KR20130016081A

KR20130016081A - 투과 ｘ선 분석 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20130016081A
Application number: KR1020120083117A
Authority: KR
Inventors: 요시키 마토바
Original assignee: 에스아이아이 나노 테크놀로지 가부시키가이샤
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2013-02-14
Also published as: CN102954973A; JP5827064B2; US20130032728A1; CN102954973B; JP2013036805A; US8912503B2; KR101950515B1

Abstract

시료의 투과 X선 이미지를 TDI 센서로 검출할 때에, TDI 센서의 적산 단수를 용이하고 또한 넓은 범위에서 조정할 수 있는 투과 X선 분석 장치 및 방법을 제공한다.
소정의 주사 방향 L로 상대 이동하는 시료(100)의 투과 X선 이미지를 검출하는 투과 X선 분석 장치(1)로서, 투과 X선 이미지에 유래하는 화상을 광전 변환하여 발생하는 전하를 읽어내는 촬상 소자를 2차원 형상으로 복수개 구비한 시간 지연 적분 방식의 TDI 센서(14)이며, 주사 방향에 수직인 방향으로 촬상 소자가 늘어선 라인 센서(14a~14h)를 주사 방향으로 복수단 늘어놓아, 1개의 라인 센서에 축적된 전하를 인접하는 다음의 라인 센서로 전송하는 TDI 센서와, TDI 센서와 시료의 사이에 배치되며, 주사 방향으로 진퇴하여 TDI 센서에 입사되는 화상의 일부를 차폐하는 차폐 수단(21)과, 소정 단수의 라인 센서를 차폐하도록 차폐 수단의 위치를 제어하는 차폐 수단 위치 제어 수단(60)을 구비하고 있다.

Description

투과 Ｘ선 분석 장치 및 방법{TRANSMITTED X-RAY ANALYSING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은, 시간 지연 적분(TDI) 방식의 센서를 이용하여 시료의 투과 X선을 측정 가능한 투과 X선 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래, X선 투과 이메징에 의한 시료 중의 이물의 검출, 원소의 농도 편차의 검출이 행해져 왔다. 이러한 X선 투과 이메징의 방법으로서, 시료의 투과 X선을 형광판 등에 통과시켜 형광으로 변환하고, 그 형광을 촬상 소자(전하 결합 소자；CCD(Charge Coupled Devices))로 검출하는 방법이 알려져 있다. 그리고, CCD에 의한 검출 방법으로서, 복수의 촬상 소자를 일 방향으로 늘어놓은 라인 센서를 이용하여, 시료에 대해 주사하여 선 형상의 화상을 차례로 취득하여 시료의 2차원 화상을 얻는 방법이 있다.

그런데, 주사 방향으로의 시료의 이동 속도가 빨라지면, 라인 센서로의 전하의 축적 시간이 짧아져, 라인 센서의 감도가 낮은 경우에는 S/N비가 저하된다. 이러한 점에서, 라인 센서를 주사 방향으로 복수개(단) 평행하게 늘어놓아, 1개의 라인 센서에 축적된 전하를 인접하는 다음의 라인 센서로 전송하는 TDI(Time Delay and Integration) 센서가 이용되고 있다. TDI 센서에서는, 1단째의 라인 센서에 축적된 전하가 2단째의 라인 센서에 전송되고, 2단째의 라인 센서에서는 1단째의 라인 센서로부터 전송된 전하 및 자신이 수광하여 축적한 전하를 가산하여 3단째의 라인 센서에 전송한다. 이와 같이, 각 라인 센서에는, 전단의 라인 센서로부터 전송된 전하가 순차적으로 가산되어, 최종단의 라인 센서에 전송된 누적 전하가 출력된다.

이와 같이 하여 TDI 센서에서는, 단수가 T인 경우에 단일한 라인 센서에 비해 T배의 전하가 축적되어, 콘트라스트가 T배가 됨과 함께 노이즈가 저감되어, 측정을 고속으로 행할 수 있음과 함께 S/N비가 향상된다.

