DE102007011704A1 - Measuring device for mapping object area with terahertz radiation, has reference object arranged in object area, in which reference object is radiated by reference radiation - Google Patents

Measuring device for mapping object area with terahertz radiation, has reference object arranged in object area, in which reference object is radiated by reference radiation Download PDF

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Axel Dr. Brock
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Abstract

The measuring device (1) has a reference object (4) arranged in an object area (2), in which the reference object is radiated by a reference radiation. A terahertz receiver unit (8) is provided with multiple terahertz detector unit. A deformation mirror (6) is provided, which has actuators (13). The deformation mirror receives terahertz radiation from the object area and reference radiation coming from the reference object and reflects into a light path guided by terahertz receiver unit. An independent claim is a measurement assembly comprises multiple measuring devices.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für die Abbildung mit Terahertz-Strahlung, insbesondere zur Abbildung eines großvolumigen Objektbereichs beziehungsweise über große Entfernungen mit einem Objektabstand von mehreren Metern mit Strahlung im Terahertz-Spektralbereich.The The invention relates to a measuring device for imaging with terahertz radiation, especially for imaging a large volume Object area or over long distances with an object distance of several meters with radiation in the terahertz spectral range.

Unter Terahertz-Strahlung wird elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich zwischen dem fernen Infrarot- und dem Mikrowellenbereich verstanden. Demnach liegt Terahertz-Strahlung in einem Frequenzband, das von 30 THz bis 300 GHz reicht, was Wellenlängen von einigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern entspricht.Under Terahertz radiation becomes electromagnetic radiation in the spectral range between the far infrared and the microwave range. Thus, terahertz radiation is in a frequency band of 30 THz to 300 GHz is enough, which is wavelengths of some Microns to a few millimeters corresponds.

Aufgrund geringer Photonenenergien in der Größenordnung weniger Millielektronenvolt wirkt Terahertz-Strahlung im Gegensatz zur Röntgenstrahlung nicht ionisierend und ist folglich für biologisches Gewebe unschädlich. Diese vorteilhafte Eigenschaft ist insbesondere für die Anwendung von Terahertz-Strahlung für medizinisch-diagnostische Zwecke und zur Realisierung von Sicherheits- und Überwachungssystemen relevant. Darüber hinaus sind die meisten dielektrischen Materialien transparent für Terahertz-Strahlung, sodass Kleidung, Papier, Plastik und Leder von Terahertz-Strahlung durchstrahlt werden kann. Dagegen sind metallische Gegenstände beziehungsweise allgemein elektrisch leitfähige Gegenstände hoch reflektierend für Terahertz-Strahlung, sodass diese besonders vorteilhaft zur Erkennung von unter der Kleidung oder in Koffern versteckten Waffen und damit für die Überwachung von öffentlichen Bereichen, etwa Flughäfen und Bahnhöfen, eingesetzt werden kann.by virtue of low photon energies of the order of magnitude less milli-electron volts acts in contrast to terahertz radiation non-ionizing to X-rays and therefore is harmless to biological tissue. This advantageous Property is particular for the application of terahertz radiation for medical diagnostic purposes and for realization relevant to security and surveillance systems. About that In addition, most dielectric materials are transparent to terahertz radiation, so that clothing, paper, plastic and leather of terahertz radiation can be irradiated. By contrast, metallic objects or generally electrically conductive objects highly reflective for terahertz radiation, so this particularly advantageous for detecting under clothing or weapons hidden in suitcases and thus for surveillance from public areas, such as airports and Stations, can be used.

Zusätzlich ist es aufgrund der voranstehend genannten selektiven Reflexion- und Absorptionseigenschaften mit Terahertz-Strahlung möglich, unterschiedliche Materialien, beispielsweise Sprengstoffe, durch Kleidung oder Verpackungsmaterialien hindurch erkennen zu können oder Terahertz-Strahlung für die Werkstoffprüftechnik und für die Lebensmittel- und Medikamententechnik einzusetzen. Exemplarisch wird zur Darlegung der Anwendungsmöglichkeiten von Terahertz-Strahlung auf die Druckschriften EP 0 093 566 B1 und die WO 2006/12 91 13 A1 verwiesen.In addition, due to the aforementioned selective reflection and absorption properties with terahertz radiation, it is possible to be able to detect different materials, for example explosives, through clothing or packaging materials, or to use terahertz radiation for material testing technology and for food and drug technology. An example will be given to the application of terahertz radiation on the pamphlets EP 0 093 566 B1 and the WO 2006/12 91 13 A1 directed.

Eine weitere Eigenschaft von Terahertz-Strahlung ist deren hoher Absorptionsgrad für Wasser, sodass Terahertz-Strahlung in ein Wasser enthaltendes System und damit auch in den menschlichen Körper nur bis zu einer geringen Tiefe eindringt. Dies setzt medizinisch-diagnostischen Anwendungen von Terahertz-Strahlung Grenzen und beschränkt sie auf oberflächennahe Bereiche, etwa zur Diagnose von Karies oder Hautkrebs. Darüber hinaus tritt durch den Wasserdampf in der Luft bereits nach einem Laufweg von wenigen Metern eine starke Leistungsabschwächung ein, so dass auf Terahertz-Strahlung basierende Überwachungssysteme typische Reichweiten unter 10 m aufweisen.A Another characteristic of terahertz radiation is its high degree of absorption for water, so that terahertz radiation in a water-containing System and therefore also in the human body only until penetrates to a shallow depth. This sets medical-diagnostic Applications of terahertz radiation limits and limited on near-surface areas, such as for the diagnosis of Caries or skin cancer. In addition, through the water vapor in the air already after a running distance of a few meters a strong performance weakening such that monitoring systems based on terahertz radiation are typical Ranges less than 10 m.

Zur Abmilderung der voranstehenden Problematik werden hochempfindliche sensorische Systeme für Terahertz-Strahlung entwickelt. Eines der Prinzipien zur Detektion von Terahertz-Strahlung besteht in der Anwendung antennengekoppelter Bolometer, welche wie in der EP 0 903 566 B1 dargestellt, zu einer Sensormatrix zusammengesetzt werden können. Alternativ werden als Terahertz-Detektorelemente Heterodyn-Detektoren verwendet, welche, wie durch die WO 2006/129113 A1 offenbart, durch sukzessives Abrastern ein größeres Bildfeld aufnehmen können. Ferner ist es möglich, zur Detektion von Terahertz-Strahlung durch Mikrostrukturierung hergestellte photonische Kristalle zur Ausbildung von Kamerasystemen mit elektrooptischen Komponenten zu verbinden und so die von einem erwärmten Objekt, beispielsweise einem Menschen, ausgesandte Terahertz-Strahlung ohne weitere Beleuchtungsquellen zur Terahertz-Bildgebung zu verwenden. Ferner wird beispielhaft für eine Terahertz-Kamera auf die Offenbarung der WO 2004/038854 verwiesen.To mitigate the above problem, highly sensitive sensory systems for terahertz radiation are being developed. One of the principles for the detection of terahertz radiation is the use of antenna-coupled bolometers, which, as in the EP 0 903 566 B1 represented, can be assembled into a sensor matrix. Alternatively, as terahertz detector elements heterodyne detectors are used, which, as by the WO 2006/129113 A1 disclosed, can take a larger field of view by successive scanning. Furthermore, it is possible to connect photonic crystals produced by microstructuring for the detection of terahertz radiation by microstructuring with electro-optical components and thus to use the terahertz radiation emitted by a heated object, for example a human, without further illumination sources for terahertz imaging , Further, for a terahertz camera, the disclosure of the WO 2004/038854 directed.

