KR101756328B1 - 양방향 멀티스케일 이미징 시스템 - Google Patents

양방향 멀티스케일 이미징 시스템 Download PDF

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KR101756328B1
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임천석
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한남대학교 산학협력단
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B13/02—Telephoto objectives, i.e. systems of the type + - in which the distance from the front vertex to the image plane is less than the equivalent focal length
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
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Abstract

본 발명은 양방향 이미징 시스템 및 촬상 방법을 제공한다. 이 양방향 이미징 시스템은 물체 평면의 정방향 촬상 대상을 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환하는 제1 정방향 렌즈; 상기 제1 정방향 렌즈를 마주보고 다른 물체 평면의 역방향 촬상 대상을 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환하는 제1 역방향 렌즈; 제2 중심축을 가지는 제2 렌즈; 상기 제1 이미지 평면의 상기 전체 이미지를 매트릭스 형태의 복수의 분할 이미지로 분할하고, 상기 분할 이미지 중에서 하나를 선택하여 반사시키는 메인 2-자유도 미러; 상기 제2 렌즈의 제2 중심축에 배치되고 상기 메인 2-자유도 미러에서 반사된 분할 이미지를 그 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈에 제공하는 보조 2-자유도 미러; 상기 메인 2-자유도 미러 및 상기 보조 2-자유도 미러가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에 확대하여 생성된 확대 분할이미지를 촬상하는 이미지 센서 어레이; 및 상기 제1 정방향 렌즈와 상기 제1 역방향 렌즈 사이에 배치되어 상기 정방향 촬상 대상의 이미지와 상기 역방향 촬상 대상의 이미지를 상기 메인 2-자유도 미러에 제공하는 이미지 전달부를 포함한다.

Description

양방향 멀티스케일 이미징 시스템 {Bidirectional Multiscale Imaging System}
본 발명은 카메라 광학 시스템의 구조에 관한 것으로, 더 구체적으로 해상도가 낮은 이미지 센서 어레이를 사용하여 고해상도의 이미지를 생성하는 광학적인 방식에 관한 것이다.
기가픽셀 이미지란 109 개의 픽셀 이상으로 구성된 초고해상도의 디지털 이지를 말한다. 제작 방식은 메가픽셀급의 이미지 센서로부터 얻은 수백에서 수천 장의 요소사진들을 하나의 사진으로 합성하여 만들어 낸다.
구체적으로는, 메가픽셀 급의 이미지 센서로부터 촬영되는 인접한 요소사진들을 일정부분 서로 중첩시키고 중첩된 영역들을 이어 붙임으로써 전체적으로는 거대한 스케일의 픽셀사진이 완성된다는 것이다. 수백 혹은 수천 장의 메가픽셀 급의 요소사진들을 한 장의 기가픽셀 급의 사진으로 변환시키는 과정은 소위 이미지 스티칭(image stitching)이라고 부르는 디지털 합성기술에 의해서 중첩영역을 이음새가 드러나지 않게 합성하여 하나의 이미지로 만들어 내는 공정으로 이해할 수 있다
듀크대의 연구팀은 미국 공개특허 US2013-2242060를 통하여 멀티스케일 이미징 시스템을 제안하였다. 이 카메라의 주요 특징으로는 볼모양의 6 cm 공심 대물렌즈와 98개의 마이크로스코픽 카메라가 하나의 세트로 구성된다. 이 카메라는 사진을 찍을 때 어느 한 부분에 포커스를 맞출 필요가 없고 전체 장면을 찍는다. 이어서, 나중에 특정 부분을 줌인(zoom-in)하여 확대하는 방식이다. 줌인으로 확대된 부분은 일반사진과는 달리 픽셀이 깨지지 않고 선명한 화질을 그대로 보여줄 정도로 극도의 해상도를 가진다. 따라서 한번의 촬영으로 전체 이미지를 찍은 다음에 마음대로 줌인하여 원하는 사진영역을 고를 수 있다.
듀크대 기술은 기가픽셀 영상을 획득하기 위해 공심렌즈라는 공통의 렌즈를 사용하여 시야각(Field of view; FOV)을 분할시킨다. 분할된 시야각은 인접한 마이크로스코픽카메라에서 서로 중첩적으로 20-30 퍼센트 정도 공유되면서 개개의 요소 영상이 만들어진다. 결국, 메가픽셀 급의 마이크로스코픽카메라에서 얻어진 요소 영상들은 인접한 영상들끼리 서로 합성되어 하나의 거대한 스케일의 기가픽셀 영상으로 재탄생하게 된다.
듀크대 기술은 세계최초로 공심의 대물렌즈와 98개의 마이크로스코픽카메라렌즈를 사용하여 기가픽셀의 렌즈시스템을 구성하였고 이로부터 1.2 기가픽셀 영상을 획득해 내었다. 듀크대 기술은 렌즈만을 사용하는 순수한 광학방식이라는 점이 특징이 될 수 있다. 그런데, 이 기술은 98개의 마이크로스코픽카메라를 사용해야하기 때문에 전체 카메라시스템의 부피는 크질 수밖에 없다는 단점이 발생한다. 결과적으로 전체 카메라시스템의 부피는 소형냉장고 크기가 되고 무게도 매우 무거운 45 kg에 육박하게 된다.
그러므로 이러한 방식으로 수 기가픽셀의 영상을 획득하기 위해서는 98개보다 훨씬 더 많은 수백 개의 마이크로스코픽 카메라가 요구되기 때문에 체적도 소형냉장고의 몇 배가 될 수밖에 없다. 듀크대 기술은 세계최초라는 상징적인 면에서는 큰 의의를 가지게 되겠지만 실용성과 경제적인 측면에서는 많은 한계를 가지고 있다.
