[논문]MR 유체 입자 속도 계측을 위한 디지털 홀로그래피 현미경 시스템의 개발

강보선

doi:10.15435/jilasskr.2016.21.2.88

MR 유체 입자 속도 계측을 위한 디지털 홀로그래피 현미경 시스템의 개발
Development of Digital Holographic Microscopy System for Measurements of Particle Velocities in MR Fluids 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.21 no.2, 2016년, pp.88 - 94

Abstract ▼ AI-Helper

In this study digital holographic microscopy system for measurements of 3-D velocities of particles in MR fluid is developed. Holograms are recorded using either a CCD camera with a double pulse laser or a high-speed camera with a continuous laser. To process recorded holograms, the correlation coefficient method is used for focal plane determination of particles. To remove noise and improve the quality of holograms and reconstructed images, a Wiener filter is adopted. The two-threshold and image segmentation methods are used for binary image transformation. For particle pairing, the match probability method is adopted. The developed system will be applied to measurements of the characteristics of unsteady 3-D particle velocities in MR fluids through the next stage of this study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 외부 자기장 인가에 의한 MR 유체 내 입자의 비정상 3차원 속도 측정을 위한 디지털 홀로그래피 현미경 시스템을 구축하고자 한다. 이를 위하여 MR 유체 내 입자에 대한 홀로그램을 기록할 수 있는 광학시스템을 구축하고, 기록된 홀로그램에 대해 이미지 처리를 통해서 입자의 3차원 속도를 측정할 수 있는 프로그램들을 개발하고자 한다.
본 연구에서는 외부 자기장 인가에 의한 MR 유체 내 입자의 비정상 3차원 속도 측정을 위한 디지털 홀로그래피 현미경 시스템을 구축하였다. MR 유체 내 입자에 대한 홀로그램을 기록할 수 있는 광학시스템을 구축하였고, 기록된 홀로그램에 대해 이미지 처리를 통해서 입자의 3차원 속도를 측정할 수 있는 프로그램들을 개발하였다.

제안 방법

본 연구에서는 외부 자기장 인가에 의한 MR 유체 내 입자의 비정상 3차원 속도 측정을 위한 디지털 홀로그래피 현미경 시스템을 구축하였다. MR 유체 내 입자에 대한 홀로그램을 기록할 수 있는 광학시스템을 구축하였고, 기록된 홀로그램에 대해 이미지 처리를 통해서 입자의 3차원 속도를 측정할 수 있는 프로그램들을 개발하였다. 펄스 레이저를 이용한 이중 펄스 홀로그램과 연속 레이저와 고속카메라를 이용한 홀로그램을 재생하여 시간에 따른 MR 유체 내 입자의 이동을 확인할 수 있었다.
. 두 재생방법을 비교한 이전 연구⁽⁹⁾에서 Convolution 방법에 의해 재생된 이미지의 해상도가 Fresnel 근사 방법보다 더 우수했기 때문에 본 연구에서는 Convolution 재생방법을 선택하였다. Convolution 재생방법의 수학적 표현은 다음과 같다.
재생 이미지는 모든 영역에서 균일하지 않기 때문에 전체 영역에서 단일 이진화기준을 사용하여 이진화해 버리면 중요한 정보가 상실될 가능성이 높다. 따라서, 본 연구에서는 전체 영역을 작은 해석 영역으로 구분한 뒤 영역마다 다른 이진화기준을 적용하였다.
임의의 광축 위치에서 재생된 액적 이미지는 배경과의 명암 차이가 크지 않으며 스페클을 비롯한 잡음이 많기 때문에 적절한 이진화기준을 사용하여 이진화할 필요가 있다. 본 연구에서는 두 단계에 의해 계산된 이진화기준을 적용하였다. 첫 단계의 이진화기준은 재생 이미지 평균값에 최저값을 더한 값을 사용하고, 두 번째 단계의 이진화기준은 첫 단계의 이진화기준보다 낮은 값만을 대상으로 한 평균값과 최저값을 더한 기준을 사용하였다.
외부로부터 MR 유체에 자기장을 가하기 위하여 영구자석(40×20×10 mm) 두 개를 MR 유체 탱크 중심으로부터 78 mm 떨어진 위, 아래 위치에 순간적으로 설치하였다.
11에 나타내었듯이 상관계수의 곡선으로부터 최대 점에 해당하는 광축 위치에서 재생된 이미지이다. 이러한 과정을 거쳐서 구해진 확대 배율 M=32였으며, 실험 조건이 변경되는 경우에는 테스트 자를 기록하여 새로운 확대 배율을 구하여 이미지 처리에 사용하였다.
본 연구에서는 외부 자기장 인가에 의한 MR 유체 내 입자의 비정상 3차원 속도 측정을 위한 디지털 홀로그래피 현미경 시스템을 구축하고자 한다. 이를 위하여 MR 유체 내 입자에 대한 홀로그램을 기록할 수 있는 광학시스템을 구축하고, 기록된 홀로그램에 대해 이미지 처리를 통해서 입자의 3차원 속도를 측정할 수 있는 프로그램들을 개발하고자 한다.
본 연구에서는 두 단계에 의해 계산된 이진화기준을 적용하였다. 첫 단계의 이진화기준은 재생 이미지 평균값에 최저값을 더한 값을 사용하고, 두 번째 단계의 이진화기준은 첫 단계의 이진화기준보다 낮은 값만을 대상으로 한 평균값과 최저값을 더한 기준을 사용하였다.

