생체인식, 의료 내시경, 가상현실 및 증강현실 카메라 분야에도 응용 가능해
(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST는 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 금속 나노 광 흡수층을 통해 고해상도 4D 영상 구현이 가능한 초박형 라이트필드 카메라를 개발했다고 4일 밝혔다.
`라이트필드 카메라'는 곤충의 시각 구조에서 발견되는 형태에 착안해 미세렌즈와 대물렌즈를 결합한 진보된 형태의 카메라다. 한 번의 2차원 촬영으로 빛의 공간 뿐만 아니라 방향까지 4차원 정보를 동시에 획득한다. 그러나 기존 라이트필드 카메라는 미세렌즈 배열의 *광학 크로스토크(Optical crosstalk)로 인한 해상도 저하와 대물렌즈의 위치로 인한 크기의 한계가 존재한다.
▶광학 크로스토크(Optical Crosstalk): 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.
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.
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 제시했다ˮ며 "이 카메라는 생체인식, 의료 내시경, 휴대폰 카메라와 같이 다시점(Multi-view), 재초점(Refocusing)을 요구하는 초소형 영상장치로 통합돼, 초소형 4D 카메라의 새로운 플랫폼으로 활용될 것ˮ이라고 말했다.
KAIST 바이오및뇌공학과 배상인 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)'에 1월 20일 字 게재됐다. (논문명: High Contrast Ultrathin Light-field Camera using inverted Microlens arrays with Metal-Insulator-Metal Optical Absorber)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 개인연구지원사업, 산업 통산 자원부의 기술혁신프로그램, 보건복지부의 보건의료기술연구개발사업으로 수행됐다.
□ 연구개요
1. 연구배경
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.
라이트필드 카메라는 일반 카메라 사이에 미세렌즈를 삽입한 단순한 형태로, 특정 물체에 초점을 두지 않고 공간 및 방향의 4D 데이터를 한 번의 촬영으로 획득할 수 있다. 하지만 기존의 미세렌즈 배열이 갖는 광학 크로스토크로 인한 낮은 대비도 영상은 라이트필드 카메라의 해상도를 떨어뜨려 분해능과 감도가 떨어지는 단점이 있다. 이를 극복하고자 하는 다양한 시도가 존재하나, 카메라 전체 크기가 커지거나 차단하는 빛의 파장 범위가 제한적이다. 따라서 초소형 4D 카메라로서 높은 해상도를 위한 광흡수층을 갖는 라이트필드 카메라의 개발이 필요한 실정이다.
2. 연구내용
본 연구에서는 금속-유전체-금속 광흡수층 역배열 미세렌즈 배열을 갖는 초소형 라이트필드 카메라를 제작하였다 (그림 1). 나노 미터 두께의 금속-유전체-금속박막을 연속적으로 적층하여 입사하는 빛을 완전히 흡수할 수 있으며, 이를 미세렌즈 사이에 제작하여 광학 크로스토크를 제거할 수 있다. 광흡수층을 갖는 미세렌즈는 높은 영상 대비도 및 해상도를 갖는 원시 라이트필드 영상을 형성하며, 이로부터 높은 정확도를 갖는 3차원 깊이 지도를 구현할 수 있다.
양산이 가능한 Microelectromechanical systems (MEMS) 공정 방법인 포토리소그래피, 금속 박막의 리프트-오프, 유전체의 플라즈마 화학 기상 증착법을 반복하여 미세렌즈 배열 및 광 흡수 구조를 제작했으며, 이후 초소형 패키징을 위해 미세렌즈를 이미지 센서에 초점거리보다 가깝게 역배열로 고정시켜 라이트필드 카메라의 전체 길이를 줄였다 (그림 2). 완성된 라이트필드 카메라의 전체 길이는 5.1 mm로 현재까지 보고된 라이트필드 카메라 중 가장 작다.
제작된 초소형 라이트필드 카메라의 광 흡수층은 광학 크로스토크를 완전히 제거하여 라이트필드 영상의 대비도 및 해상도를 향상시키며, 깊이 지도의 정확도를 높인다 (그림 3). 서로 다른 위치의 숫자판의 라이트필드 영상으로부터, 광 흡수층을 갖는 초박형 라이트필드 카메라의 영상이 높은 정확도를 갖는 깊이 지도를 획득할 수 있음을 확인할 수 있다.
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 (그림 4). 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.
□ 용어설명
라이트필드 카메라 (Light-field Camera)
일반 카메라는 이미지센서와 광학 렌즈군으로 이루어져 있어, 렌즈를 통해 들어오는 빛 중 하나의 방향만을 기록한다. 이를 극복하고자, 광학 렌즈와 이미지 센서 사이에 미세렌즈 배열 (마이크로렌즈 어레이, Microlens arrays)를 삽입한 형태의 라이트필드 카메라 (light-field camera)가 제안되었다. 라이트필드 카메라는 빛의 방향과 무관하게 피사체에서 반사된 모든 빛의 정보를 기록하므로, 한 번의 촬영 후 관측자의 시점을 변경하거나, 심도 (배경 흐림), 초점을 변경하는 것이 자유롭다. 또한, 시점 영상으로부터 깊이 지도, 3차원 영상으로 재구성할 수 있다.
광학 크로스토크 (Optical Crosstalk)
크로스토크는 대개 어떤 통신회선의 전기 신호가 다른 통신 회선과 전자기적으로 결합하여 통신 시스템 상의 혼선을 일으키는 현상인데 광학에서는 복수의 렌즈 어레이를 통해 영상을 획득하는 경우 한 렌즈를 통과한 빛이 다른 렌즈로부터 들어온 빛과 겹쳐 생기는 현상으로 영상이 중첩되어 촬영되는 것을 의미한다.
