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KR102676333B1 - Polarization Camera for Acquiring Full Stokes Polarized Image, and Polarized Image Acquisition Method using the Same - Google Patents

Polarization Camera for Acquiring Full Stokes Polarized Image, and Polarized Image Acquisition Method using the Same Download PDF

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KR102676333B1
KR102676333B1 KR1020220021932A KR20220021932A KR102676333B1 KR 102676333 B1 KR102676333 B1 KR 102676333B1 KR 1020220021932 A KR1020220021932 A KR 1020220021932A KR 20220021932 A KR20220021932 A KR 20220021932A KR 102676333 B1 KR102676333 B1 KR 102676333B1
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KR
South Korea
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polarization
image
phase
image sensor
light
Prior art date
Application number
KR1020220021932A
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Inventor
이승아
백낙규
김태영
정재우
이유진
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 이미지 센서, 이미지 센서의 전방에 배치되고, 풀 스토크스 파라미터를 획득하기 위해 요구되는 편광 방향 별 광 세기 이미지의 개수에 따라 서로 다른 편광 방향을 갖는 다수의 편광 영역으로 구분되어, 이미지 센서로 입사되는 광을 구분된 편광 영역의 편광 방향에 따라 필터링하는 편광 필터 및 이미지 센서의 전방에 편광 필터와 중첩되도록 배치되고, 미리 형성된 위상 변환 패턴에 따라 입사되는 광을 위상 변환하는 위상 마스크를 포함하여, 저비용으로 제조 가능하며, 1회 촬영으로 풀 스토크스 파라미터를 용이하게 획득할 수 있는 편광 카메라 및 이를 이용한 이미지 획득 방법을 제공한다.The present invention is an image sensor, disposed in front of the image sensor, and divided into a plurality of polarization regions with different polarization directions according to the number of light intensity images for each polarization direction required to obtain full Stokes parameters, and the image sensor It includes a polarization filter that filters the incident light according to the polarization direction of the divided polarization region and a phase mask that is disposed to overlap the polarization filter in front of the image sensor and phase-converts the incident light according to a pre-formed phase conversion pattern. Accordingly, a polarization camera that can be manufactured at low cost and can easily obtain full Stokes parameters with a single shooting and an image acquisition method using the same are provided.

Description

풀 스토크스 파라미터를 획득하기 위한 편광 카메라 및 편광 이미지 획득 방법{Polarization Camera for Acquiring Full Stokes Polarized Image, and Polarized Image Acquisition Method using the Same}Polarization Camera for Acquiring Full Stokes Polarized Image, and Polarized Image Acquisition Method using the Same}

본 발명은 편광 카메라 및 이를 이용한 이미지 획득 방법에 관한 것으로, 단일 촬영으로 풀 스토크스 파라미터를 획득할 수 있는 편광 카메라 및 이를 이용한 편광 이미지 획득 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polarization camera and a method of acquiring an image using the same. It relates to a polarization camera capable of acquiring full Stokes parameters through a single shooting and a method of acquiring a polarization image using the same.

편광 이미징(polarization imaging)은 물체의 복굴절(birefringence) 또는 표면 속성 등에 따라 달라지는 편광 특성을 관찰하기 위해, 여러 편광 방향으로 물체에 대한 이미지를 획득하여 추가적인 대비(contrast)가 나타나도록 하는 이미징 기법이다.Polarization imaging is an imaging technique that obtains images of an object in various polarization directions to reveal additional contrast in order to observe polarization characteristics that vary depending on the object's birefringence or surface properties.

도 1은 편광 이미징의 적용 예를 나타낸다.Figure 1 shows an example application of polarization imaging.

도 1에서 (a)는 통상의 이미징 기법으로 획득된 이미지이고, (b)는 편광 이미징 기법에 따라 획득된 이미지이다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 편광 이미징 기법을 이용하면, 인간의 눈 또는 기존의 카메라에서 획득하기 힘든 숨겨진 정보를 확인할 수 있다는 장점으로 인해 널리 보급되고 있다. 편광 이미징은 재료 분석, 투명 물체 검사 및 3D 이미징 등과 같은 다양한 머신 비전 애플리케이션세서 주로 이용되고 있다.In Figure 1, (a) is an image acquired using a conventional imaging technique, and (b) is an image acquired using a polarization imaging technique. As shown in Figure 1 (b), the use of polarization imaging techniques is becoming widely used due to the advantage of being able to identify hidden information that is difficult to obtain with the human eye or existing cameras. Polarization imaging is widely used in a variety of machine vision applications such as materials analysis, transparent object inspection, and 3D imaging.

기존에 대부분의 편광 카메라는 여러 편광 방향으로의 편광 이미지를 획득하기 위해 센서 평면의 공간 다중화 또는 순차 편광 필터링의 두 가지 기술 중 하나를 이용한다. 공간 다중화는 온칩(on-chip) 픽셀 레벨의 편광 필터 어레이를 이용하는 방식으로 이미지 센서와 편광 필터가 일체형으로 제조된 편광 이미지 센서를 이용하므로 스냅샷 편광 이미징을 가능하게 한다. Most existing polarization cameras use one of two techniques: spatial multiplexing of the sensor plane or sequential polarization filtering to acquire polarization images in multiple polarization directions. Spatial multiplexing uses an on-chip pixel-level polarization filter array and uses a polarization image sensor in which the image sensor and polarization filter are manufactured as one piece, enabling snapshot polarization imaging.

도 2는 기존의 편광 이미지 센서 구성의 일 예를 나타낸다.Figure 2 shows an example of a conventional polarization image sensor configuration.

도 2에 도시된 바와 같이, 공간 다중화 방식에 이용되는 편광 이미지 센서에서는 편광 필터(12)가 픽셀 단위로 구성되어 이미지 센서(11)와 결합되어 온칩으로 구성되어야 한다. 이때 렌즈(13) 또한 픽셀 레벨로 제조되어 결합될 수 있다. 또한 도 2에서는 4개 방향의 선형 편광(linear polarization)을 획득하는 선형 편광 필터로 구성되어 있으나, 원형 편광(circular polarization) 또는 타원 편광(elliptical polarization)을 함께 획득하기 위해서는 1/4 위상 지연판(Quarter-Wave Plate: 이하 QWP)이 추가적으로 온칩으로 구성되어야 한다. 따라서 제조 과정이 매우 복잡하고 비용이 매우 높다. 뿐만 아니라 편광 이미징을 위한 전용 칩으로 제조되어야 하므로, 다른 용도로 이용될 수 없다는 한계가 있다.As shown in FIG. 2, in the polarization image sensor used in the spatial multiplexing method, the polarization filter 12 must be configured in pixel units and combined with the image sensor 11 to be configured on-chip. At this time, the lens 13 may also be manufactured and combined at the pixel level. In addition, in Figure 2, it is composed of a linear polarization filter that acquires linear polarization in four directions, but in order to acquire circular polarization or elliptical polarization together, a 1/4 phase retardation plate ( Quarter-Wave Plate (hereinafter referred to as QWP) must be additionally configured on-chip. Therefore, the manufacturing process is very complicated and the cost is very high. In addition, since it must be manufactured as a dedicated chip for polarization imaging, there is a limitation that it cannot be used for other purposes.

그에 반해 순차 편광 필터링은 통상의 카메라의 전면에 서로 다른 편광 방향을 갖는 편광 필름을 교체 또는 회전시키면서 반복하여 다수 횟수로 촬영하는 방식이다. 순차 편광 필터링은 기존 카메라를 이용하면서 회전 편광판만 추가로 필요하므로 저비용으로 편광 이미지를 획득할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 순차 편광 필터링 방식은 서로 다른 편광 방향에 따라 다수 횟수로 촬영한 해야 하므로 시간이 많이 소요되며, 촬영 간격 사이에 물체의 움직임이 발생해서는 안된다. 이로 인해 정적 및/또는 매우 느리게 움직이는 물체에만 적용할 수 있다는 한계가 있다.In contrast, sequential polarization filtering is a method of repeatedly photographing multiple times while replacing or rotating polarizing films with different polarization directions on the front of a typical camera. Sequential polarization filtering has the advantage of being able to acquire polarization images at low cost because it requires only an additional rotating polarizer while using an existing camera. However, the sequential polarization filtering method takes a lot of time because it must be imaged multiple times according to different polarization directions, and object movement must not occur between shooting intervals. This limits its applicability to static and/or very slowly moving objects.

