KR101316052B1 - 엑스선 위상차 영상 획득 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엑스선 위상 영상을 획득하기 위한 엑스선 위상차 영상 획득 방법에 관한 것으로 2차원 엑스선 광원 격자를 이용하여 엑스선 광원을 시료에 조사하고 시료를 투과 한 엑스선 빔을 격자형 나이프 에지 필터에 의해 위상 신호를 여과함으로써 엑스선 위상차 영상을 획득하는 엑스선 위상차 영상 획득 방법에 관한 것이다.

Description

엑스선 위상차 영상 획득 방법{Method for X-ray Phase Differential Imaging}
본 발명은 엑스선 위상차 영상 획득 방법에 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 방법에 관한 것이다.
일반적으로 엑스선 영상 획득 방법은 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.
따라서 전자기파의 투과성이 큰 물체의 영상획득 장치로 개발되어 유체 흐름의 영상화에 적용되었으며 특히, 공기역학 분야에 많이 기여한 바 있는 슐린렌(Schlieren) 영상획득 방법을 적용하여 장치 구성과 운용의 용이성과 함께 고해상 위상차 영상 획득이 가능한 방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저휘도 저결맞음성 엑스선 광원을 이용하여 엑스선 위상차 영상을 획득할 수 있도록 광원의 휘도를 유지하기 위해서 광원과 검출기 간의 길이를 최소화하면서도 광원의 결맞음성이 위상차 영상 획득 조건을 만족하고 위상차 영상 장치의 구성이 상대적으로 간단하며 영상측정 과정과 영상후처리가 용이한 엑스선 위상차 영상 획득 방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 엑스선 광원, 소정 폭의 스트라이프가 소정 간격으로 가로 방향과 세로 방향으로 반복되어 격자형으로 형성되는 광원 격자, 단부가 칼날형인 소정 폭의 스트라이프가 가로 방향과 세로 방향으로 반복되어 격자형으로 형성되는 나이프-에지 필터, 및 광 검출기가 엑스선 광축 방향으로 정렬되는 엑스선 위상차 영상장치의 엑스선 위상차 영상 획득 방법에 있어서, 상기 나이프 에지 필터와 상기 광원 격자 사이에 시료를 장착하고 시료를 광축 방향으로 미세 조정하는 단계; 상기 나이프-에지 필터를 제거한 상태에서 상기 검출기에서 검출된 흡수 영상(Iabs)을 저장하는 단계; 상기 나이프-에지 필터를 원위치시킨 후 상기 광축에 수직하는 x 축 방향, 및 y 축 방향으로 일정 간격 이동하며 상기 검출기에서 검출된 영상을 저장하는 단계; 상기 흡수 영상을 수치화하고 상기 나이프 에지 필터를 이동하며 얻은 영상을 수치화한 후 데이터 처리하여 최종 영상을 획득하는 단계를 포함하는 엑스선 위상차 영상 획득 방법을 제공한다.
상기 흡수 영상(Iabs)을 수치화하고 상기 나이프-에지 필터를 이동시켜 얻은 영상(
Figure 112012027181051-pat00001
)을 수치화한 후, 다음 관계식
Figure 112012027181051-pat00002
에 의해 위상차 영상을 연산하는 것이 바람직하다.
암시야 영상은 다음 관계식,
Figure 112012027181051-pat00003
에 의해 획득하는 것이 바람직하다.
상기 광원 격자 또는 상기 나이프-에지 필터는 격자를 구성하는 스트라이프의 단부가 칼날형으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 나이프-에지 필터를 이동시켜 영상을 검출하는 단계는 x 방향 및 y 방향에서 각각 + 방향 또는 - 방향 중 하나의 방향으로 이동시키는 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 다른 실시예에 따른 엑스선 위상차 영상 장치를 개략적으로 나타낸 단면도; 그리고
도 3 및 4 는 도 2의 엑스선 위상차 영상 장치에서 영상 획득 과정을 나타낸 도면이다.
이하에서, 도 1 내지 4를 참조하여 본 발명에 따른 엑스선 위상차 영상장치의 구성을 설명하고, 그 작동방법을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 엑스선 위상차 영상장치는 엑스선 광원(10), 광원 격자(20), 나이프-에지 필터(knife-edge filter)(30), 검출기(60)를 포함한다. 도면 부호 50은 측정하고자 하는 시료를 80은 산란에 의한 노이즈를 방지하기 위해 추가될 수 있는 홀 형성된 납판을 나타낸다.
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. 상기 스트라이프의 배치에 따라 광원 격자(20)는 가로와 세로가 7.5 ㎛인 핀홀이 2차원으로 복수 개 배열되는 핀홀 어레이 렌즈를 포함한다.
