KR20130009963A - 이미징 시스템 - Google Patents

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KR20130009963A
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light
optical
crystal element
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KR1020127022820A
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Inventor
링리 왕
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요스. 쉬나이더 옵티쉬 베르케 게엠베하
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Abstract

본 발명은 이미지 센서(112)에 대상물을 촬상하기 위한 이미징 시스템(100)에 관한 것이며, 상기 이미징 시스템은 대상물로 향해 있는 정면(102)과 대상물의 반대 방향으로 향해 있는 배면(104)을 포함하며, 이 배면은 대상물에서부터 관찰할 때 정면(102)의 뒤쪽에 배치된다. 또한, 이미징 시스템(100)은 정면(102)에 광 입사 장치(200)를 포함하며, 이 광 입사 장치를 통해서는 대상물로부터 유출되는 광이 이미징 시스템(100) 내로 입사될 수 있다. 이때 광은 대상물과 이미지 센서(112) 사이의 빔 경로(120)를 통과한다. 마찬가지로 하나 이상의 제1 및 제2 광학 소자(114, 202)도 제공되며, 이들 광학 소자는 빔 경로(120)에 영향을 미칠 수 있는 방식으로 배면에 배치된다. 광 입사 장치(200)는, 각각의 전기 개폐 상태에 따라, 빔 경로(120; 204)를 하나 이상의 제1 각도(322)와, 이 제1 각도와 상이한 제2 각도(324)로 편향시키는 전기 개폐식 액정 소자(300)를 포함한다. 이처럼 전기에 의해 발생하는 빔 경로(120, 204)의 변경을 통해서는 개별 전환식 초점 거리 변경이 실현된다.

Description

이미징 시스템{IMAGING SYSTEM}
본 발명은 이미지 센서 상에 대상물을 촬상하기 위한 이미징 시스템에 관한 것이다.
특히 이동 무선 장치(휴대폰)를 위한 광학 모듈의 개발 시 경향은 점차 매우 편편한 디자인의 방향으로 가고 있다. 이 경우, 목표하는 빔 경로(beam path)를 실현하고 이미지 센서 상에서 이미지를 생성하기 위해, 선택된 굴절, 회절, 투과 또는 반사 특성을 갖는 다수의 광학 소자들이 서로 조합되는 구성이 점차 바람직해지고 있다[도 1; 또는 예컨대 J. Jahns: "집적 광학 이미징 시스템(Integrated optical imaging system)", 응용 광학(Appl. Opt.) 29(1990) 1998 참조].
그러나 가능한 한 편편한 모듈의 구성에 대해 설정되는 지속적으로 증가하는 요건은 특히 초점 거리의 가변성과 관련하여 지금까지 이용되어 오고 있는 장치 및 시스템을 제한하고 있다.
본 발명의 목적은, 이미지 센서 상에 대상물을 촬상하기 위한 이미징 시스템에 있어서, 2가지 이상의 초점 거리의 실현과 조합되는 매우 편편한 디자인을 포함하는 상기 이미징 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기 목적은 독립 청구항의 특징들을 포함하는 본 발명에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 개선 실시예들은 종속항들에 그 특징과 관련하여 기재되어 있다. 특허청구범위 전체의 어의(語義)는 본원으로써 참조를 통해 본 명세서의 내용에 포함된다. 또한, 본 발명은 독립 및/또는 종속 청구항들의 적절한 모든 조합 구성, 특히 언급한 모든 조합 구성도 포함한다.
하기에는 이미징 시스템이 더욱 상세하게 설명된다.
본 발명에 따라 이미지 센서 상에 대상물을 촬상하기 위한 이미징 시스템이 제안된다. 광은, 자체에 하나 이상의 수동형 및/또는 능동형 광학 컴포넌트가 장착되어 있는 투명 캐리어를 통해, 대상물과 이미지 센서 사이의 빔 경로를 모두 통과한다. 상기 광학 컴포넌트들의 목적은, 입사 렌즈에서부터 센서에 이르는 광학 경로를 변경(전환)하는 것을 통해 시스템의 광학 초점 거리를 연속적으로 또는 불연속적으로 조정할 수 있도록 하는 것에 있다.
이미징 시스템 내에서 광은 광학 소자들의 공간 배치 구조에 의해 편향된다. 광의 편향은 예컨대 아래와 같은 다양한 광학 효과를 활용하는 광학 소자들에 의해 달성된다.
- 굴절(Refraction, 광이 매질 간 경계면을 수직 방향으로 통과하지 않는 점에 한해서 투명 매질로부터 또 다른 매질 내로 향하는 광의 방향을 변경한다),
- 회절(Diffraction), 및
- 반사(Reflection, 상이한 광학 특성을 갖는 2개의 매질 사이의 경계면에서 광이 부딪힐 경우 그 광을 되돌려보낸다).
광학 소자들은 렌즈, 거울, 격자, 홀로그램일 뿐 아니라, 목표하는 빔 경로에 적합하고 광학 특성을 갖는 여타의 소자들일 수 있다.
빔 경로의 끝단에, 즉 대상물이 소자들에 의해 촬상되는 이미지 평면에 이미지 센서가 위치한다. 이 이미지 센서는 일반적으로 CCD 또는 CMOS 타입의 센서로서 형성된다.
이미징 시스템은 대상물로 향해 있는 정면과 대상물의 반대 방향으로 향해 있는 배면을 포함하며, 배면은 대상물에서부터 관찰할 때 정면의 뒤쪽에 배치된다.
