KR101275076B1 - 이미지 검출 시스템 및 적어도 하나의 이미지 검출시스템을 생성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 이미지 검출 시스템은 각각 구경이 배당된 마이크로렌즈 및 이미지 평면에 위치하는 적어도 하나의 검출기를 가지는, 서로 나란히 배열된 광학 채널을 포함하며, 검출기는 렌즈 정점 및 검출기 중점 사이의 연결선으로 형성된, 광축의 방향이 각 광학 채널의 위치 함수를 나타내도록 배열되며, 적어도 하나의 구경 격막 어레이(4)가 구경(2')을 가지는 마이크로렌즈(1') 및 검출기(6', 8) 사이에 제공되며, 구경 격막의 중점 사이의 거리가 렌즈(1')의 정점 및 검출기(6', 8)의 중점 사이의 거리 사이에 위치하여, 채널의 위치에 의존하면서, 구경 격막(4')이 마이크로렌즈(1') 및 검출기(6', 8)에 다른 오프셋으로 배열하며 각 경우 직선 위에 그들로 위치한다.

Description

이미지 검출 시스템 및 적어도 하나의 이미지 검출 시스템을 생성하는 방법{Image detection system and method for producing at least one image detection system}
본 발명은 주요 청구항의 전문에 따른 이미지 검출 시스템뿐만 아니라 적어도 하나의 이미지 검출 시스템을 제조하는 방법에 관한 것이다.
그러한 이미지 검출 시스템은 WO2005/069607 A1에서 공지되며, 이는 마이크로렌즈 및 그 이미지 평면에 배열된 적어도 하나의 검출기가 배열되어 있는 각 상태로 규칙적으로 배열된 광학 채널(optical channel)들이 제공되고, 적어도 하나의 이미지 점(image point)이 마이크로렌즈 뒤의 마이크로이미지(microimage)에서 추출된다. 각 광학 채널의 광축(optical axis)은 다른 경사를 가져서, 중점으로부터 이미지를 향하는 이미지 검출 시스템의 쪽까지의 광학 채널의 거리의 함수를 나타낸다. 이것으로, 이미지 필드(image field) 사이즈에 대한 시야(visual filed)의 사이즈의 비율을 목표의 방법으로 결정할 수도 있다. 그런 고 민감도를 가지는 검출기는 작은 활성 표면이 주어져도, 더 큰 중점 간 거리(centre-to-centre distance) 또는 피치를 가진다.
예를 들면 이 공지된 이미지 검출 시스템으로, 채널 사이의 광축의 경사의 선형 증가(linear increase)는 마이크로렌즈의 중점 간의 중점 차이 또는 거리 및 검출기의 중점 간의 중점 차이 또는 거리의 차이에 의해 이루어진다. 마이크로렌즈, 이에 배열된 구경 격벽(aperture diaphragm) 및, 경우에 따라, 홀 격벽(hole diaphragm)을 가지는, 감지기에 연결된 각 광학 채널은 이로써, 그것에 연결된 채널의 인접한 방향에서 "본다". 매트릭스(matrix) 형태의 검출기 신호를 읽음으로써, 경우에 따라 검출기의 신호는 여러 줄로 또는 열로 들어가고, 관찰 사물의 이미지는 검출기 신호를 더 분류하지 않고 따른다. 따라서 어레이에서의 채널의 좌표로부터, 카메라 또는 이미지 검출 시스템의 전체 시야 안에서 시야 방향(viewing direction)을 결정할 수 있고, 제한된 시야의 이차원 이미지가 생긴다.
대물렌즈의 시야 밖의 영역에서 더 큰 입사각의 경우, 광 차단(optical insulation) 없이, 경우에 따라서, 인접한 채널의 홀 격벽을 가지는, 검출기에서의 채널 렌즈의 빛의 교차(cross talk)가 발생하고, 따라서 허상(ghost image)이 형성된다. 이를 방지하기 위해, WO 2005/06967에서 다양한 배열 및 특히 채널 사이의 흡수 분리 벽(absorbing separating wall)이 제안되었다. 그러나, 이 배열은 많은 기술적 노력, 특히 복제 도구(replication tool), 또는 높은 영상비(aspect ratio)를 가지는 광 리소그래피(photo-lithograpy) 공정이 이 수반되어야 한다. 게다가, 배열된 검출기 픽셀이 마이크로 렌즈의 사영(projection) 안에 있기 때문에, 이미지 필드가 제한된다.
WO 2005/069607에 기술된 이미지 검출 시스템의, 알려진 사물 거리를 가지는, 최소 분해가능한(resolvable) 각 거리(angular distance), 또는 최소 분해가능 한 구조 사이즈는 시야 각 차이, 즉, 인접한 채널 사이의 광학 축의 경사 차이의 두 배이다. 다른 것 중에서 바람직한 시야를 위한 울트라 박형 카메라 시스템의 각 해상도 용량(angular resolution capacity)은 이것이 수반하는 주요 대칭 축에서의 검출기 어레이의 치수 및 최대 채널 수에 의해 제한된다. 광학 채널 수를 증가시킴으로써 각 해상도 용량을 증가시키는 것은 검출기 어레이의 비싼 실리콘 표면을 확대시켜야 한다. 큰 시야에 대한 적당한 해상도 용량은 레인 마킹 인식(lane marking recognition), 에지 위치 검출 등과 같은, 많은 간단한 이미지 작업을 위해 필요하다. 고-해상도 메가-픽셀(high-resolution mega-pixel) 카메라와 비교할 때, 병렬로 몇 개의 이미지 채널을 가지는 이들 명세서를 적용하는 이미지 시스템은 고속의 이미지 처리뿐만 아니라 낮은 복잡도에 의해 구별되며 마지막이긴 하나 중요하기는 어느 누구에 뒤지지 않는 제조 비용에 의해 구별된다. 큰 시야의 무왜곡(distortion-free) 이미지를 위한 종래의 육안으로 보는 대물렌즈는 매우 복잡하고 비싸다. 이러한 대물렌즈를 가지는 이미지 질은 에지의 시야 쪽에서 떨어져 이미지가 왜곡되므로, 사물은 더 이상 명백하게 인식될 수 없을 것이다. 이런 문제는 각 채널의 개별적인 보정에 의해 상술한 채널형으로(channel-wise) 셋업으로 시스템 이미지의 자유도로서 각 개별 시야 방향으로 부분적으로 보상될 수 있다. 부가적으로 평면 구조는 공간 절약의 장점을 가진다.
