KR20220132011A - 공간적으로 변화하는 편광기들을 이용하는 카메라 디바이스 - Google Patents

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KR20220132011A
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조슈아 마크 허드만
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밸브 코포레이션
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Abstract

본 개시의 시스템들 및 방법들은, 개선된 성능을 갖는 콤팩트한 디자인을 제공하기 위해 하나 이상의 멀티-트위스트 지연기들과 같은 하나 이상의 공간적으로 변화하는 편광기들을 사용하는 콤팩트한 카메라 디바이스를 제공한다. 공간적으로 변화하는 편광기들은 카메라에 의해 수신된 광을 멀티플렉싱하기 위해 사용될 수 있으며, 이는, 광학부가 더 양호한 해상도, 감소된 폼 팩터, 또는 다른 장점들을 제공하기 위해 편광 특정 방식으로 입사 광을 수정(예를 들어, 포커싱)하는 것을 가능하게 한다.

Description

공간적으로 변화하는 편광기들을 이용하는 카메라 디바이스
본 개시는 카메라 디바이스에 관한 것으로서, 구체적으로는, 공간적으로 변화하는 편광기(spatially varying polarizer)들을 이용하는 카메라 디바이스에 관한 것이다.
다양한 소비자 전자 디바이스들에서의 카메라들의 광범위한 채택은 카메라들의 폼 팩터(또는 크기)를 감소시키는 것 및 이미지 캡처 성능을 향상시키는 것 둘 모두에 대한 필요성을 가져왔다. 소비자 전자 디바이스의 전체적인 콤팩트한 폼 팩터를 유지하기 위해, 머리-착용 디스플레이(head-mounted display; HMD)에 대한 카메라 또는 스마트폰 카메라와 같은 소비자 전자 디바이스의 크기를 감소시키는 것이 유익하다. 추가로, 사용자들이 사진들 및 비디오를 촬영하기 위해 소비자 전자 디바이스에 점점 더 의존함에 따라, 콤팩트한 폼 팩터 내에서 소비자 전자 디바이스 카메라들에 다양한 성능들을 장착하는 것이 점점 더 중요해지고 있다.
카메라 디바이스는, 공간적으로 변화하는 편광기(spatially varying polarizer)로서, 광을 수신하고; 그리고 광의 제1 성분을 제1 각도로 그리고 광의 제2 성분을 제2 각도로 회절시키도록 구성되며, 제1 성분은 제1 편광을 가지고 제2 성분은 제1 편광과는 상이한 제2 편광을 갖는, 공간적으로 변화하는 편광기; 제1 및 제2 성분들을 각각 수신하도록 위치되며, 제1 및 제2 성분들에 대해 각각 제1 및 제2 광학 교정을 수행하고, 제1 및 제2 광학적으로-교정된 성분들을 각각 출력하도록 구성되는 제1 및 제2 광학적 부분들; 및 광의 제1 및 제2 광학적으로-교정된 성분들을 캡처하도록 구성되는 센서를 포함하는 것으로서 요약될 수 있다. 제1 광학적 부분은, 제1 성분에 대해 회절 패턴에 따른 회절, 광 콜리메이션, 광 포커싱, 이미지 선명화, 각도 해상도 수정, 초점 길이 수정 또는 수차 교정 중 적어도 하나를 수행하도록 구성될 수 있다. 제2 광학적 부분은, 제2 성분에 대해 회절 패턴에 따른 회절, 광 콜리메이션, 광 포커싱, 이미지 선명화, 각도 해상도 수정, 초점 길이 수정 또는 수차 교정 중 적어도 하나를 수행하도록 구성될 수 있다. 공간적으로-변화하는 편광기는 멀티-트위스트 지연기(multi-twist retarder; MTR)를 포함할 수 있다. 카메라 디바이스는, 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 공간적으로 변화하는 편광기를 스위칭하도록 구성되는 제어기를 포함할 수 있다. 센서는, 제1 광학적으로-교정된 성분을 캡처하도록 구성된 제1 센서, 및 제2 광학적으로-교정된 성분을 캡처하도록 구성된 제2 센서를 포함할 수 있다.
