KAIST, 곤충 눈 구조 초박형 카메라 개발...소형화 기여

제노스 페키 눈 구조 모사...의료영상 기기 등 적용 기대

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

이 카메라는 독특한 시각 구조를 가진 '제노스 페키(Xenos peckii)'라는 곤충의 눈을 모사해 개발돼, 상용 카메라보다 더 얇은 렌즈 두께와 넓은 광시야각을 갖는다.

이런 특징을 이용해 모바일, 감시 및 정찰 장비, 의료영상 기기 등 다양한 소형 카메라가 필요한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.

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)

왼쪽부터 김기수 박사과정, 정기훈 교수.

최근 초소형 및 초박형 스마트 기기 개발로 소형화된 이미징 시스템 수요가 커지고 있다. 그러나 기존 카메라는 물체의 상이 일그러지거나 흐려지는 현상인 수차를 줄이기 위해 다층 렌즈 구조를 활용하기 때문에 렌즈 두께를 감소하는 데 한계가 있다. 또, 기존의 곤충 눈을 모사한 미세렌즈 배열(Microlens arrays)은 렌즈 사이의 광학 크로스토크(Optical crosstalk)로 해상도가 저해되는 단점이 있다.

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 결상(어떤 물체에서 나온 광선 등이 반사 굴절한 다음 다시 모여 그 물체와 닮은꼴의 상을 만드는 현상)되는 영상들 간 간섭을 막는다. 이런 구조는 렌즈 사이의 광학 크로스토크를 막아 고해상 영상을 획득하는 데 도움을 준다.

연구팀은 이러한 광 차단 구조를 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 매우 얇게 제작해 렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 효율적으로 차단했다. 렌즈 두께를 최소화하기 위해 렌즈 방향을 이미지 센서 방향인 역방향으로 배치했고, 이를 통해 최종 개발한 카메라 렌즈 두께는 0.74mm로 이는 10원짜리 동전 절반 정도 두께다.

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

정기훈 KAIST 교수는 "실질적으로 상용화 가능한 초박형 카메라를 제작하는 방법을 개발했다"며 "이 카메라는 영상획득이 필요한 장치에 통합돼 소형화에 크게 기여할 것으로 확신한다"고 말했다.

상용 소형 카메라와 초박형 카메라 비교 이미지.