KR20140111642A - 적응형 광학 엘리먼트들을 포함하는 렌즈 스택 어레이들 - Google Patents

적응형 광학 엘리먼트들을 포함하는 렌즈 스택 어레이들 Download PDF

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KR20140111642A
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펠리칸 이매징 코포레이션
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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 시스템들 및 방법들은 렌즈 스택 어레이에서 광학 채널들로 적응형 광학 엘리먼트들을 통합한다. 일 실시예에서, 어레이 카메라 모듈은 적어도 2개의 렌즈 스택들을 포함하는 렌즈 스택 어레이 - 적어도 하나의 렌즈 스택은 적어도 하나의 전기 신호에 응답하여 대응하는 렌즈 스택에 의해 정의된 광학 채널의 광의 투과의 특성들을 조정할 수 있는 적응형 광학 엘리먼트를 포함하고, 센서는 렌즈 스택 어레이 내의 각각의 렌즈 스택에 대한 초점면을 포함함 - ; 및 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성된 회로를 포함하고, 렌즈 스택 어레이 및 센서는 각각의 렌즈 스택이 대응하는 초점면 상에 이미지를 형성할 수 있도록 구성된다.

Description

적응형 광학 엘리먼트들을 포함하는 렌즈 스택 어레이들{LENS STACK ARRAYS INCLUDING ADAPTIVE OPTICAL ELEMENTS}
본 발명은 렌즈 스택 어레이들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 적응형 광학 엘리먼트들(adaptive optical elements)을 포함하는 렌즈 스택 어레이들에 관한 것이다.
카메라 옵스큐라(camera obscura)에 기초한 종래의 디지털 카메라에 놓인 제약들에 응답하여, 어레이 카메라들로서 지칭될 수 있는 새로운 부류의 카메라들이 제안되었다. 어레이 카메라들은 이들이 통상적으로 픽셀들의 다수의 어레이들을 포함할 수 있다는 점에서 특징화되며, 각각의 픽셀 어레이는 통상적으로 초점면(focal plane)(초점면은 '초점면 어레이'로서 대안적으로 지칭될 수 있음)을 정의하도록 의도되며, 각각의 초점면은 통상적으로 별개의 렌즈 시스템과 연관된다. 다수의 예들에서, 어레이 카메라는 다수의 초점면들 및 렌즈 스택 어레이를 포함하는 센서를 이용하여 구성된다. 각각의 렌즈 스택은 통상적으로 하나 이상의 렌즈들 및 다이아프램들(diaphragms), 필터들, 기판들 및 (불투명) 스페이서들을 포함(그러나 이들로 제한되지 않음)하는 부가적인 컴포넌트들을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 시스템들 및 방법들은 렌즈 스택 어레이에서 광학 채널들로 적응형 광학 엘리먼트들을 통합한다. 일 실시예에 따라, 어레이 카메라 모듈은 적어도 2개의 렌즈 스택들을 포함하는 렌즈 스택 어레이 - 적어도 하나의 렌즈 스택은 적어도 하나의 전기 신호에 응답하여 대응하는 렌즈 스택에 의해 정의된 광학 채널에서 광의 투과의 특성들을 조정할 수 있는 적응형 광학 엘리먼트를 포함함 - ; 상기 렌즈 스택 어레이 내의 각각의 렌즈 스택에 대한 초점면(focal plane)을 포함하는 센서 - 각각의 초점면은 픽셀들의 복수의 열들을 또한 형성하는 픽셀들의 복수의 행들을 포함하고, 각각의 초점면은 다른 초점면으로부터의 픽셀들을 포함하지 않는 센서의 영역 내에 포함됨 - ; 및 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성된 회로를 포함하고, 렌즈 스택 어레이 및 센서는 각각의 렌즈 스택이 대응하는 초점면 상에 이미지를 형성할 수 있도록 구성된다.
다른 실시예에서, 어레이 카메라 모듈은 센서에 의해 생성된 적어도 하나의 전기 신호에 기초하여 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 제어하기 위한 회로를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 렌즈 스택 어레이 내의 렌즈 스택들 각각은 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 포함한다.
다른 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트들 중 적어도 하나는 그의 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는, 그의 초점 길이가 그의 대응하는 초점면과 정렬되도록 그의 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 그의 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하도록 구성되는 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는 적어도 하나의 피에조 엘리먼트(piezo element)를 포함하고, 적어도 하나의 피에조 엘리먼트의 작동은 적응형 광학 엘리먼트가 그의 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하게 한다.
또 다른 실시예에서, 그의 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하도록 구성된 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는 유리 지지부, 폴리머층 및 얇은 유리 멤브레인을 더 포함하고, 유리 지지부는 폴리머 층의 한 측에 인접하게 배치되고, 얇은 유리 멤브레인은 폴리머 층의 제 2의 대향측에 인접하게 배치되고, 적어도 하나의 피에조 엘리먼트는, 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이가 제어 가능하게 조정되도록 피에조 엘리먼트의 작동이 얇은 유리 멤브레인을 편향시키도록 유리 멤브레인에 커플링된다.
다른 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트는 액정 엘리먼트들을 포함하는 액정층을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트는 제 1 유리 기판, 제 2 유리 기판, 제 3 유리 기판, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 성형층을 더 포함하고, 성형 층은 굴절률이 동일하지만 유전 특성들이 상이한 2개의 상이한 물질들을 포함하고, 제 1 전극은 제 1 유리 기판과 액정층 사이에 그리고 인접하게 배치되고, 액정층은 제 1 전극과 제 2 유리 기판 사이에 그리로 인접하게 배치되고, 제 2 유리 기판은 액정층과 성형층 사이에 그리고 인접하게 배치되고, 성형층은 제 2 유리 기판과 제 2 전극 사이에 그리고 인접하게 배치되고, 제 2 전극은 성형층과 제 3 유리 기판 사이에 그리고 인접하게 배치되고, 제 1 전극 및 제 2 전극은, 제 1 전극과 제 2 전극에 걸쳐서 전위차가 적용될 때, 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하도록 전위차가 액정 엘리먼트들의 차동 회전을 야기한다.
다른 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트는 전계를 생성하도록 구성되는 복수의 전극들을 포함하고, 전계의 크기는 대응하는 렌즈 스택에 관한 방사 위치의 함수로서 변동된다.
또 다른 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트는 그의 두께를 변동시킴으로써 초점 길이를 조정하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트는 각각의 렌즈 스택 내의 적어도 하나의 렌즈 엘리먼트의 축 위치를 변동시킴으로써 이미지 위치를 조정하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트는 각각의 스택 내의 적어도 하나의 렌즈 엘리먼트의 축 위치를 변동시키기 위한 적어도 하나의 MEMS-기반 작동기를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트는 이미지를 확대하도록 또한 구성된다.
또 다른 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트는 각각의 렌즈 스택 내의 적어도 하나의 렌즈 엘리먼트의 축 위치를 변동시키기 위한 적어도 하나의 VCM을 포함한다.
다른 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트들 중 적어도 하나는 그의 대응하는 렌즈 스택의 중심 시야각을 조정하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는 초점면들에 의해 제공된 이미지 다이버시티(image diversity)의 각도 샘플링(angular sampling)을 증가시키도록 그의 대응하는 렌즈 스택의 중심 시야각을 조정하도록 구성된다.
또 다른 추가의 실시예에서, 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화를 제어하도록 구성되는 복수의 전극들을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 전극들은, 전위차가 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화를 제어하도록 전극들의 서브세트(subset)에 걸쳐서 선택적으로 적용될 수 있도록 방위각으로 세그멘팅된 패턴(azimuthally segmented pattern)으로 배열된다.
또 다른 실시예에서, 중심 시야각의 조정의 정도(extent)는 카메라에 대한 피사체(object)의 거리에 기초하며, 피사체의 이미지를 초점면들이 캡처한다.
