KR20100059896A - 이미지 센서 - Google Patents

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프랑크 윕페르만
안드레아스 브라우어
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프라운호퍼-게젤샤프트 추르 푀르데룽 데어 안제반텐 포르슝 에 파우
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Abstract

실질적으로 어레이 유사 배열된 복수의 이미지 센서 유닛을 가지는 이미지 센서로서, 이미지 센서 유닛의 감광 표면은 서로 간격이 있는 노드 포인트로 연결되고, 상기 노드 포인트는 노드 포인트를 연결하는 수평 및 수직 연결 라인과 함께 이차원 네트로 연결되고, 어레이-유사 배열은 중앙 영역과 에지 영역을 포함하고, 중앙 영역과 에지 영역은 적어도 하나의 연결 라인을 따라 서로 연결되며, 적어도 하나의 연결 라인을 따라 어레이-유사 배열의 두 인접 노드 포인트의 각각 거리는 중앙 영역과 에지 영역에서 상이한 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 이미지 센서와 부가적으로 배열된 렌즈를 가지는 카메라 시스템에 관한 것이다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}
본 발명은 실질적으로 어레이-유사 배열 중 다수의 이미지 센서 유닛을 가지는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 시각용 또는 데이터 프로세싱 유닛에 의한 별도 처리용 대상 이미지를 유효하게 만드는 어떤 곳에서든 사용된다. 실질적으로 이미징 렌즈 시스템과 연관 전자 소자를 가지는 이미지 센서 및 데이터 프로세싱 유닛이 이로부터 사용된다.
이미지 생성을 위한 렌즈 시스템은 본질적으로 상이한 이미지 에러, 소위 수차를 가진다. 예를 들어 구면 수차, 코마, 비점수차, 필드 만곡, 왜곡 에러, 디포커싱 및 종적 또는 횡적 컬러 에러가 여기서 언급될 수 있다. 일반적으로 구면 렌즈 디자인에 의해 예를 들어 비구면 렌즈 또는 상이한 렌즈 형태와 또한 상이한 물질의 조합과 같은 것이 이미지 에러를 보상하기 위해 여기서 시도된다. 하지만, 렌즈 디자인의 도움으로 수차는 어느 정도만 보정될 수 있으나, 보정 중 반대 방향으로의 상이한 수차 조작, 즉 한 수차의 보정이 다른 수차의 악화를 초래한다. 이런 이유로 렌즈 디자인 중 어떤 품질을 카메라 시스템이 전체로서 달성하고자 하는지 및/또는 어떤 이미지 특성을 특히 강조할 지에 대해 미리 결정되어야 한다. 이로부터 렌즈 최적화 중 측정으로서 사용되는 품질 함수의 정의가 일반적으로 도출된다. 복잡한 표면 기하학은 제작이 어렵고 지루한 조작 단계가 있어야 하며 및/또는 새로운 물질이 많은 렌즈에 또한 사용되어야 하므로 복잡한 수차 보정을 가지는 렌즈의 제작은 추가적으로 종종 매우 고비용이 된다.
수차 보정에 대한 다른 접근은, 이미지의 연속 디지털 프로세싱(리매핑:remapping)에 의해, 포커스의 결여가 아닌 이미지의 왜곡만을 낳는 수차를 연속 보정 또는 심지어 제거하는 것이다. 상기 해법의 단점은 비보정 이미지로부터 보정 이미지를 형성하기까지의 변환을 계산하기 위해 메모리와 특히 컴퓨팅 시간이 요구된다는 것이다. 또한 이미지 센서의 실제 픽셀 간에 보간이 되어야 하는데, 즉 더 미세한 스캐닝이 요구되거나 해상도가 상실된다.
수차를 부분적으로 보상하는 다른 가능성은 이미지 센서를 회전 대칭으로 배치하는 것이다. 하지만 상기 단점은 여기의 이미지 픽셀은 사실상 직사각형 배열로 위치하므로 통상의 디스플레이 또는 프린터로 그 기록된 이미지가 직접 재생될 수 없다는 것이다. 따라서 이미지 정보의 전자적 재배치가 또한 여기서 요구되고, 이는 상술한 단락에서의 단점을 초래한다.
본 발명의 목적은 렌즈 시스템의 상호 제한하는 수차 보정을 피할 수 있도록 이미지 센서의 도움으로 일부 수차 보정을 실행 가능하게 하는 이미지 센서 및/또는 카메라 시스템을 제작하는 것이다. 또한 이미지 센서로, 전자 시스템 또는 연속적으로 연결되는 데이터 프로세싱 유닛의 메모리와 컴퓨팅 시간에 대한 낮은 조건만이 요구되는 것이다.
본 목적은 청구항 1항의 특징을 가지는 이미지 센서, 청구항 25항의 특징을 가지는 카메라 시스템 및 청구항 30항의 특징을 가지는 방법으로서 달성된다. 다른 종속항은 바람직한 개량을 개시한다.
다중 이미지 센서 유닛을 가지는 이미지 센서는 어레이-유사 구조를 가진다. 결과로, 디스플레이와 프린터의 현재 기준이 고려된다. 상기 어레이는 노드 포인트와 연결 라인을 포함하는 좌표 시스템을 가지고, 이미지 센서 유닛의 감광 표면이 노드 포인트에 각각 배치된다. 상기 좌표 시스템은 어레이의 구성요소가 아니라 결정 격자에 유사하게 배열된다. 상기 연결 라인은 그것들이 상하 또는 좌우로 확장된다는 점에서 수직 또는 수평이다. 따라서 수직 또는 수평 연결 라인은 반드시 직선이거나 서로에 대해 평행하게 의도되는 것은 아니다. 이런 이유로 어떠한 언어적 착오해석을 배제하기 위해 그리드 대신 연결 라인과 노드 포인트를 가지는 네트워크로서 이것들을 설명하는 것이 합리적이다.
어레이-유사 배열은 중앙 영역과 에지 영역을 가지고, 상기 중앙 영역과 상기 에지 영역은 적어도 하나의 연결 라인을 따라 서로 연결된다. 따라서 상기 중앙 영역과 상기 에지 영역은 공통 원소를 가지지 않는 집합이 아니며 서로 유동적으로 병합되게 구축된다. 두 인접 노드 포인트의 각 간격, 즉 이미지 센서 유닛의 감광 표면이 상기 중앙 및 에지 영역을 서로 연결하는 적어도 하나의 연결 라인을 따라 배치되는 위치가 상기 중앙 영역과 상기 에지 영역에서 상이하다는 사실의 결과로서, 상이한 수차가 이미지 센서 및/또는 그것에 배치된 이미지 센서 유닛의 기하학에 의해 보정될 수 있어서, 특히 보정에 있어 반대로 작동하는 수차가 가능한 대물렌즈 및/또는 렌즈 시스템에 의해 배타적으로 보정될 필요가 없다. 이미지 센서에 있어 부가적인 적합한 자유도를 생성함으로써, 더 높은 자유도가 렌즈 시스템의 최적화에서 달성된다. 상기 결과는 따라서 렌즈 시스템, 이미지 센서 및 데이터 프로세싱 유닛에 다양한 수차의 보정을 할당하는 방법을 해결하는 더 나은 가능성을 제공한다. 예를 들어 연속 이미지 프로세싱으로 이미지 센서가 한편으로 어레이-유사 배열되므로 시간과 메모리 할당이 덜 요구되지만, 개별 이미지 센서 유닛으로부터의 이미지 정보의 전자적 재분포는 이미지 센서 레벨에서 이미 확고하게 선행 형성되므로 요구되지 않는다는 장점이 생긴다. 연관 렌즈의 광축에 의해 관통되는 이미지 센서의 영역은 중앙 영역으로 명명된다.
본 기술에 따른 이미지 센서는 이미지 센서 유닛의 등거리 배열로서 구축된다. 광학 에러는 렌즈 배열의 광축으로부터 거리가 증가함에 따라 일반적으로 일어나고 이미지 센서의 에지를 향할수록 더 커진다. 서로에 대한 모든 개별 센서 유닛 사이의 고정 간격은 이미징 에러가 기록된 이미지에서도 보인다는 것을 단순히 보장할 뿐이다. 중앙 및 에지 영역에서의 두 감광 표면의 상이한 간격에 의해, 에지 영역의 보정 조건이 고려될 수 있어 이미지는 실제 계속 이미징 에러를 가지지만 감광 표면은 이미지 센서에 있어 등거리 이미지 포인트 디스플레이에서 만들어진 기록은 이미징 에러가 없다. 따라서 그 결과로 렌즈의 중앙을 통과하지 않거나 큰 각도로 입사하고 이미지 센서에 이미지화되는 빔 경로의 더 양호한 이미징을 얻는다.