본 발명의 목적은 기술분야의 기술상태를 고려하면서, 주요 청구항의 전문에 따라 이미지 검출 시스템을 제공하는 것이며, 이는 허상을 방지하고 확대 스캔할 수 있는 이미지 필드를 제공한다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 전문의 특징과 조합하여 주요 청구항의 특징으로 특징화함으로써 이루어진다.
더 유리한 구조 및 개선안이 종속항에서 특정한 방법에 의해 가능해진다.
본 발명에 따른 이미지 검출 시스템은 마이크로렌즈 및 마이크로렌즈에 할당된 구경 격벽 사이에 부가적으로 도입한 홀 격벽 및 검출기 픽셀만으로 또는 이들에 할당된 핀 홀 격벽을 가지는 검출기 픽셀로 정의되는 검출기로서 허상을 방지하는 문제를 해결한다. 그것에 의해, 하나 또는 그 이상의 추가적 구경 격벽 어레이가 마이크로렌즈 어레이 및 검출기 어레이 사이에 제공될 수 있고, 그 중앙 거리는 마이크로렌즈의 중앙 거리 및 검출기의 중앙 거리 사이에 위치하여, 이를 위해 고안된 채널에서, 모든 격벽 개구가 직선 위에 렌즈 및 검출기 쌍 형식으로 위치하는 특정 입사각의 빛이 렌즈에 의해 그것에 결합한 검출기로 초점을 맞추고, 추가적인 구경 격벽 또는 몇 개의 추가적인 구경 격벽으로서 모든 다른 입사각이 마이크로렌즈의 이미지 면의 앞에서 방지, 즉 흡수 또는 반사된다.
이로써, 빛의 교차 때문에 발생하는 허상 없이, 큰 시야 각(viewing angle)을 이루기 위해, 기술된 울트라 박형 이미지 검출 시스템의 전체적인 개념을 위해, 기술분야에 따른 채널 사이의 흡수 분리 벽을 도입한 것과 달리, 렌즈 또는 채널에 연관된 검출기는 "풋 프린트(footprint)"(보통 어레이에 수직인 투사(projection))에 직접 위치할 필요가 없을 뿐만 아니라, 따라서 이들 마이크로렌즈 바로 뒤에, 인접한 렌즈 또는 다른 렌즈 뒤에 다음 것에서 다른 오프셋(offset)으로 배열될 것이다. 이로써, 마이크로렌즈의 스캔할 수 있는 이미지 필드는 효과적으로 더 커지고, 공간-대역폭-생성물(space-bandwidth-product)이 커지고, 이는 이미징 시스템의 해상도 용량, 시야 사이즈 및 광 민감도에 관하여 유리한 효과를 가진다. 게다가, 분리벽이 제공될 필요가 없기 때문에, 연속적으로 단절된 대물렌즈 몸체를 사용할 수도 있고, 이는 광전자(optoelectronic) 이미지 센서의 대물렌즈에 대해 대물렌즈 몸체의 맞춘 열팽창 계수로서 또한 다른 것 중에서, 대물렌즈 배열의 안정성을 향상시킨다.
모든 구경 격벽 개구부가 채널을 위해 제공된 각 입사각을 위한 축 위에 위치하기 때문에, 추가로 할당된 구경 격벽으로서 각 렌즈는 인접한 렌즈의 검출기가 아닌, 각 렌즈에 결합한 검출기에만 오직 초점을 맞출 것이다. 다른 층에서 서로의 상부에 위치한 몇 개의 구경 격벽 어레이의 구경 격벽 개구부의 사이즈를 마이크로렌즈 뒤의 각각의 거리에서 초점을 맞추는 광원뿔(light cone)의 지름에 맞추고, 렌즈 또는 검출기에 대한 각각의 구경 격벽의 오프셋으로 각각의 채널과 이미지를 만드는 입사각에 맞춘다.
유리한 방법으로, 마이크로렌즈의 유형, 모양 및 변수는 각각의 시야 방향으로의 채널 방식(channel-wise) 개조로서 오프-엑시스(off axis) 이미지 수차(image aberration)의 보정을 위해 사용될 것이다. 구면 렌즈 어레이의 표준 사용을 제외하고, 비점수차(astigmatism) 및 상면 만곡(field curvature)을 보정하기 위한 가변 렌즈(variable lens), 타원 (애너모포틱) 렌즈(elliptical (anamorphotic) lens) 및, 각각의 시야 방향을 위한 완전 수차(complete aberration) 보정으로 시야 및 해상도를 증가시키기 위한 비구면 오프-엑시스 렌즈(aspheric off-axis lens)의 어레이를 사용할 수도 있다.
