KAIST, 산란층 뒤 투명 물체 한 장으로 복원

한국과학기술원(KAIST) 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀이 움직이는 두 산란층 사이에 완전히 가려진 투명한 위상 물체를 한 번의 촬영으로 복원하는 기술을 개발했다. 빛이 심하게 흩어지는 환경에서도 물체의 모양과 광학적 두께, 위치는 물론 산란 정도까지 동시에 파악할 수 있는 단일 촬영 위상 영상 기술이다.

연구팀은 돋보기처럼 빛을 한곳에 집중시키는 점조명을 적용해 첫 번째 산란층을 지난 빛이 물체 정보를 안정적으로 담도록 했다. 이어 물체와 산란층을 거치며 빛이 변하는 과정을 계산하는 광학 모델과 AI를 결합했다. 대량의 정답 영상을 미리 학습하는 방식이 아니라, 측정된 빛의 세기에서 출발해 빛이 이동한 경로를 물리 법칙에 따라 역으로 추적하도록 설계했다.

유리와 투명 비닐, 살아 있는 세포 같은 위상 물체는 주변과 밝기 차이가 거의 없어 일반 카메라로 식별하기 어렵다. 빛이 통과할 때 생기는 미세한 위상 변화를 분석하면 형태와 광학적 두께를 확인할 수 있지만, 물체 앞뒤의 산란층이 움직이면 빛의 경로가 계속 달라져 정확한 정보를 얻기 힘들었다. 기존에는 같은 대상을 여러 차례 촬영하거나 산란 환경을 사전에 측정하고, 많은 학습 데이터로 AI를 훈련해야 했다.

새 기술은 반도체·디스플레이용 투명 부품과 광학 소재의 정밀 검사, 살아 있는 세포를 염색하거나 손상하지 않고 관찰하는 바이오 영상, 차세대 광학 센서 등에 활용될 수 있다. 연구에는 김유선 석사과정과 송국호 박사과정이 공동 제1저자, 장무석 교수가 교신저자로 참여했다. 논문 ‘Single-shot imaging of phase objects fully enclosed by dynamic scattering layers’는 광학 분야 국제학술지 ‘Optica’ 7월 20일 자에 게재됐다.