한국 등록 특허 제10-1999224호 (2019.07.05 등록)Korea Registered Patent No. 10-1999224 (registered on July 5, 2019)

본 발명의 목적은 렌즈리스 카메라를 이용하여 1회 촬영으로 풀 스토크스 파라미터를 획득할 수 있는 편광 카메라 및 이를 이용한 편광 이미지 획득 방법을 제공하는데 있다.The purpose of the present invention is to provide a polarization camera capable of acquiring full Stokes parameters in one shot using a lensless camera, and a method for acquiring a polarization image using the same.

본 발명의 다른 목적은 렌즈를 대신하여 위상 마스크와 편광 필름을 이용하여 저비용으로 풀 스토크스 파라미터를 획득할 수 있는 편광 카메라 및 이를 이용한 편광 이미지 획득 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a polarization camera capable of obtaining full Stokes parameters at low cost using a phase mask and a polarizing film instead of a lens, and a method for acquiring a polarized image using the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 카메라는 이미지 센서; 상기 이미지 센서의 전방에 배치되고, 풀 스토크스 파라미터를 획득하기 위해 요구되는 편광 방향 별 광 세기 이미지의 개수에 따라 서로 다른 편광 방향을 갖는 다수의 편광 영역으로 구분되어, 상기 이미지 센서로 입사되는 광을 구분된 편광 영역의 편광 방향에 따라 필터링하는 편광 필터; 및 상기 이미지 센서의 전방에 상기 편광 필터와 중첩되도록 배치되고, 미리 형성된 위상 변환 패턴에 따라 입사되는 광을 위상 변환하는 위상 마스크를 포함한다.A polarization camera according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes an image sensor; It is disposed in front of the image sensor and is divided into a plurality of polarization regions with different polarization directions according to the number of light intensity images for each polarization direction required to obtain the full Stokes parameter, so that the light incident on the image sensor A polarization filter that filters according to the polarization direction of the divided polarization region; and a phase mask disposed in front of the image sensor to overlap the polarization filter and phase-converting incident light according to a pre-formed phase conversion pattern.

상기 편광 필터는 상기 이미지 센서의 광 감지 영역에 구분된 편광 영역에 따른 편광이 입사되도록 각각 지정된 편광 방향을 갖는 다수의 편광 영역으로 구분된 편광 필름; 및 상기 편광 필름의 구분된 편광 영역 중 적어도 하나의 편광 영역에 중첩되어 배치되어 입사되는 광의 위상을 지연하는 위상 지연판을 포함할 수 있다.The polarization filter includes a polarizing film divided into a plurality of polarization regions each having a designated polarization direction so that polarization according to the polarization regions is incident on the light sensing area of the image sensor. and a phase retardation plate disposed to overlap at least one polarization region among the divided polarization regions of the polarizing film to delay the phase of incident light.

상기 위상 마스크는 상기 위상 변환 패턴에 따라 일면에 위치별로 상이한 높이를 갖도록 형성된 투명 필름으로 구현될 수 있다.The phase mask may be implemented as a transparent film formed to have different heights on one side at each position according to the phase conversion pattern.

상기 편광 카메라는 상기 위상 마스크의 위상 변환 패턴에 대응하는 점 확산 함수를 상기 편광 필터의 다수의 편광 영역에 따라 다수의 부분 점 확산 함수로 구분하고, 상기 이미지 센서에서 획득된 로우 이미지에 대해 다수의 부분 점 확산 함수 각각을 개별적으로 적용하여 상기 다수의 광 세기 이미지를 재구성하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.The polarization camera divides the point spread function corresponding to the phase shift pattern of the phase mask into a plurality of partial point spread functions according to the plurality of polarization regions of the polarization filter, and divides the point spread function corresponding to the phase shift pattern of the phase mask into a plurality of partial point spread functions for the raw image acquired from the image sensor. It may further include a processor that reconstructs the plurality of light intensity images by individually applying each partial point spread function.

상기 프로세서는 상기 다수의 광 세기 이미지를 조합하여 상기 풀 스토크스 파라미터를 획득할 수 있다.The processor may obtain the full Stokes parameter by combining the plurality of light intensity images.

상기 편광 필름은 4개의 편광 영역으로 구분되고, 4개의 편광 영역은 0도, 45도, 90도 및 135도 편광 방향 또는 0도, 90도 및 2개의 45도 편광 방향을 가질 수 있다.The polarizing film is divided into four polarization regions, and the four polarization regions may have polarization directions of 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees, or polarization directions of 0 degrees, 90 degrees, and two 45 degrees.

상기 위상 지연판은 상기 편광 필름에서 2개의 45도 편광 방향을 갖는 편광 영역 중 하나 또는 135도 편광 방향을 갖는 편광 영역에 중첩 배치될 수 있다.The phase retardation plate may be disposed to overlap one of two polarization regions having a 45-degree polarization direction or a polarization region having a 135-degree polarization direction in the polarizing film.

상기 프로세서는 0도, 45도, 90도 편광 방향을 갖는 편광 영역을 통해 상기 이미지 센서에 입사된 광에 의해 획득된 3개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°))와 상기 45도 편광 방향을 갖는 편광 영역과 상기 위상 지연판을 통해 상기 이미지 센서에 입사된 광에 의해 획득된 광 세기 이미지(I(45°,90°))로부터 풀 스토크스 파라미터를 구성하는 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)를 수학식 The processor generates three light intensity images (I(0°, 0°), I(45°, A light intensity image (I(45°, 90°)), the four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) that make up the full Stokes parameters are expressed in the equation

에 따라 획득할 수 있다.It can be obtained according to .

상기 편광 카메라는 상기 편광 필터와 상기 위상 마스크가 일면 및 타면에 각각 결합되는 조리개; 및 상기 편광 필터와 상기 위상 마스크가 결합된 상기 조리개가 상기 이미지 센서의 전면으로부터 이격 배치되도록 지지하는 스페이서를 더 포함할 수 있다.The polarization camera includes an aperture in which the polarization filter and the phase mask are combined on one side and the other, respectively; and a spacer that supports the aperture in which the polarization filter and the phase mask are combined to be spaced apart from the front of the image sensor.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 이미지 획득 방법은 풀 스토크스 파라미터를 획득하기 위해 요구되는 편광 방향 별 광 세기 이미지의 개수에 따라 서로 다른 편광 방향을 갖는 다수의 편광 영역으로 구분되어 입사되는 광을 구분된 편광 영역의 편광 방향에 따라 필터링하는 편광 필터와, 미리 형성된 위상 변환 패턴에 따라 입사되는 광을 위상 변환하는 위상 마스크를 통해 입사된 광을 상기 이미지 센서가 감지하여 로우 이미지를 획득하는 단계; 상기 위상 마스크의 위상 변환 패턴에 대응하는 점 확산 함수를 상기 편광 필터의 다수의 편광 영역에 따라 다수의 부분 점 확산 함수로 구분하고, 상기 로우 이미지에 대해 다수의 부분 점 확산 함수 각각을 개별적으로 적용하여 다수의 광 세기 이미지를 재구성하는 단계; 및 상기 다수의 광 세기 이미지를 조합하여 상기 풀 스토크스 파라미터를 획득하는 단계를 포함한다.A polarization image acquisition method according to another embodiment of the present invention to achieve the above object is a plurality of polarization regions having different polarization directions according to the number of light intensity images for each polarization direction required to obtain the full Stokes parameter. The image sensor detects the incident light through a polarization filter that filters the separately incident light according to the polarization direction of the divided polarization region, and a phase mask that phase-converts the incident light according to a pre-formed phase conversion pattern. acquiring an image; Divide the point spread function corresponding to the phase shift pattern of the phase mask into a plurality of partial point spread functions according to the plurality of polarization regions of the polarization filter, and apply each of the plurality of partial point spread functions individually to the raw image. reconstructing a plurality of light intensity images; and obtaining the full Stokes parameter by combining the plurality of light intensity images.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 편광 카메라 및 이를 이용한 편광 이미지 획득 방법은 렌즈리스 카메라에서 위상 마스크와 편광 필름을 이용하여 1회 촬영으로 서로 다른 편광 방향의 다양한 편광 이미지를 획득할 수 있도록 한다. 그러므로 저비용으로 제조 가능하며, 1회 촬영으로 풀 스토크스 파라미터를 용이하게 획득하여 편광 상태를 설명하기 위한 편광도 이미지와 편광 각 이미지 및 타원율 이미지를 획득할 수 있다.Therefore, the polarization camera and the method of acquiring a polarization image using the same according to an embodiment of the present invention enable various polarization images of different polarization directions to be acquired in a single shooting using a phase mask and a polarizing film in a lensless camera. Therefore, it can be manufactured at a low cost, and the full Stokes parameters can be easily obtained with a single shooting, thereby obtaining a polarization degree image, a polarization angle image, and an ellipticity image to explain the polarization state.

