Arthropods obtain the visual information of surroundings by hundreds to the thousands of integrated optical units called ommatidia. Spherically arranged ommatidia receive light from their own direction with small ac-ceptance angles. The panoramic mosaic image is formed by combing detected optical signals from each ommatidium. The optical schemes are expected to have figures-of-merit in field-of-view, visual acuity, high sensitivity of motion, polarization detection and spectral sensitivity. Nature provides ten typical and one ad-ditional unusual optical designs of compound eyes. The distinctive features include seven apposition, three superposition, and one unusual eye, which is Xenos peckii’s eye.
The anatomical features and the imaging principle of Xenos Peckii’s eye is different from conven-tional compound eyes. The optical unit of Xenos Peckii’s eye consists of a large convex lens and multiple photoreceptor cells, whereas that of apposition compound eye has one to several photoreceptor cells in a single unit. Each optical unit called eyelet detects partial image of the total field of view with improved spatial resolution and sensitivity compared to typical compound eyes. In this work, ultrathin digital camera inspired by Xenos peckii vision is designed, fabricated, and optically characterized.
Experimental design methods using planar micro-optics were proposed for development of artificial compound eyes. Optical properties of compound eyes are essential information for development of com-pound eye inspired optical systems. However, the individual scheme was not well researched for engineering applications even though it has some attractive figures-of-merit for sustainable life style. Cross-section of natural compound eyes was patterned on a planar substrate, which provides not only optical properties of natural compound eyes but also design guidelines for compound inspired optical systems. A natural omma-tidium can be emulated by a cylindrical microlens, a conical structure, a waveguide, and a photodetector on a planar substrate. Light propagation inside the individual ommatidium was directly visualized by defining the whole structures with Rhodamine 6G doped photosensitive polymer resin.
Ultrathin digital camera inspired by Xenos peckii vision was developed and integrated with a com-mercialized image sensor. A single channel of the camera includes a microprism to tilt the optical axis, a mi-crolens to focus the light from the microprism and an aperture to block the light from adjacent channels. The microprism arrays were implemented by using imprinting process using a ball lens and backside lithography with prepatterned metal mask. And the light absorbing structures were formed using black polymer to prevent the entrance of light from side wall of the microprism. Each microprism has different viewing direction re-spective to its location, allowing omnidirectional light detection. The channels detect portion of the total field of view like that of Xenos peckii, and the captured images are assembled in the image processing step. Micro-lens arrays formed on a flat substrate result in a flat image plane, which enables direct integration with a commercially available image sensor.
In summary, this work demonstrates ultrathin digital camera inspired by Xenos peckii vision. Planar emulated cross-section of compound eyes was proposed to provide design rules for compound eye inspired optical systems. The proposed camera can create new opportunities for miniaturized imaging system such as surveillance and reconnaissance instruments, imaging apparatus of endoscopy, mobile devices, and other optical sensors.
절지동물(Arthropod)의 겹눈(Compound eye)은 사람의 시각 기관과는 다르게 구형으로 배열된 여러 개의 낱눈(Ommatidia)으로 이루어져 있다. 이 낱눈은 빛을 집광하기 위한 각막 렌즈(Facet lens), 원뿔정체(Crystalline cone), 빛을 도파하기 위한 봉상체(Rhandom), 그리고 최종적으로 빛을 받아들이는 광수용체 세포(Photoreceptor cell)로 이루어져 있다. 각각의 낱눈은 조금씩 다른 방향으로부터 들어오는 신호를 감지하고, 절지동물의 뇌는 이러한 신호들을 모아서 최종 이미지를 형성하게 된다. 이러한 광학 구조는 사람을 비롯한 포유류가 가지고 있는 단일 렌즈와 단일 광축을 가지는 시각 기관에 비해 분해능(Resolution)은 낮지만 광시야각(Wide field of view)을 가지고, 빠른 움직임을 감지할 수 있을 뿐만 아니라 소형화에도 유리해 최근 겹눈의 구조와 원리를 모사한 초소형 시각 센서가 많이 개발되고 있다. 본 연구에서는 제노스 페키(Xenos peckii)의 시각 기관을 모사한 초박형 카메라를 개발하고 그 특성을 분석하였다.
