KR101128876B1 - 테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치 - Google Patents

테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체 검사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 테라헤르츠파를 이용하여 피검물에 대해 투과도 등의 특성을 측정하거나 피검물의 이미지를 생성하는 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 전기적인 장치를 기반으로 하여 간단한 구성을 가지면서 장치 제작에 소요되는 비용을 줄여 제작원가를 낮출 수 있고, 측정시간의 단축 및 측정결과의 정확도 향상과 더불어 우수한 이미징 결과를 얻을 수 있는 소형의 실시간 검사장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 테라헤르츠파를 발생시켜 피검물에 입사하는 송신기(Tx)와; 상기 송신기로부터 입사되어 피검물을 투과한 테라헤르츠파를 수신하여 IF 신호로 변조된 측정신호로 출력하는 수신기(Rx)와; 상기 송신기와 수신기에서 입력되는 신호를 변환하여 기준신호를 발생시키는 기준신호발생기와; 상기 수신기의 측정신호와 기준신호발생기의 기준신호를 입력받아 상기 측정신호로부터 검출된 진폭 신호와 위상 신호를 출력하는 락인 증폭기와; 상기 락인 증폭기로부터 수집되는 진폭 신호와 위상 신호 중 하나 이상을 사용하여 피검물의 고유 정보를 분석하기 위한 분석장치를 포함하는 테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치가 개시된다.
테라헤르츠, 전자기파, 이미징, 송신기, 수신기, 기준신호발생기

Description

테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치{Measuring Apparatus using Terahertz Wave}
본 발명은 물체 검사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 테라헤르츠파를 이용하여 피검물에 대해 투과도 등의 특성을 측정하거나 피검물의 이미지를 생성하는 장치에 관한 것이다.
오늘날 테라헤르츠(Terahertz; THz)파, 즉 테라헤르츠 주파수 단위의 전자기파를 이용하는 응용기술이 전세계적으로 많은 관심을 끌고 있다.
테라헤르츠파는 일반적으로 0.1 THz에서 10 THz에 이르는 주파수 영역을 나타내고 있으며, 이러한 주파수 영역이 전파와 광파의 가운데에 위치함에 따라 전파가 가지는 투과성과 광파가 가지는 직진성을 동시에 보유한다는 장점을 가지고 있다.
또한 테라헤르츠파 에너지는 대부분의 분자들이 가지는 에너지, 즉 비틀림, 진동, 회전 에너지 등과 공명을 잘 일으키는 특성을 가지므로 이러한 특성을 이용 하면 물질 고유의 독특한 흡수 스펙트럼을 확인할 수 있다.
최근 분광학, 이미징 분야에서 테라헤르츠파의 특성을 이용한 응용이 활발히 연구되고 있다.
일반적으로 테라헤르츠파를 발생시키기 위한 방법으로는 레이저와 같은 광학장치를 이용하는 방법이 있다(참고 문헌 [1]).
광학적인 장치를 이용하는 경우, 넓은 주파수 스펙트럼을 얻을 수 있으며 이를 이용하여 물질 고유의 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)(참고 문헌 [2]), 깊이(depth)와 거리 정보(range information)(참고 문헌 [3]) 등과 같은 물체의 광범위한 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 샘플 측정시 소요 시간이 길고 실제 구성시 장치의 규모가 커지는 것은 물론 설치비용이 많이 든다는 단점을 가진다.
이러한 단점은 물체의 실시간 비파괴 검사를 목표로 하는 이미징 연구분야에서는 치명적인 약점이 된다.
이미징을 위한 소스(source)로서의 테라헤르츠파는 전통적인 마이크로파에 비해 충분히 짧은 파장을 가지기 때문에 공간분해능이 매우 우수하며, 물과 금속을 제외한 거의 모든 물체를 투과할 수 있다.
또한 현재 의학, 보안 등의 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있는 x-선(ray), γ-선보다는 매우 낮은 에너지를 가지고 있어 인체에 무해하다는 장점을 가진다.
이러한 특성은 최근 테라헤르츠파가 이미징 분야에서 세계적인 관심을 끌고 있는 이유 중의 하나이며(참고 문헌 [4],[5]), 폭발성 물질 검출이나 암세포 진단 등과 같은 다양한 기술분야에서 응용이 가능한 것으로 알려져 있다.
[참고 문헌]
[1] Martin van Exter and D. Grischkowsky, "Characterization of an optoelectronic terahertz beam system," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. vol. 38, pp. 1684-1691, 1990.
[2] Chen Y, Liu H, Deng Y, Veksler D, Shur M and Zhang X-C “Spectroscopic characterization of explosives in the far infrared region,” SPIE Defense and Security Symp. #5411-2, 2004.
[3] McClatchey K, Reiten M T and Cheville R A. “Time resolved synthetic aperture terahertz impulse imaging,” Appl. Phys. Lett. vol. 79, pp. 4485-4487, 2001.
[4] S. Nakajima, H. Hoshina, M. Yamashita and C. Otani, “Terahertz imaging diagnostics of cancer tissues with a chemometrics technique,” Appl. Phys. Lett. vol. 90, 041102, 2007.
