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문제 정의
- THz 파의 투과에 의한 2차원 이미징 실험과 그 가능성 및 데이터 처리 기법에 대하여 토의하였다. 몇 가지 특징적인 시료들을 이용하여 투과된 THz파의 크기 및 위상을 검출하여 이미지 처리에 이용하였다.
- 이미징 시스템의 적용 가능성을 위한 기초실험으로 서 살아있는 클로버 잎과 화폐의 워터마크, 마른 멸치와 땅 콩의 T-Ray 영상을 얻었다. 또한 새로운 이미징 처리 기법을 적용한 이미지 개선을 통하여 각 시료의 경계 및 내부 구조를 파악한 결과를 보고한다.
- 호모몰픽 필터링을 땅콩 이미지에 적용한 결과(그림 13(b)) 피크 값만을 이용하여 얻은 이미지(그림 7, 그림 8, 그림 13(a)) 보다 노이즈에 의한 내부의 요철이 사라지고 땅콩 내 외부의 경계선이 뚜렷이 나타나며 땅콩 내부의 균일한 밀도 를 깨끗이 확인할 수 있었다. 물론 경계선 부근의 모자이크 성 가공물(artifact)은 향후 이미지 윤곽처리기법을 사용하여 개선하고자 한다.
- 본 논문에서는 펨토초 티타늄 사파이어(Ti:Sapphire) 레이 저로 여기한 광전도 안테나 및 ZnTe 결정을 이용한 광정류 법에 의해 발생된 THz 펄스에 의한 2차원 이미징에 대해 기 술한다. 이미징 시스템의 적용 가능성을 위한 기초실험으로 서 살아있는 클로버 잎과 화폐의 워터마크, 마른 멸치와 땅 콩의 T-Ray 영상을 얻었다.
제안 방법
- THz 파는 광정류법을 통해 얻었다. 800 nm 펨토초 티타늄 사파이어 레이저를 1 mm 두께의 ZnTe(llO)에 조사하여 얻은 THz 파를 만들고 광전도 안테나를 사용하여 파형을 측정하였다. 이미지 샘플링에 사용된 면적은 3.
- THz 파를 이용한 최초의 이미징 실험은 1995년 발표된 AT&T 벨 연구소의 B.B. Hu 와 M.C. Nuss 논문[6]인데 이 논문에서는 나뭇잎에 THz 파를 조사하여 수분에 의한 테라 파의 감쇠를 이용하여 시료의 이미지를 얻었다. 본 연구에서는 THz 파의 이미징 특성을 알아보기 위하여 그림 2(a)에 보이는 바와 같은 살아있는 클로버 잎에 대한 T-Ray 영상 기 초 실험을 시도하였다.
- 그림 1의 이미터 광전도 안테나는 저온성장 GaAs(LT-GaAs) 박막 위에 갭간격 200 pm 의 공면 스트립 안테나(coplanar strip antenna)를 증착하여 제작하였다. THz 펄스의 안테나와 자유공간 사이의 결합을 증가시키고 또한 THz 빔을 집속하는 효과를 내도록하기 위하여 직경 1 cm 의 초반구형(hyper-hemispherical) 실리콘 렌즈를 THz 이미터 와 검출기의 뒷면(스트립 라인이 설치되지 않은 쪽)에 부착 하였다. 광정류법에 의한 THz 파 발생시는 이미터 안테나 대신에 비선형 광결정(ZnTe 을 설치하였다.
- THz 펄스의 안테나와 자유공간 사이의 결합을 증가시키고 또한 THz 빔을 집속하는 효과를 내도록하기 위하여 직경 1 cm 의 초반구형(hyper-hemispherical) 실리콘 렌즈를 THz 이미터 와 검출기의 뒷면(스트립 라인이 설치되지 않은 쪽)에 부착 하였다. 광정류법에 의한 THz 파 발생시는 이미터 안테나 대신에 비선형 광결정(ZnTe 을 설치하였다. 이미터 안테 나 다음의 두 개의 파라볼릭 미러는 THz 빔을 시료에 집속하기 위한 것이고 다음의 두개는 시료에서 투과된 THz 빔을 모아서 검출기 안테나에 집속시키기 위한 것이다.
- 그림 7에서 나타난 결과를 이용하여 이번에는 땅콩의 경계 와 내부 구조를 좀 더 명확하게 보기 위하여 다양한 방법을 이용하여 보았다. 그림 8는 그 결과를 나타낸 것이다.
