KR101506587B1 - 액정 적응 광학을 사용하여 오토 포커스를 행하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

액정 적응 광학을 사용하여 오토 포커스를 행하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

오토 포커스 카메라(100)는 렌즈(102), 렌즈로부터 이미지를 감지하기 위한 센서(108), 렌즈와 센서 사이의 제1 액정층(104), 및 렌즈와 센서 사이에 위치하며 또한 제1 액정층에 직교로 배열된 제2 액정층(106)을 포함할 수 있다. 오토 포커스 카메라는 제1 액정층 및 제2 액정층을 구동하도록 프로그래밍된 집적 회로를 더 포함할 수 있다. 오토 포커스 카메라는 두 개의 직교로 배열된 액정층을 제어하도록 프로그래밍된 컨트롤러(202)를 포함할 수 있다. 액정층은 액정층의 복굴절 특성을 사용하여 광학 안티 에일리어스 필터로 동작할 수 있다. 제1 액정층 및 제2 액정층은 오토 포커스 카메라의 편광 무의존 동작을 달성하기 위하여 직교로 배열될 수 있다.

Description

액정 적응 광학을 사용하여 오토 포커스를 행하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR AUTO-FOCUS USING LIQUID CRYSTAL ADAPTIVE OPTICS}
본 발명은 일반적으로 오토 포커싱에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 액정 적응 광학(liquid crystal adaptive optics)을 사용하는 오토 포커싱에 관한 것이다.
높은 해상도의 메가 픽셀 카메라는 고화질의 사진을 찍기 위해 포커싱 기능을 사용한다. 대부분의 오토 포커싱 방법은, 하드웨어 및 소프트웨어 설계에 복잡성을 가중시키는 스텝 모터와 같은 기계적 이동 부분(mechanical moving parts)을 포함한다. 전기 습윤 액체 렌즈(electro-wetting liquid lenses) 및 액정 렌즈는 적응 광학의 카테고리에 속하는데, 적응 광학에서는 광학 파면(optical wave front)이 기계적 움직임의 도움 없이 조정된다. 액정 렌즈의 경우, 광학 파면의 변화는 외부 전압에 의해 전기적으로 조정되는 굴절률(refractive index)의 증감율(gradient) 변화를 통해 달성된다. 적응 광학이 기계적 이동 부분의 사용을 피할 수 있음에도 불구하고, 적응 광학을 사용하는 기존의 카메라 장치(arrangements) 및 이미저(imagers)는 오토 포커스 형식의 카메라로 구현되는 것에 문제점 및 어려움을 갖는다.
위에서 기술한 바와 같이, 기계부(mechanical parts)는 오토 포커스 특징을 갖는 카메라에 일반적으로 사용된다. 여러 미국 특허는 액정을 이용한 적응 광학의 사용을 논하지만, 액정 렌즈를 사용함으로써 발생하는 편광(polarization) 및 복굴절(birefringence)에 대한 문제를 해결하는 것에 실패한다. 복굴절(birefringence or double refraction)이란, 광선이 칼싸이트 크리스탈(calcite crystals)과 같은 특정 형태의 물질을 통과할 때 광선의 편광에 의존하여 두 개의 광선{정상 광선(ordinary ray) 및 이상 광선(extraordinary ray)}으로 분해되는 것이다. 편광은 빛과 같은 전자기파의 특성이고, 전자기파의 횡방향(transverse) 전기장의 방향을 기술한다. 더 일반적으로, 횡파(transverse wave)의 편광은 진행 방향과 수직인 면에서의 진동 방향을 기술한다.
예를 들면, 미국 특허 제5,359,444호는, 액정 물질의 편광 및 복굴절 문제를 해결하는 것에 실패한 오토 포커스 특징을 갖는 안경에 기초하여 개념화된 액정 렌즈를 논의한다. 이와 같이, 미국 특허 출원 2006/0164732 A1은 광학 주밍(zooming)을 위한 액정 렌즈를 제안했고, 미국 특허 제5,815,233호는 간섭광(coherent light) 애플리케이션을 위한 광학 정보 프로세싱에 대한 액정 렌즈의 시스템 레벨을 제안했다. 각각은 편광 및 복굴절을 적절히 해결하는 것에 실패했다. 2006년 4월 18일에 출판된 미국 국립 과학원(0600850103)의 지원을 받은 출판물은 안경 오토 포커스를 구현하기 위해 회절성(diffractive) 액정 렌즈의 사용을 논의한다.
본 발명에 따른 실시예는 기계적 이동 부분 없이 액정 기술을 사용하여 카메라 오토 포커스를 구현하기 위한 단순하고 효과적인 해결책을 가능하게 하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다. 이러한 장치는 현재 존재하는 기술에 의해 제공되지 않는 압축성 및 설계 단순화를 제공한다. 특정 장치에서, 두 개의 캐스케이드식 직교 액정판(cascaded orthogonal liquid crystal plates)은 오토포커스와 광학 안티 에일리어스(anti-alias) 필터 애플리케이션을 위해 광 전력(optical power) 및 카메라 내의 임의의 편광기(polarizer) 없이 사용된다. 이전에 기술된 바와 같이, 이 오토 포커스 방법은 기계적 이동 부분을 필수적으로 포함할 필요는 없다.
