DE60124676T2

DE60124676T2 - Abbildungsvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE60124676T2
Application number: DE60124676T
Authority: DE
Inventors: c/o TeraView Limited Donald Dominic ARNONE; c/o TeraView Limited Craig Michael CIESLA; c/o TeraView Limited Bryan Edward COLE
Original assignee: TeraView Ltd
Current assignee: TeraView Ltd
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2021-03-06
Also published as: EP1259795B1; GB2360186B; US20030149346A1; GB2372929B; GB2360186A; DE60124676D1; GB0005225D0; GB0207459D0; EP1259795A1; GB2372930B; JP2003525447A; ATE346286T1; GB2372929A; AU2001237568A1; WO2001065240A1; GB2372930A; GB0207462D0; US10076261B2

Description

Die vorliegende Erfindung hat mit dem Gebiet der Untersuchung und Abbildung von Proben in erster Linie unter Verwendung von Strahlung im Frequenzbereich von 25 GHz bis 100 THz zu tun. Dieser Frequenzbereich erstreckt sich vom mittigen Infrarotbereich bis zum und einschließlich des unteren Endes des Mikrowellenbereichs. Dieser Frequenzbereich umfasst den Terahertzbereich (THz) und wird generell als THz-Strahlung bezeichnet.
Derartige Strahlung ist nicht ionisierend und, demzufolge, ist sie in medizinischen Anwendungen speziell von Nutzen. Bei jeder Art medizinischer Abbildung wird Strahlung generell vom oder durch den Patienten reflektiert. Strahlung im obigen Frequenzbereich wird generell in Strukturen mit einem hohen Wassergehalt ziemlich stark absorbiert. Daher glaubt man, dass Reflexionsmessungen in solchen Untersuchungen von speziellem Nutzen sind.
Reflexionsmessungen in nicht verlustbehafteten Materialien sind früher in der EP 0864857 demonstriert worden. Dieses Dokument erläutert, wie einfache Analyse unter Einsatz von Reflexionsmessungen an nicht verlustbehafteten Materialien durchführen lässt, die scharfe Unregelmäßigkeiten in ihrem Brechungsindex aufweisen. Die Position der dielektrischen Schnittstellen innerhalb einer Floppy Disk wird zur Demonstration des Verfahrens benutzt.
Jedoch sind medizinische Proben im Allgemeinen besonders verlustbehaftete Medien, mit anderen Worten, Terahertz-Strahlung wird in derartigen Strukturen stark absorbiert. Außerdem besteht eine Notwendigkeit die Struktur der Probe bestimmen zu können, die keine scharfen Unregelmäßigkeiten in ihrem Brechungsindex aufweist.
Mittleman et al "T-Ray Imaging" IEEE Journal of Selected Problems in Quantum Electronics Band 2, Nr. 3 Seiten 679 bis 692 präsentiert einen Abbildungsüberblick unter Verwendung von Terahertz-Strahlung.
Die EP 0864857 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für Tomografieabbildung mithilfe von Terahertz-Strahlung.
Die WO 00/75641 beschreibt ein Verfahren der Bildung 3-dimensionaler Abbildungen mithilfe von Terahertz-Strahlung.
Beim Studieren einer Probe ist es gewöhnlich wünschenswert ein Abbild der Probe zu generieren. Typisch wurden Abbildungen der Probe durch Plotten der Maxima oder Minima der erkannten Terahertz-Strahlung generiert. Es wurde jedoch festgestellt, dass durch Betrachten des elektrischen THz-Felds für eine spezielle Zeitverzögerung ein besserer Kontrast erhältlich ist.
Daher präsentiert die vorliegende Erfindung, in einem ersten Gesichtspunkt, ein Verfahren zur Abbildung einer Probe, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bestrahlen einer Probe mit einem Impuls elektromagnetischer Strahlung, wobei der Impuls eine Mehrheit von Frequenzen im Bereich von 25 GHz bis 100 THz aufweist; und
Erkennen der Amplitude der Strahlung; und
Generieren einer Abbildung der Probe mithilfe der Amplitude der Strahlung, die zu einem bestimmten Zeitpunkt erkannt wird.
Um eine Abbildung zu generieren, ist es erforderlich, das THz-Signal von einer Anzahl verschiedener Teile der Probe aus zu messen. Typisch wird der abzubildende Bereich der Probe in eine zweidimensionale Gruppe von Pixelns unterteilt und die Strahlung jedes der Pixel wird erkannt. Um Strahlung von jedem der Pixel zu erkennen, könnte die Probe relativ zum Strahlungstrahl bewegt oder der Strahl relativ zur Probe oder beides, bewegt werden. Als andere Möglichkeit könnte der ganze Bereich der Probe bestrahlt werden und die durch den Bereich der Probe gesendete oder erkannte Strahlung könnte von einer CCD-Kamera oder dergleichen erkannt werden.
Der zur Bestrahlung der Probe benutzte Terahertz-Impuls wird sich, aufgrund seiner Passage durch die Probe, ausbreiten. Folglich werden verschiedene Teile des Impulses zu verschiedenen Zeiten erkannt. Wenn man sich die ansteigende Flanke des Impulses eines speziellen Merkmals des Impulses als zu einer Zeit t=0 am Detektor ankommend vorstellen kann, dann werden die anderen Teile des Impulses mit einer Verzögerungszeit "t" am Detektor ankommen.
Das Verfahren des ersten Gesichtspunkts der vorliegenden Erfindung generiert eine Abbildung, die ein spezifisches "t" verwendet.
Die Strahlung lässt sich zu einer spezifischen Zeit "t" erkennen, dies ist vorteilhaft, da es nicht erforderlich ist Strahlung für jedes "t" zu erkennen und daher wird die Erfassungszeit der Abbildung erheblich verbessert.
Als andere Möglichkeit könnte es wünschenswert sein die Strahlung für einen Bereich von "t" zu erkennen und dann ein spezielles "t" selektieren, um die Abbildung zu generieren. Dies ermöglicht eine Abbildung unter Verwendung von "t", als die Scan-Variable scanfähig zu machen. Auf diese Weise könnte jemand, der das Verfahren verwendet, die Abbildung für verschiedene "t" scannen, bis die Abbildung mit dem besten Kontrast erhalten wird.
Dieses Verfahren könnte für entweder oder sowohl als auch gesendete Daten oder reflektierte Daten benutzt werden.
