CN103163145A - 太赫兹连续波系统及其获得三维图像的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明构思的一种太赫兹连续波系统可包括：太赫兹波发生器，用于生成太赫兹连续波；非破坏性检测器，用于通过向样本发射所生成的太赫兹连续波、并在按照预定间隔二维移动该样本的同时控制所发射的太赫兹连续波的焦点，来测量太赫兹连续波的改变；和三维图像处理器，用于通过使用与所测量的太赫兹连续波对应的二维图像来获得三维图像。

Description

太赫兹连续波系统及其获得三维图像的方法

相关申请的交叉引用

该美国非临时专利申请要求2011年12月8日提交的韩国专利申请第10－2011－0131127号和2012年9月6日提交的韩国专利申请第10－2012－0098935号在35U.S.C.§119下的优先权，由此通过引用全部其全部内容。

技术领域

这里的本发明构思涉及用于三维非破坏性分子（molecular）图像的太赫兹(terahertz)连续波系统及其获得三维图像的方法。

背景技术

太赫兹波段（100GHz-10THz）存在于光波和电波之间的边界处，并且是在技术级别延误开发的频带。为了展开太赫兹波段，已使用最新激光技术和最新半导体技术将太赫兹波段开发为新电磁波技术。太赫兹电磁波通过毫微微秒光脉冲使用超高速光电导天线（开关）按照脉冲波类型振荡，并且基于光学混频器使用光学外差（heterodyne）方法按照连续波类型振荡。太赫兹波段连续波系统作为太赫兹光谱学（spectroscopy）或图像测量系统已正被引起关注，因为与脉冲波太赫兹系统相比，其具有诸如频率选择性、成本、尺寸和测量时间的长处。

发明内容

本发明构思的实施例提供了一种太赫兹连续波系统。该太赫兹连续波系统可包括太赫兹波发生器，用于生成太赫兹连续波；非破坏性检测器，用于通过将生成的太赫兹连续波发射到样本、并在按照预定间隔沿着二维移动该样本的同时控制所发射的太赫兹连续波的焦点，来测量太赫兹连续波的改变；和三维图像处理器，用于使用与所测量的太赫兹连续波对应的二维图像来获得三维图像。

本发明构思的实施例还提供了一种太赫兹连续波系统的获得三维图像的方法。该方法可包括：生成太赫兹连续波；向样本发射所生成的太赫兹连续波；在按照预定间隔移动该样本的同时改变该太赫兹连续波的焦点；测量该太赫兹连续波的改变；获得与所测量的该太赫兹连续波的改变对应的二维图像；使用该二维图像来获得二维深度图像；和使用该二维深度图像来获得三维图像。

附图说明

下面将参考附图来更详细地描述本发明构思的优选实施例。然而，本发明构思的这些实施例可按照不同形式实施，并且不应被解释为限于这里阐明的实施例。相反，提供这些实施例，使得该公开将是彻底和完整的，并将向本领域技术人员全面传达本发明构思的范围。相同的附图标记始终表示相同的元件。