본 발명의 제1 실시예에서, 오토 포커스 카메라는 렌즈, 렌즈로부터 이미지를 감지하는 센서, 렌즈와 센서 사이의 제1 액정층, 및 렌즈와 센서 사이에 위치하며 또한 제1 액정층에 직교로 배열된(aligned) 제2 액정층을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 액정층의 고속 광축(fast optical axis)은 제1 액정층의 고속 광축에 수직으로 배열될 수 있다. 카메라는 시각적 이미지를 획득하도록 사용되는 카메라에 대해 적외선 광을 차단하기 위한 적외선 필터를 포함할 수 있다. 액정층(liquid crystal layers) 각각은 두께가 0.25 밀리미터보다 얇을 수 있다. 오토 포커스 카메라는 상이한 초점 거리에 따라 제1 액정층 및 제2 액정층 각각에 상이한 전압을 구동하거나(drive) 인가하도록(apply) 프로그래밍된 집적 회로를 더 포함할 수 있다. 오토 포커스 카메라는 제1 액정층의 편광을 제2 액정층의 편광과 직교로 배열하도록 프로그래밍된 컨트롤러를 포함할 수 있다. 컨트롤러는 이와 달리 두 개의 직교로 배열된 액정 위상 변조기를 제어하도록 프로그래밍될 수 있다. 일 실시예에서, 센서는 하나의 액정층 또는 두 개의 액정층 모두가 CMOS 센서와 함께 집적되는 CMOS 센서일 수 있다. 또는, CMOS 센서 및 액정층은 별개의 구성요소일 수 있다. 액정층은 액정층 또는 액정층들의 복굴절 성질을 사용하여 광학 안티 에일리어스 필터로 동작할 수 있다. 제1 액정층 및 제2 액정층은 오토 포커스 카메라의 편광 무의존 동작(polarization insensitive operation)을 얻도록 직교로 배열될 수 있다. 제1 액정층 및 제2 액정층은 전기적으로 빛 편광 방향을 변조하기 위해 외부 전압을 변경함으로써 이상 (p) 파{extraordinary (p) waves}에 대한 굴절률을 조정할 수 있다. 카메라는 셀룰러 폰, 개인 휴대 단말기(personal digital assistant), 스마트 폰, MP3 플레이어, 뮤직 플레이어, 리모컨, 손목에 차는 컴퓨터(wrist-worn computer), 또는 시계를 포함하는 임의의 수의 장치의 부분일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "직교로 배열된"은 일반적으로 액정 셀이 구조적으로 또는 전자 조작을 통하여 직교로 배열된 광축을 갖는다는 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에서, 전자적 오토 포커스를 위한 시스템은 렌즈, 렌즈로부터 이미지를 감지하는 센서, 렌즈 및 센서 사이의 제1 액정층, 렌즈 및 센서 사이의 제2 액정층, 및 오토 포커싱 프로세서로부터의 피드백을 이용하여 직교로 배열된 제1 액정층 및 제2 액정층에 인가되는 외부 전압을 변경하도록 프로그래밍된 컨트롤러를 포함할 수 있다. 센서는 CMOS 센서일 수 있고, 적어도 제1 액정층 또는 제2 액정층, 또는 두 층 모두 고해상도 메가 픽셀 카메라의 일부로서 CMOS 센서와 함께 집적될 수 있다. 제1 액정층 및 제2 액정층은 복굴절을 사용하여 광학 안티 에일리어스 필터로 동작한다. 시스템은 선택적으로 제1 액정층과 제2 액정층 사이에 삽입된 1/4 파장판(a quarter-wave plate) 및 시각적 이미지를 획득하도록 사용되는 카메라에 대해 적외선을 차단하기 위해 렌즈와 액정층 사이에 위치하는 적외선 필터를 더 포함할 수 있다. 1/4 파장판은 선형 편광 방향에 대해 45도로 배열된 광축을 가질 수 있는데, 이는 선형 편광(linear polarization)을 원형 편광(circular polarization)으로 변환한다는 것을 주의하여야 한다.
본 발명의 제3 실시예에서, 오토 포커싱 방법은 렌즈를 통하여 이미지를 캡처링하는 단계 및 제2 액정층에 대하여 제1 액정층을 직교 위상 변조하는 단계를 포함할 수 있는데, 제1 액정층 및 제2 액정층은 렌즈 및 센서 사이에 위치한다. 일반적으로, 빛은 두 개의 직교 편광으로 분해될 수 있다. 직교 위상 변조는 광축이 이미 수직으로 배열된 두 액정 셀을 거쳐 통과하는 빛의 두 편광을 위상 변조하는 것 및 두 편광 각각이 두 액정 셀에 의해 변조되는 것을 단순히 의미할 수 있다. 더욱이, 위상 변조는 액정 층에 인가되는 상이한 전압에 따른 각 액정 셀 내 이상 광선(p 파)의 굴절률 변화를 통해 달성된다. 오토 포커싱 방법은 자동적으로 수행될 수 있다. 방법은, 제1 액정층 및 제2 액정층의 복굴절 효과를 사용하는 광학 안티 에일리어스 필터링 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 또한 제1 액정층 또는 제2 액정층 또는 두 층 모두를 센서와 함께 집적함(integrating)으로써 센서에게 보호 커버(protective cover)를 제공할 수 있다. 두 액정층을 제어하기 위한 집적 회로(ICs) 및 CMOS 이미저는 일반적인 IC로 결합되거나 집적될 수 있다. 방법은 오토 포커스 기능 및 광학 안티 에일리어싱 기능을 동시에 더 수행한다. 방법은 편광 무의존 오토 포커싱을 달성하기 위해 제1 액정층과 제2 액정층을 직교 배열하는 단계 및 변조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 제1 액정층 및 제2 액정층을 각각 사용하여 전기적으로 이상 (p) 파에 대한 굴절률을 조정하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 방법은 제1 액정층 및 제 2 액정층 중 적어도 하나에 대하여 공간 위치(spatial position dependent external voltages)에 의존하는 외부 전압을 인가함으로써 액정 굴절률을 변화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 단수형은 하나 또는 하나 이상으로 정의된다. 