카메라 디바이스는, 복수의 픽셀들에서 이미지를 캡처하도록 구성되는 센서; 공간적으로 변화하는 편광기로서, 광을 수신하고; 그리고 제1 편광 상태를 갖는 광의 제1 성분 및 제1 편광 상태와는 상이한 제2 편광 상태를 갖는 광의 제2 성분을 출력하도록 구성되는, 공간적으로 변화하는 편광기; 제1 및 제2 성분들 각각에 대해 광학 교정을 수행하고, 제1 및 제2 광학적으로-교정된 성분들을 각각 출력하도록 구성되는 광학적 부분; 및 제1 편광 상태에 기초하여 센서로의 제1 광학적으로-교정된 성분의 통과를 허용하거나 또는 차단하며, 제2 편광 상태에 기초하여 센서로의 제2 광학적으로-교정된 성분의 통과를 허용하거나 또는 차단하도록 동작하는 공간적으로 변화하는 센서 필터를 포함하는 것으로서 요약될 수 있다. 광학적 부분은, 제1 성분에 대해 회절 패턴에 따른 회절, 광 콜리메이션, 광 포커싱, 이미지 선명화, 각도 해상도 수정, 초점 길이 수정 또는 수차 교정 중 적어도 하나를 수행할 수 있다. 광학적 부분은, 제2 성분에 대해 회절 패턴에 따른 회절, 광 콜리메이션, 광 포커싱, 이미지 선명화, 각도 해상도 수정, 초점 길이 수정 또는 수차 교정 중 적어도 하나를 수행할 수 있다. 공간적으로 변화하는 편광기 및 공간적으로 변화하는 센서 필터 각각은 멀티-트위스트 지연기(multi-twist retarder; MTR)를 포함할 수 있다. 공간적으로 변화하는 센서 필터는 제1 필터 패턴을 갖는 제1 상태 및 제2 필터 패턴을 갖는 제2 상태로 동작하도록 구성될 수 있다. 카메라 디바이스는, 공간적으로 변화하는 센서 필터가 제1 상태 또는 제2 상태로 동작할지 여부를 나타내는 신호를 공간적으로 변화하는 센서 필터로 출력하도록 구성되는 제어기를 포함할 수 있다. 제1 상태에서, 공간적으로 변화하는 센서 필터는 복수의 픽셀들 중 픽셀들의 제1 세트로의 제1 편광을 갖는 광의 통과를 허용하고, 복수의 픽셀들 중 픽셀들의 제1 세트로의 제2 편광을 갖는 광의 통과를 차단하도록 구성될 수 있다. 제1 상태에서, 공간적으로 변화하는 센서 필터는 복수의 픽셀들 중 픽셀들의 제2 세트로의 제1 편광을 갖는 광의 통과를 차단하고, 복수의 픽셀들 중 픽셀들의 제2 세트로의 제2 편광을 갖는 광의 통과를 허용하도록 구성될 수 있다. 픽셀들의 제1 및 제2 세트들은 상호 배타적일 수 있으며, 픽셀들의 제1 및 제2 세트들의 조합은 복수의 픽셀들을 형성할 수 있다. 제어기는, 이미지 또는 비디오 캡처의 연속적인 프레임들 사이에서 공간적으로 변화하는 센서 필터를 제1 상태와 제2 상태 사이에서 교번적으로 스위칭하도록 구성될 수 있다. 제어기는 2개의 연속적인 프레임들을 사용하여 2개의 전체 해상도 이미지들을 생성하도록 동작가능할 수 있으며, 연속적인 프레임들의 각각은 제1 및 제2 편광 상태들의 각각에서 수신된 광에 대해 절반-해상도 이미지를 포함한다. 제어기는 좁은-각도 이미지 또는 비디오 캡처에 대해 제1 상태 또는 제2 상태로 공간적으로 변화하는 센서 필터를 동작시키도록 구성될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 카메라 디바이스의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 카메라 디바이스의 광학 시스템의 일 예를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 카메라 디바이스의 광학 시스템의 다른 예를 도시한다.
도 4는 제1 상태의 도 3의 광학 시스템의 공간적으로 변화하는 센서 필터의 일 예를 도시한다.
도 5는 제2 상태의 공간적으로 변화하는 센서 필터의 일 예를 도시한다.
다음의 설명에 있어, 어떤 특정 세부사항들이 개시된 다양한 구현예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여 기술되었다. 그러나, 당업자는 구현예들이 이러한 특정 세부사항들 중 하나 이상이 없는 상태로 또는 다른 방법들, 구성 요소들, 재료들 등과 함께 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예들에서, 컴퓨터 시스템들, 서버 컴퓨터들, 및/또는 통신 네트워크들과 연관된 잘 알려진 구조들은 구현예들의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위하여 상세하게 도시되지 않거나 또는 설명되지 않는다.
문맥이 달리 요구하지 않는 한, 다음의 명세서 및 청구항들 전체에 걸쳐, 단어 "구성되는"은 "포함하는"과 동의어이며, 포괄적이고 개방적이다(즉, 추가적인, 언급되지 않은 요소들 또는 방법 행동들을 배제하지 않는다). 본원에서 사용되는 용어 "세트"(예를 들어, "아이템들의 세트")에 대한 언급들은, 문맥에 의해 달리 언급되지 않거나 또는 모순되지 않는 한, 하나 이상의 멤버들 또는 인스턴스들을 포함하는 비어 있지 않은 모음으로서 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 구현예" 또는 "일 구현예"에 대한 이러한 설명의 언급은 구현예와 함께 설명된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 구현예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치들에서의 문구들 "하나의 구현예에서" 또는 "일 구현예에서"의 출현이 반드시 모두 동일한 구현예를 지칭하는 것이 아니다. 추가적으로, 특정 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 구현예들에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
본 명세서에서 그리고 첨부된 청구항들에서 사용될 때, 단수 형태들 "일", 및 "상기"는 문맥이 명백하게 달리 기재하지 않는 한 복수의 지시대상들을 포함한다. 용어 "또는"은 일반적으로, 문맥이 명백히 달리 기술하지 않는 한, "및/또는"을 포함하는 의미로 이용된다.
본원에서 제공되는 본 개시의 표제 및 요약은 오로지 편의를 위한 것이며, 구현예들의 의미 또는 범위를 해석하지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 카메라 디바이스(100)의 블록도를 도시한다. 카메라 디바이스(100)는 제어기(102), 광학 시스템(104), 메모리(106), 출력 디바이스(108) 및 입력 디바이스(110)를 포함한다. 제어기(102)는 광학 시스템(104), 메모리(106), 출력 디바이스(108) 및 입력 디바이스(110)에 동작가능하게 결합된다.