In einem zweiten Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Abbildung einer Probe bereit, die umfasst:
Mittel zum Bestrahlen einer Probe mit einem Impuls elektromagnetischer Strahlung, wobei der Impuls eine Mehrheit von Frequenzen im Bereich von 25 GHz bis 100 THz aufweist;
Mittel zum Erkennen der Amplitude der Strahlung, die durch die Probe gesendet oder von dieser reflektiert wird; und
Mittel zum Generieren einer Abbildung der Probe mithilfe der Amplitude der Strahlung, die zu einem einzigen Zeitpunkt erkannt wird.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise weiter Mittel zur Anzeige einer Mehrheit von Abbildungen, die von verschiedenen Zeitpunkten generiert wurden. Noch bevorzugter umfasst die Vorrichtung optimierende Mittel zum Optimieren der Abbildung unter Verwendung der variablen Parameter der Verzögerungszeit.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die folgenden bevorzugten nicht begrenzenden Ausführungsformen beschrieben:
Die 1 zeigt ein schematisches Abbildungssystem;
Die 2 zeigt ein Beispiel eines Generationsteils zur Verwendung mit dem Abbildungssystem der 1;
Die 3 zeigt ein Beispiel eines Erkennungsteils zur Verwendung mit dem Abbildungssystem der 1;
Die 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines Generators zur Verwendung mit dem Abbildungssystem der 1;
Die 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines Detektors zur Verwendung mit dem Abbildungssystem der 1;
Die 6 zeigt eine schematische Aufzeichnung eines Impulses, der vom Abbildungssystem der 1 erkannt wurde;
Die 7 zeigt eine Abbildung eines Hautkarzinoms, die in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung produziert wurde;
Die 8a und 8b zeigen zwei Abbildungen eines Zahns, die mithilfe eines Verfahrens in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung produziert wurden;
Die 9a zeigt ein sichtbares Bild einer Scheibe durch einen Zahn, die 9b zeigt eine typische THz-Zeitdomänenaufzeichnung für einen Zahn, die 9c, d und e zeigen Zeitscheibenabbildungen für den Zahn zu verzögerten Zeiten -0,08ps, 0,1ps und 3,34ps;
Die 10a bis 10d zeigen vier Abbildungen von Zeitscheiben durch den in der 9a gezeigten Zahn;
Die 11a zeigt ein sichtbares Bild eines Zahns, die Abbildung 11b zeigt ein Absorptionsbild des Zahns der 11a, die 11c zeigt ein Laufzeitbild des Zahns der 11a, die 11d bis 11f zeigen Zeitscheiben des Zahns der 11a für die jeweiligen Zeiten -0,1ps, 2,4ps und 3,1ps;
Die 12a zeigt ein sichtbares Bild eines Zahns, die 12b zeigt das Absorptionsbild dieses Zahns, die 12c zeigt eine Zeitscheibe durch diesen Zahn und die 12d zeigt ein Bild des Zahns unter Plotten der Zeit des maximalen Peaks des elektrischen Felds zeigt;
Die 13 zeigt ein sichtbares Bild eines Zahns und eines THz-Signals vom Zahn;
Die 14 zeigt ein sichtbares Bild eines Zahns und zwei THz-Aufzeichnungen von erkrankten und gesunden Teilen des Zahns;
Die 15 ist eine schematische Darstellung von Haut und zeigt ein schematisches Signal von der Haut; und
Die 16 zeigt eine schematische Schichtstruktur einer Probe, die unter Verwendung eines Verfahrens in Übereinstimmung mit einem Beispiel untersucht werden kann, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
Die 17 zeigt eine schematische Darstellung einer Variation des Abbildungssystems der 1;
Die 18a zeigt ein von der Vorrichtung der 17 gemessenes typisches Signal und die 18b zeigt das entsprechende THz-Leistungsspektrum;
Die 19 zeigt eine schematische Darstellung der Hautschichten und einen Eingangsimpuls und reflektierte Impulse;
Die 20 ist ein sichtbares Bild eines menschlichen Arms und einer menschlichen Hand, das Punkte am Arms und an der Hand anzeigt, die gemessen werden, um die Ergebnisse in den folgenden Abbildungen zu produzieren;
Die 21a ist eine Aufzeichnung einer Zeitdomänen-THz-Wellenform, die vom Unterarm gemessen und mit der von Luft und Wasser verglichen wurde; die 21b ist eine THz-Wellenform, die die reflektierten Impulse vom Unterarm, Handgelenk und Handteller vergleicht;
Die 22a ist ein 1 cm × 1 cm Bild der Seite der Hand von der 20; die 22b ist ein Zeitscheibenbild der Hand;
Die 23a ist ein Bild des Handtellers der Hand von der 20, die 23b zeigt die entsprechenden Daten von der Handtellerkante des Subjekts;
Die 24a ist eine Vergleichsaufzeichnung einer THz-Messung des Unterarms der 20 unter verschiedenen Benetzungsbedingungen; und die 24b zeigt Aufzeichnungen von Messungen des Handtellers und des Unterarms vor und nach der Auftragung von Glycerinlösung; und
Die 25 ist eine Vergleichsaufzeichnung der sich verändernden Kennlinien eines Unterarms über einen Zeitraum von 15 Minuten, die 25b ist ein Plot der Maxima der Aufzeichnungen der 25b gegen Zeit.
Die 1 zeigt ein elementares THz-Abbildungssystem; das System lässt sich in drei Hauptteile vereinfachen, einen Generatorteil 31, einen Abbildungsteil 33 und einen Erkennungsteil 35. Die THz-Strahlung wird im Generatorteil 31 unter Verwendung eines THz-Emitters generiert, der von einem sichtbaren Impulslaser 37 versorgt wird.
Ein THz-Strahl 39 wird vom Generatorteil 31 emittiert und auf die Probe 41 des Abbildungsteils 33 gerichtet. Der THz-Strahl 39 wird dann von der Probe 41 reflektiert und über weitere Optik 45 in den Erkennungsteil 35 gerichtet. Der THz-Strahl, der von der Probe reflektiert wird, ist der Strahl 39.
Der Erkennungsteil liest die Information, die im erkannten THz-Signal über ein sichtbares Lichtsignal und AC-Pockels-Effekt getragen wird. Das sichtbare Licht ist vom Laser 37 über den Strahlenteiler 47 erhältlich. Der Laser 37 ist ein Ti:Saphirlaser, der typisch Wellenlängen im Bereich von 900 nm bis 350 nm, bei einer Impulsbreite von 50 fs und einer Wiederholungsrate von 82 MHz, produziert.
Der Strahlteiler 47 teilt den Strahl in einen Bezugsstrahl 55 und einen Strahl für THz-Generation. Dem Bezugsstrahl 55 wird über die Zeitverzögerungsleitung 34 eine Zeitverzögerung hinzugefügt. Das Variieren der Zeitverzögerung über eine Zeitverzögerungsleitung erlaubt das Variieren der Phase des Bezugsstrahls in Bezug auf die des THz-Strahls 39. Dies wird zum Erkennen des THz-Strahls im Erkennungssystem 35 benutzt. Das System (z.B. die Steuerung der Bewegung der Probe 41, die Zeitverzögerung 34 und die Signalverarbeitung) wird vom Computer 36 gesteuert. Details des AC-Pockels-Effekts werden mit Bezugnahme auf die 3 beschrieben.
Die 2 zeigt einen Generator, der mit dem Abbildungssystem der 1 verwendet wird. Hier werden, der Einfachheit halber, Details des Erkennungsteils des Systems weggelassen. Diese werden mit Bezugnahme auf die 3 beschrieben.
Die 2 zeigt einen THz-Generator, der ein Frequenzumformungselement verwendet, das ein Kristall sein kann, das nichtlineare Eigenschaften dergleichen wie ZnTe aufweist. Die Strahlung, die zum Generieren der THz-Strahlung über ein Frequenzumwandlungselement 315 verwendet wird. Strahlung wird von einem Ti:Saphirkristall 317 zum Frequenzumwandlungselement 315 geliefert. Der Ti:Saphirkristall 317 emittiert einen Pumpstrahl, der Impulse von Strahlung umfasst, als Reaktion auf Strahlung mit dem Laserantriebsstrahl 319. Um effiziente Emission von Laserstrahlung bereitzustellen, ist es wünschenswert den Pumpstrahl 307 kontinuierlich auf den Ti:Saphirkristall 317 zu reflektieren. Deshalb wird der Laserkristall 317 typisch innerhalb eines Laserhohlraums bereitgestellt.
Der Antriebsstrahl 319 wird mittels der Spiegel M1 und M2 auf den Kristall 317 gerichtet. Der Antriebsstrahl 319 kann durch den Spiegel M3 hindurchgehen und auf den Laserkristall 317 gelangen. Der Antriebsstrahl 319, der nicht vom Kristall 317 absorbiert wird, wird durch den Spiegel M4 emittiert. Der Spiegel M4 dient dazu, Strahlung wieder auf den Laserkristall 317 zu reflektieren. Diese Strahlung wird dann über den Spiegel M3 auf den Spiegel M5 und auf den Ausgangskoppler 321 reflektiert. Der Ausgangskoppler 321 dient dazu den Pumpstrahl 307 auf das Frequenzumformungselement 315 zu reflektieren, um Terahertz-Strahlung zu produzieren. Der Pumpstrahl ist über die Linse L1 auf das Frequenzumwandlungselement 315 fokussiert. Strahlung, die durch das Frequenzumformungselement 315 gesendet wird, wird durch den Spiegel M6 wieder durch das Frequenzumwandlungselement 315 reflektiert. Diese Strahlung prall dann an den Ausgangskoppler 321.
Der Ausgangskoppler 321 sendet Terahertz-Strahlung, aber er reflektiert den größten Teil des Pumpstrahls wieder auf den Spiegel M5, der seinerseits die Strahlung über den Spiegel M3 wieder auf den Laserkristall 317 reflektiert. Mit anderen Worten, der Laserkristall 317 und das Frequenzumformungselement 315 befinden sich alle innerhalb desselben Laserhohlraums, der durch den Spiegel M6, den Ausgangskoppler und die Spiegel M5, M3 und M4 definiert ist. Der Pumpstrahl 307 wird kontinuierlich innerhalb dieses Hohlraums reflektiert, um den Pumpstrahl und den THz-Strahl effizient zu generieren.