본 명세서에서 사용된 "복수의"라는 용어는 둘 이상으로 정의된다. 본 명세서에서 사용되는 "또 다른"이라는 용어는 적어도 둘 이상으로 정의된다. 본 명세서에서 사용되는 "포함하는" 및/또는 "갖는"은 포함하는 것{즉, 개방 언어(open language)}으로 정의된다. 본 명세서에서 사용되는 "결합된"은 연결된 것으로 정의되며, 필수적으로 직접 연결되어야 하거나 필수적으로 기계적 연결되어야 하는 것은 아니다. "오토 포커스"(또는 AF) 또는 오토 포커스 프로세서는 사용자(operator)가 수동으로 포커스를 조정하는 것을 요구하는 대신, 시스템이 목표물에 대한 정확한 포커스를 얻도록(그리고 소정의 시스템에서는 또한 계속하여 유지하도록) 허용하는 소정의 광학 시스템의 특징 또는 프로세서이다. 오토포커스 시스템은 정확한 포커스를 결정하기 위하여 하나 이상의 센서에 의존한다. 소정의 AF 시스템은 단일 센서에 의존하는 반면, 다른 시스템은 센서의 배열을 사용한다. "센서" 또는 "이미지 센서"는 시각적 이미지를 전기적 신호로 전환하는 장치이다. 이는 주로 디지털 카메라 또는 다른 이미지 장치에서 사용된다. 이는 대개 전하 결합 소자(charge-coupled devices; CCD) 또는 능동 픽셀 센서와 같은 CMOS 센서의 장치이다. "공간 위치에 의존하는 외부 전압"은 전압이 인가되는 위치에 기초하여 기능을 변경하는 장치에 인가된 외부 전압을 나타낸다. 렌즈는 일반적으로 두 개의 굴절 표면을 갖는 투명한 물체를 의미한다. 일반적으로 표면은 평평하거나 구형(구형 렌즈)이다. 때때로, 화질을 향상시키기 위하여 렌즈는 구형으로부터 미세하게 벗어난 표면을 갖도록 신중하게 제조된다. 렌즈는 일반적으로 이미지를 생성하기 위하여, 물체로부터 온 빛을 이미지 평면(image plane)에 포커싱하는 카메라의 렌즈와 같은 일련의 개별적인 유리 또는 플라스틱 렌즈를 지칭한다. 이미지는 정의하기 어렵지만 본 명세서에서 사용된 바에 따르면, 전형적으로 표면에 생성되는 (물체 또는 장면 또는 사람 또는 추상물의) 시각적 표현을 일반적으로 의미할 수 있다. 이미지는 또한 공간의 한 영역에 위치하는 물체의 발광 포인트를 공간의 다른 영역에 위치하는 포인트로 포인트 맵핑하는 것을 의미할 수 있고, 이 포인트는 물체의 각 포인트로부터의 빛이 (이미지 상의) 다른 곳의 점으로부터 수렴하거나 발산하도록 하는 방법으로 빛의 굴절 또는 반사에 의해 형성된다. 본 명세서에서 사용되는 액정층 또는 액정 셀은 일반적으로 두 기판 사이에 샌드위칭된 액정의 층으로 생각될 수 있는데, 액정은 종래의 액체의 성질 및 고체 크리스탈의 성질의 중간 성질을 갖는 물질의 상(phase of matter)을 나타내는 기판이다. 예를 들면, 액정(LC)은 액체처럼 흐를 수 있지만, 크리스탈 방식으로 배열되고/배열되거나 배향된(oriented) 액체 내 분자를 갖는다. 광학에서, 광축이라는 용어는 방향을 정의하기 위해 사용되는데, 이를 따라서 어느 정도(some degree)의 회전 대칭(rotational symmetry)이 존재한다. 광학 시스템에서, 광축은 경로를 따르는 가상의 선인데, 이 경로를 따라 빛이 시스템을 통해 전파된다. 간단한 렌즈 및 거울로 구성된 시스템에서, 축은 각 표면의 곡률의 중심을 거쳐 통과하고, 회전 대칭의 축과 일치한다. 광축은 종종 시스템의 기계적 축과 일치하지만, 비축(off-axis) 광학 시스템의 경우에서와 같이 항상 그런 것은 아니다. 단축(uniaxial) 복굴절 물질에서, 광축은 광학 이방성(optical anisotropy)에 의해 정의되는 축이고, 만약 빛이 광축을 따라 전파된다면 복굴절은 일어나지 않는다. 액정에 있어서, 광축은 LC 대칭축의 LC층 표면에 대한 투영도(projection), 즉 LC 분자 축 방향의 통계적 평균이다.
본 명세서에서 사용되는 "프로그램", "소프트웨어 애플리케이션", "리사이징 프로그램", 및 이와 유사한 용어는 컴퓨터 시스템 상에서 실행하도록 설계된 일련의 명령어로 정의된다. 프로그램, 컴퓨터 프로그램, 또는 소프트웨어 애플리케이션은 서브루틴, 함수, 프로시져, 오브젝트 메소드, 오브젝트 구현, 실행 가능 애플리케이션, 애플릿(applet), 서블릿(servlet), 소스 코드, 오브젝트 코드, 공유된 라이브러리/동적 로드 라이브러리, 및/또는 컴퓨터 시스템 상에서 실행하도록 설계된 기타 일련의 명령어를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 개시된 발명에 따라 구성되었을 때, 다른 실시예는 수행 목적의 시스템 및 기계로 하여금 본 명세서에 개시된 다양한 프로세스 및 방법을 수행하게 하는 기계 판독 가능 저장 장치(storage)를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오토 포커스 카메라의 조립도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 검출기 폭(detector width) 및 검출기의 유효폭(effective width)을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인가 전압에 의한 굴절률 변조를 설명하는 액정 셀의 시스템을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 1/4 파장판을 사용하는 2차원 안티 에일리어싱을 위한 시스템을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자 장치의 블록도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 오토 포커싱 방법을 도시하는 흐름도.
