[논문]RGB/NIR CMOS 센서에서 정면 영상과 측면 영상을 동시에 결상하는 캡슐 내시경용 개선된 반사굴절식 전방위 광학계의 광학 설계

홍영기; 조재흥

doi:10.3807/kjop.2021.32.6.286

RGB/NIR CMOS 센서에서 정면 영상과 측면 영상을 동시에 결상하는 캡슐 내시경용 개선된 반사굴절식 전방위 광학계의 광학 설계
Optical Design of a Modified Catadioptric Omnidirectional Optical System for a Capsule Endoscope to Image Simultaneously Front and Side Views on a RGB/NIR CMOS Sensor 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.32 no.6, 2021년, pp.286 - 295

홍영기 (한남대학교 대학원 광.센서 공학과) , 조재흥 (한남대학교 대학원 광.센서 공학과)

초록
AI-Helper

RGB/NIR CMOS 센서를 사용하여 가시광에서의 정면 시야각과 가시광(RGB) 및 근적외선(near-infrared, NIR)에서의 측면 시야각을 갖는 캡슐 내시경용 개선된 반사굴절식 전방위 광학계(modified catadioptric omnidirectional optical system, MCOOS)를 설계한다. 전방 시야각 내의 영상은 반사굴절식 전방위 광학계(catadioptric omnidirectional optical system, COOS)의 부경 뒤에 배치된 3개의 추가된 렌즈와 COOS의 결상 렌즈계로 구성된 MCOOS의 전방 결상 렌즈계로 결상한다. 측면 영상은 COOS로부터 얻어진다. 이 센서에 대한 가시광과 근적외선에서의 나이퀴스트 주파수는 각각 90 lp/mm와 180 lp/mm이다. 설계 사양에서 전장길이, F-수, 전방과 측면 반화각은 각각 12 mm, 3.5, 70°, 50°-120°로 결정하였다. MCOOS의 COOS에 대한 변조전달함수 0.3에서의 공간주파수, 초점심도, 가시광과 근적외선 영역에서의 공차에 따른 누적 확률은 각각 154 lp/mm, -0.051-+0.052 mm, 99%이다. MCOOS의 정면 결상광학계의 변조전달함수 0.3에서의 공간주파수, 초점 심도, 가시광 영역에서 공차에 따른 누적 확률은 각각 170 lp/mm, -0.035-0.051 mm, 99.9%이다.

Abstract ▼ AI-Helper

A modified catadioptric omnidirectional optical system (MCOOS) using an RGB/NIR CMOS sensor is optically designed for a capsule endoscope with the front field of view (FOV) in visible light (RGB) and side FOV in visible and near-infrared (NIR) light. The front image is captured by the front imaging lens system of the MCOOS, which consists of an additional three lenses arranged behind the secondary mirror of the catadioptric omnidirectional optical system (COOS) and the imaging lens system of the COOS. The side image is properly formed by the COOS. The Nyquist frequencies of the sensor in the RGB and NIR spectra are 90 lp/mm and 180 lp/mm, respectively. The overall length of 12 mm, F-number of 3.5, and two half-angles of front and side half FOV of 70° and 50°-120° of the MCOOS are determined by the design specifications. As a result, a spatial frequency of 154 lp/mm at a modulation transfer function (MTF) of 0.3, a depth of focus (DOF) of -0.051-+0.052 mm, and a cumulative probability of tolerance (CPT) of 99% are obtained from the COOS. Also, the spatial frequency at MTF of 170 lp/mm, DOF of -0.035-0.051 mm, and CPT of 99.9% are attained from the front-imaging lens system of the optimized MCOOS.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of modifed catadioptric omnidirectional optical system.
그림 Fig. 2. Pixel format of RGB-IR complementary metal-oxide semiconductor sensor (OH02A1S; Omnivision Technologies Inc., CA, USA). R, red; G, green; B, blue; NIR, near-infrared.
그림 Fig. 3. Schematic diagram to calculate the ratio between the object distance and effective focal length in order to check the justification of the infinity object distance for initial design for a catadioptric omnidirectional optical system.
표 Table 1. Design specifcations of a modifed catadioptric omnidirectional optical system for capsule endoscope
그림 Fig. 4. Schematic diagram for the calculation of elementary data in the collecting part of a catadioptric omnidirectional optical system in case of two principal rays at (a) upper field of view and (b) lower field of view.
그림 Fig. 5. Layout of initial lens design. (a) Patented lens system^[17] having important specifications similar to Table 1 for the imaging part of a catadioptric omnidirectional optical system. (b) Initial design of a catadioptric omnidirectional optical system to join the rearranged lens system of (a) with a collecting part composed of two mirrors. Data adapted from A. W. Tronnier, U.S. Patent 2627204A^[17].
그림 Fig. 6. Layout of an optimized catadioptric omnidirectional optical system for imaging of side view in visible and near-infrared wavelength.
그림 Fig. 7. Layout of an optimized imaging optical system of modified catadioptric omnidirectional optical system consisting of additional lens group 2 and imaging part of catadioptric omnidirectional optical system in visible spectrum for imaging of front view in visible wavelength.
표 Table 2. Lens data of an optimized catadioptric omnidirectional optical system for imaging of side view in visible and near-infrared wavelength
그림 Fig. 8. Spot diagram of an optimized modifed catadioptric omnidirectional optical system of (a) side image and (b) front image.
표 Table 3. Lens data of lens group 2 of an optimized imaging optical system of modifed catadioptric omnidirectional optical system for front image in visible wavelength
그림 Fig. 9. Modulation transfer function of an optimized modifed catadioptric omnidirectional optical system of (a) side image and (b) front image.
그림 Fig. 10. Depth of focus of modifed optimized omnidirectional optical system of (a) side image and (b) front image.
그림 Fig. 11. Cumulative probability of an optimized modifed catadioptric omnidirectional optical system as a function of the modulation transfer function of (a) side image and (b) front image.
그림 Fig. 12. Spot diagram of modified optimized omnidirectional optical system according to the temperature change at 20 ℃ of (a) side image and (b) front image.
그림 Fig. 13. Modulation transfer function of modified optimized omnidirectional optical system at the Nyquist frequency in visible wavelength of 90 lp/mm according to the temperature change at 20 ℃.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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