따라서, 경제적이며, 적은 부피를 제공할 수 있는 기가픽셀 영상장치가 요구된다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 소형화가 가능하면서 기가픽셀 영상을 얻을 수 있는 양방향 영상 장치 및 양방향 멀티스케일 이미징 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 정방향 렌즈와 역방향 렌즈를 통하여 양방향 이미지를 동일한 이미지 평면에 전달하고 2개의 2축 구동 엑츄에이터 (actuator)를 조합하여 양방향 기가픽셀 이미징 시스템을 구현하는 것이다. 이에 따라, 양방향 기가픽셀영상 뿐만 아니라 소형화도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 이미징 시스템은 물체 평면의 정방향 촬상 대상을 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환하는 제1 정방향 렌즈; 상기 제1 정방향 렌즈를 마주보고 다른 물체 평면의 역방향 촬상 대상을 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환하는 제1 역방향 렌즈; 제2 중심축을 가지는 제2 렌즈; 상기 제1 이미지 평면의 상기 전체 이미지를 매트릭스 형태의 복수의 분할 이미지로 분할하고, 상기 분할 이미지 중에서 하나를 선택하여 반사시키는 메인 2-자유도 미러; 상기 제2 렌즈의 제2 중심축에 배치되고 상기 메인 2-자유도 미러에서 반사된 분할 이미지를 그 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈에 제공하는 보조 2-자유도 미러; 상기 메인 2-자유도 미러 및 상기 보조 2-자유도 미러가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에 확대하여 생성된 확대 분할이미지를 촬상하는 이미지 센서 어레이; 및 상기 제1 정방향 렌즈와 상기 제1 역방향 렌즈 사이에 배치되어 상기 정방향 촬상 대상의 이미지와 상기 역방향 촬상 대상의 이미지를 상기 메인 2-자유도 미러에 제공하는 이미지 전달부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이미지 전달부는 회전할 수 있는 판형의 양면 미러를 포함한다. 상기 양면 미러는 제1 상태에서 상기 정방향 촬상 대상의 이미지를 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전달하고, 상기 양면 미러는 제2 상태에서 상기 역방향 촬상 대상의 이미지를 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이미지 전달부는 X-큐브 프리즘을 포함함할 수 있다. 상기 X-큐브 프리즘과 상기 제1 정방향 렌즈 사이에 배치된 정방향 셔터; 및 상기 X-큐브 프리즘과 상기 제1 역방향 렌즈 사이에 배치된 역방향 셔터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 X-큐브 프리즘은 4 개의 삼각 기둥 프리즘으로 구성되고, 상기 X-큐브 프리즘은 서로 반대 방향에서 입사하는 가시광선 빔과 적외선 빔을 수직으로 굴절시켜 동일한 광 경로를 제공하도록 코팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 메인 2-자유도 미러는 상기 메인 2-자유도 미러의 배치평면에서 서로 수직한 2개의 축에 대하여 독립적으로 회전시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보조 2-자유도 미러는 상기 보조 2-자유도 미러의 배치 평면에서 서로 수직한 2개의 축에 대하여 독립적으로 회전시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 중심축과 상기 제2 중심축은 서로 수직할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보조 2-자유도 미러를 상기 제2 중심축 방향으로 이동시키는 선형 운동부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보조 2-자유도 미러와 상기 제2 렌즈 사이에 배치된 조리개를 더 포함하고, 이웃한 분할 이미지들은 서로 중첩되는 영역을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이미지 센서 어레이는 가시 광선 영역을 검출하는 가시광선 이미지 센서 어레이와 적외선 영역을 검출하는 적외선 이미지 센서 어레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이미지 센서 어레이는 복수 개이고, 상기 이미지 센서 어레이는 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에서 배치되고, 상기 분할 이미지의 개수는 상기 이미지 센서 어레이의 개수의 정수배이고, 상기 이미지 센서 어레이 각각은 공간적으로 이격되어 배치되고, 상기 분할 이미지를 스캐닝함에 따라, 상기 확대 분할이미지는 순차적으로 상기 이미지 센서 어레이에 촬상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 이미지 촬상 방법은 서로 마주보고 있는 제1 정방향 렌즈와 제2 역방향 렌즈를 이용하여 각각의 물체 평면의 촬상 대상을 선택적으로 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환하는 단계; 상기 제1 이미지 평면에 배치된 메인 2-자유도 미러를 이용하여 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지를 매트릭스 형태의 복수의 분할 이미지로 분할하고, 상기 분할 이미지 중에서 하나를 선택하여 반사시키는 단계; 제2 렌즈의 제2 중심축에 배치된 보조 2-자유도 미러를 이용하여 상기 메인 2-자유도 미러에서 반사된 분할 이미지를 상기 보조 2-자유도 미러의 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈에 제공하는 단계; 상기 제2 렌즈를 이용하여 상기 메인 2-자유도 미러 및 상기 보조 2-자유도 미러가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에 확대하여 확대 분할이미지를 생성하는 단계; 및 상기 확대 분할이미지를 촬상하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 카메라 장치 또는 양방향 멀티스케일 이미징 시스템은 복수의 저해상도의 이미지 센서를 사용하여 고해상도의 영상을 간단한 구조로 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 카메라 장치 또는 양방향 멀티스케일 이미징 시스템은 복수의 저해상도의 이미지 센서를 사용하여 고해상도의 적외선 영상 및 가시광선 영상을 간단한 구조로 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 이미지를 설명하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 이미지를 확대 분할 이미지로 변환하는 것을 설명하는 도면이다.
도 3a은 발명의 일 실시예에 따른 분할 이미지를 확대 분할 이미지로 변환하는 것을 설명하는 도면이다.
도 3b는 도 3a의 메인 2-자유도 미러를 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양방향 이미징 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양방향 이미징 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양방향 이미징 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양방향 이미징 시스템을 설명하는 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 카메라는 이미지 분할 기술을 적용하여 정방향 및 역방향의 고해상도 영상을 얻을 수 있다. 또한, 동일한 광학계를 사용하여, 측정하고자 하는 이미지 센서를 선택하면, 정방향 영상은 가시광선 영상 또는 적외선 영상이고, 역방향 영상은 가시광선 영상 또는 적외선 영상일 수 있다.
이러한 양방향 카메라는 얇은 두께에서 적용 가능한 고해상도의 휴대폰 카메라, 보안 카메라, 또는 군사용 카메라로 활용될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 이미지를 설명하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 제1 렌즈(110)는 카메라의 대물렌즈이다. 상기 제1 렌즈(110)는 한 장 이상의 복수의 렌즈로 구성될 수 있다. 상기 제1 렌즈(110)는 제1 중심축을 가진다. 물체 평면은 촬상 대상이 존재하는 평면이다. 주광선(principal ray)은 상기 제1 렌즈의 중심을 지나는 광선이다. 제1 이미지 평면은 상기 제1 렌즈(110)의 이미지가 형성되는 평면이다. 상기 제1 렌즈(110)의 중심에서 상기 제1 이미지 평면까지의 거리는 상기 제1 렌즈의 초점거리보다 크거나 작을 수 있다. 상기 주광선들은 이미지 평면에서 매트릭스 형태로 표시될 수 있다.
고해상도의 이미지를 얻기 위하여, 상기 이미지 평면에 고해상도의 이미지센서 어레이가 배치되면, 고해상도의 이미지가 구현될 수 있다. 그러나, 고해상도의 이미지센서 어레이를 구현하는 것은 물리적으로 한계가 있다. 또한, 이미지센서 어레이의 전체 크기를 키우는 것도 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여, 고해상도의 이미지를 구현하기 위하여, 이미지 평면에 전체 이미지는 매트릭스 형태로 배열된 주광선 점을 기준으로 일정한 크기로 분할되어 분할 이미지를 형성할 수 있다. 분할 이미지들은 5x5 매트릭스로 도시되어 있으나, 이에 한하지 않고, 다양한 구조로 변형될 수 있다. 각각의 분할 이미지들이 메가픽셀급의 이미지센서로 촬상되는 경우, 기가픽셀 이미지를 형성하기 위하여, 전체 이미지는 대략 30x30 매트릭스의 분할 이미지들로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분할 이미지 각각을 제2 렌즈(140)를 통하여 확대하여 확대 분할 이미지를 생성한다. 상기 확대 분할 이미지는 통상적인 메가픽셀급의 이미지센서 어레이를 통하여 촬상될 수 있다. 상기 제2 렌즈(140)에 상기 분할 이미지를 가상 물체로서 전달하기 위하여 한 쌍의 2-자유도 미러(120,130)가 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 이미지를 확대 분할 이미지로 변환하는 것을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1 렌즈(110)의 중심을 통과한 제1 내지 제3 주광선(a,b,c)은 이미지 평면에서 각각 주광선 점을 형성한다. 전체 이미지는 상기 주광선 점을 기준으로 동일한 크기의 분할 이미지들로 분할될 수 있다. 메인 2-자유도 미러(120)는 상기 제1 렌즈(110)의 제1 중심축에서 제1 이미지 평면에 배치된다. 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 제1 중심축에 대하여 비스듬하게 배치되고, 배치 평면(x′y′ 평면) 내에서 수직한 한 쌍의 좌표축(x′축과 y′축)을 기준으로 회전하여 기울기를 제공할 수 있다. 이에 따라, 선택된 하나의 분할 이미지(2b)는 상기 메인 2-자유도 미러(120)에 의하여 보조 2-자유도 미러(130)의 중심으로 전달된다.
선택되지 않은 분할 이미지(a,c)는 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심으로 전달되지 못한다. 따라서, 상기 제2 렌즈(140)에 의하여 확대되어 확대 분할 이미지를 형성하지 못한다.
