▲ '웨이브' 파문(波紋): 사진 속 피사체 표면에서 반사되는 빛의 진행 방향 구면파들을 저속 재생했다. ⓒ 뉴스타운

“미국의 과학자들이 빛조차 추적할 수 있는 카메라를 공개했다”

영국 비비시(BBC)방송은 지난 13일(현지시각) 인터넷 판 기술 관련 기사에 이 같은 카메라를 소개하고 이 카메라는 “우주에서 이 카메라보다 빠른 것은 아무것도 없다”는 미국 MIT연구원의 말을 보도했다.

보도에 따르면, 이 장비는 대략 1초당 1조 프레임의 속도로 영상을 기록한다, 이 카메라는 기존의 TV 카메라 속도(초당 25 프레임 정도를 가정)보다 400억 배 정도 빠른 것이다.
 
* 참고로 1조(兆)분의 1초는 어느 정도일까? 이 시간을 1피코(10-15) 초라 부른다. 이 시간 동안 빛은 0.3 밀리미터 정도밖에 못 간다. 만약 적당한 장비를 써서 1피코 초 단위로 영상을 기록하고 재생하면 빛이 진행하는 것을 0.3 밀리미터 길이의 슬로우 비디오로 촬영할 수 있다는 얘기가 된다.
 
이 속도에서 빛을 직접 기록하는 것, 즉, '찍는다'는 것은 불가능하다. 그래서 개별 영상을 재생하기 위하여 카메라는 수백만번 반복해서 스캔을 한다.
 
MIT 연구팀은 이 기술이 초고속(ultrafast) 프로세스들을 이해하는데 사용될 수 있다고 말했다. 이 기술에는 펨토 촬영술(femto-photography)라는 별명을 붙였는데, MIT 공대 미디어 랩의 웹사이트에 보다 상세한 자료를 공개하고 있다. <참고로 기록은 피코(10-12) 단위지만, 사용된 레이저는 펨토(10-15)초 레이저였다.>
 
이 프로젝트 연구원 중 한 명인 안드레아 벨튼은 “우주에서 우리 카메라 앞에 '빠른' 것은 없다”고 설명했다.
 
과학자들은 이 기술을 개발하기 위해 "띠 튜브(streak tube--펄스광(光)으로부터 데이터를 읽어내는데 사용되는 장비)를 채택했다.
 
이것은 전통적으로 TV 음극선관(브라운관)에서 영상이 생성되는 방법과 유사한 방식으로 작동하는데, 가느다란 수평선이 한 줄씩 화면을 훑고 지나가는, 즉, 스캐닝하면서 화면을 채워 영상을 생성하는 방식이다.
 
(펄스광에서 읽어내는) 각각의 데이터는 TV에서는 한 줄의 스캐닝 라인에 해당하므로, (우리가 영상이라 부를 수 있는) 한 프레임을 생성하려면 수백 번의 스캐닝을 해야 한다.
 
과학자들은 이 작업을 각각의 촬영(펄스광) 시에 반복하는데, 피사체의 스캐닝 라인을 달리해서 기록하기 위하여 거울을 써서 카메라의 촬영 각도를 잡는다.
 
그 결과로 이 기술은 '정확히 반복 가능한' 이벤트를 기록하는 데에만 적합하다.

레이저 조명(Laser illumination)
 
연속 화면을 생성하기 위해서 레이저 펄스로 피사체를 조명해야 한다 (아주 짧은 순간, 즉, 130억 분의 1초 동안 번쩍하는 것)
 
이들 펄스들은 띠 튜브(streak tube)를 작동시키는데, 띠 튜브(streak tube)는 피사체에서 되돌아오는 빛을 잡아낸다. 레이저와 카메라는 이러한 구도로 조심스럽게 시간을 맞추어 각각의 펄스가 제대로 기록되도록 한다. (띠 튜브에 들어오는) 스캐닝 라인들이 함께 얽히는 경우는 같은 시각에 기록된 것으로 나타난다. 고작 1초도 못되는 최종적인 동영상을 촬영하는데 대략 1시간 정도는 걸리므로, 연구팀 중의 한 명은 이 장비를 "세상에서 가장 느리면서 가장 빠른 카메라"라고 부른다.
 
광(光) 분석
 
이제 소프트웨어를 써서 모든 영상을 대략 480 프레임의 동영상으로 제작한다.
 
한 동영상은 1 밀리미터보다 짧은 펄스광을 보여주는데, 음료수 병 속을 빛이 매 프레임 당 0.5 밀리미터 씩 통과하는 것이 보인다.
 
또 다른 동영상은 파장 길이가 다른 (그래서 색이 다른) 빛들이 토마토 표면과 토마토가 놓인 테이블 표면에 파문(波紋)을 보여 준다. (빛이 아니라 호수에 돌멩이를 던진 것 같지 않은가?)
 
새롭게 세상을 바라보는 방법이 개발되었다는 의미 뿐만 아니라, MIT 과학자들은 이 프로세스가 실질적인 용도도 있다고 말한다.
 
"응용 분야로는 결함 분석이나 물질 특성을 파악하는 등의 산업계의 용도 뿐 아니라, 초고속 프로세스들을 이해하기 위한 과학 분야, 그리고 피하(皮下) 성분들을 재구성하는 의료 영상 분야를 포함하는데 다시 말하자면, '빛을 이용한 초음파'라고나 할까?." 라고 연구팀들은자신들의 웹사이트에서 주장하고 있다.