다른 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트들 중 적어도 하나는 컬러 적응 성능들(color adaptation capabilities)을 제공하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는 컬러-특정 포커싱(color-specific focusing)을 제공하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 모든 적응형 광학 엘리먼트들은 컬러-특정 포커싱을 제공하고, 구체적으로 포커싱되는 컬러들은 적색, 청색 및 녹색 중 하나이고 컬러-특정 포커싱을 구비한 적응형 광학 엘리먼트들은 렌즈 스택 어레이 상에 π 필터 그룹들을 구현하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 어레이 카메라 모듈은 적어도 하나의 물리적 파라미터를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 측정 디바이스를 포함하고, 회로는 측정 디바이스에 의해 측정된 적어도 하나의 물리적 파라미터에 기초하여 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성된다.
여전히 또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는 온도를 측정하고 온도 측정을 표시하는 적어도 하나의 전기 신호를 생성하도록 구성되는 적어도 하나의 측정 디바이스를 포함하고, 회로는 적어도 하나의 측정 디바이스에 의해 생성된 온도 측정을 표시하는 적어도 하나의 전기 신호에 기초하여 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 회로는 제어기에 의해 생성된 적어도 하나의 전기 신호에 기초하여 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 어레이 카메라 모듈은 적어도 2개의 렌즈 스택들을 포함하는 렌즈 스택 어레이 - 각각의 렌즈 스택은 전기 신호에 응답하여 대응하는 렌즈 스택에 의해 정의된 광학 채널의 광의 투과의 특성들을 조정할 수 있는 적응형 광학 엘리먼트를 포함하고, 각각의 적응형 광학 엘리먼트는 액정층 및 전계를 생성할 수 있는 복수의 전극들을 포함하고 전계의 크기는 렌즈 스택의 초점 길이 및 중심 시야 방향(central viewing direction)이 조정될 수 있도록 렌즈 스택에 대해 방사 및 원주 위치(circumferential position)의 함수로서 변동됨 - ; 렌즈 스택 어레이 내의 각각의 렌즈 스택에 대한 초점면을 포함하는 센서 - 각각의 초점면은 픽셀들의 복수의 열들을 또한 형성하는 픽셀들의 복수의 행들을 포함하고, 각각의 초점면은 다른 초점면으로부터의 픽셀들을 포함하지 않는 센서의 영역 내에 포함됨 - ; 및 센서에 의해 생성된 적어도 하나의 전기 신호에 기초하여 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성된 회로를 포함하고, 렌즈 스택 어레이 및 센서는 각각의 렌즈 스택이 대응하는 초점면 상에서 이미지를 형성할 수 있도록 구성된다.
도 1은 어레이 카메라 모듈을 포함하는 어레이 카메라를 예시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 어레이 카메라 모듈을 개념적으로 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 π 필터 그룹을 이용하는 어레이 카메라 모듈을 예시한다.
도 4a는 종래의 렌즈 스택 어레이에서 발생할 수 있는 초점 길이의 변동을 개념적으로 예시한다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 렌즈 스택 어레이가 적응형 광학 엘리먼트들을 통합하는 어레이 카메라 모듈을 개념적으로 예시한다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따라 유리 지지부, 폴리머, 유리 멤브레인 및 피에조 엘리먼트들을 포함하는 적응형 광학 엘리먼트를 예시한다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 유리 지지부, 폴리머, 유리 멤브레인 및 피에조 엘리먼트들을 포함하는 적응형 광학 엘리먼트의 동작을 예시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 렌즈 스택 어레이에서 활용될 수 있는 액정 적응형 광학 엘리먼트의 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 적응형 광학 엘리먼트의 전극들에 인가되는 전압을 증가시킴으로써 달성될 수 있는 굴절력의 증가를 개념적으로 예시한다.
도 8은 초점 거리를 조정하기 위해 자신의 두께를 변동시킬 수 있는 적응형 광학 엘리먼트를 예시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화의 시프트를 개념적으로 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예들에 따라 전압들이 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화를 변경하도록 선택적으로 인가될 수 있는 전극 구성들을 개념적으로 예시한다.
도 11a는 본 발명의 실시예에 따라 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포를 제어하기 위해 방사상으로 변동하는 전계를 생성하도록 적응형 광학 엘리먼트에서 활용될 수 있는 전극들의 세트를 개념적으로 예시한다.
도 11b는 본 발명의 실시예에 따라 적응형 광학 엘리먼트에 의해 생성된 전계를 측방향으로 시프트하도록 구성될 수 있는 전극 구성을 개념적으로 예시한다.
이제 도면들로 넘어가면, 본 발명의 실시예들에 따라 렌즈 스택 어레이의 광학 채널들로 적응형 광학 엘리먼트들을 통합하기 위한 시스템을 및 방법들이 예시된다. 적응형 광학 엘리먼트들은 전기 신호에 응답하여 광학 채널에서 광의 전송의 특성을 조정할 수 있다. Venkataraman등에 의해, 발명의 명칭이 "Capturing and Processing of Images Using Monolithic Camera Array with Heterogeneous Imagers"인 미국 특허 출원 번호 제12/935,504호에서는 렌즈 스택 어레이들을 이용하여 어레이 카메라들을 구성하기 위한 프로세스들을 설명한다. 미국 특허 출원 번호 제12/935,504호의 개시물은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. 어레이 카메라 모듈(즉, 대응하는 렌즈 스택에 의해 초점면 상에 형성되는 이미지를 캡처하도록 구성된 픽셀들의 어레이)은 통상적으로 어레이 카메라 모듈의 광학 채널들 각각에 대한 초점면을 포함하는 모노리식 센서(monolithic sensor) 및 렌즈 스택 어레이가, 각각의 초점면은 각각의 광학 채널의 그의 대응하는 렌즈 스택의 초점 거리에 위치되도록 서로에 대해 위치될 수 있도록 하는 방식으로 구성되도록 의도된다. 초점면들은 통상적으로 픽셀들의 복수의 열을 또한 형성하는 픽셀들의 복수의 행들을 포함하고, 각각의 초점면은 통상적으로 다른 초점면으로부터의 픽셀들을 포함하지 않는 센서의 영역 내에 포함된다. 렌즈 스택 어레이는 어레이 내의 개별 렌즈 스택들이 서로에 대해 이동할 수 없도록 경식(rigid)일 수 있다. 렌즈 스택 및 그의 대응하는 초점면의 결합은 '카메라 모듈(camera module)'인 것으로 이해될 수 있다.
이상적으로 어레이 카메라의 렌즈 스택 어레이는 각각의 렌즈 스택이 동일한 초점 길이를 갖도록 구성된다. 그러나 렌즈 스택 어레이의 제조에 수반되는 매우 다수의 허용오차들은 공칭 규정(nominal prescription)으로부터 벗어나는 파라미터들, 이를 테면 초점 길이를 갖는 렌즈 스택들을 발생시킬 수 있다. 센서의 모노리식 성질로 인해, 그것은 통상적으로 경식 렌즈 스택 어레이 내에서 각각의 렌즈 스택의 초점 길이에 대응하는 거리로 배치될 수 없다. 그러므로, 렌즈 스택들 간의 제조 변동들은 광학 채널들에 의해 형성되는 이미지들 중 일부 또는 모두 다가 초점을 벗어나게 할 수 있다. 명백하게, 이들 제조 변동들은 심지어 동일한 제조 프로세스로부터 제작되는 렌즈 스택 어레이들 사이에서 조차 상이한 초점 길이들을 초래할 수 있다. 또한, 센서에 대한 렌즈 스택 어레이의 정렬 및 스페이서 두께의 변동들을 포함(그러나 이들로 제한되지 않음)하는 어레이 카메라 모듈의 어셈블리와 연관된 다른 제조 허용오차들이 모든 광학 채널들에 영향을 줄 수 있다.
Duparre 등에 의해, 발명의 명칭이 "Systems and Methods for Manufacturing Camera Modules Using Active Alignment of Lens Stack Arrays and Sensors"인 미국 가 특허 출원 번호 제61/666,852호는 렌즈 파라미터들의 변동들로부터 발생하는 해로운 영향을 줄이도록 렌즈 스택 어레이들을 센서들과 정렬하는 것을 포함하는 해결책들을 설명한다. 미국 특허 출원 번호 제61/666,852호의 개시물은 그 전체가 본원에 인용에 의해 포함된다.
