KR20160093600A - 공통 기판을 사용하는 레인지 카메라 - Google Patents

Abstract

스테레오 카메라 시스템은, 예를 들어, 레인지 탐지 응용 기기들에 유용하다. 시스템은 단순한 제조 및 장시간 안정성을 위해 설계된다. 이는 열적으로 안정한 기판을 포함하며 그 상에 복수의 영상기들이 장착된다. 영상기들 및 상응하는 광학 요소들의 상대적인 위치들은 정밀하게 정렬되어 유지된다.

Description

공통 기판을 사용하는 레인지 카메라{Ranging cameras using a common substrate}

본 발명의 개념은 머신 비전(machine vision)의 기술 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게 복수의 영상기들(imager)을 이용하여 객체 거리를 결정하는 기술 분야에 관한 것이다.

본 발명은, 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합되는, "RANGING AND RANGE-FINDING SYSTEMS AND METHODS"의 명칭으로 2013년 10월 22일자로 출원된 미국 가 특허출원 제61/894,229호, 및 "RANGING CAMERAS USING A COMMON SUBSTRATE"의 명칭으로 2014년 3월 4일자로 출원된, 미국 비-가출원 제14/196,147호로부터의 35 U.S.C. §119(e)에 따른 우선권의 이익을 향유한다.

높은 수준의 스테레오 센서는 한 쌍의 센서들 또는 감지기들(detectors)로부터 동시에 수신되는 입력들로부터 하나의 제품, 결과 또는 출력을 형성하는 센서이다. 예를 들어, 스테레오 카메라는 영상화된 객체 또는 장소에 대한 하나의 모습(view)을 두 카메라들 모두로부터 수신된 영상 정보로부터 생성하는 한 쌍의 카메라들이다. 스테레오 카메라 내의 각각의 카메라는 시야(field of view, "FOV")를 가지며, 두 카메라들의 시야는 스테레오 카메라에 대해 전체 시야를 제공하도록 조합될 수 있다. 스테레오 카메라에서, 시야는 중첩되는 경향이 있다.

스테레오 센서의 "스테레오" 속성은 거리 정보(range information)을 결정할 수 있게 한다. 또한 이는 단지 2차원만이 아닌, 3차원적인 영상화를 가능하게 할 수 있다.

스테레오 카메라들은 잘 알려져 있으며, 많은 응용 분야들에서 사용되고 있다. 예시적으로, 스테레오 카메라들은 맵핑 환경들(mapping environments) 및 그를 통한 네비게이션을 위해 삼차원적인(3D) 영상화를 제공하는 것에 있어서 특별한 유용성을 갖는 것으로 알려져 있다. 그러한 사용들에서, 다수의 스테레오 카메라들을 사용하여 그러한 스테레오 카메라를 입력으로 사용하는 시스템의 전체 시야를 증가시키는 것은 드문 것은 아니다. 예를 들어, US 특허 제 7,446,766호는 스테레오 카메라들을 물리적 환경을 나타내며 및 그 환경을 통한 네비게이션 하는 명백한 그리드(grids)을 생성하기 위하여 사용하는 것을 예시한다.

거리 데이터(range data)를 획득하는 것은 현장 계측(field measurement), 3-D 모델링, 네비게이션 및 동작 제어(gesture control)를 포함하는 많은 응용 분야들에 대해 유용할 수 있다. 고해상도 방법들(high resolution methods)를 포함하는, 거리 데이터를 획득하기 위한 많은 방법들이 있다. 본 발명의 개념은 더 세밀하나 배타적이지 않게, 이러한 고해상도 기술들에 관련된다.

디지털 영상화 기술(Digital imaging technology)은 장면들(scenes)의 영상들을 캡쳐하기 위하여 사용될 수 있다. 상이한 시점들로부터 동시에 얻어진 장면들의 영상들을 비교하는 것은 카메라들의 위치로부터 장면 내부에 있는 객체들의 거리에 관련된 정보를 제공할 수 있다. 이러한 기술은 본 명세서에서 "스테레오 레인지(stereo ranging)"로 지칭될 수 있다. 거리 정보를 캡쳐 하기 위한 다른 기술들은 장면 상으로 돌출하는 광의 패턴들을 사용하는 것, 이들은 하나의 영상기(예를 들어, 마이크로소프트(Microsoft)의 Kinetic 센서)에 의해 처리됨, 또는 장면에 걸쳐 스캐닝된(예를 들어, Velodyne HDL-64E or Sick LMS100 스캐너에 의해) 레이저 빔의 반사 비행 시간(time of flight of reflections)을 측정하는 것을 포함한다. 이러한 대안적인 방법들은 그것들이 스테레오 레인지에 비하여 더 높은 정밀도를 제공하는 한편, 더 단순한 데이터 처리 기술들을 수행하기 때문에 사용된다. 이러한 더 단순한 처리 요건은 많은 단점들에 의해 상쇄된다. 우선, 시스템들은 LED 또는 레이저와 같은, 활성화된, 에너지 방출 기기들을 사용하며, 이는 그것들은 복수의 영상기들을 사용하는 시스템들에 비하여 더 많은 에너지를 요구하는 것을 의미한다. 이는 또한 그것들은 활성 방사선이 군사 정찰 분야에서와 같이 요구되지 않거나 또는 안전하지 않은 응용 분야들에서 사용될 수 없다. 또한, 그러한 시스템의 범위는 레이저 또는 광원의 강도에 의해 제한되며, 이는 그것들을 휴대용 기기들에 대해 실용적이지 않게 하거나 큰 공간들을 차지하게 한다.

