CN102186413B - 检测装置、检测方法、静脉感测装置、扫描探针显微镜、变形检测装置和金属检测装置 - Google Patents
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Abstract
提出了一种基于新原理并且能够高灵敏度和高精度地检测血管和其他各种目标的检测装置和检测方法。检测装置包括:m个电极,用于产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷(m是大于或等于4的偶数),其电荷总量基本为0;和至少一个电场检测元件,用于检测直线上的电场。该m个电荷是四极、平面六极、平面八极、三维八极等。为了形成四极,在正方形的顶点处布置四个电极(11到14)。在这些电极(11到14)的中央处,布置检测电极(20)。在制成静脉感测装置等时使用检测装置。
Description
技术领域
本发明涉及基于新原理的检测装置、检测方法、静脉感测装置、扫描探针显微镜、变形检测装置和金属检测装置。
背景技术
存在一种发明人提出的传统测量装置,其非侵入式地测量活体中的血管等(参考专利文献1)。该测量装置从发射电极发射准静态电场,使得能够获得比在与多个频率中的每个频率对应的每个距离处的感应电场更高的强度,并且借助检测电极来检测与该距离对应的频率的准静态电场的强度变化,以便测量血管等的状态。
同时,已经提出了一种配备有磁场敏感传感器的接近开关(例如参考专利文献2)。在该接近开关中,无磁通量区域由具有相同名称、在具有垂直磁化方向的U形永久磁铁的U形腿件之间的三个极形成。在该区域中,附着对磁场敏感的传感器。在该U形腿件之上,在与U形底部平行的平面上也提供可能更接近的平面铁磁触发件。随着该触发件更接近该U形腿件的两个极,由于无磁通量区域的偏置会发生触发,使得能够估计传感器的切换信号。图49A和图49B示出了该接近开关(该图等效于专利文献2的图1)。该接近开关的原理如下。如图49A中所示,在该接近开关中,无磁通量区域或无磁场区域由用于消除磁场的U形永久磁铁的U形腿件之间的三个北极而形成。如图49B中所示,当铁磁材料更接近触发件时,会出现存在无磁场区域的磁场。附着到无磁场区域的磁场敏感传感器检测磁场的变化并且预测铁磁材料正在靠近。
而且,人们已经得知磁场敏感传感器放置于独特的永久磁铁装置的无磁场区域中(参考专利文献3)。
根据专利文献2和3中公开的技术,能够检测一种传统磁场敏感传感器无法检测的正靠近的铁磁材料。原理是该磁场敏感传感器检测由磁场的变形 引起的无磁场区域的变化,该磁场的变形与永久磁铁和铁磁材料的磁场之间的相互作用相关联。然而,专利文献2和3并没有公开或建议有关使用用于产生电荷的电极和用于检测电场的电场检测元件的检测装置的内容。
人们知道活体的每个组织是具有不同电特性(介电系数和导电系数)以及不同频率特性的介电材料(参考非专利文献1、2和3)。利用所述特性(组织之间的电特性差异)、阻抗CT(计算机断层照相法),人们已经研究出一种电检测组织的方法。
专利文献1:日本待审专利公开No.2005-73974
专利文献2:日本待审专利公开No.9-511357
专利文献3:德国专利申请公开No.3901678
非专利文献1:C Gabriel、S Gabriel和E Corthout:“The dielectricproperties of biological tissues:I.Literature survey”,Phys.Med.Biol.41(1996)2231-2249
非专利文献2:S Gabriel、R W Lau和C Gabriel:“The dielectric propertiesof biological tissues:II,Measurements in the frequency range 10Hz to 20GHz”,Phys.Med.Biol.41(1996)2251-2269
非专利文献3:S Gabriel、R W Lau和C Gabriel:“The dielectric propertiesof biological tissues:III.Parametric models for the dielectric spectrum oftissues”,Phys.Med.Biol.41(1996)2271-2293
根据发明人的知识,例如,针对专利文献1中提出的测量装置,甚至血管与外层皮肤之间的微小脂肪组织也使其不能获得敏感性。因此,难以精确地测量血管的状态。
因此,本发明要解决的问题是提供一种基于新原理且能够高灵敏度高精度地检测血管和其它不同目标的检测装置和检测方法。
本发明要解决的另一个问题是提供一种使用以上新型检测装置的高性能静脉感测装置、扫描探针显微镜、变形检测装置和金属检测装置。
发明内容
在开展认真研究来解决上面问题之后,发明人已经发现了以下技术来解决上面问题,并且提出的发明具有以下技术:产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷(m是大于或等于4的偶数),其电荷总量基本为0;和检测 直线上的电场。基于专利文献2和3不能容易地发明基于该新原理的检测装置和检测方法。下面说明理由。
磁场和电场的不同之处在于,在磁场中,没有单极,这对应于电场中的电荷。然而,如果针对构造(formation)使用偶极而不是单极,则这两者彼此等效。因此,通过将专利文献2和3中公开的两个传统技术的磁场替换为电场以及将磁偶极替换为电偶极,看起来能够实现基于与专利文献2和3中公开的技术类似的原理的电场传感器。然而,在现实中,上面情况由于以下原因是不可行的。也就是,作为上面替换传统技术的结果,用于获得来自电场灵敏传感器的信号的电线会变成电极,这对极型有影响,会导致对称性损失。因此,不会形成电场为零的区域;实现不了电场传感器。换句话说,由于物理效果不同,因此磁场传感器的结构和电场传感器的结构在结构方面不能兼容。当进行上面替换时,图49A中由虚线圈出的三个N极对应于三极电荷。然而,本发明不是用三极来实现的;至少需要四极或更高极。甚至在这方面,磁场传感器的结构和电场传感器的结果也不能兼容。
也就是,为了解决上面的问题,根据本发明的第一发明,一种检测装置,其特征在于包括:
m个电极,用于产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷(m是大于或等于4的偶数),其电荷总量基本为0;和
至少一个电场检测元件,用于检测直线上的电场。
在检测装置中,在示例性情况下,所述m个电荷的相邻电荷的符号不同(一个是正电荷,另一个是负电荷);所述m个电荷的绝对值彼此相等。