본 발명의 다수의 실시예들에서, 렌즈 스택의 초점 길이를 수정할 수 있는 가변 굴절력을 갖는 적응형 광학 엘리먼트들을 통합하는 렌즈 스택 어레이들이 활용된다. 적응형 광학 엘리먼트들을 포함하는 렌즈 스택 어레이가 어레이 카메라 모듈에 통합될 때, 적응형 광학 엘리먼트들은 센서 상에서 렌즈 스택과 대응하는 초점면 간의 거리에 대응하도록 이미지 거리에 대한 각각의 렌즈 스택의 초점 길이를 교정(calibrate)하도록 제어될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 기준 이미지를 이용하여 각각의 광학 채널의 디포커스(defocus)를 감소시키도록 교정된다. 렌즈 스택 내로 적응형 광학 엘리먼트들을 통합하는 것은 미국 특허 출원 번호 제61/666,852호에서 제공된 해결책들에 비해, 렌즈 파라미터들의 변동으로부터 발생하는 해로운 영향을 줄이는 비용-효율적인 해결책을 제공할 수 있다. 특히, 적응형 광학 렌즈들의 통합은 미국 특허 출원 번호 제61/666,852호에서 개시된 것과 유사한 엄격한 활성 정렬 프로세스를 이용할 필요성을 없앨 수 있다. 또한, 적응형 엘리먼트들은 임의의 정렬 프로세스(활성 정렬 프로세스들을 포함함)를 이용하여 제조되는 카메라 모듈 내에서 달성되는 결과들을 강화할 수 있다.
또한, 적응형 광학 엘리먼트는 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화를 시프트하는데 이용될 수 있다. 이러한 방식으로, 적응형 광학 엘리먼트들은 센서 상의 각각의 초점면에 의해 캡처되는 이미지들 간의 샘플링 다이버시티(sampling diversity)를 증가시키는데 활용될 수 있다. Lelescu 등에 의해, 발명의 명칭이 "System and Methods for Synthesizing High Resolution Images Using Super-Resolution Processing"인 미국 특허 출원 번호 제12/967,807호에서 개시된 바와 같이, 샘플링 다이버시티를 증가시키는 것은 어레이 카메라에 의해 캡처된 다수의 이미지들로부터 고해상도 이미지를 합성할 때 수퍼 해상도(super resolution; SR) 프로세싱을 이용하여 달성되는 해상도의 증가를 개선할 수 있다. 미국 특허 출원 번호 제12/967,807호의 개시물은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
몇 개의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 다른 방식들로 렌즈 스택들을 조정하는데 이용된다. 예를 들어, 다수의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 컬러 적응(color adaptation)을 제공하는데 이용될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 광학 스택의 열 변동을 수용하는데 이용될 수 있다. 몇 개의 실시예들에서, 암전류 측정들은 상응하게 변동되는 적응형 광학 엘리먼트 및 온도를 측정하는데 활용된다.
다수의 실시예들에서, 장면의 다수의 이미지들은 적응형 엘리먼트들을 이용하여 렌즈 스택들의 하나 이상의 초점 길이들을 조정하는 동안 빠르게 캡처된다. 이러한 방식으로, 프로세서는 더 높은 해상도 이미지를 합성하기 위한 수퍼 해상도 프로세싱과 같은(그러나 이것으로 제한되지 않음) 프로세싱을 수행하기 이전에 포커스(focus) 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)하는 기준들에 따라 이미지들을 선택할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 어레이 카메라들, 렌즈 스택 어레이들, 및 적응형 광학 엘리먼트들이 아래에서 추가로 논의된다.
어레이 카메라 아키텍처(ARRAY CAMERA ARCHITECTURE)
본 발명의 실시예들에 따른 다양한 어레이 카메라 구성들에서 이용될 수 있는 어레이 카메라 아키텍처가 도 1에서 예시된다. 어레이 카메라(100)는 이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(120) 및 제어기(130)에 연결되는 어레이 카메라 모듈(110)을 포함한다.
어레이 카메라 모듈은 2개 이상의 초점면들을 포함하며, 이들 각각은 별개의 렌즈 스택을 통해 광을 수신한다. 어레이 카메라 모듈은 또한 물리적 파라미터들을 측정하고 대응하는 신호들을 생성하도록 이미징 파라미터들 및 측정 디바이스를 제어하기 위한 다른 회로를 포함할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 어레이 카메라 모듈은 어레이 카메라 모듈의 적응형 광학 엘리먼트들을 제어하기 위한 회로를 포함한다. 다수의 실시예들에서, 회로는 예를 들어, 신호들의 생성 및 전송을 통해 디바이스와 통신하고 이 통신에 기초하여 적응형 광학 엘리먼트들을 제어하도록 구성된다. 다수의 실시예들에서, 회로는 센서와 통신하고, 이 통신에 기초하여 적응형 광학 엘리먼트들을 제어한다. 몇몇 실시예들에서, 회로는 제어기와 통신하고, 이 통신에 기초하여 적응형 광학 엘리먼트들을 제어한다. 센서 또는 제어기는 측정 디바이스들에 의해 생성된 신호들에 기초하여 회로에 신호들을 전송할 수 있다. 제어 회로는 노출 시간들, 이득 및 블랙 레벨 오프셋(black level offset)과 같은 이미징 파라미터들을 또한 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 이미징 파라미터들을 제어하기 위한 회로는 독립적으로 또는 동기화된 방식으로 각각의 초점면에 의한 이미지들의 캡처를 트리거할 수 있다. 어레이 카메라 모듈은 동작 온도에서 암전류를 추정하기 위해 암 픽셀들(dark pixel)을 포함(그러나 이들로 제한되지 않음)하는 다양한 다른 측정 디바이스들을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라 어레이 카메라들에서 활용될 수 있는 어레이 카메라 모듈들은 Venkataraman 등에 의해, 발명의 명칭이 "Capturing and Processing of Images Using Monolithic Camera Array with Heterogeneous Imagers"인 미국 특허 출원 번호 제12/935,504호에서 개시된다.
이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(120)은 어레이 카메라 모듈(110)로부터 수신된 이미지들을 프로세싱하기 위한 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 결합이다. 이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(120)은 어레이 카메라 모듈에서 초점면들에 의해 캡처된 다수의 이미지들을 프로세싱하고 합성된 더 높은 해상도 이미지를 생성한다. 다수의 실시예들에서, 이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(120)은 출력(122)을 통해 합성된 이미지 데이터를 제공한다.
제어기(130)는 어레이 카메라 모듈(110)의 다양한 동작 파라미터들을 제어하기 위한 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 결합이다. 제어기(130)는 사용자 또는 다른 외부 컴포넌트들로부터 입력들(132)을 수신하고 어레이 카메라 모듈(110)을 제어하도록 동작 신호를 송신한다. 제어기(130)는 또한 어레이 카메라 모듈(110)에서 초점면들에 의해 캡처된 이미지들의 프로세싱을 원조하도록 이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(120)에 정보를 송신할 수 있다.
특정한 어레이 카메라 아키텍처가 도 1에서 예시되지만, 이미지들의 캡처 및 SR 프로세스들의 응용이 합성된 고해상도 이미지를 생성하는 것을 가능하게 하는 대안적인 아키텍처들이 또한 본 발명의 실시예에 따라 활용될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라 어레이 카메라 모듈들에서 적응형 광학 엘리먼트들의 이용은 아래에서 추가로 논의된다.
