KR20150068778A - 반사굴절식 라이트 필드 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치 - Google Patents

반사굴절식 라이트 필드 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치 Download PDF

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KR20150068778A
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Abstract

교체 가능한 마이크로 미러 어레이를 이용하여 구현한 반사굴절식 라이트 필드 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치가 개시된다. 개시된 반사굴절식 라이트 필드 렌즈는, 동심원의 형태로 배열된 다수의 마이크로 미러를 구비하는 마이크로 미러 어레이, 상기 마이크로 미러 어레이의 둘레에 형성된 광입사 영역, 상기 광입사 영역을 통해 입사한 빛을 반사하여 상기 마이크로 미러 어레이에 집광시키는 주 미러, 및 상기 주 미러의 중심부를 관통하여 형성된 광출사 영역을 포함할 수 있다.

Description

반사굴절식 라이트 필드 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치{Catadioptric light-field lens and image pickup apparatus including the same}
개시된 실시예들은 반사굴절식 라이트 필드 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교체 가능한 마이크로 미러 어레이를 이용하여 구현한 반사굴절식 라이트 필드 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치에 관한 것에 관한 것이다.
일반적인 2차원(2D) 카메라는 대물렌즈를 통해 들어온 빛의 세기 정보를 이미지 센서로 획득하여 영상을 생성한다. 예를 들어, 피사체의 한 점으로부터 오는 다수의 광선들을 대물렌즈를 이용하여 이미지 센서의 한 점에 모아 일정 시간 동안 누적함으로써, 상기 피사체의 한 점에 대한 빛의 세기 정보를 얻을 수 있으며, 이미지 센서의 다수의 화소들로부터 얻은 빛의 세기 정보를 이용하여 하나의 영상을 만들 수 있다. 그러나, 이러한 2D 카메라의 영상 획득 방식으로는 피사체의 한 점으로부터 오는 개개의 광선들의 세기와 방향에 대한 정보를 얻을 수는 없다.
라이트 필드(light field) 기술은 피사체의 한 점으로부터 오는 다수의 광선들의 개별적인 세기와 방향에 대한 정보를 획득함으로써 임의의 시점(view point)이나 임의의 초점에 해당하는 영상을 생성할 수 있도록 하는 기술이다. 라이트 필드 기술을 이용하면 피사체의 다수의 시점에 대한 정보 및 피사체의 깊이 정보를 얻을 수 있는 3차원(3D) 카메라 또는 화각 내의 모든 피사체들에 임의로 초점을 맞출 수 있는 리포커싱(refocusing) 효과를 갖는 카메라를 구현할 수 있다.
라이트 필드 기술이 적용된 카메라는 통상적으로 대물렌즈와 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 2차원 배열된 다수의 마이크로 렌즈들을 갖는 마이크로 렌즈 어레이가 대물렌즈와 이미지 센서 사이에 배치될 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이는 대물렌즈의 상평면(image plane) 상에 위치할 수 있으며 이미지 센서는 마이크로 렌즈 어레이의 초점거리에 위치할 수 있다. 이러한 배치 구조의 카메라를 통상적으로 플렌옵틱 1.0 카메라(plenoptic 1.0 camera)라고 부른다. 또한, 마이크로 렌즈 어레이를 대물렌즈의 상평면으로부터 소정의 거리만큼 앞쪽이나 뒤쪽에 배치하고 이미지 센서를 마이크로 렌즈 어레이의 초점거리에 배치함으로써 영상의 해상도를 향상시킬 수도 있는데, 이러한 배치 구조의 카메라를 통상적으로 플렌옵틱 2.0 카메라(plenoptic 2.0 camera)라고 부른다.
그런데, 상술한 라이트 필드 카메라들의 경우, 마이크로 렌즈 어레이가 대물렌즈와 이미지 센서 사이에 배치되어 있기 때문에, 마이크로 렌즈 어레이를 교체하거나 변형하기가 어렵다. 따라서, 마이크로 렌즈 어레이의 초점거리가 고정되어 있기 때문에, 초점거리를 변화시키면서 다양한 효과를 주어 촬영하는 것이 어렵다.