[5] D. T. Petkie, C. Casto, F. C. D. Lucia, S. R. Murrill, B. Redman, R. L. Espinola, C. C. Franck, E. L. Jacobs, S. T. Griffin, C. E. Halford, J. Reynolds, S. O' Brien and D. Tofsted, “Active and passive imaging in the THz spectral region: phenomenology, dynamic range, modes, and illumination,” J. Opt. Soc. Am. B. vol. 25, pp. 1523-1531, 2008.
그러나, 상기와 같은 테라헤르츠파를 이용함에 있어서 종래에 비해 장치의 소형화가 가능하고 우수한 이미징 결과를 얻을 수 있으며 측정결과의 정확도 향상 및 측정시간의 단축이 가능해지는 장치의 개발이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 전기적인 장치를 기반으로 하여 보다 간단한 구성을 가지는 소형 검사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 장치 제작에 소요되는 비용을 줄여 제작원가를 낮출 수 있고, 측정시간의 단축 및 측정결과의 정확도 향상과 더불어 우수한 이미징 결과를 얻을 수 있는 소형의 실시간 테라헤르츠 이미징 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 테라헤르츠파를 발생시켜 피검물에 입사하는 송신기와; 상기 송신기로부터 입사되어 피검물을 투과한 테라헤르츠파를 수신하여 IF 신호로 변조된 측정신호로 출력하는 수신기와; 상기 송신기와 수신기에서 입력되는 신호를 변환하여 기준신호를 발생시키는 기준신호발생기와; 상기 수신기의 측정신호와 기준신호발생기의 기준신호를 입력받아 상기 측정신호로부터 검출된 진폭 신호와 위상 신호를 출력하는 락인 증폭기와; 상기 락인 증폭기로부터 수집되는 진폭 신호와 위상 신호 중 하나 이상을 사용하여 피검물의 고유 정보를 분석하기 위한 분석장치를 포함하는 테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치를 제공한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치에 의하면, 종래에 비해 장치의 소형화가 가능하고, 우수한 이미징 결과를 얻을 수 있으며, 측정결과의 정확도 향상 및 측정시간의 단축이 가능해지는 장점이 있게 된다.
특히, 종래의 검사장치와 같은 거대한 펨토-세컨드(femto-second) 레이저가 필요 없어 장치의 소형화가 가능하고, 전자장치만으로 구성되어 기존 장치의 정렬(align) 작업 등이 불필요하다. 또한 소형 부품만으로 컴팩트한 장치 구성이 가능해짐으로써 필요에 따라 구성의 변경이 용이한 장점이 있다.
아울러, 장치 구성에 소요되는 비용을 줄일 수 있게 되어 제작원가를 낮출 수 있고, 측정시간의 단축이 가능해짐은 물론 위상과 진폭 정보를 동시에 이용할 수 있어 우수한 이미징 결과를 얻을 수 있는바, 실시간 측정이 가능해지는 동시에 측정결과의 정확도가 향상되는 장점이 있게 된다. 종래에는 이미징화를 위해 대상 물체에서 획득되는 진폭 정보만을 이용하므로 진폭 정보만으로 얻은 이미지의 판독이 불가한 경우 정확한 측정 결과를 알 수 없었으나, 본 발명에서는 위상 정보의 이용이 가능하므로 진폭 정보만으로 이미지의 판독이 어려운 경우 위상 정보로부터 보다 나은 이미지를 얻을 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 소형화와 더불어 우수한 이미징 결과를 얻을 수 있고 측정결과의 정확도 향상 및 측정시간의 단축, 제작비용의 절감이 가능한 소형 테라헤르츠파 검사장치에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 전기적인 장치를 기반으로 한 송신기(Terahertz Transmitter; THz Tx)와 수신기(Terahertz Receiver; THz Rx)를 이용하는 것으로, 피검물(검사대상의 물체)에 테라헤르츠 전자기파를 입사시키는 동시에 피검물을 투과한 테라헤르츠 전자기파를 수신하여 그로부터 얻어지는 진폭(magnitude) 및 위상(phase) 정보를 기초로 피검물에 대해 실시간으로 이미징화가 가능하도록 한 것에 주안점이 있는 것이다.
즉, 본 발명에서는, 테라헤르츠 이미징을 통한 물체의 실시간 비파괴 측정장치로서, 신속한 측정이 가능하도록 하고 또한 장치 구성이 간단하면서 소형화가 가능하도록 하며 또한 장치의 제작비용을 낮출 수 있도록 하기 위한 방법으로, 다이오드, 발진기(oscillator), 주파수 배율기(frequency multiplier) 등과 같은 전자장치를 이용하게 된다.
이때, 위상 잠금된 DRO(Dielectric Resonator Oscillator)와 배율기를 포함 하는 송신기를 이용하여 소정 주파수의 테라헤르츠파(예, 336.168 GHz ≒ 0.34 THz)를 발생시키며, 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 검출기(수신기를 포함)를 이용하여 측정되는 신호로부터 물체 고유의 진폭과 위상 정보를 획득하게 된다.
본 발명의 일 실시예로서, 소형의 테라헤르츠 이미징 장치의 구현을 위해, 후술하는 바와 같이 송신기는 0.34 THz의 전자기파를 발생시켜 출력하도록 구성될 수 있고, 또한 상기 송신기에 의해 발생된 0.34 THz의 전자기파를 수신기가 수신하여 검사대상 물체의 진폭과 위상 정보를 측정할 수 있도록 장치가 구성될 수 있다.
