Nature / 세계에서 가장 빠른 카메라 (초당 10조 프레임)

새로운 기술이 매우 정밀해서 현재의 특성화 용량을 넘어서는 규모로 작동하다면 어떤 일이 발생할까? 예를 들어, INRS에서 사용된 레이저는 너무 짧아 시각화할 수 없는 펨토 초 범위 (femto second range, 10exp -15초)의 초단파를 생성한다. I

NRS 교수와 초고속 이미징 전문가인 진양 량(Jinyang Liang)은 “일부 측정은 가능하지만, 어떠한 것도 선명한 이미지를 능가하지 못합니다”라고 전했다. 그는 Caltech(California Institute of Technology)의 Lihong Wang이 이끄는 동료들과 함께 초당 10조 프레임을 캡처할 수 있는 세계에서 가장 빠른 카메라 T-CUP을 개발했다.(그림 1) 새로운 카메라는 말 그대로 현상을 보거나 심지어 빛을 볼 수 있는 시간을 멈추게 한다.

최근 몇 년 동안, 비선형 광학과 이미징 혁신 사이의 교차점은 생물학과 물리학의 역동적인 현상을 현미경으로 분석하는 새롭고 효율적인 방법의 문을 열었다. 그러나 방법의 잠재력을 활용하려면 단일 노출(single exposure) 중에, 매우 짧은 시간 해상도에서 이미지를 실시간으로 기록할 수 있는 방법이 필요하다.

현재의 이미징 기술을 사용하면 초단파 레이저 펄스로 측정한 결과를 여러 번 반복해야 한다. 이는 일부 유형의 비활성 샘플엔 적합하지만 다른 취약한 샘플에는 불가능하다.

예를 들어, 레이저 조각 유리는 결과를 포착하기 위해 피코 초(pico second) 미만의 단일 레이저 펄스만 견딜 수 있다. 이런 경우 이미징 기술은 전체 프로세스를 실시간으로 캡처할 수 있어야 한다.

압축된 초고속 사진 촬영(CUP, Compressed ultrafast photography)은 좋은 출발점이었다. 이 방법은 초당 1,000억 개의 프레임에서 펨토 초 레이저를 통합하는 데 필요한 사양에 접근했지만, 충족하진 못했다. 개념을 개선하기 위해 새로운 T-CUP 시스템은 단층 촬영과 같은 애플리케이션에 사용되는, 데이터 수집 유형을 통합하는 펨토 초 연속 카메라를 기반으로 개발됐다.

Caltech(California Institute of Technology)의 중성(Medial) 엔지니어링 및 전기 공학과 교수인 Lihong Wang 교수와 Caltech 광학 이미징 연구소(COIL, Caltech Optical Imaging Laboratory) 이사는 “우리는 펨토 초 줄무늬 카메라만 사용해서 이미지 품질을 제한할 수 있다는 것을 알고 있었습니다."라고 말했다. 이를 개선하기 위해 정적인 이미지를 얻는 또 다른 카메라를 추가했다. 펨토 초 줄무늬 카메라로 얻은 이미지와 결합하고 라돈 변환(Radon transformation)을 사용해서 초당 10조 프레임을 녹화하면서 고품질 이미지를 얻을 수 있다.

T-CUP은 실시간 영상 속도에 대한 세계기록을 세우면서 생체의학과 재료과학 및 기타 응용 분야에 대해 새로운 세대의 현미경을 가동할 수 있다. 이 카메라는 근본적인 변화를 나타내며 탁월한 시간 해상도에서 빛과 물질 간의 상호작용을 분석할 수 있다.

처음 사용된 초고속 카메라는 실시간으로 펨토 초 레이저 펄스의 시간 집중을 포착해 새로운 지평을 열었다(그림 2). 프로세스는 400펨토 초 간격으로 촬영한 25프레임에 기록됐으며 광 펄스의 모양과 강도 및 경사각을 자세히 설명했다.

자료 제공: Nature(www.nature.com/lsa)