KR101272902B1 - 엑스선 위상차 영상 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엑스선 위상 영상을 획득하기 위한 엑스선 영상장치에 관한 것으로 2차원 엑스선 광원 격자를 이용하여 엑스선 광원을 시료에 조사하고 시료를 투과한 엑스선 빔을 격자형 칼날필터에 의해 위상 신호를 여과함으로써 엑스선 위상차 영상을 획득하는 엑스선 영상장치에 관한 것이다.

Description

엑스선 위상차 영상 장치{X-ray Phase Differential Imaging Device}
본 발명은 엑스선 위상차 영상 장치에 관한 것으로, 특히 간섭성이 낮은 엑스선 튜브에서 발생한 엑스선을 2차원 광원 격자 어레이를 통과시켜 집속하여 시료에 조사하여 투과된 엑스선을 2차원 나이프-에지 필터(knife-edge filter)에 의해 영상을 획득하는 영상장치에 관한 것이다.
엑스선 영상 획득 장치는 광원으로 결맞음성이 좋은 엑스선 광원을 이용하여야 했다. 엑스선 격자 간섭계의 광원으로는 전자빔 가속기에 의한 방사광 엑스선이 사용되고 있다.
일반적으로 엑스선 튜브를 위상 장치의 광원으로 사용할 경우, 엑스선 광원 격자를 장착하여 엑스선 광원의 결맞음성을 향상시킨 후 엑스선 광원으로 사용하고 있다. 이러한 저휘도 엑스선 튜브를 이용한 엑스선 광원은 광원과 빔분할 격자 간의 간격의 길이가 길게 되어 엑스선의 광자 손실이 크다.
위상차 영상장치의 하나인 엑스선 격자 간섭계는 광원의 결맞음 조건을 충족시키도록 엑스선 광원과 빔분할 격자 사이에 1m 이상 거리를 두고 두 격자를 설치하여 사용하고 있다.
이 경우 광원이 전자빔 가속기에 의한 방사광 엑스선인 경우 엑스선의 광자수가 충분하여 공기 중에서 1 m 이상의 거리를 투과하여 공기에 의한 산란으로 휘도가 감소한다 해도 엑스선 휘도는 위상 영상을 획득하기에 충분한 휘도를 유지한다. 한편, 광자 수가 충분하지 않은 엑스선 튜브를 광원으로 사용하는 경우, 엑스선 튜브 출력단에 광원 격자를 사용하고 이후 공기층을 투과하여야 빔분할 격자에 도달하게 되므로 공기 중 흡수, 산란에 의한 엑스선 휘도의 감소가 위상 영상을 획득하기 충분치 못한 문제점이 있다.
또한, 격자 간섭계의 경우 핵심 부품인 빔분할 격자와 해석 격자를 광원의 파장에 따라 사양을 달리하여 제조하여야 하나, 격자 간격과 광원 파장에 따른 격자 높이를 일치하여 제조하는 데 어려움이 있어 이에 따른 해상도 향상이 제한되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광원으로 엑스선 튜브를 사용하는 경우 엑스선 광원의 휘도를 유지하기 위해 광원과 검출기 간의 거리를 최소화하면서 광원의 결맞음성이 위상 영상 획득 조건을 만족시키며, 간섭계 구성 부품인 격자의 제조가 용이하며 영상의 후처리가 간편한 엑스선 격자 간섭계를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 엑스선 광원; 복수의 스트라이프가 소정 간격으로 격자형으로 배열되어, 상기 복수의 스트라이프의 교차에 의해 형성되는 복수개의 홀을 포함하며, 상기 엑스선 광원으로부터 상기 엑스선의 진행 방향으로 이격되어 배치되는 광원 격자; 및 소정 간격의 스트라이프가 격자형으로 배열되어 형성되며, 상기 광원 격자로부터 상기 엑스선 진행 방향으로 이격되어 배치되는 나이프-에지 필터를 포함하는 엑스선 위상차 영상 장치를 제공한다.
상기 나이프-에지 필터는 상기 광원 격자로부터 상기 광원 격자에 포함되는 홀의 초점 거리(f)만큼 이격되어 배치되는 것이 바람직하다.
상기 초점 거리는
Figure 112012027180487-pat00001
인 것이 바람직하다(여기서 d는 상기 광원 격자의 구멍의 직경이고, f는 상기 구멍에 의한 초점거리, λ는 상기 엑스선의 파장).