교체 가능한 마이크로 미러 어레이를 이용하여 구현한 반사굴절식 라이트 필드 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 반사굴절식 라이트 필드 렌즈는, 동심원의 형태로 배열된 다수의 마이크로 미러를 구비하는 마이크로 미러 어레이; 상기 마이크로 미러 어레이의 둘레에 형성된 광입사 영역; 상기 광입사 영역을 통해 입사한 빛을 반사하여 상기 마이크로 미러 어레이에 집광시키는 주 미러; 및 상기 마이크로 미러 어레이와 대향하도록 상기 주 미러의 중심부를 관통하여 형성된 광출사 영역;을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 주 미러는 상기 마이크로 미러 어레이와 대향하도록 배치된 하나의 반사판을 포함할 수 있으며, 상기 반사판의 중심부를 관통하여 상기 광출사 영역이 형성될 수 있다.
상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈는 상기 반사판의 중심부의 광출사 영역에 배치된 렌즈를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 렌즈는 초점 평면에 결상되는 영상을 평탄화시키기 위한 필드 평탄화 렌즈일 수 있다.
상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈는, 상기 마이크로 미러 어레이의 둘레의 광입사 영역에 배치된 것으로 상기 마이크로 미러 어레이와 주 미러의 수차를 보정하기 위한 투명한 보정판을 더 포함할 수 있다.
상기 반사판은 오목한 반사면을 가질 수 있다.
또한, 상기 주 미러는 서로 마주하여 배치된 반사면을 각각 갖는 제 1 반사판과 제 2 반사판을 포함할 수 있으며, 상기 광출사 영역은 상기 제 1 반사판의 중심부를 관통하여 형성되어 있고, 상기 마이크로 미러 어레이는 상기 제 2 반사판의 중심부를 관통하여 배치되어 있으며, 상기 광입사 영역은 상기 제 2 반사판의 둘레에 형성될 수 있다.
상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈는, 상기 제 1 반사판의 둘레에 배치된 것으로, 상기 광입사 영역을 통해 입사한 빛을 상기 제 2 반사판으로 반사하는 경사 미러; 및 상기 광입사 영역을 한정하기 위하여 상기 경사 미러의 둘레 부분에 배치된 측벽;을 더 포함할 수 있다.
상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈는, 상기 제 2 반사판으로부터 반사된 빛을 상기 마이크로 미러 어레이로 직접 반사하도록 상기 제 1 반사판 상에서 상기 광출사 영역의 주위에 배치된 것으로 변형 가능한 반사면을 갖는 구동 미러를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 구동 미러는 상기 구동 미러의 반사면이 기계적 또는 전기적 조작에 의해 변형 가능한 변형 가능 미러일 수 있다.
다른 예로서, 상기 구동 미러는 정전기적으로 구동 가능한 다수의 마이크로 미러들을 포함하는 마이크로 미러 어레이일 수 있다.
상기 마이크로 미러 어레이와 광출사 영역은 상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈의 광축 상에 배치될 수 있다.
상기 마이크로 미러 어레이는 상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈의 광축 방향을 따라 이동 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 마이크로 미러 어레이의 상기 다수의 마이크로 미러들의 반사면들은 오목한 곡면을 가질 수 있다.
상기 마이크로 미러 어레이의 상기 다수의 마이크로 미러들의 반사면들은 적어도 2개의 서로 다른 곡률을 가질 수 있다.
상기 마이크로 미러 어레이의 상기 다수의 마이크로 미러들의 반사면들은 적어도 2개의 서로 다른 직경을 가질 수 있다.
상기 마이크로 미러 어레이의 상기 다수의 마이크로 미러들의 반사면들의 곡률 또는 직경은 상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈의 광축으로부터 멀어질수록 커지거나 작아질 수 있다.
상기 마이크로 미러 어레이는 상기 광출사 영역을 향해 평탄하게 형성된 표면을 갖는 본체를 포함하며, 상기 다수의 마이크로 미러들은 상기 본체의 평탄한 표면 상에 동심원의 형태로 배열될 수 있다.
상기 마이크로 미러 어레이는 상기 광출사 영역을 향해 오목하게 형성된 곡면을 갖는 본체를 포함하며, 상기 다수의 마이크로 미러들은 상기 본체의 오목한 곡면 상에 동심원의 형태로 배열될 수 있다.
