KR101297076B1 - 라인 빔을 이용한 실시간 Ｔ-ｒａｙ 시스템 및 이에 적용되는 토릭 렌즈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 라인 빔은 이용한 실시간 T-ray 시스템 및 이에 적용되는 토릭 렌즈로서, T-ray 시스템에 적용되는 렌즈에 있어서, THz 신호 빔이 입사되는 렌즈의 일면은 평면으로 형성되고, THz 신호 빔이 출사되는 상기 렌즈의 타면은 X축 방향을 따라 볼록하게 돌출되며 Y축 방향을 따라 오목하게 함몰되어, 상기 입사되는 THz 신호 빔을 X축 방향으로 집속시키고 Y축 방향으로 퍼뜨려 라인 빔 형태로 출사하는 것을 특징으로 하는 T-ray 시스템용 토릭 렌즈와 상기 토릭 렌즈가 적용된 라인 스캔이 가능한 실시간 T-ray 시스템이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 한정된 THz 소스로 라인 빔을 형성시켜 피대상체를 상하좌우 방향으로 이동시킬 필요 없이 일정한 한 방향으로 피대상체를 이동시키면서 라인 스캔이 가능한 실시간 T-ray 시스템을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 라인빔을 이용한 실시간(real-time) T-ray 시스템 및 이에 적용되는 토릭 렌즈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생산 라인이나 검색 라인 등에서 라인 검색이 가능한 검색용 실시간 T-ray 시스템과 이를 위해 라인 빔을 형성시키기 위한 토릭 렌즈에 대한 것이다.
테라헤르츠(이하, THz라 칭함)는 마이크로파와 광파의 중간 영역에 해당하는 전자기파로서 보통 0.1 ~ 10 THz 주파수 대역에 해당하는 전자기파를 의미하며, THz파 기술은 비금속 및 무극성 물질을 투과하는 특성과 함께 또한 매우 다양한 분자들의 공진주파수가 이 영역에 분포하고 있다는 특징을 가지고 있다. 이들 분자들의 비파괴, 미개봉, 비접촉법으로 실시간으로 식별함으로써 의료, 농업, 식품, 환경계측, 바이오, 안전, 첨단재료평가 등 매우 다양한 응용분야에서 지금까지 없었던 신개념의 분석기술 제공이 가능할 것으로 예측되고 있는 첨단 기술 분야이다.
특히, THz파 기술은 불투명한 물체에 대한 투시가 가능하면서도 X-ray와 같은 인체에 해로운 고 에너지 이온화 복사선이 아니라 수 meV 수준의 매우 낮은 에너지로 인하여 인체에 영향이 거의 없기 때문에 은닉 물질 탐색 등의 보안 검색 분야에서 의료 영상에 이르기까지 그 응용에 대한 연구가 다각도로 진행되고 있으며, 식품 이물질 검출 등과 같은 비파괴/비접촉식 품질 관리 기술에도 적용을 위한 활발한 연구가 진행 중이므로 인간중심의 유비쿼터스 사회 실현의 필수 핵심기술로 급부상하고 있으며 그 수요가 매우 빠른 속도로 증가하고 있다.
이러한 THz 시스템을 구현하기 위해서는 실시간(real-time) 고출력 THz 발생 장치와 빠른 실시간 영상을 구현하기 위한 고 감도 다중 배열의 검출 소자가 필요하지만 영상을 구현하기 위해서는 렌즈 또한 매우 중요하게 필요하다.
일반적인 렌즈들은 응용분야에 따라 다르지만 크게 초점 렌즈와 이미지 렌즈로 분류될 수 있다. 초점 렌즈의 경우에는 빔을 한 점으로 모아주는 역할을 하고 이미지 렌즈는 피대상체를 통과하여 산란됨 빔을 모아 이미지를 형성하는 역할을 한다.
이와 같은 초점 렌즈를 이용하는 THz 시스템은 점 대 점 형태로 구성되는데, 즉, THz 발생 장치에서 발사되어 초점 렌즈를 통해 피대상체로 집속하게 되고 피대상체를 투과한 빔은 다시 이미지 렌즈를 통과하여 검출기에서 빔을 검출한 후 검출된 빔이 컴퓨터에서 투시된 이미지로 형성된다. 여기에서 초점 렌즈는 얇은 볼록 렌즈를 많이 사용하고 이미지 렌즈에는 비구면 렌즈를 많이 사용한다.
