KR20190061139A - 테라헤르츠 주파수 스위칭 방법을 이용하는 이미징 시스템 - Google Patents

Abstract

이미징 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템은, 파장 변조가 가능한 제1 레이저 광원, 파장 스위칭이 가능한 제2 레이저 광원, 상기 제1 레이저 광원에서 출력되는 제1 광신호 및 상기 제2 레이저 광원에서 출력되는 제2 광신호를 수신하고, 수신한 제1 광신호 및 제2 광신호에 기초하여 선형 주파수 변조 특성을 갖는 테라헤르츠파를 출력하는 송신기 및 상기 송신기에서 출력된 테라헤르츠파와 동일하게 변조된 광국부발진(optical local oscillating signal)를 수신하여 상기 송신기에서 출력된 테라헤르츠파의 측정 물체에 대한 반사파를 하향변환하는 수신기를 포함한다.

Description

테라헤르츠 주파수 스위칭 방법을 이용하는 이미징 시스템{an imaging system using a method for switching a terahertz frequency}

본 발명은 이미징 시스템에 적용될 수 있는 테라헤르츠 주파수 스위칭 방법에 관한 것이다.

테라헤르츠파는 높은 직진성과 투과성으로 이미징 시스템의 광원으로 가능성이 크다. 테라헤르츠파 발생을 위해 다양한 방법이 연구되고 있으며, 그 중에서 포토닉스 기술에 기반을 둔 테라헤르츠 발생 및 검출 기술은 광대역/ 저 잡음 테라헤르츠 시스템을 제공한다.

포토닉스 기반 테라헤르츠 시스템은 크게 펄스형 레이저를 이용하는 방법과 연속파형 레이저를 이용하는 방법으로 구분 될 수 있다. 펄스형 레이저를 이용하는 방법의 경우, 넓은 주파수 대역의 정보를 한 번에 얻을 수 있다는 장점이 있다. 하지만 펄스형 테라헤르츠 신호의 발생을 위해 펨토초 레이저 (femtosecond laser)가 요구되며, 그로 인해 시스템의 집적이 어렵고, 많은 비용이 든다는 단점이 있다. 반면에, 연속파형 광원을 이용하는 방법은 펄스형 시스템에 비해 비교적 저렴하게 시스템을 구성할 수 있고, 집적에 용이하다는 장점 있다.

광혼합 기술은 연속파 테라헤르츠 신호를 발생하기 위한 대표적인 포토닉스 기반 기술 이다. 광혼합 기술은 서로 다른 주파수를 갖는 두 레이저의 맥놀이 주파수 (beat frequency)를 이용해 그에 해당하는 전자기파를 발생시킨다. 이 기술은 레이저의 광주파수 조정을 통해 쉽게 맥놀이 주파수를 변화시킬 수 있기 때문에, 발생되는 테라헤르츠 주파수의 변조가 비교적 쉽다는 장점이 있다.

광혼합 기반 연속파 테라헤르츠 시스템은 다양한 응용이 가능하며, 대표적으로 이미징 시스템에 적용할 수 있다. 그 중, 연속파 주파수 변조 (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 테라헤르츠 기술을 이용한 이미징 시스템은 연속파 테라헤르츠 신호를 이용한 이미징 시스템의 대표적인 방법이다. 일반적으로 활용되는 FMCW 기술은 선형적으로 주파수 변조되는 테라헤르츠 신호를 송신 하고 물체에 의해 반사된 신호를 다시 수신해서, 수신된 신호와 송신된 신호의 주파수 차이를 통해 거리 정보를 추출하는 방법이다. 이 방법을 테라헤르츠 시스템에 적용할 경우, 테라헤르츠파의 투과성으로 인해 물질과의 거리뿐 아니라 내부의 구조도 파악할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 알고리즘을 통해 변조 폭을 줄이면, 고속 변조 가능한 레이저를 사용해 넓은 주파수 범위를 측정 할 수 있는 이미징 시스템을 제안한다.

또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 알고리즘은 연속파 기반의 테라헤르츠 이미징 시스템뿐 아니라 광대역 주파수 응답을 필요로 하는 테라헤르츠 분광기에도 적용가능한 이미징 시스템을 제안한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템은, 파장 변조가 가능한 제1 레이저 광원, 파장 스위칭이 가능한 제2 레이저 광원, 상기 제1 레이저 광원에서 출력되는 제1 광신호 및 상기 제2 레이저 광원에서 출력되는 제2 광신호를 수신하고, 수신한 제1 광신호 및 제2 광신호에 기초하여 선형 주파수 변조 특성을 갖는 테라헤르츠파를 출력하는 송신기 및 상기 송신기에서 출력된 테라헤르츠파와 동일하게 변조된 광국부발진(optical local oscillating signal)를 수신하여 상기 송신기에서 출력된 테라헤르츠파의 측정 물체에 대한 반사파를 하향변환하는 수신기를 포함한다

본 발명의 일 실시 예에 따른 알고리즘을 통해 변조 폭을 줄이면, 고속 변조 가능한 레이저를 사용해 넓은 주파수 범위를 측정 할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 알고리즘은 연속파 기반의 테라헤르츠 이미징 시스템뿐 아니라 광대역 주파수 응답을 필요로 하는 테라헤르츠 분광기에도 적용가능하다.

