폭 0.5mm 소금 알갱이 크기의 카메라를 개발

폭이 불과 0.5mm라는 소금 한 알 사이즈의 카메라를 미국의 프린스턴대학과 워싱턴대학의 공동연구팀이 개발했습니다. 이 초소형 카메라는 체적이 55만 배인 렌즈를 장착한 카메라와 동일한 화질의 사진을 촬영할 수 있습니다.

Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging | Nature Communications
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26443-0

Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging - Nature Communications

Researchers shrink camera to the size of a salt grain - Princeton University School of Engineering and Applied Science
https://engineering.princeton.edu/news/2021/11/29/researchers-shrink-camera-size-salt-grain

Researchers shrink camera to the size of a salt grain

이번에 발표된 신형 초소형 카메라는 'Metasurface(메타 표면)'라는 기술을 채용하고 있으며 에이즈바이러스(HIV)와 거의 같은 사이즈의 160만 개 극소 원주로 렌즈와 동등의 기능을 하도록 설계되었습니다. 이 원주는 하나하나 다른 형상을 가지며, 각 원주는 광안테나와 같이 기능하도록 기계학습 기반 알고리즘을 사용하여 형상이 최적화되어 있다고 합니다.

아래의 이미지는 종래의 초소형 카메라로 촬영된 사진(왼쪽)과 이번에 개발된 초소형 카메라로 촬영된 사진(오른쪽)을 나열한 것입니다. 종래의 초소형 카메라로 촬영된 사진은 시야각이 한정된 데다 상 자체도 흐릿해져 왜곡되며 색미도 붕괴되어 버렸지만, 이번에 개발된 초소형 카메라로 촬영된 사진은 일반적인 카메라로 촬영한 사진을 다소 열화시킨 정도입니다. 연구팀에 따르면 프레임의 끝 부분이 조금 흐릿한 점을 제외하면 체적이 55만 배인 렌즈를 사용한 카메라와 동등한 사진을 촬영할 수 있다고 합니다.

이번 카메라는 광학면의 설계와 화상을 생성하는 신호 알고리즘의 설계를 통합적으로 처리한 점이 혁신적이라며, 종래의 메타 표면 카메라는 품질을 위해 광량 등을 인공적으로 정돈한 이상적인 환경이 필요했지만, 이번 메타 표면 카메라는 자연광의 환경 아래에서도 퍼포먼스를 발휘할 수 있다는 것. 연구팀은 이 초소형 카메라를 내시경 검사나 뇌이미징에 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 이 카메라 여러 대를 물체 표면에 분산배치함으로써 새로운 형태의 촬영이 가능해진다고 설명합니다.

이번 연구에 참여한 프린스턴대학의 Ethan Tseng 씨는 “이 작은 구조를 설계하고 실제로 구축해 원하는 대로 성능을 내는 작업은 매우 어려웠습니다. 고시야각 RGB 이미지를 촬영하는 특수한 태스크를 위해 수백만의 나노구조를 알고리즘으로 설계한다는 기법은 지금까지 행해진 적이 없다”고 설명합니다. 마찬가지로 연구에 참가한 워싱턴대학의 Shane Colburn 씨는 다른 형상의 나노 안테나 구조를 자동으로 테스트하는 시뮬레이터를 작성할 때, 메타 표면으로 생성되는 화상을 고정밀도로 근사한 화상을 출력하는 모델을 개발했다며 이를 통해 "나노 안테나의 수가 많고 빛과의 상호작용도 복잡하기 때문에 시뮬레이션에는 막대한 메모리와 시간이 필요했다"고 밝혔습니다.