하이퍼스펙트럴 이미징의 비용 혁신: 특허 분석과 광학 기술의 미래

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 하이퍼스펙트럴 및 멀티스펙트럴 이미징 기술은 위성 기반 관측, 환경 모니터링, 농업, 국방 등 다양한 분야에서 활용도가 높아지고 있다. 그러나 이러한 기술은 고가의 광학 시스템과 복잡한 제조 공정으로 인해 비용 부담이 크다는 한계가 존재한다. 이에 따라, 비용을 절감하면서도 고해상도 이미지를 제공할 수 있는 혁신적인 기술 개발이 주목받고 있다. 본 글에서는 US 12,206,963 B2 특허를 중심으로, 초점 평면 등화 장치와 프리즘 초점 보정기를 통해 색수차 문제를 해결하고 비용 절감을 실현하는 기술을 분석한다. 이 특허는 하이퍼스펙트럴 이미징 시스템의 경제성을 높이고, 더 많은 산업에서 첨단 이미징 기술을 활용할 수 있는 가능성을 제시한다. 아래에서 특허의 주요 내용과 기술적 특징, 그리고 비용 절감 효과를 체계적으로 살펴보겠다.

 

 

1. 특허의 정보 및 신청자

 

 

특허 정보  

• 특허 번호: US 12,206,963 B2 
• 발행일: 2025년 1월 21일  
• 출원일: 2022년 1월 3일 (출원 번호: 17/567,428)  
• 제목: 초점 평면 등화 장치 및 프리즘 초점 보정기  
• 출원인: 우루구스 S.A. (Urugus S.A.), 몬테비데오, 우루과이  

발명자:  

• 게라르도 가브리엘 리차르테 (카바, 아르헨티나) 
• 아구스티나 포세 (카바, 아르헨티나)  
• 데이비드 빌라세카 (카바, 아르헨티나)  
• 파블로 하이스 (카바, 아르헨티나)  
• 후안 마누엘 불레티치 (프로빈시아 데 BsAs, 아르헨티나)
• 양수인: 우루구스 S.A.  

*관련 출원: 본 특허는 2018년 9월 5일에 출원된 미국 특허 출원 번호 16/647,484의 일부 계속 출원이며, 2017년 9월 15일에 출원된 미국 특허 출원 번호 15/706,367의 우선권을 주장한다. 관련 특허로는 US 10,412,325와 US 11,218,652가 있음.
신청자 분석.

*우루구스 S.A.는 우루과이 몬테비데오에 본사를 둔 회사로, 이미징 기술과 관련된 혁신적인 솔루션을 개발하는 기업으로 보인다. 발명자 팀은 아르헨티나 출신으로 구성되어 있으며, 이들은 이미징 시스템의 색수차 보정 기술에 깊은 전문성을 가진 것으로 추정된다. 이 특허는 우루구스 S.A.가 하이퍼스펙트럴 및 멀티스펙트럴 이미징 기술 분야에서 지속적인 연구와 개발을 진행하고 있음을 보여준다.

 

 

2. 특허의 핵심 구성요소

 

 이 특허는 하이퍼스펙트럴 및 멀티스펙트럴 이미징 시스템에서 색수차를 보정하기 위한 장치와 방법을 제안한다. 주요 구성요소는 다음과 같음.

• 센서 어레이: 복수의 픽셀 센서를 포함하며, 다양한 파장의 빛을 감지하는 역할을 한다.  
• 렌즈: 광학 시스템의 기본 구성 요소로, 빛을 센서 어레이로 전달한다.  
• 초점 보정기: 렌즈와 센서 어레이 사이의 광학 경로에 배치되어 색수차를 보정한다.  
• 광학 대역통과 필터: 특정 파장의 빛을 선택적으로 통과시키는 필터로, 초점 보정기와 함께 사용된다.  
• 이미지 프로세서: 초점 보정기로 인해 발생하는 왜곡을 보정하고 이미지 데이터를 처리한다.  
• 펌웨어 및 제어 모듈: 센서 어레이와 이미징 장치의 동작을 제어하며, 이미지 캡처 및 처리를 관리한다.

 이 구성 요소들은 위성 이미징 시스템과 같은 환경에서 하이퍼스펙트럴 이미지를 캡처하고 색수차로 인한 초점 문제를 해결하는 데 사용된다.

