KR20130001969A - 테라헤르츠파를 이용한 샘플의 분석 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 테라헤르츠파를 이용한 샘플 분석 방법 및 장치에 관한 것이다. 이와 관련한 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 분석 방법은, 테라헤르츠파를 생성하는 단계, 송신 안테나가 테라헤르츠파를 이용하여 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파를 동시에 방사하는 단계, 수신 안테나가 샘플을 투과한 2 이상의 전자기파를 수신하는 단계, 수신된 2 이상의 전자기파를 처리하여 샘플의 분석 영상을 획득하는 단계를 포함한다. 이러한 본 발명에 의하면 하나의 안테나가 서로 다른 방사각을 갖는 테라헤르츠파를 동시에 방사함으로써, 샘플의 분석 영상 획득에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.
Description
본 발명은 샘플의 분석 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 테라헤르츠파를 이용한 샘플의 분석 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 들어 테라헤르츠(Terahertz;THz)파의 응용에 대한 활발한 연구가 이루어지고 있다. 테라헤르츠파는 0.1THz에서 100THz 주파수 대역의 전자기파로, 이 대역은 테라헤르츠 갭(Terahertz Gap)이라고도 불린다.
테라헤르츠파는 전파와 광파의 중간적 성질을 가짐으로써 기존의 초음파나 마이크로파와 같은 전파적 이미징이 가능할 뿐 아니라, 광학적 특성을 이용한 이미징도 가능하다는 장점이 있다. 또한 가시광선이나 적외선보다 파장이 길기 때문에 투과력이 강하고, 에너지가 낮아 X선, 레이저 광보다 안전하다. 따라서 다양한 물질의 분광 분석, 영상(imaging)기술을 조합한 의료진단, 비파괴/비접촉식 품질 관리 기술 분야, 바이오 메트릭스 등에서 테라헤르츠파의 특성을 응용한 기술이 다양하게 연구되고 있다.
테라헤르츠파를 이용한 영상 측정 시스템은 넓은 영역의 스펙트럼 정보와 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 가져 이미지의 선명도가 높다. 그러나 대부분의 테라헤르츠 발생 장치는 출력이 약하기 때문에, 에너지를 한 곳에 집중하여 출력 밀도를 높인 뒤 피사체에 주사(scanning)해야 하며, 그 결과 테라헤르츠파를 이용한 샘플의 영상 측정은 오랜 시간이 소요된다는 단점을 갖는다.
도 1은 종래의 샘플 분석 장치의 구성도이다. 도 1에 나타난 바와 같이 신호발생부(100)가 테라헤르츠파를 생성하면 혼 안테나(120)는 임의의 방사각을 갖는 테라헤르츠파를 방사한다. 샘플의 전면에는 렌즈(140)를 배치하여 평행한 단위 크기의 테라헤르츠파가 샘플을 투과하도록 하며, 샘플을 투과한 테라헤르츠파를 집속시키기 위해 샘플의 후면에 다시 렌즈(160)를 배치한다. 렌즈를 통해 집속된 테라헤르츠파는 혼 안테나(180)를 통해 수신되며, 신호처리부(200)는 수신된 테라헤르츠파를 분석하여 샘플의 분석 영상을 생성한다.
도 2는 샘플을 스캐닝하는 종래의 방식을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 테라헤르츠파 빔의 단위 크기를 1, 샘플의 크기를 M X N이라고 가정했을 때, 첫 번째 행에서 측정하는 픽셀의 개수는 M개이다. 샘플 분석 장치는 왼쪽 위 1 X 1 픽셀을 시작으로, 샘플을 좌우로 이동시키면서 픽셀 별로 분석 영상을 측정한다. 첫 번째 행에서 M개의 픽셀의 분석 영상을 획득한 후에는 샘플을 위로 이동시켜 두 번째 행을 구성하는 픽셀의 분석 영상을 측정한다. 따라서, 한 픽셀의 분석 영상을 획득하는데 소요되는 시간을 1초라고 가정하면, 한 행의 분석 영상을 획득하는데 소요되는 시간은 M초이며, 전체 샘플의 분석 영상을 획득하는데 소요되는 시간은 M X N초가 된다. 이와 같이, 종래 방식을 사용하는 경우 샘플의 분석 영상을 획득하는데 소요되는 시간은 샘플 크기에 비례하므로, 대 면적의 2차원 분석 영상을 구성하기 위해서는 오랜 시간이 필요하다.