도 1은 편광 이미징의 적용 예를 나타낸다.
도 2는 기존의 편광 이미징 카메라 구성의 일 예를 나타낸다.
도 3은 렌즈 기반 이미징 방식과 위상 마스크 기반 렌즈리스 이미징 방식의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 위상 마스크 기반 렌즈리스 이미징 방식의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 위상 마스크 기반 렌즈리스 이미지를 복원하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 카메라의 개략적 구조를 나타낸다.
도 7은 도 6의 편광 카메라를 이용하여 다양한 편광 방향에 따른 세기 이미지를 재구성하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7의 재구성 세기 이미지를 기반으로 편광 상태 이미지를 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
Figure 1 shows an example application of polarization imaging.
Figure 2 shows an example of a conventional polarization imaging camera configuration.
Figure 3 is a diagram for explaining the operation of a lens-based imaging method and a phase mask-based lensless imaging method.
Figure 4 is a diagram to explain the principle of a phase mask-based lensless imaging method.
Figure 5 is a diagram for explaining a method for restoring a phase mask-based lensless image.
Figure 6 shows a schematic structure of a polarization camera according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram to explain the concept of reconstructing intensity images according to various polarization directions using the polarization camera of FIG. 6.
FIG. 8 is a diagram for explaining a method of acquiring a polarization state image based on the reconstructed intensity image of FIG. 7.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, its operational advantages, and the objectives achieved by practicing the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by explaining preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the described embodiments. In order to clearly explain the present invention, parts that are not relevant to the description are omitted, and like reference numerals in the drawings indicate like members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, this does not mean excluding other elements, unless specifically stated to the contrary, but rather means that it may further include other elements. In addition, terms such as "... unit", "... unit", "module", and "block" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which is hardware, software, or hardware. and software.

본 실시예의 풀 스토크스 파라미터를 획득하기 위한 편광 카메라 및 편광 이미지 획득 방법에서는 편광 필름과 함께 위상 마스크 기반 렌즈리스 카메라를 이용하여 풀 스토크스 파라미터를 획득할 수 있도록 한다.In the polarization camera and polarization image acquisition method for acquiring the full Stokes parameters of this embodiment, the full Stokes parameters can be acquired using a phase mask-based lensless camera along with a polarizing film.

이에 여기서는 위상 마스크 기반 렌즈리스 카메라에 대해 우선 설명하도록 한다.Therefore, here we will first explain the phase mask-based lensless camera.

도 3은 렌즈 기반 이미징 방식과 위상 마스크 기반 렌즈리스 이미징 방식의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 위상 마스크 기반 렌즈리스 이미징 방식의 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 위상 마스크 기반 렌즈리스 이미지를 복원하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the lens-based imaging method and the phase mask-based lensless imaging method, FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of the phase mask-based lensless imaging method, and FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the phase mask-based lensless imaging method. This diagram is intended to explain how to restore a lease image.

도 3에서 (a)는 렌즈 기반 이미징 방식을 나타내고, (b)는 위상 마스크 기반 렌즈리스 이미징 방식을 나타낸다.In Figure 3, (a) shows a lens-based imaging method, and (b) shows a phase mask-based lensless imaging method.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 렌즈 기반 이미징 방식에서는 이미지 센서(22)의 전방에 적어도 하나의 렌즈가 포함된 렌즈 모듈(21)이 배치된다. 렌즈즈 모듈(21)은 특정 위치로부터 입사되는 광을 이미지 센서(22)의 특정 위치에 결상되도록 한다. 즉 점 광원이 렌즈 모듈(21)에 의해 이미지 센서(22)에 다시 점 형태로 맺히게 되므로, 이미지 센서(22)는 물체의 형상의 이미지(23)를 획득할 수 있다. 반면 위상 마스크 기반 렌즈리스 이미징 방식에서는 (b)에 도시된 바와 같이, 렌즈 대신 위상 마스크(Phase mask)(24)가 이미지 센서(25)의 전방에 위치한다. 여기서 위상 마스크(24)는 광이 투과될 수 있는 투명 소재로서 투명 필름 등을 이용하여 구현될 수 있으며, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 위상 마스크(24)의 일면은 불규칙적인 형태의 위상 변환 패턴에 따라 위치별로 상이한 높이를 갖도록 형성된다.As shown in (a) of FIG. 3, in the lens-based imaging method, a lens module 21 including at least one lens is disposed in front of the image sensor 22. The lens module 21 allows light incident from a specific location to be imaged at a specific location on the image sensor 22. That is, since the point light source is focused again in the form of a point on the image sensor 22 by the lens module 21, the image sensor 22 can acquire an image 23 of the shape of the object. On the other hand, in the phase mask-based lensless imaging method, as shown in (b), a phase mask 24 is located in front of the image sensor 25 instead of a lens. Here, the phase mask 24 is a transparent material capable of transmitting light and can be implemented using a transparent film, etc., and as shown in (b) of FIG. 3, one side of the phase mask 24 has an irregular shape. It is formed to have different heights for each location according to the phase conversion pattern.

일면에 크기, 높이, 모양이 상이한 다양한 패턴이 형성된 위상 마스크(24)는 광이 입사되는 위치에 따라 서로 다른 굴절율로 광을 굴절시켜, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 입사된 점 광원이 물결 무늬와 유사한 패턴으로 확산되도록 변환한다. 즉 점 광원이 위상 마스크(24)에 형성된 위상 변환 패턴에 따라 이미지 센서의 전체 영역으로 확산된 이미지로 획득된다.The phase mask 24, which has various patterns of different sizes, heights, and shapes formed on one surface, refracts light with different refractive indices depending on the position where the light is incident, and as shown in (a) of FIG. 4, the incident point Converts the light source to spread out in a pattern similar to a wave pattern. That is, the point light source is acquired as an image spread over the entire area of the image sensor according to the phase shift pattern formed on the phase mask 24.

여기서 기지정된 기준 위치의 점 광원에서 방사된 광이 광학계(여기서는 위상 마스크)를 통과하여 이미지 센서(25)에 입사되는 광량 분포를 나타내는 함수인 점 확산 함수(Point Spread Function: PSF)(28)는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 위상 마스크(24)의 위상 변환 패턴에 대응하는 패턴으로 미리 획득된다.Here, the Point Spread Function (PSF) 28 is a function representing the distribution of light quantity incident on the image sensor 25 when light emitted from a point light source at a predetermined reference position passes through an optical system (here, a phase mask). As shown in (a) of FIG. 4, a pattern corresponding to the phase shift pattern of the phase mask 24 is obtained in advance.