다른 요소, 즉 다른 평면 사이의 피치 선별(pitch grading)의 다양한 변형이 있어서, 마이크로렌즈의 구경 격벽은 이들 바로 밑에 중심을 두고 또한 이들과 피치 차이를 가질 것이다. 렌즈와 검출기 픽셀 또는 렌즈와 홀 격벽 사이의 피치 차이(즉, 각 중심 거리 사이의 차이)는 양(positive) 또는 음(negative)일 것이며, 광축은 안쪽 또는 바깥쪽을 향하고, 생성되는 이미지는 직립 또는 전도될 것이다.
기본적으로, 광학 채널 사이의 분리 벽을 제공하는 것을 제외하고, WO 2005/069607의 모든 수단 및 장점은 또한 본 발명에서 사용될 수 있고, 이 이유로서 이 문서의 개시는 본 발명에 포함될 것이다.
유리하게, 광 방사, 광 농축(light concentration) 및 광 형태에 관한 조명은 광원을 통합하기 위해서, 예를 들면, 광학 채널 사이의 공간을 허용함으로써, 이미지 검출 시스템 또는 카메라로 통합될 수 있고, 또는 채널의 그룹 사이의 특정 거리에서 또는 카메라 주위의 링으로서 제공될 수 있다. 게다가, 예를 들면 사각으로 쌓인 구면 렌즈 사이의 데드 존(dead zone) 등으로, 렌즈 평면에 광원을 부착하는 것도 생각할 수 있다. 또한, 검출기에 초점을 맞추기 위해, 본 발명에 따른 몇 개의 렌즈 배열만을 적용하는 것도 가능하다. 그리고, 거기에 인접한 다른 렌즈는 피관찰 사물에 마이크로렌즈의 이미지 평면에 위치한 소스에서 빛을 모으고, 지배하고 및/또는 분산하도록 할 수 있다. 레이저 다이오드, LED 또는 OLED 또는 VCSEL 등과 같은 것을 광원으로서 사용할 수 있다.
CMOS-센서 또는 CCD 센서가 검출기 픽셀 어레이로서, 또한 폴리머 포토다이오드(polymer photodiode)로서 사용될 수도 있고, 큰 센서 포맷은 반도체 검출기 어레이로서 많은 비용을 유발하지 않기 때문에, 여기서 후자가 유리하다. 이런 검출기를 인쇄 기술로 제조될 수 있기 때문에, 렌즈 어레이 및 다른 구경 격벽 어레이로서, 장기 동안 완제품 카메라의 인쇄는 제조 기술에 관하여 고려하는 것으로 나타났다.
유리한 방법으로, 검출기 어레이로서 그레이 스케일(greyscale) 이미지 포착을 위해 종래의 CMOS 또는 CCD 센서 대신에, 서로 위에 위치한 세 픽셀 층에 바로 다른 색을 포착하는 이미지 센서가 제공된다면, 기술한 이미징 시스템은 어떤 변형 없이 컬러 이미지 포착을 위해 채택될 수 있다. 그런 이미지 센서는 컬러 필터들이 다른 유사한 픽셀에 서로 나란히 배열되어 있는, 종래의 컬러 CMOS-센서 또는 CCD-센서와는 현저히 다르다.
본 발명에 따른 이미지 검출기로, 이미지 평면에서의 검출기 픽셀의 바람직한 충진 인자(filling factor)가 낮기 때문에, 데카르트 래스터(Cartesian raster)에서 가능한 빽빽하게 쌓일 수 있도록, 검출기 픽셀은 사각형 또는 직사각형일 필요가 없다. 사실, 시각의 다른 점은 낮은 암전류(dark current)를 유발하고 신호-대-노이즈 비율에 유리한 효과를 가지는 PN-전이(transition)의 구조 등과 같은, 검출기 픽셀의 디자인을 고려할 필요가 있을 것이다. 따라서, 예를 들면 원형 픽셀 또는 PN-전이의 원형 경계를 가지는 픽셀을 적용할 수도 있다.
본 발명에 따른 이미지 검출 시스템은 또한 1 또는 그 이하의 배율(magnification)로 가까운(몇 ㎝) 또는 매우 가까운(몇 ㎜) 사물의 상을 만들기 위해 적용될 수도 있다. 그러면, 요소의 피치 차이, 즉 마이크로렌즈 어레이, 구경 격벽 어레이, 검출기 어레이 등과 같은, 다양한 층의 중심-대-중심 거리는 0이거나 매우 작지만, 더 큰 이미지 센서 포맷은 상을 만들 사물의 사이즈에 바람직하게 의존적이다.
거의 1:1로 상을 만드는 이 구조에서 광학 디자인을 위해, 사물 측면에서의 입체각(solid angle)의 사이즈를 설정하는 것이 유리하며, 이는 정확한 방법으로, 이미지 점으로서 각 채널에 배당되어서, 이미징 시스템에서의 사물 거리에서, 이 입체각에 대응하는 측면 사물 확장이 채널의 피치만큼 크다. 그런 시스템은 예를 들면 광마우스(opticalmouse)로서 또는 적당한 해상도(moderate resolution)를 가진 얇은 현미경 대체(microscope relacement)로서 또는 평면 사물을 위한 정밀(close-up) 이미징 시스템으로서 보정 알고리즘을 통해 적용될 수 있다.
유리한 방법으로, 채널의 광축의 다른 경사는 다른 방법으로 이루어질 수 있다. 따라서 각각의 마이크로렌즈는 검출기에 대하여, 초점 길이에 대하여, 그리고 원뿔(conical) 및/또는 비구면(aspheric) 변수에 대하여 탈중심화(decentration)로 구별될 수 있을 것이다. 마이크로-프리즘(microprism)은 또한 각각의 마이크로렌즈로 통합될 것이며, 결국 각각의 마이크로렌즈는 볼록한 또는 오목한 형태의 베이스 표면에 배열될 것이다.