이러한 측정 속도의 한계성을 극복하기 위해 다양한 광지연기가 개발되어 왔으며, 2D array 형태의 광전도 안테나 검출기 등을 이용한 방법이 개발되었으나 여전히 낮은 공간 분해능과 복잡한 시스템 구조 등의 문제를 가지고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하나의 안테나가 서로 다른 방사각을 갖는 테라헤르츠파를 동시에 방사함으로써, 샘플의 분석 영상 획득에 소요되는 시간을 단축하는 것을 일 목적으로 한다.
또한 본 발명은 한 쌍의 송수신 장치만을 사용하여 동시에 여러 방사각으로 테라헤르츠파를 방사할 수 있는 방법 및 장치를 제공함으로써, 고속의 분석 영상 획득에 요구되는 비용을 절감하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
위 목적을 달성하기 위한 본 발명은 테라헤르츠파를 이용한 샘플의 분석 방법에 있어서, 테라헤르츠파를 생성하는 단계, 송신 안테나가 테라헤르츠파를 이용하여 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파를 동시에 방사하는 단계, 수신 안테나가 샘플을 투과한 2 이상의 전자기파를 수신하는 단계, 수신된 2 이상의 전자기파를 처리하여 샘플의 분석 영상을 획득하는 단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
또한 본 발명은 테라헤르츠파를 이용한 샘플의 분석 장치에 있어서, 테라헤르츠파를 생성하는 신호 생성부, 테라헤르츠파를 이용하여 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파를 동시에 방사하는 송신 안테나, 샘플을 투과한 2 이상의 전자기파를 수신하는 수신 안테나, 수신된 2 이상의 전자기파를 처리하여 샘플의 분석 영상을 획득하는 신호 처리부를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 하나의 안테나가 서로 다른 방사각을 갖는 테라헤르츠파를 동시에 방사함으로써 샘플의 분석 영상 획득에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.
또한 본 발명은 한 쌍의 송수신 장치만을 사용하여 동시에 여러 방사각으로 테라헤르츠파를 방사할 수 있는 방법 및 장치를 제공함으로써, 고속의 분석 영상 획득에 필요한 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 샘플 분석 장치의 구성도,
도 2는 샘플을 스캐닝 하는 종래의 방법을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 분석 장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 생성부의 구성 요소들을 보다 상세하게 나타낸 블록도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 처리부의 구성 요소들을 보다 상세하게 나타낸 블록도,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 샘플을 스캐닝 하는 방법을 도시한 도면,
도 7는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설파 안테나의 특징을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설파 안테나를 구성하는 메타 물질 단위 격자의 등가 회로를 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설파 안테나 전송 선로의 등가 회로를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 영상 분석에 소요되는 시간을 종래 기술과 비교하기 위한 그래프,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 분석 방법의 전체 흐름을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 샘플을 스캐닝 하는 종래의 방법을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 분석 장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 생성부의 구성 요소들을 보다 상세하게 나타낸 블록도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 처리부의 구성 요소들을 보다 상세하게 나타낸 블록도,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 샘플을 스캐닝 하는 방법을 도시한 도면,
도 7는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설파 안테나의 특징을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설파 안테나를 구성하는 메타 물질 단위 격자의 등가 회로를 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설파 안테나 전송 선로의 등가 회로를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 영상 분석에 소요되는 시간을 종래 기술과 비교하기 위한 그래프,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 분석 방법의 전체 흐름을 설명하기 위한 순서도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술 되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 분석 장치의 구성도이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 테라헤르츠파를 이용한 샘플의 분석장치는 테라헤르츠파를 생성하는 신호 생성부(300), 테라헤르츠파를 이용하여 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파를 동시에 방사하는 송신 안테나(320), 샘플을 투과한 2 이상의 전자기파를 수신하는 수신 안테나(380), 수신된 2 이상의 전자기파를 처리하여 샘플의 분석 영상을 획득하는 신호 처리부(400)를 포함하며, 필요에 따라 샘플의 전면 또는 후면에 렌즈(340, 360)를 포함하기도 한다.
