KR20170051526A - 이종 이미저를 구비한 모놀리식 카메라 어레이를 이용한 이미지의 캡처링 및 처리 - Google Patents

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아만딥 에스. 자비
로버트 에이치. 멀리스
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Abstract

기판 상에 제조되는 복수개의 이미저를 채용하는, 이미지를 캡처하기 위한 카메라 어레이, 이미징 디바이스 및/또는 방법이 제공된다. 각각의 이미저는 복수개의 픽셀을 포함한다. 복수개의 이미저는 제1 이미징 특성을 지니는 제1 이미저 및 제2 이미징 특성을 지니는 제2 이미저를 포함한다. 복수개의 이미저에 의해 생성되는 이미지는 이미저에 의해 캡처된 이미지에 비해 고급 이미지를 획득하도록 처리된다. 각각의 이미저는 WLO(wafer level optics) 기술을 이용하여 제조된 광학 소자와 연관될 수 있다.

Description

이종 이미저를 구비한 모놀리식 카메라 어레이를 이용한 이미지의 캡처링 및 처리{CAPTURING AND PROCESSING OF IMAGES USING MONOLITHIC CAMERA ARRAY WITH HETEROGENEOUS IMAGERS}
관련 출원
본 출원서는, "Monolithic Integrated Array of Heterogeneous Image Sensors"라는 명칭으로 2008년 5월 20일에 출원되었으며, 본 명세서에서 전체가 참조로서 인용되는 미국특허출원 번호 제61/054,694호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 카메라 어레이에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 복수개의 이종 이미저(heterogenous imager)를 포함하는 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 커스텀 필터(custom filters), 센서 및 가변 구성의 광학부(optics)를 구비하는 복수개의 웨이퍼-레벨 이미저를 갖는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 카메라 및 그 밖의 이미징 디바이스에서 이미지를 캡처하는 데 사용된다. 일반적인 이미징 디바이스에서, 광은 이미징 디바이스의 한쪽 종단에서 개구(aperture)를 통해 진입하고, 렌즈와 같은 광학 소자에 의해 이미지 센서로 향한다. 대부분의 이미징 디바이스에서, 광학 소자의 하나 이상의 층은 개구와 이미지 센서 사이에 배치되어 이미지 센서 상으로 광을 포커싱한다. 이미지 센서는 광학 소자를 통해 광을 수광하면 신호를 생성하는 픽셀로 구성된다. 보편적으로 사용되는 이미지 센서는 CCD(charge-coupled device) 이미지 센서 및 CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) 센서를 포함한다.
필터는 흔히 이미지 센서에서 소정 파장의 광을 픽셀 상으로 선택적으로 전송하도록 채용된다. 바이엘 필터 모자이크는 종종 이미지 센서 상에서 형성된다. 바이엘 필터(Bayer filter)는 각각의 컬러 픽셀 상에 RGB 컬러 필터 중 하나를 배치한 컬러 필터 어레이이다. 바이엘 필터 패턴은 50% 녹색 필터, 25% 적색 필터 및 25% 청색 필터를 포함한다. 각각의 픽셀이 총 컬러 범위가 아니라 광의 컬러 성분의 세기를 나타내는 신호를 생성하기 때문에, 각각의 이미지 픽셀에 대한 적색, 녹색 및 청색 값의 세트를 삽입하도록 디모자이킹(demosaicing)이 수행된다.
이미지 센서는 다양한 성능 제약의 영향을 받기 쉽다. 이미지 센서에 대한 성능 제약은, 특히, 동적 범위, 신호 대 잡음 비(signal to noise ratio: SNR) 및 낮은 감광성을 포함한다. 동적 범위는 픽셀에 의해 캡처될 수 있는 최대 가능성 신호(maximum possible signal) 대 총 잡음 신호의 비율로서 정의된다. 일반적으로, 이미지 센서의 웰 용량(well capacity)은 이미지 센서에 의해 캡처될 수 있는 최대 가능성 신호를 제한한다. 최대 가능성 신호는 입사 조도(incident illumination)의 세기 및 노출 기간(예컨대, 통합 시간, 및 셔터 폭)에 의존한다. 동적 범위는 이하의 수학식 1과 같은 데시벨(dB) 단위의 무차원 수치(dimensionless quantity)로서 표현될 수 있다.
Figure pat00001
전형적으로, 캡처된 이미지의 잡음 레벨은 동적 범위의 최저한도(floor)에 영향을 미친다. 따라서, 8 비트 이미지에 대해, 최상의 경우는 RMS 잡음 레벨이 1 비트인 것을 가정하면 48 dB일 것이다. 그러나, 실제로, RMS 잡음 레벨은 1 비트보다 높고, 이것은 동적 범위를 더 축소시킨다.
캡처된 이미지의 신호 대 잡음 비(SNR)는 대부분 이미지 품질의 측정치이다. 일반적으로, 더 많은 광이 픽셀에 의해 캡처될수록, SNR은 더 높아진다. 캡처된 이미지의 SNR은 일반적으로 픽셀의 광 수집 용량과 관련된다.
일반적으로, 바이엘 필터 센서는 낮은 감광성을 갖는다. 낮은 광 레벨에서, 각 픽셀의 광 수집 용량은 각 픽셀 상에 입사되는 낮은 신호 레벨에 의해 제약된다. 또한, 픽셀 위의 컬러 필터는 픽셀에 도달하는 신호를 더 제약한다. 적외선(IR) 필터도 가변 정보를 전달할 수 있는 근 적외 신호(near-IR signals)로부터의 광 응답을 감소시킨다.
이미지 센서의 이들 성능 제약은 설계 제약의 특성으로 인해 모바일 시스템을 위해 설계된 카메라에서 크게 확대된다. 모바일 카메라용 픽셀은 일반적으로 디지털 스틸 카메라(digital still camera: DSC)의 픽셀보다 훨씬 더 작다. 광 수집 능력의 한도, 감소된 SNR, 동적 범위의 한도, 및 낮은 밝기의 장면에 대한 감소된 감도로 인해, 모바일 카메라의 카메라는 조잡한 성능을 보여 준다.
본 발명의 실시형태는, 기판 상에 제조되며 복수개의 센서 소자를 각각 포함하는 복수개의 이미저를 채용하는, 이미지를 캡처하기 위한 카메라 어레이 및/또는 방법을 포함한다. 복수개의 이미저는 적어도 기판의 제1 위치 상에 형성된 제1 이미저 및 기판의 제2 위치 상에 형성된 제2 이미저를 포함한다. 제1 이미저 및 제2 이미저는 동일한 이미징 특성 또는 상이한 이미징 특성을 지닌다.
일 실시형태에서, 제1 이미징 특성 및 제2 이미저는 상이한 이미징 특성을 지닌다. 이미징 특성은, 예를 들어 이미저의 크기, 이미저에 포함되는 픽셀의 유형, 이미저의 형상, 이미저와 연관된 필터, 이미저의 노출 시간, 이미저와 연관된 개구 크기, 이미저와 연관된 광학 소자의 구성, 이미저의 이득, 이미저의 해상도 및 이미저의 동작 타이밍을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 제1 이미저는 광 스펙트럼을 전송하는 필터를 포함한다. 제2 이미저도 제1 이미저와 동일한 광 스펙트럼을 전송하기 위한 동일한 유형의 필터를 포함하지만, 제1 이미저에 의해 캡처된 이미지로부터 시프트된 서브-픽셀 위상 시프트된 이미지를 캡처한다. 제1 이미저 및 제2 이미저로부터의 이미지는 슈퍼-해상도 프로세스(super-resolution process)를 이용하여 조합되어 더 높은 해상도의 이미지를 획득한다.
일 실시형태에서, 제1 이미저는 제1광 스펙트럼을 전송하는 제1필터를 포함하고, 제2 이미저는 제2광 스펙트럼을 전송하는 제2필터를 포함한다. 제1 이미저 및 제2 이미저로부터의 이미지가 처리되어 보다 높은 품질의 이미지를 획득한다.
일 실시형태에서, 렌즈 소자는 이미저 상으로 광을 향하게 하고 포커싱하도록 제공된다. 각각의 렌즈 소자는 하나의 이미저 상으로 광을 포커싱한다. 각각의 렌즈 소자가 하나의 이미저와 연관되기 때문에, 각각의 렌즈 소자가 좁은 광 스펙트럼을 위해 설계되고 구성될 수 있다. 또한, 렌즈 소자의 두께가 감소하여, 카메라 어레이의 총체적인 두께를 감소시킬 수 있다. 렌즈 소자는 WLO(wafer level optics) 기술을 이용하여 제조된다.
일 실시형태에서, 복수개의 이미저는 근-IR(적외선) 스펙트럼을 수신하는 데 전용되는 적어도 하나의 근-IR 이미저를 포함한다. 근-IR 이미저로부터 생성된 이미지는 컬러 필터를 갖는 다른 이미저로부터 생성된 이미지로 포커싱되어 잡음을 감소시키고 이미지의 품질을 증가시킬 수 있다.
일 실시형태에서, 복수개의 이미저는 줌 기능을 제공하는 렌즈 소자와 연관될 수 있다. 상이한 이미저는 상이한 초점 길이의 렌즈와 연관되어, 상이한 시야를 가지며 상이한 레벨의 줌 기능을 제공할 수 있다. 하나의 줌 레벨로부터 다른 줌 레벨로의 부드러운 천이를 제공하도록 하는 메커니즘이 제공될 수 있다.
하나 이상의 실시형태에서, 복수개의 이미저는 좌표가 지정되고, 높은 동적 범위 이미지, 파노라마 이미지, 하이퍼-스펙트럼 이미지, 객체까지의 거리 및 높은 프레임 속도 비디오 중 적어도 하나를 획득하도록 동작한다.
본 명세서에서 설명되는 특징 및 이점은 모든 것을 포함하는 것이 아니며, 특히 많은 추가 특징 및 이점은 도면, 명세서 및 특허청구범위의 관점에서 당업자에게 자명할 것이다. 또한, 명세서에서 사용된 언어는 대체로 판독 용이성 및 교육적 목적을 위해 선택되었고, 본 발명의 주제사항을 묘사하거나 한정하도록 선택된 것이 아니라는 점에 유의해야 한다.
도 1은 일 실시예에 따라 복수개의 이미저를 갖는 카메라 어레이의 평면도;
도 2a는 일 실시예에 따라 렌즈 소자를 갖는 카메라 어레이의 사시도;
도 2b는 일 실시예에 따른 카메라 어레이의 단면도;
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따라 이미저의 치수 변화에 의존하여 렌즈 소자의 높이 변화를 예시하는 단면도;
도 3c는 렌즈 소자의 상이한 치수에 따라 변화하는 주 광선(chief ray) 각도를 예시하는 도면;
도 4는 일 실시예에 따른 이미징 디바이스에 대한 기능 블록도;
도 5는 일 실시예에 따른 이미지 프로세싱 파이프라인 모듈의 기능 블록도;
도 6a 내지 도 6e는 실시예에 따라 이종 이미저의 상이한 레이아웃을 갖는 카메라 어레이의 평면도;
도 7은 일 실시예에 따라 복수개의 이미저에 의해 캡처되는 보다 낮은 해상도 이미지로부터 고품질 이미지(enhanced image)를 생성하는 프로세스를 예시하는 순서도.
본 발명의 바람직한 실시예는 동일한 참조기호가 동일하거나 기능적으로 유사한 소자를 나타내는 도면을 참조하여 이제 설명된다. 또한, 도면에서, 각 참조 부호의 가장 왼쪽 자리의 숫자는 참조 기호가 처음 사용된 도면에 대응한다.
실시예들은 상이한 이미징 특성의 복수개의 이미저를 사용하여 이미지를 캡처하는 분산 접근법을 사용하는 것과 관련된다. 각각의 이미저는, 이미저가 다른 이미저에 의해 캡처된 다른 이미저에 대하여 서브픽셀 양만큼 시프트되는 이미지를 캡처하는 방법으로, 다른 이미저로부터 공간적으로 시프트된다. 각각의 이미저는 또한 상이한 필터를 갖는 별도의 광학부를 포함할 수 있으며, 상이한 동작 파라미터(예컨대, 노출 시간)에 따라 동작한다. 이미저에 의해 생성되는 별개의 이미지들이 고품질 이미지를 획득하도록 처리된다. 각각의 이미저는 WLO 기술을 이용하여 제조되는 광학 소자와 연관될 수 있다.
센서 소자 또는 픽셀이란 카메라 어레이의 개별적인 광 감지 소자를 지칭한다. 센서 소자 또는 픽셀은, 특히, 전통적인 CIS(CMOS Image Sensor), CCD(charge-coupled device), 높은 동적 범위 픽셀, 다중 스펙트럼 픽셀(multispectral pixel) 및 이들의 다양한 대체물을 포함한다.