Der THz-Strahl 53, der vom Ausgangskoppler 321 emittiert wird, wird über THz-Abbildungsoptik (nicht gezeigt) in den Abbildungsteil 33 und auf die Probe 41 gerichtet. Die Probe 41 wird auf eine motorisierte X-Y Translationstisch (nicht gezeigt) platziert, sodass die ganze Probe 41 abgebildet werden kann. (Die Ebene x-y ist orthogonal zur Strahlachse). Die THz-Strahlung, welche die Abbildungsinformation von der Probe trägt, wird über THz-Abbildungsoptik 45 in das THz-Erkennungssystem 35 reflektiert.
Der Ausgangskoppler 321 sendet einige sichtbare Strahlung 55 sowie THz-Strahlungals einen Bezugsstrahl 55. Abbildung und elektrooptische Erkennung lässt sich in einer einzelnen stickstoffgespülten Einheit durchführen.
Die Probe 41 wird auf einem X-Y motorisierten Translationstisch (nicht gezeigt) montiert, der von einem PC-Computer (nicht gezeigt) gesteuert wird. Jedes Teil (Pixel) des Objekts könnte dann abgebildet werden. Um die räumliche Auflösung des Verfahrens zu verbessern, könnten außerhalb der Bildmitte liegende Parabolspiegel, Kondensorkonen und Linsen verwendet werden, um den Strahl auf einen Beugungsgrenzpunkt zu fokussieren. Durch Montieren der Probe im Nahfeld eines Kondensorkonus könnte die Beugungsgrenze überwunden und eine räumliche Auflösung von ca. 50 μm erzielt werden. Das Abbildungssystem kann mit oder ohne solche Objekte abhängig von der Natur des abzubildenden Objekts und der Natur des Erkennungsschaltkreises funktionieren.
Die 3 zeigt das Erkennungssystem im Detail. Der, die Abbildungsinformation tragende, THz-Strahl 39 und ein sichtbarer Lichtstrahl 55 werden in das THz-Erkennungssystem eingegeben. Der sichtbare Lichtstrahl 55 fungiert als ein Bezugsstrahl, der auf den Erkennungskristall 73 auffällt. Der Bezugsstrahl 55 ist linear polarisiert und die Polarisation ist so orientiert, dass sie Komponenten sowohl der ordinären als auch der extraordinären Achse des Erkennungskristalls 73 entlang aufweist. Jede der Achsen weist deutliche Brechungsindexe n_o und n_e entlang der ordinären bzw. der extraordinären Achse Kristalls 73 auf. In der Abwesenheit eines zweiten (THz) Strahlungsstrahls 39 geht der linear polarisierte Bezugsstrahl 55 durch den Erkennungskristall 73 mit vernachlässigbarer Änderung in seiner Polarisation hindurch.
Der Anmelder möchte klarstellen, dass der Winkel Θ, durch den die Polarisation rotiert wird, vernachlässigbar ist. Jedoch kann der linear polarisierte Strahl geringfügig elliptisch werden. Dieser Effekt wird durch ein Wellenplättchen variabler Verzögerung, z.B. einem Viertelwellenlängenplättchen 81 kompensiert.
Der emittierte Strahl 77 wird in einen zirkular polarisierten Strahl 83 unter Verwendung des Viertelwellenlängenplättchens 81 umgeformt. Dieser wird dann mittels eines Wollaston-Prismas 79 (oder entsprechende Vorrichtung zum Trennen orthogonaler Polarisationskomponenten) in zwei linear polarisierte Strahle geteilt, das die zwei orthogonalen Komponenten des polarisierten Strahls auf eine abgeglichene Fotodiode 85 richtet. Das Signal der abgeglichenen Fotodiode wird mittels des Wellenplättchens 81 so justiert, dass die Differenz in Ausgangsleistungen zwischen den zwei Dioden null ist.
Wenn jedoch der Detektor 73 außerdem einen zweiten Strahl 69 (in diesem Fall ein Strahl mit einer Frequency im THz-Bereich) sowie einen Bezugsstrahl erkennt, ist der Winkel Θ, durch den die Polarisation rotiert wird, nicht vernachlässigbar. Der Grund hierfür ist, dass das elektrische THz-Feld den Brechungsindex der sichtbaren (fundamentalen) Strahlung entlang einer der Achsen n_e, n_o modifiziert. Dies führt dazu, dass das sichtbare Feld nach dem Detektor 73 elliptisch ist und daher die durch das Prisma 79 getrennten Polarisationskomponenten nicht gleich sind. Die Differenz in der Spannung zwischen den Ausgangsdioden gibt eine Erkennungsspannung.
Der Bezugsstrahl 55 und der THz-Strahl 39 sollten in Phase bleiben sowie sie durch den Kristall 73 hindurchgehen. Ansonsten wird die Polarisationsrotation Θ undeutlich gemacht. Daher weist der Erkennungskristall 73 Phasenanpassungsmittel auf, um ein klares Signal zu produzieren.
Andere Generatortypen könnten ebenso zum Einsatz kommen. Die 4 veranschaulicht einen sogenannten fotoleitenden Emitter. Der Emitter umfasst ein Element 91, das einen Halbleiter wie beispielsweise Niedertemperatur-GaAs, GaAs, Si auf Saphire usw. umfasst. Das Halbleiterelement weist ein Paar Elektroden 93a und 93b auf, die sich auf seiner Oberfläche befinden. Die Elektroden 93a und 93b sind an eine Stromversorgung so angeschlossen, dass zwischen den zwei Elektroden 93a und 93b ein Feld generiert werden kann.
Die einfachste Elektrodenanordnung ist in der 4 gezeigt. Jedoch könnten die Elektroden dreieckig und in Form eines "Schmetterlings", einer sogenannten Schmetterlingsantenne angeordnet sein oder sie könnten „interdigitated" Elektroden im Zentrum einer Schmetterlingsantenne oder Wendelantenne sein. Als andere Möglichkeit könnten derartige Designs in Übertragungsleitungen auf dem Chip eingebaut sein.
Das Halbleiterelement wird von einem Pumpstrahl bestrahlt, der ein Strahlungsimpuls (ca. 70 fs) eines Typs ist, der vom Laser 37 emittiert werden kann. Der Impuls umfasst mindestens zwei Frequenzen ω₁ und ω₂, deren Differenz eine Frequenz im THz-Betriebszustand gibt. Der Pumpstrahl fällt auf das Halbleiterelement 91 auf den Teil seiner Oberfläche zwischen den Elektroden 93a und 93b auf, d.h., wo das Feld angewandt wird. Die Schwebung, der zwei sichtbaren oder Nah-Infrarot-Frequenzen, im nichtlinearen Bereich des Halbleiterelements, zwischen den zwei Elektroden 93a und 93b, ergibt die Emission von THz-Strahlungvom Halbleiterelement 91. Das Halbleiterelement 23 ist mit einer Linse 95 auf seiner Oberfläche, die der Oberfläche mit den Elektroden gegenüberliegt, versehen, die eines halbkugelförmigen oder anderen Designs sein könnte, um die Emission eines Strahls von THz-Strahlung zuzulassen.
Die 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines Detektors, der mit dem Abbildungssystem der 1 verwendet werden könnte. Dieser Typ von Detektor ist als ein fotoleitender Detektor bekannt und umfasst ein Erkennungselement, das, beispielsweise, GaAs, Si auf Saphir usw. sein könnte. Die THz-Strahlung fällt auf die hintere Oberfläche des Erkennungselements 96 auf. Die Strahlung wird von der Linse 98 gesammelt, die halbkugelförmig oder einer anderen Form sein könnte. Auf der gegenüberliegenden Seite des Erkennungselements 96 befindet sich ein Elektrodenpaar 97a und 97b. Der Bereich zwischen diesen zwei Elektroden 97a und 97b wird durch Strahlung aus dem sichtbaren Bereich oder Nah-Infrarot-Bereich illuminiert.
