KR20210081767A

KR20210081767A - 이미지 장치 및 이미지 센싱 방법

Info

Publication number: KR20210081767A
Application number: KR1020190174035A
Authority: KR
Inventors: 최규환; 조양호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2021-07-02
Also published as: US20210195072A1; US20230033326A1; EP3842843A1; CN113037956A; US11503192B2; JP2021103766A

Abstract

일 실시예에 따른 이미지 장치는 비원형의 단면을 가지는 결상 광학 렌즈를 통해 빛을 수신하여 센싱 어레이의 평면에 결상할 수 있다.

Description

이미지 장치 및 이미지 센싱 방법{IMAGING DEVICE AND IMAGE SENSING METHOD}

이하, 이미지 장치에 관한 기술이 제공된다.

광학 기술 및 이미지 처리 기술의 발달로 인해, 멀티미디어 컨텐츠, 보안 및 인식 등 광범위한 분야에 촬영 장치가 활용되고 있다. 예를 들어, 촬영 장치는 모바일 기기, 카메라, 차량 및 컴퓨터 등에 탑재되어, 이미지를 촬영하거나, 객체를 인식하거나, 기기를 제어하기 위한 데이터를 획득할 수 있다. 촬영 장치의 부피는 렌즈의 사이즈, 렌즈의 초점 거리(focal length) 및 센서의 사이즈 등에 의해 결정될 수 있다. 촬영 장치의 부피를 감소시키기 위해, 소형 렌즈들로 구성된 멀티 렌즈가 이용될 수 있다.

일 실시예에 따른 이미지 장치는 복수의 센싱 엘리먼트들을 포함하는 센싱 어레이; 주축(principal axis)에 대해 수직하는 단면이 비원형(non-circular shape)으로 구성되고, 외부로부터 수신된 빛을 통과시켜 전달하는 복수의 결상 광학 렌즈(imaging optical lens)들을 포함하는 결상 렌즈 어레이; 및 상기 결상 렌즈 어레이 및 센싱 어레이 사이에 배치되어, 상기 결상 렌즈 어레이를 통과한 빛을 상기 센싱 엘리먼트로 전달하는 복수의 집광 렌즈들을 포함하는 집광 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 결상 광학 렌즈들의 개수는 상기 복수의 집광 렌즈들의 개수보다 작을 수 있다.

이미지 장치는 상기 주축에 대해 수직하는 단면이 원형(circular shape) 및 비원형 중 하나로 구성되고, 상기 결상 렌즈 어레이를 기준으로 상기 센싱 어레이의 반대편에 배치되는 추가 광학 렌즈를 더 포함할 수 있다.

상기 결상 렌즈 어레이는 광학 렌즈 어레이들 중 상기 집광 렌즈 어레이에 대해 가장 인접하게 배치된 렌즈 어레이일 수 있다.

이미지 장치는 상기 결상 렌즈 어레이를 기준으로 상기 센싱 어레이의 반대편에 배치되고, 상기 빛을 통과시키는 조리개를 더 포함할 수 있다.

상기 결상 광학 렌즈로부터 빛을 수신하는 센싱 엘리먼트들을 포함하는 영역은 직사각형이고, 상기 결상 광학 렌즈의 상기 단면은 상기 직사각형의 짧은 변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형의 일부에 해당하는 형태일 수 있다.

상기 결상 광학 렌즈는, 상기 직사각형의 단변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형 렌즈의 일부가 절개된 렌즈일 수 있다.

상기 결상 광학 렌즈는, 조리개의 테두리 지점들로부터 상기 센싱 영역의 외곽까지의 가상 직선과 교차하도록 구성될 수 있다.

상기 결상 광학 렌즈의 외곽 부분에서, 상기 결상 광학 렌즈의 중심으로부터 상기 센싱 영역의 외곽까지의 가상 직선과 평행하게 입사되는 제1 광선의 제1 굴절각 및 상기 결상 광학 렌즈의 광축에 평행하게 입사되는 제2 광선의 제2 굴절각이 서로 유사할 수 있다.

상기 제1 광선이 상기 센싱 어레이에 도달하는 제1 광 경로 및 상기 제2 광선이 상기 센싱 어레이에 도달하는 제2 광 경로의 차이는 임계 경로 차이 미만일 수 있다.

이미지 장치는 상기 센싱 어레이에 의해 센싱된 센싱 정보에 기초하여, 이미지를 생성하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 이미지 장치는, 주축(principal axis)에 대해 수직하는 단면이 비원형(non-circular shape)으로 구성되고, 외부로부터 수신된 빛을 통과시켜 전달하는 결상 광학 렌즈(imaging optical lens); 및 복수의 센싱 엘리먼트들을 포함하고, 상기 결상 광학 렌즈를 통과하여 수신되는 빛을 상기 복수의 센싱 엘리먼트들 중 센싱 영역 내의 센싱 엘리먼트에서 센싱하는 센싱 어레이를 포함하고, 상기 결상 광학 렌즈 및 상기 센싱 어레이는 분수 정렬 구조(fractional alignment structure)로 배치될 수 있다.

이미지 장치는 상기 주축에 대해 수직하는 단면이 원형(circular shape) 및 비원형 중 하나로 구성되고, 상기 결상 광학 렌즈를 기준으로 상기 센싱 어레이의 반대편에 배치되는 추가 광학 렌즈를 더 포함할 수 있다.

복수의 렌즈들 중 상기 결상 광학 렌즈는, 집광 마이크로 렌즈 및 상기 센싱 어레이를 포함하는 이미지 센서에 가장 인접한 렌즈일 수 있다.

이미지 장치는 상기 결상 광학 렌즈를 기준으로 상기 센싱 어레이의 반대편에 배치되고, 상기 빛을 통과시키는 조리개를 더 포함할 수 있다.

상기 결상 광학 렌즈는, 상기 직사각형의 단변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형 렌즈에서 상기 결상 광학 렌즈에 대응하는 센싱 영역을 벗어난 부분이 절개된 렌즈일 수 있다.

상기 결상 광학 렌즈의 상기 단면은, 2개의 서로 대향하는 호(arc) 및 각 호의 양단을 잇는 직선부들로 구성될 수 있다.

상기 결상 광학 렌즈의 상기 단면은, 4개의 호 및 상기 4개의 호를 연결하는 직선부들로 구성될 수 있다.

상기 결상 광학 렌즈의 상기 단면은, 상기 센싱 영역의 대각 길이 이상의 직경을 갖는 원형의 일부에 해당하는 형태일 수 있다.

상기 결상 광학 렌즈의 상기 단면이 사각형일 수 있다.

상기 센싱 영역에 대한 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적의 비율은 0.78을 초과하고 1 이하일 수 있다.

상기 센싱 영역에 대한 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적의 비율은 0.58을 초과하고 1 이하일 수 있다.

상기 센싱 영역에 대한 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적의 비율은 0.44를 초과하고 1 이하일 수 있다.

상기 센싱 영역에 대한 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적의 비율은 0.39를 초과하고 1 이하일 수 있다.

상기 센싱 영역에 대한 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적의 비율은 0.89 이상이고 1 이하일 수 있다.

상기 이미지 장치는, 복수의 상기 비원형 결상 광학 렌즈가 배열된 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.

이미지 장치는 상기 결상 광학 렌즈 및 상기 결상 광학 렌즈와 동일한 형태 및 크기의 추가 결상 광학 렌즈로 구성되는 렌즈 어레이를 더 포함하고, 상기 결상 광학 렌즈 및 상기 추가 결상 광학 렌즈는 동일한 평면을 따라 배치될 수 있다.

상기 분수 정렬 구조는, 상기 센싱 영역이 비정수개(non-integer)의 센싱 엘리먼트를 포함하는 구조일 수 있다.

일 실시예에 따른 이미지 장치는 외부로부터 수신된 빛을 통과시켜 전달하는 복수의 비원형 결상 광학 렌즈들을 포함하는 결상 렌즈 어레이; 및 상기 비원형 결상 광학 렌즈들을 통과하여 수신되는 빛을 센싱하는 복수의 센싱 영역들을 포함하고, 각각의 센싱 영역은 복수의 센싱 엘리먼트들을 포함하는 센싱 어레이를 포함할 수 있다.

상기 센싱 어레이의 각각의 센싱 영역은 4개 이상의 센싱 엘리먼트들을 포함할 수 있다.

상기 센싱 어레이의 각각의 센싱 영역은 9개 이상의 센싱 엘리먼트들을 포함할 수 있다.

이미지 장치는 상기 결상 렌즈 어레이와 상기 센싱 어레이 사이에 배치되어, 상기 통과하는 빛의 일부 파장을 필터링하는 필터를 더 포함할 수 있다.

이미지 장치는 이미지 장치의 주축에 대해 수직하는 단면이 원형(circular shape) 및 비원형 중 하나로 구성되고, 상기 결상 렌즈 어레이를 기준으로 상기 센싱 어레이의 반대편에 배치되는 추가 광학 렌즈를 더 포함할 수 있다.

상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적과 상기 센싱 엘리먼트의 비율은 0.78부터 1.0 까지일 수 있다.

이미지 장치는 상기 결상 렌즈 어레이 및 상기 센싱 어레이 사이에 배치되어, 상기 결상 렌즈 어레이를 통과한 빛을 상기 센싱 어레이로 전달하는 복수의 집광 렌즈들을 포함하는 집광 렌즈 어레이를 더 포함할 수 있다.

상기 복수의 집광 렌즈들의 개수는 상기 복수의 비원형 결상 광학 렌즈들의 개수보다 클 수 있다.