그리고 입사되는 점 광원의 위치가 변화하면, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(25)에 투영되는 점 확산 함수(PSF) 전체가 평행 시프트(Lateral Shift)되는 형태로 변화하게 된다. 그러므로 서로 다른 위치의 점 광원에서 입사되는 광은 각각 점 확산 함수(PSF)에 따라 확산 변환되고, 이미지 센서(25)에 중첩되어 입사되므로, 이미지 센서(25)는 도 4의 (b)와 같이 점 확산 함수(PSF)가 평행 시프트되어 중첩된 로우 이미지(raw image)(26)를 획득하게 된다.And when the position of the incident point light source changes, as shown in (b) of FIG. 4, the entire point spread function (PSF) projected on the image sensor 25 changes in a parallel shift form. do. Therefore, the light incident from the point light sources at different positions is converted to diffusion according to the point spread function (PSF) and is overlapped and incident on the image sensor 25, so the image sensor 25 is as shown in (b) of FIG. The point spread function (PSF) is parallel shifted to obtain a superimposed raw image (26).

이와 같이 위상 마스크(24)를 이용하는 경우, 점 광원은 위상 변환 패턴에 따라 이미지 센서(25)의 전체 영역에 확산되어 투영되므로, 이미지 센서(25)에서 획득된 로우 이미지의 일부 영역만으로도 점 광원을 일정 수준까지 재구성할 수 있다.When using the phase mask 24 in this way, the point light source is diffused and projected onto the entire area of the image sensor 25 according to the phase conversion pattern, so the point light source can be projected only in a partial area of the raw image acquired from the image sensor 25. It can be reorganized to a certain level.

그리고 점이 아닌 크기를 갖는 물체를 촬영하는 경우, 다수의 위치별 점 광원에서 방사된 광이 위상 마스크(24)를 통해 이미지 센서(25)에 중첩되어 입사된 것으로 볼 수 있다. 따라서 다수의 점 확산 함수(PSF)가 시프트되어 중첩된 도 3의 (b)와 같은 로우 이미지(26)로 획득된다. 이때 로우 이미지(26)의 일부 영역에도 다수의 점 광원의 성분이 중첩된 형태로 포함되어 있으므로, 로우 이미지(26)의 일부 영역만으로도 물체에 대한 이미지를 일정 수준 재구성 가능하다.Additionally, when photographing an object having a size other than a point, light emitted from a plurality of point light sources at each location can be viewed as being overlapped and incident on the image sensor 25 through the phase mask 24. Accordingly, a raw image 26 such as (b) of FIG. 3 is obtained by shifting and overlapping multiple point spread functions (PSFs). At this time, since some areas of the raw image 26 also contain components of multiple point light sources in an overlapping form, the image of the object can be reconstructed to a certain level with only some areas of the raw image 26.

여기서 렌즈리스 이미징 방식으로 획득된 로우 이미지(26)를 렌즈 기반 이미징 방식과 동일한 형태의 이미지로 변환하기 위해서는 로우 이미지(26)에 대해 점 확산 함수(PSF)를 이용하여 콘볼루션 연산을 우선 수행하여 각 점 광원에 의한 이미지를 추출한 후, 다시 점 확산 함수(PSF)를 기반으로 디콘볼루션 연산을 수행해야 한다.Here, in order to convert the raw image 26 acquired by the lensless imaging method into an image of the same form as the lens-based imaging method, a convolution operation is first performed on the raw image 26 using a point spread function (PSF). After extracting the image from each point light source, a deconvolution operation must be performed again based on the point spread function (PSF).

다만 점 확산 함수(PSF)에 기반한 디콘볼루션 연산은 복잡도가 매우 높고, 이미지 센서(25)가 광을 감지할 수 있는 영역의 제한이 있어 통상적인 방식으로 수행할 수 없다. 이에 일반적으로는 ADMM(alternating direction method of multipliers) 알고리즘 등을 이용하여 위상 변환된 로우 이미지(26)를 렌즈 기반 이미지 형태(29)로 재구성한다. 이 경우, 이미지 변환 모델을 미리 설정하고, 이미지 변환 모델에서 변환된 이미지와 렌즈 기반 이미지 사이의 오차가 최소가 되도록 이미지 변환 모델을 반복적으로 업데이트하는 최적화 방법을 이용하여, 위상 마스크(24)를 통해 획득된 로우 이미지(26)를 도 5와 같은 렌즈 기반 이미지 형태(29)로 재구성할 수 있다.However, the deconvolution operation based on the point spread function (PSF) is very complex and cannot be performed in a conventional manner due to limitations in the area in which the image sensor 25 can detect light. Accordingly, the phase-converted raw image 26 is generally reconstructed into a lens-based image form 29 using an alternating direction method of multipliers (ADMM) algorithm. In this case, an optimization method is used to preset the image conversion model and iteratively update the image conversion model so that the error between the image converted from the image conversion model and the lens-based image is minimized, through the phase mask 24. The acquired raw image 26 can be reconstructed into a lens-based image form 29 as shown in FIG. 5.

한편 편광 이미징에서 순차 편광 필터링 방식은 상기한 바와 같이, 편광 필름을 교체 또는 회전시키면서 반복하여 다수 횟수로 촬영해야 한다. 이는 통상의 렌즈 카메라를 이용하는 경우, 서로 다른 각 편광 방향의 편광 필름으로 물체 전체 형상에 대한 이미지를 동시에 획득할 수 없기 때문이다. 그러나 위상 마스크(24)가 적용되는 경우, 상기한 바와 같이 위상 마스크(24)가 위상 변환 패턴에 따라 각 위치의 다수의 점 광원을 확산 및 변환하여 이미지 센서에서 투영하므로, 이미지 센서는 다수의 점 확산 함수(PSF)가 시프트되고 중첩된 형태의 로우 이미지(26)를 획득한다. 이와 같이 점 확산 함수(PSF)가 시프트되고 중첩된 형태의 로우 이미지(26)의 경우 일부 영역만으로도 물체의 개략적인 형상을 획득할 수 있다.Meanwhile, in polarization imaging, the sequential polarization filtering method requires repeated imaging multiple times while replacing or rotating the polarizing film, as described above. This is because, when using a typical lens camera, images of the entire shape of an object cannot be acquired simultaneously with polarizing films in different polarization directions. However, when the phase mask 24 is applied, as described above, the phase mask 24 diffuses and converts a plurality of point light sources at each location according to the phase conversion pattern and projects them on the image sensor, so the image sensor The diffusion function (PSF) is shifted and a superimposed raw image 26 is obtained. In this way, in the case of the raw image 26 in which the point spread function (PSF) is shifted and overlapped, the approximate shape of the object can be obtained from only a partial area.

그러므로, 위상 마스크(24)를 통과한 광을 감지하는 이미지 센서(25)의 전체 영역을 구분하고, 구분된 각 영역에 대해 서로 다른 방향의 편광 필터를 적용한 후, 구분된 각 영역에서 획득된 로우 이미지를 독립적으로 복원하면, 1회의 촬영으로 서로 다른 다수의 편광 방향에 대한 물체 이미지를 획득할 수 있다.Therefore, after dividing the entire area of the image sensor 25 that detects the light passing through the phase mask 24 and applying polarization filters in different directions to each divided area, the raw data obtained from each divided area is If images are restored independently, object images for multiple different polarization directions can be obtained in one shot.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 카메라의 개략적 구조를 나타낸다.Figure 6 shows a schematic structure of a polarization camera according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 편광 카메라는 기판(500) 상에 이미지 센서(100)가 배치되고, 이미지 센서(100)의 전방으로 기지정된 간격(여기서는 초점 간격으로 일 예로 6mm)만큼 이격되어 위상 마스크(300)가 배치된다. 위상 마스크(300)는 상기한 바와 같이, 일면에 크기, 높이, 모양이 상이한 다양한 패턴이 형성되어 입사되는 광이 점 확산 함수에 따라 확산 변환되도록 한다. 위상 마스크(300)는 도 6에 도시된 바와 같이, 조리개(410)에 결합되고, 조리개(410)에 결합된 위상 마스크(300)는 편광 필터(200)는 스페이서(420)에 의해 이미지 센서(100)로부터 기지정된 간격만큼 이격되어 배치될 수 있다.Referring to FIG. 6, in the polarization camera according to the present embodiment, the image sensor 100 is disposed on a substrate 500, and the image sensor 100 is positioned at a predetermined distance in front of the image sensor 100 (here, the focus distance is 6 mm, for example). Phase masks 300 are disposed spaced apart. As described above, the phase mask 300 has various patterns of different sizes, heights, and shapes formed on one surface so that the incident light is converted into diffusion according to a point spread function. As shown in FIG. 6, the phase mask 300 is coupled to the aperture 410, and the phase mask 300 coupled to the aperture 410 is connected to the image sensor (200) by the spacer 420. 100) may be arranged to be spaced apart from a predetermined distance.

