KR101691544B1 - 비축대칭 렌즈를 포함하는 ＴＨｚ 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치 - Google Patents

비축대칭 렌즈를 포함하는 ＴＨｚ 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 THz 빔을 사용하여 대상물에 대한 3차원 영상을 고속 및 고정밀로 획득할 수 있도록 하는, 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치를 제공함에 있다.

Description

비축대칭 렌즈를 포함하는 ＴＨｚ 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치 {High-speed 3D imaging system having non-axially symmetric lens using THz beam scan}
본 발명은 비축대칭 렌즈를 포함하는 테라헤르츠(THz) 빔 스캔을 이용한 고속 3차원 영상 탐지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 THz 빔으로 탐지 대상을 스캔하여 비파괴 및 비접촉식으로 탐지 대상에 대한 3차원 영상을 고속으로 얻을 수 있도록 하는 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이러한 3차원 영상 탐지 장치를 구성함에 있어서 비축대칭 렌즈를 포함하도록 함으로써 영상 탐지 성능을 향상하도록 한다.
대상물의 형상을 측정하는 것은 산업계 전반의 기술 분야에 있어서 매우 중요하고 필수적인 것으로서 다양한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 일례로 2차원 평면 상의 미세 형상, 예를 들어 반도체 집적 회로의 선폭을 측정하거나 패턴 결함, 이물질, 비대칭성 등을 검사하기 위한 2차원 영상 측정 기술의 경우, 광학 현미경 및 CCD 카메라 등과 같은 촬상 소자를 이용한 프로브 시스템이 대표적인 것으로서, 이러한 2차원 영상을 획득하는 기술은 일반적인 광학 현미경 또는 전자 현미경 분야에서 이미 상용화되어 널리 사용되고 있다.
한편 2차원 영상에서 더 나아가 3차원 형상에 대한 정보 습득의 필요성이 높아짐에 따라, 대상물의 외면의 형상을 측정하는 것 뿐 아니라 대상물 표면의 3차원 형상이나 내부 형상을 측정하는 기술 역시 다양한 방식으로의 발전이 이루어져 왔다. 예를 들어 생체 내부의 3차원 구조를 영상화하여 검출하거나, 용기 내에 들어 있는 물체를 판별하거나, 대상물 내부의 크랙을 검출하는 등과 같은 기술이 바로 그것이다. 이러한 대상물 측정에 있어서 기본적으로 전제되는 것은 비파괴 방식의 측정이 가능해야 한다는 것이며, 여기에 더불어 비접촉 방식으로 측정할 수 있으면 더욱 좋다.
비파괴 및 비접촉식 검출 기술 중 가장 단순한 것은 투영 영상을 획득하는 것으로서, X 선 기술 등이 그 예시가 될 수 있다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 어떤 대상물에 투과성 전자기파인 X 선을 조사한 후 대상물을 투과하여 나온 X 선을 검출하면, X 선이 3차원 대상물을 투과하여 오면서 흡수된 양에 따라 검출되는 양이 달라지는 것을 이용하여 3차원 대상물에 대한 2차원 투영 영상을 얻을 수 있다.
테라헤르츠(THz) 빔 역시 투과성이 뛰어난 전자파로서 섬유나 플라스틱 등 다양한 비전도성 물질을 투과할 수 있으며, 특히 X 선과는 달리 생체 조직이나 DNA에 손상을 입힐 만큼 광자 에너지가 상대적으로 높지 않아 X 선에 비하여 생물학적인 안전성이 높은 장점이 있다. 종래에 THz 빔을 이용한 영상 획득 기술로서, 한국특허공개 제2005-0024303호("테라헤르츠 이미징 시스템 및 방법", 2005.03.10, 이하 선행문헌 1) 등이 개시되어 있다. 선행문헌 1은 X 선과 유사한 원리로서 2차원 영상을 얻는 기술로서 조금 더 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. X 선과 유사하게 THz 빔 역시 대상물을 투과하는 과정에서 특정한 투과 또는 반사 스펙트럼이 발생하며, 이에 따라 THz 빔을 대상물에 조사한 후 대상물을 투과 또는 반사하여 나온 THz 빔을 측정함으로써 대상물 내부에 대한 2차원 투영 영상을 얻을 수 있는 것이다. 상기 선행문헌에서는, 선행문헌 1에서는 특히 사람 또는 여행가방, 밀봉 패키지 등과 같은 용기들에 감추어진 폭발물 또는 생물학적 무기류의 검출이 효과적으로 신속하게 이루어질 수 있도록 하기 위하여, 관심 지역의 평면 내에서 방사된 THz 빔이 관심 지역으로부터 반사되거나 투과하여 온 신호를 복수 개의 지점에서 동시 검출함으로써 보다 정확한 이미지를 구성하는 기술을 개시하고 있다. 이러한 THz 빔을 이용한 비파괴 검사 기술은 현재 공항 검색대 등에서 여행가방 속의 물건이나 공항 이용객의 신체에 무기류가 존재하는지를 검사하는 등과 같은 기술로서 활용되고 있다.
한편, 상술한 바와 같은 X 선, THz 빔을 이용하여 획득된 투영 영상은 3차원 물체에 대한 2차원 정보밖에는 제공해 줄 수 없다. 대상물에 대한 보다 정확한 3차원 구조를 밝혀내기 위한 기술로서, CT(Computed Tomography, 컴퓨터 단층 영상), OCT(Optical Coherence Tomography, 광간섭 단층 영상) 등의 기술이 사용되고 있다. 이러한 기술은 일반적으로 의학 분야에서는 생체 내부의 3차원 구조를 영상화하기 위해 많이 사용되는 것이다. CT 기술은 대상물에 대한 X 선 투영 영상을 다각도로 촬영하여 얻은 뒤 이 영상들을 재조합하여 단층 영상 또는 3차원 영상을 산출하는 기술이다. 또한 OCT 기술은 광간섭 현상을 이용하여 대상물 내부의 미세 구조를 영상화하는 기술로서, 생체 조직의 손상을 최소화하면서 생체 조직 내부의 미세 구조를 획득할 수 있다는 점에서 특히 현재 의학 분야에서 각광받고 있는 기술이다.
그런데, 일반적으로 잘 알려져 있는 바와 같이 CT 촬영 시에는 대상물에 대하여 각도를 달리하여 수백 내지 수천 장의 2차원 투영 영상을 얻어야 하기 때문에 촬영하는 데 무척 많은 시간이 걸린다. 즉 CT 촬영 방식을 이용한 3차원 형상 검출 기술을 의학 분야 이외의 산업 분야에 적용하기에는 시간적인 효율이 극단적으로 나쁘다. 한편 OCT 기술의 경우 광원 출력, 안정성, 속도 개선 등에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 3차원 영상화 가능한 깊이가 수 mm에 불과하여 망막 진단이나 내시경 기술에의 응용 등에 제한적으로 적용될 수 있다는 한계가 있다.
현재 여러 산업 분야에서 3차원 영상 탐지 기술에의 필요성이 높아지고 있으나, 상술한 바와 같이 현재까지 개발 및 사용되어 온 기술들의 경우 각각의 기술분야 특성에 따라 연구되어 온 특수화에 의하여 오히려 한계가 존재하여, 보다 다양한 산업 분야로 적용하는 것이 어려운 실정이다. 이처럼 보다 다양한 산업 분야에의 적용이 가능한 3차원 영상을 탐지하기 위한 기술이 해결해야 할 과제는, 물질이나 크기 등의 제한을 줄여 보다 다양한 대상물에 대한 탐지가 가능해야 하는 것 등이 있으며, 무엇보다도 가장 시급히 요구되는 것은 고속 및 고정밀의 측정이 가능해야 한다는 것이다.
앞서 설명한 여러 기술들 중 THz 빔을 이용한 영상화 기술의 경우, 대상물의 투과가 가능하므로 현재로서도 다른 기술들의 접목을 통해 3차원 영상을 획득할 수 있으며, X선 기술과 비교하였을 때 대상물을 손상시킬 우려가 없어 안정성이 높고, OCT 기술과 비교하였을 때 훨씬 큰 범위의 깊이를 가지는 대상물에 대한 탐지가 가능하다는 등의 장점이 많다. 즉 THz 빔은 차세대 고속 3차원 영상화 기술로서 사용되기에 적절한 여러 특성을 가지고 있는 것이다. 다만 THz 빔을 이용한 영상화 기술에 대한 여러 연구가 아직 시작 단계에 있어 해결해야 할 과제가 많은 실정이다.
THz 빔을 이용하여 3차원 영상을 얻는 방식은 투과형(transmission type) 및 반사형(reflection type)으로 나뉜다. 투과형 방식은 앞서 설명한 CT 촬영 기법과 유사하며, X 선을 이용하는 대신 THz 빔을 이용하기 때문에 생물학적 안정성이 높다는 장점은 있으나 CT 기술이 가지고 있는 가장 큰 단점인 지나치게 긴 측정 시간 문제를 여전히 가지고 있다. 반사형 방식은 TOF(Time-Of-Flight) 원리를 이용한 것으로, 즉 빔이 대상물에 조사되고 반사되어 되돌아오는 시간을 이용하여 거리를 산출함으로써 깊이 방향(즉 빔 진행 방향)의 정보를 획득하는 방식이다. THz 빔은 투과성도 가지고 있지만 계면에서 반사되는 성질도 가지고 있으므로, 반사 신호를 검출하여 그 반사 신호가 발생된 위치를 산출함으로써 대상물의 깊이 방향으로 존재하는 계면들의 위치 정보를 알 수 있으며, 깊이 방향에 대해 수직한 2차원 평면상의 복수 지점에 대하여 이러한 깊이 방향 정보를 조사함으로써 결과적으로 대상물 내부의 3차원 형상 정보를 획득할 수 있다. 도 1은 바로 이러한 종래의 반사형 방식의 THz 빔을 이용한 3차원 영상화 장치의 개략도를 도시한 것으로, 대상물(sample)에 THz 빔을 조사하여 반사 신호를 획득하되 대상물을 2차원적으로 움직여 주도록 되어 있다. 보다 구체적으로는, "High-speed terahertz reflection three-dimensional imaging for nondestructive evaluation"(Kyong Hwan Jin, Young-Gil Kim, Seung Hyun Cho, Jong Chul Ye, Dae-Su Yee, 25 November 2012 / Vol. 20, No. 23 / OPTICS EXPRESS, 이하 선행문헌 2)에 상세한 내용이 개시되어 있다.