일 실시예에 따른 모바일 단말은 비원형 결상 광학 렌즈를 통해 외부의 빛을 수신하고, 복수의 센싱 엘리먼트들에서 상기 외부의 빛을 센싱하여 센싱 정보를 생성하는 이미지 센싱 모듈; 상기 이미지 센싱 모듈에 의해 생성된 상기 센싱 정보에 기초하여 출력 이미지를 복원하는 프로세서; 및 상기 센싱 정보 및 상기 출력 이미지 중 적어도 하나를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다.

상기 이미지 센싱 모듈은, 상기 비원형 결상 광학 렌즈 및 상기 복수의 센싱 엘리먼트들 사이에 배치되어, 상기 비원형 결상 광학 렌즈를 통과한 빛을 상기 복수의 센싱 엘리먼트들로 전달하는 복수의 집광 렌즈들을 더 포함할 수 있다.

상기 비원형 결상 광학 렌즈는 광학 렌즈들 중 상기 복수의 집광 렌즈들에 대해 가장 인접하게 배치된 렌즈일 수 있다.

상기 비원형 결상 광학 렌즈로부터 빛을 수신하는 센싱 엘리먼트들을 포함하는 영역은 직사각형이고, 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면은 상기 직사각형의 짧은 변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형의 일부에 해당하는 형태일 수 있다.

상기 비원형 결상 광학 렌즈는, 상기 직사각형의 단변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형 렌즈의 일부가 절개된 렌즈일 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 이미지 장치의 구조를 도시한다.
도 2는 다른 일 실시예에 따른 이미지 장치의 구조를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 이미지 장치에 포함되는 렌즈들의 예시적인 형상을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 이미지 장치에 포함되는 비원형 결상 광학 렌즈를 설명한다.
도 5a 내지 도 5e는 일 실시예에 따른 비원형 결상 광학 렌즈의 예시적인 형상들을 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 비원형 결상 광학 렌즈의 세로 길이 및 센싱 영역의 대각 길이의 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 이미지 장치의 광 경로를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 MTF(Modulation Transfer Function)를 설명하는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 이미지 장치에서 비원형 렌즈로 구성되는 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 이미지 장치에서 사각 렌즈에 의한 유효 센싱 영역을 설명하는 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 이미지 장치에서 사각 렌즈로 구성되는 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 이미지 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 모바일 단말을 설명하는 도면이다.
도 14은 일 실시예에 따른 이미지 센싱 방법을 설명하는 흐름도이다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있으므로 이런 실시예들로 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 명세서는 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 이미지 장치의 구조를 도시한다. 도 1a는 이미지 장치의 사시도이고, 도 1b는 이미지 장치의 단면도이다.

일 실시예에 따른 이미지 장치(100)는 렌즈 어레이(110) 및 이미지 센서(120)를 포함한다. 렌즈 어레이(110)는 렌즈 엘리먼트들을 포함하고, 이미지 센서(120)는 센싱 엘리먼트들을 포함한다. 렌즈 엘리먼트들은 렌즈 어레이(110)의 평면을 따라 배치될 수 있고, 센싱 엘리먼트들은 이미지 센서(120)에서 센싱 어레이(121)의 평면을 따라 배치될 수 있다. 렌즈 어레이(110)의 평면은 센싱 어레이(121)의 평면과 평행하게 배치될 수 있다. 렌즈 어레이(110)는 결상(imaging)을 위한 마이크로 멀티 렌즈 어레이(MMLA, micro multi lens array)로서, 결상 렌즈 어레이라고도 나타낼 수 있다.

이미지 센서(120)는 센싱 어레이(121), 광학 필터(optical filter)(122), 및 집광 렌즈 어레이(condensing lens array)(123)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 광학 필터(122) 없이, 집광 렌즈 어레이(123)의 개별 집광 마이크로 렌즈(condensing micro lens)(123a)가 미리 정한 파장 대역을 통과시키고 나머지 파장 대역을 차단하는 광학 특성을 가지게 구성될 수도 있다.

집광 렌즈 어레이(123)는 렌즈 어레이(110)를 통과한 빛을 센싱 어레이(121)로 집광(concentrate)하기 위한 복수의 집광 마이크로 렌즈들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 집광 렌즈 어레이(123)는 센싱 어레이(121)에 포함된 센싱 엘리먼트들의 개수와 동일한 개수의 집광 마이크로 렌즈들을 포함할 수 있다. 복수의 집광 마이크로 렌즈들은 결상 광학 렌즈 및 센싱 어레이(121) 사이에 배치되어, 결상 광학 렌즈를 통과한 빛을 각 집광 마이크로 렌즈(123a)에 대응하는 센싱 엘리먼트(121a)로 집광하여 전달할 수 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 센싱 어레이(121)의 각 센싱 엘리먼트(121a) 상에 집광 마이크로 렌즈(123a)가 배치되어, 아래에 배치된 센싱 엘리먼트(121a)로 빛을 집광할 수 있다. 또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, 색상 필터(122a)가 각 집광 마이크로 렌즈(123a) 및 센싱 엘리먼트(121a) 사이에 배치될 수도 있다.

광학 필터(122)는 미리 정한 파장 대역을 통과시키고 나머지 파장 대역을 차단하는 광학 특성을 가지는 필터일 수 있다. 예를 들어, 광학 필터(122)는 필터 평면을 따라 배치되는 복수의 색상 필터들을 포함하는 색상 필터 어레이(CFA, color filter array)로 구현될 수 있다. 각 색상 필터(122a)는 임의의 색상에 대응하는 파장 대역의 빛을 통과시키고 나머지 대역의 빛을 차단하는 필터일 수 있다. 예를 들어, 색상 필터(122a)로서 적색 통과 필터, 녹색 통과 필터, 및 청색 통과 필터가 있을 수 있다. 적색 통과 필터는 적색에 대응하는 파장 대역의 빛을 통과시키고, 나머지 대역의 빛을 차단할 수 있다. 녹색 통과 필터는 녹색에 대응하는 파장 대역의 빛을 통과시키고 나머지 대역의 빛을 차단할 수 있다. 청색 통과 필터는 청색에 대응하는 파장 대역의 빛을 통과시키고 나머지 대역의 빛을 차단할 수 있다. 색상 필터 어레이에서 개별적으로 색상 광들을 통과시키는 색상 필터들은 필터 평면을 따라 베이어 패턴(Bayer pattern) 또는 다른 패턴으로 배치될 수 있다. 광학 필터(122)는 또한 가시광선 대역을 통과시키고 적외선 대역을 차단하는 적외선 차단 필터일 수도 있다.

일 실시예에 따른 이미지 센서(120)에 의하여 촬영 및 복원되는 이미지의 품질은 센싱 어레이(121)에 포함된 센싱 엘리먼트들의 수, 및 센싱 엘리먼트(121a)에 입사되는 광량에 의하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 이미지의 해상도는 센싱 어레이(121)에 포함된 센싱 엘리먼트들의 수에 의하여, 이미지의 감도는 센싱 엘리먼트(121a)에 입사되는 광량에 의하여 결정될 수 있고, 입사되는 광량은 센싱 엘리먼트(121a)의 사이즈에 기초하여 결정될 수 있다. 센싱 엘리먼트(121a)의 사이즈가 클수록 입사되는 광량은 증가할 수 있고, 센싱 어레이(121)의 동적 범위(dynamic range)가 증가할 수 있다. 따라서, 센싱 어레이(121)에 포함된 센싱 엘리먼트들의 수가 증가함에 따라 이미지 센서(120)는 고해상도 이미지를 촬영할 수 있고, 센싱 엘리먼트(121a)의 사이즈가 증가함에 따라 이미지 센서(120)는 저조도에서 고감도 이미지 촬영에 유리하게 작동할 수 있다.

이미지 장치(100)의 부피는 렌즈 엘리먼트(111)의 초점 거리(focal length)에 의하여 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, 이미지 장치(100)의 부피는 렌즈 엘리먼트(111)와 센싱 어레이(121) 사이의 간격에 의하여 결정되는데, 렌즈 엘리먼트(111)에 의하여 굴절된 빛을 수집하기 위하여 이미지 센서(120)가 렌즈 엘리먼트(111)의 초점 거리에 대응하는 거리만큼 렌즈 엘리먼트(111)로부터 이격되어 배치되어야 하기 때문이다. 따라서, 렌즈 어레이(110)의 평면은 렌즈 어레이(110)에 포함된 렌즈 엘리먼트(111)의 초점 거리에 대응하는 거리만큼 이미지 센서(120)로부터 이격될 수 있다. 렌즈 엘리먼트(111)의 초점 거리는 이미지 장치(100)의 시야각과 렌즈 엘리먼트(111)의 사이즈에 의하여 결정된다. 시야각이 고정될 경우 렌즈 엘리먼트(111)의 사이즈에 비례하여 초점 거리가 길어지고, 일정한 시야각 범위의 이미지를 촬영하기 위해서는, 센싱 어레이(121)의 사이즈가 증가함에 따라 렌즈 엘리먼트(111)의 사이즈가 증가되어야 한다.

전술한 바에 의하면, 시야각 및 이미지의 해상도를 유지하면서 이미지의 감도를 증가시키려면, 이미지 센서(120)의 부피가 증가된다. 예를 들어, 이미지의 해상도를 유지하면서 이미지의 감도를 증가시키려면, 센싱 어레이(121)에 포함된 센싱 엘리먼트들의 수를 유지하면서 각 센싱 엘리먼트의 사이즈를 증가시켜야 하므로 센싱 어레이(121)의 사이즈가 증가된다. 이 때, 시야각을 유지하려면, 센싱 어레이(121)의 사이즈가 증가함에 따라 렌즈 엘리먼트(111)의 사이즈가 증가하며 렌즈 엘리먼트(111)의 초점 거리가 길어지므로, 이미지 센서(120)의 부피가 증가된다.