이미저란 2차원 픽셀 어레이를 지칭한다. 각 이미저의 센서 소자는 동일한 물리적 특성을 가지며, 동일한 광학 성분을 통해 광을 수광한다. 또한, 각 이미저의 센서 소자는 동일한 컬러 필터와 연관될 수 있다.
카메라 어레이란 단일 성분으로서 기능하도록 설계된 이미저들의 집합을 지칭한다. 카메라 어레이는 다양한 디바이스에 탑재하거나 설치하기 위한 단일 칩 상에 제조될 수 있다.
카메라 어레이의 어레이란 2개 이상의 카메라 어레이의 집합을 지칭한다. 2개 이상의 카메라 어레이는 단일 카메라 어레이를 넘어 확장된 기능을 제공하도록 협력하여 동작할 수 있다.
이미저의 이미지 특성이란 이미지의 캡처와 연관되는 이미저의 임의의 특성 또는 파라미터를 지칭한다. 이미징 특성은, 특히, 이미저의 크기, 이미저에 포함되는 픽셀의 유형, 이미저의 형상, 이미저와 연관된 필터, 이미저의 노출 시간, 이미저와 연관된 개구 크기, 이미저와 연관된 광학 소자의 구성, 이미저의 이득, 이미저의 해상도 및 이미저의 동작 타이밍을 포함할 수 있다.
카메라 어레이의 구조
도 1은 일 실시예에 따라 이미저(1A 내지 NM)를 갖는 카메라 어레이(100)의 평면도이다. 카메라 어레이(100)는 복수개의 이미저(1A 내지 NM)를 포함하도록 반도체 칩 상에 제조된다. 각각의 이미저(1A 내지 NM)는 복수개의 픽셀(예컨대, 0.32 메가 픽셀)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이미저(1A 내지 NM)는 도 1에 예시된 바와 같이 격자 포맷으로 배치된다. 다른 실시예에서, 이미저는 비격자 포맷으로 배치된다. 예를 들어, 이미저는 원형 패턴, 지그재그 패턴 또는 산란 패턴으로 배치될 수 있다.
카메라 어레이는 두 가지 이상의 유형의 이종 이미저를 포함할 수 있는데, 각각의 이미저는 2개 이상의 센서 소자 또는 픽셀을 포함한다. 각각의 이미저는 상이한 이미징 특성을 가질 수 있다. 대안으로, 동일한 유형의 이미저가 동일한 이미징 특성을 공유하는 두 가지 이상의 유형의 이미저가 있을 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 이미저(1A 내지 NM)는 자신의 필터 및/또는 광학 소자(예컨대, 렌즈)를 갖는다. 구체적으로, 각각의 이미저(1A 내지 NM) 또는 일군의 이미저는 광의 소정 파장을 수신하도록 스펙트럼 컬러 필터와 연관될 수 있다. 예시적인 필터는 바이엘 패턴(R, G, B 또는 그들의 보완물 C, M, Y)에서 사용되는 전통적인 필터, IR-컷 필터, 근-IR 필터, 편광 필터(polarizing filter), 및 하이퍼-스펙트럼 이미징(hyper-spectral imaging)의 필요성에 어울리는 커스텀 필터를 포함한다. 몇몇 이미저는, 이미저의 신호 대 잡음 비를 증가시키는, 전체 가시 스펙트럼 및 근-IR 양측 모두의 수신을 허용할 어떠한 필터도 갖지 않을 수 있다. 별개 필터의 개수는 카메라 어레이 내의 이미저 개수만큼 많을 수도 있다. 또한, 각각의 이미저(1A 내지 NM) 또는 일군의 이미저는 상이한 광학 특성(예컨대, 초점 길이) 또는 상이한 크기의 개구를 갖는 렌즈를 통해 광을 수광할 수도 있다.
일 실시예에서, 카메라 어레이는 다른 관련 회로를 포함한다. 다른 회로는, 특히, 이미징 파라미터를 제어하는 회로 및 물리적 파라미터를 감지하는 센서를 포함할 수 있다. 제어 회로는 노출 시간, 이득 및 흑 레벨 오프셋(black level offset)과 같은 이미징 파라미터를 제어할 수 있다. 센서는 암 픽셀(dark pixels)을 포함하여 동작 온도에서 암 전류(dark current)를 측정할 수 있다. 암 전류는 기판이 견딜 수 있는 임의의 열적 크리프(thermal creep)에 대한 신속한 보상(on-the-fly compensation)을 위해 측정될 수 있다.
일 실시예에서, 이미징 파라미터를 제어하기 위한 회로는 각각의 이미저를 독립적으로 또는 동기화된 방법으로 트리거할 수 있다. (셔터를 여는 것과 유사한) 카메라 어레이 내의 다양한 이미저에 대한 노출 주기의 시작은, 여러 이미저가 동일한 시간에 광에 노출되고 있게 하면서 장면이 순차적으로 샘플링되도록 하는 중첩 방법으로 스태거(stagger)될 수 있다. 초 당 N번의 노출 시의 장면을 샘플링하는 통상적인 비디오카메라에서, 샘플 당 노출 시간은 1/N으로 제한된다. 복수개의 이미저를 사용하면, 복수개의 이미저가 스태거되는 방법으로 이미지를 캡처하도록 동작될 수 있기 때문에 샘플 당 노출 시간에 대한 그러한 제한이 없다.
각각의 이미저는 독립적으로 동작할 수 있다. 각각의 개별적인 이미저와 연관된 전체 또는 대부분의 동작은 개별화될 수 있다. 일 실시예에서, 마스터 세팅이 프로그래밍되고, 그러한 마스터 세팅으로부터의 편향(즉, 오프셋 또는 이득)이 각각의 이미저에 대해 구성된다. 편향은 높은 동적 범위, 이득 세팅, 통합 시간 세팅, 디지털 프로세싱 세팅, 또는 이들의 조합과 같은 기능을 반영할 수 있다. 이들 편향은 특정 카메라 어레이에 대해 낮은 레벨(예컨대, 이득 편향) 또는 보다 높은 레벨(예컨대, 이득에 대한 델타로 자동 번역되는 ISO 수의 차이, 통합 시간, 또는 콘텍스트/마스터 제어 레지스터에 의해 특정되는 기타 사항)로 특정될 수 있다. 마스터 값 및 마스터 값으로부터의 편향을 세팅함으로써, 보다 높은 레벨의 제어 추상 작용(control abstraction)이 많은 동작을 위한 더 간단한 프로그래밍 모델을 용이하게 하도록 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 이미저에 대한 파라미터는 타깃 애플리케이션을 위해 임의로 고정된다. 다른 실시예에서, 파라미터는 높은 정도의 가용성 및 프로그램 작동 가능성(programmability)을 허용하도록 구성된다.
일 실시예에서, 카메라 어레이는 셀룰러 폰 및 다른 모바일 디바이스에서 사용되는 기존의 카메라 이미지 센서에 대한 대체물(drop-in replacement)로서 설계된다. 이 목적을 위해, 카메라 어레이는, 카메라의 달성된 해상도가 많은 사진술 환경(photographic situations)에서 통상적인 이미지 센서를 능가할 수 있음에도 불구하고, 거의 동일한 해상도의 통상적인 이미지 센서와 물리적으로 호환 가능하도록 설계될 수 있다. 증가된 성능을 이용하면, 실시예의 카메라 어레이는 보다 적은 픽셀을 포함하여 통상적인 이미지 센서에 비해 동등하거나 더 우수한 품질의 이미지를 획득할 수 있다. 대안으로, 이미저의 픽셀의 크기는 필적할만한 결과를 달성하면서 통상적인 이미지 센서 내의 픽셀에 비해 감소할 수 있다.
실리콘 영역을 증가시키는 일 없이 통상적인 이미지 센서의 원시 픽셀 수를 매칭시키기 위해, 개별적인 이미저에 대한 로직 오버헤드는 바람직하게도 실리콘 영역에서 제약된다. 일 실시예에서, 대부분의 픽셀 제어 로직은 모든 이미저 또는 대부분의 이미저에 공통적인 기능들의 단일 집합이며, 보다 작은 기능 세트는 각각의 이미저에 적용 가능하다. 이 실시예에서, 이미저에 대한 통상적인 외부 인터페이스는, 데이터 출력이 이미저에 대해 상당히 증가하지는 않기 때문에 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 이미저를 포함하는 카메라 어레이는 N개의 메가 픽셀로 구성되는 통상적인 이미지 센서를 재배치한다. 카메라 어레이는 N × N 이미저를 포함하되, 각각의 센서는
Figure pat00002
의 픽셀을 포함한다. 카메라 어레이 내의 각각의 이미저는 재배치되는 통상적인 이미지 센서와 동일한 종횡비(aspect ratio)를 갖는다. 표 1은 통상적인 이미지 센서를 재배치하는 본 발명에 따른 카메라 어레이의 예시적인 구성을 열거한다.
통상적인 이미지 센서 이미저를 포함하는 카메라 어레이
총
메가픽셀		 유효
해상도		 총
메가픽셀		 수평
이미저의 개수		 수직
이미저의 개수		 이미저
메가픽셀		 슈퍼-
해상도
인자		 유효
해상도
8 3.2 8
8
8		 5
4
3		 5
4
3		 0.32
0.50
0.89		 3.2
2.6
1.9		 3.2
3.2
3.2
5 2.0 5
5
5		 5
4
3		 5
4
3		 0.20
0.31
0.56		 3.2
2.6
1.9		 2.0
2.0
2.0
2 1.2 3
3
3		 5
4
3		 5
4
3		 0.12
0.19
0.33		 3.2
2.6
1.9		 1.2
1.2
1.2
표 1의 슈퍼-해상도 인자가 측정되고, 유효 해상도 값은 프로세싱에 의해 달성되는 실제 슈퍼-해상도 인자에 기초하여 상이할 수 있다.
카메라 어레이 내의 이미저의 개수는, 특히, (i) 해상도, (ii) 시차(parallax), (iii) 감도, 및 (iv) 동적 범위에 기초하여 결정될 수 있다. 이미저 크기에 대한 제1인자는 해상도이다. 해상도 시점으로부터, 바람직한 개수의 이미저는, 6 × 6보다 큰 어레이 크기가 슈퍼-해상도 프로세스에 의해 재작성될 수 없는 빈도 정보를 파괴하기 쉽기 때문에 2 × 2 내지 6 × 6의 범위에 이른다. 예를 들어, 2 × 2 이미저를 갖는 8 메가 픽셀 해상도는 각각의 이미저가 2 메가픽셀을 가질 것을 필요로 할 것이다. 마찬가지로, 5 × 5 어레이를 갖는 8 메가픽셀 해상도는 각각의 이미저가 0.32 메가픽셀을 가질 것을 요구할 것이다.
이미저의 개수를 제약할 수 있는 제2인자는 시차 및 폐색(occlusion)의 문제이다. 이미지에서 캡처된 객체에 대하여, 이미저의 뷰로부터 폐색된 배경 장면의 일부분은 "폐색 세트"라고 호칭된다. 2개의 이미저가 2개의 상이한 위치로부터 객체를 캡처할 때, 각 이미저의 폐색 세트는 상이하다. 따라서, 하나의 이미저에 의해 캡처되지만 다른 이미저에 의해서는 캡처되지 않는 장면 픽셀이 있을 수 있다. 이 폐색 문제를 해결하기 위해서는, 주어진 유형의 이미저에 대해 소정의 최소 이미저 세트를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
이미저의 개수에 대해 보다 낮은 경계를 취할 수 있는 제3인자는 낮은 광 조건에서의 감도 문제이다. 낮은 감광도를 개선하기 위해서는, 근-IR 스펙트럼을 검출하기 위한 이미저가 필요할 수 있다. 카메라 어레이 내의 이미저의 개수는 그러한 근-IR 이미저를 수용하도록 증가할 필요가 있을 수 있다.
이미저의 크기를 결정할 시의 제4인자는 동적 범위이다. 카메라 어레이에 동적 범위를 제공하기 위해서는, 동일한 필터 유형(크로마(Croma) 또는 루마(Luma))의 여러 이미저를 제공하는 것이 유리하다. 동일한 필터 유형의 각 이미저는 상이한 노출로 동시에 동작할 수 있다. 상이한 노출로 캡처된 이미지는 높은 동적 범위 이미지를 생성하도록 처리될 수 있다.
이들 인자에 기초하여, 바람직한 수의 이미저는 2 × 2 내지 6 × 6이다. 4 × 4 및 5 × 5 구성은, 이것이 폐색 문제를 해결하고 감도를 증가시키며 동적 범위를 증가시킬 수 있을 정도로 충분한 수의 이미저를 제공하기 쉽기 때문에 2 × 2 및 3 × 3보다 더 바람직하다. 동시에, 이들 어레이 크기로부터 해상도를 회복하는 데 요구되는 계산적 부하(computational load)는 6 × 6 어레이에서 요구되는 것에 비해 별로 크기 않을 것이다. 그러나, 6 × 6보다 큰 어레이는 광학적 줌(optical zooming) 및 다중 스펙트럼 이미징과 같은 추가적 특징을 제공하는 데 사용될 수 있다.