도 1은 종래기술에 따른 THz 시스템의 개략적인 구성도를 도시한다.
일반적인 THz 시스템은 개략적으로 THz 소스(21), 초점 렌즈(22), 이미지 렌즈(23), 검출기(24)로 구성되며, THz 소스(21)로부터 THz 신호가 초점 렌즈(22)로 방사되면 초점 렌즈(22)는 검사 대상인 피대상체(1)를 향해 빔을 집속시키고, 집속된 빔이 피대상체(1)를 통과한 후 이미지 렌즈(23)에 도달하면, 이미지 렌즈(23)는 이미지를 형성시키기 위해 피대상체(1)를 통과하여 산란된 빔을 모아 검출기(24)로 집속한다. 그러면 검출기(24)는 피대상체(1)를 통과한 빔을 검출하여 피대상체(1)의 영상을 시현시키게 된다.
이러한 종래기술에 따른 THz 시스템은 피대상체를 검사하기 위하여 피대상체 전체에 빔이 집속되도록 피대상체를 상하좌우 이동시키던지 또는 THz 시스템의 장치가 피대상체의 크기에 따라 이동되면서 검사를 수행하는 불편함이 있으며, 이로 인해 스캔 소요 시간과 검사의 정확도가 떨어지는 문제점이 발생하고 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도 2와 같은 종래기술에 따른 검색 라인 또는 생산 라인에 적용되는 THz 시영역 분광법을 이용한 T-ray 시스템이 제안되었다.
THz를 이용한 이미징 방법으로는, THz 시영역 분광법(THz Time-Domain Spectroscopy; THz-TDS)에 의한 스캐닝 방법과, 정광 추출(electro-optoc sampling)과 CCD(Charge-Coupled Device)를 이용하는 실시간 THz 이미징 방법, 고분해능을 가지는 고해상도 이미지를 얻기 위한 근접장 이미지 방법, 2차원 또는 3차원 영상을 얻기 위한 THz 단층촬영방법 등이 있다.
상기 도 2에 도시된 종래기술에 따른 T-ray 시스템은 THz 시여역 분광법에 의한 스캐닝 방법으로서, 검색 라인 또는 생산 라인 상의 컨베이어 벨트(40)를 따라 이동하는 피대상체가 복수개의 THz 소스부(20)와 각각의 THz 소스부(20)에 대응되는 복수개의 검출부(25)를 통과하여 검출된 복수개의 신호가 신호처리부(30)에서 종합되어 제어장치(35)를 통해 시현된다.
상기 도 2에 도시된 T-ray 시스템은 실질적으로 상기 도 1에 도시된 THz 시스템을 복수개 배치시킨 것으로서, 각각의 THz 소스부(20)는 THz 소스(21)와 초점 렌즈(22)를 포함하며, 각각의 검출부(25)는 이미지 렌즈(23)와 검출기(24)를 포함한다.
이와 같은 THz 시영역 분광법을 이용하는 T-ray 시스템은 물질의 스펙트럼을 분석하여 물질 지문인식을 구별할 수 있으므로 폭발물, 마약 등의 종류를 구분할 수 있는 장점이 있지만, 반면에 타임 딜레이를 이용하여야 하기 때문에 데이터 취득시간이 오래 걸리며 많은 데이터 포트가 필요한 영상시스템을 구현하다는 것은 현실적으로 많은 어려움을 갖는다.
또한 상기 종래기술에 따른 T-ray 시스템은 THz 시스템을 복수개 배치시킴으로써 각각의 THz 시스템의 신호를 조율하여야 하며, 각각의 신호에 조금의 오차가 발생되어도 그에 따른 정확도가 떨어지게 된다. 또한 다수의 THz 시스템을 배치시키시고 각각의 THz 시스템의 신호를 조율하기 위한 장치가 필요하므로 시스템 구조가 복잡하고 많은 비용이 들어가는 단점이 있다.
특히 종래의 THz 시스템에서는 한정된 에너지를 가지고 큰 컨베이어 벨트와 같은 피대상체가 이동하는 검출 시스템에 적용하기에는 검출 범위 제한 및 선명도 등에 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 피대상체를 검사하기 위하여 피대상체 전체에 빔이 집속되도록 피대상체를 상하좌우 이동시키던지 또는 THz 시스템의 장치가 피대상체의 크기에 따라 이동되면서 검사를 수행하는 불편함과 이로 인해 검사의 소요 시간과 정확도가 떨어지는 문제점을 해결하고자 한다.
