작년 6월 20일, 기존의 일반 카메라에 비해 화질이 1,000배 이상인 초고분해능의 기가픽셀카메라가 미국 듀크대의 과학자들에 의해 네이처에 보고되었고 이를 월스트리트 저널이 보도했다. 보도에 따르면, 이 카메라는 미군부의 필요에 의해 공중 및 지상배치감시를 목적으로 개발되었다는 것이다. 이 기술은 향후 국방과 산업분야의 전반에 걸쳐서 기술.경제적인 파급효과가 매우 클 것으로 예상되기 때문에 국내에서도 시급히 개발에 착수할 필요가 있다고 판단된다. 이에 본 연구에서는 슈퍼 분해능을 갖는 상분할 방식의 기가픽셀 카메라를 구현하기 위한 전초작업으로써 카메라 렌즈시스템의 광학적인 구조를 고찰하였고 더불어 구조와 관련된 렌즈사양 값들의 범위를 계산해 내었다.
작년 6월 20일, 기존의 일반 카메라에 비해 화질이 1,000배 이상인 초고분해능의 기가픽셀카메라가 미국 듀크대의 과학자들에 의해 네이처에 보고되었고 이를 월스트리트 저널이 보도했다. 보도에 따르면, 이 카메라는 미군부의 필요에 의해 공중 및 지상배치감시를 목적으로 개발되었다는 것이다. 이 기술은 향후 국방과 산업분야의 전반에 걸쳐서 기술.경제적인 파급효과가 매우 클 것으로 예상되기 때문에 국내에서도 시급히 개발에 착수할 필요가 있다고 판단된다. 이에 본 연구에서는 슈퍼 분해능을 갖는 상분할 방식의 기가픽셀 카메라를 구현하기 위한 전초작업으로써 카메라 렌즈시스템의 광학적인 구조를 고찰하였고 더불어 구조와 관련된 렌즈사양 값들의 범위를 계산해 내었다.
It was reported in Nature and the Wall Street Journal on June 20th, 2012 that scientists at Duke university have developed a gigapixel camera, capable of over 1,000 times the resolution of a normal camera. According to the reports, this super-resolution camera was motivated by the need of US militar...
It was reported in Nature and the Wall Street Journal on June 20th, 2012 that scientists at Duke university have developed a gigapixel camera, capable of over 1,000 times the resolution of a normal camera. According to the reports, this super-resolution camera was motivated by the need of US military authorities to surveil ground and sky. We notice the ripple effect of this technology has spread into the area of national defense and industry, so that this research has started to realize the super-resolution camera as a frontier research topic. As a result, we can understand the optical structure of a super-resolution camera's lens system to be composed of a front, monocentric objective of a single lens plus 98 rear, multiscale camera lenses. We can also obtain the numerical ranges of specification factors related to the optical structure, such as the diameter of the aperture, and the focal length.
It was reported in Nature and the Wall Street Journal on June 20th, 2012 that scientists at Duke university have developed a gigapixel camera, capable of over 1,000 times the resolution of a normal camera. According to the reports, this super-resolution camera was motivated by the need of US military authorities to surveil ground and sky. We notice the ripple effect of this technology has spread into the area of national defense and industry, so that this research has started to realize the super-resolution camera as a frontier research topic. As a result, we can understand the optical structure of a super-resolution camera's lens system to be composed of a front, monocentric objective of a single lens plus 98 rear, multiscale camera lenses. We can also obtain the numerical ranges of specification factors related to the optical structure, such as the diameter of the aperture, and the focal length.
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문제 정의
5로 설정하고 초점거리는 84 mm에서 168 mm 범위로 한정하면 이에 대응되는 상면의 곡률반경 값은 126 mm에서 252 mm로 주어진다. 그러면, 앞에서 언급되었듯이, 상면의 곡률반경 값으로 인해 상면만곡수차가 발생하므로 이를 광학적으로 보정해 주어야 하지만 본 연구에서는 굳이 광학적으로 보정하지 않고 평면의 상면을 휘어있는 곡면의 상면으로 재설정함으로써 간단히 해결하고자 한다. 이렇게 하면, 마이크로 카메라렌즈와 연계된 전체 렌즈시스템의 구조적인 관점에 있어서도 이점이 매우 크게 된다.
