해상도 높인 곤충 눈 구조 초박형 카메라
해상도 높인 곤충 눈 구조 초박형 카메라
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.24 18:15
  • 조회수 3612
  • 댓글 0
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요약

 

해상도 높인 곤충 눈 구조의 초박형 카메라가 개발됐습니다. 제노스 페키(Xenos peckii)라는 곤충의 눈를 모사했는데요. 하나의 렌즈에 수백 개의 광수용체를 가지고 있어 각 렌즈 마다 개별 영상을 획득 할 수 있으며 이 렌즈들은 색소 조직(Pigmented cup)으로 구분돼 있는 특별한 시각적 특성을 띱니다. 

Xenos peckii 의 Scanning electron micrograph (SEM) 영상과 형광 염색된 Xenos peckii의 시각구조. 출처: KAIST
제노스 페기(Xenos peckii) 의 Scanning electron micrograph (SEM) 영상과 형광 염색된 Xenos peckii의 시각구조. 출처: KAIST

KAIST 바이오 및 뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 고해상도 이미징을 위한 곤충 눈 구조의 초박형 카메라를 개발했습니다. 이 카메라는 독특한 시각 구조를 가진 제노스 페키(Xenos peckii)라는 곤충의 눈을 모사해 개발했습니다. 상용 카메라보다 더 얇은 렌즈 두께와 넓은 광시야각이 특징입니다. 이러한 특징을 이용해 모바일, 감시 및 정찰 장비, 의료영상 기기 등 다양한 소형 카메라가 필요한 분야에 적용 가능할 것으로 기대됩니다. 이번 연구는 <Light : Science & Applications>에 게재됐습니다.

(상-좌) Xenos peckii 의 시각 구조 (상-우) 곤충 눈 모사 초박형. 출처: KAIST
(상-좌) Xenos peckii 의 시각 구조 (상-우) 곤충 눈 모사 초박형. 출처: KAIST

최근 초소형 및 초박형 스마트 기기의 개발로 소형화된 이미징 시스템의 수요가 커지고 있습니다. 그러나 기존의 카메라는 물체의 상이 일그러지거나 흐려지는 현상인 수차를 줄이기 위해 다층 렌즈 구조를 활용하기 때문에 렌즈 두께를 감소하는 데 한계가 있습니다. 또한, 기존의 곤충 눈을 모사한 미세렌즈 배열(Microlens arrays)은 렌즈 사이의 광학 크로스토크(Optical crosstalk)로 인해 해상도가 저해되는 단점이 존재합니다.

 

곤충의 눈 모사했다

 

연구팀은 문제 해결을 위해 제노스 페키 곤충의 시각 구조를 모사한 렌즈를 제작했고 이를 이미지 센서와 결합해 초박형 카메라를 개발했습니다. 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 막습니다. 이러한 구조는 렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 막아 고 대비 및 고해상도 영상을 획득하는 데 도움을 줍니다.

(좌) MEMS 공정을 통해 제작된 마이크로렌즈 어레이 현미경 영상 (우) 최종 제작된 초박형 어레이드 카메라 사진.출처: KAIST
(좌) MEMS 공정을 통해 제작된 마이크로렌즈 어레이 현미경 영상 (우) 최종 제작된 초박형 어레이드 카메라 사진. 출처: KAIST

연구팀은 이러한 광 차단 구조를 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 매우 얇게 제작해 렌즈들 사이의 광학 크로스토크를 효율적으로 차단했습니다. 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 두께입니다. 

(좌) 초박형 어레이드 카메라를 통해 얻은 배열 영상. (우) 배열 영상을 통하여 통합한 합성 영상. 출처: KAIST
(좌) 초박형 어레이드 카메라를 통해 얻은 배열 영상. (우) 배열 영상을 통하여 통합한 합성 영상. 출처: KAIST

연구팀은 카메라의 원거리에 있는 물체를 모든 렌즈에서 같은 시야각을 통해 동일한 영상을 획득하고, 이 배열 영상들은 해상도를 하나의 이미지로 합성했습니다. 합성된 영상은 합성 전 단일 채널 영상보다 향상된 해상도를 나타냅니다.

(좌) 상용 소형 카메라와 초박형 카메라 비교 사진, (중)상용 소형 카메라와 초박형 카메라를 통하여 획득한 연상 (우) 상용 소형 카메라와 초박형 카메라 영상의modulation transfer function (MTF) 비교그래프. 출처: KAIST
(좌) 상용 소형 카메라와 초박형 카메라 비교 사진, (중)상용 소형 카메라와 초박형 카메라를 통하여 획득한 연상 (우) 상용 소형 카메라와 초박형 카메라 영상의modulation transfer function (MTF) 비교 그래프. 출처: KAIST

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


##참고자료##

 

 

 

 



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