동심원의 형태로 배열된 상기 다수의 마이크로 미러들은 원주 방향을 따라 적어도 2개의 세그먼트로 분할될 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 촬상 장치는, 상술한 구조들을 갖는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈; 및 상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈의 광출사 영역에 배치된 것으로, 2차원 배열된 다수의 화소를 갖는 이미지 센서;를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 마이크로 미러 어레이의 초점 평면에 위치할 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 마이크로 미러 어레이를 이용하여 반사굴절식의 라이트 필드 렌즈를 구현할 수 있다. 본 실시예에 따른 반사굴절식 라이트 필드 렌즈의 경우, 마이크로 미러 어레이가 라이트 필드 렌즈의 가장 전면(즉, 물체측)에서 피사체에 가장 가까이 위치하기 때문에, 마이크로 미러 어레이를 교체하기가 용이하다. 따라서, 다양한 초점거리를 갖는 다수의 마이크로 미러 어레이들을 교대로 사용함으로써, 초점거리를 변화시키면서 다양한 효과를 주어 촬영하는 것이 가능하다. 또한, 마이크로 미러 어레이를 광축 방향을 따라 이동시킴으로써 초점을 조절하는 것도 용이하다.
도 1은 일 실시예에 따른 반사굴절식 라이트 필드 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 마이크로 미러 어레이의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보이는 예시적인 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 마이크로 미러 어레이의 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보이는 예시적인 평면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 반사굴절식 라이트 필드 렌즈의 마이크로 미러 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 마이크로 미러 어레이를 이용하여 라이트 필드 기술이 구현되는 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 반사굴절식 라이트 필드 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 반사굴절식 라이트 필드 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 반사굴절식 라이트 필드 렌즈(100) 및 이를 포함하는 촬상 장치의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 라이트 필드 렌즈(100)는, 다수의 마이크로 미러(112)를 구비하는 마이크로 미러 어레이(110), 상기 마이크로 미러 어레이(110)의 둘레에 형성된 광입사 영역(105a), 광입사 영역(105a)을 통해 입사한 빛을 마이크로 미러 어레이(110)에 반사하는 반사판(102), 및 마이크로 미러 어레이(110)와 대향하도록 반사판(102)의 중심부를 관통하여 형성된 광출사 영역(105b)을 포함할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 촬상 장치는 상술한 구조를 갖는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈(100), 및 상기 라이트 필드 렌즈(100)의 광출사 영역(101b)에 대향하여 배치된 것으로 2차원 배열된 다수의 화소를 갖는 이미지 센서(150)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(150)는 CCD(charge-coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다.
반사판(102)은 광입사 영역(105a)을 통해 입사한 빛을 반사하여 마이크로 미러 어레이(110)에 집광시키는 주 미러(primary mirror)의 역할을 할 수 있다. 이를 위하여, 오목한 반사면을 갖는 하나의 반사판(102)이 마이크로 미러 어레이(110)와 이미지 센서(150) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 마이크로 미러 어레이(110)는 라이트 필드 렌즈(100)의 물체측(object side)에 배치되며, 반사판(102)은 라이트 필드 렌즈(100)의 상측(image side)에 배치될 수 있다. 반사판(102)의 오목한 반사면을 마이크로 미러 어레이(110)와 대향하도록 배치될 수 있다.
마이크로 미러 어레이(110)에서 반사된 빛이 이미지 센서(150)에 도달할 수 있도록, 반사판(102)의 중심부에는 관통구가 형성될 수 있다. 반사판(102)의 중심부를 관통하여 형성된 상기 관통구는 라이트 필드 렌즈(100)의 광출사 영역(105b)을 한정할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 마이크로 미러 어레이(110), 광출사 영역(105b), 및 이미지 센서(150)는 라이트 필드 렌즈(100)의 광축(OX) 상에 배열될 수 있다. 도 1에는 라이트 필드 렌즈(100)의 광축(OX) 방향을 따라 이미지 센서(150)가 광출사 영역(105b)으로부터 소정의 거리만큼 떨어져 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예는 이에 한정되는 것은 아니다. 광축(OX) 방향을 따른 이미지 센서(150)의 위치는 마이크로 미러 어레이(110)의 초점 길이에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(150)는 마이크로 미러 어레이(110)의 초점 평면 상에 위치할 수 있다.