먼저 신호 생성부(300)가 테라헤르츠 대역의 전자기파를 생성하면, 송신 안테나(320)는 테라헤르츠 대역의 전자기파 중에서 서로 다른 주파수를 갖는 2 이상의 전자기파를 선택하여 동시에 방사한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 주파수 값에 따라 방사각이 달라지는 안테나를 사용하는 것이 바람직하므로, 2 이상의 서로 다른 주파수를 갖는 전자기파를 동시에 방사할 때, 2 이상의 전자기파는 서로 다른 방사각을 가질 수 있다. 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파는 전자파 왼손 법칙 영역에서의 후진파(Backward Wave;f_LH), 영차공진파(Zeroth-Order Resonanant Wave;f_ZOR), 전자파 오른손 법칙 영역에서의 전진파(Forward Wave;f_RH)중 하나일 수 있다. 즉, 송신 안테나에서 전자기파를 방사 할 때는 왼손 법칙 영역, 영차 공진 영역, 오른손 법칙 영역으로 전자기파가 방사될 수 있도록 주파수 값을 선택할 수 있다.
본 발명에서는 여러 종류의 안테나가 사용될 수 있으나, 주파수에 따라 방향이 변하여 넓은 지역을 포괄할 수 있는 안테나의 일 실시 예로 복합좌우현(Composite Right-Left Handed;CRLH) 메타 물질로 구성된 누설파 안테나가 사용될 수 있다. 안테나의 방사 영역 및 복합봐우현 메타 물질로 구성된 누설파 안테나에 대해서는 도 7 내지 도 9을 통해 자세히 후술하기로 한다.
송신안테나(320)는 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파를 방사한다. 따라서, 단위 크기를 갖는 전자기파는 2 이상의 픽셀을 동시에 투과하며, 샘플을 이동시켜 픽셀 단위로 분석 영상을 측정하는 테라헤르츠파 샘플 분석 장치의 특성상, 샘플 분석에 소요되는 시간은 서로 다른 주파수를 갖는 전자기파의 개수에 반비례한다.
렌즈(340)는 송신 안테나(320)에서 동시에 방사되는 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파의 방사각을 보정하여 샘플에 2 이상의 전자기파가 모두 평행하게 입사될 수 있도록 한다. 여기서 렌즈(340)의 일 실시 예로 광학 렌즈가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
샘플을 투과한 2이상의 전자기파는 수신단의 렌즈(360)를 통과하여 수신 안테나(380)에 집속된다. 수신단의 렌즈(360)는 렌즈(360)로 평행하게 입사되는 2 이상의 전자기파의 입사각을 보정하여 복수 개의 전자기파를 안테나에 집속시킨다.
그리고 수신안테나(380)가 샘플을 투과한 2 이상의 전자기파를 수신하면, 신호처리부(400)는 수신된 2 이상의 전자기파를 처리하여 샘플의 분석 영상을 생성한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 생성부의 구성 요소들을 보다 상세하게 나타낸 블록도이다. 도 4를 참조하면, 신호 생성부(300)는 발진기(303) 및 체배기(305)를 포함한다. 그리고 발진기(303)와 체배기(305)에 전원을 공급하는 전원 공급기(301)를 더 포함할 수 있다.
발진기(303)는 기 설정된 주파수 대역의 초기 전자기파를 생성한다. 이 때, 기 설정된 주파수 대역은 마이크로파와 밀리미터파를 포함하는 무선 주파수 대역일 수 있다. 발진기(303)가 초기 전자기파를 생성하면, 발진기(303)에서 생성된 광대역 주파수를 갖는 전자기파는 체배기(Frequency Multiplier)(305)로 입력된다.
