BR102014020959A2

BR102014020959A2 - non-invasive real-time hidden object detection and visualization system and method using terahertz laser through active imaging

Info

Publication number: BR102014020959A2
Application number: BR102014020959A
Authority: BR
Inventors: Flavio Caldas Da Cruz
Original assignee: Flavio Caldas Da Cruz
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2016-03-01

Abstract

sistema e método de detecção e visualização de objetos escondidos de forma não invasiva e em tempo real utilizando laser na faixa de terahertz através de imageamento ativo. refere-se o presente pedido de patente de invenção a um sistema e método destinado a possibilitar a visualização, de forma não invasiva e em tempo real, de objetos escondidos por intermédio de imageamento ativo. é também objeto do presente pedido o método de detecção utilizando laser na faixa de terahertz.non-invasive real-time hidden object detection and visualization system and method using terahertz laser through active imaging. This patent application refers to a system and method for enabling non-invasive real-time viewing of hidden objects by active imaging. The method of detection using laser in the terahertz range is also the subject of the present application.

Description

j SISTEMA E MÉTODO DE DETECÇÃO E VISUALIZAÇÃO DE OBJETOS j I ESCONDIDOS DE FORMA NÃO INVASIVA E EM TEMPO REAL UTILIZANDO ; | LASER NA FAIXA DE TERAHERTZ ATRAVÉS DE IMAGEAMENTO ATIVOj OBJECT DETECTION AND VIEWING SYSTEM AND METHOD j I HIDDEN IN INVASIVE AND REAL-TIME; | LASER IN TERAHERTZ BAND THROUGH ACTIVE IMAGE

Campo da invenção Refere-se o presente pedido de patente de invenção a sistema destinado a possibilitar a visualização, de forma não invasiva e em tempo real, [ ! de objetos escondidos por intermédio de imageamento ativo. É também objeto ( Ϊ do presente pedido o método de detecção utilizando laser na faixa de terahertz.FIELD OF THE INVENTION The present patent application refers to a system for non-invasive real-time viewing [! of hidden objects through active imaging. It is also object (Ϊ of the present application the detection method using laser in the terahertz range.

Esta invenção está relacionada ao campo de imagens obtidas utilizando radiação laser na faixa de terahertz do espectro eletromagnético, e particularmente a sistemas ativos de imagens, onde o objeto é iluminado pela fonte de radiação.This invention relates to the field of images obtained using laser radiation in the terahertz range of the electromagnetic spectrum, and particularly to active imaging systems, where the object is illuminated by the radiation source.

Fundamentos da invenção A região do espectro eletromagnético situada entre a região j óptica (que engloba o visível e infravermelho, com as suas tecnologias associadas de geração e detecção de luz) e a região de micro-ondas (geradas por tecnologia eletrônica), com frequências compreendidas aproximadamente j entre 100 GHz e 10 THz (i.e., com comprimentos de onda entre 3 mm e 30 mícrons) é conhecida como Terahertz (abreviada como THz) ou ainda infravermelho longínquo ou distante. A radiação na faixa de terahertz, ou simplesmente radiação terahertz, ou ainda chamados "raios-T", apresentam, portanto características de ambas as regiões. Uma das mais notáveis é a capacidade de penetrar vários materiais que são opacos para luz visível, como fumaça, papel, papelão, plásticos, madeira, tecidos e cerâmicas.Background of the invention The region of the electromagnetic spectrum located between the optical region (which comprises the visible and infrared, with their associated technologies for light generation and detection) and the microwave region (generated by electronic technology), with frequencies. between about 100 GHz and 10 THz (ie, with wavelengths between 3 mm and 30 microns) is known as Terahertz (abbreviated as THz) or far or far infrared. Radiation in the terahertz range, or simply terahertz radiation, or so-called "T-rays", therefore presents characteristics of both regions. One of the most notable is the ability to penetrate various materials that are opaque to visible light, such as smoke, paper, cardboard, plastics, wood, fabrics and ceramics.

Dessa forma, a radiação eletromagnética em terahertz pode ser usada para obter imagens do interior de objetos, assim como se faz com os raios-X, porém sem efeitos nocivos, uma vez que, ao contrário destes, trata-se de radiação não-ionizante de baixa energia. Os raios-T são absorvidos ou refletidos por água ou metais, e embora não possam ser usados para imagens do interior destes materiais, podem ser usados, por exemplo, para detectar objetos metálicos escondidos ou para acompanhar a desidratação de alimentos ou materiais biológicos.Thus, terahertz electromagnetic radiation can be used to obtain images from inside objects, just as with X-rays, but without harmful effects, since, unlike these, they are non-ionizing radiation. Low energy. T-rays are absorbed or reflected by water or metals, and although they cannot be used for interior imaging of these materials, they can be used, for example, to detect hidden metallic objects or to accompany dehydration of food or biological materials.

Imagens obtidas através de radiação terahertz tem atualmente potencial para uso: Em segurança pública e defesa, como por exemplo na detecção de minas terrestres, explosivos, identificação de pessoas portando armas e objetos perigosos, inclusive em aeroportos, identificação de drogas, inspeção de bagagens em portos e aeroportos, detecção de agentes biológicos ou tóxicos, objetos escondidos em embalagens de correio, como envelopes ou caixas;Terahertz radiation images currently have potential for use: In public safety and defense, such as detecting land mines, explosives, identifying persons carrying weapons and dangerous objects, including at airports, drug identification, baggage inspection in ports and airports, detection of biological or toxic agents, hidden objects in mail packages such as envelopes or boxes;

Na indústria, como por exemplo no controle de qualidade, identificação de impurezas em alimentos, identificação não invasiva de gases no interior de embalagens plásticas, podendo identificar deterioração e prazo de validade, detecção de defeitos em semicondutores, análise estrutural, e varredura de fármacos;In industry, such as quality control, food impurities identification, non-invasive gas identification within plastic packaging, which can identify deterioration and shelf life, semiconductor defect detection, structural analysis, and drug scanning;

Em medicina. Terahertz têm sido usados para identificar certas formas de câncer, especialmente de pele.In medicine. Terahertz have been used to identify certain forms of cancer, especially skin.

Existem, também, pesquisa em andamento para a possível detecção de turbulência de céu claro usando radiação TeraHertz, um importante problema em aviação. Além do uso em imagens, raios-T podem ser usados para identificação espectroscópica de substâncias, uma vez que gases, líquidos e sólidos, apresentam absorções específicas nesta faixa do espectro, deixando uma "impressão digital" única. A tecnologia de fontes de radiação e de detectores de terahertz historicamente não é bem desenvolvida, mas há hoje enorme interesse no seu desenvolvimento. As fontes e detectores ópticos não são apropriadas para gerar e detectar radiação Terahertz, e o mesmo ocorre para as fontes e detectores de micro-ondas e ondas de rádio. Sendo assim, há uma deficiência de boas fontes e detectores para radiação Terahertz, e é no contexto da geração e também detecção, e especificamente formação de imagens, que a presente invenção se insere.There is also ongoing research into the possible detection of clear sky turbulence using TeraHertz radiation, a major aviation problem. In addition to imaging, T-rays can be used for spectroscopic identification of substances as gases, liquids and solids exhibit specific absorptions in this spectrum range, leaving a unique "fingerprint". The technology of radiation sources and terahertz detectors has not been well developed historically, but there is huge interest in its development today. Optical sources and detectors are not suitable for generating and detecting Terahertz radiation, and the same is true for microwave and radio wave sources and detectors. Accordingly, there is a deficiency in good sources and detectors for Terahertz radiation, and it is in the context of the generation and also detection, and specifically imaging, that the present invention is inserted.

Radiação na faixa de terahertz pode ser gerada hoje por vários i métodos: Através de feixes onduiantes de elétrons, que incluem síncrotrons e lasers de elétrons livres. Estas são entretanto máquinas grandes e complexas, que em geral ocupam um prédio para operação. Usualmente são laboratórios nacionais, mantidos parcialmente por órgãos públicos. O Brasil por exemplo possui um síncrotron, operando em Campinas, SP.Radiation in the terahertz range can be generated today by several methods: Through undulating beams of electrons, which include synchrotrons and free electron lasers. These are however large and complex machines, which usually occupy a building for operation. They are usually national laboratories, partially maintained by public agencies. Brazil, for example, has a synchrotron, operating in Campinas, SP.

Através de tecnologia de microondas como por exemplo, diodos Gunn, Impatt or diodos ressonantes sintonizáveis. A frequência fundamental, gerada por meios eletrônicos, precisa ser multiplicada em misturadores (mixers) especiais. Geração de radiação THz de alta frequências (>500 GHz) é mais difícil e os custos podem ser bastante altos.Through microwave technology such as Gunn diodes, Impatt or tunable resonant diodes. The fundamental frequency, generated by electronic means, needs to be multiplied by special mixers. Generating high frequency THz (> 500 GHz) radiation is more difficult and costs can be quite high.

Através de fontes optoeletrônicas. Elas podem ser divididas em duas categorias: 1) lasers semicondutores emitindo diretamente em TeraHertz, e 2) dispositivos baseados em chaves optoeletrônicas que são disparadas (gated) por pulsos ópticos. Os lasers semicondutores incluem lasers de sal de chumbo (lead-salt) e lasers de cascata quântica. Os últimos têm despertado grande interesse, mas ainda apresentam potências bastante limitadas (microwatt), e frequentemente requerem temperaturas criogênicas para operação, além de ainda apresentaram custos bastante altos. As chaves optoeletrônicas incluem antenas fotocondutivas que são disparadas por pulsos ultracurtos de luz, geralmente provenientes de lasers de fentossegundos. Esta técnica apresenta a vantagem de usar lasers de pulsos ultracurtos que foram muito bem desenvolvidos a partir da década de 90. As antenas consistem de um substrato semicondutor, no qual eletrodos metálicos são depositados por técnicas litográficas. Uma tensão elétrica externa é aplicada a estes eletrodos e uma corrente é gerada apenas quando pulsos de luz ultracurtos incide na antena. Os elétrons assim gerados são acelerados pela tensão externa e emitem um pulso curto de terahertz, com duração em torno de picosegundo, e um consequente espectro largo de terahterz. As potências típicas são também baixas e na faixa de microwatt. Esta porém tem sido uma importante técnica I tanto para espectroscopia como imagens.Through optoelectronic sources. They can be divided into two categories: 1) semiconductor lasers emitting directly from TeraHertz, and 2) devices based on optoelectronic switches that are gated by optical pulses. Semiconductor lasers include lead salt lasers and quantum cascade lasers. The latter have been of great interest, but still have very limited power (microwatt), and often require cryogenic temperatures for operation, and still have quite high costs. Optoelectronic switches include photoconductive antennas that are triggered by ultrashort pulses of light, usually from phytosecond lasers. This technique has the advantage of using ultra-short pulse lasers that were very well developed from the 90's. Antennas consist of a semiconductor substrate, on which metal electrodes are deposited by lithographic techniques. An external electrical voltage is applied to these electrodes and a current is generated only when ultrashort light pulses strike the antenna. The electrons thus generated are accelerated by external voltage and emit a short terahertz pulse, lasting around picosecond, and a consequent broad terahterz spectrum. Typical powers are also low and in the microwatt range. This however has been an important technique for both spectroscopy and imaging.