Für die Bildgebung im Terahertz-Spektralbereich wird üblicherweise der Bereich, in dem sich das zu untersuchende Objekt befindet, durch eine Terahertz-Strahlungsquelle ausgeleuchtet. Terahertz-Strahlung kann hierfür nach unterschiedlichen Prinzipien erzeugt werden. Am einfachsten ist eine thermische Erzeugung durch Schwarzkörperstrahlung oder Gasentladungslampen, bevorzugt verbunden mit einer spektralen Filterung. Terahertz-Strahlung kann jedoch auch elektronisch erzeugt werden, etwa durch Halbleiter-Oszillatoren mit anschließender Frequenzvervielfachung oder durch supraleitende Josephson-Oszillatoren oder mittels Quantenkaskadenlasern, wie sie beispielsweise durch die US 2006/0153262 A1 und die US 2005/0058166 A1 offenbart werden. Alternativ kann mittels der Bestrahlung eines elektrisch vorgespannten Halbleiters mit einem kurzen Laserpuls durch die Freisetzung von Ladungsträgern und deren Beschleunigung im elektrischen Feld Terahertz-Strahlung emittiert werden. Die erzeugten Strahlungspulse korrespondieren zu einem Terahertz-Spektrum im Frequenzbereich, wobei durch eine Kopplung zur Phase des anregenden Laserpulses die entstehende Strahlung kohärent ist. Allerdings weisen die erzeugten Terahertz-Strahlungspulse ein breitbandiges Frequenzspektrum im Bereich von 10 GHz bis 50 THz auf. Für eine solche Terahertz-Strahlungsquelle wird exemplarisch auf die US 5729017 verwiesen. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung ist die Verwendung von zwei zueinander frequenzverstimmter Laser, wobei die Differenzfrequenz Strahlungsanteile im Terahertz-Bereich aufweist.For imaging in the terahertz spectral range is usually the area in which the object to be examined is lit by a terahertz radiation source. Terahertz radiation can be generated according to different principles. The simplest is a thermal generation by black body radiation or gas discharge lamps, preferably connected to a spectral filtering. However, terahertz radiation can also be generated electronically, for example by semiconductor oscillators with subsequent frequency multiplication or by superconducting Josephson oscillators or by means of quantum cascade lasers, as described, for example, by US Pat US 2006/0153262 A1 and the US 2005/0058166 A1 be revealed. Alternatively, by irradiation of an electrically biased semiconductor with a short laser pulse by the release of charge carriers and their acceleration in the electric field terahertz radiation can be emitted. The generated radiation pulses correspond to a terahertz spectrum in the frequency range, wherein the radiation produced is coherent by coupling to the phase of the exciting laser pulse. However, the generated terahertz radiation pulses have a broadband frequency spectrum in the range of 10 GHz to 50 THz. For such a terahertz radiation source is exemplified on the US 5729017 directed. Another possibility for generating terahertz radiation is the use of two mutually frequency-tuned laser, wherein the difference frequency radiation components in the Has terahertz range.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung anzugeben, die zur Abbildung eines Objektbereichs mittels Terahertz-Strahlung verwendet werden kann, wobei diese insbesondere zur Überwachung von größeren Freibereichen, wie beispielsweise von Eingangs- oder Durchgangspassagen in öffentlichen Gebäuden oder von Bahnsteigen, oder zur Ausführung einer Prüfaufgabe in einer Fertigungsstraße geeignet sein soll. Ferner sollte die Messvorrichtung über eine Distanz von vorzugsweise mehreren Metern eine beugungsbegrenzte Auflösung für die Bildgebung erreichen, sodass beispielsweise im Falle einer Überwachungsaufgabe eine Erkennung versteckter Gegenstände, insbesondere von Gefahrenstoffen, Waffen, Sprengstoff und A-, B- und C-Waffen, ermöglicht wird.Of the Invention has for its object to provide a measuring device used to image an object area using terahertz radiation this particular for monitoring of larger outdoor areas, such as from Entrance or transit passageways in public buildings or from platforms, or to carry out a testing task should be suitable in a production line. Furthermore, should the measuring device over a distance of preferably several meters a diffraction limited resolution for achieve the imaging, so for example in the case of a monitoring task a detection of hidden objects, in particular of Hazardous substances, weapons, explosives and A, B and C weapons becomes.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.The inventive object is achieved by the features of the independent claim.

Die Erfinder haben erkannt, dass eine Messvorrichtung zur Bildgebung mit Terahertz-Strahlung, welche die voranstehende Aufgabe löst, eine der Terahertz-Empfängereinheit vorgeschalteten, deformierbaren Spiegel umfassen sollte. Dieser deformierbare Spiegel stellt einen räumlich auflösenden Phasenmodulator dar, der in Verbindung mit einem Wellenfrontsensor und einem Rekonstruktionsrechner Korrekturen an der Wellenfront in Echtzeit vornimmt, um eine beugungsbegrenzte Abbildung anzustreben. Hierbei wird der Zusammenhang zwischen einem Punktbild in der Bildebene und der zugeordneten Phasenfunktion in einer Pupille des Systems ausgenutzt. Wird demnach der Wellenfrontsensor in einer Pupille der Messvorrichtung angeordnet, so ist es möglich, durch die Untersuchung eines Referenzobjekts dessen Wellenfront bekannt ist (üblicherweise ein angenähert punktförmiges Objekt), am Wellenfrontsensor Phasenstörungen zu detektieren, die aus statistischen Schwankungen des Brechungsindexes entlang des Laufwegs der Strahlung vom Referenzobjekt zur Messvorrichtung entstehen. Diese werden wiederum insbesondere durch auf Turbulenzen zurückzuführende zeitliche und räumliche Schwankungen der Temperatur und des Wassergehalts der Luft bewirkt. Auf diese Weise lassen sich, ausgehend von einem Referenzobjekt, durch eine Differenzbildung der tatsächlich vorliegenden Wellenfront vom bekannten Idealfall die für die Kompensation der deformierten Welle notwendigen Korrekturgrößen ermitteln, die sodann auf den deformierbaren Spiegel aufgeschaltet werden. Hierfür ist der deformierbare Spiegel entsprechend zum Wellenfrontsensor in einer Pupille der Messvorrichtung angeordnet.The Inventors have recognized that a measuring device for imaging with terahertz radiation, which solves the above problem, a terahertz receiver unit upstream, deformable Mirror should include. This deformable mirror represents one spatially resolving phase modulator, the in conjunction with a wavefront sensor and a reconstruction computer Making corrections to the wavefront in real time, to a diffraction-limited To strive for illustration. Here is the connection between a Point image in the image plane and the assigned phase function in a pupil of the system exploited. Will therefore be the wavefront sensor arranged in a pupil of the measuring device so it is possible by examining a reference object whose wavefront is known (usually an approximately punctiform Object), to detect phase faults at the wavefront sensor, those from statistical fluctuations of the refractive index along the path of the radiation from the reference object to the measuring device arise. These, in turn, become turbulent attributable temporal and spatial Variations in the temperature and the water content of the air causes. In this way, starting from a reference object, by a difference of the actually present Wavefront from the well-known ideal case for compensation the deformed wave necessary correction values determine which is then applied to the deformable mirror become. For this purpose, the deformable mirror is corresponding arranged to the wavefront sensor in a pupil of the measuring device.