图1是图示了根据本发明构思的第一实施例的太赫兹连续波系统的图。

图2是图示了从图1中图示的数据处理单元获得三维图像的处理的流程图。

图3是用于解释图1中图示的使用孔径（aperture）或共焦针眼（pinhole）控制焦距的原理的图。

图4是图示了根据本发明构思的第二实施例的太赫兹连续波系统的图。

图5是用于解释图4中图示的镜头盒构成和控制焦距的原理的图。

图6是图示了根据本发明构思的第三实施例的太赫兹连续波系统的图。

图7是用于解释图6中图示的金属材料镜头盒构成和控制金属材料镜头盒的焦距的原理的图。

图8是图示了根据本发明构思的第四实施例的太赫兹连续波系统的图。

图9是图示了根据本发明构思的第五实施例的太赫兹连续波系统的图。

图10是图示了图8或9中图示的太赫兹布置检测器的图。

图11是根据本发明构思的一些实施例的输出电路的框图。

图12是图示了根据本发明构思的一些实施例的对数周期天线的图。

图13A和13B是图示了根据本发明构思的一些实施例的当使用金属材料镜头和光学镜头时的解析度的图。

图14是图示了根据本发明构思的一些实施例的特氟纶基板上的金属垫圈的样本和塑料垫圈的样本的图。

图15是图示了根据本发明构思的一些实施例的由穿过特氟纶基板的太赫兹波所测量的金属垫圈和塑料垫圈的二维深度图像的图。

图16是图示了图15中图示的金属垫圈和塑料垫圈的三维笛卡尔积分（integration）图像的图。

图17是图示了对于图15中图示的金属垫圈和塑料垫圈的三维可视图像执行图像处理的图像的图。

具体实施方式

下面将参考其中示出了本发明的实施例的附图，来更全面地描述本发明构思的实施例。然而，该发明构思可按照许多不同形式实施，并不应被解释为限于这里阐明的实施例。相反，提供这些实施例，使得该公开将是透彻和完整的，并且该公开将向本领域技术人员全面传达本发明构思的范围。在图中，为了清楚可夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。相同的附图标记始终表示相同的元件。

根据本发明构思的太赫兹连续波系统可通过使用光学外差系统的太赫兹连续波来获得非破坏性三维图像。在光学外差系统的太赫兹连续波中，如果具有相同强度和稍微不同频率的两个连续波激光束构成它们的波前的阵列、以进入在具有微微秒或更少的短寿命的诸如低温成长GaAs（LTG-GaAs）的光电导薄膜上形成的光学混频器，则通过天线来发射与差频和生成的电流对应的太赫兹波段的电流调制作为太赫兹波段电磁波。如果通过孔径控制三维图像的焦距，则可获得根据穿透的太赫兹连续波的焦点而形成的许多二维X线断层照相术（tomography）图像作为一个三维图像。取代孔径，共焦针眼和金属材料镜头的组合以及光学镜头的组合是可能的。

图1是图示了根据本发明构思的第一实施例的太赫兹连续波系统的图。参考图1，太赫兹连续波系统10包括太赫兹发生器100、非破坏性检测器200和三维图像处理器600。

太赫兹发生器100在光学外差系统中生成太赫兹连续波。太赫兹发生器100包括第一和第二色散反馈（DFB）激光器101和102、反馈控制系统103、2×4组合器和分离器104、半导体放大器105、激光器状态检查光学器件106、1×2组合器和分离器107以及电源111。

为了使得该系统的灵活性和安全性最大化，使用光纤来构成所有光学线路。分别按照853nm和855nm操作的两个色散反馈（DFB）激光器101和102在按照单一模式操作的同时进入由偏压维持光纤构成的2×4组合器和分离器104。使用2×4组合器和分离器104的两个输出端口，以通过反馈两个853nm、855nm激光器输出的1%来对激光器进行控制和稳定化。

反馈控制系统103可去除由于激光器的热或电磁波噪声引起的频率改变，并由此它可将激光器的操作频率控制为MHz级别。反馈控制系统103可通过控制激光器的电流值来使得激光器的输出保持一样。2×4组合器和分离器104的一个输出端口连接到按照850nm波段操作的半导体放大器105的输入，用于放大这两个（DFB）激光器101和102的输出。2×4组合器和分离器104的另一个输出端口连接到激光器状态检查光学器件106的输入，用于检查和测量这两个（DFB）激光器101和102的状态。850nm波段半导体放大器的输出进入1×2组合器和分离器107，并且该输出被划分为50:50，以用于操作太赫兹连续波传送和接收装置201和213。

非破坏性检测器200包括用于传送的光电导天线201、硅和金属材料镜头202和212、抛物柱面（parabolic）镜203、204、210和211、聚乙烯镜头205和208、样本206、二维传送台207、孔径或共焦针眼209和检测器阵列（其也被称为用于接收的光电导天线）213。

非破坏性检测器200向样本206发射所生成的太赫兹连续波，并接收所发射的太赫兹连续波。当这两个色散反馈（DFB）激光器101和102所生成的光载流子通过施加的电压111加速时，在用于传送的光电导太赫兹光学混频装置201的光学混频器中生成太赫兹波段的光学电流。光学混频器中生成的光学电流通过与光电导基板的背面附接的硅镜头202被发射到空闲空间。