Die Nah-Infrarot-Strahlung/sichtbare Strahlung illuminiert die Oberfläche des Detektors zwischen den Elektroden 97a und 97b. Die Terahertz-Strahlung, die von der Linse 98 gesammelt wird, induziert einen Fotostrom durch den Bereich zwischen den Elektroden 97a und 97b, der durch die sichtbare Strahlung/Infrarotstrahlung illuminiert wird. Der Strom, der von den Elektroden erkannt werden kann, ist proportional zur Stärke des THz-Felds.
Die Elektrode 97a, 97b könnte einer einfachen Diodenformation sein, die in eine Übertragungsleitung eingebettet ist. Als andere Möglichkeit könnten sie dreieckig und in Form eines Schmetterlings zur Formung einer sogenannten Schmetterlingsantenne angeordnet sein. Sie könnten ebenso "interdigitated" Elektroden im Zentrum einer Schmetterlings- oder Wendelantenne sein.
Die 6 zeigt eine schematische Aufzeichnung eines von der Probe reflektierten THz-Impulses unter Verwendung des Vorrichtungstyps, der für das Beispiel in der 1 gezeigt ist.
Ein oszillierendes elektrisches Feld ist auf der Y-Achse gegen Zeit entlang der X-Achse aufgezeichnet. Typisch haben Verfahren zum Entlocken von Information aus der Aufzeichnung entweder die zeitliche Position der Maxima des elektrischen Felds (T₁) oder die zeitliche Position der Minima des elektrischen Felds (T₂) benutzt.
Wie aus der 6 ersichtlich ist, ändert sich die Größenordnung des gemessenen elektrischen Felds erheblich mit Zeit. Zwischen T₁ und T₂ besteht nur eine kleine Zeitdifferenz. Bei Betrachten eines Bereichs der Probe wird eine Aufzeichnung, wie die in der 6 Gezeigten, für jeden Punkt der Probe erlangt. Abhängig von der Zusammensetzung der Probe wird sich die Aufzeichnung von Punkt zu Punkt oder Pixel zu Pixel ändern.
Die 7 zeigt eine Reflexionsabbildung eines Hautkarzinoms. Die 7a zeigt die THz-Abbildung und die 7b zeigt die Abbildung unter Verwendung sichtbarer Strahlung.
Um das Bild in der 7a zu generieren, wird nur reflektierte Strahlung von einer einzigen Verzögerungszeit d.h. einem einzigen Punkt auf der X-Achse der 6, aufgezeichnet. Die Verzögerungszeit könnte das Maxima des elektrischen Felds in einigen Teilen der Probe oder das Minima des elektrischen Felds in anderen Teilen der Probe sein. Es ist ersichtlich, dass dieses Bild guten Kontrast zeigt. Da es nur erforderlich ist das THz-Signal an einer speziellen Verzögerungszeit zu messen, besteht keine Notwendigkeit die Gesamtheit des THz-Impulses kontinuierlich abzutasten. Deshalb lässt sich das Bild mithilfe einer viel kürzeren Erfassungszeit produzieren. Außerdem erfordert das Bild weniger Verarbeitung.
Die 8a und 8b zeigen zwei Bilder eines Zahns, die mit THz-Strahlung generiert wurden. Die 8a und 8b wurden auf ähnliche Weise wie die der 7 produziert. Mit anderen Worten, das Bild wurde für eine einzige Zeitverzögerung aufgenommen. Die für die 8a gewählte Zeitverzögerung betrug 0 Pikosekunden.
Die 8b zeigt denselben Zahn der 8a, aber hier beträgt die Zeitverzögerung 6,99 Pikosekunden. Es ist ersichtlich, dass das Bild in der 8b weit schärfer als das der 8a ist. Das optimale Bild ist durch Wählen der korrekten Zeitverzögerung erhältlich.
Die 9a zeigt ein sichtbares Bild eines Zahns. Der Zahn ist eigentlich eine Scheibe durch einen Zahn, wobei die verschiedenen Bereiche wie der Email-Dentinbereich 201 und der Pulpenhöhlenbereich 203 unterschieden werden können. Der Email-Dentinbereich 201 ist aufgrund von Karies in den Bereichen 205 und 207 verfault.
Die 9b zeigt vier THz-Aufzeichnungen, die als Amplituden des erkannten THz-Signals gegen Zeitverzögerung für die drei Bereiche des Zahns und ein Bezugssignal aufgezeichnet sind. Es ist ersichtlich, dass das reflektierte erkannte THz-Signal für die verschiedenen Bereiche ziemlich unterschiedlich ist. Zum Beispiel ist bei der Spitze 209 ersichtlich, dass das im Emailbereich (E) des Zahns aufgenommene Signal dominiert. Ebenso ist bei der Spitze 211 ersichtlich, dass das Dentinsignal (D) dominiert. Bei der Spitze 213 dominiert das Signal, aufgrund von Karies (C), die Aufzeichnung. Das Bezugssignal (R) scheint generell das mit der niedrigsten Spitze zu sein.
Durch Betrachten der für verschiedene Zeitverzögerungen erkannten THz-Signale ist es möglich Differenzen, zwischen den verschiedenen Teilen des Zahns zu unterscheiden.
Die 9c, 9d und 9e zeigen Bilder des Zahns, die mit Zeiten -0,08 ps, 0,1 ps und 3,34 ps aufgenommen wurden. Diese Zeiten entsprechen der X-Achse der 9b. Die in der 9b zu sehende Aufzeichnung wird für jeden Teil des Zahns der 10a zusammengetragen werden müssen, aber nur für einen einzelnen Punkt auf der X-Achse, denn Betrachten bei einer speziellen Verzögerungszeit wird als Aufnehmen einer Zeitscheibe durch die Spektren bezeichnet.
Die verfaulten Bereiche 205 und 207 sind in allen 9c, 9d und 9e zu sehen.
Die 10a bis 10d zeigen weitere Zeitscheiben des Zahns der 9a, die nicht optimiert worden sind, um die kariösen Bereiche 205 und 207 zu veranschaulichen. Bei Vergleichen der Zeitscheiben der 10a bis 10d mit denen der 9c bis 9e ist ersichtlich, dass der Kontrast, speziell im Kariesbereich 205 und 207 in den 9c bis 9e im Gegensatz zu den 10a bis 10b viel deutlicher ist.
Die 11 zeigt einen Bereich verschiedener Bilder für einen Zahn. Der Zahn, der zum Generieren der Bilder der 11 verwendet wurde, ist anders als der Zahn, der zum Generieren der Bilder der 9 benutzt wurde. Hier ist ein sichtbares Bild einer Scheibe durch den Zahn in der 11a gezeigt. Es ist ersichtlich, dass keine Fäulnis in diesem Zahn vorhanden ist. Die 11b zeigt ein THz-Absorptionsbild des Zahns der 11a. Dies wird ganz einfach durch Messen des elektrischen Felds für jeden Punkt auf dem Zahn am Detektor erlangt. Das hier gezeigte Absorptionsbild ist aus allen der Frequenzen des auffallenden Impulses der THz-Strahlung generiert, d.h., es ist ein panchromatisches Bild.
Die 11c ist ein sogenanntes Laufzeitbild. Momentan auf die 9c zurückkommend, welche die THz-Aufzeichnung zeigt, ist ersichtlich, dass ein Maxima des elektrischen Felds vorliegt. Die Laufbildzeit betrachtet dieses Maxima und zeichnet die Änderung in zeitlicher Position dieses Maxima für jeden Punkt im Bereich der abzubildenden Probe auf.
Wie bei den Absorptionsbildern und sichtbaren Bildern sind die Pulpenhöhle 203 und der Emailbereich 201 leicht zu unterscheiden.
Die 11d, 11e und 11f zeigen Zeitscheiben (ähnlich denen, die für die 9c bis 9Ee beschrieben sind) für Verzögerungszeiten -0,1 ps, 2,4 ps bzw. 3,1 ps. Es ist ersichtlich, dass sich der Kontrast des Email-Dentinbereichs 201 mit der Pulpenhöhle 203 zwischen den drei Abbildungen dramatisch ändert. Außerdem ist keine Andeutung von Karies in irgendeinem der Emailbereiche in allen der Zeitscheiben vorhanden.
Die 12 zeigt einen weiteren Zahn. Die 12a zeigt ein sichtbares Bild des Zahns, wiederum lassen sich der Email-Dentinbereich 201 und die Wurzel-/Pulpenhöhle 203 leicht bestimmen. Der Zahn weist einen Kariesbereich 205 auf, der auf dem sichtbaren Bild 203 nicht leicht zu sehen ist.
