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- 크기가 0.5mm(밀리미터)에 불과한 새로운 유형의 카메라 렌즈
- 특수 메타 표면이 있어 광학적으로 50만 배 이상 큰 기존 카메라에 버금 간다.
- 사용된 질화규소를 반도체로 컴퓨터 칩을 제조하는 기계에서도 처리 가능
- 과학자들은 메타 렌즈의 빠르고 저렴한 대량 생산 기대

소금 알갱이 크기의 포토 카메라

메타 렌즈가 탑재된 혁신적인 미니카메라로 고해상도 이미지 제공

작지만 강력함:
과학자들이 크기가 0.5mm(밀리미터)에 불과한 새로운 유형의 카메라 렌즈를 선보였다.
특수 메타 표면이 있어 광학적으로 50만 배 이상 큰 기존 카메라를 따라갈 수 있다. 이것은 나노구조와 특별히 개발된 이미지 처리 알고리즘의 표적 조합으로 가능했다. 팀이 전문 잡지 "Nature Communications"에 보고한 바와 같이 재료 때문에 메타 렌즈는 대량 생산에 적합하다. 

▲ 정밀한 나노구조 덕분에 이 작은 카메라 렌즈는 선명한 이미지를 제공합니다. © Princeton University

광학 메타 표면에는 특별한 속성이 있다.
빛을 거의 무제한으로 조작할 수 있다. 매타 표면들은 무엇보다도 빛의 정상파를 생성하고 빛을 가속하거나 홀로그램을 만드는 것을 가능하게 한다. 적록색 색약용 콘택트렌즈는 메타 구조에서 즉 작은 막대 또는 구멍 형태의 나노구조 표면에 의해 가능하다. 과학자들은 이미 메타 렌즈가 있는 카메라를 개발했지만, 이는 다소 흐리거나 심하게 왜곡된 이미지를 제공했다.

전문가 수준의 사진

최근 프린스턴 대학의 Ethan Tseng과 함께 일하는 연구원들은 고해상도 이미지가 가능한 메타 렌즈 카메라를 개발했다. 이 렌즈는 크기가 0.5mm에 불과하며 여전히 클래식 렌즈 카메라와 경쟁할 수 있는 사진을 제공한다. 과학자들은 이 소형 카메라가 특히 최소 침습 내시경 및 뇌 스캔 분야에서 메타 렌즈를 위한 새롭고 상업적인 응용 분야를 열 수 있기를 희망하고 있다.

마이크로 카메라의 렌즈는 지름이 500㎛(마이크로미터)이고 표면에 약 160만 개의 막대가 있다. 이들은 질화규소로 구성되며 두께는 약 100~290㎛다. 각 막대는 고유한 기하학적 구조를 가지며 일종의 광학 안테나로 볼 수 있다. Tseng은 "이러한 미세 구조가 우리가 원하는 대로 작동하도록 설계하는 것이 도전이었다라고 말했다.

▲ 같은 꽃 두 장의 사진: 왼쪽은 최신 기술, 오른쪽은 새로운 메타 렌즈. © Princeton University

알고리즘이 나노구조를 보완

메타 구조에 의해 조작된 광선은 센서에 의해 기록된 다음 이미지로 재구성되어야 한다.
연구원들은 기계 학습의 도움을 받아 이에 필요한 알고리즘을 개발했다. 핵심 요소는 하드웨어와 소프트웨어의 공동 개발이었다. 연구원들은 "이를 종단 간 개발과 결합하여 전체 이미지 처리를 함께 최적화할 수 있었다"고 말했다. "이 또한 재구성 방식과 별도로 초점 크기를 고려했던 기존 방식과의 가장 큰 차이점이다.“

이미지의 품질을 평가하기 위해 과학자들은 다양한 주제를 촬영하고 그 결과를 메타 렌즈 기반의 기존 두 모델과 기존 카메라와 비교했다. 보고서는 "지금까지 발표된 메타 광학 제품 중 어느 것도 이미지 품질, 낮은 f값 및 넓은 시야각의 비교 가능한 조합을 제공하지 않는다"고 말했다.

▲ 그림 1. (a)에 표시된 것처럼 우리가 학습한 초박형 메타 광학 장치는 두께와 직경이 500 μm이므로 소형 카메라 설계가 가능하다. 제조된 옵틱은 (b)에 나와 있다. 확대는 (c)에 표시되고 나노포스트 치수는 (d)에 표시된다. e에 표시된 우리의 종단 간 이미징 파이프라인은 제안된 효율적인 메타표면 이미지 형성 모델과 기능 기반 디콘볼루션 알고리즘으로 구성된다. 최적화 가능한 위상 프로파일에서 우리의 미분 가능한 모델은 공간적으로 다양한 PSF를 생성한 다음 입력 이미지와 패치 방식으로 컨볼루션되어 센서 측정을 형성한다. 그런 다음 최종 이미지를 생성하기 위해 알고리즘을 사용하여 센서 판독값을 디콘볼루션(deconvolved)합니다. (e)의 "Meta-Optic" 및 "Sensor" 위의 그림은 작성자가 Adobe Illustrator를 사용하여 만든 것이다. (출처: 관련논문 Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging / nature communications)

대량 생산에 적합

"우리는 디자인 크기가 55만 배 적지만 부피가 큰 상업용 복합 렌즈에 필적하는 이미지 품질을 보여준다"고 연구원은 말했다. 새로운 메타 렌즈의 f값은 2로 기존 SLR 카메라에서도 화질 상위 범위에 속한다.

새로 개발된 렌즈의 또 다른 특징은 사용된 질화규소를 반도체로 컴퓨터 칩을 제조하는 기계에서도 처리할 수 있다는 점이다. 이러한 공정은 이미 산업적으로 널리 사용되고 있기 때문에 과학자들은 메타 렌즈의 빠르고 저렴한 대량 생산을 기대하고 있다.
(Nature Communacations, doi: 10.1038 / s41467-021-26443-0)
출처: Princeton University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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