- 다음으로 THz 파의 특성을 이용한 투과 실험으로서 속이 보이지 않는 땅콩을 껍질을 열지 않은 채로 THz 파를 조사 하여 내부의 이미지를 얻는 실험을 하였다. 땅콩 이미징에 사용된 실험 조건은 다음과 같다.
- 땅콩은 그림 5(a)에서와 같이 양면테이프를 사용하여 종이위에 고정하여 사용하였고 그림 5(b)는 측정이 끝난 후 껍질을 열어놓은 땅콩의 내부 모습이다. 땅콩과 양면테이프 를 통과하지 않고 종이만 통과하는 THz 파를 기준 파형으로 하고 모든 픽셀에서의 자료를 분석하여 땅콩의 THz 이미지를 얻을 수 있었다.
- 마찬가지 방법으로 또 다른 시료인 마른 멸치에 대해서도 같은 실험을 수행하여 2차원 이미징 실험을 하였다. 그림 9 은 실제 실험에 사용된 광학 이미지 이다.
- THz 파의 투과에 의한 2차원 이미징 실험과 그 가능성 및 데이터 처리 기법에 대하여 토의하였다. 몇 가지 특징적인 시료들을 이용하여 투과된 THz파의 크기 및 위상을 검출하여 이미지 처리에 이용하였다. 이미지를 얻기 위한 방법으로 THz파의 최대값, 최대 최소값의 차, 최대값이 나타나는 시간 지연(위상)을 이용하였다.
- 그림 9 은 실제 실험에 사용된 광학 이미지 이다. 보이는 바와 같이 멸치는 될 수 있는 한 작고 두께가 얇으며 잘 마른 것을 사용하여 THz 파의 흡수가 적게 되도록 하였다. 이 실험은 땅 콩 이미징 실험에서와 같이 THz 펄스는 광정류법을 통해 얻 고 광전도 안테나를 사용하여 파형을 측정하였다.
- 본 연구에서는 시간 영역에서 THz 파의 피크 값을 이용하는 방법, 피크 값의 차를 이용하는 방법, 위상 값의 변화를 이용하는 방법, 그리고 위의 값들을 조합하여 이미지를 얻는 방법 등을 사용하여 이미지를 얻어서 비교분석한다.
- 각 값에 의한 이미지를 비교 분석한 결과 THz 파 펄스의 크기는 주로 경계 값의 검출에 유용 하고 위상은 내부 구조를 파악하는데 유용함을 알 수 있었다. 이 결과를 이용하여 경계 값과 아울러 내부 구조를 파악 하기 위하여 두 값을 조합하여 더 선명한 이미지를 얻어낼 수 있었다: 또한 호모몰픽 필터링(homomorphic filtering) 기법을 이용하여 이미지의 노이즈를 저감시킨 결과도 제시하였다. 2차원 이미징 실험을 통하여 얻은 결과를 발전시켜 향후 실시간 이미징에도 응용 가능하리라 기대된다.
- 보이는 바와 같이 멸치는 될 수 있는 한 작고 두께가 얇으며 잘 마른 것을 사용하여 THz 파의 흡수가 적게 되도록 하였다. 이 실험은 땅 콩 이미징 실험에서와 같이 THz 펄스는 광정류법을 통해 얻 고 광전도 안테나를 사용하여 파형을 측정하였다. 이미지 샘 플링에 사용된 면적은 4.
- THz 파는 서브피코초의 시간분해능이 있으므로 굴절률의 차이가 매우 작은 물질들의 이미징에 적용할 수 있는 특징을 가지고 있다. 이러한 특징을 시험하기 위하여 우리나라 만원 권 지폐에 있는 워터마크에 대한 이미징을 시도하였다. 그림 3에 만원권 지폐를 투과한 두 개의 시간영역 파형을 보인다.
- 몇 가지 특징적인 시료들을 이용하여 투과된 THz파의 크기 및 위상을 검출하여 이미지 처리에 이용하였다. 이미지를 얻기 위한 방법으로 THz파의 최대값, 최대 최소값의 차, 최대값이 나타나는 시간 지연(위상)을 이용하였다. 각 값에 의한 이미지를 비교 분석한 결과 THz 파 펄스의 크기는 주로 경계 값의 검출에 유용 하고 위상은 내부 구조를 파악하는데 유용함을 알 수 있었다.
