물 속·물 밖에서 똑같이 선명한 초소형 카메라 개발

美 MIT-텍사스주립대, 韓 GIST-서울대-부산대 연구팀
농게의 겹눈 구조에 착안..마이크로렌즈, 이미지센서 결합
자율주행차의 '눈' 비전시스템에 적용도 기대

물 속, 물 밖 모두 볼 수 있는 농게 - 연구진은 농게의 눈에서 착안해 전천후 수륙양용 초소형 카메라를 만들었다.GIST 제공

자율주행차는 다양한 장치를 이용해 각종 상황에 신속하게 대처하는 것이 중요하다. 현재 쓰이고 있는 자율주행차의 ‘눈’인 카메라 시스템은 악천후 상황에서는 이미지 왜곡이 발생하거나 상황 감지가 늦다는 문제가 있다.

이 같은 상황에서 미국 매사추세츠공과대(MIT), 텍사스주립대, 한국 광주과학기술원(GIST), 서울대, 부산대 공동 연구팀은 물 속과 물 밖에서 모두 이미지 왜곡 없이 360도 전방위로 사진과 영상 촬영이 가능한 초소형 수륙양용 카메라를 개발했다. 이 기술을 자율주행차에 활용하면 장대비가 내리는 악천후를 비롯한 여러 돌발 상황에서도 기민하게 대처할 수 있게 된다. 이번 연구 결과는 전기전자공학 분야 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스’ 7월 12일자에 실렸다.

일반적으로 카메라 렌즈는 곡면으로 돼 있어 광(光) 굴절 현상이 나타난다. 광 굴절은 렌즈의 곡면 때문에 빛의 경로가 바뀌어 외부 물체 형태가 이미지 센서에 맺히는 위치가 바뀌는 것을 것을 말한다. 이 때문에 물 속과 물 밖에서 모두 사용할 수 있는 카메라를 만들기가 쉽지 않다.

또 광각 카메라는 이미지 센서에 최대한 넓은 범위의 피사체 상이 맺히도록 하기 위해 렌즈 표면 곡률이 큰 고굴절 렌즈를 쓴다. 이 때문에 실제 형태와는 다른 왜곡된 이미지가 만들어지는 경우가 많다.

연구팀은 농게의 겹눈 구조에 착안했다. 농게는 물 속과 물 밖 환경이 수시로 바뀌는 지역에서 주로 서식하기 때문에 이 두 환경 모두에서 제대로 된 시야 확보가 필요하다. 이 때문에 농게 눈 표면이 편평하고 그 아래쪽에 굴절률이 점진적으로 변하는 형태로 돼 있다. 연구팀은 이를 위해 편평형 마이크로렌즈를 이미지 센서와 결합해 1개의 마이크로렌즈와 1개의 포토다이오드로 구성된 광학시스템 약 200개를 지름 2㎝ 정도의 구형 구조물 안에 넣은 광각 카메라를 개발했다.

또 편평형 마이크로렌즈의 약점인 낮은 굴절력을 높이고 수차 보정을 위해 굴절률이 연속적으로 변하는 4개의 렌즈로 구성된 구배형 마이크로렌지를 만들어 장착했다. 이를 통해 외부 환경과 무관하게 물 속, 물 밖 영상 화질이 동일하고 기존 광각 카메라보다 이미지 왜곡이 덜하는 렌즈를 제작하는데 성공했다.

연구에 참여한 국내 과학자들 - (왼쪽부터) 이민철 박사(서울대), 김대형 교수(서울대), 송영민 교수(GIST), 장혁재 연구원(GIST), 이길주 교수(부산대)

연구를 이끈 송영민 GIST 전기전자컴퓨터공학부 교수는 “이번에 개발한 수륙양용 전천후 초소형 카메라는 마이크로렌즈와 포토다이오드를 공 모양 디바이스에 모아 만든 것으로 실제 영상 테스트에서도 성공했다는 점에 의미가 크다”며 “마이크로렌즈 크기와 렌즈 정렬 한계를 개선하면 보다 높은 해상도와 성능을 가진 360도 카메라를 만들어 자율주행차에도 적용할 수 있다”고 설명했다.

유용하 기자

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