선행문헌 2는 THz 빔을 이용하여 고정밀의 3차원 영상을 탐지할 수 있다는 점에서 3차원 영상 탐지 기술 분야에 있어 상당한 기술적 도약을 이룬 바 있다. 그러나 2차원 평면상에서 대상물을 물리적으로 이동시켜 주어야 한다는 점에서, 선행문헌 2에 의해서도 속도 및 정밀도에 있어서의 한계가 발생하며, 그 속도를 개선해야 할 필요성이 요구되고 있다.
1. 한국특허공개 제2005-0024303호("테라헤르츠 이미징 시스템 및 방법", 2005.03.10)
1. "High-speed terahertz reflection three-dimensional imaging for nondestructive evaluation"(Kyong Hwan Jin, Young-Gil Kim, Seung Hyun Cho, Jong Chul Ye, Dae-Su Yee, 25 November 2012 / Vol. 20, No. 23 / OPTICS EXPRESS) 2. "High-speed terahertz time-domain spectroscopy based on electronically controlled optical sampling"(Youngchan Kim and Dae-Su Yee, OPTICS LETTERS / Vol. 35, No. 22 / November 15, 2010)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 THz 빔을 사용하여 대상물에 대한 3차원 영상을 고속 및 고정밀로 획득할 수 있도록 하는, 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치를 제공함에 있다. 본 발명의 또다른 목적은, 이러한 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치에 비축대칭 렌즈를 적용함으로써 영상 탐지 성능을 더욱 향상하는, 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치는, 대상물 상에 THz 빔을 조사하여 반사되어 온 반사 신호를 검출하는 THz 빔 탐지부; THz 빔 방향 각도를 조절하는 갈바노미터 스캐너 및 상기 갈바노미터 스캐너에 의해 각도가 조절된 THz 빔을 대상물을 향해 조사하는 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 포함하여 이루어져, THz 빔이 상기 대상물 상에 조사되는 2차원 위치를 조절하는 2차원 스캔부; 를 포함하여 이루어져, 상기 2차원 스캔부에 의하여 THz 빔이 상기 대상물 상에 조사되는 임의의 2차원 위치가 측정점으로 결정되면, 상기 THz 빔 탐지부에서 검출된 반사 신호를 이용하여 상기 측정점에서의 상기 대상물 형상의 깊이 정보를 TOF(Time-Of-Flight) 방식으로 산출하고, 상기 2차원 스캔부의 각도 조절 구동 신호를 이용하여 상기 측정점의 2차원 위치 정보를 산출하여, 상기 측정점에서의 2차원 위치 정보 및 깊이 정보를 획득하되, 복수 개의 상기 측정점이 상기 대상물의 2차원 방향 전체에 걸쳐 분포되어, 각각의 상기 측정점에서 획득된 2차원 위치 정보 및 깊이 정보를 취합하여, 상기 대상물의 3차원 형상 정보를 산출하며, 특히 이 때 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈는 비축대칭 렌즈가 되도록 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치는, 동일한 펄스 반복률(pulse repetition rate)을 가지되 발생되는 펄스 간에 시간 지연(time delay)을 가지도록 형성되는 제1레이저(111) 및 제2레이저(112)를 포함하여 이루어지며, 상기 제1레이저(111) 및 상기 제2레이저(112) 간 시간 지연이 주기적으로 가변되도록 형성되는 시간지연가변 레이저 발생부(110); 상호 상관(cross correlation)을 이용하여 상기 제1레이저(111) 및 상기 제2레이저(112)로부터 출력되는 광펄스들 사이에 시간 지연이 0이 되는 순간에 상호 상관 신호를 발생시키는 상호상관기(121) 및 디지털 펄스를 발생시키는 디지털 펄스 발생부(122)를 포함하여 이루어져, 상기 상호상관기(121)에 의해 발생된 상호 상관 신호를 기준으로 상기 디지털 펄스 발생부(122)에서 펄스를 발생시켜 트리거 신호를 출력하는 트리거 신호 발생부(120); 상기 제1레이저(111)에 의하여 THz 빔을 방출하는 발진기(131), 상기 제2레이저(112)에 의하여 THz 빔을 검출하는 검출기(132), 상기 발진기(131)에서 방출된 THz 빔의 진행 광경로 상에 배치되어, 상기 발진기(131)에서 방출된 THz 빔은 통과시키고 대상물(500)로부터 반사되어 온 THz 빔을 반사시켜 상기 검출기(132)로 입사시키는 빔 스플리터(133), 상기 트리거 신호 발생부(120)에서 발생된 트리거 신호를 기준으로 상기 검출기(132)에서 검출된 THz 빔 반사 신호 및 하기 2차원 스캔 구동부(150)의 각도 조절 구동 신호를 디지털화하는 디지타이저(134)를 포함하여 이루어지는 THz 빔 탐지부(130); 상기 발진기(131)에서 방출된 THz 빔을 입사받아 THz 빔 방향 각도를 조절하는 갈바노미터 스캐너(141), 상기 갈바노미터 스캐너(141)에 의해 각도가 조절된 THz 빔을 대상물(500)을 향해 조사하는 텔레센트릭 f-θ 렌즈(142)를 포함하여 이루어지는 THz 빔 스캐너(140); 상기 디지털 펄스 발생부(122)에서 발생된 트리거 신호를 기준으로 상기 갈바노미터 스캐너(141)의 각도 조절을 제어하는 2차원 스캔 구동부(150); 상기 디지타이저(134)로부터 디지털화된 상기 THz 빔 반사 신호 및 디지털화된 상기 각도 조절 구동 신호를 전달받아, 상기 THz 빔 반사 신호를 분석하여 상기 대상물(500) 형상의 깊이 정보를 산출하고, 각도 조절 구동 신호를 분석하여 상기 THz 빔 반사 신호가 발생된 상기 대상물(500) 상의 2차원 위치 정보를 산출하여, 상기 대상물(500)의 3차원 형상 정보를 산출하는 데이터처리부(160); 를 포함하며, 특히 이 때 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈는 비축대칭 렌즈가 되도록 이루어질 수 있다.
이 때 상기 2차원 스캔 구동부(150)는, 상기 디지털 펄스 발생부(122)에서 발생된 트리거 신호를 기준으로 구동용 파형 신호를 발생시키는 파형신호발생부(151), 상기 파형신호발생부(151)로부터 전달받은 구동용 파형 신호를 사용하여 상기 갈바노미터 스캐너(141)를 회전시키는 적어도 하나 이상의 회전구동부(152a)(152b)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 상기 THz 빔 탐지부(130)는, 상기 검출기(132) 및 상기 디지타이저(134) 간 신호 전달 경로 상에 구비되어, 상기 검출기(132)에서 검출된 신호를 증폭하여 상기 디지타이저(134)로 전달하는 증폭기(135)를 구비할 수 있다.
또한 상기 THz 빔 탐지부(130)는, 상기 발진기(131)에서 나오는 THz 빔의 콜리메이션(collimation)에 사용되거나 또는 상기 빔 스플리터(133)에서 반사되는 THz 빔을 상기 검출기(132)에 집속(focusing)하는데 사용되는 적어도 하나의 비축 포물 거울(off-axis parabolic mirror)(136)을 구비할 수 있다.
또한, 상기 발진기(131), 상기 검출기(132), 상기 빔 스플리터(133), 상기 비축 포물 거울(off-axis parabolic mirror)(136)들, 상기 갈바노미터 스캐너(141), 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈(142)가 일체로 유닛화된 헤드(head)로 구성되고, 상기 발진기(131) 및 상기 검출기(132)로서 광섬유 결합된 발진기 및 검출기가 사용됨으로써 상기 헤드가 이동가능하게(portable) 형성되도록 할 수 있다. 이 때, 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)의 제1레이저 및 제2레이저로서 광섬유 펨토초 레이저가 사용됨으로써, 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110) 및 상기 헤드가 광섬유로 연결되도록 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, THz 빔을 이용하여 대상물에 대한 3차원 영상을 획득하도록 함으로써, 기존의 3차원 영상 획득 기술들이 가지고 있는 문제점들을 원천적으로 해결하는 효과가 있다. 즉 생체 조직의 손상 유발 가능성이 있는 X 선 기술과 비교할 때 대상물에 대한 손상 염려가 훨씬 적어 안정성을 크게 향상하며, 수 mm 정도 깊이 범위밖에는 탐지할 수 없는 OCT 기술에 비해서 깊이 방향으로 탐지 가능한 범위가 비약적으로 향상되는 장점이 있는 것이다.
