[논문 리뷰] Lens Factory: Automatic Lens Generation Using Off-the-shelf Components

Libin Sun, Brian Guenter외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 30.

Advanced optical system design참고 문헌 14인용 수 10

한 줄 요약

Lens Factory는 고성능 맞춤 다광선 렌즈를 사전에 구매한 표준 광학 부품만을 사용하여 자동으로 설계하는 시스템으로, 비용을 수천 달러에서 200달러 이하로 낮추고 설계 시간을 수주에서 수일로 단축시킨다. 이 시스템은 이산 조합 최적화와 연속 최적화를 융합하여 간단한 초기 패턴에서 새로운 렌즈 구성으로 진화시키며, 전문 지식 없이도 고성능 광학 장치를 제작할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

Custom optics is a necessity for many imaging applications. Unfortunately, custom lens design is costly (thousands to tens of thousands of dollars), time consuming (10-12 weeks typical lead time), and requires specialized optics design expertise. By using only inexpensive, off-the-shelf lens components the Lens Factory automatic design system greatly reduces cost and time. Design, ordering of parts, delivery, and assembly can be completed in a few days, at a cost in the low hundreds of dollars. Lens design constraints, such as focal length and field of view, are specified in terms familiar to the graphics community so no optics expertise is necessary. Unlike conventional lens design systems, which only use continuous optimization methods, Lens Factory adds a discrete optimization stage. This stage searches the combinatorial space of possible combinations of lens elements to find novel designs, evolving simple canonical lens designs into more complex, better designs. Intelligent pruning rules make the combinatorial search feasible. We have designed and built several high performance optical systems which demonstrate the practicality of the system.

연구 동기 및 목표

• 이미징 응용 분야에서의 높은 비용, 장기적인 제작 기간, 그리고 높은 전문 지식 요구 수준을 해결하기 위해.
• 컴퓨터 그래픽스, 시각, VR 분야의 비전문가가 광학 교육 없이도 고성능 맞춤형 렌즈를 제작할 수 있도록 하기 위해.
• Zemax나 Code V와 같은 고비용 전용 렌즈 설계 도구에 대한 의존도를 줄이기 위해, 접근 가능한 부품를 사용해 설계 과정을 자동화하기 위해.
• 표준 부품의 조합적 탐색과 연속 최적화를 융합하여 새로운 고성능 렌즈 시스템을 생성할 수 있는지 탐색하기 위해.
• VR 헤드셋이나 뷰 카메라와 같은 실제 응용 분야에 실용적이고 재현 가능한 렌즈 시스템을 구현하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 최초 최적화의 기초로 표준 렌즈 설계(예: 트리플렛, 더블 고우스)를 사용한다.
• 이산 최적화 단계에서, 표준 부품의 조합 공간을 탐색하기 위해 반복적으로 요소를 교체하거나 분할함으로써 새로운 후보 설계를 생성한다.
• 각 후보 설계에 대해 연속 최적화를 적용하여, 시야 전역에서 이미지 선명도를 극대화할 수 있도록 공기 간격을 조정한다.
• 비효율적인 설계 경로를 조기에 제거하기 위해 지능적인 정제 규칙을 사용하여 이산적 탐색의 계산 가능성을 확보한다.
• 최적화 후, 시스템은 3D 프린팅을 통해 렌즈 케이지 제작을 수행하고, 왜곡과 색수차 보정을 위한 후처리를 위한 렌즈 데이터를 제공한다.
• 설계 과정에서 실제 광학 제약 조건을 시뮬레이션하기 위해 인간 시각 시스템을 10mm 각막 거리를 가진 이상적인 카메라로 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전적으로 자동화된 시스템이 전문 지식 없이도 표준 부품만을 사용해 고성능 맞춤 다광선 렌즈를 생성할 수 있는가?
• RQ2 이산-연속 최적화 전략이 기존 설계 범주를 초월한 새로운 렌즈 구성의 발견에 얼마나 효과적인가?
• RQ3 후처리 기법이 Lens Factory로 설계된 시스템의 잔여 광학 수차를 얼마나 효과적으로 보완할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템이 상업용 단일 렌즈(예: VR 헤드셋 내부)보다 선명도와 색수차 제어 면에서 뛰어난 성능을 내는가?
• RQ5 렌즈 설계의 시스템 수준 최적화에서 거친 상용 렌즈 부품 사용의 실질적 제약은 무엇인가?

주요 결과

• Lens Factory는 렌즈 설계 비용을 수천 달러에서 200달러 이하로 낮추고, 제작 기간을 10~12주에서 단 몇 일로 단축시켰다.
• 시스템은 오culus Rift DK2용 2광선 렌즈를 성공적으로 설계 및 프로토타입 제작하여, 소프트웨어 보정이 필요 없이 기존 단일 렌즈보다 선명도와 색수차 제어 면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 오culus Rift용 신규 렌즈 시스템은 시야 가장자리까지 높은 이미지 품질을 유지하여 시각적 해상도를 크게 향상시켰다.
• 신규 렌즈의 색수차는 매우 미미하여 거의 완전히 제거되었고, 소프트웨어 사전 처리에도 불구하고 여전히 잔여 색수차를 보이는 기존 렌즈와 대비된다.
• 시스템은 마이크로 포서스 캠코어용 기능성 고성능 렌즈와 비평행 투영 뷰 카메라용 렌즈를 성공적으로 생성하여 광범위한 적용 가능성을 입증했다.
• CAD 파일, 소스 코드, 설계 세부 정보의 공개로 인해 오culus Rift 교체 렌즈의 공동 복제 및 배포가 가능해졌으며, 여러 연구 팀에서 성공적으로 구현되었다.