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상분할 방식의 기가픽셀 카메라를 위한 가우스 광학적인 구조설계
Optical Structural Design using Gaussian Optics for Multiscale Gigapixel Camera 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.24 no.6, 2013년, pp.311 - 317  

임천석 (한남대학교 광.센서공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (12)

  1. D. J. Brady, M. E. Gehm, R. A. Stack, D. L. Marks, D. S. Kittle, D. R. Golish, E. M. Vera, and S. D. Feller, "Multiscale gigapixel photography," Nature 486, 386-389 (2012). 

  2. Wall Street Journal, "Next cameras come into view," June 21 (2012). 

  3. Chosunilbo, "Gigapixel camera of Duke university," June 21 (2012). 

  4. E. J. Tremblay, D. L. Marks, D. J. Brady, and J. E. Ford, "Design and scaling of monocentric multiscale imagers," Appl. Opt. 51, 4691-4702 (2012). 

  5. D. J. Brady and N. Hagen, "Multiscale lens design," Opt. Express 17, 10659-10674 (2009). 

  6. K. W. Hodapp, N. Kaiser, H. Aussel, W. Burgett, K. C. Chambers, M. Chun, T. Dombeck, A. Douglas, D. Hafner, J. Heasley, J. Hoblitt, C. Hude, S. Isani, R. Jedicke, D. Jewitt, U. Laux, G. A. Luppino, R. Lupton, M. Maberry, E. Magnier, E. Mannery, D. Monet, J. Morgan, P. Onaka, P. Price, A. Ryan, W. Siegmund, I. Szapudi, J. Tonry, R. Wainscoat, and M. Waterson, "Design of the Pan-STARRS telescopes," Astronomische Nachrichten 325, 636-642 (2004). 

  7. W. J. Smith, Modern Optical Engineering (McGraw-Hill Inc., NY, USA, 2001), Chapter 6. 

  8. E. Hecht, Optics (Addison Wesley, MA, USA, 2001), Chapter 4-6. 

  9. C.-S. Rim, "The design of telecentric lenses and fly-eye lenses by utilizing $f{\theta}$ formula," Korean J. Opt. Photon. (Hankook Kwanghak Hoeji) 24, 9-16 (2013). 

  10. H.-J. Kwon and C.-S. Rim, "Design of two-group zoom lens system with wide angle of view using global structure function," Korean J. Opt. Photon. (Hankook Kwanghak Hoeji) 20, 319-327 (2009). 

  11. S. S. Lee, Geometrical Optics (Kyohakyongusa, Seoul, Korea, 1985), Chapter 1-4. 

  12. D. L. Marks, E. J. Tremblay, J. E. Ford, and D. J. Brady, "Microcamera aperture scale in monocentric gigapixel cameras," Appl. Opt. 50, 5824-5833 (2011). 

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