다른 고려사항은 루마 샘플링에 전용되는 이미저의 개수이다. 근-IR 샘플링에 전용되는 어레이 내의 이미저가 달성된 해상도를 감소시키지 않는다는 것을 확인함으로써, 근-IR 이미지로부터의 정보는 루마 이미저에 의해 캡처된 해상도에 추가된다. 이 목적을 위해, 적어도 50%의 이미저는 루마 및/또는 근-IR을 샘플링하는 데 사용될 수 있다. 4 × 4 이미저를 갖는 일 실시예에서는, 4개의 이미저가 루마를 샘플링하고, 4개의 이미저가 근-IR을 샘플링하며, 나머지 8개의 이미저가 2개의 크로마(적색 및 청색)를 샘플링한다. 5 × 5 이미저를 갖는 다른 실시예에서는, 9개의 이미저가 루마를 샘플링하고, 8개의 이미저가 근-IR을 샘플링하며, 나머지 8개의 이미저가 2개의 크로마(적색 및 청색)를 샘플링한다. 또한, 이들 필터를 갖는 이미저는 카메라 어레이 내에서 대칭적으로 배치되어 시차로 인한 폐색을 해결할 수 있다.
일 실시예에서, 카메라 어레이 내의 이미저는 사전 결정된 거리만큼 서로에게 공간적으로 이격된다. 공간적 이격도를 증가시킴으로써, 이미저에 의해 캡처된 이미지들 사이의 시차가 증가할 수 있다. 증가한 시차는 보다 정교한 거리 정보가 중요한 경우에 유리하다. 2개의 이미저들 사이의 이격도는 또한 인간의 한 쌍의 눈의 간격을 좁히도록 증가할 수 있다. 인간의 눈의 간격을 좁힘으로써, 사실적인 입체적 3D 이미지가 디스플레이 디바이스 상에 생성 이미지를 표현하도록 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 복수개의 카메라 어레이는 공간 제약을 극복하도록 디바이스 상의 상이한 위치에 제공된다. 하나의 카메라 어레이가 제한된 공간 내에 설비되도록 설계될 수 있는 반면, 다른 카메라는 그 디바이스의 다른 제한된 공간에 배치될 수 있다. 예를 들어, 총합 20개의 이미저가 요구되지만 사용 가능한 공간은 1 × 10개 이미저의 카메라 어레이만이 디바이스의 어느 한쪽에 제공되게 한다면, 각각 10개의 이미저를 포함하는 2개의 카메라 어레이가 그 디바이스의 양쪽 측면의 사용 가능한 공간에 배치될 수 있다. 각각의 카메라 어레이는 기판 상에서 제조될 수 있고, 디바이스의 마더보드 또는 다른 부품에 확보될 수 있다. 복수개의 카메라 어레이로부터 수집된 이미지는 희망하는 해상도 및 성능의 이미지를 생성하도록 처리될 수 있다.
단일 이미저에 대한 설계는, 다른 타입의 이미저를 각각 포함하는 상이한 카메라 어레이에 적용될 수 있다. 공간적 거리, 컬러 필터 및 동일하거나 다른 센서들과의 조합과 같은 카메라 어레이에서의 다른 변수는 상이한 이미징 특성을 지니는 카메라 어레이를 생산하도록 수정될 수 있다. 이 방법으로, 카메라 어레이의 다양한 혼합이 규모 경제(economies of scale)로부터의 이점을 유지하면서 생산될 수 있다.
WLO 통합
일 실시예에서, 카메라 어레이는 WLO 기술을 채용한다. WLO는 이미저와 함께 직접적으로 광학부를 패키징하는 것에 이어 유리 웨이퍼 상의 광학부를 모놀리식 통합 모듈(monolithic integrated module) 내에 몰딩하는 기술이다. WLO 절차는, 특히, 다이아몬드 회전 몰드(diamond-turned mold)를 사용하여 유리 기판 상에 각각의 플라스틱 렌즈를 생성하는 것을 포함할 수 있다.
도 2a는 일 실시예에 따라 WLO(210) 및 카메라 어레이(230)를 갖는 카메라 어레이 어셈블리(200)의 사시도이다. WLO(210)는 복수개의 렌즈 소자(220)를 포함하며, 각각의 렌즈 소자(220)는 카메라 어레이(230) 내의 25개의 이미저(240) 중 하나를 커버한다. 카메라 어레이 어셈블리(200)는 전체 카메라 어레이(230)를 커버하는 하나의 대형 렌즈에 비해 훨씬 적은 공간을 차지하는 보다 작은 렌즈 소자들의 어레이를 갖는다.
도 2b는 일 실시예에 따른 카메라 어레이 어셈블리(250)의 단면도이다. 카메라 어셈블리(250)는 상부 렌즈 웨이퍼(262), 하부 렌즈 웨이퍼(268), 상부에 복수개의 이미저가 형성되는 기판(278) 및 스페이서(258, 264, 270)를 포함한다. 카메라 어레이 어셈블리(250)는 외피(encapsulation)(254) 내에서 패키징된다. 상부 스페이서(258)는 외피(254)와 상부 렌즈 웨이퍼(262) 사이에 배치된다. 복수개의 광학 소자(288)는 상부 렌즈 웨이퍼(262) 상에 형성된다. 중간 스페이서(264)는 상부 렌즈 웨이퍼(262)와 하부 렌즈 웨이퍼(268) 사이에 배치된다. 다른 세트의 광학 소자(286)는 하부 렌즈 웨이퍼(268) 상에 형성된다. 하부 스페이서(270)는 하부 렌즈 웨이퍼(268)와 기판(278) 사이에 배치된다. 스루-실리콘 비아(through-silicon vias)(274)도 이미저로부터의 신호를 전송하기 위한 경로에 제공된다. 상부 렌즈 웨이퍼(262)는 광의 차단을 위한 광 차단 물질(284)(예컨대, 크롬)로 부분적으로 코팅될 수 있다. 차단 물질(284)로 코팅되지 않은 상부 렌즈 웨이퍼(262)는 광이 하부 렌즈 웨이퍼(268) 및 이미저로 통과하게 되는 개구로서의 역할을 한다. 도 2b의 실시예에서, 필터(282)는 하부 렌즈 웨이퍼(268) 상에 형성된다. 광 차단 물질(280)(예컨대, 크롬)은 또한 하부 렌즈(268) 및 기판(278) 상에도 코팅되어 광학적 절연체로서 기능할 수 있다. 표면의 하부 표면은 이면 재구분 층(backside redistribution layer: "RDL") 및 솔더 볼(276)로 커버된다.
일 실시예에서, 카메라 어레이 어셈블리(250)는 5 × 5 어레이의 이미저를 포함한다. 카메라 어레이(250)는 7.2㎜의 폭 W 및 8.6㎜의 길이를 갖는다. 카메라 어레이 내의 각 이미저는 1.4㎜의 폭 S를 갖는다. 광학 소자의 총 높이 t1은 대략 1.26㎜이고, 카메라 어레이 어셈블리의 총 높이 t2는 2㎜보다 작다.
도 3a 및 도 3b는 x-y 평면에서의 치수 변화에 따른 렌즈 소자의 높이 변화를 예시하는 도면이다. 도 3b의 렌즈 소자(320)는 도 3a의 렌즈 소자(310)에 비해 1/n배로 배율이 정해진다. 렌즈 소자(320)의 직경 L/n이 직경 L보다 인자 n배만큼 더 작기 때문에, 렌즈 소자(320)의 높이 t/n도 렌즈 소자(310)의 높이 t보다 인자 n배만큼 더 작다. 따라서, 더 작은 렌즈 소자의 어레이를 사용함으로써, 카메라 어레이 어셈블리의 높이는 상당히 감소할 수 있다. 카메라 어레이 어셈블리의 감소된 높이는, 개선된 주광선 각도, 감소된 왜곡, 및 개선된 컬러 수차(aberration)와 같은 보다 양호한 광학적 특성을 지니는 덜 집약적인 렌즈를 설계하는 데 이용될 수 있다.
도 3c는 카메라 어레이 어셈블리의 두께를 감소시킴으로써 주광선 각도(chief ray angle: CRA)를 개선하는 것을 예시한다. CRA1은 전체 카메라 어레이를 커버하는 단일 렌즈에 대한 주광선 각도이다. 주광선 각도는 카메라 어레이와 렌즈 사이의 거리를 증가시킴으로써 감소할 수 있지만, 두께 제약은 거리를 증가시키는 것에 제약을 부과한다. 따라서, 단일 렌즈 소자를 갖는 카메라 어레이에 대한 CRA1이 커서, 광학 성능을 감소시키게 된다. CRA2는 두께 및 그 밖의 치수 면에서 배율이 정해지는 카메라 어레이 내의 이미저에 대한 주광선 각도이다. CRA2는 통상적인 카메라 어레이의 CRA1과 동일한 상태로 남아 있으며, 주광선이 개선되지 않는다. 그러나, 도 3c에 예시된 바와 같이 이미저와 렌즈 소자 사이의 거리를 수정함으로써, 카메라 어레이 어셈블리 내의 주광선 각도 CRA3은 CRA1 또는 CRA2에 비해 감소하여, 광학 성능이 보다 양호하게 될 수 있다. 전술된 바와 같이, 본 발명에 따른 카메라 어레이는 감소된 두께 요건을 가지며, 그에 따라 렌즈 소자 및 카메라 어레이의 거리는 주광선 각도를 개선하도록 증가할 수 있다.
또한, 렌즈 소자는, 각각의 렌즈 소자가 좁은 대역의 광의 방향을 지시하도록 설계될 수 있기 때문에, 넓은 광 스펙트럼을 커버하는 통상적인 렌즈 소자에 비해 아직은 더 양호하거나 동등한 성능을 제시하는 엄밀한 설계 제약을 필요로 한다. 예를 들어, 가시 또는 근-IR 스펙트럼을 수신하는 이미저는 광의 이 스펙트럼 대역에 대해 특히 최적화된 렌즈 소자를 가질 수 있다. 다른 광 스펙트럼을 검출하는 이미저에 대해, 렌즈 소자는 초점 평면이 광의 상이한 스펙트럼 대역에 대해 동일하도록 상이한 초점 길이를 가질 수 있다. 광의 상이한 파장에 걸쳐서 초점 평면의 정합은 이미저에서 캡처된 이미지의 선명도(sharpness)를 증가시키고 길이방향 색채 수차(chromatic aberration)를 감소시킨다.
더 작은 렌지 소자의 다른 이점은, 특히 감소된 비용, 감소된 양의 재료, 및 제조 단계의 감소를 포함한다. x 및 y 치수가 1/n 크기(그에 따라 1/n 두께)인 n2개의 렌즈를 제공함으로써, 렌즈 소자를 제조하기 위한 웨이퍼 크기도 감소할 수 있다. 이것은 비용 및 재료의 양을 현저히 감소시킨다. 또한, 렌즈 기판의 수가 감소하여, 제조 단계의 수를 감소시키고 부수적인 양품률 비용을 감소시킨다. 렌즈 어레이를 이미저에 등록하는 데 요구되는 배치 정확도는, 일반적으로, 본 발명에 따른 카메라 어레이에 대한 픽셀 크기가 통상적인 이미지 센서와 실질적으로 동일할 수 있기 때문에, 통상적인 이미저의 경우에서와 마찬가지로 엄격하지 않다.
일 실시예에서, WLO 제조 프로세스는, (i) 렌즈 몰딩 이전에 렌즈 소자 정지부를 도금함으로써 렌즈 소자 정지부를 기판 상에 통합시키는 것과, (ii) 기판에 홀을 에칭하고 기판을 통해 렌즈의 2면 몰딩(two-sided molding)을 수행하는 것을 포함한다. 기판 내의 홀의 에칭은, 인덱스 부정합이 플라스틱과 기판 사이에서 야기되지 않기 때문에 유리하다. 이 방법으로, (렌즈 에지를 흑색으로 채색하는 것과 유사하게) 모든 렌즈 소자에 대한 자연적 정지부를 형성하는 흡광 기판(light absorbing substrate)이 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 필터는 이미저의 일부분이다. 다른 실시예에서, 필터는 WLO 서브시스템의 일부분이다.
이미징 시스템 및 프로세싱 파이프라인
도 4는 일 실시예에 따른 이미징 시스템(400)을 예시하는 기능 블록도이다. 이미징 시스템(400)은, 특히, 카메라 어레이(410), 이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(420) 및 제어기(440)를 포함할 수 있다. 카메라 어레이(410)는, 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 전술된 바와 같이, 2개 이상의 이미저를 포함한다. 이미지(412)는 카메라 어레이(400) 내의 2개 이상의 이미저에 의해 캡처된다.