제어기(102)는 메모리(106)에 저장된 실행가능 명령어들을 실행하도록 구성됨 임의의 유형의 디바이스일 수 있다. 실행가능 명령어들이 제어기(102)에 의해 실행될 때, 실행가능 명령어들은 제어기(102)가 본원에서 설명되는 기능들 또는 기술들을 수행하게 한다. 제어기(102)는, 다른 것들 중에서도, 프로세서, 마이크로제어기 또는 마이크로프로세서일 수 있으며, 다른 연산 유닛들 중에서도, 산술 논리 유닛(arithmetic and logic unit; ALU)을 포함할 수 있다. 제어기(102)는 본원에서 설명되는 기술들을 수행할 수 있다. 제어기(102)는 내장된 시스템-온-칩(system-on-chip; SoC)일 수 있다. 제어기(102)는, 다른 것들 중에서도, 중앙 프로세싱 유닛(central processing unit; CPU) 또는 그래픽 프로세싱 유닛(graphics processing unit; GPU)을 포함할 수 있다.
광학 시스템(104)은, 다른 것들 중에서도, 하나 이상의 이미지들을 캡처하도록 동작하는 본원에서 설명되는 하나 이상의 이미지 센서들, 렌즈들, 필터들, 개구들 및 공간적으로 변화하는 편광기들의 어셈블리일 수 있다. 제어기(102)는 광학 시스템(104)을 제어하고 광학 시스템(104)의 동작 특성들을 지정하기 위해 광학 시스템(104)으로 제어 데이터를 전송할 수 있다. 제어기(102)는 또한 이미지 캡처를 트리거하기 위해 광학 시스템(104)으로 명령을 출력할 수 있다. 광학 시스템(104)은 하나 이상의 이미지들 캡처하고 하나 이상의 이미지들을 나타내는 데이터를 제어기(102)로 출력할 수 있다.
메모리(106)는 임의의 비-일시적인 컴퓨터-판독가능 저장 매체일 수 있다. 메모리(106)는, 제어기(102)에 의해 실행될 때 제어기(102)가 본원에서 설명되는 동작들, 방법들 또는 기술들을 수행하게 하는 실행가능 명령어들을 저장하도록 구성될 수 있다. 실행가능 명령어들은 컴퓨터 프로그램 또는 코드일 수 있다. 메모리(106)는 랜덤 액세스 메모리(random access memory; RAM) 및/또는 판독-전용 메모리(read-only memory; ROM)를 포함할 수 있다. 제어기(102)는 캡처 이미지들이 메모리(106)에 저장되게 할 수 있다.
출력 디바이스(108)는 사용자에게 데이터를 출력하도록 구성된 임의의 유형의 디바이스 중 하나 이상일 수 있다. 예를 들어, 출력 디바이스(108)는, 다른 것들 중에서도, 디스플레이 또는 스피커, 유선 또는 무선 통신 포트일 수 있다. 출력 디바이스(108)가 디스플레이일 때, 출력 디바이스(108)는 이미지 또는 비디오를 사용자에게 출력할 수 있다.
입력 디바이스(110)는 사용자 입력을 수신하도록 구성된 임의의 유형의 디바이스 중 하나 이상일 수 있다. 입력 디바이스(110)는, 다른 것들 중에서도, 키패드 또는 버튼들일 수 있다. 일 실시예에서, 입력 디바이스(110) 및 출력 디바이스(108)는 사용자에게 데이터 또는 이미지들을 디스플레이하고 사용자 입력을 수신하도록 동작가능한 터치스크린일 수 있다. 사용자는 광학 시스템(104)을 제어하기 위해 입력 디바이스(110)를 사용할 수 있다. 사용자는 광학 시스템(104)에 의한 이미지 캡처를 트리거하기 위해 입력 디바이스(110)를 사용할 수 있다.
카메라 디바이스(100)는 외부 디바이스와 통신하도록 구성된 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 인터페이스들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 인터페이스들은 모뎀 또는 트랜시버일 수 있다. 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 인터페이스들은 외부 디바이스와 통신할 수 있으며, 이미지들 또는 비디오를 외부 디바이스로 전송할 수 있다. 카메라 디바이스(100)는, 설명의 용이성을 위해 간략화된 도 1에 도시되지 않은 다른 요소들, 디바이스들 또는 엔티티들을 포함할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광학 시스템(104a)의 일 예를 도시한다. 광학 시스템(104a)은, 개구(220), 입력(223)을 갖는 공간적으로 변화하는 편광기(222), 제1 광학적 부분(224), 제2 광학적 부분(226), 제1 센서(228) 및 제2 센서(230)를 포함한다. 개구(220)는 이미징을 위해 광의 통과를 허용하도록 동작가능한 임의의 유형의 개구부일 수 있다.
공간적으로 변화하는 편광기(222)는, 단일 박막에서 정밀하고 맞춤화된 레벨들의 광대역, 협대역 또는 다중 대역 지연을 제공하는 파장판-형(waveplate-like) 지연 필름인, 하나 이상의 멀티-트위스트 지연기(multi-twist retarder; MTR)들로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, MTR은 단일 정렬 층을 가지며 단일 기판 상에 2개 이상의 트위스트된 액정(liquid crystal; LC) 층들을 포함한다. 후속 LC 층들은 이전 층들에 의해 직접적으로 정렬되며, 이는 단순한 제조를 허용하고, 자동 층 정합을 달성하며, 연속적으로 변화하는 광학 축을 갖는 모놀리식(monolithic) 필름을 야기한다. 이것의 공간적으로 변화하는 속성으로 인해, 멀티-트위스트 지연기는 국부화된 광학 교정을 제공한다. 국부화된 광학 교정은 수신된 광의 부분에 대해 작용할 수 있다.
