KAIST, 해상도 높인 초박형 4D 카메라개발

KAIST(총장 신성철)는 바이오 및 뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 금속 나노 광 흡수층을 통해 고해상도 4D 영상 구현이 가능한 초박형 라이트필드 카메라를 개발했다고 4일 밝혔다.

'라이트필드 카메라'는 곤충의 시각 구조에서 착안해 미세렌즈와 대물렌즈를 결합한 진보된 형태 카메라다. 한 번의 2차원 촬영으로 빛의 공간 뿐 아니라 방향까지 4차원 정보를 동시에 획득한다고 KAIST는 설명했다. 기존 라이트필드 카메라는 미세렌즈 배열의 광학 크로스토크(Optical crosstalk)에 다른 해상도 저하와 대물렌즈 위치로 크기의 한계가 존재했다. 광학 크로스토크는 어떤 통신회선의 전기 신호가 다른 통신회선과 전자기적으로 결합해 혼선을 일으키는 통신 용어다. 광학에서는 한 렌즈를 통과한 빛이 다른 렌즈로부터 들어온 빛과 겹쳐 생기는 현상으로 영상이 중첩되어 촬영되는 것을 의미한다.

KIAST 연구팀이 개발한 '4D 카메라'는 나노 두께의 광 흡수 구조를 미세렌즈 배열(Microlens arrays) 사이에 삽입해 대비도 및 해상도를 높였고, 기존 카메라가 가지는 외부 광원, 추가 센서 부착 한계를 극복했다.

이런 특징을 이용해 의료영상, 생체인식, 모바일 카메라 또는 다양한 가상현실 및 증강현실 카메라 분야에 적용 가능하다고 KAIST는 설명했다. 연구팀은 미세렌즈 배열의 광학 크로스토크를 제거하기 위해 200나노미터 (nm) 두께 수준의 금속-유전체-금속 박막으로 이뤄진 광 흡수층을 렌즈 사이에 배치하고, 대물렌즈와 미세렌즈 사이의 간격을 일정 수준으로 줄여 초박형 라이트필드 카메라를 개발하는 데 성공했다.

높은 광학적 손실성과 낮은 분산성을 갖는 크로뮴(Cr) 금속과 높은 투과율을 갖는 유리층을 나노미터 두께로 적층한 구조(Cr–SiO2–Cr)는 가시광선 영역의 빛을 완전히 흡수할 수 있다. 나노 광 흡수층을 미세렌즈 배열 사이에 배치해 미세렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 제거하고 고 대비 및 고해상도 3차원 영상을 획득하는 데 도움을 준다.

연구팀은 광 흡수 구조를 갖는 미세렌즈 배열을 포토리소그래피 (Photolithography), 리프트 오프(Lift-off), 열 재유동(Thermal reflow) 공정을 통해 양산 제작했다. 또한, 라이트필드 카메라의 전체 두께를 최소화하기 위해 미세렌즈 방향을 이미지센서 방향의 역방향으로 배치하고 대물렌즈와 미세렌즈 사이 거리를 2.1mm 수준으로 줄여, 전체 5.1mm의 두께를 갖는다. 이는 현재까지 개발된 라이트필드 카메라 중 가장 얇은 두께다.

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

정기훈 KAIST 교수는 "초박형이면서 고해상도의 라이트필드 카메라를 제작하는 새로운 방법을 제시했다"며 "이 카메라는 생체인식, 의료 내시경, 휴대폰 카메라와 같이 다시점(Multi-view), 재초점(Refocusing)을 요구하는 초소형 영상장치로 통합, 초소형 4D 카메라의 새로운 플랫폼으로 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.