KR100455232B1 - 위상콘트라스트 이미징 방법 및 장치,그리고 이를 이용하여 위상분포를 판정하는방법 - Google Patents

위상콘트라스트 이미징 방법 및 장치,그리고 이를 이용하여 위상분포를 판정하는방법 Download PDF

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Abstract

대상물 경계의 이미지를 얻는 방법으로서, 상기 경계는 굴절률 변화를 나타내며, 상기 방법은 높은 횡방향 공간 코히어런스와 상기 굴절률 변화를 횡단하는 전파 성분을 가지는 투과성 방사선을 상기 경계에 조사하고, 이미지 평면 상의 적어도 한 부분에서 수광하여 이미지를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 방사선은 상기 경계에 의해 굴절되어 상기 경계가 이에 상당하는 위상변화로 이미지에 표시된다.

Description

위상콘트라스트 이미징 방법 및 장치, 그리고 이를 이용하여 위상분포를 판정하는 방법
본 발명은 일반적으로 x-선과 같은 투과성 방사선(penetrating radiation)을 사용하여 대상물의 구조적 특성을 관찰하는 것에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 비록 이에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명은 내부 경계 특성들의 x-선 위상콘트라스트 기록(x-ray phase-contrast recodal), 예를 들어 이미징(imaging)에 관한 것이다.
본 출원인의 국제 특허 공개 WO95/O5725(PCT/AU94/OO48O) 및 가특허출원 PN5811/95는 경 x-선(hard x-ray)을 사용하여 차동 위상콘트라스트 이미징(differential phase-contrast imaging)에 적합한 다양한 구성 및 조건을 개시하고 있다. 또 다른 개시가 소련 특허 제 l4O287l호 및 미합중국특허 제 53l9694호에서 보여진다. 적어도 몇가지 형태에서는, 흡수콘트라스트 방사선 사진술(absorption-contrast radiography)의 전통적인 방법과 더욱 밀접하게 관련된, 상대적으로 더욱 단순한 조건 및 구성이 경 x-선을 사용하는 차동 위상콘트라스트 이미징에 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 굴절률 변화(refractive index variation)를 나타내는 대상물의 경계의 이미지를 얻는 방법에 있어서,
높은 횡방향 공간 코히어런스와 상기 굴절률 변화를 횡단하는(transverse) 전파 성분(propagation component)을 갖는 투과성 방사선을 상기 경계에 조사하는 단계;
대응하는 강도 변화(intensity variation)에 의해 상기 이미지상에 상기 경계가 나타나도록 상기 경계에 의해 굴절된 상기 방사선의 적어도 일부를 수광하여,상기 이미지를 이미지 평면(image plane)상에 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한, 굴절률 변화를 나타내는 대상물의 경계의 이미지를 얻기 위한 장치에 있어서,
높은 횡방향 공간 코히어런스와 상기 굴절률 변화를 횡단하는 전파 성분을 갖는 투과성 방사선을 상기 경계에 조사하는 방사원;
대응하는 강도 변화에 의해 상기 이미지상에 상기 경계가 나타나도록 상기 경계에 의해 굴절된 상기 방사선의 적어도 일부를 수광하여, 상기 이미지를 형성하는 검출기를 포함하는 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 선명한 굴절률 변화(sharp refractive index variation)를 갖거나 두께 변화에 의해 규정된 내부 경계의 위상콘트라스트 기록을 얻는 방법에 있어서,
상기 굴절률 변화의 방향을 횡단하는 방향이나 또는 상기 두께 변화의 방향으로 전파 벡터(propagation vector)의 현저한 성분(significant component)이 존재하도록 전파 방향(propagation direction)을 갖고, 또한 상기 경계에 있어서의 방사선 파면(wavefront)의 전파의 국소 방향(local derection of propagation)으로 검출가능한 변경(detectable change)을 야기시키도록 상기 굴절률 또는 두께의 변화에 대해 상당히 높은 횡방향 공간 코히어런스를 갖는 투과성 방사선을 상기 경계에 조사하는 단계;
전파의 국소 방향으로의 상기 변경의 효과가 관찰 가능하여, 방사선의 국소감쇠(local diminution) 또는 급격한 강도 변화(rapid variation of intensity)로서 기록하되, 이에 의해 실질적으로 상기 경계를 이미징할 수 있는 방식으로, 상기방사선이 상기 경계를 가로지른 후에 상기 방사선의 적어도 일부를 검출하여 기록하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 선명한 굴절률 변화를 갖거나 두께 변화에 의해 규정된 내부 경계의 위상콘트라스트 기록을 얻는 장치에 있어서,