공간적으로 변화하는 편광기(222)는 교정 광학부로서 동작하고, 이를 통과하는 광이 (굴절률에 따른) 굴절 또는 (회절 패턴에 따른) 회절을 겪게 하도록 구성될 수 있다. 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 편광-지향형(polarization-directed) 렌즈로서 형성될 수 있으며, 통과하는 광을 포커싱하기 위한 전기적-제어가능 초점 길이를 가질 수 있고, 통과하는 광에 대해 콜리메이션(collimation)을 수행할 수 있다. 이것의 공간적으로 변화하는 속성으로 인해, 멀티-트위스트 지연기는 (예를 들어, 제어기로부터의 입력을 통해) 스위칭가능한 국부화된 광학 교정을 제공한다.
공간적으로 변화하는 편광기(222)는 수신된 광을 회절시킬 수 있다. 회절은 수신된 광의 편광의 함수일 수 있다. 추가로, 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 수신된 광의 편광을 하나의 편광 상태로부터 다른 편광 상태로 변환할 수 있다. 또한, 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 수신된 광에 대해 2개 이상의 편광 상태들을 출력할 수 있으며, 그들의 개별적인 편광들에 의존하여 2개 이상의 편광 상태들을 상이하게 회절시킬 수 있다. 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 또한 수신된 광을 개별적인 편광 상태들을 갖는 2개 이상의 성분들로 분해할 수 있으며, 그들의 개별적인 편광 상태들에 의존하여 2개 이상의 성분들을 상이하게 회절시킬 수 있다.
제1 및 제2 광학적 부분들(224, 226)은 각각, 다른 것들 중에서도, 가로지르는 광을 광학적으로 수정하도록 동작가능한, 렌즈 및 편광기들과 같은 광학적 요소들의 배열, 어셈블리 또는 체인일 수 있다. 광학적 부분들(224, 226)은, 개별적인 제1 및 제2 센서들(228, 230)에 의해 캡처되기 이전에 가로지르는 광에 대해 각각 작용할 수 있다.
제1 및 제2 센서들(228, 230)은 각각 임의의 유형의 광학적 또는 카메라 센서일 수 있다. 제1 및 제2 센서들(228, 230)은 각각, 다른 것들 중에서도, 전하-결합 디바이스(charge-coupled device; CCD) 또는 능동-픽셀 상보적-대칭 금속-산화물-반도체(complementary-symmetry metal-oxide-semiconductor; CMOS)일 수 있다. 적어도 일부 구현예들에서, 제1 및 제2 센서들(228 및 230)은 단일 센서의 상이한 부분들, 예를 들어, 단일 센서의 좌측 및 우측 부분들을 포함한다.
광학 시스템(104a)은 개구(220)를 통해 광(232)을 수신한다. 광(232)은 공간적으로 변화하는 편광기(222)에 충돌한다. 광(232)은, 편광되지 않은, 선형, 원형, 또는 타원형과 같은 임의의 편광 상태를 가질 수 있다. 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 편광-의존적 회절 광학부로서 동작한다. 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 2개의 광 성분들; 즉, 각도(θ1)로 회절된 제1 성분(234) 및 각도(θ2)로 회절된 제2 성분(236)을 출력한다. 제1 성분(234)은 제1 편광 상태를 가지며, 제2 성분(236)은 제2 편광 상태를 갖는다. 제1 및 제2 편광 상태들은 선형적 또는 비-선형적(예를 들어, 원형 또는 타원형)일 수 있으며, 서로 직교(예를 들어, s 편광, p 편광)하거나 또는 서로 비-직교할 수 있다.
제1 성분(234) 및 제2 성분(236)은 충돌하는 광(232)의 성분을 구성할 수 있다. 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 충돌하는 광(232)을 제1 및 제2 성분들(234, 236) 형태의 2개의 편광 성분들로 분해하거나 또는 해체할 수 있다. 용어 성분이 제1 및 제2 성분들(234, 236)을 나타내기 위해 본원에서 사용되지만, 이러한 용어는, 제1 및 제2 성분들(234, 236)을, 충돌하는 광(232)이 분해되거나 또는 해체되는 충돌하는 광(232)의 구성 성분들로 제한하도록 의도되지 않는다는 것을 유의해야 한다.
공간적으로 변화하는 편광기(222)는 충돌하는 광(232)의 편광을 2개의 편광 상태들로 변환할 수 있다. 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 충돌하는 광(232)의 편광을 제1 편광으로 변환하고, 제1 편광으로의 편광 변환의 결과로서 제1 성분(234)을 출력할 수 있다. 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 충돌하는 광(232)의 편광을 제2 편광으로 변환하고, 제2 편광으로의 편광 변환의 결과로서 제2 성분(236)을 출력할 수 있다. 제1 및 제2 성분들(234, 236)의 제1 및 제2 편광 상태들은, 다른 것들 중에서도, 각각 수평 및 수직, 또는 그 반대일 수 있거나, 또는 각각 우측 원형 및 좌측 원형 또는 그 반대일 수 있다.
공간적으로 변화하는 편광기(222)는, 2개의 성분들이 공간 내에서 분리되도록 제1 및 제2 성분들(234, 236)을 개별적인 방향들로 출력한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 성분(234)은 기준에 대해 반시계방향으로 θ1의 각도로 출력되며, 제2 성분(236)은 기준에 대해 시계방향으로 θ2의 각도로 출력된다.