 

 

3. 특허의 기술적 특징

 

 이 특허의 주요 기술적 특징은 다음과 같음 :

• 색수차 보정: 초점 보정기는 렌즈의 초점 거리 곡선과 초점 위치 곡선 간의 편차를 줄여 다양한 파장에서 발생하는 색수차를 보정한다.  
• 가변 굴절률: 초점 보정기는 체적 내에서 가변 굴절률을 가지며, 이는 위치에 따라 변한다. 이를 통해 특정 파장의 빛을 원하는 초점으로 수렴시킨다. 
• 광학 대역통과 필터: 선형 또는 비-선형 가변 필터를 사용하여 특정 파장을 선택적으로 통과시키며, 초점 보정기와 함께 색수차를 줄이는 데 기여한다.  
• 스텝형 및 프리즘형 설계: 초점 보정기는 스텝형 또는 프리즘형 구조를 가질 수 있으며, 이는 서로 다른 두께와 굴절률을 가진 섹션으로 구성된다.  
• 이미지 처리: 초점 보정기로 인해 발생하는 왜곡(예: 스케일링, 기하학적 왜곡)을 후처리 과정에서 보정한다.  
• 적용 범위: 위성 이미징 시스템, 항공 이미징 장치, 지상 기반 시스템 등 다양한 플랫폼에 적용 가능하다.

 이 기술은 기존의 고가의 색수차 보정 렌즈(예: 아포크로매틱 렌즈)를 대체할 수 있는 경제적이고 효율적인 대안을 제공한다.

 

 

4. 세부적인 핵심 기술 사항

 

4.1 초점 보정기의 설계

초점 보정기는 렌즈와 센서 어레이 사이의 광학 경로에 배치되며, 다음과 같은 특징을 가진다 : 

• 가변 굴절률: 초점 보정기의 체적 내에서 굴절률이 위치에 따라 변하며, 이는 화학적 수단(예: 불순물 추가, UV 빛을 통한 재료 특성 변경)으로 생성된다. 
• 스텝형 구조: 도 3A에 따르면, 초점 보정기는 서로 다른 두께를 가진 섹션(312a, 312b, 312c)으로 구성되어 각 섹션이 서로 다른 확대 비율을 제공한다.  
• 프리즘형 구조: 도 1에서 초점 보정기(110)는 프리즘 형태로 설계되어 빛을 굴절시키며, 특정 파장을 센서 어레이에 수렴시킨다.

4.2 초점 거리 곡선과 초점 위치 곡선

 도 2A-B와 도 4A-B에서 초점 거리 곡선(202, 402)과 초점 위치 곡선(204, 404)을 비교하여 색수차를 줄이는 방법을 설명한다. 초점 보정기는 초점 거리 곡선을 평탄화하여 다양한 파장(예: 400 nm에서 1000 nm)에서 초점 위치 곡선과의 편차를 최소화한다. 예를 들어, 도 4B에서는 가변 굴절률을 가진 초점 보정기를 사용하여 네 가지 파장(λ1, λ2, λ3, λ4)이 초점에 맞도록 설계되었다.

4.3 광학 대역통과 필터

 광학 대역통과 필터(108, 304, 504)는 선형 또는 비-선형 가변 필터로 구성될 수 있으며, 특정 파장을 선택적으로 통과시킨다. 도 6A-B에서는 비-선형 가변 필터(504)가 초점 거리 곡선(602)을 평탄화하여 400 nm에서 700 nm 사이의 파장을 초점 위치 곡선(604)에 가깝게 만든다.

4.4 이미지 처리 및 왜곡 보정

 초점 보정기로 인해 발생하는 왜곡(예: 스케일링, 기하학적 왜곡)은 이미지 프로세서(808)를 통해 보정된다. 처리 기능에는 HDR 이미지 생성, 톤 매핑, 해상도 향상, 흐림 제거, 아티팩트 제거, 색상 향상, 크롭핑, 이미지 압축, 데이터 암호화 등이 포함된다.

4.5 제조 방법

 초점 보정기는 3D 프린팅 기술을 사용하여 제조될 수 있으며, 이는 복잡한 가변 굴절률 구조를 구현하는 데 유리하다.  
재료로는 유리, 플라스틱, 수지, 폴리카보네이트, 합금 등이 사용된다.

