렌즈 없이…물리적 한계 이상 촬영 가능한 광학 센서

이미징 기술은 전파망원경 어레이에 의한 원거리 은하 맵핑부터 세포 내부 미세 구조 규명에 이르기까지 다양한 돌파구를 뒷받침해왔다. 하지만 여전히 다루기 어려운 렌즈나 엄격한 조정 제약 없이 가시광선 영역에서 고해상도·광시야 이미지를 촬영할 수 없다는 근본적인 장벽이 남아 있다. 코네티컷대학 연구팀이 과학·의학·산업 전반에 걸쳐 광학 이미징을 재정의할 가능성이 있는 획기적인 솔루션을 발표했다.

이벤트 호라이즌 망원경이 블랙홀 촬영을 가능하게 한 기법인 합성개구 이미징은 여러 떨어진 위치에 있는 센서 측정값을 코히어런트하게 결합해 훨씬 더 큰 촬영 개구를 시뮬레이션하는 촬영 방법이다.

전파천문학에서는 전파 파장이 훨씬 길기 때문에 센서 간에 정확한 동기화가 가능하며 이게 실현 가능하게 된다. 하지만 가시광선 파장에서는 대상이 되는 스케일이 자릿수 단위로 작아지는 탓에 기존 동기화 요구사항을 충족하는 건 물리적으로 불가능하다. 이는 이미징 기술에 있어서 오랜 기술적 과제였다.

이에 연구팀이 개발한 게 MASI(Multiscale Aperture Synthesis Imager)라고 불리는 기법이다. 여러 광학 센서를 물리적으로 완전히 동기화하려면 나노미터 수준 정밀도가 필요하기 때문에 MASI에서는 각 센서가 개별적으로 빛을 측정하고 계산 알고리즘을 사용해 데이터를 동기화한다.

연구팀은 MASI를 여러 사진작가가 같은 장면을 일반 사진이 아니라 광파 특성 원시 측정값으로 촬영한 뒤 소프트웨어로 이런 독립적인 촬영 결과를 이어 붙여 초고해상도 이미지 하나를 만드는 것과 같은 것이라고 설명한다.

MASI가 등장하면서 지금까지 광합성 개구 시스템 실용화에 있어 장애가 되어온 엄격한 간섭계 설정이 불필요하게 됐다고 한다.

MASI는 기존 광학 이미징과는 다른 기법을 채택하고 있다. 하나는 렌즈를 사용해 빛을 센서에 집광하는 게 아니라 회절면 다른 부분에 배치된 코드화 센서 어레이를 전개한다는 점이다. 코드화 센서 어레이는 물체와 상호작용한 뒤 광파가 퍼지는 방식을 포착해 계산 알고리즘을 사용해 빛이 들어오는 방식을 복원한다.

회절 이전 상태로 복원된 광파에 디지털 패딩 처리를 실시하고 수치적으로 파동장을 물체면으로 전파시킨다. 이후 계산에 의한 위상 동기화 기법으로 센서별 데이터 상대적 위상 오프셋을 반복 조정해 통합 재구성에서 전체적인 코히어런스와 에너지를 최대화한다.

MASI는 센서를 물리적으로 배치하는 게 아니라 소프트웨어로 결합된 파동장을 최적화해 기존 광학계에서 장애가 되어온 회절 한계와 기타 제약을 극복하고 있는 것이다. 이를 통해 단일 센서보다 큰 가상 합성 개구가 가능해지며 렌즈 없이 서브마이크론 해상도 고정밀 이미지 촬영이 가능해진다.

MASI를 사용하면 렌즈 없이 수 센티미터 떨어진 위치에서 회절 패턴을 포착하는 것만으로 서브마이크론 수준 해상도로 이미지를 재구성할 수 있다. 이는 인간 머리카락 내 미세한 융기를 눈에서 수 센티미터 거리가 아니라 책상 건너편에서 관찰할 수 있는 것과 같다.

연구팀은 MASI의 잠재적 응용 분야는 법의학이나 의료 진단부터 산업 검사와 원격 감지까지 다방면에 걸쳐 있지만 가장 흥미로운 건 확장성이라며 기존 광학계는 규모가 커질수록 지수함수적으로 복잡해지는 반면 이 시스템은 직선적으로 확장할 수 있어 지금까지 상상도 못했던 애플리케이션을 위한 대규모 어레이를 실현할 가능성이 있다고 말했다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.