스테레오 영상 레인지 기술들을 사용하는 것의 이점들은 이러한 결함들을 극복하게 하며 추가적인 장점들을 제공한다. 그러나, 현재까지, 하나의 영상기의 모든 픽셀들의 상대적인 위치 및 그 관련 광학과 제2 영상기의 픽셀들 및 그 관련 광학에 대한 정확한 지식을 유지하는 것이 필요하기 때문에, 적절한, 강건한 성능을 달성하는 것은 달성하는 것은 어렵다. 스테레오 영상기 쌍들을 구현하며 설계하는 것에 대한 이전의 시도들은, 정밀 제조 캐리어(precision manufactured carriers)로의 그 전자적 인터페이스(electronic interfaces)를 포함하는, 개별적인 카메라 시스템들을 장착하는 기술들을 사용하였다. 개별적인 구성 요소들로부터 스테레오 시스템을 제조하는 것은 비용 발생적이며, 모든 조건들 하에서 영상기들의 상대 위치들을 유지할 수 없다(예를 들어, Point Grey Research, Inc의 미국 특허 제6,392,688호 참조).

도 1은 공통 지지부로 작용하는 금속 케리어 상으로 장착되는 두 개의 독립적인 카메라 시스템들을 포함하는 종래의 스테레오 카메라의 일 예에 대한 사시도이다. 두 개의 카메라들(1)은 전형적인 카메라 장착 기술들, 예를 들어, 장착 스크류들을 사용하여 공통 지지부(2)에 고정식으로 장착된다. 개별적인 카메라들(1)은 장착 지점들에 대하여 영상기 및 렌즈들이 고 정밀 위치를 갖게 설계되지 않았다. 또한, 만일 금속 케리어(2)가 강성 재료로 형성되더라도, 카메라들의 물리적 독립성과는 달리, 그러한 카메라를 장착하는 방식, 카메라들을 형성하기 위해 사용되는 재료들, 및 카메라들의 무게가 사용 동안 카메라들 사이의 상대적인 이동을 야기할 수 있는 모든 인자들이 된다. 이와 같이, 서로에 대한 카메라들의 위치들은 특히 장치가 차량 또는 다른 이동 플랫폼의 부분인 곳에서의 정밀한 스테레오 레인지를 달성하기 위하여 빈번한 재교정(recalibration)을 요구한다. 그와 같이, 서로에 대한 카메라들의 위치들은 열적 팽창, 진동, 충격 등으로 인한 움직임에 영향 받는다. 그러한 교정이 없다면, 스테레오 카메라의 성능은 허용할 수 없게 저하될 것이다.

종래의 접근 방식과는 대조적으로, 본 발명의 개념들에 따른 시스템들 및 방법들에 실용적인 스테레오 레인지가 수행될 수 있는 방식으로 영상기들의 상대적인 위치를 유지하는 것이 제공된다.

본 발명에 따르면, 서로에 대하여 제어된 위치들에서 공통 회로 기판 상에 장착된 적어도 두 개의 반도체 영상기들을 포함하는 스테레오 레인지를 위해 사용될 수 있는 것이 제공되는 시스템이 제공된다.

다양한 실시예들에서, 시스템은 개별적인 렌즈 홀더들(lens holders) 및 공통 회로 기판에 장착된 렌즈들을 포함한다.

다양한 실시예들에서, 영상기들은 두 개의 영상기들이 공통 회로 기판에 장착된 이후에 정류(rectified) 및 교정된다(calibrated).

다양한 실시예들에서, 공통 회로 기판은 섬유 강화 수지와 같은 전형적이 재료들로 제조된다.

다양한 실시예들에서, 공통 회로 기판은 높은 강성 및 열적 안정성을 달성하도록 제조된다.

다양한 실시예들에서, 동일한 열 팽창 계수를 갖는 보강 재료(stiffening material)가 회로 기판과 함께 사용된다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 적어도 두 개의 영상기들을 공통 기판 상에 장착하고 및 기판을 변형시키지 않는 캐리어 또는 용기(container)에 공통 기판을 장착하기 위한 방법이 제공된다.

그 방법은 공통 기판의 길이 및 폭 팽창을 허용 및/또는 수용하는 레일 시스템(rail system)을 사용하여 공통 기판을 장착하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 스테레오 레인지 시스템이 제공되며, 이는: 평탄한 표면을 갖고 공통 기판 내의 다른 재료와 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 보강 재료를 포함하는 공통 기판; 및 상기 공통 기판의 상기 평탄한 표면에 고정되며 상기 평탄한 표면에 대하여 미리 정의된 위치들에서 유지되는 두 개 이상의 반도체 영상기를 포함한다.

다양한 실시예들에서, 두 개 이상의 반도체 영상기들은 두 개의 카메라를 포함할 수 있고, 각각의 카메라는 이미지 칩 및 상기 이미지 칩에 대해 하나 이상의 렌즈를 지지하는 렌즈 홀더를 포함하고, 여기서 각각의 카메라는 개별적으로 기판에 고정된다.

다양한 실시예들에서, 두 개 이상의 영상기들은 두 개 이상의 웨이퍼 스케일 카메라들을 포함한다.

다양한 실시예들에서, 기판은 약 -20℃ 내지 약 50℃의 온도 범위에서 크기 및 형상 변경에 저항하도록 구성될 수 있다.

다양한 실시예들에서, 공통 기판은 회로 기판일 수 있다.

다양한 실시예들에서, 회로 기판은 다중층 인쇄 회로 기판일 수 있다.

다양한 실시예들에서, 보강재는 다중층 회로 기판의 다른 층들과 동일한 열팽창 계수를 가질 수 있다.

다양한 실시예들에서, 회로 기판은 섬유 강화 수지로 제조될 수 있다.

다양한 실시예들에서, 회로 기판은 유사한 크기의 FR4 회로 기판의 강성에 대해 3배 이상의 강성을 가질 수 있다.

다양한 실시예들에서, 청구항 제1항의 시스템은 하나 이상의 레일을 포함하는 레일 시스템을 더 포함하고, 레일 시스템은 공통 기판의 두 개 이상의 모서리를 수용하며 레일 시스템이 고정되도록 구성되는 장착 구조물 상부에서 상기 공통 기판을 지지하면서 길이 및 폭 방향 팽창을 가능하게 하도록 구성된다.