나이프-에지 필터(30)와 광원 격자(20)는 동일한 사양으로 형성되는 것이 바람직하고, 격자를 형성하는 스트라이프는 단부가 칼날 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 한편 나이프-에지 필터(30)는 핀홀 어레이 렌즈의 초점거리만큼 광원 격자(20)에서 이격된 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 핀홀 렌즈의 초점거리(f)는 다음 수학식 1으로 구할 수 있다.
Figure 112012027181051-pat00004
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.
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.
나이스 에지 필터(30)로부터 광경로 방향으로 소정거리 이격되어 광변조 소자(40)를 설치할 수 있고, 광변조 소자는 입사되는 엑스선을 가시광선 영역의 광으로 변환하는 것으로 Ce이 도핑된 YAG:Ce(yttrium-aluminum-garnet:Ce) 단결정을 포함하는 것이 바람직하다. 광변조 소자에 의해 엑스선이 가시광선으로 변환되어 광학현미경에 의해 엑스선이 간접적으로 측정될 수 있다.
상기와 같이 엑스선 위상차 영상장치를 구성하고 시료(50)를 위치시킨 다음 본 발명에 따른 엑스선 위상차 영상을 획득하는 방법의 일 실시예는 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 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.
나이프-에지 필터(30)를 광축에 원위치시킨 다음, 도 1의 x 방향과 y 방향으로 필터를 소정 간격 이동하며 각각의 영상을 검출기(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.
본 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 112012027181051-pat00005
따라서, 위상차 영상은 다음 수학식 3에 따라 연산 된다.
Figure 112012027181051-pat00006
영상 후처리는 격자 간섭계의 경우에서처럼 푸리에 변환의 수학적 계산 과정 없이 검출기(60, CCD)에서 획득한 영상의 수치 값을 일반적인 차트 형식의 데이터를 처리하는 스프레드 시트 프로그램으로 영상 처리가 가능하므로 최종 영상 획득이 용이하다.
도 4를 참조하여 엑스선 위상차 영상 획득 방법을 설명하기로 한다. 도 4의 (a)에서 영상획득의 1 주기(100)가 적색 라인의 직사각형으로 표현되어 있고 이 1주기 내에서 나이프 에지 필터의 기능을 설명하기로 한다. 칼날(110)의 하단 날에 의해 차단되는 엑스선 빔(130)과 칼날(120)의 상단 날에 의해 차단되는 엑스선빔(140)과 칼날(110, 120) 사이로 전파되는 엑스선 빔(150)이 영상획득의 첫 번째과정이다.
한 쌍의 칼날(110, 120)을 y-축으로 이동하며 영상획득을 하는 경우가 도 4의 (b)에 도시된다. 한쌍의 칼날(110, 120)이 나이프 에지 필터의 1주기를 n으로 나눈 값만큼 이동하면 칼날(110)의 하단의 이동으로 인하여 변화된 엑스선 빔(160)과 동시에 칼날 필터(120)의 상단의 이동으로 인하여 변화된 엑스선 빔(170)이 새롭게 계측기에 감지될 것이다. 이때 칼날(110)의 하단에 의한 변화의 강도는 I-(-y)이고, 칼날(120)의 상단에 의한 강도는 I+(+y)로 표현될 수 있다.
동일한 과정에 의하여 한쌍의 칼날(110,120)을 x-축으로 이동하며 영상획득을 하는 경우의 강도를 각각 I-(-x), I+(+x)가 되어 2차원의 한 점에서의 강도는 I(x,y)로 표현되며 수학적으로 1차 위상함수의 미분값은 반대칭이므로 I-(-x, -y)=-I-(x,y)라 할 수 있다.
그러므로 +y방향 +x 방향으로 이동함과 동시에 -y, -x방향으로 이동하며 획득할 수 있는 강도 변화를 동시에 계측기에서 탐지된다. 기존 전자현미경에서 활용되었던 평판형 칼날을 적용한 경우는 +, - 양방향으로 각각 이동하며 측정해야 하는 데 비해, 본 발명에 의하면 칼날형 나이프-에지 필터를 사용한 엑스선 위상 획득 장치는 + 또는 - 일 방향으로만 이동하면 동시에 강도 변화가 탐지되므로 측정시간을 크게 줄일 뿐만 아니라 양방향 이동에 따른 좌표 이동의 불일치에 의한 영상의 흐림현상을 줄일 수 있다.
상기 기술한 격자 이동을 n번 반복하면 도4의 (c)와 같이 주기적 나이프 에지 필터의 한 주기가 이동한 상태로 칼날(180)이 칼날(120)의 위치로 이동한 상태가 되어 영상획득 과정의 초기상태가 된다.
