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곤충 눈 닮은 카메라 렌즈 '해상도 높고, 동전 절반 두께'

KAIST, 정기훈 교수 연구팀 '고해상도 곤충 눈 구조 초박형 카메라' 개발
감시와 정찰장비, 의료영상 기기 등 소형 카메라 적용 기대
사진 위 왼쪽 제노스 페키의 시각 구조. 위 오른쪽 곤충 눈 모사 초박형 카메라 구조. 사진 아래 곤충 눈 모사 초박형 카메라 모식도.<사진= KAIST>  사진 위 왼쪽 제노스 페키의 시각 구조. 위 오른쪽 곤충 눈 모사 초박형 카메라 구조. 사진 아래 곤충 눈 모사 초박형 카메라 모식도.<사진= KAIST>

곤충의 겹눈 구조는 넓은 시야각, 빠른 움직임과 민감도, 무한 초점 등 특별한 시각적 특성을 갖는다. 동시에 작은 초점거리로 작은 부피의 시각 구조를 유지 할 수 있다. 그 중 제노스 페키(Xenos peckii) 곤충은 일반적인 곤충눈 구조와 달리 하나의 렌즈에 수백 개의 광수용체를 갖고 있어 각 렌즈 마다 개별 영상을 얻을 수 있는 강점이 있다.

국내 연구진이 제노스 페키의 눈을 모방해 10원짜리 동전 절반의 두께를 가지면서 해상도는 높은 초박형 어레이드 카메라는 개발했다. 상용 카메라보다 더 얇은 렌즈 두께와 넓은 광시야각을 가져 감시와 정찰장비, 의료영상 기기 등 소형 카메라가 필요한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.

KAIST(총장 신성철)는 정기훈 바이오 및 뇌공학과 교수 연구팀이 고해상도 이미징을 위한 곤충 눈 구조의 초박형 카메라를 개발했다고 23일 밝혔다.

기존 카메라는 물체의 상이 일그러지거나 흐려지는 현상인 수차를 줄이기 위해 다층 렌즈 구조를 활용하기 때문에 렌즈 두께를 줄이는데 한계가 있다. 또 기존의 곤충 눈을 모사한 미세렌즈 배열(Microlens arrays)은 렌즈 사이의 광학 크로스토크(Optical crosstalk, 렌즈를 통과한 빛이 다른 렌즈로부터 들어온 빛과 겹쳐 생기는 현상으로 영상이 중첩돼 촬영)로 해상도가 낮아지는 단점이 있다.

연구팀은 문제를 해결하기 위해 제노스 페키 곤충의 시각 구조를 모사한 렌즈를 제작했다. 이를 이미지 센서와 결합해 초박형 카메라를 개발했다.

곤충의 눈은 렌즈와 렌즈 사이의 빛을 차단하는 색소세포가 존재해 각 렌즈에서 결상(어떤 물체에서 나온 광선 등의 반사 굴절한 다음 다시 모여 물체와 닮은꼴의 상을 만드는 현상)되는 영상들 간의 간섭을 만들게 된다. 이런 구조는 렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 막아 고대비와 고해상도 영상을 획득하는데 도움을 준다.

연구팀은 양산 가능한 미세전자제어기술(MEMS) 공정 방법인 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 얇게 제작해 렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 효율적으로 차단했다. 렌즈 두께를 최소화하기 위해 렌즈의 방향을 이미지 센서 방향인 역방향으로 배치했다. 연구팀이 개발한 카메라 렌즈의 두께는 0.7mm로 10원짜리 동전의 절반 정도다.

해상도를 위해 연구팀은 카메라 원거리에 있는 물체를 같은 모든 렌즈에서 같은 시야각으로 영상을 획득했다. 이어 영상들을 해상도 하나의 이미지로 합성했다. 해상도를 확인한 결과 단일 채널 영상보다 향상됐음을 확인했다.

정기훈 교수는 "실질적으로 상용화 가능한 초박형 카메라를 제작하는 방법을 개발했다"면서 "이 카메라는 영상 획득이 필요한 장치에 통합돼 장치 소형화에 기여 할 것으로 확신한다"고 말했다.

김기수 박사과정이 주도한 이번 연구결과는 국제 학술지 '빛 : 과학과 응용 (Light : Science & Applications)' 온라인 판에 지난달 27일 게재됐다.

사진 왼쪽 초박형 어레이드 카메라를 통해 얻은 배열 영상. 오른쪽 배열 영상을 통해 통합한 합성 영상.<사진= KAIST>사진 왼쪽 초박형 어레이드 카메라를 통해 얻은 배열 영상. 오른쪽 배열 영상을 통해 통합한 합성 영상.<사진= KAIST>
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