또한, 라이트 필드 렌즈(100)는 반사판(102)의 중심부의 광출사 영역(105b)에 배치된 렌즈(104)를 더 포함할 수도 있다. 상기 렌즈(104)는, 예를 들어, 마이크로 미러 어레이(110)의 초점 평면에 결상되는 영상을 평탄화시키기 위한 필드 평탄화 렌즈(field flattening lens)일 수 있다. 이미지 센서(150)의 표면은 평탄한 반면, 반사판(102)과 마이크로 미러 어레이(110)의 반사면은 구면이므로, 이미지 센서(150)에 형성되는 영상은 구면 수차에 의해 왜곡될 수 있다. 렌즈(104)는 구면 수차를 보상하여 이미지 센서(150)에 형성되는 영상의 왜곡을 억제할 수 있다.
상기 라이트 필드 렌즈(100)는, 또한, 마이크로 미러 어레이(110)의 둘레의 광입사 영역(105a)에 배치된 투명 보정판(collector plate)(101)을 더 포함할 수도 있다. 보정판(101)은, 예를 들어, 구면 수차를 포함하는 반사판(102)과 마이크로 미러 어레이(110)의 다양한 수차를 보상하는 역할을 할 수 있다. 보정판(101)은 빛이 반사판(102)에 입사하기 전에 반사판(102)과 마이크로 미러 어레이(110)의 수차에 반대되는 수차를 미리 빛에 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 보정판(101)은 예를 들어 복잡한 비구면의 형태를 가질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로 미러 어레이(110)는 광축(OX)을 중심으로 하는 원통형의 본체(111)와 상기 본체(111)의 표면에 배열된 다수의 마이크로 미러(112)들을 포함할 수 있다. 도 1의 단면도에는 다수의 마이크로 미러(112)들이 2개의 부분으로 나누어진 것으로 도시되어 있으나, 다수의 마이크로 미러(112)들은 실제로는 동심원의 형태로 배열된 다수의 링을 따라 배열될 수 있다.
예를 들어, 도 2는 도 1에 도시된 마이크로 미러 어레이(100)의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보이는 예시적인 평면도이다. 도 2를 참조하면, 광출사 영역(105b)을 향해(즉, 상측을 향해) 형성된 본체(111)의 표면(111a) 상에는 다수의 동심원 링(112a, 112b, 112c)들을 따라 다수의 마이크로 미러(112)들이 배열될 수 있다. 도 2에는 예시적으로 3개의 동심원 링(112a, 112b, 112c)이 도시되어 있지만, 마이크로 미러(112)들이 배열되어 있는 동심원 링(112a, 112b, 112c)의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 동심원 링(112a, 112b, 112c)의 개수는 필요에 따라 2개 또는 4개 이상으로 선택될 수도 있다. 그리고, 각각의 동심원 링(112a, 112b, 112c)에는 작은 크기를 갖는 다수의 마이크로 미러(112)들이 서로 인접하여 배열될 수 있다. 도 2에는 본체(111)의 표면(111a)의 중심부가 비어 있는 것으로 도시되어 있으나, 실제로는 표면(111a)의 대부분의 영역에 마이크로 미러(112)들이 채워질 수도 있다.
또한, 도 3은 마이크로 미러 어레이(100)의 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보이는 예시적인 평면도이다. 도 2의 경우, 다수의 마이크로 미러(112)들은 원주 방향을 따라 완전히 연결되도록 배열되어 있다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 동심원의 형태로 배열된 다수의 마이크로 미러(112)들은 원주 방향을 따라 적어도 2개의 세그먼트(S1, S2, S3)들로 분할될 수도 있다. 도 3에는 예시적으로 3개의 세그먼트(S1, S2, S3)들이 도시되어 있으나, 마이크로 미러(112)들은 2개 또는 4개 이상의 세그먼트들로 분할될 수도 있다. 도 3에 도시된 예에서, 각각의 동심원 링(112a, 112b, 112c) 내의 각각의 세그먼트(S1, S2, S3)는 서로 인접하여 배열된 다수의 마이크로 미러(112)들을 포함할 수도 있으나, 하나의 연속적인 마이크로 미러를 포함할 수도 있다.