검출기는 시야의 사이즈에 영향을 주기 위해 볼록한 또는 오목한 형태의 베이스 표면에 배열될 것이다.
본 발명의 한 가지 유리한 적용은 점 소스의 정확한 위치 검출 및 에지의 위치와 방위 검출로서, 2D-마이크로렌즈에 기초하여 이차원 이미지 검출을 위한 울트라 박형 카메라 시스템은 인접 광학 채널의 시야가 적어도 일부 상호 겹치도록 변형된다. 예를 들면 이는 렌즈 어레이 및 검출기 사이의 중점 거리를 선택함으로써, 또는 핀 홀 구경의 지름이 광-민감성 검출기 픽셀보다 더 작은 지름을 가지므로 핀홀 구경의 지름을 확대함으로써 이루어진다. 인접 광학 채널 사이의 시야 각 차이는 한 채널의 시야의 유효 너비의 절반보다 작아지는 것을 두 수단이 보장한다. 이로써, 인접 채널에서 측정된 세기 값(intensity value)의 상관관계의 사정으로서, 정확하게, 일반적인 시야 영역에 위치한, 점 소스, 에지 또는 저주파 직사각형 바 타겟(low frequency retangular bar target) 등과 같은 간단한 구조의 사물의 각 위치를 검출할 수 있고, 이는 최소 분해가능한 구조 사이즈의 구조 사이즈 이하이며, 사이즈는 이미징 광 시스템의 해상도 용량에 의해 설정된다. 이로써 매우 정확하게 위치를 검출할 수 있다.
본 발명의 실시예는 도면으로서 표현되며 후속의 설명에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 이미지 검출 시스템의 측면도이다.
도 2는 도 1에 따라, 본 발명에 따른 이미지 검출 시스템의 평면도이다.
도 3의 도 1에 따라, 본 발명에 따른 이미지 검출 시스템의 일부도로서, 검출기가 연관된 마이크로렌즈와 어긋나게(offset) 배열된다.
도 4는 옵토웨이퍼(optowafer) 및 웨이퍼의 측면도로서, 검출기 어레이이 위치하며, 이미지 검출 시스템을 특이화 과정(singularisation)으로써 제조한다.
도 5는 인접 채널의 시야가 부분적으로 겹치는 이미지 검출 시스템의 광학 시스템을 도시한 것으로, 도 5a는 그 측면도를, 도 5b는 시야에서 각의 함수를 좌표에 나타낸, 각 민감도(angular sensitivity)를 도시한다.
도 6은 시야가 겹치는 세 광학 채널의 시야 안에서 점 소스의 각 위치를 검출하는 것을 도시한다.
도 1 및 도 2에 도시된 이미지 검출 시스템은 다수의 개별 렌즈(1')를 가지는 마이크로렌즈 어레이(1)가 증착된 투명 대물렌즈 몸체(3)를 포함하며, 렌즈(1')는 실시예에서는 구면 마이크로렌즈로 정해진다(도 2). 구경 격벽 어레이(2)는 마이크로렌즈 어레이(1)의 바로 아래에서, 마이크로렌즈(1') 및 대물렌즈 몸체(3) 사이에 배열된다. 마이크로렌즈(1')의 이미지 평면에 축 방향으로 가까운 허상을 방지하기 위해, 어레이(4) 형태로, 구경 격벽(4')이 대물렌즈 몸체(3) 아래에 제공되며, 실시예에서 검출기 픽셀 기판(7) 위의 검출기 픽셀(8) 및 홀 격벽 어레이(6)의 핀 홀 격벽(6')에 의해 형성된 검출기는 이미지 평면에 위치한다. 만약 광활성(photoactive) 검출기 픽셀(8)의 영역이 충분히 작다면, 핀 홀 격벽 어레이(6)는 생략될 수 있고, 즉 배열된 검출기가 검출기 픽셀(8) 자체이다. 거리 층(5)은 허상을 막기 위한 격벽 어레이(4)와 핀 홀 격벽 어레이(6) 사이에 배열된다. 바로 아래에 위치한 구경 격벽(2')을 가지는 마이크로렌즈(1'), 렌즈(1')에 결합하고 핀 홀 격벽(6')을 가지는 검출기 픽셀(8) 및 격벽(4')이 광학 채널을 형성하며, 몇 개의 광학 채널이 매트릭스 형태로 서로 나란히 위치하는 것을 도 2에서 확인할 수 있다.
도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 이미지 검출 시스템의 중간으로부터 시작한, 각 광학 채널의 광축은 반지름 방향으로 규칙적으로 다른 경사로 제공된다. 그것에 의해, 각 채널의 광축은 마이크로렌즈(1')의 정점(apex)과 결합한 검출기의 중간, 즉 배열된 핀 홀 격벽(6')의 중간 사이의 연결선으로서 정의한다.