본 명세서는 신규성이 있다고 여겨지는 본 발명의 실시예의 특징을 정의하는 특허청구범위로 종결되지만, 본 발명은 도면과 더불어 이하의 기술(description)에 대한 숙고로 인해 더 잘 이해될 것이고, 도면에서는 유사한 참조 번호가 기재된다.
본 명세서의 실시예는 오토 포커스 카메라의 제조뿐만 아니라 오토 포커싱 수단을 가능하게 하는 다양한 기술을 사용하여 넓고 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 이러한 카메라는 일반적으로 움직이는 기계 부분을 가지지 않을 것이고, 액정판에 인가된 전압에 의한 굴절률 변화를 통하여 오토 포커싱을 가능하게 할 수 있다. 그러한 장치는 또한 전체 카메라 부피가 감소되는 것을 허용할 것이다.
2.5V의 낮은 전압 및 1초보다 빠른 반응 시간의 동작 조건이 이 장치를 사용하여 달성할 수 있다. 도 1의 오토 포커스 카메라(100)를 참조하면, 두 액정(LC)층(104 및 106)은 렌즈(102) 및 센서(108) 사이에 샌드위칭된다. 편광되지 않은 광 전송을 향상시키기 위하여, 두 LC층(104 및 106)은 편광 무의존 동작을 달성하도록 사용되는 직교 배열 방향을 갖는다. {각 LC층(104 및 106)의 액정 분자(111) 참조}. 관련된 편광기가 없고 LC층으로부터의 흡수가 없기 때문에, s(정상; ordinary) 파 및 p(이상; extraordinary) 파는 두 LC층을 거쳐 쉽게 통과할 수 있다. 또한 오직 이상파의 굴절률만 변조된다. LC 굴절률 변화는 렌즈 부분 곡률과 맞추기(balance) 위하여 공간 위치에 의존하는 외부 전압(110 및 112)을 사용하여 국부화될(localized) 수 있다. 포커싱은 임의의 추가적인 하드웨어 및 소프트웨어가 관련되지 않고도 전기적 스위치에 의하여 간단히 달성될 수 있다. 게다가, LC 판은 {센서(108)와 같은} CMOS 센서 장치와 함께 집적되어 그에 대한 보호층으로 동작할 수 있다. LC층의 복굴절 효과는 광학 안티 에일리어스 필터링을 구현하도록 사용될 수 있다는 것을 더 주의하여야 한다. 카메라 또는 시스템(100)은 시각적 이미지를 찍기 위해 사용되는 카메라에 대해 적외선을 차단하기 위한 적외선(IF) 필터(103)를 더 포함할 수 있다. IF 필터(103)는 도시된 바와 같이 렌즈(102) 및 LC층 사이에 위치하거나 LC층과 센서(108) 사이에 위치할 수 있다. 카메라 또는 시스템(100)은 제1 액정층 및 제2 액정층 사이에 삽입된 1/4 파장판(105)을 더 포함할 수 있다.
전기적으로 변조된 LC 층은 후초점면(back focus plane)에 근접하게 위치될 수 있다. LC층의 굴절률 변화는 렌즈 후초점면을, 카메라로부터 상이한 거리에 위치한 목표물의 가상 평면 변화(imagine plane variation)와 일치하도록 효과적으로 변경할 것이다. 결과적으로, 고해상도 오토 포커싱이 구현될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, LC층(104)과 전압(110), 및 LC층(106)과 전압(112)은 이미저(imagers)를 위한 단일 경로 오토 포커스를 달성하기 위하여 두 직교 LC 위상 변조기로 동작한다. p 파 및 s 파에 대한 광학 경로는
Figure 112010019555044-pct00001
과 같이 정의된다. L1은 제1 액정셀 또는 액정층의 두께이고, L2는 제2 액정셀 또는 액정층의 두께이며, "n"은 이상 (e)광에 대한 굴절률이고, "n0"은 정상 (o)광에 대한 굴절률이다. 또한, 액정셀(1) 내의 e(o)광은 두 액정셀의 광축이 직교하기 때문에 액정셀(2) 내의 o(e)광이 된다. 제조과정에서 L1 및 L2 사이에 미세한 차이가 항상 존재하므로, s 파 및 p 파 모두에 대하여 동일한 초점 길이를 얻기 위해 OPP는 OPS와 동일해야 한다. 이는
Figure 112010019555044-pct00002
를 결과로 갖는다. V2 및 V1 간의 이러한 관계는 공장으로부터 반출되기 전에 LC 위상 변조기에 (무선으로 또는 다른 방법으로) 프로그래밍(또는 룩 업 테이블에 저장)될 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 2는 검출기 장치에서의 도 1 내의 액정셀로부터의 1-D 안티 에일리어싱을 도시한다. 점선은 이상 광선(extraordinary light; e-광)을 나타내고, 실선은 정상 광선(ordinary light; o-광)을 나타낸다. 기호 A는 검출기 배열의 피치(pitch)를 나타내고, C는 검출 셀(detect cell)의 실제 크기 또는 물리적 크기를 나타내며, C1은 복굴절로 인한 검출 셀의 유효 크기를 나타낸다. 복굴절은 일반적으로 입사광을 두 개의 개별 광선(separate beams)으로 분할하기 때문에, 이는 검출 셀의 유효 폭, 즉 CMOS 또는 CCD 배열의 픽셀 크기를 증가시킨다. 일반적으로, 검출 셀의 크기 C는 최대 공간 주파수(maximum spatial frequency), CMOS 이미저가 통과할 수 있는 차단 공간 주파수(cut-off spatial frequency)를 결정하는데, 이는 궁극적으로 이미징 해상도(imaging resolution)에 영향을 미친다. 이러한 차단 주파수는 C에 반비례한다. 반면, 검출 장치의 피치 A, 즉 인접한 검출 셀의 중심과 중심 사이의 공간은 샘플링 비율에 역으로 대응하고, 이 샘플링 비율의 절반은 나이키스트 주파수(Nyquist frequency)로 정의되는데, 이 주파수에서 최대 아날로그 주파수는 디지털 샘플링으로부터 복구될 수 있다. A가 C보다 크기 때문에, 이러한 언더 샘플링은 에일리어싱을 일으킨다. 복굴절로 인해 검출 셀의 증가된 유효 크기(C1)는 안티 에일리어싱을 일으킬 수 있다. 게다가, 색 필터는 보통 검출 장치에 내재되고(embedded), 서로 다른 색인 빨간색, 녹색 및 파란색에 대한 검출 피치는 변하며, 이는 예를 들면 검은색 목표물 및 흰색 목표물이 색을 갖는 이미지(colored image)가 될 수 있는 컬러 에일리어싱(color aliasing)을 일으킨다. 이러한 컬러 에일리어싱은 안티 에일리어싱 기술에 의하여 제거될 수 있다.