한편 필름 형태의 편광 필터(200) 또한 조리개(410)에 결합되어 이미지 센서(100)로부터 기지정된 간격만큼 이격되어 배치될 수 있다. 따라서 본 실시예의 편광 카메라에서는 편광 필터(200)가 이미지 센서(100)와 온칩으로 구성되지 않고 별도의 필름 형태로 구성되어 이미지 센서(100)로부터 이격되어 배치된다. 그리고 편광 필터(200)는 편광 필름(210)과 위상 지연판(Quarter-Wave Plate: QWP)(220)을 포함할 수 있다.Meanwhile, the film-shaped polarizing filter 200 may also be coupled to the aperture 410 and placed at a predetermined distance from the image sensor 100. Therefore, in the polarization camera of this embodiment, the polarization filter 200 is not configured on-chip with the image sensor 100, but is configured in the form of a separate film and is disposed to be spaced apart from the image sensor 100. Additionally, the polarizing filter 200 may include a polarizing film 210 and a phase retardation plate (Quarter-Wave Plate: QWP) 220.

우선 편광 필름(210)은 이미지 센서(100)에서 광을 감지하는 전체 영역에 대해 기지정된 개수로 분할된 영역 각각에 기지정된 편광 방향을 갖도록 구성된다. 여기서는 일 예로서 편광 필름(210)이 각각 지정된 편광 방향을 갖는 4개의 편광 영역(211 ~ 214)을 갖는 경우를 가정하였으나, 편광 영역은 6개 또는 8개 등으로 구분될 수도 있다. 그리고 4개의 편광 영역(211 ~ 214) 중 제1 편광 영역(211)은 0도의 편광 방향을 갖고, 제3 편광 영역(213)은 90도 편광 방향을 가지며, 제2 및 제4 편광 영역(212, 214)은 동일하게 45도 편광 방향을 갖는 것으로 가정한다. 여기서 4개의 편광 영역(211 ~ 214) 중 제2 및 제4 편광 영역(212, 214)이 동일하게 45도 편광 방향을 갖는 것은, 제4 편광 영역(214)과 함께 위상 지연판(220)을 이용하여 원 편광 이미지를 획득하기 위해서이다. 즉 제1 내지 제3 편광 영역(211 ~ 213)은 각각 서로 다른 방향의 선형 편광 이미지를 획득하기 위해 이용되고, 제4 편광 영역(214)은 원 편광 이미지를 획득하기 위해 이용된다. 다만 제4 편광 영역(214)은 다른 편광 방향(예를 들면 135도)을 가질 수도 있다.First, the polarizing film 210 is configured to have a predetermined polarization direction in each of the predetermined number of divided areas of the entire area where light is detected in the image sensor 100. Here, as an example, it is assumed that the polarizing film 210 has four polarization regions 211 to 214, each having a designated polarization direction. However, the polarization regions may be divided into six or eight, etc. And among the four polarization areas 211 to 214, the first polarization area 211 has a polarization direction of 0 degrees, the third polarization area 213 has a polarization direction of 90 degrees, and the second and fourth polarization areas 212 , 214) is assumed to have the same 45 degree polarization direction. Here, among the four polarization regions 211 to 214, the second and fourth polarization regions 212 and 214 have the same 45-degree polarization direction, and the phase retardation plate 220 is used together with the fourth polarization region 214. This is to obtain a circularly polarized image using. That is, the first to third polarization areas 211 to 213 are used to obtain linearly polarized images in different directions, and the fourth polarization area 214 is used to obtain a circularly polarized image. However, the fourth polarization area 214 may have a different polarization direction (for example, 135 degrees).

한편 위상 지연판(220)은 원 편광을 획득하기 위해 편광 필름(210)의 다수의 편광 영역(211 ~ 214) 중 적어도 하나의 편광 영역(여기서는 일 예로 제4 편광 영역(214))에 중첩되도록 배치된다. 선형 편광 필터와 위상 지연판(220)의 조합은 원형 편광을 획득하기 위한 기법으로 잘 알려져 있다. 45도 선형 편광 필터와 위상 지연판(220)은 좌원 편광을 획득할 수 있으며, 135도 선형 편광 필터와 위상 지연판(220)은 우원 편광을 획득할 수 있다.Meanwhile, the phase retardation plate 220 overlaps at least one polarization region (here, as an example, the fourth polarization region 214) among the plurality of polarization regions 211 to 214 of the polarization film 210 to obtain circularly polarized light. It is placed. The combination of a linear polarization filter and a phase retardation plate 220 is a well-known technique for obtaining circular polarization. The 45 degree linear polarization filter and the phase retardation plate 220 can obtain left-circular polarization, and the 135 degree linear polarization filter and the phase retardation plate 220 can obtain right-circular polarization.

일반적으로 편광 상태는 도 1에 도시된 바와 같이 편광의 정도를 나타내는 편광도(Degree of Polarization: 이하 DoP) 이미지와 선형 편광의 각도를 나타내는 편광각(Angle of Polarization: 이하 AoP) 이미지와 함께 원형 편광의 타원도를 나타내는 타원율(Ellipticity) 이미지로 표현될 수 있다. 그리고 DoP 이미지와 AoP 이미지 및 타원율 이미지는 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)로 구성된 풀 스토크스 파라미터로부터 획득될 수 있으며, 풀 스토크스 파라미터의 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)는 선형 편광 각도(θ)와 위상 지연각(φ)에 따른 다수의 광 세기 이미지(Intensity image)(I(θ, φ))로부터 획득될 수 있다.In general, the polarization state is circular polarization, with a Degree of Polarization (DoP) image indicating the degree of polarization and an Angle of Polarization (AoP) image indicating the angle of linear polarization, as shown in Figure 1. It can be expressed as an ellipticity image representing the ellipticity of . And the DoP image, AoP image, and ellipticity image can be obtained from the full Stokes parameter consisting of four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ), and the four Stokes parameters of the full Stokes parameter (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) can be obtained from multiple light intensity images (I(θ, ϕ)) according to the linear polarization angle (θ) and phase retardation angle (ϕ). there is.

4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)는 8개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(135°,0°), I(0°,90°), I(45°,90°), I(90°,90°), I(135°,90°))로부터 획득될 수 있다. 즉 4개의 선형 편광에 따른 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(135°,0°))와 90도 위상 지연이 추가 반영된 원편광에 따른 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(135°,0°))를 기반으로 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)가 획득될 수 있다.The four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) are calculated from eight light intensity images (I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°). ), I(135°,0°), I(0°,90°), I(45°,90°), I(90°,90°), I(135°,90°)) You can. That is, light intensity images according to four linear polarizations (I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(135°,0°)) and 90° Light intensity images (I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(135°,0°)) according to circular polarization with additional phase delay reflected. Based on this, four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) can be obtained.

여기서 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)와 8개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(135°,0°), I(0°,90°), I(45°,90°), I(90°,90°), I(135°,90°)) 사이의 관계는 수학식 1과 같다. Here, four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) and eight light intensity images (I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0 °), I(135°,0°), I(0°,90°), I(45°,90°), I(90°,90°), I(135°,90°)) The relationship is as shown in Equation 1.