Outra possibilidade de geração de terahertz envolve substituir o laser de i pulsos ultracurtos por dois lasers contínuos, ou um laser operando em dois comprimentos de onda, e separados espectralmente por um intervalo de THz. A antena fotocondutiva pode gerar a diferença de frequência na faixa de THz, novamente com potências típicas de microwatt. Este método produz uma saída de frequência única (single-frequency). A antena fotocondutiva pode também ser substituída por um cristal não linear.Another possibility of terahertz generation involves replacing the ultrashort pulse laser with two continuous lasers, or a laser operating at two wavelengths, and spectrally separated by a THz interval. The photoconductive antenna can generate the frequency difference in the THz range, again with typical microwatt powers. This method produces a single frequency output. The photoconductive antenna may also be replaced by a nonlinear crystal.

Através de lasers de gases moleculares. Altas potências, da ordem de dezenas ou centenas de miliwatts, além da emissão de radiação laser altamente monocromática e direcional, são vantagem destas fontes. A alta potência, por outro lado, representa uma grande vantagem com outras tecnologias, permitindo por exemplo imagens de absorção com detetores menos sensíveis. Estes lasers THz tipicamente empregam um vapor molecular a baixa pressão, contido numa cavidade laser, e bombeada opticamente por lasers de CO2 (comprimentos de onda entre 9 e 10 mícrons). Metanol (e seus isotopômeros) tem sido uma das moléculas mais popularesO procedimento de bombeamento e operação do laser de metanol é descrito em muitos artigos na literatura científica, com por exemplo em [ “FIR laser lines from CH30D: a review” A. De Michelle, G. Carelli, A. Moretti, D. Pe-reira, L. F. Costa, F.C. Cruz, and J.C.S.Moraes Int. J. Infr. Mill.Waves, 25, 5 (2004), 725-734.]. A maioria dos métodos acima apresentam limitações, seja na potência ou na complexidade de construção e operação da fonte de radiação.Through molecular gas lasers. High power, in the order of tens or hundreds of milliwatts, in addition to the emission of highly monochrome and directional laser radiation, are advantage of these sources. High power, on the other hand, represents a major advantage with other technologies, allowing for example absorption images with less sensitive detectors. These THz lasers typically employ a low pressure molecular vapor contained within a laser cavity and optically pumped by CO2 lasers (wavelengths between 9 and 10 microns). Methanol (and its isotopomers) has been one of the most popular molecules. The methanol laser pumping and operation procedure is described in many articles in the scientific literature, for example in [A. FIR laser lines from CH30D: a review. , G. Carelli, A. Moretti, D. Perira, LF Costa, FC Cruz, and JCSMoraes Int. J. Infr. Mill.Waves, 25, 5 (2004), 725-734.]. Most of the above methods have limitations, either in the power or complexity of construction and operation of the radiation source.

Com relação à detecção, em geral é baseada no calor gerado pela absorção de radiação. Os detectores de THz incluem: Celas Golay, que são baseadas na expansão de um gás que absorve | radiação THz. Elas podem ser operadas a temperatura ambiente com alta sensibilidade (10'11 W/(Hz)1/2), mas têm uma oferta comercial bastante limitada hoje. Não se prestam à construção de câmeras.Regarding detection, it is usually based on the heat generated by the radiation absorption. THz detectors include: Golay cells, which are based on the expansion of a gas that absorbs | THz radiation. They can be operated at room temperature with high sensitivity (10'11 W / (Hz) 1/2), but have a very limited commercial offer today. They do not lend themselves to building cameras.

Sensores piroelétricos são menos sensíveis que celas Golay, e requerem mais potência para detecção.Pyroelectric sensors are less sensitive than Golay cells, and require more power for detection.

Bolômetros são baseados na mudança de resistência, como em um termistor, e pode ser extremamente sensível quando operados a temperaturas criogênicas, neste caso requerendo resfriamento com hélio líquido. Micro-bolômetros a temperatura ambiente são hoje disponíveis, e podem ser usados no infravermelho médio, mas também distante, com menor sensibilidade. Os bolômetros são hoje os detetores mais sensíveis de THz.Bolometers are based on shifting resistance, as in a thermistor, and can be extremely sensitive when operated at cryogenic temperatures, in this case requiring liquid helium cooling. Room-temperature micro-bolometers are available today, and can be used in the medium but also far infrared, with lower sensitivity. Bolometers are today the most sensitive THz detectors.

Outra classe de detetores inclui as mesmas antenas fotocondutivas usadas para geração de THz. Neste caso, usa-se o mesmo arranjo da geração, e detecta-se variações corrente gerada na antena, quando radiação Thz incide nela.Another class of detectors includes the same photoconductive antennas used for THz generation. In this case, the same arrangement of the generation is used, and current variations generated in the antenna are detected, when Thz radiation hits it.

Outro método de detecção é a amostragem ou detecção eletro-óptica. Neste caso, usa-se um cristal eletro-óptico fino (tipicamente ZnTe), no qual incide radiação THz, juntamente com luz visível ou no infravermelho próximo. O feixe de THz, através do efeito eletro-ótico no cristal, induz uma pequena birrefringência que altera a polarização do feixe de luz visível. Desta forma a detecção diretamente em THz é substituída por detecção da mudança de polarização de um feixe no visível ou IR próximo, onde fotodetetores convencionais podem ser usados. Uma vantagem deste método é que é inerentemente livre de “background”. Ele também é apropriado para a construção de arranjo de sensores bidimensionais para imageamento. Entre as desvantagens está a necessidade de potências mais altas e complexidade do alinhamento óptico com o feixe visível ou IR, tornando seu uso em imagens não trivial.Another detection method is electro-optical sampling or detection. In this case, a thin electro-optic crystal (typically ZnTe) is used, in which THz radiation is emitted, along with visible or near infrared light. The THz beam, through the electro-optical effect on the crystal, induces a small birefringence that alters the polarization of the visible light beam. In this way detection directly in THz is replaced by detection of the polarization change of a visible or near IR beam where conventional photodetectors can be used. An advantage of this method is that it is inherently background-free. It is also suitable for building two-dimensional sensor array for imaging. Among the disadvantages is the need for higher power and complexity of optical alignment with the visible beam or IR, making its use in images nontrivial.

Existem vários documentos que descrevem sistemas de imageamento, sendo que, a maioria deles, referem-se a imagens de ressonância magnética, e existem muito poucos documentos que descrevem sistemas de imageamento com radiação em THz, porém nenhum desses documentos possui as características de configuração e funcionamento do sistema aqui proposto, objeto da presente patente. Dentre esses documentos podem-se destacar os seguintes: A PI0003626-9, MÉTODO E APARELHO DE RECEPÇÃO DE SINAIS DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA E APARELHO PARA CRIAR UMA IMAGEM DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA, que descreve um método e aparelho de recepção de sinais de ressonância magnética e aparelho para criar uma imagem de ressonância magnética", de forma a prover um método para a recepção de um sinal de ressonância magnética e um aparelho para desempenhar a geração de imagens com boa qualidade e um aparelho de geração de imagens por ressonância magnética empregando tal aparelho de recepção de sinais de ressonância magnética, são aplicados gradientes de campo magnéticos gs1k e gs2k para defasar os spins com suas potências variadas após cada eco de spin ter sido recebido por uma varredura de linhas; A PI0113758-1, DISPOSITIVOS MÉDICOS LUBRIFICADOS HIDROFÍLICOS COM CONTRASTE PARA FORMAÇÃO DE IMAGEM POR RESSONÂNCIA MAGNÉTICA, onde se apresentam dispositivos médicos com revestimentos lubrificados que são capazes de produzir uma imagem por ressonância magnética na presença de um campo magnético adequado, os dispositivos médicos são fáceis de manipular em canais corporais, por causa do reduzido atrito com superfícies de tecidos, e podem ser facilmente visualizados em tempo real, o que facilita grandemente o acompanhamento dos dispositivos médicos enquanto presentes dentro dos corpos de seres humanos ou animais, o nível de agente magneticamente suscetível nos revestimentos de dispositivos médicos pode ser facilmente controlado pela presente invenção para proporcionar o desempenho desejado, também se apresentam processos de revestimento para produzirem esses dispositivos médicos; A PI0304716-4, MÉTODO PARA FORMAÇÃO DE IMAGENS DE MRI-BOLD ON LINE, SENSIBILIZADA, que descreve um método de reprodução de imagens on line por ressonância magnética (MRI), dependente do nível de oxigenação do sangue (bold), para guia ou monitoração clínica funcional de uma modalidade terapêutica, que envolve tratamento por um | sensibilizante que, sob excitação pela radiação sensibilizante apropriada, inicia \o consumo de oxigênio local, que compreende: (i) gerar uma imagem de MR í ponderada por bold da região de interesse visada dentro do corpo do paciente | (tempo t ~ 0); (ii) administrar o referido sensibilizante ao paciente; (iii) irradiar a | região visada, enquanto o paciente é submetido à reprodução de imagem de | MR contínua; (iv) gerar uma única imagem ou uma pluralidade de imagens de MR de bold seqüenciais ponderadas com t2A *Λ durante e/ou após a irradiação (tempo t); (v) processar os dados gerados no tempo t - 0 e no tempo t e gerar um mapa de diferença ou relação codificado por cores, em uma base de pixel por pixel; e (vi) analisar os dados processados, o método é preferivelmente aplicado à terapia fotodinâmica (PDT); A PI 0204057-3, PROCESSOS PARA GERAÇÃO DE TERAHERTZ, que descreve um processo incluindo: magneticamente energizar partículas magnéticas suscetíveis e acumular a saída do modo da geração dos raios laser de terahertz resultante das partículas;There are several documents describing imaging systems, most of which refer to magnetic resonance imaging, and there are very few documents describing THz radiation imaging systems, but none of these documents have the configuration characteristics and operation of the system proposed herein, object of the present patent. These documents include the following: The PI0003626-9, METHOD AND METHOD FOR RECOGNIZING MAGNETIC RESONANCE SIGNALS AND APPARATUS FOR CREATING A MAGNETIC RESONANCE IMAGE, which describes a method and apparatus for receiving magnetic resonance signals and apparatus. to create an MRI image "to provide a method for receiving an MRI signal and an apparatus for performing good quality imaging and an MRI imaging apparatus employing such a magnetic resonance imaging apparatus. reception of magnetic resonance signals, gs1k and gs2k magnetic field gradients are applied to offset the spins with their varying powers after each spin echo has been received by a line scan A PI0113758-1, HYDROPHYLIC CONTRAST MEDICAL DEVICES MAGNETIC RESONANCE IMAGE FORMATION, where medical devices are presented With lubricated coatings that are capable of producing magnetic resonance imaging in the presence of a suitable magnetic field, medical devices are easy to manipulate into body channels because of the reduced friction with tissue surfaces, and can be easily viewed in time. which greatly facilitates the tracking of medical devices while present within the bodies of humans or animals, the level of magnetically susceptible agent in the medical device coatings can be easily controlled by the present invention to provide the desired performance. coating to produce these medical devices; PI0304716-4, SENSITIZED MRI-BOLD ON LINE IMAGING METHOD, which describes a method of magnetic resonance imaging (MRI) on-line imaging, to guide or functional clinical monitoring of a therapeutic modality involving treatment by a | sensitizer which, upon excitation by appropriate sensitizing radiation, initiates local oxygen uptake comprising: (i) generating a bold weighted MR image of the targeted region of interest within the patient's body | (time t ~ 0); (ii) administering said sensitizer to the patient; (iii) radiate to | target region while the patient is submitted to image reproduction of | Continuous MR; (iv) generating a single image or a plurality of t2A * ponder weighted sequential bold MR images during and / or after irradiation (time t); (v) processing the data generated at time t - 0 and time t and generating a color coded difference or relationship map on a pixel by pixel basis; and (vi) analyzing the processed data, the method is preferably applied to photodynamic therapy (PDT); PI 0204057-3, TERAHERTZ GENERATION PROCESSES, which describes a process including: magnetically energizing susceptible magnetic particles and accumulating the terahertz laser generation mode output resulting from the particles;

