초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
본 연구의 목표는 산란 매질에서의 빛의 전파 특성 연구하여 산란 매질에서의 초심도 에너지 전달과 초심도 이미징에 활용하는 것이다. 전산 모사를 통해 산란 매질 내의 전자기파의 진행을 정량적으로 분석하여 빛과 산란매질이 어떠한 형태로 상호작용 하는 지에 대하여 이론적으로 이해하고, 실험적으로는 입사되고 산란되는 빛의 모든 물리량을 정량적으로 측정하고 제어 할 수 있는 시스템을 구축하여 이론을 검증할 계획이다. 산란 매질에서의 빛의 전파 특성에 대한 이해를 바탕으로 다중 산란을 결정론적으

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
본 연구의 목표는 산란 매질에서의 빛의 전파 특성 연구하여 산란 매질에서의 초심도 에너지 전달과 초심도 이미징에 활용하는 것이다. 전산 모사를 통해 산란 매질 내의 전자기파의 진행을 정량적으로 분석하여 빛과 산란매질이 어떠한 형태로 상호작용 하는 지에 대하여 이론적으로 이해하고, 실험적으로는 입사되고 산란되는 빛의 모든 물리량을 정량적으로 측정하고 제어 할 수 있는 시스템을 구축하여 이론을 검증할 계획이다. 산란 매질에서의 빛의 전파 특성에 대한 이해를 바탕으로 다중 산란을 결정론적으로 활용하는 방법을 연구하여, 기존의 기술로는 접근할 수 없는 산란 매질 내부에 빛을 효율적으로 전달하는 방법과 그 내부를 이미징하는 방법을 연구할 것이다.

◼ 전체 내용
본 연구에서는 산란 매질 내부에서의 빛의 전파 과정에서 빛-물질 간의 상호작용을 전파 시간에 따라 정량적으로 연구할 것이다. 전산 모사와 실험을 통해 빛의 모든 물리량(공간, 운동량, 시간, 편광)을 정량적으로 측정하고 분석할 계획이다.
목표 1: 초심도 에너지 전달을 위한 산란 매질에서의 빛의 전파 특성 연구
산란 매질에서의 효율적 에너지 전달을 위한 방법으로 파면 제어라는 기술이 소개되었고 이와 관련된 많은 연구가 진행되어왔다. 파면 제어 기술이란 입사하는 빛의 파면(진폭과 위상)을 제어하여 다중 산란된 파면이 목표 지점에서 보강 간섭을 일으키도록 하여 빛 에너지 전달을 극대화하는 방법이다. 본 연구자는 반사 구조에서 파면 제어 기술을 구현하는 방법을 개발하였다. 이 방법은 펄스 광원을 이용하여 목표 지점에서 산란되어 카메라에 도착하는 특정 시간의 반사 신호를 증폭하는 파면을 획득할 수 있도록 하였다. 이렇게 구한 파면을 시분해 반사 공명 채널이라고 부른다.
본 연구에서는 특별히 반사가 강한 목표물이 없는 생체 조직과 같은 균일한 산란 매질에서 각각의 카메라 도착 시간에 해당하는 시분해 공명 채널이 산란 매질 내부로 빛을 어떻게 전파시키는지 정량적으로 연구하려 한다. 또한 서로 다른 도착 시간의 시분해 공명 채널 간의 상관 관계, 연속파 공명 채널과 시분해 공명 채널 간의 상관 관계, 시분해 반사 공명 채널과 투과 공명 채널 간의 상관 관계를 연구할 계획이다.
그동안의 파면 제어 연구는 공명 채널을 구현하는 데 집중되어있었고, 공명 채널이 산란 매질 내부에서 보강 간섭을 최대화하는 원리는 거의 연구되지않았다. 본 연구에서는 전산 모사를 통해 매질 내부에서의 빛의 물리량에 자유롭게 접근할 수 있기 때문에 공명 채널이 보강 간섭을 최대화하는 원리에 대한 깊은 이해를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.
이러한 연구를 통해 시분해 파면 제어에 대한 이해를 높임으로써 다중 산란을 결정론적으로 제어하는 방법을 개발할 수 있을 것으로 기대한다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 기존의 기술들로는 접근할 수 없었던 산란 매질 내부로의 효율적인 빛 에너지 전달을 가능하게 하는 혁신적인 방법들을 개발할 것이다.