정면에는 광 입사 장치(light entrance device)가 위치하며, 이 광 입사 장치를 통해서는 대상물로부터 유출되는 광이 이미징 시스템 내로 입사될 수 있다. 상기 광 입사 장치는 예컨대 평면 또는 만곡 표면으로서, 렌즈계로서, 회절 광학 소자로서 형성될 수 있다. 마찬가지로 상기 소자들은 광학 능동형 또는 수동형일 수 있다.
또한, 이미징 시스템은 하나 이상의 제1 및 제2 광학 소자를 포함한다. 이들 광학 소자는 빔 경로에 영향을 미칠 수 있는 방식으로 이미징 시스템의 배면에 배치된다.
광 입사 장치는 전기 개폐식 액정 소자를 포함하며, 이 액정 소자는 각각의 전기 개폐 상태에 따라 빔 경로를 하나 이상의 제1 각도와 이 제1 각도와 상이한 제2 각도로 편향시킨다.
이때 빔 경로는 제1 각도의 조건에서 배면에 위치한 제1 광학 소자에 부딪히고 제2 각도의 조건에서는 배면에 위치한 제2 광학 소자에 부딪힌다.
전기 개폐식 액정 소자는 이미징 시스템의 2가지 이상의 초점 거리를 실현하는 역할을 한다. 상이한 초점 거리의 설정은 제안되는 해결 방법의 경우 광 입사 장치를 통과할 때 빔 경로의 변경(편향)에 의해 이루어진다. 이때 빔 경로는 이미징 시스템 내에 배치된 광학 소자들 중 각각 또 다른 광학 소자들을 통해 진행되도록 변경되는데, 다시 말하면 각각 목표하는 빔 경로 또는 각각 목표하는 초점 거리를 위해 그에 적합한 광학 소자들이 이용된다. 요컨대 방향이 변경되면서, 한편으로 광학 경로 길이가 변경되고 다른 한편으로는 빔 경로에 추가적인, 또는 새로운 광학 소자들이 "포함(inclusion)"된다.
시스템의 내부에서 구체적인 빔 경로는 얼만큼 많은 수의 광학 소자가 빔 경로에 배치되는지에 따라 결정되고 상기 광학 소자들의 고유의 광학적 특성에 의한 영향을 받게 된다. 정면에서도 복수의 광학 소자에 의해서 촬상 품질이 영향을 받거나 향상될 수 있다. 빔들은 빔 경로를 따라 다양한 광학 소자를 통과한다. 이 경우 빔들은 대개 정면과 배면에서 교호적으로 반사되며, 그럼으로써 빔 경로의 "접힘(folding)"이 실현된다.
광 입사 장치의 전기 개폐식 액정 소자를 형성하는 가능성은, 액정 소자 내에서, 전기 구동 장치에 의해, 액정 분자들이 질서화되어 배향되어 있는 액정 영역들의 주기적인 격자가 형성될 수 있도록 상기 액정 소자를 구성하는 것에 있다. 그럼으로써 입사광은 각각의 개폐 상태에 따라 소정의 각도로 편향될 수 있고, 소정의 초점 거리에 상응하는 사전 결정된 빔 경로를 취할 수 있다.
격자에서 회절 효과를 바탕으로 상기 접근법은 단색 광에 대해 가장 적합한 기능을 발휘한다. 따라서, 유색 광에 대해서는, 예컨대 제2 회절 격자를 통해, 또는 굴절 소자(예: 프리즘)에 의해서도 회절 격자의 분산을 보상할 필요가 있다.
단색 광(그리스어: mono-chromos - "단일 색")은 가능한 한 정확하게 정의되는 파장을 갖는 광 빔이다. 단색 광의 색 자극(color stimulus)은 대개 스펙트럼 색으로서 지칭된다. 단색 광은 다양한 방식으로 생성될 수 있으며, 예컨대 단색 광은 스펙트럼 분포를 갖는 다색 광으로부터 필터링될 수 있다. 단색 광의 대역폭은 가능한 한 작아지긴 하지만, 결코 완전하게 사라지지는 않는다.
액정은, 한편으로 액체와 같은 액상이지만, 다른 한편으로 결정(crystal)과 같이 방향에 따른 (이방성) 물리적 특성을 보유하는 물질이다. 이처럼 유체성과 이방성의 특별한 조합은 특히 액정 스크린을 위해 액정에 대한 기술적 측면의 관심도를 증가시키고 있지만, 점차로 광학 소자, 예컨대 액정 렌즈에서의 이용에 대해서도 그 관심도가 증가하고 있다. 액정은, 일반적으로 적합한 용매에, 흔히 예컨대 물에 용해된 상태에서 자체의 특성을 발휘한다. 대부분의 액정은 광학적으로 복굴절성이다.
광학에서는 통상적으로 열방성 액정이 이용된다. 이런 열방성 액정은 소정의 물질을 가열할 때 용융 시에 고체 상과 액체 상 사이의 중간 상(mesophase)으로서 발생한다. 상기 유형의 물질은 온도가 증가함에 따라 연속해서 다수의 상이한 액정 상을 형성할 수 있으며, 이들 액정 상은 자체의 미세 구조와 자체의 거대 모습에 의해 분명하게 서로 구분되며, 그에 따라 구분되는 액정 상은 예컨대 하기와 같다.
- 네마틱 상(nematic phase),
- 스메틱 상(smectic phase),
- 주상(columnar phase).