- 본 논문에서는 펨토초 티타늄 사파이어(Ti:Sapphire) 레이 저로 여기한 광전도 안테나 및 ZnTe 결정을 이용한 광정류 법에 의해 발생된 THz 펄스에 의한 2차원 이미징에 대해 기 술한다. 이미징 시스템의 적용 가능성을 위한 기초실험으로 서 살아있는 클로버 잎과 화폐의 워터마크, 마른 멸치와 땅 콩의 T-Ray 영상을 얻었다. 또한 새로운 이미징 처리 기법을 적용한 이미지 개선을 통하여 각 시료의 경계 및 내부 구조를 파악한 결과를 보고한다.
- 2차원 이미징을 위해 시료를 시료홀더에 고정하고, 이 홀 더는 2개의 모터구동 선형 스테이지로 구성한 2차원 주사 스 테이지(scanning stage)에 부착하였다. 컴퓨터를 이용하여 시 료가 고정된 스테이지를 레이저 빔의 진행방향에 수직한 단 면으로 주사하였고, 시료의 각 픽셀을 투과한 THz 파에 대한 정보를 Lock-in Amplifier와 컴퓨터를 이용하여 저장하고 분석하였다.
- 이미터 안테 나 다음의 두 개의 파라볼릭 미러는 THz 빔을 시료에 집속하기 위한 것이고 다음의 두개는 시료에서 투과된 THz 빔을 모아서 검출기 안테나에 집속시키기 위한 것이다. 후술하는 땅콩 및 멸치의 이미징 실험에서는 두 번째와 세 번째의 파 라볼릭 미러를 제거하고 초점길이 10 cm의 실리콘 렌즈 2개 를 이용하여 THz 빔을 집속하였다. 집속된 THz 빔의 직경은 0.
대상 데이터
- 5 mm 이하로 측정되었다. 검출용 광전도 안테나는 갭 길 이 0.5 ㎛의 쌍극자 안테나를 LT-GaAs기판위에 형성시켜 사용하였다.
- 여기용 레이저는 상용의 모드 잠금 티타늄 사파이어 레이 저(Spectra Physics MaiTai)이며, 중심파장 800 nm에서 펄스 폭은 100 fs를 가지며 반복률은 80 MHz, 평균출력은 1000 mW 이다. 그림 1의 이미터 광전도 안테나는 저온성장 GaAs(LT-GaAs) 박막 위에 갭간격 200 pm 의 공면 스트립 안테나(coplanar strip antenna)를 증착하여 제작하였다. THz 펄스의 안테나와 자유공간 사이의 결합을 증가시키고 또한 THz 빔을 집속하는 효과를 내도록하기 위하여 직경 1 cm 의 초반구형(hyper-hemispherical) 실리콘 렌즈를 THz 이미터 와 검출기의 뒷면(스트립 라인이 설치되지 않은 쪽)에 부착 하였다.
- 여기용 레이저는 상용의 모드 잠금 티타늄 사파이어 레이 저(Spectra Physics MaiTai)이며, 중심파장 800 nm에서 펄스 폭은 100 fs를 가지며 반복률은 80 MHz, 평균출력은 1000 mW 이다. 그림 1의 이미터 광전도 안테나는 저온성장 GaAs(LT-GaAs) 박막 위에 갭간격 200 pm 의 공면 스트립 안테나(coplanar strip antenna)를 증착하여 제작하였다.
- 그림 4에 진폭의 차이를 이용하여 구성한 워터마크의 이미지를 보인다. 이미징 데이터는 250 um 간격으로 스캔하여 그림 1의 시간지연기(delay line)를 THz 파형의 피크 값이 나오는 시점에 고정함으로서 진폭 값 만 획득하여 저장함으로서 이미징 시간을 단축할 수 있었다. 그림 4의 이미지에서 지폐 내에 숨겨진 워터마크를 선명하 게 볼 수 있으며 특히 좌측하단에 보이는 태극마크 형태는 투과된 THz 파의 진폭이 매우 작은 값을 가지기 때문이며, 이는 태극마크의 무늬에 THz 파가 투과하기 어려운 금속성 의 물질이 내재해 있음을 암시한다.
이론/모형
- 땅콩 이미징에 사용된 실험 조건은 다음과 같다. THz 파는 광정류법을 통해 얻었다. 800 nm 펨토초 티타늄 사파이어 레이저를 1 mm 두께의 ZnTe(llO)에 조사하여 얻은 THz 파를 만들고 광전도 안테나를 사용하여 파형을 측정하였다.
- 본 연구에서 2차원 THz 파 영상을 얻기 위하여 구축한 시스템의 개략을 그림 1에 보인다. THz 파의 발생에는 광전 도 안테나법과 광정류법을 사용하였고 검출에는 광전도 안 테나를 이용하였다. 광전도 안테나법을 이용한 THz 파의 발 생과 검출은 참고논문[16], 광정류법을 이용한 THz 파의 특성에 관해서는 참고논문""를 참고하기 바라며, 여기에서는 주요 시스템의 개략에 대하여 간단히 기술한다.