만약 부가적으로 제2연결 라인의 간격-제1연결 라인(이를 따라 두 감광 표면의 간격이 중앙으로부터 에지 영역까지 변함)에 대해 적어도 한 위치에서 평행함-이 제1연결 라인에 대해 유사하게 중앙으로부터 에지 영역까지 변하는 경우, 간격 변화는 이미지 센서의 1차원 뿐만 아니라 2차원에 있어서도 발견된다.
이미지 센서 유닛의 감광 표면의 등거리 배열이 본 발명에 따른 이미지 센서에서 해결되고 따라서 비등거리 네트워크를 형성한다는 사실의 결과로서, 상술한 장점의 결과로서 이미지의 품질을 향상시키도록 그리고 수차를 피하기 위해 사용될 수 있도록 많은 가능성이 제공된다. (이미 사용가능한 구조 기술을 가지고 있어, 경제적 실행가능성은 짧은 도입 단계 후에는 중요한 역할을 하지 않는다.)
다른 장점은 종속항에서 설명된다.
두 인접 노드 포인트가 중앙 영역부터 에지 영역까지 적어도 하나의 연결 라인을 따라 일정하게 변한다는 사실의 결과로서, 보정 조건의 증가하는 중요성을 고려하며, 이는 정사각형, 입방체 또는 이미징 기술 각도의 더 높은 파워에 의해 일반적으로 설명된다. 다수의 이미지 센서 유닛이 중앙 영역과 에지 영역 사이의 하나의 연결 라인을 따라 위치될 수 있으므로, 만약 에지 영역을 향한 연속 수차 보정이 실행될 수 있음으로 인해 에지 영역의 두 감광 표면의 간격에 대한 두 감광 표면의 간격이 일정하게 변한다면 유리하다.
기하학적 왜곡을 보상하기 위해 이미지 센서 유닛의 어레이-유사 배열의 두 인접 노드 포인트의 각 간격이 중앙 영역으로부터 에지 영역까지 변한다면, 렌즈 시스템의 보정이 독립적으로 또는 비독립적으로 실행될 수 있는 것은 특히 유리하다. 상기 왜곡은 포지티브 왜곡, 즉 핀-쿠션형 왜곡(pin-cushion-shaped distortion)과 네거티브 왜곡, 즉 베럴형 왜곡(barrel-shaped distortion)으로 나뉜다. 기하학적 왜곡은 단지 입사각의 확대, 즉 이상적인 경우에 대한 이미지 포인트 오프셋에만 영향을 주고 포커스의 확장, 즉 포인트 이미지 소멸 기능에는 영향이 없어서 해상도의 감소에 영향을 주므로, 이는 대응하는 연관 검출기 픽셀의 변위에 의해 이미지 센서 레벨에서 보정되는 것에 특히 적합하다. 왜곡은 이미지 센서 평면에서 실제 메인 빔의 위치가 이상적 및/또는 근축 근사 메인 빔의 위치로부터 벗어나는 것이다. 이는 이미지 필드를 거쳐 변동하는 확대의 결과를 낳고 따라서 전체 이미지가 왜곡된다. 이상적 및/또는 근축 근사 이미지 필드 좌표(yp)는 입사각(Θ)의 탄젠츠에 정비례하고, 실제 이미지 필드 좌표(y)는 이로부터 벗어난다. 탄젠트로부터의 편차는 왜곡이고 전형적으로 Θ^3에 근사하거나 복잡한 커브이다. 왜곡의 측정으로써, (y-yp)/yp가 여기서 사용된다: 만약 실제 이미지 필드 좌표가 이상적 이미지 필드 좌표보다 크면, 왜곡은 핀-쿠션형이고, 그렇지 않으면 베럴형이다. 핀-쿠션형 왜곡의 경우, 감광 표면의 간격은 이미지 센서의 중심으로부터 관찰된 검출기 픽셀의 광선 공간의 함수로서, 즉 수평 또는 수직보다 대각선 쪽으로 더 강하게, 베럴형 왜곡에 있어 중앙 영역에서 커지다가 에지 영역으로 향할수록 작아진다.
통합된 왜곡 보정을 가지는 이미지 센서의 제작에 있어, 실제 메인 빔의 위치는 이상적 메인 빔과 대응하여 비교되고, 감광 표면은 실제 메인 빔의 위치에 대한 외향의 두 빔(핀-쿠션형 왜곡의 경우)과 내향의 두 빔(베럴형 왜곡의 경우)의 간격만큼 변위된다.
본 발명에 따른 이미지 센서의 개발은 직사각형 그리드의 형태로 어레이-유사 배열을 배치하는 것이다. 따라서 중앙 영역으로부터 에지 영역까지의 간격의 변화는 1차원 배열만으로 실행된다. 이는 1차원의 이미지 센서에서는 감광 표면의 간격이 서로에 대해 일정하며, 2차원에서는 중앙에서 에지 영역으로 가면서 변하며, 바람직하게는 2차원에서 수많은 연결라인을 따라 변한다는 것을 의미한다. 따라서 매우 좁지만 오블롱(oblong)으로 배치된 이미지 센서는 1차원에서 왜곡이 작기 때문에 1차원에서 길이 방향으로 법선이 되도록 배치될 수 있다.
다른 바람직한 개선은 보정이 어레이의 두 차원에서 실행되는 것이다. 이 경우 연결 라인은 직선으로서 더이상 표시되지 않고 파라미터화된 커브로서 표시될 수 있다. 다수의 연결 라인을 따라 중앙으로부터 에지 영역까지 간격이 변하면(그리고 실제 연결 라인의 간격이 광선 좌표(radial coordinate)의 함수로서), 그러면 어레이-유사 배열은 곡선 그리드로서, 즉 다수의 파라미터화된 커브를 포함하여 표시될 수 있다. 상기 방식으로 수차는 2차원에서 보상될 수 있다, 바람직하게 두 인접 감광 표면의 간격은 두 어레이 차원에 있어 다수의 연결 라인을 따라 중앙 영역으로부터 에지 영역까지 변한다. 따라서 커브 그리드는 직사각형 그리드의 2차원 확장을 형성한다.
이미지 센서의 에지 영역이 이미지 센서의 중앙 영역을 완전히 감싼다면 바람직한 배열이 된다. 그 장점은 중앙 영역으로부터 시작하여 다른 이미지 센서 유닛이 각 방향으로 배치되어 이미지 센서 영역이 광축을 둘러싸는 것이다. 그 결과로서, 이미지 센서 평면의 모든 방향에서 이미지 센서의 중앙 영역으로부터 수차, 바람직하게는 기하학적 수차의 보상은 영향을 받을 수 있다.
다른 바람직한 개선은 수많은 이미지 센서 유닛이 하나의 기판 상에 배치되는 것이다. 이는 현재 구조화 기술의 적용이 가능하므로 특히 제작에 있어 장점을 가진다. 더욱이 이미지 센서 유닛이 광전 및/또는 디지털 유닛인 경우 유리하다.
이미지 센서 유닛의 감광 표면이 상기 이미지 센서 유닛의 중앙에 각각 배치되는 것이 특히 유리하다. 상기 방식으로 이미지 센서 유닛의 감광 중심의 간격은 서로에 대해 쉬프트될 뿐만 아니라 이미지 센서 유닛의 간격은 서로에 대해 쉬프트 된다. 이에 대한 대안으로서, 감광 표면은 배타적으로 그 간격을 변화시킬 수 있고, 이는 이미지 센서 유닛의 중심에서만 그것이 배타적으로 발견될 수 없다는 사실로 이끈다. 두 대안은 하나의 이미지 센서 내에서도 제작될 수 있다. 또한, 감광 표면이 포토다이오드(photodiode) 또는 검출기 픽셀, 특히 CMOS 또는 CCD 또는 오가닉 포토다이오드인 것이 유리하다.