도 1은 연속파 테라헤르츠 신호의 발생 및 검출을 위한 일반적인 헤테로다인 광혼합 기법을 사용하는 이미징 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템을 나타낸다.
도 3은 스위칭 된 테라헤르츠 신호의 주파수 변화를 나타낸다.
도 4는 도 2의 전기적 변조 장치(250)의 구체적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템의 퍼포먼스를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.

도 1은 연속파 테라헤르츠 신호의 발생 및 검출을 위한 일반적인 헤테로다인 광혼합 기법을 사용하는 이미징 시스템을 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 이미징 시스템(100)은 제1 레이저 광원(110), 제2 레이저 광원(120), 광혼합기(130) 및 반사부(140)를 포함한다. 광혼합기(130)는 송신기(131) 및 수신기(132)를 더 포함한다.

도 1에서 설명하는 알고리즘에 따라 발생되는 테라헤르츠 주파수는 수학식 1과 같이 표현된다.

여기에서 ω_1, ω₂는 각각 제1 레이저광원(110)과 제2 레이저광원(120)의 광주파수를 나타낸다. FMCW 기술을 위해 테라헤르츠 주파수의 선형 변조가 요구된다. 이를 위해 하나의 광주파수는 고정하고, 다른 하나의 광주파수를 선형 변조한다. 이때, 변조되는 제1 레이저광원(110)의 광주파수는 수학식 2와 같이 표현된다.

여기에서, ω₀는 제1 레이저광원(110)의 오프셋 광주파수이고, ㅅ는 광주파수 변조율이다. 변조되는 광주파수를 갖는 제1 레이저광원(110)과 고정된 광주파수를 갖는 레이저2(120)의 광신호가 합쳐져서 광혼합기(130)의 송신기(131)에 입사되면, 선형 주파수 변조 특성을 갖는 전자기파가 발생된다. 광학기기와 광학선로에 의한 시간 지연을 각각 τ_n이라고 할 때, 발생되는 전자기파 신호는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

여기에서 Δω(차이주파수) = ω₂ - ω₀, τ_n,m = τ_n + τ_m이다. 차이주파수를 테라헤르츠 주파수 영역인 300GHz이상이 되도록 제1 레이저광원(110)과 레이저2(120)의 광주파수를 조정하면, 선형 주파수 변조 특성을 갖는 테라헤르츠 신호를 발생시킬 수 있다. 발생된 테라헤르츠파는 측정 물체(1)에 의해 반사되고 광혼합기(130)의 수신기(132)로 입사된다. 수신기(132)로 입사되는 테라헤르츠 신호는 수학식 4와 같이 표현된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 테라헤르츠 신호 이외에 동일한 변조 특성을 갖는 광국부발진 신호(Optical local oscillator signal)가 수신기(132)에 입사된다. 광국부발진 신호에 의해서 검출된 테라헤르츠 신호는 주파수 하향변환이 일어나고, 최종적으로 수학식 5 및 수학식 6으로 표현되는 전기적 신호를 발생시킨다.

상술한 바와 같이, 최종 전기신호의 주파수는 ω_s이외에 천이주파수 2πㅅ(τ_{1 ,5}- τ_{2 ,6}) 성분을 갖는다. τ_{1 ,} τ_{2 ,} τ₆은 고정된 길이의 광학선로에 의한 시간 지연이기 때문에, 천이주파수는 오직 테라헤르츠 경로의 길이의 변화에 따른 τ₅에 의해서 결정된다. 최종 전기신호의 주파수를 얻어냄으로써, 천이주파수의 변화량을 알 수 있고, 결과적으로 시간 지연 τ₅와 측정물체까지의 거리를 알 수 있다.

테라헤르츠의 투과성으로 인해 테라헤르츠파는 측정물체의 표면뿐 아니라 내부의 반사면에 의해서도 다중 반사가 일어나게 되고, 반사되는 깊이에 따라 여러 경로를 갖는 신호가 수신기(132)로 입사된다. 이 경우, 수신기(132)에 의해 발생되는 최종 전기 신호(V_IF)는 수학식 7과 같이 표현된다.

