[쿠키과학] '곤충 시각원리 모사' 초슬림 광각 카메라 개발

기생 곤충 분할 촬영원리 적용 140도 광시야 확보
머리카락 굵기 렌즈로 고해상도 영상 구현
타원체 렌즈+이중 조리개, 화면 왜곡 해결

곤충의 겹눈 시각 원리를 모사한 카메라 구조 개념도와 제작된 초박형 카메라 사진. 여러 개의 마이크로렌즈가 서로 다른 방향의 장면을 나누어 촬영하고, 이를 디지털 영상 결합 과정을 통해 하나의 영상으로 재구성한다. 렌즈마다 서로다른 공간 오프셋을 가진 이중층 조리개와 타원체 마이크로렌즈 설계를 적용해 넓은 시야에서도 초점을 유지하도록 했다. 제작된 카메라는 총 광학 길이 0.94 mm의 두께를 가지며, 동전과 비교해 매우 얇은 초소형 구조임을 확인할 수 있다. KAIST

KAIST가 곤충의 시각을 모사해 고해상도와 광시야를 동시에 실현한 초슬림 카메라를 개발했다.

이 기술은 카메라 성능 향상을 위해 장치 크기를 키워야 했던 기존 설계 패러다임을 바꿔 스마트폰과 내시경 장비 두께 감소에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

KAIST 바이오및뇌공학과 정기훈 교수팀과 전산학부 김민혁 교수팀은 곤충의 시각 원리를 적용해 두께 1mm 미만 초박형 고해상도 카메라를 개발했다. 

이 카메라는 머리카락 굵기 수준인 0.94mm 초박형이면서도 사람 시야를 뛰어넘는 140도 대각 시야각을 확보했다.

기존 광각 카메라는 시야각을 넓히려면 다수 렌즈를 겹쳐야  장치의 두께가 증가하는 문제가 있었다.

이에 연구팀은 기생 곤충 ‘제노스 페키’의 시각 구조에 주목했다. 

일반 곤충의 겹눈은 넓은 시야를 갖지만 해상도가 낮고, 단일렌즈 기반 카메라는 해상도는 높지만 시야가 제한적이다. 

반면 제노스 페키는 여러 눈이 장면을 부분 이미지 단위로 나눠 촬영해 이를 하나로 결합해 고해상도 영상을 완성하는 방식을 갖는다.

연구팀은 이 같은 분할 촬영 및 통합 원리를 카메라 구조에 도입했다. 

수십 개 미세 렌즈를 이미지센서에 배열한 마이크로렌즈 어레이 구조를 설계하고, 각 렌즈 앞 이중 층 조리개 위치를 미세하게 어긋나게 배치해 렌즈마다 받아들이는 빛 방향을 구분했다. 

이를 통해 카메라 하나로 넓은 장면을 여러 영역으로 나눠 촬영했다.

연구팀은 광각 촬영 시 발생하는 광학 수차 문제를 정교한 렌즈 설계로 해결했다.

이를 통해 화면 중심은 선명하지만 가장자리로 갈수록 초점이 어긋나는 상면만곡 현상과 빛 방향에 따라 초점 위치가 달라져 선이 번져 보이는 비점수차를 억제했다.

아울러 렌즈를 일반적 구면이 아닌 타원체 형태로 제작하고 시야 위치마다 렌즈 곡률과 조리개 배치를 다르게 설계해 화면 전반에서 균일한 선명도를 유지토록 했다.

마이크로렌즈 배열로 촬영된 부분 영상들을 결합해 하나의 장면으로 재구성한 결과. 서로 다른 시야 방향에서 얻어진 이미지들이 정합 과정을 거쳐 하나의 광시야 영상으로 통합되며, 평균 약 1.1픽셀 수준의 정합 오차로 정확한 장면 복원이 가능함을 보였다. KAIST

근거리에 미세유체 채널 (피사체와의 거리: 20 mm), 구강 모형 (30 mm), 인체 얼굴 (50 mm) 등 실제 대상을 촬영한 결과. 좁은 공간에서도 넓은 영역을 한 번에 관찰할 수 있으며, 시야 위치가 변해도 화면 전반에서 균일한 선명도를 유지함을 확인했다. KAIST

이렇게 촬영한 다중 영상은 디지털 보정과 영상 정합 과정을 거쳐 하나의 광시야 영상으로 재구성할 수 있다.

이 기술은 좁은 부위를 정밀하게 관찰해야 하는 의료용 내시경, 미세 로봇, 웨어러블 헬스케어 장비 등의 영상정보 획득 효율을 높일 것으로 기대된다.

연구팀은 이 기술은 광학영상 전문기업 마이크로픽스에 이전하고, 내년 상용화를 목표로 후속연구를 진행 중이다.

정 교수는 "기존 광각 카메라는 크기를 줄이면 해상도가 떨어지고 해상도를 높이면 장치가 커지는 한계가 있었다"며 "이번 연구는 자연계 시각 원리를 적용해 초소형 구조에서도 넓은 시야와 안정적인 영상 품질을 동시에 확보해 공간이 제약되는 환경에서도 활용할 수 있다“고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 권재명 박사과정이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 23일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
(논문명: Biologically inspired microlens array camera for high-resolution wide field-of-view imaging)

(왼쪽부터)차영길 박사과정, 김현경 박사과정, 권재명 박사과정, 정기훈 교수. KAIST

이재형 기자 jh@kukinews.com