체배기(305)는 입력받은 초기 전자기파의 주파수를 정수 배 하여 테라헤르츠파를 생성한다. 그리고 생성된 테라헤르츠파는 위에서 설명한 바와 같이 송신 안테나(320)로 전달된다. 따라서, 송신 안테나(320)에서 방사하는 2 이상의 전자기파는 테라헤르츠 대역에 속하는 서로 다른 주파수를 갖는 전자기파이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 처리부의 구성 요소들을 보다 상세하게 나타낸 블록도이다. 도 5를 참조하면, 신호 처리부(400)는 역체배기(403), 신호 검출기(405), 신호 처리기(407), 영상 생성기(409)를 포함한다. 그리고 신호 처리부(400)에 포함되는 각 모듈에 전원을 공급하는 전원 공급기(401)를 더 포함할 수 있다.
먼저, 수신 안테나(380)를 통해 2 이상의 전자기파가 수신되면, 역체배기(403)는 수신된 테라헤르츠파를 기 설정된 주파수 대역의 전자기파로 변환한다. 이 때, 기 설정된 주파수 대역은 마이크로파와 밀리미터파를 포함하는 무선 주파수 대역일 수 있다.
신호 검출기(405)는 역체배기(403)에서 변환된 전자기파의 크기를 검출한다. 변환된 전자기파의 크기를 검출하기 위해서는 쇼트키다이오드와 같은 신호 검출소자가 이용될 수 있으며, 신호 검출기(405)는 포락선 검출 방법(envelope detection)등을 사용하여 주파수 성분을 제외하고 크기만 갖는 DC 전압을 검출한다.
신호 처리기(407)는 신호 검출기(405)에서 검출된 전자기파의 크기, 즉 DC 전압의 크기에 따라 픽셀 값을 결정한다. 신호 처리기(407)는 영상 제어를 위한 프로그램으로 구현되며, 예를 들어 높은 DC 전압은 밝은 값에, 낮은 DC 전압은 어두운 값에 대응시키는 방식으로 각 픽셀의 값을 결정할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 동시에 2 이상의 주파수를 갖는 전자기파가 샘플을 투과하므로, 2 이상의 픽셀 단위로 데이터가 처리될 수 있다.
영상 생성기(409)는 신호 처리기(407)에서 결정된 픽셀 값을 갖는 각 픽셀을 이용하여 샘플 전체의 분석 영상을 생성한다. 픽셀은 샘플을 투과하는 전자기파의 단위 크기이므로, 수집된 픽셀을 재구성하면 전체 샘플의 분석 영상을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 샘플을 스캐닝하는 방법을 도시한 도면이다. 도 6을 통해 설명되는 일 실시 예에서의 샘플 분석 장치는 왼손 법칙 영역, 영차 공진 영역, 오른손 법칙 영역으로 방사되는, 서로 다른 주파수를 갖는 전자기파 세 개를 사용한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 분석 장치가 샘플을 좌우로 이동시키면서 픽셀 별로 분석 영상을 측정하는 방식은 종래 기술과 유사하다. 그러나 종래 방식과 달리 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 분석 장치는 첫 번째 샘플의 분석 영상 측정 시, 동시에 세 개의 픽셀의 분석 영상을 측정한다.
따라서 종래 방식을 설명하기 위한 도 2의 샘플 크기 및 기타 조건이 동일하다고 가정했을 때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 분석 장치는 세 개의 픽셀 단위로 분석 영상을 획득하기 때문에 샘플 분석에 소요되는 시간이 종래 방식의 삼분의 일로 단축된다. 다시 말해서, 세 영역의 전자기파가 샘플에 동시에 투과되므로, 한 행의 분석 영상을 획득하는 데 소요되는 시간은 M초로 동일해도, 전체 샘플의 분석 영상을 획득하기 위해 각 전자기파가 투과해야 하는 행의 개수는 N/3으로 감소하며, 결과적으로 전체 샘플의 분석 영상을 획득하는 데 소요되는 시간은 M X N / 3 초가 되는 것이다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 샘플 분석 장치에서는 다양한 종류의 안테나가 사용될 수 있으나, 일 실시 예에 의하면 복합좌우현 메타물질로 구성된 누설파 안테나가 사용될 수 있다. 따라서, 이하에서는 도 7 내지 도 9를 참조하여 메타물질로 구성된 누설파 안테나에 대해 자세히 살펴보기로 한다.