한편, TDI 센서는 고감도이기 때문에, 수광 광량의 변동에 의해 검출 화상에 불량(아티팩트)이 발생하거나, 전하 전송용의 수직 전송 클럭의 상승 및 하강 시에 노이즈가 중첩된다는 문제가 있다. 그래서, 전기 회로를 이용하여, TDI 센서의 적산 단수를 제어하는 기술이 개발되어 있다(특허 문헌 1, 2).

또, 본 발명자가 검토한 바, 투과 X선 분석에 TDI 센서를 이용한 경우, TDI 센서의 적산 단수가 많아질수록 피사계 심도가 작아져, 두께가 있는 시료의 경우에는 깊이 방향의 일부에만 핀트가 맞아 이미지로서 구성되어 버리고, 그 이외의 부분은 이미지로서 구성되지 않기 때문에, 전체를 파악할 수 없다는 문제가 있었다.

일본국 공개특허 2000-50063호 공보 일본국 공개특허 2010-4105호 공보

그러나, 특허 문헌 1, 2에 기재된 기술은, TDI 센서의 적산 단수를 전기 회로로 제어하고 있어, ASIC 등에 의해 전용의 IC(집적회로)를 구비한 TDI 센서를 제조하거나, TDI 센서의 연산 소프트웨어를 변경해야 되어, 범용의 TDI 센서를 이용할 수 없기 때문에 코스트 업으로 연결된다. 또, 특허 문헌 1, 2에 기재된 기술과 같이 전기 회로나 연산 소프트웨어 상에서 적산 단수 설정되어 있는 경우, 시료의 두께나 종류 등에 따라 측정자가 T적산 단수를 자유롭게 조정하는 것이 어렵다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, TDI 센서의 적산 단수를 용이하고 또한 넓은 범위에서 조정할 수 있는 X선 분석 장치 및 방법의 제공을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 투과 X선 분석 장치는, 소정의 주사 방향으로 상대 이동하는 시료의 투과 X선 이미지를 검출하는 투과 X선 분석 장치로서, 상기 투과 X선 이미지에 유래하는 화상을 광전 변환하여 발생하는 전하를 읽어내는 촬상 소자를 2차원 형상으로 복수개 구비한 시간 지연 적분 방식의 TDI 센서이며, 상기 주사 방향에 수직인 방향으로 상기 촬상 소자가 늘어선 라인 센서를 상기 주사 방향으로 복수단 늘어놓아, 1개의 라인 센서에 축적된 전하를 인접하는 다음의 라인 센서로 전송하는 TDI 센서와, 상기 TDI 센서와 상기 시료의 사이에 배치되며, 상기 주사 방향으로 진퇴하여 상기 TDI 센서에 입사되는 상기 화상을 차폐하는 차폐 수단과, 소정 단수의 상기 라인 센서를 차폐하도록 상기 차폐 수단의 위치를 제어하는 차폐 수단 위치 제어 수단을 구비하고 있다.

이 투과 X선 분석 장치에 의하면, TDI 센서의 적산 단수를 차폐 수단에 의해 물리적으로 조정하면 되기 때문에, 적산 단수를 전기 회로나 연산 소프트웨어로 제어하는 전용의 TDI 센서를 제조하지 않아도 되어, 범용의 TDI 센서를 이용하여 코스트 다운이 도모된다. 또, 전용의 TDI 센서로 적산 단수를 조정하는 경우에는, 측정자가 적산 단수를 자유롭게 조정하는 것이 어렵지만, 본 발명에서는 차폐 수단의 이동량을 물리적으로 조정하면 되기 때문에, TDI 센서의 적산 단수를 자유롭게 조정할 수 있다.

또, 투과 X선 분석에 TDI 센서를 이용한 경우, TDI 센서의 적산 단수가 많아질수록 피사계 심도가 작아져, 두께가 있는 시료의 경우에는 깊이 방향의 일부에만 핀트가 맞아 이미지로서 구성되어 버리고, 그 이외의 부분은 이미지로서 구성되지 않기 때문에, 전체를 파악할 수 없는 경우가 있다. 그래서, 본 발명의 투과 X선 분석 장치에 있어서는, 측정자가 적산 단수를 자유롭게 조정할 수 있으므로, 두께가 있는 시료의 핀트가 맞는 범위를 가장 넓게 설정할 수 있다.