무엇보다도 본 발명에 의하면, 기존에 비하여 훨씬 고속의 검출이 가능하도록 하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 THz 빔을 이용하되 반사형 방식으로 깊이 방향의 정보를 획득하는데, 이는 종래의 CT 기술 또는 이와 유사한 방식인 THz 빔을 이용한 투과형 3차원 영상 획득 방식과 비교할 때 수많은 각도에서의 투과 영상을 획득할 필요가 없다는 점에서 비약적으로 측정 시간을 절약할 수 있는 큰 효과가 있다. 또한, 종래의 THz 빔을 이용한 반사형 방식에서도 3차원 영상 획득 시 대상물을 2차원적으로 이동시켜 가면서 2차원 평면 상의 복수 지점에 대한 깊이 방향 정보를 획득하고 이를 종합하는 방식을 사용하였는데, 종래의 방식은 대상물을 물리적으로 이동시키는 과정에서 속도 및 정밀도를 향상하는데 한계가 있었다. 그러나 본 발명에 의하면, 대상물을 고정한 채로 THz 빔의 조사 방향을 바꿈으로써 2차원 평면상에서의 빔 조사 위치 변경이 가능하도록 한다. 이에 따라 빔 조사 위치 변경 속도가 종래에 비해 비약적으로 향상되며, 또한 종래에 대상물의 물리적 이동 동작으로 인한 정밀도 저하의 문제점 또한 해소하여, 궁극적으로는 종래에 비해 훨씬 고속 및 고정밀도를 갖는 THz 빔을 이용한 3차원 형상 탐지를 실현할 수 있는 커다란 효과가 있는 것이다.
또한, 종래의 방식으로는 대상물을 물리적으로 이동시키면서 측정을 하였기 때문에 고정되어 있는 (즉 움직일 수 없는) 대상물의 형상 탐지가 불가능했던 반면, 본 발명의 THz 빔 스캔 방식은 움직일 수 없는 대상물의 형상 탐지를 가능하게 하는 효과 또한 있다.
더불어 본 발명에서는 THz 빔을 이용한 3차원 영상을 획득하기 위한 장치의 구성품으로서 사용되는 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 비축대칭 렌즈로 함으로써, 영상 탐지 성능을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 THz 빔을 이용한 영상화 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치의 개략도.
도 3은 THz 빔 스캐너.
도 4는 본 발명의 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치의 한 실시예.
도 5는 본 발명의 장치에 의해 탐지된 실제 대상물의 3차원 영상 예시.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 미리 설명하자면, 이하에서 먼저 본 발명의 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치의 구조 및 원리에 대하여 설명한다. 한편 상기 장치에는 텔레센트릭 f-θ 렌즈가 포함되는데, 상기 장치의 구조 및 원리의 설명 이후 이러한 렌즈를 설계하는 방법을 소개하고, 마지막으로 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈가 비축대칭 렌즈일 경우 더욱 성능이 뛰어남을 설명한다.
■ THz 빔 스캔을 이용한 고속 3차원 영상 탐지 장치 구성
도 2는 본 발명의 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치의 개략도를 도시하고 있다. 본 발명의 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치는, 개략적으로는 도 2에 도시된 바와 같이 THz 빔 탐지부 및 2차원 스캔부를 포함하여 이루어진다.
상기 THz 빔 탐지부는 대상물 상에 THz 빔을 조사하여 반사되어 온 반사 신호를 검출하는 역할을 하며, 상기 2차원 스캔부는 THz 빔이 상기 대상물 상에 조사되는 2차원 위치를 조절하는 역할을 한다. 즉 본 발명의 장치는, 상기 THz 빔 탐지부에서 검출된 반사 신호를 이용하여 상기 대상물 형상의 깊이 정보를 TOF(Time-Of-Flight) 방식으로 산출하고, 상기 2차원 스캔부의 각도 조절 구동 신호를 이용하여 상기 깊이 정보가 발생된 2차원 위치 정보를 산출하여, 궁극적으로는 상기 대상물의 3차원 형상 정보를 산출하게 된다.
THz 빔 반사를 이용한 깊이 정보의 검출은 다음과 같은 원리로 이루어진다. 먼저 THz 빔이 대상물에 조사되면, 대상물을 이루는 물질의 굴절률이 균일할 경우 THz 빔은 대상물을 투과하여 진행하지만, 굴절률이 달라지는 부분 즉 계면에서는 반사된다. 이 때 THz 빔이 반사되어 온 반사 신호의 시간 지연을 측정함으로써, THz 빔이 반사된 계면의 깊이 정보를 산출할 수 있다.
이 때 본 발명에서는, 상기 2차원 스캔부가 THz 빔 방향 각도를 조절하는 갈바노미터 스캐너 및 상기 갈바노미터 스캐너에 의해 각도가 조절된 THz 빔을 대상물을 향해 조사하는 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 포함하여 이루어지도록 한다. 텔레센트릭 f-θ 렌즈란 입사된 광선이 각도에 관계없이 일정한 방향 및 초점 거리를 가지도록 해 주는 렌즈로, 도 3에 텔레센트릭 f-θ 렌즈의 원리가 도시되어 있다. 즉 다양한 각도를 가지는 광선들이 텔레센트릭 f-θ 렌즈로 입사될 경우, 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 통과한 광선들은 동일한 초점 거리에서 초점을 맺게 되며, 이 초점들은 초점 평면을 형성한다. 이 때 초점 평면 상에 초점의 2차원 위치는 광선의 각도와 텔레센트릭 f-θ 렌즈의 초점 거리의 곱과 같다. 미리 언급하자면, 본 발명에서 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈는 비축대칭 렌즈가 되도록 하는 것이 바람직하며, 그 이유에 대해서는 이후에 보다 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 종래의 THz 빔을 이용한 영상화 장치의 경우에는 이동 스테이지(translation stage)를 사용하여 대상물 자체를 직접 물리적으로 2차원 방향으로 움직이도록 이루어졌으며, 이로 인하여 대상물의 2차원 스캔 속도에 한계가 발생하는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이 갈바노미터 스캐너로 THz 빔 방향 각도를 조절함으로써 대상물 상에 조사되는 THz 빔의 2차원 위치를 조절하기 때문에, 대상물을 직접 움직일 필요가 없다. 잘 알려진 바와 같이 갈바노미터 스캐너는 인가 전압에 따라 소형의 거울(mirror)을 회전시키도록 이루어진 장치로서, 움직여야 할 대상인 거울이 소형 및 경량이기 때문에 모멘트 발생이 적어 고속 및 고정밀의 구동이 용이하다. 즉, 탐지 대상물을 장착한 이동 스테이지는 상대적으로 대형 및 중량이므로, 탐지 대상물을 물리적으로 이동시키는 것에 비하여 갈바노미터 스캐너의 구동이 훨씬 고속 및 고정밀로 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이 갈바노미터 스캐너의 회전 구동 신호 값을 통해 THz 빔 방향 각도를 알 수 있으며, 상술한 바와 같이 텔레센트릭 f-θ 렌즈로 입사되는 광선의 각도에 의해 초점 평면 상의 THz 빔의 2차원 위치가 결정된다. 즉 텔레센트릭 f-θ 렌즈의 초점 평면에 대상물이 위치하면, 갈바노미터 스캐너의 회전 구동 신호 값을 사용하여 상기 대상물 상의 THz 빔의 2차원 위치를 용이하게 알 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 장치를 가지고 대상물의 3차원 형상 정보를 어떻게 산출하는지에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 대상물을 이루는 매질이 균일할 경우 THz 빔은 대상물의 최상면(표면) 및 대상물의 최하면(바닥)에서 반사될 것이다. 대상물 상의 어느 2차원 상의 한 점 (x1, y1) 위치에 대하여 THz 빔을 조사하면, 대상물 최상면에서 반사되어 온 반사 신호가 Δt11의 시간 지연을 가지고, 대상물 최하면에서 반사되어 온 반사 신호가 Δt12의 시간 지연을 가진다고 할 때, Δt11에 상응하는 거리 값(즉 깊이 정보) z11 및 Δt12에 상응하는 거리 값(즉 깊이 정보) z12를 산출할 수 있다. 즉, 2가지의 시간 지연 값(이 예시에서는 Δt11, Δt12)을 갖는 반사 신호가 측정되었다는 결과로부터, (x1, y1) 점에서 대상물은 깊이 방향으로 z11 위치에 최상면을, z12 위치에 최하면을 갖는다는 정보를 알 수 있다.
다른 경우로서, 2차원 상의 다른 한 점 (x2, y2) 위치에 대하여 THz 빔을 조사하였을 때, 서로 다른 4개의 시간 지연 값을 갖는 반사 신호들이 측정되었다고 하고, 이 경우 각 시간 지연 값에 의해 산출된 깊이 정보 값이 z21, z22, z23, z24라고 한다. 이는 즉 (x2, y2) 위치에서 THz 빔이 투과하여 진행하는 물질이 4번 변경되었다는 것, 다시 말해 4개의 계면이 존재한다는 것을 의미한다. 구체적으로는, z21이 대상물의 최상면 깊이 정보가 되고, z24가 대상물의 최하면 깊이 정보가 되며, z22 및 z23은 (x2, y2) 위치에서 대상물 내에 존재하는 어떤 다른 물질(예를 들어 크랙)의 최상 및 최하 계면의 깊이 정보가 된다.