제1 및 제2 광학적 부분들(224, 226)은 각각 공간적으로 변화하는 편광기(222)에 의해 회절된 제1 및 제2 성분들(234, 236)을 수신하도록 위치된다. 회절 각도들(θ1 및 θ2)은 알려질 수 있으며, 이에 의해 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 회절 각도들(θ1 및 θ2)에 따라 광을 회절시키도록 형성될 수 있다. 회절 각도들(θ1 및 θ2)은, 광학 시스템(104a) 내의, 제1 및 제2 광학적 부분들(224, 226)의 위치설정(positioning)을 알려준다.
본원에서 설명되는 바와 같이, 제1 및 제2 광학적 부분들(224, 226)은 제1 및 제2 성분들(234, 236) 각각에 대해 작용한다. 각각의 광학적 부분(224, 226)은, 다른 것들 중에서도, 제1 및 제2 성분들(234, 236)을 각각 수렴시키거나, 회절시키거나, 콜리메이팅하거나, 포커싱하거나 또는 디포커싱(defocus)함으로써 제1 및 제2 성분들(234, 236) 각각에 대해 작용할 수 있다. 각각의 광학적 부분(224, 226)은 개별적인 성분(234, 236)을 광학적으로 교정한다. 제1 및 제2 광학적 부분(224, 226)은 각각 제1 및 제2 광학적으로-교정된 성분들(238, 240)을 출력한다.
제1 및 제2 광학적으로-교정된 성분들(238, 240)은 각각 제1 및 제2 센서들(228, 230)에 충돌한다. 제1 및 제2 센서들(228, 230)은 각각 제1 및 제2 이미지들을 캡처한다. 제1 및 제2 센서들(228, 230)은 (제어기(102)에 의해) 독립적으로 또는 동시에 동작될 수 있다. 사실상, 광학 시스템(104a)은 하나의 센서 또는 하나의 카메라의 폼 팩터를 갖는 2-카메라 또는 2-센서 시스템이 되며, 이에 의해 광학 시스템(104a)은 하나의 개구(220)로 2개의 이미지들을 캡처한다.
이상에서 언급된 바와 같이, 하나의 센서가 센서들(228, 230) 대신에 사용될 수 있다. 픽셀 위치는, 캡처된 광이 제1 이미지 또는 제2 이미지에 관련되는지 여부를 알려줄 수 있다. 도 2를 참조하면, 하나의 센서가 센서들(228, 230) 대신에 사용될 때, 센서의 상부 부분에 위치된 픽셀들은 제1 이미지와 관련될 수 있으며, 반면 센서의 하부 부분에 위치된 픽셀들은 제2 이미지와 관련될 수 있다.
공간적으로 변화하는 편광기(222)의 입력(223)은 제어기(102)의 출력에 결합될 수 있다. 공간적으로 변화하는 편광기(222)는, 공간적으로 변화하는 편광기(222)가 온(활성) 또는 오프(비활성)가 될지 여부를 나타내는 신호를 입력(223)을 통해 수신할 수 있다. 비활성일 때, 공간적으로 변화하는 편광기(222)는, 이것이 수행하도록 형성되 본원에서 설명된 광학 교정을 수행하지 않을 수 있다. 이것의 재료 조성으로 인해, 비활성일 때, 공간적으로 변화하는 편광기들(222)은 재료 조성과 연관된 고유 광학 교정만을 수행할 수 있다. 다양한 유형들의 재료들이 광학적 속성들을 가지며, 광을 변화시키도록 동작가능하다. 본원에서 설명된 바와 같이, 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 2개 이상의 트위스트된 액정 층들로 형성될 수 있다. 턴 오프될 때 공간적으로 변화하는 편광기(222)의 액정 층들은 여전히 고유 광학 교정을 수행할 수 있다.
광학 시스템(104a)은, 적층될 수 있는 복수의 공간적으로 변화하는 편광기들(222)을 포함할 수 있다. 각각의 공간적으로 변화하는 편광기(222)는 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 제어기(102)에 의해 스위칭가능할 수 있다. 공간적으로 변화하는 편광기(222)에 의해 수행되는 본원에서 설명되는 광학 교정은 복수의 공간적으로 변화하는 편광기들(222)로 분산될 수 있다. 예를 들어, 복수의 공간적으로 변화하는 편광기들 중 제1 공간적으로 변화하는 편광기는 제1 성분(234)을 출력할 수 있으며, 복수의 공간적으로 변화하는 편광기들 중 제2 공간적으로 변화하는 편광기는 제1 성분(234)을 회절시키고 제1 성분(234)을 제1 광학적 부분(224)으로 지향시킬 수 있다. 유사하게, 제3 공간적으로 변화하는 편광기는 제2 성분(236)을 출력할 수 있으며, 제4 공간적으로 변화하는 편광기는 제2 성분(236)을 회절시키고 제2 성분(236)을 제2 광학적 부분(226)으로 지향시킬 수 있다. 추가로, 제1 또는 제2 광학적 부분(224, 226)은 광학적 부분(224, 226)에 의해 수행되는 광학 교정을 수행하도록 동작가능한 공간적으로 변화하는 편광기를 포함할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른, 단일 광학적 경로를 사용하는 카메라의 광학 시스템(104b)의 일 예를 도시한다. 광학 시스템(104b)은 개구(302), 입력(306)을 갖는 공간적으로 변화하는 편광기(304), 광학적 부분(308), 입력(312)을 갖는 공간적으로 변화하는 센서 필터(310) 및 센서(314)를 포함한다. 개구(302)는 이미징을 위해 광의 통과를 허용하도록 동작가능한 임의의 유형의 개구부일 수 있다.