본 발명의 물체 검사장치는 의료, 보안, 우주, 통신 등 다양한 분야에서 빠르고 쉬운 실시간 테라헤르츠 비파괴 검사를 수행하는데 유용하게 이용될 수 있다.
이러한 본 발명의 구성에 대해 좀더 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 테라헤르츠 이미징 장치로 구성되는 본 발명에 따른 물체 검사장치의 전체 구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 물체 검사장치에서 송신기의 구성을 도시한 블록도이며, 도 3은 본 발명에 따른 물체 검사장치에서 수신기의 구성을 도시한 블록도이다.
또한 도 4는 본 발명에 따른 물체 검사장치에서 기준신호발생기의 구성을 도시한 블록도이고, 도 5는 본 발명에 따른 물체 검사장치의 전체 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
우선, 본 발명의 테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치는, 소정 주파수의 테라헤르츠파를 발생시켜 피검물(샘플)(1)에 입사하는 송신기(Tx)(10)와, 상기 송신기(10)로부터 입사되어 피검물(1)을 투과한 테라헤르츠파를 수신하여 IF 신호로 변 조된 소정 주파수 대역의 측정신호로 출력하는 수신기(Rx)(20)와, 상기 송신기(10)와 수신기(20)에서 입력되는 신호를 변환하여 소정 주파수 대역의 기준신호를 발생시키는 기준신호발생기(30)와, 상기 기준신호발생기(30)의 기준신호와 수신기(20)의 측정신호를 처리하여 피검물(1)이 가지는 고유 정보를 나타내는 진폭 신호와 위상 신호를 출력하는 락인 증폭기(lock-in amplifier)(40)와, 상기 락인 증폭기(40)를 통해 수집되는 진폭 신호와 위상 신호를 분석 처리하기 위한 분석장치(50)를 포함하여 구성된다.
그리고, 본 발명의 물체 검사장치는 피검물(1)에 테라헤르츠파를 소정 간격으로 주사(scan)하여 피검물로부터 수집한 진폭 신호와 위상 신호를 기초로 피검물에 대한 이미지를 획득하는 이미징 장치로 구현될 수 있으며, 이를 위해 송신기(10)로부터 출력되는 테라헤르츠파가 설정된 간격(=스텝거리)으로 주사될 수 있도록 피검물(1)을 평면 이동시키는 이송 스테이지(60)를 더 포함하고, 이때 분석장치(50)는 락인 증폭기(40)를 통해 수집되는 진폭 신호와 위상 신호로부터 피검물(1)에 대한 이미지를 생성하는 이미징 수단을 포함하는 것이 될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 소형 CW 테라헤르츠 이미징 장치(Compact Continuous Wave Sub-Terahertz Imaging System)의 구성을 도시한 개략도로서, 도 1을 참조하면, 피검물(1)을 XZ 방향으로 이송시키기 위한 이송 스테이지(60)가 구비되며, 상기 피검물(1)에 소정 주파수의 테라헤르츠파를 주사하고 피검물을 투과한 테라헤르츠파를 수신할 수 있도록, 상기 이송 스테이지(60)에 장착된 피검물(1)을 중심으로 한쪽에는 송신기(10)가, 반대쪽에 수신기(20)가 위치됨을 볼 수 있다.
또한 송신기(10)와 수신기(20)의 발진기(oscillator)에 의해 생성된 전자기파를 입력받도록 기준신호발생기(30)가 송신기와 수신기의 각 발진기 출력 측에 연결되고, 이때 기준신호발생기(30)는 송신기와 수신기로부터 입력된 전자기파로부터 기준신호를 발생시킨 뒤 이 기준신호를 입력하도록 락인 증폭기(40)와도 연결된다.
또한 측정신호의 진폭과 위상 검출을 위해 락인 증폭기(40)는 측정신호를 입력받도록 수신기(20)에 연결되는바, 락인 증폭기(40)가 수신기(20)와 기준신호발생기(30)에 모두 연결되어 측정신호와 기준신호를 동시에 입력받게 된다.
도 1의 경우, 수신기(20)와 기준신호발생기(30)가 일체로 구성된 검출기(도 5의 경우 'Detector'로 표시)를 도시하고 있으며, 송신기(10)와 기준신호발생기(30)의 연결에 대해서는 도시를 생략하였다.
상기 락인 증폭기(40)는 측정신호의 진폭과 위상을 검출하기 위한 구성부로서, 수신기(20)로부터 입력되는 측정신호와 기준신호발생기(30)로부터 입력되는 기준신호를 처리하여 피검물 고유의 정보를 나타내는 진폭 신호와 위상 신호로 나누어 출력하는바, 락인 증폭기(40)에서 출력되는 진폭 신호와 위상 신호는 이미징 수단(50)으로 입력되어 피검물(1)에 대한 이미지를 생성하는데 사용되게 된다.
이때, 락인 증폭기(40)에서는 수신기(20)로부터 입력되는 측정신호의 진폭을 검출하여 출력하며, 진폭 신호를 증폭하여 신호 내의 기타 노이즈로부터 진폭 신호를 분리하여 출력하게 된다.
또한 기준신호발생기(30)로부터 입력되는 기준신호를 위상검출용 표준신호로 사용하여 수신기(20)로부터 입력되는 측정신호의 위상을 검출 및 출력하게 된다.
