초소형 메타물질 렌즈로 특대형 이미지 포착

과학자들은 "투명 망토"를 가능하게 하는 일종의 빛 왜곡 물리학을 사용하여 상업용 디지털 카메라보다 100배 이상 큰 사진을 찍을 수 있는 작고 가벼운 카메라를 개발했습니다. 스마트폰 및 기타 휴대용 장치에 대한 새로운 연구 결과가 나왔습니다.

최신 카메라에는 일반적으로 고품질 이미지를 캡처하는 데 도움이 되지만 카메라를 크고 무겁게 만드는 여러 렌즈가 있습니다. 이 벌크는 고급 카메라가 스마트폰, 드론, 비디오 장비와 같은 모바일 장치에 쉽게 통합되는 것을 방해합니다.

새로운 단일 렌즈 장치는 프로급 소니 카메라와 비슷한 해상도의 이미지를 촬영하며 소니 광학 장치의 1% 미만의 부피를 차지합니다.

카메라를 소형화하기 위해 과학자들은 구조가 조작하도록 설계된 모든 특성 파장보다 작은 규모의 반복 패턴을 포함하는 구조인 메타구조로 만들어진 평면 광학을 점점 더 탐구하고 있습니다. 전자기 방사선을 조작하기 위해 만들어진 광학 메타구조는 예상치 못한 방식으로 빛을 구부릴 수 있으며, 이로 인해 나노 크기의 투명 망토 및 기타 장치가 탄생할 수 있습니다.

카메라 소형화에 도움이 되는 또 다른 전략은 소프트웨어를 사용하여 광학 구성 요소의 모든 단점을 수정하는 컴퓨터 이미징입니다. 이전 연구에서는 전산 이미징으로 강화된 메타물질(메타 광학이라고도 함)로 만든 광학 장치를 결합하면 잠재적으로 마이크로미터 두께의 광학 장치를 사용하여 고품질 사진을 만들 수 있다고 제안했습니다.

메타 광학을 설계할 때 가장 큰 문제는 연구자들이 빛과 모든 광학 구성 요소 사이의 복잡한 상호 작용을 계산적으로 모델링하는 데 직면하는 엄청난 어려움입니다. 이는 메타광학이 이론적으로 엄청난 잠재력을 가지고 있음에도 불구하고 과학자들이 최종적으로 제작하는 메타광학 재료는 종종 기존 광학 방법보다 훨씬 낮은 이미지 품질을 제공한다는 것을 의미한다고 핀란드 탐페레 대학의 연구 공동 저자인 Karen Egiazarian은 말합니다.

새로운 연구에서 연구원들은 이러한 구성 요소가 어떻게 작동할지 계산적으로 모델링하는 대신 실제 렌즈와 센서를 사용하여 실험을 실행하는 "하드웨어 인 더 루프(hardware in the loop)" 전략을 탐구했습니다. 이는 메타 광학 개발에 필요한 처리 요구 사항을 최소 100배 이상, 메모리 요구 사항을 최소 10배 이상 크게 줄이는 데 도움이 되었다고 연구진은 지적했습니다.

결과적인 하이브리드 메타 광학은 700 나노미터 높이의 정사각형 질화규소 기둥에 코팅된 500 µm 두께의 석영 메타 광학 필름으로 덮인 4.5 밀리미터 두께의 표준 굴절 렌즈로 구성되었습니다. 실험에서 과학자들은 하이브리드 메타광학 및 전산 이미징 기술을 사용하여 0.5~1.8m 떨어진 이미지의 사진을 캡처했습니다.

새로운 단일 렌즈 장치는 소니 SEL85F18 복합 렌즈를 장착한 상업용 소니 알파 1 III 미러리스 카메라로 촬영한 것보다 품질이 좋거나 더 나은 풀 컬러 사진을 촬영했다고 연구원들은 말합니다.

"이 하드웨어 루프 방법론은 최첨단 기술에 비해 더 나은 광학 제품을 생산할 수 있습니다"라고 탐페레 대학의 연구 공동 저자인 Vladimir Katkovnik는 말합니다.

동시에 새 장치는 Sony 시스템 볼륨의 1% 미만이었습니다.

"현재 가장 영향력 있는 응용 분야는 스마트폰을 위한 차세대 맞춤형 카메라의 설계라고 생각합니다."라고 영국 Harwell 소재 과학 기술 시설 협의회(Science and Technology Facility Council)의 연구 주저자인 Samuel Pinilla는 말합니다. "우리는 또한 생물의학 응용에도 관심이 있습니다." 향후 연구에서는 초분광 이미징 및 이미지 분류와 같은 메타광학 응용 분야도 탐색할 수 있다고 Egiazarian은 말합니다.

새 장치의 하이브리드 메타 광학 장치의 너비는 5mm에 불과했습니다. 앞으로 연구원들은 더 높은 이미지 품질을 위해 더 많은 빛을 모으는 훨씬 더 넓은 메타 광학을 개발할 수 있다고 제안합니다. 그러나 이러한 광학 장치를 제조하는 것은 "아직 개발 중인 분야이며 주어진 디자인을 성공적으로 구현하려면 더 많은 혁신이 필요합니다"라고 Tampere의 연구 공동저자인 Igor Shevkunov는 말했습니다.