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Nov 26, 2023

수차를 감지하는 통합 이미징 센서

Nature 612권, 62~71페이지(2022)이 기사 인용 32,000회 액세스 21회 인용 54회 Altmetric Metrics 세부 정보 평면 디지털 이미지 센서는 다양한 분야에서 광범위한 응용을 촉진합니다.

Nature 612권, 62~71페이지(2022)이 기사 인용

32,000회 액세스

21 인용

54 알트메트릭

측정항목 세부정보

평면 디지털 이미지 센서는 광범위한 영역1,2,3,4,5에서 광범위한 애플리케이션을 용이하게 하며 최근 몇 년 동안 픽셀 수가 급격히 증가했습니다2,6. 그러나 이미징 시스템의 실제 성능은 불완전한 렌즈나 환경 교란으로 인해 발생하는 공간적으로 불균일한 광학 수차로 인해 근본적으로 제한됩니다7,8. 여기서 우리는 추가적인 하드웨어 수정 없이 범용 애플리케이션을 위한 고속 수차 보정 3차원 사진을 달성하기 위해 메타 이미징 센서라고 불리는 통합 스캐닝 라이트 필드 이미징 센서를 제안합니다. 2차원 강도 투영을 직접 감지하는 대신 메타 이미징 센서는 진동 코딩된 마이크로렌즈 배열을 통해 매우 미세한 4차원 라이트 필드 분포를 캡처하여 후처리에서 복잡한 필드 변조 이미지를 유연하고 정밀하게 합성할 수 있습니다. . 센서를 사용하면 사전 데이터 없이 단일 구면 렌즈로 최대 기가픽셀까지의 고성능 사진 촬영이 가능해 시스템 용량과 광학 이미징 비용이 대폭 절감됩니다. 동적 대기 난류가 있는 경우에도 메타 이미징 센서는 획득 속도를 줄이지 않고 80cm 지상 망원경에서 1,000초에 걸쳐 다중 지점 수차 보정을 가능하게 하여 고해상도 종관 천문 조사를 위한 길을 열어줍니다. 또한, 고밀도의 정확한 깊이 지도를 동시에 검색할 수 있어 자율 주행부터 산업 검사까지 다양한 응용이 가능합니다.

2차원(2D) 이미징 센서는 산업 검사, 모바일 장치, 자율 주행1, 감시2, 의료 진단3, 생물학4, 천문학5 등 다양한 분야에 혁명을 일으켰습니다. 반도체 산업의 급속한 발전으로 인해 디지털 센서의 픽셀 수가 지난 10년 동안 빠르게 증가했습니다2,6. 그러나 대부분의 이미징 시스템의 실제 성능은 전자 장치 대신 광학 장치로 인해 발생하는 병목 현상에 도달했습니다. 예를 들어, 기가픽셀 센서의 경우 이미징 시스템의 유효 픽셀 수는 일반적으로 불완전한 렌즈나 환경적 방해로 인해 발생하는 광학 수차로 인해 메가픽셀 수준으로 제한됩니다. 이로 인해 한 지점에서 방출된 빛이 넓은 영역에 걸쳐 퍼집니다. 2D 센서7,8. 한편, 3차원(3D) 장면을 2D 평면에 투영하면 깊이 및 로컬 일관성과 같은 라이트 필드의 다양한 자유가 손실됩니다. 결과적으로 통합 센서를 사용하여 고밀도 깊이 맵을 얻는 것은 오랫동안 어려운 과제였습니다9.

광학 공학 전문가들은 순차 모드10에서 정밀하게 설계된 여러 렌즈를 사용하여 수차 보정을 위한 완벽한 이미징 시스템을 설계하는 데 수백 년을 보냈습니다. 그러나 광학 설계 및 제조의 어려움은 광학 시스템의 총 자유도 수를 설명하고 회절 한계11로 인해 유효 픽셀 수의 상한을 설정하는 공간 대역폭 곱에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 이 경우 큰 유효 공간 대역폭 제품을 갖춘 고성능 비간섭 이미징 시스템은 일반적으로 대구경 망원경12 및 메조스코프13,14와 같이 매우 비싸고 부피가 큽니다. 금속 렌즈와 자유형 광학은 대규모에 걸쳐 충분한 가공 정밀도가 제공될 때 최적화된 렌즈 표면을 제작함으로써 잠재적으로 이 문제를 완화할 수 있습니다. 이미지 디블러링 알고리즘은 점 확산 함수(PSF)17,18,19의 정확한 추정을 통해 이미지 대비를 향상시킬 수 있습니다. 코딩된 조리개를 사용한 PSF 엔지니어링은 주파수 영역에서 널을 줄여 더 많은 정보를 보존합니다20,21. 그러나 낮은 MTF(변조 전달 함수)로 인해 손실된 고주파수 정보를 검색하는 것은 매우 어려우며, 이러한 접근 방식은 일반적으로 특히 공간적으로 불균일한 수차의 경우 특정 데이터 사전 및 정밀한 PSF 추정이 필요합니다. 더욱이 이러한 모든 방법은 여전히 ​​작은 피사계 심도의 동적 환경 수차에 민감합니다.