포스텍, 진흙도 사라지는 ‘투시 메타렌즈’ 개발…자율주행·의료 AI 성능 2배↑

빛의 '깊이-파장 대칭성' 수식으로 풀어내고 인공지능 영상 복원 기술 결합
드론·자율주행차·내시경 등 손 닿지 않는 극한 환경의 카메라 시야 확보 기대

▲포스텍 전경 (포스텍)

카메라 렌즈에 진흙이나 빗방울이 튀어도 손으로 닦을 필요 없이, 장애물을 알아서 지워내고 그 너머의 풍경만 선명하게 담아내는 첨단 '투시 렌즈'가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

포스텍(POSTECH)컴퓨터공학과 백승환 교수, 통합과정 윤승우 씨, 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 강도현 씨 연구팀은 인공지능대학원 곽수하 교수 연구팀, 미국 워싱턴대 아르카 마줌다르 교수, UNIST 최민호 교수 연구팀과 공동으로 이 같은 광대역 메타렌즈를 개발했다고 밝혔다. 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 실렸다.

드론, 로봇, 내시경 카메라 등 사람이 직접 닦기 힘든 장비의 렌즈에 먼지나 물방울이 묻으면 화질이 떨어질 뿐만 아니라, 영상을 판독하는 인공지능의 정확도까지 심각하게 낮아진다. 지금까지는 여러 개의 렌즈를 겹쳐 서로 다른 각도의 영상을 합성하는 방식을 썼으나, 장치가 커지고 무거워져 소형화에 한계가 있었다.

연구팀은 빛의 파장보다 작은 나노 구조물을 평평한 판 위에 새겨 빛을 자유자재로 조절하는 메타렌즈에 주목했다. 하지만 메타렌즈는 얇고 작아 소형 카메라에 제격이지만, 빛의 색(파장)이 바뀔 때와 물체의 거리가 바뀔 때 초점 이동 양상이 비슷해지는 '깊이-파장 대칭성' 때문에 먼 풍경과 가까운 장애물을 구분하는 데 기술적 난관이 있었다.

연구팀은 이 색과 거리 사이의 상관관계를 세계 최초로 수식화하는 데 성공했다. 이를 바탕으로 빨강·초록·파랑 각 색상의 빛이 통과하는 구간과 차단되는 구간을 정밀하게 설계했다.

실제 실험 결과, 개발된 렌즈는 장애물이 가로막은 상황에서도 선명한 풀컬러 화질을 구현해 냈으며, 자율주행차·항공 촬영·의료용 내시경을 보조하는 인공지능의 분석 정확도도 크게 향상됐다. 연구팀은 소형 카메라 시제품을 선보이며 스마트폰 화면 밑에 카메라를 숨기는 '언더디스플레이 카메라(UDC)'를 비롯해 다양한 초소형 기기에 적용할 수 있음을 입증했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 및 정보통신기획평가원, 포스코,미국 국립과학재단 등의 지원을 받아 수행됐으며, 향후 홀로그램, 3D 영상, 초분광 이미징 기술 등에도 폭넓게 활용될 전망이다.