Design and implementation of bio-inspired camera systems for dynamic environments

Abstract

현대 카메라 시스템은 다변화 환경에서 효율적이면서도 정확한 광 성능을 구현하 는 요구가 증가하면서, 광 감도, 왜곡 없는 시야각 및 수륙양용 비전 등 다기능 카메라 시스템이 요구되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 자연계에서 환경 진화된 시각 시스템의 영상 처리 특성에서 영감을 얻어 효율적인 시각 기능을 모사하는 카메라 시 스템 기술이 주목받고 있다. 본 논문에서는 이러한 자연의 환경 적응 특성을 모사하여 다양한 광 환경에서 효과적으로 작동하는 광학 기능을 갖춘 생체모사형 카메라 시스템 을 탐구한다. 첫째, 나방 눈 표면의 나노구조를 모사하여 설계된 인공 반사 방지 광학 시스템을 제시한다. 이 시스템은 광대역 파장에서 광 투과율을 크게 향상시키는 반사방 지 나노구조를 렌즈 및 필름에 적용하여 저조도 환경에서도 뛰어난 영상 처리 성능을 유지할 수 있는 높은 광 감도 시스템을 구현한다. 둘째, 농게의 독특한 시각 구조를 모사 하여 전방위 전천후 카메라를 개발한다. 3차원으로 배열된 인공 광수용체 구조를 갖는 편평 렌즈 구조를 통해 300도의 넓은 시야각을 확보하였으며, 서로 다른 굴절률을 가진 환경에서도 동일한 영상 처리 성능을 갖는 파노라마 및 수륙양용 시각 구조를 탐구하고 시스템을 구현한다. 셋째, 광 도파관 기술을 개발하여, 인공 겹눈 시각 시스템 내에서 광 정밀 제어를 가능하게 하고, 이를 통해 소형화된 고해상도 광학 시스템을 개발한다. – iii – 본 논문에서 제안한 이러한 생체모사 기술은 기존 카메라 시스템의 한계를 극복하고, 다양한 다변화 환경에서 신뢰할 수 있는 영상 처리 기능을 구현하는 데 기여한다. 또한, 본 논문에서는 이러한 생체모사 기술 구현을 위한 기반 기술과 향후 해결해야 할 과제에 대해서도 논의한다.|Modern camera systems face increasing demands to perform effectively across di- verse environments, requiring solutions to challenges in light sensitivity, field of view, and amphibious vision. To meet these challenges, advanced technologies focus on inte- grating efficient functionalities inspired by natural vision systems, which have evolved highly adaptive imaging capabilities to survival in unpredictable natural habitats. This thesis explores bio-inspired camera systems that emulate these natural adaptations, incorporating advanced optical functionalities for dynamic environments. Firstly, by mimicking the nanostructures on the surface of moth eyes, artificial antireflective op- tical system consists of optical lenses with anti-reflective nanostructures that enhance light sensitivity by significantly increasing transmittance across a wide spectrum of wavelengths. This improvement addresses the challenge of maintaining high perfor- mance in low-light environments. Subsequently, inspired by the fiddler crab’s unique vision system, a flat lens design with a three-dimensionally distributed artificial om- matidia structure achieves an extremely wide field of view, enabling panoramic and amphibious vision, allowing for effective operation across different refractive media. Finally, an efficient optical waveguiding component is developed to provide precise op- tical control within artificial systems, contributing to improved adaptability in precise and compact optical systems. These bio-inspired features enable camera systems to overcome current limitations, delivering reliable optical performance in varied environ- ments. Furthermore, the supportive technologies and remaining challenges necessary to realize these bio-inspired adaptations will be discussed.