일 실시예에 따르면, 렌즈 어레이(110)에 포함된 렌즈 엘리먼트들 각각의 사이즈를 감소시킬수록, 다시 말해 렌즈 어레이(110) 상에서 동일한 넓이에 포함되는 렌즈들의 수를 증가시킬수록, 렌즈 엘리먼트(111)의 초점 거리는 작아질 수 있고, 이미지 장치(100)의 두께는 감소할 수 있다. 따라서, 박형 카메라(thin camera)가 구현될 수 있다. 이 경우, 이미지 장치(100)는 각 렌즈 엘리먼트(111)에서 촬영된 저해상도 이미지들을 재배열(rearrange) 및 조합하여 고해상도의 출력 이미지를 복원할 수 있다.

렌즈 어레이(110)의 개별 렌즈 엘리먼트(111)는 자신의 렌즈 크기(lens size)에 대응하는 센싱 어레이(121)의 일정 센싱 영역(129)을 커버할 수 있다. 센싱 어레이(121)에서 렌즈 엘리먼트(111)에 의해 커버되는 센싱 영역(129)은, 해당 렌즈 엘리먼트(111)의 렌즈 크기에 따라 결정될 수 있다. 센싱 영역(129)은, 일정한 시야각 범위의 광선들이 해당 렌즈 엘리먼트(111)를 통과한 후 도달하는 센싱 어레이(121)의 상의 영역을 나타낼 수 있다. 센싱 영역(129)의 크기는 센싱 영역(129)의 중심으로부터 최외곽 지점까지의 거리 또는 대각 길이로 표현될 수 있다. 다시 말해, 센싱 영역(129)에 포함된 센싱 어레이(121)의 센싱 엘리먼트들에는 해당 개별 렌즈 엘리먼트(111)를 통과한 빛이 입사될 수 있다.

센싱 어레이(121)의 센싱 엘리먼트들 각각은 렌즈 어레이(110)의 렌즈들을 통과한 광선에 기초하여 센싱 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 센싱 엘리먼트(121a)는 렌즈 엘리먼트(111)를 통해 수신된 빛의 세기 값을 센싱 정보로서 센싱할 수 있다. 이미지 장치(100)는 센싱 어레이(121)에 의해 출력된 센싱 정보에 기초하여, 이미지 장치(100)의 시야에 포함된 지점들에 관한 원본 신호(original signal)에 대응하는 세기 정보를 결정하고, 결정된 세기 정보에 기초하여 촬영 이미지를 복원할 수 있다. 예를 들어, 센싱 어레이(121)의 개별 센싱 엘리먼트(121a)는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 또는 CCD(Charge-Coupled Device) 등으로 구성되는 광학 센싱 소자(optical sensing element)일 수 있다.

또한, 센싱 엘리먼트(121a)는 색상 필터(122a)를 통과한 빛을 센싱함으로써 원하는 색상에 대응하는 색상 세기 값을 센싱 정보로서 생성할 수 있다. 센싱 어레이(121)를 구성하는 복수의 센싱 엘리먼트들 각각은 공간적으로 인접한 인접 센싱 엘리먼트와 다른 색상을 센싱하도록 배치될 수 있다.

센싱 정보의 다양성이 충분히 확보되어, 이미지 장치(100)의 시야에 포함된 지점들에 대응하는 원본 신호 정보와 센싱 정보 사이에 완전 랭크(full rank) 관계가 형성될 때, 센싱 어레이(121)의 최대 해상도에 대응하는 촬영 이미지가 도출될 수 있다. 센싱 정보의 다양성은 렌즈 어레이(110)에 포함된 렌즈들의 수 및 센싱 어레이(121)에 포함된 센싱 엘리먼트들의 수와 같은 이미지 장치(100)의 파라미터들에 기초하여 확보될 수 있다.

일 실시예에 따른 결상을 위한 멀티 렌즈 어레이 구조에서, 결상 광학 렌즈 및 센싱 어레이(121)는 분수 정렬 구조(fractional alignment structure)로 배치될 수 있다. 예를 들어, 분수 정렬 구조는 개별 렌즈 엘리먼트(111)에 의해 커버되는 센싱 영역(129)이 비정수개(non-integer)의 센싱 엘리먼트들을 포함하는 구조를 나타낼 수 있다. 센싱 어레이(121)의 각각의 센싱 영역(129)은 예를 들어, 4개 이상의 센싱 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 센싱 영역(129)은 9개 이상의 센싱 엘리먼트들을 포함할 수도 있다.

렌즈 어레이(110)에 포함된 렌즈 엘리먼트들이 동일한 렌즈 크기를 가지는 경우, 렌즈 어레이(110)에 포함된 렌즈 엘리먼트들의 수와 센싱 어레이(121)에 포함된 센싱 엘리먼트들의 수는 서로 소(relatively prime) 관계일 수 있다. 렌즈 어레이(110)의 일축에 해당하는 렌즈 엘리먼트들의 개수 L 및 센싱 어레이(121)의 일축에 해당하는 센싱 엘리먼트들의 개수 P 간의 비율 P/L은 실수(real number)로 결정될 수 있다. 렌즈 엘리먼트들의 각각은 P/L에 대응하는 픽셀 오프셋과 동일한 개수의 센싱 엘리먼트들을 커버할 수 있다. 참고로, 도 1a에 도시된 센싱 영역(129)은 예시적으로 가로 축을 따라 7/3=2.3개, 세로 축을 따라 11/3=3.67개의 센싱 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 더 나아가, 렌즈 엘리먼트(111)는 복수의 비정수개의 집광 마이크로 렌즈들을 커버할 수 있다. 따라서 이미지 센서(120)에서 집광 마이크로 렌즈들의 개수는 센싱 어레이(121)의 센싱 엘리먼트들의 개수와 동일하고, 렌즈 어레이(110)의 렌즈 엘리먼트들(예를 들어, 결상 광학 렌즈들)의 개수는 집광 마이크로 렌즈들의 개수보다 작을 수 있다.

상술한 바와 같은 분수 정렬 구조를 통해, 이미지 장치(100)는, 각 렌즈 엘리먼트(111)의 광학 중심 축(OCA, optical center axis)이 센싱 어레이(121)에 대해 서로 조금씩(slightly) 다른 배치를 가질 수 있다. 다시 말해, 렌즈 엘리먼트(111)는 센싱 엘리먼트(121a)에 대해 엇갈려서(eccentric) 배치될 수 있다. 따라서, 렌즈 어레이(110)의 각 렌즈 엘리먼트(111)는 서로 다른 라이트 필드 정보를 수신한다. 참고로, 라이트 필드(LF, light field)는 임의의 타겟 지점으로부터 방출될 수 있고, 피사체(subject) 상의 임의의 지점에서 반사된 광선들의 방향 및 세기를 나타내는 필드(field)를 나타낼 수 있다. 라이트 필드 정보는, 복수의 라이트 필드가 조합된 정보를 나타낼 수 있다. 각 렌즈 엘리먼트(111)의 주 광선(chief ray)의 방향(direction)도 달라지게 되므로, 각 센싱 영역(129)이 서로 다른 라이트 필드 정보를 수신하게 되는 바, 이미지 장치(100)는 광학적으로 보다 많은 센싱 정보를 획득할 수 있다. 따라서, 이미지 장치(100)는 상술한 바와 같이 획득된 다양한 센싱 정보를 통해 복수의 저해상도 입력 이미지들을 획득할 수 있고, 저해상도 입력 이미지들로부터 보다 고해상도의 출력 이미지를 복원할 수 있다.

도 2는 다른 일 실시예에 따른 이미지 장치의 구조를 도시한다.

일 실시예에 따른 이미지 장치(200)는 결상 렌즈 어레이(210) 및 센싱 어레이(220)와 함께, 추가 렌즈 어레이(230) 및 개구부(240)를 포함할 수 있다. 참고로, 도 2에서 센싱 어레이(220)가 도시되었으나 간명한 설명을 위하여 도 1의 나머지 구성 요소가 생략된 것으로서, 이로 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 센싱 어레이(220) 및 결상 렌즈 어레이(210) 사이에 광학 필터(122) 및 집광 렌즈 어레이(123)가 더 배치될 수도 있다.

결상 렌즈 어레이(210)는 결상(imaging)을 위한 광학 렌즈 엘리먼트를 포함할 수 있다. 렌즈 엘리먼트(211)는 결상 광학 렌즈로 불릴 수도 있으며, 결상 광학 렌즈(211)의 초점 거리 f에 의해 이미지 장치(200)의 f 넘버가 설정될 수 있다. 결상 렌즈 어레이(210), 결상 광학 렌즈(211), 센싱 어레이(220), 및 센싱 영역(229)은 각각 도 1에서 상술한 렌즈 어레이(110), 렌즈 엘리먼트(111), 센싱 어레이(121), 및 센싱 영역(129)와 동일 및/또는 유사하므로 자세한 설명을 생략한다.

개구부(240)는 복수의 조리개들을 포함할 수 있다. 조리개(241)는 예시적으로 원형으로 형성될 수 있고, 빛을 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 복수의 조리개들은 개구부(240)에 대응하는 평면을 따라 형성될 수 있다. 복수의 조리개들은 광축에 수직하는 단면이 원형이도록 투명한 소재가 채워짐(filled)으로써 형성될 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 복수의 조리개들을 통과한 광선은 각각 해당 조리개(241)에 대응하는 다음 광학 요소로 전달될 수 있다. 도 2에서는 개구부(240)에서 조리개(241)를 통과한 광선이 추가 렌즈 어레이(230)의 추가 렌즈(231)로 전달될 수 있다.

추가 렌즈 어레이(230)는 복수의 추가 렌즈들을 포함할 수 있다. 복수의 추가 렌즈들은 추가 렌즈 어레이(230)에 대응하는 가상 평면을 따라 배치될 수 있다. 추가 렌즈 어레이(230)에 포함된 복수의 추가 렌즈들 각각은 이전 레이어(예를 들어, 도 2에서는 개구부(240))로부터 수신된 광선을 다음 레이어(예를 들어, 도 2에서는 결상 렌즈 어레이(210))로 전달할 수 있다.