다른 바람직한 배열은 적어도 하나의 센서 유닛이 마이크로렌즈를 가지고 및/또는 많은 수의 이미지 센서 유닛이 마이크로렌즈 그리드로 덮이는 것이다. 또한, 다른 수차가 마이크로렌즈의 도움으로 보상될 수 있으며, 그 외 수차가 렌즈 시스템의 이미지 필드 전체에 걸쳐 다양한 기하학적 특성, 예를 들어 서로에 대해 분리되어 그리고 다양하게 조절될 수 있는 탄젠셜(tangential) 및 새지탈(sagittal) 곡률 반경(radii of curvature)과 같은 특성을 가지면 전 이미징 렌즈 시스템 내에서 보정될 수 있다.
이미지 센서의 다른 바람직한 개량은 필링 팩터(filling factor)를 증가시키도록 마이크로렌즈 및 마이크로렌즈 그리드를 배치하는 것이다. 결과로, 이미지 센서 유닛에 입사하는 광속이 이미지 센서 유닛의 감광 표면에 더 양호하게 집속될 수 있고, 이는 신호대잡음비(signal-to-noise ratio)의 향상을 가져온다.
바람직하게 곡률 만곡 및/또는 다수의 이미지 센서 유닛의 마이크로렌즈의 곡률 반경의 비 및/또는 어레이의 두 메인 축에서의 마이크로렌즈의 곡률 반경의 비를 적용함으로써, 비점수차 및/또는 필드 만곡이 마이크로렌즈 및/또는 비점수차의 도움으로 보정될 수 있고 마이크로렌즈의 필드 만곡도 보정될 수 있다. 이는 하나의 이미징 렌즈 시스템으로부터 이미지 센서를 향해 보정의 변위(displacement)를 또한 가능하게 하며, 이는 다시 이미징 렌즈 시스템의 디자인의 자유도를 가능하게 한다. 상기 방식으로 감광 표면에 대한 향상된 포커싱(메인 빔 각도에 대응하는 위치에 대한 오프셋)이 마이크로렌즈 때문에 일어날 수 있고, 적용된 마이크로렌즈의 형태의 도움으로 더 양호한 이미지가 가능하다.
광속의 마이크로렌즈에 대한 경사 입사의 경우 포커스에서 가능한 작은 회절 디스크(diffraction disc)를 얻기 위하여, 바람직하게 타원형 처프(chirped) 마이크로렌즈가, 즉 다양하게 조정가능한 파라미터를 가진 어레이 마이크로렌즈 전체에 걸쳐 사용되며, 이는 그것의 방향, 두 메인 축에서의 크기 및 마이크로렌즈의 메인축을 따르는 곡률반경에 있어, 선행 이미징 렌즈 시스템의 메인 빔의 입사각에 의존한다. 원형 마이크로렌즈에 대조적으로, 큰 입사각과 곡률 만곡에서 마이크로렌즈 어레이에 의해 포커싱 중에 생성되는 비점수차가 따라서 감소된다.
색수차를 보정하기 위해, 이미지 센서 유닛이 바람직하게 컬러 필터를 가질 수 있고 및/또는 다수의 이미지 센서 유닛이 컬러 필터 그리드에 연결될 수 있다. 컬러 이미지 기록을 위해 일반적으로 3 기초 컬러가 사용되는데, 즉 예를 들어 레드 그린 및 블루, 또는 마젠타(magenta) 시안 블루(cyan blue) 및 옐로우가 사용되며, 컬러 픽셀은 예를 들어 베이어 패턴(Bayer pattern)으로 배치된다. 컬러 필터-마이크로렌즈와 같은-는 어레이의 각 위치에서 렌즈 시스템의 메인 빔에 대해 적용되도록 오프셋된다.
또한, 컬러 필터는 마이크로렌즈와 유사하게, 한편으로는 메인 빔 각도로부터 비롯되는 포토다이오드 상의 포커스의 수평 오프셋을 보상하기 위해 또는 왜곡을 보상하기 위해 그러나 또한 횡적 색수차의 경우 감광 표면에 대한 개별적인 컬러 스펙트라의 더 양호한 할당이 가능하게 하기 위해, 감광 표면에 대해 상대적으로 오프셋될 수 있다. 컬러 필터와 할당된 픽셀의 오프셋은 이로부터, 횡적 색수차 때문에 상이한 이미지 컬러의 오프셋에 대응된다.
본 발명에 따른 카메라 시스템은, 이미지 센서가 계획되고 불변의 방식으로 선행 이미징 렌즈 시스템과 커뮤니케이션(communication)하는 점에서 구별된다. 상이한 보정으로 인해, 렌즈 디자인에 있어 자유도가 생성되므로, 렌즈 시스템과 이미지 센서 사이의 특히 양호한 협조는 품질의 도약을 가능하게 한다. 이미지 센서는 렌즈 시스템의 이미지 평면에 배치된다.
이미지 센서 및/또는 카메라 시스템의 바람직한 실시예에서, 이미지 센서 유닛 및/또는 그 감광 표면의 크기가 변동하므로 하나의 이미지 센서에서 이미지 센서 유닛의 적어도 일부에 대해서 상이하다. 따라서 부가적인 이미지 센서의 에지를 향해 왜곡에 의해 얻어지는 간격의 사용이 가능하며, 그 결과로 더 큰 감광성이 포토다이오드의 더 큰 표면 영역에서 달성된다. 결과로 휘도에 있어 에지 감소는 보상될 수 있고 따라서 상대적인 조도 세기가 향상될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 횡적 컬러 에러는, 컬러 필터가 렌즈 시스템의 횡적 컬러 에러에 적용되는 검출기 픽셀 상에 배치된다는 점에 있어 이미지 센서 쪽에서 보정될 수 있으므로, 렌즈 시스템의 횡적 컬러 에러는 보상될 수 있다. 횡적 컬러 에러를 보정하기 위해, 컬러 픽셀 신호를 계산하는 것도 또한 가능하다. 보통의 베이어 패턴으로부터 또는 종래의 데모사이싱(demosaicing)으로부터 시작하는 컬러 필터는 베이어 패턴 및/또는 데모사이싱으로부터 벗어나게 배치될 수 있고 공지된 횡적 컬러 에러는 이로부터 이미지 프로세싱 알고리즘에 의해 계산될 수 있다. 서로에 대해 가능하게 더 제거되는, 상이한 컬러의 상이한 검출기 픽셀은 컬러 이미지 포인트를 형성하기 위해 이에 의해 계산될 수 있다. 다른 수차의 보정을 위해 자유도를 따라서 가능하게 하기 위해, 렌즈 시스템에 대한 증가된 횡적 컬러 에러를 가능하게 하거나 또는 인공적으로 횡적 컬러 에러를 증가시키는 것도 또한 가능하다.
다른 실시예에서, 이미지 센서는 이미지 필드의 만곡이 보정될 수 있도록 곡면 표면 상에 배치될 수 있다. 이로부터 특히 바람직하게 곡면을 기초로 생성될 수 있으므로 이미지 센서 유닛 및/또는 감광 표면이 오가닉 포토다이오드를 가지거나 포토다이오드인 것이 특히 선호된다.
다른 수차를 더 양호하게 개선하기 위해, 렌즈 시스템의 왜곡은 렌즈 디자인에서 증가될 수 있고 오픈(open)될 수 있다. 심지어 광학 디자인의 설계 중의 왜곡및 이미지 센서의 디자인을 통한 상기 왜곡의 보정에 대한 요구조건을 완화시킴으로써, 특성 예를 들어 해상도와 같은 것은, 비록 특성이 픽셀의 변위에 의해 쉽게 보정될 수 없다 하더라도 획기적으로 향상될 수 있다. 상기 절차는 특히 웨이퍼 레벨 렌즈에서 유리하며, 여기서 많은 부분으로 인해, 렌즈와 이미지 센서가 상기 하나의 카메라 시스템을 위한 구성요소로서 협동 회사들 또는 동일 회사에서 동시에 디자인되기 때문에, 이미지 센서를 단지 하나의 렌즈 디자인으로 조직하는 것이 합리적이다. 상기 카메라는 예를 들어 모바일 텔레폰 카메라로서 사용될 수 있다. 이 경우, 이미 존재하는 렌즈의 왜곡은 측정될 필요가 없고 렌즈 디자인은 시뮬레이션을 통해 후자로부터 결정될 필요가 없으며, 대신 렌즈 시스템과 이미지 센서는 전체 시스템으로서 최적으로 디자인될 수 있고, 왜곡 보정의 문제는 렌즈 시스템으로부터 이미지 센서로 이동된다(이것은 렌즈 시스템의 왜곡이 렌즈 시스템의 다른 자유도, 예를 들어 해상도 또는 해상도 균일도의 향상을 위해 증가된 방식으로 허용될 수 있다는 것을 의미한다). 카메라 시스템의 저렴한 제작도 또한 가능하다.
