발명의 아웃 포커싱 화면
도 8은 본 발명의 검안기 위치별 평균거리를 나타낸 그래프

본 발명은 광학계(20)에서 측정광을 안구(1)로 조사하는 측정광 발생기(5)에 도 4와 같이 중심으로부터 4방향으로 LED(50)를 설치하고, 상기 LED(50)에서 발생되어 안구(1)에서 반사된 화상(51)은 조리개(2)를 거친 후 광검출기(3)에서 검출하도록 하되 조리개(2)를 열은 상태와 닫은 상태에서 안구(1)의 중심위치에서 LED 화상(51)의 중심위치까지의 거리를 검출 한 후 상기 조리개를 열고 닫은 상태에서 검출한 두 값을 미리 설정한 그래프의 값과 대비하여 초점위치의 방향과 거리를 산출한 후 검안기(10)가 산출된 방향과 값으로 이동되게 함으로써 정위치의 초점위치를 잡아주도록 하는 것이다.

본 발명에서는 미리 초점거리를 잡기위하여 검안기(10)의 위치별로 조리개(2)를 닫고 열은 상태에서 안구(1)의 중심위치에서 LED 화상(51)의 중심위치까지의 거리를 반복적으로 산출하여 그 값을 그래프로 표시함으로써 차후에 검안기(10)의 위치에 관계없이 한 번만 조리개(2)를 열고 닫은 상태의 측정이 이루어지면 그 값으로부터 초점위치의 방향과 이동거리의 산출이 이루어져 간단하게 검안기(10)를 이동시켜 초점을 빠르게 잡아줄 수 있는 것이다.

본 발명의 측정광 발생기(5)에 설치되는 LED(50)는 도 4에 도시된 바와 같이 중심으로부터 일정한 거리를 유지하는 동시에 등 간격을 갖도록 4개를 설치하여, 상기 LED(50)에서 발광된 LED 화상(51)은 안구(1)에서 반사되어 광검출기(3)에서 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 동그란 형상으로 검출될 수 있도록 한다.

여기서, LED 화상(51)이 안구(1)에서 반사되어 광검출기(3)로 검출된 영상은 도 5에 도시된 바와 같이 초점이 조정된 화면(정확히 초점이 맞은 화면)과, 도 6에 도시된 바와 같은 초점거리 안쪽에 측정광이 위치하는 경우인 인포커싱 화면(LED 화상이 외측으로 퍼져 보이는 화면), 도 7에 도시된 바와 같은 초점거리 밖에 측정광이 위치하는 경우인 아웃 포커싱 화면(LED 화상이 내측으로 퍼져 보이는 화면)으로 표시되게 된다.

여기서 초점이 맞은 상태의 안구(1)중심에서 LED 화상(51)의 중심위치까지의 거리는 서로 다르게 되는 것으로, L2<L0<L1의 길이를 갖게 된다.

즉, 본 발명은 초점거리가 맞은 상태에서는 도 5에 도시된 바와 같이 초점이 맞아있는 상태에서는 조리개를 열거나 닫음에 따른 안구(1)의 중심과 LED 화상(51)의 중심위치와의 평균거리가 거의 일정하게 되나, 도 6에 도시된 바와 같이 인포커싱 상태(물체가 초점보다 가까이 있을 때)일 때는 안구(1)의 중심에서 LED 화상(51)의 중심위치까지의 평균거리가 조리개를 열었을 경우가 조리개를 닫았을 경우보다 더 작아짐을 알 수 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 아웃포커싱 상태(물체가 초점보다 멀리 있을 때)일 때는 안구(1)의 중심에서 LED 화상(51)의 중심위치까지의 평균거리가 조리개를 열었을 때가 조리개를 닫았을 때보다 더 커지는 것을 알 수 있다.

이와 같이 검안기(10)와 안구(1)와의 거리에 따라 인포커싱 또는 아웃 포커싱 상태로 놓이게 될 때 각각의 위치에서 조리개(2)를 닫았을 경우와 조리개(2)를 열었을 경우에 각각의 안구(1)중심에서 LED 화상(51)의 중심위치까지의 평균거리가 변하게 되는 것을 알 수 있으며, 본 발명은 이를 이용하여 안구(1)를 고정시킨 상태에서 검안기(10)의 위치를 다양하게 이동시켜가며 모든 위치에 대한 조리개(2)를 열은 상태의 평균거리와 조리개(2)를 닫은 상태의 평균거리를 구한 후 이를 그래프로 그리도록 하면 도 8과 같은 그래프를 얻게 된다.