성능/효과
- 와 같이 분리하여 각각 별도로 처리하여 밝은 영역과 어두운 영역을 동시에 효과적으로 이미지를 개선하는 호모몰픽 필터 링(Homomorphic Filtering) 기법을 그림 12에 나타낸다®. 호모몰픽 필터링을 땅콩 이미지에 적용한 결과(그림 13(b)) 피크 값만을 이용하여 얻은 이미지(그림 7, 그림 8, 그림 13(a)) 보다 노이즈에 의한 내부의 요철이 사라지고 땅콩 내 외부의 경계선이 뚜렷이 나타나며 땅콩 내부의 균일한 밀도 를 깨끗이 확인할 수 있었다. 물론 경계선 부근의 모자이크 성 가공물(artifact)은 향후 이미지 윤곽처리기법을 사용하여 개선하고자 한다.
- 이미지를 얻기 위한 방법으로 THz파의 최대값, 최대 최소값의 차, 최대값이 나타나는 시간 지연(위상)을 이용하였다. 각 값에 의한 이미지를 비교 분석한 결과 THz 파 펄스의 크기는 주로 경계 값의 검출에 유용 하고 위상은 내부 구조를 파악하는데 유용함을 알 수 있었다. 이 결과를 이용하여 경계 값과 아울러 내부 구조를 파악 하기 위하여 두 값을 조합하여 더 선명한 이미지를 얻어낼 수 있었다: 또한 호모몰픽 필터링(homomorphic filtering) 기법을 이용하여 이미지의 노이즈를 저감시킨 결과도 제시하였다.
- 그림 4의 이미지에서 지폐 내에 숨겨진 워터마크를 선명하 게 볼 수 있으며 특히 좌측하단에 보이는 태극마크 형태는 투과된 THz 파의 진폭이 매우 작은 값을 가지기 때문이며, 이는 태극마크의 무늬에 THz 파가 투과하기 어려운 금속성 의 물질이 내재해 있음을 암시한다. 상기의 결과는 THz 파 를 이용한 이미징 시스템이 30 fs의 작은 시간차를 구분할 수 있을 정도로 민감하며 이러한 고감도의 측정은 펄스형 THz 파를 이용한 측정의 위상 민감성에 기인한 결과이다. 이 결과를 이용하면 위조지폐의 진위를 판별하는 기술에 응 용될 수 있을 것이다.
- 테이핑에 의한 선들도 훨씬 또렷하게 구분된다. 이 두 가지 결과로 볼 때 피크 값과 위상 값을 조합함으로써 경계와 내부의 이미지를 좀 더 분명하게 구분할 수 있음을 알 수 있다. 또한 이러한 테크닉을 시용하여 이미지의 품질을 향상시킬 수 있음을 알 수 있고 실시간 영상을 얻는 경우에도 이러한 방법을 통하여 고밀도의 이미지를 얻을 수 있게 된다.
후속연구
- 이 결과를 이용하여 경계 값과 아울러 내부 구조를 파악 하기 위하여 두 값을 조합하여 더 선명한 이미지를 얻어낼 수 있었다: 또한 호모몰픽 필터링(homomorphic filtering) 기법을 이용하여 이미지의 노이즈를 저감시킨 결과도 제시하였다. 2차원 이미징 실험을 통하여 얻은 결과를 발전시켜 향후 실시간 이미징에도 응용 가능하리라 기대된다.
- 5]. 또한 선진 각국에서 THz 관련 기술을 중요한 미래 기술 의 하나로 포함시키고 있는 것만 보아도 향후 그 응용성과 파급효과가 상당할 것으로 예상된다.
- 상기의 결과는 THz 파 를 이용한 이미징 시스템이 30 fs의 작은 시간차를 구분할 수 있을 정도로 민감하며 이러한 고감도의 측정은 펄스형 THz 파를 이용한 측정의 위상 민감성에 기인한 결과이다. 이 결과를 이용하면 위조지폐의 진위를 판별하는 기술에 응 용될 수 있을 것이다.
- 또한 줄기의 아래 부분에 시료를 고정하기 위하여 붙인 셀로 판테이프의 형상도 뚜렷하게 드러남을 알 수 있다. 이 실험을 통하여 THz 파를 이용한 다양한 생체 영상 응용 가능성을 확인할 수 있다.
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