제어기(440)는 카메라 어레이(410)의 다양한 동작 파라미터를 제어하기 위한 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합이다. 제어기(440)는 사용자 또는 다른 외부 소자로부터 입력(446)을 수신하며, 카메라 어레이(410)를 제어하라는 동작 신호(442)를 보낸다. 제어기(440)는 또한 이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(420)에 정보(444)를 보내어 이미저(412)의 프로세싱을 보조할 수 있다.
이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(420)은 카메라 어레이(410)로부터 수신된 이미지를 처리하기 위한 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합이다. 이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(420)은, 예를 들어 도 5를 참조하여 이후에 상세히 설명되는 바와 같이, 복수개의 이미지(412)를 처리한다. 이후, 처리된 이미지(422)는 디스플레이, 저장, 전송 또는 추가 프로세싱을 위해 전송된다.
도 5는 일 실시예에 따른 이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(420)을 예시하는 기능 블록도이다. 이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(420)은, 특히, 업스트림 파이프라인 프로세싱 모듈(510), 이미지 픽셀 상관 모듈(514), 시차 확인 및 측정 모듈(518), 시차 보상 모듈(522), 슈퍼-해상도 모듈(526), 어드레스 변환 모듈(530), 어드레스 및 위상 오프셋 보정 모듈(address and phase offset calibration module)(554), 및 다운스트림 컬러 프로세싱 모듈(564)을 포함할 수 있다.
어드레스 및 위상 오프셋 보정 모듈(554)은 제조 프로세스 시의 카메라 어레이 특징 부여 또는 후속 재보정 프로세스 동안에 생성되는 보정 데이터를 저장하는 저장 디바이스이다. 보정 데이터는 이미저 내의 물리적 픽셀(572)의 어드레스들과 이미지의 논리적 어드레스(546, 548) 사이의 사상(mapping)을 나타낸다.
어드레스 변환 모듈(530)은 어드레스 및 위상 오프셋 보정 모듈(554)에 저장된 보정 데이터에 기초하여 정규화를 수행한다. 구체적으로, 어드레스 변환 모듈(530)은 이미저 내의 개별 픽셀의 "물리적" 어드레스를 이미저 내의 개별 픽셀의 "논리적" 어드레스(548)로 또는 그 역으로 변환한다. 슈퍼-해상도 프로세싱이 고급 해상도의 이미지를 생성하게 하기 위해, 개별적인 이미저들 내의 대응하는 픽셀들 사이의 위상차는 해결될 필요가 있다. 슈퍼-해상도 프로세스는, 생성 이미지 내의 각 픽셀에 대해, 각각의 이미저로부터의 입력 픽셀의 세트가 일관되게 사상된다는 것과, 각각의 이미저에 대한 위상 오프셋이 생성 이미지 내의 픽셀의 위치에 관해 이미 알려져 있다는 것을 가정할 수 있다. 어드레스 변환 모듈(530)은 후속 프로세싱을 위해 이미지(412) 내의 물리적 어드레스를 생성 이미지의 논리적 어드레스(548)로 변환함으로써 그러한 위상차를 해결한다.
이미저(540)에 의해 캡처된 이미지(412)는 업스트림 파이프라인 프로세싱 모듈(510)에 제공된다. 업스트림 파이프라인 프로세싱 모듈(510)은 흑색 레벨 계산 및 조절, 고정된 잡음 보상, 광학 PSF(point spread function) 디콘볼루션(deconvolution), 잡음 감소, 및 크로스토크 감소 중 하나 이상을 수행할 수 있다. 이미지가 업스트림 파이프라인 프로세싱 모듈(510)에 의해 처리된 후, 이미지 픽셀 상관 모듈(514)은, 캡처되고 있는 객체가 카메라 어레이에 접근함에 따라 더욱 명백해지는 시차를 해결할 계산을 수행한다. 구체적으로, 이미지 픽셀 상관 모듈(514)은 상이한 이미저에 의해 캡처되는 이미지의 일부분들을 정렬하여 시차를 보상한다. 일 실시예에서, 이미지 픽셀 상관 모듈(514)은 이웃 픽셀의 평균값들 사이의 차와 임계치를 비교하고, 그 차이가 임계치를 능가할 때 잠재하는 시차의 존재를 플래그한다. 임계치는 카메라 어레이의 동작 조건의 함수로서 동적으로 변할 수 있다. 또한, 이웃 계산은 적응적일 수 있으며, 선택된 이미저의 특정 동작 조건을 반영할 수 있다.
이미지는 이어서 시차를 검출하고 계측할 시차 확인 및 측정 모듈(518)에 의해 처리된다. 일 실시예에서, 시차 검출은 구동 중 픽셀 상관 모니터에 의해 달성된다. 이 동작은 유사한 통합 시간 조건을 갖는 이미저 전역의 논리적 픽셀 공간에서 일어난다. 장면이 실제 무한 거리(practical infinity)에 있을 때, 이미저로부터의 데이터는 상당히 상관되며, 오로지 잡음 기반 변화의 영향을 받기 쉽다. 그러나, 객체가 카메라에 충분히 가까울 때, 시차 효과가 이미저들 사이의 상관성을 변경하도록 유도된다. 이미저의 공간적 레이아웃으로 인해, 시차 유도 변경의 특성은 모든 이미저 전역에서 일관된다. 측정 정확도의 한도 내에서, 임의의 쌍의 이미저들 사이의 상관 차는 임의의 다른 쌍의 이미저들 사이의 차이 및 다른 이미저들 사이의 차이를 나타낸다. 정보의 이 리던던시는, 다른 쌍의 이미저에 대해 동일하거나 유사한 계산을 수행함으로써, 매우 정교한 시차 확인 및 측정을 가능하게 한다. 시차가 다른 쌍에 존재한다면, 그 시차는 이미저의 위치를 고려하여 장면의 동일한 물리적 위치에서 개략적으로 발생한다. 시차의 측정은, 다양한 페어-방식 측정(pair-wise measurements)을 추적하고 샘플 데이터에 최소 자승법(least squares fit)(또는 유사한 통계치)으로서 "실제" 시차 차이를 계산함으로써 동시에 달성될 수 있다. 시차를 검출하기 위한 다른 방법은, 프레임마다 수직적 및 수평적 높은 빈도 이미지 성분을 검출하고 추적하는 것을 포함할 수 있다.
시차 보상 모듈(522)은 슈퍼-해상도 프로세스에 의해 요구되는 위상 오프셋 정보의 정확도보다 더 큰 시차 차이를 유도할 정도로 카메라 어레이에 충분히 가까운 객체를 포함하는 이미지를 처리한다. 시차 보상 모듈(522)은 시차 검출 및 측정 모듈(518)에서 생성된 스캔-라인 기반 시차 정보를 이용하여, 슈퍼-해상도 프로세스 이전에 물리적 픽셀 어드레스와 논리적 픽셀 어드레스 사이의 사상을 더 조절한다. 이 프로세싱 동안에는 두 가지 경우가 발생한다. 보다 보편적인 경우로서, 어드레스 및 오프셋 조절은 입력 픽셀이 다른 이미저 내의 이미지-방식 대응 픽셀에 대해 상대적으로 시프트된 위치를 가질 때에 요구된다. 이 경우, 슈퍼-해상도를 수행하기 전에는 시차에 관한 어떠한 추가 프로세싱도 요구되지 않는다. 보다 덜 보편적인 경우로서, 픽셀 또는 픽셀 그룹은 폐색 세트를 노출시키는 방법으로 시프트된다. 이 경우, 시차 보상 프로세스는 폐색 세트의 픽셀이 슈퍼-해상도 프로세스에서 고려되어서는 안 된다는 것을 나타내는 태그된 픽셀 데이터를 생성한다.
시차 변경이 특정 이미저에 대해 정교하게 결정된 후, 시차 정보(524)가 어드레스 변환 모듈(530)에 전송된다. 어드레스 변환 모듈(530)은 어드레스 및 위상 오프셋 보정 모듈(554)로부터의 보정 데이터(558)와 함께 시차 정보(524)를 이용하여 논리적 픽셀 어드레스 계산에 적용될 적절한 X 및 Y 오프셋을 결정한다. 어드레스 변환 모듈(530)은 또한 슈퍼-해상도 프로세스에 의해 생성된 생성 이미지(428) 내의 픽셀에 관해 특정 이미저 픽셀에 대한 연관된 서브픽셀 오프셋을 결정한다. 어드레스 변환 모듈(530)은 시차 정보(524)를 고려하고, 시차를 해결할 논리적 어드레스(546)를 제공한다.
시차 보상을 수행한 후, 이미지는, 이후에 상세히 설명되는 바와 같이, 낮은 해상도 이미지로부터 높은 해상도 합성 이미지(422)를 획득하도록 슈퍼-해상도 모듈(526)에 의해 처리된다. 합성 이미지(422)는 이어서 다운스트림 컬러 프로세싱 모듈(564)로 공급되어 다음의 동작, 즉 초점 복구, 백색 밸런스, 컬러 정정, 감마 정정, RGB 내지 YUV 정정, 에지-인지 선명화(edge-aware sharpening), 콘트라스트 강화 및 압축 중 하나 이상을 수행할 수 있다.
이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(420)은 이미지의 추가 프로세싱을 위한 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 프로세싱 파이프라인 모듈(420)은 단일 픽셀 결함 또는 픽셀 결함 클러스터에 의해 야기되는 이미지 내의 이상을 정정하기 위한 정정 모듈을 포함할 수 있다. 정정 모듈은 카메라 어레이와는 별도의 구성요소로서 또는 슈퍼-해상도 모듈(526)의 일부로서 카메라 어레이와 동일한 칩 상에 구현될 수 있다.
슈퍼-해상도 프로세싱
일 실시예에서, 슈퍼-해상도 모듈(526)은 이미저(540)에 의해 캡처되는 낮은 해상도 이미지를 처리함으로써 보다 높은 해상도 합성 이미지를 생성한다. 합성 이미지의 총체적인 이미지는 이미저 중 임의의 하나로부터 개별적으로 캡처된 이미지보다 더 높다. 다시 말해, 개별 이미저는 상조적으로(synergistically) 동작하며, 각각은 서브-샘플링 없이 스펙트럼의 좁은 부분을 캡처하는 그들의 능력을 이용하여 보다 높은 품질 이미지에 기여한다. 슈퍼-해상도 기술과 연관된 이미지 포맷화는 이하의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00003
식 중, Wk는 k개의 각 이미저 상에 캡처된 각각의 LR 이미지(yk)에 대한 (블러링, 모션, 및 서브-샘플링을 통한) HR 장면(x)의 기여도를 나타내며, nk는 잡음 기여도이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시예에 따라 슈퍼-해상도 프로세스를 통해 높은 해상도 이미지를 획득하기 위한 이미저의 다양한 구성을 예시한다. 도 6a 내지 도 6e에서, "R"은 적색 필터를 갖는 이미저를 나타내고, "G'는 녹색 필터를 갖는 이미저를 나타내며, "B"는 청색 필터를 갖는 이미저를 나타내고, "P"는 전체 가시 스펙트럼 및 근-IR 스펙트럼 전역에서 감도를 갖는 다색 이미저(polychromatic imager)를 나타내며, "I"는 근-IR 필터를 갖는 이미저를 나타낸다. 다색 이미저는 가시 스펙트럼 및 근-IR 영역의 모든 부분(즉, 650㎚ 내지 800㎚)으로부터 이미지를 샘플링할 수 있다. 도 6a의 실시예에서, 중심 행 및 열의 이미저는 다색 이미저를 포함한다. 카메라 어레이의 나머지 영역은 녹색 필터, 청색 필터 및 적색 필터를 갖는 이미저로 채워진다. 도 6a의 실시예는 근-IR 스펙트럼 자체를 검출하기 위한 임의의 이미저를 포함하지 않는다.
도 6b의 실시예는 통상적인 바이엘 필터 사상과 유사한 구성을 갖는다. 이 실시예는 임의의 다색 이미저 또는 근-IR 이미저를 포함하지 않는다. 도 1을 참조하여 상세히 전술된 바와 같이, 도 6b의 실시예는, 각각의 컬러 필터가 개별 픽셀에 사상되는 대신에 각각의 이미저에 사상된다는 점에서 통상적인 바이엘 필터 구성과는 상이하다.
도 6c는 다색 이미저가 대칭 체커보드 패턴을 형성하는 실시예를 예시한다. 도 6d는 4개의 근-IR 이미저가 제공되는 실시예를 예시한다. 도 6e는 이미저의 불규칙 사상을 갖는 실시예를 예시한다. 도 6a 내지 도 6e의 실시예는 단지 예시적인 것일 뿐이며, 이미저의 다양한 여러 레이아웃도 사용될 수 있다.
다색 이미저 및 근-IR 이미저의 사용은, 이들 센서가 낮은 밝기 조건에서 고품질 이미지를 캡처할 수 있기 때문에 유리하다. 다색 이미저 또는 근-IR 이미저에 의해 캡처된 이미지는 규칙적인 컬러 이미저로부터 획득된 이미지를 진단하는 데 사용된다.