특히 컨베이어 벨트와 같은 피대상체가 일정 방향으로 이동하는 검색 라인이나 생산 라인에서 피대상체에 대한 라인 스캔을 통해 짧은 시간에 다량의 피대상체에 대한 검사가 가능한 실시간 T-ray 시스템을 제공하고자 한다.
또한 다수의 THz 신호 빔이 필요 없이 하나의 THz 소스로부터 하나의 빔을 이용하여 피대상체에 효율적으로 집속하여 피대상체의 검출 영상을 더욱 선명하게 취득할 수 있는 실시간 T-ray 시스템을 제공하고자 한다.
나아가서 THz 시영역 분광법을 이용하는 경우와 같은 타임 딜레이가 발생하지 않으며, 간단한 구성으로 빠르게 실시간 영상 정보를 취득할 수 있는 T-ray 시스템을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, 실시간 T-ray 시스템에 적용되는 렌즈에 있어서, THz 신호 빔이 입사되는 렌즈의 일면은 평면으로 형성되고, THz 신호 빔이 출사되는 상기 렌즈의 타면은 X축 방향을 따라 볼록하게 돌출되며 Y축 방향을 따라 오목하게 함몰되어, 상기 입사되는 THz 신호 빔을 X축 방향으로 집속시키고 Y축 방향으로 퍼뜨려 라인 빔 형태로 집속하는 것을 특징으로 하는 T-ray 시스템용 토릭 렌즈를 포함한다.
여기서 상기 렌즈는 실린더리컬(cylindrical) 렌즈가 적용될 수 있다.
바람직하게는 상기 렌즈의 타면의 X축 방향을 따른 곡률 및 Y축 방향을 따른 곡률을 각각 조절하여 상기 라인 빔 형태의 크기를 조절할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 렌즈는, PE (polyethylene)으로 제작될 수 있다.
또한 본 발명은 실시간 T-ray 시스템에 있어서, THz 주파수 대역의 신호 빔을 송신하는 소스부; 상기 소스부로부터 방출된 THz 신호 빔을 입사하여 피대상체를 향해 라인 빔 형태로 출사하는 본 발명에 따른 토릭 렌즈; 상기 토릭 렌즈로부터 피대상체를 통과한 라인 빔의 이미지를 형성시키기 위한 이미지 렌즈; 상기 이미지 렌즈로부터 출사된 라인 빔으로 상기 피대상체에 대한 정보를 검출하여 영상신호로 처리하는 라인 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 T-ray 시스템을 포함한다.
바람직하게는 복수개의 상기 피대상체를 지지하며 상기 토릭 렌즈와 상기 이미지 렌즈 사이를 통과시켜 이송시키는 이송수단을 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 이송수단은 컨베이어 벨트로 구성될 수 있다.
나아가서 상기 이미지 렌즈는, 비구면 렌즈가 적용될 수 있다.
바람직하게는 상기 라인 검출부는, THz 신호를 수신하고 검출하는 수신 안테나와 디텍터가 하나의 픽셀로 상기 라인 빔의 크기에 대응하여 복수개 배열될 수 있다.
한걸음 더 나아가서 복수개의 상기 픽셀에 각각 대응되어 상기 이미지 렌즈가 복수개 배치될 수 있도 있다.
바람직하게는 상기 라인 검출부는, 상기 픽셀과 이에 각각 대응되는 상기 이미지 렌즈가 하나로 패킷화되어 형성될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 한정된 THz 소스로 라인 빔을 형성시켜 피대상체를 상하좌우 방향으로 이동시킬 필요 없이 일정한 한 방향으로 피대상체를 이동시키면서 라인 스캔이 가능한 실시간 T-ray 시스템을 제공할 수 있다.
특히 일반적인 생산 라인이나 검색 라인의 컨베이어 벨트의 이송수단에 본 발명에 따른 실시간 T-ray 시스템을 적용하여 짧은 시간에 다량의 피대상체 검사가 가능하게 된다.
나아가서 본 발명에 의하면, 라인 빔 형성이 가능한 토릭 렌즈를 제공하고 생산 라인이나 검색 라인의 컨베이어 벨트 이송수단의 사이즈에 맞도록 라인 빔의 조절이 가능하므로, 다양한 생산 라인이나 검색 라인에 적용이 가능하다.