카메라 시스템에서, 타원형 처프 마이크로렌즈는 이미지 센서 상에 사용될 수 있고, 픽셀에 대한 입사각에 적용되는 그 포커싱이 가능하다. 마이크로렌즈는 어레이 전체에 걸쳐 방사상으로 일정하게 변하는 파라미터, 예를 들어 탄젠셜 및 새지탈 곡률 반경으로 디자인될 수 있다. 이미지 센서는 동시에 메인 빔 각도에 대응하고 이미징 렌즈 시스템의 왜곡에 대응하여, 레귤러 어레이(regular array)에 대해 오프셋되게 배치될 수 있다. 필링 팩터(변화하는 비회전 대칭 마이크로렌즈의 어레이를 걸쳐 두 메인 축의 곡률 반경 비, 곡률 반경)를 증가시키는 마이크로렌즈 시스템의 개별적인 마이크로렌즈의 기하학적 배치는 따라서 각 렌즈에 의해 포커싱되는 메인 빔의 광속각도에 적용될 수 있다.
마이크로렌즈의 비점수차 및 필드 만곡의 보정은 타원형 렌즈의 두 메인 축에 있어 곡률 반경의 적용(신장)에 의해 달성될 수 있고, 그에 의해 포토다이오에 대한 최적의 포커싱이 가능하고, 이는 메인 빔 각도와 왜곡에 대응하는 위치에 대한 오프셋이 된다. 마이크로렌즈 형태는 왜곡에 대응하는 픽셀과 마이크로렌즈의 오프셋으로서 또한 메인 빔의 각도에 대해 따라서 적용될 수 있다. 이미지 필드 좌표에 대응하는 타원형 렌즈의 회전도 메인 빔의 방향으로 두 메인 축의 장축이 확장되게 하는 것이 가능하다. 곡률 반경과 곡률 반경의 비와 리플로우(reflow) 프로세스에서 일정한 포토레지스트 두께를 가진 렌즈의 방향 모두 축 크기 및 축 비율 그리고 렌즈 베이스의 방향을 통해 적용될 수 있다. 결과로서, 전체적으로 더 큰 이미지 크기의 메인 빔 각도가 입사될 수 있으며, 이는 렌즈 디자인의더 큰 자유도를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 카메라 시스템 또는 이미지 센서를 특히 바람직하게 카메라 및/또는 휴대형 전자 장치 및/또는 스캐너 및/또는 이미지 검출 장치 및/또는 모니터링 센서 및/또는 지구 및/또는 행성 센서 및/또는 위성 센서 및/또는 우주 여행 장치 및/또는 센서 배열에 적용한다. 센서 및/또는 카메라 시스템이 높은 컴퓨팅의 복잡성 없이 정확한 이미지를 생성할 수 있으므로, 특히 산업 공장의 모니터링에서의 사용 또는 그 개별적인 부분의 사용이 가능하다. 또한 마이크로로봇에서의 사용은 센서의 작은 크기로 인해 가능하다. 또한 센서는 (마이크로) 내시경에서 사용될 수 있다. 또한 시각적 보조수단으로서 사람의 눈의 영역에서의 사용은 신경 세포에 대한 지능 연결을 통해 가능할 수 있다. 증가하는 이미징 품질로 인해, 본 발명에 따른 이미지 센서 및/또는 본 발명에 따른 카메라 시스템은 데이터 프로세싱 유닛을 통해 최고의 품질의 이미지를 원하는 억세스(access) 그리고 이미지가 실시간으로 이용가능하게 의도되는 모든 필드에 적합하다.
바람직하게, 제1단계로 설계된 또는 이미 제작된 렌즈 시스템의 왜곡이 판단되고, 그 이미지 센서는 렌즈 시스템의 기하학적 왜곡이 감광 표면 및/또는 이미지 센서 유닛에 의해 적어도 부분적으로 보상되게 제작되는 방식으로 이미지 센서 및/또는 카메라 시스템이 제작된다. 이제 렌즈 시스템의 왜곡이 더이상 낮게 될 필요가 없다는 사실의 결과로서, 예를 들어 더 양호한 해상도가 렌즈 시스템의 증가된 복잡성 없이 달성될 수 있다. 따라서 기하학적 왜곡을 가지는 "보통" 렌즈가 이미지 센서에 따라서 보정될 수 있다. 다른 수차도 유사하게 보정될 수 있다.
다른 장점은 다른 종속항 및 병합 항에서 설명된다.
이 결과로 렌즈 시스템, 이미지 센서 및 데이터 프로세싱 유닛에 다양한 수차의 보정을 할당하는 방법을 해결하는 더 나은 가능성을 제공한다.
본 발명은 많은 도면을 참조로 하여 더 상세하게 다음에서 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 본 기술 분야에 따른 이미지 센서 및 빔 경로;
도 2a 및 도 2b는 수차 보정, 특히 기하학적 왜곡의 보정을 위한 어레이를 가지는 본 발명에 따른 이미지 센서의 개략적 표시;
도 2c는 본 발명에 따른 픽셀의 오프셋을 표시한 횡단면;
도 2d는 핀-쿠션형 기하학적 왜곡의 보정을 위한 센서의 횡단면;
도 3은 핀-쿠션형 왜곡을 가지는 이미지 센서;
도 4는 연관 마이크로렌즈, 핀호울 어레이 및 컬러 필터 그리드를 가지는 두 이미지 센서 유닛의 배열;
도 5는 본 발명에 따른 카메라 시스템;
도 6은 원형 마이크로렌즈의 레귤러 어레이의 오른쪽 상단 사분면;
도 7은 왜상(anamorphic) 및/또는 타원형 마이크로렌즈의 처프 어레이의 오른쪽 상단 사분면;
도 8은 수직이고 경사진 광 입사(상부면)를 가지는 구면 렌즈 및 경사진 입사(바닥면)를 가진 타원형 렌즈의 빔 경로 및 스폿(spot) 분포. 입사 방향으로 적용되는 타원형 렌즈로 회절 제한 포커스가 근사 이미지 평면에서 획득될 수 있다;
도 9는 타원형 렌즈의 기하학적 배치를 보이는 도면;
도 10은 구면 렌즈 및 타원형 렌즈에 있어 수직 및 경사 광 입사에 대한 근축 이미지 평면 상의 측정 세기 분포. 서클은 에어리 디스크(Airy Disc)의 지름을 표시.
도 1a 및 도 1b에서 본 기술에 따른 이미지 센서의 구조가 표시된다. 도 1a에서 다수의 센서 유닛을 가지는 이미지 센서(1)에 대한 도면이 보이고, 몇몇의 이미지 센서(2, 2', 2")가 예시로 설명된다. 이미지 센서 유닛은 어레이 형태로 배치되고, 어레이는 노드 포인트(11, 11', 11"의 예로 표시)를 가지고 연결 라인(12)을 따라 X 방향 및 연결 라인(13)을 따라 Y 방향으로 배향된다. 따라서 이미지 센서 유닛(2, 2', 2")은 감광 표면이 이미지 센서 유닛의 중앙에 배치되고 이미지 센서의 중앙은 노드 포인트(11)의 하나에 위치하게 배치된다. 따라서 네트워크는 센서 내 좌표 시스템을 나타낸다. 본 기술에 있어, 두 인접 감광 표면 사이의 간격은 X 방향의 연결 라인과 Y 방향의 연결 라인을 따라 모두 동일하다. 이는 예를 들어 연결 라인(12)을 따라 이미지 센서 유닛(2 및 2')의 감광 표면과 좌측에 인접하게 위치하는 다른 센서 유닛 사이의 간격(40)이 동일하다는 것을 의미한다. 연결 라인(13)을 따르는 이미지 센서 유닛의 감광 표면 사이의 간격(41)은 동일하다. 또한 간격(40 및 41)은 여기서 동일하다. 이는 특히 수평 연결 라인(12)이 서로에 대해 평행하게 위치하며 수직 연결 라인(13)이 서로에 대해 평행하게 위치한다는 것을 의미한다.