다양한 실시예들에서, 레일 시스템은 두 개 이상의 레일들을 포함할 수 있고, 각각의 레일은 공통 기판의 모서리들을 수용하는 통로를 형성한다.

다양한 실시예들에서, 레일 시스템은 하나 이상의 레일을 장착 구조물에 고정하도록 구성된 결합구들을 포함할 수 있다.

다양한 실시예들에서, 공통 기판은 장착 구조물로부터 연장하는 핀을 수용하도록 구성된 하나 이상의 개구를 포함할 수 있어, 두 개 이상의 레일들 내부에서 공통 기판을 지지하는 것을 보조한다.

본 발명의 다른 관점에 따라, 스테레오 카메라 시스템이 제공되며, 이는 평탄 표면을 갖는 공통 회로 기판으로서, 상기 공통 회로 기판의 다른 재료들과 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는 보강 재료를 포함하는 공통 회로 기판; 및 서로에 대해 고정된 위치들에서 상기 공통 회로 기판에 장착되는 두 개 이상의 웨이퍼 스케일 반도체 카메라들을 포함하고, 이미지 칩들이 상기 공통 회로 기판에 개별적으로 고정된다.

다양한 실시예들에서, 각각의 웨이퍼 스케일 스테레오 카메라는 이미지 칩 및 상기 이미지 칩에 대해 하나 이상의 렌즈를 지지하는 렌즈 홀더를 포함할 수 있다.

다양한 실시예들에서, 공통 회로 기판은 약 -20℃ 내지 약 50℃의 온도 범위에서 크기 및 형상 변경에 저항하도록 구성될 수 있다.

다양한 실시예들에서, 상기 공통 회로 기판은 3mm 이상의 두께를 가질 수 있다.

다양한 실시예들에서, 상기 공통 회로 기판은 다중층 회로 기판일 수 있고 상기 보강재는 상기 공통 회로 기판의 하나 이상의 보강 층일 수 있다.

다양한 실시예들에서, 시스템은 복수의 레일들을 포함하는 레일 시스템을 더 포함할 수 있고, 각각의 레일은 상기 공통 회로 기판의 모서리들을 수용하며 상기 공통 회로 기판을 상기 레일 시스템이 고정되도록 구성되는 장착 구조물 위에서 지지하면서 길이 및 폭 방향 팽창이 가능하게 하도록 구성된 통로를 형성한다.

본 발명의 다른 관점에 따라, 반도체 스테레오 카메라를 제조하는 방법이 제공되고, 이는 평탄한 표면을 가지며 공통 회로 기판의 다른 재료들과 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 보강 재료를 포함하는 공통 회로 기판을 제공하는 단계; 및 두 개 이상의 반도체 카메라들을 서로에 대하여 고정된 위치에서 상기 공통 회로 기판에 개별적으로 장착하는 단계를 포함한다.

다양한 실시예들에서, 방법은 복수의 레일들을 포함하는 레일 시스템을 사용하여 상기 공통 회로 기판을 평탄한 장착 표면에 장착하는 단계를 더 포함할 수 있고, 각각의 레일은 상기 공통 회로 기판의 모서리들을 수용하며 상기 공통 회로 기판을 상기 레일 시스템이 고정되도록 구성되는 장착 구조물 위에서 지지하면서 길이 및 폭 방향 팽창이 가능하게 하도록 구성된 통로를 형성한다.

다양한 실시예들에서, 방법은 두 개 이상의 반도체 카메라들을 상기 공통 회로 기판으로의 장착 이후에 정류(rectifying) 및 교정(calibrating)하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면들 및 후술하는 상세한 설명의 관점에서 더 분명해질 것이다. 그 안에 도시된 실시예들은 한정을 위한 것이 아닌 예시로서 제공되는 것이고, 유사한 참조 번호들은 동일하거나 유사한 요소들을 지칭한다. 도면들은 반드시 치수 맞춤(scale)된 것일 필요는 없고, 대신에 본 발명의 관점들을 예시하는 강조 부분들이 위치된다.
도 1은 금속 케리어 상으로 장착되는 두 개의 독립적인 카메라 시스템들을 포함하는 종래의 스테레오 카메라의 사시도이다.
도 2a는, 본 발명의 개념의 관점에 따른 카메라의 후면에 있는 공통 캐리어에 장착된 두 개의 회로 기판 형태의 카메라들의 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 카메라들 중 하나의 사시도이고, 도 2c는 도 2b의 카메라의 단면도이다.
도 3a는 그 내부로 두 개의 카메라가 기준 판의 후면을 통해 장착된 기준 판의 일 실시예의 사시도이고, 도 3b는, 본 발명의 개념의 관점들에 따라, 도 3a의 카메라들의 기준 판의 단면도이다.
본 발명의 개념의 관점에 따라, 도 4a는 단일 회로 기판에 장착된 독립적인 광학 요소들을 포함하는 스테레오 카메라 시스템의 일 실시예의 사시도이고 도 4b는 도 4a의 스테레오 카메라 시스템의 단면도이다.
본 발명의 개념의 관점에 따라, 도 5a는 도 4a 및 도 4b의 유연성을 감소시키도록 렌즈 홀더들에 추가되는 보강재를 갖는 스테레오 카메라 시스템의 사시도이고 도 5b는 도 5a의 스테레오 카메라 시스템의 단면도를 도시한다.
도 6a는 공통 기판 및 구별된 렌즈 구성 요소들을 갖는 스테레오 카메라 시스템의 단면도이고, 여기서 본 발명의 개념의 관점에 따라 기판은 더 두꺼운 형태의 회로 기판이다.
도 6b는, 본 발명의 개념의 관점에 따른, 스테레오 카메라 시스템의 단면도이고, 여기서 표준 재료들로 제조된 회로 기판에 비하여 더 높은 강성을 갖는, 두꺼운, 다중층인 회로 기판이 사용된다.
본 발명의 개념의 관점에 따라, 도 7a는 집적된 렌즈 시스템을 갖는 이미지 칩의 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 스테레오 카메라 시스템의 단면도이다.
도 8a는 두 개의 직접 렌즈/영상기 유닛들이 장착되는 강성 기판을 포함하도록 제조된 스테레오 카메라 시스템의 사시도이고, 그 기판은 표준 회로 보다 더 큰 정도의 강성을 갖는 두꺼운, 다중층 회로 기판을 포함하고 도 8b는, 본 발명의 개념의 관점들에 따른, 도 8a의 스테레오 카레라 시스템의 단면도이다.
본 발명의 개념의 관점에 따라, 도 9a는 한 쌍의 카메라들을 기판의 변형 없이 기판에 장착하기 위한 스테레오 카메라의 사시도이고, 도 9b는 도 9a의 실시예에서 사용되는 레일의 사시도이다.