在检测装置中,在用作m个旋转对称的电荷的旋转轴的直线上,由于电荷引起的电场的重叠,电场E0是0[V/m]。在这种情况下,电场E0=0[V/m]的区域(电、线、表面)的区域称作独特区域。当E0≈0[V/m]的区域接近于E0=0[V/m]的区域存在时,E0=0[V/m]的区域和E0近似等于0[V/m]的区域统一称为独特区域。检测直线上的电场是指检测独特区域的电场。为了提高检测的灵敏度和精度,期望带来独特区域内部和外部的电场强度的陡峭变化。也就是,当直接测量电场强度的变化时,难以检测该变化,因为当电场E0变化到E0+ΔE时,尤其是,如果E0>>ΔE,变化量ΔE与E0相比较小。即使该变化被放大器放大,它仍旧难以检测该变化,因为ΔE对E0的比仍保持不变。如果在独特区域中检测电场,则能够高精度且高灵敏度地检测电场的变化, 因为检测到的电场强度等效于变化量ΔE。
可期望电场检测元件和从电场检测元件外部延伸的电线布置在直线上。上面内容意味着在电场检测元件外部延伸的电线被布置在等势面上。也就是,由于电场检测元件和从电场检测元件外部延伸的电线被布置在等势面上,因此可以保持m个电荷的旋转对称。
在检测装置中,通过出于某种原因以不满足E0=0[V/m]或E0≈0[V/m]的方式检测独特区域的电场,能够检测m个电荷的旋转对称的破坏。
m个电荷被设计成例如形成多极或平面2n极(n是大于等于2的整数)或者出现在正多面体或准正多面体的顶点处。该多极可被认为是以相邻偶极的电荷的符号彼此相反的这种方式布置的k个偶极(k是大于等于2的整数)。例如,可以将四极、八极等引用为示例。平面2n极可被认为是以相邻偶极的电荷的符号彼此相反的这种方式在一个平面上布置的n个偶极,例如,包括四极、六极和八极。正多面体可以是用于产生八极的立方体。准正多面体可以是截顶八面体、缺顶立方八面体等。
例如,相对于围绕担当旋转轴的直线旋转180度来说,在四极中,电荷分布具有不可变的双重旋转对称性。只存在一条担当旋转轴的直线。在这种情况下,直线、或直线和相邻区域是独特区域。对于四极,独特区域内部和外部的电场的变化尤其陡峭;四极在检测电荷的旋转对称被打破时的灵敏度和精度方面尤其出色。因此,四极是相当令人期望的。相对于围绕担当旋转轴的直线旋转180度来说,在具有三维结构的八极中,电荷分布具有不可变的双重旋转对称性。担当旋转轴的直线是彼此垂直交叉的三条直线。在这种情况下,直线、或直线和相邻区域是独特区域。
例如,检测装置可以检测:(1)m个电极中的至少一个电极的位置的变化;(2)出现在m个电极中的至少一个电极上的电荷的电荷量(电压)的变化;和(3)在m个电极外部的电荷(包括带点导体)或者物体(由导体或电介质组成)。也就是,在(1)情况下,当出于某种原因至少一个电极的位置变化时,m个电荷的旋转对称被打破。因此,作为m个电荷的旋转轴的直线上的电场以不满足E0=0[V/m]或E0≈0[V/m]的方式变化。在(2)情况下,当出于某种原因出现在至少一个电极上的电荷的电荷量变化时,m个电荷的旋转对称被打破。因此,作为m个电荷的旋转轴的直线上的电场以不满足E0=0[V/m]或E0≈0[V/m]的方式变化。在(3)情况下,如果存在m个电极外部的 电荷或物体(由导体或电介质组成),则由于电荷或物体的影响,m个电荷的旋转对称被打破。因此,作为m个电荷的旋转轴的直线上的电场以不满足E0=0[V/m]或E0≈0[V/m]的方式变化。
m个电极的电荷可以是通过将交流电压施加到以上电极而形成的电荷或者是静态电荷。具体地,当通过将正弦波交流电压施加到m个电荷生成m个电荷时,期望d<<λ/2π,其中入表示正弦波的长度,d表示形成m个电荷的偶极的长度。由于该条件,在m个电荷形成的电场中,准静态电场变得占优势。
必要时,可以选择m个电极的形状。通常,m个电极是点电极或平面电极。在检测灵敏度和精度方面,最好是m个电极是正方形平面电极。当m个电极被认为是一个基本单元时,检测装置可以仅使用一个基本单元或者矩阵阵列电极,其中多个基本单元以一维或二维阵列排列。
电场检测元件如何检测的原理和配置无所谓。然而,通常,使用检测电极。检测电极可以由单个电极组成。然而,为了提高检测灵敏度和精度,期望检测电极是偶极型,例如彼此接近放置的一对电极。在这种情况下,测量偶极型电极之间的电势差,并且如果必要,通过放大器等放大该电势差。因此,能够检测电场。检测电极可以通过以电极彼此垂直交叉的方式放置两个偶极型电极来形成。电光晶体(electro-optic crystal)可用于电场检测元件:由于电光效应(这是指由电场引起的折射率的变化),能够检测电场。在这种情况下,例如,具有恒定偏振面的激光束被发射到电光晶体。然后,检测已穿过电光晶体的激光束的偏振面。随后,从偏振面的旋转角度来测量折射率的变化。然后,从折射率的变化中检测电场。可以使用各种电光晶体。
检测装置可用于基于电场的检测检测电荷、检测导体或电介质、检测物体的位置变化或者进行其他处理的各种设备、装置、系统、显微镜等。
根据第二发明,一种检测装置,其特征在于:
产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷(m是大于或等于4的偶数),其电荷总量基本为0,并且检测该直线上的电场。
根据第三发明,一种检测方法,其特征在于
产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷(m是大于或等于4的偶数),其电荷总量基本为0,并且检测该直线上的电场。
根据第四发明,一种检测装置,检测待检测目标或者该待检测目标的状 态变化,其特征在于包括:
多个电场施加部件,用于将电场施加到该待检测目标;
电场检测部件,用于检测与该待检测目标相邻的检测区域的电场;和
处理部件,用于检测由该电场检测部件检测的检测区域的电场变化,并且检测该待检测目标或该待检测目标的状态变化,其中
当该待检测目标不邻近所述检测区域或者处于预定状态时,多个电场施加部件以下列方式施加电场:从多个电场施加部件施加的电场彼此变小,并且与该检测区域和该电场检测部件相邻的电场几乎达到0。
这里,在示例性情况下,电场施加部件的数量是m(m是大于或等于4的偶数)。检测区域是指电场检测部件检测电场的区域。
根据第五发明,一种静脉感测装置,其特征在于使用检测装置,所述检测装置包括:
m个电极,用于产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷(m是大于或等于4的偶数),其电荷总量基本为0;和
至少一个电场检测元件,用于检测直线上的电场。
根据第六发明,一种扫描探针显微镜,其特征在于使用检测装置,所述检测装置包括:
m个电极,用于产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷(m是大于或等于4的偶数),其电荷总量基本为0;和
至少一个电场检测元件,用于检测直线上的电场。
在这种情况下,扫描探针显微镜(SPM)包括原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)等等。
根据第七发明,一种变形检测装置,其特征在于使用检测装置,所述检测装置包括:
m个电极,用于产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷(m是大于或等于4的偶数),其电荷总量基本为0;和
