[뉴스프리존,대전=이기종 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 고해상도 이미징을 위한 곤충 눈 구조의 초박형 카메라를 개발했다고 23일 밝혔다.

초소형 영상용 카메라의 수요는 의료, 군사 등 다양한 산업 분야에서 지속적으로 급증하고 있다.

그러나 기존의 광학 시스템을 크기만 줄여 소형 이미징 시스템에 적용할 경우 분해능과 감도가 떨어지는 단점이 있다.

이를 해결할 수 있는 방법으로 자연계 존재하는 생체 시각 구조를 모방한 카메라 기술에 대한 관심이 매우 높아지고 있고 이에 최근 곤충 눈을 모사한 초소형 카메라 연구가 활발히 진행되고 있다.

이는 곤충이 가지고 있는 다양한 시각 구조는 기존의 광학 시스템의 광학적 기능보다 좋은 효율의 특성을 제공해 줄 수 있기 때문이다.

하지만 기존의 곤충 눈을 모사한 미세렌즈 배열(Microlens arrays)은 렌즈 사이의 광학 크로스토크(Optical crosstalk)로 인해 해상도가 저해되는 단점이 있고 복잡한 제작 방법으로 양산에 한계가 있어 실질적으로 사업화 가능한 카메라 개발이 필요한 실정이다.

이번 연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 제노스 페키(Xenos peckii) 곤충의 시각 구조를 모사한 렌즈를 제작했고 이를 이미지 센서와 결합해 초박형 카메라를 개발했다.

연구과정을 보면 기존에 연구해 오던 제노스 페키 곤충의 눈을 토대로 진행했다.

일반적으로 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 간의 간섭을 막는다.

이러한 구조는 렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 막아 고해상도 영상을 획득하는 데 도움을 준다.

이러한 광 차단 구조를 양산이 가능한 미세전자기계시스템(Microelectromechanical systems, MEMS) 방법인 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 매우 얇게 제작해 렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 효율적으로 차단했다.

이후 렌즈의 두께를 최소화하기 위해 렌즈의 방향을 이미지 센서 방향인 역방향으로 배치했으며 이를 통해 최종 개발된 카메라 렌즈의 두께는 0.74mm로 이는 10원짜리 동전 절반 정도의 두께이다. 

또 카메라의 원거리에 있는 물체를 모든 렌즈에서 같은 시야각을 통해 동일한 영상을 획득하고 이 배열 영상들은 해상도를 하나의 이미지로 합성했다.

이어 상용 소형 카메라와 개발된 초박형 어레이드 카메라의 성능을 비교하기 위해 동일한 물체를 촬영 후 이미지 해상도 평가 방법인 변조전달함수(modulation transfer function, MTF) 수치를 분석했다.

이 연구결과에 의하면 초박형 어레이드 카메라의 합성 영상은 아직 상용 카메라에 비해 다소 낮은 수치를 보였으나 두께(5.4배)나 시야각(75도 까지 넓어짐)에서 매우 큰 향상을 보였다.

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

김기수 박사과정이 주도한 연구결과는 국제 학술지 ‘빛 : 과학과 응용 (Light : Science & Applications)’에 2월 27일 게재됐다.