이미징 모듈 및 이미징 디바이스

이미징 모듈 및 이미징 디바이스{IMAGING MODULE AND IMAGING DEVICE}

본 발명은 코드화된 개구(coded-aperture) 이미징을 사용하는 이미징 모듈 및 이미징 디바이스에 관한 것이다.

카메라에 의해 대표되는 이미징 디바이스는, 사진을 감상하기 위한 촬영, 산업용 측정/물체 인식 시스템, 차량용 위험 검출, 범죄 방지 모니터링 시스템 등에 널리 사용된다. 이들 사용 형식들에 있어서, 피사체(photographic subject)의 이미지뿐만 아니라 거리, 시계(visual field) 방향 등과 같은 공간 정보를 획득하는 것이 종종 필수적이다.

공간 정보를 획득하는 것을 가능하게 하는 기술로서, 이미지 센서 및 코드화된 개구 패턴의 사용에 의해, 푸리에 변환에 기반하여 디코딩 처리를 수행함으로써 광속(luminous flux)의 공간 및 입사(incidence) 각도에 대한 정보가 획득되는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제 2008-191661 호 참조).

또한, 코드화된 개구 패턴으로서 재구성가능한 또는 능동적인(active) 공간적 광 변조 소자(spatial light modulation element)를 사용함으로써, 복수 유형들의 코드화된 개구 패턴들에 의해 이미징되는 이미지로부터 디코딩 처리를 수행함으로써 이미지 품질이 향상되는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제 2008-542863 호 참조).

또한, 그러한 공간적 광 변조 소자로서 사용되는 소자로서, 액정 소자, 또는 대안적 기술 등이 제안되고 있다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제 2005-316321 호 및 제 2005-316316 호, 및 Beni, G. and Hackwood, S., 'Appl. Phys. Lett. Vol. 38, Issue 4% 207-209, USA, 1981 참조).

그러나, 종래의 코드화된 개구 이미징 기술 및 코드화된 개구 패턴을 사용하는 이미징 디바이스에 있어서, 이미지 센서 및 코드화된 개구 패턴이 개별적으로 배열되고, 광로(optical path) 내에 코드화된 개구 패턴을 제공하는 것이 필수적이다. 또한, 이미징 디바이스의 사이즈가 증가하고, 가동(movable) 미러와 같은 광학 성분들 사이의 장착 위치의 충돌 등이 발생하며, 코드화된 개구 패턴과 이미지 센서 사이의 배열 위치를 위해 높은 정밀도가 요구되고, 렌즈 등과 같은 광학 시스템의 변경을 처리하는 것이 어렵다는 등의 점에서 장착 상의 문제가 발생한다.

본 발명의 목적은, 이미지 센서 및 코드화된 개구 패턴에 의해 이미지에 공간적 변조를 적용하는 공간적 변조 소자가 일체화되는 이미징 모듈을 사용함으로써, 이미지 센서와 코드화된 개구 패턴 사이의 거리가 짧아지고, 이미지 센서와 코드화된 개구 패턴이 높은 정밀도로 배열되는 이미징 디바이스를 제공하는 것이다.

상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예는, 입사 광속에 공간적 변조를 적용하고 이를 방출하는 공간적 광 변조 소자, 공간적 광 변조 소자에 의해 공간적 변조가 적용된 광속을 이미지 정보로서 획득하는 이미지 센서, 및 공간적 광 변조 소자와 이미지 센서를 일체형으로 고정하는 고정부를 포함하는 이미징 모듈을 제공하고, 고정부는 공간적 광 변조 소자와 이미지 센서 사이에 배열되고 일정 거리를 갖는 갭 구조를 형성하는 갭 규정(gap-defining) 부재를 가지며, 이미징 디바이스가 상기 이미징 모듈을 포함한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서의 이미징 디바이스 및 이미징 모듈의 전체적인 구조의 일 예시를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 있어서의 이미징 모듈의 구조의 일 예시를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 있어서의 이미징 디바이스의 최적화의 동작의 일 예시를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 있어서의 이미징 디바이스의 소자 구동부(driver)의 동작의 일 예시를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 있어서의 이미징 모듈의 구조의 제 1 변형예를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 있어서의 광 경로 안내 소자를 갖는 이미징 모듈 및 이미징 디바이스의 구조의 일 예시를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서의 이미징 모듈의 구성의 제 2 변형예를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 있어서의 이미징 모듈의 구조의 제 3 변형예를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 있어서의 이미징 모듈의 구조의 제 4 변형예를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 있어서의 이미징 모듈의 구조의 제 5 변형예를 도시하는 도면이다.

본 실시예에 있어서의 도 1에 도시된 이미징 디바이스는, 이미지를 획득하는 이미징 모듈(2), 입사 광속을 이미징하고 이미징 모듈(2)을 향해 방출하는 이미지 형성(image-forming) 광학 시스템(3), 및 이미지 형성 광학 시스템(3)으로부터의 광로를 선택하는 미러(4)를 갖는다.