상기 굴절률 변화의 방향을 횡단하는 방향이나 또는 상기 두께 변화의 방향으로의 전파 벡터의 현저한 성분이 존재하도록 전파 방향을 갖고, 또한 경계에 있어서의 방사선 파면의 전파의 국소방향으로 검출가능한 변경을 야기시키도록 상기굴절률 또는 두께의 변화에 대해 상당히 높은 횡방향 공간 코히어런스를 갖는 투과성 방사선을 상기 경계에 조사하는 수단; 및
전파의 국소방향으로의 상기 변경의 효과가 관찰 가능하여, 방사선의 국소 감쇠 또는 급격한 강도 변화로서 기록되고, 이에 의해 실질적으로 상기 경계를 이 미징할 수 있는 방식으로, 상기 방사선이 상기 경계를 가로지른 후에 상기 방사선의 적어도 일부를 검출하여 기록하는 수단을 포함하는 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 굴절률 변화를 나타내는 대상물의 경계의 이미지를 얻는 방법에 있어서,
높은 횡방향 공간 코히어런스와 상기 굴절률 변화를 횡단하는 전파 성분을 갖는 투과성 방사선을 상기 경계에 조사하는 단계; 및
대응하는 강도 변화에 의해 상기 이미지상에 상기 경계가 나타나도록 상기 경계에 의해 프레넬(Fresnel) 회절된 상기 방사선의 적어도 일부를 수광하여 상기이미지를 이미지 평면상에 형성하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 굴절률의 변화를 나타내는 대상물의 경계의 이미지를 얻기위한 장치에 있어서,
높은 횡방향 공간 코히어런스와 상기 굴절률 변화를 횡단하는 전파 성분을 갖는 투과성 방사선을 상기 경계에 조사하는 방사원; 및
대응하는 강도 변화에 의해 상기 이미지상에 상기 경계가 나타나도록 상기 경계에 의해 프레넬 회절된 상기 방사선의 적어도 일부를 수광하여, 상기 이미지를 형성하는 검출기를 포함하는 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 이미지의 위상콘트라스트 이미지 데이터를 처리하는 단계를 포함하여, 상기 이미지의 위상을 결정하는 방법도 제공한다.
전파(propagation)의 국소 방향으로의 강도 변화의 효과는, 바람직하게는 기록(recordal)을 포함하는 이미지상에서 관찰될 수 있다. 상기 기록 및 그에 따른 이미지는 리소그래피적인 것일 수도 있고, 또는 전자적인 것일 수도 있다. 따라서 "이미지(image)"란 용어는, 예를 들어, 강도값의 테이블이나 다른 저장된 기록과 같은 한 세트의 강도 데이터에서 관찰가능한 효과를 말하는 것으로서, 시각적인 것만으로 한정되지는 않는다. 기록 매체는 2차원의 화소화 검출기(pixelated detector), 예를 들면 전하 결합 소자(charge-coupled device; CCD) 어레이와 같은 전자 검출기를 포함할 수도 있다.
조사 수단(irradiating means)은 바람직하게는 직경이 2Oμm이하인 x-선 방 사원을 포함하는데, 여기서 직경은, 최대 강도의 절반에서의 상기 방사원의 강도 분포의 전체폭을 말한다. 상기 장치는, 이미징되는 내부 경계를 포함하는 시료를 위한 적당한 스테이지나 홀더를 더욱 포함할 수 있는 것이 좋다.
투과성 방사선(penetrating radiation), 예를 들어 x-선 방사선은 다색성일수 있으며, 경 x-선(hard x-ray) 범위, 즉 1 keV에서 1 MeV까지의 범위 내에 있는것이 바람직하다.
경계와 검출 수단의 간격(separation)은 이미지의 해상도를 개선하도록 선택되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 더욱 선명한 이미지, 즉 보다 높은 콘트라스트를 갖는 이미지는 상기 간격을 증가시킴으로써 얻어질 수 있음이 관찰되었다. 예를 들어, 콘트라스트는 적어도 0.4 m의 간격에 비하여 약 1 m의 간격의 경우에 개선된다. 이것은, 간격이 증가함에 따라 배경 잡음(background noise)은 감소되지만 전파의 국소 방향으로의 변경으로부터 야기되는 강도 변화 효과는 실질적으로 보존되기 때문일 것이다.
여기서 "횡방향 공간 코히어런스(lateral spatial coherence)"는 파(wave)의 전파 방향을 횡단하는 상이한 점들간의 파의 복소 진폭(complex amplitude)의 상관관계(correlation)를 말한다. 횡방향 공간 코히어런스는, 파면상의 각 점이 시간의 경과와 동시에 변경되지 않는 전파의 방향을 가지는 경우에 생기는 것으로 알려져 있다. 실제로는, 높은 횡방향 공간 코히어런스는, 예를 들어, 작은 유효 크기의 방사원을 사용하거나 방사원으로부터 멀리 떨어진 위치에서 빔을 관찰함으로써 얻어질 수 있다. 예를 들어, 20 keV x-선에서는, 방사원의 크기가 통상 직경이 20 ㎛ 이하인 것이 적당하다. 방사원으로부터의 제공되는 총 플럭스가 충분하다면, 방사원의 크기는 작으면 작을수록 바람직하다. 방사원의 x-선 윈도우의 세심한 선택, 예를 들어 고도로 균일한 두께와 균질성(homogeneity)의 것이 되도록 함으로써 횡방향 공간 코히어런스를 유지하는 것이 필요할 수 있다.
