곤충 눈 원리 응용한 초광각 카메라 개발

 

       - 160도 이상의 화각 촬영 가능, 광각 촬영 시 이미지 왜곡 극복
       - 이미징 분야 새로운 장 열어…보안·군사·의료분야 응용 기대
       - GIST 졸업 송영민 박사(美일리노이대), 「Nature」최신호 논문 게재

 

      

 

 

□ 광주과학기술원(GIST·지스트·총장 김영준) 졸업생이 파리, 잠자리 등 곤충 눈의 원리와 형상을 응용해 160도 이상의 화각으로 전(全) 방위 촬영이 가능한 초광각 디지털 카메라를 세계 최초로 개발했다. 이로써 초광각 카메라를 활용한 무인 비행로봇용 감시카메라, 전 방위 물체 감지 센서, 초소형 광각 내시경, 보급형 초광각 디지털 카메라 등의 개발에 한 걸음 다가서게 됐다. ([그림7]참조)

  ❍ 2011년 지스트 정보기전공학부에서 박사학위(지도교수 이용탁)를 받은 송영민(32) 박사(현재 美일리노이대 박사 후 연구원)가 제1저자로 연구를 주도하고 존 로저스 교수(일리노이대·교신저자), 미국 하버드대 및 노스웨스턴대 연구진이 참여한 이번 연구는 과학 분야 세계 최고 권위지인 Nature 최신호(5월 2일자)에 게재되었다. (논문명 : Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye)

 

□ (연구 배경) 잠자리·파리·개미 등 곤충의 눈은 포유류와 달리 수백~수만 개의 홑눈이 겹겹이 모여 있는 겹눈 구조로 이뤄져 있다.

  ❍ 겹눈은 볼록한 모양을 하고 있어 가만히 있어도 사방을 볼 수 있는 데다, 물체와의 거리에 상관없이 선명한 영상을 얻을 수 있는 ‘무한 심도(深度)’ 기능을 지니고 있다.

  ❍ 이 때문에 과학계는 지난 수십여 년 간 곤충의 눈을 모방한 카메라를 개발하기 위해 연구해 왔으나, 기술적 한계로 인해 그 구조의 일부를 모방하는 데 그쳐왔다. 일반 카메라 중에도 광각렌즈나 어안렌즈 등 일반 렌즈보다 넓은 화각의 렌즈를 활용한 것이 있지만 실물의 이미지를 왜곡하는 단점을 지니고 있다.

 

 

 

[그림 1] 이미지 측정을 위해 인쇄회로기판(Printed circuit board, PCB)에 부착된 곤충눈 카메라

 

 

 

 

[그림 2] 일반눈(단일렌즈눈)과 겹눈의 비교 그림 : 겹눈의 경우 홑눈이

반구형으로 분포하기 때문에 눈을 움직이지 않고도 넓은 영역을 볼 수 있다.

 

 

 

□ (연구 방법) 송영민 박사 연구팀은 곤충 눈 카메라를 개발하기 위해 우선 잡아당기면 늘어나는 형태의 이미지 센서를 만들었다. 이어 이 센서를 고무재질로 된 마이크로렌즈 배열에 부착시킨 후 반구(半球)형 모양으로 변형시켜 곤충의 겹눈 구조와 유사한 카메라를 만들었다.

  ❍ 연구팀이 개발한 카메라는 곤충 눈과 구조 및 기능이 거의 동일한 것으로, 160도 이상의 화각을 갖고 있다. 매우 간단한 구성이지만 이미지 왜곡이 발생하지 않아 기존 광각 카메라의 단점도 극복한 것으로 평가받고 있다.

  ❍ 또 무한 심도 기능도 갖춰 물체와의 거리와 관계없이 선명한 영상을 얻을 수 있는 장점도 지녔다.

 

 

[그림 3] 곤충 눈 카메라의 제작방법 모식도

 

 

 

 

[그림 4] 곤충눈 카메라를 통해 측정된 이미지(위)와

광선추적(ray-tracing) 방식을 이용해 계산된 이미지(아래)

 

 

 

 

 

[그림 5]  (a)물체의 위치를 가운데-좌-우로 이동하였을 때 찍힌 이미지 및

 (b)원형 빔을 0~80도 까지 20도 간격으로 조사하였을 때 형성된 이미지

 

 

 

□ (응용 분야) ‘넓은 화각’과 ‘무한 심도’를 주요 특징으로 하는 초광각 카메라는 군사·보안·의료 등 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다.

  ❍ 가장 주목받는 분야는 초소형 무인 비행로봇(Micro Aerial Vehicles·MAVs)으로, 적진 또는 접근 불가능 지역을 비행하며 최대한 넓은 지역을 촬영·정찰한 뒤 정확하고 선명한 영상을 제공할 수 있는 MAVs 개발이 가능할 것으로 전망된다.

  ❍ 전 방위 물체 감지 센서 개발에도 응용될 수 있다. 일반 감시카메라가 움직임 없이 고정되어 있을 때에는 화각이 좁아 영상을 찍지 못하는 빈 공간이 생길 수 밖에 없지만, 초광각의 곤충 눈 카메라를 사용하면 보다 넓은 지역을 감시·감지할 수 있다.

  ❍ 질병 진단에 필수적인 기존 내시경에 초광각 카메라를 장착하면 관찰하고자 하는 몸 속 부위를 보다 넓고 정확한 이미지로 확인할 수 있을 것으로 기대된다. 카메라에 초소형 LED를 집적한다면 어두운 곳에서도 영상을 얻을 수 있다.

  ❍ 또한 일반 디지털 카메라의 광각 촬영에 활용되는 어안렌즈도 초광각 카메라로 대체될 것으로 전망된다. 어안렌즈는 정교하고 이미지 왜곡이 심한 부품이기 때문에 카메라 가격도 높지만, 보급형 초광각 카메라가 개발된다면 고품질 광각 카메라를 저렴한 가격에 제작·보급할 수 있게 된다.

 

 

 

[그림 6] 초광각 카메라 응용 분야(예시) : 초소형 무인 비행로봇

 

 

 

□ (연구 의의) 송 박사는 “겹눈 구조를 통해 광학적으로 어떤 상이 맺히는지를 실험적으로 보인 경우는 이번이 처음”이라며 “렌즈의 구조를 만드는 데 그친 것이 아니라 사진 촬영이 가능한 카메라를 제작해 곤충 눈에 보이는 이미지가 어떤 형태이며 어떤 특징을 갖는지 밝혀냈다는 점에서 의미가 크다”고 말했다. 

 

□ 이용탁 교수의 지도를 받으며 GIST에서 박사학위를 받은 송 박사는 학위과정 때부터 곤충 눈 연구에 몰두해 왔다. 특히 나방 눈 각막의 나노구조를 모사해 광소자의 효율을 높이는 연구로 다수의 논문을 출판했고, 우수 연구 성과를 높게 평가 받아 졸업 당시 교육과학기술부 장관상을 수상한 바 있다.        <끝>

 

 

(*연구에 대한 보다 자세한 사항은 첨부된 보도자료를 참조)

(**CNN,BBC,LA Times,CSM,KBS,광주KBS,MBN,채널A,조선,중앙,동아,한겨레,경향,서울,매경,한경,머니투데이,디지털타임스,광남일보,연합뉴스,아이뉴스24 등 보도)

 

 

 

홍보기금팀·홍보전략부