至少一个电场检测元件,用于检测直线上的电场。
根据第八发明,一种金属检测装置,其特征在于使用检测装置,所述检测装置包括:
m个电极,用于产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷(m是大于或等于4的偶数),其电荷总量基本为0;和
至少一个电场检测元件,用于检测直线上的电场。
根据第二到第八发明,针对第一发明已经描述的内容在第二到第八发明违反其特性的时候仍类似地正确。
根据具有上面配置的发明,在作为m个电荷的旋转轴的直线上和在相邻独特区域中电场E0等于0[V/m]或近似等于0[V/m]。因此,当m个电荷的旋转对称得以保持时维持了电场。当m个电荷的旋转对称出于某种原因破坏时,独特区域的电场以不满足E0=0[V/m]或E0≈0[V/m]的方式变化。而且,电场检测元件及其电线被提供在作为旋转轴的直线上。因此,该电线不会影响m个电荷的旋转对称。也就是,m个电荷的旋转对称得以保持。因此,电线不会影响检测能力。而且,甚至当脂肪组织存在于外层皮肤和血管之间时,检测装置和方法也能够获得相当高的灵敏度。因此,能够高灵敏度和高精度地检测血管。
根据本发明,能够实现基于新原理且能够高灵敏度和高精度地检测血管和其他各种目标的检测装置。也能够实现使用上面的检测装置的高性能静脉感测装置、扫描探针显微镜、变形检测装置和金属检测装置。
附图说明
图1是示出根据本发明的四极的示意图。
图2A到图2C是示出根据本发明的由四极产生的电场和电势分布的示意图。
图3A到图3C是示出根据本发明的由四极产生的电场的放大部分和电势分布的放大部分的示意图。
图4A是示出根据本发明的六极的示意图,以及图4B是示出根据本发明的八极的示意图。
图5是示出根据本发明的穿过四极、六级和八极的独特区域的线条上的电场分布的示意图。
图6A到图6C是分别图示根据本发明的四极、六级和八极的电荷之间的距离的影响的示意图。
图7是示出图6A、6B和6C中所示的x轴上的电场分布的示意图。
图8A和8B是示出根据本发明的三维八极的示意图。
图9A到图9C是图示根据本发明的三维八极产生的电场和电势分布的示 意图。
图10A到图10C是示出根据本发明的由三维八极产生的电场的放大部分和电势分布的放大部分的示意图。
图11是示出被布置在截顶八面体的每个顶点处的电荷的排列的示意图。
图12A和图12B是示出根据本发明第一实施例的检测装置的透视图以及示出该检测装置的侧视图。
图13是图示根据本发明第一实施例的检测装置的操作的侧视图。
图14A和图14B是图示根据本发明第一实施例的检测装置的操作的二维视图。
图15是示出根据本发明第一实施例的在检测装置上进行的电磁仿真的设计(formulated)模型的示意图。
图16是示出根据本发明第一实施例的在检测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图17A到图17D是示出与图16中所示的每个结果对应的待检测目标的水平位置的变化的示意图。
图18是示出根据本发明第一实施例的在检测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图19是示出根据本发明第一实施例的在检测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图20A到图20C是示出与图19中所示的每个结果对应的待检测目标的尺寸的变化的示意图。
图21是示出根据本发明第一实施例的在检测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图22是示出根据本发明第一实施例的在检测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图23是示出根据本发明第一实施例的在检测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图24A和图24B是示出根据本发明第一实施例的当检测装置的电极偏离时的电场分布的变化的示意图。
图25A和图25B是示出图24A和图24B中所示的x轴上的电场分布的示意图。
图26A和图26B是示出根据本发明第一实施例的当检测装置的电极的电荷变化时的电场分布的变化的示意图。
图27A和图27B是示出图26A和图26B中所示的x轴上的电场分布的示意图。
图28A和图28B是示出根据本发明第一实施例的检测装置中使用的检测系统的示意图。
图29A和图29B是示出根据本发明第二实施例的检测装置中使用的检测系统的示意图。
图30是示出根据本发明第二实施例的检测装置中使用的检测系统的示意图。
图31是示出根据本发明第三实施例的用于在静脉感测装置上进行的电磁仿真的设计模型的示意图。
图32是示出根据本发明第三实施例的在静脉感测装置上进行的电磁仿真中使用的电极的结构和数值幻图的示意图。
图33是示出根据本发明第三实施例的在静脉感测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图34是示出根据本发明第三实施例的在静脉感测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图35是示出根据本发明第三实施例的在静脉感测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图36是示出根据本发明第三实施例的在静脉感测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图37是示出根据本发明第三实施例的在静脉感测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图38是示出根据本发明第四实施例的静脉感测装置的示意图。
图39是示出根据本发明第四实施例的在静脉感测装置中使用的矩阵阵列电极的一部分的二维视图。
图40是示出根据本发明第四实施例的在静脉感测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图41是示出根据本发明第四实施例的在静脉感测装置上进行的电磁仿真的结果的示意图。
图42A和图42B是示出根据本发明第四实施例的在静脉感测装置中使用的矩阵阵列电极的一部分的二维视图。
图43是根据本发明第五实施例的扫描探针显微镜。
图44是示出根据本发明第六实施例的变形检测装置的示意图。
图45是示出根据本发明第七实施例的金属检测装置的示意图。
图46是图示根据本发明第七实施例的金属检测装置中使用的检测系统的示意图。
图47是示出根据本发明第八实施例的扫描探针显微镜的示意图。
图48是示出根据本发明第八实施例的用作扫描探针显微镜中的探针的检测装置的示意图。
图49是图示专利文献2中公开的技术的示意图。
具体实施方式
下面参考附图来描述本发明的实施例。
首先要描述的是本发明的检测装置中用来产生m个电荷的电极的特定配置示例以及由该m个电荷产生的独特区域的特定示例。