이미징 디바이스(1)는 또한, 시계를 확인하는 파인더(6), 미러(4)로부터 파인더(6)로 광을 편향시키는 편향 소자(5), 노출 시간을 결정하는 셔터(8), 및 이들 부재들을 제어하는 제어기(9)를 갖는다.

이미징 모듈(2) 이외에 상기 구조는 일반적인 단일 렌즈 리플렉스 카메라(single-lens reflex camera)와 동일하지만, 이 구조는 파인더(6) 및 미러(4)가 제거되고 대신 액정 모니터가 포함된 소위 미러리스 단일 렌즈 리플렉스 카메라의 구조일 수 있다.

도 2를 참조하여, 이미징 모듈(2)의 구조가 설명될 것이다.

이미징 모듈(2)은, 입사 광속에 공간적 변조를 적용하고 이를 방출하는 공간적 광 모듈 소자(21), 공간적 변조가 적용된 광속을 이미지 정보로서 획득하는 이미지 센서(22), 및 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)를 일체적으로 고정하는 고정부(23)를 갖는다.

이미징 모듈(2)은 또한, 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)를 전기적으로 연결하는 배선(wiring)(25), 및 제어기(9)로부터의 신호를 처리하는 로직 회로(13)를 갖는다.

공간적 광 변조 소자(21)는 투과형(transmissive) 액정 디바이스이며, 각 위치에서의 투과율(transmittance)을 제어기(9)에 의해 변경하여 코드화된 개구 패턴, 환언하면 모자이크 패턴을 형성함으로써 입사 광속에 공간적 변조를 적용한다.

이미지 센서(22)는, 공간적 광 변조 소자(21)에 의해 공간적 변조가 적용된 광속을 이미지 정보로서 획득하는 이미징 평면인 광 검출기 어레이로서 CCD(Charge-Coupled Device)를 사용하는 이미지 센서이다. 이미지 센서(22) 상에, 수광(light-receiving) 소자들인 광 검출기들로서의 복수의 포토다이오드들이 나란히 배치된 광 검출기 어레이(28)가 배치된다. 이미지 센서(22)는, 이미징 평면에 입사되는 광속의 강도(intensity) 등과 같은 정보를 전기 신호로 변환한다. 여기서, CCD가 사용되지만, 이미지 센서가 이미지 정보를 획득할 수 있다면, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 등이 사용될 수 있다.

고정부(23)는, 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22) 사이에 배치되어 일정 거리를 갖는 갭 구조를 형성하는 갭 규정 부재(24)를 갖는다.

고정부(23)는, 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)를 일정 거리를 두고 평행하게 고정한다. 여기서, 고정부(23)는, 나사 등과 같은 고정 부재를 사용하고, 접착제 등을 사용하며, 또는 이를 사용하여 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)가 일체적으로 형성되는 고정부일 수 있다.

본 실시예에서, 갭 규정 부재(24)는 공간이 제공되는 Si 기판이며, 갭 규정 부재(24)가 고정부(23)로서의 기능을 갖는다. 갭 규정 부재(24)는, 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22) 중 적어도 하나와 접촉하고, 개구와 Si 기판의 두께에 의해 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22) 사이에 수 mm 이하, 바람직하게 1 mm 이하의 보이드(void) 구조, 환언하면 갭 구조를 형성한다. 여기서, 갭 규정 부재(24)는 개구를 갖는 Si 기판이지만, 글래스 재료와 같은 투명 재료 또는 비드 분산된(bead-dispersed) 글래스 프릿(frit) 재료와 같은 접합 재료가 사용될 수 있다. 갭 규정 부재(24)로서 투명 재료가 사용되는 경우, 광속의 통과가 방해받지 않기 때문에, 갭 구조가 보이드 구조일 필요는 없으며, 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22) 사이의 거리인 갭 거리가 투명 재료의 두께에 의해 제어된다. 배선(25)은 와이어 본딩을 사용함으로써 형성된다.

배선(25)은 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22) 중 적어도 하나를 관통하고 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)를 전기적으로 연결하는 관통 배선(26)일 수 있다. 관통 배선(26)은 이후에 상세히 설명될 것이다.

로직 회로(13)는, 제어기(9)로부터의 전기 신호에 따라 동작하는 공간적 변조 패턴 생성 보조(pattern-generating assistant) 디바이스 또는 제어 보조 디바이스로서 기능한다.