대상 데이터

6에 나타내었다. MR 유체 탱크의 크기는 수평 12 mm, 수직 15 mm, 폭 4 mm이다. 탱크 안에는 실리콘 오일을 기본 유체로 하여 철 입자(평균 직경 35 µm)가 분산되어 있으며 실험 전에 초음파에너지를 가하여 입자간의 응집성을 최대한 제거하였다.
4에 나타내었다. 홀로그램의 기록은 CCD 카메라와 Nd-YAG 이중 펄스 레이저를 사용하거나, 고속 카메라의 경우는 Nd-YAG 연속 레이저를 사용하였다. 사용한 장비들의 구체적인 사양은 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

각 펄스의 재생된 액적 이미지에서 액적의 x, y 좌표는 쉽게 결정되며, 광축인 z 좌표는 상관계수법을 사용하여 구함으로써 각 펄스에서의 액적의 3차원 좌표가 구해진다. 다음 단계는 입자추적알고리즘을 적용하여 첫 번째와 두 번째 펄스에서의 동일 액적을 찾는 것이며, 본 연구에서는 Baek과 Lee의 일치 확률(matching probability) 방법⁽¹⁷⁾을 이용하였다.
실제 기록되는 홀로그램은 실험 조건과 광학 부품에 의해 많은 노이즈를 포함하고 있기 때문에 이를 효과적으로 제거할 수 있는 적절한 이미지처리 방법이 필요하다. 이러한 목적으로 inverse 필터⁽¹³⁾, subtraction 방법⁽¹⁴⁾, Gaussian high pass and spectral 필터⁽¹⁵⁾ 등이 사용되고 있으며, 본 연구에서는 이러한 필터들을 검증해 본 결과 가장 성능이 좋은 Wiener 필터⁽¹⁶⁾를 사용하였다.
홀로그램에서 재생된 입자 이미지는 일반적인 카메라 이미지와는 다르게 대개 초점 심도(depth of focus)가 매우 크기 때문에, 초점면을 어떻게 결정하느냐가 입자 홀로그래피 해석에 있어서 중요한 문제 중의 하나이다. 지금까지 제안된 방법 중에는 강도를 이용하는 방법⁽¹⁰⁾, Wavelet 변환에 의한 최대 크기를 이용하는 방법⁽¹¹⁾ 등이 있으며, 본 연구에서는 본 연구그룹에서 제안한 상관계수법⁽¹²⁾을 사용하였다. 두 영상 F와 G에 대해 정의되는 상관계수(CC, Correlation Coefficient)는 식 (4)와 같이 정의되며, 두 영상간 유사성이 낮으면 0에 가까운 값, 유사성이 아주 높으면 1에 가까운 값을 갖는다.

성능/효과

MR 유체 내 입자에 대한 홀로그램을 기록할 수 있는 광학시스템을 구축하였고, 기록된 홀로그램에 대해 이미지 처리를 통해서 입자의 3차원 속도를 측정할 수 있는 프로그램들을 개발하였다. 펄스 레이저를 이용한 이중 펄스 홀로그램과 연속 레이저와 고속카메라를 이용한 홀로그램을 재생하여 시간에 따른 MR 유체 내 입자의 이동을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 연구에서는 MR 유체 내 입자의 속도를 측정할 수 있는 디지털 홀로그래피 현미경 시스템의 개발에 초점을 두었고, 다음 단계의 연구에서는 개발된 시스템을 사용하여 자기장 세기 변화의 영향, 입자 속도의 공간 분포 등과 같은 MR 유체 내 입자의 속도 특성에 대한 연구를 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디지털 홀로그래피의 장점은?	물체를 3차원적으로 기록, 재생할 수 있는 홀로그래피는 측정 체적의 정보를 기록한 이후에, 다양한 방법으로 재생함으로써 홀로그램에 저장된 많은 양의 측정 체적 정보를 추출할 수 있다. 기존 광학적 홀로그래피를 급속하게 대체하고 있는 디지털 홀로그래피는 홀로그램의 화학적 처리가 필요하지 않고 시스템을 단순화시킬 수 있으며, 실시간 분석이 가능하다는 여러 가지 장점으로 인하여, 여러 분야에서 광범위하게 응용되고 있다(1). 매우 작은 측정 체적을 확대하여 기록하기 위해서는 디지털 홀로그래피 현미경 시스템이 필요하다.
	자기 유변 유체란 무엇인가?	자기 유변 유체(MR, Magnetorheological Fluid)는 실리콘 오일 또는 미네랄 오일 등의 비전도성 용매에 마이크로미터 크기의 자성을 가질 수 있는 입자(예: 철 (Iron))을 분산시킨 유체이다(2). 이 유체는 Fig.
	자기 유변 유체는 어떤 특성이 있는가?	이 유체는 Fig. 1에 나타낸 것과 같이, 외부 자기장이 작용하지 않을 때는 입자가 불규칙적으로 분산되어 등방성의 물리적 성질을 가지지만, 외부 자기장이 가해지면 극성을 가진 입자들이 길게 체인 형태로 나열되어 비등방성의 구조를 가지면서 유체의 물리적, 유변학적 성질이 변화하는 특성을 가지고 있다(3).

참고문헌 (17)

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추연준, 강보선, "홀로그래피 입자속도 측정시스템의 개발과 분무 액적에의 적용", 한국액체미립화학회지, 제10권, 제3호, 2005, pp. 17-28.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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