분석장치로서 이미징 수단(50)은 락인 증폭기(40)로부터 데이터 수집부(51)를 통해 입력되는 진폭 신호와 위상 신호를 피검물(1)에 대한 이미지(진폭 이미지와 위상 이미지)로 변환하는 이미징 프로그램이 구비된 컴퓨터가 될 수 있다.
락인 증폭기(40)에서 입력되는 진폭 신호와 위상 신호는 이미징 수단(50)에서 각각 단독으로 사용되어 피검물(1)의 이미지(각각 진폭 이미지와 위상 이미지)로 변환되거나, 또는 진폭 신호와 위상 신호가 동시에 사용되어 피검물의 이미지('진폭+위상', '진폭-위상', '위상-진폭' 이미지)로 변환될 수 있다.
한편, 본 발명에서 송신기 및 수신기, 기준신호발생기의 구성에 대해 도 2 내지 도 4를 참조하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 2에 나타낸 바와 같이, 송신기(10)는, AC 전원을 입력받아 구동을 위한 전력을 공급하는 파워 박스(11)와, 상기 파워 박스(11)에서 공급되는 전력에 의해 구동되어 소정 주파수의 전자기파를 발생시켜 출력하는 발진기(12)와, 상기 파워 박스(11)에서 공급되는 전력에 의해 구동되어 상기 발진기(12)에서 입력되는 전자기파를 증폭하여 출력하는 파워 증폭기(13)와, 상기 파워 증폭기(13)에서 출력되는 전자기파를 정해진 배수로 증폭하여 소정 주파수의 테라헤르츠 전자기파로 출력하는 주파수 배율기(14)를 포함하여 구성된다.
여기서, 발진기(12)는 위상이 고정된 주파수의 전자기파를 발생시켜 출력하는 위상 고정 발진기로서, 위상 잠금된 유전체 공진기(Dielectric Resonator Oscillator; DRO)를 이용한 다이오드 발진기가 사용될 수 있다.
상기 발진기(12)에서 발생되는 전자기파는 두 방향으로 나뉘어져 출력되는 데, 그 하나는 기준신호발생기(도 5에서 도면부호 30)로 입력되어 기준신호를 발생시키는데 사용되고, 다른 하나는 피검물에 입사되는 테라헤르츠파를 발생시키는데 사용된다.
테라헤르츠파를 발생시키기 위하여, 상기 발진기(12)에서 발생되는 전자기파는 파워 증폭기(13)로 입력되어 증폭되고, 상기 파워 증폭기(13)에서 증폭된 전자기파는 주파수 배율기(14)에서 테라헤르츠 주파수 단위로 증폭된 뒤 출력되게 된다.
상기 주파수 배율기(14)는 파워 증폭기(13)에 의해 증폭된 전자기파를 고주파인 테라헤르츠파로 증폭시키기 위해 수동소자인 복수개의 배율기가 사용될 수 있다.
상기한 송신기(10)의 일 실시예로서, 발진기(12)가 파워 박스(11)에서 공급된 전력에 의해 14.007 GHz의 전자기파를 발생시키도록 구성되며, 이때 발생된 14.007 GHz는 각각 기준신호발생기(30)와 파워 증폭기(13)로 입력되는바, 파워 증폭기(13)가 발진기(12)의 전자기파를 3배 증폭시켜 42.021 GHz로 출력하도록 구성될 수 있다.
이후 주파수 배율기(14)에서 수동소자인 3개의 배율기(각각 x2)에 의해 파워 증폭기(13)로부터 출력된 42.021 GHz의 전자기파가 8배(x8)로 증폭되어 최종 336.168 GHz(≒0.34 THz)의 전자기파가 출력되게 된다.
다음으로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 수신기(20)는, AC 전원을 입력받아 구동을 위한 전력을 공급하는 파워 박스(21)와, 상기 파워 박스(21)에서 공급되는 전 력에 의해 구동되어 소정 주파수의 전자기파를 발생시켜 출력하는 발진기(22)와, 상기 파워 박스(21)에서 공급되는 전력에 의해 구동되어 상기 발진기(22)에서 입력되는 전자기파를 증폭하여 출력하는 파워 증폭기(23)와, 상기 파워 증폭기(23)에서 출력되는 전자기파를 정해진 배수로 증폭하여 출력하는 주파수 배율기(24)와, 피검물을 투과하여 수신되는 테라헤르츠파를 상기 주파수 배율기(24)에서 출력되는 전자기파와 혼합하여 IF(Intermediate Frequency) 신호로 변환하는 서브 하모닉 믹서(sub-harmonic mixer)(25)와, 상기 서브 하모닉 믹서(25)에서 출력되는 IF 신호를 증폭하여 출력하는 IF 증폭기(26)와, 상기 IF 증폭기(26)에서 출력되는 증폭된 신호를 필터링하여 설정된 주파수 대역의 측정신호로 출력하는 대역통과필터(27)를 포함하여 구성된다.
여기서, 발진기(22)는 송신기에서와 마찬가지로 위상이 고정된 주파수의 전자기파를 발생시켜 출력하는 위상 고정 발진기로서, 위상 잠금된 유전체 공진기(DRO)를 이용한 다이오드 발진기가 사용될 수 있다.
또한 송신기에서와 마찬가지로, 상기 발진기(22)에서 발생되는 전자기파는 두 방향으로 나뉘어져 출력되는데, 그 하나는 기준신호발생기(30)로 입력되어 기준신호를 발생시키는데 사용되고, 다른 하나는 송신기(10)로부터 피검물을 투과하여 수신된 테라헤르츠파 신호를 IF 신호로 변환하는데 사용된다.