중앙에서, 여기에 도시된 이미지 센서(1)는 중앙 영역(5)을 가지고 에지에서 중앙 영역을 둘러싸는 에지 영역(6)을 가진다.
이미지 센서 유닛의 감광 표면은 포토다이오드 또는 검출기 픽셀에 의해 형성된다.
도 1b에서, XZ 평면의 이미지 센서(1)의 도면이 도시된다. 포인트(F)에서 출발하여, 광 빔(15, 15', 15", 15'")이 연결 라인(12)을 따라 모두 배치된 상이한 이미지 센서 유닛(2 및/또는 2, 2', 2", 2'") 상에 입사한다. 이미지 센서 유닛(2)의 중앙에 위치한 두 인접 픽셀(20)의 각 간격(40)은 연결 라인을 따라 동일하다. 이미지 센서 유닛(2)의 감광 표면(20)과 포인트(F) 사이의 거리는 이미지 센서에 할당된 렌즈 시스템의 이미지 거리에 대응한다. 비록 두 인접 픽셀(20) 사이의 간격이 동일하지만, 상이한 각도 세그먼트(segment)는 두 인접 픽셀(20) 사이에서 포함된다. 하지만 이는 가능한 확대 또는 감소와 별도로 이미지가 이미지화되는 대상을 정확하게 재생하기 때문에 이미징에 있어 전혀 중요하지 않다. 도시된 메인 빔(15, 15', 15", 15'")은 이로써 이상적인 메인 빔 즉, 이미징이 왜곡이 없는 빔이 된다.
도 2a, 2b 에서 본 발명에 따른 두 이미지 센서(1', 1")의 연결 라인(12, 13)과 연결 포인트가 개략적으로 도시된다. 이미지 센서 유닛의 감광 표면이 위치한 그 노드 포인트의 간격은 중앙 영역(5)과 에지 영역(6)에서 모두 상이하다. 따라서 두 인접 감광 표면의 간격은 중앙 영역으로부터 에지 영역까지 변하며, 두 픽셀(20) 사이의 간격은 이상적인 메인 빔과 실제 메인 빔 사이의 간격에 정확히 대응하는 보정 조건에 의해 보완되는데, 즉 픽셀은 실제 메인 빔의 위치에 적용된다. 만약 모니터 또는 프린터에 있어 일반적인 경우로서 기록된 이미지 데이터가 등거리 어레이로 표시되면, 이미지는 왜곡이 없다.
포지티브 왜곡의 경우, 에지 영역에서의 두 감광 표면 사이의 간격보다 중앙 영역에서 두 감광 표면 사이의 간격이 더 작기 때문에, 이미지 센서(1')의 어레이의 핀-쿠션형 배열이 제작된다. 이것이 도 2a에 도시된다. 도 2b에 있어, 베럴형 왜곡을 가지는 이미지 센서(1")가 도시되며, 여기서 동일한 연결 라인을 따라 에지 영역에서의 두 감광 표면의 간격보다 중앙 영역에서의 두 인접 감광 표면의 간격이 더 크다.
도 2a 및 2b에 나타난 바와 같이, 두 감광 표면의 간격은 연결라인을 따라 연속적으로 변하지는 않지만, 간격은 중앙 영역에서 등거리이고 에지 영역에서 등거리라는 점과 하지만 중앙 영역과 에지 영역에서의 간격이 상이하다는 점이 고려될 수 있다. 결과로서, 이미지 센서의 에지에서 배타적으로 일어나는 특정 효과는 두 감광 표면의 간격의 복잡한 일정 개선을 전체적으로 고려해야 할 필요없이 보상될 수 있다. 여기서 도시된 이미지 센서의 형태는 직사각형 또는 정사각형이나 또한 원형 또는 다각형이 될 수 있다.
도 2c에 이미지 센서 평면에 이미 있는 기하학적 왜곡의 보정을 가능하게 하기 위해, 단일 픽셀이 어떻게 오프셋되는지가 개략적으로 도시된다. 이상적인 메인 빔(15')과 연관 실제 메인 빔(16')이 도시된다. 이미지 센서 유닛(2')의 픽셀(20)은 실제 메인 빔의 포커스에 위치한다. 픽셀(20)은 현재 간격(V)에 의해 변위되며(실제, 픽셀은 물론 변위되지 않고 상대적인 위치에서 유사하게 배치됨), V는 기하학적 왜곡의 보정 조건이 되고 렌즈 시스템의 이론적 계산 또는 측정으로부터 결정될 수 있다. 비록 픽셀(20)의 오프셋 자체는 유사하게 만족시킬 수 있다 하더라도, 이미지 센서 유닛(2')은 위치(216')에 대해 변위된다. 보정 조건은 기하학적 왜곡의 형태와 연관 광학 렌즈 시스템의 광축(15)으로부터의 간격에 의존한다.
도 2d에서, 도 2a의 이미지 센서(1')의 XZ 평면의 단면이 도시된다. 메인 빔(15)은 포인트(F)로부터 시작하여 이미지 센서(1')의 중앙에 있고 후자에 수직으로 입사한다. 여기에 도시된 실시예에서, 감광 표면(20)은 이미지 센서 유닛(2)의 중앙에 있다. 간격(400, 401, 402, 403 및 404)는 X방향으로 증가함에 따라 증가하는 것이 명백하게 보일 수 있다. 이미지 센서 유닛(2, 2', 2")은 중앙 영역(5)에 할당될 수 있고 이미지 센서 유닛(2'" 및 2"")은 에지 영역(6)에 할당될 수 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 각 픽셀은 연관 실제 메인 빔의 위치에 있어 연관 이상적 메인 빔의 위치로부터 벗어나 배치된다. 연관 이상적 메인 빔은 등거리 어레이 배열에 의해 정해진다. 개별 픽셀의 배열을 위해, 실제 메인 빔은 하지만 픽셀의 비등거리 배열이 생성되도록 사용된다.
이미지 센서의 감광 표면의 하드웨어 배열의 결과로서, 사용되는 렌즈의 왜곡 및/또는 왜곡 경로는 이미지 센서 자체에 미리 통합된다. 결과로서, 근축의 경우에 대해 렌즈로부터 오프셋으로 이미지된 대상 포인트는 대응하는 오프셋 수신 픽셀 상에 또한 이미지화된다. 따라서 대상 포인트와 이미지 포인트 사이의 할당은 정확히 대응되고, 이미지 픽셀 값의 단순 데이터 출력과 배열의 결과로서 왜곡이 없거나 낮은 왜곡 디지털 이미지가 생성된다.
도 3에서, 이미지 센서(1')이 도시되고, 각 개별 센서 유닛(2)은 필링 팩터 증가 마이크로렌즈, 컬러 필터(예를 들어 베이어 배열에서 즉, 인접 검출기 픽셀이 상이한 컬러 필터(레드, 그린, 블루)를 가짐) 및 검출기 픽셀을 포함한다. 이미징을 위해 사용되는 렌즈의 왜곡 보정을 위한 이미지 센서 유닛의 핀-쿠션형 배열은 대략 10% 왜곡을 보정한다. 이에 의한 백분율 기입(date)은 실제 이미지 필드 포인트로부터 이상적 및/또는 근축 이미지 포인트의 편차에 관한 것이고, 이는 이상적 및/또는 근축 이미지 포인트의 좌표에 의해 표준화(standardized)된다.
도 4에서, 본 발명에 따른 이미지 센서의 두 인접하게 위치한 이미지 센서 유닛(2 및 2')이 표시된다. 이미지 센서 유닛은 각각 마이크로렌즈(30 또는 30')을 가지고, 개별적으로 도 3의 다른 모든 이미지 센서 유닛과 조합되어 그리드로 배치가능하며 따라서 왜곡된 마이크로렌즈 구조가 생성되도록 서로에 대해 이미지 센서 유닛의 상이한 간격을 유사하게 이미지화한다. 동일한 것이 컬러 필터(31 또는 31')에 각각 적용되고, 이는 유사하게 그리드 또는 왜곡 그리드로서 배치될 수 있다.