복수개의 낮은 해상도 이미지를 집합시킴으로써 해상도를 증가시키는 전제는, 상이한 낮은 해상도 이미지가 동일한 장면의 약간 상이한 시점을 나타낸다는 사실에 기초한다. LR 이미지가 픽셀의 정수 단위만큼 시프트되면, 각각의 이미지는 본질적으로 동일한 정보를 포함한다. 따라서, HR 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있는 LR 이미지에는 새로운 정보가 없다. 실시예에 따른 이미저에서, 이미저의 레이아웃은, 열 또는 행 내의 각각의 이미저가 그것의 이웃하는 이미저로부터의 서브픽셀 거리이도록 사전 설정되고 제어될 수 있다. 웨이퍼 레벨 제조 및 패키징 프로세스는 이미저의 정교한 포맷화가 슈퍼-해상도 프로세싱을 위해 요구되는 서브-픽셀 정밀도를 얻게 한다.
상이한 이미저 내로 스펙트럼 감지 소자를 이격시키는 문제는 이미저의 물리적 이격도에 의해 야기되는 시차이다. 이미저가 대칭적으로 배치되는 것을 보증함으로써, 적어도 2개의 이미저가 최전면 객체(foreground object)의 에지 주위의 픽셀을 캡처할 수 있다. 이 방법으로, 최전면 객체의 에지 주위의 픽셀은 해상도를 증가시키고 임의의 폐색을 회피하도록 결집될 수 있다. 시차에 관련된 다른 문제는 컬러의 샘플링이다. 컬러를 샘플링하는 문제는 다색 이미저에서의 시차 정보를 이용하여 컬러 필터링된 이미저로부터 컬러의 샘플링 정확도를 개선함으로써 감소할 수 있다.
일 실시예에서, 근-IR 이미저는 가시 스펙트럼 이미저에 비해 상대적인 루미넌스 차이를 결정하는 데 사용된다. 객체들은 가시 스펙트럼 및 근-IR 스펙트럼에 의해 캡처된 이미지들에서 상이한 재료 반사 결과에서 차이를 갖는다. 낮은 조명 조건에서, 근-IR 이미저는 보다 높은 신호 대 잡음 비를 보인다. 따라서, 근-IR 센서로부터의 신호가 루미넌스 이미지를 강화시키는 데 이용될 수 있다. 근-IR 센서로부터 루미넌스 이미지로의 세부사항의 이송은 슈퍼-해상도 프로세스를 통해 상이한 이미저들로부터의 스펙트럼 이미지를 결집시키기 전에 수행될 수 있다. 이 방법으로, 장면에 관한 에지 정보는 슈퍼-해상도 프로세스에서 효과적으로 사용될 수 있는 에지-보존 이미지를 구축하도록 개선될 수 있다. 근-IR 이미저를 사용하는 이점은 잡음(즉, n)에 대한 추정 시의 임의의 개선점이 원 HR 장면(x)의 보다 양호한 추정을 유도하는 수학식 2로부터 명백하다.
도 7은 일 실시예에 따라 복수개의 이미저에 의해 캡처된 LR로부터 HR 이미지를 생성하는 프로세스를 예시하는 순서도이다. 먼저, 루마 이미지, 근-IR 이미지 및 크로마 이미지가 카메라 어레이 내의 이미저에 의해 캡처된다(710). 이후, 정규화가 이미저의 물리적 어드레스를 고급 이미지 내의 논리적 어드레스에 사상시키도록 캡처 이미지 상에서 수행된다(714). 이어서 시차 보상이 이미저들 사이의 공간적 이격으로 인해 이미저의 시야(field-of-views)에서의 임의의 차이를 해결하도록 수행된다(720). 그 다음, 슈퍼-해상도 프로세싱이 슈퍼-해상된 루마 이미지, 슈퍼-해상된 근 IR- 이미지, 및 슈퍼-해상된 크로마 이미지를 획득하도록 수행된다(724).
이후, 조명 조건이 사전 설정된 파라미터보다 양호한지가 판정된다(728). 조명 조건이 그 파라미터보다 양호하다면, 프로세스가 진행되어, 슈퍼-해상된 루마 이미지에 관해 슈퍼-해상된 근-IR 이미지를 정규화한다(730). 초점 복구가 이어서 수행된다(742). 일 실시예에서, 초점 복구는 각각의 채널마다 PSF(point spread function) 디블러링(deblurring)을 이용하여 수행된다(742). 그 다음, 슈퍼-해상도가 근-IR 이미지 및 루마 이미지에 기초하여 처리된다(746). 그 후, 합성 이미지가 구축된다(750).
조명 조건이 사전 설정된 파라미터보다 양호하지 않다고 판정되면(728), 슈퍼-해상된 근-IR 이미지 및 루마 이미지가 정렬된다(734). 이후, 슈퍼-해상된 루마 이미지가 근-IR 슈퍼-해상된 이미지를 사용하여 진단된다(738). 이어서, 프로세스가 진행되어 초점 복구를 수행하고(742). 조명 조건이 사전 설정된 파라미터보다 양호할 때와 동일한 프로세스를 반복한다. 그러면, 프로세스가 종료된다.
근-IR 이미지와 컬러 이미지의 이미지 융합
CMOS 이미저의 스펙트럼 응답은 일반적으로 650㎚ 내지 800㎚를 커버하는 근-IR 영역에서 매우 양호하며, 800㎚와 1000㎚ 사이에서 상당히 양호하다. 근-IR 이미지가 어떠한 크로마 정보도 갖고 있지 않지만, 이 스펙트럼 영역에서의 정보는 근-IR 이미지가 비교적 잡음이 없기 때문에 낮은 조명 조건에서 유용하다. 따라서, 근-IR 이미지는 낮은 조명 조건 하에서 컬러 이미지를 진단하는 데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 근-IR 이미저로부터의 이미지는 가시 광 이미저로부터의 다른 이미지와 융합된다. 융합으로 진행하기 전에, 근-IR 이미지와 가시 광 이미지 사이에 등록이 수행되어 시점의 차이를 해결한다. 등록 프로세스는, 오프라인, 1회, 프로세싱 단계로 수행될 수 있다. 등록이 수행된 후, 근-IR 이미지에 대한 루미넌스 정보는 가시 광 이미지 상의 각 격자점에 대응하는 격자점에 삽입된다.
근-IR 이미지와 가시 광 이미지 사이의 픽셀 대응성이 설정된 후, 진단 및 세부사항 이송 프로세스가 수행될 수 있다. 진단 프로세스는 근-IR 이미지로부터 가시 광 이미지로의 신호 정보 이송이 융합 이미지의 총체적인 SNR을 개선하게 한다. 세부사항 이송은 근-IR 이미지 및 가시 강 이미지에서의 에지가 보존되고 융합 이미지에서 객체의 총체적인 가시성을 개선하도록 보존되고 강조된다.
일 실시예에서, 근-IR 플래시는 근-IR 이미저에 의한 이미지의 캡처 동안에 근-IR 광원으로서의 역할을 한다. 근-IR 플래시를 사용하는 것은, 특히 (i) 관심 객체에 대한 조잡한 조명이 방지될 수 있고, (ii) 객체의 주변 컬러가 보존될 수 있으며, (iii) 적목 효과(red-eye effect)가 방지될 수 있기 때문에, 유리하다.
일 실시예에서, 근-IR 광선만이 통과하게 하는 가시 광 필터가 근-IR 이미징용 광학부를 더 최적화하는 데 사용된다. 가시 광 필터는, 광 필터가 근-IR 이미지에서 세부사항이 더 선명하게 되기 때문에 근-IR 광학 이송 기능을 개선한다. 이후, 세부사항은, 예를 들어, 전체가 본 명세서에서 참조로서 인용되는, 에릭 피 베네트(Eric P. Bennett) 등의 "Multispectral Video Fusion," Computer Graphics (ACM SIGGRAPH Proceedings)(2006년 7월 25일)에서 설명된 바와 같이 이중 양방향 필터를 사용하여 가시 광 이미지로 이송될 수 있다.
이미저에서 상이한 노출에 의한 동적 범위 결정
자동-노출(AE) 알고리즘은 장면이 캡처될 적절한 노출을 획득하는 데 중요하다. AE 알고리즘의 설계는 캡처 이미지의 동적 범위에 영향을 미친다. AE 알고리즘은 획득된 이미지가 카메라 어레이의 감도 범위의 선형 영역에 있게 하는 노출 시간을 결정한다. 선형 영역은, 이 영역에서 양호한 신호 대 잡음 비가 획득되기 때문에 바람직하다. 노출이 너무 낮다면, 사진은 불포화 상태가 되는 반면, 노출이 너무 높다면, 사진은 과포화 상태가 된다. 통상적인 카메라에서, 측정된 사진 광도(picture brightness)와 이전에 정의된 광도 사이의 차이를 임계치 아래로 감소시키도록 반복 프로세스가 취해진다. 이 반복 프로세스는 수렴을 위한 다량의 시간을 요구하며, 때때로 승인할 수 없는 셔터 지연을 가져온다.
일 실시예에서, 복수개의 이미저에 의해 캡처된 이미지의 사진 광도는 독립적으로 측정된다. 구체적으로, 복수개의 이미저는 상이한 노출을 갖는 이미지를 캡처하도록 설정되어, 적절한 노출을 계산하기 위한 시간을 감소시킨다. 예를 들어, 8개의 루마 이미저 및 9개의 근-IR 이미저가 제공되는 5 × 5개 이미저의 카메라 어레이에서, 각각의 이미저는 상이한 노출을 갖도록 설정될 수 있다. 근-IR 이미저는 장면의 낮은 밝기 국면을 캡처하는 데 사용되고, 루마 이미저는 장면의 높은 조도 국면을 캡처하는 데 사용된다. 이것은 총 17개의 가능한 노출을 야기한다. 각각의 이미저에 대한 노출이 인접한 이미저로부터, 인자 2만큼 오프셋된다면, 예를 들어 217의 최대 동적 범위 또는 102 dB가 캡처될 수 있다. 최대 동적 범위는 8 비트 이미지 출력을 갖는 통상적인 카메라에서 획득가능한 일반적인 48 dB보다 상당히 더 높다.
매 순간, 복수개의 각 이미저로부터의 응답(노출 부족, 과도 노출, 또는 최적)은 후속하는 시간에 얼마나 많은 노출이 필요한지에 기초하여 분석된다. 가능한 노출의 범위에서 복수개의 노출을 동시에 질의하는 능력은 한 번에 오직 1회의 노출만이 테스트되는 경우에 비해 검색을 가속화시킬 수 있다. 적절한 노출을 결정하기 위한 프로세싱 시간을 감소시킴으로써, 셔터 지연 및 촬영 지체(shot-to-shot lags)가 감소할 수 있다.
일 실시예에서, HDR 이미지는 각각의 노출에 대한 이미저 응답을 선형화한 후에 이미지들을 조합함으로써 다중 노출로부터 합성된다. 이미저로부터의 이미지는 이미저의 시점 차이를 해결하도록 조합하기 전에 등록될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 이미저는 HDR 이미지를 생성하는 HDR 픽셀을 포함한다. HDR 픽셀은 높은 동적 범위 장면을 캡처하는 특화 픽셀이다. HDR 픽셀이 다른 픽셀에 비해 우수한 성능을 보이고 있지만, HDR 픽셀은 근-IR 이미저와 비교하여 낮은 조명 조건에서 불량한 성능을 보인다. 낮은 조명 조건에서의 성능을 개선하기 위해, 근-IR 이미저로부터의 신호는 HDR 이미저로부터의 신호와 결합하여 이용되어 상이한 조명 조건에 걸쳐 보다 양호한 품질 이미지를 얻게 할 수 있다.
일 실시예에서, HDR 이미지는, 예를 들어, 전체가 본 명세서에서 참조로서 인용되는, 폴 데베벡(Paul Debevec) 등의 "Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs," Computer Graphics (ACM SIGGRAPH Proceedings), (1997년 8월 16일)에서 개시된 바와 같이 복수개의 이미저에 의해 캡처되는 이미지를 프로세싱함으로써 획득된다. 이미저를 사용하여 복수개의 노출을 동시에 캡처하는 능력은, 장면에서 객체의 이동에 의해 야기되는 아티팩트가 완화되거나 제거될 수 있기 때문에 유리하다.
복수개의 이미저에 의한 하이퍼스펙트럼 이미징
일 실시예에서, 다중 스펙트럼 이미지는 장면에서 객체의 세그먼트 또는 인식을 용이하게 하도록 복수개의 이미저에 의해 렌더링된다. 스펙트럼 반사 계수가 대부분의 실사회 객체에서 부드럽게 변하기 때문에, 스펙트럼 반사 계수는, 상이한 컬러 필터를 갖는 이미저를 사용하여 복수개의 스펙트럼 치수에서 장면을 캡처하고 주성분 분석(Principal Components Analysis: PCA)을 이용하여 캡처 이미지를 분석함으로써 추정될 수 있다.
