GIST 이흥노 교수 연구팀, 이차원 광학 필터 배열 기반 소형 분광기 개발

바이오 센싱 및 환경 모니터링 등 다양한 분야 활용 가능

이흥노 교수

GIST(지스트, 총장 문승현) 전기전자컴퓨터공학부 이흥노 교수 연구팀이 디지털 신호처리 기술을 이용하여 이차원 광학 필터 배열 기반 소형 분광기를 개발하는데 성공했다.

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 활용하여 가시광선‧초근적외선 범위의 넓은 파장대역의 빛의 세기를 적은 수의 광학 필터로 측정 가능한 손바닥 안에 들어오는 소형 분광기를 설계 및 제작하였다.

특정 파장대역의 빛만 감지하는 일반적인 방식의 광학 필터와 달리, 하나의 광학 필터가 여러 파장대역의 빛을 감지하도록 설계‧제작하였다. 이러한 필터 36개를 이차원 배열로 만들었으며, 이 배열을 CMOS 센서 위에 부착하여 500 – 1000 nm 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.

김철순 제1저자

연구팀은 이러한 문제를 디지털 신호처리 기술을 이용하여 해결하였다. 측정된 빛의 세기와 광학 필터들의 투과 특성을 이용하여 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 보였다.

이흥노 교수는 “이번 연구는 시뮬레이션 결과로만 존재하던 랜덤필터 기반 소형 분광기가 실제로 구현될 수 있음을 보여주었으며, 수학적 신호처리 기술을 이용하여 고가의 분광기 성능을 크게 뛰어넘었다”면서, “손바닥 안에 들어오는 소형 분광기를 통해 과일 당도 측정, 피부 상태 검진 등 일반인들도 실제 생활에서 분광기를 활용할 수 있게 되었다”고 연구의 의의를 밝혔다.

GIST 전기전자컴퓨터공학부 이흥노 교수(교신저자)가 주도하고, 김철순 석박통합과정생(제1저자)이 참여한 이번 연구는 한국연구재단 재원으로 도약연구지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구성과는 엘스비어(Elsevier)에서 발행하는 광학 분야 국제학술지인‘Optics and Lasers in Engineering’에 2018년 11월 24일 온라인 게재되었다.