Das aus Anwendungen für die Astronomie bekannte Prinzip einer Korrektur von Phasenaberrationen wird demnach auf eine Messvorrichtung für die Bildgebung im Terahertz-Bereich übertragen. Für den Bereich der Astronomie wird als Referenz meist ein Fixstern herangezogen. Für die Erfindung bestehen zwei unterschiedliche Möglichkeiten für die Wahl des Referenzobjekts, das sich im abgebildeten Objektbereich befindet. Gemäß einer ersten Variante strahlt das Referenzobjekt Terahertz-Strahlung ab, wobei es entweder als Reflektor oder als Terahertz-Strahlungsquelle ausgebildet ist. Für eine zweite Variante der Erfindung weicht die vom Referenzobjekt ausgehende Strahlung bezüglich ihrer Wellenlänge von der für die Abbildung verwendete Terahertz-Strahlung ab, wobei bevorzugt eine Referenzwellenlänge im Infrarotbereich und besonderes bevorzugt im Bereich der Wasserlinien des Spektrums, das heißt den Absorptionsbanden für Wasser im Gaszustand, zum Beispiel bei den Wellenzahlen 1595 cm–1, 3652 cm–1 und 3756 cm–1, Verwendung findet.The principle of correction of phase aberrations known from applications for astronomy is accordingly transferred to a measuring device for imaging in the terahertz range. For the field of astronomy, a fixed star is usually used as a reference. For the invention, there are two different possibilities for the choice of the reference object, which is located in the imaged object area. According to a first variant, the reference object emits terahertz radiation, wherein it is embodied either as a reflector or as a terahertz radiation source. For a second variant of the invention, the radiation emanating from the reference object differs with respect to its wavelength from the terahertz radiation used for imaging, preferably a reference wavelength in the infrared range and particularly preferably in the region of the water lines of the spectrum, ie the absorption bands for water in the gas state , for example at the wave numbers 1595 cm -1 , 3652 cm -1 and 3756 cm -1 , is used.

Für die erste Variante wird als Referenzobjekt, dessen ideale Wellenfront bekannt ist, bevorzugt ein Terahertz-Strahlung aussendendes Objekt, insbesondere ein Reflektor, verwendet, dessen Ausdehnung bevorzugt so hinreichend klein ist, dass sein Bild als punktförmig angenommen werden kann. Vorteilhafterweise wird ein Reflektor mit einer metallischen Oberfläche verwendet und dieser im abzubildenden Objektbereich so positioniert, dass dieser nicht von einem durch den Objektbereich bewegten Gegenstand oder eine Person verdeckt werden kann. Darüber hinaus ist dessen Anordnung so zu wählen, dass die vom Reflektor ausgehende Strahlung im Wesentlichen den gleichen Atmosphärenbereich wie die vom zu untersuchenden Objekt ausgehende Strahlung durchquert. Hierzu wird bevorzugt, den Reflektor im Hintergrund des ausgewählten Objektbereichs zu platzieren.For the first variant is used as a reference object, its ideal wavefront is known, preferably a terahertz radiation emitting object, in particular a reflector used, whose expansion is preferred so small enough that his picture is punctiform can be accepted. Advantageously, a reflector with a metallic surface used and this imbildenden Object area positioned so that it is not from a through obscured the object area moving object or a person can be. In addition, its arrangement should be chosen that the radiation emanating from the reflector substantially the same atmosphere as the one to be examined Object traversing outgoing radiation. For this purpose, it is preferred that Reflector in the background of the selected object area to place.

Für die zweite Variante, bei der die vom Referenzobjekt abgestrahlte Referenzstrahlung, welche dem Wellenfrontsensor über den deformierbaren Spiegel zugeleitet wird, nicht dem Empfindlichkeitsbereich der Terahertz-Detektorelemente entspricht, wird bevorzugt zur Ausführung der Phasenkorrekturen auf eine Referenzstrahlung im fernen Infrarot zurückgegriffen. Hierzu kann als Referenzobjekt wiederum ein Spiegel verwendet werden, der von einer separaten Strahlungsquelle zur Erzeugung der Referenzstrahlung ausgeleuchtet wird.For the second variant, in which the radiated from the reference object Reference radiation, which the wavefront sensor on the deformable mirror is supplied, not the sensitivity range which corresponds to terahertz detector elements is preferred for execution the phase corrections to a reference radiation in the far infrared resorted. This can be done as a reference object again a mirror can be used by a separate radiation source is illuminated to generate the reference radiation.

Die zweite Variante für die Referenzstrahlung führt zwar zur Vereinfachung der Ausbildung des Wellenfrontsensors, sodass hierfür keine für den Terahertz-Bereich empfindlichen sensorischen Elemente verwendet werden müssen. Zusätzlich wird kein Anteil der Terahertz-Strahlung, die zur Abbildung des Objekts verwendet wird, zum Wellenfrontsensor abgezweigt. Nachteilig bei einer Verwendung einer Referenzstrahlung außerhalb des Terahertz-Strahlungsbereichs ist der unvermeidbare statistische Fehler aufgrund ungleicher optischer Wege der für die Bildgebung verwendeten Terahertz-Strahlung und der Referenzstrahlung. Dieser Fehler ist im Rahmen des fachmännischen Könnens mit weiteren Fehlerquellen, etwa dem Photonenrauschen der Detektoren des Wellenfrontsensors und den durch den endlichen Abstand des Reflektors zur Messvorrichtung bedingten fokalen Anisoplanatismus, zu vergleichen und entsprechend eine bevorzugte Frequenz für die Referenzstrahlung zu verwenden. Hierbei wird insbesondere als Referenzfrequenz eine IR-Linie für Wasser im gasförmigen Zustand ausgewählt, da Schwankungen des Wassergehalts im Laufweg neben den nicht korrigierbaren Absorptionseffekten wesentlich zur Aberration der Wellenfronten der Terahertz-Strahlung aufgrund statistischer Unterschiede in der optischen Weglänge beitragen.Although the second variant for the reference radiation leads to the simplification of the formation of the wavefront sensor, no sensory elements sensitive to the terahertz range have to be used for this purpose. In addition, no fraction of the terahertz radiation used to image the object is diverted to the wavefront sensor. A disadvantage of using a reference radiation outside of the Tera Hertz radiation range is the unavoidable statistical error due to uneven optical paths of the terahertz radiation used for imaging and the reference radiation. This error is within the skill of the art with other sources of error, such as the photon noise of the detectors of the wavefront sensor and due to the finite distance of the reflector to the measuring device related focal anisoplanatism to compare and to use a preferred frequency for the reference radiation. In this case, an IR line for water in the gaseous state is selected in particular as the reference frequency, since variations in the water content in the pathway in addition to the non-correctable absorption effects contribute significantly to the aberration of the wavefronts of the terahertz radiation due to statistical differences in the optical path length.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die natürliche von den zu untersuchenden Objekten beziehungsweise Personen abgestrahlte Terahertz-Strahlung vom bildgebenden System verarbeitet, sodass eine Ausleuchtung des Objektbereichs mit Hilfe einer Terahertz-Strahlungsquelle nicht notwendig ist. Für diesen Fall muss das Referenzobjekt für die erste Variante als Terahertz-Strahlungsquelle ausgebildet sein, im einfachsten Fall wird die Strahlungserzeugung thermisch erfolgen. Für die zweite Variante wird das Referenzobjekt bevorzugt Strahlung im Infrarotbereich erzeugen. Dies kann ein Spektrum aus einer oder mehrerer IR-Linien sein, wobei insbesondere Absorptionsbanden von Wasser bevorzugt werden. Zusätzlich zu den voranstehend genannten Absorptionsbanden für gasförmiges Wasser wird eine Wellenlänge im Bereich von λ = 1500 nm bevorzugt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsalternative wird ein breitbandiges oder durchstimmbares Spektrum wiederum bevorzugt im IR-Bereich verwendet.According to one Embodiment of the invention is the natural of the to be examined objects or persons radiated Terahertz radiation is processed by the imaging system, so an illumination of the object area using a terahertz radiation source is not necessary. In this case, the reference object must be for the first variant is designed as a terahertz radiation source, in the simplest case, the generation of radiation will be thermal. For the second variant, the reference object is preferred Generate radiation in the infrared range. This can be a spectrum one or more IR lines, in particular absorption bands of water are preferred. In addition to the above Absorption bands for gaseous water is a wavelength in the range of λ = 1500 nm is preferred. According to a preferred embodiment alternative a broadband or tunable spectrum is again preferred used in the IR range.