또한 다수의 THz 소스로부터의 다수의 빔이 필요 없이 하나의 THz 소스로부터 하나의 빔을 이용하여 저비용으로 피대상체에 효율적으로 집속하게 되어 피대상체의 검출 영상을 더욱 선명하게 취득할 수 있게 된다.
나아가서 비구면 렌즈를 통해 종래 구면으로 해결하기 어려운 상의 질을 저해하는 고질적인 요인인 구면수차, 왜곡 등을 극소화 내지는 보다 쉽게 제거하여 선명하게 영상을 얻을 수 있으며, 렌즈의 소형화, 경량화, 저비용 등이 가능하다.
또한 본 발명에 의하면 간단한 구성으로 타임 딜레이의 발생 없이 빠르게 실시간 영상 정보를 취득할 수 있는 T-ray 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 THz 시스템의 개략적인 구성도를 도시하며,
도 2는 종래기술에 따른 검색 라인 또는 생산 라인에 적용되는 T-ray 시스템을 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 검색 라인 또는 생산 라인에 적용되는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템의 실시예를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 검색 라인 또는 생산 라인에 적용되는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템의 다른 실시예를 도시하며,
도 5는 X축 방향을 따라 볼록하게 형성된 볼록렌즈 및 이에 대한 특성을 도시하며,
도 6은 Y축 방향을 따라 오목하게 형성된 오목렌즈 및 이에 대한 특성을 도시하며,
도 7은 볼록렌즈 구성부분과 오목렌즈 구성부분이 결합된 본 발명에 따른 토릭 렌즈의 특성을 도시하며,
도 8은 상기 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 각 렌즈를 X축 및 Y축을 따라 절단한 단면도를 도시한다.
도 2는 종래기술에 따른 검색 라인 또는 생산 라인에 적용되는 T-ray 시스템을 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 검색 라인 또는 생산 라인에 적용되는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템의 실시예를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 검색 라인 또는 생산 라인에 적용되는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템의 다른 실시예를 도시하며,
도 5는 X축 방향을 따라 볼록하게 형성된 볼록렌즈 및 이에 대한 특성을 도시하며,
도 6은 Y축 방향을 따라 오목하게 형성된 오목렌즈 및 이에 대한 특성을 도시하며,
도 7은 볼록렌즈 구성부분과 오목렌즈 구성부분이 결합된 본 발명에 따른 토릭 렌즈의 특성을 도시하며,
도 8은 상기 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 각 렌즈를 X축 및 Y축을 따라 절단한 단면도를 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 실시간 T-ray 시스템에서 피대상체의 라인 스캔이 가능하도록 라인 빔을 형성시키는 토릭 렌즈와 이를 적용하여 라인 스캔을 할 수 있는 T-ray 시스템으로서, 생산 라인이나 검색 라인 등의 컨베이어 벨트 시스템에 적용되어 라인 검색이 가능한 검색용 실시간 T-ray 시스템과 이를 위해 라인 빔을 형성시키기 위한 THz용 토릭 렌즈에 대한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템의 실시예에 대한 개략적인 구성도를 나타낸다.
일반적으로 생산 라인이나 검색 라인 등에서는 대량 물품의 생산이나 검색의 효율성을 높이기 위해 컨베이어 벨트 이송수단을 이용하는데, 본 발명에서는 이와 같은 생산 라인이나 검색 라인 등에 바로 적용할 수 있는 실시간 T-ray 시스템으로서, 컨베이어 벨트의 이송수단(400) 상에 라인 빔을 형성시키고 이송수단(400)을 따라 이송되는 피대상체를 라인 스캔하여 피대상체를 검사하게 된다.
본 발명에 따른 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템은 개략적으로 THz 소스(100), 반사경(110), 토릭 렌즈(200), 이미지 렌즈(250) 및 라인 검출기(300)로 구성되는데, 각 구성들을 이하에서 자세히 살펴보기로 한다.
THz 소스(100)에서는 THz 신호 빔을 방사하는데, 본 발명에서는 한정된 THz 소스(100)를 이용하며 상황에 따라 하나의 THz 소스(100)만을 이용할 수도 있다.
