안개처럼 흐려진 투명 물체 복원…KAIST, 위상 영상 기술 개발

점조명·광학 모델·심층 신경망 결합

기존 기술보다 위상 구조 상관계수 높아

반도체·디스플레이 검사 활용 기대

위상 영상 기술 연구 이미지. ⓒKAIST

두 개의 움직이는 산란층 사이에 가려진 투명 물체의 모양과 두께, 위치를 사진 한 장으로 복원하는 기술이 개발됐다. 별도의 학습 데이터나 산란 환경에 대한 사전 측정 없이 작동해 반도체·디스플레이 투명 부품 검사와 바이오 영상 등에 활용될 것으로 기대된다.

KAIST는 장무석 바이오및뇌공학과 교수 연구팀이 두 개의 동적 산란층 사이에 놓인 투명 물체를 단일 촬영으로 복원하는 위상 영상 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

유리와 투명 비닐, 살아 있는 세포 등은 주변과 밝기 차이가 작아 일반 카메라로는 구분하기 어렵다. 빛이 물체를 통과하면서 발생하는 ‘위상 지연’을 분석하면 형태와 광학적 특성을 확인할 수 있다.

산란층이 움직이면 빛의 경로도 계속 달라져 위상 정보가 흐트러진다. 기존 방식은 같은 대상을 여러 번 촬영하거나 산란 환경을 미리 측정해야 했고, 인공지능 학습을 위한 다량의 데이터가 필요한 경우가 많았다.

연구팀은 레이저 빛을 첫 번째 산란층의 좁은 지점에 집중시키는 ‘점조명’ 방식을 사용했다. 산란층을 통과한 뒤에도 빛의 질서가 유지되는 영역을 만들어 투명 물체의 위상 정보가 회절무늬에 남도록 했다.

이어 빛의 이동을 계산하는 광학 모델과 심층 신경망을 결합했다. 정답 영상을 미리 학습시키지 않고 측정된 영상과 계산 영상이 일치하도록 역추적해 물체의 위상과 산란 흐림, 물체와 산란층 사이의 거리를 동시에 추정했다.

비교 실험에서 위상 구조 상관계수는 0.523으로 교대 투영법 0.338, 위팅거 방식 0.400보다 높았다. 굴절률을 알고 있으면 복원한 위상 지연으로 물체 두께도 계산할 수 있다.

현재 기술은 빛의 세기를 거의 바꾸지 않고 위상만 변화시키는 물체를 대상으로 한다. 살아 있는 세포나 인체 조직에 적용하려면 빛의 세기와 위상을 함께 복원하고, 생체 조직의 다중 산란과 움직임, 레이저 안전성까지 고려해야 한다.

산업 검사에서는 한 번에 볼 수 있는 면적을 넓히고 해상도를 회절 한계 수준까지 높여야 한다. 투과형으로 설계된 측정 방식을 반도체 웨이퍼와 같은 반사형 시료에 적용하는 연구도 필요하다.

김유선 석사과정과 송국호 박사과정이 공동 제1저자로 참여한 연구 결과는 광학 분야 국제학술지 ‘옵티카(Optica)’ 7월호에 게재됐다.

장 교수는 “이번 연구는 안개나 불투명한 막처럼 빛이 심하게 흐트러지는 환경에서도 한 번의 촬영만으로 투명한 물체의 모양과 위치를 복원한 첫 사례”라며 “앞으로는 더 복잡한 환경에서도 안정적으로 작동하는 기술로 발전시켜 반도체 검사와 바이오 영상 등 다양한 분야에 활용할 계획”이라고 말했다.