도 2에서, 마이크로렌즈의 격벽(2')은 큰, 파선의 원으로 도시되고, 광 교차를 방지하기 위한 마이크로렌즈(1')의 이미지 평면의 앞에 구경 격벽(4')이 작은 점선의 원으로서 도시되며, 검출기 즉, 핀 홀 격벽(6')에 의해 덮인 검출기 픽셀(8)은 마침표(full point)로서 도시된다. X- 및 Y- 방향에서 카메라의 중앙에 의존하면서, 즉, 각 채널의 위치에 의존하면서, 검출기뿐만 아니라, 허상 방지를 위한 구경 격벽(4')이 평면에서 다르게 어긋나게(offset) 배열함을 알 수 있다. 따라서 마이크로렌즈(1') 및 렌즈 뒤의 마이크로이미지에서 이미지 점을 추출하는 검출기(6, 8) 사이에서 정해지는, 광학 채널의 광축의 경사 또는 방향은 채널에서 광축에 수직으로 진행하는 어레이에서 방사상 좌표(radial coordinate)의 함수에 있다고 말할 수도 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 마이크로렌즈 어레이(1) 및 검출기 면 사이의 격벽 어레이(4)는 광학 채널을 분리하는 역할을 하며, 몇 층의 격벽 어레이(4)가 제공될 수도 있다. 어레이(4)의 홀 또는 개구의 중점 거리는 렌즈에서 결합한 검출기 로의 번들만이 이를 위해 고안된 입사각에 초점을 맞추고, 다른 입사각은 막도록 선택된다. 각 원안의 격벽(4')의 이런 영역은 투명하며 바깥 영역은 분산된 빛의 레벨을 감소하기 위해, 적당하게 흡수하거나 반사되며, 바람직하게는 흡수된다.
도 1에서, 격벽 어레이(4)의 기능을 확인할 수 있다. 도시된 연속 광 번들은 각 광학 채널의 주요 시야 방향 및 각 번들의 초점을 나타낸다. 이와 반대로, 예로서 파선 빔 번들은 격벽 어레이(4)가 없는 경우를 도시한 것으로서, 마이크로렌즈(1')에서 렌즈에 결합하지 않는 즉, 선결정된 시야 방향에 대응하여 검출기로의 빛의 교차 때문에 허상이 나타난다. 인접한 검출기에 초점을 맞춘 때 또는 멀리 떨어져 있을 때 빛의 교차가 발생한다. 교차 및 그로 인한 허상의 출현은 격벽 어레이(4)를 도입함으로써 경감할 수 있다.
도 3은 마이크로렌즈(1') 또는 채널에 배당되고, 실시예에서 검출기 픽셀(8) 및 홀 격벽(6')을 포함하는 검출기가 풋 프린트에 바로, 즉 마이크로렌즈(1') 바로 뒤에 위치해야 할 필요가 없다는 것을 도시한다. 그러나 파선이 아닌 빔 번들에 의해 정의된, 채널의 시야 각을 더 크게 하기 위해, 교차에 의해 생기는, 파선 빔 번들에 의해 나타난 허상 없이, 검출기는 인접한 렌즈 뒤에 또는 이의 인접한 렌즈들 뒤에 많이 어긋나게(offset) 배열할 수 있다. 이로써, 마이크로렌즈(1')의 스캔할 수 있는 이미지 필드는 더 효과적으로 커지고, 이는 해상도 용량, 시야 사이즈 및 이미징 시스템의 빛 세기에 관하여 유리한 효과를 가진다.
적용 분야에 따라, 광학 채널의 수는 10×10 내지 1,000×1,000의 배율에 있고, 도 2에 따른 정사각 형태일 필요가 없다. 마이크로렌즈(1')의 사이즈는 또한 광학 채널의 사이즈를 결정하며, 이때 마이크로렌즈의 지름은 10㎛ 내지 1㎜이다. 마이크로렌즈 어레이(1)는 플라스틱 물질로 구성되며 엠보싱(embossing), 사출성형(injection molding) 등과 같은 다른 기술로서 제조될 수도 있다. 대물렌즈 몸체(3)는 유리 또는 투명 플라스틱제로 제조될 수 있고, 구경 격벽 어레이 및 핀 홀 격벽 어레이는 금속 코팅으로서, 또는 블랙 폴리머(black polymer)로 만들어질 수 있다.
허상 방지를 위한 평면 카메라의 제조에 관한 한 실시예를 도 4에 도시하였다. 이 실시예에서, 이미징 시스템은 바람직하게 유리인, 박형 대물렌즈 몸체(3) 위에서의 전면 및 후면 구조에 의해 생성된다. 그것에 의해, 코팅 및 리소그래피로서, 먼저 마이크로렌즈 어레이에 배당된 구경 격벽 어레이(2)가 대물렌즈 몸체(3) 위에 전면에서 증착되고, 허상 방지를 위한 격벽 어레이가 박형 흡수 폴리머(thin absorbing polymer) 또는 금속 등으로 후면에서 증착된다. 계속해서, 전면에, 렌즈 어레이(1)가 UV-복제(UV-replication)로서 생성되고, 후면에 거리 층(5)이 광 리소그래피에 의해 구조화될 수 있는 폴리머로 제조된다. 센서 어레이의 검출기 픽셀(8)이 추가적인 핀 홀 격벽 어레이(6)로서 사이즈에 제한을 가할 필요가 있는 경우에, 그리고 후자가 검출기 기판 위에 생성될 수 없는 경우에, 광-구조 홀을 가지는 금속 또는 블랙 폴리머 등으로서 핀 홀 격벽 어레이 또는 핀 홀 격벽 층(6)이 전체 배열의 뒤쪽에서 거리 층 위에 증착된다. 마이크로렌즈(1')의 곡면의 반경은 정확하게 설정되어서, 그들을 덮은 검출기 픽셀(8) 또는 핀 홀 격벽(6') 위에 초점을 맞춘다.