즉, 회전축에 대한 설계의 문제도 중심축에 대한 설계의 문제로 단순화시켜 확장해 나갈 수 있다는 것이다. 그럼, 마이크로 카메라렌즈의 구조변수에 대해서 설계를 진행해 나가보자.[9-11]
본 논문에서는 상분할 방식의 기가픽셀 카메라를 구현하기 위한 전초작업으로써 카메라 렌즈시스템의 광학적인 구조를 고찰하였고 더불어 구조와 관련된 렌즈의 사양 값들의 범위를 계산해 내었다. 결론적으로 연구를 통해 얻어진 중요사항과 결과들은 다음과 같다.
우선, IBIS4-14K CMOS 센서의 촬상면적(pixel area)이 36 mm × 24 mm임을 염두에 두자.
)은 회절과 수차효과에 의한 반경을 각각 제곱하여 더한 후 다시 제곱근을 취하도록 되어 있다. 즉, 복합반경은 수학적으로는 RSS(root sum square)로 주어진다는 것인데 이의 적합성과 타당성에 대해서 논의해 보자. ① 수차가 있는 스폿의 평균반경이 에어리 원반의 평균반경보다 훨씬 크면, 즉, ω≪ρ 이면 복합 반경은 Rc≈ ρ.
제안 방법
이를 위한 전초 작업으로써, 본 연구에서는 먼저 상분할 방식의 기가픽셀 카메라에 대한 광학적인 구조를 이해하고자 하며 이로부터 광학구조를 이루는 렌즈의 사양 값들을 계산해 내고자 한다. 본 연구의 목표를 달성하기 위해 앞으로 전개될 본문에서는 3개의 장에 걸쳐 주제별로 탐구를 진행하였다. 3개의 탐구주제는 다음과 같다.
[2-3] 이와 같은 슈퍼 분해능을 갖는 초고화질의 카메라는 국방과 산업분야에 걸쳐서 기술 및 경제적인 파급효과가 매우 클 것으로 예상되므로 국내에서도 시급히 개발에 착수해야 할 것으로 판단된다. 이를 위한 전초 작업으로써, 본 연구에서는 먼저 상분할 방식의 기가픽셀 카메라에 대한 광학적인 구조를 이해하고자 하며 이로부터 광학구조를 이루는 렌즈의 사양 값들을 계산해 내고자 한다. 본 연구의 목표를 달성하기 위해 앞으로 전개될 본문에서는 3개의 장에 걸쳐 주제별로 탐구를 진행하였다.
대상 데이터
그림 1의 (b)를 살펴보면 상분할을 위해 공통의 단일렌즈(대물렌즈)로 먼저 전체 상을 얻고 이를 다시 다수의 마이크로 카메라렌즈로 분할하는 구조로 되어 있다. 듀크대의 기가픽셀 카메라도 전방에 직경 6 cm의 볼 모양의 대물렌즈와 각기 14 메가 픽셀의 이미지센서를 장착한 98개의 마이크로카메라로 구성되어 있다.[1-3] 단일의 전체 상을 각기 14 메가 픽셀인 98개의 마이크로 카메라로 분할하기 때문에 전체 픽셀은 약 1.
이는 단일픽셀의 크기에 대한 정보로부터 설정될 수 있다. 온 세미컨덕터(ON Semiconductor)사의 IBIS4-14K CMOS 모델을 참조한다. 이 모델은 14메가 픽셀의 CMOS 센서로 단일픽셀의 크기가 가로세로 8 µm × 8 µm이다.
이 모델은 14메가 픽셀의 CMOS 센서로 단일픽셀의 크기가 가로세로 8 µm × 8 µm이다.
성능/효과
결과적으로 전방대물렌즈의 초점거리(f′)는 시스템의 볼륨과 필요한 광학적인 스폿의 직경 값에 대한 요건으로부터 84 mm에서 168 mm 사이가 적절하다고 결론지을 수 있다.
즉, 에어리 원반의 5배 정도의 수차크기만으로도 수차가 없을 때와 비교할 때 거의 1/25배로 정보량이 줄어든다. 결론적으로 얘기하면, 잔류수차(residual aberration)가 커서 회절한계성능과 거리가 먼 통상의 디지털 카메라렌즈로는 기가픽셀카메라를 구현할 수 없고 기가픽셀카메라를 구현하기 위해서는 회절한계성능 이하로 수차를 최대한 줄인 각각의 98개의 마이크로 카메라렌즈가 필요하다는 것이다. 또, 98개의 마이크로 카메라렌즈는 전방의 대물렌즈에서 발생한 수차도 각각의 위치에서 개별적으로 보상하여 제거해야한다.