그리고 수학식 1은 수학식 2와 같이, 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)에 대한 식으로 정리될 수 있다.And Equation 1 can be organized into equations for the four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ), as in Equation 2.

수학식 2에 따르면, 8개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(135°,0°), I(0°,90°), I(45°,90°), I(90°,90°), I(135°,90°)) 중 4개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°)) 만으로도 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)를 획득하여, 편광 상태를 설명하기 위한 DoP 이미지와 AoP 이미지 및 타원율 이미지를 획득할 수 있음을 알 수 있다.According to Equation 2, eight light intensity images (I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(135°,0°), I( Four light intensity images (I(0°,0°), I(45°,90°), I(90°,90°), I(135°,90°)) Four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) are obtained using only I(45°,0°), I(90°,0°), and I(45°,90°)), It can be seen that DoP images, AoP images, and ellipticity images to explain the polarization state can be obtained.

이에 본 실시예에서는 편광 필터(200)가 선형 편광을 갖는 4개의 편광 영역(211 ~ 214)과 위상 지연판(220)을 구비하여, 4개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°))를 획득할 수 있도록 구성하는 경우를 가정하여 도시하였다.Accordingly, in this embodiment, the polarization filter 200 is provided with four polarization regions 211 to 214 having linear polarization and a phase retardation plate 220 to produce four light intensity images (I(0°, 0°), I(45°,0°), I(90°,0°), and I(45°,90°)) are shown assuming the configuration is possible.

그러나 서로 다른 편광 방향에 따른 광 세기 이미지의 개수가 6개 또는 8개이면, 더 적은 연산으로 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)를 획득할 수 있으므로, 상기한 바와 같이, 편광 필름(210)이 6개 또는 8개의 영역으로 구분될 수도 있다.However, if the number of light intensity images according to different polarization directions is 6 or 8, four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) can be obtained with fewer operations, so the above As shown, the polarizing film 210 may be divided into 6 or 8 regions.

편광 필름(210)이 6개의 영역으로 구분되는 경우, 2개의 45도 및 135도 방향의 편광 영역을 포함할 수 있으며, 8개의 영역으로 구분되는 경우에는 0도, 45도, 90도 및 135도 방향으로 각각 2개씩의 편광 영역을 포함할 수도 있다. 이에 위상 지연판(220)은 편광 필름(210)이 6개의 영역으로 구분되는 경우, 2개씩의 45도 및 135도 방향의 편광 영역의 하나씩에 중첩되도록 배치될 수 있으며, 8개의 영역으로 구분되는 경우에는 2개씩의 0도, 45도, 90도 및 135도 방향 각각 중 하나씩의 편광 영역에 중첩되도록 배치되어 원 편광 이미지를 획득할 수도 있다.If the polarizing film 210 is divided into six areas, it may include two polarization areas in directions of 45 degrees and 135 degrees, and if it is divided into eight areas, it may include polarization areas in directions of 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees. It may also include two polarization regions in each direction. Accordingly, when the polarizing film 210 is divided into six regions, the phase retardation plate 220 can be arranged to overlap each of the two 45-degree and 135-degree polarization regions, which are divided into eight regions. In this case, a circularly polarized image may be obtained by arranging the two polarization regions to overlap one of each of the 0-degree, 45-degree, 90-degree, and 135-degree directions.

따라서 본 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 편광 필터(200)가 이미지 센서(100)의 픽셀 레벨로 서로 다른 편광 방향을 갖도록 구성되지 않고, 획득되어야 하는 편광 이미지의 편광 방향에 따라 이미지 센서(100)의 전체 영역을 분할하여 구성된다. 또한 위상 마스크(300)는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등으로 용이하게 구현될 수 있다. 따라서 본 발명의 편광 카메라는 렌즈가 포함되지 않은 일반 카메라와 편광 필터(200) 및 위상 마스크(300)로 구성되어 매우 저비용으로 제조될 수 있다.Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 6, the polarization filter 200 is not configured to have different polarization directions at the pixel level of the image sensor 100, but is configured to have different polarization directions in the image sensor 100 according to the polarization direction of the polarization image to be obtained. It is composed by dividing the entire area of 100. Additionally, the phase mask 300 can be easily implemented with polydimethylsiloxane (PDMS), etc. Therefore, the polarization camera of the present invention consists of a general camera without a lens, a polarization filter 200, and a phase mask 300, and can be manufactured at a very low cost.

한편 본 실시예의 편광 카메라는 도시하지 않았으나, 이미지 센서(100)에서 획득된 로우 이미지(600)를 다수의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°))로 변환하기 위한 프로세서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 그리고 프로세서는 다수의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°))로부터 풀 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)를 획득할 수 있으며, 경우에 따라서는 풀 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)로부터 DoP 이미지와 AoP 이미지 및 타원율 이미지를 획득할 수도 있다.Meanwhile, the polarization camera of this embodiment is not shown, but the raw image 600 acquired from the image sensor 100 is converted into a plurality of light intensity images (I(0°, 0°), I(45°, 0°), I (90°, 0°), I(45°, 90°)) may further include a processor (not shown). The processor then calculates the full Stokes parameters from multiple light intensity images (I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°)). (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) can be acquired, and in some cases, DoP images, AoP images, and ellipticity images can be obtained from full Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ). You can also obtain it.

도 7은 도 6의 편광 카메라를 이용하여 다양한 편광 방향에 따른 세기 이미지를 재구성하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 7 is a diagram to explain the concept of reconstructing intensity images according to various polarization directions using the polarization camera of FIG. 6.

도 6에서는 편광 필터(200)가 위상 마스크(300)와 이미지 센서(100) 사이에 배치되는 것으로 도시하였으나, 위상 마스크(300)는 도 7에 도시된 바와 같이, 편광 필터(200)와 이미지 센서(100) 사이에 배치되어도 무방하다.In FIG. 6, the polarization filter 200 is shown as being disposed between the phase mask 300 and the image sensor 100. However, the phase mask 300 is disposed between the polarization filter 200 and the image sensor, as shown in FIG. 7. It may be placed between (100).

도 7을 참조하면, 본 발명의 편광 카메라에서 입사되는 광은 위상 마스크(300)를 통해 확산 변환되어 이미지 센서(100)에 영역에 입사되며, 이때 광은 점 확산 함수(PSF)에 따라 확산 변환된다. 이에 점 확산 함수(PSF)를 이용하여 이미지 센서(100)에서 검출되는 로우 이미지(600)를 렌즈 카메라에서의 이미지 형태로 재구성할 수 있다. 그러나 본 실시예에서는 편광 필터(200)가 입사되는 광을 구분된 영역별로 서로 다른 편광으로 필터링하므로, 이미지 센서(100)에서 검출되는 로우 이미지(600) 또한 편광 필터(200)의 구분된 영역에 따라 구분되어 재구성되어야 한다.Referring to FIG. 7, the light incident from the polarization camera of the present invention is diffusely converted through the phase mask 300 and incident on the image sensor 100. At this time, the light is diffusely converted according to the point spread function (PSF). do. Accordingly, the raw image 600 detected by the image sensor 100 can be reconstructed in the form of an image from a lens camera using a point spread function (PSF). However, in this embodiment, the polarization filter 200 filters the incident light into different polarizations for each divided area, so the raw image 600 detected by the image sensor 100 is also filtered into the divided area of the polarization filter 200. It must be divided and reorganized accordingly.

