전자공학과 이상신 교수 연구팀, 초박형 나노 메타표면 기술을 이용한 3D 카메라 개발

- 3차원 공간 정보 획득 메타표면 광파 카메라 개발 통해 향후 실시간 3차원 비전 분야에 적용 기대 -

- 국제학술지 어드밴스드 옵티컬 머티리얼스 온라인판 11월호 표지논문 선정 -

[이상신 교수 (왼쪽) 와 박민규 박사 (오른쪽)]

본교 전자공학과 이상신 교수 연구팀이 호주국립대 최덕용 박사와의 공동연구를 통해 초박형 나노 * 메타표면 기술을 이용한 3D 카메라를 개발하는 데 성공했다. 이를 통해 향후 로봇 비전 시스템, 스마트 드론, 바이오 이미징 등과 같은 3차원 거리 정보를 필요로 하는 실시간 3차원 비전 분야에 적용 가능할 것으로 기대되고 있다.

* 메타표면 : 파장이하(subwavelength) 나노 구조의 배열로 형성된 기하학적인 광학 평면을 지칭함

연구팀은 실리콘 기반 초박형 나노 메타표면 구조를 도입하여 물리적인 이동 없이 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈 어레이의 위치 이동이 가능한 가상이동 메타렌즈 어레이(virtual-moving metalens array)를 제안하였으며 이를 이용해 해상도 및 해상력이 향상된 3차원 광파 이미지 시스템(3D light-field imaging system)을 개발했다.

3차원 광파 이미지 시스템이란 기존의 빛의 세기 정보만 획득할 수 있는 2차원 카메라 기술과 대비하여 빛의 세기뿐만 아니라 방향 정보도 얻을 수 있는 기술을 일컫는다. 획득된 방향 정보를 기반으로 이미지 복원 과정을 거쳐 상하좌우 모든 방향에 대해 상대적 시차를 표현할 수 있는 3차원 깊이 이미지를 구현할 수 있으며 리포커싱 기능을 부여할 수 있다.

기존 3차원 광파 이미지 시스템에서는 공간 해상도와 각 해상도 간의 피할 수 없는 상충관계(trade-off)가 존재하여 이로 인해 기존 2차원 카메라 기술 대비 해상도가 저하되는 문제가 있었다.

본 연구팀에 의해 개발된 3차원 광파 이미지 시스템은 전기적으로 렌즈 어레이의 위치 이동이 가능한 가상이동 메타렌즈 어레이의 고속 스위칭 구동 기반으로, 각 해상도의 손실 없이 기존 3차원 광파 이미지 시스템과 비교하여 2배 향상된 이미지 샘플링 분해능 및 4배 향상된 공간 해상도를 달성하였으며 3차원 광파 이미징에서의 해상도 저감 문제를 회피할 수 있는 돌파구를 마련했다.

또한 이번에 개발된 가상이동 메타렌즈 어레이 기반의 3차원 광파 이미지 시스템은 실시간으로 3차원 정보를 획득할 수 있는 기술로서 4차 산업혁명의 핵심 기술로 손꼽히는 지능형 로봇, 5G 드론, 바이오 이미징 등과 같이 3차원 거리 정보를 필요로 하는 실시간 3차원 비전 분야에 활발히 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

(왼쪽) 이상신 교수 연구팀이 개발한 초박형 나노 메타표면 기술을 이용한 3D 카메라 기술 및 (오른쪽) 획득한 이미지에 해상도가 향상되었음을 알 수 있다.

이상신 교수는 “이번 연구에서 초박형 나노 메타렌즈 기술을 접목하여 3차원 깊이 이미지의 해상도를 획기적으로 향상시켰으며 이를 통해 나노 디바이스를 이용한 다양한 ICT 기술 개발이 가능할 것이라 기대한다”라고 말했다.

한편, 이번 연구는 교육부가 지원하는 이공분야 대학중점연구소 지원사업을 통해 수행됐으며, 결과는 성과를 인정받아 와일리 (Wiley) 에서 발행하는 광학/재료 분야의 국제학술지인 어드밴스드 옵티컬 머티리얼스 (Advanced Optical Materials, IF=8.286) 온라인판 11월호 표지논문으로 선정되었다.

[논문 게재 정보]

제목: Virtual­Moving Metalens Array Enabling Light­Field Imaging with Enhanced Resolution

출판정보: 2020년 11월 4일 (volume 8, issue 21)

커버정보: https://doi.org/10.1002/adom.202070085

최초공개: 2020년 9월 3일

논문링크: https://doi.org/10.1002/adom.202000820