어레이 카메라 모듈들(ARRAY CAMERA MODULES)
본 발명의 다수의 실시예들에 따른 어레이 카메라 모듈들은 초점면들의 어레이를 포함하는 모노리식 센서 및 렌즈 스택 어레이의 결합을 포함한다. 렌즈 스택 어레이는 렌즈 스택들의 어레이를 포함하며, 각각의 렌즈 스택은 별개의 광학 채널을 정의한다. 렌즈 스택 어레이는 광학 채널들 각각에 대한 초점면을 포함하는 모노리식 센서에 장착되며, 각각의 초점면은 이미지를 캡처하도록 구성된 센서 엘리먼트들 또는 픽셀들의 어레이를 포함한다. 렌즈 스택 어레이 및 초점면들의 어레이를 포함하는 센서가 충분한 정밀도로 결합될 때, 어레이 카메라 모듈은 SR 프로세싱을 이용하여 고해상도 이미지를 합성하도록 이미지 프로세싱 파이프라인에 전달될 수 있는 장면의 다수의 이미지들을 캡처하는데 활용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 초점면들의 어레이를 포함하는 모노리식 센서에 렌즈 스택 어레이를 결합함으로써 형성되는 어레이 카메라 모듈의 전개도가 도 2에서 예시된다. 어레이 카메라 모듈(200)은 초점면(240)의 어레이를 포함하는 센서(230) 및 렌즈 스택 어레이(210)를 포함한다. 렌즈 스택 어레이(210)는 렌즈 스택들(220)의 어레이를 포함한다. 각각의 렌즈 스택(220)은 센서(230) 상에서 초점면들(240) 중 하나 상의 이미지를 분해(resolve)하는 광학 채널을 생성한다. 렌즈 스택들(220) 각각은 상이한 타입으로 이루어질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광학 채널들은 광 스펙트럼의 파장의 상이한 부분들의 이미지들 캡처하는데 이용되고 각각의 광학 채널의 렌즈 스택은 특히 광학 채널과 연관되는 초점면에 의해 이미징되는 스펙트럼의 부분에 대해 최적화된다. 보다 구체적으로, 어레이 카메라 모듈은 "π 필터 그룹들"로 패터닝될 수 있다. π 필터 그룹들이란 용어는 어레이 카메라 모듈의 초점면들 또는 렌즈 스택 어레이에 적용되는 컬러 필터들의 패턴을 지칭하며 π 필터 그룹으로 어레이 카메라들을 패터닝하기 위한 프로세스들은 Venkataraman 등에 의해, 발명의 명칭이 "Camera Modules Patterned with π filter groups"인 미국 특허 출원 번호 제61/641,164호에서 설명된다. 미국 특허 출원 번호 제61/641,164호의 개시물은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. 도 3은 5개의 카메라들의 녹색 광을 수신하도록 구성되고, 2개의 카메라들이 적색 광을 수신하도록 구성되고 2개의 카메라들이 청색 광을 수신하도록 구성되는 단일의 π 필터 그룹을 예시한다.
다수의 실시예들에서, 어레이 카메라 모듈(230)은 서로에 대해 축으로(axially) 배열되는 하나 또는 다수의 별개의 광학 렌즈 엘리먼트들을 갖는 렌즈 스택들(220)을 포함한다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 본 발명의 몇 개의 실시예들에 따른 렌즈 스택 어레이들(210)은 각각의 렌즈 스택의 초점 길이의 독립적인 조정 및/또는 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화의 추후의 시프트를 가능하게 할 수 있는 하나 이상의 적응형 광학 엘리먼트들을 포함한다.
몇 개의 실시예들에서, 어레이 카메라 모듈은 웨이퍼 레벨 옵틱스(wafer level optics; WLO) 기술을 이용한다. WLO는 예를 들어, 유리 웨이퍼들 상에 렌즈 어레이들의 몰딩, 적절한 스페이서들을 갖도록 이들 웨이퍼들(기판의 어느 한 측면 상에 복제되는 렌즈들을 갖는 웨이퍼들을 포함함)의 적층(stacking)에 이어 모노리식 통합 모듈 내로 이미저(imager)와 더불어 직접 옵틱스들의 패키징을 포함하는 다수의 프로세스들을 포함하는 기술이다.
WLO 프로시저는 다른 프로시저들 중에서도, 유리 기판 상에 각각의 플라스틱 렌즈 엘리먼트를 생성하도록 다이아몬드-턴드 몰드(diamond-turned mold)를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, WLO의 프로세스 체인은 일반적으로 다이아몬드 턴드 렌즈 마스터(개별 및 어레이 레벨 양자로)를 생성하고, 이어서 그 마스터(스탬프 또는 툴로 또한 불림)의 복제를 위해 음의 주형(negative mould)를 생성하고, 이어서 마지막으로 유리 기판 상에 폴리머 복제물을 형성하는 것을 포함하며, 이 폴리머 복제물은 예를 들어, 어퍼처들(광 차단 물질층들의 투명 개구들), 및 필터들과 같은 적절한 지지 광학 엘리먼트들을 갖도록 구성된다.
WLO를 이용한 렌즈 스택 어레이들의 구성이 위에서 논의되었지만, 임의의 다양한 기법들, 예를 들어, 정밀 유리 몰딩, 폴리머 주입 몰딩 또는 웨이퍼 레벨 폴리머 모노리식 렌즈 프로세스들을 포함하는 기법들이 렌즈 스택 어레이들을 구성하는데 이용될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라 적응형 광학 엘리먼트들을 포함하는 렌즈 스택 어레이들의 구성은 아래에서 추가로 논의된다.
렌즈 스택 어레이(LENS STACK ARRAYS)
제조 허용오차들은 원래의 규정으로부터 변동되는 렌즈 스택 어레이들의 제작을 초래한다. 종래의 렌즈 스택 어레이에서 발생할 수 있는 초점 길이의 변동들이 도 4a에서 개념적으로 예시된다. 어레이 카메라 모듈(400)은 렌즈 스택들이 센서(408)의 초점면(406) 상에 광을 포커싱하는 렌즈 스택 어레이(402)를 포함한다. 예시되는 바와 같이, 실제로 제작되는 렌즈 스택과 그의 원래의 규정 간의 변동은 그의 규정으로부터 약간 변동되는 초점 길이를 갖는 렌즈 스택 및 결과적으로 렌즈 스택 어레이와 센서 간의 거리에 대응하지 않는 이미지 거리를 초래할 수 있다. 이에 따라, 센서의 초점면들 상에 형성된 이미지들은 초점에서 벗어날 수 있다. 본 발명의 다수의 실시예들에서, 어레이 카메라 모듈들은 SR 프로세싱을 이용하여 고해상도 이미지를 합성하기 위해 이미지 프로세싱 파이프라인에 제공되는 이미지들을 캡처하는데 활용된다. 어레이 카메라 모듈에 의해 캡처된 이미지들이 초점에서 벗어날 때, SR 프로세싱을 이용하여 달성될 수 있는 해상도 이득의 증가는 영향을 받을 수 있다.
다수의 실시예들에서, 장면의 다수의 이미지들은 적응형 엘리먼트들을 이용하여 렌즈 스택들의 하나 이상의 초점 길이를 조정하면서 빠르게 캡처된다. 이러한 방식으로, 프로세서는 더 높은 해상도 이미지를 합성하기 위해 수퍼 해상도 프로세싱과 같은(그러나 이것으로 제한되지 않음) 프로세싱을 수행하기 이전의 포커스를 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)하는 기준들에 따라 이미지들을 선택할 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 그의 각각의 초점 길이의 조정을 가능하게 하도록 적어도 하나의 렌즈 스택에 통합된다. 이러한 방식으로, 적응형 광학 엘리먼트들의 굴절력은 렌즈 스택들에 의해 센서 상의 초점면들의 어레이 상에서 형성되는 이미지들의 디포커스를 감소하도록 제어될 수 있다. 렌즈 스택 어레이가 본 발명의 실시예에 따라 적응형 광학 엘리먼트들을 통합하는 어레이 카메라 모듈이 도 4b에서 개념적으로 예시된다. 렌즈 스택 어레이(402')는 렌즈 스택들(414') 각각에 적응형 광학 엘리먼트(420)를 포함한다. 적응형 광학 엘리먼트에 의한 개입의 부재 시에 렌즈 스택들 각각의 초점 길이는 점선을 이용하여 도시된다. 동작에 있어서, 광학 채널들 각각에서 디포커스를 결정하기 위해 기준 패턴이 활용될 수 있고, 적절한 제어들이 렌즈 스택들 각각의 초점 길이를 수정하기 위해 적응형 광학 엘리먼트들에 적용될 수 있다.