따라서 옵토웨이퍼가 제조되며, 다수의 평면 카메라가 달성될 것이다. 그것에 의해, 검출기 픽셀(8)이 위치한 웨이퍼를 가지는, 제조된 옵토웨이퍼의 웨이퍼스케일 조립체를 위한 거리 층(5)의 광-구조는 유리하다. 이 구조는 뒤의 박형 카메라를 위한 두 인접 배열 사이에 갭을 형성하여 이룬다. 본딩 패드(bonding pad; 12)는 검출기 픽셀(8)을 가지는 기판(7) 위에 증착되며, 이들은 검출기 픽셀 매트릭스와 나중에 접하기 위해 필요하다. 제조된 옵토웨이퍼는 계속해서 검출기 어레이가 위치한, 웨이퍼와 본딩 또는 큐어링(curing) 등으로서 결합하여, 본딩 패드(12) 위에서 거리 층(5) 사이에 갭을 생성하고, 거리층(5)의 공동(cavity)의 높이를 형성한다. 계속해서, 카메라는 칩 쏘(chip saw)에 의해 구별된다. 공동(cavity)으로서, 칩 쏘로 층(1~4)을 분리해도, 층(6~9)이 손상되지 않는 것을 보장한다. 계속해서, 서로 나란히 배열된 몇 개의 다른 깊은 컷으로서 쏘 시트(saw sheet; 14)에 따라 웨이퍼 컴포짓에서 카메라를 구별시킨다. 톱으로 자린 대물렌즈의 영역은 검출기 어레이의 칩 영역보다 좁다. 이로써, 구별시킨 후에 검출기 칩의 측면 돌출부가 박형 대물렌즈의 측면 돌출부보다 더 돌출하여, 본딩 패드의 접촉성을 보장한, 카메라 칩을 제조할 수 있다.
이하에서, 도 4에 따른 본 실시예를 위한 변수를 지정한다:
다른 층 또는 어레이의 두께[㎛]:
1:45; 2:1.5; 3:215; 4:1.5; 5:30; 6:0.2;
어레이에서 다른 요소의 피치(중점 간 또는 정점 거리)[㎛]:
1:107.2; 2:107.2; 4;106.15; 6:106.0; 8:106.0;
어레이에서 다른 요소의 개구 지름[㎛]:
1:105; 2:90; 4:16; 6:2;
어레이에서 요소의 수: 84×64;
마이크로렌즈(1')의 곡면 반지름: 103㎛;
물질: 1, 5: UV 경화성 광폴리머(UV curable photopolymer);
2, 4: 블랙 매트릭스 폴리머; 3: 유리; 7, 8;CMOS-센서
카메라의 일부를 도 5에 도시한다. 인접 광학 채널의 시야가 부분적으로 겹치며, 이때 카메라는 점 소스의 매우 정확한 위치 검출 및 에지의 위치 검출 및 방위 측정을 위한 역할을 한다. 적은 데이터 양 및 짧은 처리 시간으로, 그런 이미징 시스템은 점 소스 및 에지 등과 같은, 하나 또는 그 이상의 간단한 구조의 사물을 간단한 이미징 광학 시스템으로 검출하고, 시야 안에서 알려진 사물 거리를 가지는, 각 위치 또는 측면 사물 위치를 매우 정확하게 그리고 별다른 노력을 들이지 않고 결정할 수 있어야 하는 분야에서 적용될 것이다. 산업 분야에서, 에지 위치 인식(edge position recognition)은 특히 관심이 있고 게다가 생산 중에 자동차 또는 감시 업무에서 도로 마킹 인식(road marking recognition)을 생각할 수 있다.
도 5에 따른 시야의 겹침은 예를 들면 렌즈 어레이(1) 및 핀 홀 격벽 어레이(6) 사이 또는 렌즈 어레이(1) 및 검출기 어레이 사이의 중점 거리를 설정함으로써 또는 핀 호 격벽 지름을 확대함으로써 이루어지며, 이는 그들이 광민감성 검출기 픽셀(8)보다 작은 표면 팽창을 가지기 때문이다.
도 5a에서, 채널의 시야 방향, 즉, 광축은 9a로 표시하며, 각 광학 채널의 시야는 9b로 표시하며, 인접한 시야의 겹치는 영역은 9c로 표시한다.
도 5a에 따른 울트라 박형 카메라의 각 민감도는 도 5b에서의 시야에서의 각에 의존도로 좌표로 나타내며, 10a는 채널의 각 민감도 함수, 10b는 각 축, 10c는 채널의 시야의 유효 너비, 10d는 각 민감도 함수의 겹치는 영역이다. 인접한 광학 채널의 시야를 겹치기 위한 전에 기술한 수단은 인접 광학 채널 사이의 시야 각 차이가 한 채널의 시야의 유효 너비의 절반보다 작은 것을 보장한다. 그런 겹침은 필요해서, 사물 점이 동시에 다른 채널로 보일 수 있고, 다른 강한 신호를 측정할 수 있다.
도 6에서, 겹치는 시야를 가지는 세 개의 광학 채널의 시야 안에서 광원의 각 위치를 결정하는 것을 도식화하여 표현한다. 11a는 이미지 평면으로 비춰진 점 소스의 위치를 나타낸다. 11b는 초점 너비 위로 비추어진 이미지 좌표 평면을 가지는 세 채널의 광축의 접점이다. 11e는 수평, 인접 채널의 접촉 축(X-축)이며, 11f는 수직, 인접 채널의 접촉 축(Y-축)이다. 각 광학 채널의 시야 안에서 비추어진 점 소스 위치의 반지름을 11d로 표시한다.