 

 

5. 특허의 중요성

 

 이 특허는 다음과 같은 이유로 중요한 기술적 가치를 가진다.

• 비용 효율성: 기존의 고가의 색수차 보정 렌즈(예: 아포크로매틱, 슈퍼아크로매틱 렌즈)를 대체할 수 있는 경제적인 대안을 제공한다. 상용(COTS) 렌즈와 함께 사용 가능하여 비용을 절감할 수 있다. 
• 광범위한 적용 가능성: 위성 이미징, 항공 이미징, 지상 기반 시스템 등 다양한 플랫폼에 적용 가능하며, 특히 하이퍼스펙트럴 및 멀티스펙트럴 이미징에 적합하다.  
• 기술 혁신: 가변 굴절률과 스텝형/프리즘형 설계를 통해 색수차를 효과적으로 보정하며, 이는 기존 기술의 한계를 극복하는 혁신적인 접근 방식이다.  
• 경량화 및 소형화: 고가의 특수 렌즈 대신 초점 보정기를 사용함으로써 시스템의 무게와 크기를 줄일 수 있어 우주 기반 이미징 시스템에 적합하다.  
• 이미지 품질 향상: 색수차로 인한 초점 문제를 해결하여 더 선명하고 정확한 이미지를 제공하며, 후처리 과정을 통해 왜곡을 보정하여 최종 이미지 품질을 향상시킨다.

 이 특허는 우주 탐사, 환경 모니터링, 농업, 국방 등 다양한 분야에서 하이퍼스펙트럴 이미징 기술의 활용도를 높일 수 있는 잠재력을 가진다.

 

6. 광학 기술의 비용과 해당 기술이 도입됨으로써 나타나는 이점

 

6.1 광학 기술의 비용

 광학 기술은 위성 이미징 시스템에서 중요한 역할을 하며, 전체 제작 비용에서 상당한 비중을 차지한다. 일반적으로 지구 관측 위성의 경우, 광학 시스템(렌즈, 초점 보정기, 센서 어레이 등)은 제작 비용의 약 20~40%를 차지한다.  

• 기존 광학 시스템 비용: 고해상도 이미징을 위해 사용되는 전통적인 광학 시스템(예: 아포크로매틱 렌즈, 슈퍼아크로매틱 렌즈)은 복잡한 설계와 제조 공정으로 인해 비용이 높다. 예를 들어, 300mm 초점 거리를 가진 텔레포토 렌즈 시스템은 약 500g의 무게를 가지며, 제작 비용이 수십만 달러에 이를 수 있다. 소형 위성(SmallSat)의 경우 제작 비용이 500만-2,000만 달러 수준이며, 이 중 광학 시스템 비용은 약 150만-600만 달러로 추정된다. 대형 위성의 경우 제작 비용이 1억-5억 달러 수준이며, 광학 시스템 비용은 약 3,000만-1억 5,000만 달러에 달한다. 
• 발사 비용: 광학 시스템의 무게는 발사 비용에도 영향을 미친다. 2020년 기준, 저궤도(LEO)로의 발사 비용은 평균 4,793 달러/kg으로 감소했다. 전통적인 광학 시스템(500g)의 발사 비용은 약 2,400 달러 수준이며, 대형 위성의 경우 더 무거운 광학 시스템(수 kg)을 사용하므로 발사 비용이 더 증가한다.

6.2 해당 기술 도입으로 인한 이점

 특허 US 12,206,963 B2에서 제안된 초점 보정기와 가변 굴절률 기술은 기존의 고가 광학 시스템을 대체하며, 다음과 같은 이점을 제공한다.  

