[핵잼 사이언스] 손전등서 나온 빛은 어디까지 날아갈까?… ‘빛의 궤적’ 촬영 성공

손전등에서 출발한 빛은 스위치를 끄면 어떻게 될까. 이미 날아간 빛은 계속해서 날아갈까, 아니면 광원의 소실과 함께 사라질까.

최근 스위스 로잔연방공대(EPFL) 연구진은 자체 개발한 초고속 카메라를 이용해 거울들 사이에서 반사돼 날아가는 빛의 궤적을 실시간으로 촬영하는 데 성공해 그 의문에 답을 찾아냈다.

현실 세계에서 날아가는 빛은 SF영화에 종종 등장하는 광선총에서 나온 레이저 빛의 궤적처럼 출발점과 도착점이 존재하는 것이었다. 즉 빛은 계속해서 날아간다는 것이다. 단 어떤 물질에 부딪히면서 산란(반사)과 흡수를 반복해 사라진다.

빛은 보통 날아갈 때 보이지 않지만, 레이저 펄스의 일부 빛 입자는 공기 중의 입자들과 부딪치는 과정에서 산란광을 일으키는데 이를 촬영하면 빛의 궤적으로 카메라에 기록할 수 있다.

하지만 이전까지 나온 어떤 초고속 카메라도 빛의 궤적을 실시간으로 촬영할 수 없었다. 특정 순간의 빛을 포착할 수는 있어도 연속적인 영상으로 포착해내는 것이 어렵기 때문이다.

그렇게 해서 최근 개발된 카메라가 이른바 ‘메가X’로 불리는 단일광자 애벌란시다이오드(SPAD) 기반의 이미지 센서다. 메가X는 초당 최대 2만4000장까지 촬영할 수 있어 빛 궤적의 전체 모습을 알아낼 수 있었다.

이들 연구자는 산란광이 카메라에 도착하는 시간(t축)과 촬영하는 2차원 평면 이미지(x축, y축)에서 빛이 어느 깊이(z축)에 있는지를 정확히 측정했다. 그리고 기계학습으로 프레임(장)당 빛의 이미지를 정렬하는 것으로 빛 궤적의 전체 모습을 재구성할 수 있었다.

이처럼 이미지를 재구성하는 데는 우주물리학의 초광속운동을 설명하는 수식이 쓰였다. 초광속운동은 깊이에 대해 대각선으로 이동하는 전자파가 빛의 속도를 넘어선 속도인 초광속으로 운동하는 것처럼 보이는 현상을 말한다. 3차원 공간을 입체적으로 이동하는 빛의 궤적을 파악하려면 항상 이 현상을 고려해야 한다.

게다가 이들은 빛을 포착하는 이미지 센서를 한계까지 소형화해 정보를 기록하는 시간을 훨씬 더 빠르게 했다.

그 결과, 지금까지 볼 수 없었던 고해상도로 레이저 빛의 초광속운동을 프레임에 담을 수 있었던 것이다.

이에 대해 연구진은 “이번 연구는 장애물 뒤에 있는 물체를 촬영할 수 있는 비시선(Non Line Of Sight) 이미징기술이나 시간분해 광학단층촬영과 같은 고속 이미징 응용 기술에 새로운 기능을 더할 수 있다”면서 “물리학자뿐만 아니라 증강현실이나 가상현실, 심지어 자율주행차 소프트웨에에도 적용할 수 있다”고 말했다.

자세한 연구 결과는 미국 코넬대가 운영하는 출판 전 논문 투고 사이트 ‘아카이브’(Arxiv) 7월 21일자에 실렸다.

사진=EPFL

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr