KAIST, 5.5mm 두께 초박형 '4D 카메라' 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 해상도를 높이면서 두께를 얇게 만든 4D 카메라를 선보였다. 개발한 카메라는 생체인식, 의료 내시경, 가상현실 및 증강현실 카메라 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모은다.

한국과학기술원(KAIST)은 정기훈 바이오뇌공학과 교수 연구팀이 금속 나노 광 흡수층을 통해 고해상도 4D 영상 구현이 가능한 초박형 라이트필드 카메라를 개발했다고 4일 밝혔다.

라이트필드 카메라는 곤충의 시각 구조에서 발견되는 형태에 착안해 미세렌즈와 대물렌즈를 결합한 카메라다. 한 번의 2차원 촬영으로 빛의 공간뿐만 아니라 방향까지 4차원 정보를 동시에 획득할 수 있다.

기존 라이트필드 카메라는 광학 크로스토크(Optical crosstalk)로 인해 해상도가 저하되고, 대물렌즈 위치로 인해 크기에 한계가 있었다. 광학 크로스토크는 통신회선의 전기 신호가 다른 통신회선과 전자기적으로 결합해 혼선을 일으키는 통신 용어이다. 광학에서는 한 렌즈를 통과한 빛이 다른 렌즈로부터 들어온 빛과 겹쳐 생기는 현상으로 영상이 중첩되어 촬영되는 것을 뜻한다.

연구팀은 미세렌즈 배열의 광학 크로스토크를 제거하기 위해 200나노미터 두께 수준의 금속·유전체·금속 박막으로 이뤄진 광 흡수층을 렌즈 사이에 배치하고, 대물렌즈와 미세렌즈 사이의 간격을 일정 수준으로 줄여 초박형 라이트필드 카메라를 개발했다.

광 흡수 구조를 갖는 미세렌즈 배열을 포토리소그래피, 리프트 오프, 열 재유동 공정을 통해 양산 제작했다. 라이트필드 카메라의 전체 두께를 최소화하기 위해 미세렌즈의 방향을 이미지센서 방향의 역방향으로 배치하고 대물렌즈와 미세렌즈 사이 거리를 2.1mm 수준으로 줄여, 전체 두께를 5.1mm로 만들었다. 지금까지 개발된 라이트필드 카메라 중 가장 두께가 얇다.

나노 광 흡수 구조를 갖는 미세렌즈에 의해 이미지센서에 기록되는 원시 영상은 기존 미세렌즈를 통한 영상에 비해 높은 대비도와 해상도를 지닌다. 연구팀은 이를 영상처리 기법을 통해 시점 영상 및 3차원 영상으로 재구성했을 때 향상된 정확도를 확인했다.

정기훈 교수는 “초박형이면서 고해상도의 라이트필드 카메라를 제작하는 새로운 방법을 제시했다”며 “이 카메라는 생체인식, 의료 내시경, 휴대폰 카메라와 같이 다시점, 재초점을 요구하는 초소형 영상장치로 통합돼 초소형 4D 카메라의 새로운 플랫폼으로 활용될 것”이라고 했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)’에 지난달 20일자에 게재됐다.

MEMS 공정을 통해 제작된 미세렌즈 배열의 단면 현미경 영상, 이미지 센서와 역배열로 결합된 광 흡수층 미세배열 렌즈, 최종 제작된 초박형 라이트필드 카메라.(사진=한국과학기술원)