네마틱 상은 가장 단순한 타입의 액정 상이다. 네마틱 상은 대개 신장된 시가(cigar)형 분자를 함유하는 시스템으로 형성된다. 이런 상 내에서 상기 분자들은 이른바 방향자(director), 즉 방향의 단위 벡터와 관련한 배향의 질서를 보유한다. 그 결과에 따른 우선 배향(preferred orientation)은 일반적으로 적은 용적에 대해서만 일정하다. 적은 용적의 우선 배향은 통계적으로 분포된다. 결코, 긴 범위 질서(long-range order)는 발생하지 않는다. 거대 단위(macroscopic scale)에서는 등방성 분포가 존재하는 것으로 나타난다.
일반적으로 액정 분자의 질서도와 이와 결부되는 배향의 긴 범위 질서는 온도가 증가함에 따라 감소한다. 그에 상응하게 예컨대 굴절률과 같은 물리적 특성은 온도에 따라 결정된다.
그러나 네마틱 상의 분자들은 전계에 의해 배향된다. 그럼으로써 적은 용적 내 우선 방향은 동일한 방향으로 배향되며, 그럼으로써 거시적 이방성 질서가 발생한다. 이런 전계 유도형 배향은 온도의 변화 없이, 다시 말하면 네마틱 상의 내부에서 온도 유도형 상 전이 없이 이루어진다.
거시적으로 질서화된 상에서 분극 방향에 대한 굴절률은 액정의 분자들의 배향에 대해 평행하게 상승된다. 배향에 대해 수직으로 분극화된 광은 차단되거나 강하게 흡수된다.
전기 회로 장치에 의한 액정 분자들의 목표 되는 배향과 그에 따른 굴절률의 변경은 액정 소자에 전극들을 장착하는 것에 의해 이루어진다. 상기 전극들은 상호 간에 무관하게 스위치온 또는 스위치오프 될 수 있는 하나 이상의 전압원과 연결된다.
전극들은 목표하는 기능에 상응하게 구조화되어 액정 소자의 표면 전체에 걸쳐서 제공된다. 전압의 활성화 시에 액정 소자의 표면에 제공된 전극들을 통해서는 전계가 생성되고, 이 전계는 사전 배향된 액정 분자들의 배향을 부분적으로 변경시킨다. 그에 따라 액정 소자 내에서는 상이한 굴절률을 갖는 영역들이 발생한다. 이때 굴절률은 적합한 분극 방향을 위해 전계에 의한 액정 분자들의 배향을 갖는 영역들에서 상승된다.
제안되는 광 입사 장치의 경우 액정 소자에 전극들을 제공한 구조에 상응하게 액정 소자 내 전극들에 전압을 활성화할 때 예컨대 광학 격자의 구조 및 효과가 생성된다.
광학 격자는 평행한 등거리 슬릿들의 엄격한 주기적 배열이며, 이때 슬릿들의 상호 간 이격 간격은 광 파장의 크기이다. 상기 이격 간격은 격자 상수(g)로서 지칭된다.
광학 격자에 의해서는, 광 빔이 파장에 따른 높은 분해능으로 분해되고 회절 스펙트럼이 생성된다. 회절 스펙트럼에서는 제1 회절 최댓값 내지 회절의 1차 차수에 대한 하기 공식에 따라 광의 파장(λ)과 함께 편향 각도(α)가 증가한다.
Figure pct00001
.
그에 따라, 액정 소자 내에서 전기로 생성된 광학 격자에 의해서는, 광 빔의 목표하는 편향과 그에 따른 시스템을 통과하는 빔 경로의 변경이 달성된다. 이처럼 빔 경로가 변경되는 결과로 다양한 초점 거리가 생성된다. 이때 빔 경로는 소정의 초점 거리를 달성하기 위해 필요하거나 적합한 이미징 시스템의 소자들을 통해 진행된다.
액정 소자의 경우 액정은 (필요에 따라) 투명한 하우징에 의해 밀폐된다. 전극들은 상기 하우징의 내부 또는 그 상부에 제공된다. 상기 전극들은 일반적으로 다양한 스트립 도체로 향하는 대응하는 전압원들과 조합될 수 있는 ITO 스트립 도체로서 형성된다. ITO(인듐 주석 산화물, 영어: indium tin oxide)는 주로 가시광선에서 투명한 반도체 물질이다. ITO 재료는 특히 액정 스크린 내 투명한 전극의 제조를 위해서도 바람직하게 이용된다.
제안되는 이미징 시스템의 바람직한 실시예에 따라, 전기 구동 장치는, 액정 소자 내에서 상이한 격자 주기를 갖는 액정 분자들이 질서화되어 배향되어 있는 액정 영역들의 격자를 형성할 수 있는 방식으로 형성된다.
상이한 격자 주기(격자 상수)는 특히 액정 소자의 상부 또는 그 표면에 제공되는 전극들이 상이한 스트립 도체에 조합됨으로써 생성될 수 있다. 따라서 다양한 스트립 도체의 활성화를 통해 액정의 질서화된 영역들 사이의 이격 간격을 변경할 수 있다. 그럼으로써 격자 상수(g)가 변경되며, 편향 각도(α)도 (전기 개폐 방식으로) 변경된다. 제안되는 이미징 시스템의 상기 실시예는 하기와 같은 조건으로 이미징 시스템의 3가지 이상의 초점 거리 간의 전환을 가능하게 한다.
- 인가된 전압이 존재하지 않는 조건,
- 인가된 전압 및 제1 격자 상수가 존재하는 조건, 그리고
- 인가된 전압 및 제2 격자 상수가 존재하는 조건.
이미징 시스템의 추가적인 실시예는 바람직하게는, 광 입사 장치가 렌즈와 액정 소자를 포함하는 방식으로 구성된다.