본 발명의 투과 X선 분석 방법은, 소정의 주사 방향으로 상대 이동하는 시료의 투과 X선 이미지를 검출하는 투과 X선 분석 방법으로서, 상기 투과 X선 이미지에 유래하는 화상을 광전 변환하여 발생하는 전하를 읽어내는 촬상 소자를 2차원 형상으로 복수개 구비한 시간 지연 적분 방식의 TDI 센서이며, 상기 주사 방향에 수직인 방향으로 상기 촬상 소자가 늘어선 라인 센서를 상기 주사 방향으로 복수단 늘어놓아, 1개의 라인 센서에 축적된 전하를 인접하는 다음의 라인 센서로 전송하는 TDI 센서를 이용하여, 상기 TDI 센서와 상기 시료의 사이에 배치된 차폐 수단으로, 소정 단수의 상기 라인 센서를 차폐한다.

본 발명에 의하면, 시료의 투과 X선 이미지를 TDI 센서로 검출할 때에, TDI 센서의 적산 단수를 용이하고 또한 넓은 범위에서 조정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관련된 투과 X선 분석 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 2는 차폐판의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3은 TDI 센서에 의한 시간 지연 적분 처리의 방법의 일례를 나타낸 도이다.
도 4는 투과 X선 분석에 TDI 센서를 이용한 경우, 분석 대상의 깊이 방향의 위치에 의한 피사계 심도가 작아지는 상태를 나타낸 도이다.
도 5는 차폐판을 L방향으로 이동시켜 시간 지연 적분을 행하는 단수를 줄여, TDI 센서의 피사계 심도를 깊게 하는 방법을 나타낸 도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관련된 투과 X선 분석 장치(1)의 구성을 나타낸 블럭도이다.

투과 X선 분석 장치(1)는, X선원(12)과, TDI(Time Delay and Integration) 센서(14)와, TDI 센서(14)와 시료(100)의 사이에 배치되며, 시료(100)로부터의 투과 X선(12x)을 형광(가시광 화상)으로 변환하는 형광판(16)과, 형광판(16)의 하방에 배치되며, TDI 센서(14)에 입사되는 가시광 화상의 일부를 차폐하는 차폐판(차폐 수단)(21)과, 차폐판(21)을 TDI 센서(14)에 대해 진퇴시키는 차폐판 이동 수단(30)과, 차폐판(21)의 위치를 제어하는 차폐 수단 위치 제어 수단(60)을 구비하고 있다.

여기서, X선원(12)은 시료(100)의 하방에 배치되며, X선원(12)으로부터 X선이 상방으로 방출되어 시료(100)를 투과한 후, 형광판(16)을 통과하여 가시광 화상으로 변환된다. 그리고, 이 화상이 시료(100) 상방의 TDI 센서(14)에 의해 수광되게 되어 있다. 또한, 시료(100)는 예를 들면 리튬 이온 전지의 정극에 이용되는 Co산 리튬 전극판의 연속 스트립이며, 벨트 컨베이어(50) 상에 올려 놓아져 주사 방향 L(도 1의 왼쪽에서 오른쪽으로)로 이동하도록 되어 있다. 그리고, X선원(12)으로부터 X선이 항상 방출되어, 이동하는 시료(100)를 연속적으로 X선 분석하도록 되어 있다.

차폐 수단 위치 제어 수단(60)은 컴퓨터로 이루어지며, CPU, ROM, RAM 등을 포함하며, 소정의 컴퓨터 프로그램을 실행 가능함과 함께, X선원(12)으로부터의 X선의 조사, TDI 센서(14)에 의한 가시광 화상의 수광 및 출력 처리 등의 전체의 처리도 행하고 있다.

또, 투과 X선 분석 장치(1)는 시료(100) 중의 이물(101)(예를 들면 Fe)을 검출하도록 되어 있다.