공간적으로 변화하는 편광기(304)는 개구(302)를 통과하는 광(316)을 수신하며, 광(316)에 대해 광학 교정 또는 수정을 수행한다. 광학 교정 또는 수정을 수행하는 것은, 다른 것들 중에서도, 회절, 광 콜리메이션, 광 포커싱, 초점 길이 수정, 편광 변환 또는 수차 교정, 각도 편향(예를 들어, 편광 특정 각도 편향)을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 광학 교정은 광(316) 또는 광의 성분들의 편광 상태의 함수이거나 또는 이에 기초할 수 있다. 공간적으로 변화하는 편광기(304)는 필터링된 광(318)을 출력한다.
공간적으로 변화하는 편광기(304)는 광(316)의 편광을 변화시키거나 또는 광(316)을 편광 성분들로 분해 또는 해체할 수 있다. 예를 들어, 필터링된 광(318)(공간적으로 변화하는 편광기(304)에 의해 출력됨)는 제1 편광(P1)(예를 들어, 수평 또는 우측 원형) 및 제1 초점 길이를 갖는 제1 성분, 및 제2 편광(P2)(예를 들어, 수직 또는 좌측 원형) 및 제2 초점 길이를 갖는 제2 성분을 가질 수 있다. 제1 및 제2 초점 길이들은 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 초점 길이는 2 단위 거리일 수 있으며, 반면 제2 초점 길이는 제1 초점 길이보다 50% 더 크거나 또는 제1 초점 길이의 2배일 수 있으며, 따라서, 각각 3 또는 4 단위 거리일 수 있다. 또한, 제1 및 제2 초점 길이들은 실질적으로 동일할 수 있지만, 이미지 해상도 또는 인식을 개선하기 위해 상이하게 만들어지고 수정될 수 있다. 제2 초점 길이는 제1 초점 길이보다 0.1% 내지 5% 더 크거나 또는 더 적을 수 있다. 단지 예로서, 제1 초점 길이가 2 단위 거리인 경우, 제2 초점 길이는 1.9 내지 1.998 또는 2.002 내지 2.1 단위 거리일 수 있다. 일 실시예에서, 제2 초점 길이는 제1 초점 길이의 0.5% 내지 2%만큼 제1 초점 길이와 상이할 수 있다.
광학적 부분(308)은 제1 편광(P1)을 갖는 광 및 제2 편광(P2)을 갖는 광에 대한 공통 광학부를 제공할 수 있으며, 제1 및 제2 성분들을 포함하는 수정된 광(320)을 공간적으로 변화하는 센서 필터(310) 및 센서(314)로 출력할 수 있다.
필터링된 광은 광학적 부분(308)에 충돌한다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 광학적 부분(308)은, 다른 것들 중에서도, 필터링된 광(318)을 광학적으로 수정하도록 동작가능한, 렌즈 및 편광기들과 같은 광학적 요소들의 배열, 어셈블리 또는 체인일 수 있다. 광학적 부분(308)은, 다른 유형들의 광학 교정 중에서도, 필터링된 광(318)을 수렴시키거나, 회절시키거나, 콜리메이팅하거나, 포커싱하거나 또는 디포커싱할 수 있다.
도 4는 제1 상태의 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)의 일 예를 도시한다. 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)는, 센서(314)의 픽셀들의 각각에 도달하는 광을 선택적으로 제어하기 위해 센서(314) 상의 픽셀들의 오버레이(overlay)에 대응할 수 있는 복수의 픽셀 필터들을 포함한다. 적어도 일부 구현예들에서, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)는, 턴 온될 때, 교번하는 픽셀들이 제1 편광(P1) 또는 제2 편광(P2)을 갖는 광을 통과시키도록 구성될 수 있다. 도 4에서, 픽셀 필터의 "P1"은, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)가 제1 편광(P1)을 갖는 수정된 광(320)을 통과시키고 제2 편광(P2)을 갖는 수정된 광(320)의 통과를 차단함을 나타내며, 픽셀 필터의 "P2"는, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)가 제2 편광(P2)을 갖는 수정된 광(320)의 통과를 허용하고 제1 편광(P1)을 갖는 수정된 광(320)의 통과를 차단함을 나타낸다.
제1 편광(P1)의 광 및 제2 편광(P2)의 광 둘 모두를 포함하는 수정된 광(320)은, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)에, 예를 들어, 제1 및 제2 픽셀들(402, 404)에 충돌할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 구성될 때, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)는 제1 픽셀 필터(402)에서 P1 편광을 갖는 수정된 광(320)의 통과를 허용하며, 편광(P2)을 갖는 수정된 광(320)의 통과를 차단한다. 이웃하는 제2 픽셀 필터(404)에서, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)는 제1 픽셀 필터(402)에서 수행되는 필터링을 역전시킨다. 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)는 제2 픽셀 필터(404)에서 편광(P1)을 갖는 수정된 광(320)의 통과를 차단하며, 편광(P2)을 갖는 수정된 광(320)의 통과를 허용한다. 적어도 일부 구현예들에서, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)는 스위칭가능하며, 수행되는 필터링을 역전시키거나 또는 달리 변경할 수 있다. 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)의 제1 상태의 제1 패턴은 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)의 제2 상태의 제2 패턴으로 스위칭될 수 있다. 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)는, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)가 제1 상태, 제2 상태 또는 다른 상태로 동작할지 여부를 나타내는 신호를 입력(312)을 통해 제어기(102)로부터 수신할 수 있다.