도 1은 단면이 원형인 대상물을 평행한 빔에 의해 조사되는 것을 설명하고 보여주기 위하여 3개의 부분으로 나누어 나타낸 도면;
도 2는 다색성 빔에 의해 조사되고 있는 단면이 원형인 대상물과, 얻어지는 위상콘트라스트 이미지를 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 x-선 광학계 배치를 나타낸 도면;
도 4 및 도 5는 본 명세서에서 상세히 설명되는 본 발명에 따라 얻어진 다양한 경계의 x-선 이미지를 나타내는 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여, 단지 예시로서, 아래에서 설명한다.
우선, 본 발명의 수학적 원리를 개략적으로 제시하고자 한다.
시료의 두께 및 x-선 굴절률, 즉 n(λ)=1-δ(λ)-iβ(λ)의 변화는 언제나 시료를 통과하는 x-선 파면의 형태를 변경시킬 것이다. n의 실수 성분인 1-δ(λ)는 굴절도(degree of refraction)와 관련되며, 허수 성분인 -iβ(λ)는 흡수도(degree of absorption)와 관련된다. 더욱 상세히 하면, 단원소물질(single element substance)에 있어서는,
[수학식 1]
Figure pct00001
[수학식 2]
Figure pct00002
이다. 단, 상기 식에서 μ(λ)는 선형 흡수 계수이고, γ0은 고전적인 전자 반경이고, N0은 단위 체적 당 원자수이고, fR은 산란각 0에서의 원자 산란 계수(atomic scattering factor)의 실수부이다. 계수 δ는 λ2 에 비례하고 β는 λ4 에 비례하며, 또한, λ는 방사원으로부터 방출되는 x-선 광자의 에너지에 반비례한다.
파면 왜곡(wavefront distortion)의 크기는 파면의 전파 방향(propagation direction)을 가로지르는 위상변화(phase variation)의 그래디언트(gradient)와 관련된다. 기하광학 근사법에서, 대상물을 통과하는 광로(ray path)에 있어서의 위상차(Φ)(phase difference)는, 광로에 따른 굴절률(δ)의 실수부의 감분(decrement)의 적분에 비례한다. 이는 도 1의 좌표계에서 일반적으로 다음과 같이 표시할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pct00003
단, 상기 식에서 k는 2π/λ이다. 국소 입사 파동벡터(local incident wavevector)로부터의 국소 산란 파동벡터(local scattered wavevector)의 각편차( Δα)(angular deviation)는, 국소 입사 파동벡터에 수직인 방향으로의 위상차의 그래디언트에 비례한다. "국소"라는 용어는 파면상의 점 (x, y, z)을 의미한다. 국소 산란 파동벡터는 수학적으로 도 1의 좌표계에서 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pct00004
단, 상기 식에서 s(x, y, z)는 점(x, y, z)에서의 파면에 대한 법선벡터(the normal)이며, 상기 관계는 (∂Φ/∂x)2+(∂Φ/∂y)2≪K2 인 경우에 근축 근사(paraxial approximation)로 유효하다. 각편차 Δα는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pct00005
따라서, 각편차 Δα는 전파 파동벡터(propagation wavevector)에 수직인 굴절률 편차(refractive index variation)에 따라 결정되며, 편차량은 파동벡터의 방향으로 상기 변화(variation)가 발생하는 길이, 예를 들면 시료의 두께에 따라 결정된다.
상기 효과의 본질을 설명하고자, 도 1 및 도 2에서와 같이 굴절률 n0= 1인 매질 내에 있는 굴절률 nM인 구형 대상물(Ω)(spherical object)의 경우를 고려해 본다.
진공을 통과하는 경우에 비하여 시료를 통과하는 x-선의 광학적 경로 길이차는, 전파의 국소 방향을 횡단하는 방향으로 국소 위상차 Φ(x)가 나타나도록 하며(도 1), 따라서, 위상 그래디언트 ∂Φ/∂x가 나타나도록 한다. z축으로부터 일정한 거리에서 z-축에 평행한 대상물 Ω를 통과하는 광선 1(ray 1)과 기준광선(reference ray)인 광선 0(ray 0) 사이의 위상차는 다음과 같다.
[수학식 6]
Figure pct00006
단, 상기 식에서 z(x, y)는 대상물(Ω)인 광선 1의 교선(intersection) 길이이고,
[수학식 7]
Figure pct00007
이며, 여기서 R 은 Ω의 반경이고, δ는 굴절률 계수의 감분이다. 수학적으로 x-z 평면에 있는 원형 단면 대상물에 있어서는, 주어진 x에 대하여 입사광과 상응하는 굴절광 간의 ∂Φ/∂x 및 각편차Δα에 관한 식은 다음과 같다.
