Research on resolution enhancement of X-ray phase contrast tomography and application of digital holography

Abstract

Three-dimensional shape measurement of microscopic objects is an important task in many fields such as biology, micro-electronics industry, and MEMS engineering. Currently, 3D measurement systems require higher quality and resolution. This thesis describes digital holography for high-resolution 3D thermal imaging and high-resolution X-ray phase contrast tomography image correction techniques. Hybrid digital holography is developed using in-line phase-shifting digital holography and thermography. The three-dimensional temperature image is acquired by surface texturing function. We measured the three-dimensional temperature of a USAF resolution target. This result preserved the resolution of digital holography temperature and sensitivity of IR camera. An alignment method for correction of the axial and radial runout errors of the rotation stage in X-ray phase-contrast computed tomography has been developed. Only intensity information was used, without extra hardware or complicated calculation. Notably, the method, as demonstrated herein, can utilize the halo artifact to determine displacement. From this method, Reconstructed Ni-Mn-Co powder tomography image has 55 nm three-dimensional resolution. The intensity and direction of the incident beam at the sample position in synchrotron full-field transmission X-ray microscopy (TXM) are subject to change. Incident-beam fluctuation in computed tomography results in significant contrast degradation of the reconstructed image. This sinogram normalization algorithm effectively solves the incident intensity problem. According to this results, the contrast of reconstructed ruby tomography image was improved by 13% and the artifacts were suppressed.

차원 광학 이미지는 물체가 가진 높이 정보와 이미지를 동시에 표현하는 이미지를 의미한다. 3차원 광학 이미지로는 대표적으로, 수치적인 계산을 통해 초점을 맞출 수 있으며 물체의 위상(位相) 정보와 이미지 정보를 구할 수 있는 디지털 홀로그래피와 엑스선 단층(單層) 이미지가 있다. 이 논문에서는 앞선 두 시스템에서 획득할 수 있는 3차원 이미지의 해상도와 품질을 향상 방법에 대하여 서술하고 있다. 이러한 연구 결과는 향후 마이크로, 나노미터 단위의 전자 전기 산업의 정확도를 높일 수 있는 방법으로 활용될 수 있다. 기존 디지털 홀로그래피를 응용한 3차원 열화상 측정 장비는 물체의 온도를 측정할 수 있는 장점이 있으나 장파장(長波長) 적외선 광원을 이용하기 때문에 복원된 3차원 이미지의 수평, 수직 분해능(分解能)이 낮다. 이에 본 논문은 가시광선(可視光線)을 활용한 위상 이동 디지털 홀로그래피 현미경과 2차원 열화상 카메라에서 획득한 이미지를 결합시킨 고분해능(高 分解能) 3차원 열화상(熱畫像) 디지털 홀로그래피 복원 기법을 개발하였다. 두 광학 측정 시스템에서 획득한 이미지를 3차원 표면 질감 제작 기법으로 결합한 이 방법은 위상을 획득할 수 있는 가시광선 디지털 홀로그래피의 분해능을 보존하며, 열화상 카메라가 가진 고유의 온도 민감도 역시 보존할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 고분해능 3차원 열화상 이미지는 향후(向後) 비파괴(非破壞) 잠닉 손상((潛匿損傷) 진단 연구의 해법을 줄 수 있을 것으로 전망한다. 가시광선 디지털 홀로그래피 이미지는 빛이 투과 혹은 반사되는 정보를 복원한다면, 광학 단층 촬영 이미지는 엑스선을 이용하여 비 투과(非 透過) 물체 내부의 단면 정보를 복원할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이 논문은 단층 촬영 이미지 획득 도중 발생할 수 있는 실험적 오류 해결법에 대하여 서술하고, 분해능 과 대비도(對比度)가 높은 이미지를 획득하는 방법에 대하여 서술하고 있다. 먼저, 광학 단층 촬영 방법에서의 수평 해상도를 결정하는 가장 큰 요인인 기계적 회전 오차를 상쇄시키기 위해 마이크로미터 스케일의 유리관의 경계를 광량을 이용하여 보정(補正) 하였다. 시료는 포항 방사광가속기(放射光加速器) 연구소에서 2차전지에 사용되는 Ni-Mn-Co 파우더를 측정하였으며, 오차 제거 후 55 nm 분해능을 지닌 단층 이미지를 획득 할 수 있었다. 둘째로 엑스선 광학 단층 측정 중 발생하는 입사(入射) 광량의 변화를 사이노그램을 이용하여 보정할 수 있는 방법에 대하여 연구하였다. 실험에 사용된 20 마이크로미터의 루비 시료는 제시한 방법을 이용하여, 복원된 단층 이미지의 대비도(對比度)를 13.8 % 향상시켰으며 복원 오류 이미지를 제거할 수 있었다.