KR100201787B1 - 횡파를 이용한 토모그라픽 초음파현미경 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 영상시스템의 하나인 토모그라픽 초음파현미경 시스템의 분해능을 개선시키기 위하여 횡파를 이용한 토모그라픽 초음파현미경 시스템에 관한 것이다. 종래의 시스템은 종파만을 이용하도록 초음파의 입사각도를 10°로 고정시켰었기 때문에 분해능을 개선시키려면 동작주파수를 높히는 수 밖에 없었다. 본 발명에서는 동일한 동작주파수를 이용하면서 분해능을 2배 정도 개선시킬 수 있도록 횡파를 이용하였다. 이를 위하여 평면파 형태의 초음파를 여기시키는 초음파 변환기가 시료를 향하여 13~45°의 입사각도를 갖도록 이루어져 있다.

Description

횡파를 이용한 토모그라픽 초음파현미경 시스템

본 발명은 토모그라픽 초음파현미경 시스템에 관한 것으로, 특히 동일한 동작주파수를 가지고 초음파 영상 시스템의 분해능(resolution)을 약 2배 정도 개선시킬 수 있는 새로운 형태 즉 횡파(shear또는 transverse)를 이용한 토모그라픽 초음파현미경 시스템에 관한 것이다.

수백 MHz이상의 범위에서 동작하는 초음파현미경(Acoustic Microscope)은 매우 높은 분해능의 초음파 영상을 얻을 수 있으며 기존의 광학현미경이나 전자현미경에서 관찰이 어려운 불투명한 고체시료의 내부를 영상화할 수 있는 특징이 있다.

초음파현미경은 다음과 같은 원리를 통하여 동작된다.

먼저 초음파변환기에 의하여 여기된 초음파를 음향렌즈를 이용하여 접속시켜 촛점에서의 빔폭을 작게함과 동시에 음향에너지를 증가시킨다. 이렇게 집속된 초음파를 탐상하고자 하는 시료에 투과시키면 고체표면이나 내부에서의 물리적 성질(탄성계수, 밀도, 속도, 점성계수등)이 변하는 곳에서 반사를 일으킨다. 이렇게 반사된 초음파의 세기는 초음파변환기에 의하여 다시 전기적인 신호의 세기로 변환되며 이것은 디지탈 데이타로 컴퓨터로 입력되어 컴퓨터 모니터의 밝기를 변화시킬 것이다. 이와같은 데이타 획득원리를 이용하고 2차원적인 주사장치를 시료나 초음파변환기에 연결시키면 시료에 대한 2차원적인 초음파영상을 얻을 수 있다. 현재 초음파현미경 시스템은 우리나라에서도 반도체 산업분야등에서 고분해능의 비파괴검사 장비로 각광을 받고 있다.

이러한 초음파현미경 시스템은 분해능의 향상과 실시간 영상처리 실현을 위하여 연구개발을 계속하고 있으며 최근에는 광(optic)과의 상호작용을 이용하는 여러가지 시스템으로 이어지고 있다. 그 중에서 가장 대표적인 시스템 중의 하나는 SLAM(scanning laser acoustic microscope)시스템이다. 이 시스템은 송신을 초음파로 하고 수신을 광으로 하는 음향-광(acousto-optic)현상을 이용하는 것으로 시료의 내부를 투과한 초음파에 의하여 발생하는 고체표면의 변형을 레이저 빔을 입사시켜 그 반사된 빔의 세기를 2 차원적으로 획득하여 실시간 영상화시키는 것이다. 그러나 SLAM 시스템은 본질적으로 3차원 대상체를 2차원으로 영상화시키는 것으로 두꺼운 시료나 다층구조의 결함등을 갖는 시료의 영상화에는 많은 제한이 따른다.

토모그라픽 초음파현미경 시스템(STAM:Scanning Tomographic Acoustic Microscope) 기본적으로 상기한 SLAM의 단점을 보완하기 위하여 개발된 것으로 대부분의 구조가 동일하다. 이 시스템은 SLAM의 데이타획득 방법을 다소 변형시켜 프로젝션(projection) 데이타를 획득하고 BFP(back-and-forth propagation) 알고리즘을 통하여 토모그라픽 영상을 얻는 것이다. BFP 알고리즘은 기본적으로 시료 내부의 영상처리하고자 하는 부분이 평면층인 경우에 매우 효율적으로 토모그라픽 영상처리를 할 수 있는 디지탈 필터중의 하나이다. BFP알고리즘은 디지탈 필터의 일종으로 주어진 입사파와 수신파를 이용하여 원하는 시료 내부의 결함층에 대한 최소자승평가치(least square estimate)를 구하는 것이다.

제1도는 토모그라픽 초음파현미경 시스템의 구조와 동작원리를 상세히 설명하기 위한 시스템의 블럭도이다.