[수학식 8]
Figure pct00008
수학식 8에서, δ(λ)는 변화가 느리고, 위상 그래디언트가 x=±R에 발산하는 것을 쉽게 관찰할 수 있는데, 이 때, 광선들은 광학축으로부터 매우 큰 각도로 일탈할 수 있다. 이러한 제한에서, 산란된 광선의 각 편차는 매우 크게 될 수 있으며, 상응하는 전방에서의 강도 I가 식별 가능할 정도로 손실된다. 이 위치는, 도 2의 다색 빔 B에서 나타나는 바와 같이, 파장에 무관하다. 굴절률 계수δ의 감분은, 가벼운 원소들 및 경 X-선에 있어서는 10-5 내지 10-6 정도가 전형적이고, x가 ±R에 근접할 때, 즉 시료의 경계 또는 내부 경계 부분에서 각편차 Δα는 상당히 크게 될 수 있다.
방사원 크기, 대상물-방사원간 거리 및 대상물-이미지간 거리가 다른 조건하에서 얻어지는 콘트라스트 특성 및 방사원의 스펙트럼 분포를 고려해 볼 필요가 있다. 또한, 대상물에 의해 도입되는 파면의 변형의 정도(degree of modification)도 콘트라스트에 영향을 준다.
평면파의 경우, 이미지 형성에 있어서의 콘트라스트에 미치는 이러한 인자들의 작용을 이해하는 것을 돕고자, 위상 대상물(phase object)로부터의 프레넬 회절 콘트라스트(Fresnel diffraction contrast)에 대한 Cowley 유도식(J.M.Cowley,"Diffraction Physics", 2nd Ed., p.60, North Holland, 1981)을 사용하여 1차 근사를 얻을 수 있다. 식 Φ(x)에 따르면, 위상 변경(phase change)를 생성하는 1차원 위상 대상물의 경우, 파장 λ인 평면파 조명하에서 대상물로부터의 거리 R2에서의 강도 분포는
[수학식 9]
Figure pct00009
와 같고, 이는 값 (R2λ/2π)Φ″(x)가 작은 경우 1차까지 타당하다. 이러한 매우 단순한 식으로부터, 몇가지 중요한 결론을 얻어낼 수 있다.
i) 콘트라스트는 직접적으로 R2 에 의해 변한다.
ii) 이미지의 구조는 λ와 무관하며, 콘트라스트만 영향을 받는다. 다색 방사원에서는, 상기 식의 λ는 분광학적 가중합(spectrally weighed sum)으로 치환될 수 있다.
본발명의 x-선의 경우, 상기 식의 유효 범위를 어느 정도 느끼기 위해서, 대상물에 의해 전달되는 위상이 10 미크론의 횡방향 거리(lateral distance)에 대하여 1 라디안 만큼 변화하는 대상물 특성이 있는 것으로 가정해 본다. 이 때, Φ"∼1010 m-2 이고 λ∼1Å에서 R2∼1m의 경우, (R2λ/2π)Φ"(x)≤1이다. 따라서, 이 식은 작은 위상 대상물에도 유효하고 위상에서의 적당히 급격한 변화에도 합리적이다. 그러나, 인위적 실험 대상물(예를 들면, 섬유)의 계산시 종종 사용되는 것과 같이 매우 선명한 에지 또는 경사의 변경에 대해서는, Φ"는 매우 크게(무한대까지도 가능) 될 수 있어, 상기 식은 옳지 못하다. 그러나, 이러한 경우에도, 이미지의 일반적인 형상(선명한 단자 대상물(sharp step object)로부터의 흑/백 라인)은 재현가능하나, 이러한 불연속들으로부터 회절의 전형적인 이차적 줄무늬(subsidiary fringe)들은 재현불가능하다. 반면에, 더 작은 Φ"(x), 즉 횡방향으로의 변화가 그다지 급격하지 않는 보다 큰 특성(feature)에 있어서는, 콘트라스트가 작고, 실질적 관찰 가능성이 제한될 수 있다는 것을 알 수 있다(실질적으로 더 중요할 수 있다).
평면파에 의한 이러한 형태의 이미지의 더욱 정확한 수학적 취급은 최근 프레넬 회절을 이용하여 행해진다(P.Cloetens, R. Barrett, J.Baruchel, J.P. Guigay 및 M. Schlenker, J. Phys. D.: Appld. Phys., 1996 29, 133-46; J.P. Guigay, Optik, 1977, 49, 121-5). 이러한 취급은, 1차까지 상기와 동일한 식을 얻는다. 그러나, 보다 정확한 취급에 의하면, 공간 주파수(spatial frequency) u에 대한 최대 콘트라스트는, 적어도 위상콘트라스트 방사선 사진술에 있어서 예상되는 조건의 통상의 범위에서, 2λR2u2=1 인 경우에 발생한다. 공간 주파수 u는 이미징되는 대상물의 구조와 관련이 있는데, 여기서 u는 1/A이고, A는 이미징되는 대상물의 푸리에 성분의 공간 주기(spatial period)이다.
