국내연구진이 인공지능(AI) 기술과 나노광학 기술을 융합하여 자율주행자동차와 로봇의 전방위 주변 환경 인식에 활용 가능한 360도 구조광 3D센서 구현이 가능한 메타표면* 설계법을 개발하였다.

* 메타표면: 빛의 파장보다 작은 나노 구조체의 배열로 이루어진 첨단 광학 요소.

한국연구재단(이사장 이광복)은 포항공과대학교 백승환 교수와 노준석 교수 공동연구팀이 AI 기반의 메타표면을 설계법을 개발하여 360도 홀로그램 구조광 설계와 제작에 성공했다고 밝혔다.

구조광은 빛의 패턴을 만들어 투사하는 기술로 3차원 이미징, 홀로그램, 라이다*를 비롯해 넓은 시야각을 지닌 증강현실(AR)과 가상현실(VR) 기기에 사용된다.

* 라이다(LiDAR): 발사된 빛이 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 이미징 시스템으로부터 물체까지의 거리를 측정하는 기술.

하지만, 기존 구조광 기술은 시야각이 제한적이며, 원하는 임의의 빛 패턴을 만들 수 없어 360도 전 방향 환경 인식과 상호작용을 위해 많은 수의 광원을 사용해야하는 어려움이 있었다.

연구팀은 AI와 컴퓨터비전 기술, 나노 기술을 접목한 다학제적 연구를 통해 나노광학 소자인 메타표면에 빛을 투사하면 원하는 360도 구조광 패턴의 빛을 만들 수 있는 AI기반 메타표면 설계법을 개발하였다.

새로운 AI기반 설계법은 인공신경망 학습방법을 통해 나노광학 소자인 메타표면에 빛이 동시에 투사-반사되어 360도 전 방향으로 전파되어 원하는 임의의 구조광을 만들 수 있다.

연구팀은 새로운 설계법으로 제작한 메타표면을 적용한 360도 카메라-구조광시스템을 이용하여 세계 최초로 360도 전방위 홀로그램과 구조광기반 360도 3차원 이미징 기술을 실증하였다.

본 기술을 이용하면 애플 face ID보다 10배 이상 작은 디바이스 제작이 가능하며, 고전적인 회절광학의 낮은 설계 자유도와 큰 크기 문제를 메타광학으로 극복할 수 있다.

백승환 교수는 “360도 구조광 기술은 360도 주변 환경을 인식해야 하는 로봇과 자율 주행 자동차를 비롯해 시야각을 높여야 하는 가상/확장현실(VR/AR) 시스템을 비롯해 360도 전 공간에서 자유롭게 상호작용할 수 있는 인간-컴퓨터 밀착 기술 등 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

노준석 교수는 “다중 메타표면 구조체에 대한 후속연구를 통해 지금 기술보다 한 단계 더 발전된 전면과 후면의 홀로그램 구조광이 동일하여 완벽한 자유도를 가지는 360도 구조광을 만들 계획이다”라고 부연했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 우수신진연구사업(백승환)과 중견연구사업(공동 교신저자 노준석)의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 광학 분야 국제학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 6월 11일 게재되었다.