상기 광원 격자의 상기 홀은 핀홀 렌즈이고, 상기 나이프-에지 필터는 상기 스트라이프의 교차에 의해 형성되는 다수개의 구멍을 포함하며, 상기 구멍은 2차원 구조인 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 엑스선 광원의 휘도를 유지하기 위해 광원과 검출기 간의 거리를 최소화하면서 광원의 결맞음성이 위상 영상 획득 조건을 만족시키며, 간섭계 구성 부품인 격자의 제조가 용이하며 영상의 후처리가 간편한 엑스선 격자 간섭계를 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 위상차 영상 장치를 나타낸 사시도;
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 위상차 영상 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 도면;
도 3 은 나이프 에지 필터 제거 시 흡수 영상;
도 4 는 1회 측정 영상;
도 5 는 25회 측정 합 영상; 그리고
도 6 은 본 발명에 따른 위상차 영상 장치에 의해 획득한 위상차 영상이다.
이다.
이하에서, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 구성을 설명하기로 한다.
도시되는 바와 같이, 본 발명에 따른 엑스선 위상차 영상장치는 엑스선 광원(10), 광원 격자(20), 나이프-에지 필터(knife-edge filter)(30), 광변조 소자(40), 검출기(60)를 포함한다. 도면 부호 50은 측정하고자 하는 시료를 나타내고, 도면부호 80은 산란에 의한 노이즈를 방지하기 위해 추가될 수 있는 홀이 형성된 납판이다.
엑스선 광원(10)은 엑스선 빔을 방사하는 광 소스로, 엑스선 튜브와 같은 저휘도 엑스선 광원도 사용될 수 있다.
광원 격자(20)는 소정 폭의 스트라이프가 소정 간격으로 가로 방향과 세로방향으로 반복되어 격자형으로 형성된다. 상기 가로 스트라이프와 세로 스트라이프가 교차되며 형성되는 핀홀이 가로 세로로 반복되어 핀홀 어레이 렌즈를 형성한다. 상기 스트라이프의 폭은 5.0 ㎛ 내외가 바람직하고, 스트라이프의 간격은 7.5 ㎛ 내외가 바람직하다. 광원 격자(20)는 가로와 세로 또는 직경이 7.5 ㎛인 핀홀이 2차원으로 복수 개 배열되는 핀홀 어레이 렌즈를 포함한다. 상기 스트라이프는 양단부가 칼날형으로 형성될 수 있다.
나이프-에지 필터(30)는 도 2의 단면도에서 볼 수 있듯이 단부가 칼날 타입인 나이프 에지 형상의 스트라이프가 소정 간격으로 격자형으로 형성되며, 상기 광원 격자(20)와 동일한 사양으로 형성되는 것이 바람직하다. 한편 나이프-에지 필터(30)는 광원 격자의 핀홀의 초점거리(f)만큼 광원 격자(20)에서 이격된 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 핀홀의 초점거리(f)는 다음 수학식 1으로 구할 수 있다.
Figure 112012027180487-pat00002
여기서, d는 핀홀의 직경, f는 초점거리, λ는 입사되는 엑스선의 파장이다.
상기와 같이 구성된 나이프-에지 필터(30)는 투과빔과 굴절빔을 여과, 시료에 의해 굴절되는 엑스선 빔을 나이프-에지 필터(30)가 직진하는 엑스선 빔과 분리한다.
광변조 소자(40)는 입사되는 엑스선을 가시광선 영역의 광으로 변환하는 것으로 Ce이 도핑된 YAG:Ce(yttrium-aluminum-garnet:Ce) 단결정을 포함하는 것이 바람직하다. 광변조 소자(40)에 의해 엑스선이 가시광선으로 변환되어 광학현미경에 의해 엑스선이 간접적으로 측정될 수 있다. 광변조 소자(40)는 나이프-에지 필터(30)로부터 소정 거리에 고정되는 것이 바람직하고, 상기 거리는 2mm 내외가 바람직하다. 검출기(60)는 광변조 소자(40) 표면에 초점이 맞추어진 광학 현미경에 장착되는 것으로 CCD(charge coupled device)를사용하는 것이 바람직하다. 검출기(60)는 입사되는 광선의 세기를 측정하고 이 데이터를 후처리하여 위상차 영상을 획득할 수 있다. 참조번호 50은 관찰하고자 하는 시료를 나타낸다.
상기와 같이 엑스선 위상차 영상장치를 구성하고 시료(50)를 위치시킨 다음 위상차 영상을 획득하는 방법을 실시예를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
엑스선 광원(10)은 Cu를 타깃으로 하는 엑스선 튜브에서 발생되는 파장이 1.54x10-10 m인 엑스선을 방사하고, 광원 격자(20)와 나이프-에지 필터(30)는 5㎛ 폭의 스트라이프가 7.5㎛ 간격으로 가로 세로 방향으로 배치되어 형성되는 격자 형상일 경우 광원 격자(20)는 7.5㎛의 직경을 가지는 핀홀이 복수개 가로 세로 방향으로 배치된 핀홀 어레이 렌즈로 구성되어, 핀홀 직경 d 가 7.5㎛이고, 엑스선의 파장 λ가 1.54x10-10 m이므로, 수학식 1에 따라 핀홀의 초점거리 f 는 약 10.118mm가 된다.