이러한 취급들은 모두 이상적인 평면파에 의한 조명(illumination)에 관계되어 있다. 빔의 발산은 R2에 비례하는 양만큼 이미지를 희미하게 한다(이 경우, 통상적인 방사선 사진술에서와 동일한 방식으로 행동함). 상기 저자(Cloetens 등)는, 콘트라스트 및 분해능을 모두 고려해 총체적인 최적 R2를 다음과 같이 제시한다.
[수학식 10]
R2 ≤ 2λ/α2
단, 상기 식에서 α=s/R1은 대상물에 방사원이 대하는(subtend) 각이고, (거의) 평면파의 경우와 관련되어 있다. Cloetens 등은, 특히 x-선의 높은 단색 방사원의 필요성을 기재하였고, 본 명세서에 기재한 바람직한 실시예와는 대조적으로 평면파의 경우만을 고려하였음을 주목해야 한다.
지적한 바와 같이, 상기 취급들은 특히 평면파의 경우에 관한 것이지만, 한편 본 발명은 종래의 방사선 사진술과 더욱 밀접하게 관련된 구면파와 관련되어 있다. 공간파의 경우를 이해하기 쉽도록, 대상물로부터 거리가 Rl인 점 방사원에 의해 대상물을 이미징(구면파의 경우)하기 위한 Fresnel-Kirchhoff 식의 간단한 분석에 의해 유용하게 확립될 수 있는 둘 사이의 관계를 검토해본다. 이를 통하여, 다음 수학식과 같은 거리 R'에서 이미징 하기 위한 변형된 대상물 및 (R1 + R2)/R1만큼 확대된, 평면파인 경우를 포함하는 구면파에 있어서 간단한 관계가 있음을 알게 된다.
[수학식 11]
Figure pct00010
광선 광학에 기초한 간단한 기하학적 검토로부터, 방사원 크기에 의한 콘트라스트 또는 해상도의 감소는, 이미지 및 방사원 크기 모두를 확대할 수 있으므로, 구면파의 경우에는 문제가 되지 않음을 알 수 있다. 후자는 R2/R1배 되고 이는 큰 R2에 있어서는 동일한 비율로 접근한다. 구면파의 경우, 콘트라스트에 영향을 주는 인자는, (방사선 사진술과 관련된 에너지 및 공간 분해능의 범위에 있어서) 2λR2(1+R2/R1)u2이 커져야 한다는 점이다(그러나 전형적으로는 1보다 작다). 이 식은, R2가 크거나 λ가 크거나, 또는 공간 주기 u가 크기 때문에 커질 것이다. 예시로서, 실질적인 방사선 사진술을 위해서는, 다음 값이 대표적이다: λ=0.2Å; u≤2x105(20 미크론 이상의 공간 주기에 상당). 따라서, R2= 2.5m(예를 들면 R2/R1=3을 가정)에서 최대 공간 주파수에 있어서의 최대 콘트라스트를 제공할 수 있다. 보다 큰 R2 값은 보다 작은 공간 주파수에서의 최대 콘트라스트에 적합하다.
함수 Φ"는 이미지 중의 위상 대상물의 에지 또는 경계를 향상시키는 경향이 있다는 것을 주목할 수 있다. 또한 대상물에 흡수성 성분이 있다면, 적어도 1차로, 이미지 콘트라스트(예를 들면, Guigay, 1977의 식 7 참조)에 직접 부가될 것이다. 이 기술에 의하면, 새로운 지식을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 일반적인 방사선 이미지를 보완하고 개선할 수 있다. 또한, (Φ의 Laplacian을 포함하는) 미분 위상-콘트라스트를 포함하는 이미지중의 콘트라스트의 적절한 취급은, 위상 Φ(x)을 취출하기 위하여, 예를 들면 강도 방정식(intensity equation)의 변환해(solution)를 통한 이미지의 수치적 처리를 필요로 한다(본 명세서에 참고자료로 채택되고 있는 T.E.Gureyev, A.Roberts 및 K.Nugent, Journal of Optical Society of America, Vol.A12, pp.1932 및 pp.1942, 1995 참조).