이렇게 하면, 마이크로 카메라렌즈와 연계된 전체 렌즈시스템의 구조적인 관점에 있어서도 이점이 매우 크게 된다. 결론적으로, 상분할 방식의 기가픽셀 카메라의 대물렌즈는 중심점이 하나인 휘어있는 구면의 상면을 가지도록 설정되면 좋다는 것이다. 왜냐하면 첫째로는 상면만곡수차를 제거할 수 있어 좋고 둘째로는 구조적으로 무엇보다도 중요한 이점인데 전방대물렌즈에 대응되는 98개의 마이크로 카메라렌즈를 그림 8에서처럼 주광선의 기울기 β만큼 기울이면 중심축(광축)과 동등한 조건의 광학적인 배치로 변환되기 때문이다.
수차반경이 회절반경의 두 배만 되어도 복합반경은 주로 수차효과에 의해 결정됨. 이상과 같이 5가지 경우에 대한 분석적인 취급으로부터 복합반경은 RSS로 잘 표현되어질 수 있다고 결론내릴 수 있다.
4 기가 픽셀의 분해능을 가질 수 있다. 종합해서 보면, 20 mm와 60 mm 사이에서 전방대물렌즈의 직경(혹은 입사동의 직경)이 결정된다는 것이다. 렌즈 분해능에 대한 여유분을 충분히 고려한다면 대물렌즈의 직경(A)은 60 mm가 적절할 것으로 보여 진다.
최종적으로 종합해 보면, 마이크로 카메라렌즈의 구경은 타원형이 되고 Am(f′) = 10.8 × 7.7(84) mm ~ 18.3 × 13.6(168) mm로 주어진다는 것이다.
후속연구
본 연구를 바탕으로 강력한 컴퓨팅 파워와 함께 trial & error 방식의 숙련된 최적설계를 진행해 나가면 매우 효과적으로 우리가 원하는 상분할 방식의 기가픽셀 카메라 렌즈시스템을 구현할 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
픽셀이란?
작년 6월 20일 미국 듀크대의 과학자들이 사진을 찍고 화면을 줌인(zoom-in) 하면 아주 극도로 미세한 부분까지 선명한 화상을 얻어낼 수 있는 슈퍼 분해능의 기가픽셀 카메라를 개발했다고 네이처에[1] 발표하였고 이를 월스트리트저널이[2] 보도했다. 픽셀은 CCD와 CMOS와 같은 전자필름 상에서 디지털 이미지를 구성하는 최소 단위의 면적을 나타내고 실제로는 가로세로의 길이가 마이크로미터(μm) 정도의 단위로된 정사각형의 면적이다. 통상의 디지털 카메라들은 픽셀크기보다 훨씬 큰, 말하자면 10배 정도의, 상당한 잔류수차를 가지고 있고 대개 800만 화소에서 4천만 화소 사이의 픽셀 들로 구성되어 있다.
슈퍼 분해능의 기가픽셀 카메라의 특징은?
작년 6월 20일 미국 듀크대의 과학자들이 사진을 찍고 화면을 줌인(zoom-in) 하면 아주 극도로 미세한 부분까지 선명한 화상을 얻어낼 수 있는 슈퍼 분해능의 기가픽셀 카메라를 개발했다고 네이처에[1] 발표하였고 이를 월스트리트저널이[2] 보도했다. 픽셀은 CCD와 CMOS와 같은 전자필름 상에서 디지털 이미지를 구성하는 최소 단위의 면적을 나타내고 실제로는 가로세로의 길이가 마이크로미터(μm) 정도의 단위로된 정사각형의 면적이다.
현존하는 기가픽셀 카메라인 팬 스타스 망원경의 한계점은 무엇인가?
예를 들면, 하와이의 팬 스타스(Pan-Starrs) 망원경도 기가픽셀 카메라로 분류될 수 있다. 하지만 초고해상도에 비해 아주 협소한 화각을 갖고 있어 우주관측용으로만 적당할 뿐이고 군사적 목적의 공중․지상의 배치감시를 위해서는 적합하지 않다. 반면, 듀크대의 기가픽셀 카메라는 미국 동부와 서부 전체를 한 장의 사진에 찍으면서도 개별도시와 공원 기념물 등을 줌인해 자세히 볼 수 있다.
참고문헌 (12)
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