상기 보조 2-자유도 미러(130)는 x축 방향으로 상기 메인 2-자유도 미러(120)와 정렬될 수 있다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 제2 렌즈(140)의 제2 중심축에 배치될 수 있다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 전달된 분할 이미지(2b)를 상기 제2 렌즈(140)에 전달하기 위하여 상기 제2 렌즈(140)의 제2 중심축 상에 왼쪽에 가상 분할 이미지(2b′)를 제공할 수 있다. 이를 위하여, 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 그 배치평면(x″y″평면) 내에서 수직한 한 쌍의 좌표축(x″축과 y″축)을 기준으로 회전하여 기울기를 제공할 수 있다. 상기 가상 분할 이미지(2b′)는 상기 제2 렌즈(140)의 가상 물체평면에 배치되고, 상기 제2 렌즈(140)의 촬상 대상으로 기능할 수 있다.
상기 제1 렌즈(110)의 제1 중심축을 지나는 주광선(b)의 경우, 주광선(b)을 기준으로 하는 분할 이미지(2b)는 상기 보조 2-자유도 미러(120)에 의하여 가상 분할 이미지(2b′)로 전달된다. 상기 가상 분할 이미지(2b′)는 상기 제2 렌즈(140)에 의하여 확대 분할 이미지(3b)로 전달된다.
상기 메인 2-자유도 미러(120)의 중심에서 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심까지의 거리는 MD 이다. 또한, 가상 분할 이미지(2b′)와 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심까지의 거리도 MD 이다.
도 3a은 발명의 일 실시예에 따른 분할 이미지를 확대 분할 이미지로 변환하는 것을 설명하는 도면이다.
도 3b는 도 3a의 메인 2-자유도 미러를 확대한 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제1 렌즈(110)의 제1 중심축을 지나는 주광선(c)의 경우, 주광선(c)을 기준으로 하는 분할 이미지(2c)는 상기 보조 2-자유도 미러(130)에 의하여 가상 분할 이미지(2c′)로 전달된다. 상기 가상 분할 이미지(2c′)는 상기 제2 렌즈(140)에 의하여 확대 분할 이미지(3c)로 전달된다. 이 경우, 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심은 S′의 위치에 배치된다. 이 경우, 물상간의 거리가 종전의 도 2의 확대 분할 이미지(3b)와 비교할 때 변경되어, 2차원 이미지센서 어레이도 위치를 변경하여야 확대 분할 이미지(3c)를 선명하게 촬상할 수 있다.
따라서, 2차원 이미지센서 어레이의 위치를 변경하지 않고, 상기 확대 분할 이미지를 얻을 수 있는 방법이 요구된다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심을 S′ 점에서 Q 점으로 이동시킨 경우, 제1 이미지 평면의 P 점에서 주광선(c)를 따라 P′ 점을 경유하여 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심(Q)까지 간 거리(PQ)는 도 3에서 MD로 주어진다. 이 경우, 종래의 가상 분할 이미지(2c′)는 새로운 가상 분할 이미지(2c″)로 이동한다. 또한, 종래의 확대 분할 이미지(3c)는 새로운 확대 분할 이미지(4c)로 이동한다. 이에 따라, 종래의 물체거리(OD)는 새로운 물체거리(OD′)로 변경되고, 종래의 이미지거리(ID)는 새로운 이미지거리(ID′)로 변경된다. 따라서, 2차원 이미지센서 어레이는 위치를 변경하지 않고, 확대 분할 이미지(4c)를 촬상할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 이미징 시스템(100)는 물체 평면의 촬상 대상을 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환하는 제1 렌즈(110); 상기 제1 렌즈(110)의 제1 중심축에서 이격되어 배치되고 제2 중심축을 가지는 제2 렌즈(140); 상기 제1 렌즈(110)의 제1 중심축에서 상기 제1 이미지 평면에 배치되고, 상기 제1 이미지 평면의 상기 전체 이미지를 매트릭스 형태의 복수의 분할 이미지로 분할하고, 상기 분할 이미지 중에서 하나를 선택하여 반사시키는 메인 2-자유도 미러(120); 및 상기 제2 렌즈(140)의 제2 중심축에 배치되고 상기 메인 2-자유도 미러(120)에서 반사된 분할 이미지를 그 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈(140)에 제공하는 보조 2-자유도 미러(130)를 포함한다. 상기 제2 렌즈(140)는 상기 메인 2-자유도 미러(120) 및 상기 보조 2-자유도 미러(130)가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면에 확대하여 확대 분할 이미지를 생성한다.
상기 제1 렌즈(110)는 단일 렌즈 또는 복수의 렌즈로 구성될 수 있다. 상기 제1 렌즈(110)는 볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 제1 렌즈(110)는 그 중심을 관통하는 제1 중심축을 가진다. 상기 제1 렌즈(110)는 결상렌즈이고 시야각(field of view;FOV)을 정의할 수 있다. 상기 시야각은 사진에 찍힐 물체의 크기를 결정한다. 상기 시야각은 필름을 둘러싼 원과 렌즈가 이루는 각에 의하여 정의된다. 상기 제1 렌즈(110)의 중심을 지나는 주광선은 상기 제1 렌즈의 제1 이미지 평면에서 매트릭스 형태의 주광선 점을 형성한다. 시야각의 범위 내에 주광선 점들의 집합은 전체 이미지를 형성한다.
상기 전체 이미지를 메가 픽셀 수준의 이미지센서로 촬상하는 경우, 영상 해상도는 낮다. 따라서, 메가 픽셀 수준의 이미지센서로 고해상도의 영상을 얻기 위해서는, 각각의 분할 이미지를 확대하여 메가 픽셀 수준의 이미지센서에 차례대로 촬상할 필요가 있다. 각각의 분할 이미지를 새로운 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면에 확대하여 전달하기 위하여, 광전달 구조가 요구된다. 이를 위하여, 한 쌍의 2-자유도 미러가 사용될 수 있다.
제2 렌즈(140)는 상기 제1 렌즈(110)의 분할 이미지(2b)를 가상 물체 이미지로 취급하여 확대 분할 이미지(3b)를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 가상 물체 이미지는 가상 분할 이미지 2b′이다. 상기 제1 렌즈(110)의 제1 중심축과 상기 제2 렌즈(140)의 상기 제2 중심축은 서로 평행할 수 있다. 이 경우, 상기 메인 2-자유도 미러(120)와 보조 2-자유도 미러(130) 각각은 실질적으로 제1 중심축에 대하여 45도 기울어져 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 렌즈(110)의 제1 중심축에 평행하게 입사한 주광선(b)은 제2 렌즈의 제2 중심축에 평행하게 진행할 수 있다.
상기 메인 2-자유도 미러(120)는 상기 메인 2-자유도 미러의 배치평면에서 서로 수직한 2개의 축에 대하여 독립적으로 회전할 수 있다. 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 각각의 분할 이미지를 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심으로 전달하는 기능을 수행한다. 따라서, 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 그 배치평면 내의 수직한 두 개의 수직한 축(x′, y′)을 기준으로 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 선택된 분할 이미지를 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심으로 전달할 수 있다. 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 기울기를 제공하는 메인 2-자유도 미러 구동부(122)를 포함할 수 있다.
상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 보조 2-자유도 미러(10)의 배치 평면에서 서로 수직한 2개의 축에 대하여 독립적으로 회전될 수 있다. 상기 보조 2-자유도 미러의 중심으로 전달된 분할 이미지는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면으로 전달되어야한다. 이를 위하여, 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 그 배치 평면 내에서 수직한 두 개의 축(x″, y″)을 기준으로 회전할 수 있다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 기울기를 조절할 수 있는 보조 2-자유도 미러 구동부(132)를 포함할 수 있다.