Ainda podem ser citados outros documentos como os j documentos de patente US 20030066968 e US20070085009 que descrevem sistemas de imageamento com utilização de radiação em Terahertz.Still other documents may be cited such as US 20030066968 and US20070085009 which describe Terahertz radiation-based imaging systems.

Os métodos de detecção apresentam limitações na sensibilidade. Além disto, os objetos a temperatura ambiente emitem pouquíssima radiação ! em Terahertz (THz), o que dificulta enormemente a detecção natural. Em j sistemas de imagens ativos, o objeto é iluminado pela fonte de luz. No entanto as fontes de radiação Terahertz atualmente disponíveis, especialmente I comerciais, são em geral fracas e não emitem muita potência. Desta forma, imagens de reflexão de objetos distantes são extremamente difíceis, senão impossíveis, e em geral exigem um longo tempo de aquisição, impossibilitando a obtenção de imagens em tempo real. Alguns sistemas de imagens em Terahertz utilizam fontes baseadas em pulsos de Terahertz, gerados em antenas fotocondutivas. Entretanto estas fontes, embora tenham uma banda espectral de alguns THz, possuem intensidades médias bastante baixas, o que limita o tempo de formação de imagens, na maior parte das vezes impossibilitando imagens em tempo real ou a imagem por reflexão ou espalhamento de radiação de objetos distantes, ou por imagens por transmissão de objetos espessos. Outros sistemas de imagens ditos de THz, na verdade utilizam fontes de micro-ondas de alta frequência, e também em geral não permitem a formação de imagens em tempo real, e também apresentam limitações na resolução espacial devido ao maior comprimento de onda. A formação de imagens usando radiação Terahertz (THz) é hoje muito difícil, se não impossível, de ser feita em tempo real. Além disto, é muito limitada a distâncias curtas devido às baixas potências das fontes Terahertz (THz). Além disso, sofrem com a interferência de radiação em outras faixas do espectro, como o visível e infravermelho médio. Como as câmeras também são sensíveis a estas faixas, um grande esforço tem de ser desprendido para filtrar ou blindar a câmera da radiação nestas outras faixas espectrais, em geral bem mais intensas do que o sinal de Terahertz. Claramente desenvolvimento de sistemas de imagens em Terahertz (THz) é hoje um grande desafio a nível global.Detection methods have limitations on sensitivity. In addition, objects at room temperature emit very little radiation! in Terahertz (THz), which makes natural detection very difficult. In active imaging systems, the object is illuminated by the light source. However, currently available Terahertz radiation sources, especially commercial ones, are generally weak and do not emit much power. Thus, reflection images of distant objects are extremely difficult, if not impossible, and usually require a long acquisition time, making it impossible to obtain real-time images. Some Terahertz imaging systems use Terahertz pulse-based sources generated from photoconductive antennas. However, these sources, although having a spectral band of some THz, have very low average intensities, which limits the time of imaging, most of the time making real-time imaging or reflection or scattering of objects impossible. distant images, or by transmission images of thick objects. Other so-called THz imaging systems actually use high frequency microwave sources, and also generally do not allow real-time imaging, and also have limitations in spatial resolution due to their longer wavelength. Imaging using Terahertz radiation (THz) is today very difficult, if not impossible, to be done in real time. In addition, it is very limited to short distances due to low power from Terahertz (THz) sources. In addition, they suffer from radiation interference in other bands of the spectrum, such as visible and medium infrared. Since cameras are also sensitive to these bands, a great deal of effort has to be expended to filter or shield the camera from radiation in these other spectral bands, generally much more intense than the Terahertz signal. Clearly development of imaging systems in Terahertz (THz) is today a major global challenge.

Para a formação de imagens usando radiação terahertz que combinem as vantagens de imageamento em tempo real, com alta resolução espacial, de imageamento de objetos distantes, ou imageamento por transmissão em objetos espessos (desejável para inspeção industrial ou segurança pública), é portanto altamente desejável possuir uma fonte de radiação THz intensa, assim como uma câmera de alta sensibilidade para formação de imagens, bem como métodos que possam aumentar a sensibilidade de detecção.For imaging using terahertz radiation that combines the advantages of real time, high spatial resolution imaging, distant object imaging, or thick object transmission imaging (desirable for industrial inspection or public safety) is therefore highly desirable. have an intense THz radiation source as well as a high sensitivity imaging camera, as well as methods that can increase detection sensitivity.

Breve descrição da invenção É, portanto um objeto da presente invenção prover uma fonte de radiação THz, constituída por um laser operando na faixa de terahertz com potências altas, acima de 10 mW, e preferencialmente emitindo dezenas de miliwatts (ou mais) constituído por um laser de gás molecular, como por exemplo metanol, vapor d’água, acido fórmico, hidrazina entre outros, sendo preferencialmente baseado em vapor de metanol bombeado por um laser de C02, emitindo comprimentos de onda entre 9 e 11 mícrons. O laser de metanol utiliza uma cavidade óptica aberta ou em guia de onda formada por dois espelhos metálicos. Um dos espelhos possui um furo para entrada do laser de bombeamento (C02), e o mesmo espelho, ou o segundo espelho da cavidade, possui também um segundo furo posicionado fora de centro para saída ou extração da radiação terahertz. Um dos espelhos da cavidade óptica é montado sobre um micrômetro cuja função é variar o comprimento da cavidade de forma a colocá-la em ressonância com a frequência de emissão do gás possibilitando a emissão do laser.Brief Description of the Invention It is therefore an object of the present invention to provide a THz radiation source consisting of a laser operating in the high power terahertz range above 10 mW and preferably emitting tens of milliwatts (or more) consisting of a molecular gas laser, such as methanol, water vapor, formic acid, hydrazine, among others, being preferably based on methanol vapor pumped by a CO2 laser, emitting wavelengths between 9 and 11 microns. The methanol laser uses an open or waveguide optical cavity formed by two metal mirrors. One of the mirrors has a pumping laser input hole (C02), and the same mirror, or the second cavity mirror, also has a second off-center hole for terahertz radiation output or extraction. One of the optical cavity mirrors is mounted on a micrometer whose function is to vary the length of the cavity to resonate with the frequency of emission of the gas allowing the emission of the laser.

Em uma modalidade da presente invenção, o laser utiliza vapor de metanol (CH30H) e opera na sua linhas mais intensas, como por exemplo a linha com comprimento de onda 119 mícrons (2.52 THz), sendo este laser bombeado por laser de C02 operando na linha 9P(36), coincidente com a banda de absorção associada com o modo vibracional de estiramento C-O da molécula de metanol. Em outra modalidade da presente invenção o laser de metanol é bombeado em 1.4 mícrons ou em 2.7 mícrons, em coincidência com outras bandas vibracionais da molécula de metanol. Em outra modalidade da presente invenção, estes lasers incluem lasers de semicondutor ou de fibra, em 1.4 mícrons, laser de estado sólido Er em 2.7 mícrons, ou amplificadores ou osciladores ópticos paramétricos de femtosegundos. O vapor de metanol pode ser misturado a gases tampão (buffer), como por exemplo hélio, para optimização da potência de saída. Em outra modalidade desta invenção o controle de pressão do vapor molecular do laser de THz, assim como de gases tampão, bem como o controle da seleção de linha e sintonia do laser de C02, são feitos de forma automatizada usando válvulas de gás e medidores de pressão, assim como os estágio de rotação e translação da grade do laser, ; acionados e controlados por microprocessadores, microcontroladores, ou : computadores, incluindo controle usando o sofwtare Labview.In one embodiment of the present invention, the laser uses methanol vapor (CH30H) and operates at its most intense lines, such as the 119 micron (2.52 THz) wavelength line, this CO2 laser-pumped laser operating at lane 9P (36), coincident with the absorption band associated with the CO vibrational stretch mode of the methanol molecule. In another embodiment of the present invention the methanol laser is pumped at 1.4 microns or 2.7 microns, coinciding with other vibrational bands of the methanol molecule. In another embodiment of the present invention, these lasers include 1.4 micron semiconductor or fiber lasers, 2.7 micron Er solid state laser, or femtosecond parametric optical amplifiers or oscillators. Methanol vapor may be mixed with buffer gases such as helium for optimum output power. In another embodiment of this invention the THz laser molecular vapor pressure control as well as the buffer gases, as well as the CO 2 laser line selection and tuning control are performed automatically using gas valves and flow meters. pressure, as well as the rotation and translational stages of the laser grid; powered and controlled by microprocessors, microcontrollers, or: computers, including control using Labview software.