상기 기술한 1주기 검출과정에서 획득된 강도의 합이
Figure 112012027181051-pat00007
이 된다. 이 값을 흡수 영상으로 나눈 값이 시료의 위상차 영상으로 그려지게 된다.
영상 후 처리 과정은 간편하여 CCD의 각각의 화소에서 측정된 값이 스프레드시트 소프트웨어의 각각의 셀과 1대1 대응되므로 간단한 프로그램 조작으로 위상차 영상을 수치 값을 얻게 된다. 이 값을 수도칼러로 표시하면 시료의 위상차 영상이 된다.
또한, 나이프 에지 필터의 특정위치에서 측정된, 즉, 1회 측정된 세기를 이용하여도 엑스선 위상차 영상 획득이 가능하다. 이와 같은 1회 측정에 의한 영상은 시료의 특정 부분의 영상이 선명하게 보이는 특징이 있으나 전체적인 이미지의 민감도가 떨어진다.
일반적으로 암시야(drak-field) 영상은 흡수영상에서 굴절영상을 제거하여 얻는다. 따라서 본 발명에서 제안된 방법은 필요에 따라, 암시야(dark-field) 영상획득이 가능하다, 즉
Figure 112012027181051-pat00008
에 의하여 암시야( dark-field) 영상을 얻는다.
10 : 엑스선 광원 15 : 집속된 엑스선 빔
17 : 직진하는 엑스선 빔 19 : 시료에 의해 굴절된 엑스선 빔
20 : 광원 격자(핀홀 어레이) 30 : 나이프-에지 필터
40 : 광변조 소자 50 : 시료
60: 검출기 70 : 광원 격자의 초점거리
80: 납 판 100: 영상 획득 과정의 1주기
110,120 : 나이프-에지 필터의 칼날
130,140: 차단된 엑스선 빔 150: 투과된 엑스선 빔
160,170: 필터링된 엑스선빔
180 : 칼날 120의 위치로 이동된 칼날

Claims (5)

  1. 엑스선 광원, 소정 폭의 스트라이프가 소정 간격으로 가로 방향과 세로 방향으로 반복되어 격자형으로 형성되는 광원 격자, 단부가 칼날형인 소정 폭의 스트라이프가 가로 방향과 세로 방향으로 반복되어 격자형으로 형성되는 나이프-에지 필터, 및 광 검출기가 엑스선 광축 방향으로 정렬되는 엑스선 위상차 영상장치의 엑스선 위상차 영상 획득 방법에 있어서,
    상기 나이프 에지 필터와 상기 광원 격자 사이에 시료를 장착하고 시료를 광축 방향으로 미세 조정하는 단계;
    상기 나이프-에지 필터를 제거한 상태에서 상기 검출기에서 검출된 흡수 영상(Iabs)을 저장하는 단계;
    상기 나이프-에지 필터를 원위치시킨 후 상기 광축에 수직하는 x 축 및 y 축 방향으로 일정 간격 이동하며 상기 검출기에서 검출된 영상을 저장하는 단계;
    상기 흡수 영상을 수치화하고 상기 나이프 에지 필터를 이동하며 얻은 영상을 수치화한 후 데이터 처리하여 최종 영상을 획득하는 단계를 포함하는 엑스선 위상차 영상 획득 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수 영상(Iabs)을 수치화하고 상기 나이프-에지 필터를 이동시켜 얻은 영상(
    Figure 112013073862903-pat00009
    )을 수치화한 후,
    다음 관계식
    Figure 112013073862903-pat00010
    에 의해 위상차 영상을 연산하되,
    상기 I+(x,y)는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향에서 측정되는 강도이고, 상기 I-(x,y)는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향의 반대쪽에서 측정되는 강도이고, 상기 Φ(x,y)는 (x,y) 지점에서의 위상이고, 상기 Iabs(x,y)는 흡수 영상의 강도인 엑스선 위상차 영상 획득 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    암시야 영상은 다음 관계식
    Figure 112013073862903-pat00011
    에 의해 획득하되,
    상기 I+(x,y)는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향에서 측정되는 강도이고, 상기 I-(x,y)는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향의 반대쪽에서 측정되는 강도이고, 상기 Φ(x,y)는 (x,y) 지점에서의 위상이고, 상기 Iabs(x,y)는 흡수 영상의 강도인 엑스선 위상차 영상 획득 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 나이프-에지 필터를 이동시켜 영상을 검출하는 단계는 x 방향 및 y 방향에서 각각 + 방향 또는 - 방향 중 하나의 방향으로 이동시키는 엑스선 위상차 영상 획득 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원 격자 또는 상기 나이프-에지 필터는 격자를 구성하는 스트라이프의 단부가 칼날형으로 형성되는 엑스선 위상차 영상 획득 방법.
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