상기 보조 2-자유도 미러(130)가 상기 분할 이미지를 그 기울기만을 조절하여 상기 분할 이미지 (또는 가상 분할 이미지)를 제2 이미지 평면에 전달하는 경우, 상기 제2 렌즈(140)와 가상 분할 이미지(2b′) 사이의 물체 거리가 분할 이미지마다 다를 수 있다. 모든 분할 이미지에 대하여, 동일한 물체 거리를 확보하기 위하여, 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 제2 렌즈의 제2 중심축 방향으로 선형 운동할 수 있다.
선형 운동부(134)는 상기 보조 2-자유도 미러(130)를 상기 제2 중심축 방향으로 이동시킬 수 있다. 상기 선형 운동부(134)는 분할 이미지 별로 기하학적 구조에 의하여 계산된 거리를 이동시킬 수 있다. 빠른 스캐닝을 위하여, 상기 선형 운동부(134)는 고속의 보이스-코일 모터(voice coil motor) 등을 사용하여 고속 동작을 수행할 수 있다.
조리개(142)는 상기 보조 2-자유도 미러(130)와 상기 제2 렌즈(140) 사이에 배치되고, 이웃한 분할 이미지들은 상기 조리개(142)에 의하여 서로 중첩되는 영역을 가질 수 있다. 상기 조리개(142)는 개구부의 크기를 조절할 수 있다.
이미지 센서 어레이(150)는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면에 배치되어 상기 확대 분할 이미지(3b)를 촬상한다. 상기 이미지 센서 어레이(150)는 메가 픽셀급의 2차원 이미지센서일 수 있다.
메가픽셀 급의 이미지센서에서 촬상된 각각의 분할 이미지들은 이미지 스티칭이라는 영상합성기법에 의해 다시 하나의 영상으로 합성되어져 기가픽셀영상이 된다. 그런데, 여기서 개개의 분할 이미지들이 상호 스티칭 되어지기 위해 인접한 분할 상들끼리 보통 10-30 퍼센트 정도 중첩되는 영역을 가진다.
처리부(160)는 상기 메인 2-자유도 미러 및 상기 보조 2-자유도 미러를 제어할 수 있다. 또한, 상기 처리부(160)는 각각의 분할 이미지들은 이미지 스티칭이라는 영상합성기법에 의해 다시 하나의 영상으로 합성할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 보조 2-자유도 미러(130)를 제2 중심축 방향으로 이동시키는 대신에 상기 이미지 센서 어레이(150)가 제2 중심축 방향으로 이동할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 분할 이미지의 많은 경우, 구체적으로, 10X10 정도인 경우, 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 일부의 분할 이미지에 대하여서만 제2 중심축 방향의 이동을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양방향 이미징 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 5를 참조하면, 상기 양방향 이미징 시스템(200)은 제1 정방향 렌즈(210a), 제1 역방향 렌즈(210b), 이미지 전달부(50), 제2 렌즈(140), 메인 2-자유도 미러(120), 보조 2-자유도 미러(130), 및 이미지 센서 어레이(150)를 포함한다.
상기 제1 정방향 렌즈(210a)는 물체 평면의 정방향 촬상 대상을 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환한다. 상기 제1 역방향 렌즈(210b)는 상기 제1 정방향 렌즈를 마주보고 다른 물체 평면의 역방향 촬상 대상을 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환한다. 제2 렌즈(140)는 제2 중심축을 가진다. 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 상기 제1 이미지 평면의 상기 전체 이미지를 매트릭스 형태의 복수의 분할 이미지로 분할하고, 상기 분할 이미지 중에서 하나를 선택하여 반사시킨다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 중심축에 배치되고 상기 메인 2-자유도 미러(120)에서 반사된 분할 이미지를 그 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈(140)에 제공한다. 상기 이미지 센서 어레이(150)는 상기 메인 2-자유도 미러(120) 및 상기 보조 2-자유도 미러(130)가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에 확대하여 생성된 확대 분할이미지를 촬상한다. 상기 이미지 전달부(50)는 상기 제1 정방향 렌즈(210a)와 상기 제1 역방향 렌즈(210b) 사이에 배치되어 상기 정방향 촬상 대상의 이미지와 상기 역방향 촬상 대상의 이미지를 상기 메인 2-자유도 미러(120)에 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 반대 방향의 정방향 촬상 대상과 역방향 촬상 대상을 촬상하기 위하여, 한 쌍의 서로 마주보는 제1 정방향 렌즈(210a)와 제1 역방향 렌즈(210b)는 중심축이 서로 정렬되도록 배치된다.
상기 제1 정방향 렌즈(210a)와 제1 역방향 렌즈(210b) 각각은 단일 렌즈 또는 복수의 렌즈로 구성될 수 있다. 상기 제1 정방향 렌즈(210a)와 제1 역방향 렌즈(210b) 각각은 넓은 시야각을 가진 어안렌즈(fish-eye lens)를 포함할 수 있다.
상기 제1 정방향 렌즈(210a) 또는 상기 제2 정방향 렌즈(210b)는 볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 제1 정방향 렌즈(210a) 또는 상기 제2 정방향 렌즈(210b)는 그 중심을 관통하는 제1 중심축을 가진다. 상기 제1 정방향 렌즈(210a) 또는 상기 제2 정방향 렌즈(210b)는 결상 렌즈이고 시야각(field of view; FOV)을 정의할 수 있다. 상기 시야각은 사진에 찍힐 물체의 크기를 결정한다. 상기 시야각은 필름을 둘러싼 원과 렌즈가 이루는 각에 의하여 정의된다. 상기 제1 정방향 렌즈(210a) 또는 상기 제2 정방향 렌즈(210b)의 중심을 지나는 주광선은 상기 제1 렌즈(210a,210b)의 동일한 제1 이미지 평면에서 매트릭스 형태의 주광선 점을 형성한다. 시야각의 범위 내에 주광선 점들의 집합은 전체 이미지를 형성한다. 상기 제1 이미지 평면은 상기 이미지 전달부에 의하여 상기 제1 렌즈의 중심축에서 90도 회전하여 배치될 수 있다.
상기 제1 정방향 렌즈(210a)는 물체 평면의 정방향 촬상 대상을 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환하고, 상기 제1 역방향 렌즈(210b)는 물체 평면의 역방향 촬상 대상을 동일한 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환한다. 상기 제1 정방향 렌즈(210a)의 광 경로와 상기 제1 역방향 렌즈(210b)의 광 경로는 하나로 결합되고, 하나의 광 결합 구조가 사용될 수 있다. 이에 따라, 공간 활용도가 증가하고, 비용이 절감될 수 있다.
상기 이미지 전달부(50)는 회전할 수 있는 판형의 양면 미러(51)를 포함할 수 있다. 상기 양면 미러(51)는 제1 상태에서 상기 정방향 촬상 대상의 이미지를 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전달할 수 있다. 상기 양면 미러(51)는 제2 상태에서 상기 역방향 촬상 대상의 이미지를 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전달할 수 있다.
상기 양면 미러(51)는 제1 상태와 상기 제1 상태에서 45도 회전하여 제2 상태를 가질 수 있다. 상기 양면 미러(51)는 회전 구동부(52)에 의하여 스위칭되어 제1 상태와 제2 상태를 가질 수 있다. 제1 상태에서, 상기 제1 정방향 렌즈(210a)는 물체 평면의 정방향 촬상 대상을 상기 양면 미러(51)에 전달하고, 전달된 이미지는 제1 이미지 평면에서 전체 이미지로 전달될 수 있다. 제2 상태에서, 상기 제1 역방향 렌즈(210b)는 다른 물체 평면의 역방향 촬상 대상을 상기 양면 미러(51)에 전달하고, 전달된 이미지는 제1 이미지 평면에서 전체 이미지로 전달될 수 있다. 상기 전체 이미지는 매트릭스 형태의 분할 이미지로 분해된다.