THz 소스(100)로부터 방사된 THz 신호 빔은 반사경(110)을 통해 토릭 렌즈(200)로 입사되고 토릭 렌즈(200)는 입사된 신호 빔을 라인 빔으로 형성시키는데, 여기서 형성되는 라인 빔은 컨베이어 벨트 이송수단(400)의 폭 사이즈에 맞춰 형성될 수 있으며, 상황에 따라서는 해당 피대상체의 폭에 맞춰서 라인 빔을 형성시킬 수도 있을 것이며, 이와 같은 라인 빔을 형성시키는 토릭 렌즈(200)에 대해서는 이하에서 자세히 살펴보기로 한다.
또한 상기 도 3에서는 컨베이어 벨트로 이송수단(400)이 도시되어 있으나, 라인 스캔을 위해 피대상체를 일정방향으로 이송시키는 다양한 이송수단이 적용될 수 있을 것이다.
토릭 렌즈(200)를 통해 형성된 라인 빔은 컨베이어 벨트 이송수단(400) 상의 피대상체를 통과하여 이미지 렌즈(250)로 입사되고, 이미지 렌즈(250)는 피대상체의 이미지를 형성시키기 위해 산란된 라인 빔을 모아 라인 검출기(300)로 출사하는데, 여기서 이미지 렌즈(250)는 이미지를 형성시키기 위한 비구면 렌즈가 적용될 수 있다.
그러면 라인 검출기(300)는 피대상체를 통과한 라인 빔을 검출하여 피대상체에 대한 검색 영상 이미지를 생성하는데, 라인 검출기(300)는 수신 안테나와 디텍터가 하나의 픽셀로 형성되고 복수개의 픽셀이 격자 형태로 배열되어 라인 검출기(300)의 위치 변동 없이 실시간으로 한 번에 피대상체에 대한 영상을 획득 할 수도 있다. 바람직하게는 수신되는 라인 빔의 사이즈에 맞춰서 복수개의 픽셀이 라인으로 배치될 수 있다.
나아가서 제어수단(350)을 통해 라인 검출기(300)에서 획득된 피대상체에 대한 영상 이미지를 시현시키거나 이송수단(400)의 이송속도, THz 소스(100)의 THz 신호 빔 방사 등 T-ray 시스템의 각 구성이 제어될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 라인 스캔이 가능한 실시간 T-ray 시스템은 일반적인 생산 라인이나 검색 라인의 컨베이어 벨트의 이송수단에 적용이 가능하며, 이를 통해 짧은 시간에 다량의 피대상체 검사가 가능하게 된다.
본 발명에 따른 토릭 렌즈를 이용하여 라인 스캔이 가능한 다양한 T-ray 시스템이 구성될 수 있는데, 라인 검출기 상의 수신 안테나와 디텍터로 형성된 복수개의 픽셀에 각각 대응되도록 복수개의 이미지 렌즈가 배치될 수도 있을 것이다. 또한 상기 복수개의 픽셀과 이에 대응되는 복수개의 이미지 렌즈가 패킷화되어 구성될 수도 있는데, 도 4는 본 발명에 따른 검색 라인 또는 생산 라인에 적용되는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
상기 도 4에 도시된 다른 실시예의 구성에서 상기 도 3에 도시된 실시예의 구성과 동일한 부분은 그 설명을 생략하기로 하며, 앞서 수신 안테나와 디텍터가 하나의 픽셀로 형성되고 복수개의 픽셀이 격자 형태로 배열된 라인 검출기를 설명하였는데, 상기 도 4에 도시된 다른 실시예에서는 T-ray 시스템의 장치를 더욱 간략화시키기 위해 이미지 렌즈가 라인 검출기(300a)에 패킷화되어 있다.
상기 도 4의 라인 검출기(300a) 상의 하나의 픽셀을 확대한 부분을 보면, 이미지 렌즈(310a)와 수신 안테나 및 디텍터를 포함하는 픽셀(330a)이 하나로 패킷화되고, 복수개의 패킷이 배열되어 라인 검출기(300a)를 구성하고 있다.
이와 같이 라인 검출기(300a) 자체가 이미지 렌즈(310a)를 포함하도록 패킷화시켜 T-ray 시스템의 구성을 더욱 간략화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 실시간 T-ray 시스템에서 라인 스캔은 라인 빔을 형성시키는 토릭 렌즈(200)를 통해 가능하므로, 이하에서는 본 발명에 따른 실시간 T-ray 시스템에 적용되는 토릭 렌즈(200)에 대하여 자세히 살펴보기로 한다.