도 3의 시스템(300)에 도시된 바와 같이, 복굴절은 상이한 편광에 대한 서로 다른 굴절률의 결과이다. 이는, 분산(또는 굴절률)의 영향이 상이한 형태의 편광마다 다르다는 것이다. 이러한 차이는 복굴절이라 지칭되며, 복굴절은 하나의 입사광을 두 개의 개별 광선으로 분할할 수 있다. yz 평면 상에서 디렉터(304)를 갖는 액정층 또는 액정셀(LC_Y; 302)은 오직 Ey(y축을 따른 편광)의 굴절률을 변조한다는 것(306)을 주의하여야 한다. 결과적으로, 빛은 LC_Y(302)를 통과한 후에 편광되고, 이상 광선{e-광, LC_Y의 경우에서 Ey(310)} 및 정상 광선{o-광, LC_Y의 경우에서 Ex(308)}으로 분할되어서 복굴절이라 불린다.
LC_Y(302)를 통과한 후에, 빛은 복굴절에 의하여 분할된다. 이와 같이, xz 평면 상에서 LC 디렉터(314)를 갖는 액정층 또는 액정셀(LC-X; 312)은 오직 EX의 굴절률을 변조시킨다. 또한, 빛은 LC_Y(302)를 통과한 후 수평 방향 y를 따라 확산된다. 결과적으로, 안티 에일리어싱은 수평 방향(y 방향)을 따라 구현된다.
이러한 두 셀의 LC층 두께에 대한 적절한 선택을 통해, 이러한 두 LC 셀을 통과하는 Ex 및 Ey의 유효 광 경로는 동일하게 생성될 수 있다. 즉, 이러한 두 셀을 통과하는 전체 빛은 동일한 광 경로를 가질 수 있다. 전체 광 경로는 동시에 두 셀 모두에 인가되는 인가 전압에 의존할 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 2차원의 안티 에일리에싱을 위한 시스템(350)은 1/4 파장판(352), 및 제3 액정층 또는 액정셀(354) 또는 외부 전압 없는 기타 광학 크리스탈을 추가함으로써 달성될 수 있다. 제2 LC층으로부터{도 3의 LC_X층(312)으로부터} 선형 편광된 빛 Ex 및 Ey는 광축이 수직 x축에 대하여 45도의 각도를 갖는 1/4 파장판(352)을 통과한 후, 원형으로 편광된 빛(351)이 된다. 다른 액정셀(354) 또는 광학 크리스탈의 다른 형태는 1/4 파장판(352) 이후에 위치할 수 있다. 빛은 수직 방향(x)을 따라 확산되어서, 2차원 안티 에일리어싱은 빛이 처음 두 개의 LC 셀(302 및 312), 1/4 파장판(352), 및 제3 LC 셀(354)를 통과한 후 달성될 수 있다. 제3 LC 셀(354)은 광축이 특정 방향으로 배열되도록 하기 위하여 단지 일정한 전압 바이어스를 필요로 한다. 제3 LC 셀(354)은 인가된 전압을 사용하지 않고 동작할 수 있는 다른 형태의 단축 광학 크리스탈로 대체될 수 있다. 단축 광학 크리스탈은 적절한 크리스탈 컷팅에 의해 xz 평면에 광축을 갖는 수정 액정과 같은 단축 투명 광학 크리스탈일 수 있다. 그러한 장치에서, 1/4 파장판은 광학 크리스탈 및 제2 LC층 사이에 위치할 수 있고, 제1 LC층은 y 방향으로 안티 에일리어싱을 수행하며, 이러한 광학 크리스탈은 x 방향으로 안티 에일리어싱을 구현할 수 있다.
도 5의 도식적인 대표예에서 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에서, 기계(예를 들면, 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑, PDA 등)와 같은, 오토 포커스 카메라 또는 렌즈 또는 특징(210)을 갖는 전자 제품은 특징(210)에 연결된 컨트롤러(202)를 포함할 수 있다. 일반적으로 다양한 실시예에서, 전자 제품은 한 세트의 명령어가 실행될 때 기계가 본 명세서에서 기술된 하나 이상의 방법론을 수행하게 할 수 있는 범위 내에서의 컴퓨터 시스템(200) 형태를 갖는 기계로 생각될 수 있다. 소정의 실시예에서, 기계는 독립형(standalone) 장치로 동작한다. 소정의 실시예에서, 기계는 다른 기계에 (예를 들면, 네트워크를 이용하여) 연결될 수 있다. 네트워킹된 배치에서, 기계는 서버 클라이언트 사용자 네트워크 환경에서의 서버 또는 클라이언트 사용자 기계의 용량에서 동작하거나, 피어 투 피어 네트워크 환경(또는 분산 네트워크 환경)에서의 피어 머신(peer machine)으로 동작할 수 있다. 예를 들면, 컴퓨터 시스템은 수신 장치(201) 및 발신 장치(250)를 포함할 수 있거나, 또는 그 반대일 수 있다.
