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두께 약 1/100mm의 얇은 평면 렌즈로 동시에 모든 물체에 초점을 맞출 수 있다.
기존의 굴절 렌즈보다 1000배나 초점 심도를 증가시킬 수 있음.
서로 다른 거리에 있는 물체까지도 선명하게 이미지를 촬영할 수 있다.
다단계 회절 렌즈의 초기 테스트에서 렌즈는 5~1,200mm 거리에서 평행 광선을 집중시킬 수 있다. 약 6미터 떨어진 두 물체를 선명하게 촬영.

카메라 및 광학기기용 새로운 평면 렌즈
초박형 렌즈에 높은 피사계 심도를 제공하는 새로운 구조
*피사계 심도 [Depth of Field] 사진술에서 한 사진의 초점이 맞은 것으로 인식되는 범위이다.

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가장 작은 공간에서의 피사계 심도(Depth of Field) :
초점을 맞추지 않고 ​높은 피사계 심도를 달성하는 렌즈가 개발됐다.
이 렌즈를 통해 서로 다른 거리에 있는 물체들을 한 번에 초점 맞출 수 있다.
이것이 가능한 것은 나노 기술로 고리(Ring)가 복잡한 방식으로 빛을 굴절시키도록 하는 표면처리 기술 덕택이다.
이러한 나노 평면렌즈는 휴대 전화 카메라, 내시경 또는 자율 주행 자동차에 사용될 가능성이 많다.

▲ 새 렌즈는 얇고 평평하며 여전히 피사계 심도가 크다. © Rajesh Menon / University of Utah

렌즈는 카메라, 현미경 또는 망원경에 필수적이다.
이러한 광학 시스템은 일반적으로 렌즈와 이미지 센서 사이의 거리를 변경하여 초점을 맞춘다. 그러나 스마트 폰의 평면 카메라에서는 불가능하다. 서로 다른 거리에 있는 물체를 묘사하려면 종종 여러 렌즈로 구성된 시스템이 필요하다.

하나의 렌즈로 다른 초점 심도

유타 대학의 수랑수 바네르지(Sourangsu Banerji)가 이끄는 연구원들은 이 복잡한 렌즈 배열을 쓸모없게 만드는 방법을 찾았다. 필요한 것은 두께 약 1/100mm의 얇은 하나의 렌즈다. 바네르지(Banerji)의 동료 라제쉬 메논(Rajesh Menon)은 “새로운 렌즈는 초점을 맞출 필요가 없으며 각 카메라가 동시에 모든 물체에 초점을 맞출 수 있다. 우리의 접근 방식은 일반적인 디자인에 가깝기 때문에 모든 밝은 색상에 초점을 맞추고 카메라를 더욱 단순화하는 단일 평면 렌즈를 만드는 데 사용할 수 있다."고 말했다.

빛의 초점을 맞추기 위해 기존의 렌즈는 들어오는 평행한 빛의 파동을 구형파로 변환한다.
빛은 굴절돼 한 초점에 함께 빛이 도달하도록 한다. 연구원들이 발견한 것처럼 이 초점 효과는 다른 굴절 패턴과 파형을 통해서도 달성될 수 있다. “광학 교과서에서 가르치는 것과는 달리, 우리의 연구는 이상적인 렌즈를 통해 빛의 투과에 영향을 미치는 여러 가지 방법, 즉 동공 또는 조리개 기능이라고 알려진 개념이 있다.”고 메논(Menon)은 설명한다. 

▲ 빛의 초점을 맞추기 위해 기존의 렌즈는 들어오는 평행한 빛의 파동을 구형파로 변환한다.

초박형 렌즈의 성공적인 테스트

이러한 결과를 바탕으로 Banerji와 그의 팀은 소위 다단계 회절 렌즈를 개발했다.
두께가 몇 마이크로미터인 이 평면 렌즈는 표면은 고리 모양의 나노구조로 돼 있다.
이들이 다른 각도에서 빛을 굴절시킨다. 결과적으로 렌즈는 평평하고 얇은 모양에도 불구하고 넓은 거리의 피사계 심도를 달성하고 서로 다른 거리에 있는 물체까지도 선명하게 이미지를 촬영할 수 있다.

다단계 회절 렌즈의 초기 테스트에서 렌즈는 5~1,200mm 거리에서 평행 광선을 집중시킬 수있는 것으로 나타났다. 또한 약 6미터 떨어진 두 물체를 선명하게 촬영할 수 있다.
지금까지 이 테스트는 적외선을 통해서만 수행되었지만, 연구원들은 이미 가시광선의 전체 범위에서 작동할 추가 개발을 계획하고 있다.

▲ Image by newswatch from Pixabay

스마트 폰 카메라에서 자율 주행까지

Banerji와 그의 동료들은 “멀티 레벨 회절 렌즈의 적절한 디자인으로 기존의 굴절 렌즈보다 1000배나 초점 심도를 증가시킬 수 있음을 보여 주었다. 따라서 이 새로운 기술은 수많은 응용 분야에 적합 할 수 있다. "이러한 광학 기술은 더 얇은 스마트 폰 카메라, 내시경 검사와 같은 생체 의학 이미징을 위한 개선된 소형 카메라 및 자동차 용 소형 카메라를 가능하게 한다"라고 Menon은 말한다.

LIDAR와 같은 레이저 기반 측정 시스템도 새로운 렌즈 기술의 혜택을 누릴 수 있다.
LIDAR 기술 (광 검출 및 거리 측정)은 고해상도 속도 및 거리 측정을 위해 레이저 빔을 사용하며 무엇보다도 자율 주행 자동차에 사용된다.
(Optica, 2020; doi : 10.1364 / OPTICA.384164)

출처 : The Optical Society

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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