상기 발진기(22)에서 파워 증폭기(23)로 입력된 전자기파는 증폭을 거쳐 주파수 배율기(24)로 입력되는데, 수신기(20)의 주파수 배율기(24) 역시 고주파수로의 증폭을 위해 수동소자인 복수개의 배율기가 사용될 수 있다.
상기한 수신기(20)의 일 실시예로서, 발진기(22)가 파워 박스(21)에서 공급된 전력에 의해 14.000 GHz의 전자기파를 발생시키도록 구성되며, 이때 발생된 14.000 GHz는 각각 기준신호발생기(30)와 파워 증폭기(23)로 입력되는바, 파워 증폭기(23)는 발진기의 전자기파를 2배 증폭시켜 28.000 GHz로 출력하도록 구성될 수 있다.
이후 주파수 배율기(24)에서 수동소자인 2개의 배율기(x2 및 x3)에 의해 파워 증폭기(23)로부터 출력된 28.000 GHz의 전자기파가 6배(x6)로 증폭되어 168 GHz의 전자기파가 출력되게 된다.
이 전자기파를 국부발진신호로 사용하는 서브 하모닉 믹서(25)에서는 아래와 같이 168 MHz의 주파수로 다운된 IF 신호가 출력되게 된다.
식) fout = f1 - 2f2 = 송신기(Tx)로부터 수신된 336.168 GHz - 2×수신기(Rx)의 국부발진신호 168 GHz = 168 MHz
상기와 같이 서브 하모닉 믹서(25)가 수신된 테라헤르츠 RF 신호를 IF 신호로 변환한 뒤 출력하게 되면, IF 증폭기(26)에서 약한 IF 신호를 증폭하여 출력하고, 대역통과필터(27)에서 설정된 주파수 대역만을 통과시켜 출력하는바, 결국 최종의 측정신호가 수신기(20)에서 출력될 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명은 송신기(10)와 수신기(20)에 링크된 기준신호발생기(30)를 구비하는 것에 주된 특징이 있는 것으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 기준신호발생기(30)는 송신기와 수신기의 각 발진기에서 출력되는 위상이 고정된 전자기파를 입력받아 두 전자기파의 주파수 차 신호로 변환하여 출력하는 믹서(31)와, 상기 믹서(31)에서 출력되는 주파수 차 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기(32)와, 상기 증폭기(32)에서 출력되는 주파수를 정해진 배수로 증폭하여 출력하는 주파수 배율기(33)와, 상기 주파수 배율기(33)에서 출력되는 증폭된 신호를 필터링하여 설정된 주파수 대역만을 통과시켜 기준신호로서 최종 출력하는 대역통과필터(34)를 포함하여 구성된다.
상기한 기준신호발생기(30)의 일 실시예로서, 송신기의 발진기로부터 입력되는 14.007 GHz의 신호와 수신기의 발진기로부터 입력되는 14.000 GHz의 신호가 믹서(31)에 의해 두 신호의 주파수 차인 7 MHz의 주파수 신호로 변환되고, 상기 믹서(31)에서 출력되는 7 MHz의 주파수 신호를 최종 168 MHz의 기준신호로 변환하여 출력하도록 증폭기(32), 주파수 배율기(33), 대역통과필터(34)가 구성될 수 있다.
한편, 상기한 구성의 송신기와 수신기, 기준신호발생기를 갖는 전체 시스템의 구성을 살펴보면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 송신기(10)가 이송 스테이지에 장착된 피검물(1)에 테라헤르츠파를 입사하고, 이때 수신기(20)는 피검물을 투과한 테라헤르츠파를 검출하여 락인 증폭기(40)로 출력하게 된다.
또한 송신기(10)와 수신기(20)에 링크된 기준신호발생기(30)가 송신기와 수신기로부터 입력되는 전자기파로부터 기준신호를 생성하여 락인 증폭기(40)로 출력하며, 이에 상기 락인 증폭기(40)는 수신기(20)의 측정신호와 기준신호발생기(30)의 기준신호를 읽어들여 최종적으로 물체 고유의 정보를 나타내는 진폭 신호와 위상 신호를 출력하게 된다.
이와 같이 락인 증폭기에서 나뉘어져 출력되는 진폭 신호와 위상 신호 정보를 기초로 하여 이미징 수단에서는 피검물에 대한 이미지를 생성하여 출력하게 된다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
상술한 본 발명의 장치에서 송신기(10)를 이용하여 이송 스테이지(60)에 의해 이송되는 샘플(1)에 테라헤르츠파를 소정 간격(=스텝거리)으로 주사하는 동시에, 수신기(20)를 이용하여 샘플을 투과한 테라헤르츠파를 검출함으로써 진폭과 위상 정보를 각각 측정하였다.
이때 사용된 송신기(10)와 수신기(20) 및 기준신호발생기(30)의 구성은 앞에서 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 실시예의 구성과 같다.
즉, 송신기(10)의 경우 발진기(12)가 14.007 GHz의 전자기파를 발생시키고, 이때 발생된 14.007 GHz가 기준신호발생기(30)로 입력되도록 하는 동시에 파워 증폭기(23), 주파수 배율기(24)를 거쳐 최종적으로 약 0.9 mm 파장을 갖는 336.168 GHz(≒0.34 THz)의 전자기파가 출력되도록 구성하였다.