이제, 이로부터 얻어진 개념을 적용하기 위한 실질적인 장치를 살펴본다. 실시예 1(도 3)에서, 높은 공간 코히어런스의 방사원 S 및 x-선 이미징 검출기 D[예를 들면 필름, 광유발 인광 플레이트(light stimulated phosphor plate)(예를 들면, Fuji Image Plates)] 또는 이차원 전자 검출기를 사용한다. 전파 방향(propagation direction)을 횡단하는 방향으로의 선명한 굴절률 변화 또는 전파 방향으로의 두께 변화의 영역은, 이러한 영역을 통과하는 파면의 전파의 국소방향에서의 현저한 변경을 줄 수 있다. 따라서 점 방사원(S)로부터 방사되는 구면파면(W1)은, 대상물(0) 통과시에 파면 W2로 왜곡된다. 시료로부터 충분히 멀리 떨어진 위치에서 파면의 강도를 기록함으로써, 시료중의 선명한 굴절률 및 두께의 변화에 기인한 강도 변화가 검출되고, 그들의 위치는 이미지 중에 기록될 수 있다. 이것은, 차동 위상콘트라스트 이미지의 한 형태에 대응한다. 상기 이미징 검출기의 위치는, 검출기의 공간 분해능이 파면의 현저한 왜곡으로부터 초래되는 강도차를 분해(resolve)하고, 상술한 바와 같이 실제의 검토를 조건으로 콘트라스트를 최적화하기에 충분하도록 선택된다.
전형적으로, 굴절률 또는 두께의 선명한 그래디언트(sharp gradient)는, 이미지 중의 대응점에서의 강도의 선명한 손실 또는 급격한 변화로서 이미징될 것이다. 이미지 중의 소정의 이러한 강도 손실 또는 급격한 변화의 특성은 본질적으로 파장에 독립적이므로, 다색 방사원을 사용한 경우에서도, 이미지 중에 매우 선명한 콘트라스트 변화를 야기할 수 있다.
이러한 구성은, 원형 방사원 분포에 있어서, 이미지의 공간 분해능이 양방향에서 동일하며, 본질적으로 방사원의 크기에 의해 결정된다는 특징을 가진다. 또한, 이미지의 현저한 확대가 가능하므로, 후지 이미지 플레이트(Fuji Image Plates)와 같은 기록 매체가 사용될 수 있는 이점이 있는데, 이 기록 매체는 넓은 동적 범위 및 고감도 등의 많은 바람직한 특성을 가지나, 높은 공간 분해능을 가지고 있지는 않다.
방사원 및 검출기가 이러한 구성에 포함될 뿐아니라, 고분해능의 각분석기(angular analyser)가 시료와 검출기 사이에 삽입될 수도 있다. 고분해능의 각분석기는, 예를 들어, 방사원의 몇가지 적당한 특성 파장용으로 선택된 곡률(curvature)을 가지는, Laue 기하학에서의 적당히 구부러진 크리스탈(curved crystal)일 수 있다. 방법에 있어서의 이러한 변화는, 제 1 구성으로 관찰될 수 있는 것보다도 시료의 굴절률 및 두께의 더 작은 변화를 분해하기 위함이다.
후지 이미지 플레이트와 같은 훨씬 더 낮은 공간 분해능의 검출기를 사용하여도, 이미지 중의 아주 높은 공간 분해능이 달성될 수 있는 것과 같이, 이미지의 아주 실질적인 증폭이 가능하다는 점에 주목해야 한다. 또한, 이미지 형성 방법은본질적으로 x-선 에너지와 무관하므로, 방사원은 높은 관 전압(tube voltage)으로 작동될 수 있고, 따라서 시료에 흡수되는 조사량(dose)을 작게 할 수 있음에 주목하여야 하며, 이는 임상 용도에 있어서는 중요한 것이다.
전술한 기술을 사용하여 기록된 위상콘트라스트 이미지의 예시가 도 4 내지 5에 나타나 있다. 도 4는 10㎛ 플라스틱 필름의 에지의 이미지를 나타내는데, 이 필름은 Davis, Gao, Gureyev, Stevenson 및 Wilkins(Phys. Rev. Letters, 1995, Vol. 74, p. 3173)에 의해 사용된 것과 동일하며, 이는 순수한 위상 대상물(pure phase object)에 해당한다. 도 5는, Davis, Gao, Gureyev, Stevenson 및 Wilkins(Nature Vol.373 pp.595-8,1995)에 의해 보고된 것과 유사한 시료에 근거한 폴리머 매트릭스내의 기포(air bubble) 및 유리섬유의 이미지이며, 이는 거의 순수한 위상 대상물에 해당한다. 각각의 경우, 보통의 흡수-콘트라스트 이미지에서 기대되는 것 이상의 선명한 부가적 콘트라스트가 나타난다. 특히, 도 4에서는 필름의 에지가 흑/백 콘트라스트 특성으로 선명하게 보이고, 기포 및 섬유의 에지도 그러하다. 방사원으로는 4OkV에서 작동하는 Cu 양극을 가지는 공칭 10㎛ 지름의 마이크로포커스 방사원(Kevex Model PXS)를 사용하였다. 도 4에서는, 방사원과 시료 및 시료와 필름 사이의 거리는 모두 7OOmm였으나, 한편 도 5에서는 그 거리가 각각12Omm 및 1OOOmm이었다. 이들 예시에서 방사원의 공간 코히어런스가 높아서, 콘트라스트가 거의 완전하게 보인다는 것에 유의해야 한다. 콘트라스트는, 일차적으로 강도 손실 콘트라스트이며, 이점에서 보통의 흡수와 유사하나, 수학식 8에 나타낸 바와 같이 대상물의 경계에서의 굴절 산란(또는 프레넬 회절)에 기인한 강도 손실을 나타난다는 점에서 상이하다. 지름 0.1mm 의 기준 미세 초점원(normal fine focus source)은 사진에 나타나 있는 길이 약 0.1mm의 스케일 바 길이의 투영된 크기(projected size)를 가질 것이므로, 이 콘트라스트를 상당히 희미하게 할 것이다(smear out).