다수의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 자신의 굴절력을 제어 가능하게 수정할 수 있는 렌즈 스택 내의 광학 컴포넌트들이다. 다수의 실시예들에서, 굴절력을 제어 가능하게 수정할 수 있는 적응형 광학 엘리먼트들은 각각의 렌즈 스택의 다른 엘리먼트들/렌즈들에 대해 센서로부터 가장 멀리 그리고 어퍼처에 가장 근접하게 배치된다. 몇 개의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력의 수정은 마이크로 전자기계적 시스템(microelectromechanical systems; MEMS), 활성 폴리머 작동기들, 및/또는 리퀴드(liquid) 렌즈들을 포함(그러나 이들로 제한되지 않음)하여 기계적으로 달성된다. 다수의 실시예들에서, MEMS 시스템은 폴리머에 의해 유리 지지부로부터 분리된 얇은 유리 멤브레인을 포함하며, 여기서 피에조 엘리먼트들이 유리 멤브레인에 힘들을 가한다. 몇 개의 실시예들에서, 피에조 엘리먼트들은 광학 전력 변동을 벤딩(bend)시키고 생성하도록 유리 멤브레인을 강제하는 피에조 링들을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라 유리 멤브레인, 폴리머, 유리 지지부, 및 피에조 엘리먼트를 포함하는 MEMS 시스템이 도 5a 및 도 5b에서 예시된다. MEMS 시스템(500)은 유리 멤브레인(540)을 지지하는 폴리머(520)를 지지하는 유리 지지부(510)를 포함한다. 유리 멤브레인은 피에조 엘리먼트들(530)에 커플링된다. 도 5a에서 도시된 바와 같이, 피에조 엘리먼트들(530)에 전압이 가해지지 않을 때, 광선들(점선들로 표시됨)은 동요 없이 MEMS 시스템을 통과한다. 그러나 도 5b에서 도시된 바와 같이, 피에조 엘리먼트들(530)이 작동되면, 작동이 유리 멤브레인으로 하여금 편향되게 하게 하고, 편향이 MEMS 시스템을 통과하는 광선들을 아규멘팅(argument)하여 초점 길이를 조정한다. 피에조 엘리먼트들의 작동의 정도는 편향의 정도를 제어하며, 이는 결국 초점 길이의 조정과 상관된다. 따라서 초점 길이는 피에조 엘리먼트들의 작동의 정도를 제어함으로써 조작될 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력의 수정은 액정층의 굴절력을 수정하기 위해 성형된 전계들을 적용하는 컴포넌트들을 포함(그러나 이들로 제한되지 않음)하는 기계적으로 정적인 컴포넌트들(즉, (거시적으로) 이동하지 않은 컴포넌트들)을 이용하여 달성된다. 몇 개의 실시예들에서, 액정들이 유리 기판들 사이에 포함되는 정적인 컴포넌트들이 렌즈 스택 어레이의 구성에 활용되고, 유리 기판들은 렌즈 스택 어레이의 추가의 복제(replication)를 위한 토대로서 활용된다.
본 발명의 실시예에 따라 렌즈 스택 어레이에서 활용될 수 있는 액정 적응형 광학 엘리먼트는 도 6에서 예시된다. 액정 적응형 광학 엘리먼트(600)는 3개의 유리 기판들(602, 608 및 614)을 포함한다. 전극(604)이 제 1 유리 기판(602)의 내부 표면 상에 형성되고, 액정 층(606)이 전극과 제 2 유리 기판(608) 사이에 위치된다. 제 2 전극(612)은 제 3 유리 기판(614)의 내부 표면 상에 형성되고, 성형층(610)이 제 2 전극(612)과 제 2 유리 기판(608) 사이에 위치된다. 예시된 실시예에서, 전극들이 균일한 전계를 생성하도록 구성된다. 그러나 성형층은 굴절률이 동일하지만 상이한 유전 특성들을 갖는 2개의 상이한 물질들을 포함한다. 이러한 방식으로 성형층은 전극에 의해 생성된 균일한 전계를 성형한다. 몇 개의 실시예들에서, 성형층은 액정층 내에서 방사상으로 변동하는 전계를 생성하며 이는 액정들의 빠르게 변동되는 방위를 초래한다. 성형층의 물질들이 올바르게 구성/성형될 때, 전극들에 인가되는 단일의 전압은, 액정 엘리먼트들의 차동 회전이 적응형 광학 엘리먼트를 통과하는 광을 상이하게 포커싱하도록 변경될 수 있게 제어될 수 있다. 전극들에 인가된 전압을 증가시킴으로써 달성될 수 있는 굴절력의 증가는 도 7a 및 도 7b에서 개념적으로 예시된다. 도 7a에서 도시된 등고선(700)은 적응형 광학 엘리먼트의 성형 층 내의 상이한 유전 특성들을 갖는 물질들의 원형의 대칭적 형상으로 인해 원형 대칭적 배열을 가질 수 있는 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포를 표시한다. 전극들 간의 전입이 증가하면(도 7b에서 도시된 바와 같이), 등고선들(702)의 수가 증가하여 굴절력의 증가를 표시한다. 적응형 광학 엘리먼트에서 전극들의 쌍 양단의 전압을 제어함으로써, 적절한 레벨의 굴절력이 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 적응형 광학 엘리먼트들의 컴포넌트들은 (예를 들어, 종래의 단일 광학 채널 카메라들에 비해) 비교적 더 작은 렌즈 엘리먼트들을 수용하도록 크기가 정해질 수 있고, 모든 것들이 동일하다면, 더 작은 적응형 광학 엘리먼트들은 더 유익한 광학 특성들을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따라 어레이 카메라 모듈들 내에서의 적응형 엘리먼트들의 이용은, 적응형 광학 엘리먼트들이 그의 효과가 실현되기 위해 단지 더 좁은 스펙트럼 대역에 걸쳐서 작동할 필요가 있는 한 또한 유리하다.
도 6에서 도시된 구조들과 유사한 구조가 본 발명의 실시예들에 따라 렌즈 스택 어레이의 광학 채널들 각각에 통합될 때, 렌즈 엘리먼트들은 종래의 프로세싱 기법들을 이용하여 외부 유리 기판들(602, 614) 상에 형성될 수 있고, 어셈블리된 어레이 카메라 모듈에서 연관된 센서로부터 렌즈 스택 어레이의 간격의 변동 및/또는 자신의 규정으로부터의 렌즈 엘리먼트들의 변동을 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)하는 제조 허용오차들은 광학 채널들 중 하나 이상의 광학 채널들의 액정층들에 인가된 전계를 튜닝함으로써 보상될 수 있다.
다수의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 그의 두께를 변동시킴으로써 초점 길이를 조정한다. 본 발명의 실시예에 따라 초점 길이를 아규멘팅하기 위해 자신의 두께를 변동시키는 적응형 광학 엘리먼트가 도 8에서 예시된다. 적응형 광학 엘리먼트(800)는 굴절률(n) 및 자신의 두께(t)를 수정할 수 있는 성능을 갖는 컴포넌트(802)를 포함한다. 당업자들이 인지할 바와 같이, 컴포넌트(802)는 관계
Figure pct00001
에 따라 양(d)만큼 초점 길이를 아규멘팅한다. 당업자들이 인지할 바와 같이, 이 수학식은 컴포넌트(802) 외부의 환경이 굴절률 1(예를 들어, 이 굴절률은 공기의 굴절률임)을 갖는다는 것을 가정한다. 도 8은 초점 길이의 조정을 도시하며; 구체적으로, 점선들은 광선들이 컴포넌트(802)에 의해 동요되지 않았을 때의 광선들을 도시하고, 실선들은 컴포넌트(802)로 인해 광선들이 횡단하는 경로를 표시한다. 적응형 광학 엘리먼트가 두께 t1일 때, 초점 길이는 양 d1만큼 시프트한다. 적응형 광학 엘리먼트가 더 큰 두께 t2일 때, 초점 길이는 더 큰 양 d2만큼 시프트한다. 본질적으로, 컴포넌트(802)의 두께를 변동시킴으로써, 적응형 광학 엘리먼트(800)는 렌즈 스택의 초점 거리를 아규멘팅할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 자신의 두께를 변동시킬 수 있는 적응형 광학 엘리먼트들은 각각의 렌즈 스택에서 다른 엘리먼트들/렌즈들에 대해 센서에 가장 가깝게 그리고 어퍼처로부터 가장 멀리 배치된다.