Besonders bevorzugt wird die Ausgestaltung der Messvorrichtung mit einer Einrichtung zur Ausleuchtung des Objektbereichs mittels einer Terahertz-Strahlungsquelle. Ferner werden vorteilhafterweise die Komponenten der Messvorrichtung als Baueinheit zusammengefasst, in die insbesondere der deformierbare Spiegel, der Wellenfrontsensor und das zugeordnete Regelungssystem sowie die Terahertz-Empfängereinheit integriert sind. Das Innere dieser Baueinheit kann dann kontinuierlich mittels eines Schutzgases gespült und klimatisiert werden. Für die zweite Variante der Referenzstrahlung wird ferner für den Fall, dass einer Referenzstrahlungsquelle zur Ausleuchtung eines reflektiven Referenzobjekts verwendet wird, diese bevorzugt in die Baueinheit integriert.Especially preferred is the embodiment of the measuring device with a device for illuminating the object area by means of a terahertz radiation source. Furthermore, advantageously, the components of the measuring device grouped as a unit, in particular the deformable Mirror, the wavefront sensor and the associated control system and the terahertz receiver unit are integrated. The Interior of this unit can then be continuously by means of a Protective gas flushed and air conditioned. For the second variant of the reference radiation is also for the case that a reference radiation source for illuminating a reflective reference object is used, this preferred in the Integrated unit.

Der Vorteil einer als Baueinheit zusammengefassten Anordnung besteht darin, dass zur Ausführung einer Messung nur das im Objektbereich angeordnete Referenzobjekt, typischerweise ein Reflektor für Terahertz-Strahlung, zur Realisierung der Messvorrichtung installiert werden muss, so dass mehrere dieser erfindungsgemäßen, als Baueinheiten zusammengefassten Messvorrichtungen zu einer Messanordnung kombiniert werden können, wobei sich die jeweils einzelnen Messvorrichtungen zugeordneten Objektbereiche so überlappen, dass ein großes Raumvolumen untersucht werden kann. Alternativ kann die Messvorrichtung zur Ausbildung einer Messanordnung bestimmte Winkelstellungen zueinander einnehmen, sodass beispielsweise eine Beobachtung aus mehreren Richtungen oder tomographische Aufnahmen realisiert werden können.Of the Advantage of a summarized as a unit arrangement exists in that for the execution of a measurement only that in the object area arranged reference object, typically a reflector for Terahertz radiation, installed to realize the measuring device must be, so that several of these invention, as building units combined measuring devices to a measuring arrangement can be combined, with each individual Overlap measuring devices associated object areas so that a large volume of space can be examined. Alternatively, you can the measuring device for forming a measuring arrangement certain Angle positions to each other occupy, so for example a Multi-directional observation or tomographic images can be realized.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Messvorrichtung wird mit hochenergetischer Terahertz-Strahlung im Grenzbereich zum Infraroten, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 10 μm, gearbeitet. Dies ist deshalb vorteilhaft, da zum einen die beugungsbegrenzte Auflösung hoch ist und gleichzeitig die voranstehend genannten Vorteile der Terahertz-Strahlung genützt werden können.According to one preferred embodiment of the measuring device is high-energy terahertz radiation in the border region to the infrared, for example, with one wavelength of 10 microns, worked. This is advantageous because on the one hand, the diffraction-limited resolution is high and at the same time availed of the above-mentioned advantages of terahertz radiation can be.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren genauer beschrieben, diese zeigen im Einzelnen Folgendes:following the invention will be described in more detail with reference to figures, these show in detail the following:

1 stellt schematisch eine erfindungsgemäße Messvorrichtung dar. 1 schematically represents a measuring device according to the invention.

2 zeigt die Kombination mehrerer erfindungsgemäßer Messvorrichtungen zu einer Messanordnung für die Überwachung größerer Volumina. 2 shows the combination of several inventive measuring devices to a measuring arrangement for monitoring larger volumes.

1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1. Diese umfasst eine Terahertz-Empfängereinheit 8, die bevorzugt zur Bildgebung eine Vielzahl von Terahertz-Detektorelementen, die im Einzelnen in 1 nicht dargestellt sind, aufweist. Diese empfängt Terahertz-Strahlung von einem abzubildenden Objekt 3, wobei im Strahlengang zwischen Objekt 3 und Terahertz-Empfängereinheit 8 wenigstens ein deformierbarer Spiegel 6 angeordnet ist, der eine Vielzahl von Aktoren 13 aufweist, sodass die Spiegelfläche zur Phasenmodulation eingestellt werden kann. 1 shows schematically the structure of the measuring device according to the invention 1 , This includes a terahertz receiver unit 8th , which prefers for imaging a plurality of terahertz detector elements, which are described in detail 1 not shown, has. This receives terahertz radiation from an object to be imaged 3 , being in the beam path between object 3 and terahertz receiver unit 8th at least one deformable mirror 6 is arranged, which has a variety of actuators 13 so that the mirror surface can be adjusted for phase modulation.

Mögliche Ausgestaltungen des deformierbaren Spiegels 6 umfassen anpassbare monolithische Spiegel, segmentierte Spiegel, Membranspiegel oder die Anordnung mikromechanischer Korrektoren. So kann beispielsweise ein Membranspiegel eine dünne, hochflexible Membran aus Silizium, Quarz oder Mylar aufweisen, welche zusätzlich eine metallische Reflexionsschicht für die Terahertz-Strahlung umfassen kann. Diese Membran wird durch zugeordnete Aktoren 13 entsprechend der Phasenmodulation deformiert, wobei zur Aktuation piezoelektrische, magnetostatische oder elektrostatische Kräfte angewandt werden können. Mögliche Ausführungsformen umfassen bimorphe Aktoren, für die beispielsweise eine Piezokeramik, etwa Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und ein Substrat, etwa amorphes SiO2, miteinander verbunden werden. Diese Verbindung kann als Klebeverbindung hergestellt werden oder die Piezokeramik wird über einen Sol-Gel-Prozess mit nachfolgendem Sinter- und Polarisierungsschritt aufgebracht. Als mögliche Ausführungsform kann die Aktorik eine axial oder tangential zur Trägerfläche verlaufende Stellbewegung ausführen.Possible embodiments of the deformable mirror 6 include customizable monolithic mirrors, segmented mirrors, membrane mirrors, or micromechanical corrector arrays. For example, a membrane mirror may comprise a thin, highly flexible membrane made of silicon, quartz or mylar, which may additionally comprise a metallic reflection layer for the terahertz radiation. This membrane is powered by associated actuators 13 deformed in accordance with the phase modulation, wherein for Aktuation piezoelectric, mag netostatic or electrostatic forces can be applied. Possible embodiments include bimorph actuators, for example, a piezoceramic, such as lead zirconate titanate (PZT) and a substrate, such as amorphous SiO 2 , are joined together. This compound can be prepared as an adhesive bond or the piezoceramic is applied via a sol-gel process with subsequent sintering and polarizing step. As a possible embodiment, the actuators can perform an axial or tangential to the support surface extending adjusting movement.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des deformierbaren Spiegels umfasst einzeln ansteuerbare Facettenelemente, die von einer Vielzahl von Aktuatoren getragen werden. Durch die Ansteuerung der Aktuatoren, die wiederum bevorzugt ein adaptives Material und insbesondere ein Ferroelektrika, eine Formgedächtnislegierung oder ein elektrisch aktives Polymer umfassen, kann eine einzelne Spiegelfacette nanometergenau in drei Raumrichtungen translatiert und gemäß der Euler-Winkel verkippt werden. Vorteilhaft ist ferner die Verwendung eines Verbundwerkstoffs aus einem passiven Trägersubstrat und einem adaptiven Material zur Ausbildung der Aktoren. Für mögliche Ausgestaltungen des deformierbaren Spiegels und der zur Deformation verwendeten Aktoren wird auf die Monographien „ Principles of Adaptive Optics", Robert K. Tyson, Academic Press. Inc., 1991, ISBN 0-12-705900-8 und „Ein Beitrag zur Untersuchung von Bimorphspiegeln für die Präzisionsoptik", Dr.-Ing. Timo Richard Möller, Shaker Verlag Aachen, 2002, ISBN 3-8322-0555-1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Ferner schließt der in der vorliegenden Anmeldung verwendet Begriff eines deformierbaren Spiegels jede Form eines Phasenmodulators ein, der zur Ausführung der Phasenkonjugation zur Wellenfrontkorrektur verwendet werden kann.A further preferred embodiment of the deformable mirror comprises individually controllable facet elements, which are carried by a multiplicity of actuators. By controlling the actuators, which in turn preferably comprise an adaptive material and in particular a ferroelectrics, a shape memory alloy or an electrically active polymer, a single mirror facet can be translated nanometer-accurate in three spatial directions and tilted according to the Euler angle. It is also advantageous to use a composite material comprising a passive carrier substrate and an adaptive material for forming the actuators. For possible embodiments of the deformable mirror and the actuators used for the deformation, the monographs " Principles of Adaptive Optics ", Robert K. Tyson, Academic Press Inc., 1991, ISBN 0-12-705900-8 and "A contribution to the investigation of bimorph mirrors for the precision optics", Dr. Timo Richard Möller, Shaker publishing house Aachen, 2002, ISBN 3-8322-0555-1 the disclosure of which is incorporated in full in the present application. Further, the term deformable mirror used in the present application includes any form of phase modulator that can be used to perform phase conjugation for wavefront correction.