바람직하게는 상기와 같은 렌즈 또는 렌즈 그룹과 액정 소자의 조합 구성은, 렌즈 또는 렌즈 그룹이 시스템의 외측면에 배치되고, 그에 반해 액정 소자는 이미징 시스템의 광 입사 장치의 내측면에 위치하는 방식으로 이루어질 수 있다.
위에서 기재한 것처럼 액정 소자와 렌즈의 조합 구성 내 액정들은, 생성된 격자 내에서, 액정 소자에서 ITO 전극들의 배치 구조에 따라, 전압의 활성화 시에 다양한 방향으로 배향될 수 있다.
전극들이 액정 소자의 윗면 및 밑면에 장착된다면, 렌즈의 광학 축을 따르는 액정들의 배향이 제공된다. 이 경우 달성되는 굴절률 변경은 상대적으로 적지만, 상기 변경은 입사하는 광 빔의 분극 방향과는 무관하게 이루어진다.
또한, 네마틱 액정 시스템 대신에 강유전성 액정 시스템도 이용될 수 있다.
이미징 시스템의 내부에서 빔 경로의 변경이 이루어지는 점과 관련하여서는, 회절 조건(회절 차수 0)에 따라 광 입사 장치의 통과 시에 원래의 빔 경로를 따라 이미징 시스템을 통과할 수 있는 감쇠된 "잔여 광 빔"이 잔존한다는 점이 기초가 된다. 이를 방지하기 위해, 이미징 시스템의 제1 광학 소자와 광 입사 장치 사이에 원래의 빔 경로를 따라 "잔여 광 빔"의 통과를 방지하는 차단 장치(예: 슬라이더, 셔터 등)가 배치될 수 있다. 상기 차단 장치의 활성화/비활성화는 빔 경로의 변경을 위한 전압의 접속과 동시에 이루어져야 한다.
액정 소자는 전술한 격자일 수 있지만, 또한 추가로 하기에서 언급되는 것과 같은 또 다른 액정 소자들일 수도 있다.
또한, 광 입사 장치는 프레넬 소자(Fresnel element)와 액정 소자를 포함할 수 있고, 광 입사 장치는 상기 구성에서도 다색 광을 위한 빔 경로에 영향을 주기에 적합하다.
다색 광(그리스어: polychromos - "다색"과 동일) 내지 백색 광은 다양한 색의 혼합으로 구성되는 광의 명칭이다. 다색 광은 다수의 파장으로 이루어진 혼합체이다.
프레넬 소자로서는 예컨대 프레넬 렌즈 또는 프레넬 격자 내지 프레넬 프리즘이 고려된다.
프레넬 렌즈 또는 더욱 정확하게는 프레넬 계단형 렌즈는 지름과 초점 거리가 동일할 때 종래의 광학 렌즈에 비해 중량 및 부피가 축소되는 광학 렌즈이다. 이는 초점 거리가 짧으면서 보통의 형태로 매우 두껍고 무거운 렌즈의 경우 특히 바람직하게 작용한다. 부피의 감소는 프레넬 렌즈의 경우 환형 영역들로 분리하는 것을 통해 이루어진다. 상기 영역들 각각에서는 두께가 감소되고, 그럼으로써 렌즈에 일련의 환형 계단부들이 제공된다. 광은 렌즈 표면을 통과할 때에만 굴절되기 때문에, 굴절 각도는 두께에 따라서가 아니라 두 표면 사이의 각도에 따라 결정된다. 렌즈는 자체의 초점 거리를 유지하지만, 촬상 품질은 계단형 구조에 의해 극미하게 악화된다. 프레넬 격자(더욱 정확하게는 프레넬 프리즘)는 프레넬 렌즈와 유사하게 유리 웨지들(glass wedge)의 평행한 배치 구조이긴 하지만, 원형의 배치 구조를 포함하는 것이 아니라 평행하게 연장되는 배치 구조를 포함한다. 프레넬 격자(더욱 정확하게는 프레넬 프리즘)는 사전 결정된 각도로 다색 광을 편향시킬 수 있다.
프레넬 렌즈와 프레넬 프리즘의 조합 구성이 가능하며 그와 동시에 렌즈 효과 및 편향 효과를 달성한다.
광학 빔을 편향하고 그 형태를 변경하기 위한 일반적인 광학 소자로서는 컴퓨터 생성 광학 소자 또는 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)이 이용될 수 있다. 그에 따라 거의 임의의 빔 형태 및 빔 방향이 생성될 수 있다.
컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)은 응용 고유의 광학 분야 및 기능을 형성하기 위한 현대적인 광학에서 중요한 소자이다. 미세 구조 및 나노 구조에 의해서는 상기 소자들로 사전 결정된 파면(wavefront)들이 생성되지만, 이들 파면은 고전적인 광학의 방법으로는 실현되지 못한다. CGH는 특히 고정밀 비구면 렌즈의 간섭 측정 시험에서 적용되거나, 또는 조명 빔을 동일한 밝기의 수많은 스팟(spot)으로 분리하기 위해 적용된다.
컴퓨터 생성 홀로그램은 계산 후에 기능 층에 기록되는 개별적으로 계산되는 홀로그램이다.
CGH는 예컨대 플라스틱 기판에서 높은 정밀도로 실현된다. CGH는 예컨대 폴리머 캐리어의 국소적 광학 특성의 변경에 의해 상 홀로그램으로서 저장될 수 있다. 개별 도트들(dot)의 다양한 국소적 광학 특성은 예컨대 표면 형상(surface topography)에 의한 반사 특성일 수 있거나, 또는 재료 중 기능 층(굴절률)을 포함하는 재료 내에서 가변하는 광학 경로 길이일 수 있다. 개별 도트들의 목표하는 국소적 광학 특성은 컴퓨터에 의해 계산된다.
