1. 서 론

테라헤르츠파(T-레이)는 적외선과 마이크로파의 중간영역에 해당하는 전자기파로서 보안, 비파괴 시험 및 생물 의학 이미징 등 다양한 분야에 적용되고 있다(Figure 1)^[1-3].

Figure 1. Electromagnetic spectra

테라헤르츠 time-of-flight (TOF) 단층 영상은 새롭게 부상하는 분야로써 테라헤르츠시간 영역 분광법 (THz Time-domains pectroscopy)의 지연 시간을 이용하여 샘플내부를 비파괴적으로 영상화할 수 있다^[4-7]. 매질이 균일한 물체를 스캐닝할 경우 T-레이의 지연 시간이 깊이에 비례하기 때문에, 시간 인덱스를 이용하여 2차원 멀티슬라이스 단층 영상을 얻을 수 있다. 본 논문에서는 여러 샘플들의 time-of-flight 단층 영상의 결과를 통해 시간 인덱스가 깊이 정보를 나타내는 것과, Short-time Fourier transform (STFT)을 이용한 후처리 가공을 통해 고해상도의 영상을 획득한 결과를 제시한다.
 

2. 방 법

 시간 영역 분광학은 기본적으로 두 가지 정보를 제공한다. 지연 시간과 발생한 펄스의 파형(waveform)이다. 지연 시간은 반사형 테라헤르츠 단층 촬영에서 깊이에 대한 정보를 제공한다^[8]. 펄스의 위상은 매질의 굴절률 차이를 나타낸다^[9]. 두 가지 정보에 따라 어느 시점에 어떠한 변화가 일어났는지 영상화가 가능하다.

 Figure 2는 time-of-flight 단층 영상에 사용되어진 반사형 테라헤르츠 시간 영역 분광 시스템이다^[6]. time delay stage를 거친 T-ray는 InAs wafer로 구성된 송신기로부터 물체로 방출된다. 물체로부터 반사되어진 T-ray는 GaAs로 제작된 단일 검출기를 통해 획득한다. 본 시스템에서 스캐닝한 픽셀은 250μm의 공간 해상도를 가지고 한 픽셀 당 512개의 샘플을 36ps에 획득한다. 그 결과, T-ray의 시간 해상도는 70.3fs 이고, 진공에서의 time-offlight 거리로 변환할 경우 21.1μm의 거리 해상도를 갖는다.
 

Figure 2. Schematic terahertz reflectiontype time-domain spectroscopy system used for experiment.

 하나의 테라헤르츠 소스를 사용하여 물체를 스캐닝할 때 물체의 표면이 평면을 이룰 경우 소스에서 물체까지의 거리는 동일하고, 또한 물체 내부의 굴절률이 동일하다면 시간 인덱스에 따른 평면 재구성으로 단층영상을 얻을 수 있다^[10].

 본 논문에서는 시간 인덱스를 통해 깊이 정보를 획득한 여러 샘플의 time-of-flight 단층 영상 결과를 제시하였다.

2.1. Depth imaging

T-ray 깊이 정보 영상을 검증하기 위하여 동전을 T-레이로 스캔한 결과를 Figure 3에 나타내었다. Figure 3의 (a)는 동전 사진, (b)는 한 픽셀에서의 최고점만을 영상화한 결과이다. 반사된 T-ray에서 최고점이 의미하는 것은 매질의 굴절률 불연속이 발생함을 의미한다. Figure 3의 (c)는 동전 표면까지의 시간 인덱스 영상이다. 동전에서 돌출된 부분이 먼저 반사되지므로 시간 인덱스가 상대적으로 작고, 따라서 낮은 값을 확인할 수 있다. Figure 3의 (d)는 (c)의 영상을 기반으로 시간 인덱스를 20개의 등고선으로 얻은 contour 영상이다. 동전의 글자 부분은 명확하지 않지만, 인물의 대략적인 모습은 등고선으로 구분되어짐을 확인할 수 있다.

Figure 3. Photograph of the 100 won coin (a), positive peak image of the T-ray (b), positive peak time index image (c), and contour image (d).