수학식 7과 같이, 다중 반사에 의해 여러 주파수가 발생하게 되고, 발생되는 여러 주파수를 얻음으로써 내부의 구조를 얻을 수 있다.

일반적인 FMCW기술에서 시스템의 깊이 분해능은 주파수 선형변조 폭에 반비례해서 증가한다. 넓은 대역의 선형변조 폭을 갖는 신호를 이용한 시스템의 경우 높은 분해능을 갖는다. 광혼합 기술 기반의 테라헤르츠 시스템은 쉽게 주파수 변조가 가능하고, 넓은 대역폭을 제공하기 때문에 이러한 시스템에 매우 적합하다. 하지만 높은 깊이 분해능을 얻기 위한 레이저 광주파수의 고속 광대역 선형변조가 어렵기 때문에 측정 속도에 한계가 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템을 나타낸다.

도 3은 스위칭 된 테라헤르츠 신호의 주파수 변화를 나타낸다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템은 상술한 측정 속도의 한계를 극복하기 위해 테라헤르츠 주파수 스위칭 기법을 사용한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템(200)은 제3 레이저광원(210), 제4 레이저광원(220), 광혼합기(230), 반사체(240) 및 전기적 변조 장치(250)을 포함한다. 광혼합기(230)는 송신기(231) 및 수신기(232)를 포함한다.

제3 레이저광원(210)은 파장 변조가 가능한 레이저광원일 수 있다. 그리고 제4 레이저광원(220)은 테라헤르츠 주파수 스위칭을 위해서 파장 스위칭이 가능한 레이저광원일 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템(200)은 제3 레이저광원(210) 및 제4 레이저광원(220)을 이용하여 선형 주파수 변조를 위한 광주파수 변조 폭을 줄여 결과적으로 측정 시간을 줄일 수 있다.

상술한 일반적인 시스템에서는 광대역 주파수 변조를 위해서 레이저의 광주파수를 넓게 변조해야 했다. 그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템(200)은 대역을 나눠서 여러 대역을 동시에 측정하고, 후처리 과정에서 나뉘어진 각각의 주파수 대역을 다시 붙여주는 방법을 사용한다. 따라서, 좁은 대역의 광주파수 변조를 통해 넓은 대역의 테라헤르츠 주파수 응답을 얻을 수 있으며, 결과적으로 측정 속도를 높일 수 있다.

동시에 여러 대역의 주파수를 발생시키기 위해서 광혼합기에 복수의 광주파수 성분을 갖는 신호가 입력되어야 한다. 하지만, 상용화된 광혼합기의 경우 허용 가능한 최대 입력 파워가 제한되는 것이 일반적이다. 그러므로, 여러 광주파수를 갖는 신호가 광혼합기에 입력되는 경우 주파수 하나가 갖는 신호의 세기를 줄여야 하고, 결과적으로 각각의 주파수가 갖는 신호의 세기가 떨어진다.

그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템(200)은 도 3에 도시된 바와 같이, 주파수 스위칭 방법을 통해 단일 시간에 하나의 주파수 성분을 갖는 테라헤르츠 신호만을 발생시킨다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템(200)은 광혼합기(230)가 허용하는 최대 효율로 각각의 주파수에 해당하는 테라헤르츠 신호를 발생 시킬 수 있다.

스위칭된 테라헤르츠 신호를 검출하기 위해 수학식 8과 같은 조건을 만족하도록 광학선로의 길이를 조정하면, 광혼합기의 수신기(232)에 의해 검출된 테라헤르츠 신호가 스위칭된 광국부발진 신호에 의해 하향변환 된다.

이때, 수학식 9에 나타난 조건을 만족하도록 각 채널에 해당하는 스위칭-온(switching-on) 시간(τ_on)을 조정하면 광학선로 길이 차이에 의한 스위칭 왜곡은 무시할 수 있다.

도 4는 도 2의 전기적 변조 장치(250)의 구체적인 구성을 나타내는 블록도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 전기적 변조 장치(250)는 광혼합기의 수신기(232)에서 하향 변조된 스위칭 신호를 입력 받는다.

도 4에 도시된 바와 같이, 전기적 변조 장치(250)는 변조된 전기적 신호를 저역통과필터(lowpass filter) 기반의 anti-imaging filter(251)를 사용하여 각각의 주파수 채널에 해당하는 신호를 복원한다. 이때, 수학식 10과 같은 조건을 만족하는 경우, 오리지널 신호는 왜곡 없이 복원 될 수 있다.