다수의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 렌즈 스택 내의 렌즈 엘리먼트들의 축 위치를 조정함으로써 구현된다. 렌즈 스택 내의 렌즈 엘리먼트의 축 위치를 제어 가능하게 조정함으로써, 각각의 렌즈 스택의 이미지 위치는 물론 렌즈 스택의 다른 광학 특성들이 제어 가능하게 조정될 수 있다. 다수의 실시예들에서, MEMS-기반 작동기들은 렌즈 스택 내의 렌즈 엘리먼트의 축 위치를 조정하도록 통합된다. MEMS-기반 작동기들을 통합한 몇 개의 실시예들에서, MEMS-기반 작동기는 단일의 실리콘 조각(piece) 상에서 제작되고 이어서 싱귤레이트(singulate)되고(다이싱됨), 이어서 하이브리드 방식으로 렌즈 스택 어레이와 통합된다. 다수의 실시예들에서, MEMS-기반 작동기 어레이들은 단일의 실리콘 조각의 (모노리식) 어레이로서 제작되고 개별(및 독립적으로 제작됨) 렌즈릿(lenslet)들이 이어서 작동기에 증착된다. 광학 축을 따른 이들 렌즈릿들의 이동은 현재 애플리케이션에서 논의되는 적응형 광학 엘리먼트들과 유사한 초점 변경을 제공할 것이다. 몇몇 실시예들에서, 각각의 렌즈 스택으로부터 단지 하나의 렌즈만이 이동 가능하다. 다수의 실시예들에서, 렌즈 스택 내의 각각의 렌즈 엘리먼트가 이동 가능하여서, 전체 렌즈 스택이 위치변경(reposition)될 수 있다. 다수의 실시예들에서, VCM은 렌즈 스택 내의 렌즈 엘리먼트들의 축 위치를 조정하기 위해 렌즈 스택 내에 통합된다. MEMS-기반 작동기들 및 VCM은 특히 렌즈 스택 내의 렌즈 엘리먼트들의 축 위치를 조정하는 것으로 언급되지만, 렌즈 엘리먼트들은 본 발명의 실시예들에 따라 임의의 수의 방식들로 위치변경될 수 있다.
몇 개의 실시예들에서, 렌즈 스택들 중 특정한 것만이 그들 각각의 렌즈 엘리먼트를 위치변경될 수 있게 할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 렌즈 스택들 모두 다는 그들 각각의 렌즈 엘리먼트들이 위치변경될 수 있게 할 수 있다.
특정한 적응형 광학 엘리먼트들이 위에서 논의되었지만, 제어 가능한 굴절력을 갖는 다양한 적응형 광학 엘리먼트들 중 임의의 것이 다른 방식으로 초점 길이를 조정할 수 있거나, 또는 광학 채널을 통한 광의 투과의 특성을 다른 방식으로 변경할 수 있고 본 발명의 실시예들에 따라 활용될 수 있는 렌즈 스택 어레이 내로 통합될 수 있다. 부가적으로 적응형 광학 엘리먼트들은 굴절력을 아규멘팅하고 및/또는 본 발명의 실시예들에 따른 광의 흐름을 다른 방식으로 제어하기 위해, 예를 들어, MEMS 시스템들 및 기계적으로 정적인 컴포넌트들을 포함하는 매커니즘들의 결합을 이용할 수 있다. 또한, 렌즈 스택 어레이 내의 렌즈 스택들은 본 발명의 실시예들에 따라 서로에 대해 상이한 타입들의 적응형 광학 엘리먼트들을 이용할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 렌즈 스택 어레이가 이미지를 확대하도록 허용하기 위해 렌즈 스택 어레이 내에서 구현된다. 또한, 다수의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 굴절력 분포의 중심화를 제어 가능하게 시프트할 수 있다. 이러한 적응형 광학 엘리먼트가 본 발명의 실시예에 따라 렌즈 스택 어레이 내로 통합될 때, 적응형 광학 엘리먼트는 어레이 카메라 모듈에 의해 캡처되는 이미지들의 샘플링 다이버시티를 증가시키도록 각각의 광학 채널의 중심 시야 방향(central viewing direction)을 제어 가능하게 시프트할 수 있다. 중심 시야 방향은 특정한 광학 채널의 시야(field of view)의 중심의 방향이다. 본 발명의 실시예들에 따라 굴절력 분포의 중심화를 측방향으로 시프트할 수 있는 적응형 광학 엘리먼트들은 아래에서 추가로 논의된다.
굴절력 분포들의 측방향 시프트(LATERALLY SHIFTING REFRACTIVE POWER DISTRIBUTIONS)
적응형 광학 엘리먼트들은 광학 채널의 중심 시야 방향 및 초점 길이를 포함하는 광학 채널의 다양한 특성들의 수정들을 도입하기 위해 렌즈 스택 어레이 내의 렌즈 스택들에 통합될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 각각의 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화에 관한 제어를 가능하게 함으로써 광학 채널의 중심 시야 방향을 제어한다. 이러한 적응형 광학 엘리먼트가 렌즈 스택 어레이 내로 통합될 때, 어레이 카메라 모듈의 각도 샘플링은 광학 채널들의 각각의 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포를 제어함으로써 결정론적으로(deterministically) 미세하게 튜닝될 수 있다. 통상적으로 샘플링 다이버시티가 증가되면, 더 큰 해상도 이득들이 SR 프로세싱을 이용하여 달성될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 중심 시야 방향의 조정의 정도는 최적의 SR 성능이 달성되는 피사체 거리(object distance)에 기초한다.
본 발명의 실시예에 따른 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화의 시프트가 도 9에서 개념적으로 예시된다. 적응형 광학 엘리먼트(900)는 제어 가능한 굴절력 분포를 생성하도록 구성된다. 점선들로 도시되는 등고선들(904)은 광학 채널에 대해 중심화될 때 굴절력 분포의 위치를 도시한다. 예시된 실시예에서, 적응형 광학 엘리먼트는 굴절력 분포를 측?향으로 시프트하는 성능을 포함한다. 실선 등고선들(902)은 굴절력 분포의 중심이 광학 채널의 중심 축으로부터 측방향으로 변위하도록 측방향으로 시프트되었을 때 적응형 엘리먼트의 굴절력 분포를 도시한다. 위에서 언급된 바와 같이, 도 9에서 도시된 것과 유사한 적응형 광학 엘리먼트가 본 발명의 실시예에 따라 렌즈 스택 어레이에 통합될 때, 각각의 광학 채널의 굴절력 분포의 측방향 변위는 각각의 채널의 중심 시야 방향을 미세하게 튜닝하고 이에 따라 어레이 카메라의 샘플링 다이버시티를 증가시키도록 제어될 수 있다.
다수의 실시예들에서, 이미지들의 초기 세트가 캡처될 수 있고 이미지 프로세싱 파이프라인은 캡처된 이미지들로부터 픽셀들의 융합(fusion)을 수행할 때 픽셀들의 스택들을 검출할 수 있다. 적어도 이미지의 특정한 영역에서의 스택들의 수가 문턱값을 초과할 시에, 측방향 시프트들은 캡처된 이미지들에서 그리고 캡처된 이미지들의 제 2 세트에서 샘플링 다이버시티를 증가시키도록 변경될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 캡처된 이미지들로부터의 깊이 정보가 각각의 광학 채널에 대한 적절한 중심 시야 방향을 결정하도록 활용된다. 적응형 광학 엘리먼트들은 상응하게 조정될 수 있고, 이미지들의 제 2 세트가 고해상도 이미지의 합성 시에 이용하도록 캡처된다. 샘플링 다이버시티를 강화하기 위한 특정한 알고리즘들이 위에서 논의되지만, 임의의 다양한 알고리즘들이 본 발명의 실시예들에 따라 렌즈 스택 어레이에서 각각의 광학 채널의 중심 시야 방향을 결정론적으로 제어하기 위해 적응형 광학 엘리먼트들을 이용하여 샘플링 다이버시티를 증가시키도록 활용될 수 있다. 적응형 광학 엘리먼트들이 중심 시야 방향들을 제어할 수 있는 다양한 방식들이 아래에서 논의된다.