목표 2: 초심도 이미징을 위한 산란 매질에서의 빛의 전파 특성 연구
현재까지 산란 매질에서의 초심도 이미징은 다중 산란을 전혀 겪지 않고 타겟에서만 반사되어 오는 신호(단일 산란 신호)를 잘 걸러내서 이미지를 복원하는 식으로 접근되어왔다. 하지만 이 단일 산란 신호는 산란 매질의 깊이가 깊어질수록 기하급수적으로 줄어들기 때문에 단일 산란 신호에만 의존하는 초심도 이미징은 깊이 한계에 다다르게 되었다.
본 연구에서는 단일 산란 신호 뿐만 아니라 다중 산란 신호를 결정론적으로 활용하여 산란 매질 깊은 곳의 이미지 정보를 복원하는 기술을 개발할 계획이다. 첫 번째로는 공명 채널을 이용하여 다중 산란을 제어하는 방법으로 접근할 예정이다. 이미징 타겟으로 에너지 전달을 최대화 하는 방법, 다중산란을 최소화 하는 공명 채널을 활용하여 산란을 겪지 않은 이미지 정보를 복원하는 방법 등으로 차원이 다른 초심도 이미징을 가능하게 할 수 있을 것이다. 두 번째로는 시분해 정보를 활용하여 산란 매질 내부의 깊이 별 정보를 순차적으로 알아내어 얕은 곳에서의 빛의 산란 정보를 이용하여 기존의 방법으로는 관측할 수 없는 깊이에 있는 타겟까지 이미징이 도달하게 하는 방법으로 접근할 예정이다.

◼ 1단계
❏ 연구 목표
(목표 1) 균일 산란 매질에서 시분해 반사 공명 채널을 전산모사를 통해 구현하고 다른 타겟 도착 시간을 가지는 시분해 공명 채널들이 산란 매질 내부에서 어떻게 전파하는지 분석한다. 관측된 빛의 전파 양상에 대해 이론적인 모델을 구축하여 타겟 도착 시간에 따른 시분해 공명 채널의 작동원리를 밝혀낸다. 균일 산란 매질에서의 시분해 반사 공명 채널을 실험적으로 구현하고 전산 모사의 결과와 실험 결과를 비교함으로써 이론 모델을 검증한다.
(목표 2) 파장과 입사각을 스캔하여 각각의 파장과 입사각에 대한 반사 전기장을 기록할 수 있도록 하여 파장, 입사각에 대한 3차원 반사 행렬을 구할 수 있는 새로운 이미징 시스템을 구축한다. 3차원 반사 행렬을 이용하여 이미지를 복원하는 알고리즘을 개발하고 테스트한다. 시분해 반사 공명 채널을 이용하여 다중 산란을 최소화하는 초고심도 이미징 기법을 개발하고 실험적으로 검증한다.
❏ 연구 내용
목표 1: 초심도 에너지 전달을 위한 산란 매질에서의 빛의 전파 특성 연구
생체조직과 같은 균일 산란 매질에서의 시분해 공명 채널 전산모사로 구현하고, 시분해 반사 공명 채널이 산란 매질 내부에서 전파하는 양상을 측정하여 분석하였다. 이를 통해 타겟 도착 시간에 따라 시분해 반사 공명 채널이 반사를 증가시키는 작동원리가 달라지는 것을 알아냈고, 이 작동원리를 분석적 프레임워크를 이용하여 이론적으로 설명하였다. 또한, 투과를 억제 및 향상 시키는 원리를 이론 모델을 구축하여 분석하였다. 균일 산란 매질을 준비하여 실험적으로 시분해 반사 행렬을 얻고 공명 채널을 계산하고 해당 산란 매질에 입사하여 실제로 비행시간에 따라 투과가 억제 및 향상 되는 것을 검증하였다. 나아가, 타겟 도착 시간에 따라 시분해 반사 공명 채널이 산란 매질 내부 에너지 전달에 끼치는 영향을 확인했다.