(1)四极
为了得到四极,在正方形的顶点处放置四个电极。将相同电压施加到正方形对角线上的电极。将其极性相对于该电压反转的电压施加到另一对角线上的电极。所施加的电压是直流或交流电压。
当施加直流电压时,一条对角线上的电极被充电+Q[C],另一条对角线上的电极被充电-Q[C]。
当施加交流电流时,例如,将正弦电压施加到一条对角线上的电极。将其相位与上面正弦电压移位180度的正弦电压施加到另一条对角线上的电极。
根据本发明,将直流电压施加到电极在原理上即是将交流电压施加到电极。因此,下面要描述的是一种通过将直流电压施加到电极来改变静态电荷的模型。
当所有四个电极的电荷绝对值彼此相等时,刚好在四个电极的中心处出现独特区域。图1A和图1B示出了这时的电荷分布。在这种情况下,四个点电荷+Q、-Q、+Q和-Q布置在xy平面上。在图1A中,虚线表示的z轴代表 其电场为0[V/m]的独特区域。在图1B中,虚线表示的x轴、y轴和z轴代表其电势为0[V]的区域。
图2A和图2B是针对图1A和图1B中所示的电荷分布、由于四个点电荷生成的叠加单场计算并映射xy平面内的电场之后绘制的图。图2A示出了对数标度的电场E[V/m]。图2B示出了线性标度的电场E[V/m]。图3A和图3B是图2A和图2B的中央部分的放大图。图2C示出了与图2A和图2B所示的电场分布对应的电势分布。图3C是图2C的中央部分的放大图。然而,Q=1[C];点电荷之间的距离是0.01m。
从图2B和图3B中清楚得到,在四个电极的中心处出现独特区域(其中x=0和y=0)。在图2C中,黑粗线代表电势为0[V]的区域。
(2)平面2n极
通过在一个平面上普及上面四极形成平面2n极。该平面2n极是以下一种结构:其中电荷被布置在与具有相等边和2n个角的形状(正方形、等边六角形、等边八角形等)的顶点对应的位置处,因此相邻电极具有相反的极性。在这种情况下,具有相等边和2n个角的形状的中央部分形成一个独特区域。
图4A示出了使用六极(n=3)的情况。图4B示出了使用八极(n=4)的情况。
估计四极、六极和八极的中央部分处的独特区域的锐度(sharpness)。图5示出了它们的结果。从图5中显而易见,针对平面2n极,四极具有最尖锐的独特区域,并且能够灵敏地检测对称性的破坏。
从图5中清楚的是,针对平面2n极,独特区域内部和外部的电场随着n增加而更平缓地改变。理由如下。
如图6A、图6B和图6C中所示,关注多边形(正方形、等边六角形和等边八角形)的相邻两个顶点上的电荷(+Q、-Q)。如果多边形的中央保持不变,即,从独特区域到每个顶点的距离保持不变,则相邻电荷之间的距离1(=多边形一条边的长度)随着n增加而变小。在图6A、6B和图6C的情况下,14>16>18。
随着1相对于从多边形的每个顶点到独特区域的距离r变得更小,由两个电荷形成的电场相互抵消,从而导致独特区域的电场强度更小。也就是,随着1增加,独特区域的电场强度变得更大。具体地,当电荷位于正方形的顶点上时,独特区域的电场强度变为最大。图7是示出图6A、图6B和图6C 中所示的x轴上的电场强度的曲线。从图7中显而易见,与由任何其他平面2n极的两个电荷形成的电场强度相比,由四极的两个电荷形成的电场强度最大。
(3)三维八极
为了获得三维八极,在立方体的顶点放置八个电极。
当八个电极的所有电荷的绝对值彼此相等时,独特区域刚好出现在八个电极的中央,即立方体的中央。图8A和图8B示出了这时的电荷分布。在图8A中,由虚线表示的x轴、y轴和z轴代表电场为0[V/m]的独特区域。在图8B中,由虚线表示的三个平面(xy平面、yz平面和zx平面)代表电势为0[V]的区域。
图9A和图9B示出了通过计算图8A和图8B中所示的电荷分布的立方体下面上的电场以及映射而生成的图形。图9A示出了对数标度的电场E[V/m]。图9B示出了线性标度的电场E[V/m]。图10A和图10B是图9A和图9B的中央部分的放大视图。图9C示出了与图9A和图9B中所示的电场分布对应的电势分布。图10C是图9C的中央部分的放大视图。但是,Q=1[C]并且点电荷之间的该距离是0.01m。
从图9B和图10B清楚得出,独特区域出现在八个电极的中央处(其中x=0,y=0和z=0)。图9C中的黑粗线表示电势为0[V]的区域。
(4)其他多极结构的示例
如果正多面体或准正多面体的所有面是具有2n个角的形状,则可以通过以反转相邻极性的这种方式将电荷施加到每个面的顶点来形成多极。在这种情况下,出现旋转对称外形,以每个面的中心法线用作轴。也就是,形成多极使得每个面的中心法线用作独特区域。仅通过正多面体中的立方体能够形成上面的配置。上面的配置对应于上面的八极。
仅通过准正多面体中的截顶正八面体、缺顶立方八面体等,能够形成上面的配置。图11示出了通过以相邻极性被反转的方式将电荷施加到截顶八面体的每个面的顶点形成多极的情况。
基于上述假设,将描述本发明的实施例。
图12A和图12B示出了根据本发明第一实施例的检测装置。图12A是透视图。图12B是侧视图。
如图12A和图12B所示,在检测装置中,四个电极11到14放置在正方 形的顶点上。电极11到14形成四极。电极11到14通过信号源15到18连接到导电板19。导体板19接地并且提供电势基准。通过信号源15和18将相同正弦波电压施加到电极11和14。由信号源16和17施加到电极12和13的是其相位与施加到电极11和14的正弦波电压的相位移位180度的正弦波电压。这时,独特区域出现在穿过四个电极11到14的中央的垂直线上。检测电极20被提供在独特区域中用以检测电场。当不存在待检测目标时,由于电极11到14的电荷的对称性,在检测电极20检测的电场或者独特区域的电场中E=0[V/m]或者E≈0[V/m]。
假设,待检测目标21位于电极11和12下方,如图13所示。在这种情况下,从电极13和14散发的电场的强度较大。同时,从电极11和12散发的电场的强度较小。归因于上述差,检测电极20检测到的电场以不满足E=0[V/m]或者E≈0[V/m]的方式变化。如果检测电极20检测到的电场不满足E=0[V/m]或者E≈0[V/m],则能够检测到待检测目标21更接近电极11到14。
在这种情况下,在检测待检测目标21时,使用待检测目标21和周围空间之间的电特性(介电常数和导电率)的差。具体地,例如,待检测目标21在空气中是导体,在空气中是电介质(易于检测其介电常数大于空气的介电常数的电介质),在脂肪中是血液(血液的电导性大于脂肪的电导性),等等。
如果待检测目标21是棒形或线形(例如,待检测目标21是静脉),则最好是不仅考虑电场强度,还考虑待检测的电场矢量。下面解释这样的情况。
如果棒形或线形待检测目标21位于四个电极11到14中的两个以下,则出现的电场分量处于与待检测目标21的方向相同的方向(纵向)。例如,如图14A所示,如果棒形待检测目标21如图14A所示位于电极13和14以下,则y方向的电场分量Ey占优势。如果棒形待检测目标21如图14B所示位于电极12和14以下,则x方向的电场分量Ex占优势。因此在这种情况下最好是提供能够检测x方向的电场分量Ex和y方向的电场分量Ey两者的检测电极20。因此,由于电场分量Ex和Ey以及电场分量Ex和Ey的大小,能够检测待检测目标21的方向。
