주철민 교수팀, 비간섭 산술현미경 기반 삼차원 복굴절 토모그래피 영상 기술 개발

편광 다중산란 모델을 적용해 복잡한 광학적 구조를 가지는 물질의 삼차원 복굴절 영상 복원 실현

광학 분야 권위 있는 국제 학술지 ‘Light: Science & Applications’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 주철민 교수, 송승리 연구원]

공과대학 기계공학과 주철민 교수 연구팀은 비간섭계 기반 측정 영상과 다중산란 모델을 이용해, 광학적 이방성 물질의 삼차원 복굴절 토모그래피 영상을 복원할 수 있는 산술현미경 기술(computational microscopy)을 개발했다.

복굴절은 빛의 편광 방향에 따라 물질의 굴절률이 달라지는 현상으로, 분자 배열이나 물질의 구조적 정렬 방향 등에 의해 나타난다. 이러한 물질의 고유한 광학적 특성(이방성)을 시각화하는 기술들은 의료 진단, 소재 분야, 광물학 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 최근에는 기존의 이차원 비등방성 영상의 한계를 극복해 복굴절 특성의 삼차원 분포를 시각화할 수 있는 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 그러나 현존하는 삼차원 복굴절 토모그래피 기술은 대부분 간섭계 기반의 단일산란 모델을 적용한 기술로, 다중산란이 발생하는 복잡한 구조의 복굴절 시료의 삼차원 고해상도 영상 복원에 어려움을 겪어 왔다.

연구진은 삼차원 다중산란 복굴절 시료 내에서의 빛의 전파를 해석하기 위한 방법으로 편광 다중산란 모델을 개발했으며, 이를 비간섭계 산술현미경 기술과 접목해 다중산란 복굴절 물질의 삼차원 영상 복원을 가능케 했다. 특히, 이 기술은 기존 현미경에 LED 조명을 사용하는 비간섭계 영상 시스템으로 매우 간단하게 구현할 수 있으며, 레이저를 사용하는 타 기술에 비해 안정적인 영상 취득이 가능하다는 장점이 있다. 

연구진은 개발한 산술현미경 기술을 이용해 다중산란 특성을 가지는 다양한 투명 생체 시료를 대상으로 삼차원 복굴절 특성을 정량적으로 복원했으며, 선행 연구들에서 보고된 분자 구조 및 내부 구조 결과와 일치함을 확인해 개발 기술의 효용성을 입증했다.

주철민 교수는 “본 연구진은 비간섭계 기반 다중산란 모델을 이용한 삼차원 복굴절 토모그래피 기술을 개발했으며, 이 기술은 복잡한 광학적 구조를 가지는 다양한 물질의 삼차원 특성을 파악하는 데 있어 효과적으로 활용될 수 있다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단, 삼성미래기술육성사업, 미래선도연구장비핵심기술개발사업 등의 지원으로 수행됐으며, 송승리 연구원이 제1저자로, 주철민 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 광학 분야 권위 있는 국제 학술지 ‘라이트:과학과 응용(Light: Science & Applications, IF 20.257)’에 5월 18일 온라인 출간됐다.

논문정보

●논문제목: Polarization-sensitive intensity diffraction tomography

●논문주소: https://doi.org/10.1038/s41377-023-01151-0