일 실시예에서, 카메라 어레이 내의 이미저의 절반은 기본 스펙트럼 치수에서의 샘플링(R, G, B)에 전념하고, 이미저의 다른 절반은 시프트된 기본 스펙트럼 치수에서의 샘플링(R', G', B')에 전념한다. 시프트된 기본 스펙트럼 치수는 소정 파장(예컨대, 10㎚)만큼 기본 스펙트럼 치수로부터 시프트된다.
일 실시예에서, 픽셀 대응성 및 비선형 삽입은 장면의 서브-픽셀 시프트 뷰를 설명하도록 수행된다. 이후, 장면의 스펙트럼 반사 계수는, 예를 들어, 전체가 본 명세서에서 참조로서 인용되는, 제이.피.에스. 파크넨(J.P.S. Parkkinen), 제이. 할리카이넨(J. Hallikainen)과, 티. 자아스켈라이넨(T. Jaaskelainen)의 "Characteristic Spectra of Munsell Colors," J. Opt. Soc. Am., A 6:318 (1989년 8월)에 개시된 바와 같은 직교 스펙트럼 기반 기능(orthogonal spectral basis functions) 세트를 이용하여 합성된다. 기초 기능은 상관 행렬의 PCA에 의해 도출되는 고유 벡터이며, 상관 행렬은, 예를 들어 장면 내의 각 지점에 스펙트럼을 재구축하도록 광범위한 실사회 물질의 스펙트럼 분포를 나타내는 먼셀 컬러 칩(Munsell color chips)(총 1257개)에 의해 측정된 스펙트럼 반사 계수를 저장하는 데이터베이스로부터 도출된다.
일견, 카메라 어레이 내의 상이한 이미저를 통해 장면의 상이한 스펙트럼 이미지를 캡처하는 것은 보다 높은 치수의 스펙트럼 샘플링에 대한 해상도를 교환하는 것으로 보인다. 그러나, 손실된 해상도 중 몇몇은 복구될 수 있다. 복수개의 이미저는 각 이미저의 각 샘플링 격자가 다른 것으로부터 서브-픽셀 시프트만큼 오프셋된다. 일 실시예에서, 이미저의 어떠한 2개의 샘플링 격자도 중첩하지 않는다. 즉, 모든 이미저로부터의 모든 샘플링 격자의 중첩은 고밀도의, 가능하게는 지점들의 불균일한 몽타주를 형성한다. 산란 데이터 삽입 방법은, 예를 들어, 전체가 본 명세서에서 참조로서 인용되는, 시아펜 팡(Shiaofen Fang) 등의 "Volume Morphing Methods for Landmark Based 3D Image Deformation"(SPIE vol. 2710, proc. 1996 SPIE Intl Symposium on Medical Imaging, page 404-415, Newport Beach, CA) (1996년 2월)에서 설명된 바와 같이, 각각의 스펙트럼 이미지에 대한 이 불균일한 몽타주 내의 각각의 샘플 지점에서 스펙트럼 밀도를 결정하는 데 이용될 수 있다. 이 방법으로, 상이한 스펙트럼 필터를 사용하여 장면을 샘플링하는 프로세스에서 손실되는 소정 량의 해상도가 복구될 수 있다.
전술한 바와 같이, 이미지 분할 및 객체 인식은 객체의 스펙트럼 반사 계수를 결정함으로 용이해진다. 그 상황은 흔히 카메라의 네트워크가, 객체가 하나의 카메라의 동작 구역으로부터 다른 카메라의 동작 구역으로 이동함에 따라 그 객체를 추적하는 데 사용되는 보안 애플리케이션에서 발생한다. 각각의 구역은, 객체가 상이한 카메라에 의해 캡처되는 각각의 이미지에서 상이한 외관을 갖게 하는 자신의 고유한 조명 조건(형광성, 백열성, D65 등)을 가질 수 있다. 이들 카메라가 하이퍼-스펙트럼 모드에서 이미지를 캡처한다면, 모든 이미지가 동일한 발광체(illuminant)로 전환되어 객체 인식 성능을 강화시킬 수 있다.
일 실시예에서, 복수개의 이미저를 갖는 카메라 어레이는 의료 진단 이미지를 제공하는 데 사용된다. 진단 샘플의 총 스펙트럼 디지털화 이미지는, 의사 및 의료진이 진단 결과에 보다 높은 신뢰성을 줄 수 있기 때문에 정확한 지단에 기여한다. 카메라 어레이 내의 이미저는 총 스펙트럼 데이터를 제공하도록 컬러 필터에 제공될 수 있다. 이러한 카메라 어레이는, 예를 들어, 전체가 본 명세서에서 참조로서 인용되는, 앤드류 더블유, 마틴(Andres W. Martinez) 등의 "Simple Telemedicine for Developing Regions: Camera Phones and Paper-Based Microfluidic Devices for Real-Time, Off-Site Diagnosis,"(Analytical Chemistry (American Chemical Society)) (2008년 4월 11일)에서 설명된 바와 같이, 셀룰러 폰에 설치되어 진단 정보를 포착하고 원거리 위치에 전송하도록 제공될 수 있다. 또한, 복수개의 이미저를 포함하는 카메라 어레이는 이미지에 큰 필드 깊이를 제공하여 상처, 발진 및 기타 징후의 이미지 캡처 신뢰도를 강화할 수 있다.
일 실시예에서는, 좁은 스펙트럼 대역통과 필터를 갖는 작은 이미저(예를 들어, 20-500개의 픽셀을 포함함)가 사용되어 장면에서 주변 및 로컬 광원의 기호를 생성하는 데 사용된다. 작은 이미저를 사용함으로써, 노출 및 백색 밸런스 특징은 보다 빠른 속도로 더 정확하게 결정될 수 있다. 스펙트럼 대역통과 필터는 카메라 어레이의 수가 대략 400㎚의 가시 스펙트럼을 커버하게 하는 데 적합한 대역통과의 회절 소자 또는 평범한 컬러 필터일 수 있다. 이들 이미저는, 훨씬 더 높은 프레임 속도로 구동하고, 동일한 카메라 어레이 내의 다른 더 큰 이미저의 노출 및 백색 밸런스를 제어하도록 정보 내에 프로세싱용 데이터(그것의 그럼 콘텐츠에 이용될 수도 있고 또는 이용되지 않을 수도 있음)를 획득할 수 있다. 작은 이미저는 또한 카메라 어레이 내에 삽입될 수 있다.
복수개의 이미저를 사용하여 구현되는 광학 줌
일 실시예에서, 카메라 어레이 내의 이미저들의 서브세트는 망원사진 렌즈를 포함한다. 이미저 서브세트는 비망원사진 렌즈를 갖는 이미저와 동일한 그 밖의 이미징 특성을 가질 수 있다. 이 이미저 서브세트로부터의 이미지는 조합되고 슈퍼-해상도 처리되어 슈퍼-해상도 망원사진 이미지를 형성한다. 다른 실시예에서, 카메라 어레이는 2 이상의 배율의 렌즈를 장착한 2개 이상의 이미저 서브세트를 형성한다.
카메라 어레이의 실시예는 슈퍼-해상도를 통해 이미지를 수집함으로써 그것의 최종 해상도를 달성할 수 있다. 5 × 5 이미저에 3× 광학 줌 특징을 제공하는 실례를 취하면, 17개의 이미저가 루마(G)를 샘플링하는 데 사용되고 8개의 이미저가 크로마(R, B)를 샘플링하는 데 사용되는 경우, 17개의 루마 이미저는 17개 이미저의 세트 내의 임의의 단일 이미저에 의해 달성되는 것보다 4배 더 높은 해상도를 허용한다. 이미저의 개수가 5 × 5로부터 6 × 6으로 증가한다면, 11개의 여분의 이미저의 추가가 이용 가능하게 된다. 3X줌 렌즈로 설비되는 8 메가 픽셀의 통상적인 이미지 센서에 비해, 통상적인 이미지 센서의 60%인 해상도는 추가적인 11개의 이미저 중 8개가 루마(G)를 샘플링하는 데 전용되고 나머지 3개의 이미저는 3X줌에서 크로마(R, B) 및 근-IR 샘플링에 전용될 때 달성된다. 이것은 크로마 샘플링(또는 근-IR 샘플링) 대 루마 샘플링 비율을 현저히 감소시킨다. 감소된 크로마 대 루마 샘플링 비율은, 크로마(및 근-IR) 이미지에 앞선 인식으로서 3X줌에서 슈퍼-해상된 루마 이미지를 사용하여 더 높은 해상도에서 크로마 이미지를 재샘플링하는 것에 의해 다소 오프셋된다.
6 × 6 이미저를 사용하면, 통상적인 이미지 센서의 해상도와 등가인 해상도가 1X줌에서 달성된다. 3X줌에서, 3X줌 렌즈가 갖추어지는 통상적인 이미지 센서의 대략 60%와 등가인 해상도는 동일한 이미저에 의해 획득된다. 또한, 3X줌에서의 해상도를 갖는 통상적인 이미지 센서에 비해 3X줌에서의 루마 해상도가 감소한다. 그러나, 감소된 루마 해상도는, 통상적인 이미지 센서의 광학부가 크로스토크 및 광학 수차로 인해 3X 줌에서 감소된 효율성을 갖는다는 사실에 의해 오프셋된다.
복수개의 이미저에 의해 달성되는 줌 동작은 다음의 이점을 갖는다. 먼저, 달성된 줌의 품질은, 렌즈 소자가 초점 길이에서의 각각의 변화에 대해 맞추어질 수 있다는 사실로 인해 통상적인 이미지 센서에서 달성되는 것보다 현저히 더 높다. 통상적인 이미지 센서에서, 광학 수차 및 필드 곡률은 렌즈의 전체 동작 범위 전역에 걸쳐서 정정되어야 하는데, 이는 고정된 초점 길이에 대한 수차만이 정정될 필요가 있는 고정 렌즈 소자에서보다 움직이는 소자를 갖는 따른 줌 렌즈에서 상당히 더 어렵다. 또한, 이미저 내의 고정 렌즈는 주어진 높이에 대해 고정된 주광선 각도를 갖는데, 이는 움직이는 줌 렌즈를 갖는 통상적인 이미지 센서를 이용하는 경우가 아니다. 둘째, 이미저는 광학 추적 높이를 현저히 증가시키는 일 없이 줌 렌즈의 시뮬레이션을 허용한다. 감소된 높이는 줌 기능을 갖는 카메라 어레이에 대해서도 얇은 모듈의 구현을 허용한다.
몇몇 실시예에 따라 카메라 어레이에서 소정 레벨의 광학 줌을 지원하는 데 필요한 오버헤드가 표 2에 작성된다.
카메라 어레이 내의
이미저 개수		 상이한 줌 레벨에서의
루마 이미저 개수		 상이한 줌 레벨에서의
크로마 이미저 개수
1X 2X 3X 1X 2X 3X
25 17 0 0 8 0 0
36 16 0 8 8 0 1
일 실시예에서, 이미지 내의 픽셀은 최대 화각(widest-angle view)으로부터 최대 뷰 배율(greatest-magnification view)로의 부드러운 줌 기능을 제공하기 위해 희망되는 줌의 양에 대응하는 크기 및 해상도를 갖는 출력 이미지 상으로 사상된다. 더 높은 배율 렌즈가 더 낮은 배율 렌즈와 동일한 중심 뷰를 갖는다고 가정하면, 이용할 수 있는 이미지 정보는 이미지의 중심 영역이 외부 영역보다 이용할 수 있는 더 높은 해상도를 갖도록 한다. 3 이상의 별개의 배율의 경우, 상이한 해상도의 둥지 영역(nested regions)은 중심을 향해 증가하는 해상도를 제공받을 수 있다.
최대의 망원사진 효과를 갖는 이미지는 망원사진 렌즈를 장착한 이미저의 슈퍼-해상도 능력에 의해 결정된 해상도를 갖는다. 최대 화각을 갖는 이미지는 두 가지의 다음 방법 중 적어도 하나로 포맷화될 수 있다. 첫 번째, 넓은 필드 이미지는 해상도가 더 넓은 각도 렌즈를 갖는 이미저 세트의 슈퍼-해상도 용량에 의해 결정되는 균일한 해상도를 갖는 이미지로서 포맷화될 수 있다. 두 번째, 넓은 필드 이미지는 이미지의 중심 부분의 해상도가 망원사진 렌즈를 장착한 이미저의 세트의 슈퍼-해상도 능력에 의해 결정되는 보다 높은 해상도 이미지로서 포맷화된다. 더 낮은 해상도 영역에서, 이미지 영역 당 감소된 수의 픽셀로부터의 정보는 더 많은 수의 "디지털" 픽셀 전역에서 부드럽게 삽입된다. 이러한 이미지에서, 픽셀 정보는 보다 높은 해상도 영역으로부터 보다 낮은 해상도 영역으로의 천이가 부드럽게 발생하도록 처리되고 삽입될 수 있다.
