내시경ㆍ휴대폰 응용 가능한 초박형 ‘4D 카메라’ 개발

▲(왼쪽 위)MEMS 공정을 통해 제작된 미세렌즈 배열의 단면 현미경 영상, (오른쪽 위)이미지 센서와 역배열로 결합된 광 흡수층 미세배열 렌즈 사진, (아래 1, 2)최종 제작된 초박형 라이트필드 카메라 사진(크기 8.4 mm × 8.4 mm × 5.1 mm). (사진제공=한국과학기술원)

국내 연구진이 의료 내시경과 휴대폰 카메라 등에 응용이 가능한 초박형 4D 카메라를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 바이오및뇌공학과 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 발견되는 형태에 착안해 미세렌즈와 대물렌즈를 결합한 형태의 카메라다. 한 번의 2차원 촬영으로 빛의 공간뿐만 아니라 방향까지 4차원 정보를 동시에 획득한다. 다만 기존 라이트필드 카메라는 미세렌즈 배열의 광학 크로스토크(Optical crosstalk)로 인한 해상도 저하와 대물렌즈의 위치에 따른 크기의 한계가 존재한다.

연구팀이 개발한 ‘4D 카메라’는 나노 두께의 광 흡수 구조를 미세렌즈 배열(Microlens arrays) 사이에 삽입해 대비도 및 해상도를 높여 기존의 카메라가 가지는 외부 광원, 추가 센서 부착의 한계를 극복할 수 있다. 연구팀은 이러한 특징을 이용해 의료영상, 생체인식, 모바일 카메라 또는 다양한 가상현실ㆍ증강현실 카메라 분야에 적용 가능할 것으로 기대한다.

연구팀은 광 흡수 구조를 갖는 미세렌즈 배열을 포토리소그래피 (Photolithography), 리프트 오프(Lift-off), 열 재유동(Thermal reflow) 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 5.1mm의 두께를 갖는다. 현재까지 개발된 라이트필드 카메라 중 가장 얇은 두께다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)’에 1월 20일 자로 게재됐다.

▲(왼쪽)고대비 초박형 라이트필드 카메라로 획득한 7.5cm, 25cm에 위치한 석고 몸통 조각상의 3차원 재구성 영상 및 깊이 지도, (오른쪽)5cm, 13cm, 20cm에 위치한 검지, 엄지, 중지의 3차원 재구성 영상 및 깊이 지도. (사진제공=한국과학기술원)