수신기(20)의 경우 발진기(22)가 14.000 GHz의 전자기파를 발생시키고, 이때 발생된 14.000 GHz가 기준신호발생기(30)로 입력되도록 하는 동시에 파워 증폭기(23), 주파수 배율기(24)를 거쳐 168 GHz의 전자기파가 서브 하모닉 믹서(25)로 입력되도록 구성하였다.
이때, 0.34 THz의 고주파수를 안정적으로 측정하기 위해 서브 하모닉 믹서(25)를 사용하여 168 MHz의 IF 신호로 변조하여 신호를 측정하였다.
그리고, 기준신호발생기(30)에서는 송신기(10)에서 입력되는 14.007 GHz의 신호와 수신기(20)에서 입력되는 14.000 GHz의 신호가 믹서(31)에 의해 두 신호의 주파수 차인 7 MHz의 주파수 신호로 변환되도록 하였고, 상기 믹서(31)에서 출력되는 7 MHz의 주파수 신호를 최종 168 MHz의 기준신호로 변환하여 출력하도록 증폭기(32), 주파수 배율기(33), 대역통과필터(34)가 구성되었다.
한편, 이미징 결과를 얻기 위하여 데이터 수집시 이미지의 분해능(resolution)에 영향을 미치는 주사 스테이지(scanning stage)의 시간지연(장치 안정화를 위해 샘플의 포인트에서 장치를 휴지시키는 시간)과 스텝거리를 변수로 두어 다양한 샘플들에 대해 테라헤르츠파를 주사하여 그 결과를 측정, 비교하였다.
이미지 측정시 공간분해능에 영향을 미치는 요인, 즉 상기 시간지연과 스텝거리를 조절하여 측정하되, 피검물이 되는 샘플로 알루미늄 슬릿, 플로피디스크, 신용카드를 선정하여 이미징을 실시하였다.
이때, 샘플(1)은 XZ 이송 스테이지(60)에 고정시켜 이송시켰고, 이송되는 샘플에 포인트 바이 포인트(point by point) 방식으로 테라헤르츠파를 주사하여 이미지를 얻었다.
우선, 샘플로서 도 6에 나타낸 바와 같은 알루미늄 슬릿을 이용하여 스텝거리에 따른 이미지를 측정하였다.
각 슬릿 사이의 간격은 5 mm로 일정하게 유지한 상태에서 슬릿의 폭을 0.5 ~ 3 mm로 다양하게 한 알루미늄 스릿 샘플을 제작하였고, 스텝거리를 각각 1 mm, 0.1 mm로 하여 0.34 THz(≒336.168 GHz) 전자기파를 투과시켜 얻은 이미지를 도 7의 (a) ~ (d)로 나타내었다.
스텝거리 1 mm로 측정한 (a), (b)의 경우 샘플 전체의 진폭과 위상에 대한 이미지 측정결과를 나타내었고, 스텝거리 0.1 mm로 측정한 (c), (d)는 슬릿의 일부분만을 측정하여 결과를 나타내었다.
각 측정결과에서 알 수 있듯이 스텝거리 1 mm와 0.1 mm의 진폭과 위상 이미지 모두 각각의 슬릿에 대한 식별이 가능함을 확인하였으며, 스텝거리에 따른 분해능의 차이도 확인할 수 있었다. 각 슬릿의 모서리 부분에서 나타난 퍼짐 현상은 테라헤르츠(THz)파의 회절에 의한 것이다.
또한 플로피디스크와 신용카드에 대해서도 0.34 THz 전자기파를 투과시켰을 때 샘플 각 부분의 흡수율 차이에 따라 테라헤르츠파의 투과율을 확실하게 구별할 수 있었으며, 데이터 수집에 있어서 주사 스테이지의 스텝거리와 시간지연의 차이가 이미지의 분해능에 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였다.
도 8의 (a) ~ (d)와 도 9의 (a) ~ (d)는 데이터 수집시 시간지연을 각각 달리했을 때의 플로피디스크와 신용카드의 테라헤르츠(THz) 이미징을 진폭과 위상 정보로 나누어 나타낸 것이다.
도 8의 (a), (b)에 나타낸 것처럼 시간지연이 0.3초인 경우 샘플에 대한 형태는 식별할 수 있으나 이미지 분해능이 떨어지는 반면, 시간지연을 1.5초로 했을 때의 이미지는 도 8의 (c), (d)와 같이 0.3초에 비해 훨씬 선명한 영상을 얻을 수 있었다.
신용카드도 이와 마찬가지로 시간지연을 0초로 측정한 도 9의 (a), (b)의 이미지와 비교해서, 시간지연을 1.5초로 측정했을 때가 도 9의 (c), (d)에서 보이는 것과 같이 카드에 내재된 칩과 테두리, 금속활자 부분의 이미지 측정결과에서 뛰어난 분해능을 나타냄을 확인할 수 있었다.
이와 같이 본 발명에서는 진폭 신호와 위상 신호를 동시에 측정하여 그 결과로부터 이미징을 실시함으로써 실시간 CW(Continuous Wave) 테라헤르츠 이미징에 있어서 다양한 샘플들에 대해 보다 정확한 측정을 수행할 수 있게 된다.