이미지 형성 광학 시스템(3)은, 이미지 센서(22) 상에 이미지를 형성하기 위해 배열되는 적어도 하나 이상의 렌즈들을 포함하는 이미지 형성 렌즈군(30) 및 입사 광량을 조정하는 개구(7)를 갖는다. 이미지 형성 광학 시스템(3)은, 이미징 디바이스(1)에 입사되는 광속이 이미지 센서(22) 상에 이미지를 형성하도록 배열된다. 환언하면, 이미지 형성 광학 시스템(3)은, 이미지 센서(22) 상에 초점(focal point)이 위치되도록 이미징 모듈(2)로부터 광축의 방향으로 상류측 상에 배열된다.

이미징 디바이스(1)에 입사되는 광속은, 이미지 형성 렌즈군(30)에 의해 이미지 센서(22) 상에 이미지를 형성하도록 편향되고, 광량은 개구(7)를 통과함으로써 조정된다.

이미지 형성 광학 시스템(3)을 통과하는 광속은, 촬영(photographing)이 수행되지 않을 때 미러(4)에 의해 반사되고 편향 소자(5)를 통해 파인더(6)에 안내된다. 촬영이 수행될 때, 미러(4)는 이미지 형성 광학 시스템(3)으로부터의 광속을 통과시키도록 동작한다. 미러(4)는 이와 같이 광로 선택(optical path-selecting) 디바이스인 가동 미러로서 동작한다.

미러(4)를 통과하고 공간적 광 변조 소자(21)에 입사된 광속에, 공간적 광 변조 소자(21)에 의해 공간적 변조가 적용된다.

소자 구동부인 제어기(9)는, 주기(cycle)에 있어서 상이한 복수의 사인 파형(sine waveform)들이 중첩되는 공간적 투과율 분포(distribution)를 사용함으로써 공간적 광 변조 소자(21)의 투과율 분포를 제어한다.

이후부터, 이 투과율 분포가 제어될 수 있는 최소 단위는 셀로 지칭된다.

공간적 광 변조 소자(21)는, 소자 구동부인 제어기(9)로부터의 전기 신호, 환언하면 주기적인 변조 신호에 따라 소자 상의 각 셀에 있어서의 투과율을 변경함으로써 코드화된 개구 패턴을 형성한다.

즉, 공간적 광 변조 소자(21)는, 소자 상의 각 셀의 투과율을 주기적으로 변경함으로써 공간적 광 변조 소자(21)를 통과하는 광속에 공간적 변조를 적용한다.

이때, 소자 구동부인 제어기(9)는 공간적 광 변조 패턴 생성 디바이스로서 기능한다.

그러한 공간적 투과율 분포를 사용함으로써 코드화된 개구 패턴을 형성하는 경우에, 사인 파형들의 주기들에 대응하는 공간 주파수 위치들, 즉 푸리에 변환을 수행하는 경우에 있어서의 수평축 상에 이미지 자체가 갖는 제한된 공간 주파수 대역의 스펙트럼 분포가 컨벌루션의 형식으로 복제된다.

즉, 사인 파형들의 주기들의 수만큼, 공간 주파수의 축 상에 피사체의 공간 주파수의 스펙트럼 분포가 복제된다. 여기서, 사인 파형의 주파수의 크기에 따라 각도 성분의 주파수 정보와 혼합됨으로써 화각 분리(field angle division)가 가능하다(예를 들어, Beni, G. and Hackwood, S., 'Appl. Phys. Lett. Vol. 38, Issue 4', 207-209, USA, 1981 참조).

여기서, 인접한 사인 파형의 주기에 대응하는 공간 주파수의 간격이 피사체의 공간 주파수 대역보다 좁을 경우, 공간 주파수의 고주파 성분이 저주파 성분과 간섭하는 에일리어싱(aliasing)이 발생한다. 그 결과로서, 화각이 분리되는 이미지의 저하, 복원되는 이미지에 있어서의 노이즈의 중첩 등이 발생한다. 이들을 방지하기 위해, 획득된 이미지 정보가 갖는 공간 주파수 대역을, 에일리어싱이 발생하지 않는 대략적인 정도까지, 공간적 광 변조 소자(21)에 주어진 사인 파형의 주기와 다르게 하는 것이 필요하다.

이와 같이, 에일리어싱을 방지하기 위한 처리 흐름이 도 3을 참조하여 설명될 것이다.

여기서, 본 실시예에 있어서, 이미지 특성 분석(characteristic-analyzing) 디바이스, 공간적 광 변조 패턴 생성 디바이스, 이미지 품질 결정(quality-determining) 디바이스, 및 디코딩 처리(decoding-processing) 디바이스(12) 각각은 제어기(9)의 기능이다.

우선, 제어기(9)는 공간적 변조가 없는 경우, 또는 일정 공간적 변조가 수행된 경우에 관한 초기 이미지를 획득한다(단계 S1).

초기 이미지의 공간 주파수 대역은 이미지 특성 분석 디바이스로서의 제어기(9)에 의해 분석된다. 제어기(9)는, 초기 이미지의 공간 주파수 대역을 분석함으로써 공간적 광 변조 소자(21)에 적용되는 사인 파형의 필요 주파수를 결정한다.