2.2. Time resolved tomographic imaging

다층 사이에 굴절률이 강한 매질을 지닌 팬텀을 제작, T-ray로 획득한 결과를 Figure 4, 5에 나타내었다. Figure 4의 (a)에서 나타낸바와 같이, 0.5mm의 두께를 가진 플라스틱 층 뒤에 굴절률이 높은 알루미늄 테이프를 사각형, 역삼각형, 원형, 그리고 마름모 모양으로 부착한 4층 팬텀을 제작하였다(Figure 4. (b)).Figure 4의 (c)는 각 픽셀의 최고점 투영 영상이다. 레이어가 깊어질수록 신호의 강도가 작아짐을 확인할 수 있다. Figure 4의 (d)는 Figure 4의 (c)에서의 빨간 점선으로 표시되어진 영역의 B-mode 영상이다. 플라스틱 층과 알루미늄 테이프 영역사이에서 반사되어진 강한 신호를 확인할 수 있다, Figure 5에 time delay 구간을 나누어 영상화한 결과를 제시하였다. 한 T-레이 데이터에서 깊이는 각 단위 delay 시간에 해당하는 T-레이 속도를 곱해 얻어진 길이의 값을 적분하면 얻어진다. 인접한 40 포인트의 depth 영상으로 0.8mm 정도의 동일한 두께를 가진 영상으로 구성, 각 구간의 최고점 투영 영상을 나타냈다. 각 층 별 영상이 구분되어 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Figure 4. Illustration of the phantom (a), photograph of the phantom (b), The Maximum intensity projection (MIP) image of the T-ray in linear scale (c), and B mode image (d) for the dotted line shown in (c).

Figure 5. Terahertz tomography of the phantom. Maximum intensity projection (MIP) is applied to the images in the time index range of: [41,80] (a), [81,120] (b), [121,160] (c), and [161,200] (d).

3. 결 과

 비가시적인 부분에 대한 단층 영상화를 통해 비파괴 검사를 시행하였다. Figure 6은 집적회로의 T-ray tomography 영상이다. Gaussian window가 적용된 STFT 영상의 결과를 제시하였다.Figure 7은 다양한 윈도우를 적용한 단층 영상의 해상도와 신호대 잡음비를 보여주고 있다. (a)는 각 픽셀에서 최고점 투영 영상이고, (b)는 32 포인트의 일정 구간에 대한 최고점 투영 영상이다. (c)는 (b) 와 동일한 구간에서 사각 윈도우를 사용한 STFT 영상, (d)는 가우시안 윈도우를 사용한 STFT 영상이다. Figure 8은 Figure 7의 (b), (c), (d)의 수직방향의 컷뷰 영상을 나타내었다. 컷뷰의 표시된 선색은 Figure 7에 표시된 선색과 동일하게 파란 선은 MIP (b), 녹색 선은 사각 윈도우 (c), 빨간 선은 가우시안 윈도우 (d) 영상의 컷뷰를 나타낸다. Figure 8 (b)에 확대한 영상에 따르면, 가우시안 윈도우가 적용된 영상이 가장 선명한 것을 확인할 수 있다. 테라헤르츠 토모그래피 영상을 통하여 집적회로의 접착 형태, 불량 원인 규명 등 다양한 비파괴 검사에 활용할 수 있을 것으로 생각한다.

Figure 6. THz tomography images of shorttime Fourier transform (STFT) using a Gaussian window (window size = 16).

Figure 7. Two-dimensional peak value image of the T-ray (a), MIP image for a short time interval (b), STFT images with a rectangular window (c), and a Gaussian window (d), respectively.

Figure 8. Cut views of the sample in the vertical direction (a) and zoomed views (b).

4. 결 론

 균일한 표면의 샘플에 대한 테라헤르츠 time-of-flight tomography 영상을 획득하였다. 시간 인덱스 정보가 깊이 정보로 이용되어짐을 여러 방법으로 확인하였다. Short-time Fourier transform (STFT)을 이용한 후처리 가공을 통해 고해상도의 영상을 획득하였고, 다양한 윈도우를 적용해 보았다. 테라헤르츠 comograpy 영상을 통해 비파괴 검사의 긍정적인 가능성을 확인하였다. 또한 높은 시간 해상도를 가짐에도 불구하고, 얇은 층을 구분하기 위한 디콘볼루션 연구가 필요하다.

Acknowledgement

 이 논문은 2011년도 광운대학교 교내학술연구비 지원과 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. 2011-0001291) 임.