라인 빔을 형성하기 위해서는 실린더리컬(cylindrical) 렌즈를 이용하는 경우와 토릭(toric) 렌즈를 이용하는 경우 등이 있는데, 실린더리컬 렌즈를 이용하는 경우에는 원기둥 형태 실린더리컬 렌즈를 수직으로 반을 잘라 한쪽 부분만 사용하게 되면, 볼록 나온 부분만으로 빔이 모아지게 된다. 이와 같은 실린더리컬 렌즈를 이용하는 경우에는 렌즈에 입사되는 빔 양만큼 라인 빔을 형성하기 때문에 빔 라인 크기 즉, 생산 라인 또는 검색 라인 상의 컨베이어 벨트 폭이 넓어지면 검출 범위가 제한되는 것이 단점이 있으며, 이 단점을 보완하기 위해 실린더리컬 렌즈를 여러 개 사용하는 경우에는 검출 범위를 넓어지게 할 수 있으나 전력 손실이 저하되는 단점이 있다.
본 발명에서는 라인 빔을 형성시키기 위해 이와 같은 실린더리컬 렌즈를 적용할 수도 있고 그 외에 라인 빔을 형성시키기 위한 다양한 렌즈가 적용될 수도 있지만 보다 바람직하게는 라인 빔을 형성시키는 전력 손실을 줄이기 위해 얇은 한 개의 토릭 렌즈를 사용한다.
렌즈에는 굴절률이 매우 중요하며, 굴절률은 렌즈의 재질과 파장에 따라 결정된다. THz 시스템에 사용되는 렌즈들의 재질은 반사율이 낮고 투과성이 좋은 폴리머(polymer)를 많이 사용하는데, 사용되는 폴리머 종류는 TPX (polymethylpentene), PE (polyethylene), PP(polypropylene), PTFE (polytetrafluoroethylene 또는 teflon) 등이 있다. 이 중에서도 TPX는 THz대역에서 사용하기에 가장 좋은 특성을 가지고 있으나 가공비가 많이 들어가는 단점이 있다. 따라서 본 발명에 따른 토릭 렌즈는, PE 재질을 사용하며 바람직하게는 HDPE(high-density polyethylene)로 제작될 수 있다.
본 발명에 따른 THz용 토릭 렌즈는, THz 신호 빔이 입사되는 일면은 평면으로 형성되며, THz 신호 빔이 출사되는 타면은 X축 방향을 따라 볼록하게 형성되고 Y축 방향을 따라 오목하게 형성되어 토릭 렌즈의 타면으로 출사되는 빔이 X축 방향을 따라 집속되고 Y축 방향을 따라 퍼져 전체적으로 라인 빔의 형태를 형성하게 된다.
즉, 토릭 렌즈의 타면은 X축 방향을 따라서는 볼록렌즈로 형성되고 Y축 방향을 따라서는 오목렌즈로 형성되어 빔을 집속시키는 볼록렌즈의 특성과 빔을 퍼지게 하는 오목렌즈의 특성을 결합한 것으로서, 도 5는 X축 방향을 따라 볼록하게 형성된 볼록렌즈 및 이에 대한 특성을 도시하며, 도 6은 Y축 방향을 따라 오목하게 형성된 오목렌즈 및 이에 대한 특성을 도시하며, 도 7은 볼록렌즈 구성부분과 오목렌즈 구성부분이 결합된 본 발명에 따른 토릭 렌즈의 특성을 도시한다.
상기 도 5 내지 도 7에 도시된 빔의 특성들은 Optical Research Associates의 Light Tools를 이용하여 시뮬레이션한 결과이다.
도 5의 (a)는 X축 방향을 따라 볼록하게 형성된 볼록렌즈(210)를 도시하는데, X축 방향을 따라 볼록하게 돌출된 곡률에 따라 빔이 집속시키는 특성은 조절될 수 있으며, 도 5의 (a)에서는 X축 방향을 따라 볼록하게 돌출된 곡률이 상당히 작게 형성되어 있다. 도 5의 (b)는 측면에서 바라본 상기 도 5의 (a)에 도시된 볼록렌즈(210)의 빔 특성을 나타내며, 도 5의 (c)는 상부에서 바라본 상기 도 5의 (a)에 도시된 볼록렌즈(210)의 빔 특성을 나타낸다.
상기 도 5의 (b) 및 (c)에서 보는 바와 같이 X축 방향을 따라 볼록하게 돌출된 볼록렌즈(210)의 경우에 THz 소스(100)로부터 방사된 신호 빔을 집속시키는 역할을 하는데, 특히 X축 방향을 따라서는 더욱 빔을 집속시키는 현상이 나타나는 것을 알 수 있다.