목표 2: 초심도 이미징을 위한 산란 매질에서의 빛의 전파 특성 연구
파장과 입사각을 스캔하여 각각의 파장과 입사각에 대한 반사 전기장을 기록할 수 있도록 하여 파장, 입사각에 대한 3차원 반사 행렬을 구할 수 있는 새로운 이미징 시스템을 구축하고 테스트하였다. 이 시스템을 통해 얻은 정보로 3차원 초심도 이미징을 하기 위해서 3차원 반사 행렬을 프로세스하는 알고리즘을 개발하였다. 이 시스템을 이용하여 수차와 다중 산란이 심한 샘플을 이미징하여 기존의 초심도 이미징 방법에 비해 이미징 성능이 좋은 것을 확인하였다. 나아가, 3차원 정보를 동시에 활용하여 기존의 방법으로는 이미징할 수 없는 깊이에 있는 물체를 이미징하는 기법을 개발했다. 첫 번째로는 기존의 방법으로 이미징할 수 있는 깊이의 수차 정보를 먼저 얻어서 3차원 반사 행렬로 함께 얻어놓은 더 깊은 깊이의 물체를 이미징하는데 활용하는 방법을 개발했다. 두 번째로는 3차원 입체 정보를 동시에 활용하여 단일 산란의 세기를 늘리는 방법을 이용했다. 또한, 시분해 공명 채널을 활용한 새로운 이미징 기법을 개발하여 기존 기술로는 이미징이 불가능한 쥐두개골 밑의 신경망을 이미징하는 데 성공하였다.

◼ 2단계
❏ 연구 목표
(목표 1) 전산모사로 산란 매질에서의 시분해 반사 공명 채널과 연속파 반사 공명 채널을 구현하여 서로 다른 도착 시간을 갖는 시분해 공명 채널들과 연속파 공명 채널들의 각각의 상관 관계를 연구한다. 서로 다른 도착 시간을 갖는 반사 신호들 간의 상관 관계, 시분해 반사 공명 채널과 투과 공명 채널 간의 상관 관계를 연구한다. 이를 바탕으로 초심도 에너지 전달을 가능하게 하는 방법을 개발하고 실험적으로 검증한다.
(목표 2) 3차원 반사 행렬을 활용하는 새로운 프로세싱 알고리즘 및 분석기법을 개발하고 구현해 초심도 이미징의 깊이를 향상시킨다. 기존 알고리즘을 발전시키기 위해 입체 반사 행렬 처리에 다양한 물리 모델을 기반으로한 딥러닝을 적용한다.
❏ 연구 내용
목표 1: 초심도 에너지 전달을 위한 산란 매질에서의 빛의 전파 특성 연구
FDTD 전산모사로 산란 매질에서의 시분해 반사 공명 채널과 연속파 반사공명 채널을 구현하여 서로 다른 도착 시간을 갖는 시분해 공명 채널들과 연속파 공명 채널들의 각각의 상관 관계를 연구하는 것이 목표이다. 이를 통해 서로 다른 도착 시간을 갖는 반사 신호들 간의 상관 관계를 연구하고, 연속파 공명 채널이 시분해 반사 공명 채널들의 어떠한 조합으로 이루어있는지 연구할 것이다. 또한, 시분해 반사 공명 채널과 투과 공명 채널 간의 상관 관계를 연구할 계획이다. 이를 통해, 투과를 최대화하는 투과 공명 채널을 반사 공명 채널을 이용해 구현하는 방법을 연구할 것이다. 또한 이러한 상관 관계들이 산란 매질의 성질에 따라 어떻게 달라지는지 관찰하고 분석할 예정이다. 이런 분석들을 바탕으로 초심도 에너지 전달을 가능하게 하는 방법을 개발하고 실험적으로 검증할 것이다.