이어서, 공간적 광 변조 패턴 산출(pattern-calculating) 디바이스 또는 공간적 광 변조 패턴 생성 디바이스인 제어기(9)는, 상기 처리에서 획득된 사인 파형의 주파수에 기반하여 공간적 광 변조 패턴을 산출하고 생성한다(단계 S3). 이때, 제어기(9)는, 코드화된 개구 패턴 산출 디바이스 또는 코드화된 개구 패턴 생성 디바이스로서의 기능을 갖는다. 단계 S3에서 획득된 공간적 광 변조 패턴에 기반하여, 소자 구동부인 제어기(9)는 공간적 광 변조 소자(21)의 투과율을 변경시키고 이미지 정보를 다시 획득한다(단계 S4).

또한, 이미지 품질 결정 디바이스로서의 제어기(9)는, 획득된 이미지 정보의 이미지 품질이 충분히 양호한지의 여부, 환언하면 획득된 이미지 정보의 공간적 광 주파수가 에일리어싱이 발생하지 않는 조건에 있는지의 여부를 결정한다(단계 S5). 충분하다고 결정되었을 경우, 처리는 단계 S2로 돌아가서, 공간 주파수의 분석이 수행되고 상기와 같은 동일한 처리들이 반복되며, 즉 이미지 품질이, 피드백 매커니즘에 의해 에일리어싱이 발생하지 않는 조건에 최적화된다. 이미지 품질의 최적화를 완료할 때, 희망되는 공간 정보, 이 경우 화각이 분리된 이미지 정보가 획득된다(단계 S6).

공간적 변조가 적용된 광속은, 이미지 센서(22)를 검출함으로써 이미지 정보로서 인식된다. 이 이미지 정보는, 주기적인 변조 신호에 따라 공간적 변조가 적용됨으로써, 광속이 공간적 광 변조 소자(21) 상의 어떤 셀 상으로 언제 통과했는지에 대한 정보를 포함한다.

즉, 이미지 정보 및 이미지 정보가 검출되는 이미지 센서(22) 상의 위치로부터, 이미지 센서(22)에 의해 검출되는 광속의 각도 정보, 환언하면 광속의 방향 성분의 정보가 획득된다.

이와 같이 획득된 이미지 정보로부터, 디코딩 처리 디바이스(12)를 사용하여 공간적 변조를 제거하여 이미지를 재구성함으로써, 복수의 이미징 디바이스들의 공급 등과 같은 특수 디바이스 구조없이, 거리, 방향 등과 같은 공간 정보를 포함하는 이미지가 획득된다.

본 실시예에서, 이미지 내에 포함되는 특정 피사체가 타겟으로서 취해지고 거리 분해능(resolution)이 최적화됨으로써, 피사체에 대한 거리 정보를 획득하는 것을 가능하게 한다.

그러한 공간 정보를 획득하고 거리 정보를 획득하는 방법이 예시로서 도 4를 참조하여 설명될 것이다.

화각이 분리된 복수의 이미지들로부터 차이를 산출하는 방법의 상세한 설명은 적절히 생략될 것임을 유념한다.

우선, 공간적 광 변조 생성(modulation-generating) 디바이스로서의 제어기(9)가 임의의 공간적 광 변조 패턴을 생성한다(단계 S21). 제어기(9)는, 단계 S21에서 생성된 임의의 공간적 광 변조 패턴을 사용함으로써 이미지를 획득하고(단계 S22), 화각이 분리된 복수의 이미지 정보를 추출한다(단계 S23). 다음으로, 이미지 특성 분석 디바이스인 거리 분해능 결정(resolution-determining) 디바이스로서의 제어기(9)는, 화각이 분리된 이미지 정보를 분석하고, 이미지 내의 특정 타겟인 피사체의 국소(local) 위치에 관한 거리 정보를 산출한다(단계 S24). 단계 S24에서 산출된 거리 정보를 사용함으로써, 거리 정보 결정(information-determining) 디바이스로서의 제어기(9)는, 획득된 이미지 내에 희망되는 분해능이 획득되었는지의 여부를 결정한다(단계 S25). 획득된 이미지의 분해능이 충분하지 않을 경우, 공간적 광 변조 패턴 생성 디바이스로서의 제어기(9)는, 공간적 광 변조 패턴을 구성하는 사인 파형의 주기를 다시 산출한다(단계 S26). 단계 S26에서 산출된 공간적 광 변조 패턴에 기반하여 화각 분리 분해능을 변경함으로써, 제어기(9)는 공간적 광 변조 패턴을 다시 생성하고 새로운 이미지를 획득한다(단계 S27). 그러한 피드백 루프를 형성하는 거리 분해능 최적화 매커니즘에 의해 거리 분해능이 최적화되고, 최종적으로 타겟으로서의 피사체에 적절한 거리 이미지가 획득된다(단계 S28).

