일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.1.31

첨단기술 뉴스 플러스
사람에게는 보이지 않는 빛의 변화를 감지
파나소닉, 감도 10배의 기술 개발

파나소닉은 23년 1월 26일, 기존 대비 10배의 감도를 갖는 하이퍼 스펙트럼 이미지 촬영 기술을 개발했다고 발표했다. 하이퍼 스펙트럼이란 빛의 색정보(파장)를 육안이나 컬러카메라(RGB 카메라)보다 세밀하게 취득하는 기술이다.

이번에 달성한 고감도화로 인해, 지금까지 촬영이 곤란했던 실내 조명(550럭스) 정도의 밝기로도 충분히 하이퍼 스펙트럼 이미지를 촬영할 수 있다. 대응하는 파장은 가시광역(450~650nm)이며, 이 범위에서 20파장의 정보를 취득할 수 있다고 한다. 이 기술을 탑재한 카메라의 발매 시기는 미정이지만, 식품의 외관 검사 등에 응용하는 것을 상정하고 있다.

하이퍼 스펙트럼 이미지는 사람의 눈으로는 지각할 수 없는 연속적인 색변화(스펙트럼 정보)를 포함하기 때문에 컴퓨터 해석을 통해 다양하게 응용할 수 있다. 예를 들면, 신선 식품 검사나 육안으로는 판단이 어려운 도장 얼룩 검사 등에 사용할 수 있다.

기존의 하이퍼 스펙트럼 촬영 기술은 프리즘이나 색필터를 사용함으로써 화소마다 할당된 특정 파장의 빛을 검출했었다. 그러나 이 방법은 감지하고 싶은 파장의 수를 늘리면 늘릴수록 하나의 파장을 감지하는 데 사용할 수 있는 화소수가 적어지기 때문에 감도가 떨어진다는 과제가 있었다.

한편, 저감도를 보완하기 위해 셔터 시간을 늘려 빛을 많이 취하려고 하면 이번에는 프레임 레이트가 악화돼 매끄러운 영상을 찍을 수 없다는 과제가 있었다.

-- 복수의 빛을 통과시키는 특수 필터를 개발 --
파나소닉은 이러한 저감도화 과제에 대해 파장마다 반사율을 제어할 수 있는 ‘분산 브래그 반사기(DBR)’ 기술을 탑재한 특수 필터를 신규 개발했다. 이 필터는 관측 대상에서 방출된 빛을 화소마다, 파장마다 랜덤으로 강도를 바꿔서 통과하도록 설정하고 있다.

파나소닉의 새로운 방식의 순서는 이렇다. 1. 특수 필터에 빛을 통과시켜 각 화소에 입사(入射)하는 빛의 강도를 랜덤으로 바꾼다(이를 파나소닉은 ‘솎아내기 검출’이라고 부른다). 2. 솎아낸 후의 데이터는 GPU(이미지처리반도체)로 연산처리를 함으로써 파장 분리와 원데이터를 복원한다(이를 파나소닉은 ‘복원연산’이라고 부른다).

즉, 기존 기술에서는 필터로 하던 파장 분리를 소프트웨어 쪽으로 옮겼다는 것이다. 이 방식의 장점은 각 화소에 여러 개의 빛을 입사시킬 수 있기 때문에 빛을 효율적으로 받아들일 수 있다는 점이다.

기존 방법이 입사한 빛 중 5% 이하 밖에 필터를 통과하지 못했던 것에 비해 특수 필터는 45%의 빛이 통과하기 때문에 높은 감도를 실현했다고 한다. 또한 감도가 높기 때문에 빛을 받아들이는 시간을 단축할 수 있어, 30fps(프레임/초) 이상의 프레임 레이트로 동영상 촬영을 할 수 있다.

솎아낸 후의 데이터로부터 파장 분리와 원데이터를 복원하기 위해서 파나소닉은 필터의 배치에 아래와 같은 아이디어를 냈다. 특수 필터는 64종류의 필터를 랜덤으로 배치. 이는 단일 파장의 빛을 넣었을 때 농담의 패턴이 상관관계를 갖지 않도록 하기 위해서다.

필터로 솎아낸 후의 데이터와 사전에 취득한 단일 파장의 빛을 넣었을 때의 농담 패턴을 조합해 연산 처리를 함으로써 파장별 분리와 원래의 색 데이터를 재현했다. 그리고 연산처리에 사용하고 있는 GPU에는 시판 제품(NVIDIA사의 GeForce RTX 2080 Ti)을 사용하고 있다고 한다.

외관 검사를 대상으로 개발했기 때문에 개발품은 가시광역을 대상으로 하고 있지만 필터 설계나 원래의 화소 조건을 바꾸면 적외광 검출도 가능하다고 한다. 또한 감지 가능한 파장수도 늘릴 수 있어 30~40 정도까지는 가능하다고 한다.

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