제1도에 도시된 바와 같이, 발진기(1,4)에서 발진된 서로 다른 주파수는 믹서(2)를 거쳐 합주파수와 차주파수가 얻어지며 합주파수에 해당하는 주파수 대역으로 갖는 대역통과필터(3)을 통하여 차주파수는 제거된다. 전기적인 신호가 초음파변환기(5)에 인가되면 초음파변환기는 전기적인 신호를 초음파로 변형시켜주며 이때 여기된 평면과 형태의 초음파는 결합용액인 물(10)을 거쳐 시료(8)에 도달된다. 초음파는 고체 내부로 잘 투과할 수 있으며 이 투과파(종래의 시스템에서는 종파만을 사용)는 수신단에 놓여 있는 플라스틱 재료(7)인 커버슬립(coverslip)까지 전파되어 커버슬립의 표면을 변형시키게 된다. 만약 시료(8) 내부에 서로다른 음향감쇠를 갖는 층이 존재한다면 이 층을 투과한 초음파의 세기는 서로 다르게 나타날 것이며 이러한 투과 초음파 세기의 변화는 커버슬립 표면의 위치마다 서로 다른 변형을 발생시킬 것이다. 이러한 커버슬립의 변형을 레이저 빔(6)으로 실시간 스캐닝하면 반사된 레이저 신호를 포토다이오드(9)에 의하여 전기적인 신호로 변환되어 믹서(11)에 입력된다. 이때 만들어진 합주파수와 차주파수는 차주파수의 주파수 대역을 갖는 대역통과필터(12)를 통과하여 동위상 정보(in phase)와 쿼드러춰정보를 검출하는 쿼드러춰 검출기(13)에 입력된다. 쿼드러춰 검출기(13)는 동위상 정보를 검출하기 위하여 기준신호인 발진신호(1)와 수신신호를 믹서(15)를 통과시킨 후, 직류성분만 얻기 위하여 저역통과필터(16)을 통과시키고 이를 A/D 변환기에서 디지털 신호로 변환시켜 데이터를 획득한다. 쿼드러춰 정보는 기준신호를 90°위상지연기(14)를 통과시킨 후 믹서(15)에 통과시키면 동일한 과정을 통하여 얻을 수 있다. 즉, 플라스틱 재료(7)인 커버슬립의 변형 상태에 따라 레이져 빔(6)의 반사율이 변하고 이러한 레이저 빔 세기의 변화는 포토 다이오드(9)의 전류세기를 변화시키므로 광학적으로 불투명한 고체 시료(8) 내부에 존재하는 층을 광학적으로 영상처리할 수 있는 것이다. 동위상 정보와 쿼드러춰정보를 가지고 상기한 BFP 알고리즘 소프트웨어를 컴퓨터(18)에서 처리하면 토모그라피 데이터가 얻어지며 이를 디지털 영상처리 하면 원하는 층에 대한 토모그램이 얻어진다.

토모그라픽 초음파현미경 시스템의 분해능은 파장이 짧을수록, 그리고 초음파의 입사각도가 클수록 개선된다. 그러므로 이 시스템의 분해능을 향상시키기 위해서는 동작주파수를 높히거나 입사각도를 크게 하여야 한다. 하지만 동작주파수를 높히는데는 주파수에 제곱에 비례하여 나타나는 음향감쇠와 잡음, 그리고 고주파용 전기장치의 뒷받침이 요구되므로 어려움이 있고 입사각도 또한 이론적으로는 90°까지 가능하지만 레이저로 수신할 때 나타나는 수신기의 특성 때문에 역시 40°정도로 제한을 받게된다.

또한, 토모그라픽 초음파현미경 시스템에서는 토모그라픽 영상 구성을 위하여 여러개의 프로젝션 데이타가 필요하다. 토모그라픽 초음파현미경 시스템에서는 이를 위하여 초음파변환기를 회전시키는 방법(transducer rotation)과 시료를 회전시키는 방법(specimen rotation)이 이론적으로 제시된바 있으나 현재 시료를 회전시키는 방법만이 제작되어 사용되고 있다.

제2도는 종래의 토모그라픽 초음파현미경 시스템을 위한 초음파변환기의 시료 회전장치이다.

제2도에 도시된 바와 같이, 초음파변환기(22)에 전기연결장치(24)를 연결하여 효과적으로 하우징(23)한 구조를 갖고 있다. 이때, 초음파변환기(22)는 결합용액(21)인 물을 통과하여 시료(20)를 향하여 입사각도가 10°로 고정되어 있기 때문에 시료에서는 종파만을 발생시켰다. 또한, 시료 회전장치는 다수의 프로젝션 데이터를 초음파변환기(22)는 고정시키고 시료(20)를 z축에 대하여 수평각 방향으로 회전시키면서 획득한다. 즉 9개의 프로젝션 데이터를 얻고 싶으면 초음파변환기는 입사 각도를 10°로 고정시키고 시료를 수평각 360°를 40°간격으로 나누어 0°, 40°, 80°, ···, 240°, 280°, 320°로 회전시키면서 상기한 방법으로 데이터를 획득한다.