Die Stellsignale für die Aktuatoren 13 werden dem deformierbaren Spiegel 6 von einer Regelungseinrichtung 10 zugeführt, welche Signale vom Wellenfrontsensor 9 verarbeitet. Diesem Wellenfrontsensor 9 wird Strahlung zugeführt, die im Strahlengang nach dem deformierbaren Spiegel 6 und demnach zwischen der Terahertz-Empfängereinheit 8 und dem deformierbaren Spiegel 6 ausgekoppelt wird. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer teildurchlässigen optischen Komponente 7, etwa eines Polarisationsstrahlteilers, bewirkt werden. Im Fall der zweiten Variante, bei der eine Referenzstrahlung außerhalb des Terahertz-Spektrums verwendet wird, erfolgt bevorzugt diese Auskopplung frequenzabhängig, sodass nur die Referenzstrahlung dem Wellenfrontsensor zugeführt wird.The actuating signals for the actuators 13 become the deformable mirror 6 from a control device 10 which signals from the wavefront sensor 9 processed. This wavefront sensor 9 Radiation is supplied to the beam path after the deformable mirror 6 and therefore between the terahertz receiver unit 8th and the deformable mirror 6 is decoupled. This can be done, for example, by means of a partially transparent optical component 7 , such as a polarization beam splitter. In the case of the second variant, in which a reference radiation outside the terahertz spectrum is used, this decoupling is preferably frequency-dependent, so that only the reference radiation is supplied to the wavefront sensor.

Der Wellenfrontsensor 9 bestimmt in einer Pupille der Messvorrichtung 1 die aktuell vorliegende Phasenfront und führt diese Messdaten der Regelungseinrichtung 10 zu, in der diese Phasenfront mit den abgespeicherten Idealdaten verglichen werden. Die Idealdaten beruhen auf der Kenntnis eines Referenzobjekts 4, das im Objektbereich 3 angeordnet ist, sodass die vom Referenzobjekt 4 abgestrahlte Referenzstrahlung im Wesentlichen den gleichen optischen Laufweg wie die vom zu vermessenden Objekt 3 abgegebene Objektstrahlung aus dem Terahertz-Spektrum durchläuft. Die Referenzstrahlung wird entsprechend der Objektstrahlung durch die Atmosphäre zwischen dem Objektbereich und der Messvorrichtung phasendeformiert. Auf diese Weise ist es möglich, aus den Idealdaten der bekannten Wellenfront für die Referenzstrahlung im Regelungssystem 10 Korrekturterme zu berechnen, die in Echtzeit um 180° phasenverschoben zur Phasenmodulation auf den deformierbaren Spiegel 6 aufgeschaltet werden. Es erfolgt demnach eine Phasenkonjugation. Entsprechend erfolgt die Ansteuerung der dem deformierbaren Spiegel 6 zugeordneten Aktoren 13.The wavefront sensor 9 determined in a pupil of the measuring device 1 the currently present phase front and leads these measurements of the control device 10 in, in which this phase front compared to the stored ideal data. The ideal data is based on the knowledge of a reference object 4 , in the object area 3 is arranged so that the from the reference object 4 radiated reference radiation substantially the same optical path as the object to be measured 3 passed object radiation from the terahertz spectrum. The reference radiation is phase-deformed according to the object radiation through the atmosphere between the object area and the measuring device. In this way it is possible, from the ideal data of the known wavefront for the reference radiation in the control system 10 To calculate correction terms that are phase shifted in real time by 180 ° to the phase modulation on the deformable mirror 6 be switched on. There is thus a phase conjugation. Accordingly, the control of the deformable mirror 6 assigned actuators 13 ,

Als Wellenfrontsensor 9 kann nach dem Shack-Hartmann-Prinzip eine regelmäßige Matrix von Mikrolinsen übereinstimmender Brechweite vorgesehen sein, wobei jeder Mikrolinse ein sensorisches Element für die vorliegende Wellenlänge der Referenzstrahlung zugeordnet wird. Aus der lateralen Abweichung des Beleuchtungsschwerpunkts für jede der Mikrolinsen aus der erwarteten Solllage wird die mittlere Neigung der Wellenfront und damit deren Gradient über der Mikrolinse gemessen. Aus dieser Messung der Subapertur kann auf die Wellenfront selbst zurückgerechnet werden, wobei diese Berechnung meist über Zernike Polynome oder Karhunen-Loeve-Funktionen erfolgt. Alternativ zum Shack- oder Hartmann-Sensor kann die Wellenfront mit Hilfe von Krümmungssensoren, Pyramidensensoren oder mittels interferometrischer Messungen bestimmt werden, wobei für letztere eine hinreichende Kohärenz der Referenzstrahlung vorausgesetzt wird.As wavefront sensor 9 For example, according to the Shack-Hartmann principle, a regular matrix of microlenses of matching refractive index can be provided, wherein each microlens is assigned a sensory element for the given wavelength of the reference radiation. From the lateral deviation of the center of illumination for each of the microlenses from the expected desired position, the average inclination of the wavefront and thus its gradient over the microlens are measured. From this measurement of the subaperture can be calculated back to the wavefront itself, this calculation is usually done via Zernike polynomials or Karhunen-Loeve functions. As an alternative to the Shack or Hartmann sensor, the wavefront can be determined by means of curvature sensors, pyramid sensors or by means of interferometric measurements, the latter assuming sufficient coherence of the reference radiation.