Die 12b zeigt das Absorptionsbild, das auf dieselbe Weise wie in der 11B erhalten wurde. Die 12c zeigt eine Zeitscheibe. In beiden 12c und 12b sind die Kariesbereiche 205 leicht zu sehen. Die 12d zeigt ein Bild, das durch Aufzeichnen der Maxima des elektrischen Felds für jeden Punkt der Probe, die bestrahlt wird, aufgezeichnet wurde. Der Email-Dentinbereich 201 ist zu sehen. Der Kariesbereich 205 ist jedoch sehr schwach und deshalb viel schwächer als die in der 12c gezeigte Zeitscheibe. Die Erfassungszeit für die Zeitscheibe kann sehr schnell sein, weil es nur erforderlich ist, das reflektierte elektrische THz-Feld für einen einzelnen Zeitpunkt zu erkennen.
Die 13 zeigt ein weiteres sichtbares Bild eines Zahns. Die 13a zeigt ein sichtbares Bild, wogegen die 13b eine einzige Aufzeichnung des reflektierten elektrischen THz-Felds gegen Zeit zeigt. Das THz-Bild ist entlang eines Verlaufs 101 des Zahns aufgenommen. Es gibt drei starke Merkmale im reflektierten THz. Die erste Spitze 103 ist auf Reflexion des THz von der Email-/Luftoberfläche zurückzuführen. Die zweite Spitze 105 ist auf Reflexion des THz von der Email-/Dentinschnittstelle e-d im Zahn zurückzuführen. Die dritte und schwächste Reflexion ist auf die Dentin-/Pulpenhöhlenschnittstelle d-p des Zahns zurückzuführen.
Die 14a zeigt ein sichtbares Bild einer Scheibe eines Zahns. Der Zahn weist einen gesunden Bereich 109 und einen verfaulten Bereich 111 auf. Die 14b zeigt einen in der Zeitdomäne im gesunden Bereich 109 gemessenen THz-Impuls. Die 14c zeigt einen in der Zeitdomäne für den ungesunden Bereich, der aufgrund von Karies 111 verfault ist, gemessenen THz-Impuls. Zurückkommend auf das sichtbare Bild der Zahnscheibe in der 14a sind zwei Schnittstellen zu sehen. Die Erste ist die Email-/Luftschnittstelle 113, die Zweite ist die Email-/Dentinschnittstelle 115. In der THz-Aufzeichnung lassen sich die zwei Spitzen 117 und 119 des gesunden Bereichs leicht unterscheiden. Die obere Spitze 117 soll auf die Reflexion des THz an der Schnittstelle 113 zurückzuführen sein, die zweite Spitze 119 ist auf die Reflexion von THz an der Schnittstelle 115 zurückzuführen.
Im THz-Impuls des ungesunden Bereichs scheint die Spitze, aufgrund der Reflexion von der Schnittstelle 113, fast der gleichen Höhe wie die entsprechende Spitze in der 14b zu sein.
Jedoch scheint die zweite Spitze, die auf die Reflexion von der Schnittstelle 115 zurückzuführen ist, viel kleiner zu sein. Der Grund hierfür ist, dass ein Bereich des Zahns, der wegen Karies verfault ist, THz weit stärker absorbiert als ein Bereich, der nicht verfault ist. Daher penetriert weniger THz bis zur Schnittstelle 115 und THz, das von dieser Schnittstelle reflektiert wird, wird außerdem stärker absorbiert als im Fall des gesunden Zahns. Deshalb ist die Spitze 119 in der Aufzeichnung des ungesunden Bereichs erheblich reduziert.
Ungeachtet dessen, ob der Zahn gesund ist oder nicht sollte die Höhe der Spitze von der Schnittstelle 113 in beiden Aufzeichnungen b und c identisch sein. Jedoch werden sie, wegen ihren verschiedenen Positionen am Zahn, möglicherweise Schmutz an der Oberfläche des Zahns, fast immer verschieden sein. Daher sollte, um die Anwesenheit von Karies zu erkennen, das Verhältnis der Spitzenhöhen 117 und 119 zwischen einem gesunden Bereich und einem ungesunden Bereich verglichen werden.
Diese Art von Analyse findet nicht nur auf Zähne Anwendung. Die 15 zeigt eine schematische Darstellung einer gesunden Hautfläche und einer ungesunden Hautfläche. Die 15b zeigt den THz-Impuls, der von einem gesunden Hautbereich reflektiert worden ist, die 15c zeigt einen THz-Impuls in der Zeitdomäne, der von einem ungesunden Teil der Haut reflektiert worden ist.
In der 15a sind eine Haut-/Luftschnittstelle 121 und eine Haut-/Fettschnittstelle 123 gezeigt. Es liegt ein gesunder Bereich 125 und ein ungesunder Bereich 127 vor, der den Tumor 129 enthält. Die 15b zeigt einen THz-Zeitdomänenimpuls für den gesunden Bereich 125. Die erste Spitze 131 ist auf die Reflexion von der Schnittstelle 121 zurückzuführen. Die zweite Spitze 133 ist auf die Reflexion von der Haut-/Fettschnittstelle 123 zurückzuführen. Die 15c zeigt eine ähnliche Aufzeichnung, außer, dass sie hier im ungesunden Bereich 127 aufgenommen ist. Die Spitze 131 bleibt praktisch gleich. Jedoch ist die Größe der Spitze 133, aufgrund der Absorption durch den Tumor 129, erheblich reduziert.
Durch Aufzeichnen des Verhältnisses der Reflexion von der ersten Schnittstelle 121 zur zweiten Schnittstelle 123, über die Haut, lässt sich der laterale Umfang des Tumors, wie in der 15d gezeigt, bestimmen.
Es ist ebenso möglich Information über die Tiefe einer Probe mithilfe von Reflexionsmessung zu erhalten, die keine besonders stark definierten Schnittstellen bzw. Grenzflächen aufweist. Verlustbehaftete Materialien, wie biologische Proben, besitzen einen relativ großen Absorptionskoeffizienten, der dominiert wie Strahlung von der Probe reflektiert wird.
Die 16 zeigt einen auf eine Probe auffallenden THz-Impuls. Der THz-Impuls pflanzt sich in der x-Richtung fort und wird vom Objekt in einen sich gegenläufig fortpflanzenden Impuls zerstreut (reflektiert) oder reflektiert.
Um die Sache zu vereinfachen, wird die folgende Analyse nur eine räumliche Dimension (x) in Betracht ziehen (d.h. für den Fall eines kollimierten THz-Strahlwegs). Es wird außerdem angenommen, dass das Objekt in der Ebene y-z über die Dimensionen des THz-Strahls gleichförmig ist. Unter Voraussetzung der hier beschriebenen 1-D-Analyse könnte, um Information über die Struktur des Objekts in der x-Richtung bereitzustellen, die Variation des Objekts in den Richtungen y-z durch Scannen des Objekts durch den THz-Strahl in der Ebene y-z (oder, als andere Möglichkeit, Scannen des THz-Strahls über das Objekt) erhalten werden.
Die Analyse lässt sich dazu verwenden zu bestimmen, wie sowohl die Absorption als auch der Brechungsindex innerhalb der Probe räumlich variiert. In der Praxis variieren sowohl der Absorptionskoeffizient als auch der Brechungsindex ebenso mit der Frequenz. Die folgende Analyse nimmt an, dass der Frequenzgang des Brechungsindexes bekannt ist und auch, dass der Absorptionskoeffizient nicht mit der Frequenz variiert.
Da das elektrische Feld, aufgrund des reflektierten THz-Impulses vielleicht nur an diskreten Zeitpunkten gemessen werden kann, müssen alle der Integraltransformierten unten durch die geeignete diskrete Transformierte ersetzt werden. um mit dem endlichen Datensatz zu funktionieren.
