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  • 기사등록 2021-02-04 13:00:04
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▲ KAIST 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 금속 나노 광 흡수층을 통해 고해상도 4D 영상 구현이 가능한 초박형 라이트필드 카메라를 개발했다. (왼쪽부터) KAIST 바이오및뇌공학과 정기훈 교수, 배상인 박사과정



[기계신문] 3차원 영상은 현실 세계를 직관적으로 표현하는 기술로서, 의료, 생체인식, 군사, 휴대폰 카메라 분야에서 지속적인 발전이 이루어지고 있다. 기존의 3차원 카메라는 외부 광원 또는 2대 이상의 카메라가 필요하여 소형화에 여전히 한계가 있다.


그런데 최근 KAIST 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 금속 나노 광 흡수층을 통해 고해상도 4D 영상 구현이 가능한 초박형 라이트필드 카메라를 개발했다.



▲ (좌) 고대비 초박형 라이트필드 카메라 및 광흡수층을 갖는 미세렌즈의 모식도 (우-하) 금속-유전체-금속 나노 박막의 가시광선 영역에서의 전기장 분포도



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


이때 광학 크로스토크(Optical Crosstalk)는 어떤 통신회선의 전기 신호가 다른 통신회선과 전자기적으로 결합해 혼선을 일으키는 통신 용어를 크로스토크라고 하며, 광학에서는 한 렌즈를 통과한 빛이 다른 렌즈로부터 들어온 빛과 겹쳐 생기는 현상으로 영상이 중첩되어 촬영되는 것을 의미한다.



▲ (좌-상) MEMS 공정을 통해 제작된 미세렌즈 배열의 단면 현미경 영상 (우-상) 이미지 센서와 역배열로 결합된 광 흡수층 미세배열 렌즈 사진 (하1, 2) 최종 제작된 초박형 라이트필드 카메라 사진 (전체 크기: 8.4 mm × 8.4 mm × 5.1 mm)



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


높은 광학적 손실성과 낮은 분산성을 갖는 크로뮴(Cr) 금속과 높은 투과율을 갖는 유리층을 나노미터 두께로 적층한 구조(Cr–SiO2–Cr)는 가시광선 영역의 빛을 완전히 흡수할 수 있다. 나노 광 흡수층을 미세렌즈 배열 사이에 배치해 미세렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 제거하고 고 대비 및 고해상도 3차원 영상을 획득하는 데 도움을 준다.



▲ (상) 광 흡수층 유무에 따른 서로 다른 위치의 숫자판의 원시 라이트필드 영상 (좌 – 고대비 초박형 라이트필드 카메라, 우 – 광 흡수층이 없는 라이트필드 카메라) (하) 각각의 원시 라이트필드 영상으로부터 영상처리를 통해 구현된 깊이 지도 (좌 – 고대비 초박형 라이트필드 카메라, 우 – 광 흡수층이 없는 라이트필드 카메라)



연구팀은 광 흡수 구조를 갖는 미세렌즈 배열을 포토리소그래피(Photolithography), 리프트 오프(Lift-off), 열 재유동(Thermal reflow) 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.


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”며 “이 카메라는 생체인식, 의료 내시경, 휴대폰 카메라와 같이 다시점(Multi-view), 재초점(Refocusing)을 요구하는 초소형 영상장치로 통합돼, 초소형 4D 카메라의 새로운 플랫폼으로 활용될 것”이라고 밝혔다.



▲ 고대비 초박형 라이트필드 카메라로 획득한 (좌) 7.5 cm, 25 cm 에 위치한 석고 몸통 조각상의 3차원 재구성 영상 및 깊이 지도, (우) 5 cm, 13 cm, 20 cm에 위치한 검지, 엄지, 중지의 3차원 재구성 영상 및 깊이 지도



제작된 고대비 초소형 라이트필드 카메라는 얼굴의 형태를 갖는 석고상의 눈, 코, 입을 충분히 구분하며, 서로 다른 위치의 손가락을 구분하고 제스쳐를 인지하여 3차원 재구성 영상으로 복원할 수 있다.


이번 연구의 초소형 라이트필드 카메라는 얼굴 인식 및 동작 인식 등 생체정보를 고해상도로 인식하는데 충분히 활용될 수 있으며, 뿐만 아니라 의료영상, 모바일 카메라 등 다양한 초소형 4D 카메라 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.


한편, KAIST 바이오및뇌공학과 배상인 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)’에 1월 20일자 게재됐다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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