상기 유형의 컴퓨터 생성 홀로그램은 도트 매트릭스 내지 도트 분포의 하나 이상의 층으로 구성된다. 이때 도트 분포는 진폭 홀로그램 또는 상 홀로그램으로서 형성될 수 있다.
이미징 시스템은 바람직하게는, 광 입사 장치가 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 및 액정 소자를 포함하는 방식으로 구성될 수 있다. 또한, 이런 배치 구조는 다색 광을 위한 빔 경로에 영향을 미치기에 적합하다.
따라서 액정으로 프레넬 소자나 CGH를 덮으면, 액정의 굴절률은 전기 전환될 수 있다. 굴절률은 예컨대 한번은 프레넬 소자의 재료와 액정 사이에 굴절률의 점프가 존재함으로써 프레넬 소자가 작용하게 하도록 전환될 수 있다. 또 다른 개폐 상태에서는 굴절률 차이가 소멸할 수 있으며, 그럼으로써 프레넬 소자는 작용하지 않게 된다. 이처럼 프레넬 렌즈의 효과가 활성화 및 비활성화될 수 있다. 예컨대 프레넬 격자는 스위치온 된 상태에서 광을 편향시키며, 그에 따라 이미징 시스템은 제1 초점 거리를 갖게 된다. 스위치오프 된 상태에서는 예컨대 편향 효과가 발생하지 않으며, 그에 따라 이미징 시스템은 제2 초점 거리를 갖는다.
프레넬 격자에서와 유사하게, CGH의 효과도 활성화 및 비활성화될 수 있다. 이에 추가로 홀로그래픽 디퓨저(holographic diffuser)의 경우 편향 각도는 액정에 인가되는 전기 전압을 통해 제어될 수 있다. 이런 점은 초점 거리들을 실현하는 추가의 가능성들을 개시한다.
추가의 상세 내용 및 특징들은 종속항들과 결부되어 바람직한 실시예들에 대한 하기의 설명으로부터 지시된다. 이런 경우 각각의 특징들은 그 자체 단독으로, 또는 다수의 특징으로 서로 조합되어 실현될 수 있다. 본원의 목적을 달성하기 위한 가능성들은 본원의 실시예들에만 국한되지 않는다. 따라서 예컨대 범위 지시는 항상 (언급되지 않은) 모든 중간값과 생각해볼 수 있는 모든 부분 간격을 포괄한다.
실시예들은 도들에 개략적으로 도시되어 있다. 이때 개별 도들에서 동일한 도면 부호는 동일하거나, 기능이 동일하거나, 또는 자체 기능과 관련하여 서로 상응하는 부재들을 나타낸다.
도 1은 종래 기술에 따른 이미징 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 가변 초점 거리를 갖는 이미징 시스템을 도시한 개략도이다.
도 3A는 2가지 회로의 전극들(그룹 A 및 그룹 B)에 전압이 비활성화된 상태에서 광 빔을 편향하기 위한 광 입사 장치의 액정 소자를 도시한 개략도이다.
도 3B는 제1 그룹 A의 전극들에 전압이 활성화된 상태에서 광 빔을 편향하기 위한 광 입사 장치의 액정 소자를 도시한 개략도이다.
도 3C는 제2 그룹 B의 전극들에 전압이 활성화된 상태에서 광 빔을 편향하기 위한 광 입자 장치의 액정 소자를 도시한 개략도이다.
도 4는 액정 소자를 포함하는 렌즈의 바람직한 실시예에 따르는 광 입사 장치를 도시한 개략도이다.
도 5는 액정 소자를 포함하는 렌즈의 형태로 광 입사 장치(렌즈의 광학 축에 대해 수직으로 배향되는 액정을 포함하는 변형예)를 도시한 개략도이다.
도 6은 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 및 액정 소자를 포함하는 광 입사 장치를 도시한 개략도이다.
도 7은 프레넬 프리즘 및 액정 소자를 포함하는 광 입사 장치를 도시한 개략도이다.
도 1에는 공지된 종래 기술에 상응하는 이미징 시스템(100)이 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 시스템(100)은 정면(102)과 배면(104)을 포함한다. 정면(102)에는 정면 렌즈(106)와, 2개의 광학 소자(108, 110)와, 이미지 센서(112)가 위치한다. 그에 반해 도시된 시스템(100)의 배면(104)에는 광학 소자(114)와, 광학 소자(116)와, 광학 소자(118)가 배치된다. 광학 소자(108, 110, 114, 116 및 118)들은 굴절 또는 회절, 투과 또는 반사 광학 특성을 보유할 수 있다. 상기 광학 소자는 완전하게 수동형 광학 소자이다.
빔 경로(120)는 대상물(미도시)로부터 정면 렌즈(106)를 통과하여 제1 광학 소자(114)로, 그리고 추가로 제2 광학 소자(108), 제3 광학 소자(116), 제4 광학 소자(110) 및 제5 광학 소자(118)를 경유하여 대상물이 촬상되는 이미지 센서(112)로 진행된다.
도 2에는 가변 초점 거리를 갖는 (예컨대 카메라 모듈의) 제안되는 이미징 시스템(10)의 예시에 따른 실시예의 광학 배치 구조가 개략적으로 도시되어 있다.