이하에서, 본 발명의 관점들이 그에 따른 예시적인 실시예들에 대한 설명에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다. 이러한 실시예들을 기술함에 있어, 잘 알려진 항목들, 기능들 또는 구성들의 상세한 설명은 편의상 전반적으로 생략된다.

비록 제1, 제2, 제3 등이 다양한 요소들을 상술하기 위해 본 명세서에서 사용되나, 이들 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이러한 용어들은 단지 하나의 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위하여 사용되는 것이나, 요구되는 요소들의 순서를 의미하지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 범주를 벗어 나지 않고, 제1 요소는 제2 요소로 용어 사용될 수 있고, 유사하게, 제2 요소는 제1 요소로 용어 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 하나 또는 그 이상의 연관된 열거된 항목들 임의의 및 모든 조합들을 포함한다.

일 요소가 다른 요소 "상에(on)" 있는 것 또는 다른 요소에 "연결 또는 결합되는(connected or coupled)" 것으로 지칭될 때, 그 것은 다른 요소의 바로 위에 있거나, 연결 또는 결합되는 것일 수 있고, 또는 중간 요소들이 있을 수 있는 것으로 이해될 것이다. 반면, 일 요소가 다른 요소 "상에 직접 (directly on)" 있는 것 또는 다른 요소에 "직접 연결 또는 결합되는 것"으로 지칭될 때, 중간에 다른 요소가 개재되지 않은 것을 나타낸다. 요소들 간의 관계를 설명하기 위해 사용되는 다른 단어들 또한 유사한 방식으로 해석되어야 한다(예를 들어, "~사이에(between)"와 "~사이에 직접(directly between)", "인접한(adjacent)"과 "직접 인접한(directly adjacent)" 등).

본 명세서에서 사용된 용어들은 특정한 실시예들만을 설명하기 위한 것이고, 상기 용어들이 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수형 문맥상 명백히 다르게 지시된 것이 아닌 한 복수형도 물론 포함하기 위한 것이다. 용어 "포함한다", 용어 "포함하는", 용어 "함유한다" 및/또는 용어 "함유하는"은 언급된 특징들, 단계들, 작동들, 요소들 및/또는 구성들의 존재를 명시하는 것이고, 하나 또는 복수의 다른 다른 특징들, 단계들, 작동들, 요소들, 구성들 및 이들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

"아래에", "밑에", "하부에", "위에", "상부에" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어가 예를 들어, 도면들에 도시된 바와 같은, 다른 요소(들) 및/또는 특징(들)에 대한 요소 및/또는 특징들의 관계를 설명하기 위하여 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들은 사용 중 및/또는 작동 중인 장치의 상이한 방향들 및 도면들에 도시된 방향을 포함하도록 의도 되었음이 이해될 것이다. 예를 들어, 만일 도면 내의 장치가 뒤집어 졌을 때, 다른 요소들 또는 특징들 "밑에" 및/또는 "아래에"로 기술된 요소들은 다른 요소들 또는 특징들의 "위에" 있는 것일 수 있다. 장치가 다른 방향으로 지향될 수 있고(예를 들어, 90도로 회전하거나 다른 방향으로 있음) 본 명세서에서 사용되는 공간적으로 상대적인 설명들은 적절하게 해석된다.

도 2a는, 본 발명의 개념의 관점에 따른 카메라의 후면에 있는 공통 캐리어에 장착된 두 개의 회로 기판 형태의 카메라들의 사시도이다. 또한 도 2b는 도 2a의 카메라들 중 하나의 사시도이고, 도 2c는 도 2b의 카메라의 단면도이다.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 카메라는 회로 기판(3), 이에 고정되는 이미지 칩(6), 및 렌즈 홀더(5)로 구성된다. 렌즈(4)에 장착된 통(barrel)이 렌즈 홀더(5) 내부로 삽입된다. 렌즈(4)는 임의의 수의 방식으로, 예를 들어, 풀 또는 다른 접착제로 렌즈 홀더(5) 내부에 유지 및/또는 고정될 수 있다. 각각의 이미지 칩(6)은 그 개별적인 회로 기판(3)에 전기적으로 연결될 수 있다. 그러한 이미지 칩의 예시는 COP-USA Inc. 사의 부품 번호 BB13LA이다.

스테레오 카메라를 형성하기 위하여, 두 개의 그러한 카메라들이 강성 기판(7)에 장착되며 이는 알루미늄과 같은 금속으로 제조될 수 있다. 여기서, 강성 기판(7)은 평탄한 세장형 강성 기판(flat elongate rigid board)으로 도시되었으나, 다른 실시예들에서 이는 다른 형상을 가질 수 있다. 본 실시예에서, 각각의 카메라의 평탄한 회로 기판(3)은 강성 기판의 평탄 표면에 실장된다. 카메라들은 다양한 종류의 고정 메카니즘들(mechanisms), 예를 들어, 접착제들 및/또는 결합구들(8)을 사용하여 강성 기판(7)에 고정될 수 있다. 강성인 것에 더하여, 기판(7)은 높은 정도의 열적 안정성을 가져야 하며, 이는 그 온도가 변함에 따라 물리적인 형상 또는 크기가 변경하는 것에 대한 재료의 저항 능력이다. 바람직하게, 기판(7)은 약 -20 ℃ 내지 약 50℃의 온도 범위에 대하여 크기 및 형태의 변경에 대한 저항 능력을 가진다.