일 실시예에서, 줌은 불균형한 수의 픽셀이 각 이미지의 중심 부분에 전용되도록 어레이 렌즈의 일부 또는 모두에 배럴형 왜곡을 도입함으로써 달성된다. 이 실시예에서, 모든 이미지는 배렬 왜곡을 제거하도록 처리되어야 한다. 넓은 각도 이미지를 생성하기 위해서, 중앙에 더 가까운 픽셀은 더 바깥쪽의 픽셀이 슈퍼-샘플링되는 데 비해 서브-샘플링된다. 줌이 수행될 때, 이미저의 주변부의 픽셀은 점진적으로 무시되고, 이미저의 중앙에 더 근접한 픽셀의 샘플링은 증가한다.
일 실시예에서, 밉맵(mipmap) 필터는 이미지가 광학 소자의 특정 줌 범위(예컨대, 카메라 어레이의 1X 및 3X 줌 스케일)에 있는 줌 스케일로 렌더링되게 하도록 구축된다. 밉맵은 기선 이미지(baseline image)를 수용하는 이미지의 사전 계산된 최적화 세트이다. 3X 줌 루마 이미지와 연관된 이미지들의 세트는 3X에서의 기선 스케일을 1X로 하향하여 생성될 수 있다. 이 세트의 각 이미지는 기선 3X 줌 이미지의 버전이지만, 감소된 레벨의 세부사항이다. 희망하는 줌 레벨에서 이미지를 렌더링하는 것은, (i) 1X 줌에서 이미지를 취하고 희망하는 줌 레벨에 대한 장면의 커버리지를 계산함으로써(즉, 기선 이미지 내의 픽셀이 출력 이미지를 생성하도록 요청 스케일에서 렌더링될 필요가 있는 것에 의해), (ii) 커버리지 세트 내의 각 픽셀에 대해, 픽셀이 3X 줌 루마 이미지에 의해 커버되는 이미지에 있는지 판정하는 것에 의해, (iii) 픽셀이 3X 줌 루마 이미지에서 이용 가능하다면, 2개의 가장 가까운 밉맵 이미지를 선택하고 그들로부터의 대응하는 픽셀을 (평탄화 필터를 사용하여) 삽입하여 출력 이미지를 생성하는 것에 의해, (iv) 픽셀이 3X 줌 루마 이미지에서 이용 불가능하다면, 기선 1X 루마 이미지로부터 픽셀을 선택하고 원하는 스케일로 확장하여 출력 픽셀을 생성하는 것에 의해, 밉맵을 사용하여 달성된다. 밉맵을 사용함으로써, 부드러운 광학 줌이 2개의 주어진 이산 레벨(즉, 1X 줌과 3X 줌) 사이의 임의의 지점에서 시뮬레이션될 수 있다.
비디오 이미지의 캡처
일 실시예에서, 카메라 어레이는 높은 프레임 이미지 시퀀스를 생성한다. 카메라 어레이 내의 이미저들은 독립적으로 동작하여 이미지를 캡처할 수 있다. 통상적인 이미지 센서에 비해, 카메라 어레이는 최대 N회의 프레임 속도로 이미지를 캡처할 수 있다(N은 이미저의 개수이다). 또한, 각각의 이미저에 대한 프레임 주기는 낮은 조명 조건 하에서 동작을 개선하도록 중첩될 수 있다. 해상도를 증가시키기 위해, 이미저의 서브세트는 더 높은 해상도의 이미지를 생성하도록 동기화된 방법으로 동작할 수 있다. 이 경우, 최대 프레임 속도는 동기화된 방법으로 동작하는 이미저의 수만큼 감소한다. 고속 비디오 프레임 속도는 정상적인 비디오 속도로 저속 비디오 재생을 가능하게 할 수 있다.
일 실례에서, 2개의 루마 이미저(녹색 이미저 또는 근-IR 이미저), 2개의 청색 이미저 및 2개의 녹색 이미저는 고선명 1080p 이미지를 획득하는 데 사용된다. 하나의 청색 이미저 및 하나의 적색 이미저와 함께 4개의 루마 이미저(2개의 녹색 이미저와 2개의 근-IR 이미저 또는 3개의 녹색 이미저와 1개의 근-IR 이미저)의 순열(permutations)을 이용하여, 크로마 이미저가 업샘플링되어 1080p 비디오에 대해 120 프레임/초를 달성할 수 있다. 보다 높은 프레임 속도 이미징 디바이스에 대해, 프레임 속도의 수는 선형적으로 확대될 수 있다. 표준 해상도(480p) 동작에 대해, 240 프레임/초의 프레임 속도는 동일한 카메라 어레이를 사용하여 달성될 수 있다.
고 해상도 이미지 센서(예컨대, 8 메가 픽셀)를 갖는 통상적인 이미징 디바이스는 보다 낮은 해상도 이미지(예컨대, 1080p30, 720p30, 480p30)를 캡처하도록 하는 비닝(binnig) 또는 스키핑(skipping)을 사용한다. 비닝 시, 캡처 이미지 내의 열 및 행은 전하, 전압 또는 픽셀 도메인에 삽입되어, 잡음을 감소시키면서 타깃 비디오 해상도를 달성한다. 스키핑 시, 행 및 열은 스키핑되어 센서의 전력 소비를 감소시킨다. 이들 기술 모두는 이미지 품질을 감소시키는 결과를 가져 온다.
일 실시예에서, 카메라 어레이 내의 이미저는 비디오 이미지를 캡처하도록 선택적으로 가동된다. 예를 들어, 9개의 이미저(하나의 근-IR 이미저를 포함함)는 1080p(1920 × 1080 픽셀) 이미지를 획득하는 데 사용될 수 있는 한편, 6개의 이미저(하나의 근-IR 이미저를 포함함)가 720p(1280 × 720 픽셀) 이미지를 획득하는 데 사용되거나 4개의 이미저(하나의 근-IR 이미저를 포함함)가 480p(720 × 480 픽셀) 이미지를 획득하는 데 사용될 수 있다. 이미저와 타깃 비디오 이미지 사이에는 정교한 1 대 1 픽셀 대응성이 있기 때문에, 달성되는 해상도는 전통적인 접근법보다 더 높다. 또한, 오직 이미저들의 서브세트만이 이미지를 캡처하도록 기동되므로, 상당한 전력 절감도 달성될 수 있다. 예를 들어, 60%의 전력 소비 절감이 1080p에서 달성되고, 80%의 전력 소비 절감이 480p에서 달성된다.
근-IR 이미저를 사용하여 비디오 이미지를 캡처하는 것은, 근-IR 이미저로부터의 정보가 각각의 비디오 이미지를 진단하는 데 사용될 수 있기 때문에 유리하다. 이 방법으로, 실시예의 카메라 어레이는 훌륭한 낮은 감광도를 보이고, 극히 낮은 조명 조건에서 동작할 수 있다. 일 실시예에서, 슈퍼-해상도 프로세싱은 복수개의 이미저로부터의 이미지 상에서 수행되어 보다 높은 해상도 비디오 이미저를 획득하게 한다. 근-IR 이미저로부터의 이미지의 융합과 함께 슈퍼-해상도 프로세스의 잡음 감소 특성은 매우 낮은 잡음 이미지를 가져 온다.
일 실시예에서, 높은 동적 범위(HDR) 비디오 캡처는 더 많은 이미저를 기동시킴으로써 인에이블링된다. 예를 들어, 1080p 비디오 캡처 모드에서 동작하는 5 x 5 카메라 어레이에서는 단지 9 개의 카메라만이 활성 상태이다. 16개 카메라의 서브세트는 2개 또는 4개의 세트에서의 정지부에 의해 과도하게 노출되고 부족하게 노출되어, 매우 높은 동적 범위를 갖는 비디오 출력을 달성하게 할 수 있다.
복수개의 이미저에 대한 다른 애플리케이션
일 실시예에서, 복수개의 이미저는 장면 내의 객체까지의 거리를 추정하는 데 사용된다. 이미지 내의 각 지점까지의 거리에 관한 정보는 이미지 성분의 x 및 y 좌표에서의 범위와 함께 카메라 어레이에서 이용 가능하므로, 이미지 소자의 크기가 결정될 수 있다. 또한, 물리적 항목의 절대적 크기 및 형상은 다른 참조 정보 없이 측정될 수 있다. 예를 들어, 발(foot)의 사진이 취해질 수 있고, 생성 정보는 적절한 신발(shoe)의 크기를 정교하게 추정하는 데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 필드 깊이의 감소는 거리 정보를 이용하여 카메라 어레이에 의해 캡처되는 이미지에서 시뮬레이션된다. 본 발명에 따른 카메라 어레이는 상당힌 증가한 필드 깊이를 갖는 이미지를 생성한다. 그러나, 긴 필드 깊이는 몇몇 애플리케이션에서 원하지 않는 것일 수 있다. 이러한 경우, 특정 거리 또는 여러 거리가 이미지를 위해 "최상의 초점" 거리(들)로서 선택될 수 있으며, 시차 정보로부터의 거리(z) 정보에 기초하여, 이미지는, 예를 들어 간단한 가우시안 블러(Gaussian blur)를 이용하여 픽셀 단위로 블러링될 수 있다. 일 실시예에서, 카메라 어레이로부터 획득되는 깊이 맵은, 레벨을 유도하도록 톤 사상 알고리즘(tone mapping algorithm)의 깊이 정보를 이용하여 사상을 수행하게 하고, 그에 의해 3D 효과를 강조하거나 과장하도록 할 수 있게 하는 데 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 상이한 크기의 개구가 개구 다양성을 획득하도록 제공된다. 개구 크기는 필드 깊이와 직접적인 관계를 갖는다. 그러나, 미니어처 카메라에서, 개구는 일반적으로 가급적 많은 광이 카메라에 도달하도록 가급적 크게 만들어진다. 상이한 이미저는 상이한 크기의 개구를 통해 광을 수광할 수 있다. 이미저가 큰 필드 깊이를 생성하게 하기 위해, 개구는 감소되는 반면, 다른 이미저는 수광된 광을 최대화시킬 정도로 넓은 개구를 가질 수 있다. 상이한 개구 크기의 센서 이미지로부터의 이미지를 융합함으로써, 넓은 필드 크기를 갖는 이미지는 이미지의 품질을 희생시키는 일 없이 획득될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 카메라 어레이는 시점 오프셋으로부터 캡처된 이미지에 기초하여 재포커싱한다. 통상적인 플래놉틱(plenoptic) 카메라와는 달리, 본 발명의 카메라 어레이로부터 획득된 이미지는 해상도의 극심한 손실을 겪지 않는다. 그러나, 본 발명에 따른 카메라 어레이는 플레놉틱 카메라에 비해 재포커싱하는 산재한 데이터 지점을 생성한다. 산재한 데이터 지점을 극복하기 위해, 산재한 데이터 지점으로부터 데이터를 재포커싱하도록 삽입이 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 카메라 어레이 내의 각 이미저는 상이한 중심을 갖는다. 즉, 각 이미저의 광학부는 각 이미저의 시야가 약간 중첩되지만 대부분은 더 넓은 시야의 별개의 타일을 구성하도록 설계되고 배치된다. 각 타일로부터의 이미지는 단일 고해상도 이미지를 렌더링하도록 함께 파노라마식으로 스티치된다.
일 실시예에서, 카메라 어레이는 별도의 기판 상에 형성될 수 있으며, 공간적 간격을 갖고 동일한 마더보드 상에 탑재될 수 있다. 각 이미저의 렌즈 소자는 시야의 코너가 기판에 수직인 라인을 약간 둘러싸도록 배치될 수 있다. 따라서, 4개의 이미저가 다른 이미저에 관해 90° 회전된 각각의 이미저와 함께 마더보드 상에 탑재되면, 시야는 4개의 약간 중첩된 타일이 될 것이다. 이것은 WLO 렌즈 어레이 및 이미저 칩의 단일 설계가 파노라마 이미지의 상이한 타일을 캡처하는 데 사용되게 한다.