한편, 송신기를 주파수원으로 사용하되, 검출기로서 수신기 및 기준신호발생기의 구성 대신 초전기 검출기(pyroelectric detector(or sensor))(70)를 사용하여 이미지를 측정하였다.
초전기 검출기(70)는 피검물인 샘플(1)을 투과한 테라헤르츠파를 검출하여 샘플에 대한 고유 정보를 나타내는 진폭 신호만을 출력하게 되므로, 초전기 검출기를 사용하는 경우 진폭 신호만을 이미징화에 사용하여 샘플 이미지를 얻을 수 있게 된다.
테라헤르츠(THz) 검출기로서의 초전기 검출기(70)는 서브(sub)-THz 영역에서 높은 응답특성을 지니며, 실험을 위해 기계적 초퍼(chopper)(71)를 사용하여 최적의 출력특성을 나타내는 10 Hz의 변조 주파수를 걸어주었다.
도 10의 (a), (b)는 스텝거리를 각각 달리하였을 때의 알루미늄 슬릿의 이미지를 초전기 검출기로 측정한 것이다.
송신기-수신기(Tx-Rx) 조합을 이용했을 때의 결과와 마찬가지로 1 mm의 스텝거리에 비해 0.1 mm의 스텝거리에서 훨씬 선명한 이미지를 얻을 수 있었다.
또한 도 11의 (a) ~ (d)는 플로피디스크와 신용카드의 테라헤르츠 이미지 측정결과를 나타낸 것으로, (a)와 (c)는 0.3초일 때 샘플의 이미지를, (b)와 (d)는 각각 1.5초, 3초에서의 샘플의 이미지를 나타낸 것이다.
도면에서 알 수 있는 바와 같이 초전기 검출기로 샘플을 측정한 결과 역시 수신기(Rx)를 이용했을 때와 마찬가지로 데이터 수집시 충분한 시간지연을 걸어주었을 경우 훨씬 선명한 이미지 분해능을 얻을 수 있었다.
송신기-초전기 검출기(Tx-pyroelectric sensor)를 이용한 테라헤르츠 이미지 측정결과는 시간지연, 스텝거리와 같은 변수에 대한 이미지 분해능의 차이에서 송신기-수신기 시스템의 측정과 같은 결과를 나타내고 있지만, 두 검출기(수신기와 초전기 검출기)에 대한 이미지를 각각 비교해 보았을 때, 송신기-수신기 조합을 이용한 이미지 측정결과가 송신기-초전기 검출기 조합에 비해 더 우수한 이미지 분해능을 나타내고 있다.
도 12의 (a) ~ (d)는 서로 다른 검출기에서 측정된 알루미늄 슬릿의 투과도를 그래프로 나타낸 것으로, 도 12의 (a), (b)는 송신기-수신기 조합에서 알루미늄 슬릿을 스텝거리 각각 1 mm와 0.1 mm로 하였을 때의 그래프이며, (c), (d)는 송신기-초전기 검출기 조합에서의 투과도 그래프이다.
보이는 바와 같이 송신기-수신기 조합에 의해 측정된 테라헤르츠(THz) 투과도 그래프가 송신기-초전기 검출기에 비해 더 높은 투과율을 나타내고 있으며, 다 양한 폭의 슬릿을 테라헤르츠파가 투과함에 있어서 매우 안정된 정렬상태를 나타내고 있다.
이러한 투과율과 그래프 정렬상태의 차이가 이미지의 분해능에 상당한 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.
결론적으로, 이미지 분해능과 관련된 주사 스테이지의 시간지연과 스텝거리를 변수로 하여 다양하게 샘플 이미지를 측정한 결과, 데이터 수집시 시간지연이 길수록, 그리고 스텝거리가 짧을수록 이미지의 분해능이 훨씬 증가함을 알 수 있었다.
또한 검출기로서 쇼트키 다이오드를 이용한 테라헤르츠 수신기는 초전기 검출기에 비해 훨씬 더 선명한 이미지 결과를 나타내었으며, 물체의 식별에 있어서 테라헤르츠 수신기와 초전기 검출기 모두 매우 효과적인 결과를 나타내었다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명에 따른 물체 검사장치(즉, 테라헤르츠 이미징 장치)를 이용하여 획득된 피검물의 이미지를 나타낸 것으로, 검사대상의 피검물로 나뭇잎을 사용하여 획득된 테라헤르츠 측정 이미지이다.
도 13a는 테라헤르츠 수신기(THz Rx)를 이용하여 얻은 진폭 신호와 위상 신호로부터 각각 얻어진 이미지이고, 도 13b, 13c, 13d는 진폭 신호와 위상 신호를 모두 사용하여 얻어진 이미지로서, 영상처리에서 두 영상의 합(add)(도 13b) 혹은 차(subtract)(도 13c, 13d)를 구하는 방법을 이용하여 얻은 것이다.
