초박형 라이트필드 카메라로 획득한 석고 몸통 조각상의 3차원 재구성 영상.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 고해상도 4D 영상 구현이 가능한 초박형 라이트필드 카메라를 개발했다고 4일 밝혔다.

라이트필드 카메라는 곤충의 시각 구조에서 발견되는 형태에 착안해 미세렌즈와 대물렌즈를 결합한 진보된 형태의 카메라다. 한 번의 2차원 촬영으로 빛의 공간 뿐만 아니라 방향까지 4차원 정보를 동시에 획득한다. 그러나 기존 라이트필드 카메라는 미세렌즈 배열의 광학 크로스토크로 인한 해상도 저하와 대물렌즈의 위치로 인한 크기의 한계가 존재한다.

연구팀이 개발한 4D 카메라는 나노 두께의 광 흡수 구조를 미세렌즈 배열(Microlens arrays) 사이에 삽입해 대비도 및 해상도를 높였으며, 기존 카메라가 가지는 외부 광원, 추가 센서 부착의 한계를 극복할 수 있다. 이러한 특징을 이용해 의료영상, 생체인식, 모바일 카메라 또는 다양한 가상‧증강현실 카메라 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.

연구팀은 미세렌즈 배열의 광학 크로스토크를 제거하기 위해 200나노미터(nm) 두께 수준의 금속-유전체-금속 박막으로 이루어진 광 흡수층을 렌즈 사이에 배치하고, 대물렌즈와 미세렌즈 사이의 간격을 일정 수준으로 줄여 초박형 라이트필드 카메라를 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 광 흡수 구조를 갖는 미세렌즈 배열을 포토리소그래피, 리프트 오프, 열 재유동 공정을 통해 양산 제작했다. 또한 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. 이는 현재까지 개발된 라이트필드 카메라 중 가장 얇은 두께다.

MEMS 공정을 통해 제작된 미세렌즈 배열의 단면 현미경 영상과 미세배열 렌즈 사진 최종 제작된 라이트필드 카메라 사진.[KAIST 제공]

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 확인했다.

정기훈 교수는 “초박형이면서 고해상도의 라이트필드 카메라를 제작하는 새로운 방법을 제시했다”면서 “이 카메라는 생체인식, 의료 내시경, 휴대폰 카메라와 같이 다시점, 재초점을 요구하는 초소형 영상장치로 통합돼 초소형 4D 카메라의 새로운 플랫폼으로 활용될 것ˮ이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈’ 1월 20일자에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com