도 7는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설파 안테나의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
누설파 안테나는 빔의 폭이 좁고 방향이 주파수에 따라 변하는, 넓은 지역을 포괄하는 마이크로파 안테나이다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면 이러한 안테나로 복합좌우현(Composite Right-Left Handed;CRLH) 메타물질로 구성된 누설파 안테나를 사용할 수 있다.
대부분의 물질은 전기장, 자기장, 포인팅 벡터에 관한 오른손 법칙을 따른다. 이러한 물질은 우현(Right Handed;RH)이며, 대부분의 자연 물질은 RH 물질이다. 메타물질은 자연에서는 일반적으로 발견되지 않는 물성을 갖는 인공적 구조물로서, RH 물질과는 다르게 메타물질은 유전율과 투자율이 동시에 음인 음의 굴절률을 나타낼 수 있으며, 벡터 장들의 상대적 방향은 왼손 법칙을 따른다. 음의 굴절률만을 나타내는 메타물질을 순 좌현(Left Handed;LH) 메타물질이라고 하며, 대부분의 메타물질은 LH 메타물질과 RH 메타물질의 혼합물로, 복합좌우현(CRLH) 메타물질이라고 한다.
복합좌우현 메타물질로 구성된 전송선로는 전자파 왼손 법칙 영역에서의 후진파(Backward Wave;f_LH), 영차공진파(Zeroth-Order Resonanant Wave;f_ZOR), 전자파 오른손 법칙 영역에서의 전진파(Forward Wave;f_RH)를 방사하는 누설파 안테나의 활용에 적합하다.
따라서, 도 7에 도시된 바와 같이 메타물질로 구성된 누설파 안테나의 source로 전자기파가 입력되면, 안테나는 영차공진영역(broadside), 왼손 법칙 영역(Bwd), 오른손 법칙 영역(Fwd)의 방향으로 전자기파를 방사한다. 방사각은 주파수에 따라 변화되며, 자세한 내용은 도 8에서 후술하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설파 안테나를 구성하는 메타 물질 단위 격자의 등가회로를 도시하는 도면이다.
먼저, 메타물질 단위 격자의 임피던스 값은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
이 때, 누설파 안테나의 전송 선로 특성인 위상상수(β)와 전파상수(γ)는 아래의 식에 의해 설계 가능하다.
여기서, α는 감쇄상수로, 전파가 물질을 통과하며 감소하는 단위 길이당 비율이다. 매질이 절연체인 경우 감쇄가 발생하지 않는 무손실의 특성을 가지므로, 일반적으로 누설파 안테나 전송선로의 감쇄 상수는 0이다.
또한, 누설파 안테나가 왼손 법칙 영역, 영차 공진 영역, 오른손 법칙 영역에서 전자기파를 방사할 때의 방사각(θ)은 아래의 관계식을 이용해 설계가 가능하다.
여기서, 
는 기본 모드의 위상 상수이며, n은 위치 고차 성분, p는 메타물질의 단위 격자의 길이이며, 
는 공기 중의 전파 상수를 의미한다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설파 안테나 전송 선로의 등가 회로를 도시한 도면이다. 도 9에 도시한 바와 같이 누설파 안테나는 유전체 기판 위에 메타물질의 단위 격자를 복수 개 연결하여 설계할 수 있다. 전체 전송 선로의 길이(d)는 단위 격자의 개수(N)에 단위 격자의 길이(p)를 곱한 값이 된다.