본 명세서에서 설명하는 위상콘트라스트 이미지와 표준 흡수 이미징을 비교하여 하기 표 1에 나타내었으며, 65% 흡수를 달성하기에 필요한 탄소 시료의 흡수두께 ta 및 2π의 Φ로 위상 변경을 생기게 하는 데 필요한 시료의 위상 두께 tp를, 상이한 방사원 에너지 E에 대하여 나타내었다.
상기 표의 결과는 매우 작은 대상물을 높은 에너지원으로 이미징하는데 어떻게 위상콘트라스트 이미징을 사용할 수 있는지를 나타낸다.
공기 산란 효과를 감소시켜 광학 특성이 x-선 빔의 코히어런스에 불리한 영향을 주지 않는 것을 확실하게 하기 위해서, 시료와 검출기 사이의 빔 경로는 x-선 투과성 창 또는 이와 유사한 수단을 가진 진공관으로 된 관(tube)을 포함하는 것이 유리하다.
본 방법은, 특히 다양한 종류의 물질 중의 크랙(crack), 보이드(void) 및 박리(delamination)와 같은 특성을 이미징하기에 매우 적합한데, 그 이유는 이러한 특성은, x-선 굴절률에서의 최대의 차이를 포함하고, 공간 변화가 지극히 선명하기때문이다. 관찰할 수 있는 콘트라스트를 얻기 위해서, 방사원은 매우 작은 효과적인 크기, 즉 20㎛ 급이하가 바람직하며, 검출기로는 x-선 필름과 같은 고분해능 검 출기 또는 예를 들어 CCD 어레이와 같은 이차원 전자 검출기가 바람직하다. 본 방법은 또한 임상 방사선사진술에서 중요한 특성의 콘트라스트를 현저히 향상시키는데 유용함이 증명될 수 있다.
본 출원은, 경 x-선과 같은 투과성 방사선을 사용하는 위상콘트라스트 이미 징에 있어서의 몇가지 단순화된 조건 및 구성을 설명하며, 이는 특히, 임상적 또는 산업적 용도를 목적으로 한다. 이러한 새로운 접근법은, 특히 조사 영역이 넓은 경우에는, 상기한 WO95/O5725 및 PN58Il/95에 기재한 방법보다도 흡수콘트라스트 방사선 사진술에 사용되는 종래의 방법과 더욱 밀접하게 관련되어 있다. 본발명의 방법에 의하면, 소정의 방사원 출력에 있어서 상당히 짧은 노출 시간이어도 좋은데, 이는 이전의 단색성 방법보다 방사원으로부터 매우 넓은 스펙트럼을 사용할 수 있기 때문이다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 문맥상 다른 것이 아니라면, "포함한다" 또는 "포함하고" 또는 "포함하여" 등과 같이 어미변화된 단어는 언급되지 않은 다른 구현을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (25)

  1. 대상물 내의 경계의 위상콘트라스트 이미지를 얻는 방법으로서, 상기 경계는 굴절률 변화(refractive index variation)를 나타내고,
    상기 대상물을 투과(penetrate)하고 상기 굴절률 변화의 방향을 횡단하는 전파 벡터의 현저한 성분이 존재하도록 하는 전파 방향을 가지는 x-선 방사선의 전파된 파면(propagated wavefront)으로 상기 경계를 조사하는 단계를 포함하고, 상기x-선 방사선은 또한, 굴절률에서의 상기 변화로 인하여 프레넬 회절을 통하여 콘트라스트로서 명시(manifest)되는 상기 경계에서의 상기 x-선 방사선 파면의 국소 전파 방향에서의 검출가능한 변경이 야기되기에 충분히 높은 횡방향 공간 코히런스를가지며; 및
    상기 국소 전파 방향에서의 상기 변경의 효과가 상기 콘트라스트로서 강도 기록내에서 관찰가능하여 상기 x-선 방사선의 강도의 국소 감소 또는 급격한 변화로서 기록되는 방식으로, 상기 x-선 방사선이 상기 경계를 가로질러서 상기 대상물 로부터 나온 후에, 상기 방사선 파면의 적어도 일부의 강도를 검출하여 기록하는 단계를 포함하고, 이에 의해 상기 강도 기록이 상기 경계의 이미지를 실질적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방사선은 다색 x-선 방사선인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 방사선은 1KeV 내지 1MeV 범위의 에너지를 가지는 x-선 방사선임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 축을 횡단하는 방향의 지름이 20㎛ 이하인 x-선 방사원을 사용하여 상기 경계를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    파면 강도의 상기 국소 감소 또는 급격한 변화의 기록을 포함하는 이미지의 일부분의 콘트라스트 및/또는 분해능을 향상시키는 거리만큼 상기 경계와 상기 방사선의 상기 부분을 검출하는 위치를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 거리는 0.3m 이상임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 거리는 0.7m 이상임을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파면의 상기 검출된 강도는 선명하고 국소화된 것임을 특징으로 하는 방법.