도시된 시스템(100)은 정면(102)과 배면(104)을 포함한다. 정면(102)에는 액정 소자를 포함하는 광 입사 장치(200)와, 2개의 광학 소자(108, 110)와, 이미지 센서(112)가 위치한다. 그에 반해 도시된 시스템(100)의 배면(104)에는 4개의 광학 소자(114, 202, 116 및 118)가 배치된다. 광학 소자(108, 110, 114, 202, 116 및 118)들은 굴절 또는 회절, 투과 또는 반사, 수동형 또는 능동형 광학 특성을 보유할 수 있다.
제1 빔 경로(120)는 대상물(미도시)로부터 광 입사 장치(200)를 통해 광학 소자(114, 108 및 116)들을 경유하여 대상물이 촬상되는 이미지 센서(112)로 진행된다. 상기 제1 빔 경로(120)는 제1 초점 거리에 의해 정의된다.
광 입사 장치(200)의 액정 소자의 전기 구동 장치에 의해서는, 광 입사 장치(200)로부터 유출되는 광 빔의 편향 각도의 변경과, 그에 따라 원래의 빔 경로(120)의 변경이 달성될 수 있다. 그럼으로써 실현되는 변경된 빔 경로(204)는 이제는 광 입사 장치(200)에서부터 광학 소자(202, 110 및 118)들을 경유하여 대상물이 촬상되는 이미지 센서(112)로 진행된다. 상기 (변경된) 제2 빔 경로(204)는 제1 초점 거리와는 상이한 제2 초점 거리를 특징으로 한다.
그에 따라 기재된 이미징 시스템(100)의 내부에서 2가지 빔 경로(120 및 204) 간의 전환에 의해 예컨대 2가지 초점 거리를 갖는 개별 전환식 이미징 시스템이 실현된다.
또한, 이 경우 광 입사 장치(200)의 액정 소자 상에 장착되는 전극들의 배치 구조 및 그 스트립 도체들뿐 아니라, 이미징 시스템(100)의 빔 경로(120, 204) 내 광학 소자들의 배치 구조에 따라서 2가지 이상의 개별 전환식 초점 거리가 실현될 수 있다.
도 3A에는 광 입사 장치(200)의 액정 소자(300)가 개략적으로 도시되어 있다. 액정 소자(300)의 정면 표면(302) 및 하부 표면(304)에는 액정 소자(300)의 필요한 전계를 생성하기 위한 전극(306A, 306B)들이 장착된다. 모든 전극(306A, 306B)은 상호 간에 일정하게 동일한 이격 간격을 갖는다.
전극(306A, 306B)들은 서로 다른 회로에 할당된다. 이 경우 모든 전극(306A, 306b)은 전압원(310)에 의해 전원을 공급받는 제1 스트립 도체(308)들을 통해 서로 연결된다.
그와 동시에 전극(306B)들은 전압원(314)에 의해 전원을 공급받는 제2 스트립 도체(312)들을 통해 서로 연결된다. 그러나 이런 회로에서는 각각 제2 쌍의 전극만이 전압원(314)과 연결된다.
전압원(310 및 314)들은 도면의 경우 스위치오프 되어 있다. 그 결과 도시된 도면에서는 소자(300)의 액정이 우선 방향의 등방성 분포를 나타낸다. 액정 소자(300)는 상기 상에서 굴절률과 관련하여 균일한 구조를 포함하며, 그럼으로써 광 빔(316)은 편향 없이 액정 소자(300)를 통과할 수 있게 된다.
도 3B 및 3C에는 각각 전압원(310 및 314)이 스위치온 된 조건에서 액정 소자(300)가 개략적으로 도시되어 있다.
도 3B에는 전압원(310)의 스위치온에 의해 스트립 도체(308)들을 통해 모든 전극(306A 및 306B)이 활성화된다. 이때 액정 소자(300) 내에서 액정 소자(300)의 정면과 밑면(302, 304) 사이의 각각의 전극 쌍들의 전계의 영역에서는 액정 분자들이 엄격하게 질서화되어 배향되어 있는 영역(318)들이 생성된다. 상기 영역(318)들은 전극(306A, 306B)들의 전계에 위치해 있지 않은 영역(305)들에 비해 변경된 광학 굴절률을 갖는다.
나머지 영역(305)들에 비해 또 다른 소정의 굴절률을 갖는 상기 영역(318)들의 구성에 의해서는 액정 소자(300)가 격자 상수(g) 내지 격자 간격(307)을 갖는 광학 격자의 효과를 나타내게 된다.
전기에 의해 생성된 상기 광학 격자에 의해서는 격자에서 광 빔의 회절이 이루어진다. 그럼으로써 액정 소자(300)를 통과한 후에 소정의 각도(322)로 광 빔(320)의 편향(방향 변경)이 이루어지게 된다.
도 3C에서는 전압원(314)의 스위치온 시에 각각 전극(306B)들만이 활성화된다. 그럼으로써 액정 소자(300) 내에는 전원압(310)의 스위치온 시와는 다른 격자 상수(307)를 갖는 광학 격자가 발생하는데, 그 이유는 전극(306B)들 간의 이격 간격(307)이 회로(308) 내 모든 전극(306A, 306B)의 상호 간 이격 간격보다 더 크기 때문이다. 그 결과 액정 소자(300)의 통과 후 유출된 광 빔(320)의 또 다른 편향 각도(324)가 생성된다.