Outro objeto da presente invenção é prover um método e um sistema de imageamento ativo, i.e., baseado em uma fonte coerente intensa de radiação eletromagnética (laser) na faixa de terahertz, com potência média acima de 10 mW e frequências acima de 1 THz, responsável por iluminar o alvo ou objeto de interesse, e uma câmera apropriada. Esta câmera pode ser baseada em arranjos de sensores bolométricos ou piroelétricos, no caso de detecção diretamente em terahertz, ou em sensores CCD ou CMOS, se a detecção for convertida para a faixa de luz visível ou no infravermelho próximo ou médio, através de detecção ou amostragem eletro-óptica. Além disto, é outro objeto desta invenção prover um método de imageamento de alta sensibilidade, baseado em detecção sensível à fase, base dos amplificadores lockin, aplicados ao processamento de imagens da câmera. O imageamento por lockin tem sido bastante utilizado no campo da termografia [“Springer, Lock-in Thermography Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials Series: Springer Series in Advanced Microelectronics. Vol. 10, Breitenstein, Otwin, Warta, Wilhelm, Langenkamp, Martin], porém a presente implementação difere da que é feita na termografia por lockin. Neste último caso, imagens térmicas (i.e., na faixa do infravermelho e não na faixa de terahertz) são detectadas e analisadas via lock-in. Um uso típico é o imageamento de células solares que são submetidas a uma corrente elétrica modulada em amplitude. Pontos com maior aquecimento e, portanto, de potenciais falhas ou danos são identificados através de imagens térmicas. No presente pedido de patente, a câmera é sensível a terahertz (infravermelho distante) e o laser que ilumina o objeto é modulado em amplitude ou frequência de forma a implementar a detecção pela técnica de lock-in.Another object of the present invention is to provide an active imaging method and system, ie, based on an intense coherent source of terahertz electromagnetic radiation (laser), with average power above 10 mW and frequencies above 1 THz, responsible for for illuminating the target or object of interest, and an appropriate camera. This camera can be based on arrays of bolometric or pyroelectric sensors, in case of detection directly in terahertz, or CCD or CMOS sensors, if the detection is converted to the visible light range or in the near or medium infrared, by detection or electro-optical sampling. In addition, it is another object of this invention to provide a high sensitivity imaging method based on phase sensitive detection based on lockin amplifiers applied to camera image processing. Lockin imaging has been widely used in the field of thermography [“Springer, Lock-in Thermography Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials Series: Springer Series in Advanced Microelectronics”. Vol. 10, Breitenstein, Otwin, Warta, Wilhelm, Langenkamp, Martin], but the present implementation differs from that of lockin thermography. In the latter case, thermal images (i.e. in the infrared range rather than the terahertz range) are detected and analyzed via lock-in. A typical use is the imaging of solar cells that are subjected to an amplitude modulated electric current. Points with higher heat and therefore potential failures or damage are identified by thermal imaging. In the present patent application, the camera is terahertz (far infrared) sensitive and the laser illuminating the object is amplitude or frequency modulated to implement lock-in detection.

Outro objeto da presente invenção é prover um laser de bombeamento para o laser de gás molecular de THz, constituído de um laser de CO2, com pelo menos 20 Watts de potência média na linha 9P(36). Este laser é formado por um tubo selado de C02 com uma ou duas janelas em ;ângulo de Brewster, tendo em um lado um espelho de saída e do outro uma grade de difração para seleção de comprimento de onda, sendo esta grade usada em configuração de Littrow. Esta mesma grade é montada sob um transdutor piezoelétrico ou estágio de translação com excursão de peio menos 5 micrômetros para sintonia fina do comprimento de onda.Another object of the present invention is to provide a pumping laser for the THz molecular gas laser consisting of a CO2 laser with at least 20 Watts of average power on line 9P (36). This laser is formed by a sealed CO2 tube with one or two Brewster angle windows, having on one side an exit mirror and on the other a diffraction grating for wavelength selection, this grid being used in a configuration of Littrow This same grid is mounted under a piezoelectric transducer or travel stage with a minus 5 micrometer excursion for fine wavelength tuning.

Em outra modalidade da presente invenção o espelho de saída, e não a grade, é montado sob um transdutor piezoelétrico para sintonia do comprimento de onda. O tubo do laser de C02 pode ser operado de forma contínua ou pulsada, através do controle da corrente de operação do tubo do laser de C02. Em regime pulsado, o laser de C02 proporciona maior potência de pico, podendo gerar maiores potências do laser de THz.In another embodiment of the present invention the output mirror, rather than the grid, is mounted under a piezoelectric transducer for wavelength tuning. The CO2 laser tube can be operated continuously or pulsed by controlling the operating current of the CO2 laser tube. In pulsed regime, the CO2 laser provides higher peak power and can generate higher THz laser powers.

Outro objeto da presente invenção é prover um método para operação automatizada do laser de gás molecular de THz. Um exemplo será dado considerando operação na linha de 119 mícrons (2.52 THz) do vapor de metanol. O gás deve ser colocado na pressão ótima, conforme descrito na literatura científica. A pressão pode ser controlada de forma automatizada. O laser de C02 deve ser colocado na linha de bombeamento correspondente (9P(36) no caso da linha de 119 mícrons) através do controle da posição angular da grade usada em configuração de Littrow, usando para isto um estágio de rotação da grade, motorizado ou não, podendo este controle ser automatizado. A posição da grade ou do espelho de saída do laser de C02 na direção longitudinal (ou seja, ao longo do tubo) é então controlada de forma a maximizar a potência do laser de THz. A absorção da radiação do laser de bombeamento pelo vapor molecular (metanol) pode ser monitorada através de detecção fotoacústica, utilizando microfones dentro da cavidade do laser de THz. O laser de C02 é injetado na cavidade do laser de Thz, através de focalização por uma lente de ZnSe, no furo central do espelho de entrada do laser de THz. A emissão do laser de THz, através do furo fora de centro de um dos espelhos da cavidade óptica do laser de THz, pode ser detectada por celas Golay, sensores piroelétricos ou por câmeras bolométricas ou piroeiétricas. O | sinal elétrico correspondendo à potência do laser de Thz é utilizado para i maximizar a potência de emissão, controlando a pressão do vapor molecular e de gases tampão; o fluxo destes gases na cavidade óptica do laser; a posição àngular da grade de difração do laser de C02; e a posição longitudinal da grade ou do espelho de saída para sintonia fina do comprimento de onda.Another object of the present invention is to provide a method for automated operation of the THz molecular gas laser. An example will be given considering operation on the 119 micron (2.52 THz) line of methanol vapor. The gas should be placed at the optimum pressure as described in the scientific literature. The pressure can be controlled automatically. The CO2 laser should be placed on the corresponding pumping line (9P (36) in the case of the 119 micron line) by controlling the angular position of the grid used in the Littrow configuration using a motorized grid rotation stage. or not, and this control can be automated. The position of the CO2 laser exit grid or mirror in the longitudinal direction (ie along the tube) is then controlled to maximize the power of the THz laser. Molecular vapor (methanol) pumping laser radiation absorption can be monitored through photoacoustic detection using microphones within the THz laser cavity. The C02 laser is injected into the Thz laser cavity by focusing through a ZnSe lens into the central hole of the THz laser input mirror. The emission of the THz laser through the off-center hole of one of the THz laser optical cavity mirrors can be detected by Golay cells, pyroelectric sensors or by bolometric or pyroelectric cameras. O | The electrical signal corresponding to the laser power of Thz is used to maximize emission power by controlling molecular vapor and buffer gas pressure; the flow of these gases into the optical cavity of the laser; the angular position of the C02 laser diffraction grating; and the longitudinal position of the grid or output mirror for fine wavelength tuning.

Em outra modalidade da presente invenção, a fonte de radiação laser THz é um laser semicondutor de cascata quântica. Em mais uma modalidade da presente invenção, a fonte de radiação laser THz é obtida por geração de diferença de frequências entre dois lasers contínuos em um cristal não linear.In another embodiment of the present invention, the THz laser radiation source is a quantum cascade semiconductor laser. In yet another embodiment of the present invention, the THz laser radiation source is obtained by generating frequency difference between two continuous lasers in a nonlinear crystal.

Em outra modalidade da presente invenção, as imagens são obtidas seja por transmissão através do alvo, ou por reflexão ou espalhamento por ele. As imagens por transmissão permitem a visualização de estruturas no interior do alvo de forma semelhante às imagens feitas com raios X ou ultrassom. Neste caso o feixe laser de Thz é expandido por lentes ou espelhos e atravessa o alvo. A imagem é formada focalizando o feixe de forma a preencher o maior número de pixels da câmera. O laser com potências altas (dezenas de miliwatts ou mais) permite o imageamento de objetos mais espessos, ou objetos distantes. Em outra modalidade da presente invenção o laser é enviado ao alvo, e sua posição é percorrida ao longo do alvo fazendo uso de conjunto de espelhos montados em estágios de rotação (scanners). A luz transmitida ou refletida ou espalhada pelo alvo é detectada em função de sua posição, de forma a formar uma imagem. É objeto da presente invenção que o sistema de imagens ativo com laser na faixa de THz utilize câmeras sensíveis à radiação THz tais como câmeras baseadas em arranjos de sensores (pixels) bolométricos ou piroelétricos. Neste caso deve-se utilizar filtros espectrais que atenuem ou bloqueiem radiação no infravermelho médio ou visível.In another embodiment of the present invention, images are obtained either by transmission through the target, or by reflection or scattering thereon. Transmission images allow viewing of structures within the target similar to X-ray or ultrasound images. In this case the Thz laser beam is expanded by lenses or mirrors and crosses the target. The image is formed by focusing the beam to fill the largest number of pixels in the camera. High power lasers (tens of milliwatts or more) allow imaging of thicker objects or distant objects. In another embodiment of the present invention the laser is sent to the target, and its position is traversed along the target using scanners mounted mirrors. Light transmitted or reflected or scattered by the target is detected as a function of its position to form an image. It is an object of the present invention for the active THz laser imaging system to use THz radiation sensitive cameras such as cameras based on bolometric or pyroelectric sensor arrays. In this case, spectral filters should be used that attenuate or block radiation in the middle or visible infrared.