한편, 마이크로 미러 어레이(110)의 다수의 마이크로 미러(112)들의 반사면들은 이미지 센서(150)로 반사되는 빛을 집광시키기 위하여, 도 1의 단면도에 도시된 바와 같이, 오목한 곡면을 가질 수 있다. 본 실시예에 따르면, 한 번의 촬영으로 초점 거리가 다른 다양한 영상들을 얻기 위하여, 다수의 마이크로 미러(112)들의 반사면들은 서로 다른 곡률과 직경을 가질 수도 있다. 예를 들어, 다수의 마이크로 미러(112)들의 반사면들은 적어도 2개의 서로 다른 곡률 또는 적어도 2개의 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 또한, 도 2 및 3에 도시된 동심원 링(112a, 112b, 112c)들에 각각 배열된 마이크로 미러(112)들은 라이트 필드 렌즈(100)의 광축(OX)에 대한 상대적인 위치가 서로 다르다. 따라서, 효율적이고 정확한 집광을 위하여 라이트 필드 렌즈(100)의 광축(OX)으로부터의 거리에 따라 마이크로 미러(112)들의 반사면들의 곡률 또는 직경을 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 다수의 마이크로 미러(112)들의 반사면들의 곡률 또는 직경은 광축(OX)으로부터 멀어질수록 더욱 커지거나 또는 더욱 작아질 수도 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 반사굴절식 라이트 필드 렌즈(100)의 마이크로 미러 어레이(120)의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1에 도시된 단면도에서, 마이크로 미러 어레이(110)의 본체(111)는 광출사 영역(105b)을 향해(즉, 상측을 향해) 평탄하게 형성된 표면(111a)을 포함하며, 다수의 마이크로 미러(112)들은 이러한 평탄한 표면(111a) 상에 동심원의 형태로 배열되는 것으로 도시되어 있다. 반면, 도 4에 도시된 마이크로 미러 어레이(120)의 경우, 보다 효율적인 집광을 위하여, 곡면의 형태로 형성된 표면(121a)을 갖는 본체(121)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상측을 향해 배치된 표면(121a)은 오목한 곡면을 가질 수 있으며, 이러한 오목한 곡면 상에 다수의 마이크로 미러(122)들이 동심원의 형태로 배열될 수도 있다. 이 경우, 개개의 마이크로 미러(122)가 오목한 반사면을 가질 뿐만 아니라, 마이크로 미러 어레이(110)가 전체적으로 오목한 형태로 형성되므로, 마이크로 미러 어레이(110)의 집광 효율이 향상될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 미러 어레이(110)는 도 1에서 화살표로 표시된 바와 같이 광축(OX) 방향을 따라 이동 가능하도록 구성될 수도 있다. 광축(OX)을 따라 마이크로 미러 어레이(110)를 이동시킴으로써 초점을 조절하고 라이트 필드 렌즈(100)에 줌 기능을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 구동 모터(도시되지 않음) 등을 이용하여 마이크로 미러 어레이(110)를 광축(OX) 방향으로 이동시킬 수 있다.
마이크로 미러 어레이(110)가 광축(OX) 방향으로 이동하게 되면, 마이크로 미러 어레이(110)와 이미지 센서(150) 사이의 거리가 변하게 된다. 따라서, 정확한 초점 조절을 위해 마이크로 미러(112)들의 반사면들의 곡률이 변형될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 미러(112)는 반사면이 기계적 또는 전기적 조작에 의해 임의의 형태로 변형 가능한 변형 가능 미러(deformable mirror)일 수 있다. 이를 위하여, 마이크로 미러(112)의 반사면은 가요성 부재로 이루어질 수 있으며, 가요성 부재의 배면에는 반사면을 국소적으로 밀거나 당겨 변형시키기 위한 미세한 전기적 또는 기계적 장치들이 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 2차원 배열된 다수의 압전 액추에이터들이 마이크로 미러(112)의 가요성 반사면에 배치될 수 있다. 또는, 마이크로 미러(112)들은 미세전자기계시스템(micro electro mechanical system; MEMS) 기술을 이용하여 정전기적으로 구동 가능하게 제작될 수도 있다. 이러한 특징은 도 4에 도시된 마이크로 미러 어레이(120)에도 적용될 수 있다.