在检测装置中,电极11到14的排列、电极11到14的形状以及电极11到14至待检测目标21的距离与检测量(电场强度)相关。因此,下面描述针对上述基于电磁仿真的公式化模型的结果。
仿真的条件如下。
图15示出了公式化模型。导电板的尺寸是0.04m×0.04m。电极之间的距离是0.04m。待检测目标的长度是0.08m。导电棒的截面尺寸是0.048m×0.048m。
仿真软件:信息数学科学实验室公司的EEM-FDM
计算方法:有限频域差分法计算出的麦克斯韦公式
计算范围:x:-0.04到0.04m,y:-0.06到0.06m,z:-0.05到0.05m
网格尺寸:0.002m
频率:1MHz,幅值:1V
下面示出了公式各项
a.待检测目标的水平位置-独特区域的电场强度
b.待检测目标的深度-独特区域的电场强度
c.待检测目标的尺寸-独特区域的电场强度
d.电极之间的距离-检测深度
e.电极的长度-检测深度
f.电极尖端的尺寸-检测深度
将逐个对上面进行描述。
a.待检测目标的水平位置-独特区域的电场强度
图16示出了仿真的结果。从图16中清楚得出,检测到的电场强度取决于待检测目标的水平位置与电极的水平位置之间的关系。图17示出了检测装置的水平位置与待检测目标的水平位置之间的关系。从图16和图17中清楚得出,当待检测导电棒的边缘位于电极的中央(独特区域)时,即,当图16的水平轴的水平方向上的变化大约为28mm时,检测到最大电场强度。
b.待检测目标的深度-中央点的电场强度
图18示出了仿真的结果。从图18中清楚得出,当待检测目标拖拉地更近时,即,检测深度变得更浅时,电场强度升高并且可易于检测。
c.待检测目标的尺寸-独特区域的电场强度
图19示出了仿真的结果。图20示出了当待检测目标的尺寸变化时的侧视图。从图19中清楚得出,即使待检测目标的尺寸变化,独特区域的电场强度仍保持几乎不变。对待检测目标的尺寸存在弱小影响。
d.电极之间的距离-检测深度
图21示出了仿真的结果。从图21中清楚得出,随着电极之间的距离变 大,趋向于更易于检测位于深处的待检测目标。
e.电极的长度-检测深度
图22示出了仿真的结果。从图22中清楚得出,如果电极的长度大约20mm或更大,则检测待检测目标的性能保持几乎不变。
f.电极尖端的尺寸-检测深度
图23示出了仿真的结果。从图23中清楚得出,更大面积的电极尖端板更易于检测。
上面内容概括如下:独特区域的电场强度取决于待检测目标的水平位置和深度。水平位置的变化灵敏度非常高。对于位于深处的待检测目标来说,检测量变得更小。当电极是板时,随着板的面积变大,能够检测位于深处的待检测目标。
下面描述检测装置检测什么。
首先要描述的是检测装置检测电极11到14的位置变化的情况。
假设,电荷随着一些电极11到14的位置变化而移动。下面关注电极11和12在图12A和图12B中向左移动大约0.001[m]的情况。图24A示出了在电极11和12的位置改变之前四极的电场强度的映射结果。图24B示出了在电极11和12的位置改变大约0.001[m]之后四极的电场强度的映射结果。图25A是示出图24A的线y=0上的电场强度的图形。图25B是示出图24B的线y=0上的电场强度的图形。水平轴表示x方向位置。
从图24A和图24B以及图25A和图25B中清楚得出,电场强度为0处的位置处的电场是:
在电极11和12的位置不变的情况下,E=0[V/m],其中x=0[m];或者
在电极11和12的位置变化到左边的情况下,E=36.1[V/m],其中x=0[m]。
在这种情况下,电场强度等于0处的独特区域的部分向左边移动0.001/2=0.0005[m](x的负方向)。然而,由于独特区域周围的电场的变化较陡,因此电场的检测量较大。通常,当两个电极仅在与x轴平行的方向上移动时,独特区域移动a/2。从图25A和图25B的曲线中清楚得出,独特区域中的电场变化较大。
下面描述检测装置检测电极11到14的电荷量的变化的情况。
假设,电极11和12的电荷+1[C]和-1[C]加倍为+2[C]和-2[C]。图26A示出了在电极11和12的电荷量改变之前四极的电场强度的映射结果。图26B 示出了在电极11和12的电荷量加倍之后四极的电场强度的映射结果。而且,图27A是示出图26A的线y=0上的电场强度的图形。图27B是示出图26B的线y=0上的电场强度的图形。水平轴表示x方向位置。
下面描述检测装置检测靠近电极11到14的其他电荷的情况。
在这种情况下,四极的电场强度和接近电极11到14的电荷的电场强度彼此重叠。在作为重叠的结果电场变为0处的位置处进行检测。
下面描述施加到电极11到14的电压的频率。
在检测装置中,通过电极11到14的电荷静电学地检测独特区域。电极11到14可被静电电荷(在直流电的情况)充电。具有频率d<<λ/2π的正弦波电压被施加到电极11到14:正弦波电压的波长入比待检测目标21或检测部分足够长,即,电极11和12之间的距离或者电极13和14之间的距离,或者换句话说,双极的长度d。
下面描述检测电极20的电场检测方法的特殊示例。图28A示出了检测电极20的示例。在此处的示例中,如图28A所示,检测电极20由包括一对电极20a和20b的无穷小偶极子组成。该无穷小偶极子被放置在与电极11到14基本相同的高度。组成该无穷小偶极子的电极20a和20b连接到差分放大器31的输入端。在这种情况下,电极20a和20b之间的电势差被检测;然后检测到的电势差被转换为电场。因此,能够计算位于电极11到14的中央处的电场。电极20a和20b之间的电势差由差分放大器31从高输入阻抗转换为低阻抗。然后,通过同轴电缆32和放大器33将信号发送到处理装置34。在这种情况下,检测部件被检测部件防护罩35遮蔽。
在图14A和图14B的情况中,为了检测两个电场矢量分量Ex和Ey,检测电极20例如由包括在x轴方向上排列的一对电极20a和20b的无穷小偶极子以及包括在y轴方向上排列的一对电极20c和20d的无穷小偶极子形成,如图28B的二维图形所示。组成x轴方向无穷小偶极子的电极20a和20b连接到差分放大器31的输入端。类似地,组成y轴方向无穷小偶极子的电极20c和20d连接到差分放大器36的输入端。在这种情况下,检测到电极20a和20b之间的电势差;检测到的电势差被转换为电场。因此,能够计算电场矢量分量Ex。类似地,检测到电极20c和20d之间的电势差;检测到的电势差被转换为电场。因此,能够计算电场矢量分量Ey。
如上所述,根据第一实施例的检测装置,为了检测电场,检测电极20被 提供在由出现在电极11到14处的电荷造成的四极的独特区域中。因此,能够高灵敏度和高精度地检测待检测目标21。检测装置可用于像检测电极11到14的位置变化、检测电极11到14的电荷量变化或者检测靠近电极11到14的其他电荷的这种检测处理中。
下面描述根据本发明第二实施例的检测装置。