중심 시야 방향을 제어하도록 피에조 엘리먼트들을 통합한 MEMS 시스템들 이용(USING MEMS SYSTEMS INCORPORATING PIEZO ELEMENTS TO CONTROL CENTRAL VIEWING DIRECTION)
도 5a 및 도 5b에서 도시된 광학 엘리먼트와 유사한 적응형 광학 엘리먼트들은 본 발명의 실시예들에 따라 중심 시야 방향을 제어할 수 있도록 구성될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 복수의 피에조 엘리먼트들이 유리 멤브레인에 부착되고, 피에조 엘리먼트들은 임의의 수의 방식들로 유리 멤브레인을 편향시키도록 개별적으로 작동될 수 있다. 따라서, 유리 멤브레인을 제어 가능하게 편향시킴으로써, 중심 시야 방향이 원하는 대로 아규멘팅될 수 있다. 임의의 수의 피에조 엘리먼트들 및 임의의 수의 작동 패턴들이 본 발명의 실시예들에 따라 이용될 수 있다는 것에 주의한다.
기계적으로 정적인 컴포넌트들을 활용하는 적응형 광학 엘리먼트들은 또한 중심 시야 방향을 제어하는데 이용될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라 굴절력 분포를 생성하기 위해 액정들을 활용하는, 적응형 광학 엘리먼트들의 굴절력 분포의 측방향 시프트들을 달성하기 위한 다양한 전극 구성들이 아래에서 논의된다.
적응형 광학 엘리먼트 전극 구성들(ADAPTIVE OPTICAL ELEMENT ELECTRODE CONFIGURATIONS)
도 5에서 도시된 적응형 광학 엘리먼트와 유사한 적응형 광학 엘리먼트들은 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화를 제어하기 위해 적절한 전극 구성들을 활용할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라 전압들 또는 전압 패턴들이 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화를 변경하도록 선택적으로 적용될 수 있는 전극 구성들은 도 10a 및 도 10b에서 예시된다. 도 10a에서 도시된 전극 구성은, 상이한 전압들이 전극들에 의해 생성된 전계의 중심의 측방향 시프트들을 허용하도록 상이한 세그먼트들(1000)에 적용될 수 있으며, 이는 결국 튜닝 가능한 LCD-렌즈 광학 함수의 중심의 시프트를 발생시키는 방위각으로 세그멘팅된 전극 패턴이다. 방사상 대칭적 전극 패턴은 측방향으로 시프트될 때 위상 함수로 왜곡을 제한한다. 그러나 다른 실시예들에서, 방사상 대칭적이지 않은 패턴들을 포함하는 전극 패턴이 또한 활용될 수 있다. 그리드 전극 패턴이 도 10b에서 예시된다. 별개의 전압들은 원하는 튜닝 가능한 전계 패턴을 달성하기 위해 그리드 전극 패턴의 세그먼트들(1002)에 적용될 수 있다.
성형층 없이 전계들의 성형(SHAPING ELECTRIC FIELDS WITHOUT A SHAPING LAYER)
도 6을 다시 참조하면, 성형층은 단일의 동종의 전극을 이용하여 방사상 대칭 전계를 성형하도록 LCD-기반 적응형 광학 엘리먼트에 포함된다. 성형층은 주어진 전계의 존재 시에 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포를 정의한다. 성형층의 활용하는 대신, 적절한 전압들은 추후에 성형에 의해 적용된 성형에 등가인 전계의 변동들을 생성하도록 전극의 세트에 적용될 수 있다. 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포를 제어하기 위해 방사상 변동되는 전계를 생성하기 위해 적응형 광학 엘리먼트에서 활용될 수 있는 전극들의 세트가 개념적으로 도 11에서 예시된다. 동심링 전극들(1100)이 중앙 원 전극(1102)을 에워싼다. 전극들 각각에 적절한 전압을 적용하는 것은 미리 결정된 방사상 변동되는 전계를 생성하는 전극들의 세트를 발생할 수 있다.
방사상으로 성형된 전극장(electrode field)을 생성하기 위해 전극들의 세트를 활용하는 것 외에, 적절히 구성된 전극들의 세트가 방사상으로 성형된 전계에 측방향 시프트를 도입하도록 활용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라 적응형 광학 엘리먼트에 의해 생성된 전계를 측방향으로 시프트하도록 구성될 수 있는 전극 구성은 도 11b에서 개념적으로 예시된다. 동심 링들 및 중심 원 전극이 방사상 대칭적 전극 패턴으로 방위각으로(1104) 세그멘팅된다는 것을 제외하면, 전극들은 도 11a에서 도시된 전극들과 유사하다. 전압들은 방사상 변동되는 전계를 생성하도록 인가될 필요가 있을 뿐만 아니라 적응형 광학 엘리먼트의 방사상 변동되는 굴절력 분포의 중심화에 시프트를 도입하도록 또한 활용될 수 있다.
몇 개의 전극 패턴들이 위에서 설명되었지만, 다양한 전극 패턴들 중 임의의 것이 본 발명의 실시예들에 따라 적응형 광학 엘리먼트 내에서 생성된 전계를 제어하도록 활용될 수 있다. 예를 들어, 링들 사이에 상이한 간격을 갖거나 및/또는 폭들이 상이한 링들이 전계를 방사상 변동시키도록 활용되는 전극 패턴이 이용될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따라 렌즈 스택 어레이의 광학 채널 내에 통합되는 적응형 광학 엘리먼트에서 활용될 수 있는 전극들의 세트는 특정한 애플리케이션의 요건들에 의해서만 제한된다.
부가적으로, 위의 논의들은 초점 길이 및 중심화를 조정하는 맥락으로 적응형 광학 엘리먼트를 이용하는 것에 집중했지만, 적응형 광학 엘리먼트들은 컬러 적응 및 열 변동을 참작하는 것을 포함해서 임의의 수의 방식들로 임의의 수의 렌즈 스택 특성들을 아규멘팅하도록 이용될 수 있다. 초점 길이 및 중심화를 아규멘팅하는 것 이외의 목적들을 위해 이용되는 적응형 광학 엘리먼트가 아래에서 논의된다.
초점 길이 조정 및 중심화 이외의 다른 목적들을 위한 적응형 광학 엘리먼트들(ADAPTIVE OPTICAL ELEMENTS FOR PURPOSES OTHER THAN FOCAL LENGTH ADJUSTMENT AND CENTRATION)
적응형 광학 엘리먼트들은 본 발명의 실시예들에 따라 임의의 수의 방식들로 이들을 아규멘팅하도록 렌즈 스택들에 통합될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 컬러 적응 성능들을 제공할 수 있다. 특히, 적응형 광학 엘리먼트들은 이들이 컬러-특정 포커싱(예를 들어, 적색, 녹색 또는 청색광에 특히 민감함)을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 다수의 실시예들에서, 렌즈 스택 어레이의 각각의 렌즈 스택은 적색, 녹색 또는 청색에 특히 민감한 적응형 광학 엘리먼트에 맞춤되어서, π 필터 그룹들은 적응형 광학 엘리먼트들에 의해 렌즈 스택 어레이 상에서 구현된다.
몇 개의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 렌즈 스택 어레이에 영향을 줄 수 있는 임의의 불리한 열 효과들을 상쇄할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 다수의 실시예들에서, 적응형 광학 엘리먼트들은 어레이 카메라 모듈이 직면할 수 있는 열 팽창으로 인한 및/또는 온도에 의한 렌즈 물질의 굴절률의 변화들로 인한 불리한 효과들을 상쇄하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 적응형 광학 엘리먼트들은 이미지 상의 센서의 열 시그니처(thermal signature)의 효과를 상쇄하도록 이미지를 아규멘팅하게 구성될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 암전류 측정들은 온도를 측정하는데 이용되고, 적응형 광학 엘리먼트들은 상응하게 적응된다.
위의 설명이 본 발명의 다수의 특정한 실시예들을 포함하지만, 이들은 본 발명의 범위에 관한 제한으로서 해석되는 것이 아니라 본 발명의 일 실시예의 예로서 해석되어야 한다. 이에 따라, 본 발명의 범위는 예시된 실시예들에 의해서가 아니라, 첨부된 청구항들 및 그의 등가물들에 의해서 결정되어야 한다.