이에 본 실시예에서는 위상 마스크(300)의 점 확산 함수(PSF)를 편광 필터(200)의 구분된 다수의 영역에 따라 다수개로 구분한다. 여기서는 편광 필터(200)의 4개의 구분된 영역에 대응하여 위상 마스크(300)의 점 확산 함수(PSF)를 4개의 부분 점 확산 함수(PSF(0°,0°), PSF(45°,0°), PSF(90°,0°), PSF(45°,90°))로 구분한다. 그리고 구분된 제1 내지 제4 부분 점 확산 함수(PSF(0°,0°), PSF(45°,0°), PSF(90°,0°), PSF(45°,90°)) 각각을 로우 이미지(600)의 대응하는 영역에 개별적으로 적용하여 4개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°))를 재구성할 수 있다. 이때 4개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°))은 ADMM 알고리즘 등을 이용하여 획득될 수 있으며, 이는 공지된 기술이므로 여기서는 상세하게 설명하지 않는다.Accordingly, in this embodiment, the point spread function (PSF) of the phase mask 300 is divided into a plurality of points according to a plurality of divided areas of the polarization filter 200. Here, the point spread function (PSF) of the phase mask 300 is divided into four partial point spread functions (PSF(0°,0°), PSF(45°,0) corresponding to the four distinct areas of the polarization filter 200. °), PSF(90°,0°), PSF(45°,90°)). and distinct first to fourth partial point spread functions (PSF(0°,0°), PSF(45°,0°), PSF(90°,0°), PSF(45°,90°)) respectively. is individually applied to the corresponding region of the raw image 600 to produce four light intensity images (I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I( 45°,90°)) can be reconstructed. At this time, the four light intensity images (I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°)) are calculated using the ADMM algorithm, etc. It can be obtained, and since this is a known technique, it will not be described in detail here.

도 8은 도 7의 재구성 세기 이미지를 기반으로 편광 상태 이미지를 획득하는 방법과 획득된 편광 상태 이미지의 예를 나타낸다.FIG. 8 shows a method of acquiring a polarization state image based on the reconstructed intensity image of FIG. 7 and an example of the obtained polarization state image.

로우 이미지(600)로부터 4개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°))가 재구성되어 획득되면, 수학식 2에 따라 4개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°))를 조합함으로써, 풀 스토크스 파라미터, 즉 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)를 획득할 수 있다. 그리고 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)가 획득되면, 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)로부터 공지된 방식에 따라 DoP 이미지와 AoP 이미지 및 타원 편광 이미지를 획득한다.Four light intensity images (I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°)) are reconstructed from the raw image 600. Once acquired, four light intensity images (I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°) are obtained according to Equation 2. ) By combining the full Stokes parameters, that is, four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) can be obtained. And when the four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) are obtained , the DoP image and Acquire AoP images and elliptically polarized images.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 위상 마스크(300)와 영역 구분된 편광 필터(200)를 포함하는 렌즈 리스 카메라를 이용하여 로우 이미지(600)를 획득한다. 그리고 획득된 로우 이미지(600)에 대해 위상 마스크(300)에 따른 점 확산 함수(PSF)를 편광 필터(200)의 구분된 영역에 대응하여 분할한 다수의 부분 점 확산 함수(PSF(0°,0°), PSF(45°,0°), PSF(90°,0°), PSF(45°,90°))를 이용하여 렌즈 이미지를 재구성함으로써, 1회 촬영으로 DoP 이미지와 AoP 이미지 및 타원 편광 이미지를 획득할 수 있는 풀 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)를 획득할 수 있다.As shown in FIGS. 7 and 8 , in this embodiment, a raw image 600 is acquired using a lensless camera including a phase mask 300 and a polarizing filter 200 divided into regions. And for the acquired raw image 600, a point spread function (PSF) according to the phase mask 300 is divided into a plurality of partial point spread functions (PSF (0°, By reconstructing the lens image using 0°), PSF(45°,0°), PSF(90°,0°), and PSF(45°,90°)), DoP image, AoP image and Full Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) that can acquire elliptically polarized images can be obtained.

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.The method according to the present invention can be implemented as a computer program stored on a medium for execution on a computer. Here, computer-readable media may be any available media that can be accessed by a computer, and may also include all computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer-readable instructions, data structures, program modules or other data, including read-only memory (ROM). It may include dedicated memory), RAM (random access memory), CD (compact disk)-ROM, DVD (digital video disk)-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, etc.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached claims.

100: 이미지 센서 200: 편광 필터
210: 편광 필름 211 ~ 214: 편광 영역
220: 위상 지연판 300: 위상 마스크
410: 조리개 420: 스페이서
500: 기판
100: image sensor 200: polarizing filter
210: Polarizing film 211 ~ 214: Polarization area
220: phase retardation plate 300: phase mask
410: Aperture 420: Spacer
500: substrate

Claims (16)

이미지 센서;
상기 이미지 센서의 전방에 배치되고, 풀 스토크스 파라미터를 획득하기 위해 요구되는 편광 방향 별 광 세기 이미지의 개수에 따라 서로 다른 편광 방향을 갖는 다수의 편광 영역으로 구분되어, 상기 이미지 센서로 입사되는 광을 구분된 편광 영역의 편광 방향에 따라 필터링하는 편광 필터; 및
상기 이미지 센서의 전방에 상기 편광 필터와 중첩되도록 배치되고, 미리 형성된 위상 변환 패턴에 따라 입사되는 광을 위상 변환하는 위상 마스크를 포함하되,
상기 이미지 센서는 상기 위상 마스크를 통해 입사된 광을 감지하여 로우 이미지를 획득하고,
상기 위상 마스크의 위상 변환 패턴에 대응하는 점 확산 함수를 상기 편광 필터의 다수의 편광 영역에 따라 다수의 부분 점 확산 함수로 구분하고, 상기 로우 이미지에 대해 다수의 부분 점 확산 함수 각각을 개별적으로 적용하여 상기 다수의 광 세기 이미지를 재구성하며, 상기 다수의 광 세기 이미지를 조합하여 상기 풀 스토크스 파라미터를 획득하는 프로세서를 더 포함하는 편광 카메라.
image sensor;
It is disposed in front of the image sensor and is divided into a plurality of polarization regions with different polarization directions according to the number of light intensity images for each polarization direction required to obtain the full Stokes parameter, so that the light incident on the image sensor A polarization filter that filters according to the polarization direction of the divided polarization region; and
A phase mask disposed in front of the image sensor to overlap the polarization filter and phase-converting incident light according to a pre-formed phase conversion pattern,
The image sensor acquires a raw image by detecting light incident through the phase mask,
Divide the point spread function corresponding to the phase shift pattern of the phase mask into a plurality of partial point spread functions according to the plurality of polarization regions of the polarization filter, and apply each of the plurality of partial point spread functions individually to the raw image. A polarization camera further comprising a processor configured to reconstruct the plurality of light intensity images and obtain the full Stokes parameter by combining the plurality of light intensity images.
제1항에 있어서, 상기 편광 필터는
상기 이미지 센서의 광 감지 영역에 구분된 편광 영역에 따른 편광이 입사되도록 각각 지정된 편광 방향을 갖는 다수의 편광 영역으로 구분된 편광 필름; 및
상기 편광 필름의 구분된 편광 영역 중 적어도 하나의 편광 영역에 중첩되어 배치되어 입사되는 광의 위상을 지연하는 위상 지연판을 포함하는 편광 카메라.
The method of claim 1, wherein the polarizing filter is
a polarizing film divided into a plurality of polarization regions each having a designated polarization direction so that polarization according to the polarization regions is incident on the light sensing area of the image sensor; and
A polarization camera including a phase retardation plate disposed to overlap at least one polarization region among the divided polarization regions of the polarization film and delaying the phase of incident light.
제2항에 있어서, 상기 위상 마스크는
상기 위상 변환 패턴에 따라 일면에 위치별로 상이한 높이를 갖도록 형성된 투명 필름으로 구현되는 편광 카메라.
The method of claim 2, wherein the phase mask is
A polarizing camera implemented as a transparent film formed to have different heights for each position on one side according to the phase conversion pattern.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 편광 필름은
4개의 편광 영역으로 구분되고, 4개의 편광 영역은 0도, 45도, 90도 및 135도 편광 방향 또는 0도, 90도 및 2개의 45도 편광 방향을 갖는 편광 카메라.
The method of claim 1, wherein the polarizing film
A polarizing camera divided into four polarization zones, the four polarization zones having 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees polarization directions, or 0 degrees, 90 degrees, and two 45 degrees polarization directions.
제6항에 있어서, 상기 위상 지연판은
상기 편광 필름에서 2개의 45도 편광 방향을 갖는 편광 영역 중 하나 또는 135도 편광 방향을 갖는 편광 영역에 중첩 배치되는 편광 카메라.
The method of claim 6, wherein the phase retardation plate is
A polarization camera disposed to overlap one of two polarization regions having a 45-degree polarization direction or a polarization region having a 135-degree polarization direction in the polarizing film.
제7항에 있어서, 상기 프로세서는
0도, 45도, 90도 편광 방향을 갖는 편광 영역을 통해 상기 이미지 센서에 입사된 광에 의해 획득된 3개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°))와 상기 45도 편광 방향을 갖는 편광 영역과 상기 위상 지연판을 통해 상기 이미지 센서에 입사된 광에 의해 획득된 광 세기 이미지(I(45°,90°))로부터 풀 스토크스 파라미터를 구성하는 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)를 수학식

