이 새로운 카메라는 렌즈 없이 보이지 않는 것을 3D로 봅니다.

연구진은 레이저 광을 사용하여 비선형 결정 내부에 작은 "광학 핀홀"을 형성합니다. 이 핀홀은 적외선 이미지를 기존 실리콘 기반 카메라 센서가 감지할 수 있는 가시광선 이미지로 변환합니다. 이러한 구성을 통해 연구진은 렌즈를 사용하지 않고도 매우 어두운 환경에서도 선명하고 넓은 심도의 이미지를 포착했습니다. 출처: 쿤 황, 화동사범대학교

연구진은 수 세기 동안 연구되어 온 핀홀 이미징이라는 아이디어를 활용하여 렌즈 없이도 고성능 중적외선 이미징 시스템을 개발했습니다. 이 새로운 카메라는 넓은 범위와 저조도 환경에서도 매우 선명한 사진을 촬영할 수 있어 기존 카메라로는 촬영하기 어려운 상황에도 유용하게 활용할 수 있습니다.

"열이나 분자 지문처럼 많은 유용한 신호가 중적외선에 존재하지만, 이 파장에서 작동하는 카메라는 잡음이 많고 가격이 비싸거나 냉각이 필요한 경우가 많습니다."라고 화동사범대학교 연구팀장 허핑 젱은 말했습니다. "게다가 기존의 렌즈 기반 시스템은 피사계 심도가 제한적이며 광학 왜곡을 최소화하기 위해 세심한 설계가 필요합니다. 저희는 다른 시스템보다 훨씬 더 넓은 피사계 심도와 시야를 제공하는 고감도의 렌즈 없는 방식을 개발했습니다."

Optica Publishing Group의 영향력 높은 연구 저널인 Optica 에 게재된 논문 에서 , 연구진은 빛을 이용하여 비선형 결정 내부에 작은 "광학 핀홀"을 형성하고, 이를 통해 적외선 이미지를 가시광선 이미지로 변환하는 방법을 설명합니다. 이 시스템을 사용하여 35cm 이상의 피사계 심도와 6cm 이상의 시야각을 가진 선명한 중적외선 이미지를 얻었습니다. 또한 이 시스템을 사용하여 3D 이미지도 얻을 수 있었습니다.

"이 접근법은 야간 안전, 산업 품질 관리, 그리고 환경 모니터링을 향상시킬 수 있습니다."라고 화동사범대학교 연구팀원인 쿤 황은 말했습니다. "또한 더 단순한 광학 장치와 표준 실리콘 센서를 사용하기 때문에 궁극적으로 적외선 이미징 시스템을 더 저렴하고 휴대 가능하며 에너지 효율적으로 만들 수 있습니다. 또한 렌즈 제작이 어렵거나 성능이 떨어지는 원적외선이나 테라헤르츠 파장과 같은 다른 스펙트럼 대역에도 적용할 수 있습니다."

핀홀 이미징의 재구성

핀홀 이미징은 기원전 4세기 중국의 철학자 묵자가 처음 기술한 가장 오래된 이미지 제작 방식 중 하나입니다. 전통적인 핀홀 카메라는 빛이 들어오지 않는 상자의 작은 구멍을 통해 빛을 통과시켜 상자 안의 반대쪽 표면에 바깥 풍경의 반전된 상을 투사합니다. 렌즈 기반 이미징과 달리, 핀홀 이미징은 왜곡을 방지하고 무한한 피사계 심도를 가지며 광범위한 파장 범위에서 작동합니다.

이러한 장점을 현대 적외선 이미징 시스템에 접목하기 위해 연구진은 강력한 레이저를 사용하여 비선형 결정 내부에 광학 구멍, 즉 인공 조리개를 형성했습니다. 이 결정은 특수한 광학적 특성으로 인해 적외선 이미지를 가시광선으로 변환하여 일반 실리콘 카메라로 기록할 수 있도록 합니다.

연구진은 넓은 시야각을 확보하는 데는 넓은 방향에서 오는 빛을 수용할 수 있는 처프 주기 구조를 가진 특수 설계된 결정의 사용이 핵심이었다고 밝혔습니다. 또한, 상향 변환 검출 방식은 노이즈를 자연스럽게 억제하여 매우 어두운 환경에서도 작동할 수 있도록 합니다.

황 박사는 "무렌즈 비선형 핀홀 이미징은 왜곡 없이 깊은 심도와 넓은 시야를 가진 고감도 중적외선 이미징을 구현하는 실용적인 방법입니다."라고 말했습니다. "초단 동기화 레이저 펄스는 또한 매우 적은 광자만으로도 민감한 비행 시간 기반 깊이 이미징에 사용할 수 있는 초고속 광학 시간 게이트를 내장하고 있습니다."

약 0.20mm 반경의 광학 핀홀이 선명하고 잘 정의된 세부 정보를 생성한다는 것을 알아낸 후, 연구진은 이 조리개 크기를 사용하여 11cm, 15cm, 19cm 거리에 있는 표적을 이미지화했습니다. 모든 거리에서 3.07μm의 중적외선 파장에서 선명한 이미지를 얻어 넓은 심도 범위를 확인했습니다. 또한 최대 35cm 떨어진 물체의 이미지도 선명하게 유지하여 넓은 피사계 심도를 보여주었습니다.

렌즈 없이 3D 이미징

연구진은 두 가지 유형의 3D 이미징에 이 시스템을 적용했습니다. 3D 비행 시간 이미징의 경우, 동기화된 초고속 펄스를 광학 게이트로 사용하여 무광 세라믹 토끼의 이미지를 촬영하고 미크론 수준의 축 정밀도로 3D 형상을 재구성할 수 있었습니다. 입력을 펄스당 약 1.5개의 광자로 줄여 매우 낮은 조도 조건을 시뮬레이션한 경우에도, 상관관계 기반 잡음 제거 후 3D 이미지를 생성했습니다.

또한, 두 개의 "ECNU" 표적을 서로 약간 다른 거리에 겹쳐서 촬영한 두 장의 사진을 통해 두 개의 스냅샷 심도 이미징을 수행하여 실제 크기와 깊이를 계산했습니다. 이 방법을 통해 복잡한 펄스 타이밍 기법을 사용하지 않고도 약 6cm 범위에서 물체의 깊이를 측정할 수 있었습니다.

연구진은 중적외선 비선형 핀홀 이미징 시스템이 아직 개념 증명 단계에 있으며, 상대적으로 복잡하고 부피가 큰 레이저 장비를 필요로 한다고 지적합니다. 그러나 새로운 비선형 소재와 통합 광원이 개발됨에 따라 이 기술은 훨씬 더 소형화되고 구축이 용이해질 것입니다.

현재 그들은 시스템을 더욱 빠르고, 민감하게, 그리고 다양한 이미징 시나리오에 적응할 수 있도록 개발하고 있습니다. 변환 효율을 높이고, 다양한 장면에 맞춰 광학 핀홀을 재구성하는 동적 제어 기능을 추가하며, 카메라 작동 범위를 더 넓은 중적외선 영역으로 확장하는 것이 그들의 계획입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250926035048.htm