참고로, 도 2에서 결상 렌즈 어레이(210) 및 추가 렌즈 어레이(230)는 각각 1개 레이어로만 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 이미지 장치(200)는 복수의 결상 렌즈 어레이(210) 및 복수의 추가 렌즈 어레이(230)를 포함할 수도 있다. 여기서, 결상 렌즈 어레이(210)는 최종적으로 이미지를 결상하기 위한 렌즈 어레이로서, 렌즈 어레이들 중 추가 렌즈 어레이(230)보다 센싱 어레이(220)에 대해 인접하면서 센싱 어레이(220)를 마주 보도록 배치될 수 있다. 센싱 어레이(220) 상에 도 1에 도시된 집광 렌즈 어레이(123)가 배치되는 경우, 집광 렌즈 어레이(123)가 센싱 어레이(220)에 가장 인접하게 배치되고, 결상 렌즈 어레이(210)는 센싱 어레이(220)에 대해 그 다음으로(예를 들어, 2번째로) 인접하게 배치될 수 있다.

본 명세서에서 결상 렌즈 어레이(210) 및 추가 렌즈 어레이(230)는 광학 렌즈 어레이라고 나타낼 수 있다. 결상 렌즈 어레이(210) 중 하나는 다른 모든 광학 렌즈 어레이들보다 집광 렌즈 어레이(123)에 가장 인접하게 배치될 수 있다. 이미지 센서(120)에 가장 인접한 결상 렌즈 어레이(210)의 센싱 영역(229)에 대한 비원형 결상 광학 렌즈(211)의 면적 비율은 센싱 영역(229)에 대한 원형 렌즈의 면적 비율보다 클 수 있다. 따라서 비원형 결상 광학 렌즈(211)의 외곽 부분을 통과한 광선이 센싱 영역(229)의 외곽 부분에 도달하기 위해 요구되는 굴절력(optical power)이 감소될 수 있다. 다시 말해, 비원형 결상 광학 렌즈(211)의 외곽 부분에서의 광학 오차가 감소될 수 있다.

아래에서는 임의의 광선이 조리개(241)로부터 센싱 어레이에 도달하는 광 경로에서, 해당 광선이 통과하는 광학 요소들을 기준으로 설명한다. 예를 들어, 조리개(241), 추가 광학 렌즈(231), 결상 광학 렌즈(211), 및 센싱 영역(229)의 구조 및 배치를 주로 설명하고, 각 어레이의 나머지 광학 요소에 대해서도 유사한 설명이 적용될 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 이미지 장치에 포함되는 렌즈들의 예시적인 형상을 도시한다.

이미지 장치에서 광학 요소들은 각각 조리개(340), 추가 광학 렌즈(330), 결상 광학 렌즈(310)의 순서로 배치될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 추가 광학 렌즈(330) 및 결상 광학 렌즈(310)는 복수개로 구성될 수 있다.

조리개(340)는 결상 광학 렌즈(310)를 기준으로 센싱 어레이(320)의 반대편에 배치되고, 빛을 통과시킬 수 있다.

결상 광학 렌즈(310)는 이미지 장치의 주축(principal axis)에 대해 수직하는 단면이 비원형(non-circular shape)으로 구성되고, 외부로부터 수신된 빛을 통과시켜 센싱 어레이(320)로 전달할 수 있다. 결상 광학 렌즈(310)는 비원형 단면으로 구성됨으로써, 보다 넓은 센싱 영역을 커버할 수 있다. 결상 광학 렌즈(310)는 피사체로부터 수신된 빛을 굴절시켜 센싱 어레이(320)의 평면에 결상시키도록 구성될 수 있다. 결상 광학 렌즈(310)의 단면에 대해서는 하기 도 4 내지 도 5e에서 설명한다.

추가 광학 렌즈(330)는 주축에 대해 수직하는 단면이 원형(circular shape) 및 비원형 중 하나로 구성되고, 결상 광학 렌즈(310)를 기준으로 센싱 어레이(320)의 반대편, 조리개(340) 및 결상 광학 렌즈(310) 사이에 배치될 수 있다. 도 3에서 추가 광학 렌즈(330)는 원형 렌즈인 것으로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 추가 광학 렌즈(330)가 배치되는 경우, 복수의 추가 광학 렌즈(330) 중 일부는 원형 렌즈이고 나머지는 비원형 렌즈로 구성될 수도 있다.

센싱 어레이(320)는 앞서 설명한 바와 같이, 복수의 센싱 엘리먼트들을 포함하고, 결상 광학 렌즈(310)를 통과하여 수신되는 빛을 센싱 영역 내의 센싱 엘리먼트에서 센싱할 수 있다.

이미지 장치는 광학 필터(350)를 더 포함할 수 있다. 광학 필터(350)는 결상 광학 렌즈(310) 및 센싱 어레이(320) 사이에 배치될 수 있고, 결상 광학 렌즈(310)를 통과하는 빛의 일부 파장을 필터링할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 광학 필터(350)는 적외선 필터로서, 적외선 대역의 파장을 가지는 빛을 차단하고, 가시광선 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 도 3에 도시된 광학 필터(350)는 도 1a 및 도 1b에서 설명한 이미지 센서(120) 내의 광학 필터(122)와는 구별될 수 있다.

참고로, 결상 광학 렌즈(310) 및 센싱 어레이(320)를 포함하는 이미지 센서 사이에는 다른 결상 렌즈가 배치되지 않을 수 있다. 예를 들어, 이미지 장치가 추가 광학 렌즈(330) 및 결상 광학 렌즈(310)와 같이 복수의 렌즈들을 포함하는 경우, 센싱 어레이(320)와 마주보는 결상 광학 렌즈(310)는 추가 광학 렌즈(330)보다 센싱 어레이(320)에 인접한 렌즈일 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 이미지 장치에 포함되는 비원형 결상 광학 렌즈를 설명한다.

도 4는 렌즈 어레이의 한 결상 광학 렌즈(410) 및 센싱 어레이의 결상 광학 렌즈(410)에 대응하는 센싱 영역(420)을 프론트 뷰(front-view)로 도시한다.

일 실시예에 따르면, 센싱 영역(420)은 직사각형일 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 직사각형 센싱 영역(420)의 짧은 변의 길이는 a, 긴 변의 길이는 b로 도시되고, 직사각형의 중심으로부터 직사각형의 꼭지점까지의 길이(예를 들어, 대각 절반 길이)는 h로 도시되며 센싱 영역(420)의 대각 길이는 2h이고, 각각은 길이 단위로서 예시적으로 mm, um, 및 nm 등의 단위일 수 있다.

센싱 영역(420)보다 작게 구성되는 원형 렌즈(401)는 센싱 영역(420)의 일부 영역만 커버하므로, 해당 원형 렌즈(401)에 의해 커버되지 않는 나머지 영역으로는 외부로부터 수신된 빛이 도달하지 않을 수 있다. 또한, 해당 원형 렌즈(401)가 나머지 영역까지 빛을 전달하도록 구성될 경우, 해당 원형 렌즈(401)의 외곽 부분에서는 과도한 굴절로 인해 광학 수차가 발생할 수 있다.

일 실시예에 따르면 결상 광학 렌즈(410)는, 직사각형의 단변(short side)의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형 렌즈(411)의 일부가 절개된 렌즈일 수 있다. 예를 들어, 결상 광학 렌즈(410)는, 직사각형의 단변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형 렌즈(411)에서 결상 광학 렌즈(410)에 대응하는 센싱 영역(420)을 벗어난 부분(415)이 절개된 렌즈일 수 있다. 따라서 결상 광학 렌즈(410)의 단면은, 직사각형의 짧은 변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형의 일부에 해당하는 형태일 수 있다. 아래 도 5a 내지 도 5e에서는 결상 광학 렌즈(410)의 다양한 형상을 설명한다.

도 5a 내지 도 5e는 일 실시예에 따른 비원형 결상 광학 렌즈의 예시적인 형상들을 도시한다.

본 명세서에서 결상 광학 렌즈(511, 512, 513, 514, 515)는 도 4에서 설명한 바와 같이 원형 렌즈의 일부가 절개된 렌즈로서, 비원형 렌즈일 수 있다. 일 실시예에 따르면 결상 광학 렌즈(511, 512, 513, 514, 515)의 단면은, 센싱 영역(520)의 형태에 따라 결정될 수 있다. 결상 광학 렌즈(511, 512, 513, 514, 515)의 직경은, 절개되기 전의 원형 렌즈의 직경을 나타낼 수 있다. 원형 렌즈의 반경은 Lh라고 나타낼 수 있다. 결상 광학 렌즈(511, 512, 513, 514, 515)의 중심으로부터 센싱 영역(520)의 긴 변까지의 길이는 Lh'이라고 나타낼 수 있다.

도 5a는 결상 광학 렌즈(511)의 직경이 센싱 영역(520)의 짧은 변 길이 a보다 길고 긴 변 길이 b보다 짧은 예시를 설명한다. 결상 광학 렌즈(511)의 단면은, 2개의 서로 대향하는 호(arc)(551, 552) 및 각 호의 양단을 잇는 직선부들(553, 554)로 구성될 수 있다. 단면에서 제1 직선부(553)는 제1 호(551)의 제1 단과 제2 호(552)의 제1 단을 연결할 수 있다. 제2 직선부(554)는 제1 호(551)의 제2 단과 제2 호(552)의 제2 단을 연결할 수 있다.

