농게 겹눈구조 생체모방…편평형 다중 마이크로렌즈 제작해 공 모양 디바이스에 집적
송영민·김대형 교수팀, 네이처 일렉트로닉스 논문 발표…“물에 담근 채 테스트 성공”
이미지 왜곡 없이 물속과 물 밖에서 360도 전방위로 사진과 영상 촬영이 가능한 초소형 수륙양용 카메라가 개발됐다. 기존 360도 카메라의 한계를 보완하고 가상현실(VR) 기기 등 다양한 영상 장비에 적용할 수 있을 전망이다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 송영민 전기전자컴퓨터공학부 교수팀이 김대형 서울대 화공생명공학부 교수팀과 공동으로 조석 변화에 따라 간조 시에는 수면 위로 노출되고 만조 시에는 수면 아래에 잠기는 농게 겹눈 구조를 생체 모방해 360도 전방위 촬영 가능한 초소형 수륙양용 카메라를 개발, 영상 테스트를 성공리 마쳤다고 12일 밝혔다.
현재 360도 카메라를 제작하기 위해 페이스북을 운영하는 메타 플랫폼, 열화상 카메라 및 센서 설계 전문기업 텔레다인 플리어 등 세계적 기업들이 연구·개발을 진행하고 있다. 하지만 기존 제품의 경우 이미지 왜곡에 대한 하드웨어의 한계를 극복하기 어렵고 각 카메라의 센서 정보를 연결하는 후처리가 필요하다는 단점이 있다.
통상 카메라에는 표면이 곡면인 렌즈가 사용되는데, 광 굴절 현상으로 인해 하나의 광학 시스템에서는 물속과 물 밖에서 동시에 영상을 처리하는 데 한계가 있다. 또한 넓은 화각을 갖는 광각 카메라의 경우 이미지 센서에 최대한 넓은 범위의 피사체 상이 맺히도록 하기 위해 렌즈 표면이 휘어진 정도가 심한 고 굴절 렌즈를 많이 사용하는데 이러한 렌즈 구성 때문에 렌즈의 중앙과 외각에서의 굴절 차이가 생겨 이미지 센서에 왜곡된 이미지가 투영된다.
연구팀은 편평형 마이크로렌즈를 이미지 센서와 결합하고 1개 마이크로렌즈와 1개 포토다이오드로 구성된 광학 시스템을 지름 약 2㎝ 공 모양의 구형 구조물 안에 200여개를 집적해 왜곡 없는 광각 카메라를 개발했다.
농게는 물속과 물 밖 환경에서 모두 시야를 확보할 수 있어야 한다. 이를 위해 농게의 렌즈는 표면이 편평하며 그 아래로 점진적인 굴절률의 변화하는 형태로 돼 있다. 또한 평평한 갯벌 지대에서 포식자를 효과적으로 식별하기 위해 농게의 눈은 전 방향으로 렌즈가 형성돼 있다.
연구팀은 200여개 포토다이오드를 구형으로 배치하고 각 포토다이오드에 편평형 마이크로렌즈를 배치해, 각각의 센서 정보를 연결하는 후처리 및 광학 렌즈에서 발생하는 왜곡 문제를 해결했다. 편평형 마이크로렌즈를 배치할 경우 낮아지는 굴절력을 향상하고 수차를 보정하기 위해 굴절률이 연속적으로 변하는 4개 렌즈로 구성된 구배형 마이크로렌즈를 제작했다.
그 결과 외부 환경과 무관하게 물속과 물 밖에서 영상 화질이 동일하게 유지되고 기존 광각 카메라보다 이미지 왜곡이 감소함을 이론과 실험으로 규명했다.
이번 연구 결과는 네이처 일렉트로닉스 온라인에 발표했다.
송영민 교수는 “연구실 단계에서 제작할 수 있는 포토다이오드와 마이크로렌즈 크기 제한과 렌즈 정렬의 한계를 개선하면 보다 높은 해상도와 성능을 가진 360도 카메라를 자율주행 자동차 비전 시스템이나 기존 360도 카메라에 적용할 수 있을 것”이라며 “앞으로 신개념 이미지 센서 및 카메라 개발을 통해 국내에서 상대적으로 취약한 시스템반도체 분야 연구를 주도할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업 및 이공분야 학문후속세대지원사업과 기초과학연구원(IBS)의 기초과학연구원외부연구단 및 GIST-MIT 공동연구 사업의 지원으로 이뤄졌다. 송 교수팀(제1 저자 장혁재 GIST 통합과정), 제1 저자 이길주 부산대 교수, 김대형 서울대 화공생명공학부 교수(제1 저자 이민철 서울대 박사)팀이 공동 진행했으며 프레도 듀랑 미국 매사추세츠공과대 교수와 난슈 루 텍사스 주립대 교수 등이 공동 저자로 연구에 참여했다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