도 1의 배치에 비교할 때, 도 2a 내지 도 2c의 배치는 충격 및 진동 영향들(예를 들어, 비틀림)에 대하여 덜 민감하며 이는 카메라들이 도 1의 예시에 비하여 더 작은 질량을 가지기 때문이다. 다만, 영상기들 및 렌즈들의 상대적인 위치들은 조립에 필요한 다수의 부품들로 인해 장착 배치들의 정확도 내에서 유지되기 어려울 수 있다.

본 발명의 개념의 관점에 따라, 도 3a는 그 내부로 두 개의 카메라가 기준 판의 후면을 통해 장착된 기준 판의 일 실시예의 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 카메라들의 기준 판의 단면도이다.

도 3a 및 도 3b에 따르면, 렌즈 홀더 및 케리어(9)는 하나의 정밀 가공 부품으로 제조된다. 이는 렌즈(4)의 정렬을 유지하는 이점을 제공하면서도, 영상기(6)를 운반하는 회로 기판(3)이 서로에 대하여 이동하는 것을 여전히 가능케 한다. 여기서, 회로 기판(3)은 네 개의 스크류를 사용하여 케리어에 부착되고, 다만, 다른 실시예들에서 다른 고정 메카니즘들이 사용될 수도 있다. 그러나, 이는 시스템을 제조하는 데 고비용을 요할 수 있어, 큰 부피의 응용 제품들에서는 바람직하지 않다.

개선된 스테레오 레인지 카메라, 및 그 제조 방법은 이미지 칩들을 공통 기판 상에 직접 고정하고, 이어 렌즈들 및 렌즈 홀더들을 동일한 회로 기판에 장착한다.

본 발명의 개념의 관점에 따라, 도 4a는 단일 회로 기판에 장착된 독립적인 광학 요소들을 포함하는 스테레오 카메라 시스템의 일 실시예의 사시도이고 도 4b는 도 4a의 스테레오 카메라 시스템의 단면도이다.

본 실시예에서, 스테레오 레인지 카메라는 이미지 칩들(6)을 공통 회로 기판(10)에 직접 부착(또는 고정)하고, 이어 렌즈들(4) 및 렌즈 홀더들(5)을 동일한 회로 기판(10)에 실장함으로써 제조된다. 여기서, 이미지 칩(6), 렌즈 홀더(5), 렌즈(4)는 카메라를 구성하도록 조합된다.

회로 기판(10)과 같은 회로 기판들은 상대적으로 안정하며 이미지 칩들(6)의 상대적인 위치는 이러한 접근 방식으로 유지될 수 있다. 그러나, 기판(10) 자체는 쉽게 휘어지며 구부러질 수 있고, 스테레오 카메라가 사용될 것이 요구되는 구조물에 장착될 때 변형될 수 있다. 이를 극복하기 위하여, 보강재(stiffener)(11)가 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 조립체에 추가될 수 있다. 본 실시예에서, 보강제(11)은 바람직하게 기판(10)과 동일한 재료로 제조될 수 있고, 이로써 열 팽창으로 인한 상대적인 팽창, 수축 또는 다른 변형이 없게 되며, 보강재(11)는 렌즈 홀더들(5)에 예를 들어, 클램핑 및/또는 다른 고정 메커니즘들로 강성 고정된다. 보강제(11)는 두 개의 카메라들로부터의 렌즈 홀더들(5)을 수용하도록 구성되며 그에 상응하는 두 개의 형성 개구들을 구비하도록 제조될 수 있다. 바람직하게, 두 개의 형성 개구들은 그러한 개구들 내에서의 렌즈 홀더들(및 그 안의 렌즈들)의 상대적인 이동에 대한 어떠한 잠재 가능성도 완화시키도록 렌즈 홀더들(5)에 대한 밀착 조임을 형성하도록 하는 크기를 가진다. 이러한 비치는 장시간 동안 적절한 성능을 제공하는 것으로 보여졌으나, 생산이 고비용일 수 있다.

도 6a는 공통 기판 및 구별된 렌즈 구성 요소들을 갖는 스테레오 카메라 시스템의 단면도이고, 여기서 본 발명의 개념의 관점에 따라 기판은 더 두꺼운 형태의 회로 기판이다. 일반적으로 회로 기판(10)과 같은 회로 기판들은 1/16" 이하의 두께를 갖게 제조된다. 도 5a 및 도 5b와 같이 보강재(11)을 추가하는 것에 의해 강성을 증가시키는 것에 대한 대안적인 옵션은 회로 기판(10)을, 도 6a에 기판(12')로 도시된 바와 같이, 더 두꺼운 재료, 예를 들어, 1/8"까지의 두께로 제조하는 것이다. 이러한 예시에서, 기판 두께를 두 배로 하면, 강성은 8배까지(즉, 두께에 대한 삼차함수로) 증가한다.

도 6b는, 본 발명의 개념의 관점에 따른, 스테레오 카메라 시스템의 단면도이고, 여기서 표준 재료들로 제조된 회로 기판에 비하여 더 높은 강성을 갖는, 두꺼운, 다중층인 회로 기판이 사용된다. 본 실시예에서, 회로 기판(12'')은 적층된 기판이고, 여기서 적층 층들 중 몇몇은 탄소 섬유와 같은 더 큰 강도의 재료로 이루어질 수 있어, 매우 증가된 강성을 제공한다.

