1초에 1천억 프레임을 찍는 스트릭 카메라

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-09
개조된 스트릭 카메라(streak camera)는 실시간으로 단일 레이저 펄스의 움직임을 찍을 수 있을 정도로 충분히 빠르다. 스트릭 카메라는 광 펄스의 세기 변동을 시간에 따라 측정하지만, 하나의 차원에서만 측정한다. 워싱턴대(Washington University) 연구진이 더 넓은 개구부와 압축초고속사진술(compressed ultrafast photography : CUP)이라는 기술을 이용하여 자신들의 카메라에 2D 능력을 부여했다. CCD와 CMOS 센서는 온칩 저장 속도와 전자적인 판독 속도에 의해 영상화 속도가 1초에 1천만 프레임 정도로 제한된다. 대조적으로, 압축 초고속 사진술은 최대 1천억 프레임까지 사건들을 포착할 수 있으며, 수십 피코초의 시간 분해능이 가능하다. “최초로, 날아가는 빛 펄스를 인간이 볼 수 있게 되었다. 이 기술은 영상화 프레임 속도를 여러 차수나 발전시켰기 때문에, 이제 우리는 새로운 통찰력을 갖게 할 새로운 영역으로 들어가게 되었다. 모든 새로운 기술들, 특히 양자 기술들이 발전할 때는 항상 수많은 발견들이 뒤를 이었다. 압축초고속사진술이 이전에는 예상치도 못했던 새로운 과학 발견을 가능하게 해 주기를 기대한다”고 주연구원 리홍 왕(Lihong Wang) 박사는 말했다. 빛은 압축초고속사진술 시스템의 여러 부품들과 상호작용을 한 뒤에 스트릭 카메라에 도달한다. 3개의 렌즈들을 통과한 뒤에 빛은 7-µm^2의 거울 백만 개가 있는 인코딩 시스템에 도달한다. 거울들은 빔분할기를 통해 그 빛을 다시 반사시켜 스트릭 카메라의 넓어진 틈 속으로 집어넣는다. 카메라에 도달한 광자들은 전자로 바뀌고, 그 전자들은 2개의 전극에 탈취된다. 전극은 높은 값에서 낮은 값으로 경사진 전압을 인가하므로, 전자들은 서로 다른 시간에 도달하여 서로 다른 수직 위치에 내려앉을 것이다. CCD에 저장된 모든 비가공 데이터는 컴퓨터에 의해 조립된다. 이 장치는 수신만 하므로, 다른 단일촬영 초고속 영상기에서 요구되는 특수한 능동 조명이 불필요하다. 최근의 다른 실험들에서도 레이저 펄스가 슬로우 모션으로 시각화되었지만, 그 기술들은 여러 펄스들을 합성 비디오로 찍어야 했다. 이번 압축초고속사진술은 단일 펄스의 전파를 시각화할 수 있다. 이 기술을 이용한 왕과 동료들은 거울에서 반사되는 레이저 펄스, 두 매질의 경계에서 굴절되는 펄스, 서로 다른 매질에서 경주하는 펄스들, 그리고 ‘non-information’의 빛보다 빠른 전파를 보여주는 영화를 만들었다. 이 기술은 생체영상화 분야에서 형광체의 수명을 연구하는데 이용될 수 있으며, 법의학과 천문학에 응용될 수도 있다. “이러한 초고속 카메라는 매우 빠른 생물 상호작용과 화학 과정들에 대한 우리의 이해를 크게 높여 줄 가능성이 있으며 복잡하고 동적인 시스템에 대한 더 우수한 모형을 만들 수 있게 해 줄 것”이라고 이번 압축초고속사진술 연구에 자금을 지원한 미국립보건원(NIH) 산하 국립생체공학연구소(National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering)의 광학영상화 프로그램 책임자인 리처드 콘로이(Richard Conroy) 박사는 말했다. 이번 연구는 ‘Nature’ 12월 4일 호에 발표되었다. * 그림 1 : 압축초고속사진술 시스템의 구성 * 그림 2 : 연구진의 논문이 발표된 ‘Nature’ 전널의 표지 REAS_Worlds_fastest.png Wang_nature_film_news-article_72.jpg http://www.laserfocusworld.com/articles/2014/12/small-real-time-lidars-could-allow-uavs-to-conduct-underwater-scans.html