도 5b는 결상 광학 렌즈(512)의 직경이 센싱 영역(520)의 긴 변 길이 b보다 길고, 대각 길이 2h보다 짧은 예시를 설명한다. 원형 렌즈의 상단 및 하단에 더하여 양 측부들이 센싱 영역(520)을 벗어나므로 절개될 수 있다. 결상 광학 렌즈(512)는 4개의 호(561, 563, 565, 567) 및 4개의 호를 연결하는 직선부들(562, 564, 566, 568)로 구성될 수 있다. 제1 호(561) 및 제3 호(565)는 서로 대향하고, 제2 호(563) 및 제4 호(567)는 서로 대향할 수 있다. 제1 직선부(562)는 제1 호(561) 및 제2 호(563)를 연결하고, 제2 직선부(564)는 제2 호(563) 및 제3 호(565)를 연결하며, 제3 직선부(566)는 제3 호(565) 및 제4 호(567)를 연결하고, 제4 직선부(568)는 제4 호(567) 및 제1 호(561)를 연결할 수 있다. 제1 직선부(562) 및 제3 직선부(566)는 서로 평행하고, 제2 직선부(564) 및 제4 직선부(568)는 서로 평행할 수 있다. 제1 직선부(562) 및 제3 직선부(566)는 제2 직선부(564) 및 제4 직선부(568)에 대해 수직할 수 있다.

도 5c는 결상 광학 렌즈(513)의 직경이 센싱 영역(520)의 대각 길이 2h 이상인 예시를 설명한다. 결상 광학 렌즈(513)의 단면은, 센싱 영역(520)의 대각 길이 2h 이상의 직경을 갖는 원형의 일부에 해당하는 형태일 수 있다. 상술한 원형 렌즈로부터 절개된 결상 광학 렌즈(513)의 단면은 사각형일 수 있다. 결상 광학 렌즈(513)의 단면에서 제1 직선부(571) 및 제3 직선부(573)는 서로 평행하고, 제2 직선부(572) 및 제4 직선부(574)는 서로 평행할 수 있다. 또한, 제1 직선부(571) 및 제3 직선부(573)는 제2 직선부(572) 및 제4 직선부(574)에 대해 직교할 수 있다.

실시예에 따른 비원형 광학 렌즈는 마주보는 해당 센싱 영역(520)과 비교하여 일정 이상의 단면적을 가질 수 있다. 도 5c는 센싱 영역(520)에 대한 비원형 광학 렌즈의 면적 비율이 최대로서 1인 예시를 도시하고, 도 5d는 센싱 영역(520)에 대한 비원형 광학 렌즈의 면적 비율이 최소인 예시를 도시한다.

도 5d는, 도 5a에 도시된 비원형 결상 광학 렌즈(511)가 절개되기 전에 가질 수 있는 최소 직경의 렌즈보다 작은 렌즈(514)를 도시한다. 다시 말해, 비원형 결상 광학 렌즈(511)의 직경은 원형 광학 렌즈(514)의 직경, 2Lh(=a) 보다 커야하며, 센싱 영역 대비 비원형 광학 렌즈의 면적 비율은 원형 광학 렌즈(514)를 기준으로 계산된 비율을 초과하여야 한다. 도 5d에 도시된 예시에서, 광학 렌즈의 단면적과 마주보는 해당 센싱 영역(520)의 비, 다시 말해, 센싱 영역(520)의 면적 S_sensor 대비 원형 광학 렌즈(514)의 면적 S_Lens,min의 면적의 비율은 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

상술한 수학식 1에 따르면, 센싱 영역(520)의 장변(long side) 및 단변의 비율 b:a=1:1인 경우, 최소 면적 비율이

일 수 있다. 다시 말해, 도 5a 내지 도 5d에 따르면, 센싱 영역(520)에 대한 비원형 결상 광학 렌즈(511, 512, 513, 514)의 단면적의 비율은 0.78을 초과하고 1 이하일 수 있다. 다만, 상술한 면적 비율은 센싱 영역(520)의 장변 및 단변의 비율에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 센싱 영역(520)의 장변 및 단변의 비율 b:a=4:3인 경우, 센싱 영역(520)에 대한 비원형 결상 광학 렌즈(511, 512, 513, 514)의 단면적의 비율은 0.58을 초과하고 1 이하일 수 있다. 센싱 영역(520)의 장변 및 단변의 비율 b:a=16:9인 경우, 센싱 영역(520)에 대한 비원형 결상 광학 렌즈(511, 512, 513, 514)의 단면적의 비율은 0.44를 초과하고 1 이하일 수 있다. 센싱 영역(520)의 장변 및 단변의 비율 b:a=2:1인 경우, 센싱 영역(520)에 대한 비원형 결상 광학 렌즈(511, 512, 513, 514)의 단면적의 비율은 0.39를 초과하고 1 이하일 수 있다. 센싱 영역(520)의 장변 및 단변의 비율 b:a=4:1인 경우, 센싱 영역(520)에 대한 비원형 결상 광학 렌즈(511, 512, 513, 514)의 단면적의 비율은 0.19를 초과하고 1 이하일 수 있다.

도 5e는 도 5a 내지 도 5d에서 상술한 결상 광학 렌즈(511, 512, 513, 514)의 크기 범위 중에서 결상 광학 렌즈(515)의 직경 2Lh이 센싱 영역(520)의 장변 b과 동일한 길이를 가지는 구조를 도시한다. 도 5e에 도시된 결상 광학 렌즈(515)는 센싱 영역(520)의 중심을 가로지르는 일축(예를 따라, 가로 축)을 따른 센싱 엘리먼트들을 모두 커버할 수 있다. 도 5e에 도시된 구조에서 센싱 영역(520)의 면적 S_sensor 대비 결상 광학 렌즈(515)의 면적 S_Lens,med의 면적의 비율은 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

상술한 수학식 2에 따르면, 센싱 영역(520)의 장변 및 단변의 비율 b:a=4:3인 경우, 센싱 영역(520)에 대한 비원형 결상 광학 렌즈(515)의 단면적의 비율은 대략 0.8961일 수 있다. 따라서 센싱 영역(520)에 대한 도 5e, 도 5b, 및 도 5c에 도시된 결상 광학 렌즈들(515, 512, 513)의 단면적의 비율은 0.89 이상이고 1 이하일 수 있다. 유사하게, 센싱 영역(520)의 장변 및 단변의 비율 b:a=16:9인 경우, 센싱 영역(520)에 대한 비원형 결상 광학 렌즈(515, 512, 513)의 단면적의 비율은 0.94 이상이고 1 이하일 수 있다. 센싱 영역(520)의 장변 및 단변의 비율 b:a=2:1인 경우, 센싱 영역(520)에 대한 비원형 결상 광학 렌즈(515, 512, 513)의 단면적의 비율은 0.95 이상이고 1 이하일 수 있다. 센싱 영역(520)의 장변 및 단변의 비율 b:a=4:1인 경우, 센싱 영역(520)에 대한 비원형 결상 광학 렌즈(515, 512, 513)의 단면적의 비율은 0.98 이상이고 1 이하일 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 비원형 결상 광학 렌즈의 세로 길이 및 센싱 영역의 대각 길이의 관계를 도시한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이 개구부(640)의 조리개를 통과한 광선은 추가 광학 렌즈(630) 및 결상 광학 렌즈(610)를 거쳐 센싱 어레이로 입사한다. 일 실시예에 따른 결상 광학 렌즈(610)는, 조리개의 테두리 지점들로부터 센싱 영역(620)의 외곽까지의 가상 직선(691)과 교차하도록 구성될 수 있다. 원형 렌즈로부터 상술한 가상 직선(691)과 교차하지 않는 부분은 절개될 수 있다. 결상 광학 렌즈(610)에서 광축(601)을 기준으로 하는 세로 길이 Lh'는 원형 렌즈의 반경 Lh보다 절개 길이 Cut-h만큼 작은 길이일 수 있다. 예를 들어, 결상 광학 렌즈(610)의 세로 길이 Lh'는 광축(601)을 기준으로 대각 절반 길이 h보다 작을 수 있다.

원형 렌즈로부터 절개된 결상 광학 렌즈(610)의 단면 형상은 도 5a 내지 도 5c에서 상술한 바와 같을 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다.

상술한 바와 같이 원형 렌즈로부터 절개 길이 Cut-h만큼 절개된 결상 광학 렌즈(610)는 센싱 어레이에서 다른 센싱 영역에 대응하는 다른 결상 광학 렌즈와 중첩되지 않도록 배치될 수 있다. 또한, 결상 광학 렌즈(610)가 조리개로부터 센싱 영역(620)의 외곽까지의 직선 경로와 교차하므로, 조리개를 통과한 광선이 결상 광학 렌즈(610)를 통과하여 센싱 영역(620)에 도달할 때까지 광학 수차 및 왜곡이 최소화될 수 있다.

참고로, 도 6은 길이 비교를 설명하기 위하여 비원형 결상 광학 렌즈(610)의 세로 길이 Lh' 및 센싱 영역의 대각 절반 길이 h를 동일한 2차원 평면에 도시한 것일 뿐, 비원형 결상 광학 렌즈(610) 및 센싱 어레이의 실제 배치를 도 6에 도시된 바로 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 결상 광학 렌즈(610) 및 센싱 어레이는 상술한 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 배치될 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 이미지 장치의 광 경로를 도시한다. 도 7은 결상 광학 렌즈(710)의 주 광선(chief ray)과 주변 광선(marginal ray)의 결상을 탑뷰(top-view)에서 도식화한 것이다.

일 실시예에 따르면, 결상 광학 렌즈(710)는 LD'의 직경을 가지는 원형 렌즈로부터 도 5a 내지 도 5c에 도시된 형상으로 절개된 렌즈일 수 있고, 원형 렌즈의 직경 LD'은 센싱 영역의 대각 길이 SD'와 동일하거나 유사할 수 있다.