在检测装置中,取代于第一实施例的检测装置的检测电极20,使用电光晶体的检测元件检测电场矢量分量Ex和Ey。图29A示出了其一个示例。如图29A所示,光纤37和38穿过与z轴方向平行的导电板19上的孔。光纤37和38被分别用来检测电场矢量分量Ex和Ey。偏振维持光纤(polarizationmaintaining fibers)用于光纤37和38。电光晶体管39和反射镜40附着到光纤47的一端。光学组件41附着到光纤38的一端以便使光偏转90度。光学组件41可以是反射镜或棱镜。光纤42附着到与x轴方向平行的光学组件41的尖端。电光晶体43和反射镜44附着到光纤42的尖端。偏振维持光纤用于光纤42。在这种情况下,为了检测位于相同位置的电场矢量分量Ex和Ey,电光晶体39和43被提供在xy平面上的相同位置处,以便在z轴方向上彼此靠近。铌酸锂(LiNbO3)例如用于电光晶体39和43。然而,电光晶体管39和43不限于上述内容。电光晶体39和43的晶体取向被确定为使得能够仅由于电场矢量分量Ex而发生电光晶体39的折射率的变化以及仅由于电场矢量分量Ey而发生电光晶体43的折射率的变化。电光晶体39和43被形成为足够小于电极11到14。在一个特殊示例中,电光晶体39和43的尺寸是270μm×270μm×10μm,这是正方形板。电光晶体39和43也可以是直径为125μm和厚度为5μm的圆盘。
光纤37和38的另一端连接到光学检测系统。图30示出了该光学检测系统的一个示例。此处要描述的是与光纤37的另一端连接的光学检测系统。这也适用于与光纤38的另一端连接的光学检测系统。如图30所示,光纤37的另一端通过聚光镜45、分束器46、聚光镜47和光纤48连接到激光源49。偏振维持光纤用于光纤48。在从分束器46发射的一条射线的光学路径上,提供半波片50、四分之一波片51和偏振分束器52。从偏振分束器52发射的两条射线在被聚光镜53和54聚光之后被光电二极管55和56检测。来自光电二极管55和56的电信号被输入到差分放大器57。来自差分放大器57的输出被输入到锁定放大器58。
下面描述一种通过使用电光晶体的检测元件来检测电场矢量分量Ex和Ey的方法。
如图30所示,来自激光源49的具有恒定偏振面的激光束59在进入反射镜40之前,穿过光纤48、聚光镜47、分束器46、聚光镜45、光纤37和电光晶体39。在被反射镜40反射之后,激光束59再次穿过电光晶体39。图29B示出了激光束59如何进入反射镜40并被反射。当激光束59穿过电光晶体39时,电光晶体39的折射率由于电光晶体39所在的电场矢量分量Ex而变化。根据由折射率变化多少所确定的角度,激光束59的偏振面旋转。在穿过电光晶体39之后,激光束59在进入分束器46之前穿过光纤37和聚光镜45。在进入偏振分束器52之前,从分束器46发出的一条射线穿过半波片50和四分之一波片51。在进入两条射线被转换为电信号的光电二极管55和56之前,两条射线或者被偏振分束器52分离从而彼此垂直交叉的偏振分量被聚光镜53和54聚光。从光电二极管55和56输出的电信号被输入到差分放大器57。在差分放大器57中,光电二极管55和56的入射波束量的差被检测为从光电二极管55和56输出的电信号的差。基于由此获得的电信号,可以计算电场矢量分量Ex。类似地,可以计算电场矢量分量Ey。
如果光纤37、38、42和48的介电常数不同于周边区域(例如空气)的介电常数,则存在的担心是,光纤37、38、42和48的存在可能对检测位置处的电场有影响。然而,光纤37、38、42和48的折射率大约为1.1到1.5。因此,相对介电常数εr近似等于1.2到2.5,这接近于空气的介电常数(相对介电常数为1)。因此,光纤37、38、42和48对电场的影响小于电线对电场(这是电检测方法存在的问题)的影响。
除了以上内容,第二实施例与第一实施例相同。
根据第二实施例,能够得到与第一实施例相同的效果。
下面描述根据本发明第三实施例的静脉感测装置。
静脉感测装置使用图12中所示的第一实施例的四极型的检测装置。静脉感测装置检测埋藏在皮肤下面的静脉的图案。
由于待检测目标21是棒形静脉,因此最好是,不仅考虑电场强度,还要考虑待检测电场矢量。当静脉平放在x轴方向上时,x方向电场矢量分量Ex不为0[V/m]。当静脉平放在y轴方向上时,y方向电场矢量分量Ey不为0[V/m]。也就是,归因于电场矢量的方向,能够检测静脉的方向。为了检测电 场,例如,可以使用图28B中所示的检测电极20。
下面利用电磁仿真论证:对于由数值幻图组成的皮肤模型能够使用四极电极检测静脉。
图31示出了设计模型。导电板的尺寸是0.002m×0.002m。电极之间的距离是0.002m。待检测目标的长度是0.008m。静脉的横截面尺寸是0.002m×0.002m。
相同正弦波电压被施加到正方形的一条对角线上的两个电极。其相位与上面正弦波电压移位180度的正弦波电压被施加到另一条对角线上的两个电极。
选择频率,从而对于活体的电特性来说,血液的电导率高于其他组织的电导率。根据仿真,以1MHz的频率进行计算。
仿真的条件如下。
仿真软件:信息数学科学实验室公司的EEM-FDM
计算方法:有限频域差分法计算出的麦克斯韦公式
计算范围:x:-4mm到4mm,y:-3mm到3mm,z:-5mm到5mm
网格尺寸:0.0002m
频率:1MHz,幅值:1V
活体幻图:图32中示出的活体幻图,代表人的外层皮肤。在活体组织的外层周围,存在分层结构,从顶部到底部包括:外层皮肤、真皮、脂肪和肌肉。在如手或手腕背部这样的部分中,皮肤血管贯穿在真皮层下面的脂肪层。对于活体组织的电特性,使用Gabriel的表1中示出的值(参考非专利文献1到3)。
(表1)
导电率[S/m] | 相对介电常数 | |
外层皮肤 | 0.01 | 990 |
真皮 | 0.2 | 1832 |
脂肪 | 0.04 | 50 |
血液 | 0.8 | 3026 |
肌肉 | 0.5 | 1836 |
公式各项如下:
a.血管的水平位置-独特区域的电场强度
b.血管深度-独特区域的电场强度
c.血管尺寸-独特区域的电场强度
d.电极之间的距离-检测深度
e.电极的长度-检测深度
f.电极尖端的尺寸-检测深度
将逐个对上面进行描述。
a.血管的水平位置-独特区域的电场强度
图33示出了仿真的结果。从图33中清楚得出,检测到的电场强度取决于待检测目标的水平位置与电极的水平位置之间的关系。当血管的边缘位于电极的中央时,检测到最大电场强度。
b.血管深度-独特区域的电场强度
图34示出了仿真的结果。从图34中清楚得出,当血管变得更接近外层皮肤时,电场强度升高并且可能易于检测。
c.血管尺寸-独特区域的电场强度
图35示出了仿真的结果。从图35中清楚得出,对血管的尺寸有弱小影响。由于血管与脂肪边界之间的电特性差被检测到,因此认为是,即使血管变得相对厚,也不影响检测性能。
d.电极之间的距离-检测深度
图36示出了仿真的结果。从图36中清楚得出,随着电极之间的距离变大,趋向于更易于检测位于深处的目标。
e.电极的长度-检测深度