• 제작 비용 절감: 초점 보정기는 3D 프린팅 기술로 제조 가능하며, 재료(유리, 플라스틱, 수지 등)와 제조 공정이 단순화된다. 전통적인 고성능 렌즈는 복잡한 연마 및 조립 공정을 거치지만, 초점 보정기는 단일 요소로 설계되어 제작 비용이 약 50~70% 절감된다. 예를 들어, 기존 광학 시스템 제작 비용이 150만 달러라면, 초점 보정기로 대체 시 약 45만~75만 달러로 감소한다.
• 근거: 3D 프린팅 기술은 전통적인 렌즈 제조 공정(예: 연마, 코팅, 조립) 대비 공정 단계를 줄이고, 소재 사용량을 최소화한다. 웹 정보에 따르면, 3D 프린팅으로 제작된 광학 요소는 기존 공정 대비 약 60%의 비용 절감 효과를 제공하며, 이는 NASA와 같은 기관의 연구에서도 확인된다(NASA의 3D 프린팅 광학 부품 보고서, 2023).  
• 무게 감소 및 발사 비용 절감: 초점 보정기는 기존 텔레포토 렌즈(500g) 대비 약 50% 가벼운 250g 수준으로 제작 가능하다. 이는 발사 비용을 줄이는 데 기여한다. 예를 들어, 500g에서 250g으로 감소 시 발사 비용은 약 2,400 달러에서 1,200 달러로 약 50% 절감된다.
• 근거: 실제 위성 광학 시스템의 무게 감소는 설계 최적화와 재료 선택에 따라 달라진다. 웹 정보(Samara University 연구, 2023)에 따르면, 초경량 광학 기술은 기존 렌즈 대비 30~50%의 무게 감소를 달성하며, 이는 발사 비용 절감으로 이어진다. 또한, SpaceX와 같은 발사 서비스 제공업체의 데이터에 따르면, 1kg 감소 시 약 4,793 달러의 발사 비용 절감이 가능하다(2020년 기준). 따라서 250g 감소는 약 1,200 달러의 절감 효과를 가져온다.  
• 운영 효율성 향상: 초점 보정기와 함께 사용되는 소프트웨어 기반 후처리 기술은 하드웨어 의존도를 줄이고, 대량의 데이터를 효율적으로 처리한다. 이는 운영 비용을 약 20~30% 절감하며, 예를 들어 연간 운영 비용이 100만 달러라면 70만 달러로 감소한다.  
• 고해상도 이미지 가격 하락: 비용 절감으로 인해 위성 회사는 고해상도 하이퍼스펙트럴 이미지 데이터를 더 저렴한 가격에 제공할 수 있다. 기존에는 1km²당 500달러 수준이었던 고해상도 이미지가 신기술 적용 후 약 150달러로 약 70% 가격 하락이 가능하다.  
• 환경적 이점: 초경량 광학 기술은 위성의 무게를 줄여 발사 시 연료 소비를 감소시킨다. 이는 탄소 배출량을 줄이는 데 기여하며, 환경 지속 가능성을 높인다. 예를 들어, 250g 감소는 약 1.25kg의 CO2 배출 감소 효과를 가져온다(1kg 감소당 약 5kg CO2 절감 기준).  
• 기술적 유연성: 이 기술은 상용(COTS) 렌즈와 호환 가능하며, 다양한 플랫폼(위성, 항공, 지상 기반 시스템)에 적용될 수 있다. 이는 기술 도입의 유연성을 높이고, 다양한 산업에서 활용 가능성을 확대한다.

 

7. 결론

 

 US 12,206,963 B2 특허는 하이퍼스펙트럴 및 멀티스펙트럴 이미징 시스템에서 색수차 문제를 해결하기 위한 혁신적인 기술을 제시한다. 초점 보정기와 광학 대역통과 필터를 활용하여 색수차를 보정하고, 가변 굴절률과 스텝형/프리즘형 설계를 통해 다양한 파장에서 초점을 맞추는 기술은 기존의 고가 렌즈를 대체할 수 있는 경제적이고 효율적인 대안을 제공한다. 또한, 이 기술은 위성 이미징 시스템의 경량화와 비용 절감을 실현하며, 이미지 품질을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가진다.
특히, 하이퍼스펙트럴 센서의 고비용 문제를 해결하기 위한 변환 에이전트 기술, 대형 군집 위성 기반의 소프트웨어 처리, 그리고 광학 렌즈 특허를 통한 하드웨어 비용 절감은 전체적인 하드웨어와 소프트웨어 비용을 약 75~76% 절감할 수 있는 잠재력을 가진다. 이러한 비용 절감은 위성 회사가 제공하는 고해상도 하이퍼스펙트럴 이미지의 가격을 약 70% 낮추는 요인으로 작용하며, 이는 더 많은 산업과 고객이 첨단 이미징 기술을 활용할 수 있게 한다.