상기 전체 이미지를 메가 픽셀 수준의 이미지 센서로 촬상하는 경우, 영상 해상도는 낮다. 따라서, 메가 픽셀 수준의 이미지 센서로 고해상도의 영상을 얻기 위해서는, 각각의 분할 이미지를 확대하여 메가 픽셀 수준의 이미지 센서에 차례대로 촬상할 필요가 있다. 각각의 분할 이미지를 새로운 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면에 확대하여 전달하기 위하여, 광전달 구조가 요구된다. 이를 위하여, 한 쌍의 2-자유도 미러가 사용될 수 있다.
제2 렌즈(140)는 상기 제1 정방향 렌즈의 분할 이미지(2b) 또는 상기 제2 역방향 렌즈의 분할 이미지(2b)를 가상 물체 이미지로 취급하여 확대 분할 이미지(3b)를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 가상 물체 이미지는 가상 분할 이미지(2b') 이다. 상기 제1 정방향 렌즈(210a)의 제1 중심축과 상기 제2 렌즈(140)의 상기 제2 중심축은 서로 수직할 수 있다. 또한, 상기 제1 역방향 렌즈(210b)의 제1 중심축과 상기 제2 렌즈(140)의 제2 중심축은 서로 수직할 수 있다. 이 경우, 상기 메인 2-자유도 미러(120)와 보조 2-자유도 미러(130) 각각은 실질적으로 제2 중심축에 대하여 45도 기울어져 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 정방향 렌즈(210a)의 제1 중심축에 평행하게 입사한 주광선(b)은 제2 렌즈(140)의 제2 중심축에 평행하게 진행할 수 있다. 이러한 배치는 휴대폰과 같은 좁은 공간에서 양방향 기가 픽셀 영상의 구현을 제공할 수 있다.
상기 메인 2-자유도 미러(120)는 상기 메인 2-자유도 미러(120)의 배치평면에서 서로 수직한 2개의 축에 대하여 독립적으로 회전할 수 있다. 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 각각의 분할 이미지를 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심으로 전달하는 기능을 수행한다. 따라서, 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 그 배치평면 내의 수직한 두 개의 수직한 축(x′, y′)을 기준으로 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 선택된 분할 이미지를 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심으로 전달할 수 있다. 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 기울기를 제공하는 메인 2-자유도 미러 구동부(122)를 포함할 수 있다.
상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 배치 평면에서 서로 수직한 2개의 축에 대하여 독립적으로 회전될 수 있다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심으로 전달된 분할 이미지는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면으로 전달되어야 한다. 이를 위하여, 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 그 배치 평면 내에서 수직한 두 개의 축(x″, y″)을 기준으로 회전할 수 있다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 기울기를 조절할 수 있는 보조 2-자유도 미러 구동부를 포함할 수 있다.
상기 보조 2-자유도 미러(130)가 상기 분할 이미지를 그 기울기만을 조절하여 상기 분할 이미지 (또는 가상 분할 이미지)를 제2 이미지 평면에 전달하는 경우, 상기 제2 렌즈(140)와 가상 분할 이미지(2b′) 사이의 물체 거리가 분할 이미지마다 다를 수 있다. 모든 분할 이미지에 대하여, 동일한 물체 거리를 확보하기 위하여, 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 제2 렌즈(140)의 제2 중심축 방향으로 선형 운동할 수 있다.
선형 운동부는 상기 보조 2-자유도 미러(130)를 상기 제2 중심축 방향으로 이동시킬 수 있다. 상기 선형 운동부는 분할 이미지 별로 기하학적 구조에 의하여 계산된 거리를 이동시킬 수 있다. 빠른 스캐닝을 위하여, 상기 선형 운동부는 고속의 보이스-코일 모터(voice coil motor) 등을 사용하여 고속 동작을 수행할 수 있다.
조리개(142)는 상기 보조 2-자유도 미러(130)와 상기 제2 렌즈(140) 사이에 배치되고, 이웃한 분할 이미지들은 상기 조리개(142)에 의하여 서로 중첩되는 영역을 가질 수 있다. 상기 조리개(142)는 개구부의 크기를 조절할 수 있다.
이미지 센서 어레이(150)는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면에 배치되어 상기 확대 분할 이미지(3b)를 촬상한다. 상기 이미지 센서 어레이(150)는 메가 픽셀급의 2차원 이미지센서일 수 있다.
메가픽셀 급의 이미지 센서 어레이(150)에서 촬상된 각각의 분할 이미지들은 이미지 스티칭이라는 영상합성기법에 의해 다시 하나의 영상으로 합성되어져 기가 픽셀 영상이 된다. 그런데, 여기서 개개의 분할 이미지들이 상호 스티칭 되어지기 위해 인접한 분할 상들끼리 보통 10-30 퍼센트 정도 중첩되는 영역을 가진다.
처리부(160)는 상기 메인 2-자유도 미러(120), 상기 보조 2-자유도 미러(130), 상기 회전 구동부(52)를 제어할 수 있다. 또한, 상기 처리부(160)는 각각의 분할 이미지들을 이미지 스티칭이라는 영상합성기법에 의해 다시 하나의 영상으로 합성할 수 있다.
상기 양면 미러(51)가 제1 상태인 경우, 상기 정방향 촬상 대상은 상기 분할 이미지들로 분할되어 전달되고, 상기 이미지 센서 어레이는 상기 분할 이미지들을 순차적으로 영상 데이터로 변환한다. 상기 처리부는 상기 정방향 촬상 대상의 분할 이미지들을 이미지 스티칭이라는 영상합성기법에 의해 다시 하나의 영상으로 합성한다.
이어서, 상기 양면 미러가 제1 상태인 경우, 상기 역방향 촬상 대상은 상기 분할 이미지들로 분할되어 전달되고, 상기 이미지 센서 어레이는 상기 분할 이미지들을 순차적으로 영상 데이터로 변환한다. 상기 처리부는 상기 역방향 촬상 대상의 분할 이미지들을 이미지 스티칭이라는 영상합성기법에 의해 다시 하나의 영상으로 합성한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양방향 이미징 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 6을 참조하면, 상기 양방향 이미징 시스템(300)은 제1 정방향 렌즈(210a), 제1 역방향 렌즈(210b), 이미지 전달부(50), 제2 렌즈(140), 메인 2-자유도 미러(120), 보조 2-자유도 미러(130), 및 이미지 센서 어레이(350)를 포함한다.
상기 제1 정방향 렌즈(210a)는 물체 평면의 정방향 촬상 대상을 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환한다. 상기 제1 역방향 렌즈(210b)는 상기 제1 정방향 렌즈를 마주보고 다른 물체 평면의 역방향 촬상 대상을 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환한다. 제2 렌즈(140)는 제2 중심축을 가진다. 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 상기 제1 이미지 평면의 상기 전체 이미지를 매트릭스 형태의 복수의 분할 이미지로 분할하고, 상기 분할 이미지 중에서 하나를 선택하여 반사시킨다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 중심축에 배치되고 상기 메인 2-자유도 미러(120)에서 반사된 분할 이미지를 그 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈(140)에 제공한다. 상기 이미지 센서 어레이(350)는 상기 메인 2-자유도 미러(120) 및 상기 보조 2-자유도 미러(130)가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에 확대하여 생성된 확대 분할이미지를 촬상한다. 상기 이미지 전달부(50)는 상기 제1 정방향 렌즈(210a)와 상기 제1 역방향 렌즈(210b) 사이에 배치되어 상기 정방향 촬상 대상의 이미지와 상기 역방향 촬상 대상의 이미지를 상기 메인 2-자유도 미러(120)에 제공한다.