이때, 이미징 모듈(2)에 의해 획득된 광속의 각도 정보의 분해능 및 획득된 이미지 정보의 시야각(viewing angle)은, 이미지 센서(22)의 사이즈, 공간적 광 변조 소자(21)의 각 셀의 사이즈, 및 이미지 센서(21)와 공간적 광 변조 소자(21) 사이의 거리, 즉 갭 거리에 의해 결정된다.

그러나, 종래 기술에서, 코드화된 개구 패턴 및 광 검출 어레이는 각각 독립적으로 배열되고 제어되며, 이들을 근접하게 배열하는 것은 어렵다. 또한, 코드화된 개구 패턴으로서 액정 소자와 같이 패턴을 능동적으로 변경하는 구조를 사용하는 경우, 액정 소자에 전기적 연결이 필수적이지만, 와이어 본딩 등과 같은 알려진 방법에 의한 파손의 가능성이 있고, 장착 상의 문제가 해결되지 않는다. 그러한 문제는 갭 거리가 비교적 클 때 문제로서 고려되지 않는다.

따라서, 본 발명의 본 실시예에서의 이미징 모듈(2)에 있어서, 고정부(23)는 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)를 일체적으로 고정하고, 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22) 사이에 배열되어 일정 거리를 갖는 갭 구조를 형성하는 갭 규정 부재(24)를 갖는다.

그러한 구조로, 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)가 일체화되고 모듈화가 수행되며, 따라서 갭 거리가 단축되고, 이미지 센서(22)와 공간적 광 변조 소자(21)의 위치들이 높은 정밀도로 조정되며, 높은 각도 분해능 및 높은 정밀도를 갖는 이미지 정보가 획득된다.

본 실시예에 있어서의 공간적 광 변조 소자(21)는 투과율을 주기적으로 변경하는 재구성가능한(reconstructible) 코드화된 개구 패턴을 형성하고, 고주파(high-frequency) 신호가 그러한 제어를 위해 사용된다. 일반적으로, 고주파 신호를 사용하는 회로에서, 바람직하게, 노이즈 또는 신호의 손실을 억제하기 위해 배선의 길이가 짧다.

공간적 광 변조 소자(21)로서 투과형 액정 디바이스가 사용되고, 따라서 시중에서 이용가능한 디바이스 또는 제어기를 바로 사용하는 것이 가능하며, 상기 효과에 추가하여 비용이 감소되고 공간 정보를 포함하는 이미지 정보가 획득된다.

또한, 액정 디바이스에 추가하여, 공간적 광 변조 소자(21)는 습식 캐필러리형(wet capillary type) 공간적 광 변조 소자(21)일 수 있다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제 2005-31632 호 및 제 2005-316316 호, 및 Beni, G. and Hackwood, S., 'Appl. Phys. Lett. Vol. 38, Issue 4', 207-209, USA, 1981 참조).

습식 캐필러리형 공간적 광 변조 소자(21)는, 액체를 저장할 수 있는 미세다공성 구조체(microporous structural body), 및 전기 신호에 의해 미세다공성 구조체 내의 액체의 양을 조정해서 광의 투과율을 제어하는 투과율 제어(transmittance-controlling) 디바이스를 갖는다.

그러한 구조로, 입사 광속에 의해 조사되는 전체 영역은 투명 재료로 구성되고, 따라서 공간적 광 변조 소자(21) 아래에 위치되는 이미지 센서(22) 상의 수광 소자들이 모두 사용가능하며, 이미지 또는 공간 정보를 포함하는 보다 높은 분해능을 갖는 이미지 정보가 획득된다.

또한, 높은 정밀도를 요구하는 측정에 있어서, 바람직하게, 수평 위치, 회전, 평행도(parallelism) 등과 관련된 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)의 위치조정(positioning)이 대략 픽셀 사이즈의 정밀도로 수행된다.

습식 캐필러리형 공간적 광 변조 소자(21)가 사용되면, 공간적 광 변조 소자(21), 이미지 센서(22) 및 갭 규정 부재(24) 모두를 반도체 공정에서 제조하는 것이 가능해지고, 따라서 접착제 등을 사용하지 않고 이미징 모듈(2)을 일체적으로 형성하는 것이 쉬워진다. 그러한 구조로, 대략 픽셀 사이즈의 정밀도로 위치조정이 가능하고, 따라서 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)가 접착제 등을 사용함으로써 일체화되는 경우와 비교하여, 보다 높은 정밀도 및 보다 높은 분해능을 갖는 이미지 정보를 획득하는 것이 가능하다.

공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22) 사이의 일정 거리를 유지하면서, 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)가 일체화되고 고정되며, 전기 배선이 배선(25)으로 수행되고, 따라서 이미징 모듈(2)은 장착 방식으로 인한 어떠한 제약없이, 공간 정보를 포함하는 보다 높은 분해능 및/또는 보다 높은 정밀도를 갖는 이미지 정보를 획득한다.

