[연구의 필요성]

카메라 앞에 먼지, 흙, 빛방울과 같은 장애물이 묻으면 그 너머의 장면이 가려진다. 소형 드론, 로봇, 내시경 카메라처럼 사람이 즉시 렌즈를 닦기 어려운 장치에서는 이런 가림이 영상 품질뿐 아니라 컴퓨터 비전 성능에도 악영향을 끼친다. 여러 렌즈를 배열 형식으로 배치하여 다양한 시야각에서 촬영한 영상을 합성하여, 정면의 장애물을 투시하는 시스템이 존재하지만, 이 방식은 크기를 줄이기 어려워 소형 카메라 시스템에 적용하기 힘들었다. 메타렌즈는 빛의 파장보다 작은 구조물을 평면에 배열해 빛을 제어하는 얇은 렌즈다. 작은 카메라에 유리하지만 여러 색의 빛으로 먼 장면을 선명하게 찍는 동시에 가까운 가림물을 흐리게 만드는 데에는 어려움이 있었다. 빛의 색이 달라질 때와 광원의 거리가 달라질 때 비슷한 초점 변화가 나타나는 ‘깊이–파장 대칭성’ 때문이다.

[포스텍이 가진 고유의 기술]

연구팀은 파장 변화와 거리 변화가 어떻게 연결되는지 정량적으로 설명하는 깊이–파장 대칭성의 첫 해석 모델을 개발했다. 어느 파장에서 먼 장면이 선명하게 맺히면, 가까운 가림물은 다른 파장에서 선명하게 맺힐 수 있다는 관계를 수식으로 설명한 것이다. 이는 메타렌즈의 색 특성과 거리별 초점 특성을 함께 설계하는 이론적 토대가 됐다.

이어 연구팀은 빨강·초록·파랑 각 색 영역을 빛이 통과하는 대역과 차단되는 대역으로 나눴다. 먼 장면의 빛은 통과 대역에서 선명하게 모으되, 가까운 장애물이 선명하게 맺히는 파장은 차단 대역에 놓이도록 메타렌즈를 설계하고 해당 성분을 필터로 걸러내었다. 이를 통해 가까운 장애물을 흐릿하게 만들고 장애물 뒤에 가려졌던 장면만을 선명하게 촬영하였다. 마지막으로 영상 복원 신경망으로 남아 있는 흐림과 수차를 보정했다.

[연구의 의미]

이번 기술은 장애물을 즉시 제거하기 어려운 환경에서 소형 카메라의 영상 품질과 시각 인식의 안정성을 높이는 데 활용될 수 있다. 향후 드론과 로봇의 주변 환경 인식, 내시경 영상 획득 등으로 응용 범위를 넓힐 수 있으며, 디스플레이 뒤에 배치하는 카메라처럼 구조물에 의한 가림이 발생하는 장치에도 적용 가능성을 검토할 수 있다. 아울러 이번에 제시한 깊이–파장 대칭성 모델은 가림 억제 촬영을 넘어, 홀로그래피와 3차원 이미징, 초분광 이미징 등에서 빛의 색과 거리 정보를 함께 제어하는 광학 설계의 이론적 기반으로 활용될 것으로 기대된다.

[연구결과의 진행 상태 및 향후 계획]

본 연구는 다학제 분야 최고 권위 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 2026년 8월 15일 게재되었다. 연구팀은 앞으로도 메타표면을 활용하여 기존 광학계에서 불가능하던 기능을 스마트폰, 디스플레이, 그리고 카메라에 구현하는 동시에 이미징 및 디스플레이 기기의 소형화에 대한 연구를 이어나갈 예정이다.

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  [성과와 관련된 실적]

논문: Yoon, S., Kang, D., Choi, E. et al. De-occluding broadband metalens. Nat Commun 17, 9808 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-76606-0

프로젝트 페이지: https://puostyoon.github.io/de-occluding-broadband-metalens-project-page/

본 연구는 POSTECH(포항공과대학교) 컴퓨터공학과 백승환 교수와 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과 노준석 교수, 컴퓨터공학과 윤승우·기계공학과 강도현 연구자 등으로 구성된 공동연구팀이 수행하였으며, 이번 연구에는 POSTECH 인공지능대학원 곽수하 교수, 미국 워싱턴대학교 Arka Majumdar 교수와 UNIST 최민호 교수 등이 참여했다.

[성과와 관련된 이미지]

그림1. 가림 투시 광대역 메타렌즈의 개념도 및 가림 상태에서 다른 메타렌즈들과 이미징 결과 비교