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분광계는 물체로부터 나오는 갖가지 파장의 세기를 측정하여 그 정보를 그래프나 스펙트럼 형태로 나타내는데, 분광계가 물체의 정보를 세밀하게 나타내는 정도를 해상도(resolution)라고 합니다.

이 분광계는 광학, 화학, 해양공학 등 산업분야 전반에서 광범위하게 사용되는 핵심기구로 해상도가  

기존 분광계의 이론적인 해상도 한계는 분광계 내부에 배열되어 있는 분광센서의 개수에 의해 결정되는데, 해상도를 증가시키기 위해서는 새로운 하드웨어를 추가하거나 신소재를 개발해야 합니다.

이처럼 산업분야 전반에서 광범위하게 사용되는 분광계의 해상도를 한계보다 최대 6배 뛰어넘는 혁신적인 기술이 개발됐습니다.

광주과기원 이흥노 교수팀은 소형 소프트웨어를 추가해 기존 분광계 해상도를 획기적으로 높일 수 있는 알고리즘 개발에 성공했습니다.

이흥노 교수팀은 새로운 하드웨어를 추가하거나 신소재를 개발하지 않고, 기존의 분광계에 저렴한 소형 소프트웨어를 간단히 추가하여 분광계의 해상도를 크게 높일 수 있는 디지털 신호처리 알고리즘을 만들어냈습니다.

디지털 신호 처리를 이용한 배열필터 기반의 분광계 시스템



이번 연구로 광학, 화학, 해양공학 등 소형 분광계를 사용하는 모든 분야에 적용되는 원천기술에 파급효과가 상당히 클 것으로 예상되며, 저비용 초정밀 측정이 가능한 스마트 분광계는 현대 분광계 산업과 시장에 큰 반향을 불러올 전망입니다.

이번 연구는 이흥노 교수가 주도하고 올리버(J. Oliver) 박사후 연구원(제1저자), 이웅비, 박상준 박사과정생(제2, 3저자)가 참여했습니다.

연구결과는 광학 분야의 권위 있는 학술지인 'Optics Express'지 1월호(1월 30일자)에 게재되었습니다. 
(논문명 : Improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals)

오른쪽부터 이흥노 교수, Nitin 연구원, Oliver 박사후 연구원, 강재욱 박사과정, 최재건 석사과정, 박상준 박사과정, Asad 박사후 연구원



 용  어  설  명

분광계 (Spectrometer) :
물체로부터 방출되는 갖가지 파장의 세기를 측정할 때 사용하는 도구로서, 물체의 파장 정보를 그래프 혹은 스펙트럼 형태로 나타낸다.

디지털 신호 처리 (Digital Signal Processing) :
전자공학과 응용수학의 한 분야로, 디지털 신호(소리, 영상, 시변 값, 센서 데이터 등)의 분석을 다룬다.

L1 최소화 (L1 norm minimization) :
최적화 방법 중 한 가지로, 선형 시스템을 푸는데 사용된다. L1 최소화 방법은 선형 시스템에 대한 희소한 해답을 찾는다.

 <연 구 개 요>

소형 분광계는 광학, 화학, 해양공학 등 다양한 산업 분야 전반에 걸쳐서 핵심 기구로 사용되고 있다.
최첨단 기술의 소형 분광계는 비용을 감소시키기 위한 방법으로 배열필터를 사용한다.
배열필터란 그림 1에서 볼 수 있듯이, 필터를 배열해서 한 곳에 집약하여 생산하는 구조를 말한다.
나노공정을 이용한 배열필터 기술은 분광계의 크기를 초소형화 하고, 이에 따른 대량 생산으로 생산가격을 크게 절감시킨다.
이러한 공정으로 생산된 소형 분광계는 실험실 밖 산업 현장에서 물체의 특성을 측정하는데 큰 도움이 된다.
또한 컴퓨터 또는 다른 전자 기기와도 쉽게 접목하여 함께 사용할 수 있다.
이 밖에도 배열필터 기반의 분광계는 광원의 스펙트럼 정보를 단시간에 측정할 수 있는 장점이 있다.