본 실시예에 있어서의 이미징 디바이스(1)는, 변조를 주기적으로 변경하기 위해 공간적 광 변조 소자를 구동하는 소자 구동부인 제어기(9), 및 이미지 정보로부터 변조를 제거하여 이미지를 재구성하는 디코딩 처리 디바이스(12)를 갖는다. 상기 구조에 의해, 이미징 디바이스(1)는 피사체의 특성 또는 촬영 장면(scene)에 따라 최적의 코드화된 개구를 형성하고, 이미지 및 공간 정보를 포함하는 이미지 정보를 획득한다.

또한, 본 실시예에서, 소자 구동부인 제어기(9)는, 주기에 있어서 상이한 복수의 사인 파형들이 중첩되는 공간적 투과율 분포를 사용하고, 공간적 광 변조 소자(21)를 투과하는 광속에 공간적 변조를 적용한다.

상기 구조에 의해, 이미징 디바이스(1)는 이미지로부터 획득된 이미지 특성 정보를 사용하여 공간적 광 변조 소자(21) 상에 최적의 코드화된 개구 패턴을 형성하고, 피사체의 특성 또는 이미징 장면에 따른 이미지 저하의 요인이 제거된 높은 이미지 품질을 갖는 이미지를 획득한다.

또한, 본 실시예에서, 소자 구동부인 제어기(9)는, 이미지 정보를 분석하는 이미지 특성 분석 디바이스인 제어기(9)에 의한 분석 결과에 기반하여 공간적 광 변조 소자(21)에 적용된 변조를 주기적으로 변경한다.

상기 구조에 의해, 이미징 디바이스(1)는 피사체의 특성 또는 이미징 장면에 따라 최적의 코드화된 개구를 형성하고, 보다 높은 정밀도를 갖는 이미지 및 공간 정보를 포함하는 이미지 정보를 획득한다.

일반적으로, 쉽게 획득가능하고 비용 감소에 있어서 효과적인 액정 디바이스는, 광 검출기인 포토다이오드의 사이즈와 비교하여 액정 소자의 셀당 사이즈에 있어서 매우 크다. 따라서, 코드화된 개구 패턴과 이미징 평면의 분해능이 상이하기 때문에, 광 검출기가 액정 디바이스의 투과율을 제어하여 코드화된 개구 패턴으로 사용만을 하기 위해 효과적으로 사용되지 못한다는 우려가 있다.

그러한 우려를 해결하는 이미징 모듈(2)의 제 1 변형예가 설명될 것이다.

도 5에 도시된 이미징 모듈(2)에서, 고정부(23)의 구조는, 설명된 도 2에 도시된 이미징 모듈(2)의 구조와 비교하여 상이하다.

고정부(23)는, 공간적 광 변조 소자(21)측 상의 면(일측 상의 면)으로부터 입사된 광속을 이미지 센서(22)측 상의 면(다른측 상의 면)으로 안내하는 광 경로 안내 소자(27), 광 경로 안내 소자(27)를 지지하는 지지 구조체(29), 및 공간적 광 변조 소자(21)와 광 경로 안내 소자 사이에 배열되는 갭 규정 부재(24)를 갖는다.

광 경로 안내 소자(27)는, 이미지 센서(22)와 공간적 광 변조 소자 사이에, 공간적 광 변조 소자(21)에 대해 일정 거리를 갖도록 배열되고 고정되며, 공간적 광 변조 소자(21)측 상의 면 상의 개구 면적과 이미지 센서(22)의 면 상의 개구 면적이 상이한 테이퍼 형상을 갖는다.

광 경로 안내 소자(27)는, 광섬유들을 묶어 만든 섬유 플레이트(plate)가 가열되고 연장되며, 이어서 절단되고 폴리싱된 테이퍼형 섬유 플레이트이며, 공간적 광 변조 소자(21)측 상의 면의 분해능과 이미지 센서(22)측 상의 면의 분해능이 상이하다.

광 경로 안내 소자(27)는, 좁은 개구 면적을 갖는 면이 이미징 평면으로서 이미지 센서(22)와 접촉하도록 이미지 센서(22)에 고정된다. 광 경로 안내 소자(27)는, 공간적 광 변조 소자(21)에 대해 수 mm 이하, 바람직하게 1 mm 이하의 갭 구조를 형성하는 갭 규정 부재(24)를 통해 공간적 광 변조 소자(21)에 일체적으로 고정된다.

그러한 구조로, 광 경로 안내 소자(27)는, 이미징 평면의 면적을, 모의적(simulative) 방식으로 광 경로 안내 소자(27)의 공간적 광 변조 소자(21)측 상의 면의 면적과 동일한 사이즈까지 확대하여 분해능을 변경한다.

