카메라 구조 (하) 곤충 눈 모사 초박형 카메라 모식도와 (상-좌) Xenos peckii 의 시각 구조 (상-우) 곤충 눈 모사 초박형

고해상도 이미징을 위한 곤충 눈 구조의 초박형 카메라가 개발됐다. 기존 상용 카메라보다 더 얇은 렌즈 두께와 넓은 광시야각을 제공해 모바일, 감시 및 정찰 장비, 의료영상 기기 등 소형 카메라가 필요한 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.

KAIST 바이오 및 뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 독특한 시각 구조로 제노스 페키(Xenos peckii)라는 곤충의 눈을 모사한 초박형 카메라를 개발했다.

광시야각 (Field of view): 광학계 혹은 촬영계에 의해 관측할 수 있는 범위. 각도의 단위로 나타낸다. 광학계에 있어서는 입사동의 중심이 관측창의 지름에 대해 맞서는 각도, 촬영 광학계에 있어서는 촬영 화면의 대각선이 촬영 렌즈의 절점과 이루는 각의 반이 되는 각도, 복사 측정 광학계에 있어서는 광축 밖에서의 수광 에너지가 광축상의 수광 에너지의 반이 되는 각도에서 정의된다.

(좌) MEMS 공정을 통해 제작된 마이크로렌즈 어레이 현미경 영상 (우) 최종 제작된 초박형 어레이드 카메라 사진.

최근 초소형 및 초박형 스마트 기기의 개발로 소형화된 이미징 시스템의 수요가 커지고 있다. 그러나 기존의 카메라는 물체의 상이 일그러지거나 흐려지는 현상인 수차를 줄이기 위해 다층 렌즈 구조를 활용하기 때문에 렌즈 두께를 감소하는 데 한계가 있다.

또한, 기존의 곤충 눈을 모사한 미세렌즈 배열(Microlens arrays)은 렌즈 사이의 광학 크로스토크(Optical crosstalk)로 인해 해상도가 낮은 단점이 있다.

광학 크로스토크 (Optical Crosstalk) : 크로스토크는 대개 어떤 통신회선의 전기 신호가 다른 통신 회선과 전자기적으로 결합하여 통신 시스템 상의 혼선을 일으키는 현상인데 광학에서는 복수의 렌즈 어레이를 통해 영상을 획득하는 경우 한 렌즈를 통과한 빛이 다른 렌즈로부터 들어온 빛과 겹쳐 생기는 현상으로 영상이 중첩되어 촬영되는 것을 의미한다.

연구팀은 문제 해결을 위해 제노스 페키 곤충의 시각 구조를 모사한 렌즈를 제작했고 이를 이미지 센서와 결합해 초박형 카메라를 개발했다.

곤충의 눈은 렌즈와 렌즈 사이의 빛을 차단하는 색소 세포(pigment cells)가 존재해 각 렌즈에서 결상되는 영상들 간의 간섭을 막는다. 이러한 구조는 렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 막아 고 대비 및 고해상도 영상을 획득하는 데 도움을 준다.

결상 (Image Formation) : 물체로부터 나온 광선이 렌즈에 의하여 굴절 한 다음 다시 모여서 그 물체와 닮은 형태의 상(像)을 만드는 일.

(좌) 초박형 어레이드 카메라를 통해 얻은 배열 영상. (우) 배열 영상을 통하여 통합한 합성 영상.

연구팀은 이러한 광 차단 구조를 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 매우 얇게 제작해 렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 효율적으로 차단했다.

렌즈의 두께를 최소화하기 위해 렌즈의 방향을 이미지 센서 방향인 역방향으로 배치했으며, 이를 통해 최종 개발된 카메라 렌즈의 두께는 0.74mm로 이는 10원짜리 동전 절반 정도의 두께이다.

연구팀은 카메라의 원거리에 있는 물체를 모든 렌즈에서 같은 시야각을 통해 동일한 영상을 획득하고, 이 배열 영상들은 해상도를 하나의 이미지로 합성했다. 합성된 영상은 합성 전 단일 채널 영상보다 향상된 해상도를 가짐을 확인했다.

(좌) 상용 소형 카메라와 초박형 카메라 비교 사진, (중)상용 소형 카메라와 초박형 카메라를 통하여 획득한 연상 (우) 상용 소형 카메라와 초박형 카메라 영상의modulation transfer function (MTF) 비교그래프.

정기훈 교수는 “실질적으로 상용화 가능한 초박형 카메라를 제작하는 방법을 개발했다”라며 “이 카메라는 영상획득이 필요한 장치에 통합돼 장치 소형화에 크게 기여할 것으로 확신한다”라고 말했다.

김기수 박사과정이 주도한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘빛 : 과학과 응용 (Light : Science & Applications)’ 2월 27일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: 고대비 고해상도 이미징을 위한 생체모사 초박형 카메라, Biologically Inspired Ultrathin Arrayed Camera for High Contrast and High Resolution Imaging)

박경일     kips1214@naver.com