Für die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 bestehen unterschiedliche Ausgestaltungsalternativen im Hinblick auf die Ausleuchtung des Objektbereichs mit einer Terahertz-Strahlungsquelle und bezüglich der Ausgestaltung des für die Wellenfrontkorrektur verwendeten Referenzobjekts:
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung wird der Objektbereich 2 durch eine Terahertz-Strahlungsquelle 5 beleuchtet, sodass das zu untersuchende Objekt 3 gemäß seiner charakteristischen Reflexions- und Absorptionseigenschaften einen Teil der einfallenden Terahertz-Strahlung zurückreflektiert, welche dann zur Bildgebung verwendet wird. Diese Anordnung wird insbesondere im Hinblick auf eine zur Bildgebung ausreichende Objektstrahlung bevorzugt. Für diese Ausgestaltungsalternative ist das Referenzobjekt im einfachsten Fall ein Reflektor für Terahertz-Strahlung, das heißt ein Gegenstand mit einer metallischen Oberfläche, sodass die Referenzstrahlung und die Objektstrahlung beide aufgrund der Bestrahlung durch die Terahertz-Strahlungsquelle 5 entstehen und somit im übereinstimmenden Frequenzbereich liegen. Demnach wird der Wellenfrontsensor 9 für Terahertz-Strahlung ausgelegt, das heißt im Fall eines Wellenfrontsensors nach dem Shack-Hartmann-Prinzip werden die den einzelnen Mikrolinsen zugeordneten sensorische Elemente die einfallende Terahertz-Strahlung detektieren.
For the measuring device according to the invention 1 There are different design alternatives with regard to the illumination of the object region with a terahertz radiation source and with respect to the design of the reference object used for the wavefront correction:
According to a first preferred embodiment, the object area 2 through a terahertz radiation source 5 illuminated so that the object to be examined 3 according to its characteristic reflection and absorption properties, reflects back a portion of the incident terahertz radiation which is then used for imaging. This arrangement is particularly preferred in view of an object radiation sufficient for imaging. For this design alternative, the reference object is in the simplest case a reflector for Terahertz radiation, that is an object with a metallic surface, so that the reference radiation and the object radiation are both due to the irradiation by the terahertz radiation source 5 arise and thus lie in the matching frequency range. Accordingly, the wavefront sensor becomes 9 For terahertz radiation, that is to say in the case of a wavefront sensor according to the Shack-Hartmann principle, the sensory elements assigned to the individual microlenses will detect the incident terahertz radiation.

Gemäß einer Weitergestaltung wird anstatt eines Reflektors ein Referenzobjekt 4 verwendet, welches eine Referenzstrahlung abstrahlt, die nicht in dem für die Bildgebung verwendeten Terahertz-Strahlungsbereich liegt. Beispielsweise kann für den bevorzugten Fall, dass zur Terahertz-Bildgebung der Strahlungsbereich von 10 μm verwendet wird, eine Referenzstrahlung angewandt werden, die weiter in den Infrarotbereich verschoben ist. Der Vorteil besteht darin, dass der Wellenfrontsensor bezüglich seiner sensorischen Elemente einfach ausgebildet werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass zusätzliche statistische Fehler aufgrund unterschiedlicher optischer Weglängen von Objektstrahlung und Referenzstrahlung entstehen.According to a refinement instead of a reflector is a reference object 4 which emits reference radiation that is not within the terahertz radiation range used for imaging. For example, for the preferred case of using the 10 μm radiation range for terahertz imaging, reference radiation that is further displaced into the infrared range may be used. The advantage is that the wavefront sensor can be easily formed with respect to its sensory elements. The disadvantage, however, is that additional statistical errors arise due to different optical path lengths of object radiation and reference radiation.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 wird auf eine Terahertz-Strahlungsquelle 5 verzichtet und stattdessen die unmittelbar vom Objekt abgestrahlte natürliche Terahertz-Strahlung mit Hilfe einer hochempfindlichen Terahertz-Empfängereinheit 8 detektiert. Auch für diesen Fall ist erfindungsgemäß eine Phasenkorrektur mit Hilfe eines deformierbaren Spiegels ausgehend von Daten eines Wellenfrontsensors vorgesehen, wobei wiederum als Referenzobjekt ein Strahlungsquelle für Terahertz-Strahlung (ein thermisches Element) oder eine von der Objektstrahlung spektral unterschiedliche Referenz, beispielsweise im Infraroten, verwendet werden kann.According to a further embodiment of the measuring device according to the invention 1 becomes a terahertz radiation source 5 and instead omits the natural terahertz radiation emitted directly from the object with the aid of a highly sensitive terahertz receiver unit 8th detected. Also in this case, according to the invention, a phase correction is provided by means of a deformable mirror based on data from a wavefront sensor, again using as a reference object a radiation source for terahertz radiation (a thermal element) or a spectrally different reference from the object radiation, for example in the infrared can.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden alle Komponenten der Messvorrichtung 1 mit Ausnahme des Referenzobjekts 4 als eine Baueinheit 12 zusammengefasst, insbesondere sind dies die Terahertz-Empfängereinheit 8, der deformierbare Spiegel 6, die teildurchlässige optische Komponente 7, der Wellenfrontsensor 9 und das Regelungssystem 10. Weiterhin können zur Strahlführung zusätzliche refraktive Optiken vorgesehen sein sowie zusätzliche Systemkomponenten 11, etwa eine Leistungsversorgung beziehungsweise Vorrichtung zur Datenerfassung und Datenspeicherung für die Terahertz-Empfängereinheit 8. Falls eine separate Referenzstrahlungsquelle 15 verwendet wird, so wird diese bevorzugt in die Baueinheit 12 aufgenommen. Ferner ist eine Ausgestaltung vorteilhaft, bei der der Innenbereich der Baueinheit 12 beziehungsweise jener Teil derselben, in dem die Terahertz-Strahlung und die Referenzstrahlung geführt werden, mittels eines Schutzgases kontinuierlich gespült wird, um den Gehalt an Wasserdampf möglichst gering zu halten. Weiterhin führt eine Klimatisierung beziehungsweise eine möglichst gleichmäßige Temperatureinstellung wenigstens im Bereich des Strahlengangs zu einer Verringerung der in der Baueinheit zusätzlich auftretenden Wellenfrontaberrationen.According to a preferred embodiment of the invention, all components of the measuring device 1 with the exception of the reference object 4 as a structural unit 12 in particular, these are the terahertz receiver unit 8th , the deformable mirror 6 , the partially transmissive optical component 7 , the wavefront sensor 9 and the regulatory system 10 , Furthermore, additional refractive optics can be provided for beam guidance and additional system components 11 , such as a power supply or device for data acquisition and data storage for the terahertz receiver unit 8th , If a separate reference radiation source 15 is used, it is preferably in the assembly 12 added. Furthermore, an embodiment is advantageous in which the inner region of the structural unit 12 or that part thereof in which the terahertz radiation and the reference radiation are guided is continuously rinsed by means of a protective gas in order to keep the content of water vapor as low as possible. Furthermore, an air-conditioning or the most uniform possible temperature adjustment, at least in the region of the beam path, leads to a reduction of the wavefront aberrations additionally occurring in the structural unit.

Aufgrund der bevorzugten kompakten Bauweise unter Einschluss aller wesentlichen Komponenten in einer Baueinheit 12 ist es möglich, eine Messanordnung mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Messvorrichtungen 1 auszubilden. Dies kann beispielsweise eine tomographische Anordnung zur dreidimensionalen Erfassung eines zu untersuchenden Objekts sein, etwa zu Prüfzwecken oder für den medizinisch-diagnostischen Bereich.Due to the preferred compact design including all essential components in a structural unit 12 it is possible to have a measuring arrangement with a large number of measuring devices according to the invention 1 train. This can be, for example, a tomographic arrangement for the three-dimensional detection of an object to be examined, for example for testing purposes or for the medical-diagnostic area.