그림 1. 디지털 신호 처리를 이용한 배열필터 기반의 분광계 시스템


그림 1은 디지털 신호 처리를 이용한 배열필터 기반의 소형 분광계 시스템의 구성도이다.
이 시스템에서 분광계는 배열필터, CCD (Charge Coupled Device) 배열, 및 디지털 신호 처리부로 구성되어 있다.
배열필터는 서로 다른 투과 함수를 갖는 고정된 필터들의 집합으로 구성되어 있는데, 하나의 필터는 좁은 대역폭의 파장 성분만을 투과시킨다.
각각의 필터는 CCD 배열의 하나의 구성요소에 연결이 되어 있어서, 필터를 통과한 광 신호는 CCD에서 전하로 바뀌게 된다.
일반적으로 이상적인 투과 함수를 갖는 배열필터 분광계는 측정되는 물체의 스펙트럼 정보를 즉시에 얻을 수 있기 때문에 가장 좋다고 여겨진다.
하지만, 최신의 소형 분광계는 배열필터를 저가로 생산하기 때문에 각각의 필터는 이상적인 투과 함수를 가질 수 없고, 파장에 선택적인 투과 함수를 갖게 된다.
그러므로 분광계로부터 얻은 스펙트럼 정보는 심하게 왜곡되어서 광 신호 본래의 스펙트럼 정보를 정확히 얻을 수 없게 된다.
본 논문에서는 왜곡된 스펙트럼으로부터 광 신호 본래의 스펙트럼 정보를 얻기 위해서 L1 최소화 방법을 이용하는 디지털 신호 처리 기술을 개발했다.
제안된 방법은 분광계로부터 얻은 스펙트럼 정보를 디지털 신호 처리하여서 더 세밀한 스펙트럼 정보를 추출하게 된다.
수학적으로는 L1 최소화 방법을 이용하여 불충분 선형 방정식계 문제를 푸는 것으로 볼 수 있다.
분광계가 도달할 수 있는 해상도의 한계는 배열필터에서 필터의 개수에 의해 결정되는데, 본 논문에 소개된 방법은 해상도가 필터의 개수에 의해 정해진 한계치를 몇 배 뛰어넘을 수 있음을 보였다.
본 논문에 제안된 L1 최소화 접근 방법은 선형 방정식계를 푸는데 기존의 L2 최소화 방법보다 더 뛰어남을 보였다.
스펙트럼 정보가 희소하게 분포한다는 성질을 이용해서 고안된 L1 최소화 방법을 이용하여 새롭게 개발된 스펙트럼 복구 알고리즘은 소형 분광계를 사용하는 다양한 분야에 디지털 신호 처리 기술을 추가함으로써 손쉽게 적용될 전망이다.

<이흥노 교수>

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 광주과학기술원 정보통신학과 부교수
 
2. 학력
  ○ 1993 : B.S. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
  ○ 1995 :  M.S. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
  ○ 1999 :   Ph.D. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
 
3. 경력사항
○ 1999 ~ 2002 : HRL Laboratories, L.L.C., Research Staff
○ 2002 ~ 2008 : University of Pittsburgh, Assistant Professor
○ 2009 ~ 현재 : 광주과학기술원 정보통신공학부, 부교수

