펨토포토그래피를 통한 초고속 이미징의 혁명

빛의 속도로 펼쳐지는 미세한 사건을 포착하기 위해 과학자들은 SCARF(Swept-Coded Aperture Real-time Femtophotography)를 도입했다. 캐나다 퀘벡에 있는 INRS(Research Centre National de la Recherche scientifique) 연구 센터의 Énergie Matériaux Télécommunications 팀이 개발한 이 획기적인 카메라는 기존 센서가 감지하기에는 너무 빠른 현상을 관찰하도록 설계되었다. 반도체 흡수에서 금속 합금 소자에 이르기까지 SCARF는 전례 없는 정확도로 초고속 이미징 영역에 도전했다.

이전 모델과 달리 SCARF는 패시브 펨토초 이미징 원리로 작동하여 T-CUP 시스템(초당 1조 프레임 압축 초고속 사진)이 초당 수조 프레임을 캡처할 수 있도록 한다. 초고속 이미징 분야의 선구자인 Jinyang Liang 교수가 이끄는 이 혁신은 2018년 그의 선구적인 연구를 기반으로 현재 프로젝트의 토대를 마련했다.

이 연구의 공동 제1저자인 미겔 마르케즈(Miguel Marquez)는 "많은 압축된 초고속 사진 시스템은 데이터 품질 저하와 시퀀스 깊이와 시야 간의 균형 문제에 직면해 있다. 이러한 한계는 장면과 코딩된 조리개를 동시에 전단해야 하는 작동 원리에서 비롯된다."

Liang 교수는 펨토초 레이저 절제, 살아있는 세포와의 충격파 상호 작용 및 광학 혼돈과 같은 현상을 연구하는 데 있어 SCARF의 잠재력을 더욱 강조한다.

SCARF는 초당 156조 3천억 회라는 놀라운 속도로 맥동하는 "처프" 초단파 레이저 펄스를 사용하여 관찰 대상 물체를 통과한다. 이 카메라는 컴퓨터 이미징 방식을 활용하여 빛이 약간 엇갈린 간격으로 센서에 도달하도록 하여 공간 정보를 캡처한다. 정교한 컴퓨터 알고리즘이 이러한 시간 시차 입력을 디코딩하여 포괄적인 이미지를 재구성한다. 놀랍게도 전하 결합 장치(CCD) 카메라의 개별 픽셀은 최대 156.3THz의 전체 시퀀스 인코딩 속도를 수신한다.

놀라운 업적으로, SCARF는 기성품 및 수동 광학 부품을 사용하여 조립되어 초고속 이미징 기술의 상당한 도약을 알렸다. SCARF가 급격한 미시적 사건의 비밀을 계속 밝혀내면서 그 잠재적 응용 분야는 다양한 과학 분야에 걸쳐 있으며, 가장 작은 규모에서 우리 세계의 역학에 대한 비할 데 없는 통찰력을 약속한다. 제조사 Impact Lab