에 따라 획득하는 편광 카메라.
The method of claim 7, wherein the processor
Three light intensity images (I(0°,0°), I(45°,0°) acquired by light incident on the image sensor through polarization regions having 0, 45, and 90 degree polarization directions. , I (90°, 0°)) and a polarization region having the 45 degree polarization direction and a light intensity image (I (45°, 90°)) obtained by light incident on the image sensor through the phase retardation plate. ), the four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) that make up the full Stokes parameters are expressed in the equation

Polarization camera that acquires according to.
제1항에 있어서, 상기 편광 카메라는
상기 편광 필터와 상기 위상 마스크가 일면 및 타면에 각각 결합되는 조리개; 및
상기 편광 필터와 상기 위상 마스크가 결합된 상기 조리개가 상기 이미지 센서의 전면으로부터 이격 배치되도록 지지하는 스페이서를 더 포함하는 편광 카메라.
The method of claim 1, wherein the polarization camera
an aperture in which the polarizing filter and the phase mask are combined on one side and the other, respectively; and
A polarization camera further comprising a spacer that supports the aperture combined with the polarization filter and the phase mask to be spaced apart from the front of the image sensor.
이미지 센서에서 획득된 로우 이미지를 처리하는 프로세서를 포함하는 편광 카메라의 편광 이미지 획득 방법에 있어서,
풀 스토크스 파라미터를 획득하기 위해 요구되는 편광 방향 별 광 세기 이미지의 개수에 따라 서로 다른 편광 방향을 갖는 다수의 편광 영역으로 구분되어 입사되는 광을 구분된 편광 영역의 편광 방향에 따라 필터링하는 편광 필터와, 미리 형성된 위상 변환 패턴에 따라 입사되는 광을 위상 변환하는 위상 마스크를 통해 입사된 광을 상기 이미지 센서가 감지하여 로우 이미지를 획득하는 단계;
상기 위상 마스크의 위상 변환 패턴에 대응하는 점 확산 함수를 상기 편광 필터의 다수의 편광 영역에 따라 다수의 부분 점 확산 함수로 구분하고, 상기 로우 이미지에 대해 다수의 부분 점 확산 함수 각각을 개별적으로 적용하여 다수의 광 세기 이미지를 재구성하는 단계; 및
상기 다수의 광 세기 이미지를 조합하여 상기 풀 스토크스 파라미터를 획득하는 단계를 포함하는 편광 이미지 획득 방법.
In a method of acquiring a polarized image of a polarization camera including a processor that processes a raw image acquired from an image sensor,
A polarization filter that divides incident light into a plurality of polarization regions with different polarization directions according to the number of light intensity images for each polarization direction required to obtain full Stokes parameters and filters the incident light according to the polarization direction of the divided polarization regions. and obtaining a raw image by the image sensor detecting incident light through a phase mask that phase-converts incident light according to a pre-formed phase conversion pattern;
Divide the point spread function corresponding to the phase shift pattern of the phase mask into a plurality of partial point spread functions according to the plurality of polarization regions of the polarization filter, and apply each of the plurality of partial point spread functions individually to the raw image. reconstructing a plurality of light intensity images; and
A polarization image acquisition method comprising obtaining the full Stokes parameter by combining the plurality of light intensity images.
제10항에 있어서, 상기 로우 이미지를 획득하는 단계는
상기 편광 필터의 다수의 편광 영역을 통해 필터링된 편광이 상기 위상 마스크를 통해 위상 변환되어 위상 변환된 영역별 편광을 상기 이미지 센서가 감지하여 상기 로우 이미지를 생성하는 편광 이미지 획득 방법.
The method of claim 10, wherein acquiring the raw image comprises
A polarization image acquisition method in which polarized light filtered through a plurality of polarization regions of the polarization filter is phase-converted through the phase mask, and the image sensor detects the phase-converted polarization for each region to generate the raw image.
제10항에 있어서, 상기 로우 이미지를 획득하는 단계는
상기 위상 마스크를 통해 위상 변환된 광이 상기 편광 필터의 다수의 편광 영역을 통해 필터링된 편광을 상기 이미지 센서가 감지하여 상기 로우 이미지를 생성하는 편광 이미지 획득 방법.
The method of claim 10, wherein acquiring the raw image comprises
A polarization image acquisition method in which the image sensor detects polarized light phase-converted through the phase mask and filtered through a plurality of polarization regions of the polarization filter to generate the raw image.
제10항에 있어서, 상기 위상 마스크는
상기 위상 변환 패턴에 따라 일면에 위치별로 상이한 높이를 갖도록 형성된 투명 필름으로 구현되는 편광 이미지 획득 방법.
The method of claim 10, wherein the phase mask is
A polarized image acquisition method implemented with a transparent film formed to have different heights for each position on one side according to the phase conversion pattern.
제10항에 있어서, 상기 로우 이미지를 획득하는 단계는
상기 이미지 센서가 상기 편광 필터에 의해 필터링된 0도, 45도, 90도 선형 편광 및 45도 선형 편광으로 필터링된 후 위상 지연된 타원 편광을 인가받아 상기 로우 이미지를 획득하는 편광 이미지 획득 방법.
The method of claim 10, wherein acquiring the raw image comprises
A polarization image acquisition method in which the image sensor acquires the raw image by applying phase-delayed elliptical polarization after filtering 0 degree, 45 degree, and 90 degree linear polarization and 45 degree linear polarization filtered by the polarization filter.
제14항에 있어서, 상기 광 세기 이미지를 획득하는 단계는
상기 로우 이미지에서 상기 0도, 45도, 90도 선형 편광이 상기 이미지 센서에 입사되어 획득된 영역 각각에 상기 다수의 부분 점 확산 함수 중 대응하는 부분 점 확산 함수를 적용하여 3개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°))를 재구성하는 단계; 및
상기 로우 이미지에서 상기 타원 편광이 상기 이미지 센서에 입사되어 획득된 영역에 대응하는 부분 점 확산 함수를 적용하여 하나의 광 세기 이미지(I(45°,90°))를 재구성하는 단계를 포함하는 편광 이미지 획득 방법.
The method of claim 14, wherein acquiring the light intensity image comprises
In the raw image, three light intensity images ( Reconstructing I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°)); and
Polarization comprising the step of reconstructing one light intensity image (I(45°,90°)) by applying a partial point spread function corresponding to an area in the raw image obtained by incident of the elliptically polarized light to the image sensor. Image acquisition method.
제15항에 있어서, 상기 풀 스토크스 파라미터를 획득하는 단계는
4개의 광 세기 이미지(I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°))로부터 풀 스토크스 파라미터를 구성하는 4개의 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)를 수학식

에 따라 획득하는 편광 이미지 획득 방법.
16. The method of claim 15, wherein obtaining the full Stokes parameter comprises
Constructing full Stokes parameters from four light intensity images (I(0°,0°), I(45°,0°), I(90°,0°), I(45°,90°)) The four Stokes parameters (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) are expressed in the equation

Polarized image acquisition method obtained according to.
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