이러한 실시예에서, 각각의 회로 기판 층들은 도 5a 및 도 5에서와 같이 1/16" 이하의 두께를 갖도록 각각 제조될 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예들에서, 각각의 회로 기판 층들은 예를 들어, 1/8" 두께로 더 두꺼울 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 다중층 회로 기판(12")은 상이한 두께들, 예를 들어, 몇몇은 1/16" 두께이고 다른 것들은 1/8" 두께를 갖는 층들을 포함할 수 있다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 것은 아니나, 다양한 실시예들에서, 보강재(11)가 추가적인 강성을 제공하기 위하여 스테레오 카메라들 및 회로 기판(12' 및 12")와 함께 사용될 수도 있다. 그러한 실시예들에서, 스테레오 카메라 시스템은 복수의 상이한 종류의 보강 메커니즘들을 포함한다.

다중층 기판들(12' 및 12'')과 같은, 강성 기판을 제조함으로써, 영상기들 및 렌즈들의 상대적이 위치를 유지하는 안정성이 개선된다. 기판의 증가된 강성은 구부러짐을 방지하며, 이는 렌즈 정렬의 오차를 조절(aim), 또는 초점 수렴 및 발산하는 것에 기여하며 장시간 동안 스테레오 레인지에 대한 개선된 사용 성능을 제공한다.

본 발명의 개념의 관점에 따라, 도 7a는 집적된 렌즈 시스템을 갖는 이미지 칩의 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 스테레오 카메라 시스템의 단면도이다.

카메라 응용 기기들이 휴대폰과 같은 이동 및 휴대용 기기들에서 증가됨으로써, "웨이퍼 스케일 카메라(wafer scale cameras)"라 불리는 새로운 규격의 카메라 기기들이 등장했다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 스케일 카메라들은 렌즈들(14)(4 개의 렌즈가 도시됨)을 갖는 렌즈 홀더 조립체(15)를 직접 이미지 칩(16)에 접착한다. 그 집적 및 강성 구조로 인해, 렌즈들(14)은 제조된 이후에 이미지 칩(16)에 대해 이동될 가능성이 없어 진다.

도 8a는 두 개의 직접 렌즈/영상기 유닛들이 장착되는 강성 기판을 포함하도록 제조된 스테레오 카메라 시스템의 사시도이고, 그 기판은 표준 회로 보다 더 큰 정도의 강성을 갖는 두꺼운, 다중층 회로 기판을 포함하고, 예를 들어, 다중충 회로 기판은 통상적인 회로 기판 재료로 만들어진 하나 이상의 표준 회로 기판에 부착된 하나 이상의 보강 층 또는 재료를 포함할 수 있다. 그러므로, 하나 이상의 보강 층은 보강층이 부착되는 표준 회로 기판에 비하여 더 큰 강성을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 또는 복수의 표준 회로 기판 층들이 보강 재료들, 예를 들어, 경질 수지(hard resin) 또는 플라스틱으로 코팅될 수 있다. 도 8b는 본 발명의 개념의 관점들에 따른, 도 8a의 스테레오 카레라 시스템의 단면도이다.

도 8a 및 도 8b는 두 개의 웨이퍼 스케일 카메라들(17)이 앞서 기술된 바와 같이 강성 회로 기판(18)에 직접 장착되는 것을 도시한다. 이는 도 6a 및 도 6b의 개선된 카메라의 모든 이점들을 제공하면서 렌즈 및 홀더 정밀도를 구현하는 것에 대한 비용 절감을 제공한다. 추가로, 웨이퍼 스케일 카메라(17)의 매우 낮은 질량은 진동 및 충격 부하에 의해 회로 기판(18)에 작용하는 힘을 낮추면서, 추가로 성능을 개선한다. 본 실시예에서, 회로 기판(18)은, 예를 들어, 도 6b에 대해 도시 및 기술된 바와 같이, 다중-층 회로 기판이다.

도 8a 및 8b의 실시예에서, 카메라들은 예를 들어, 점착(adhesive), 접착(bonding), 또는 다른 방식들로, 회로 기판(18)에 고정된다. 본 실시예에서, 카메라들은 회로 기판에 납땜되어 고정된다. 다른 실시예들에서, 카메라들(17)은 회로 기판 내부에 카운터싱크(countersink)될 수 있고, 예를 들어, 중간층 또는 바닥층에 부착되나 도시된 바와 같이 최상 표면 층에 고정되지 않을 수 있다. 본 실시예에서, 회로 기판(18)의 두께는 바람직하게 3mm 이다, 다만, 이는 본 발명의 필수적 요건은 아니다. 카메라들은 약 10cm로 분리되어 있으나, 이도 역시 본 발명의 필수적 요건은 아니다. 강성 회로 기판은 본 실시예에서 동일한 크기인(길이 및 폭) 보통의 1/16" 두께 FR4 회로 기판에 비하여 3 배 이상의 강성을 갖도록 제조된다.

전술한 스테레오 레인지 카메라의 모든 예시들은 카메라들이 교정될 것을 요구한다. 이는 카메라를 교정 타겟, 또는 타겟들의 세트로 조준하는 것 및 정확한, 예를 들어, 바람직하게 약 1/2 픽셀 이내인, 카메라 시스템 내의 영상기들의 상대적인 위치들을 결정하는 것을 포함한다. 이러한 교정 데이터는 키메라가 왜곡되거나 변형되지 않는 한 사용될 수 있다. 카메라들 및 영상기들을 공통 기판에 장착하는 해법들은 기판을 다른 응용 기기들에서 통상 사용되는 것에 비하여 더 강성이게 (예를 들어, 두껍게) 하는 것에 의해 개선된다. 그러나, 이는, 기판이 뒤틀리거나 또는 왜곡된 표면에 장착될 때, 기판에 작용할 수 있는 매우 높은 힘들에 대해 적절하게 보상하지 못할 수 있다. 이에 대한 하나의 가능한 해법이 도 9a 및 도 9b에 도시된다.