자연계에는 총 11개의 서로 다른 형태의 겹눈이 존재하는데, 이는 7 종류의 연립 곤충 눈(apposition eye), 3종류의 중첩 곤충 눈(superposition eye), 그리고 1개의 독특한 형태를 가진 제노스 페키의 눈으로 구분할 수 있다. 제노스 페키는 벌에 기생하는 곤충으로 일반적인 형태의 겹눈과는 조금 다른 구조와 이미지 형성 원리를 가지고 있다. 제노스 페키의 눈은 일반적인 형태의 낱눈이 아닌 아이렛(eyelet)이라는 미세 광학 구조로 이루어져 있다. 이 아이렛이 가지고 있는 렌즈는 낱눈이 가지고 있는 각막 렌즈에 비해 크기가 크고, 그 아래에는 약 100여개의 광수용체 세포를 가지고 있어, 각각의 아이렛은 전체 시야각 중 일부 영역의 이미지를 받아들이게 된다. 이러한 구조는 일반적인 형태의 겹눈에 비해 높은 분해능과 빛감응성을 가지는 장점이 있어 겹눈을 모사한 카메라 개발에 적합한 구조로 여겨지고 있다.
이와 같이 겹눈을 모사하여 이미징 시스템으로 적용하기 위해서는 그 구조적 변화에 따른 광학적 특성에 대한 정보가 필수적인데 기존의 3D구조의 인공 곤충 눈에서는 이러한 특성을 분석하기가 어려웠다. 본 연구에서는 평면 형태로 곤충 눈을 제작하여 구조적 변화에 따른 광학적 특성을 분석하였다. 평면 인공 곤충 눈은 3D 구조의 곤충 눈의 단면의 모습을 보여주어, 구조적 특성에 따른 광 특성의 변화를 쉽게 측정, 분석할 수 있다. 자연 곤충 눈의 기본 구조인 낱눈을 구성하고 있는 각막 렌즈, 원뿔정체, 봉상체, 광수용체 세포는 각각 평면 구조의 미세 렌즈, 콘 구조, 광도파로, 그리고 광검출기(Photodetector)로 모사하여 제작할 수 있다. 본 연구에서는 자연계에 존재하는 10여가지 형태의 절지동물의 시각 기관 중 가장 기본적인 구조인 단순 연립 곤충 눈(simple apposition eye)과 반사형 중첩 곤충 눈(reflecting superposition eye)의 구조를 평면 형태로 제작하였다. 평면 인공 낱눈(Planar artificial ommatidia)안을 도파하는 빛을 측정하기 위해 Rhodamine 6G를 섞은 광감응성 고분자(SU-8)를 이용하여 평면 인공 곤충 눈을 제작한 후, 구조 안에서의 빛의 도파 모습과 곤충 눈의 분해능을 나타내는 각감응성(Angular resolution)을 측정, 분석하였다. 본 연구에서 제시한 방법을 이용하면 일반적인 광학 수치 해석으로는 알기 어려운 곤충 눈의 특성을 알 수 있을 뿐만 아니라, 다른 형태의 광학 소자의 특성 분석에도 사용할 수 있다.
제노스 페키의 시각 기관을 모사한 초박형 카메라는 하나의 채널이 빛을 꺾어주기 위한 마이크로 프리즘(microprism)과 이 빛을 집광하기 위한 마이크로 렌즈(microlens), 그리고 주변 채널에서 들어오는 빛을 차단하기 위한 조리개(aperture)로 이루어져 있다. 마이크로 프리즘은 볼 렌즈를 이용한 임프린트 공정(imprint process)과 웨이퍼에 패턴된 금속 마스크(mask)를 이용해 웨이퍼의 아래 방향으로 자외선을 노광시키는 공정을 이용해 제작하였다. 각각의 채널은 제노스 페키의 시각 기관처럼 전체 시야각 중 일부 영역의 시각 정보를 받아들여 이미지를 형성하게 되는데, 이 때 주변 채널과 일부 영역을 공유하면서 조금씩 다른 영역의 시각 정보를 받아들이게 된다. 몇 개의 채널에서 공유하고 있는 시각 정보는 이미지 프로세싱(Image processing) 과정에서 고분해능 이미지를 형성하는데 이용된다. 또한 모든 광학 소자가 평면 위에 형성되어 있어 상용화된 평면 형태의 이미지 센서(Image sensor)와도 결합이 가능해 제작된 소자를 이미지 센서와 결합한 후 이미징 특성을 측정, 분석하였다.
본 연구에서는 제노스 페키의 시각 기관을 모사한 초박형 카메라를 개발하여 그 특성을 분석하였다. 이를 위해 다양한 형태의 겹눈의 광학 특성을 쉽게 분석할 수 있는 방법인 평면 인공 곤충 눈을 제시하였고, 대표적인 두 가지 형태 겹눈의 단면을 모사하여 구조적 특징에 따른 광학 특성을 분석하였다. 본 연구에서 개발한 곤충 눈을 모사한 초박형 카메라는 향후 두께가 얇은 스마트폰(smartphone), 노트북과 같은 모바일(mobile) 가전 제품 분야, 내시경을 비롯한 의료 분야, 그리고 초소형 정찰 로봇과 같은 군사 분야 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