마이크로렌즈(30, 30') 및/또는 마이크로렌즈 어레이의 도움으로, 필링 팩터의 증가가 달성될 수 있어 이미지 센서 유닛 내 감광 표면의 필링 팩터가 대략 50% 크기 정도가 될 수 있지만 그럼에도 불구하고 이미지 센서 유닛에 입사하는 거의 모든 광은 포토다이오드의 집속에 의해 전기 신호로 전환될 수 있다. 또한, 핀홀(32 또는 32')이 각각 이미지 센서 유닛(2 또는 2') 상에 위치하고, 핀홀의 후퇴부에 감광 검출 유닛(20 또는 20')이 각각 배치된다. 인접하게 위치하는 감광 표면(20 또는 20')의 간격이 각각 중앙 영역으로부터 에지 영역까지 변하도록 하지만 두 인접 이미지 센서 유닛 사이의 간격(50)은 일정하도록 핀홀(32, 32')을 가지는 핀홀 어레이가 배치될 수 있다.
필링 팩터를 증가시키는 마이크로렌즈 어레이의 개별적인 마이크로렌즈(30, 30')의 기하학적 배치는 각 렌즈 시스템에 의해 포커싱되는 메인 빔의 광속 각도에 적용된다; 이것은 연결 라인을 따른 마이크로렌즈의 곡률 반경의 변화 및/또는 서로에 대해 두 메인 축 X 및 Y에서 단일 마이크로렌즈의 곡률 반경의 비의 변화에 의해 일어나고, 하나의 마이크로렌즈 내 두 곡률 반경은 연결 라인을 따라 어레이에 걸쳐 변화할 수 있고 마이크로렌즈는 비회전 대칭 성질일 수 있다. 마이크로렌즈에 의해, 예를 들어 비점수차 또는 필드 만곡이 타원형 마이크로렌즈의 형성으로 두 메인 축의 곡률 반경에 대응한 적용에 의해 보정될 수 있다. 따라서 메인 빔 각도에 대응하는 이미지 센서 유닛의 중앙으로부터 오프셋되는 포토다이오드(20) 상의 최적의 포커싱이 따라서 달성될 수 있다. 포토다이오드의 오프셋은 이에 의해 결정적이지 않고 메인 빔의 각도에 대한 마이크로렌즈의 형태 적용이 될 수 있다. 또한, 타원형으로 처프 마이크로렌즈의 정합은, 곡률 반경과 곡률 반경의 비가 축 크기 및 축 비율과 마이크로렌즈 베이스의 방향에 의해 배타적으로 조정되어, 합리적이다. 상기 방식으로 가능하게 더 큰 이미지 측 메인 빔 각도가 입사될 수 있다. 이미지 센서 평면의 다른 수차가 마이크로렌즈의 도움으로 보정될 수 있으므로 렌즈 디자인에 대한 더 큰 자유도가 가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 핀-쿠션형 왜곡의 경우, 이미지 센서 유닛 및/또는 이미지 센서 유닛의 감광 표면은 외부를 향해 더 커질 수 있고 및/또는 에지 영역에서만 작은 필링 팩터를 가질 수 있다. 렌즈의 핀-쿠션형 왜곡 또는 베럴형 왜곡이 존재하는 지 여부는 렌즈 시스템의 전체 구조에서 개구 조리개의 위치에 의해 증명된다. 개구 조리개는 임계(crucial) 렌즈 사이에 위치하도록 바람직하게 배치되어야 하며, 이는 이미지 센서의 에지 영역에서만 감소된 필링 팩터를 가지기 위해 핀-쿠션형 왜곡이 생성되도록 예를 들어 더 큰 굴절률(refractiv power)을 가지고 및/또는 광학 메인 평면과 이미지 센서 사이에 존재하는 렌즈일 수 있다. 이미지 센서 유닛 내 포토다이오드의 크기는 필링 팩터를 가능한 확장시키기 위해 어레이를 통해 개량될 수도 있다. 마이크로렌즈의 크기는 대응하여 개량될 수도 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서의 경우 및/또는 본 발명에 따른 카메라의 경우, 감광 표면, 즉 포토다이오드가 기하학적 왜곡을 보상하기 위해 서로에 대해 그 간격이 변하는 것이 중요하다. 각 포토다이오드가 이미지 센서 유닛의 중앙 또는 외부에 위치하는지는 기하학적 왜곡 보상 중 동일 값이 된다. 이미지 센서 유닛의 간격을 서로에 대해 변화시킬 때, 결과적으로 얻어지는 간격은 작동하는 감광 포토다이오드의 표면을 증가시키는데 사용될 수 있고, 이는 에지 영역에서 자연적 비네팅(vignetting)의 감소를 가져온다.
도 5에서, 왜곡 보정을 가진 이미지 센서(1')이 도시되며, 그 이미지 센서는 이미징 렌즈 시스템(100)과 연결되게 배치된다. 여기에 도시된 렌즈 시스템은, 기하학적 왜곡이 이미지 센서(1')에 완전히 통합되었기 때문에 기하학적 왜곡 보상이 필요하지 않다. 렌즈(1000)는 렌즈 시스템(100) 내 최고의 굴절률을 가지는 렌즈이고 따라서 렌즈 시스템의 메인 평면의 위치를 결정적으로 정의한다. 개구 조리개(101)은 렌즈 시스템(101)의 전면에 정합되어 베럴형 왜곡이 일어난다.
존재하는 컬러 필터 그리드로 인해, 컬러 정보는 비점수차 또는 필드 만곡이 적어도 부분적으로 이미 이미지 센서 평면에서 보정된 마이크로렌즈 그리드에 의해 기록될 수 있다. 따라서 렌즈(1000 및 1001)의 디자인의 자유도는 이용가능하며, 이는 다른 수차, 예를 들어 코마 또는 구면 수차에 적용될 수 있다. 이미지 센서(1')의 정보는 왜곡이 없는 렌즈 이미지가 큰 메모리 또는 컴퓨팅 시간 소모 없이 관찰자에게 이용가능할 수 있게 하는 데이터 프로세싱 유닛(200)에 데이터 연결 라인(150)를 통해 전달된다. 이미지 센서(1')는 렌즈 시스템(100)으로 조직되므로, 이미지 센서는 렌즈 시스템의 메인 빔 경로에 대응하게 앞서 방향이 정해져야 한다. 메인 빔 각도의 경로에 대한 적용을 위해, 대응하게 오프셋 필링 팩터가 증가하는 마이크로렌즈(도 4에 도시된 예에서 설명된 대로)는, 최적의 포커싱을 위해 그 형태가 변형되며, 이미지 센서에 사용되고, 이는 사용되는 렌즈 시스템의 메인 빔 각도의 경로에 대해서도 적용될 수 있다. 따라서 그 이미지 센서 배열이 이미지화되는 렌즈의 이미지 서클(circle)에 영향을 받을 뿐만 아니라 이미지 센서 및/또는 마이크로렌즈의 파라미터가 증가하는 필링 팩터에 대한 광선 의존을 가지므로, 렌즈와 이미지 센서의 중심은 결정적이다.
이미지 센서의 다른 배치 가능성은 곡면 표면 상에 이미지 센서를 정합시키는 것이다. 상기 방식으로, 현재 모든 감광 표면이 최고의 굴절률을 가지고 렌즈의 중앙으로부터 일정 거리를 가지기 때문에, 필드 만곡이 보정될 수 있다. 또한 복잡한 렌즈 시스템의 중심으로부터의 일정 거리는 가능하지만 그 계산에 있어 보다 복잡할 수 있다. 하지만 곡면 표면 상의 이미지 센서의 배열은 어려움 없이 달성될 수 있다. 유사하게 감광 유닛이 적용되는 이미지 센서의 기판은 대응하는 곡률을 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 예를 들어 포토다이오드는 에지를 향한 왜곡에 의해 얻어지는 간격의 추가 사용을 위해 변동되는 크기를 가질 수 있다. 횡적 컬러 에러는 예를 들어 이미지 센서 상에서 검출기 픽셀 상의 컬러 필터의 배열에 의해 보정될 수 있으며, 이는 렌즈 시스템의 횡적 컬러 필터에 대해 대응하여 적용되며, 또는 컬러 픽셀 신호의 계산에 의해 보정될 수 있다. 상기 이미지 센서는 예를 들어 곡면으로 배치될 수도 있다.