상기 이미지 전달부(50)는 회전할 수 있는 판형의 양면 미러(51)를 포함할 수 있다. 상기 양면 미러(51)는 제1 상태에서 상기 정방향 촬상 대상의 이미지를 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전달할 수 있다. 상기 양면 미러(51)는 제2 상태에서 상기 역방향 촬상 대상의 이미지를 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전달할 수 있다.
상기 양면 미러(51)는 제1 상태와 상기 제1 상태에서 90도 회전하여 제2 상태를 가질 수 있다. 상기 양면 미러(51)는 회전 구동부(52)에 의하여 스위칭되어 제1 상태와 제2 상태를 가질 수 있다. 제1 상태에서, 상기 제1 정방향 렌즈(210a)는 물체 평면의 정방향 촬상 대상을 상기 양면 미러에 전달하고, 전달된 이미지는 제1 이미지 평면에서 전체 이미지로 전달될 수 있다. 제2 상태에서, 상기 제1 역방향 렌즈(210b)는 다른 물체 평면의 역방향 촬상 대상을 상기 양면 미러(51)에 전달하고, 전달된 이미지는 제1 이미지 평면에서 전체 이미지로 전달될 수 있다. 상기 전체 이미지는 매트릭스 형태의 분할 이미지로 분해된다.
상기 제1 정방향 렌즈(210a)와 상기 메인 2-자유도 미러(120) 사이의 광 경로 거리는 상기 제1 역방향 렌즈(210b)와 상기 메인 2-자유도 미러(120) 사이의 광 경로 거리와 동일할 수 있다.
상기 제2 렌즈(140)는 제2 중심축을 가진다. 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 상기 제1 이미지 평면의 상기 전체 이미지를 매트릭스 형태의 복수의 분할 이미지로 분할하고, 상기 분할 이미지 중에서 하나를 선택하여 반사시킨다.
상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 중심축에 배치되고 상기 메인 2-자유도 미러(120)에서 반사된 분할 이미지를 그 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈(140)에 제공한다. 상기 이미지 센서 어레이(350)는 상기 메인 2-자유도 미러 및 상기 보조 2-자유도 미러가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면에 확대하여 생성된 확대 분할이미지를 촬상한다. 상기 이미지 전달부(50)는 상기 제1 정방향 렌즈(210a)의 빔 경로와 상기 제2 역방향 렌즈(210b)의 빔 경로를 결합하여 상기 메인 2-자유도 미러에 제공한다.
상기 이미지 센서 어레이(350)는 가시 광선 영역을 검출하는 가시광선 이미지 센서 어레이(350a)와 적외선 영역을 검출하는 적외선 이미지 센서 어레이(350b)를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서 어레이(350)는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면에 서로 이웃하여 배치된다. 적외선 영상을 촬상하기 위하여, 상기 메인 2-자유도 미러(120) 및 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 적외선 이미지 센서 어레이(350b)에 분할 이미지를 전달한다. 또한, 가시광선 영상을 촬상하기 위하여, 상기 메인 2-자유도 미러(120) 및 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 가시광선 이미지 센서 어레이(350a)에 분할 이미지를 전달한다.
예를 들어, 정방향 측정 대상의 적외선 이미지를 촬상하기 위하여, 상기 양면 미러는 제1 상태로 유지되고, 상기 이미지 센서 어레이는 적외선 이미지 센서 어레이(350b)로 선택될 수 있다. 한편, 역방향 측정 대상의 적외선 이미지를 촬상하기 위하여, 상기 양면 미러는 제2 상태로 유지되고, 상기 이미지 센서 어레이는 적외선 이미지 센서 어레이(350b)로 선택될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양방향 이미징 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 7을 참조하면, 상기 양방향 이미징 시스템(400)은 제1 정방향 렌즈(210a), 제1 역방향 렌즈(210b), 이미지 전달부(50), 제2 렌즈(140), 메인 2-자유도 미러(120), 보조 2-자유도 미러(130), 및 이미지 센서 어레이(450)를 포함한다.
상기 제1 정방향 렌즈(210a)는 물체 평면의 정방향 촬상 대상을 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환한다. 상기 제1 역방향 렌즈(210b)는 상기 제1 정방향 렌즈를 마주보고 다른 물체 평면의 역방향 촬상 대상을 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환한다. 제2 렌즈(140)는 제2 중심축을 가진다. 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 상기 제1 이미지 평면의 상기 전체 이미지를 매트릭스 형태의 복수의 분할 이미지로 분할하고, 상기 분할 이미지 중에서 하나를 선택하여 반사시킨다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 중심축에 배치되고 상기 메인 2-자유도 미러(120)에서 반사된 분할 이미지를 그 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈(140)에 제공한다. 상기 이미지 센서 어레이(450)는 상기 메인 2-자유도 미러(120) 및 상기 보조 2-자유도 미러(130)가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에 확대하여 생성된 확대 분할이미지를 촬상한다. 상기 이미지 전달부(50)는 상기 제1 정방향 렌즈(210a)와 상기 제1 역방향 렌즈(210b) 사이에 배치되어 상기 정방향 촬상 대상의 이미지와 상기 역방향 촬상 대상의 이미지를 상기 메인 2-자유도 미러(120)에 제공한다.
상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 중심축에 배치되고 상기 메인 2-자유도 미러(120)에서 반사된 분할 이미지를 그 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈(140)에 제공한다. 상기 이미지 센서 어레이(450)는 상기 메인 2-자유도 미러 및 상기 보조 2-자유도 미러가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면에 확대하여 생성된 확대 분할이미지를 촬상한다. 상기 이미지 전달부(50)는 상기 제1 정방향 렌즈(210a)의 빔 경로와 상기 제2 역방향 렌즈(210b)의 빔 경로를 결합하여 상기 메인 2-자유도 미러에 제공한다.
상기 이미지 센서 어레이(450a~450i)는 복수 개이고, 상기 이미지 센서 어레이는 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에서 배치되고, 상기 분할 이미지의 개수는 상기 이미지 센서 어레이의 개수의 정수배이고, 상기 이미지 센서 어레이 각각은 공간적으로 이격되어 배치되고, 상기 분할 이미지를 스캐닝함에 따라, 상기 확대 분할이미지는 순차적으로 상기 이미지 센서 어레이에 촬상된다. 상기 이미지 센서 어레이는 제한된 프레임 레이트(frame rate)를 가지므로, 복수의 이미지 센서 어레이를 사용하는 경우, 촬상 시간이 단축될 수 있다.
상기 이미지 센서 어레이(450a~450i)는 복수 개이고, 상기 이미지 센서 어레이는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면에서 배치될 수 있다. 상기 분할 이미지의 개수는 상기 이미지 센서 어레이(450a~450i)의 개수의 정수배일 수 있다. 상기 이미지 센서 어레이(450a~450i) 각각은 공간적으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 분할 이미지를 스캐닝함에 따라, 상기 확대 분할이미지는 순차적으로 상기 이미지 센서 어레이(450a~450i)에 촬상될 수 있다.