X선원(12)은, 소정의 X선 관구로 이루어진다. X선 관구는 예를 들면, 관구 내의 필라멘트(양극)로부터 발생한 열전자가 필라멘트(양극)와 타겟(음극)의 사이에 인가된 전압에 의해 가속되어, 타겟(W(텅스텐), Mo(몰리브덴), Cr(크롬) 등)에 충돌하여 발생한 X선을 1차 X선으로서 베릴륨박 등의 창으로부터 출사하는 것이다.

TDI 센서(14)는, 복수개의 촬상 소자(전하 결합 소자；CCD(Charge Coupled Devices)가 2차원 어레이 형상으로 늘어선 구성을 이루고 있다. 또, 도 2에 나타낸 바와 같이, TDI 센서(14)는, 주사 방향 L에 수직인 방향으로 촬상 소자가 늘어선 라인 센서(14a~14h)를 주사 방향 L로 복수단(도 2의 예에서는 8단이지만, 실제로는 수 100~수 1000단) 늘어놓은 구성을 이루고 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 차폐판(21)은 직사각형 형상으로 형성되며, 차폐판(21) 중 2개의 변은 L방향에 수직으로 향하고, 라인 센서(14a~14h)에 평행하게 되어 있다. 또, 차폐판(21) 중, L방향을 따르는 2개의 측가장자리는, 단면이 L자형인 한 쌍의 레일(31)의 사이에 끼워져 레일(31) 상에 올려 놓아지며, 레일(31)을 따라 차폐판(21)이 L방향으로 진퇴 가능하게 되어 있다. 또, 차폐판(21)의 한쪽에는 L방향을 따라 관통 구멍(21a)이 형성되고, 관통 구멍(21a)의 내부에는 나사가 형성되어 있다. 그리고, 스텝핑 모터(32)에 축지지된 이송 나사(32L)가 관통 구멍(21a)에 나사 결합하여, 스텝핑 모터(32)의 회전에 의해 차폐판(21)을 레일(31)을 따라 L방향으로 진퇴시키고 있다.

레일(31), 스텝핑 모터(32), 이송 나사(32L)를 합하여 차폐판 이동 수단(30)으로 칭한다. 또, 후술하는 차폐 수단 위치 제어 수단(60)은, 스텝핑 모터(32)의 회전량을 조정하여 이송 나사(32L)의 이송량을 제어함으로써, 차폐판(21)의 L방향의 이동량을 제어하고 있다.

이상과 같이 하여, 차폐판(21)이 L방향으로 이동하면, 라인 센서(14a~14h)의 일부를 차폐하고, 후술하는 바와 같이 TDI 센서(14)에 의한 시간 지연 적분의 단수를 물리적으로 조정한다.

또한, 차폐판 이동 수단(30)의 구성은 상기에 한정되지 않고, 차폐판(21)의 구성도 상기에 한정되지 않는다. 또, 차폐판(21)으로서는, 예를 들면 텅스텐이나 몰리브덴의 시트(예를 들면, 두께 0.5mm 정도)를 이용할 수 있다.

다음에, 도 3을 참조하여 TDI 센서(14)에 의한 시간 지연 적분 처리의 방법의 일례에 대해서 설명한다. 여기서, 도 2에 나타낸 바와 같이 TDI 센서(14)는, 복수단(8단)의 라인 센서(14a~14h)로 구성되어 있다.

지금, 시료(100) 중의 이물(101)이 1단째의 라인 센서(14a)의 수광 영역에 들어갔다고 하면, 라인 센서(14a)에서 축적된 전하가 2단째의 라인 센서(14b)에 전송된다(도 3(a)). 다음에, 이물(101)이 L방향으로 이동하여 2단째의 라인 센서(14b)의 수광 영역에 들어갔다고 하면, 라인 센서(14b)에는 전하가 축적된다(도 3(b)).

2단째의 라인 센서(14b)에서는 1단째의 라인 센서(14a)로부터 전송된 전하와 자신이 수광한 전하를 가산하여 축적하여 3단째의 라인 센서(14c)에 전송한다. 이와 같이, 각 라인 센서(14a~14h)에는, 전단의 라인 센서로부터 전송된 전하가 순차적으로 가산되어, 최종단의 라인 센서(14h)에 전송된 누적 전하가 출력된다. 그리고, L방향으로 이동하는 시료(100)를 연속적으로 라인 분석함으로써, 시료(100)의 2차원 화상 데이터가 연속적으로 취득된다.