이와 같이 THz 빔 탐지부를 이용하여 어떤 2차원 위치에서의 대상물 깊이 정보(z11, z12 등)를 산출할 수 있으며, 상술한 바와 같이 갈바노미터 스캐너의 회전 구동 신호 값을 통해 그 2차원 위치 값((x1, y1) 등)을 산출할 수 있다. 즉 복수 개의 2차원 상의 점((x1, y1) 등)에 존재하는 계면들의 깊이 정보 값(z11, z12 등)들을 획득하고 이들을 종합함으로써, 대상물의 3차원 형상을 완전하게 재구성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 장치 중 주요한 부분 일부만을 개략적으로 개시한 것으로, 보다 구체적인 실시예가 도 4에 도시된다. 도 4는 본 발명의 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치의 보다 구체적인 실시예이다. 도 4의 실시예에서, 본 발명의 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치는, 시간지연가변 레이저 발생부(110), 트리거 신호 발생부(120), THz 빔 탐지부(130), THz 빔 스캐너(140) 및 2차원 스캔 구동부(150)를 포함하여 이루어지는 2차원 스캔부, 데이터처리부(160)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)는, 동일한 펄스 반복률(pulse repetition rate)을 가지되 발생되는 펄스 간에 시간 지연(time delay)을 가지도록 형성되는 제1레이저(111) 및 제2레이저(112)를 포함하여 이루어진다. 이 때 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)는, 상기 제1레이저(111) 및 상기 제2레이저(112) 간 시간 지연이 주기적으로 가변되도록 형성된다. 이하 보다 상세히 설명되겠지만, 상기 제1레이저(111)는 THz 빔의 발진에 사용되고, 상기 제2레이저(112)는 THz 빔의 검출에 사용되며, 상기 제1레이저(111) 및 상기 제2레이저(112)의 시간 지연 가변을 통해 대상물의 깊이 정보를 용이하고 신속하게 검출할 수 있다.
상기 트리거 신호 발생부(120)는 상기 상호상관기(Cross-Correlator, 121) 및 디지털 펄스 발생부(122)를 포함하여 이루어져, 상기 상호상관기(121)에 의해 발생된 상호 상관 신호를 기준으로 상기 디지털 펄스 발생부(122)에서 펄스를 발생시켜 트리거 신호를 출력한다. 각부에 대하여 설명하면 다음과 같다.
상기 상호상관기(121)는, 상기 제1레이저(111) 및 상기 제2레이저(112)로부터 출력되는 광펄스들 사이에 시간 지연이 0이 되는 순간에 상호 상관(cross correlation) 신호를 발생한다. 도시된 바와 같이 상기 상호상관기(121)는 상기 제1레이저(111) 및 상기 제2레이저(112)를 입사받는 렌즈와, 상기 렌즈의 초점 위치에 구비되는 비선형결정(NC, Nonlinear Crystal)과, 비선형결정으로부터 발생하는 광신호를 검출하는 광검출기(PD, Photo Detector)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 디지털 펄스 발생부(122)는 디지털 펄스를 발생시키는 역할을 하는데, 상기 상호상관기(121)와 연계하여 동작함으로써 결과적으로 트리거 신호를 출력하게 된다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)에서 발생되는 두 레이저의 광펄스들은 하나에 대하여 다른 하나가 시간 지연 값을 가지며, 이 시간 지연 값은 시간에 따라 주기적으로 가변된다. 상기 상호상관기(121)는 두 레이저의 광펄스들 사이의 시간 지연이 0이 되는 순간에 상호 상관 신호를 발생하고, 상기 디지털 펄스 발생부(122)는 이에 따라 트리거 신호를 발생시켜, 이하 설명될 각부의 동작 및 정보 산출의 시간 기준을 잡는다.
상기 THz 빔 탐지부(130)는 도시된 바와 같이 발진기(131), 검출기(132), 빔 스플리터(133), 디지타이저(134)를 포함하여 이루어지며, 여기에 증폭기(135), 비축 포물 거울(off-axis parabolic mirror)(136)들이 부가적으로 더 구비될 수 있다.
상기 발진기(131)는 상기 제1레이저(111)에 의하여 THz 빔을 방출하며, 상기 검출기(132)는 상기 제2레이저(112)에 의하여 THz 빔을 검출한다. THz 빔을 발진하는 방식은 광전도 방식, 광정류(optical rectification) 방식 등 여러 방식이 있으며, 또한 THz 빔을 검출하는 방식도 광전도 방식, 전광 샘플링(electro-optic sampling) 방식 등 여러 방식이 있다. 일반적으로 하나의 펨토초 펄스 레이저를 빔 스플리터로 나누어 그 중 하나는 THz 발진에 사용하고 나머지 하나는 THz 검출에 사용하도록 이루어지며, 둘 중 하나의 광경로 상에 시간 지연 장치를 구비하도록 이루어진다. 시간 지연을 변화시키면서 광 샘플링(optical sampling)에 의해 THz 빔의 전기장의 세기를 검출함으로써 THz 파형을 측정할 수 있다. 다만 기존의 시간 지연 장치는 위치의 이동에 의해 시간 지연을 변화시키도록 이루어져 있어 시간 지연의 변화가 느리고, 따라서 THz 파형의 측정이 느린 단점이 있다.
본 발명에서는 종래의 방식과는 달리 2개의 레이저를 가지도록 이루어지고 발진에 사용되는 상기 제1레이저(111)와 검출에 사용되는 상기 제2레이저(112) 사이에 시간 지연이 주기적으로 가변되도록 이루어지므로, THz 빔 발진 및 검출은 종래의 방식과 같지만 THz 파형을 훨씬 신속하게 측정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)에서는 시간 지연 값이 시간에 따라 주기적으로 가변되도록 이루어지는데, 즉 예를 들자면 시각 t1에서의 두 레이저 간 시간 지연 값이 Δt1이고, 시각 t2에서의 두 레이저 간 시간 지연 값이 Δt2이고, … 등과 같은 식으로 동작한다. 시간지연가변 레이저 발생부(110)의 보다 상세한 동작 원리에 대해서는 "High-speed terahertz time-domain spectroscopy based on electronically controlled optical sampling"(Youngchan Kim and Dae-Su Yee, OPTICS LETTERS / Vol. 35, No. 22 / November 15, 2010)에 잘 설명되어 있으므로 여기에서는 설명을 생략한다.
상기 빔 스플리터(133)는, 상기 발진기(131)에서 방출된 THz 빔의 진행 광경로 상에 배치되어, 상기 발진기(131)에서 방출된 THz 빔은 통과시키고 상기 대상물(500)로부터 반사되어 온 THz 빔을 반사시켜 상기 검출기(132)로 입사시키는 역할을 한다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 상기 발진기(131)에서 방출된 THz 빔은 하기에 설명될 THz 빔 스캐너(140)를 통해 대상물(500)로 조사되며, 대상물(500)로부터 반사된 빔이 상기 빔 스플리터(133)에 의해 상기 검출기(132)로 입사되도록 광경로가 바뀌게 되는 것이다.
상기 디지타이저(134)는, 상기 트리거 신호 발생부(120)에서 발생된 트리거 신호를 기준으로 상기 검출기(132)에서 검출된 THz 빔 반사 신호 및 하기 2차원 스캔 구동부(150)의 각도 조절 구동 신호를 디지털화하는 역할을 한다. 여기에서 THz 빔 반사 신호란, 반사된 THz 빔 자체가 아니라 반사된 THz 빔에 의해 상기 검출기(132)에서 발생되는 검출 신호를 의미한다.
더불어, 상기 검출기(132)에서 검출된 THz 빔 반사 신호가 상기 디지타이저(134)로 전달되는 과정에서 보다 원활하게 인식될 수 있도록, 상기 검출기(132) 및 상기 디지타이저(134) 간 신호 전달 경로 상에 증폭기(135)가 더 구비되어, 상기 검출기(132)에서 검출된 신호 즉 THz 빔 반사 신호를 증폭하여 상기 디지타이저(134)로 전달하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 THz 빔 탐지부(130)는 도시된 바와 같이 적어도 하나의 비축 포물 거울(off-axis parabolic mirror)(136)을 더 포함할 수 있다. 상기 비축 포물 거울(off-axis parabolic mirror)(136)은 기본적으로 THz 빔의 콜리메이션(collimation) 및 집속(focusing)에 사용된다. 보다 구체적으로는, 상기 발진기(131)에서 나오는 THz 빔 경로 상에 상기 비축 포물 거울(136)이 구비되어 THz 빔의 콜리메이션이 이루어지도록 하거나, 또는 상기 빔 스플리터(133)에서 반사되는 THz 빔 경로 상에 상기 비축 포물 거울(136)이 구비되어 THz 빔을 상기 검출기(132)에 집속시키도록 이루어질 수 있다.
상기 THz 빔 스캐너(140)는 도시된 바와 같이 갈바노미터 스캐너(141), 텔레센트릭 f-θ 렌즈(142)를 포함하여 이루어진다. 또한 상기 2차원 스캔 구동부(150)는 상기 갈바노미터 스캐너(141)의 각도 조절을 제어하는 역할을 한다. 참고적으로, 상기 THz 빔 스캐너(140) 및 이하 설명될 2차원 스캔 구동부(150)가 합쳐진 것이 도 2의 개략적 구성에서의 2차원 스캔부에 상응한다.
상기 갈바노미터 스캐너(141)는 상기 발진기(131)에서 방출된 THz 빔을 입사받아 THz 빔 방향 각도를 조절하며, 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈(142)는 상기 갈바노미터 스캐너(141)에 의해 각도가 조절된 THz 빔을 대상물(500)을 향해 조사하는 역할을 한다. 이 때 도 2의 간략 구성에서 각각 상응되는 장치들과 그 역할이 동일하므로 여기에서는 설명을 생략한다. 또한 도 2의 설명에서와 마찬가지로, 본 발명에서 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈(142)는 비축대칭 렌즈가 되도록 하는 것이 바람직하며, 그 이유에 대해서는 이후에 보다 상세히 설명한다.