Em outra modalidade da presente invenção, câmeras baseadas em sensores CCD ou CMOS são utilizadas. Neste caso, a amostragem ou detecção eletroóptica é utilizada, empregando um cristal eletroóptico apropriado (como ZnTe) e um laser no visível. O laser de THz, após atravessar o alvo ou ser refletido ou espalhado por ele, é sobreposto no cristal eletroóptico ao laser visível, isto causa uma mudança de polarização no laser visível, que é detectada pela câmera. Nesta caso polarizadores cruzados são utilizados na montagem.In another embodiment of the present invention, cameras based on CCD or CMOS sensors are used. In this case, electro-optic sampling or detection is employed employing an appropriate electro-optic crystal (such as ZnTe) and a visible laser. The THz laser, after crossing the target or being reflected or scattered by it, is superimposed on the electrooptic crystal to the visible laser, this causes a polarization change in the visible laser that is detected by the camera. In this case cross polarizers are used in the assembly.

Em outra modalidade da presente invenção, o laser é modulado em amplitude, de forma a iluminar o alvo de interesse com uma variação em sua intensidade. O princípio de detecção sensível à fase, empregado largamente como base dos amplificadores lock-in, será então utilizado para tratar as imagens obtidas pela câmera, através de processamento de imagens. A técnica de detecção lockin associada com câmeras tem sido largamente utilizada em termografia. Uma aplicação bastante difundida tem sido em obter imagens para analisar células em painéis solares. Neste caso uma corrente modulada no tempo é enviada aos painéis solares, causando um aquecimento em células defeituosas que é difícil de visualizar em imagens térmicas na termografia convencional. Com a detecção de imagens via lockin, é possível identificar defeitos nas células. É objeto da presente invenção prover uma técnica de formação de imagens usando radiação THz e câmeras, utilizando o princípio de detecção lock-in. Para isto a intensidade do laser é modulada no tempo, utilizando por exemplo um chopper óptico ou outro modulador. Desta forma as imagens recebidas pela câmera contêm uma modulação de intensidade causada pela fonte laser de THz. O princípio de detecção lockin é usado para processar digitalmente a imagens da câmera, de forma semelhante à termografia lockin [“Springer, Lock-in Thermography Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials Series: Springer Series in Advanced Microelectronics, Vol. 10, Breitenstein, Otwin, Warta, Wilhelm, Langenkamp, Martin], Isto pode ser feito como um pós-processamento das imagens ou em tempo real, se for feito uso de eletrônica rápida de aquisição de dados e processamento, como DSPs e FPGAs. A detecção lockin permite fazer imagens de forma seletiva, ou seja, apenas de áreas iluminadas pela fonte THz, e também permite aumentar a sensibilidade de detecção, sendo particularmente apropriada quando a câmera detectar radiação em outros comprimentos de onda, como no visível ou infravermelho próximo ou médio, ou quando o objeto estiver a grandes i distâncias.In another embodiment of the present invention, the laser is amplitude modulated to illuminate the target of interest with varying intensity. The phase-sensitive detection principle, widely used as the basis of lock-in amplifiers, will then be used to process the images obtained by the camera through image processing. The lockin detection technique associated with cameras has been widely used in thermography. A widespread application has been in obtaining images to analyze cells in solar panels. In this case a time modulated current is sent to the solar panels, causing defective cell heating that is difficult to see in thermal imaging in conventional thermography. With lockin image detection, cell defects can be identified. It is an object of the present invention to provide an imaging technique using THz radiation and cameras using the lock-in detection principle. For this the laser intensity is modulated over time, using for example an optical chopper or other modulator. In this way the images received by the camera contain an intensity modulation caused by the THz laser source. The lockin detection principle is used to digitally process camera images, similar to lockin thermography [“Springer, Lock-in Thermography Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials Series: Springer Series in Advanced Microelectronics, Vol. 10, Breitenstein, Otwin, Warta, Wilhelm, Langenkamp, Martin], This can be done as an image postprocessing or in real time if fast data acquisition and processing electronics such as DSPs and FPGAs are used. Lockin detection allows selective images to be taken, ie only from areas illuminated by the THz source, and also increases detection sensitivity, and is particularly appropriate when the camera detects radiation at other wavelengths, such as visible or near infrared. or medium, or when the object is long distances.

Descrição das figuras Em seguida faz-se referências às figuras que acompanham este relatório descritivo para o seu melhor entendimento e ilustração: A Figura 1 mostra um diagrama esquemático do sistema de imageamento ativo que utiliza um laser de TeraHertz, como por exemplo baseado em vapor molecular, com metanol, ou em laser semicondutor de cascata quântica. As imagens podem ser obtidas tanto no modo de transmissão (detalhado em A, figura 4) como em reflexão (detalhado em B, figura 4). A montagem inclui uma fonte de radiação THz, ou laser THz (4), o laser de bombeamento (3), lentes ou espelhos parabólicos (6), alvo (1) e câmera (2). O feixe dos lasers de C02 (3) é usado para bombear opticamente o laser de terahertz (4). Espelhos (5) são usados para direcionar o laser de C02, que é focalizado por uma lente de forma a atravessar o espelho de entrada no laser de metanol. Este espelho tipicamente tem um furo tampado por uma janela óptica de material transparente ao laser de C02 (tipicamente ZnSe). O feixe do laser de terahertz é extraído através de outro furo tampado por uma janela óptica de material transparente a terahertz (tipicamente quartzo). O feixe do laser de metanol é tem seu diâmetro alterado por um conjunto de espelhos parabólicos (6) ou lentes, de forma a ser expandido de forma que possa iluminar uma área maior. Este feixe é então direcionado a um alvo ou amostra (1). O feixe transmitido através da amostra (ou refletido por ela) é enviado a uma câmera de vídeo sensível a terahertz, tipicamente baseada em arranjos de sensores piroelétricos ou bolométricos (2) A Figura 2 mostra um esquema de obtenção de imagem por espalhamento ou reflexão de luz, em uma montagem com alvo ou amostra (1), espelho (6) usado para direcionar e focalizar o feixe de terahertz, e uma câmera de vídeo (2). A Figura 3 mostra um esquema de obtenção de imagem por transmissão através de cristal eletro-óptico (8), em uma montagem com laser visível ou infravermelho próximo (3), laser de TeraHertz (4), espelhos parabólicos (6), polarizadores (7), cristal eletro-óptico (8), alvo (1) e câmera de vídeo sensível ao comprimento de onda do laser (3), tipicamente baseada em | sensores CCD ou CMOS (2). O feixe do laser de terahertz (4) tem seu diâmetro moldado por espelhos parabólicos (6) ou lentes, e é então enviado ao alvo (1). O feixe transmitido (ou mesmo refletido) atravessa um cristal eletro-óptico (8). Neste mesmo cristal é sobreposto o feixe de um laser polarizado no visível ou no infravermelho próximo (3). Este o feixe do laser (3) atravessa dois polarizadores cruzados (7), de forma que na ausência do feixe de terahertz, nenhuma luz do laser (3) é transmitida e nenhuma imagem é obtida na câmera de vídeo (2). O feixe do laser de terahertz (4) ao atravessar o cristal (8) induz uma pequena birrefringência no cristal, que altera a polarização do laser (3), de forma que uma certa quantidade de luz do laser (3) é transmitida pelo segundo polarizador (7) e é visualizado pela câmera (2). Esta técnica permite usar câmeras convencionais sensíveis ao visível ou infravermelho próximo.Description of the Figures The following are references to the figures accompanying this descriptive report for its better understanding and illustration: Figure 1 shows a schematic diagram of the active imaging system using a TeraHertz laser, such as based on molecular vapor. , with methanol, or on a quantum cascade semiconductor laser. Images can be obtained in either transmission mode (detailed in A, figure 4) or reflection (detailed in B, figure 4). The assembly includes a THz radiation source, or THz laser (4), pumping laser (3), parabolic lens or mirror (6), target (1), and camera (2). The C02 lasers beam (3) is used to optically pump the terahertz laser (4). Mirrors (5) are used to direct the CO2 laser, which is focused by a lens to traverse the input mirror on the methanol laser. This mirror typically has a hole capped by an optical window of CO2 laser transparent material (typically ZnSe). The terahertz laser beam is extracted through another hole capped by an optical window of terahertz (typically quartz) transparent material. The methanol laser beam is changed in diameter by a set of parabolic mirrors (6) or lenses so that it can be expanded to illuminate a larger area. This beam is then directed to a target or sample (1). The beam transmitted through (or reflected by) the sample is sent to a terahertz-sensitive camcorder, typically based on pyroelectric or bolometric sensor arrays (2). Figure 2 shows a scattering or reflection imaging scheme. light, in a target or sample mount (1), mirror (6) used to direct and focus the terahertz beam, and a camcorder (2). Figure 3 shows an electro-optic crystal transmission (8) imaging scheme in a near-infrared or visible laser (3), TeraHertz laser (4), parabolic mirror (6), polarizer ( 7), electro-optical crystal (8), target (1) and laser wavelength-sensitive video camera (3), typically based on | CCD or CMOS sensors (2). The terahertz laser beam (4) has its diameter shaped by parabolic mirrors (6) or lenses, and is then sent to the target (1). The transmitted (or even reflected) beam passes through an electro-optical crystal (8). In this same crystal is superimposed the beam of a polarized laser in the visible or near infrared (3). This the laser beam (3) passes through two cross polarizers (7), so that in the absence of the terahertz beam, no laser light (3) is transmitted and no images are obtained on the camcorder (2). The terahertz laser beam (4) passing through the crystal (8) induces a small birefringence in the crystal, which alters the polarization of the laser (3), so that a certain amount of laser light (3) is transmitted by the second one. polarizer (7) and is viewed by the camera (2). This technique allows you to use conventional visible or near infrared sensitive cameras.

As figuras 4A e 4B apresentam detalhes do sistema de imagens sendo usado em modo de transmissão (4A) ou de reflexão (4B). O laser de terahertz (3) é enviado ao alvo ou amostra (1), tendo seu diâmetro moldado neste caso por lentes (9). Em seguida é enviado a uma câmera de vídeo (2).Figures 4A and 4B show details of the imaging system being used in transmission (4A) or reflection (4B) mode. The terahertz laser (3) is sent to the target or sample (1), its diameter in this case molded by lenses (9). It is then sent to a camcorder (2).