제1 정방향 렌즈(210a)의 중심을 통과한 제1 내지 제3 주광선(a,b,c)은 제1 이미지 평면에서 각각 주광선 점을 형성한다. 전체 이미지는 상기 주광선 점을 기준으로 동일한 크기의 분할 이미지들로 분할될 수 있다. 메인 2-자유도 미러(120)는 제1 이미지 평면에 배치된다. 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 제2 중심축에 대하여 비스듬하게 배치되고, 배치 평면(x′y′ 평면) 내에서 수직한 한 쌍의 좌표축(x′축과 y′축)을 기준으로 회전하여 기울기를 제공할 수 있다. 이에 따라, 선택된 하나의 분할 이미지(20e)는 상기 메인 2-자유도 미러(120)에 의하여 보조 2-자유도 미러(130)의 중심으로 전달된다.
선택되지 않은 분할 이미지(20a~20d, 20f~20i)는 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심으로 전달되지 못한다. 따라서, 상기 제2 렌즈(140)에 의하여 확대되어 확대 분할 이미지를 형성하지 못한다.
상기 보조 2-자유도 미러(130)는 x축 방향으로 상기 메인 2-자유도 미러(120)와 정렬될 수 있다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 제2 렌즈(140)의 제2 중심축에 배치될 수 있다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 전달된 분할 이미지(20e)를 상기 제2 렌즈(140)에 전달하기 위하여 상기 제2 렌즈(140)의 제2 중심축 상에 왼쪽에 가상 분할 이미지(20e′)를 제공할 수 있다. 이를 위하여, 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 그 배치평면(x″y″평면) 내에서 수직한 한 쌍의 좌표축(x″축과 y″축)을 기준으로 회전하여 기울기를 제공할 수 있다. 상기 가상 분할 이미지(20e′)는 상기 제2 렌즈(140)의 가상 물체평면에 배치되고, 상기 제2 렌즈(140)의 촬상 대상으로 기능할 수 있다.
상기 제1 정방향 렌즈(210a)의 제1 중심축을 지나는 주광선(b)의 경우, 주광선(b)을 기준으로 하는 분할 이미지(20e)는 상기 보조 2-자유도 미러(120)에 의하여 가상 분할 이미지(20e′)로 전달된다. 상기 가상 분할 이미지(20e′)는 상기 제2 렌즈(140)에 의하여 확대 분할 이미지(30e)로 전달된다.
상기 메인 2-자유도 미러(120)의 중심에서 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심까지의 거리는 MD 이다. 또한, 가상 분할 이미지(20e′)와 상기 보조 2-자유도 미러(130)의 중심까지의 거리도 MD 이다.
복수의 이미지 센서 어레이(450a~450i)는 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면에 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 상기 이미지 센서 어레이는 스캐닝 순서에 따라 차례로 촬상할 수 있다. 분할 이미지가 9개이고, 이미지 센서 어레이가 9 개인 경우, 상기 분할 이미지들을 스캐닝하는 한 주기 동안, 상기 이미지 센서 어레이는 하나의 확대 분할 이미지를 촬상할 수 있다.
정방향 촬상 대상을 촬상하기 위하여, 상기 양면 미러는 제1 상태로 유지된 상태에서, 분할 이미지들은 순차적으로 복수의 이미지 센서 어레이(450a~450i)에 의하여 촬상될 수 있다.
이어서, 역방향 촬상 대상을 촬상하기 위하여, 상기 양면 미러는 제2 상태로 유지된 상태에서, 분할 이미지들은 순차적으로 복수의 이미지 센서 어레이(450a~450i)에 의하여 촬상될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양방향 이미징 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 8을 참조하면, 상기 양방향 이미징 시스템(500)은 제1 정방향 렌즈(210a), 제1 역방향 렌즈(210b), 이미지 전달부(550), 제2 렌즈(140), 메인 2-자유도 미러(120), 보조 2-자유도 미러(130), 및 이미지 센서 어레이(350)를 포함한다.
상기 제1 정방향 렌즈(210a)는 물체 평면의 정방향 촬상 대상을 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환한다. 상기 제1 역방향 렌즈(210b)는 상기 제1 정방향 렌즈를 마주보고 다른 물체 평면의 역방향 촬상 대상을 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환한다. 제2 렌즈(140)는 제2 중심축을 가진다. 상기 메인 2-자유도 미러(120)는 상기 제1 이미지 평면의 상기 전체 이미지를 매트릭스 형태의 복수의 분할 이미지로 분할하고, 상기 분할 이미지 중에서 하나를 선택하여 반사시킨다. 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 중심축에 배치되고 상기 메인 2-자유도 미러(120)에서 반사된 분할 이미지를 그 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈(140)에 제공한다. 상기 이미지 센서 어레이(350)는 상기 메인 2-자유도 미러(120) 및 상기 보조 2-자유도 미러(130)가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에 확대하여 생성된 확대 분할이미지를 촬상한다. 상기 이미지 전달부(550)는 상기 제1 정방향 렌즈(210a)와 상기 제1 역방향 렌즈(210b) 사이에 배치되어 상기 정방향 촬상 대상의 이미지와 상기 역방향 촬상 대상의 이미지를 상기 메인 2-자유도 미러(120)에 제공한다.
정방향 빔과 역방향 빔 중에서 하나를 선택하여 상기 메인 2-자유도 미러(120)에 빔 제공하기 위하여, 정방향 셔터(211a)는 상기 제1 정방향 렌즈(210a)와 상기 이미지 전달부(550) 사이에 배치되고, 역방향 셔터(211b)는 상기 제1 역방향 렌즈(210b)와 상기 이미지 전달부(550) 사이에 배치될 수 있다.
상기 이미지 전달부(550)는 X-큐브 프리즘(551~554)을 포함할 수 있다. 정방향 셔터(211a)는 상기 X-큐브 프리즘과 상기 제1 정방향 렌즈(210a) 사이에 배치되고, 역방향 셔터(211b)는 상기 X-큐브 프리즘과 상기 제1 역방향 렌즈(210b) 사이에 배치될 수 있다.
상기 X-큐브 프리즘(551~554)은 4 개의 삼각 기둥 프리즘으로 구성되고, 상기 X-큐브 프리즘(551~554)은 서로 반대 방향에서 입사하는 가시광선 빔과 적외선 빔을 수직으로 굴절시켜 동일한 광 경로를 제공하도록 코팅될 수 있다.
상기 이미지 전달부(550)는 상기 X-큐브 프리즘(551~554)을 포함할 수 있다. 상기 X-큐브 프리즘(551~554)은 큐브 형상이고 4 개의 삼각 기둥 프리즘을 포함할 수 있다. 상기 X-큐브 프리즘(551~554)은 상기 제1 정방향 렌즈(210a)의 광 경로와 상기 제1 역방향 렌즈(210b)의 광 경로를 결합할 수 있다. 상기 X-큐브 프리즘(551~554)은 정방향 측정 대상에서 오는 빔과 역방향 측정 대상에서 오는 빔에 대하여 동일한 광경로를 제공할 수 있다. 제1 삼각 기둥 프리즘(551)은 정방향 촬상 대상을 바라보고, 제2 삼각 기둥 프리즘(552)은 역방향 촬상 대상을 바라볼 수 있다. 제1 삼각 기둥 프리즘(551)과 제2 삼각 기둥 프리즘(552)은 마주보면서 서로 대칭적으로 배치될 수 있다. 제3 삼각 기둥 프리즘(553)과 제4 삼각 기둥 프리즘(554)은 마주 보면서 서로 대칭적으로 배치될 수 있다. 제1 내지 제4 삼각 기둥 프리즘(551~554)은 동일한 굴절률을 가지고, 서로 접촉하는 계면은 특정한 파장을 투과시키는 필터를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 삼각 기둥 프리즘(551)과 제3 삼각 기둥 프리즘(553)이 접촉하는 계면과 상기 제2 삼각 기둥 프리즘(552)과 제4 삼각 기둥 프리즘(554)이 접촉하는 계면은 가시광선은 투과하고 적외선은 반사하도록 코팅될 수 있다. 이에 따라, 정방향에서 입사하는 적외선만이 선택적으로 반사되어 상기 메인 2-자유도 미러(120)에 제공된다.