여기서, 결상 광학 렌즈(710)의 외곽 부분(715)에서, 결상 광학 렌즈(710)의 중심으로부터 센싱 영역(720)의 외곽까지의 가상 직선에 대해 평행한 경로로 입사되는 제1 광선(781)의 제1 굴절각

및 결상 광학 렌즈(710)의 광축에 평행하게 입사되는 제2 광선(782)의 제2 굴절각

이 서로 유사할 수 있다. 외곽 부분(715)은 예를 들어, 결상 광학 렌즈(710)의 중심으로부터 센싱 영역(720)의 대각 절반 길이 h만큼 이격된 지점들 및 그 주변 지점들을 포함할 수 있다. 제1 광선(781)은 결상 광학 렌즈(710)의 외곽 부분(715)에 의해 굴절되어, 센싱 영역(720)의 외곽에 도달할 수 있다. 제2 광선(782)은 동일한 외곽 부분(715)에 의해 굴절되어, 센싱 영역(720)의 중심(예를 들어, 초점)에 도달할 수 있다. 제1 굴절각

및 제2 굴절각

의 각도 차이가 작을수록, 이미지 장치는 광학 수차 및 왜곡이 감소된 피사체 이미지를 획득할 수 있다.

또한, 제1 광선(781)이 센싱 어레이에 도달하는 제1 광 경로 및 제2 광선(782)이 센싱 어레이에 도달하는 제2 광 경로의 차이는 임계 경로 차이 미만일 수 있다. 다시 말해, 일 실시예에 따른 결상 광학 렌즈에서는, 렌즈의 0.0 필드(field)를 통과하는 빛(예를 들어, 센싱 영역의 중심을 향하는 빛) 및 1.0 필드(field)를 통과하는 빛(예를 들어, 센싱 영역의 외곽을 향하는 빛)의 광 경로 길이(OPD, optical path length)의 차이가 감소될 수 있다. 상술한 광 경로 길이의 차이가 감소될수록, 광학 수차 및 왜곡이 감소될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰에 구현되는 카메라 렌즈에 있어서, 1.0 필드와 0.0 필드에서의 렌즈의 절반(half) 크기의 최대 사이즈가 10 mm일 수 있다. 또한, 0.0 필드(field)를 통과하는 빛 및 1.0 필드(field)를 통과하는 빛이 센서에 도달하는 광 경로 길이의 차이는 10mm 이내일 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 MTF(Modulation Transfer Function)를 설명하는 도면이다.

도 8a에서는 도 3에 도시된 이미지 장치 구조의 측면도(side-view) 및 해당 이미지 장치의 MTF가 도시된다. 도 8b에서는 도 3과 달리 원형 렌즈들(830)로 구성된 장치 구조의 측면도 및 해당 장치의 MTF가 도시된다. MTF는 광 성능을 나타내는 지표의 일종일 수 있다. MTF 그래프들(891, 892)에서 세로 축은 MTF 수치, 가로 축은 공간 주파수(spatial frequency)를 나타낼 수 있다. MTF 그래프들(891, 892)에서, 개별 선(line)은 조리개에 대해 임의의 입사각으로 입사하는 광선의 MTF 값들의 추이를 나타낼 수 있다. MTF 값들의 추이는 공간 주파수에 따라 나타날 수 있다. 입사각은 조리개의 입사 경계면의 수직 법선을 기준으로 하는 각도를 나타낼 수 있다.

도 8a에 도시된 이미지 장치 구조에서는, 개구부(340)에서 조리개의 중심 및 외곽을 통과한 광선들이 추가 광학 렌즈(330), 결상 광학 렌즈(310), 및 광학 필터(350)를 통과하여 센싱 영역(320)에 도달할 수 있다. 도 8b에 도시된 장치 구조에서는, 개구부(340)에서 조리개를 통과한 광선들이 원형 렌즈들(830) 및 광학 필터(350)를 통과하여 센싱 영역(320)에 도달할 수 있다. 조리개에 수직으로 입사하는 광선은 도 8a에 도시된 이미지 장치 구조에서 가장 뒷단의 결상 광학 렌즈(310) 및 도 8b에 도시된 장치 구조에서 가장 뒷단의 원형 렌즈(830)의 중심부(central portion)를 통과할 수 있다. 조리개와 광선이 이루는 입사각이 커질 수록, 해당 광선은 가장 뒷단의 결상 광학 렌즈(310) 및 가장 뒷단의 원형 렌즈(830)의 중심부로부터 보다 먼 부분(예를 들어, 외곽 부분(outer portion))을 통과할 수 있다.

입사각이 큰 광선으로서 결상 광학 렌즈(310)의 외곽 부분을 통과하는 빛에 대해서도 MTF가 크게 저하되지 않는다. 반면, 도 8b에 도시된 장치의 MTF 그래프(892)에서는 조리개에 대한 입사각이 큰 광선으로서 원형 렌즈(830)의 외곽 부분을 통과하는 빛의 MTF 수치(899)는 공간 주파수가 증가할수록 급격하게 감쇄된다. 따라서, 도 8a에 도시된 이미지 장치의 MTF 그래프(891)에서는 광선의 입사각 및 공간 주파수 별로 안정적인 값의 MTF가 나타날 수 있다.

도 9는 일 실시예에 따른 이미지 장치에서 비원형 렌즈로 구성되는 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.

이미지 장치는 복수의 비원형 결상 광학 렌즈들이 배열된 렌즈 어레이(900)를 결상 어레이로서 포함할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 어레이(900)는 결상 광학 렌즈(910) 및 결상 광학 렌즈(910)와 동일한 형태 및 크기의 추가 결상 광학 렌즈로 구성될 수 있다. 결상 광학 렌즈(910) 및 추가 결상 광학 렌즈는 동일한 평면을 따라 배치될 수 있다. 결상 광학 렌즈(910)에 의해 커버되는 센싱 영역(920) 및 추가 결상 광학 렌즈에 의해 커버되는 센싱 영역의 크기 및 형태도 서로 동일할 수 있다.

도 9에서, 센싱 어레이의 크기가 MХN (mm) 크기이고, 렌즈 어레이(900)가 2Х2 개의 결상 광학 렌즈들을 포함하는 구조를 도시한다. 센싱 어레이에서 각 결상 광학 렌즈(910)가 차지하는 센싱 영역은 M/2×N/2의 크기가 된다.

도 10은 일 실시예에 따른 이미지 장치에서 사각 렌즈에 의한 유효 센싱 영역을 설명하는 도면이다.

동일한 크기의 센싱 영역에서 렌즈 크기에 따라 사용 가능한 유효 센싱 영역이 달라질 수 있다. 예를 들어, 렌즈 어레이에서 원형 결상 렌즈(1001)가 사용되는 경우, 각 원형 결상 렌즈(1001)에 할당된 센싱 영역(1002) 바깥으로 렌즈가 돌출될 수 없으므로, 원형 결상 렌즈(1001)의 직경은 센싱 영역(1002)에서 짧은 변의 길이 이하로 제한될 수 있다. 이 경우, 해당 원형 결상 렌즈(1001)의 유효 센싱 영역(1009)은 도 10에 도시된 바와 같이, 센싱 영역(1002)의 일부 영역으로 제한될 수 있다. 예를 들어, 센싱 어레이가 최대 108.6M (12032Х9024)의 해상도를 지원할 수 있는 센싱 엘리먼트들을 포함하는 경우, 원형 결상 렌즈(1001)의 유효 센싱 영역(1009)의 해상도는 81 M로 제한될 수 있다.

반면, 도 1 내지 도 9에서 설명한 바와 같이 비원형 결상 렌즈(1010)를 사용하는 경우, 비원형 결상 렌즈(1010)의 유효 센싱 영역(1090)은 센싱 영역(1020)과 실질적으로 동일하거나 유사하므로 유효 센싱 영역(1090)의 해상도가 108M일 수 있다. 다시 말해, 비원형 결상 렌즈(1010)가 배치될 경우, 이미지 장치는 센싱 영역(1020)의 완전한 영역(full region)을 사용할 수 있다. 따라서, 일 실시시예에 따른 비원형 결상 렌즈(1010)를 포함하는 이미지 장치는, 원형 결상 렌즈(1001 대비 동일한 센싱 영역(1020)에 대해서도 증가된 해상도의 이미지를 촬영할 수 있다.

참고로 도 10에서는 비원형 결상 렌즈(1010)로서 사각 렌즈가 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 비원형 결상 렌즈(1010)는 직사각형 및 정사각형 외에도 변형된 사각형 형태의 단면을 가질 수도 있다.

도 11은 일 실시예에 따른 이미지 장치에서 사각 렌즈로 구성되는 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.

렌즈 엘리먼트들이 격자 패턴으로 평면을 따라 배치되는 렌즈 어레이에서, 원형 렌즈(1101)의 직경(LD')이 개별 센싱 영역(1120)의 대각 길이(SD') 이상인 경우, 각 원형 렌즈(1101)는 다른 원형 렌즈(1101)와 중첩되는 영역이 발생한다. 물리적으로 렌즈들이 중첩될 수는 없으므로, 일 실시예에 따른 비원형 결상 광학 렌즈(1110)는 센싱 영역(1120)의 대각 길이(SD') 이상의 직경(LD')을 가지는 원형 렌즈(1101)로부터 일부가 절개된 형상으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 원형 렌즈(1101)에서 다른 원형 렌즈(1101)와 중첩되는 부분들이 절개될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 센싱 영역(1120)의 대각 길이(SD') 이상의 직경(LD')을 가지는 원형 렌즈(1101)로부터 일부가 절개된 비원형 결상 광학 렌즈(1110)는, 사각형의 단면을 가질 수 있다. 참고로, 도 11에서는 렌즈 어레이에서 모든 비원형 결상 광학 렌즈(1110)가 동일한 형상의 광축에 수직한 단면이 사각형인 렌즈로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 렌즈 어레이에서 적어도 한 결상 렌즈의 형상은 다른 결상 렌즈의 형상과 다를 수도 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 사각형 단면을 가지는 결상 광학 렌즈에 의해 각 센싱 영역(1120)의 완전한 영역(full region)이 커버되므로, 렌즈의 성능이 극대화되고, 광학 수차 등이 감소될 수 있다. 따라서, 이미지 장치는 보다 향상된 해상도로 피사체의 이미지를 획득할 수 있다.