기계는 서버 컴퓨터, 클라이언트 사용자 컴퓨터, 개인용 컴퓨터(PC), 태블릿 PC, 개인 휴대 단말기, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 제어 시스템, 네트워크 라우터, 스위치 또는 브릿지, 또는 모바일 서버는 물론이고 그 기계에 의하여 취해지는 동작을 특정하는 명령어 세트를 (순차적으로 또는 반대로) 실행할 수 있는 임의의 기계를 포함할 수 있다. 현재 개시된 장치는 음성, 비디오 또는 데이터 통신 및 프레젠테이션을 제공하는 임의의 전자 장치를 광범위하게 포함할 것이라고 이해될 것이다. 게다가, 단일 기계가 도시되었지만, "기계"라는 용어는 또한 본 명세서에서 기술된 임의의 하나 이상의 방법론을 개별적으로 또는 공동으로 수행하기 위한 한 세트(또는 복수의 세트)의 명령어를 실행하는 기계의 임의의 조합으로 받아들여져야 한다.
컴퓨터 시스템(200)은 컨트롤러 또는 프로세서{202; 예를 들면, 중앙 프로세싱 유닛(CPU), 그래픽 프로세싱 유닛(GPU) 또는 둘 다}, 주 메모리(204), 및 정적 메모리(206)를 포함할 수 있는데, 이들은 서로 간에 버스(208)를 통하여 통신한다. 이 컴퓨터 시스템(200)은 표시 장치(209)와 같은 프레젠테이션 장치를 더 포함할 수 있다. 이 컴퓨터 시스템(200)은 입력 장치(212; 예를 들면, 키보드, 마이크 등), 커서 제어 장치(214; 예를 들면, 마우스), 디스크 드라이브 유닛(216), 신호 생성 장치(218; 예를 들면, 프레젠테이션 장치로 동작할 수 있는 스피커 또는 리모콘), 및 네트워크 인터페이스 장치(220)를 포함할 수 있다. 물론, 개시된 실시예에서, 이러한 많은 아이템은 선택적이다.
디스크 드라이브 유닛(216)은 기계 판독가능 매체(222)를 포함할 수 있는데, 이러한 매체에는 위에서 언급한 방법을 포함하여 본 명세서에 기술된 임의의 하나 이상의 방법론 또는 기능이 내재된 하나 이상의 명령어 세트{예를 들면, 소프트웨어(224)}가 저장된다. 명령어(224)는 또한 컴퓨터 시스템(200)에 의하여 실행되는 동안 주 메모리(204), 정적 메모리(206) 및/또는 프로세서 컨트롤러(202) 내에 완전히 또는 적어도 부분적으로 존재할 수 있다. 주 메모리(204) 및 프로세서 또는 컨트롤러(202)는 또한 기계 판독 가능 매체를 구성할 수 있다.
전용 하드웨어 구현은 주문형 집적 회로(application specific integrated circuits), 프로그램 가능 논리(programmable logic arrays), FPGAs, 및 기타 하드웨어 장치를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이와 같이 본 명세서에 기술된 방법을 구현하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예의 장치 및 시스템을 포함할 수 있는 애플리케이션은 다양한 전자 시스템 및 컴퓨터 시스템을 광범위하게 포함한다. 소정의 실시예는 둘 이상의 특정 상호 연결 하드웨어 모듈 또는 장치에서의 기능을 이 모듈을 통해 그리고 이 모듈 간에 통신되는 관련 제어 신호 및 데이터 신호로 구현하거나, 주문형 집적 회로의 부분으로 구현한다. 그러므로, 시스템의 예는 소프트웨어, 펌웨어(firmware), 및 하드웨어 구현에 적용 가능하다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 본 명세서에 기술된 방법은 컴퓨터 프로세서에서 실행되는 소프트웨어 프로그램의 동작에 대하여도 의도된다. 게다가, 소프트웨어 구현은 분산 프로세싱 또는 구성요소/오브젝트 분산 프로세싱을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 병렬 프로세싱 또는 가상 기계 프로세싱은 또한 본 명세서에 기술된 방법을 구현하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 구현은 또한 뉴럴 네트워크 구현, 및 통신 장치 간의 애드 혹(ad hoc) 또는 메시(mesh) 네트워크 구현을 포함한다는 것을 주의하여야 한다.
본 개시는 명령어(224)를 포함하는 기계 판독가능 매체, 또는 네트워크 환경(226)에 연결된 장치가 음성, 비디오 또는 데이터를 전송하거나 수신하고 명령어(224)를 사용하여 네트워크(226) 상에서 통신할 수 있도록, 전파된 신호의 명령어(224)를 수신하고 실행하는 매체를 고려한다. 명령어(224)는 더욱이 네트워크 인터페이스 장치(220)를 통해 네트워크(226) 상에서 전송되거나 수신될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 기계 판독 가능 매체(222)가 단일 매체인 것으로 도시되었지만, "기계 판독 가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 명령어 세트를 저장하는 단일 매체 또는 복수의 매체(예를 들면, 중앙화된 데이터베이스 또는 분산 데이터 베이스, 및/또는 관련 캐시 및 서버)를 포함하는 것으로 받아들여져야 한다. "기계 판독 가능 매체"라는 용어는 또한 기계에 의하여 실행되도록 명령어 세트를 저장하거나, 코드화하거나, 전달할 수 있고, 기계가 본 개시의 임의의 하나 이상의 방법론을 수행하도록 할 수 있는 임의의 매체를 포함하는 것으로 받아들여져야 한다.