여기에서, f_N는 일반적인 광혼합기의 수신기에서 하향 변환된 신호의 나이퀴스트 주파수이고, f_SW는 레이저 광원과 전기적 변조를 위해 사용되는 스위칭 신호의 주파수이다. 시스템의 최대 측정 거리를 제한하며, 나이퀴스트 주파수를 쉽게 예측할 수 있고, 최종적으로 왜곡이 없는 상태를 갖는 스위칭 신호의 주파수를 구할 수 있다. 일반적인 광혼합기의 수신기(도 1의 132)에서 하향 변환된 신호의 나이퀴스트 주파수는 수학식 11과 같이 표현된다.

여기에서, f_s, c, d_ROI는 각각 광신호의 천이 주파수, 빛의 속도, 최대측정 거리이다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템의 퍼포먼스를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템의 퍼포먼스 검증을 위한 측정 물체이다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 테라헤르츠 주파수 스위칭 기술이 적용되기 전(a)과 후(b)의 단층촬영 결과를 나타낸다.

도 7은 도 5(b)에서 1점 쇄선으로 표시된 부분의 테라헤르츠 단층 촬영결과를 나타낸다. (a) 부터 (c)는 테라헤르츠 주파수 스위칭 전, (d) 부터 (f)는 테라헤르츠 주파수 스위칭 적용 후를 나타낸다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 시스템의 퍼포먼스 검증을 위해 2채널 테라헤르츠 스위칭 시스템이 구성된다. 테라헤르츠 주파수의 선형변조 폭은 300GHz ~ 600GHz이고, 2채널 테라헤르츠 주파수 스위칭을 통해 측정 주파수 범위는 300GHz ~ 900GHz로 확장된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 측정하고자하는 물체(panel)는 뒷면에 홈이 있으며, 홈은 0.2mm ~ 1.2mm까지 다양한 두께를 갖는다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 스위칭 기법이 적용되는 경우 더 높은 깊이 분해능을 보이는 것을 알 수 있다. 구체적으로 도 7(d)에서 도시하는 바와 같이, 0.2mm의 두께를 가지는 측정 물체를 제외하고 모든 측정 물체의 두께 정보가 구분 가능하다.

그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 스위칭 기법이 적용되지 않는 경우 도 7(c)에 도시된 바와 같이, 1.0mm이상의 홈을 갖는 물체부터 구분이 가능함을 알 수 있다.

검증을 위해 2채널을 사용했으나, 앞서 설명한 조건을 만족하는 범위 내에서 채널수를 늘리면, 측정 시간은 채널수에 비례해서 줄일 수 있다.

광혼합 기반의 연속파 테라헤르츠 시스템의 경우 시스템 제작 비용 및 집적화면에서 많은 이점이 있기 때문에 상용화에 유리하다. 하지만 광혼합을 위해 사용되는 좁은 선폭을 갖는 상용화된 레이저의 경우, 넓은 변조 범위를 제공하면 변조 속도가 느리고, 고속 변조를 제공하면 변조 폭이 좁다. 그러므로 넓은 주파수 응답을 요구하는 시스템에서는 주파수 변조를 위한 시간으로 인해 시스템의 측정시간이 길어진다는 한계가 있다.

그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 알고리즘을 통해 변조 폭을 줄이면, 고속 변조 가능한 레이저를 사용해 넓은 주파수 범위를 측정 할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 알고리즘은 연속파 기반의 테라헤르츠 이미징 시스템뿐 아니라 광대역 주파수 응답을 필요로 하는 테라헤르츠 분광기에도 적용가능하다.

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (3)

1. 파장 변조가 가능한 제1 레이저 광원;
   파장 스위칭이 가능한 제2 레이저 광원;
   상기 제1 레이저 광원에서 출력되는 제1 광신호 및 상기 제2 레이저 광원에서 출력되는 제2 광신호를 수신하고, 수신한 제1 광신호 및 제2 광신호에 기초하여 선형 주파수 변조 특성을 갖는 테라헤르츠파를 출력하는 송신기; 및
   상기 송신기에서 출력된 테라헤르츠파와 동일하게 변조된 광국부발진(optical local oscillating signal)를 수신하여 상기 송신기에서 출력된 테라헤르츠파의 측정 물체에 대한 반사파를 하향변환하는 수신기를 포함하는
   테라헤르츠파를 이용하는 이미징 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 송신기는 상기 제2 레이저 광원으로부터 수신된 주파수 스위칭된 광신호에 기초하여 단일 시간에 하나의 주파수 성분을 갖는 테라헤르츠 신호를 각각의 주파수 별로 출력하는
   테라헤르츠파를 이용하는 이미징 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 각각의 주파수 별로 출력된 테라헤르츠파의 측정 물체에 대한 반사파를 수신하고, 나뉘어진 각각의 주파수 대역을 붙이는 전기적 변조 장치를 더 포함하는
   테라헤르츠파를 이용하는 이미징 장치.

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