또한, 상기 제2 삼각 기둥 프리즘(552)과 제3 삼각 기둥 프리즘(553)이 접촉하는 계면과 상기 제1 삼각 기둥 프리즘(551)과 제4 삼각 기둥 프리즘(554)이 접촉하는 계면은 가시광선은 반사하고 적외선은 투과하도록 코팅될 수 있다. 이에 따라, 역방향에서 입사하는 가시광선만이 선택적으로 반사되어 상기 메인 2-자유도 미러(120)에 제공된다.
상기 이미지 센서 어레이(350)는 가시 광선 영역을 검출하는 가시광선 이미지 센서 어레이(350a)와 적외선 영역을 검출하는 적외선 이미지 센서 어레이(350b)를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서 어레이(350)는 상기 제2 렌즈(140)의 제2 이미지 평면에 서로 이웃하여 배치된다. 적외선 영상을 촬상하기 위하여, 상기 메인 2-자유도 미러(120) 및 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 적외선 이미지 센서 어레이(350b)에 분할 이미지를 전달한다. 또한, 가시광선 영상을 촬상하기 위하여, 상기 메인 2-자유도 미러(120) 및 상기 보조 2-자유도 미러(130)는 상기 가시광선 이미지 센서 어레이(350a)에 분할 이미지를 전달한다.
예를 들어, 정방향 측정 대상의 적외선 이미지를 촬상하기 위하여, 상기 역방형 셔터(211b)는 폐쇄되고 상기 정방향 셔터(211a)가 개방되고, 상기 이미지 전달부(550)는 적외선 빔을 상기 메인 2-자유도 미러(120)에 전달하고, 상기 이미지 센서 어레이(350)는 적외선 이미지 센서 어레이(350b)로 선택될 수 있다.
한편, 역방향 측정 대상의 가시광선 이미지를 촬상하기 위하여, 상기 역방형 셔터(211b)는 개방되고 상기 정방향 셔터(211a)가 폐쇄되고, 상기 이미지 전달부(550)는 가시광선 빔을 상기 메인 2-자유도 미러(120)에 전달하고, 상기 이미지 센서 어레이(350)는 가시광선 이미지 센서 어레이(350a)로 선택될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 정방향 촬상 대상의 가시광선 이미지를 촬상하고 역방향 촬상 대상의 적외선 이미지를 촬상하기 위하여, 상기 X-큐브 프리즘은 90도 또는 180도 회전하여 스위칭될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
50: 이미지 전달부
210a: 제1 정방향 렌즈
210b: 제1 역방향 렌즈
120: 메인 2-자유도 미러
130: 보조 2-자유도 미러
140: 제2 렌즈
150: 이미지 센서 어레이

Claims (12)

  1. 물체 평면의 정방향 촬상 대상을 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환하는 제1 정방향 렌즈;
    상기 제1 정방향 렌즈를 마주보고 다른 물체 평면의 역방향 촬상 대상을 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환하는 제1 역방향 렌즈;
    제2 중심축을 가지는 제2 렌즈;
    상기 제1 이미지 평면의 상기 전체 이미지를 매트릭스 형태의 복수의 분할 이미지로 분할하고, 상기 분할 이미지 중에서 하나를 선택하여 반사시키는 메인 2-자유도 미러;
    상기 제2 렌즈의 제2 중심축에 배치되고 상기 메인 2-자유도 미러에서 반사된 분할 이미지를 그 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈에 제공하는 보조 2-자유도 미러;
    상기 메인 2-자유도 미러 및 상기 보조 2-자유도 미러가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에 확대하여 생성된 확대 분할이미지를 촬상하는 이미지 센서 어레이; 및
    상기 제1 정방향 렌즈와 상기 제1 역방향 렌즈 사이에 배치되어 상기 정방향 촬상 대상의 이미지와 상기 역방향 촬상 대상의 이미지를 상기 메인 2-자유도 미러에 제공하는 이미지 전달부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 이미징 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 이미지 전달부는 회전할 수 있는 판형의 양면 미러를 포함하고,
    상기 양면 미러는 제1 상태에서 상기 정방향 촬상 대상의 이미지를 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전달하고,
    상기 양면 미러는 제2 상태에서 상기 역방향 촬상 대상의 이미지를 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전달하는 것을 특징으로 하는 양방향 이미징 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 이미지 전달부는 X-큐브 프리즘이고,
    상기 X-큐브 프리즘과 상기 제1 정방향 렌즈 사이에 배치된 정방향 셔터; 및
    상기 X-큐브 프리즘과 상기 제1 역방향 렌즈 사이에 배치된 역방향 셔터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 이미징 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 X-큐브 프리즘은 4 개의 삼각 기둥 프리즘으로 구성되고,
    상기 X-큐브 프리즘은 서로 반대 방향에서 입사하는 가시광선 빔과 적외선 빔을 수직으로 굴절시켜 동일한 광 경로를 제공하도록 코팅된 것을 특징으로 하는 양방향 이미징 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 메인 2-자유도 미러는 상기 메인 2-자유도 미러의 배치평면에서 서로 수직한 2개의 축에 대하여 독립적으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 양방향 이미징 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 보조 2-자유도 미러는 상기 보조 2-자유도 미러의 배치 평면에서 서로 수직한 2개의 축에 대하여 독립적으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 양방향 이미징 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 보조 2-자유도 미러를 상기 제2 중심축 방향으로 이동시키는 선형 운동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 이미징 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 보조 2-자유도 미러와 상기 제2 렌즈 사이에 배치된 조리개를 더 포함하고,
    이웃한 분할 이미지들은 서로 중첩되는 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 양방향 이미징 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 어레이는 가시 광선 영역을 검출하는 가시광선 이미지 센서 어레이와 적외선 영역을 검출하는 적외선 이미지 센서 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 이미지 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 어레이는 복수 개이고,
    상기 이미지 센서 어레이는 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에서 배치되고,
    상기 분할 이미지의 개수는 상기 이미지 센서 어레이의 개수의 정수배이고,
    상기 이미지 센서 어레이 각각은 공간적으로 이격되어 배치되고,
    상기 분할 이미지를 스캐닝함에 따라, 상기 확대 분할이미지는 순차적으로 상기 이미지 센서 어레이에 촬상되는 것을 특징으로 하는 양방향 이미징 시스템.
  12. 서로 마주보고 있는 제1 정방향 렌즈와 제2 역방향 렌즈를 이용하여 각각의 물체 평면의 촬상 대상을 선택적으로 제1 이미지 평면의 전체 이미지로 전환하는 단계;
    상기 제1 이미지 평면에 배치된 메인 2-자유도 미러를 이용하여 상기 제1 이미지 평면의 전체 이미지를 매트릭스 형태의 복수의 분할 이미지로 분할하고, 상기 분할 이미지 중에서 하나를 선택하여 반사시키는 단계;
    제2 렌즈의 제2 중심축에 배치된 보조 2-자유도 미러를 이용하여 상기 메인 2-자유도 미러에서 반사된 분할 이미지를 상기 보조 2-자유도 미러의 중심으로 제공받아 상기 제2 렌즈에 제공하는 단계;
    상기 제2 렌즈를 이용하여 상기 메인 2-자유도 미러 및 상기 보조 2-자유도 미러가 반사시킨 분할 이미지를 상기 제2 렌즈의 제2 이미지 평면에 확대하여 확대 분할이미지를 생성하는 단계; 및
    상기 확대 분할이미지를 촬상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 방법.
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