상기 2차원 스캔 구동부(150)는, 상술한 바와 같이, 상기 디지털 펄스 발생부(122)에서 발생된 트리거 신호를 기준으로 상기 갈바노미터 스캐너(141)의 각도 조절을 제어하는 역할을 한다. 앞서 도 2의 간략 구성에서 설명한 바와 같이 갈바노미터 스캐너(141)의 각도가 조절됨으로써 THz 빔의 2차원 조사 위치가 변하는데, 이후 보다 상세히 설명하겠지만, 어느 하나의 2차원 위치에서 깊이 정보를 획득하는데 일정한 시간이 필요하게 된다. 즉 2차원 상의 어느 한 위치에 THz 빔이 일정 시간 동안 머물러 있다가, 2차원 상의 다른 한 위치로 THz 빔이 옮겨가서 또 그 위치에서 머무르는 과정이 반복되어야 한다. 이 때 이 THz 빔을 2차원 상의 어느 위치에 고정하거나 또는 다른 위치로 이동하는 시점이, 바로 상기 트리거 신호 발생부(120)에서 발생된 트리거 신호를 기준으로 결정된다.
상기 2차원 스캔 구동부(150)의 구성을 조금 더 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 상기 2차원 스캔 구동부(150)는 도시된 바와 같이, 상기 디지털 펄스 발생부(122)에서 발생된 트리거 신호를 기준으로 구동용 파형 신호를 발생시키는 파형신호발생부(151), 상기 파형신호발생부(151)로부터 전달받은 구동용 파형 신호를 사용하여 상기 갈바노미터 스캐너(141)를 회전시키는 적어도 하나 이상의 회전구동부(152a)(152b)를 포함하여 이루어질 수 있다. 2차원 스캔을 위해서 상기 2차원 스캔 구동부(150)는 상기 갈바노미터 스캐너(141) 내에 구비된 2개의 거울이 각각 회전하도록 구동한다. 즉 THz 빔은 갈바노미터 스캐너(141)의 2개의 거울에 순차적으로 반사되어 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈(142)에 입사되고, 2개의 거울의 각도에 의해 2차원 상의 위치가 결정되는데, 이 때 상기 2차원 스캔 구동부(150) 내의 2개의 회전구동부(152a)(152b)는, 상기 갈바노미터 스캐터(141) 내의 2개의 거울을 각각 회전시키게 된다. 보다 구체적으로는, 상기 2차원 스캔 구동부(150)는 상기 갈바노미터 스캐너(141)의 2개의 거울 중에 하나는 빠르게 회전하고 다른 하나는 느리게 회전하도록 구동하여 래스터 스캔(raster scan)을 수행할 수 있다.
상기 데이터처리부(160)는, 상기 디지타이저(134)로부터 디지털화된 상기 THz 빔 반사 신호 및 디지털화된 상기 각도 조절 구동 신호를 전달받아, 상기 THz 빔 반사 신호를 분석하여 상기 대상물(500) 형상의 깊이 정보를 산출하고, 각도 조절 구동 신호를 분석하여 상기 THz 빔 반사 신호가 발생된 상기 대상물(500) 상의 2차원 위치 정보를 산출하여, 상기 대상물(500)의 3차원 형상 정보를 산출하는 역할을 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)에서 두 레이저의 광펄스들 사이의 시간 지연이 0이 되는 순간에 상기 트리거 신호 발생부(120)에서 트리거 신호가 발생되고, 트리거 신호를 기준으로 상기 THz 빔 탐지부(130) 및 상기 2차원 스캔부가 작동하므로, 결과적으로 모든 구동부의 동작 기준이나 신호의 획득 기준이 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)의 시간 지연을 기준으로 맞추어지게 된다.
상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치는, 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)를 이용한 트리거 신호를 기준으로, 상기 2차원 스캔부를 이용하여 빠른 2차원 방향의 스캔(C-scan)이 가능하고, THz 빔 탐지부를 이용하여 빠른 깊이 방향의 스캔(A-scan)이 가능하여, 궁극적으로 고속의 3차원 스캔을 실현할 수 있게 된다.
한편 도 4에서, 상기 발진기(131), 상기 검출기(132), 상기 빔 스플리터(133), 상기 비축 포물 거울(off-axis parabolic mirror)(136)들, 상기 갈바노미터 스캐너(141), 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈(142)를 [HEAD]로 표시한 사각형으로 묶어 표시하고 있다. 이는 상기 나열한 부품들이 일체로 유닛화된 헤드(head)로 구성될 수 있음을 의미한다. 즉 실제 장치를 구성할 때 상기 나열한 부품들을 하나의 헤드로 구성함으로써, 장치의 소형화 및 실용화를 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 발진기(131) 및 상기 검출기(132)로서 광섬유 결합된 발진기 및 검출기가 사용됨으로써 상기 헤드가 이동가능하게(portable) 형성되도록 구성할 수 있다. 이 경우 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)의 제1레이저 및 제2레이저로서 광섬유 펨토초 레이저를 사용하면 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)와 이동가능하게 형성된 상기 헤드가 용이하게 광섬유로 연결될 수 있다.
■ 상기 탐지 장치에 채용되는 텔레센트릭 f-θ 렌즈의 설계 방법
상술한 바와 같이, 본 발명의 텔레센트릭 f-θ 렌즈가 채용되는 THz 빔 스캔을 이용한 고속 3차원 영상 탐지 장치에서는, 갈바노미터 스캐너를 이용하여 THz 빔의 방향을 전환하고, 방향이 전환된 THz 빔이 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 통해 대상물 상에 조사되도록 하되, 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈의 초점평면 상에 상기 대상물이 놓이도록 함으로써 2차원 스캔(C-scan)이 이루어지도록 한다. 즉 거꾸로 말해서, 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 통과한 THz 빔이 대상물 상에 잘 초점이 맞추어지도록 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 설계하여야 할 필요가 있다.
이와 같이 상기 탐지 장치의 스캐닝에 사용되는 텔레센트릭 f-θ 렌즈에 있어서 필요한 조건들은, 평평한 초점평면에서 초점 크기의 최소화, f-θ 조건, 텔레센트릭 정도(telecentricity), 광각에 따른 초점평면까지의 광경로 길이 차이(optical path length difference, OPLD)의 최소화이다.
먼저, 평평한 초점평면을 구성하고 초점 크기(spot size)를 최소화하여야 하는데, 일반적으로 널리 사용되는 단일 구면 렌즈를 사용하면 평평한 초점평면을 구성할 수 없다. 구면 렌즈의 경우 휘어진 정도는 페츠발(Petzval) 곡률 식을 따른다. 초점평면이 휘어져 있으면, 광각(빔과 렌즈의 광축이 이루는 각도, θ)이 커질수록 평평한 샘플 평면 상에서의 빔 크기가 커지게 되며, 평면 상 빔 크기가 커질수록 수평 분해능이 낮아진다. 일반적인 렌즈의 경우, 초점평면 상의 빔의 위치(y)는 광각의 탄젠트(tanθ) 값 및 초점 길이(f)의 곱으로 나타난다(y = f ㆍtan θ). 평평한 초점평면 상에서 빔의 위치를 빔 스티어링(beam steering, 즉 상술한 탐지 장치에서 갈바노미터 스캐너로 빔 방향 각도를 회전시키는 것)에 의해 스캔하는데 있어서 광각과 초점평면에서 빔의 위치가 선형적으로 비례하지 않기 때문에, 광각을 기준으로 C-스캔 영상을 표시할 수 없다. 그러나 이를 보정한 f-θ 렌즈는 초점평면 상의 빔의 위치가 광각에 선형적으로 비례하므로 광각을 기준으로 C-스캔 영상을 표시할 수 있다(y = fㆍθ).
또한, 대상물 표면에 수직 입사하고 입사 반대 방향으로 반사되는 빔을 측정해야 하기 때문에, 광각에 관계없이 초점평면에 입사되는 빔의 입사각이 0°가 되도록 해야 한다. 이런 조건에 얼마나 잘 부합하느냐의 정도가 바로 텔레센트릭 정도(telecentricity)이며, 이 텔레센트릭 정도(telecentricity)와 OPLD는 밀접한 관계가 있다. 완전한 텔레센트릭 정도를 만족하면 광각에 따른 OPLD가 0이 되지만, 광각에 따라 입사각이 커지면 OPLD도 증가한다. 위와 같은 조건들을 모두 만족시키는 렌즈가 바로 텔레센트릭 f-θ 렌즈이며, 앞서 설명한 THz 빔 스캔을 이용한 탐지 장치에서의 THz 빔 스캐너에 필요한 렌즈가 된다.
텔레센트릭 f-θ 렌즈로서 다중 렌즈를 사용할 경우, 렌즈의 성능은 향상될 수 있지만 렌즈에 의한 반사와 흡수에 의한 THz 빔의 감쇄가 크다. 다시 말해 THz 펄스의 출력이 낮아서 신호 대 잡음비가 작기 때문에, 다중 렌즈보다 단일 렌즈를 사용하는 것이 신호 대 잡음비 측면에서 유리하다. 단일 렌즈로 제작할 경우, 홀더 설계가 간단하고 정렬이 복잡하지 않고 신호 대 잡음비에서 유리하지만, 초점 크기, f-θ 특성, 텔레센트릭 정도(telecentricity), OPLD 등의 렌즈의 성능은 저하될 수 있다. 이 때 구면 렌즈 대신 비구면 렌즈로 보완이 가능하다.