도 12는 일 실시예에 따른 이미지 장치의 구성을 설명하는 블록도이다. 도 13은 일 실시예에 따른 모바일 단말을 설명하는 도면이다.

일 실시예에 따른 이미지 장치(1200)는 개구부(1240), 추가 광학 렌즈(1230), 결상 광학 렌즈(1210), 센싱 어레이(1220), 및 프로세서(1260)를 포함할 수 있다. 추가 광학 렌즈(1230) 및 결상 광학 렌즈(1210)와 같은 렌즈 레이어는 N개로 구성될 수 있다. 여기서, N은 2이상의 정수일 수 있다. 추가 광학 렌즈(1230) 레이어는 1개 이상의 레이어일 수 있고, 결상 광학 렌즈(1210) 레이어도 1개 이상의 레이어일 수 있다. 센싱 어레이(1220)는 빛을 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 센싱 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 개구부(1240), 추가 광학 렌즈(1230), 결상 광학 렌즈(1210), 및 센싱 어레이(1220)는 도 1 내지 도 12에서 상술하였으므로, 나머지 상세한 설명을 생략한다. 참고로, 결상 광학 렌즈(1210), 및 센싱 어레이(1220)를 포함하는 모듈을 이미지 센싱 모듈(image sensing module)이라고 나타낼 수 있다. 또한, 이미지 센싱 모듈은 결상 광학 렌즈(1210) 및 센싱 어레이(1220) 외에도 설계에 따라 추가적으로 개구부(1240), 추가 광학 렌즈(1230), 광학 필터(도 1a 및 도 1b의 122), 및 집광 렌즈 어레이(도 1a 및 도 1b의 123) 중 하나 또는 둘 이상의 조합을 더 포함할 수도 있다.

프로세서(1260)는 개구부(1240), 추가 광학 렌즈(1230), 및 결상 광학 렌즈(1210)를 통해 피사체의 정보를 획득하고, 피사체에 관한 이미지를 복원할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1260)는 센싱 어레이(1220)에 의해 센싱된 센싱 정보에 기초하여, 이미지를 생성할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1260)는 개별 센싱 영역에서 센싱된 센싱 정보로부터 해당 센싱 영역에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다. 프로세서(1260)는 센싱 어레이(1220)를 구성하는 센싱 영역의 개수만큼의 이미지를 획득할 수 있다. 프로세서(1260)는 센싱 정보에 기초하여 생성된 이미지들을 재배열 및/또는 재구성함으로써 단일 고해상도 이미지를 복원할 수 있다. 다만, 프로세서(1260)의 동작을 이로 한정하는 것은 아니다.

일 실시예에 따른 이미지 장치(1200)는 도 13에 도시된 모바일 단말(1300)로서 구현될 수도 있다.

모바일 단말(1300)의 이미지 센싱 모듈(1390)은 비원형 결상 광학 렌즈(예를 들어, 사각 단면을 가지는 렌즈)로 구성된 결상 렌즈 어레이(1394)를 통해 초박형 구조로 구현될 수 있다. 이미지 센싱 모듈(1390)은 비원형 결상 광학 렌즈를 통해 외부의 빛을 수신하고, 복수의 센싱 엘리먼트들에서 외부의 빛을 센싱하여 센싱 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센싱 모듈(1390)은 센싱 어레이(1391), 광학 필터(1392), 집광 렌즈 어레이(1393), 결상 렌즈 어레이(1394), 추가 렌즈 어레이(1395), 및 개구부(1396)를 포함할 수 있다. 이미지 센싱 모듈(1390)의 각 구성요소는 도 12에서 상술하였으므로, 자세한 설명을 생략한다.

이미지 센싱 모듈(1390)은 스마트폰 카메라, DSLR 카메라, 차량용/Drone/CCTV 등 인식을 위한 비전(vision)용 카메라 모듈로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 모바일 단말(1300)의 후면 카메라(1311) 및 전면 카메라(1312) 중 하나 이상이 이미지 센싱 모듈(1390)일 수 있다. 후면 카메라(1311)는 복수의 후면 카메라 모듈들을 포함할 수 있고, 복수의 후면 카메라 모듈들 중 하나 이상이 이미지 센싱 모듈(1390)일 수 있다. 또한, 전면 카메라(1312)는 하나 이상의 전면 카메라 모듈을 포함할 수 있고, 하나 이상의 전면 카메라 모듈 중 하나 이상이 이미지 센싱 모듈(1390)일 수 있다.

후면 카메라(1311)는 모바일 단말(1300)의 하우징에서 디스플레이(1340)와 다른 면에 배치되는 카메라로서, 예를 들어, 디스플레이(1340)의 반대면에 배치되는 카메라를 나타낼 수 있다. 후면은 모바일 단말(1300)에서 디스플레이(1340)가 배치된 면의 반대편 면을 나타낼 수 있다. 전면 카메라(1312)는 모바일 단말(1300)의 하우징에서 디스플레이(1340)와 같은 면에 배치될 수 있다. 전면은 모바일 단말(1300)에서 디스플레이(1340)가 배치된 면을 나타낼 수 있다.

초박형 구조의 이미지 센싱 모듈(1390)은 결상 렌즈 어레이(1394)를 통해 센싱 어레이(1391)로 빛을 전달하고, 모바일 단말(1300)의 프로세서(1320)는 센싱 어레이(1391)를 통해 피사체의 이미지를 획득할 수 있다. 프로세서(1320)는 이미지 센싱 모듈(1390)에 의해 생성된 센싱 정보에 기초하여 출력 이미지를 복원할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1320)는 도 12에서 상술한 바와 같이, 센싱 어레이(1391)를 구성하는 센싱 영역의 개수만큼의 이미지를 획득할 수 있다. 각 센싱 영역에 대응하여 획득되는 입력 이미지는 저해상도 이미지일 수 있다. 프로세서(1320)는 센싱 정보에 기초하여 생성된 이미지들을 재배열 및/또는 재구성함으로써 이미지 센싱 모듈(1390)에 대한 고해상도의 단일 출력 이미지를 복원할 수 있다. 참고로, 도 13에서 프로세서(1320)는 하나만 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니고 모바일 단말(1300)이 복수의 프로세서들을 포함할 수 있고, 복수의 프로세서들 중 적어도 한 프로세서(1320)가 이미지 센싱 모듈로부터 센싱된 센싱 정보에 대하여 이미지 프로세싱을 수행할 수 있다.

메모리(1330)는 센싱 정보 및 출력 이미지 중 적어도 하나를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1330)는 프로세서(1320)에 의해 센싱 정보로부터 고해상도의 출력 이미지를 복원하는 동작을 수행하는 과정에서 요구되거나 산출되는 데이터를 임시적으로 또는 영구적으로 저장할 수 있다.

도 14은 일 실시예에 따른 이미지 센싱 방법을 설명하는 흐름도이다.

우선, 단계(1410)에서 이미지 장치는 이미지 장치의 주축에 대해 수직하는 단면이 비원형으로 구성되는 결상 광학 렌즈가 외부로부터 수신된 빛을 통과시켜 센싱 어레이로 전달할 수 있다.

그리고 단계(1420)에서 이미지 장치는 센싱 어레이에서 센싱 영역 내의 센싱 엘리먼트가, 결상 광학 렌즈를 통과하여 수신되는 빛을 센싱할 수 있다.

다만, 이미지 센싱 방법을 상술한 바로 한정하는 것은 아니고, 도 1 내지 도 12에서 상술한 동작들 중 적어도 하나와 동시에 병렬적으로 및/또는 순차적으로 수행될 수 있다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.　　

