동전 두께보다 얇은 카메라가 가능하다?
처음에 카메라가 달린 휴대폰이 등장했을 때, 불필요한 기능이라는 의견도 적지 않았습니다. 지금 와서 말하면 저 역시 그렇게 작은 렌즈를 가진 조악한 품질의 카메라가 과연 무슨 의미가 있는지 궁금했습니다. 작더라도 제대로 된 카메라를 들고 다니는 편이 나아 보였죠.
그러나 불과 10여 년 만에 상황은 역전되어 이제는 스마트폰 카메라가 저가 휴대용 카메라를 밀어내고 있습니다. 과거를 생각하면 정말 신기한 일이지만, 작은 카메라 모듈로도 좋은 사진을 찍을 수 있을 만큼 기술이 발전했을 뿐 아니라 고화질 동영상도 찍을 수 있는 세상입니다.
하지만 아무리 작더라도 카메라는 카메라입니다. 센서와 렌즈는 필요합니다. 그런 만큼 카메라가 얇아질 수 있는 데는 어느 정도 한계가 존재합니다. 그러다 보니 카메라만 톡 튀어나온 '카톡튀'가 어쩔 수 없는 새로운 추세가 되었습니다. 솔직히 이렇게 작은 고성능 카메라가 가능하다는 것 자체가 기술의 경이지만, 더 얇아질 필요는 있는 것이죠. 그래서 많은 엔지니어와 과학자들이 더 얇은 카메라 개발에 몰두하고 있습니다.
이중에서 라이스 대학의 연구자들은 극도로 얇은 카메라를 만들기 위해서 더 과감해질 필요가 있다고 제안했습니다. 모든 것을 갖추면 지금보다 더 얇게 만들 수 없기 때문이죠. 이들이 제시한 방법은 아예 렌즈를 없애는 것입니다.
어떻게 렌즈 없는 카메라가 가능할 수 있는지 반문할 수 있지만, 사실 그런 카메라는 이미 존재합니다. 핀홀(pinhole) 또는 바늘구멍 카메라라고 하는 것이죠. 내부가 검은 상자에 구멍을 하나 뚫고 그 안쪽에 필름을 놓으면 렌즈 없이도 상이 맺히게 되는 것을 이용한 것입니다.
물론 핀홀 카메라는 상당히 원시적인 도구입니다. 진화의 역사를 봐도 핀홀 카메라와 유사한 눈구조를 가진 생물에서 렌즈 역할을 하는 수정체를 진화시킨 더 고등한 동물이 나왔으니까요. 당연히 렌즈가 있는 쪽이 초점이 맞는 선명한 이미지를 얻는 데 도움이 됩니다.
더욱이 핀홀 카메라라고 해도 당연히 구멍과 상이 맺히는 망막 역할을 하는 이미지 센서 사이에는 공간이 필요합니다. 그렇게 생각하면 언뜻 생각하기에 핀홀 카메라로 초박막 카메라를 만든다는 것은 쉽게 이해가 되지 않는 이야기입니다.
사실 연구팀이 제시한 방법은 여기서 한 걸음 더 발전한 것입니다. 이들은 작은 구멍 하나 대신 여러 개의 구멍이 있는 마스크를 0.5mm 정도의 거리를 두고 센서와 위치시켰습니다. 당연히 이렇게 맺히는 상은 작게 조각나서 알아볼 수 없을 정도지만, 이를 컴퓨터에서 복원하면 제대로 된 사진을 얻을 수 있습니다.
▲ 플랫캠의 원리와 샘플 사진(출처=라이스 대학)
▲ 플랫캠의 원리와 샘플 사진(출처=라이스 대학)
이들이 만든 플랫캠(Flatcam)은 동전보다 얇은 두께의 카메라로 512 x 512픽셀 (약 26만 화소)의 프로토타입입니다. 사실 이미지의 질은 좋지 않지만, 이렇게 얇은 카메라가 컬러 사진을 찍을 수 있다는 것은 기술적 경이라고 할 수 있습니다.
근본적으로 렌즈가 없는 핀홀 카메라이기 때문에 과연 더 개발한다고 해도 현재의 고성능 카메라 같은 성능을 낼 수 있을지는 의심스럽지만, 원리적으로 생각할 때 지금보다 더 얇은 초박막 카메라도 불가능하지 않을 것입니다. 그러면 여러 가지 분야에서 응용될 수 있습니다.
예를 들어 아주 얇고 가벼운 카메라가 가능하다면 초소용 로봇이나 드론에 여러 개의 눈을 달아줄 수 있습니다. 곤충의 눈처럼 아주 얇고 가벼운 눈이 가능한 것이죠. 꼭 선명한 사진이 아니라도 주변 장애물과 상황을 식별할 수 있는 수준이면 충분할 수 있습니다.
내시경의 경우 현재처럼 앞에만 카메라를 다는 것이 아니라 측면에도 박막 카메라를 달아 시야 사각지대를 줄이는 일이 가능할지도 모릅니다. 더 나아가서 렌즈가 없는 만큼 만약 센서만 플렉서블하게 만들면 기존에는 불가능했던 곡면 카메라나 혹은 종이처럼 말거나 접을 수 있는 카메라가 가능할 수 있습니다.
10여 년 전 우리가 휴대폰에 있는 카메라가 지금처럼 발전할지 상상하기 힘들었던 것처럼 앞으로 10년, 20년 후의 카메라 기술 역시 이전과 같지 않을 것입니다. 과연 미래에 등장할 카메라는 우리의 상상에서 얼마나 벗어난 것일지 궁금합니다.
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