图37示出了仿真的结果。从图37中清楚得出,随着电极变短,趋向于更易于检测位于深处的目标。
下面是上面的概括。活体内部的外层皮肤周围的血管(血液)的深度取决于血管的水平位置和深度。在水平方向上,对位置变化的灵敏度非常高;检测量对于位于深处的目标更小。人们发现使用增加电极尖端部分的板面面积的方法或者缩小电极之间的距离的方法能够明显地提高检测量。
根据第三实施例的静脉感测装置,能够从外层皮肤上高灵敏度和精确地非侵入式地检测活体内部的静脉。能够精确地检测静脉的图案。例如,静脉感测装置可应用于以下情况:为了静脉个人验证,将静脉感测装置安放在手臂静脉上以检测静脉的图案。
作为一种从外层皮肤上面检测活体内部的静脉图案的传统方法,存在一种阻抗测量方法。然而,利用阻抗测量方法存在的问题如下:根据如何将电极安放在皮肤上引起阻抗变化和不稳定;影响阻抗测量方法的汗液;静脉和静脉以外的任何部分之间的不明显差异;随着电极相接触安放在皮肤上的两种电极(金属)引起的电动势,这在阻抗测量处理期间引起噪声。另一方面,第三实施例的静脉感测装置不具有上述问题。表2示出了本方法的检测方法与阻抗测量方法的检测方法的比较。
(表2)
下面描述根据本发明第四实施例的静脉感测装置。
如图38所示,在静脉感测装置中,使用矩阵阵列电极,其中在xy平面内以矩阵阵列形式排列许多电极61。该矩阵阵列电极等效于以二维阵列形式排列的矩阵阵列电极,其中许多基本单元之一是在第一实施例的检测装置中使用的四极型电极。图39是矩阵阵列电极的一部分的放大视图。在图39中,由虚线表示的正方形的顶点上的四个电极61等效于第一实施例的检测装置的电极11到14并且用作一个基本单元。独特区域(电场检测位置)位于一 个基本单元的中央处。
使用图38和图39所示的矩阵阵列电极以及与第三实施例相同数值的幻图,进行电场仿真。
仿真条件如下:
仿真软件:信息数学科学实验室公司的EEM-FDM
计算方法:有限频域差分法计算出的麦克斯韦公式
计算范围:x:-0.003到0.031m,y:-0.003到0.031m,z:-0.05到0.05m
网格尺寸:0.002m
频率:1MHz,幅值:1V
活体幻图:图32中显示的活体幻图表示人的外层皮肤。
表1中示出了电特性。
所布置的电极61的数目共计14×14=196。
图40示出了在形成一个基本单元的四个电极61的中心处的13×13检测位置的中央部分处的9×9检测位置的电场强度。图41示出了图40所示的y=0.014的横截面。与静脉边缘对应的部分的电场强度大约为5.3[V/m]。剩余独特区域的电场强度小于或等于0.08[V/m]。归因于电场强度差异,能够检测静脉的位置。
矩阵阵列电极的使用有助于提高以及改进水平分辨率和深度方向检测性能二者。下面将描述其原因。
如上所述,对于四极型电极的检测性能,当电极的面积增加时,能够检测更深的静脉。然而,当电极的面积增加时,平面分辨率降低。因此,矩阵阵列电极中的多个电极被认为是施加了相同电信号(电压)的组。以这种方式,所述电极显然被认为是一个大电极。在这种情况下,作为一个基本单位的原子单位以及一组该基本单位配置上相同。因此,所述配置称作不规则碎片形结构(fractal structure)。图42A示出了矩阵阵列电极的一部分。在图42A的情况下,相同的电信号被施加到由虚线圈出的四个电极61。因此,电极61被处理为其面积看起来尺寸较大的一个电极。在这种情况下,其面积看起来尺寸较大的四个电极被用来形成四极。因此,能够检测位于更深的待检测目标(静脉)。图42B示出了其中大电极由与图42A的电极不同的电极61组成的示例。
当使用具有不规则结构的矩阵阵列电极进行检测时,例如以下列方式执 行扫描。
矩阵阵列电极的扫描执行几次。在第一扫描处理中,图42A中由虚线圈出的四个电极61被用来检测。在第二扫描处理中,图42B中由虚线圈出的四个电极61被用来检测。在这种情况下,电极的配置如下:与图42A中的相比,电极在x方向上移动。在第三扫描处理中,下列配置的电极被用来检测:电极从电极所处的如图42A所示的地方在y方向上移动。在第四扫描处理中,下列配置的电极被用来检测:电极从电极所处的如图42B所示的地方在y方向上移动。
如上所述,根据第四实施例的静脉感测装置,通过矩阵阵列电极的电切换来形成大电极。平面方向分辨率被设计成取决于一个基本单元的电极61之间的距离。能够以上面的分辨率进行扫描。因此,在静脉感测装置中,能够获得匹配物理上的大电极的深度方向检测性能。由于能够基于每个基本单元电极进行扫描,因此能够获得高的水平分辨率,这不是通过简单大电极就能够获得的。
顺便提及,在图42A和图42B中所示的示例中,2×2个电极61被组合为一个大电极。然而,通常,可以将n×n个电极组合为一个大电极。因此,也能够不仅在平面方向上扫描,还能够在深度方向上扫描。从而,三维扫描是可能的。
下面描述根据本发明第五实施例的扫描探针显微镜。
如图43所示,在扫描探针显微镜中,四个电极11到14以类似传统扫描探针显微镜的探针的锐端形状形成。每个由电极11到14组成的许多基本单元以二维阵列的形式排列以形成矩阵阵列电极。极性和相位相同的正弦波电压被施加到电极11和14两端。其相位与上述正弦波电压移位180度的正弦波电压被施加到电极12和13两端。在电极11到14的中央处的独特区域中提供检测电极20。
将描述扫描探针显微镜的操作。如图43所示,样本71放置在平台(未示出)上。将电极11到14(许多电极以二维阵列形式排列)的锐端靠近样本71的表面。该平台保持固定,并且执行由二维阵列电极11到14组成的矩阵阵列电极的电扫描。这时,电极11到14的中央处的独特区域的电场随着样本71的不平坦表面而变化。因此,能够通过检测该变化来测量样本71的表面的不平坦。
根据第五实施例,能够实现基于新原理的扫描探针显微镜。不同于传统的原子力显微镜,在扫描探针显微镜中不需要用于在水平方向上移动样本的结构。不必使用机械地操作的悬臂。由于扫描探针显微镜以非接触式方式工作,因此不会损害样本且对样本没有其他影响。能够精确地高速扫描样本的不平坦表面。
下面描述根据本发明第六实施例的变形检测装置。
该变形检测装置通过独特区域的电场强度变化检测多极电极的位置的改变来检测诸如建筑物之类的结构以及陆地的变形。
图44示出了一个示例。如图44所示,四极型电极或电极11到14例如放置于建筑物81顶面的四个角上。例如,如果建筑物81是一个房间,则四极型电极可以放置在屋顶的四个角上。在电极11到14中央处的独特区域中提供检测电极20。
在变形检测装置中,如果建筑物81未变形,则独特区域的电场是0[V/m]。然而,如果电极11到14的位置随着建筑物81的变形而改变,则检测电极20所检测到的电场不满足0[V/m]。因此,由于电场的变化而能够预测建筑物81的变形。
根据第六实施例,能够实现基于新原理的变形检测装置。
下面描述根据本发明第七实施例的金属检测装置。
如图45所示,在金属检测装置中,支撑棒91附着到与第一实施例中相同的四极型检测装置的导电板19的表面。手柄92附着到支撑棒91的一端。