이렇게 위상 신호를 이용하면 진폭 이미지에서 갖지 않는 새로운 정보들을 포함하고 있는 이미지를 얻어낼 수 있으며, 경우에 따라 진폭 이미지에서 구별하기 어려운 것을 위상 이미지에서는 구별할 수도 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
도 1은 테라헤르츠 이미징 장치로 구성되는 본 발명에 따른 물체 검사장치의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 물체 검사장치에서 송신기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 물체 검사장치에서 수신기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 물체 검사장치에서 기준신호발생기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 물체 검사장치의 전체 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 물체 검사장치의 이미지 측정시 사용된 알루미늄 슬릿 샘플을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 나타낸 알루미늄 슬릿의 이미지 측정결과를 나타낸 것으로, 스텝거리 1 mm일 때의 (a) 진폭 이미지, (b) 위상 이미지, 및 스텝거리 0.1 mm일 때의 (c) 진폭 이미지, (b) 위상 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 물체 검사장치를 이용한 플로피디스크의 이미지 측정결과를 나타낸 것으로, 시간지연 0.3초일 때의 (a) 진폭 이미지, (b) 위상 이미지, 및 시간지연 1.5초일 때의 (c) 진폭 이미지, (b) 위상 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 물체 검사장치를 이용한 신용카드의 이미지 측정결과 를 나타낸 것으로, 시간지연 0초일 때의 (c) 진폭 이미지, (b) 위상 이미지, 및 시간지연 1.5초일 때의 (c) 진폭 이미지, (b) 위상 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은 초전기 검출기를 이용하여 도 6에 나타낸 알루미늄 슬릿의 이미지를 측정한 결과를 나타낸 것으로, (a) 스텝거리 1 mm일 때의 이미지와 (b) 스텝거리 0.1 mm일 때의 이미지를 나타낸 것이다.
도 11은 초전기 검출기를 이용한 플로피디스크와 신용카드의 이미지 측정결과를 나타낸 것으로, 시간지연 0.3초일 때의 (a) 플로피디스크 이미지, (c) 신용카드 이미지, 및 시간지연 1.5초일 때의 (b) 플로피디스크 이미지, (d) 신용카드 이미지를 나타낸 것이다.
도 12는 알루미늄 슬릿의 투과도 측정결과를 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 송신기-수신기 조합으로 측정된 (a) 스텝거리 1 mm, (b) 스텝거리 0.1 mm의 투과도 그래프, 및 송신기-초전기 검출기 조합으로 측정된 (c) 스텝거리 1 mm, (d) 스텝거리 0.1 mm의 투과도 그래프를 나타낸 것이다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명에 따른 물체 검사장치(즉, 테라헤르츠 이미징 장치)를 이용하여 획득된 피검물의 여러 이미지를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 피검물(샘플) 10 : 송신기
20 : 수신기 30 : 기준신호발생기
40 : 락인 증폭기 50 : 분석장치(이미징 수단)

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 테라헤르츠파를 발생시켜 피검물(1)에 입사하는 송신기(10)와;
    상기 송신기(10)로부터 입사되어 피검물(1)을 투과한 테라헤르츠파를 수신하여 IF 신호로 변조된 측정신호로 출력하는 수신기(20)와;
    상기 송신기(10)와 수신기(20)에서 입력되는 신호를 변환하여 기준신호를 발생시키는 기준신호발생기(30)와;
    상기 수신기(20)의 측정신호와 기준신호발생기(30)의 기준신호를 입력받아 상기 측정신호로부터 검출된 진폭 신호와 위상 신호를 출력하는 락인 증폭기(40)와;
    상기 락인 증폭기(40)로부터 수집되는 진폭 신호와 위상 신호 중 하나 이상을 사용하여 피검물의 고유 정보를 분석하기 위한 분석장치(50);
    를 포함하며,
    상기 송신기(10)는,
    전원을 입력받아 구동 전력을 공급하는 파워 박스(11)와;
    상기 구동 전력을 공급받아 전자기파를 발생시켜 출력하는 발진기(12)와;
    상기 구동 전력을 공급받아 상기 발진기(12)에서 입력되는 전자기파를 증폭하는 파워 증폭기(13)와;
    상기 파워 증폭기(13)에서 입력되는 전자기파를 정해진 배수로 증폭하여 피검물(1)에 입사되는 테라헤르츠파로 출력하는 주파수 배율기(14);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 수신기(20)는,
    전원을 입력받아 구동 전력을 공급하는 파워 박스(21)와;
    상기 구동 전력을 공급받아 전자기파를 발생시켜 출력하는 발진기(22)와;
    상기 구동 전력을 공급받아 상기 발진기(22)에서 입력되는 전자기파를 증폭하는 파워 증폭기(23)와;
    상기 파워 증폭기(23)에서 입력되는 전자기파를 정해진 배수로 증폭하는 주파수 배율기(24)와;
    상기 피검물(1)을 투과하여 수신되는 테라헤르츠파를 상기 주파수 배율기(24)에서 출력되는 전자기파와 혼합하여 IF 신호로 변환하는 서브 하모닉 믹서(25)와;
    상기 서브 하모닉 믹서(25)에서 입력되는 IF 신호를 증폭하는 IF 증폭기(26)와;
    상기 IF 증폭기(26)에서 입력되는 증폭된 신호를 필터링하여 설정된 주파수 대역의 측정신호로 출력하는 대역통과필터(27);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 발진기(12,22)는 위상이 고정된 전자기파를 발생시켜 출력하는 위상 고정 발진기인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 위상 고정 발진기는 유전체 공진기를 이용한 다이오드 발진기인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치.
  7. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 발진기(12,22)의 출력 측에 기준신호발생기(30)가 연결되어, 상기 발진기(12,22)에서 출력되는 전자기파 신호가 기준신호발생기(30)로 입력되어 기준신호를 발생시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파를 이용한 물체 검사장치.
    .
  8. 삭제
  9. 삭제
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