일 실시예에서, 이미저들의 하나 이상의 세트는 중첩 시야를 갖는 파노라마 이미지를 생성하도록 스티치되는 이미지를 캡처하도록 배치되고, 다른 이미저 또는 이미저 세트는 생성된 타일된 이미지를 포괄하는 시야를 갖는다. 이 실시예는 상이한 특성을 지니는 이미저에 상이한 유효 해상도를 제공한다. 예를 들어, 색차(chrominance) 해상도보다 더 큰 루미넌스 해상도를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 이미저의 여러 세트는 파노라마식으로 스티치된 그들의 시야로 루미넌스를 검출할 수 있다. 더 적은 이미저가 루미넌스 이미저의 스티치된 시야를 포괄하는 시야를 갖는 색차를 검출하는 데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 복수개의 이미저를 갖는 카메라 어레이는, 마더보드가 수동적으로 구부러져 이미지의 종횡비를 변경시킬 수 있도록 고정 마더보드 상에 탑재된다. 예를 들어, 이미저 세트는, 마더보드의 정지 상태(quiescent state)에서 모든 이미저의 시야가 거의 동일하게 되도록 가요적 마더보드 상의 수직선에 탑재될 수 있다. 4개의 이미저가 있다면, 각각의 개별적 이미저의 2배의 해상도를 갖는 이미지가 획득되어, 세부사항의 치수의 절반인 주체적 이미지의 세부사항이 개별 이미저에 의해 해상될 수 있다. 마더보드가 구부러져 그것이 수직 실린더의 일부를 형성한다면, 이미저는 바깥 쪽으로 향한다. 부분적인 굴곡으로, 주체적 이미지의 폭은 두 배가 되며, 주체적 이미지 내의 각 지점이 4개의 이미저가 아니라 2개의 이미저의 시야에 있기 때문에, 해상될 수 있는 세부사항은 감소할 수 있다. 최대 굴곡률에서, 주체적 이미지는 4배가 되고, 주체에서 해상될 수 있는 세부사항은 더 감소한다.
오프라인 재구성 및 프로세싱
이미징 시스템(400)에 의해 처리되는 이미지는 플래시 디바이스 또는 하드디스크와 같은 저장 매체 상에 이미지 데이터를 저장하기 전 또는 그와 동시에 사전 검토될 수 있다. 일 실시예에서, 이미지 또는 비디오 데이터는 카메라 어레이에 의해 원래 캡처되었던 풍부한 광 필드 데이터 세트 및 다른 유용한 이미지 정보를 포함한다. 다른 전통적인 파일 포맷도 사용될 수 있다. 저장된 이미지 또는 비디오는 재생되거나 다양한 유선 또는 무선 통신 방법을 통해 다른 디바이스로 전송될 수 있다.
일 실시예에서는, 툴이 원격 서버에 의해 사용자에게 제공될 수 있다. 원격 서버는 저장소 또는 이미지나 비디오용 오프라인 프로세싱 엔진 양측 모두로서 기능할 수 있다. 또한, Flikr, Picasaweb, Facebook 등과 같은 대중적인 사진 공유 커뮤니티의 일부로서 매시(mash)되는 애플릿은 이미지가 개별적으로나 총체적으로 쌍방향 조작되게 할 수 있다. 또한, 이미지 편집 프로그램 내로의 소프트웨어 플러그-인은 데스크톱 및 랩톱과 같은 컴퓨팅 디바이스 상에서 이미징 디바이스(400)에 의해 생성되는 이미지를 처리하도록 제공될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 다양한 모듈은 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 기동되거나 재구성되는 범용 컴퓨터를 포함할 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은, 임의의 유형의 플로피 디스크, 광 디스크, CD-ROM, 자기적 광 디스크, 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), EPROM, EEPROM, 자기적 또는 광학적 카드, 주문자 맞춤 집적회로(ASIC), 또는 전자적 명령을 저장하기에 적합하고 컴퓨터 시스템 버스에 각각 연결되는 임의의 유형의 매체와 같은 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장될 수 있지만, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 명세서에서 지칭되는 컴퓨터는 단일 프로세서를 포함할 수도 있고, 또는 증가된 계산 용량에 대한 다중 프로세서 설계를 채용하는 아키텍처일 수도 있다.
본 발명의 특정 실시예 및 응용이 본 명세서에서 예시되고 설명되었지만, 본 발명이 본 명세서에 개시된 정확한 구성 및 성분으로 제한되지 않는다는 것과, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나는 일 없이, 첨부한 특허청구범위에 정의된 대로, 본 발명의 방법 및 장치의 배열, 동작 및 세부사항에 대한 다양한 수정, 변경, 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (26)

  1. 카메라 어레이로서,
    장면의 이미지들을 캡처하도록 구성된 복수개의 카메라; 및
    상기 복수개의 카메라에 의해 캡처된 적어도 서브세트의 이미지들을 처리하도록 구성된 이미지 프로세서를 포함하되;
    상기 복수개의 카메라는 상이한 시야를 포함하는 상이한 이미징 특성을 가진 적어도 2개의 카메라를 포함하고;
    상기 이미지 프로세서는 상기 이미지들을 캡처한 상기 카메라의 위치를 고려해서 시차-유도 변화(parallax-induced change)들을 검출함으로써 처리된 이미지들 내의 시차를 측정하고; 측정된 시차를 이용해서 깊이 맵(depth map)을 생성하고; 그리고 상기 복수개의 카메라에 의해 캡처된 상기 이미지들 및 상기 깊이 맵을 이용해서 이미지를 합성하도록 구성된, 카메라 어레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이미지 프로세서는 상이한 줌 레벨을 가진 이미지들을 합성하도록 구성된, 카메라 어레이.
  3. 제2항에 있어서, 디스플레이를 더 포함하고, 상기 이미지 프로세서는 디스플레이될 경우 하나의 줌 레벨을 다른 줌 레벨로 원활하게 이행되도록 이미지들을 합성하도록 구성된, 카메라 어레이.
  4. 제3항에 있어서, 상기 이행은 상기 복수개의 카메라 중 최대 화각(widest-angle view) 카메라의 시야에 대응하는 줌 레벨로부터 최대 뷰 배율(greatest-magnification view)를 가진 복수의 카메라 중의 카메라의 시계로 행해지는, 카메라 어레이.
  5. 제2항에 있어서, 상기 이미지 프로세서는 상기 복수개의 카메라에 의해 캡처된 상기 이미지들로부터의 픽셀들을 특정량의 줌에 대응하는 크기 및 해상도를 가진 출력 이미지 상에 사상(mapping)함으로써 상기 복수개의 카메라에 의해 캡처된 상기 이미지들 및 상기 깊이 맵을 이용해서 이미지를 합성하도록 구성된, 카메라 어레이.
  6. 제2항에 있어서, 상기 이미지 프로세서는 상이한 줌 레벨을 가진 합성된 이미지들을 저장하도록 더 구성된, 카메라 어레이.
  7. 제2항에 있어서, 더 높은 배율 렌즈를 가진 상기 복수개의 카메라로부터의 적어도 하나의 카메라는 상기 이미지 프로세서에 의해 합성된 상기 이미지의 중심 영역이 외부 영역보다 더 고해상도를 갖도록 더 낮은 배율 렌즈를 가진 상기 복수개의 카메라로부터의 적어도 하나의 카메라와 동일한 중심 뷰를 갖도록 구성된, 카메라 어레이.
  8. 제2항에 있어서, 상기 이미지 프로세서는 이미지의 주변에서 픽셀들을 무시하고 상기 이미지의 상기 중심에 가장 가까운 상기 픽셀의 샘플링을 증가시킴으로써 주밍(zooming)을 수행하도록 더 구성된, 카메라 어레이.
  9. 제2항에 있어서, 상기 이미지 프로세서는 상기 합성된 이미지 내의 보다 많은 수의 픽셀에 대해서 상기 복수개의 카메라 내 상기 최대 화각 카메라에 의해 캡처된 이미지의 더 낮은 해상도 영역 내의 픽셀 정보를 원활하게 보간함으로써 상이한 줌 레벨을 가진 이미지들을 합성하도록 구성된, 카메라 어레이.
  10. 제1항에 있어서, 상기 이미지 프로세서는 적어도 하나의 거리를 "최상의 초점" 거리로서 선택하고 그리고 추정된 거리 정보에 기초하여 상기 카메라 어레이에 의해 생성된 이미지를 블러링(blur)하도록 구성된, 카메라 어레이.
  11. 제1항에 있어서, 각각의 카메라는, 적어도 하나의 렌즈 소자 및 적어도 하나의 개구(aperture)를 포함하는 광학부(optics); 및 이미징 파라미터들을 제어하기 위한 제어 회로와 2차원 픽셀 어레이를 포함하는 센서를 포함하는, 카메라 어레이.
  12. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 카메라는 상이한 해상도를 포함하는 상이한 이미징 특성을 가진 적어도 2개의 카메라를 포함하는, 카메라 어레이.
  13. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 카메라는 카메라 어레이들의 어레이를 포함하는, 카메라 어레이.
  14. 제1항에 있어서, 상기 이미지 프로세서는 노출된 폐색 세트(occlusion set)에 있는 상기 복수개의 카메라에 의해 캡처된 상기 이미지들 내의 픽셀들을 무시함으로써 상기 처리된 이미지들 내에서 시차를 측정하도록 더 구성된, 카메라 어레이.
  15. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 카메라의 각각은 바이엘 필터(Bayer filter), 하나 이상의 청색 필터, 하나 이상의 녹색 필터, 하나 이상의 적색 필터, 하나 이상의 시프트 스펙트럼 필터(shifted spectral filter), 하나 이상의 근-IR 필터 및 하나 이상의 하이퍼-스펙트럼 필터(hyper-spectral filter)로 이루어진 군으로부터 선택된 특정 스펙트럼 대역의 광을 통과시키도록 구성된 스펙트럼 필터를 포함하는, 카메라 어레이.
  16. 제1항에 있어서, 상이한 이미징 특성을 지닌 상기 카메라들은 동작 파라미터들의 적어도 하나의 차이로 동작하도록 구성된, 카메라 어레이.
  17. 제16항에 있어서, 상기 동작 파라미터들의 적어도 하나의 차이는 노출 시간, 이득 및 흑 레벨 오프셋(black level offset)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 이미징 파라미터를 포함하는, 카메라 어레이.
  18. 제1항에 있어서, 상기 카메라 어레이는,
    각 카메라의 광학부를 형성하는 렌즈 소자 어레이; 및
    각 카메라용의 제어회로 및 픽셀이 상부에 형성되는 단일의 반도체 기판
    을 포함하는 모놀리식 카메라 어레이 어셈블리인, 카메라 어레이.
  19. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 카메라는 개별의 반도체 기판 상에 형성되는, 카메라 어레이.
  20. 카메라 어레이로서,
    장면의 이미지들을 캡처하도록 구성된 복수개의 카메라;
    상기 복수개의 카메라에 의해 캡처된 적어도 서브세트의 이미지들을 처리하도록 구성된 이미지 프로세서를 포함하되;
    각각의 카메라는, 적어도 하나의 렌즈 소자와 적어도 하나의 개구를 포함하는 광학부; 및 이미징 파라미터들을 제어하기 위한 제어회로와, 2차원 픽셀 어레이를 포함하는 센서를 포함하고;
    상기 복수개의 카메라는 상이한 시야를 포함하는 상이한 이미징 특성을 가진 적어도 2개의 카메라를 포함하고;
    상기 이미지 프로세서는 상기 이미지들을 캡처한 상기 카메라들의 위치를 고려하여 시차-유도 변화들을 검출함으로써 처리된 이미지들 내의 시차를 측정하고; 측정된 시차를 이용해서 깊이 맵을 생성하고; 그리고 상기 복수개의 카메라에 의해 캡처된 상기 카메라들의 상기 위치 및 상기 깊이 맵을 이용해서 이미지를 합성하도록 구성되며;
    상기 이미지 프로세서는 상이한 줌 레벨을 가진 이미지들을 합성하도록 구성되고;
    상기 이미지 프로세서는 적어도 하나의 거리를 "최상의 초점" 거리로서 선택하고 그리고 추정된 거리 정보에 기초하여 상기 카메라 어레이에 의해 생성된 이미지를 블러링하도록 구성된, 카메라 어레이.
  21. 제20항에 있어서, 상기 이미지 프로세서는 최고 픽셀 상관을 초래하는 시차 차이를 계산함으로써 상기 처리된 이미지들 내의 픽셀들에 대해서 시차를 측정하도록 구성된, 카메라 어레이.
  22. 제21항에 있어서, 상기 최고 픽셀 상관을 초래하는 상기 시차 차이는 다양한 페어-방식 측정(pair-wise measurements)의 추적을 유지함으로써 결정되는, 카메라 어레이.
  23. 제22항에 있어서, 상기 이미지 프로세서는 노출된 폐색 세트에 있는 상기 이미지들 내의 픽셀들을 무시함으로써 상기 최고 픽셀 상관을 초래하는 시차 차이를 계산하도록 구성되는, 카메라 어레이.
  24. 제23항에 있어서, 상기 측정된 시차는 서브-픽셀 정밀도(sub-pixel precision)로 측정되는, 카메라 어레이.
  25. 제21항에 있어서, 상기 측정된 시차는 서브-픽셀 정밀도로 측정되는, 카메라 어레이.
  26. 제1항에 있어서, 상기 측정된 시차는 서브-픽셀 정밀도로 측정되는, 카메라 어레이.
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