즉 정리하자면, 상술한 바와 같은 스캐닝 렌즈로 사용될 렌즈는, 앞서 설명한 여러 요구조건을 만족하면서, 렌즈 투과 시에 렌즈에 의한 반사와 흡수로 인한 THz 빔의 감쇄를 최소화하기 위해서 다중 렌즈 대신에 단일 비구면 렌즈가 되어야 한다. 본 발명에서는 바로 이러한 여러 요소들을 고려하여, 앞서 설명한 THz 빔 스캔을 이용한 탐지 장치에 사용될 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 체계적으로 용이하게 설계하기 위한 방법을 제시하고자 한다.
구체적인 수단으로서, 본 발명에서는 광학설계 프로그램인 ZEMAX를 사용하여 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 설계하였다. 상기 광학설계 프로그램은 기하광학을 이용하여 갈바노미터 스캐너(galvanometer scanner), 스캐닝 렌즈, 초점평면으로 구성된 광학 시스템의 순차적 광선 추적(ray tracing) 시뮬레이션을 통해 렌즈를 설계할 수 있게 해 준다. 이 때 원하는 평가지표들과 만족되어야 하는 조건들의 합인 MF(merit function)를 설정하고 최적화 알고리즘을 통해 MF 값이 최소가 되도록 렌즈의 형태를 최적화한다. 이 때의 MF는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112015064426529-pat00018
(식 1)
상기 식 (1)에서 Wi는 평가지표 및 조건들의 가중치이고, Vi는 평가지표 및 조건들의 시뮬레이션 값이고, Ti는 평가지표 및 조건들의 목표값이다. Vi가 Ti에 가까워질수록 MF 값이 감소하고, 가중치가 높은 평가지표 및 조건에서 Vi가 Ti에 가까워질수록 MF 값의 감소폭이 증가한다. 최적화 알고리즘에서는 Vi가 Ti에 가까워지도록 렌즈의 형태를 변화시키면서 최적화된 렌즈를 찾는다. 이 때의 평가지표는 렌즈의 성능을 평가하는 항목으로서, 앞서 설명했던 바와 같이, 초점평면에서 초점 크기, f-θ 조건, 텔레센트릭 정도(telecentricity), OPLD를 포함한다. 만족되어야 하는 조건들은 렌즈가 필수적으로 만족해야 하는 조건들을 말한다.
도 5는 THz 빔 스캐너의 모식도로서, 좌측의 타원 영역이 광 시작점들이 위치하는 영역들로서 실제로는 갈바노미터 스캐너 위치가 되며, 가운데에 설계되어야 할 렌즈가 배치되고, 우측의 직선 부분이 (측면에서 본) 초점평면을 나타낸다. 이 때 렌즈의 형상을 구체적으로 설명하자면, 상기 광시작점 측을 전방, 상기 초점평면 측을 후방이라 할 때, 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈는, 도시된 바와 같이 전방으로 돌출되는 전면부의 외곽표면 모양, 후방으로 돌출되는 후면부의 외곽표면 모양, 렌즈의 두께 등이 설계되어야 한다.
렌즈 설계 과정에는 다음과 같은 다양한 입력변수들이 존재한다. 이들을 구체적으로 나열해 보자면 다음과 같다.
(1) front focal length (FFL): 상기 갈바노미터 스캐너 및 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈 전면 사이의 거리
(2) back focal length (BFL): 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈 후면 및 상기 초점평면 사이의 거리
(3) 갈바노미터 스캐너에 포함되는 두 거울 사이의 거리
(4) 초점평면에서의 스캐닝 면적
(5) 렌즈의 두께
(6) 에지(edge)의 두께
(7) 외곽표면 표현 수식의 고차항 개수 설정
(8) 고차항 계수들 설정
(9) 비구면 타입 설정
(10) 곡률 반경
(11) 코닉 계수
(12) 재료의 굴절률
(13) 사용되는 파장
(14) 광각
(15) 빔의 직경
상기 나열한 여러 입력변수들 중, (1)∼(4)는 렌즈 외의 구조적인 변수, (5)∼(11)은 렌즈의 구조적인 변수, (12)는 렌즈 재료의 변수, (13)∼(15)는 시스템 변수이다. 이러한 입력변수들은 미리 정해진 변수와 최적화 과정을 통해 최적화되어야 할 변수로 나누어지는데, 이 중 미리 정해진 변수는 렌즈 제작 시에 변화시킬 수 없거나 목표로 하는 값이 이미 결정된 변수로서 (3), (4), (7), (9), (12), (13), (14), (15)이다. 본 발명에서는 상기 나열한 입력변수들 중 조절가능한 변수들(이하 조절변수라 칭한다)을 조절하여 렌즈의 최적화 설계를 수행한다. 즉 본 발명의 렌즈 설계 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저 렌즈기본형설정단계에서, 도 5에 나타난 바와 같이 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈의 기본형이 설정된다. 상기 렌즈기본형설정단계에서는 상기 입력변수들 중 렌즈의 구조적인 변수들이 미리 결정되는데, 즉 상기 전면부 및 상기 후면부의 외곽표면 표현 수식의 고차항 개수를 미리 설정하거나(즉 입력변수 (7) 설정), 비구면 타입을 미리 설정하게 된다(즉 입력변수 (9) 설정). 이러한 설정은 제작하고자 하는 렌즈의 용도, 사양, 제작 가능 여부에 따라 미리 정할 수 있다.
다음으로 광시작점위치설정단계에서는 상기 광시작점의 위치가 설정되고, 다음으로 광조사및초점위치산출단계에서는 상기 광시작점으로부터 조사된 빔이 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 통과하여 결상되는 초점 위치가 산출된다. 이와 같이 초점 위치가 산출된 다음에는, 평가지표산출단계로서 하기의 수학식(앞서의 식 1과 동일한 식)을 사용하여 평가지표(MF) 값을 산출한다.
Figure 112015064426529-pat00019
이 때 상기 조절변수들, 즉 FFL, BFL, 상기 렌즈의 두께, 에지의 두께, 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈 외곽표면 표현 수식의 고차항 계수, 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈의 곡률 반경, 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈의 코닉 계수 중 선택되는 적어도 하나의 조절변수를 변화시켜 가면서, 상기 광시작점위치설정단계, 상기 광조사및초점위치산출단계, 상기 평가지표산출단계를 반복적으로 수행하여, 산출된 상기 평가지표가 최소화되게 하는 각 조절변수의 최적화 값을 산출하는 렌즈최적화단계를 수행한다. 상기 렌즈최적화단계를 수행하여 각 조절변수의 최적화 값이 산출되면, 앞서 설명한 15개의 입력변수들이 모두 결정되는 것이며, 이로써 원하는 조건에 따른 텔레센트릭 f-θ 렌즈의 설계가 완료되게 된다.
이하에서는 상술한 바와 같은 본 발명의 렌즈 설계 방법을 통해 실제로 렌즈를 설계하는 과정 및 그 성능을 평가한 실시예들을 설명한다.
■ 실시예 1 : 축대칭 렌즈
미리 결정되는 입력변수들 중 (3)은 갈바노미터 스캐너에 의해 결정되며 본 실시예에서는 34.544 mm로 하였다. (4)는 앞서 설명한 THz 빔 스캔을 이용한 고속 3차원 영상 탐지 장치가 목표로 하는 값이며, 본 실시예에서는 100 mm × 100 mm로 설정하였다. (7)과 (9)는 앞서 설명한 바와 같이 제작하고자 하는 렌즈의 용도, 사양, 제작 가능 여부에 따라 렌즈기본형설정단계에서 미리 정한다. (12)는 재료의 실제 굴절률을 적용해야 하며, 이 역시 제작하고자 하는 렌즈의 재료로서 원하는 것을 선택하여 그에 따라 적용하면 되며, 본 실시예에서는 PTFE(폴리테트라풀루오로에칠렌, Polytetrafluoroethylene)로 하였다. (13)은 1 THz에 해당하는 0.3 mm로 설정하였으며, 참고적으로 PTFE는 0∼3 THz 주파수 영역에서 분산 효과가 매우 작다. (14)는 갈바노미터 스캐너의 사양에 따라 결정되는 것인데, 본 실시예에서는 광각이 -20°∼+20°에서 변할 때 -50∼+50 mm 영역을 스캔하도록 설정하였다. (15)는 갈바노미터 스캐너 거울의 아퍼춰(aperture)에 의해 결정되는 것으로, 본 실시예에서는 빔의 직경을 25 mm로 설정하였다. 참고적으로 빔의 직경이 커질수록 초점 크기가 줄어든다.
이러한 조건에서, f-θ 조건을 만족하면서 X축, Y축 스캔 영역을 같게 하면, 렌즈의 X축, Y축 초점길이가 같아서 수차를 최소화하여 초점평면에서 초점크기를 최소화할 수 있다. 동시에 텔레센트릭 정도(telecentricity)를 만족하기 위해서는 갈바노미터 스캐너의 거울들이 렌즈의 초점에 위치해야 한다. 그러나 X축, Y축 거울들이 공간적으로 떨어져 있으므로 두 거울이 모두 초점에 위치할 수는 없으므로, f-θ 조건, 초점평면에서 초점크기 최소화, X축 Y축으로 완전한 텔레센트릭 정도를 모두 만족하는 렌즈를 설계하는 것은 불가능하다. 즉 축대칭인 렌즈는 텔레센트릭 정도를 만족시키는데 불리하므로 광각에 따른 초점평면까지 OPLD의 최소화에 불리하다는 약점이 있으나, 상술한 바와 같이 X축, Y축으로 초점길이가 같아서 초점평면에서 초점크기를 최소화하는데 유리한 장점 또한 있다.