목표 2: 초심도 이미징을 위한 산란 매질에서의 빛의 전파 특성 연구
현재 개발한 3차원 이미징 시스템을 이용하여 얻은 3차원 반사 행렬을 활용하는 새로운 프로세싱 알고리즘 및 분석 기법을 개발하고 구현하는 것이 목표이다. 기존의 초심도 이미징 방법들은 다중 산란 노이즈 가운데서 매우 작은 이미징 정보(단일 산란 신호)를 단일 산란 신호 사이의 상관관계를 이용해서 복원해냈다. 1단계에서 개발한 알고리즘은 이런 물리 모델을 따르지 않는 신호는 모두 노이즈로 작용했다. 또한, 상관관계를 연속적으로 계산하는 방법으로 연산 시간이 오래 걸리는 단점이 있었다. 기존 알고리즘을 발전시키기 위해 딥러닝 최적화 알고리즘을 활용하는 연구를 진행할 계획이다. 단순히 딥러닝을 적용하는 것이 아니라 입체 반사 행렬 처리에 다양한 물리 모델을 기반으로 한 딥러닝을 적용할 것이다.

□ 연구성과
균일 산란 매질에서의 시분해 공명 채널 전산모사로 구현하고, 산란 매질 내부에서 전파하는 양상을 측정하여 분석하였다. 이를 통해 타겟 도착 시간에 따라 시분해 반사 공명 채널이 반사를 증가시키는 작동원리가 달라지는 것을 알아냈고, 이 작동원리를 분석적 프레임워크를 이용하여 이론적으로 설명하였다. 또한, 투과를 억제 및 향상 시키는 원리를 이론 모델을 구축하여 분석하고 실험적으로 검증하였다. 나아가, 타겟 도착 시간에 따라 시분해 반사 공명 채널이 산란 매질 내부 에너지 전달에 끼치는 영향을 확인했다.
파장과 입사각을 스캔하여 각각의 파장과 입사각에 대한 반사 전기장을 기록할 수 있도록 하여 파장, 입사각에 대한 3차원 반사 행렬을 구할 수 있는 새로운 이미징 시스템을 구축하였다. 3차원 반사 행렬을 프로세스하는 알고리즘을 개발하였다. 수차와 다중 산란이 심한 샘플을 이미징하여 기존의 방법에 비해 이미징 성능이 좋은 것을 확인하였다. 나아가, 3차원 정보를 동시에 활용하여 기존의 방법으로는 이미징할 수 없는 깊이에 있는 물체를 이미징하는 기법을 개발했다. 또한, 시분해 공명 채널을 활용한 새로운 이미징 기법을 개발하여 기존 기술로는 이미징이 불가능한 쥐 두개골 밑의 신경망을 이미징하는 데 성공하였다.

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
생체 내부로 빛 에너지를 효율적으로 전달할 수 있게 되면 피부를 손상시키지 않고 큰 에너지를 전달함으로써 광치료의 효율성을 크게 향상 시킬 수 있을 것이다. 또한 뉴런을 빛으로 자극하고 제어하는 광유전학 연구에서 높은 해상도로 특정 뉴런을 정확하게 자극하는 기법을 가능하게 하여 광유전학 연구의 새로운 분야를 열 수 있을 것이다. 또한, 빛의 다중 산란을 정량적으로 제어하여 생체 내부를 비침습적으로 이미징할 수 있게 되면 조직검사 없이 고해상도 이미징으로 병의 진단이 가능해지게 될 것이다.
본 연구는 복잡 매질에서의 산란에 대한 기초 연구를 수행함으로써 다양한 복잡 매질에서의 전자기파 산란에 대한 근본적인 이해를 가능하게 할 것이다. 또한 빛의 다중 산란으로 인하여 야기되는 비슷한 문제를 가진 수많은 기술에서 이러한 빛의 한계를 극복할 수 있는 길을 제시할 수 있게 될 것이다. 또한 본 연구의 결과는 광학 뿐 아니라 다양한 파장 영역으로 확장되어 복잡 매질에서의 파동 전파에 새로운 이해를 가능하게 하고 파동을 이용한 광범위한 기술에 도움이 될 것으로 기대한다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 6
• 1. 연구과제의 개요 ... 7
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• (1) 초심도 에너지 전달을 위한 산란 매질에서의 빛의 전파 특성 연구 ... 7
• (2) 초심도 이미징을 위한 산란 매질에서의 빛의 전파 특성 연구 ... 10
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 13
• 1) 연구수행 결과 ... 13
• 2) 목표 달성 수준 ... 13
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 13
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 14
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 14
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 14
• 2) 연구 추진전략 ... 15
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 16
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 16
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 17
• 끝페이지 ... 26