4. 주요연구업적
1.  R. Vinjamuri, M.Sun, C.C. Chang, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and Z.-H. Mao, "Temporal Postural Synergies of the Hand in Rapid Grasping Tasks, "IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, vol. 14, no. 4, pp.986-994, Jul. 2010.
2. R. Vinjamuri, M. Sun, C.-C. Chang, Heung-No Lee, R. J. Sclabassi, and Z.-H. Mao. "Dimensionality reduction in control and coordination of the human hand," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 57(2), pp.284-295, Feb. 2010.
3. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "A fast BER evaluation method for LDGM codes," Journal of the Frankilin Institute, vol. 347, issue. 7, pp. 1368-1373, 2010.
4. J. Zhang and Heung-No Lee, "Energy-Efficient Utility Maximization for Wireless Networks with/without Multipath Routing, "International Journal of Electronics and Communications, May. 2009. Volume 64, Issue 2, February 2010, Pages 99-111.
5. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "MB iterative decoding algorithm on systematic LDGM codes: Performance evaluation," Signal Processing, vol. 90, issue. 1, pp. 373-377, 2010
6. Mir H. Mahmood, C.C. Chang, Z.H. Mao and Heung-No Lee, "Throughput Behavior of Link Adaptive 802.11 DCF with MUD Capable Access Node," AEU International Journal of Electronics and Communications, July 2008. doi:10.1016/j.aeue.2009.10.007.
7. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "Majority Rule Based Iterative Decoding Algorithm for LDGM Codes," vol. 90, Issue 1, pp. 373-377, Signal Processing, Jan. 2010.
8. Heung-No Lee, J. Zhang, C.W. Choi, "General random coding bounds: AWGN channels to MIMO fading channels," Annals of Telecommunications, vol. 65, issue. 1, pp. 87-99, 2010
9. Z.-H. Mao, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and M. Sun, "Information Capacity of the Thumb and Index Finger in Communication," IEEE Trans. Biomedical Engineering, Vol. 56, No. 5, pp. 1535-1546, May. 2009.
10. R. Vinjamuri, D.J. Crammond, D. Kondziolka, Heung-No Lee, and Zhi-Hong Mao, "Extraction of Sources of Tremor in Hand Movements of Patients with Movement Disorders," vol. 13, no.1, pp. 49-56, IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, Jan. 2009.
11. Heung-No Lee, J. Zhang, and C.W. Choi, "Random coding bounds for MIMO channels," Annals of Telecommunication, Dec. 23rd, 2008.
12. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analyses on LDPC coded system over quasi-static (MIMO) fading system," IEEE Trans. on Communications, vol. 56, issue 12, pp. 2080-2093, Dec. 2008.
13. X. Song and Heung-No Lee, "Multimode Precoding for MIMO Systems Performance Bounds and Limited Feedback Codebook Design," IEEE Trans. on Signal Processing, vol. 56, no. 10, pp. 5296-5301, Oct. 2008.
14. J. Zhang and Heung-No Lee, "Throughput Enhancement with a Modified 802.11 MAC Protocol with Multi-User Detection Support," International Journal of Electronics and Communications, vol. 62, issue 5, pp. 365-373, May, 2008.
15. Cheng-Chun Chang and Heung-No Lee, "A Fast Simulation Method for LDGM Codes," Journal of the Franklin Institute, May 2008.
16. C.C. Chang and Heung-No Lee, "On the Estimation of Target Spectrum for Filter-Array Based Spectrometers," Optics Express, vol. 16, no. 2, pp. 1056-61, Jan. 2008.
17. J. Wu and Heung-No Lee, "Performance analysis for LDPC coded modulation in MIMO multi-access Systems," IEEE Trans. on Communications, vol. 55, no. 7, pp.1417-1426, July, 2007.
18. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analysis of LDPC-Coded Space-Time Modulation over MIMO Fading Channels," IEEE Communications Letters, vol. 11, Issue 3, pp. 234 ? 236,   March 2007.
19. J. Zhang and Heung-No Lee, "A Performance bound on random-coded MIMO systems," IEEE Communications Letters, vol.10, no.3, pp.168-170, March, 2006.
20. J. Zhang and Heung-No Lee, "Union bounds on LDPC coded modulation systems over fast fading MIMO channels," vol. 9, no.9, pp. 796-798, IEEE Communications Letters, Sept.  2005.
21. Heung-No Lee and X. Hu, "Robust Iterative tree-pruning detection and LDPCC decoding," IEEE Journal of Selected Areas on Communications, vol. 23, no.5, pp. 1013-1025, May 2005.
22. Heung-No Lee and G. J. Pottie, "Fast adaptive equalization/diversity combining for time varying dispersive channels", IEEE Transactions on Communications, vol. 46, no. 9, pp 1146-1162, Sept. 1998.


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