도 6은 본 발명의 설계 방법에 의하여 최적화된 축대칭 렌즈의 측면도를 보여준다. 도 6에서 아랫면이 전면부, 윗면이 후면부이다. 설계된 축대칭 렌즈의 중심 두께는 62.374 mm이고 직경은 167.846 mm이고 초점길이는 143.239 mm이다. 광선 추적을 통해서 최적화된 렌즈의 평가지표를 계산할 수 있는데, 광선 추적은 빔이 갈바노미터 스캐너 첫 번째 거울에서 출발하여 두 번째 거울에서 반사되고, 렌즈에 의해 굴절이 되어 초점평면에 이르는 광선을 추적하되, 거울에서 출발하는 빔의 광각에 따라 광선을 추적하도록 이루어진다.
도 7은 도 6의 축대칭 렌즈의 초점평면에서의 초점크기를 보여준다. 빔의 광각이 커질수록 빔이 분산되어 초점 크기가 커지는데, 따라서 도 6의 축대칭 렌즈를 채용하여 THz 빔 스캔 방식으로 3차원 영상을 측정하면 광각이 커질수록 영상의 수평 분해능이 안 좋아질 것으로 예상할 수 있다. 그러나 도 7에서 가장 큰 초점크기가 0.7 mm이고, 회절 한계에 의한 빔의 최소 초점크기에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다.
도 8은 도 6의 축대칭 렌즈의 f-θ 특성을 보여준다. f-θ 특성은 이상적으로는 초점평면에서 빔의 위치가 X축, Y축 방향으로 빔의 광각과 렌즈의 초점길이의 곱과 같아야 한다. 본 실시예에서, 광각에 따라 빔의 주광선(chief ray)의 초점평면 상의 위치를 확인하여 f-θ 위치로부터 이탈의 정도를 평가한 결과가 도 8로서, 도 8(a)는 광각에 따른 주광선의 f-θ 위치(파란 점)와 설계된 렌즈에 의한 주광선의 위치(빨간색 '+')로서 광각에 따른 f-θ 위치로부터 이탈을 나타내고, 도 8(b)는 광각에 따른 주광선의 fθ 위치로부터 이탈 거리를 나타낸다(단위: mm). 도 8의 결과에 보이는 바와 같이, 이탈은 X축, Y축 광각과 함께 증가하였으며, 모두 20°일 때 빔이 f-θ 위치로부터 1.616 mm 이탈되었다.
도 9는 도 6의 축대칭 렌즈의 텔레센트릭 정도(telecentricity)를 나타내는 것으로, 즉 빔의 광각에 따른 초점평면에서 빔의 입사각, 다시 말해 초점평면에서 광축과 빔이 이루는 각도를 나타낸다. 도 8에 나타나는 f-θ 위치로부터의 이탈과 마찬가지로, X축, Y축 광각과 함께 입사각이 증가하고, 모두 20°일 때 3.28°로 가장 크다. 입사각이 커질수록 반사되는 THz 빔이 광축을 벗어나므로 신호의 세기가 작아진다.
도 10은 도 6의 축대칭 렌즈의 광각에 따른 OPLD를 보여준다. OPLD는 텔레센트릭 정도와 밀접한 관계가 있어서, 텔레센트릭 정도가 좋으면 OPLD가 작고 텔레센트릭 정도가 좋지 않으면 OPLD가 크다. OPLD가 클수록 광각에 따라 초점평면에서 반사되는 THz 펄스의 시간상의 위치의 변화가 크므로 영상화할 수 있는 최대 깊이가 감소한다. 본 실시예에서의 최대 OPLD는 2.077 mm이다.
■ 실시예 2 : 비축대칭 렌즈
상술한 바와 같이 축대칭인 렌즈는, 초점평면에서 초점크기를 최소화하는데 유리한 반면, 텔레센트릭 정도를 만족시키는데 불리하므로 광각에 따른 초점평면까지 OPLD의 최소화에 불리하다는 약점이 있다. 이 때 렌즈를 X축, Y축으로 거울대칭인 비축대칭으로 설계할 경우, X축, Y축으로 초점길이가 다를 수 있으므로 초점평면에서 초점크기의 최소화와 텔레센트릭 정도가 적절히 만족되도록 설계될 수 있다.
도 11은 본 발명의 설계 방법에 의하여 최적화된 비축대칭 렌즈의 설계도로서, 본 실시예에서 비축대칭 렌즈의 중심두께는 63.021 mm이고 직경은 174.322 mm이고 초점길이는 146.853 mm이다. X축, Y축으로 빔의 최대 광각 20°일 때 초점평면에서의 초점크기가 약 2.0 mm로 가장 크고, 예상대로 축대칭렌즈에 비해 초점크기가 크지만 회절 한계에 의한 빔의 최소 초점크기보다 작게 나타난다.
도 12는 도 11의 비축대칭 렌즈의 f-θ 특성을 보여준다. 본 실시예에서 f-θ 위치로부터 최대 이탈 거리는 0.776 mm이었으며, 도 8로 나타나는 축대칭 렌즈의 f-θ 위치로부터 최대 이탈 거리보다 매우 작으므로 f-θ 특성이 더 좋은 것을 알 수 있다.
도 13은 도 11의 비축대칭 렌즈의 텔레센트릭 정도를 보여주는 것으로, 즉 빔의 광각에 따른 초점평면에서 빔의 입사각을 보여준다. 본 실시예에서 X축, Y축 광각과 함께 입사각이 증가하고 모두 20°일 때 1.94°로 가장 크게 나타난다. 이러한 결과로부터, 예상대로 축대칭 렌즈에 비해 빔의 최대 입사각이 작으므로 텔레센트릭 정도가 더 좋음을 알 수 있다.
도 14는 도 11의 비축대칭 렌즈의 광각에 따른 OPLD를 보여주는 것으로, 본 실시예에서는 최대 OPLD는 0.513 mm로서 텔레센트릭 정도 결과 비교로부터 예상되는 것처럼 축대칭 렌즈에 비해 OPLD가 훨씬 작음을 알 수 있다.
즉, 축대칭렌즈와 비축대칭 렌즈를 비교할 때, 초점크기는 거의 차이가 없는 반면에 f-θ 특성, 텔레센트릭 정도, OPLD는 더 좋은 특성을 보여주므로, 훨씬 더 좋은 영상을 얻을 수 있을 것을 기대할 수 있다.
■ 실시예 3 : 3차원 영상 측정
도 15는 본 발명의 장치에 의해 탐지된 실제 대상물의 3차원 영상 예시를 도시하고 있다. 도 15(a)는 대상물로 사용된 GFRP(glass fiber reinforced polymer, 즉 폴리머로 보강된 유리 섬유 재질) 샘플의 설계도로서, 도 15(a)에서 파란색 표시 부분은 GFRP 샘플에 포함된 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 부분을 나타내고, 빨간색 및 초록색 표시 부분은 층이 박리된 부분을 나타낸다. 즉 도 15(a)의 설계에 따라 인위적으로 내부에 다른 물질이나 박리층이 존재하는 샘플을 제작하여, 도 4와 같은 장치로 정확한 3차원 영상을 얻을 수 있는지를 실험하였다. 보다 구체적으로는, 상기 GFRP 샘플의 가로, 세로, 깊이는 각각 100mm, 100mm, 3mm이며, 파란색 표시 위치 및 1.5mm 깊이 위치에 0.025mm 두께를 가지는 PTFE가 존재하게 하고, 빨간색 및 초록색 표시 위치 및 각각 1mm, 2mm 깊이 위치에 0.2mm 두께의 박리층이 존재하도록 제작하였다. 또한 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)에서 제1레이저(111) 및 제2레이저(112)의 펄스 반복률을 100 MHz로 동기화하면서, 시간지연이 약 60 ps의 범위에서 1 kHz로 주기적으로 가변되도록 하였다. 이때, 725개로 구성되는 깊이 방향 정보(A-scan data)가 1 kHz의 속도로 반복해서 획득될 수 있다. 즉, 2차원 상의 1,000개의 위치의 깊이 방향 정보들이 1초에 획득될 수 있다. 2차원 상에서 가로 200개 * 세로 200개의 위치를 측정하였고, 이러한 측정에 걸린 시간은 40초이다. 또한, 2차원 상에서 가로 100개 * 세로 100개의 위치를 측정하는데 걸리는 시간은 10초이다.
도 15(b), (d)는 축대칭 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 사용하여 얻은 결과를, 도 15(c), (e)는 비축대칭 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 사용하여 얻은 결과를 각각 나타낸다. 도 15(b), (c)는 2차원(C-scan) 영상이며, 도 15(d), (e)는 깊이 방향 정보를 사용하여 재구성한 3차원 영상이다. 도시된 바와 같이 미리 알고 있는 샘플 정보에 해당하는 위치에 이물질이 존재함을 확인할 수 있는 3차원 탐지 영상을 얻을 수 있었으며, 특히 상술한 바와 같이 이러한 3차원 탐지 영상을 얻기 위한 측정 시간이 40초밖에 걸리지 않았다. 즉 본 발명의 장치를 통해 THz 빔 스캔을 이용한 고속 3차원 영상 탐지를 실현할 수 있었음이 도 15 등으로 나타나는 실험 결과로 확인된다.