도 5는 제2 상태의 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)의 일 예를 도시한다. 제2 상태에서, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)의 제1 픽셀 필터(402)는 편광(P1)을 갖는 수정된 광(320)의 통과를 차단하며, 편광(P2)을 갖는 수정된 광(320)의 통과를 허용한다. 이웃하는 제2 픽셀 필터(404)에서, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)는 편광(P2)을 갖는 수정된 광(320)의 통과를 허용하며, 편광(P1)을 갖는 수정된 광(320)의 통과를 차단한다.
제어기(102)는 입력(312)을 사용하여 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)를 제1 상태와 제2 상태 사이에서 스위칭한다. 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)는 2개의 공간적으로 변화하는 편광기들; 즉, 제1 상태의 격자 속성들을 갖는 제1 공간적으로 변화하는 편광기 및 제2 상태의 격자 속성들을 갖는 제2 공간적으로 변화하는 편광기를 포함할 수 있다. 제어기(102)는, 제1 공간적으로 변화하는 편광기를 스위칭 온하고 제2 공간적으로 변화하는 편광기를 스위칭 오프함으로써 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)를 제1 상태로 동작시킬 수 있다. 제어기(102)는, 제1 공간적으로 변화하는 편광기를 스위칭 오프(또는 비활성화)하고 제2 공간적으로 변화하는 편광기를 스위칭 온함으로써 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)를 제2 상태로 동작시킬 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310) 및 센서(314)는, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)의 픽셀 필터들이 센서(314)의 픽셀들에 대응하도록 적층되거나 또는 계층화(layer)될 수 있다. 제어기(102)는, 센서(314)에 의해 캡처된 교번하는 프레임들이 제1 상태와 제2 상태 사이에서 스위칭하는 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)에 의해 교번적으로 필터링되도록 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)를 동작시킬 수 있다. 하나 걸러 하나의 프레임은 제1 상태를 갖는 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)에 의해 필터링될 수 있으며, 남아 있는 하나 걸러 하나의 프레임들은 제2 상태를 갖는 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)에 의해 필터링될 수 있다.
수정된 광(320)의 제1 및 제2 성분들의 초점 길이들이 실질적으로 동일하지만, 예컨대 0.1% 내지 5%의 인자만큼 상이하게 만들어지며, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)의 제1 상태 및 제2 상태에 따라 각각 필터링된 2개의 프레임들(예를 들어, 연속적임)의 조합은, 예를 들어, 더 높은 각도 해상도를 획득하기 위해 다수의 프레임들을 함께 평균화함으로써 "슈퍼 해상도" 이미지 또는 비디오를 제공한다. 제1 또는 제2 상태는 또한 좁은-각도 동작 또는 이미지 캡처에 대해 독립적으로 사용될 수 있거나 또는 넓은-각도 동작 또는 이미지 캡처에 대해 공동으로 사용될 수 있다.
수정된 광(320)의 제1 및 제2 성분들의 초점 길이들이 상이할 때, 각각의 프레임은, 예를 들어, 각각이 상이한 초점 길이들을 갖는 절반 해상도 이미지를 제공할 수 있으며, 공간적으로 변화하는 센서 필터(310)의 제1 상태 및 제2 상태에 따라 각각 필터링된 2개의 프레임들의 조합은 각각의 편광 상태에 대한 전체 해상도 이미지 또는 비디오를 제공한다. 따라서, 카메라는 전체 프레임 레이트(rate)로 각각의 편광 상태에 대한 절반-해상도 이미지들을 캡처할 수 있거나, 또는 전체 프레임 레이트의 1/2인 프레임 레이트로 각각의 편광 상태에 대한 전체 해상도 이미지들 또는 비디오를 캡처할 수 있다. 따라서, 적어도 일부 구현예들에서, 희망되는 바와 같이 운영자에 의해 선택될 수 있는, 해상도와 프레임 레이트 사이의 트레이드-오프가 존재할 수 있다.
이상에서 설명된 다양한 실시예들이 추가적인 실시예들을 제공하기 위하여 결합될 수 있다. 이상의 상세한 설명을 고려하여 실시예들에 대하여 이러한 그리고 다른 변화들이 이루어질 수 있다. 일반적으로, 다음의 청구항들에 있어, 사용되는 용어들은 청구항들을 명세서 및 청구항들에 개시된 특정 실시예들로 한정하도록 해석되지 않아야만 하며, 오히려 이러한 청구항들에 대한 등가물들의 완전한 범위와 함께 가능한 모든 실시예들을 포함하는 것으로 해석되어야만 한다. 따라서, 청구항들은 본 개시에 의해 한정되지 않는다.

Claims (18)

  1. 카메라 디바이스로서,
    공간적으로 변화하는 편광기(spatially varying polarizer)로서,
    광을 수신하고; 그리고
    상기 광의 제1 성분을 제1 각도로 그리고 상기 광의 제2 성분을 제2 각도로 회절시키도록 구성되며, 상기 제1 성분은 제1 편광을 가지고 상기 제2 성분은 상기 제1 편광과는 상이한 제2 편광을 갖는, 상기 공간적으로 변화하는 편광기;
    상기 제1 및 제2 성분들을 각각 수신하도록 위치되며, 상기 제1 및 제2 성분들에 대해 각각 제1 및 제2 광학 교정을 수행하고, 제1 및 제2 광학적으로-교정된 성분들을 각각 출력하도록 구성되는 제1 및 제2 광학적 부분들; 및
    상기 광의 상기 제1 및 제2 광학적으로-교정된 성분들을 캡처하도록 구성되는 센서를 포함하는, 카메라 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광학적 부분은, 상기 제1 성분에 대해 회절 패턴에 따른 회절, 광 콜리메이션, 광 포커싱, 이미지 선명화, 각도 해상도 수정, 초점 길이 수정 또는 수차 교정 중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는, 카메라 디바이스.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 광학적 부분은, 상기 제2 성분에 대해 회절 패턴에 따른 회절, 광 콜리메이션, 광 포커싱, 이미지 선명화, 각도 해상도 수정, 초점 길이 수정 또는 수차 교정 중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는, 카메라 디바이스.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공간적으로 변화하는 편광기는 멀티-트위스트 지연기(multi-twist retarder; MTR)를 포함하는, 카메라 디바이스.
