유타대 연구진, 사람 머리카락 1/10 두께 렌즈 개발

카메라의 디자인을 바꿔버릴 새롭고 가벼운 평면 렌즈

디지털 카메라, 스마트폰, 안경 등의 부피가 큰 렌즈만을 탑재해왔던 전자기기나 사물들이 기존의 렌즈를 종잇장만큼 혹은 그 보다 얇은 사람의 머리카락 1/10 두께의 렌즈로 교체된다면 어떠할까?
고화질의 사진과 영상을 촬영하기위해서 좋은 렌즈는 필수이다. 여기서 좋은 렌즈라고 하면 대부분의 독자들 머릿속에는 크고 두꺼운 렌즈가 떠오를 것이다. 왜냐하면 빛의 굴절현상 때문에 더 크고 더 두꺼운 렌즈가 더 좋은 해상도의 뷰(View)를 얻는 것은 당연한 일이기 때문이다. 하지만 유타대 연구진들이 이런 고정관념을 넘어설 렌즈를 개발했다.

기존 렌즈의 단점
렌즈에는 각각 렌즈마다 고유한 초점(F)이 있어 광축에 평행하게 입사하는 평행광선은 렌즈를 통과한 후 이 점에 모이거나(볼록렌즈의 경우), 이 점으로부터 나오는 빛과 같이 발산(오목렌즈의 경우)한다. 이처럼 우리 눈이나 사진기로 이미지를 포착하기 위해서는 유리를 통해 굴절 또는 반사된 빛이 한 점으로 모여 상을 이루어야 하며 여러 종류의 빛색깔이 렌즈를 통과해 카메라센서나 눈 망막의 한 점에 모여야 한다. 하지만 굴절원리를 이용하는 기존 카메라들은 빛을 굴절시키기 위해 여러 장의 곡면렌즈를 사용하야 빛의 모든 색깔이 하나의 지점으로 모이도록 했다. 그 결과로 렌즈의 부피가 커져 카메라 또한 크고 무겁게 만들었다.

새로운 렌즈
앞서 말한 기존 렌즈의 단점들을 극복하기 위해 라제쉬 메넌(Rajesh Menon) 유타대 컴퓨터 공학과 교수는 회절원리를 이용한 초박형 평면렌즈 설계 방법을 개발했다. 빛은 이 렌즈의 마이크로 구조와 상호작용해 구부러지게 된다. 그의 연구 결과는 지난 2월호 ‘울트라 광대역 초점 무색-일탈-교정 회절형 렌즈(Chromatic-Aberration-Corrected Diffractive Lenses for Ultra-Broadband Focusing)’ 라는 제목으로 사이언티픽 리포트에 발표되었다. 이 연구는 유타 대학의 박사 과정 학생 Peng Wang과 Nabil Mohammad에 의해 공동 저술되었다.
이 초박형 렌즈는 엄청나게 얇아졌음에도 불구하고 회절원리를 이용해 빛을 하나의 초점에 맞춰준다. 또한 새로운 렌즈는 “초박형 평면렌즈는 빛의 색깔을 굴절시켜야 하는 카메라와 같은 광학기기에 적합하지 않다.”는 기존 관념을 뛰어넘었다.

유타대 연구진
메넌 교수는 “우리는 자연에서도 특정한 나비의 날개에서 이 같은 현상을 볼 수 있다. 나비 날개의 색깔은 회절을 통해 우리 눈에 들어오게 된다. 우리는 회절현상에 의해 무지개를 보기도 한다.”며 “우리연구는 회절을 통해 빛을 구부러지게 만들면서 서로 다른 빛의 컬러가 한 점에 모아지게 만들었다는 점에서 새롭다. 그동안 사람들은 이것이 불가능하다고 믿었다.”라고 소감을 밝혔다.
이어 그는 “렌즈에 곡률을 갖도록 하는 대신 매우 납작하게 만듦으로써 스마트폰 같은 기기를 완전히 새로운 사진촬영 시스템으로 디자인 할 기회를 갖도록 했다.”라며 “우리의 연구는 ‘평면·회절렌즈로는 모든 색깔을 동시에 보정할 수 없다’는 그간의 오해를 바로 잡았다.”고 덧붙였다.

자료제공 | 유타 주립 대학교(www.utah.edu)