도 6의 (a)는 Y축 방향을 따라 오목하게 형성된 오목렌즈(220)를 도시하며, 측면에서 바라본 상기 도 6의 (a)에 도시된 오목렌즈(220)의 빔 특성을 나타내는 도 6의 (b)와 상부에서 바라본 상기 도 6의 (a)에 도시된 오목렌즈(220)의 빔 특성을 나타내는 도 6의 (c)에서 보는 바와 같이 THz 소스(100)로부터 방사된 빔은 Y축 방향을 따라 오목하게 형성된 오목렌즈(220)를 통과하면서 Y축 방향을 따라 퍼지게 되는데 실질적으로는 X축 방향을 따라서도 어느 정도 퍼지는 현상이 나타나는 것을 알 수 있다.
본 발명에서는 이와 같이 X축 방향을 따라 볼록하게 돌출된 볼록렌즈(210)의 X축 방향으로 빔을 집속시키는 특성과 Y축 방향을 따라 오목하게 함몰된 오목렌즈(220)의 Y축 방향으로 빔을 퍼뜨리는 특성을 결합한 토릭 렌즈를 제안하는데, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 토릭 렌즈(200)는 X축 방향을 따라서는 볼록하게 돌출되고 Y축 방향을 따라서는 오목하게 함몰되어 형성된다.
이와 같은 본 발명에 따른 THz용 토릭 렌즈(200)의 빔 특성을 살펴보자면, THz 소스(100)로부터 방사된 신호 빔은 토릭 렌즈(200)를 통과하면서 토릭 렌즈(200)의 측면에서 보면 도 7의 (b)에 나타난 바와 같이 X축 방향을 따라서는 더욱 집속하게 되고, 토릭 렌즈(200)의 상부에서 보면 도 7의 (c)에 나타난 바와 같이 Y축 방향을 따라서는 퍼져나가게 되어 전체적으로는 얇은 라인 빔으로 형성되게 된다.
상기 도 5의 (a)에 도시된 X축을 따라 볼록한 볼록렌즈(210), 도 6의 (a)에 도시된 Y축을 따라 오목한 오목렌즈(220) 및 도 7의 (a)에 도시된 본 발명에 따른 토릭 렌즈(200)의 형상을 보다 자세히 살펴보기 위해 도 8은 각 렌즈를 X축 및 Y축을 따라 절단한 단면도를 도시한다.
도 8의 (a)는 상기 도 5의 (a)에 도시된 X축을 따라 볼록한 볼록렌즈(210)의 단면도로서, X축 방향을 따라 절단한 X-X'의 단면도를 보면 상부로 낮은 곡률을 갖도록 볼록(210a)하게 형성되고 Y축 방향을 따라 절단한 Y-Y'의 단면도를 보면 굴곡이 없이 평탄(210b)하게 형성된다.
도 8의 (b)는 상기 도 6의 (a)에 도시된 Y축을 따라 볼록한 오목렌즈(220)의 단면도로서, X축 방향을 따라 절단한 X-X'의 단면도를 보면 굴곡이 없이 평탄(220a)하게 형성되고 Y축을 따라 절단한 Y-Y'의 단면도를 보면 높은 곡률을 갖도록 내부로 오목(220b)하게 형성되어 있다.
이와 같은 볼록렌즈(210)와 오목렌즈(220)를 결합한 본 발명에 따른 토릭 렌즈(200)는 도 8의 (c)에서 보는 바와 같이 X축 방향을 따라 절단한 X-X' 단면도에서 상기 도 8의 (a)에 도시된 X-X'의 단면도와 동일하게 상부로 낮은 곡률을 갖도록 볼록(200a)하게 형성되며, Y축 방향을 따라 절단한 Y-Y' 단면도에서는 상기 도 8의 (b)에 도시된 Y-Y'의 단면도와 동일하게 내부로 높은 곡률을 갖도록 오목(200b)하게 형성되어 있다.
나아가서 상기 도 7 및 도 8에 도시된 토릭 렌즈는 본 발명에 따른 하나의 실시예로서, 검사하고자 하는 피대상체나 피대상체가 이송되는 이송수단의 크기를 고려하여 토릭 렌즈의 X축 방향을 따른 볼록 부분의 곡률과 Y축 방향을 따른 오목 부분의 곡률을 각각 조절하여 형성되는 라인 빔의 폭과 길이가 조절될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 토릭 렌즈를 적용하여 실시간 T-ray 시스템에서 한정된 THz 소스로 라인 빔을 형성시켜 피대상체를 상하좌우 방향으로 이동시킬 필요 없이 일정한 한 방향으로 피대상체를 이동시키면서 라인 스캔이 가능하게 된다.