  9. 이미지 평면에서 위상 분포를 판정하는 방법에 있어서,
    제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 얻은 기록을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 처리는 전자기 방사선에 대한 맥스웰의 방정식에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 방정식은 강도 방정식의 변환인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선은 방사원에 의하여 생성되고 상기 방사원으로부터 브래그 회절없이 상기 경계로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 x-선 방사선의 검출된 강도의 상기 국소 감소 또는 급격한 변화를 상기기록으로부터 얻고 상기 경계의 표현을 확인하도록 상기 기록을 처리하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 경계를 조사하는 상기 단계는, x-선 방사선의 포커싱되지 않는 전파된 파면으로 상기 경계를 조사하는 단계를 포함하고,
    상기 강도를 검출하는 상기 단계는, 상기 경계를 통과한 후에 상기 파면을 포커싱하지 않고 상기 기록을 형성하도록 상기 경계를 통과하는 상기 x-선 방사선의 상기 파면의 적어도 일부분의 강도를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 처리는 전자기 방사선에 대한 맥스웰의 방정식에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 방정식은 강도 방정식의 변환인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 대상물 내의 경계의 위상콘트라스트 이미지를 얻는 장치로서, 상기 경계는 굴절률 변화를 나타내고,
    상기 대상물을 투과하고 상기 굴절률 변화의 방향을 횡단하는 전파 벡터의 현저한 성분이 존재하도록 하는 전파 방향을 가지는 x-선 방사선의 전파된 파면으로 상기 경계를 조사하는 수단을 포함하고, 상기 x-선 방사선은 또한, 굴절률에서의 상기 변화로 인하여 프레넬 회절을 통하여 콘트라스트로서 명시되는 상기 경계에서의 상기 x-선 방사선 파면의 국소 전파 방향에서의 검출가능한 변경이 야기되기에 충분히 높은 횡방향 공간 코히런스를 가지며; 및
    상기 국소 전파 방향에서의 상기 변경의 효과가 상기 콘트라스트로서 상기 강도 기록내에서 관찰가능하여 상기 x-선 방사선의 강도의 국소 감소 또는 급격한 변화로서 기록되는 방식으로, 상기 x-선 방사선이 상기 경계를 가로질러서 상기 대 상물로부터 나온 후에, 상기 방사선 파면의 적어도 일부의 강도를 검출하여 기록하는 수단을 포함하고, 이에 의해 상기 강도 기록이 상기 경계의 이미지를 실질적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 방사선은 다색 x-선 방사선인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 방사선은 1KeV 내지 1MeV 범위의 에너지를 가지는 x-선 방사선임을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 17항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조사하는 수단은 광학 축을 횡단하는 방향의 지름이 2O㎛ 이하인 x-선방사원인 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 17항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경계를 포함하는 대상물을 유지하고 따라서 상기 경계를 미리 결정된 위치에 위치시키는 홀더 수단을 더욱 포함하고, 이에 의해 상기 경계와 상기 방사선의 상기 부분을 검출하는 상기 위치의 간격이, 강도의 상기 국소 감소 또는 급격한 파면 변화를 포함하는 이미지의 일부분에 대한 콘트라스트 및/또는 분해능을 향상시키는 거리로 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 검출하는 수단과 상기 홀더 수단은 상기 거리가 0.3m 이상이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제 21항에 있어서,
    상기 검출하는 수단과 상기 홀더 수단은 상기 거리가 0.7m 이상이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제 17항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선은 방사원에 의하여 생성되고 상기 방사원으로부터 브래그 회절없이 상기 경계로 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제 17항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기록 내의 상기 파면의 상기 검출된 강도에서의 상기 대응하는 변화를 상기 기록으로부터 얻고 상기 경계의 표현을 확인하도록 상기 기록을 처리하는 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
KR1019970706920A 1995-03-28 1996-03-28 위상콘트라스트 이미징 방법 및 장치,그리고 이를 이용하여 위상분포를 판정하는방법 KR100455232B1 (ko)

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