메타물질 단위 격자의 공진 주파수는 방사되는 전자기파의 주파수 값이며, 안테나가 동시에 방사 하는 전자기파의 개수(k)는 메타물질 단위 격자의 개수(N)에 따라 달라진다. 단위 격자의 개수(N)와 전자기파의 개수(k)는 k = 2N-1의 관계를 갖는다. 따라서, 단위 격자의 개수를 조절하여 방사하고자 하는 전자기파의 개수를 결정할 수 있으며, 메타 물질 단위 격자의 등가 회로 파라미터 값을 조절하여 원하는 방사각을 결정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플의 분석 영상 획득에 소요되는 시간을 종래 기술과 비교하기 위한 그래프이다. x축은 안테나에서 방사하는 전자기파의 개수이며, y축은 샘플의 분석 영상을 획득하는데 소요되는 시간을 나타낸다.
실선은 테라헤르츠파를 이용한 샘플 분석 장치에 메타물질로 구성된 누설파 안테나를 사용한 경우, 점선은 종래 기술인 혼 안테나를 사용한 경우이다.
그래프에 도시된 바와 같이 메타 물질로 구성된 누설파 안테나를 사용하는 경우, 샘플 분석에 소요되는 시간은 전자기파의 개수에 비례하여 감소한다. 따라서, 본 발명에 의하면 테라헤르츠파를 이용한 샘플의 분석 영상을 획득하는 데 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플 분석 방법의 전체 흐름을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 기 설정된 주파수 대역의 초기 전자기파를 생성하면(S1110), 생성된 초기 전자기파의 주파수를 정수배하여 테라헤르츠파를 생성한다(S1120). 다음으로 송신 안테나가 테라헤르츠파를 이용하여 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파를 동시에 방사(S1130)하면, 수신 안테나가 샘플을 투과한 2 이상의 전자기파를 수신한다(S1140). 이 때, 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파는 후진파, 영차공진파, 전진파 중 적어도 하나일 수 있다. 또한 송신 안테나 또는 수신 안테나는 복합좌우현 메타물질로 구성된 누설파 안테나가 이용될 수 있다. 송신 안테나는 테라헤르츠 대역의 전자기파 중에서, 2 이상의 서로 다른 주파수를 갖는 전자기파를 선택하여 방사할 수 있다. 여기서 2 이상의 서로 다른 주파수는 원하는 각도로 방사되도록 미리 설정된 2 이상의 서로 다른 주파수인 것이 바람직하다.
또한 도면에 도시되지는 않았으나, 전자기파는 샘플을 투과하기 이전 또는 이후에 전자기파의 방사각 또는 입사각을 보정하는 렌즈를 통과할 수도 있다. 렌즈는 송신 안테나에서 방사된 2 이상의 전자기파가 평행하게 샘플을 투과할 수 있도록 샘플을 투과하기 이전에 방사각을 보정하는 역할을 한다. 샘플을 투과한 이후의 전자기파는 다시 렌즈에서 입사각이 보정되어 수신 안테나에 집속된다.
샘플을 투과한 2 이상의 전자기파는 수신 안테나에 집속된 후에 기 설정된 주파수 대역의 전자기파로 변환되는데(S1150), 기 설정된 주파수 대역은 밀리미터파 대역 또는 마이크로파 대역을 포함하는 무선 주파수 대역일 수 있다.
다음으로, 무선 주파수 대역으로 주파수 변환된 전자기파의 크기를 검출(S1160)하면 주파수 성분을 제거한 DC 전압의 크기만이 남는다. 변환된 전자기파의 크기를 검출하기 위해서는 예를 들면, 쇼트키다이오드와 같은 신호 검출소자를 이용할 수 있으며, 포락선 검출 방법(envelope detection)등을 사용하여 주파수 성분을 제외하고 크기만 갖는 DC 전압을 검출할 수 있다.