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDASDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

Referindo-se à FIG.1 e Fig. 4A, que ilustra o sistema de imageamento ativo, no modo de transmissão, onde o alvo 1 é iluminado pelo feixe do laser de THz 4, utilizando lentes 9 para expandir e colimar o feixe, que é direcionado para a câmera 2. A radiação é parcialmente transmitida pelo alvo, e uma imagem é formada na câmera. A FIG.4 B ilustra o sistema de imageamento ativo, onde a luz refletida ou espalhada pelo alvo 1 é detectada para câmera 2. O feixe de laser THz 4 ilumina o alvo e uma ou mais lentes 9 podem ser utilizadas para expandir o feixe THz, como desejado. A FIG. 1 ilustra o sistema de imageamento no modo de transmissão onde o alvo 1 é iluminado pelo feixe do laser de THz 4. Espelhos parabólicos 6 ou alternativamente lentes são usados para expandir ou colimar o feixe do laser THz. A luz transmitida pelo alvo é direcionada à câmera. O laser de THz 4 é bombeado opticamente por outro laser 3, como por exemplo no caso de um laser de vapor de metanol bombeado por um laser de CO2. Espelhos 5 são usados para direcionar o feixe do laser de bombeamento ao laser de THz. A FIG.2 apresenta a mesma configuração da fig.1, porém ilustrando o caso em que a imagem é obtida por reflexão ou espalhamento pelo alvo 1. O feixe proveniente do laser THz incide em um ou mais espelhos parabólicos 6 ou lentes, e é então direcionado ao alvo 1. A luz refletida ou espalhada é captada pela câmera de vídeo 2, permitindo obter uma imagem do objeto iluminado pelo laser. A FIG. 3 ilustra uma modalidade do sistema de imageamento ativo, no caso em que detecção eletro-óptica é empregada. Neste caso o feixe do laser de THz 4 é novamente expandido ou colimado por espelhos parabólicos 6 ou lentes, e incide no alvo 1. A luz transmitida pelo alvo incide em um cristal eletro-óptico 8, como por exemplo um cristal de ZnTe. Um laser visível ou no infravermelho próximo 3, com polarização linear, é também sobreposto ao laser de THz no cristal eletro-óptico 8. Em seguida este laser visível ou no infravermelho próximo incide na câmera 2, que é uma câmera sensível ao visível ou infravermelho próximo, com sensores CCD ou CMOS. Dois polarizados cruzados 7 são utilizados. Na ausência do laser de THz, devido aos polarizadores cruzados, a câmera não detecta nenhum sinal do laser visível. Entretanto, na presença do laser de THz uma pequena birrefringência no cristal 8 é induzida, que causa uma mudança no estado de polarização do laser visível, de tal forma que uma certa quantidade de luz é agora captada pela câmera. Como a intensidade do laser de THz traz i informação sobre o alvo 1, uma imagem do alvo é formada na câmera. A vantagem deste método é eliminar a necessidade de câmeras sensíveis ao THz, como câmeras bolométricas ou piroelétricas. Pode-se assim utilizar câmeras convencionais CCD ou CMOS. Através do efeito eletro-óptico no cristal, a detecção no THz é transferida para detecção no visível ou infravermelho próximo. Em todas as figuras 1,2, 3 e 4, o princípio de detecção locking pode ser utilizado. Neste caso o laser de THz é modulado em amplitude. Isto pode ser realizado por exemplo utilizando um “chopper” óptico, ou no caso de um laser de vapor molecular (metanol) via modulação do laser de bombeamento. Se este for um laser de C02) então pode-se utilizá-lo em modo pulsado, através de pulsos na fonte de corrente deste laser. Sendo assim, o laser de metanol terá modulação em intensidade na mesma frequência do laser de bombeamento. O sinal elétrico de modulação, que pode ser uma tensão quadrada ou senoidai, é enviada a um computador, microprocessador ou microcontrolador, que também recebe as imagens da í câmera. A imagens são digitalmente multiplicadas pelo sinal de referência da modulação do laser, seguindo o princípio de detecção lock-in, de forma a obter; um padrão de imagens que são devidas somente à iluminação do laser.Referring to FIG. 1 and FIG. 4A, which illustrates the active imaging system in transmission mode, where target 1 is illuminated by the THz laser beam 4, using lenses 9 to expand and collimate the beam, which is directed at camera 2. Radiation is partially transmitted by the target, and an image is formed on the camera. FIG.4 B illustrates the active imaging system where light reflected or scattered by target 1 is detected for camera 2. The THz laser beam 4 illuminates the target and one or more lenses 9 may be used to expand the THz beam. , as wished. FIG. 1 illustrates the transmission mode imaging system where target 1 is illuminated by the THz laser beam 4. Parabolic mirrors 6 or alternatively lenses are used to expand or collimate the THz laser beam. The light transmitted by the target is directed to the camera. The THz laser 4 is optically pumped by another laser 3, for example in the case of a methanol vapor laser pumped by a CO2 laser. Mirrors 5 are used to direct the pumping laser beam to the THz laser. Figure 2 presents the same configuration as Figure 1, but illustrating the case where the image is obtained by reflection or scattering by the target 1. The beam from the THz laser beams into one or more parabolic mirrors 6 or lenses and is then directed at target 1. Reflected or scattered light is captured by the camcorder 2, allowing an image of the laser-illuminated object to be obtained. FIG. 3 illustrates one embodiment of the active imaging system, in which case electro-optical detection is employed. In this case the THz laser beam 4 is again expanded or collimated by parabolic mirrors 6 or lenses, and shines on target 1. The light transmitted by the target shines on an electro-optical crystal 8, such as a ZnTe crystal. A near-infrared or visible infrared laser 3 is also superimposed on the THz laser on the electro-optical crystal 8. Next, this visible or near infrared laser focuses on camera 2, which is a visible or infrared sensitive camera. next, with CCD or CMOS sensors. Two cross bias 7 are used. In the absence of the THz laser, due to cross polarizers, the camera detects no visible laser signal. However, in the presence of the THz laser a small birefringence in crystal 8 is induced, which causes a change in the polarization state of the visible laser, such that a certain amount of light is now captured by the camera. As the laser intensity of THz brings information about target 1, an image of the target is formed on the camera. The advantage of this method is to eliminate the need for THz-sensitive cameras, such as bolometric or pyroelectric cameras. One can thus use conventional CCD or CMOS cameras. Through the electro-optical effect on the crystal, THz detection is transferred to near visible or near infrared detection. In all figures 1,2, 3 and 4, the locking detection principle can be used. In this case the THz laser is amplitude modulated. This can be accomplished for example by using an optical chopper, or in the case of a molecular vapor (methanol) laser via pumping laser modulation. If this is a CO2 laser then you can use it in pulsed mode through pulses at the current source of this laser. Thus, the methanol laser will have intensity modulation at the same frequency as the pumping laser. The modulating electrical signal, which may be a square or sinusoidal voltage, is sent to a computer, microprocessor or microcontroller, which also receives images from the camera. The images are digitally multiplied by the laser modulation reference signal, following the lock-in detection principle, in order to obtain; a pattern of images that are due only to laser illumination.

Como está descrito na presente invenção, será aparente para aqueles experientes na arte que a mesma pode ser variada de muitas maneiras sem se desviar do seu escopo e finalidade. É, portanto intenção que todas e quaisquer modificações sejam incluídas dentro das finalidades das reivindicações anexas.As described in the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that it can be varied in many ways without departing from its scope and purpose. It is therefore intended that any and all modifications be included within the purposes of the appended claims.

Em seguida descreve-se uma forma preferencial e não restritiva i de realização do presente equipamento, objeto da patente, onde a configuração e aplicação podem variar na forma adequada para cada modelo desejado; descrevendo uma das possibilidades construtivas que levam a concretizar o objeto descrito e a forma em que o mesmo funciona.Hereinafter, a preferred and non-restrictive embodiment of the present subject-matter equipment is described, wherein the configuration and application may vary in the form suitable for each desired model; describing one of the constructive possibilities that lead to the concretization of the object described and the way in which it works.

Descrição detalhada da invenção A presente invenção é constituída por uma fonte de radiação laser potente na faixa de Terahertz (THz), preferencialmente um laser baseado em vapor molecular, como metanol, e um sistema de imagens ativo, onde o objeto é iluminado pelo laser e detectado por uma câmera de vídeo sensível para terahertz, preferencialmente operando a temperatura ambiente, e baseada em sensores bolométricos ou piroelétricos. Numa das implementações, o laser de terahertz é usado para iluminar o alvo (imageamento ativo) e uma câmera de vídeo para terahertz é usada para visualizar o feixe após atravessar ou ser refletido pelo alvo, formando uma imagem do alvo, como descrito nas figuras. A fonte de radiação terahertz pode ser qualquer fonte emitindo na faixa entre 0.1 e 10 THz, mas preferencialmente é um laser de vapor molecular (como methanol) que emite potências acima de 10 mW. O laser de metanol é formado por uma cela de vácuo, com aproximadamente 1 metro de comprimento, em cujas extremidades são colocados dois espelhos metálicos (por exemplo de alumínio ou ouro). Um destes espelhos, chamado de espelho de saída e de entrada, contem dois furos com aproximadamente 2 mm de diâmetro. Um deles é centrado no espelho e selado por uma janela óptica transparente ao laser de C02. Um material tipicamente usado é o ZnSe (seleneto de zinco). Este furo constitui a entrada do feixe do lase de bombeamento óptico (tipicamente um laser de C02 operando numa determinada linha/cumprimento de onda). O outro furo está colocado a aproximadamente 5 mm do centro e também é selado por uma janela óptica feita de material transparente ao terahertz. Um material típico é o quartzo. Este furo constitui a saída do feixe de terahertz. O outro espelho é montado sobre um estágio de translação mecânica (motorizado ou não) de forma a permitir seu deslocamento. Este deslocamento é usado para sintonia da cavidade do laser de terahertz, de forma a permitir oscilação laser em um de seus comprimentos de onda. O laser é operado com o gás a pressão de poucos millitorr. As pressões para cada linha do laser de terahertz são dadas em vários artigos na literatura científica. Da mesma forma o laser de C02 precisa também ser um laser sintonizável de frequência única. Usualmente este laser possui uma grade de difração que faz o papel de um dos espelhos de sua cavidade óptica. Esta grade é empregada em configuração de Littman, e usualmente é girada (de forma manual ou automatizada) de forma a selecionar uma determinada linha de emissão do laser de C02. Cada linha de emissão do laser de THz deve ser bombeada opticamente por uma linha específica do laser de C02. Por exemplo, se escolhermos a linha de emissão mais intensa do iaser de metanol em 119 mícrons, devemos sintoniza ro laser de C02 na linha 9P(36).DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is a powerful Terahertz (THz) laser radiation source, preferably a molecular vapor-based laser such as methanol, and an active imaging system where the object is illuminated by the laser and detected by a terahertz sensitive camcorder, preferably operating at room temperature, and based on bolometric or pyroelectric sensors. In one embodiment, the terahertz laser is used to illuminate the target (active imaging) and a terahertz camcorder is used to view the beam after crossing or being reflected by the target, forming an image of the target as described in the figures. The terahertz radiation source can be any source emitting in the range of 0.1 to 10 THz, but preferably it is a molecular vapor laser (such as methanol) that emits powers above 10 mW. The methanol laser is formed by a vacuum cell, approximately 1 meter long, at the ends of which are placed two metal mirrors (eg aluminum or gold). One of these mirrors, called the exit and entry mirrors, contains two holes approximately 2 mm in diameter. One of them is centered in the mirror and sealed by a CO2 laser transparent optical window. A typically used material is ZnSe (zinc selenide). This hole constitutes the input of the optical pumping lase beam (typically a CO2 laser operating on a given line / wavelength). The other hole is located approximately 5 mm from the center and is also sealed by an optical window made of terahertz transparent material. A typical material is quartz. This hole constitutes the output of the terahertz beam. The other mirror is mounted on a stage of mechanical translation (motorized or not) to allow its displacement. This offset is used for tuning the terahertz laser cavity to allow laser oscillation at one of its wavelengths. The laser is operated with gas at few millitorr pressure. Pressures for each terahertz laser line are given in various articles in the scientific literature. Likewise the CO2 laser must also be a tunable single frequency laser. Usually this laser has a diffraction grating that plays the role of one of the mirrors of its optical cavity. This grid is employed in Littman configuration, and is usually rotated (either manually or automatically) to select a particular CO2 emission line. Each THz laser emission line must be optically pumped by a specific CO2 laser line. For example, if we choose the most intense methanol emission line at 119 microns, we must tune the CO2 laser at line 9P (36).