Eine andere vorteilhafte Verwendung besteht in der Überwachung großer Raumvolumina, beispielsweise durch erfindungsgemäße, bildgebende Messvorrichtungen, die in einem öffentlichen Bereich installiert sind. Ein Beispiel hierfür ist in 2 dargestellt. Schematisch vereinfacht werden drei erfindungsgemäße Messvorrichtungen 1.1, 1.2 und 1.3 gezeigt, die jeweils aus den Baueinheiten 12.1, 12.2 und 12.3 sowie den zugeordneten Referenzobjekten 4.1, 4.2 und 4.3 bestehen, die vorteilhafterweise Reflektoren für Terahertz-Strahlung sind. Jeder einzelnen Messvorrichtung 1.1, 1.2 und 1.3 sind jeweils die Objektbereiche 2.1, 2.2 und 2.3 zugeordnet. Hierbei wird ein Objektbereich jeweils durch die optischen Eigenschaften der zugeordneten Messvorrichtung festgelegt, insbesondere durch den Schärfetiefebereich und die Größe des Bildfelds sowie des von der Terahertz-Strahlungsquelle ausgeleuchteten Bereichs.Another advantageous use is in the monitoring of large volumes of space, for example, according to the invention, imaging measuring devices that are installed in a public area. An example of this is in 2 shown. Schematically simplified are three measuring devices according to the invention 1.1 . 1.2 and 1.3 shown, each from the building units 12.1 . 12.2 and 12.3 as well as the assigned reference objects 4.1 . 4.2 and 4.3 which are advantageously reflectors for terahertz radiation. Every single measuring device 1.1 . 1.2 and 1.3 are each the object areas 2.1 . 2.2 and 2.3 assigned. In this case, an object region is determined in each case by the optical properties of the associated measuring device, in particular by the depth of field of focus and the size of the image field and of the area illuminated by the terahertz radiation source.

Vorteilhaft überschneiden sich für eine erfindungsgemäße Messanordnung die Objektbereiche der miteinander kombinierten Messvorrichtungen, sodass beispielsweise zur Sicherheitsüberwachung ein großvolumiger Raumbereich überdeckt werden kann. Exemplarisch ist hierzu in 2 ein Durchgang dargestellt, der durch die zwei Wände 21 und 22 beschränkt wird und in dem insbesondere ein Zugangsbereich über eine Treppe 20 zu überwachen ist. Hierzu sind die beiden erfindungsgemäßen Messvorrichtungen 1.1 und 1.2 bezüglich ihrer zugeordneten Objektbereiche aufeinander abfolgend angeordnet, während die dritte erfindungsgemäße Messvorrichtung 1.3 eine andere Blickrichtung abdeckt.Advantageously, for a measuring arrangement according to the invention, the object areas of the measuring devices combined with one another overlap, so that, for example, a large-volume room area can be covered for safety monitoring. Exemplary is this in 2 a passage represented by the two walls 21 and 22 is limited and in particular an access area via a staircase 20 is to be monitored. These are the two measuring devices according to the invention 1.1 and 1.2 arranged successively with respect to their associated object areas, while the third measuring device according to the invention 1.3 covers a different line of sight.

Durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist es möglich, Bilder eines Objekts im Spektralbereich der Terahertz-Strahlung mit einer beugungsbeschränkten Auflösung aufzunehmen, sodass auch über einen hinreichenden Abstand hochaufgelöste Bilder entstehen. Hierbei ist es aufgrund der vorgeschlagenen kompakten Baueinheit, umfassend die Komponenten für den Empfang der Terahertz-Strahlung, für die Phasenkorrektur sowie eventuell für die Terahertz-Strahlungsquelle, möglich, mit einer Vielzahl solcher erfindungsgemäßer Messvorrichtungen eine Messanordnung zu gestalten, mit der ein Raumbereich mit großem Volumen mittels Terahertzbildgebung überwacht werden kann. Ferner sind Überwachungen aus verschiedenen Raumrichtungen möglich, wobei bei einer entsprechenden Anordnung der Messvorrichtungen eine 3-dimensionale Auswertung der Bilddaten möglich ist.By the measuring device according to the invention, it is possible to record images of an object in the spectral range of terahertz radiation with a diffraction-limited resolution, so that even over a sufficient distance high-resolution images arise. Here it is due to the pre The compact compact package comprising the components for receiving the terahertz radiation, for the phase correction and possibly for the terahertz radiation source, makes it possible to use a multiplicity of such measuring devices according to the invention to design a measuring arrangement with which a large-volume spatial area is monitored by means of terahertz imaging can. Furthermore, monitoring from different spatial directions is possible, with a corresponding arrangement of the measuring devices a 3-dimensional evaluation of the image data is possible.

1, 1.1, 1.2, 1.31, 1.1, 1.2, 1.3
Messvorrichtungmeasuring device
2, 2.1, 2.2 2.32, 2.1, 2.2 2.3
ObjektbereichProperty area
33
Objektobject
4, 4.1, 4.2, 4.34, 4.1, 4.2, 4.3
Referenzobjektreference object
55
Terahertz-StrahlungsquelleTerahertz radiation source
66
deformierbarer Spiegeldeformable mirror
77
teildurchlässige optische Komponentepartially transparent optical component
88th
Terahertz-EmpfängereinheitTerahertz receiver unit
99
WellenfrontsensorWavefront sensor
1010
Regelungssystemcontrol system
1111
Systemkomponentensystem components
12, 12.1, 12.2, 12.312 12.1, 12.2, 12.3
Baueinheitunit
1313
Aktorenactuators
1515
ReferenzstrahlungsquelleReference radiation source
2020
Treppestairway
21, 2221 22
Wändewalls
100100
Messanordnungmeasuring arrangement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 0093566 B1 [0004] EP 0093566 B1 [0004]
  • - WO 2006/129113 A1 [0004, 0006] WO 2006/129113 A1 [0004, 0006]
  • - EP 0903566 B1 [0006] EP 0903566 B1 [0006]
  • - WO 2004/038854 [0006] WO 2004/038854 [0006]
  • - US 2006/0153262 A1 [0007] US 2006/0153262 A1 [0007]
  • - US 2005/0058166 A1 [0007] US 2005/0058166 A1 [0007]
  • - US 5729017 [0007] US 5729017 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - Principles of Adaptive Optics", Robert K. Tyson, Academic Press. Inc., 1991, ISBN 0-12-705900-8 [0024] - Principles of Adaptive Optics ", Robert K. Tyson, Academic Press Inc., 1991, ISBN 0-12-705900-8 [0024]
  • - „Ein Beitrag zur Untersuchung von Bimorphspiegeln für die Präzisionsoptik", Dr.-Ing. Timo Richard Möller, Shaker Verlag Aachen, 2002, ISBN 3-8322-0555-1 [0024] - "A contribution to the investigation of bimorph mirrors for the precision optics", Dr. Timo Richard Möller, Shaker publishing house Aachen, 2002, ISBN 3-8322-0555-1 [0024]

Claims (20)