즉, 본 발명은 검안기(10)에서 정확한 초점위치를 빠르게 찾아가기 위하여 미리 검안기(10)가 위치할 수 있는 모든 경우에 대한 위치에서 조리개(2)를 열은 상태와 조리개(2)를 닫은 상태에서의 안구(1) 중심과 LED 화상(51)의 중심위치까지의 평균거리를 산출하도록 하고, 모든 거리에 대한 산출을 완료하여 그래프로 그리면 도 8과 같으며, 상기 그래프에서 조리개를 닫았을 때의 그래프는 y=-0.002x+84.39로 표시되고, 조리개를 열었을 경우는 y=-0.018x=137.3의 식으로 표시되게 된다.

이러한 그래프에 대한 좌표값을 미리 저장시킨 후 실제 검안기(10)를 이용하여 초점을 잡을 경우에는 검안기(10)가 어느 위치에 놓이든 최초 놓인 위치에서의 조리개(2)를 열고 닫으면서 안구(1)중심에서 LED 화상(51)의 중심위치까지의 평균거리를 산출하도록 하고, 특정의 위치에 대한 평균거리가 산출되면 조리개(2)를 열었을 때 산출된 값에서 조리개(2)를 닫았을 때의 산출된 값을 감산하여 특정의 값을 얻도록 하고, 이렇게 얻어진 값은 상기 그래프에서 찾게 되면 두 개의 그래프가 서로 맞닿은 초점위치에서 좌측 또는 우측으로 어느 정도 떨어져 있는 가를 확인할 수 있다.

이 같이 초점위치에서 어느 방향으로 어느 정도 떨어져 있는 상태 인가를 확인하게 되면, 한 번에 초점위치로 검안기(10)를 이동시키기 위한 이동 거리와 방향을 확인할 수 있고, 이동거리와 방향의 확인이 끝나면 검안기(10)를 초점위치로 이동시켜 자동 초점을 잡도록 한다.

즉 본 발명은 검안기(10)를 고정시킨 상태(도 8의 A 위치)에서 조리개를 열고 닫은 상태의 안구중심에서 LED 화상(51)의 중심위치까지의 평균거리를 측정(조리개를 열었을 때 84, 조리개를 닫았을 때 76)한 후 조리개(2)를 열었을 때의 평균거리에서 조리개(2)를 닫았을 때의 평균거리를 감산하면(84-76=8), 평균거리의 차를 알게 되고, 이러한 차를 그래프에서 찾아보면 A위치가 됨을 알 수 있으며, 이 같이 검안기(10)가 A위치에 있음을 확인한 후에는 초점위치(C 위치) 까지의 이동 거리(34-29=5)를 이동시키는 한편 검안기(10)를 아웃포커싱 쪽으로 이동시키면 된다.

결국 A위치에 검안기(10)를 놓고 본 발명을 적용하면 검안기(10)를 아웃 포커싱 방향으로 5mm 만큼 이동시키게 되고, 이와 같이 한 번에 C 위치까지 이동이 이루어진 후에는 미세 조정을 통하여 정위치를 잡을 수 있게 된다.

한편 본 발명은 검안기(10)를 고정시킨 상태(도 8의 B 위치)에서 조리개(2)를 열고 닫은 상태의 안구(1)중심에서 LED 화상(51)의 중심위치까지의 평균거리를 측정(조리개를 열었을 때 64, 조리개를 닫았을 때 74)한 후 조리개(2)를 열었을 때의 평균거리에서 조리개(2)를 닫았을 때의 평균거리를 감산하면(64-74=-10), 평균거리의 차(-10)를 알게 되고, 이러한 차를 그래프에서 찾아보면 B위치가 됨을 알 수 있으며, 이 같이 검안기(10)가 B위치에 있음을 확인한 후에는 초점위치(C 위치) 까지의 이동 거리(34-39=-5)를 이동시키는 한편 검안기(10)를 인포커싱 쪽으로 이동시키면 된다.

결국 B위치에 검안기(10)를 놓고 본 발명을 적용하면 검안기(10)를 인 포커싱 방향으로 5mm 만큼 이동시키게 되고, 이와 같이 한 번에 C 위치까지 이동이 이루어진 후에는 미세 조정을 통하여 정위치를 잡을 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 검안기(10)를 이용하여 안구(1)의 초점을 자동으로 잡아주는 경우 최초 검안기(10)의 위치에 관계없이 한 번만 조리개(2)를 열은 상태와 닫은 상태에서 LED 화상(51)과 안구(1)의 중심위치까지의 평균거리를 검출 한 후 조리개(2)를 열은 상태의 평균거리에서 조리개(2)를 닫은 상태의 평균거리를 감산하여 얻은 값으로, 미리 검안기(10)의 위치별로 조리개(2)를 열고 닫아서 측정한 값으로 그린 그래프에서 검출된 값의 위치를 확인하도록 한 후 확인 된 위치에서 초점위치까지의 이동거리와 방향을 간단히 산출하게 되므로, 한 번의 측정 동작만으로 최적의 초점위치를 찾을 수 있는 것이다.

10 : 검안기 11 : 턱받이
20 : 미러박스 30 : 구동장치
40 : 스프링