사물을 다르게 보는 렌즈 없는 극초소형 카메라

(서울=기술사신문) 이태진기자 = 패트릭 길(Patrick Gill)은 한 장의 종이 위에 흑백으로 인쇄된, 작고 어렴풋한 모나리자(Mona Lisa) 사진을 보여줄 때 신이 났다. 이 사진은 완전히 모나리자처럼 보이지는 않았지만, 검고 긴 머리와 신비한 미소는 분명히 모나리자였다.

레오나르도 다빈치가 그린 걸작의 저해상도 이미지보다 더 흥미로운 것은 이 사진이 연필심보다 더 작은 크기인 200마이크로미터 정도의 렌즈가 없는 카메라로 만들어졌다는 것이다.

렌즈를 가진 디지털 카메라는 훌륭한 사진을 찍을 수 있지만, 더 작은 소형 장치에 설치되는 것이 어렵다. 렌즈는 더 작아질수록 정밀한 곡선 표면을 만드는 것이 더 어려운 일이 되므로 소형화하는 데에 한계가 있다.

이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법은 곡면을 가진 카메라 렌즈를 대신하여 광 매핑(light mapping)을 위하여 나선형 모양을 이용하며, 결과적으로 어떠한 이미지인가를 알아내기 위하여 컴퓨터를 활용하는 아주 작은 센서를 사용하는 것이라고 기술 라이선싱 기업인 램버스(Rambus)의 수석 연구 과학자인 패트릭 길이 창안하였다.

결과적으로 패트릭 길은 이 작은 센서가 렌즈를 가진 카메라를 사용하는 비용이나 부피 문제를 발생시키지 않은 채 착용형 장치에서 보안 시스템, 장난감 등에 이르기까지 모든 종류의 것에 내장되는 것을 상상하고 있다. "우리의 목표는 아무리 작은 장치라고 모든 디지털 기기에 눈의 기능을 하는 카메라를 추가하는 것"이라고 패트릭 길이 말했다.

중요한 점은 스마트폰에서 사용되는 것처럼 고해상도의 카메라를 만드는 것이 아니라, 무엇이 일어나고 있는지를 보여주는 충분한 정보를 포착할 수 있는 가장 작고, 가장 싸고, 가장 쉽게 만들 수 있는 광학 센서를 만드는 것이다.

미국 매사추세츠 공대(MIT) 미디어 랩(Media Lab)의 카메라 문화 그룹(Camera Culture Group) 연구 과학자인 고든 베츠스타인(Gordon Wetzstein)은 비록 이 기술이 어떻게 잘 동작하게 될지 아직 불명확하지만, 이 기술에 대하여 낙관적이다. "화소가 점점 더 작아지는 것 이외에는 한동안 카메라 센서 분야에서 많은 진전을 보지 못했다"고 고든 베츠스타인이 말했다.

▲ (사진제공=KISTI 미리안) 200마이크로미터 정도의 렌즈가 없는 카메라로 모나리자(Mona Lisa) 사진을 만드는 과정

패트릭 길은 나선형을 비롯하여 십자형 및 오각형과 같은 다른 형태를 포함하여 28가지의 서로 다른 형태의 회절 구조로 식각 작업을 수행한 램버스의 서니베일(Sunnyvale) 사무실에서 한 시제품 센서를 보여주었다. 

이 칩의 작은 부분은 나선형을 포함하고 있으며, 이를 이용하여 모나리자 사진을 비롯하여 존 레논(John Lennon) 사진과 조르주 쇠라 Georges Seurat)가 그린 아스니에르에서 멱 감는 사람들(Bathers at Asnieres) 등에 대한 어렴풋한 묘사를 포함하여 수많은 이미지를 포착하였다.

당신이 일반적인 디지털 카메라로 벽에 있는 그림의 사진을 찍을 때, 렌즈는 센서 상에서 포착되는 광(light)의 점 각각에 집중하여 컴퓨터상에서 이미지로 볼 수 있는 디지털 파일을 만든다.

그러나 램버스의 접근 방식은 광이 모든 방향에서 입사할 수 있는 나선형 패턴으로 식각된 격자(grating)를 사용한다. 이 격자 밑에 있는 센서는 인간이 인식할 수 있는 이미지는 아니지만 소프트웨어로 처리하여 인간이 볼 수 있는 것으로 바꿀 수 있는, 뒤죽박죽 섞여 있는 나선형을 포착한다.

패트릭 길은 시연하기 위하여 모나리자의 이미지를 사용하였다. 그는 모나리자가 그려진 보통의 흑백 그림, 센서가 컴퓨터 해석을 위하여 포착한 뒤죽박죽 섞여 있는 나선형의 모임을 시사하는 흐릿한 흑백 형태의 그림, 소프트웨어에 의한 컴퓨터 해석으로 재구성된 흐릿하지만 모나리자 그림으로 인식 가능한 흑백의 이미지 등을 보여주었다.

패트릭 길이 현재까지 시제품으로 만든 가장 높은 해상도는 가로 128화소 세로 128화소이며, 이것은 이 기술을 상업화할 때 램버스가 만들 수 있는 가장 높은 해상도 능력임을 나타낸다고 패트릭 길이 말했다.

벨 연구소(Bell Lab)가 만든 것과 같이 다른 렌즈 없는 카메라 연구 프로젝트가 있지만, 램

버스가 연구하고 있는 것은 덜 복잡하고 훨씬 더 작게 만들 수 있다고 패트릭 길은 믿고 있다.

이 렌즈 없는 카메라를 만드는데 사용된 기술은 컴퓨터 칩을 만드는 데 사용된 상보형 금속 산화 반도체(CMOS: complementary metal oxide semiconductor) 기술과 유사하다. 그래서 각각의 칩을 만들 때 소요되는 전체 비용에서 몇 센트만 추가하여 칩 어레이 내에서 이 렌즈 없는 카메라를 제조할 수 있다.   

(자료 출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-03-31)