국내 연구진이 광학 현미경보다 15.5배 영상 심도를 향상할 수 있는 '이진 광 위상 구조'(Binary phase filter) 및 영상 복원 알고리즘을 개발해 첨단 의료 진단 및 반도체 계측 장비 등에 적용이 기대된다.

한국연구재단은 연세대학교 주철민 교수 연구팀이 딥러닝 기반 고심도 산술 영상 플랫폼인 '이투이-비피에프'(E2E-BPF) 현미경을 개발했다고 29일 밝혔다.

산술 영상은 다양한 산술 알고리즘과 영상 시스템을 결합해 기존 광학 영상 시스템의 한계를 극복하는 기술이다. 의료 및 정밀 계측 분야에서 중추적 역할을 하는 현미경 시스템은 영상 심도(영상 시스템의 초점이 맞은 깊이 방향 범위)와 해상도 사이에 피할 수 없는 상충 관계를 가진다.

고해상도, 고배율 현미경 시스템은 필연적으로 영상 심도 저하를 가져와 피사체의 고해상도 영상 취득이 가능한 깊이를 제한한다. 따라서 초점을 조정하는 과정이 필요해 많은 시간과 비용이 드는 한계가 있다. 이런 상충 관계를 극복하고 영상 심도를 확장할 수 있는 다양한 기술 개발이 추진되는 가운데, 최근 이진 광 위상 구조를 이용한 영상 심도 확장 기술이 주목받고 있다. 하지만 이진 광 위상 구조와 영상 복원 알고리즘의 설계 자유도(설계 과정에서 결정할 수 있는 변수나 선택의 범위)가 제한돼 심도 확장 능력이 한정적이다.

연구팀은 설계 자유도를 최대화한 딥러닝 기반 이진 광 위상 구조 설계와 신경망 기반 영상 복원 알고리즘을 결합한 공동 학습 영상 플랫폼을 개발했다. 이 플랫폼으로 구현한 산술 영상 시스템은 동일한 수치 조리개 현미경보다 약 15.5배 향상된(1.2㎛ → 19㎛) 영상 심도 확장이 가능하다. 연구팀은 딥러닝 기반의 이진 광 위상 구조 설계와 영상 복원 네트워크 공동 학습을 통한 새로운 심도 확장 영상 플랫폼도 개발했다. 이진 광 위상 구조는 두 개의 단차로 구성된 투명 광학 소자로 제작이 쉽고, 대량 생산이 가능한 강점이 있다. 또 광학계 조리개 단에 위치시키는 것만으로도 구현할 수 있어 여러 분야에 쉽게 응용 및 적용할 수 있다.

주철민 교수는 "세계 최고 수준의 영상 심도 확장 영상 플랫폼을 기반으로 삼차원 조직 내 종양 바이오 마커 영상화와 반도체 계측 장비에 적용성을 검토하고 있다"며 "후속 연구를 통해 삼차원 위치 추출 기술을 개발할 계획"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 광학 분야 국제학술지 '빛: 과학과 응용'에 지난 13일 게재됐다.