전자기파의 크기가 검출되면, 검출된 전자기파의 크기에 따라 픽셀 값이 결정된다(S1170). 그리고 결정된 픽셀 값을 갖는 픽셀로 이루어지는 샘플의 분석 영상을 생성(S1180)함으로써, 샘플 전체의 분석이 이루어진다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의한 샘플 분석 방법 및 장치에 따르면 하나의 안테나가 서로 다른 방사각을 갖는 테라헤르츠파를 동시에 방사함으로써 샘플의 분석 영상 획득에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있고, 한 쌍의 송수신 장치만을 사용하여 동시에 여러 방사각으로 테라헤르츠파를 방사할 수 있으므로, 고속의 분석 영상 획득에 필요한 비용을 절감할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
Claims (12)
- 테라헤르츠파를 이용한 샘플의 분석 장치에 있어서,
상기 테라헤르츠파를 생성하는 신호 생성부;
상기 테라헤르츠파를 이용하여 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파를 동시에 방사하는 송신 안테나;
상기 샘플을 투과한 상기 2 이상의 전자기파를 수신하는 수신 안테나;
상기 수신된 2 이상의 전자기파를 처리하여 상기 샘플의 분석 영상을 획득하는 신호 처리부;
를 포함하는 샘플 분석 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파는
후진파(backward wave), 영차공진파(zeroth-order resonant wave), 전진파(forward wave) 중 적어도 하나인
샘플 분석 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 송신 안테나 또는 상기 수신 안테나는
복합좌우현(Composite Right-Left Handed;CRLH) 메타물질로 구성된 누설파 안테나인
샘플 분석 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 샘플의 전면 또는 후면에 배치되어 상기 2 이상의 전자기파의 방사각 또는 입사각을 보정하는 렌즈
를 더 포함하는 샘플 분석 장치.
. - 제1항에 있어서,
상기 신호 생성부는
기 설정된 주파수 대역의 초기 전자기파를 생성하는 발진기;
상기 초기 전자기파의 주파수를 정수배하여 테라헤르츠파를 생성하는 체배기;
를 포함하는 샘플 분석 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 신호 처리부는
상기 수신된 2 이상의 전자기파를 기 설정된 주파수 대역의 전자기파로 변환하는 역체배기;
상기 변환된 전자기파의 크기를 검출하는 신호 검출기;
상기 검출된 전자기파의 크기에 따라 픽셀 값을 결정하는 신호 처리기;
상기 결정된 픽셀 값을 갖는 픽셀로 이루어지는 샘플의 분석 영상을 생성하는 영상 생성기;
를 포함하는 샘플 분석 장치.
- 테라헤르츠파를 이용한 샘플의 분석 방법에 있어서,
상기 테라헤르츠파를 생성하는 단계;
송신 안테나가, 상기 테라헤르츠파를 이용하여 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파를 동시에 방사하는 단계;
수신 안테나가, 상기 샘플을 투과한 상기 2 이상의 전자기파를 수신하는 단계;
상기 수신된 2 이상의 전자기파를 처리하여 상기 샘플의 분석 영상을 획득하는 단계;
를 포함하는 샘플 분석 방법. - 제7항에 있어서,
상기 서로 다른 방사각을 갖는 2 이상의 전자기파는
후진파(backward wave), 영차공진파(zeroth-order resonant wave), 전진파(forward wave) 중 적어도 하나인
샘플 분석 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 송신 안테나 또는 상기 수신 안테나는
복합좌우현(Composite Right-Left Handed;CRLH) 메타물질로 구성된 누설파 안테나인
샘플 분석 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 2 이상의 전자기파가 상기 샘플을 투과하기 이전 또는 이후에 상기 전자기파의 방사각 또는 입사각을 보정하는 렌즈를 통과하는 단계를 더 포함하는
샘플 분석 방법.
. - 제7항에 있어서,
상기 테라헤르츠파를 생성하는 단계는
기 설정된 주파수 대역의 초기 전자기파를 생성하는 단계;
상기 초기 전자기파의 주파수를 정수배하여 상기 테라헤르츠파를 생성하는 단계;
를 포함하는 샘플 분석 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 수신된 2 이상의 전자기파를 처리하여 상기 샘플의 분석 영상을 획득하는 단계는
상기 수신된 2 이상의 전자기파를 기 설정된 주파수 대역의 전자기파로 변환하는 단계;
상기 변환된 전자기파의 크기를 검출하는 단계;
상기 검출된 전자기파의 크기에 따라 픽셀 값을 결정하는 단계;
상기 결정된 픽셀 값을 갖는 픽셀로 이루어지는 샘플의 분석 영상을 생성하는 단계;
를 포함하는 샘플 분석 방법.
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