- Princeton University와 University of Washington 연구진이 소금 알갱이 크기의 meta-optics 카메라를 구현해, 같은 수준의 화질을 내는 기존 카메라보다 500,000배 작은 이미징 장치를 제안함
- 0.5mm 폭의 metasurface 위에 160만 개의 원통형 nano-antenna를 배치하고, 반도체 칩처럼 제조할 수 있는 구조로 소형화 가능성을 높임
- 기존 meta-optics 카메라는 선명한 광시야각 풀컬러 이미지에 한계가 있었지만, 이번 장치는 풀컬러·광시야각 이미지를 기존 카메라와 비슷한 품질로 생성함
- 연구진은 AI 최적화로 nano-antenna 설계를 빠르게 계산하고, 물리 기반 신경망으로 카메라가 만든 수차를 제거하는 하드웨어·소프트웨어 통합 파이프라인을 사용함
- 더 작은 내시경, 스마트폰·웨어러블·AR/VR 카메라, 드론, 표면 전체를 카메라로 만드는 배열, 우주용 초경량 망원경 같은 응용으로 이어질 수 있음
소금 알갱이 크기의 meta-optics 카메라
- Princeton University와 University of Washington 연구진은 meta-optics 카메라를 소금 알갱이 하나 크기로 구현함
- 이 카메라는 기존 카메라보다 훨씬 작으면서도 기존 카메라와 같은 수준의 풀컬러 이미지 품질을 목표로 함
- 같은 수준의 이미지 품질을 포착하는 기존 카메라와 비교하면 500,000배 작음
- 장치는 연구진이 개발한 초소형 카메라 시스템이며 metasurface 기술에 기반함
- metasurface에는 160만 개의 원통형 기둥이 박혀 있음
- 제조 방식은 컴퓨터 칩 생산과 유사함
기존 렌즈의 한계와 metasurface 접근
- 카메라 설계에서는 장치를 가능한 한 작게 만들면서도 많은 빛을 기록해야 하는 크기와 광량의 절충이 핵심 제약이 됨
- 스마트폰은 본체가 얇아져도 더 높은 사진 품질을 위해 여러 렌즈를 넣으면서 카메라 모듈이 커지고 돌출되는 사례임
- metasurface는 빛을 독특한 방식으로 제어할 수 있는 인공 재료임
- 폭은 0.5mm 수준의 초박형 평면 구조임
- 표면에는 “nano-antenna”라고 부르는 수백만 개의 원통형 기둥이 있음
- 각 nano-antenna는 빛을 특정 방식으로 형성하도록 조정될 수 있음
- 표준 굴절 렌즈는 렌즈 표면 형상과 재료 변화를 통해 성능을 개선하지만, metasurface는 하위 파장 수준에서 빛을 조절할 수 있음
- 이 카메라의 meta-optic 렌즈는 0.5mm, 센서는 1mm 크기이며, 단일 metasurface가 전통적 렌즈보다 더 큰 빛 조향 능력을 갖도록 설계됨
이전 meta-optics 카메라와의 차이
- 연구진은 카메라에 metasurface를 쓰는 개념 자체가 아니라, 실제 영상 용도에 쓸 수 있는 품질을 구현하는 데 초점을 맞춤
- 기존 접근은 선명하고 넓은 시야각의 풀컬러 이미지를 포착하는 meta-optics 카메라 설계에 도달하지 못했음
- 이번 장치는 풀컬러·광시야각 이미징을 위한 첫 고품질 편광 비의존 nano-optic imager로 소개됨
- 한 자릿수 규모로 더 큰 기존 카메라와 비교해도 이미지 품질이 동등한 수준임
AI 기반 설계와 후처리 파이프라인
- 연구진은 하드웨어 설계와 소프트웨어 후처리를 함께 개선해 이전 meta-optics 이미징 시스템의 한계를 줄임
- 첫 단계는 metasurface 위의 nano-antenna 설계를 AI 최적화 알고리듬으로 계산하는 것임
- metasurface의 광학 반응을 시뮬레이션하고 해당 기울기를 계산하는 작업은 계산 비용이 큼
- 연구진은 metasurface 물리를 빠르게 근사하는 “proxy”를 만들어 설계를 빠르게 계산함
- 두 번째 단계는 물리 기반 신경망으로 카메라가 포착한 이미지를 처리하는 것임
- 이 신경망은 metasurface 물리를 기반으로 학습됨
- 카메라가 만드는 수차를 제거할 수 있음
- 연구진은 metasurface를 최적화 가능한 미분 가능 계층으로 다뤄, 빛으로 계산하는 광학 신경망 계층처럼 최적화함
- metasurface 물리 시뮬레이터와 후처리 알고리듬은 하나의 파이프라인으로 결합됨
- 이 파이프라인은 실제 meta-optic 카메라 제작에 쓰임
- 포착된 이미지를 고품질 풀컬러 이미지로 재구성함
- 광대역 응용에서 렌즈가 제대로 작동하려면 계산 처리와 결합된 접근이 필요함
의료·소비자 기기·드론 응용
- 가장 직접적인 응용 분야는 의료 영상임
- 카메라는 작을수록 침습성이 줄어듦
- meta-optics 카메라를 이용한 초소형 내시경은 새로운 비침습 진단과 수술을 가능하게 할 수 있음
- 현재 기술로 접근하기 어려운 신체 부위를 촬영할 가능성도 있음
- 소비자 하드웨어에서도 카메라와 렌즈를 현재 기기보다 한 자릿수 규모로 더 작게 설계할 수 있음
- 스마트폰 화면이나 스마트폰 뒷면 자체가 카메라가 될 수 있음
- 안경 같은 웨어러블 표면에 고품질 카메라를 넣을 수 있음
- VR 헤드셋은 더 가볍고 매끈해질 수 있음
- 드론도 더 작은 카메라의 영향을 받을 수 있음
- 정찰 같은 군사용 목적이나 배송 같은 민간 목적 모두 카메라가 필요함
- 훨씬 작은 카메라는 더 가벼운 드론과 더 낮은 배터리 소비로 이어질 수 있음
표면 전체를 카메라로 만드는 가능성
- 연구진의 작은 카메라는 큰 카메라를 소금 알갱이 크기 카메라의 평면 배열로 다시 생각하게 함
- 이런 배열은 표면 자체를 카메라로 바꾸는 방식으로 이어질 수 있음
- 더 큰 metasurface는 망원경에 필요한 렌즈를 대체할 가능성이 있음
- 망원경 제작이 쉬워질 수 있음
- 더 강력한 렌즈를 우주로 보내는 일도 쉬워질 수 있음
제조 방식과 재료
- metasurface는 컴퓨터 칩 생산에 쓰이는 성숙한 기술과 같은 방식으로 만들 수 있음
- 오늘날 컴퓨터 칩은 웨이퍼 위에서 생산되며, 하나의 웨이퍼에는 동일한 칩 사본이 수백 개 들어감
- metasurface도 같은 방식으로 생산되므로 개별 metasurface당 비용을 크게 낮출 가능성이 있음
- 연구진은 장착 표면에 silica wafer, nano-antenna에는 silicon nitride를 사용함
- 두 재료 모두 현재 컴퓨터 칩을 생산하는 반도체 제조 기술과 호환됨
더 읽을거리
- Researchers shrink camera to the size of a salt grain: Princeton University의 2021년 연구 소개
- Researchers develop tiny camera the size of a grain of salt – and it could turn your phone into one big camera: The Independent의 관련 기사
- Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging: Nature Communications에 실린 관련 논문