앞서의 실시예 1(축대칭 렌즈) 및 실시예 2(비축대칭 렌즈)의 설계 특성으로부터 예상할 수 있는 것처럼, 비축대칭 렌즈를 사용하였을 때 더욱 고품질의 영상을 얻을 수 있음이 도 15의 실험 결과에서 확인된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
110: 시간지연가변 레이저 발생부
111: 제1레이저 112: 제2레이저
120: 트리거 신호 발생부
121: 상호상관기 122: 디지털 펄스 발생부
130: THz 빔 탐지부
131: 발진기 132: 검출기
133: 빔 스플리터 134: 디지타이저
135: 증폭기 136: 파라볼릭 미러
140: THz 빔 스캐너
141: 갈바노미터 스캐너 142: 텔레센트릭 f-θ 렌즈
150: 2차원 스캔 구동부
151: 파형신호발생부 152a, b: 회전구동부
160: 데이터처리부
500: 대상물

Claims (7)

  1. 대상물 상에 THz 빔을 조사하여 반사되어 온 반사 신호를 검출하는 THz 빔 탐지부;
    THz 빔 방향 각도를 조절하는 갈바노미터 스캐너 및 상기 갈바노미터 스캐너에 의해 각도가 조절된 THz 빔을 대상물을 향해 조사하는 텔레센트릭 f-θ 렌즈를 포함하여 이루어져, THz 빔이 상기 대상물 상에 조사되는 2차원 위치를 조절하는 2차원 스캔부;
    를 포함하여 이루어져,
    상기 2차원 스캔부에 의하여 THz 빔이 상기 대상물 상에 조사되는 임의의 2차원 위치가 측정점으로 결정되면, 상기 THz 빔 탐지부에서 검출된 반사 신호를 이용하여 상기 측정점에서의 상기 대상물 형상의 깊이 정보를 TOF(Time-Of-Flight) 방식으로 산출하고, 상기 2차원 스캔부의 각도 조절 구동 신호를 이용하여 상기 측정점의 2차원 위치 정보를 산출하여, 상기 측정점에서의 2차원 위치 정보 및 깊이 정보를 획득하되,
    복수 개의 상기 측정점이 상기 대상물의 2차원 방향 전체에 걸쳐 분포되어, 각각의 상기 측정점에서 획득된 2차원 위치 정보 및 깊이 정보를 취합하여, 상기 대상물의 3차원 형상 정보를 산출하며,
    상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈는 비축대칭 렌즈인 것을 특징으로 하는 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치.
  2. 동일한 펄스 반복률(pulse repetition rate)을 가지되 발생되는 펄스 간에 시간 지연(time delay)을 가지도록 형성되는 제1레이저(111) 및 제2레이저(112)를 포함하여 이루어지며, 상기 제1레이저(111) 및 상기 제2레이저(112) 간 시간 지연이 주기적으로 가변되도록 형성되는 시간지연가변 레이저 발생부(110);
    상호 상관(cross correlation)을 이용하여 상기 제1레이저(111) 및 상기 제2레이저(112)로부터 출력되는 광펄스들 사이에 시간 지연이 0이 되는 순간에 상호 상관 신호를 발생시키는 상호상관기(121) 및 디지털 펄스를 발생시키는 디지털 펄스 발생부(122)를 포함하여 이루어져, 상기 상호상관기(121)에 의해 발생된 상호 상관 신호를 기준으로 상기 디지털 펄스 발생부(122)에서 펄스를 발생시켜 트리거 신호를 출력하는 트리거 신호 발생부(120);
    상기 제1레이저(111)에 의하여 THz 빔을 방출하는 발진기(131), 상기 제2레이저(112)에 의하여 THz 빔을 검출하는 검출기(132), 상기 발진기(131)에서 방출된 THz 빔의 진행 광경로 상에 배치되어, 상기 발진기(131)에서 방출된 THz 빔은 통과시키고 대상물(500)로부터 반사되어 온 THz 빔을 반사시켜 상기 검출기(132)로 입사시키는 빔 스플리터(133), 상기 트리거 신호 발생부(120)에서 발생된 트리거 신호를 기준으로 상기 검출기(132)에서 검출된 THz 빔 반사 신호 및 하기 2차원 스캔 구동부(150)의 각도 조절 구동 신호를 디지털화하는 디지타이저(134)를 포함하여 이루어지는 THz 빔 탐지부(130);
    상기 발진기(131)에서 방출된 THz 빔을 입사받아 THz 빔 방향 각도를 조절하는 갈바노미터 스캐너(141), 상기 갈바노미터 스캐너(141)에 의해 각도가 조절된 THz 빔을 대상물(500)을 향해 조사하는 텔레센트릭 f-θ 렌즈(142)를 포함하여 이루어지는 THz 빔 스캐너(140);
    상기 디지털 펄스 발생부(122)에서 발생된 트리거 신호를 기준으로 상기 갈바노미터 스캐너(141)의 각도 조절을 제어하는 2차원 스캔 구동부(150);
    상기 디지타이저(134)로부터 디지털화된 상기 THz 빔 반사 신호 및 디지털화된 상기 각도 조절 구동 신호를 전달받아, 상기 THz 빔 반사 신호를 분석하여 상기 대상물(500) 형상의 깊이 정보를 산출하고, 각도 조절 구동 신호를 분석하여 상기 THz 빔 반사 신호가 발생된 상기 대상물(500) 상의 2차원 위치 정보를 산출하여, 상기 대상물(500)의 3차원 형상 정보를 산출하는 데이터처리부(160);
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈(142)는 비축대칭 렌즈인 것을 특징으로 하는 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 2차원 스캔 구동부(150)는
    상기 디지털 펄스 발생부(122)에서 발생된 트리거 신호를 기준으로 구동용 파형 신호를 발생시키는 파형신호발생부(151),
    상기 파형신호발생부(151)로부터 전달받은 구동용 파형 신호를 사용하여 상기 갈바노미터 스캐너(141)를 회전시키는 적어도 하나 이상의 회전구동부(152a)(152b)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 THz 빔 탐지부(130)는
    상기 검출기(132) 및 상기 디지타이저(134) 간 신호 전달 경로 상에 구비되어, 상기 검출기(132)에서 검출된 신호를 증폭하여 상기 디지타이저(134)로 전달하는 증폭기(135)를 구비하는 것을 특징으로 하는 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 THz 빔 탐지부(130)는
    상기 발진기(131)에서 나오는 THz 빔의 콜리메이션(collimation)에 사용되거나 또는 상기 빔 스플리터(133)에서 반사되는 THz 빔을 상기 검출기(132)에 집속(focusing)하는데 사용되는 적어도 하나의 비축 포물 거울(off-axis parabolic mirror)(136)을 구비하는 것을 특징으로 하는 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 발진기(131), 상기 검출기(132), 상기 빔 스플리터(133), 상기 비축 포물 거울(off-axis parabolic mirror)(136)들, 상기 갈바노미터 스캐너(141), 상기 텔레센트릭 f-θ 렌즈(142)가 일체로 유닛화된 헤드(head)로 구성되고,
    상기 발진기(131) 및 상기 검출기(132)로서 광섬유 결합된 발진기 및 검출기가 사용됨으로써 상기 헤드가 이동가능하게(portable) 형성되는 것을 특징으로 하는 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 시간지연가변 레이저 발생부(110)의 제1레이저 및 제2레이저로서 광섬유 펨토초 레이저가 사용됨으로써, 상기 시간지연가변 레이저 발생부(110) 및 상기 헤드가 광섬유로 연결되는 것을 특징으로 하는 비축대칭 렌즈를 포함하는 THz 빔 스캔 고속 3차원 영상 탐지 장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190120756A1 (en) * 2017-10-25 2019-04-25 Electronics And Telecommunications Research Institute Terahertz reflection imaging system using rotating polyhedral mirror and telecentric f-theta lens
KR20190109012A (ko) * 2018-03-16 2019-09-25 한국전자통신연구원 테라헤르츠파를 이용한 영상 획득 장치

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107462547B (zh) * 2017-08-15 2020-05-26 上海拓领光电科技有限公司 迷你型太赫兹时域光谱测试系统
KR102274622B1 (ko) * 2018-11-28 2021-07-08 한양대학교 산학협력단 기판 검사 장치 및 기판 검사 방법
CN114324345B (zh) * 2021-11-01 2024-01-12 清华大学深圳国际研究生院 一种材料成像方法、装置、终端设备及存储介质
CN115561201B (zh) * 2022-10-10 2023-07-07 安徽工程大学 一种热障涂层结构完整性太赫兹评价装置及其使用方法
CN116577803B (zh) * 2023-05-12 2024-04-05 山西大学 一种单光子量级的振动及三维成像复合系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002031516A (ja) * 2000-07-18 2002-01-31 Asahi Optical Co Ltd ３次元画像入力装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050024303A (ko) 2002-05-31 2005-03-10 뉴저지 인스티튜트 오브 테크놀로지 테라헤르츠 이미징 시스템 및 방법
KR101365261B1 (ko) * 2011-12-29 2014-02-25 한국식품연구원 테라파를 이용한 물체 검사 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002031516A (ja) * 2000-07-18 2002-01-31 Asahi Optical Co Ltd ３次元画像入力装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190120756A1 (en) * 2017-10-25 2019-04-25 Electronics And Telecommunications Research Institute Terahertz reflection imaging system using rotating polyhedral mirror and telecentric f-theta lens
KR20190109012A (ko) * 2018-03-16 2019-09-25 한국전자통신연구원 테라헤르츠파를 이용한 영상 획득 장치
KR102220889B1 (ko) 2018-03-16 2021-03-02 한국전자통신연구원 테라헤르츠파를 이용한 영상 획득 장치

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