Die auffallenden und reflektierten THz-Impulse sind durch elektrische Felder T(x,t) bzw. R(x,t) gekennzeichnet. Die Größen in Klammern zeigen an, dass T und R beide Funktionen von Position, x, und Zeit, t, sind. Es wird angenommen werden, dass alle elektrischen Felder entlang einer ähnlichen Achse senkrecht zur x-Richtung polarisiert sind und deshalb können sie als skalare Größen geschrieben werden (d.h. Richtungsabhängigkeit ignorieren):
wo i die imaginäre Einheit √-1 ist. Die Wellen werden in ihrer komplexen Form geschrieben; die wahren elektrischen Felder werden durch Nehmen des Realteils der komplexen Wellen erhalten. Tω und Rω sind die komplexen Amplituden der jeweiligen auffallenden und reflektierten Wellen an jeder Frequenzkomponente f wo f = 2π/ω und diese Größen sind ebenso Funktionen der Position x. Die ω-Tiefzahlen zeigen an, dass eine Größe eine Funktion von ω ist. k ist der Wellenvektor jeder Frequenzkomponente der Welle und wird definiert durch
wo c die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum ist, n_ω und α_ω der Brechungsindex und Absorptionskoeffizienten des Objekts bei Winkelfrequenz ω sind. Somit könnten sowohl n_ω als auch α_ω Funktionen von Position und Frequenz sein. Dieses sind die Materialparameter, die das Objekt kennzeichnen.
Die Fortpflanzung und Kopplung von Energie zwischen den auffallenden und reflektierten Wellen wird durch zwei gekoppelte Differenzialgleichungen erster Ordnung beschrieben (leicht aus Maxwell's Gleichungen abgeleitet):
Die linken Seiten der obigen Gleichungen beschreiben die Fortpflanzung der zwei sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen. Die rechten Seiten stellen die "Kopplungs"-Bedingungen bereit, die Energie von einem Strahl zum Anderen bei der Anwesenheit eines Streuungspotenzials transferieren. In diesem Fall wird das Streuungspotenzial durch einen räumlich variierenden Wellenvektor k bereitgestellt. Das heißt, dk:dx muss Nichtnull sein, damit Photonen von der auffallenden Welle auf die reflektierte Welle transferiert werden und umgekehrt. Wo dk:dx = 0, gibt es keine Kopplung zwischen den Strahlen und die auffallenden und reflektierten Wellen pflanzen sich unabhängig fort.
In einem verlustbehafteten, dispergierenden Medium α≠=0 und wo n_ω, frequenzabhängig ist.
Es wird angenommen, dass das Streuungspotenzial durch einen räumlich variierenden Koeffizienten, Δ(x) so bereitgestellt wird, dass k = k'Δ
wo k' der räumliche Durchschnitt von k ist und k' unabhängig von x ist. (k' bleibt eine Funktion von ω, wogegen Δ unabhängig von ω) ist.
Um räumliche Information abzuleiten (d.h. Information darüber wie Δ in Bezug auf x variiert), ist es erforderlich die spektralen Kennlinien des Materials im voraus zu wissen (d.h. zu wissen wie n_ω, von ω abhängt). Eine funktionelle Form von n_ω (ω) und auch der Koeffizient α werden angenommen. Für den Zweck der Abbildung könnte dies aus dem räumlich durchschnittlichen THz-Reflexionsvermögen der Probe berechnet werden (d.h. derart, dass Strukturinformation gemittelt wird). Die Ableitung der spektralen Kennlinien einer Probe durch THz-Rflexion ist anderswo in der Literatur beschrieben worden und wird hier nicht reproduziert.
Für ein verlustbehaftetes Medium wo α/2 >> nω/c (wie biologische Medien auf Wasserbasis) ist eine reale räumliche Variation in Δ auf eine räumliche Variation im Absorptionskoeffizienten des Mediums zurückzuführen. Früher sind nur eine räumliche Variation im Brechungsindex in Betracht gezogen worden.
Überdies wird angenommen, dass die räumliche Variation von k viel kleiner als der absolute Wert von k ist, d.h. dk:dx << k und, dass der Verlust von Energie von der auffallenden Welle, aufgrund von Reflexion, viel kleiner als der Verlust durch Absorption ist. Diese Bedingungen sind für die meisten biologischen Proben oder Proben mit hohem Wassergehalt geeignet. Bei dieser Annäherung ist die räumliche Abhängigkeit der auffallenden Welle unabhängig von der räumlichen Variation von k und ist durch Folgendes gegeben
wo T_x=0 die Amplitude des auffallenden elektrischen Felds bei der Position x=0 ist und eine Funktion von ω ist.
Die räumliche Abhängigkeit der reflektierten Welle könnte jetzt durch eine einzige Differenzialgleichung beschrieben werden:
Die Gleichung 2 könnte (beispielsweise, durch das Verfahren von Laplace-Transformation) gelöst werden, um Rω zu erhalten:
Da es notwendig ist die reflektierte Welle an einem Punkt zu messen, setzen wir x=0, um Folgendes zu erhalten
Dieser Ausdruck könnte invertiert werden, um F(x) unter der Annahme zu erhalten, dass F unabhängig von
ist. Dies trifft nicht strikt auf Systeme zu, wo die Absorption eine Funktion von Frequenz ist. Durch Machen dieser Annahme wird die Analyse vereinfacht; der Effekt der endlichen Frequenzabhängigkeit vom Absorptionskoeffizienten ist primär die räumliche Auflösung (in der x-Richtung) des endlichen Ergebnisses, bei Frequenzen, wo die Frequenzabhängigkeit signifikant ist.
Durch inverse Fourier-Transformation der Gleichung 3 erhalten wir
Die räumliche Abhängigkeit des Parameters Δ(x) enthält die strukturelle Information über das Object, das wir zu deduzieren versuchen. Dies erhält man durch Umstellen der Gleichung 4 und Integrieren über die Position x.
Der Faktor R_{x=0, ω} wird durch Fourier-Transformation des gemessenen reflektierten elektrischen THz-Felds R(t) erhalten (d.h. wie bei Punkt x=0 gemessen, was der Oberfläche des Medium oder der Probe enspricht):
Der Faktor T_x=0,·ω wird durch Fourier-Transformation eines THz-Bezugsimpulses erhalten. Der THz-Bezugsimpuls könnte durch Messen des von einer Probe bekannten Reflexionsvermögens wie, beispielsweise, eines Silberspiegels reflektierten THz-Impulses erhalten werden. Der von einem Silberspiegel reflektierte THz-Impuls ist eine exakte Reproduktion des auffallenden THz-Impulses d.h., Tsilver(t) = Rsilver(t)
Eine ähnliche Transformation wird an T(t) durchgeführt:
In der Praxis muss der auffallende THz-Impulseine endliche Bandbreite haben; das heißt, T_x=0,ω wird unter den Geräuschpegel der Messvorrichtung bei Frequenzen über Schwellwert ω_max fallen. Gleichermaßen wird T_{x=0, ω} unter das Messgeräusch bei Frequenzen unterhalb Minimumschwellwert, ω_min fallen. Um Artefakte, aufgrund von Geräusch, auszuschließen wo T_{x=0, ω} klein geworden ist, haben wir eine Fenstertechnikfunktion W(ω) eingeschlossen. Diese Funktion hat die Eigenschaft, dass sie bei sowohl hohen als auch niedrigen Frequenzen schneller als T_{x=0, ω} auf null abfällt.
Beispielsweise könnten wir wählen, dass Wω = W(ω) eine Rechteckimpulsfunktion sein soll:
Das Ergebnis ist
dn_ω : dω könnte direkt aus der früher bestimmten funktionellen Form von n_ω berechnet werden.
Die Gleichung 6 konstituiert das Hauptergebnis. Δ(x) wird durch numerische Auswertung der Gleichung 6 erhalten, sobald alle der konstituierenden Faktoren bestimmt worden sind. Da Δ komplex ist, könnten entweder der reale oder der imaginäre Teil der Funktion aufgezeichnet werden, um ein Bild oder Kombination zu formen. Δ, das auf diese Weise erhalten wird, wird – angesichts der oben beschriebenen Annäherungen, nur als eine Annäherung an die exakte strukturelle Form der Probe betrachtet.