Uma vez que o laser de C02 esteja incidindo dentro da cavidade do laser de terhaterz, a operação do laser de terahertz baseado em vapor molecular consiste em sintonizar o laser de C02 para a linha de emissão desejada. A grade de difração é montada sobre um transdutor piezeoelétrico de forma a permitir sintonia fina do comprimento de onda do laser de C02 dentro de uma dada linha de emissão. Em seguida a pressão do laser de terahertz é ajustada para o valor adequado, que é dependente da linha de emissão escolhida. Para monitorar a absorção do gás, pelo menos um microfone é colocado dentro da cavidade do laser de metanol, de forma a permitir detecção fotoacústica. Uma vez detectada, desta forma, a absorção pelo gás da radiação do laser de C02, em seguida a cavidade do laser de terahertz é sintonizada através do espelho de sua cavidade óptica, montado em estágio de translação. Neste ponto deve-se observar emissão do laser de terahertz.Once the CO 2 laser is falling into the terhaterz laser cavity, the operation of the molecular vapor based terahertz laser is to tune the CO 2 laser to the desired emission line. The diffraction grating is mounted on a piezeoelectric transducer to allow fine tuning of the CO2 laser wavelength within a given emission line. Thereafter the terahertz laser pressure is adjusted to the appropriate value, which is dependent on the chosen emission line. To monitor gas absorption, at least one microphone is placed inside the methanol laser cavity to allow photoacoustic detection. Once the gas absorption of the CO2 laser radiation is detected in this way, then the terahertz laser cavity is tuned through the mirror of its optical cavity, mounted in a translational stage. At this point one should note terahertz laser emission.

Em outra possível implementação, a fonte THz é pulsada ou modulada em intensidade (amplitude) a uma frequência fixa. A câmera detecta a imagem refletida e/ou a imagem transmitida (imagem que atravessou o objeto) e também pode operar no modo de detecção sensível à fase. Este modo de operação tem sido empregado com câmeras no visível ou infravermelho próximo ou médio para aplicações como na termografia !ock-in, usada, por exemplo, na inspeção de células solares. Na presente invenção o laser ilumina o alvo de forma pulsada ou com modulação em intensidade, e a câmera detecta a imagem do alvo que contém esta modulação. A técnica de detecção sensível à fase é então implementada de forma digital, ou seja, através do processamento de imagem baseado na análise dos pixels individuais da câmera. Como a câmera passa a analisar apenas o sinal que ocorre na frequência de modulação do laser, torna-se também cega a qualquer radiação em outro comprimento de onda, ou que não seja originada da fonte Terahertz (THz) modulada, o que representa uma importante vantagem. Uma alta seletividade é obtida com a detecção sensível à fase. - Funcionamento do dispositivo: A presente invenção utiliza qualquer fonte de radiação Terahertz (THz), mas é particularmente apropriada para lasers em Terahertz (THz), que emitem um feixe direcionado. Esta radiação, quando refletida ou transmitida pelo objeto, é detectada por câmeras constituídas de arranjos de sensores (pixels) sensíveis à radiação Terahertz, tais como bolômetros, microbolômetros ou câmeras piroelétricas. Uma câmera para Terahertz (THz) baseada em microbolômetros foi recentemente desenvolvida pela empresa INO. Outras empresas como a FLIR fabricam câmeras para imagens térmicas, i.e., no infravermelho médio, mas que não são sensíveis ao infravermelho distante Empresas como a Spiricom fabricam câmeras baseadas em sensores piroelétricos.In another possible implementation, the THz source is pulsed or modulated in intensity (amplitude) at a fixed frequency. The camera detects the reflected image and / or the transmitted image (image that has traversed the subject) and can also operate in phase-sensitive detection mode. This mode of operation has been employed with near or medium visible or infrared cameras for applications such as! Ock-in thermography, used, for example, for solar cell inspection. In the present invention the laser illuminates the target pulsed or with intensity modulation, and the camera detects the image of the target containing this modulation. The phase sensitive detection technique is then implemented digitally, ie through image processing based on the analysis of the individual camera pixels. As the camera analyzes only the signal that occurs at the laser modulation frequency, it is also blinded to any radiation at another wavelength, or not originating from the modulated Terahertz (THz) source, which represents an important advantage. High selectivity is achieved with phase sensitive detection. Device Operation: The present invention utilizes any Terahertz (THz) radiation source, but is particularly suitable for Terahertz (THz) lasers that emit a directed beam. This radiation, when reflected or transmitted by the object, is detected by cameras consisting of Terahertz radiation-sensitive sensor arrays (pixels), such as bolometers, microbolometers, or pyroelectric cameras. A micro-meter based Terahertz (THz) camera was recently developed by INO. Other companies like FLIR manufacture cameras for thermal imaging, ie, mid-infrared but not far-infrared sensitive Companies like Spiricom manufacture cameras based on pyroelectric sensors.

Uma vantagem da presente invenção em relação ao estado da técnica para imagens em terahertz é a utilização de uma fonte de luz de alta potência (laser de vapor molecular) aliado a uma câmera de vídeo para terahertz, apenas recentemente disponível comercialmente. A alta potência do laser permite iluminar objetos, abrindo a possibilidade de imageamento a distância. O uso da câmera permite obter imagens em tempo real. Outra vantagem é que o uso de um laser de vapor molecular permite não apenas obter maior potência, mas também selecionar diferentes comprimentos de onda, em função da capacidade de penetração desejada em um determinado material. Isto é feito a partir da escolha do gás molecular (metanol sendo um exemplo de implementação preferencial), e da linha de emissão (comprimento de onda) do laser de bombeamento (sendo o laser de C02 uma implementação preferencial). A fonte de radiação Terahertz (THz), preferencialmente um laser de terahertz com potência acima de 10 mW, incide no objeto, e é refletido, espalhado ou transmitido através dele. Uma câmera apropriada, sensível a Thz, é usada para detectar a luz refletida, espalhada ou transmitida pelo alvo, criando uma imagem em tempo real. O presente invento baseia-se no uso de um laser de alta potência (acima de 10 mW). Este é preferencialmente um laser de vapor molecular (usando, por exemplo, vapor de metanol) bombeado por um laser de CO2 sintonizável com potência acima de 20 Watts na linha de bombeamento apropriada. Por exemplo, a linha de emissão mais forte da molécula de metanol tem comprimento de onda de 119 micrômetros, ou frequência de 2.5 THz. Para obtê-la deve-se sintonizar o laser de C02 na linha 9P(36). O uso de um laser de maior potência proporciona um aumento da razão sinal ruído da imagem obtida na câmera. O laser por sua vez tem sua operação automatizada, incluindo escolha da linha de emissão em THz através da escolha da linha de bombeamento do laser de C02. Para este controle automatizado, é feito um controle do ângulo e da posição da grade de difração do laser de C02 (elemento de sintonia), usando transdutores piezoelétricos. Da mesma forma a sintonia e optimização da potência do laser de Thz é feita através do controle automatizado da pressão do gás que constitui o meio de ganho (por exemplo metanol) e/ou quaisquer gases tampão (por exemplo hélio), e da posição do espelho da cavidade óptica do laser, usando estágios de translação e/ou transdutores. Estes atuadores podem ser controlados por rotinas computacionais, por exemplo em ambiente Labview.An advantage of the present invention over the state of the art for terahertz imaging is the use of a high power light source (molecular vapor laser) combined with a commercially available terahertz camcorder only recently. The high power of the laser lets you illuminate objects, opening up the possibility of remote imaging. Using the camera allows for real time images. Another advantage is that the use of a molecular vapor laser allows not only higher power but also to select different wavelengths, depending on the desired penetration capacity in a given material. This is done by choosing the molecular gas (methanol being an example of preferred implementation), and the emission line (wavelength) of the pumping laser (CO2 laser being a preferred implementation). The Terahertz (THz) radiation source, preferably a terahertz laser of more than 10 mW, shines on the object and is reflected, scattered or transmitted through it. An appropriate Thz-sensitive camera is used to detect light reflected, scattered or transmitted by the target, creating a real-time image. The present invention is based on the use of a high power laser (above 10 mW). This is preferably a molecular vapor laser (using, for example, methanol vapor) pumped by a tunable CO2 laser above 20 Watts in the appropriate pumping line. For example, the strongest emission line of the methanol molecule has a wavelength of 119 micrometers, or a frequency of 2.5 THz. To obtain it, the CO2 laser must be tuned to line 9P (36). The use of a higher power laser provides an increase in the signal to noise ratio of the camera image. The laser in turn has its operation automated, including choosing the THz emission line by choosing the CO2 laser pumping line. For this automated control, the angle and position control of the C02 laser diffraction grating (tuning element) is made using piezoelectric transducers. Similarly the tuning and optimization of the Thz laser power is done by automated control of the gas pressure constituting the gain medium (eg methanol) and / or any buffer gases (eg helium), and the position of the laser optical cavity mirror, using translational stages and / or transducers. These actuators can be controlled by computational routines, for example in Labview environment.