도 5는 예시적으로 도 3에 도시된 마이크로 미러 어레이(120)를 이용하여 라이트 필드 기술이 구현되는 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 라이트 필드 기술은 통상적으로 양의 굴절력을 갖는 하나의 주 렌즈와 양의 굴절력을 갖는 하나의 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 구현되고 있다. 볼록 렌즈와 오목 미러는 모두 빛을 모으는 양의 굴절력을 가지며 단지 상이 맺히는 방향만이 반대이다. 이렇게 렌즈와 미러의 광학적 특성이 유사하기 때문에, 통상적인 주 렌즈와 마이크로 렌즈 어레이를 이용하는 대신에 주 미러와 마이크로 미러 어레이를 이용하여 라이트 필드 기술이 구현될 수도 있다.
도 5를 참조하면, 도시되지 않은 주 미러의 상평면(IP)으로부터 떨어져서 마이크로 미러 어레이(120)가 배치되어 있다. 서로 다른 시점으로부터 오는 빛(A, B)은 주 미러의 상평면(IP)에서 한점으로 모인 후에, 다수의 마이크로 미러(122)들에 의해 이미지 센서(150)의 서로 다른 위치에 집광될 수 있다. 따라서 양의 굴절력을 갖는 하나의 주 렌즈와 양의 굴절력을 갖는 하나의 마이크로 렌즈 어레이를 사용하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 다만, 렌즈와 미러는 상이 맺히는 방향이 반대이기 때문에, 주 렌즈와 마이크로 렌즈 어레이는 각각 물체측과 상측에 배치되는 반면, 주 미러와 마이크로 미러 어레이는 각각 상측과 물체측에 배치된다는 차이가 있다. 도 5는 예시적으로 플렌옵틱 2.0 기술을 나타내고 있으나, 본 실시예는 주 미러의 상평면(IP)에 마이크로 미러 어레이(120)가 위치하는 플렌옵틱 1.0 기술에도 적용될 수도 있다.
지금까지 설명한 본 실시예에 따른 반사굴절식 라이트 필드 렌즈(100)의 경우, 마이크로 미러 어레이(110, 120)가 라이트 필드 렌즈(100)의 가장 전면(즉, 물체측)에 위치하기 때문에, 마이크로 미러 어레이(110, 120)를 교체하기가 용이하다. 따라서, 다양한 초점거리를 갖는 다수의 마이크로 미러 어레이(110, 120)들을 교대로 사용함으로써, 초점거리를 변화시키면서 다양한 효과를 주어 촬영하는 것이 가능하다. 또한, 마이크로 미러 어레이(110, 120)를 광축 방향을 따라 이동시킴으로써 초점을 조절하거나 줌 기능을 제공하는 것도 용이하다.
도 6은 다른 실시예에 따른 반사굴절식 라이트 필드 렌즈(200) 및 이를 포함하는 촬상 장치의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1에 도시된 라이트 필드 렌즈(100)의 경우, 주 미러로서 오목한 반사면을 갖는 하나의 반사판을 사용하고 있다. 반면, 도 6에 도시된 라이트 필드 렌즈(200)는 2개의 반사판(201, 202) 사이에서 빛의 진행 경로가 다수 회 절곡되는 접이식 광학(folded optics) 구조를 주 미러로서 사용할 수 있다. 도 6에 도시된 라이트 필드 렌즈(200)의 경우, 마주 보는 2개의 반사판(201, 202)을 이용하여 광 경로를 길게 연장함으로써 라이트 필드 렌즈(200)의 두께를 크게 줄이는 것이 가능하다. 즉, 라이트 필드 렌즈(200)의 두께를 초점 길이와는 무관하게 2개 반사판(201, 202) 사이의 거리로 한정할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 라이트 필드 렌즈(200)를 포함하는 촬상 장치는 두께가 얇은 휴대용 기기에서 사용하기가 용이하다.
구체적으로, 도 6을 참조하면, 라이트 필드 렌즈(200)의 주 미러는 서로 마주하여 배치된 반사면을 각각 갖는 제 1 반사판(201)과 제 2 반사판(202)을 포함할 수 있다. 제 1 반사판(201)의 중심부를 관통하여 광출사 영역(205b)이 형성되며, 광입사 영역(205a)은 제 2 반사판(202)의 둘레를 따라 링의 형상으로 형성될 수 있다. 마이크로 미러 어레이(110)는 제 2 반사판(202)의 중심부를 관통하여 배치될 수 있다. 도 6에 도시된 마이크로 미러 어레이(110) 대신에 도 4에 도시된 마이크로 미러 어레이(120)가 배치될 수도 있다. 마이크로 미러 어레이(110, 120)의 구성과 동작은 앞서 설명한 것과 동일하다.