Die 17 zeigt ein Abbildungssystem, das der 1 ähnlich ist. Um unnötige Wiederholung zu vermeiden, werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Merkmale zu bezeichnen. Ein Ti:Saphirlasersystem 37 (kohärent Reg A9000), das mit einer 250-kHz-Wiederholungsrate arbeitet, wird zum Bereitstellen der Eingangsstrahlung verwendet. Die Strahlung wird mithilfe des Strahlteilers 47 geteilt, um einen Sondenstrahl 55 und einen Pumpstrahl 39 zu produzieren. Der Pumpstrahl wird zuerst durch eine 1-ns-Verzögerungsleitung 401 geleitet. Dies ist eine statische Verzögerungsleitung und wird dazu verwendet, Feineinstellungen an der Weglänge vorzunehmen. Der Pumpstrahl wird dann in eine 150 ps Scanning-Verzögerungsleitung 403 mit einer Scanning-Frequenz von 20 Hz geleitet. Die Scanning-Verzögerungsleitung hat einen Linearpositionsausgang, sodass es möglich ist, die Position der Verzögerungsleitung zu kennen, wenn jede Messung vorgenommen wird. Der Pumpstrahl wird dann durch einen 64-kHz-Modulator 405 gespeist, der den Strahl bei dieser Frequenz zerstückelt, um eine Frequenz zur Erkennung unter Verwendung von Lock-in-Verfahren bereitzustellen.
Der Pumpstrahl 39 wird dann auf die GaAs-Antenne 407 geleitet. Die Antenne ist auf 1,1 kV vorgespannt und Durchschnittsleistungen von über 1 nW sind Generator. Die Leistung des Pumpstrahls 39, die zur Antenne geliefert wird, beträgt 1 bis 2 μJ. Solche Antennen sind im Detail in J.T.Darrow und B.B. Hu und X.-C. Zhang und D.H. Auston 1990, Optics Lett., 15(6), Seiten 323-5, Z.G. Lu und P.Campbell und X.-C. Zhang, 1997 Appl. Phys. Lett., 71(5), Seiten 593-5 und G. Mouret und W. Chen und D. Boucher und R. Bocquet und P Mounaix und D. Theron und D. Lippens, 1998, Microwave und optical technol. lett., 17(1), Seiten 23-7 beschrieben. In der speziellen Antenne dieses Beispiels werden eine Antikoronabeschichtung aus Acryl und ein100 KΩ Reihenwiderstand verwendet, um dielektrischen Durchschlag der Vorrichtung zu unterdrücken und Leistungsverlust in das GaAs (Galliumarsenid) zu reduzieren. Die emittierten THz-Impulse werden von der Antenne 407 über außerhalb der Bildmitte liegende Parabolspiegel 409 auf die Probe 411 geleitet. Die von der Probe reflektierte Strahlung wird dann über den Parabolspiegel 413 gesammelt und in den Detektor 35 geleitet. Der Detektor ist des EOS-Typs, der mit Bezugnahme auf die 3 beschrieben ist. Im speziellen Beispiel der 17 wird der reflektierte THz-Strahl auf 1 mm starkes ZnTe-Kristall kollinear mit der Sonde 55 geleitet.
Wo nichtplanare weiche Materialien, zum Beispiel, menschliche Haut gemessen werden, wird ein Quarzfenster verwendet, um die Haut zur Verbesserung des Bilds abzuflachen.
Die 18a zeigt eine typische Aufzeichnung des THz-Signals (beliebige Einheiten) gegen Verzögerungszeit des optischen Impulses (gemessen durch die 150 ps Scanning-Verzögerungsleitung) die mithilfe der Vorrichtung der 17 erhältlich ist. Die kleineren Oszillierungen nach dem Hauptimpuls sind auf atmosphärische Wasserdampfabsorption und Dispergierung in den THz-Strahlweg zurückzuführen. Ein kleines Signal ist bei 10 ps nach dem Hauptimpuls, aufgrund von Rückstrahlung vom GaAs-Antennensubstrat, zu sehen. Das Verhältnis des Nutz- zum Störsignal für eine typische THz-Wellenform (gemessen mit einem Metallspiegel anstelle einer Probe) ist für einen einzelnen Verzögerungsleitungs-Scan größer als 6000 zu 1. Dies ist für eine Erfassungszeit von 50 ms typisch.
Die Bandbreitengruppe, die aus der Fourier-Transformation der Zeitdomänen-Wellenform der 18a erhalten wird, ist in der 18b gezeigt. Die 18b zeigt das THz- Leistungsspektrum. Das Spektrum erreicht seinen Höhepunkt bei 300 GHz mit nützlicher Leistung bis über 3 THz. Der große THz-Durchsatz des Systems erlaubt das Reduzieren der Erfassungszeit für 3D-Datensätze auf nur einige Minuten.
Die 19 ist eine schematische Darstellung der äußersten Schichten menschlicher Haut. Das Stratum Corneum (die Hornschicht/Oberhaut) 421 ist die äußerste Hautschicht, die mittlere Schicht ist die Epidermis 423 und die innerste Schicht, die für diese Experimente von Interesse ist, ist die Dermis bzw. Unterhaut 425. Wenn ein einzelner THz-Impuls 427 von der Haut reflektiert wird, treten mehrfache Reflexionen aufgrund der Stratum Corneum/Luftschnittstelle 429, Stratum Corneum/Epidermisschnittstelle 431 und der Epidermis/Dermisschnittstelle 433 auf. Das Signal jeder dieser Schnittstellen ist im Ausgangsimpuls 435 zu sehen.
Die in den 20 bis 25 gezeigten Daten stammen von dem in der 20 gezeigten menschlichen Arm. Punkt a zeigt das mittige innere Forum, Punkt b zeigt die Innenseite des Handgelenks, Punkt c zeigt den Handteller, Punkt d zeigt die Handkante und Punkt zeigt die Fingerspitze des zweiten Fingers. THz-Strahlung ist nicht ionisierend und es kommen niedrige durchschnittliche Leistungen zum Einsatz (typisch 1 mW). Deshalb wird kurzes Aussetzen gegenüber der Strahlung nicht für gefährlich gehalten.
Die 21a zeigt eine Zeitdomänen-THz-Wellenform, die von Punkt a auf der 20 erhalten wurde. Die Zeitdomänenwellenform ist verarbeitet worden, um einige unerwünschten Artefakten zu entfernen. Die Oszillationen folgen dem Hauptimpuls wegen des entfernten atmosphärischen Wassers durch "Deconvolving" des Datensatzes, der, in Abwesenheit der Probe, mit der Bezugsimpulswellenform erhalten wurde. Der Datensatz wird außerdem spektral gefiltert, um Außerbandstörung durch Anwendung eines Bandpassfilters zu entfernen, wobei der Bandpass eingestellt ist, dem des Bezugsimpulses zu entsprechen.
In der 21a sind die Daten für Punkt a als eine massive Linie gezeigt. Diese wird mit einer gestrichelten Linie verglichen, die Daten für Luft (in Abwesenheit der Probe gemessen) zeigt und einer punktierten Linie, welche die von einer reinen Wasserprobe erhaltene Wellenform zeigt.
Die THz-Wellenform in der Abwesenheit der Probe (gestrichelte Linie) zeigt einen Gaußschen Impuls, der Reflexion von der oberen Fläche des Fensters (Fenster-Luft-Schnittstelle) entspricht. Die Breite dieses Gaußschen Impulses zeigt die temporale Auflösung an, die mit der Technologie wie durch die Bandbreite des THz-Impulses bestimmt, erhältlich ist.
Die vom Wasser erhaltene Wellenform ist in der Polarität dem probelosen Fall, wie für eine Reflexion von einem höheren Brechungsindexdielektrikum erwartet, entgegengesetzt. Nach der anfänglichen Transiente zeigt Wasser ein gedämpftes Abklingen zurück auf null über einen Zeitraum von 1 bis 2 ps.
Die THz-Wellenform des Unterarms zeigt ab einem Punkt eine positive Spitze bei null optischer Verzögerung, was der Anwesenheit der relativ dehydrierten Stratum Corneum Schicht entspricht. Für Verzögerungswerte größer als dies scheint die THz-Wellenform im Wesentlichen gleich der für Wasser zu sein. Dies deutet darauf hin, dass in der oberen Hautschicht ein hoher Wassergehalt vorhanden ist. Die Bandbreite des Systems ist bis auf eine Tiefenauflösung von ca. 40 μm in die Haut effizient. Das Stratum Corneum des Unterarms beträgt typisch 10 bis 20 μm. Die positive Spitze kann als ein Maß des Dehydrierungsvolumens des Stratum Corneums genommen werden. Die Stratum Corneum Dicke lässt sich in diesem Fall nicht vom Dehydrierungsgrad unterscheiden.