점 소스 또는 점 같은 사물을 조사할 때, 도 5에 따른 카메라의 인접 광학 채널의 핀 홀 격벽(6')에서 측정한 세기 값의 상태는, 검출기의 통합 시간을 무시되므로, 절대 밝기(absolute brightness) 또는 발광(irradiance)의 변동과 관계없을 뿐 만 아니라, 사물의 절대 밝기 또는 광원의 발광과 관계없다는 것을 고려해야 한다. 보통 시야 영역에 위치한 사물의 각 위치는 세기 상관관계를 사정함으로써 결정될 것이다. 만약 그런 사물이 도 6에 따른 세 개의 광학 채널의 보통 시야에 위치한다면(몇 개의 광학 채널도 가능하다), 각 채널의 광축에 점 소스의 측면 거리에 의존하면서, 연관된 핀 홀 격벽(6') 또는 다음의 검출기 픽셀(8)에서의 특정 세기를 측정할 수도 있다. 식과 관련하여, 광학 채널로 발사된 광량의 구성요소가 광축으로부터 이미지 평면으로 전달된다는 관계는, 도 5b에 따른 각 민감도를 이용하여 이론적 기초로부터 알려진다. 이 지식은 소스의 위치를 계산하기 위해 이용된다. 두 인접한 핀 홀 격벽(6')의 세기의 상관관계에서, 초점 길이를 가지는 이미지 평면으로 비추어지는 점 소스의 좌표 xP, yP를 결정할 수도 있다. 점 소스의 수평 및 수직 좌표 xP, yP를 계산한 후, 참조 채널의 시야에서의 그 각 위치를 알아내고, 따라서 완제품 울트라 박형 카메라의 시야에서의 그 각 위치를 또한 특정 채널의 시야 방향의 지정을 생각함으로써 알아낸다.
계산 방법은 다음의 예에서 더 상세히 설명할 것이다.
만약 도 6에서의 중앙 채널(11e)의 시야에서, 초점 길이를 가지는 이미지 필드를 투영함으로써 형성된 좌표 시스템에서 축을 관찰하면, 이 축에서 측정된 점 소스의 위치는 xP에 지시된다. 그것은 상관관계를 통해 중앙 채널의 시야에서의 점 소스의 각 위치에 관계된다:
Figure 112008052230509-pct00001
φP는 시야에서의 점 소스의 각 위치를, rP는 대물렌즈의 초점 길이뿐만 아니라, 초점길이로 투영된 좌표 평면으로 광축의 접점에서의 방사상 거리를 설명한다. 도 6에서 설명한 것처럼, yP는 제2 좌표 축에서의 점 소스의 좌표이다.
대물렌즈의 각 채널의 이미지 평면에서의 세기 분산은 각각 채널의 각 민감도 함수(도 5b의 10a)로 사물 세기 분산의 수학적 콘볼루션(mathematical convolution)에서 유래하는 이론적인 기초에서 알려진다. 점 소스 또는 에지로 수학적으로 설명될 수 있는 사물을 위해, 콘볼루션의 결과는 소스의 절대 밝기(또는 절대 방사), 및 점 소스(xP 또는 rP 또는 φP)의 위치에서의 각 민감도 함수의 값으로 구성되며, 에지를 위해, 부가적으로 에지의 위치에서 각 민감도 함수에 대해 통합적 표현을 포함한다. 소스가 채널의 시야의 겹친 부분에 위치한다면, 일반적으로, 기술된 상관관계에 따른 다른 세기는 인접한 채널의 시야의 겹침으로써, 각 핀 홀 격벽 또는 다음의 검출기 픽셀에서 측정된다. 두 인접한 채널에서 측정된 세기 값의 상관관계에서 유래하는 표현은 소스의 절대 밝기 또는 방사와 관계없고, 투영된 좌표 평면(xP)에서 점 소스 또는 에지의 좌표를 얻을 수 있다.
이 과정은 yP 및 이로부터 중앙 채널의 시야에서의 소스의 각 위치(φP)뿐만 아니라, 접촉점에서 초점 길이로 투영된 광축의 좌표 평면까지의 방사상 거리(rP)를 얻기 위해, 도 6의 제2 좌표 축(11f)을 위해 유사한 방법으로 실행된다.
기술한 방법이 에지 위치 검출을 위해 사용되는 경우에, 부가적으로, 카메라의 횡단 주요 대칭 축에서의 에지의 방위를 결정해야 한다. 이것은 이미지에 있는 동일한 세기 및/또는 컨트라스트(constrast) 값을 조사함으로써 비교적 간단한 방법으로 이루어진다. 높은 정확도로 카메라의 시야에서의 에지 위치를 검출하기 위해서, 이 방법에서 찾은 에지의 방위에 수직으로, 상기에서 기술한 방법에 따라 다른 검출기 픽셀의 세기 값을 계산한다.
위치 검출을 위해 언급한 방법은 하나의 라인으로만 디자인된 카메라로 단순화된 형태로 사용될 것이다. 예를 들면, 높은 각 해상도를 가지는 이 라인의 시야에서 반대 에지의 이동을 검출할 수 있다.