라이트 필드 렌즈(200)는 또한, 광입사 영역(205a)을 한정하기 위하여 라이트 필드 렌즈(200)의 둘레 부분에 배치된 측벽(203)을 더 포함할 수 있다. 제 1 반사판(201), 제 2 반사판(202) 및 측벽(203)에 의해 라이트 필드 렌즈(200)의 내부에는 빛이 진행할 수 있는 빈 공간(205)이 형성될 수 있다. 이러한 빈 공간(205)은 단순히 공기로 채워질 수도 있지만, 투명한 재질의 유리나 플라스틱과 같은 재료로 채워질 수도 있다.
또한, 라이트 필드 렌즈(200)는 광입사 영역(205a)을 통해 입사한 빛을 제 2 반사판(202)으로 비스듬하게 반사하기 위하여 제 1 반사판(201)의 둘레를 따라 배치된 경사 미러(204)를 더 포함할 수 있다. 측벽(203)은 상기 경사 미러(204)의 둘레 부분을 따라 배치될 수 있다. 바꾸어 말하자면, 상기 경사 미러(204)는 제 1 반사판(201)과 측벽(203) 사이에서 경사지게 배치될 수 있다.
이러한 구조에서, 광입사 영역(205a)을 통해 입사한 빛은 광입사 영역(205a)에 대향하여 배치되어 있는 경사 미러(204)에 의해 먼저 반사된다. 그런 후, 빛은 제 2 반사판(202)의 반사면에 비스듬하게 입사하게 된다. 계속하여, 빛은 제 2 반사판(202)과 제 1 반사판(201) 사이에서 반복적으로 반사되면서 점차 라이트 필드 렌즈(200)의 중심을 향해 진행하게 된다. 이 과정에서 빛은 점차 집광될 수 있다. 최종적으로, 빛은 제 2 반사판(202)의 중심에 있는 마이크로 미러 어레이(110)에 의해 반사되어 제 1 반사판(201)의 중심에 있는 광출사 영역(205b)을 통해 외부로 출사한 다음, 이미지 센서(150)에 도달할 수 있다.
한편, 마이크로 미러 어레이(110)가 라이트 필드 렌즈(200)의 광축(OX) 방향을 따라 이동할 수 있는 반면, 제 1 및 제 2 반사판(201, 202)은 고정되어 있다. 따라서, 마이크로 미러 어레이(110)가 이동하게 되면 제 1 반사판(201)에서 마지막으로 반사된 빛이 마이크로 미러 어레이(110)에 정확하게 도달하지 못할 수도 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 라이트 필드 렌즈(200)는 구동 미러(207)를 더 포함할 수 있다. 구동 미러(207)는 제 2 반사판(202)으로부터 반사된 빛을 마이크로 미러 어레이(110)로 직접 반사할 수 있도록 제 1 반사판(201) 상에서 광출사 영역(205b)의 주위에 바로 인접하여 배치될 수 있다. 구동 미러(207)는 마이크로 미러 어레이(110)가 이동하더라도 빛이 마이크로 미러 어레이(110)에 정확하게 도달할 수 있도록 빛이 반사되는 각도를 조절하는 역할을 한다. 이를 위하여, 구동 미러(207)는 변형 가능한 반사면을 가질 수 있다. 예를 들어, 구동 미러(207)는 구동 미러(207)의 반사면이 기계적 또는 전기적 조작에 의해 임의의 형태로 변형 가능한 변형 가능 미러일 수 있다. 또는, 구동 미러(207)는 MEMS 기술을 이용하여 정전기적으로 구동 가능하게 제작될 수도 있다. 예를 들어, 구동 미러(207)는 정전기적으로 구동 가능한 다수의 마이크로 미러들을 포함하는 마이크로 미러 어레이일 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 반사굴절식 라이트 필드 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 200.....라이트 필드 렌즈 101.....보정판
102, 201, 202.....반사판 104.....렌즈
110, 120.....마이크로 미러 어레이 111, 121.....본체
112, 122.....마이크로 미러 150.....이미지 센서
203.....측벽 204.....경사 미러
205.....공간 207.....구동 미러

Claims (22)

  1. 동심원의 형태로 배열된 다수의 마이크로 미러를 구비하는 마이크로 미러 어레이;
    상기 마이크로 미러 어레이의 둘레에 형성된 광입사 영역;
    상기 광입사 영역을 통해 입사한 빛을 반사하여 상기 마이크로 미러 어레이에 집광시키는 주 미러; 및
    상기 마이크로 미러 어레이와 대향하도록 상기 주 미러의 중심부를 관통하여 형성된 광출사 영역;을 포함하는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 미러는 상기 마이크로 미러 어레이와 대향하도록 배치된 하나의 반사판을 포함하며, 상기 반사판의 중심부를 관통하여 상기 광출사 영역이 형성되어 있는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반사판의 중심부의 광출사 영역에 배치된 렌즈를 더 포함하는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 렌즈는 초점 평면에 결상되는 영상을 평탄화시키기 위한 필드 평탄화 렌즈인 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러 어레이의 둘레의 광입사 영역에 배치된 것으로, 상기 마이크로 미러 어레이와 주 미러의 수차를 보정하기 위한 투명한 보정판을 더 포함하는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 반사판은 오목한 반사면을 갖는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 미러는 서로 마주하여 배치된 반사면을 각각 갖는 제 1 반사판과 제 2 반사판을 포함하며,