따라서, 공간적 광 변조 소자(21)의 픽셀 피치(pitch)가 이미지 센서(22)의 픽셀 피치보다 크고 분해능들이 상이할 경우, 확대된 이미징 평면에 의해, 공간적 광 변조 소자(21)는 모의적 방식으로 보다 높은 분해능을 갖고, 보다 높은 공간 분해능을 갖는 이미지가 획득된다.

공간적 광 변조 소자(21)는 전기 배선(25)에 의해 제어기(9)에 연결된다.

본 실시예에서, 광 경로 안내 소자(27)는, 공간적 광 변조 소자(21)와 광 경로 안내 소자(27) 사이에 배열된 갭 규정 부재(24)에 의해 공간적 광 변조 소자(21)에 연결된다.

이미지 센서(22)와 광 경로 안내 소자(27)는 서로 접촉하여 배열되지만, 접촉면 상의 광의 반사를 억제하는 매칭 오일을 경계면에 도포함으로써, 광속의 이용 효율이 향상되고, 보다 양호한 이미지 품질로 이미징을 수행하는 것이 가능하다.

일반적으로 공간적 광 변조 소자(21)의 픽셀 피치가 이미지 센서(22)의 픽셀 피치보다 크고, 따라서 광 경로 안내 소자(27)의 좁은 개구 면적을 갖는 면이 이미지 센서(22)측을 향해 배열되지만, 광 경로 안내 소자(27)의 좁은 개구 면적을 갖는 면은 공간적 광 변조 소자(21)측을 향해 배열될 수 있다.

이 경우, 광 경로 안내 소자(27)가 이미징 평면의 면적을, 모의적 방식으로 광 경로 안내 소자(27)의 공간적 광 변조 소자(21)측 상의 면의 면적과 동일한 사이즈까지 감소시키고, 이미지 센서(22)는 모의적 방식으로 높은 분해능을 갖고, 따라서 특히 이미지 센서의 분해능이 낮을 경우 보다 높은 분해능을 갖는 이미지가 획득된다.

도 5를 참조한 설명 이외의 구조 및 동작의 설명은, 도 2에 도시된 이미징 모듈(2)의 구조 및 동작과 유사하기 때문에 생략된다.

도 6은 도 5에 도시된 이미징 모듈(2)을 갖는 이미징 디바이스(1)의 구조적 예시를 도시한다.

도 1에 도시된 이미징 디바이스와의 상이점이 설명될 것이다. 제 1 변형예에서 이미징 모듈(2)을 갖는 구조에 있어서, 모의적 이미징 평면은 광 경로 안내 소자(27)의 입사면, 즉 광 경로 안내 소자(27)의 공간적 광 변조 소자(21)측 상의 면 상에 위치되고, 실제 이미징 평면과 비교하여 픽셀 피치가 확대된다.

따라서, 이미지 형성 광학 시스템(3)에서, 이미지 형성 평면인 이미지 형성 영역으로서의 이미지 서클은 모의적 이미징 평면보다 크게 세팅될 필요가 있다. 이미지 형성 광학 시스템(3)에 관한 제약들이 만족되면, 이미징 디바이스(1)의 다른 구조는 도 1에 도시된 이미징 디바이스의 구조와 유사하고, 이미지 형성 광학 시스템(3)은 상호교환가능 렌즈(interchangeable-lens) 카메라들과 같은 다양한 카메라들에 사용될 수 있다.

또한, 예를 들어, 도 7에 도시된 제 2 변형예와 같이, 이미징 모듈(2)은 습식 캐필러리형 공간적 광 변조 소자(21)와 고정부(23)가 동일한 기판 상에 일체적으로 형성된 구조일 수 있다. 이때, 고정부(23)는 갭 규정 부재(24)로서의 기능을 갖고 보이드 구조를 형성한다. 도 7에 도시된 구조로, 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)의 본딩을 위해 반도체 공정에 있어서의 웨이퍼 본딩(wafer-bonding) 기술이 사용되고, 따라서 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22) 사이의 평행도 및 위치조정의 정밀도가 향상된다.

웨이퍼 본딩 기술로서, 글래스 프릿 본딩, 금속에 의한 공융(eutectic) 본딩 등이 사용될 수 있다.

또한, 이 구조적 예시에서, 공간적 광 변조 소자(21)는 Si 열산화에 의한 글래스화(vitrification)를 사용함으로써 제조될 수 있다. 그러한 구조로, 이미징 모듈(2)이 실리콘 공정에 의해서만 제조되어 대량 제조 비용이 감소되며, 정밀도가 향상된다.

공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)의 본딩을 위해 반도체 공정에 있어서의 웨이퍼 본딩 기술이 사용되는 구조에서, 적층된 부분에 충분한 배선 공간을 보장하는 것은 어렵다는 점에 유념한다.

