소금 알갱이만한 카메라 개발…의료기기 혁신 가져올까

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의료업계에 혁신을 불러올 초소형 카메라가 나타났다. 이름은 ‘뉴럴 나노 광학’ 카메라로 미국 프린스턴 대학교와 워싱턴 대학교의 연구원들이 개발했다.

0.5mm 면적에 원통형 광학 안테나가 160만 개 탑재됐다. (출처 : 프린스턴 대학교)

카메라는 기존 이미지센서 대신 미세한 광학 안테나를 배열하는 ‘메타서피스(Metasurface)’ 기술을 기반으로 만들어졌다. 160만 개의 원통 모양 광학 안테나가 오밀조밀하게 박혀 있다. 안테나 크기는 바이러스와 비슷한 수준으로 굉장히 작다. 반도체 웨이퍼처럼 양산도 가능한 구조다.

일반적인 카메라는 빛이 렌즈를 통과하면서 굴절되며 센서에 모여 상을 그린다. 센서 앞에 렌즈가 여러 장 탑재되다 보니 부피가 커진다. 반면 메타서피스 기술을 적용한 카메라 센서는 렌즈가 필요 없다. 훨씬 납작하고 면적도 좁아 소형화에 유리하다.

메타서피스 기술은 기존에도 사용됐다. 하지만 이미지 품질이 좋지 않다. 심하게 왜곡되고 시야가 좁으며 가시광선을 포착하는 능력이 부족하다. 이번 연구로 개발된 뉴럴 나노 광학 카메라는 결과물을 예측하는 인공지능(AI) 기계 학습 모델이 적용돼 정확도가 크게 향상됐다.

기존 메타서피스 카메라, 일반 카메라와 촬영 결과물을 비교한 자료 (출처 : 프린스턴 대학교)

기존 방식과 비교한 사진을 보면 차이점이 더 잘 느껴진다. 연구팀이 발표한 논문을 보면 511나노미터(nm) 쌍곡선 메타서피스 카메라, 2018년 콜번 대학 연구팀이 개발한 메타서피스 카메라, 기존 방식의 카메라와 촬영 결과를 비교한 사진이 있다.

511nm 쌍곡선 카메라로 찍은 사진은 빛이 과하게 번져 피사체 형태를 구분하기 어렵다. 콜번 대학 연구팀의 카메라는 빛번짐을 어느 정도 해결했지만 여전히 흐리며 본래 색을 표현하는 능력이 크게 저하됐다.

뉴럴 나노 광학 카메라로 찍은 사진은 3가지 메타서피스 카메라 중 가장 선명하다. 전반적인 이미지 품질은 일반 카메라에 더 가까운 수준으로 향상됐다. 연구팀은 뉴럴 나노 광학 카메라가 무려 50만 배 큰 기존 카메라와 비슷한 사진을 찍는다고 주장했다. 대신 사진 가장자리는 결과물을 예측하는 데 필요한 데이터가 부족해 상대적으로 흐리다.

구조가 복잡한 꽃 사진도 비교적 정확하게 담아낸다. (출처 : 프린스턴 대학교)

뉴럴 나노 광학 시스템은 의료기기 업계에서 쌍수를 들고 환영할 만한 기술이다. 내시경이나 초소형 체내 검진 로봇에 탑재하기 적합하다. 연구팀은 현재 이 카메라의 연산 능력을 향상하는 작업 중이며, 의학·로봇 공학과 관련된 물체 감지 기능을 추가할 예정이라고 밝혔다.

테크플러스 에디터 이병찬

tech-plus@naver.com

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