    상기 광출사 영역은 상기 제 1 반사판의 중심부를 관통하여 형성되어 있고, 상기 마이크로 미러 어레이는 상기 제 2 반사판의 중심부를 관통하여 배치되어 있으며, 상기 광입사 영역은 상기 제 2 반사판의 둘레에 형성되어 있는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 반사판의 둘레에 배치된 것으로, 상기 광입사 영역을 통해 입사한 빛을 상기 제 2 반사판으로 반사하는 경사 미러; 및 상기 광입사 영역을 한정하기 위하여 상기 경사 미러의 둘레 부분에 배치된 측벽;을 더 포함하는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 반사판으로부터 반사된 빛을 상기 마이크로 미러 어레이로 직접 반사하도록 상기 제 1 반사판 상에서 상기 광출사 영역의 주위에 배치된 것으로, 변형 가능한 반사면을 갖는 구동 미러를 더 포함하는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 구동 미러는 상기 구동 미러의 반사면이 기계적 또는 전기적 조작에 의해 변형 가능한 변형 가능 미러인 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 구동 미러는 정전기적으로 구동 가능한 다수의 마이크로 미러들을 포함하는 마이크로 미러 어레이인 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러 어레이와 광출사 영역은 상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈의 광축 상에 배치되어 있는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러 어레이는 상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈의 광축 방향을 따라 이동 가능하도록 구성되어 있는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러 어레이의 상기 다수의 마이크로 미러들의 반사면들은 오목한 곡면을 갖는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러 어레이의 상기 다수의 마이크로 미러들의 반사면들은 적어도 2개의 서로 다른 곡률을 갖는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러 어레이의 상기 다수의 마이크로 미러들의 반사면들은 적어도 2개의 서로 다른 직경을 갖는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러 어레이의 상기 다수의 마이크로 미러들의 반사면들의 곡률 또는 직경은 상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈의 광축으로부터 멀어질수록 커지거나 작아지는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러 어레이는 상기 광출사 영역을 향해 평탄하게 형성된 표면을 갖는 본체를 포함하며, 상기 다수의 마이크로 미러들은 상기 본체의 평탄한 표면 상에 동심원의 형태로 배열되어 있는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러 어레이는 상기 광출사 영역을 향해 오목하게 형성된 곡면을 갖는 본체를 포함하며, 상기 다수의 마이크로 미러들은 상기 본체의 오목한 곡면 상에 동심원의 형태로 배열되어 있는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  20. 제 1 항에 있어서,
    동심원의 형태로 배열된 상기 다수의 마이크로 미러들은 원주 방향을 따라 적어도 2개의 세그먼트로 분할되어 있는 반사굴절식 라이트 필드 렌즈.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 따른 반사굴절식 라이트 필드 렌즈; 및
    상기 반사굴절식 라이트 필드 렌즈의 광출사 영역에 배치된 것으로, 2차원 배열된 다수의 화소를 갖는 이미지 센서;를 포함하는 촬상 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 마이크로 미러 어레이의 초점 평면에 위치하는 촬상 장치.
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