도 3A 내지 도 3C에 개략적으로 도시된 예시의 해결 방법은, 액정 소자(300)를 이용하고 상기 액정 소자의 광학 특성을 활용하는 경우, 전기 개폐 과정에 의해서, 액정 소자(300)의 통과 후 유출되는 광 빔(320)의 상이한 편향(322 또는 324)을 달성하는 것을 가능하게 한다. 그럼으로써 이미징 시스템(100)의 내부의 빔 경로(120, 204)는 가변적으로 구성될 수 있다. 시스템(100)의 각각 상이한 광학 소자들은 빔 경로(120, 204) 내로 포함되고 그에 따라 시스템(100)의 2가지 이상의 초점 거리가 실현된다.
도 4에 개략적으로 도시된 광 입사 장치(200)의 바람직한 실시예는 액정 소자(300)와 조합되는 렌즈(400)를 포함한다. 또한, 이 경우 자체 표면에 ITO 전극(306)들이 장착된 액정 소자(300)가 렌즈(400)와 유리판(402) 사이에도 배치될 수 있다. 도시된 실례에는 대상물 측에서 입사되는 광 빔(316)의 빔 경로가 렌즈(400)를 통해서뿐 아니라, 전압원(310)의 스위치온에 의한 전자 방식으로도 영향을 받게 된다. ITO 전극(306)들은 스트립 도체(308)들을 통해 전압원(310)과 연결된다. 전압원(310)의 스위치온 시에는 ITO 전극(306)들이 활성화되며, 그리고 렌즈(400)의 광학 효과에 추가로, 이미 도 3A 내지 도 3C에 기재된 의미에 적합하게, 전압원(310)의 스위치온 시에 전극(306)들의 활성화에 의해 발생하는 액정 소자(300)의 광학 특성의 변경에 따라 유출되는 광 빔(320)의 편향 각도(322)도 변경된다. 본 실시예에서 설명되는 바람직한 실시예는 입사 광 빔(316)의 분극 방향과 무관하다.
도 5에는 액정 소자(300)와 조합되는 렌즈(400)를 포함하는 광 입사 장치(200)의 추가의 가능한 실시예가 개략적으로 (평면도로) 도시되어 있다. 도 4와는 다르게, 본 변형예에서는, ITO 전극(360)들이 액정 소자(300)에 측면으로 배치된다. ITO 전극(306)들은 마찬가지로 스트립 도체(308)들을 통해 전압원(310)과 연결된다. 전압원(310)의 스위치온 시에 ITO 전극(306)들 사이에 발생하는 전계에 의해 액정(404)은 렌즈(400)의 광학 축 또는 광(316)의 전파 방향(도 3A 참조)에 대해 수직 방향으로 배치된다. 그에 따라, 도 4에서와 마찬가지로, 액정 소자(300) 내에서 ITO 전극(306)들이 활성화된 경우, 광학 격자가 발생하지만, 이런 경우 ITO 전극(306)들 사이의 영역들 내 액정(404)은 렌즈(400)의 광학 축에 대해 수직 방향으로 배향된다. 이런 실시예는 특히, 전압(310)의 접속 시에, 입사 광 빔(316)(도 3A 참조)이 질서화된 액정의 방향에 대해 평행하게 분극화될 때, 또는 그에 상응하게 분극화된 광의 성분에 대해서, 굴절률의 비교적 큰 변경이 달성될 수 있는 것을 특징으로 한다. 이는 입사 광(316)의 분극화에 대한 굴절률[및 그에 따른 변경 각도(322)의 크기]의 강한 의존성을 초래한다. 액정의 배향에 대해 수직 방향으로 분극화된 광은 부분적으로 흡수되고 부분적으로 편향된다. 그러나 편향된 부분의 세기는 평행한 분극 방향에 대한 경우보다 더 낮다. 그러나 각도는 두 분극 방향에 대해 동일하다.
도 6에 개략적으로 도시된 광 입사 장치(200)는 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)(600)과 조합되는 액정 소자(300)를 포함한다. 액정 소자(300)와 CGH(600)으로 이루어진 조합 구성은 양쪽 측면에 장착된 ITO 표면 전극(602)들 사이에 배치된다. CGH(600)는 예컨대 플라스틱으로 제조될 수 있다. 이런 배치 구조의 바깥쪽 양측에는 각각 유리판(402)이 고정될 수 있다. 대상물 측에서 입사되는 광 빔(316)의 빔 경로는 액정 소자(300)의 광학 특성뿐 아니라 CGH(600)의 광학 특성에 의해서도 결정된다. 액정 소자(300)의 광학 특성(굴절률)은 전압원(310)의 스위치온 또는 스위치오프에 의해 ITO 전극(602)들이 활성화되거나 비활성화되면서 전자 방식으로 변경된다. 그럼으로써 유출되는 광 빔(320)의 빔 경로, 다시 말해 편향 각도(322)가 전자 방식으로 변경될 수 있다. ITO 전극(602)들의 활성화 또는 비활성화에 의한 액정 소자(300)의 광학 특성의 변경은 앞서 이미 기재한 의미에 적합하게 이루어진다.
도 7에 개략적으로 도시된 광 입사 장치(200)는 프레넬 프리즘(700)과 조합되는 액정 소자(300)를 포함한다.
액정 소자(300)와 프레넬 프리즘(700)으로 이루어진 조합 구성은 상부 및 하부에 장착된 ITO 표면 전극(602)들 사이에 배치된다. 이런 배치 구조에서 바깥쪽 양측에, 다시 말하면 완전한 상부 또는 하부에 각각 유리판(402)이 제공될 수 있다. 대상물 측에서 입사되는 광 빔(316)의 빔 경로는 액정 소자(300)의 광학 특성뿐 아니라 프레넬 프리즘(700)의 광학 특성에 의해서도 결정된다. 액정 소자(300)의 광학 특성(굴절률)의 전자 방식의 변경은 도 6에서의 의미에 적합하게 이루어진다. 또한, 광 빔의 편향(322)이 이루어진다. 전계가 비활성화된 경우에는 예컨대 격자의 회절 구조가 활성화되며, 적합한 전계의 인가 시에는 액정 소자의 굴절률이 프레넬 프리즘(700)의 플라스틱의 굴절률과 동일한 값으로 변경되고 그에 따라 편향 효과를 제거한다.