Alternativamente a imagem pode ser obtida através de detecção “lock-in” ou detecção sensível a fase. Neste caso a luz do laser deve ser modulada em intensidade a uma frequência fixa e bem definida, usando, por exemplo, um “chopper”, que é um dispositivo que bloqueia e desbloqueia a passagem da luz a frequências determinadas. A frequência de modulação é tipicamente de poucos Hertz a dezenas de Hertz, compatíveis com a resposta temporal das câmeras mencionadas acima. Os sinais elétricos de cada pixel da câmera são então analisados e processados usando o princípio de detecção sensível à fase. Na detecção sensível à fase, empregada em amplificadores lock-in [“Springer, Lock-in Thermography Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials Series: Springer Series in Advanced Microeiectronics, Vol. 10, Breitenstein, Otwin, Warta, Wilhelm, Langenkamp, Martin], o sinal elétrico (tensão ou corrente elétrica) proveniente de um dado detector (“sinal de entrada”) é multiplicado pela tensão que causou a modulação na intensidade da fonte de luz (“sinal de referência”). Os sinais de entrada e de referência estão na mesma frequência, mas possuem uma diferença de fase. Esta multiplicação pode ser feita em misturados analógicos, tais como mixers, ou de forma digital. O sinal de saída do misturador contém termos com a soma e diferença da frequência de modulação. Após a multiplicação, o sinal passa por um filtro passa-baixa que seleciona apenas o termo de diferença, ou visto de outra forma, integra o sinal proveniente do misturador. Após este filtro tem-se um sinal elétrico (“sinal de saída”) cuja amplitude é proporcional à diferença de fase entre o sinal de modulação do laser e o sinal proveniente do detector. Uma linha de atraso de fase (phase-shifter) também é adicionada para ajustar a fase entre o sinal de entrada e o sinal de referência. Este ajuste da fase é usualmente feito para maximizar o sinal de saída. O procedimento acima é feito para cada pixel da câmera ou para conjuntos de pixels. Sendo assim, no caso de câmeras, a implementação da técnica de detecção sensível à fase é mais conveniente se feita de forma digital, através da análise dos sinais em microprocessadores, microcontroladores ou DSPs (processadores digitais de sinais). A implementação da técnica de lock-in no caso de câmeras pode ser vista como uma técnica de processamento de imagens.Alternatively the image can be obtained through lock-in detection or phase sensitive detection. In this case the laser light should be intensity modulated at a fixed and well defined frequency, using, for example, a chopper, which is a device that blocks and unlocks the passage of light at certain frequencies. The modulation frequency is typically from few Hertz to dozens of Hertz, compatible with the temporal response of the cameras mentioned above. The electrical signals from each camera pixel are then analyzed and processed using the phase sensitive detection principle. In phase-sensitive detection employed in lock-in amplifiers [“Springer, Lock-in Thermography Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials Series: Springer Series in Advanced Microelectronics, Vol. 10, Breitenstein, Otwin, Warta, Wilhelm, Langenkamp , Martin], the electrical signal (voltage or current) from a given detector (“input signal”) is multiplied by the voltage that caused the modulation in light source intensity (“reference signal”). Input and reference signals are at the same frequency, but have a phase difference. This multiplication can be done in analog mixtures, such as mixers, or digitally. The mixer output signal contains terms with the sum and difference of modulation frequency. After multiplication, the signal passes through a low-pass filter that selects only the difference term, or viewed otherwise, integrates the signal from the mixer. After this filter there is an electrical signal (“output signal”) whose amplitude is proportional to the phase difference between the laser modulation signal and the signal from the detector. A phase-shifter line is also added to adjust the phase between the input signal and the reference signal. This phase adjustment is usually made to maximize the output signal. The above procedure is done for each camera pixel or for sets of pixels. Thus, in the case of cameras, the implementation of the phase-sensitive detection technique is more convenient if done digitally by analyzing the signals in microprocessors, microcontrollers or DSPs (digital signal processors). The implementation of the lock-in technique for cameras can be seen as an image processing technique.

Devido à seletividade da detecção sensível à fase, uma altíssima sensibilidade de detecção é obtida, tornando a detecção insensível a ruído de fundo proveniente de luz visível ou infravermelha.Due to the selectivity of phase sensitive detection, very high detection sensitivity is achieved, making the detection insensitive to background noise from visible or infrared light.

Na presente invenção a técnica de detecção sensível à fase é implementada e um enorme aumento de sensibilidade é obtido. Além disto, o sistema permite a visualização seletiva apenas dos objetos iluminados pela fonte de radiação Terahertz (THz). Da mesma forma torna-se insensível à radiação em outras faixas espectrais, de forma que a imagem formada é totalmente devida à radiação Terahertz.In the present invention the phase sensitive detection technique is implemented and a huge increase in sensitivity is obtained. In addition, the system allows selective viewing only of objects illuminated by the Terahertz (THz) radiation source. Similarly it becomes insensitive to radiation in other spectral bands, so that the image formed is entirely due to Terahertz radiation.

Devido às propriedades únicas da radiação Terahertz (Thz), a invenção aqui proposta pode permitir a obtenção de imagens de objetos escondidos, tais como pessoas usando armas, ou portando drogas ou explosivos. Permite a inspeção não invasiva do conteúdo de pacotes fechados. O aumento de sensibilidade da técnica de detecção sensível à fase permite a obtenção de imagens de alvos distantes, muito maiores do que é possível atualmente.Due to the unique properties of Terahertz (Thz) radiation, the invention proposed herein may allow images of hidden objects, such as people using weapons, or carrying drugs or explosives, to be obtained. Allows non-invasive inspection of closed package content. The increased sensitivity of the phase-sensitive detection technique allows for far larger target images to be obtained than is currently possible.

Desta forma, o sistema de imageamento na faixa de Terahertz de alta sensibilidade, objeto da presente patente, apresenta uma configuração nova, inédita e única que lhe configura grandes vantagens em relação a qualquer outra técnica já conhecida. Dentre essas vantagens podem-se citar: a possibilidade de obtenção de imagens de objetos escondidos, tais como pessoas usando armas, ou portando drogas ou explosivos; a inspeção não invasiva do conteúdo de pacotes fechados; e ainda o aumento de sensibilidade da técnica de detecção sensível à fase permite a obtenção de imagens de alvos distantes, muito maiores do que é possível atualmente. Com nitidez e precisão que as técnicas atuais não oferecem.Thus, the high sensitivity Terahertz band imaging system, object of the present patent, presents a new, unique and unique configuration that gives it great advantages over any other technique already known. These advantages include: the possibility of obtaining hidden object images, such as people using weapons, or carrying drugs or explosives; noninvasive inspection of the contents of closed packages; and the increased sensitivity of the phase-sensitive detection technique allows far larger target images to be obtained than is currently possible. With clarity and precision that current techniques do not offer.

Assim, pelas características de configuração e funcionamento, acima descritas, pode-se notar claramente que o "Sistema de laser na faixa de Terahertz e sistema de imagens ativo”, constitui um conjunto novo para o Estado da Técnica o qual reveste-se de condições de inovação, atividade inventiva e industrialização inéditas, que o fazem merecer o Privilégio de Patente de Invenção.Thus, due to the configuration and operation characteristics described above, it can be clearly seen that the "Terahertz laser system and active imaging system" is a new set for the state of the art which is subject to innovation, inventive activity and unprecedented industrialization, which earn it the Privilege of Invention Patent.

Claims

1. Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system using terahertz laser through active imaging, comprising a light source in the far infrared range of the electromagnetic spectrum (also known as terahertz band) or simply THz) having wavelengths between 30 microns and 3 mm corresponding to frequencies between 10 THz and 0.1 THz and a camcorder detection system based on a sensor array.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to claim 1, characterized in that the light source is a laser based on an optically pumped molecular gas.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to claim 2, characterized in that the laser operates in continuous or pulsed mode.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to claims 1 to 3, characterized in that the laser is preferably based on methanol vapor (or its isotopomers) optically pumped by CO2 laser.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to claims 1 to 4, characterized in that the THz laser is constructed with a waveguide cavity.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to Claim 5, characterized in that the THz laser has an average power of more than 10 mW.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to claims 1 to 6, characterized in that the CO2 laser is tuned to its individual emission lines.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to claims 1 to 7, characterized in that the CO2 laser tube has one or two Brewster windows and a diffraction grating used in Littrow setting.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to Claim 1, characterized in that the radiation source is an optically excited photoconductive antenna.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to claims 1 and 9, characterized in that the optical excitation source of the photoconductive antenna is an ultra-short pulse (femtosecond) laser.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to claims 1, 9 and 10, characterized in that the photoconductive antenna optical excitation source consists of two continuous lasers spectrally separated by an interval. in the terahterz range.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to Claim 1, characterized in that the radiation source is a quantum cascade semiconductor laser.

Real-time non-invasive hidden object detection and visualization system according to Claim 1, characterized in that the THz radiation source is obtained by frequency difference between two continuous lasers in a nonlinear crystal.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to claim 1, characterized in that the camera is sensitive to terahertz radiation, preferably a pyroelectric or bolometric camera.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to Claim 1, characterized in that the image is obtained by transmission; reflection or scattering of THz radiation.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to Claim 1, characterized in that the camera is composed of an array of pyroelectric or bolometric sensors (pixels) in which an image is formed. proper use of a lens system.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization system according to claim 1, characterized in that the camera is based on CCD or CMOS sensors in which electro-optical detection is employed.

18. Non-invasive real-time hidden object detection and visualization method using terahertz laser through active imaging characterized in that the object to be viewed is illuminated by the terahertz radiation source and the light reflected, scattered or transmitted The object is sent to a terahertz-sensitive camcorder, or to a near-infrared or visible-light-sensitive camcorder if electro-optical detection is used.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization method according to claim 18, characterized in that the camera is operated using the lock-in principle in which the THz laser is amplitude modulated.

Non-invasive real-time hidden object detection and visualization method according to Claim 18, characterized in that, in electro-optical detection, a visible or infrared laser is detected by the camera after passing through an electro-optical material. superimposed on the THz laser.