Claims (27)

  1. 어레이 카메라 모듈에 있어서,
    적어도 2개의 렌즈 스택들을 포함하는 렌즈 스택 어레이 - 적어도 하나의 렌즈 스택은 적어도 하나의 전기 신호에 응답하여 대응하는 렌즈 스택에 의해 정의된 광학 채널에서 광의 투과의 특성들을 조정할 수 있는 적응형 광학 엘리먼트(adaptive optical elements)를 포함함 - ;
    상기 렌즈 스택 어레이 내의 각각의 렌즈 스택에 대한 초점면(focal plane)을 포함하는 센서 - 각각의 초점면은 픽셀들의 복수의 열들을 또한 형성하는 픽셀들의 복수의 행들을 포함하고, 각각의 초점면은 다른 초점면으로부터의 픽셀들을 포함하지 않는 센서의 영역 내에 포함됨 - ; 및
    적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성된 회로를 포함하고,
    상기 렌즈 스택 어레이 및 상기 센서는, 각각의 렌즈 스택이 대응하는 초점면 상에 이미지를 형성할 수 있도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 상기 센서에 의해 생성된 적어도 하나의 전기 신호에 기초하여 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 렌즈 스택 어레이 내의 렌즈 스택들 각각은 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 포함하는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는 그의 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는, 그의 초점 길이가 그의 대응하는 초점면과 정렬되도록 그의 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    그의 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하도록 구성되는 상기 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는 적어도 하나의 피에조 엘리먼트(piezo element)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 피에조 엘리먼트의 작동은 상기 적응형 광학 엘리먼트로 하여금 그의 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하게 하는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    그의 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하도록 구성되는 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는,
    유리 지지부, 폴리머층 및 얇은 유리 멤브레인을 더 포함하고,
    상기 유리 지지부는 상기 폴리머 층의 한 측에 인접하게 배치되고, 상기 얇은 유리 멤브레인은 상기 폴리머 층의 제 2 대향측에 인접하게 배치되고,
    상기 적어도 하나의 피에조 엘리먼트는, 상기 대응하는 렌즈 스택의 초점 길이가 제어 가능하게 조정되도록 상기 피에조 엘리먼트의 작동이 상기 얇은 유리 멤브레인을 편향시키도록 상기 유리 멤브레인에 결합되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 적응형 광학 엘리먼트는 액정 엘리먼트들을 포함하는 액정층을 포함하는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 적응형 광학 엘리먼트는 제 1 유리 기판, 제 2 유리 기판, 제 3 유리 기판, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 성형층을 더 포함하고,
    상기 성형 층은 굴절률이 동일하지만 유전 특성들이 상이한 2개의 상이한 물질들을 포함하고,
    상기 제 1 전극은 상기 제 1 유리 기판과 상기 액정층 사이에 그리고 이들에 인접하게 배치되고,
    상기 액정층은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 유리 기판 사이에 그리고 이들에 인접하게 배치되고,
    상기 제 2 유리 기판은 상기 액정층과 상기 성형층 사이에 그리고 이들에 인접하게 배치되고,
    상기 성형층은 상기 제 2 유리 기판과 상기 제 2 전극 사이에 그리고 이들에 인접하게 배치되고,
    상기 제 2 전극은 상기 성형층과 상기 제 3 유리 기판 사이에 그리고 이들에 인접하게 배치되고,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 걸쳐서 전위차가 적용될 때, 렌즈 스택의 초점 길이를 조정하도록 전위차가 상기 액정 엘리먼트들의 차동 회전을 야기하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 적응형 광학 엘리먼트는 전계를 생성하도록 구성되는 복수의 전극들을 더 포함하고, 상기 전계의 크기는 대응하는 렌즈 스택에 관한 방사(radial) 위치의 함수로서 변동되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 적응형 광학 엘리먼트는 그의 두께를 변동시킴으로써 초점 길이를 조정하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 적응형 광학 엘리먼트는 각각의 렌즈 스택 내의 적어도 하나의 렌즈 엘리먼트의 축 위치를 변동시킴으로써 이미지 위치를 조정하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 적응형 광학 엘리먼트는, 각각의 렌즈 스택 내의 적어도 하나의 렌즈 엘리먼트의 축 위치를 변동시키기 위한 적어도 하나의 MEMS-기반 작동기를 포함하는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 적응형 광학 엘리먼트는 또한 이미지를 확대하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 적응형 광학 엘리먼트는 각각의 렌즈 스택 내의 적어도 하나의 렌즈 엘리먼트의 축 위치를 변동시키기 위한 적어도 하나의 VCM을 포함하는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  16. 제 3 항에 있어서,
    상기 적응형 광학 엘리먼트들 중 적어도 하나는 그의 대응하는 렌즈 스택의 중심 시야각을 조정하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는 상기 초점면들에 의해 제공된 이미지 다이버시티(image diversity)의 각도 샘플링(angular sampling)을 증가시키도록 그의 대응하는 렌즈 스택의 중심 시야각을 조정하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는 상기 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화를 제어하도록 구성되는 복수의 전극들을 포함하는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전극들은, 상기 적응형 광학 엘리먼트의 굴절력 분포의 중심화를 제어하도록 전위차가 전극들의 서브세트(subset)에 걸쳐서 선택적으로 적용될 수 있도록 방위각으로 세그멘팅된 패턴(azimuthally segmented pattern)으로 배열되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 중심 시야각의 조정의 정도(extent)는 상기 카메라에 대한 피사체(object)의 거리에 기초하며, 상기 피사체의 이미지를 상기 초점면들이 캡처하는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  21. 제 3 항에 있어서,
    상기 적응형 광학 엘리먼트들 중 적어도 하나는 컬러 적응 성능들을 제공하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트는 컬러-특정 포커싱(color-specific focusing)을 제공하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  23. 제 22 항에 있어서,
    모든 적응형 광학 엘리먼트들은 컬러-특정 포커싱을 제공하고,
    구체적으로 포커싱되는 컬러들은 적색, 청색 및 녹색으로 구성된 그룹으로부터 선택되고,
    컬러-특정 포커싱을 구비한 적응형 광학 엘리먼트들은 상기 렌즈 스택 어레이 상에 π 필터 그룹들을 구현하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  24. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 물리적 파라미터를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 측정 디바이스를 더 포함하고,
    상기 회로는 상기 측정 디바이스에 의해 측정된 적어도 하나의 물리적 파라미터에 기초하여 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 측정 디바이스는 온도를 측정하고 상기 온도 측정을 표시하는 적어도 하나의 전기 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 회로는 상기 적어도 하나의 측정 디바이스에 의해 생성된 온도 측정을 표시하는 적어도 하나의 전기 신호에 기초하여 상기 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 제어기에 의해 생성된 적어도 하나의 전기 신호에 기초하여 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
  27. 어레이 카메라 모듈에 있어서,
    적어도 2개의 렌즈 스택들을 포함하는 렌즈 스택 어레이 - 각각의 렌즈 스택은 전기 신호에 응답하여 대응하는 렌즈 스택에 의해 정의된 광학 채널에서 광의 투과의 특성들을 조정할 수 있는 적응형 광학 엘리먼트를 포함하고, 각각의 적응형 광학 엘리먼트는 액정층 및 전계를 생성할 수 있는 복수의 전극들을 포함하고, 상기 전계의 크기는 상기 렌즈 스택의 초점 길이 및 중심 시야 방향(central viewing direction)이 조정될 수 있도록 상기 렌즈 스택에 대해 방사 및 원주 위치(circumferential position)의 함수로서 변동됨 - ;
    상기 렌즈 스택 어레이 내의 각각의 렌즈 스택에 대한 초점면을 포함하는 센서 - 각각의 초점면은 픽셀들의 복수의 열들을 또한 형성하는 픽셀들의 복수의 행들을 포함하고, 각각의 초점면은 다른 초점면으로부터의 픽셀들을 포함하지 않는 센서의 영역 내에 포함됨 ; 및
    상기 센서에 의해 생성된 적어도 하나의 전기 신호에 기초하여 적어도 하나의 적응형 광학 엘리먼트를 제어하도록 구성된 회로를 포함하고,
    상기 렌즈 스택 어레이 및 상기 센서는 각각의 렌즈 스택이 대응하는 초점면 상에서 이미지를 형성할 수 있도록 구성되는 것인, 어레이 카메라 모듈.
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