이와 같이 TDI 센서(14)에서는, 단수가 T인 경우에 단일한 라인 센서에 비해 T배의 전하가 축적되어, 콘트라스트가 T배가 됨과 함께 노이즈가 저감되어, 측정을 고속으로 행할 수 있음과 함께 S/N비가 향상된다.

또한, TDI 센서(14)의 구성 및 동작은 공지된 것을 이용할 수 있다.

그런데, 도 4에 나타낸 바와 같이, 투과 X선 분석에 TDI 센서(14)를 이용한 경우, 분석 대상이 되는 시료(100) 중의 이물(101)의 두께 d가 두꺼워지면, 이물(101)의 깊이 방향의 위치 P1, P2에 의해 TDI 센서(14)와 이물(101)의 거리 h1, h2가 변화된다. 이 때, TDI 센서의 적산 단수 N이 많아질수록 피사계 심도가 작아져, 두께가 있는 이물(101)의 위치 P1에만 핀트가 맞아 이미지로서 구성되어 버리고, 위치 P2에서는 이미지로서 구성되지 않기 때문에, 전체를 파악할 수 없게 된다. 이것을 도 4를 참조하여 설명한다. 우선, X선원(12)으로부터 P1, P2까지의 거리를 각각 S1, S2로 하고, 시료(100)(이물(101))의 L방향의 주사(이동) 속도를 V로 한다.

이 경우, P1이 TDI 센서(14) 상에 만드는 그림자의 이동 속도 V1=V×(S1+h1)/h1이 된다. 마찬가지로, P2가 TDI 센서(14) 상에 만드는 그림자의 이동 속도 V2=V×(S2＋h2)/h2가 된다. 한편, P1과 P2에 대해 V가 1개의 값 밖에 설정할 수 없기 때문에, V1=V로 설정하면, P1의 TDI 센서(14) 상의 그림자의 이동 속도 V1과 시료(100)의 주사 속도 V가 일치하기 때문에 P1의 그림자가 이미지로서 구성된다. 이에 반해, P2의 TDI 센서(14) 상의 그림자의 이동 속도 V2와 주사 속도 V가 일치하지 않기 때문에, P2의 그림자는 TDI 센서(14)의 복수단에 걸쳐 희미해진다. 특히 이 문제는, 검출 대상이 되는 이물(101)이 시료(100)의 표면 뿐만이 아니라, 깊이 방향으로도 들어간 경우나, 이물(101)의 두께가 2mm 정도를 초과하는 경우에 현저해진다.

여기서, P2의 그림자가 TDI 센서(14) 상에서 희미해지는 단수 NE=N×(V2-V1)/V1로 표시되며, TDI 센서(14)의 적산 단수 N에 비례한다. 따라서, 적산 단수 N을 작게 함으로써, 위치에 따라 깊이가 다른 이물(101)의 핀트가 맞는 범위를 넓힐 수 있다.

즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 차폐판(21)을 L방향으로 이동시켜 라인 센서(14a~14h)의 일부(도 5의 예에서는, 후단측의 3개의 라인 센서(14f~14h)를 차폐함으로써 시간 지연 적분을 행하는 단수를 줄여, TDI 센서(14)의 피사계 심도를 깊게 한다.

차폐판(21)을 이용하는 경우, 범용의 TDI 센서(14)를 이용할 수 있다. 즉, 도 3과 마찬가지로, 각 라인 센서(14a~14h)에는, 전단의 라인 센서로부터 전송된 전하가 순차적으로 가산되어, 최종단의 라인 센서(14h)에 전송된 누적 전하가 출력된다. 단, 차폐판(21)으로 차폐되어 화상을 수광할 수 없는 라인 센서(14f~14h)에는 자신의 전하가 축적되지 않기 때문에, 라인 센서(14a~14e)로부터 순차적으로 전송된 누적 전하는, 라인 센서(14f~14h)에 순차적으로 그대로 전송되어, 최종단의 라인 센서(14h)로부터 출력된다. 이와 같이 하여, TDI 센서(14)의 적산 단수를 줄일(도 5의 예에서는 5단) 수 있다.