본 발명의 개념의 관점에 따라, 도 9a는 한 쌍의 카메라들을 기판의 변형 없이 기판에 장착하기 위한 스테레오 카메라의 사시도이고, 도 9b는 도 9a의 실시예에서 사용되는 레일의 사시도이다. 다양한 실시예들에서, 하나 또는 복수의 레일들이, 기판에 대한 어떠한 굽힘력을 작용함이 없이, 회로 기판 또는 스테레오 카메라들이 장착되는 다른 기판들을 위치시키며 지지하기 위하여 사용될 수 있다.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 레일(19)는 강성(stiff) 및/또는 단단한(rigid) 금속, 플라스틱, 수지(resin), 유리섬유, 복합 또는 다른 재료로부터 제조될 수 있고 기판(22)을 위치시켜 기판을 기판 상의 좁은 영역들에 집중된 압력을 가하는 스크류들 또는 유사한 결합구들로 장착함으로써 야기될 수 있는 기판의 변형 가능성을 줄이기 위하여 사용될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 예를 들어, 레일(19)은 플라스틱으로 성형될 수 있고, 알루미늄으로 기계가공(machined)될 수 있고, 또는 다른 방식으로 형성될 수 있다.

본 실시예에서, 카메라 조립체는 기판(22)에 장착되는 두 개의 카메라들(24)을 포함한다. 여기서, 두 개의 레일들(19)이 사용되며 각각의 레일(19)은 카메라 조립체 기판(22)의 주변 모서리들(edges)의 주위에 맞춤 결합(fit)되어 기판의 더 긴 방향들(length and width)로의 이동 및 팽창에 대한 여유 공간을 허용하는 한편, 두께(높이)에 딱 맞게 된다. 레일들(19)은 결합구들(20)을 이용하여 정밀하게 기계 가공된 장착 구조물(23)에 고정되며, 여기서 구조(23)의 표면은 기계 가공되거나 평평하게 마감된다(finished). 결합구들(20)을 수용하기 위하여, 결합구 홀들(20a)이 도 9b에 도시된 바와 같이, 레일(19) 내에 형성될 수 있다.

도 9b에 또한 도시된 바와 같이, 레일(19)은 하나 또는 복수의 상부 순부들(top lips)(19a) 및 하나 또는 복수의 하부 순부들(19b)을 포함하고 이들은 기판(22)의 모서리를 수용하도록 구성된 통로(19c)를 형성하도록 결합된다. 따라서, 도 9a에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 레일들(19)은 또한 기판(22)의 주변 모서리들에 장착된다. 기판 내의 홀들을 통해 슬립 핏(slip fit) 수 있으나 기판(22)의 하부에서 장착 구조물(23) 내에 고정식으로 장착되는 핀들(pins)(21)이 카메라 조립체 기판(22)이 레일들(19) 밖으로 미끄러지는 것을 방지하기 위하여 사용된다.

여기서, 레일들(19)은 카메라들(24)을 갖는 조립체 기판(22)을, 장착 구조물(23) 위에서 유지한다. 이러한 배치는, 장착 구조물 표면들이 카메라 조립체 기판(22)에 대해 평탄하게 마감되기 때문에, 어떠한 굽힘 모멘트들도 작용하지 않으며, 카메라는 자유롭게 표면(23)에 대해 차등하게 팽창 또는 수축하여, 기판(22) 또는 장착 구조물(23)의 차등적인 열 팽창으로 인해 기판에 작용되는 모든 왜곡된 힘들을 방지한다.

전술한 개선들은 공통 기판에 구성 요소들을 장착하는 것, 기판을 바람직하게 통상적인 회로 기판에 비하여 세 배 이상 강성이게 보장하는 것, 및 기판을 왜곡 힘들을 방지하는 것과 같은 방식으로 장착하는 것을 포함한다.

도시되지 않았으나, 공통 기판이 인쇄 회로 기판일 때, 카메라들은 수신된 또는 감지된 영상 정보를 인쇄 회로 기판에 형성된 전도성 트레이스들(traces) 또는 와이어들, 비아들(vias), 범프들(bumps) 등을 통해 이미지 프로세서와 전기적으로 통신할 수 있다. 만일 공통 기판이 트레이스들을 갖는 인쇄 회로 기판이 아닐 대, 스테레오 영상기들은 이미지 프로세서들과 와이어들 또는 다른 전송 매체들을 통해 통신할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 무선 송신기가 공통 기판에 장착되거나 아니면 카메라들에 연결될 수 있고 영상 정보가 이미지 프로세서 또는 다른 시스템에 무선으로 송신될 수 있다.

상세한 설명은 스테레오 카메라들의 다양한 예시들을 언급하였으나, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 강성인 공통 기판은 다른 종류의 스테레오 센서들에도 쉽게 적용할 것이다.

전술한 내용은 최적 모드(best mode) 및/또는 바람직한 실시예들로 고려되어야 하는 것을 기술하였으나, 오직 그 일부만이 본 명세서에서 기술되었음에도, 다양한 변형들이 그 안에서 이루어질 수 있는 것 및 본 발명 또는 본 발명들은 다양한 형태들 및 실시예들로 구현될 수 있는 것이며, 그 것들은 많은 응용 기기들에 적용될 수 있는 것으로 이해된다. 이하의 특허 청구 범위들에 의해 의도되는 것은 문언적으로 기술된 것 및 청구항들의 범주 내에 있는 모든 변형예들 및 변경예들을 포함하는 그 모든 균등물에 대한 권리 주장이다.