종래의 토모그라픽 현미경 시스템에서는 초음파의 입사각도(θ)를 10°로 고정시켰기 때문에 대부분의 고체 시료의 내부에서 종파만이 발생된다. 종파의 파장은 횡파의 파장보다 2배 정도 길기 때문에 파장에 반비례하는 분해능은 거의 동작 주파수를 높히는 방법에 의해서만 개선이 가능하였다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 횡파를 이용한 토모그라픽 초음파현미경 시스템은 동일한 동작주파수를 가지고 시스템의 분해능을 약 2배 정도 개선시킬 수 있는 파장이 짧은 횡파를 이용하는데 목적이 있다.

제1도는 일반적인 토모그라픽 초음파현미경 시스템의 블럭도.

제2도는 종래의 토모그라픽 시스템을 위한 초음파변환기.

제3도는 본 발명에 따른 서로 다른 입사각도를 갖는 다중구조의 초음파변환기.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 초음파변환기 31 : 시료

32 : 결합용액 33 : 회전축

34 : 케이블 연결장치 35 : 하우징

36 : 고체결합체

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 횡파를 이용한 토모그라픽 초음파현미경 시스템은 초음파의 효율적인 전파와 초음파변환기의 장착을 위한 고체 결합체와, 시료회전효과를 갖는 회전축과, 전기적인 신호를 인가하는 케이블 연결 장치, 및 상기 회전축을 중심으로 시료에 횡파를 발생시킬 수 있도록 입사각도가 13~45°의 범위내에 배열된 초음파변환기로 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

제3도는 본 발명에 따른 탐상하고자 하는 시료의 횡파임계각도를 고려하여 초음파의 입사각도를 선택할 수 있도록 설계된 초음파변환기 장치이다.

제3도에 도시된 바와 같이, 3개의 초음파변환기(30)는 고체결합체(36)을 통하여 시료(31)와의 거리를 동일하게 유지하고 있으며 각 초음파변환기(30)의 입사각도는 시료에 대하여 횡파를 발생시킬 수 있는 범위내에서 널리 이용될 수 있도록 15°, 20°, 30°로 서로 다르게 설계되어 있다. 전기신호 인가를 위해 전기연결장치(34)가 장착되어 있으며, 회전축(33)은 측정초기의 얼라이먼트와 시료회전을 이용한 프로젝션을 수행할 때 효과적으로 이용되며 정확한 회전각도의 제어는 스텝모터와 컴퓨터 프로그램에 의하여 쉽게 실현할 수 있다. 하우징(35)은 방수처리의 목적으로 설계되었으며 시료가 알루미늄이라면 횡파임계각도가 12.9°이므로 20°의 입사각도를 갖는 초음파변환기를 선택하면 시료내에 횡파만을 발생시킬 수 있고 분해능을 2배 개선시킬 수 있는 것이다. 물론 알루미늄을 투과전파한 횡파는 액체 중에는 전파할 수 없기 때문에 알루미늄과 물의 경계면에서 다시한번 횡파에서 종파로의 모드변환을 일으키게 된다. 하지만 이 종파는 고체 내부의 횡파에 의하여 모드변환된 것이므로 고체 내부에서의 횡파정보를 그대로 포함하고 있기 때문에 횡파의 검출이 가능한 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명의 횡파를 이용한 토모그라픽 초음파현미경 시스템은 분해능을 개선시키고 콘트라스트(contrast)가 양호하여 토모그라픽 초음파현미경 시스템 뿐만이 아니라 초음파현미경이나 SLAM 등의 초음파 영상 시스템에 그대로 적용될 수 있다.

Claims (2)

1. 횡파를 이용한 토모그라픽 초음파현미경 시스템에 있어서, 초음파의 효율적인 전파와 초음파변환기의 장착을 위한 고체 결합체와, 시료회전효과를 갖는 회전축과, 전기적인 신호를 인가하는 케이블 연결장치, 및 상기 회전축을 중심으로 시료에 횡파를 발생시킬 수 있도록 입사각도가 13~45°의 범위내에 배열된 초음파변환기로 이루어짐을 특징으로 하는 토모그라픽 초음파현미경 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 초음파변환기는 상기 회전축을 중심으로 입사각도가 10°, 20°, 30°로 배열되어 종파 및 횡파의 이용을 겸하는 것을 특징으로 하는 토모그라픽 초음파현미경 시스템.