이상과 같이, TDI 센서(14)의 단수를 차폐판(21)에 의해 물리적으로 조정하면 되기 때문에, TDI 센서의 적산 단수를 센서 자신의 전기 회로나 연산 소프트웨어로 제어하는 경우와 같이 전용의 TDI 센서를 제조하지 않아도 되어, 범용의 TDI 센서를 이용하여 코스트 다운이 도모된다. 또, 전용의 TDI 센서로 적산 단수를 조정하는 경우에는, 측정자가 적산 단수를 자유롭게 조정하는 것이 어렵지만, 본 발명에서는 차폐판(21)의 이동량을 물리적으로 조정하면 되기 때문에, TDI 센서의 적산 단수를 자유롭게 조정할 수 있다.

예를 들면, 두께가 얇은 시료를 분석하는 경우는 TDI 센서(14)의 단수를 많게 하고, 두께가 두꺼운 시료를 분석하는 경우는 TDI 센서(14)의 단수를 줄이면 된다. TDI 센서(14)의 단수의 조정은, 예를 들면 컴퓨터(차폐 수단 위치 제어 수단)(60)에 키보드 등의 입력 장치(61)를 접속하고, 측정자가 차폐판(21)의 임의의 이동량(또는 이동량에 따른 TDI 센서(14)의 단수)을 입력 장치(61)로부터 입력하여 행할 수 있다. 차폐 수단 위치 제어 수단(60)은, 측정자의 입력한 정보에 기초하여 스텝핑 모터(32)의 회전을 제어하고, 차폐판(21)의 이동량을 조정한다.

본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 사상과 범위에 포함되는 다양한 변형 및 균등물에 이르는 것은 말할 필요도 없다.

1 투과 X선 분석 장치 12 X선원
12c X선원의 광축 12x 투과 X선
14 TDI 센서 14a~14h 라인 센서
21 차폐판(차폐 수단) 60 차폐 수단 위치 제어 수단
100 시료 101 이물
L 주사 방향

Claims

소정의 주사 방향으로 상대 이동하는 시료의 투과 X선 이미지를 검출하는 투과 X선 분석 장치로서,
상기 투과 X선 이미지에 유래하는 화상을 광전 변환하여 발생하는 전하를 읽어내는 촬상 소자를 2차원 형상으로 복수개 구비한 시간 지연 적분 방식의 TDI 센서이며, 상기 주사 방향에 수직인 방향으로 상기 촬상 소자가 늘어선 라인 센서를 상기 주사 방향으로 복수단 늘어놓아, 1개의 라인 센서에 축적된 전하를 인접하는 다음의 라인 센서로 전송하는 TDI 센서와,
상기 TDI 센서와 상기 시료의 사이에 배치되며, 상기 주사 방향으로 진퇴하여 상기 TDI 센서에 입사되는 상기 화상의 일부를 차폐하는 차폐 수단과,
소정 단수의 상기 라인 센서를 차폐하도록 상기 차폐 수단의 위치를 제어하는 차폐 수단 위치 제어 수단을 구비한, 투과 X선 분석 장치.
소정의 주사 방향으로 상대 이동하는 시료의 투과 X선 이미지를 검출하는 투과 X선 분석 방법으로서,
상기 투과 X선 이미지에 유래하는 화상을 광전 변환하여 발생하는 전하를 읽어내는 촬상 소자를 2차원 형상으로 복수개 구비한 시간 지연 적분 방식의 TDI 센서이며, 상기 주사 방향에 수직인 방향으로 상기 촬상 소자가 늘어선 라인 센서를 상기 주사 방향으로 복수단 늘어놓아, 상기 TDI 센서가 1개의 라인 센서에 축적된 전하를 인접하는 다음의 라인 센서로 전송할 때에,
상기 TDI 센서와 상기 시료의 사이에 배치된 차폐 수단으로, 소정 단수의 상기 라인 센서를 차폐하는, 투과 X선 분석 방법.