Claims (25)

1. 평탄 표면을 갖는 공통 기판으로서, 상기 공통 기판의 다른 재료들과 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는 보강 재료를 포함하는 공통 기판; 및
   상기 공통 기판의 상기 평탄 표면에 고정되며 상기 평탄 표면에 대해 미리 정의된 위치들에서 지지되는 두 개 이상의 반도체 영상기들(imagers)을 포함하는, 스테레오 레인지 시스템.
2. 제1 항에 있어서, 상기 두 개 이상의 영상기들은 두 개의 카메라들을 포함하고, 각각의 카메라는 이미지 칩 및 상기 이미지 칩에 대해 하나 이상의 렌즈를 지지하는 렌즈 홀더를 포함하고, 상기 각각의 카메라는 상기 기판에 개별적으로 고정되는, 스테레오 레인지 시스템.
3. 제1 항에 있어서, 상기 두 개 이상의 영상기들은 두 개 이상의 웨이퍼 스케일 카메라들(wafer scale cameras)을 포함하는, 스테레오 레인지 시스템.
4. 제1 항에 있어서, 상기 기판은 약 -20℃ 내지 약 50℃의 온도 범위에서 크기 및 형상 변경에 저항하도록 구성되는, 스테레오 레인지 시스템.
5. 제1 항에 있어서, 상기 공통 기판은 회로 기판인, 스테레오 레인지 시스템.
6. 제5 항에 있어서, 상기 회로 기판은 다중층 인쇄 회로 기판인, 스테레오 레인지 시스템.
7. 제6 항에 있어서, 상기 보강 재료는 상기 다중층 회로 기판의 다른 층들과 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는, 스테레오 레인지 시스템.
8. 제5 항에 있어서, 상기 회로 기판은 섬유 강화 수지로 제조되는, 스테레오 레인지 시스템.
9. 제5 항에 있어서, 상기 회로 기판은 유사한 크기의 FR4 회로 기판의 강성에 비하여 세 배 이상의 강성을 갖는, 스테레오 레인지 시스템.
10. 제1 항에 있어서,
    하나 이상의 레일을 포함하는 레일 시스템을 더 포함하되, 상기 레일 시스템은 상기 공통 기판의 두 개 이상의 모서리를 수용하며 상기 레일 시스템이 고정되도록 구성되는 장착 구조물 상부에서 상기 공통 기판을 지지하면서 길이 및 폭 방향 팽창을 가능하게 하도록 구성되는, 스테레오 레인지 시스템.
11. 제10 항에 있어서, 상기 레일 시스템은 두 개 이상의 레일들을 포함하고, 각각의 레일은 상기 공통 기판의 모서리들을 수용하는 통로를 형성하는, 스테레오 레인지 시스템.
12. 제10 항에 있어서, 상기 레일 시스템은 상기 장착 구조물에 상기 하나 이상의 레일을 고정하도록 구성된 체결구들을 포함하는, 스테레오 레인지 시스템.
13. 제10 항에 있어서, 상기 공통 기판은 상기 장착 구조물로부터 연장하는 핀(pin)을 수용하도록 구성된 하나 이상의 개구를 포함하여, 상기 두 개 이상의 레일들 안에서 상기 공통 기판을 지지하는 것을 보조하는, 스테레오 레인지 시스템.
14. 평탄 표면을 갖는 공통 회로 기판으로서, 상기 공통 회로 기판의 다른 재료들과 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는 보강 재료를 포함하는 공통 회로 기판; 및
    서로에 대해 고정된 위치들에서 상기 공통 회로 기판에 장착되는 두 개 이상의 웨이퍼 스케일 반도체 카메라들을 포함하되,
    상기 공통 회로 기판에 이미지 칩들이 개별적으로 고정되는,
    스테레오 카메라 시스템.
15. 제14항에 있어서, 각각의 웨이퍼 스케일 스테레오 카메라는 이미지 칩 및 상기 이미지 칩에 대해 하나 이상의 렌즈를 지지하는 렌즈 홀더를 포함하는, 스테레오 카메라 시스템.
16. 제14 항에 있어서, 상기 공통 회로 기판은 약 -20℃ 내지 약 50℃의 온도 범위에서 크기 및 형상 변경에 저항하도록 구성되는, 스테레오 카메라 시스템.
17. 제14 항에 있어서, 상기 공통 회로 기판은 3mm 이상의 두께를 갖는, 스테레오 카메라 시스템.
18. 제14 항에 있어서, 상기 공통 회로 기판은 다중층 회로 기판이며 상기 보강재는 상기 공통 회로 기판의 하나 이상의 보강 층인, 스테레오 카메라 시스템.
19. 제14 항에 있어서,
    복수의 레일들을 포함하는 레일 시스템을 더 포함하되, 각각의 레일은 상기 공통 회로 기판의 모서리들을 수용하며 상기 공통 회로 기판을 상기 레일 시스템이 고정되도록 구성되는 장착 구조물 위에서 지지하면서 길이 및 폭 방향 팽창이 가능하게 하도록 구성된 통로를 형성하는, 스테레오 카메라 시스템.
20. 평탄한 표면을 가지며 공통 회로 기판의 다른 재료들과 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 보강 재료를 포함하는 공통 회로 기판을 제공하는 단계; 및
    두 개 이상의 반도체 카메라들을 서로에 대하여 고정된 위치에서 상기 공통 회로 기판에 개별적으로 장착하는 단계를 포함하는,
    반도체 스테레오 카메라를 제조하는 방법.
21. 제20 항에 있어서,
    복수의 레일들을 포함하는 레일 시스템을 사용하여 상기 공통 회로 기판을 평탄한 장착 표면에 장착하는 단계를 더 포함하되, 각각의 레일은 상기 공통 회로 기판의 모서리들을 수용하며 상기 공통 회로 기판을 상기 레일 시스템이 고정되도록 구성되는 장착 구조물 위에서 지지하면서 길이 및 폭 방향 팽창이 가능하게 하도록 구성된 통로를 형성하는, 반도체 스테레오 카메라를 제조하는 방법.
22. 제20 항에 있어서,
    두 개 이상의 반도체 카메라들을 상기 공통 회로 기판으로의 장착 이후에 정류(rectifying) 및 교정(calibrating)하는 단계를 더 포함하는, 반도체 스테레오 카메라를 제조하는 방법.
23. 본 명세서에서 도시되며 기술되는 스테레오 카메라 시스템.
24. 본 명세서에서 도시되며 기술되는 스테레오 카메라 기판.
25. 본 명세서에서 도시되며 기술되는 방법.
    

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