액정의 배향도(degree of orientation)는 인가된 전압의 크기에 따라 결정된다. 또한, 상기 배향도는 굴절률의 변경 정도를 결정한다. 그에 따라 굴절률의 변경은 인가된 전압의 크기에 따라 결정된다. 굴절률의 변경은 프레넬 프리즘(700)의 경우 편향 각도(322)에 영향을 미친다. 그러므로 편향 각도는 인가된 전압의 크기를 통해 제어될 수 있다. 이런 점은 추가의 초점 거리를 실현할 수 있는 가능성을 개시한다.
인용 문헌
J. Jahns: "집적 광학 이미징 시스템(Integrated optical imaging system)", 응용 광학, 29(1990) 1998
100: 이미징 시스템
102: 정면
104: 배면
106: 정면 렌즈
108: 광학 소자
110: 광학 소자
112: 이미지 센서
114: 광학 소자
116: 광학 소자
118: 광학 소자
120: 빔 경로
200: 광 입사 장치
202: 광학 소자
204: (변경된) 빔 경로
300: 액정 소자
302: 액정 소자의 정면 표면
304: 액정 소자의 하부 표면
305: 액정 분자들이 네마틱 상태로 사전 배향되어 있는 영역
306: ITO 전극
306A: (제1 전압원과 연결된) ITO 전극
306B: (제2 전압원과 연결된) ITO 전극
307: 전극 간격, 격자 간격, 격자 주기
308: 회로 내지 회로의 스트립 도체
310: 제1 전압원
312: 회로 내지 회로의 스트립 도체
314: 제2 전압원
316: (대상물 측에서) 입사되는 광 빔
318: 액정 분자들이 전기로 질서화되어 배향되어 있는 영역
319: 격자 주기, 격자 간격
320: 유출되는 광 빔
322: 편향 각도, 편향
324: 편향 각도, 편향
400: 렌즈
402: 유리판
404: 배향된 액정
600: 컴퓨터 생성 홀로그램
602: ITO 표면 전극
700: 프레넬 프리즘

Claims (6)

  1. 이미지 센서(112)에 대상물을 촬상하기 위한 이미징 시스템(100)으로서, 광은 대상물과 이미지 센서(112) 사이의 빔 경로(120, 204)를 통과하며, 상기 이미징 시스템(100)은,
    a) 대상물로 향해 있는 정면(102)과,
    b) 대상물의 반대 방향으로 향해 있으면서, 대상물에서부터 관찰할 때 상기 정면(102)의 뒤쪽에 배치되는 배면(104)과,
    c) 정면(102)에 배치되며 자체를 통해서는 대상물로부터 유출되는 광이 이미징 시스템(100) 내로 입사될 수 있게 하는 광 입사 장치(200)와,
    d) 빔 경로(120, 204)에 영향을 미칠 수 있는 방식으로 배면에 배치되는 하나 이상의 제1 및 제2 광학 소자(114, 202)를 포함하는, 상기 이미징 시스템(100)에 있어서,
    e) 광 입사 장치(200)는 각각의 전기 개폐 상태에 따라 빔 경로(120; 204)를 하나 이상의 제1 각도(322)와, 이 제1 각도와 상이한 제2 각도(324)로 편향시키는 전기 개폐식 액정 소자(300)를 포함하고,
    f) 빔 경로(120, 204)는 제1 각도(322)의 조건에서 배면에 위치하는 제1 광학 소자(114)에 부딪히고, 제2 각도(324)의 조건에서는 배면(104)에 위치한 제2 광학 소자(202)에 부딪히며,
    g1) 제1 각도(322)의 조건에서 이미징 시스템(100)의 배면에 위치하는 제1 광학 소자(114)에 빔 경로(120, 204)가 부딪힐 경우, 이미징 시스템(100)의 제1 초점 거리가 달성되고,
    g2) 제2 각도(324)의 조건에서 이미징 시스템(100)의 배면(104)에 위치하는 제2 광학 소자(202)에 빔 경로가 부딪힐 경우에는 제1 초점 거리와는 상이한, 이미징 시스템(100)의 제2 초점 거리가 달성되는 것을 특징으로 하는 이미징 시스템(100).
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 입사 장치(200)의 액정 소자(300) 내에서, 전기 구동 장치(310, 314)에 의해, 액정 분자들이 질서화되어 배향되어 있는 액정 영역(318)들의 주기적인 격자가 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 이미징 시스템(100).
  3. 제2항에 있어서, 상기 전기 구동 장치(310, 314)는, 상기 액정 소자(300) 내에서 각각 상이한 구동을 통해, 상이한 격자 주기(307)를 갖는 액정 분자들이 질서화되어 배향되어 있는 액정 영역(318)들의 격자를 형성할 수 있는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미징 시스템(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 입사 장치(200)는 렌즈(400)와 액정 소자(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미징 시스템(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 입사 장치(200)는 프레넬 소자(700)와 액정 소자(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미징 시스템(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 입사 장치(200)는 컴퓨터 생성 홀로그램(600)과 액정 소자(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미징 시스템(100).
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