따라서, 광원 격자(20), 시료(50), 나이프-에지 필터(30)를 광축에 정렬시키되, 나이프-에지 필터(30)는 광원 격자(20)로부터 10.118㎜ 이격시켜 배치하고, 시료를 광축 방향으로 미세하게 조정하여 검출기(60)에 나타난 영상이 선명해진 위치에 시료를 고정하고, 나이프-에지 필터(30)를 광축에서 빼낸 상태에서 흡수 영상(Iabs)을 컴퓨터에 저장한다. 도 3은 나이프-에지 필터(30)를 광축에서 빼낸 상태에서 흡수 영상의 일 실시예이다.
나이프-에지 필터(30)를 광축에 원위치시킨 다음, 도 1의 x 방향과 y 방향으로 필터를 소정 간격 이동하며 각각의 영상을 CCD(60)로 획득하여 저장한다. 1회 이동거리는 광원 격자 주기를 n으로 나눈 값이 되고, n은 이동 회수가 된다. 이 과정에서 측정되는 강도 I+(x,y)는 나이프-에지 필터(30)의 이동방향에서 측정되는 강도이며 I-(x,y)는 나이프-에지 필터(30)의 이동방향의 반대쪽에서 측정되는 강도이다. 각각의 이동에 따른 강도 측정시 이 두 값, I+(x,y)와 I-(x,y)가 동시에 검출기(60)에 관측되고 이 영상이 수치로 컴퓨터에 저장된다. 따라서, x 축 및 y 축의 + 방향과 - 방향 모두 이동할 필요 없이 한번 이동으로 두 값이 동시에 검출기(60)에서 관측된다.
도 4 은 1회 이송할 경우 관측된 영상을 나타내고, 도 5는 x 축과 y 축 방향으로 각 5회 이동할 경우 관측된 영상을 나타낸다. 도 5의 실시예에서 1회 이동 거리는 광원 격자(20) 주기의 1/5인 2.5㎛가 되고, 총 25회의 측정값을 얻게 되고, 이를 수학식 2로 표시할 수 있다.
Figure 112012027180487-pat00003
따라서, 위상차 영상은 다음 수학식 3에 따라 연산 된다.
Figure 112012027180487-pat00004
영상 후처리는 일반적인 차트 형식의 데이터를 처리하는 스프레드 시트 프로그램으로 CCD 영상을 수치로 전환하여, 수학식 3에 의하여 영상화하여 도 6 과 같은 위상차 영상을 얻을 수 있게 된다.
10 : 엑스선 광원 20 : 광원 격자(핀홀 어레이)
30 : 나이프-에지 필터 40 : 광변조 소자
50 : 시료 60 : 검출기

Claims (6)

  1. 엑스선 위상차 영상 장치에 있어서,
    엑스선 광원;
    복수의 스트라이프가 소정 간격으로 가로 세로 방향으로 배치되는 격자형으로 형성되어 상기 복수의 스트라이프의 교차에 의해 형성되는 복수 개의 홀을 포함하며, 상기 엑스선 광원으로부터 상기 엑스선의 진행 방향으로 이격되어 배치되는 광원 격자; 및
    양 단부가 칼날 형상인 스트라이프가 소정 간격으로 격자형으로 형성되며, 상기 광원 격자로부터 상기 엑스선 진행 방향으로 이격되어 배치되는 나이프-에지 필터를 포함하는 엑스선 위상차 영상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나이프-에지 필터는 상기 광원 격자로부터 상기 광원 격자의 상기 홀의 초점 거리(f)만큼 이격되어 배치되는 엑스선 위상차 영상 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 초점 거리는
    Figure 112012027180487-pat00005
    ,
    (여기서 d는 상기 광원 격자의 구멍의 직경이고, f는 상기 구멍에 의한 초점거리, λ는 상기 엑스선의 파장)인 엑스선 위상차 영상장치.
  4. 제 1 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원 격자의 상기 홀은 핀홀 렌즈인 엑스선 위상차 영상장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 나이프-에지 필터는 상기 스트라이프의 교차에 의해 형성되는 다수개의 구멍을 포함하며, 상기 구멍은 2차원 구조인 엑스선 위상차 영상장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원 격자의 스트라이프는 양 단부가 칼날형으로 형성되는 엑스선 위상차 영상장치.
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