Claims (24)

  1. 구경 격벽에 결합한 마이크로렌즈 및 적어도 하나의 검출기를 이미지 평면에 위치시키면서, 서로 나란하게 배열된 광학 채널의 이미지 검출 시스템으로서,
    상기 검출기는 렌즈 정점 및 검출기의 중점 사이의 연결선이 형성하는 각 광축의 방향이 각 상기 광학 채널의 위치의 방사상 좌표의 함수를 나타내도록 배열되며,
    적어도 하나의 격벽 어레이(4)가 상기 구경 격벽을 가지는 상기 마이크로렌즈(1')와 상기 검출기(6', 8) 사이에 제공되며,
    격벽(4')의 중점 간의 거리는 마이크로렌즈(1')의 정점 거리 및 검출기(6', 8)의 중점 간의 거리 사이에 위치해서, 채널의 위치에 따라서, 격벽(4')이 마이크로렌즈(1') 및 검출기(6', 8)에 다르게 어긋나게 배열되어, 격벽이 렌즈 및 검출기와 쌍을 이루며 일직선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 각 채널에 배당된 상기 검출기(6', 8)는 각 인접 채널 또는 옆으로 더 멀리 떨어진 채널의 마이크로렌즈의 투사(projection) 안에 위치하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 검출기는 기판(7) 위의 핀 홀 격막을 가지지 않는 검출기 픽셀(8)로서, 또는 전면에 핀 홀 격막(6')을 가지는 검출기 픽셀로서 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는 구면, 타원, 비구면 등의 다른 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    마이크로프리즘이 상기 마이크로렌즈로 통합되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는 볼록 또는 오목 형상 베이스 표면으로 배열되며,
    상기 검출기(6', 8)는 아치형(arcuate) 표면으로 배열되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈(1') 또는 상기 검출기(6', 8)에 대하여, 허상 방지를 위한 격막의 오프셋은 각 광학 채널로 상을 만들기 위한 입사각에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    광원은 광학 채널들 또는 광학 채널의 그룹들 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈(1')의 이미지 평면에서, 적어도 하나의 검출기(6', 8)가 이미지 평면으로부터 마이크로렌즈(1')를 통해 피관찰 사물로 빛을 모으고, 향하게 하고 또는 분산하는 광원으로 대체되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 광원은 LED, OLED 또는 VCSEL로, 또는 레이저 다이오드로서 디자인되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 검출기는 CMOS-센서 또는 CCD 센서로서, 또는 폴리머 물질로 구성된 포토다이오드 어레이로서 디자인되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    인접한 광학 채널의 시야는 서로 부분적으로 겹치는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    각 광축 사이의 각 거리로서 주어지는 인접한 광학 채널 사이의 시야 각 차이는 한 채널의 시야의 너비의 반보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    몇 개의 격막 어레이(4)는 마이크로렌즈 및 검출기 사이의 다른 평면에 배열되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 격막 어레이(4)는 서로 다른 중점 간 거리를 가지며, 격막 어레이 사이의 거리 또는 격막 어레이 및 검출기 사이의 거리 또는 격막 어레이 및 마이크로렌즈 사이의 거리는 다른 거리층을 이루는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 광학 채널 및 마이크로렌즈(1')는 1의 배율로 디자인되며,
    이미지 점으로서 각 채널에 연관된 사물-쪽 입체각은 이미징 시스템의 사물 거리에서, 상기 입체각에 대응하는 사물의 측면 돌기가 채널의 거리만큼 큰 사이즈로 설정되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    마이크로렌즈에 결합한 제1 구경 격막 어레이(2) 및 제2 격막 어레이(4)는, 코팅으로서, 투명 대물렌즈 몸체(3)의 전면 및 후면에 증착되고,
    상기 마이크로렌즈 어레이는 제1 구경 격막 어레이(2) 위에, 투명 거리층(5)은 제2 격막 어레이 위에 증착되고, 검출기 픽셀(8) 어레이를 가지는 기판(7)은 거리층 아래에 위치하며, 핀홀 격막 어레이(6)가 증착되는 경우 핀 홀 격막 어레이(6)가 거리층(5) 위에 또는 검출기 픽셀을 가지는 기판 위에 증착되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    대물렌즈 몸체(3)는 유리로 구성되며, 렌즈 어레이 및 거리층은 구조화된 폴리머로, 격막 어레이(2, 4)는 흡수 폴리머 또는 금속으로, 핀 홀 격막 어레이(6)는 금속층 또는 폴리머층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 검출 시스템.
  21. 투명한 대물렌즈 몸체를 가지는 적어도 하나의 이미지 검출 시스템의 제조방법으로서,
    대물렌즈의 전면 및 후면에, 박막 흡수 폴리머 또는 금속의 제1 및 제2 격막 어레이가 코팅 및 리소그래피에 의해 증착되며,
    마이크로렌즈 어레이가 UV 복제에 의해 전면에 제조되고, 후면에 거리층이 제조되며, 마이크로렌즈 어레이 및 거리층의 폴리머는 광-리소그래피에 의해 구조화될 수 있고,
    상기 거리층은 검출기 픽셀 어레이가 제공되는 기판에 연결되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 이미지 검출 시스템의 제조방법.
  22. 제21항에 있어서,
    옵토웨이퍼를 형성하기 위해, 몇 개의 제1 및 제2 격막 어레이, 몇 개의 마이크로렌즈 어레이 및 서로 거리를 두고 배열된 몇 개의 거리층이, 연속 대물렌즈 몸체에 증착되며, 다수의 검출기 픽셀 어레이 및 웨이퍼 위의 검출기 픽셀 어레이 사이에 증착된 본딩 패드를 가지는 검출기 웨이퍼에 연결되어서, 거리층 사이의 자유 공간이 본딩 패드 위에 위치하고, 연결된 옵토웨이퍼 및 검출기 웨이퍼를 서로 나란히 위치한 몇 개의 다른 깊이의 컷에 의해 쏘로 구별시키며, 검출기 칩 위의 본딩 패드가 남은 배열 밖으로 돌출하도록 카메라 칩을 제조하는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 이미지 검출 시스템의 제조방법.
  23. 삭제
  24. 삭제
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