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

복수의 센싱 엘리먼트들을 포함하는 센싱 어레이;
주축(principal axis)에 대해 수직하는 단면이 비원형(non-circular shape)으로 구성되고, 외부로부터 수신된 빛을 통과시켜 전달하는 복수의 결상 광학 렌즈(imaging optical lens)들을 포함하는 결상 렌즈 어레이; 및
상기 결상 렌즈 어레이 및 센싱 어레이 사이에 배치되어, 상기 결상 렌즈 어레이를 통과한 빛을 상기 센싱 엘리먼트로 전달하는 복수의 집광 렌즈들을 포함하는 집광 렌즈 어레이
를 포함하고,
상기 결상 광학 렌즈들의 개수는 상기 복수의 집광 렌즈들의 개수보다 작은,
이미지 장치.
제1항에 있어서,
상기 주축에 대해 수직하는 단면이 원형(circular shape) 및 비원형 중 하나로 구성되고, 상기 결상 렌즈 어레이를 기준으로 상기 센싱 어레이의 반대편에 배치되는 추가 광학 렌즈
를 더 포함하는 이미지 장치.
제2항에 있어서,
상기 결상 렌즈 어레이는 광학 렌즈 어레이들 중 상기 집광 렌즈 어레이에 대해 가장 인접하게 배치된 렌즈 어레이인,
이미지 장치.
제1항에 있어서,
상기 결상 렌즈 어레이를 기준으로 상기 센싱 어레이의 반대편에 배치되고, 상기 빛을 통과시키는 조리개
를 더 포함하는 이미지 장치.
제1항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈로부터 빛을 수신하는 센싱 엘리먼트들을 포함하는 영역은 직사각형이고, 상기 결상 광학 렌즈의 상기 단면은 상기 직사각형의 짧은 변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형의 일부에 해당하는 형태인,
이미지 장치.
제5항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈는,
상기 직사각형의 단변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형 렌즈의 일부가 절개된 렌즈인,
이미지 장치.
제1항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈는,
조리개의 테두리 지점들로부터 상기 센싱 영역의 외곽까지의 가상 직선과 교차하도록 구성되는,
이미지 장치.
제1항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈의 외곽 부분에서, 상기 결상 광학 렌즈의 중심으로부터 상기 센싱 영역의 외곽까지의 가상 직선과 평행하게 입사되는 제1 광선의 제1 굴절각 및 상기 결상 광학 렌즈의 광축에 평행하게 입사되는 제2 광선의 제2 굴절각이 서로 유사한,
이미지 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 광선이 상기 센싱 어레이에 도달하는 제1 광 경로 및 상기 제2 광선이 상기 센싱 어레이에 도달하는 제2 광 경로의 차이는 임계 경로 차이 미만인,
이미지 장치.
제1항에 있어서,
상기 센싱 어레이에 의해 센싱된 센싱 정보에 기초하여, 이미지를 생성하는 프로세서
를 더 포함하는 이미지 장치.
이미지 장치에 있어서,
주축(principal axis)에 대해 수직하는 단면이 비원형(non-circular shape)으로 구성되고, 외부로부터 수신된 빛을 통과시켜 전달하는 결상 광학 렌즈(imaging optical lens); 및
복수의 센싱 엘리먼트들을 포함하고, 상기 결상 광학 렌즈를 통과하여 수신되는 빛을 상기 복수의 센싱 엘리먼트들 중 센싱 영역 내의 센싱 엘리먼트에서 센싱하는 센싱 어레이
를 포함하고,
상기 결상 광학 렌즈 및 상기 센싱 어레이는 분수 정렬 구조(fractional alignment structure)로 배치되는,
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 주축에 대해 수직하는 단면이 원형(circular shape) 및 비원형 중 하나로 구성되고, 상기 결상 광학 렌즈를 기준으로 상기 센싱 어레이의 반대편에 배치되는 추가 광학 렌즈
를 더 포함하는 이미지 장치.
제12항에 있어서,
복수의 렌즈들 중 상기 결상 광학 렌즈는, 집광 마이크로 렌즈 및 상기 센싱 어레이를 포함하는 이미지 센서에 가장 인접한 렌즈인,
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈를 기준으로 상기 센싱 어레이의 반대편에 배치되고, 상기 빛을 통과시키는 조리개
를 더 포함하는 이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈로부터 빛을 수신하는 센싱 엘리먼트들을 포함하는 영역은 직사각형이고, 상기 결상 광학 렌즈의 상기 단면은 상기 직사각형의 짧은 변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형의 일부에 해당하는 형태인,
이미지 장치.
제15항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈는,
상기 직사각형의 단변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형 렌즈의 일부가 절개된 렌즈인,
이미지 장치.
제15항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈는,
상기 직사각형의 단변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형 렌즈에서 상기 결상 광학 렌즈에 대응하는 센싱 영역을 벗어난 부분이 절개된 렌즈인,
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈의 상기 단면은,
2개의 서로 대향하는 호(arc) 및 각 호의 양단을 잇는 직선부들로 구성되는,
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈의 상기 단면은,
4개의 호 및 상기 4개의 호를 연결하는 직선부들로 구성되는,
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈의 상기 단면은,
상기 센싱 영역의 대각 길이 이상의 직경을 갖는 원형의 일부에 해당하는 형태인,
이미지 장치.
제20항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈의 상기 단면이 사각형인,
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈는,
조리개의 테두리 지점들로부터 상기 센싱 영역의 외곽까지의 가상 직선과 교차하도록 구성되는,
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈의 외곽 부분에서, 상기 결상 광학 렌즈의 중심으로부터 상기 센싱 영역의 외곽까지의 가상 직선과 평행하게 입사되는 제1 광선의 제1 굴절각 및 상기 결상 광학 렌즈의 광축에 평행하게 입사되는 제2 광선의 제2 굴절각이 서로 유사한,
이미지 장치.
제23항에 있어서,
상기 제1 광선이 상기 센싱 어레이에 도달하는 제1 광 경로 및 상기 제2 광선이 상기 센싱 어레이에 도달하는 제2 광 경로의 차이는 임계 경로 차이 미만인,
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 센싱 영역에 대한 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적의 비율은 0.78을 초과하고 1 이하인
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 센싱 영역에 대한 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적의 비율은 0.58을 초과하고 1 이하인
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 센싱 영역에 대한 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적의 비율은 0.44를 초과하고 1 이하인
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 센싱 영역에 대한 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적의 비율은 0.39를 초과하고 1 이하인
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 센싱 영역에 대한 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적의 비율은 0.89 이상이고 1 이하인
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 이미지 장치는,
복수의 상기 비원형 결상 광학 렌즈가 배열된 렌즈 어레이
를 포함하는 이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 센싱 어레이에 의해 센싱된 센싱 정보에 기초하여, 이미지를 생성하는 프로세서
를 더 포함하는 이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 결상 광학 렌즈 및 상기 결상 광학 렌즈와 동일한 형태 및 크기의 추가 결상 광학 렌즈로 구성되는 렌즈 어레이
를 더 포함하고,
상기 결상 광학 렌즈 및 상기 추가 결상 광학 렌즈는 동일한 평면을 따라 배치되는,
이미지 장치.
제11항에 있어서,
상기 분수 정렬 구조는,
상기 센싱 영역이 비정수개(non-integer)의 센싱 엘리먼트를 포함하는 구조인,
이미지 장치.
외부로부터 수신된 빛을 통과시켜 전달하는 복수의 비원형 결상 광학 렌즈들을 포함하는 결상 렌즈 어레이; 및
상기 비원형 결상 광학 렌즈들을 통과하여 수신되는 빛을 센싱하는 복수의 센싱 영역들을 포함하고, 각각의 센싱 영역은 복수의 센싱 엘리먼트들을 포함하는 센싱 어레이
를 포함하는 이미지 장치.
제34항에 있어서,
상기 센싱 어레이의 각각의 센싱 영역은 4개 이상의 센싱 엘리먼트들을 포함하는,
이미지 장치.
제34항에 있어서,
상기 센싱 어레이의 각각의 센싱 영역은 9개 이상의 센싱 엘리먼트들을 포함하는 이미지 장치.
제34항에 있어서,
상기 결상 렌즈 어레이를 기준으로 상기 센싱 어레이의 반대편에 배치되고, 상기 빛을 통과시키는 조리개
를 더 포함하는 이미지 장치.
제34항에 있어서,
상기 결상 렌즈 어레이와 상기 센싱 어레이 사이에 배치되어, 상기 통과하는 빛의 일부 파장을 필터링하는 필터
를 더 포함하는 이미지 장치.
제34항에 있어서,
이미지 장치의 주축에 대해 수직하는 단면이 원형(circular shape) 및 비원형 중 하나로 구성되고, 상기 결상 렌즈 어레이를 기준으로 상기 센싱 어레이의 반대편에 배치되는 추가 광학 렌즈
를 더 포함하는 이미지 장치.
제34항에 있어서,
상기 센싱 어레이에 의해 센싱된 센싱 정보에 기초하여, 이미지를 생성하는 프로세서
를 더 포함하는 이미지 장치.
제34항에 있어서,
상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면적과 상기 센싱 엘리먼트의 비율은 0.78부터 1.0 까지인
이미지 장치.
제34항에 있어서,
상기 결상 렌즈 어레이 및 상기 센싱 어레이 사이에 배치되어, 상기 결상 렌즈 어레이를 통과한 빛을 상기 센싱 어레이로 전달하는 복수의 집광 렌즈들을 포함하는 집광 렌즈 어레이
를 더 포함하는 이미지 장치.
제42항에 있어서,
상기 복수의 집광 렌즈들의 개수는 상기 복수의 비원형 결상 광학 렌즈들의 개수보다 큰,
이미지 장치.
비원형 결상 광학 렌즈를 통해 외부의 빛을 수신하고, 복수의 센싱 엘리먼트들에서 상기 외부의 빛을 센싱하여 센싱 정보를 생성하는 이미지 센싱 모듈;
상기 이미지 센싱 모듈에 의해 생성된 상기 센싱 정보에 기초하여 출력 이미지를 복원하는 프로세서; 및
상기 센싱 정보 및 상기 출력 이미지 중 적어도 하나를 저장하는 메모리
를 포함하는 모바일 단말.
제44항에 있어서,
상기 이미지 센싱 모듈은,
상기 비원형 결상 광학 렌즈 및 상기 복수의 센싱 엘리먼트들 사이에 배치되어, 상기 비원형 결상 광학 렌즈를 통과한 빛을 상기 복수의 센싱 엘리먼트들로 전달하는 복수의 집광 렌즈들
을 더 포함하는 모바일 단말.
제45항에 있어서,
상기 비원형 결상 광학 렌즈는 광학 렌즈들 중 상기 복수의 집광 렌즈들에 대해 가장 인접하게 배치된 렌즈인,
모바일 단말.
제44항에 있어서,
상기 비원형 결상 광학 렌즈로부터 빛을 수신하는 센싱 엘리먼트들을 포함하는 영역은 직사각형이고, 상기 비원형 결상 광학 렌즈의 단면은 상기 직사각형의 짧은 변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형의 일부에 해당하는 형태인,
모바일 단말.
제44항에 있어서,
상기 비원형 결상 광학 렌즈는,
상기 직사각형의 단변의 길이보다 더 큰 직경을 갖는 원형 렌즈의 일부가 절개된 렌즈인,
모바일 단말.