이미지 센서는 예를 들어 웨이퍼 스케일 상에 제작되는 이미지 센서일 수 있고, 예를 들어 모바일 텔레폰 카메라에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 카메라 모듈의 제작에 있어, 렌즈 시스템과 이미지 센서는 함께 디자인될 수 있다. 또한 예를 들어 타원형으로 처프된 마이크로렌즈는 사용 각도에 적용되는 픽셀 내 포커싱에 응용될 수 있다. 상기 목적을 위해, 예를 들어 마이크로렌즈의 곡률 반경이 타원형의 두 메인 축 방향으로 변화될 수 있다. 또한 예를 들어 타원 렌즈의 회전은 이미지 필드 좌표에 대응하여 가능하다.
또한 굴절 마이크로렌즈의 처프 어레이는 바람직한 실시예에 따라 사용될 수 있다. 서로에 대해 일정 간격을 가지는 동일 렌즈를 포함하는 표준 마이크로렌즈 배열과 대조적으로, 처프 마이크로렌즈 어레이는 유사하지만 상이한 렌즈로부터 구축될 수 있다. 레귤러 어레이의 고정된 기하학적 배치로부터의 분리는 응용을 위한 최적화된 광학 파라미터를 가지는 광학 시스템을 가능하게 하는데, 즉 디지털 이미지 기록에 있어 필링 팩터를 증가시킬 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 레귤러 마이크로렌즈 어레이(rMLA)는 몇 가지만 언급하자면, 빔 형성을 위한, 디지털 포토그라피(증가하는 필링 팩터)를 위한 센서 기술에서 그리고 광 전자에서 다양한 방식으로 사용된다. 이는 다수의 렌즈, 일정하게 반복되는 유닛 셀의 기하학적 배치 및 직접 이웃에 대한 간격-피치(pitch)에 의해 완벽하게 설명될 수 있다. 많은 경우, 어레이의 개별 셀은 상이하게 사용되고, 하지만 이는 rMLA의 디자인에 고려될 수 없다. 광학 디자인에서 발견되는 어레이의 기하학적 배치는 따라서 조정 해법으로만 나타난다.
일정 간격을 가지는 동일 렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이에 대조되게, 처프 마이크로렌즈 어레이(cMLA)는, 도 7에 도시된 예와 같이, 그 작업에 개별적으로 적용되고 파라메트릭 설명(parametric description)에 의해 정의되는 셀을 포함한다. 요구되는 파라미터의 수는 렌즈의 구체적 기하학적 배치에 의존한다. 셀 정의는 분석 함수(analytical function), 수치 최적화 방법 또는 둘의 조합에 의해 획득될 수 있다. 모든 처프 어레이의 경우, 함수는 어레이의 각 셀의 위치에 의존한다.
처프 마이크로렌즈의 바람직한 응용은 변하는 경계 조건에 대해 반복 배열된 광학 함수의 채널폭(channel-wise) 최적화이다.
CCD 또는 CMOS 이미지 전환기는 일반적으로 평면적이고, 선행 이미징 렌즈 시스템은 전형적으로 텔레센트릭(telecentric)이 아니며, 즉 메인 빔 각도가 이미지 필드 에지를 향해 증가한다. 오프셋은 렌즈 사이의 입사각에 의존하고, 이에 의해 전형적으로 수신기는 각 픽셀이 선행 렌즈 시스템의 상이한 메인 빔 각도(에지를 향해 증가함)를 가지는 광을 기록할 수 있도록 보증한다.
개별 렌즈가 광축 상에 더 이상 위치하지 않는 방향으로부터 이미지화하기 때문에, 3차 수차, 예를 들어 비점수차, 곡률 만곡 및 코마가 일어나는데, 이는 포토다이오드의 마이크로렌즈의 이미징 품질을 손상시키므로 포토다이오드로 전송되는 광의 부대 품질을 감소시킨다(→양자 효율 및/또는 단순히 휘도에서의 감소)(도 8). 바람직하게 각 마이크로렌즈는 1°이하로 특히 바람직하게 매우 작은 개구 각도로 전송하여, 효율적인 수차 보정이 렌즈의 개별 적용으로 가능하다. 바람직하게, 포토레지스트(photoresist) 용융(melting)(리플로우: reflow)가 굴절 MLA의 제작에 적합하며, 이에 의해 매우 평활한 표면을 가지는 렌즈가 제작된다. 마스크를 통해 조명되는 포토레지스트의 현상(development) 후에 결과인 실린더가 용융된다. 표면 응력(tension)의 효과의 결과로서, 이는 원하는 렌즈 형태를 만든다.
렌즈에 지배적인 이미지 에러, 비점수차 및 곡률 만곡은 왜상(anamorphic) 렌즈의 사용에 의해 효과적으로 보정될 수 있다. 예를 들어 리플로우에 의해 제작될 수 있는 타원형 렌즈와 같은 왜상 렌즈는 상이한 단면 경로에서 상이한 표면 곡률을 가지고 따라서 초점 거리도 상이하다. 탄젠셜 및 새지탈 단면에서의 초점거리를 적용함으로써, 제이 두파레(J. Duparre), 에프 비퍼만(F. Wippermann), 페 단버그(P. Dannber), 아 라이만(A. Reimann)의 "경사 입사 하에서 수차 보정을 위한 굴절 타원형 마이크로렌즈의 처프 어레이(Chirped arrays of refractive ellipsoidal microlenses for aberration correction under oblique incidense)"(Optics Express Vol. 13, No. 26, p.10539-10551, 2005)에서 도시된 것과 같은, 대응되는 수정된 걸스트란드(Gullstrand) 방정식, 비점수차 및 곡률 만족의 초점 간섭차가 각 각도에 대해 개별적으로 보상될 수 있고, 최종적으로 회절 제한 초점이 고려되는 채널의 공간 필드 각도에 대해 달성될 수 있다(도 8).
고정된 기하학적 그리드 내 동일한 렌즈를 포함하는 레귤러 마이크로렌즈(rMLA)에 대조적으로, 렌즈의 개별 적용은 따라서 유사하지만 동일하지는 않은 셀을 포함하는 어레이 베열로 이끈다. 따라서 보정된(처프) cMLA는 광 이미징을 최적화할 수 있다.
cMLA는 분석적으로 유도되는 방정식에 의해 정의되고 대응하는 파라미터의 적용으로 디자인된다. 타원형 렌즈의 기하학적 배치와 위치는 도 9에 도시된 바와 같이, 다섯 개의 파라 미터(x 및 y 방향으로 중심 좌표, 새지탈 및 탄젠셜 방향으로 곡률 반경, 배향 각도)를 참조하여 완벽하게 설명될 수 있다. 결과적으로 분석적으로 완전하게 유도될 수 있는 다섯 함수는 전체 어레이를 설명하는데 요구된다. 따라서 모든 렌즈 파라미터는 극히 신속하게 계산될 수 있다.
왜상 렌즈의 수차 보정 효과는 도 10에서 관찰될 수 있다: 구면 렌즈는 수직 입사에 회절 제한 스폿을 생성한다. 경사 입사에서, 근축 이미지 평면 내 포커스는 비점수차와 곡률 만곡의 결과로서 크게 소멸할 것이다. 타원 렌즈의 경우, 수직 입사에서, 확대된 스폿이 탄젠셜 및 새지탈 단면에서 상이한 곡률 반경의 결과를 낳는다. 여기서 32°인 디자인 각도로 입사하는 광은 근축 이미지 평면에서 회절 제한 스폿을 생성한다. 채널폭 수차 보정을 가지는 cMLA는 심지어 선행 이미징 렌즈 시스템의 큰 메인 빔 각도에 있어서도, 마이크로렌즈를 통해 포토다이오드로 가는 광 커플링(coupling) 의 향상을 가능하게 하고 따라서 소위 "쉐이딩(shading)"을 감소시킨다.