따라서, 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22) 사이의 전기적 연결은 바람직하게, 관통 실리콘 비아(Through-Silicon via; TSV) 등과 같은 관통 배선(26)에 의해 수행된다. 관통 배선(26)에 의해, 배선을 장착할 때 등의 파손의 가능성이 감소되고, 공간적 광 변조 소자(21), 이미지 센서(22), 이들을 제어하는 기판, 및 배선의 간섭이 방지되거나 감소되고, 장착 방식으로 인한 어떠한 제약없이 공간 정보를 포함하는 이미지 정보가 획득된다.

공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)를 일체화하고, 최단 경로를 통해 관통 배선(26)에 의해 최단 경로를 통해 전기 연결을 행함으로써, 공간적 광 변조 소자(21)의 투과율을 주기적으로 변경하는 경우에 있어서의 노이즈가 감소되거나 또는 억제되고, 보다 높은 정밀도를 갖는 이미지 정보가 획득된다.

또한, 도 8에 도시된 제 3 변형예와 같이, 구조는, 이미징 모듈(2)의 공간적 광 변조 소자(21)와 이미지 센서(22)와 고정부(23)가 일체적으로 배열되고, 글래스 재료 등과 같은 투명 재료로 구성된 갭 규정 부재(24)가 내부에 배열된 구조일 수 있다.

그러한 구조로, 공간적 광 변조 소자(21)를 투명 재료와 본딩된 상태에서 처리함으로써, 공간적 광 변조 소자(21)의 두께가 감소되어 이미징 모듈(2)의 소형화가 달성된다.

글래스 프릿 재료로 구성된 본딩 부재(241)가 도 8에 도시된 바와 같이 갭 규정 부재(24)와 이미지 센서(22) 사이에 배열될 수 있다는 점에 유념한다.

또한, 도 9에 도시된 제 4 변형예와 같이, 구조가, 제어기(9)가 공간적 광 변조 소자(21) 상에 배열된 구조이면, 갭 구조는 투명 재료를 사용하여 갭 규정 부재(24)에 의해 보장되어 회로 형성에 충분한 면적을 갖는 것이 가능하다.

그러한 구조로, 이미징 디바이스(1)를 소형화하는 것이 가능하다.

또한, 도 10에 도시된 제 4 변형예와 같이, 이미지 센서(22)로서 후방 조사형(back-illuminated) 이미지 센서가 사용되고, 이미지 센서(22)와 공간적 광 변조 소자(21) 사이의 갭 거리가 유지되며, 이미지 센서(22)의 두께가 감소되고, 따라서 이미징 모듈(2)을 소형화하는 것이 가능하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 이미지 센서와 코드화된 개구 패턴 사이의 거리가 짧고 이미지 센서와 코드화된 개구 패턴이 높은 정밀도로 배열된 이미징 모듈 및 이미징 디바이스를 제공하는 것이 가능하다.

본 발명이 예시적인 실시예들의 관점에서 설명되었지만, 그것에 제한되지 않는다. 다음의 청구범위에 의해 규정된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고, 당업자에 의해 서술된 실시예들 내에 변형들이 이루어질 수 있다는 점이 이해되어야 한다.

예를 들어, 상기 실시예에서, 이미징 디바이스(1)는 컴팩트 디지털 카메라, 휴대형(portable) 디바이스 상에 장착되는 컴팩트 카메라 등과 같은 다양한 유형들의 이미징 디바이스일 수 있다.

상술한 실시예에 따르면, 입사 광속에 공간적 변조를 적용하고 이를 방출하는 공간적 광 변조 소자, 공간적 광 변조 소자에 의해 공간적 변조가 적용된 광속을 이미지 정보로서 획득하는 이미지 센서, 및 공간적 광 변조 소자와 이미지 센서를 일체적으로 고정하는 고정 부재가 포함되며, 고정 부재는 공간적 광 변조 소자와 이미지 센서 사이에 배열되고 일정 거리를 갖는 갭 구조를 형성하는 갭 규정 부재를 갖는다. 또한, 이미지 센서와 코드화된 개구 패턴 사이의 거리가 짧고, 이미지 센서와 코드화된 개구 패턴이 높은 정밀도로 배열되며, 에일리어싱 등과 같은 이미지의 저하가 방지되고, 광의 공간 정보가 높은 분해능 및 높은 정밀도로 획득가능하다.

본 발명의 실시예에서 설명된 효과들이 본 발명으로부터 생성된 가장 바람직한 효과들이며, 따라서, 본 발명에 따른 효과들은 본 발명의 실시예의 설명들에 제한되지 않는다.

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은 2014년 1월 10일에 출원된 일본 특허 출원 제 2014-003637 호에 기반하며 이 출원에 우선권을 주장하며, 이 출원 내용은 그 전체가 참조로서 본원에 병합된다.