나아가서 본 발명에 의하면, 라인 빔 형성이 가능한 THz용 토릭 렌즈를 제공하고 생산 라인이나 검색 라인의 컨베이어 벨트 이송수단의 사이즈에 맞도록 라인 빔의 조절이 가능하므로, 다양한 생산 라인이나 검색 라인에 적용이 가능하다.
또한 다수의 THz 소스로부터의 다수의 빔이 필요 없이 하나의 THz 소스로부터 하나의 빔을 이용하여 저비용으로 피대상체에 효율적으로 집속하게 되어 피대상체의 검출 영상을 더욱 선명하게 취득할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : THz 소스, 110 : 반사경,
200 : 토릭 렌즈,
210 : X축 방향을 따라 볼록한 렌즈,
220 : Y축 방향을 따라 오목한 렌즈,
250 : 이미지 렌즈, 300 : 검출기.
200 : 토릭 렌즈,
210 : X축 방향을 따라 볼록한 렌즈,
220 : Y축 방향을 따라 오목한 렌즈,
250 : 이미지 렌즈, 300 : 검출기.
Claims (11)
- 실시간 T-ray 시스템에 적용되는 렌즈에 있어서,
THz 신호 빔이 입사되는 렌즈의 일면은 평면으로 형성되고,
THz 신호 빔이 출사되는 상기 렌즈의 타면은, 상기 일면과 대향되는 평면을 기준으로 X축 방향으로는 상기 렌즈의 끝단으로부터 중심부를 향할수록 볼록하게 돌출되며, Y축 방향으로는 상기 렌즈의 끝단으로부터 중심부를 향할수록 오목하게 함몰되어,
상기 입사되는 THz 신호 빔을 X축 방향으로 모으고 Y축 방향으로 퍼뜨려 라인 빔 형태로 출사하는 것을 특징으로 하는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템용 토릭 렌즈. - 제 1 항에 있어서,
상기 렌즈는 실린더리컬(cylindrical) 렌즈인 것을 특징으로 하는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템용 토릭 렌즈. - 제 1 항에 있어서,
상기 렌즈의 타면의 X축 방향을 따른 곡률 및 Y축 방향을 따른 곡률을 각각 조절하여 상기 라인 빔 형태의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템용 토릭 렌즈. - 제 1 항에 있어서,
상기 렌즈는, PE (polyethylene)으로 형성된 것을 특징으로 하는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템용 토릭 렌즈. - 실시간 T-ray 시스템에 있어서,
THz 주파수 대역의 신호 빔을 송신하는 소스부;
상기 소스부로부터 방출된 신호 빔을 받아 피대상체를 향해 라인 빔 형태로 출사하는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 토릭 렌즈;
상기 토릭 렌즈로부터 피대상체를 통과한 라인 빔의 이미지를 형성시키기 위한 이미지 렌즈;
상기 이미지 렌즈로부터 출사된 라인 빔으로 상기 피대상체에 대한 정보를 검출하여 영상신호로 처리하는 라인 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템. - 제 5 항에 있어서,
복수개의 상기 피대상체를 지지하며 상기 토릭 렌즈와 상기 이미지 렌즈 사이를 통과시켜 이송시키는 이송수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템. - 제 6 항에 있어서,
상기 이송수단은 컨베이어 벨트로 구성된 것을 특징으로 하는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 이미지 렌즈는, 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 라인 검출부는,
THz 신호를 수신하고 검출하는 수신 안테나와 디텍터가 하나의 픽셀로 상기 라인 빔의 크기에 대응하여 복수개 배열된 것을 특징으로 하는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템. - 제 9 항에 있어서,
복수개의 상기 픽셀에 각각 대응되어 상기 이미지 렌즈가 복수개 배치된 것을 특징으로 하는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템. - 제 10 항에 있어서,
상기 라인 검출부는,
상기 픽셀과 이에 각각 대응되는 상기 이미지 렌즈가 하나로 패킷화되어 형성된 것을 특징으로 하는 라인 빔을 이용한 실시간 T-ray 시스템.
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