1, 1' : 이미지 센서
2, 2', 2", 2"', 2"" : 이미지 센서 유닛
5: 중앙 영역
6: 에지 영역
12 : 수평 연결 라인
13: 수직 연결 라인
15: 광축
20', 20" : 노드 포인트
30, 20' : 마이크로렌즈
100 : 이미징 렌즈 시스템

Claims (34)

  1. 실질적으로 어레이-유사 배열 내 다중 이미지 센서 유닛(2)을 가지고, 상기 이미지 센서 유닛의 감광 표면(20)의 중심은 서로에 대해 간격을 가지는 노드 포인트이며, 상기 노드 포인트를 연결하는 수평(12)과 수직(13) 연결 라인과 함께 상기 노드 포인트는 2차원 네트워크를 연결하고, 상기 어레이-유사 배얼은 중앙 영역(5)과 에지 영역(6)을 가지며, 상기 중앙 영역(5)과 상기 에지 영역(6)은 적어도 하나의 연결 라인(12, 13)을 따라 서로 연결되는 이미지 센서(1)로서,
    상기 어레이-유사 배열의 두 인접 노드 포인트(20, 20', 20")의 각 간격은 상기 중앙 영역과 상기 에지 영역 중의 적어도 하나의 연결 라인을 따라 상이하고 및/또는 제2연결 라인에 대한 간격은 상기 네트워크가 비등거리 그리드를 형성하도록 상기 중앙 영역으로부터 상기 에지 영역까지 변하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 어레이-유사 배열의 두 인접 노드 포인트(20, 20', 20")의 각 간격은 상기 중앙 영역으로부터 상기 에지 영역까지 적어도 하나의 연결 라인을 따라 일정하게 변하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 어레이-유사 배열의 두 인접 노드 포인트(20, 20', 20")의 각 간격은 기하학적 왜곡을 보상하기 위해 상기 중앙 영역으로부터 상기 에지 영역까지 적어도 하나의 연결 라인을 따라 변하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레이-유사 배열의 연결 라인(12, 13)은 직사각형 그리드를 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레이-유사 배열의 적어도 하나의 연결 라인(12, 13)은 파라미터화된 곡선으로 표시될 수 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 어레이-유사 배열의 연결 라인(12, 13)은 곡선 그리드(1', 1")를 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 어레이-유사 배열의 인접 노드 포인트(20, 20', 20")의 각 간격은 상기 어레이의 중앙 포인트에 대한 간격의 함수로서 방사상으로 대칭적으로 및/또는 실질적으로 상기 중앙 영역으로부터 상기 에지 영역까지 변하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에지 영역(6)은 상기 중앙 영역(5)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다중 이미지 센서 유닛(2)은 하나의 기판 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 유닛(2)은 광전 및/또는 디지털 유닛인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감광 표면(20)은 각각 이미지 센서 유닛(2)의 중심에 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    두 인접 이미지 센서 유닛(2, 2')의 간격은 각각 불변하고, 감광 표면(20, 20')에 인접한 이미지 센서 유닛을 제외하고 적어도 연결 라인(12, 13)을 따르는 간격은 상이한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  13. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감광 표면(20)은 포토다이오드 또는 검출기 픽셀이고, 바람직하게는 CMOS, CCD 또는 오가닉 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  14. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감광 표면(20)은 직사각형 또는 정사각형 또는 육각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  15. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 이미지 센서 유닛(2)은 마이크로렌즈(30)를 가지고 및/또는 다중 이미지 센서 유닛(2)은 마이크로렌즈 그리드로 덮혀 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈(30) 또는 상기 마이크로렌즈 그리드는 필링 팩터를 증가시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈(30. 30')는 이미징 렌즈 시스템의 메인 빔 각도의 경로에 대한 적용을 위해 감광 표면(2, 2')에 대해 오프셋인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마이크로렌즈(30. 30')는 타원형 마이크로렌즈의 두 메인 축에 있어 상이한 곡률반경을 가지는 타원형 마이크로렌즈이고, 상기 마이크로렌즈는 상기 메인 축의 장축이 상기 마이크렌즈에 입사하는 이미징 렌즈 시스템의 메인 빔의 투사 방향으로 연장되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 타원형 마이크로렌즈는 타원형 처프 마이크로렌즈이고, 최적의 포커싱을 위해 각 위치에서 우세한 조건에 대해 가변 파라미터에 대해 최적으로 적합하게 적용되도록 상기 어레이에 대해 파라미터를 변화시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마이크로렌즈(30, 30')는 필링 팩터를 증가시키기 위해 감광 표면의 각 간격에 대해 상기 어레이에 대한 그 크기를 다양하게 적용시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  21. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 유닛의 적어도 일부의 감광 표면은 상이한 크기를 가지고, 바람직하게는 상기 표면의 크기는 상기 중앙 영역으로부터 상기 에지 영역까지의 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  22. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이미지 센서 유닛은 컬러 이미지 기록을 위한 컬러 필터를 가지고, 바람직하게는 세 가지 기본 컬러를 가지며 및/또는 상기 다중 이미지 센서 유닛은 컬러 필터 그리드에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  23. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컬러 필터는 상기 마이크로렌즈의 횡적 컬러 에러가 보정될 수 있도록 배치되고, 및/또는 상기 컬러 필터가 베이어 패턴 및/또는 통상의 데모사이싱으로부터 벗어나도록 배치되며, 공지된 횡적 컬러 에러는 이미지 프로세싱 알고리즘에 의해 이로부터 계산될 수 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  24. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 필드 만곡이 보정될 수 있도록, 바람직하게는 상기 이미지 센서 유닛 및/또는 상기 감광 표면이 오가닉 포토다이오드를 가지거나 오가닉 포토다이오드가 되도록 곡면 표면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  25. 선행하는 항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서(1')를 가지는 카메라 시스템으로서,
    적어도 하나의 렌즈(1000, 1001)을 가지는 이미징 렌즈 시스템(100)이 존재하고, 그 이미지 평면에 상기 이미지 센서가 배치되는 것을 특징으로 카메라 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    렌즈 시스템(100)의 기하학적 왜곡을 보정하기 위해, 바람직하게는 핀-쿠션형 기하학적 왜곡을 보상하기 위해, 두 노드 포인트(2, 2', 2")의 간격은 각각 상기 이미지 센서 유닛의 어레이-유사 배열의 적어도 하나의 연결 라인(12, 13)을 따라 변하는 것을 특징으로 하는 카메라 시스템.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    개구 조리개가 상기 이미지 센서(1', 1")과 상기 이미징 렌즈 시스템(100) 사이에, 바람직하게는 상기 렌즈 시스템의 상기 이미지 센서와 메인 평면 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 카메라 시스템.
  28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카메라 시스템은 웨이퍼 상에 제작되는 것을 특징으로 하는 카메라 시스템.
  29. 제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    카메라 및/또는 휴대가능한 전자통신 장치 및/또는 스캐너 및/또는 이미지 검출 장치 및/또는 모니터 센서 및/또는 지구 및/또는 행성 센서 및/또는 위성 센서 및/또는 우주 여행 장치 및/또는 의학 또는 로봇 센서 배열에 사용되는 것을 특징으로 하는 카메라 시스템.
  30. 사용되는 렌즈 시스템의 왜곡을 보정하도록 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서 또는 제25항 내지 제29항에 따른 카메라 시스템을 제작하는 방법으로서,
    a)설계된 또는 이미 제작된 이미징 렌즈 시스템(100)의 왜곡을 판단하는 단계(100);
    b)상기 이미징 렌즈 시스템(100)의 기하학적 왜곡이 상기 이미지 센서 유닛(2)의 감광 표면(20)의 배열에 의해 적어도 부분적으로 보상되는 이미지 센서를 제작하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 제작 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 이미징 렌즈 시스템(100)의 디자인에 있어, 상기 기하학적 왜곡의 보상이 이미지 센서(1', 1")에 의해 고려되는 것을 특징으로 하는 제작 방법.
  32. 제30항 또는 제31항에 있어서,
    상기 이미지 센서(1', 1")는 이미징 렌즈 시스템(100)에 의해 기능 유닛에 연결되고, 상기 렌즈 시스템은 색수차 및/또는 비점수차 및/또는 코마 및/또는 구면 수차 및/또는 필드 만곡을 보정하기 위해 평균 이상의 보정을 가지고 기하학적 왜곡은 상기 이미지 센서에 의해 보정되는 것을 특징으로 하는 제작 방법.
  33. 제30항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 이미징 렌즈 시스템 및/또는 이미지 센서의 제작 및 설계 중에 적용되고, 상기 방법은 웨이퍼 스케일로 제작되는 카메라에 바람직하게 사용되는 것을 특징으로 하는 제작 방법.
  34. 제30항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미징 렌즈 시스템 및 상기 이미지 센서는 함께 디자인되고 및/또는 설계되는 것을 특징으로 하는 제작 방법.
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