Messvorrichtung (1) zur Abbildung eines Objektbereichs (2) mit Terahertz-Strahlung, umfassend 1.1 ein im Objektbereich (2) angeordnetes Referenzobjekt (4), das Referenz-Strahlung abstrahlt; 1.2 eine Terahertz-Empfängereinheit (8) mit einer Vielzahl von Terahertz-Detektorelementen; 1.3 ein deformierbarer Spiegel (6) mit Aktoren (13), der die Terahertz-Strahlung vom Objektbereich (2) und die vom Referenzobjekt (4) kommende Referenz-Strahlung aufnimmt und in einen zur Terahertz-Empfängereinheit (8) führenden Strahlengang reflektiert; 1.4 eine teildurchlässige optische Komponente (7), die im zur Terahertz-Empfängereinheit (8) führenden Strahlengang dem deformierbaren Spiegel (6) nachfolgt und welche wenigstens einen Teil der Referenz-Strahlung zu einem Wellenfrontsensor (9) reflektiert; 1.5 ein Regelungssystem (10), das Messdaten vom Wellenfrontsensor (9) verarbeitet und hieraus Steuersignale für die Aktoren (13) des deformierbaren Spiegels (6) zur Ausführung einer Wellenfrontkorrektur bestimmt.Measuring device ( 1 ) for mapping an object area ( 2 ) with terahertz radiation, comprising 1.1 in the object area ( 2 ) arranged reference object ( 4 ) which emits reference radiation; 1.2 a terahertz receiver unit ( 8th ) having a plurality of terahertz detector elements; 1.3 a deformable mirror ( 6 ) with actuators ( 13 ), the terahertz radiation from the object area ( 2 ) and the reference object ( 4 ) receives incoming reference radiation and into a terahertz receiver unit ( 8th ) leading beam path is reflected; 1.4 a partially transmissive optical component ( 7 ) in the terahertz receiver unit ( 8th ) leading beam path to the deformable mirror ( 6 ) and which at least part of the reference radiation to a wavefront sensor ( 9 reflected); 1.5 a regulatory system ( 10 ), the measurement data from the wavefront sensor ( 9 ) and from this control signals for the actuators ( 13 ) of the deformable mirror ( 6 ) to perform a wavefront correction. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (1) ferner eine Terahertz-Strahlungsquelle (5) umfasst, die Terahertz-Strahlung in den Objektbereich (2) emittiert.Measuring device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the measuring device ( 1 ) further comprises a terahertz radiation source ( 5 ), the terahertz radiation in the object area ( 2 ) emitted. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzobjekt (4) ein Reflektor für Terahertz-Strahlung ist.Measuring device ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the reference object ( 4 ) is a reflector for terahertz radiation. Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzobjekt (4) eine Terahertz-Strahlungsquelle ist.Measuring device ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the reference object ( 4 ) is a terahertz radiation source. Messvorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vom Referenzobjekt (4) eine Referenzstrahlung mit einer Wellenlänge außerhalb des Terahertz-Spektrums abgegeben wird und die teildurchlässige optische Komponente (7) im Wesentlichen die Referenzstrahlung zum Wellenfrontsensor (9) reflektiert.Measuring device ( 1 ) according to at least one of claims 1 or 2, characterized in that from the reference object ( 4 ) is emitted a reference radiation having a wavelength outside the terahertz spectrum and the partially transmitting optical component ( 7 ) substantially the reference radiation to the wavefront sensor ( 9 ) reflected. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzstrahlung eine Absorbtionsbande für gasförmiges Wasser ausgewählt wird.Measuring device ( 1 ) according to claim 5, characterized in that as reference radiation Absorbtionsbande is selected for gaseous water. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Referenzstrahlung eine Wasserlinie im IR-Spektrum und besonders bevorzugt eine Wellenlänge von λ = 1500 nm ausgewählt wird.Measuring device ( 1 ) according to claim 5, characterized in that a water line in the IR spectrum and particularly preferably a wavelength of λ = 1500 nm is selected for the reference radiation. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzstrahlung ein breitbandiges oder durchstimmbares IR-Spektrum ausgewählt wird.Measuring device ( 1 ) according to claim 5, characterized in that as reference radiation, a broadband or tunable IR spectrum is selected. Messvorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 5–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzobjekt (4) als Reflektor ausgebildet ist und von einer Referenzstrahlungsquelle (15) mit einer Strahlung außerhalb des Terahertz-Spektrum ausgeleuchtet wird.Measuring device ( 1 ) according to at least one of claims 5-8, characterized in that the reference object ( 4 ) is designed as a reflector and from a reference radiation source ( 15 ) is illuminated with radiation outside the terahertz spectrum. Messvorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 2–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Terahertz-Strahlungsquelle (5), die Terahertz-Empfängereinheit (8), der deformierbaren Spiegel (6), die teildurchlässige optische Komponente (7) und der Wellenfrontsensor (9) Teil einer Baueinheit (12) sind.Measuring device ( 1 ) according to at least one of claims 2-9, characterized in that the terahertz radiation source ( 5 ), the terahertz receiver unit ( 8th ), the deformable mirror ( 6 ), the partially transmissive optical component ( 7 ) and the wavefront sensor ( 9 ) Part of a structural unit ( 12 ) are. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die strahlungsführenden Bereiche der Baueinheit (12) mit einem Schutzgas zur Eliminierung von Wasser gespült werden und/oder wenigstens dort eine Temperierung zur Homogenisierung der Temperaturverteilung versehen ist.Measuring device ( 1 ) according to claim 10, characterized in that at least the radiation-carrying areas of the structural unit ( 12 ) are rinsed with a protective gas for the elimination of water and / or at least there is provided a temperature for homogenizing the temperature distribution. Messvorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung mit Terahertz-Strahlung im Spektralbereich um 10 μm ausgeführt wird.Measuring device ( 1 ) according to at least one of claims 1-11, characterized in that the image is carried out with terahertz radiation in the spectral range around 10 microns. Messvorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass der deformierbare Spiegel (6) als anpassbarer monolithische Spiegel, segmentierter Spiegel oder Membranspiegel ausgebildet ist oder eine Anordnung mikromechanischer Korrektoren umfasst.Measuring device ( 1 ) according to at least one of claims 1-12, characterized in that the deformable mirror ( 6 ) is designed as an adaptable monolithic mirror, segmented mirror or membrane mirror or comprises an arrangement of micromechanical correctors. Messvorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass diese Spiegelelemente aufweist, welche einen Verbundwerkstoff aus einem passiven Trägersubstrat und einem adaptiven Material, insbesondere einem Ferroelektrika, einem magnetostriktiven oder einem elektrostriktiven Material, einer Formgedächtnislegierung oder einem elektrisch aktiven Polymer, umfassen.Measuring device ( 1 ) according to at least one of claims 1-13, characterized in that it comprises mirror elements comprising a composite material of a passive carrier substrate and an adaptive material, in particular a ferroelectrics, a magnetostrictive or an electrostrictive material, a shape memory alloy or an electrically active polymer , Messvorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzobjekt (4) so klein gewählt wird, dass es angenähert punktförmig abgebildet wird.Measuring device ( 1 ) according to at least one of claims 1-14, characterized in that the reference object ( 4 ) is chosen so small that it is approximately punctiform imaged. Messvorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzobjekt (4) im Hintergrund des Objektbereichs (2) angeordnet ist.Measuring device ( 1 ) according to at least one of claims 1-15, characterized in that the reference object ( 4 ) in the background of the object area ( 2 ) is arranged. Messanordnung (100) umfassend eine Vielzahl von Messvorrichtungen (1.1, 1.2, 1.3) nach einem der voranstehenden Ansprüche.Measuring arrangement ( 100 ) comprising a plurality of measuring devices ( 1.1 . 1.2 . 1.3 ) according to any one of the preceding claims. Messanordnung (100) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektbereiche (2.1, 2.1, 2.3) der einzelnen Messvorrichtungen (1.2, 1.2, 1.3) aneinander angrenzen oder einander teilweise überlappen.Measuring arrangement ( 100 ) according to claim 17, characterized in that the object areas ( 2.1 . 2.1 . 2.3 ) of the individual measuring devices ( 1.2 . 1.2 . 1.3 ) adjoin one another or partially overlap one another. Messanordnung (100) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Messanordnung (100) ein gemeinsamer Objektbereich zugeordnet ist und die einzelnen Messvorrichtungen (1.1, 1.2, 1.3) Teile des gemeinsamen Objektbereichs aus unterschiedlichen Richtungen abbilden.Measuring arrangement ( 100 ) according to one of claims 17 or 18, characterized in that the measuring arrangement ( 100 ) a common object area is assigned and the individual measuring devices ( 1.1 . 1.2 . 1.3 ) Map parts of the common object area from different directions. Messanordnung (100) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine 3-dimensionale Abbildung ausgeführt wird.Measuring arrangement ( 100 ) according to claim 19, characterized in that a 3-dimensional image is executed.
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