  5. 청구항 1에 있어서,
    활성 상태와 비활성 상태 사이에서 상기 공간적으로 변화하는 편광기를 스위칭하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 카메라 디바이스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 제1 광학적으로-교정된 성분을 캡처하도록 구성되는 제1 센서; 및
    상기 제2 광학적으로-교정된 성분을 캡처하도록 구성되는 제2 센서를 포함하는, 카메라 디바이스.
  7. 카메라 디바이스로서,
    복수의 픽셀들에서 이미지를 캡처하도록 구성되는 센서;
    공간적으로 변화하는 편광기로서,
    광을 수신하고; 그리고
    제1 편광 상태를 갖는 상기 광의 제1 성분 및 상기 제1 편광 상태와는 상이한 제2 편광 상태를 갖는 상기 광의 제2 성분을 출력하도록 구성되는, 상기 공간적으로 변화하는 편광기;
    상기 제1 및 제2 성분들 각각에 대해 광학 교정을 수행하고, 제1 및 제2 광학적으로-교정된 성분들을 각각 출력하도록 구성되는 광학적 부분; 및
    상기 제1 편광 상태에 기초하여 상기 센서로의 상기 제1 광학적으로-교정된 성분의 통과를 허용하거나 또는 차단하며, 상기 제2 편광 상태에 기초하여 상기 센서로의 상기 제2 광학적으로-교정된 성분의 통과를 허용하거나 또는 차단하도록 동작하는 공간적으로 변화하는 센서 필터를 포함하는, 카메라 디바이스.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 광학적 부분은, 상기 제1 성분에 대해 회절 패턴에 따른 회절, 광 콜리메이션, 광 포커싱, 이미지 선명화, 각도 해상도 수정, 초점 길이 수정 또는 수차 교정 중 적어도 하나를 수행하는, 카메라 디바이스.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 광학적 부분은, 상기 제2 성분에 대해 회절 패턴에 따른 회절, 광 콜리메이션, 광 포커싱, 이미지 선명화, 각도 해상도 수정, 초점 길이 수정 또는 수차 교정 중 적어도 하나를 수행하는, 카메라 디바이스.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 공간적으로 변화하는 편광기 및 상기 공간적으로 변화하는 센서 필터 각각은 멀티-트위스트 지연기(multi-twist retarder; MTR)를 포함하는, 카메라 디바이스.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 공간적으로 변화하는 센서 필터는 제1 필터 패턴을 갖는 제1 상태 및 제2 필터 패턴을 갖는 제2 상태로 동작하도록 구성되는, 카메라 디바이스.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 공간적으로 변화하는 센서 필터가 상기 제1 상태 또는 상기 제2 상태로 동작할지 여부를 나타내는 신호를 상기 공간적으로 변화하는 센서 필터로 출력하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 카메라 디바이스.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 상태에서, 상기 공간적으로 변화하는 센서 필터는 상기 복수의 픽셀들 중 픽셀들의 제1 세트로의 상기 제1 편광을 갖는 광의 통과를 허용하고, 상기 복수의 픽셀들 중 상기 픽셀들의 제1 세트로의 상기 제2 편광을 갖는 광의 통과를 차단하도록 구성되는, 카메라 디바이스.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 상태에서, 상기 공간적으로 변화하는 센서 필터는 상기 복수의 픽셀들 중 픽셀들의 제2 세트로의 상기 제1 편광을 갖는 광의 통과를 차단하고, 상기 복수의 픽셀들 중 상기 픽셀들의 제2 세트로의 상기 제2 편광을 갖는 광의 통과를 허용하도록 구성되는, 카메라 디바이스.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 픽셀들의 제1 및 제2 세트들은 상호 배타적이며, 상기 픽셀들의 제1 및 제2 세트들의 조합은 상기 복수의 픽셀들을 형성하는, 카메라 디바이스.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어기는, 이미지 또는 비디오 캡처의 연속적인 프레임들 사이에서 상기 공간적으로 변화하는 센서 필터를 상기 제1 상태와 상기 제2 상태 사이에서 교번적으로 스위칭하도록 구성되는, 카메라 디바이스.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제어기는 2개의 연속적인 프레임들을 사용하여 2개의 전체 해상도 이미지들을 생성하도록 동작하며, 상기 연속적인 프레임들의 각각은 상기 제1 및 제2 편광 상태들의 각각에서 수신된 광에 대해 절반-해상도 이미지를 포함하는, 카메라 디바이스.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어기는 좁은-각도 이미지 또는 비디오 캡처에 대해 상기 제1 상태 또는 상기 제2 상태로 상기 공간적으로 변화하는 센서 필터를 동작시키도록 구성되는, 카메라 디바이스.
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