도 6을 참조하면, 오토 포커싱을 위한 방법(400)은 렌즈 및 센서를 통하여 이미지를 캡처링하는 단계(402) 및 제1 액정층을 제2 액정층에 대하여 직교 위상 변조하는 단계(404)를 포함할 수 있는데, 단계(404)에서 제1 액정층 및 제2 액정층은 렌즈 및 센서 사이에 위치한다. 직교 위상 변조하는 단계는 선택적으로 또는 자동적으로 수행될 수 있다. 방법(400)은 편광 무의존 오토 포커싱을 달성하기 위하여 제1 액정층 및 제2 액정층을 직교로 배열하는 단계(406)를 더 포함할 수 있다. 방법(400)은 제1 액정층 또는 제2 액정층 또는 두 층 모두의 복굴절 효과를 사용하여 광학 안티 에일리어스 필터링하는 단계(408)를 더 포함할 수 있다. 방법(400)은 또한 단계(410)에서 센서와 함께 제1 액정층 또는 제2 액정층 또는 두 층 모두를 집적함으로써 보호 커버를 센서에게 제공할 수 있다. 방법(400)은 단계(412)에서 오토 포커스 기능 및 광학 안티 에일리어싱 기능을 선택적으로 동시에 더 수행할 수 있다. 방법(400)은 제1 액정층 및 제2 액정층을 사용하여 전자적으로 정상 (s) 파 및 이상 (p) 파에 대한 굴절률을 조절하는 단계(414)를 또한 포함할 수 있다. 방법(400)은 제1 액정층 및 제2 액정층 중 적어도 하나에 대하여 공간 위치에 의존하는 외부 전압을 인가함으로써 액정층 굴절률을 변화시키는 단계(416)를 더 포함할 수 있다. 단계(418)에서의 방법은 상이한 분산 특성을 갖는 상이한 타입의 액정 또는 광학 크리스탈을 선택함으로써 상이한 파장(색)에 대하여 상이한 정도의 안티 에일리어싱을 더 수행할 수 있다.
제1 액정층 및 제2 액정층의 광축은 제1 액정층 및 제2 액정층에 대한 액정 기판의 표면 처리(surface treatment)를 통해 구성상 직교로 배열됨에 주의하여야 한다. 표면 처리는 특정 방향에서 액정의 이방성 배열을 달성하기 위한, 폴리이미드 코팅의 단방향 러빙(rubbing) 및 포토 폴리머 코팅의 편광된 광 조사(irradiation)와 같은 표면 개질(modification of a surface or surfaces)일 수 있다. 더욱이, 컨트롤러는, 직교로 편광된 두 빛에 대한 제1 액정층 및 제2 액정층의 광학 경로가 동일하도록, 오토 포커싱 프로세서로부터의 피드백을 사용하여 제1 액정층 및 제2 액정층에 인가되는 외부 전압을 변경하도록 프로그래밍될 수 있음을 주의하여야 한다. 직교 편광된 빛은 직교 편광된 별개의 두 광선을 의미할 수 있다. 광선을 분할하는 편광기는 입사광을 서로 다른 편광의 두 광선으로 분할할 수 있음을 주의하여야 한다. 이상적으로 편광하는 광선 분할기(beamsplitter)에 대하여, 이는 직교 편광되어 완전히 편광될 것이다. 또 다른 측면에서, 제1 액정층의 광축은 xz 평면 상에 존재할 수 있고, 제1 액정층의 외부 전압은 제1 액정층을 거쳐 통과하는 이상 편광 구성요소, X 방향을 따라 편광된 광 구성요소의 굴절률을 변경하도록 사용할 수 있으며, 제2 액정층의 광축은 yz 평면에 존재할 수 있고, 제2 액정층의 외부 전압은 제2 액정층을 거쳐 통과하는 이상 편광 구성요소, y 방향을 따라 편광된 광 구성요소의 굴절률을 변경하도록 사용될 수 있으며, 제1 액정층 및 제2 액정층은 통합하여 직교 위상 변조를 수행한다. 더욱이, 이미지 개선(image enhancement)이 이미지의 코너 또는 가장자리를 포함하여 다른 위치에서도 달성될 수 있도록, 제1 액정층 및 제2 액정층 각각에 인가된 전압은 실질적으로 균일할 수 있고, 액정층을 통하는 상이한 링 또는 그리드에서 공간에 의존할 수 있다는 것을 주의하여야 한다.
"빠른" 축에 관하여, 파장판과 같은 광학 크리스탈로 입사하는 빛은 직교 편광된 두 파(waves)로 분해될 수 있고, 이 두 파는 서로 평행하고 파면의 광축에 수직이다. 판(plate) 내에서, 두 파는 서로 다른 속도로, 즉 상이한 굴절률로 전파된다. 결과적으로, 광 전파의 상이한 방향을 정의하기 위하여 빠른 축 및 느린 축이 존재한다. 파장판 또는 리타더(retarder)는 편광 상태 및 이를 통과하는 광파(light wave)의 위상을 변경하는 광학 장치이다. 파장판은 서로 수직인 두 편광 구성요소 사이에서 광파의 위상을 변경함으로써 동작한다. 일반적인 파장판은 신중하게 선택된 두께를 갖는 단순한 복굴절 크리스탈이다. 크리스탈은 (이방성의 축과 평행하게 편광된) 이상 축이 면의 표면과 평행하도록 절단된다. 이상 값(extraordinary index)이 (이방성의 축과 수직으로 편광된) 정상 값(ordinary index)보다 작을 때, 칼사이트(calcite)에서처럼, 이상 축은 빠른 축이라 지칭되고, 정상 축은 느린 축이라고 지칭된다. 빠른 축을 따라 편광된 빛은 느린 축을 따라 편광된 빛보다 빠르게 전파된다. 그러므로, 크리스탈의 두께에 의존하여 두 축을 따라 편광 구성요소를 갖는 빛은 상이한 편광 상태로 나타날 것이다. 파면은 두 구성요소에 전해지는 상대적인 위상
Figure 112010019555044-pct00003
의 값에 의하여 특징지어지는데, 이는 다음 식에 의해 복굴절
Figure 112010019555044-pct00004
및 크리스탈의 두께
Figure 112010019555044-pct00005
과 관련이 있다.
