GIST, 디지털 기술 활용 2차원 광학 필터 배열 기반 소형 분광기 개발

[이데일리 이연호 기자] GIST(광주과학기술원)는 전기전자컴퓨터공학부 이흥노 교수 연구팀이 디지털 신호처리 기술을 이용해 이차원 광학 필터 배열 기반 소형 분광기를 개발하는데 성공했다고 7일 밝혔다.

광학 실험 세팅 및 제작된 필터 배열이 부착된 CMOS 카메라. 사진=GIST.

분광기는 파장에 따른 빛의 세기를 측정할 수 있는 기구로 광학, 환경공학, 생명공학, 식품산업 등 다양한 연구 및 산업 분야에 활용된다. 특히 소형 분광기는 특정 환경에서만 활용되던 기존 분광기와 달리 다양한 환경에서 물체의 특성을 측정할 수 있는 장점이 있다.

하지만 소형 분광기는 분광기 내부에 집적할 수 있는 광학 소자(광학 필터)의 개수 및 광학 소자간 간섭 현상 등 물리적 한계 때문에 높은 해상도를 제공하지 못하는 문제가 있다.

연구팀은 광학 필터 배열 방식의 분광기에 디지털 신호처리 기술을 활용해 가시광선·초근적외선 범위 넓은 파장대역의 빛의 세기를 적은 수의 광학 필터로 측정 가능한 손바닥 안에 들어오는 소형 분광기를 설계 및 제작했다.

특정 파장대역의 빛만 감지하는 일반적인 방식의 광학 필터와 달리 하나의 광학 필터가 여러 파장대역의 빛을 감지하도록 설계·제작했다. 이런 필터 36개를 이차원 배열로 만들었으며 이 배열을 CMOS 센서 위에 부착해 500~1000nm 파장 대역의 빛의 세기를 측정할 수 있었다.

CMOS 센서를 통해 측정된 빛의 세기들은 가시광선 및 초근적외선 파장범위의 다양한 정보를 갖고 있으나 여러 파장대역의 빛을 감지하는 필터 특성 상 정보가 서로 섞여 있는 문제가 있다.

연구팀은 이 같은 문제를 디지털 신호처리 기술을 이용해 해결하였다. 측정된 빛의 세기와 광학 필터들의 투과 특성을 이용해 특정 파장대역의 빛의 세기를 복구하는 방법으로 적은 수의 필터로 넓은 파장범위의 빛의 세기를 복구할 수 있다.

시뮬레이션 및 광학 실험을 통해 설계 및 제작된 소형 분광기가 단색광, LED 광원, 할로겐 소스 등 다양한 광원에서 안정적으로 동작함을 확인했다.

이흥노 교수는 “이번 연구는 시뮬레이션 결과로만 존재하던 랜덤필터 기반 소형 분광기가 실제로 구현될 수 있음을 보여줬다”며 “손바닥 안에 들어오는 소형 분광기를 통해 과일 당도 측정, 피부 상태 검진 등 일반인들도 실제 생활에서 분광기를 활용할 수 있게 됐다”고 연구의 의의를 밝혔다.