Die 21b zeigt eine Prozesswellenform für Haut bei Punkt a (massive Linie), Punkt b (gestrichelte Linie) und Punkt c (punktierte Linie). Es gibt wenige reproduzierbare Unterschiede zwischen den Scans für den Unterarm und das Handgelenk. Aber der Handteller gibt deutlich verschiedene Ergebnisse. In diesem Fall gibt es ein differenzielles Merkmal, aufgrund von Reflexion der Lederhautoberfläche, gefolgt mit einer längeren Verzögerung von einer breiteren negativen Transiente, aufgrund der Stratum Corneum-Epidermis-Schnittstelle. Diese Transiente zeigt die Feuchtigkeitsabklingung auf null, die für die wasserähnliche Epidermis erwartet wird. Das Stratum Corneum hat eine Dicke von 100 bis 150 μm am Handteller, was dick genug ist, damit seine inneren und äußeren Grenzflächen getrennt sind.
Die 22a und b zeigt Abbildungen, die durch Raster-Scanning einer Fläche von 1 cm × 1 cm der Handkante des Subjekts (Punkt d) in der 20 erhalten wurden.
Die 22a wird durch Aufzeichnen des Spitzenwerts der verarbeiteten THz-Wellenform generiert, die der Außenfläche der Stratum Corneum entlang der Z-Achse (d.h. aus dem Handteller) über den ganzen 1 cm × 1 cm Bereich entspricht. Typische Merkmale der Hautoberfläche (Linien, Falten usw.) sind offensichtlich. Die 22b zeigt im Wesentlichen eine Zeitscheibenabbildung wo die THz-Wellenformwerte mit einer Zeitverzögerung, die der Stratum Corneum-Epidermis-Schnittstelle entsprechen, aufgezeichnet sind. Dies lässt zu, dass Variationen in der Stratum Corneum Dicke über den gescannten Bereich zu sehen sind. (Niedrige x-Werte gehen in Richtung der Handtellerseite, während die höheren Werte in Richtung des Handrückens gehen).
In den Daten beider 22a und 22b sind die reflektierten THz-Wellenformen über ein räumliches Intervall von 3 Wellenformen pro Millimeter entlang zwei Achsen erfasst. Dies entspricht grob der beugungsbegrenzten Auflösung, die in diesem Frequenzbetriebszustand erzielbar ist. Die 23a und 23b zeigen Scheiben durch einen 3D-Datensatz. Die Grauskala zeigt die THz-Amplitude an und ist gegen optische Verzögerung (vertikaler Zugriff) und x-Position über die horizontale Achse aufgezeichnet. Eine Tiefenkalibrierung wird von der optischen Verzögerungszeit, beruhend auf einem angenommenen Brechungsindex von n=2 für Hautgewebe über den THz-Betriebszustand, erhalten. Die Abbildungen zeigen die Stratum Corneum/Epidermis-Schnittstelle sowie die Stratum Corneum-Oberfläche. Die 23a ist an Punkt c aufgenommen, wogegen die 23b an Punkt d aufgenommen ist.
Die Empfindlichkeit von THz gegenüber Absorption ist in der 24a gezeigt. Hier wurden die reflektiven Teile des Unterarms der 20 vor und in Intervallen nach Hydrieren der Stratum Corneum durch Anwendung von wassergetränkter Gaze gemessen. Die Aufzeichnung "a" zeigt ein THz-Signal vor dem Entfernen der Gaze, die Aufzeichnung "b" zeigt das Signal unmittelbar nach dem Entfernen der Gaze. Hier ist zu sehen, dass die THz-Wellenform bei null optischer Verzögerung stark unterdrückt ist, was nahezu saturierte Hydrierung der Stratum Corneum anzeigt und die Aufzeichnungen "c" bis "e" zeigen dieselbe Messung jeweils fünf Minuten, zehn Minuten und fünfzehn Minuten nach Entfernen der Gaze. Der durchtränkte Hautbereich wird einer Umgebungsatmosphäre (23°C) ausgesetzt. Die Nullverzögerungsspitze erstreckt sich über eine Kennlinienzeit von 15 Minuten. Es ist interessant festzustellen, dass obwohl sich die positive Spitze nach der anfänglichen Hydrierung deckt, das folgende Minimum zuerst in Tiefe durch Hydrierung reduziert wird und anschließend zunimmt, um negativer als vor der Hydrierung zu werden.
Die 24b zeigt die Änderung im Hydrierungspegel der Lederhautschicht, die durch Aufbringen von 60 Milligramm von 10%iger Glycerinlösung produziert wurde. Die punktierte Linie zeigt die Wellenform vor dem Aufbringen des Glycerins. Die massive Linie zeigt die Wellenform 8 Minuten nach dem Aufbringen der Lösung. Die obere Aufzeichnung für Punkt "c" (Handteller), wogegen die untere Aufzeichnung für Punkt "a" (Unterarm) ist.
Für Glycerinergebnisse zeigt der Unterarm dieselbe Unterdrückung der Nullverzögerungsspitze wie jene, die unter Verwendung reinen Wassers erzielt wurden. Eigentlich scheint die Nullverzögerungsspitze stärker unterdrückt als im Fall reinen Wassers nach einer Trockenzeit von fünf Minuten. Dies deutet auf verbessertes Rückhaltevermögen von Wasser in Anwesenheit von Glycerin hin. Im Hydrierungspegel des Handtellers ist wenig Änderung zu sehen. Jedoch sind kleine Änderungen in den Merkmalen einer späteren Zeitverzögerung zu sehen.
Die 25a veranschaulicht den Effekt von Obstruktion der Stratum Corneum-Schnittstelle durch das Quarzfenster. Hier wurden die THz-Messungen in Intervallen von 45 Sekunden über einen Zeitraum von 15 Minuten vorgenommen, wobei die Haut kontinuierlich mit dem Quarz in Berührung war. Die Scans sind voneinander entlang der X-Achse versetzt, wobei die neuesten Zeiten rechts liegen. Die Größe der Nullverzögerungsspitze nimmt mit einer exponentiellen Abklingform ab.
Die Spitze-Spitzewerte für jede Wellenform sind als eine Funktion von Zeit in der 25b aufgezeichnet. Ein exponentielles Abklingen ist den Daten angepasst. Es wurde festgestellt, dass die Zeitkonstante für das Abklingen 3,1 Minuten beträgt.

Claims

Abbildungsverfahren einer Probe (41), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bestrahlen einer Probe (41) mit einem Impuls elektromagnetischer Strahlung (39), wobei besagter Impuls eine Vielzahl von Frequenzen im Bereich von 25 GHz bis 100 THz aufweist; und Erkennen der Amplitude der Strahlung, die von der Probe (41) zurückgestrahlt oder übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter umfasst: Generieren einer Abbildung der Probe (41) mithilfe der Amplitude der Strahlung, die an einem einzigen Zeitpunkt erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch l, wobei die Amplitude der Strahlung für einen Zeitraum erkannt wird und die Abbildung für einen einzigen Zeitpunkt generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Generierens der Abbildung den Schritt des Generierens einer Vielzahl von Abbildungen für eine Vielzahl verschiedener Zeitpunkte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, das weiter den Schritt des Optimierens des Kontrasts der erzeugten Abbildung, unter Verwendung von Zeitpunkten als einen Optimierparameter, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strahlung nur für einen einzigen Zeitpunkt erkannt wird.
Vorrichtung zum Generieren einer Abbildung einer Probe (41), wobei die Vorrichtung umfasst: Mittel (31) zum Bestrahlen einer Probe (41) mit einem Impuls elektromagnetischer Strahlung (39), wobei besagter Impuls eine Vielzahl von Frequenzen im Bereich von 25 GHz bis 100 THz aufweist; und Mittel (35) zum Erkennen der Amplitude der Strahlung, die von der Probe (41) zurückgestrahlt oder übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiter umfasst: Mittel (36) zum Generieren einer Abbildung der Probe mithilfe der Amplitude der Strahlung, die an einem einzigen Zeitpunkt erkannt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung weiter Mittel (36) zur Anzeige einer Vielzahl von Abbildungen umfasst, die zu verschiedenen Zeitpunkten generiert wurden.