Figure 112010019555044-pct00006
예를 들면, 1/4 파장판은 1/4 파장 위상을 90도 변경하고, 선형으로 편광된 빛을 원형으로 또는 그 반대로 변화시킬 수 있다. 이는 빠른 축에 45도 각을 갖도록 입사광의 면을 조정함으로써 수행된다. 이는 동일한 진폭의 정상파 및 이상파를 제공한다. 파면의 다른 일반적인 형식은 반파장판(half-wave plate)인데, 이는 반 파장 또는 180도 위상 변화만큼 하나의 편광을 지연시킨다. 이러한 타입의 파장판은 선형으로 편광된 빛의 편광 방향을 회전시킨다.
앞서 말한 기술(description)을 고려하여, 본 발명에 따른 실시예는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로 실현될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 본 발명에 따른 네트워크 또는 시스템은 하나의 컴퓨터 시스템 또는 프로세서에서 집중화된 방식으로 실현되거나, 또는 상이한 요소가 (마이크로프로세서 및 DSP와 같은) 상호연결된 여러 컴퓨터 시스템 또는 프로세서에 걸쳐 확산되는 분산된 방식으로 실현될 수 있다. 본 명세서에서 기술된 기능을 수행하기 위해 조정된 임의의 종류의 컴퓨터 시스템 또는 다른 장치도 적합하다. 하드웨어 및 소프트웨어의 일반적인 조합은 컴퓨터 프로그램을 갖는 범용 컴퓨터 시스템(general purpose computer system)일 수 있는데, 이는 로드되고 실행될 때, 본 명세서에서 기술된 기능을 수행하도록 컴퓨터 시스템을 제어한다.
앞서 말한 기술(description)을 고려하여, 본 발명에 따른 실시예는 특허청구범위의 사상과 범주 내에서 고려되는 수많은 구성(configurations)으로 실현될 수 있다는 것 또한 인지되어야 한다. 추가적으로, 위의 기술은 오직 예시하기 위한 방법으로 의도되고, 다음의 특허청구범위에서 명시하는 바를 제외하면 어떤 식으로든 본 발명을 한정하기 위한 것으로 의도된 것은 아니다.

Claims (10)

  1. 오토 포커스 카메라로서,
    렌즈;
    상기 렌즈로부터 이미지를 감지하기 위한 센서;
    두 개의 직교 편광에서 파들을 통과시키고, 또한 이상 (p) 파들{extraordinary (p) waves}에 대한 굴절률을 조정하기 위한 제1 액정층(liquid crystal layer); 및
    제2 액정층 - 상기 제2 액정층의 광축은 두 개의 직교 편광에서 파들을 통과시키기 위해 상기 제1 액정층의 광축에 직교로 배열됨 -
    을 포함하고,
    상기 제1 액정층은 평평한 표면들을 갖고 상기 제2 액정층은 평평한 표면들을 갖고, 상기 제1 액정층 및 상기 제2 액정층은 상기 렌즈와 상기 센서 사이에 위치하는, 오토 포커스 카메라.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오토 포커스 카메라는, 직교 편광된 빛에 대한 상기 제2 액정층의 광학 경로 및 상기 제1 액정층의 광학 경로가 동일하게 되도록 하기 위하여, 상이한 초점 거리에 따라 각각의 액정층을 통과하는 상기 광학 경로를 변경하도록 상기 제1 액정층 및 상기 제2 액정층에 각각 상이한 전압을 인가하도록 프로그래밍되어 있는 집적 회로를 더 포함하는, 오토 포커스 카메라.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 오토 포커스 카메라는, 직교로 배열된 두 액정 위상 변조기를 프로그래밍하기 위한 컨트롤러; 및
    시각적 이미지를 획득하는데 사용되는 카메라에 대해 적외선을 차단하기 위한 적외선 필터를 더 포함하는, 오토 포커스 카메라.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 CMOS 센서이고, 상기 제1 액정층 또는 상기 제2 액정층 또는 두 층 모두는 상기 CMOS 센서와 함께 또는 개별 구성요소로 집적되는, 오토 포커스 카메라.
  5. 제1항에 있어서,
    직교 편광된 두 빛에 대한 상기 제1 액정층의 광학 경로와 상기 제2 액정층의 광학 경로는 동일한, 오토 포커스 카메라.
  6. 오토 포커싱을 행하기 위한 방법으로서,
    렌즈와 센서를 통하여 이미지를 캡처링하는 단계; 및
    제1 액정층과 제2 액정층을 직교 위상 변조하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 액정층과 상기 제2 액정층은 두 개의 직교 편광에서 파들을 통과시키고,
    상기 제1 액정층은 평평한 표면들을 갖고 상기 제2 액정층은 평평한 표면들을 갖고,
    상기 제1 액정층 및 상기 제2 액정층은 상기 렌즈와 상기 센서 사이에 위치하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방법은 상기 제1 액정층과 상기 제2 액정층의 복굴절 효과를 사용하여 광학 안티 에일리어스(anti-alias) 필터링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 방법은 상기 제1 액정층 또는 상기 제2 액정층 중 적어도 하나를 상기 센서와 함께 집적함으로써 상기 센서에게 보호 커버를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 방법은 계속적인 오토 포커스 기능과 광학 안티 에일리어싱 기능을 동시에 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 액정층 또는 상기 제2 액정층에, 공간 위치에 의존하는 외부 전압(spatial position-dependent external voltage)들을 인가함으로써 액정 굴절률을 변화시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
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