카메라 초점 맞추지 않아도 된다

초점 맞추지 않는 나노 평면렌즈 등장

1000분의 1인치 두께의 아주 얇은 평면 렌즈를 이용해 초점을 맞출 필요가 없는 카메라가 탄생했다. 이 기술은 고품질 이미지를 만들기 위해 여러 개의 렌즈를 필요로 하는 대부분의 스마트폰 카메라와 같은 전통적인 카메라 보다 상당한 이점을 제공한다.

미국 유타 대학(University of Utah)의 라제시 메논(Rajesh Menon)은 “우리의 평면 렌즈는 카메라는 물론이고 다른 영상 시스템의 무게, 복잡성, 제조비용을 획기적으로 줄이면서도 기능을 향상시킬 수 있다”고 말했다.

초점을 맞추지 않아도 되는 평면 렌즈가 나왔다. ⓒ 픽사베이

평면 렌즈를 이용한 광학 장치는 이용 범위가 아주 다양하다. 더 얇은 스마트폰 카메라, 내시경 같은 생의학 진단 장비 개선에 필요한 초소형 카메라, 자율자동차에 들어가는 더 작은 카메라에 두루 사용될 수 있다.

옵티카(Optica) 저널에 발표된 논문에서 메논 연구팀은 평면 렌즈가 약 6m 떨어진 물체도 초점을 맞출 수 있다고 발표했다. 평면 렌즈는 부피가 큰 유리나 플라스틱으로 만든 것이 아니다. 평평한 표면에 나노 패턴 구조를 넣어 빛이 이동하는 방법을 제어하는 방식으로 초점을 맞춘다.

새로운 렌즈는 자율주행차를 포함한 많은 자율 시스템에 중요한 라이다(LIDAR)의 효율을 크게 높여주는 데 이용될 수 있다. 단순히 사진 촬영 기능을 높이는 것 이상으로 다양한 분야에 흥미롭게 응용이 가능하다. 이를 위해 연구원들은 빛 파장의 폭을 넓히고, 쉽게 제조할 수 있으며, 생산단가를 낮추는 등의 다양한 특징을 발휘할 수 있도록 설계했다.

스마트폰 카메라 소형화에 적용 가능

스마트폰에 사용되든 현미경 촬영에 사용되든 카메라는 피사체를 정확하게 담기 위해서는 초점을 맞춰야 한다. 카메라 앞에 여러 개의 물체가 있을 경우, 각각 물체에 맞게 별도로 초점을 맞춰야 한다.

초점을 맞출 필요가 없을 뿐 아니라 모든 물체의 초점을 동시에 맞출 수 있는 평면 렌즈가 탄생하려면 이런 고정관념을 깨는 과정이 필요하다. 전통적인 카메라는 여러 개의 렌즈를 사용하여 다른 색상의 빛을 동시에 집중시킨다.

메논 연구팀이 개발한 평면 렌즈는 모든 색상의 빛을 집중시키는 단일 평면 렌즈를 만들었다.

빛의 초점을 맞추기 위해, 전통적인 렌즈는 평행한 빛의 파동을 하나의 초점으로 수렴한다. 연구팀은 이를 획기적으로 바꾸는 단서를 찾아냈다. 다른 상을 가진 파장도 비슷한 효과를 낼 수 있다는 것을 깨달았다. 이를 적용하면 엄청난 숫자의 새로운 렌즈를 설계할 수 있다.

초점을 맞추지 않는 평면 렌즈 모형 ⓒ 유타대학

광학 교과서에서 가르치는 것과는 아주 다르게, 연구팀은 ‘눈동자 함수'(pupil function)라는 빛 전달 방식보다 더 많은 방법이 있다는 것을 발견했다.

메논은 “이것은 렌즈 기능의 제한을 없애고 본질적으로 무한한 가능성을 열어주었다”고 말했다. 이에 따라 연구팀은 초점의 깊이를 달성하게 하려면 어떻게 해야 하는지 모든 가능성을 샅샅이 뒤졌다.

광학 교과서에 의문을 던지다

초점 깊이를 높이는데 적합한 최적의 렌즈 설계를 선택한 후, 연구원들은 나노 제조 기술을 사용하여 프로토타입 렌즈를 만들었다. 실험 결과 새 렌즈는 예상한 대로 작동했다. 새 평면 렌즈는 동일한 기존 렌즈보다 수십 배의 초점 깊이를 달성했다는 것을 확인하였다.

연구원들은 적외선과 상대적으로 낮은 조리개 지수를 사용하여 새로운 렌즈를 시연했다. 조리개 지수는 렌즈가 빛을 받아들이거나 방출할 수 있는 각도의 범위를 결정하는 수치이다.

연구팀은 렌즈를 더 광범위한 조리개 지수에서 사용할 수 있도록 확장하고, 전체 가시광선 스펙트럼과 함께 사용이 가능하도록 설계할 계획이다. 렌즈 상용화에 필요한 대량 생산 방안 작업도 필요하다.

이번 연구는 전통적인 개념을 버리면, 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 장치를 가능하게 할 수 있는지를 보여주는 좋은 예이다.

메논은 “예전부터 당연하게 여겨지던 것에 대해서도 질문하는 것은 좋은 것이다”고 말했다.

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