当其导电率不同的物体或者其介电常数不同的物体靠近检测电极20时,金属检测装置检测该物体。具体地,待检测物体21例如是地球表面周围的被埋藏金属物体、电特性不同于地面的物体、嵌入在墙壁中的金属物体等等。
将描述金属检测装置的操作。
操作员用手来握住手柄92并且在水平方向上沿着地表面移动金属检测装置。这时,在均匀物体之上,在电极11到14上出现的电荷、即四极引起的电场,相对于电极11到14平衡。电场强度在电极11到14中央处是0[V/m]。如果金属物体或其电特性不同的物体远离电极11到14的中央而存在,则会失去由电极11到14的电荷引起的电场的平衡。位于中央处的检测电极20检测除了为0[V/m]电场的电场。电场的变化使得能够检测金属。
检测电极20的电场检测可以利用图46中所示(如同如图28A和图28B 中所示)的相同检测系统来执行。在这种情况下,传送到处理装置34的信号被发送到显示装置93,在显示装置93处可以显示检测状态。
根据第七实施例,能够实现基于新原理的金属检测装置。
下面描述根据本发明第八实施例的扫描探针显微镜。
如图47所示,在扫描探针显微镜中,用作探针的第一实施例的检测装置靠近平台101上放置的样本71的表面。然后,平台101在水平平面内移动。在这种情况下,通过检测由样本71的表面不平坦引起的、在检测装置的四个电极11到14中央处的独特区域的电场的变化,能够检测样本71的表面的不平坦。通过处理装置102来执行检测装置的输出信号处理。平台101的移动由驱动电源103来完成。图48示出了用作探针的检测装置的一个配置示例。
根据扫描探针显微镜,由于检测装置不接触样本的表面,因此不会损坏样本。而且,由于扫描探针显微镜不使用像传统原子力显微镜那样机械地操作的悬臂,因此能够精确地高速扫描样本的不平坦表面。
根据第八实施例,能够实现基于新原理的扫描探针显微镜。
上面已经提供了本发明实施例的详细描述。然而,本发明不限于上面的实施例。基于本发明的技术理念可以进行各种修改。
例如,上面实施例中描述的数值、结构、布置、形状等等仅仅是示例。因此,必要时可以使用不同的数值、结构、布置、形状等等。 标记说明11-14,61电极;15-18信号源;19导电板;20检测电极20A-D电极;21待检测目标;31差分放大器;32同轴电缆;33放大器;34处理装置;37、38、42、48光纤;39、43电光晶体;40,44反射镜;71样本;81建筑物;93显示装置。
Claims (20)
1.一种检测装置,其特征在于包括:
m个电极,用于产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷,m是大于或等于4的偶数,其电荷总量基本为0;和
至少一个电场检测元件,用于检测直线上的电场。
2.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
所述m个电荷的相邻电荷的符号不同。
3.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
所述m个电荷的绝对值彼此相等。
4.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
电场检测元件及其电线被布置在所述直线上。
5.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
所述m个电荷形成多极。
6.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
所述m个电荷形成平面2n极,n是大于或等于2的整数。
7.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
所述m个电荷出现在正多面体或准正多面体的顶点处。
8.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
所述m个电极当中的至少一个电极的位置的变化被检测到。
9.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
在所述m个电极当中的至少一个电极上出现的电荷变化量被检测到。
10.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
所述m个电极以外的电荷或物体被检测到。
11.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
通过向所述m个电极施加交流电压而产生所述m个电荷。
12.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
当通过向所述m个电极施加正弦波交流电压而产生所述m个电荷时,d<<λ/2π,其中λ表示正弦波波长,d表示形成所述m个电荷的偶极的长度。
13.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
所述m个电荷是静态电荷。
14.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
所述m个电极是点电极或平面电极。
15.如权利要求1所述的检测装置,其特征在于
将所述m个电极作为一个基本单元,多个基本单元以一维或二维阵列排列。
16.一种检测方法,其特征在于
产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷,m是大于或等于4的偶数,其电荷总量基本为0,并且检测该直线上的电场。
17.一种静脉感测装置,其特征在于使用检测装置,所述检测装置包括:
m个电极,用于产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷,m是大于或等于4的偶数,其电荷总量基本为0;和
至少一个电场检测元件,用于检测直线上的电场。
18.一种扫描探针显微镜,其特征在于使用检测装置,所述检测装置包括:
m个电极,用于产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷,m是大于或等于4的偶数,其电荷总量基本为0;和
至少一个电场检测元件,用于检测直线上的电场。
19.一种变形检测装置,其特征在于使用检测装置,所述检测装置包括:
m个电极,用于产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷,m是大于或等于4的偶数,其电荷总量基本为0;和
至少一个电场检测元件,用于检测直线上的电场。
20.一种金属检测装置,其特征在于使用检测装置,所述检测装置包括:
m个电极,用于产生至少环绕一条直线的m个旋转对称的电荷,m是大于或等于4的偶数,其电荷总量基本为0;和
至少一个电场检测元件,用于检测直线上的电场。
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