从发射机发射的太赫兹连续波按照平面波的形式通过抛物柱面镜203和204行进，并通过抛物柱面镜210和211在接收机213上聚焦。接收机按照和发射机相同的原理操作，但是在接收机上聚焦的太赫兹波起到发射机的施加电压的作用。由于在接收机中、光载流子与所接收的太赫兹波的输出成比例地加速，所以接收机中正测量的光学电流与所接收的太赫兹波的输出成比例。

驱动太赫兹光学混频装置210和213的两个色散反馈（DFB）激光器101和102装配有60dB光学隔离器，并由此它们对于各种光学装置所引起的反射光是安全的。执行使用模式锁定放大器620的相敏（phase-sensitive）检测来测量正生成的细小（fine）电流。

在非破坏性检测器200中，激光束进入光电导天线（或光学混频装置）201和213，以通过由照片激励引起的载流子生成发射微微秒或更少的电磁波，并且使用相同结构的光电导天线装置来测量太赫兹连续波。非破坏性检测器200在通过二维传送台207按照规则间隔移动样本206的位置的同时，测量每一位置处的太赫兹脉冲。

三维图像处理器600包括低噪声放大器610、模式锁定放大器620、输出电路630、显示接口电路640和数据处理单元650。三维图像处理器600将样本206定位在太赫兹连续波的行进路线上，并通过太赫兹连续波和样本206之间的交互、使用与太赫兹连续波的改变对应的二维图像来获得三维图像。

太赫兹连续波系统10将孔径209定位在太赫兹连续波的行进路线上，以测量三维非破坏性分子图像，并获得在样本206和太赫兹连续波之间具有不同焦点位置的二维图像、以及使用不同图像深度的三维图像。

图2是图示了从图1中图示的数据处理单元获得三维图像的处理的流程图。参考图2，获得三维图像的处理如下。输入在每一位置处获得的二维原始图像数据（S110）。根据输入的二维原始图像数据计算二维深度图像（S120）。使用所计算的二维深度图像来执行三维笛卡尔积分（S130）。从积分的图像三维可视化三维图像（S140）。此后，处理三维图像（S150）。修剪所处理的三维图像（S160）或对所处理的三维图像执行去卷积（S170）。

根据本发明构思的一些实施例的数字信号处理操作依次执行三维笛卡尔积分（S130）、三维图像可视化（S140）和三维图像处理（S150），以获得高解析度三维图像。三维笛卡尔积分（S130）可使用体积像素方法，该方法很好地表现具有特定体积的规则六面体像素。根据正显示的图像的深度信息，本发明构思的数字信号处理操作可执行三维修剪（S160）或可执行三维去卷积，以获得更清楚的图像。可执行三维去卷积，以补偿检测器200的定时响应、噪声和范围尾巴（range tail）。

图3是用于解释图1中图示的使用孔径或共焦针眼控制焦距的原理的图。参考图3，为了获得二维深度图像，通过聚乙烯镜头205获得对焦平面221，并且为了获得不同二维深度图像，使用孔径或共焦针眼208而将孔径进行4/4打开（225）、3/4打开（224）、2/4打开（223）和1/4打开（222）。

图4是图示了根据本发明构思的第二实施例的太赫兹连续波系统的图。参考图4，太赫兹连续波系统20与图1的太赫兹连续波系统10相比进一步包括镜头盒231。其余构成元件与图1的太赫兹连续波系统10的构成元件类似，并由此将省略这些其余构成元件的描述。

图5是用于解释图4中图示的镜头盒构成和控制焦距的原理的图。参考图5，为了获得二维深度图像，通过聚乙烯镜头205来获得对焦平面221，并且为了获得不同二维深度图像，可使用镜头盒231通过镜头232、233和234的组合，来获得不同焦点226、227和228。可通过镜头232、233和234的厚度以及镜头232、233和234之间的距离，来控制镜头232、233和234的焦点。

图6是图示了根据本发明构思的第三实施例的太赫兹连续波系统的图。参考图6，太赫兹连续波系统30与图1的太赫兹连续波系统10相比进一步包括金属材料镜头盒231。其余构成元件与图1的太赫兹连续波系统10的构成元件类似，并由此将省略这些其余构成元件的描述。

图7是用于解释图6中图示的金属材料镜头盒构成和控制金属材料镜头盒的焦距的原理的图。一般来说，克服光电导薄膜图案和光学镜头所具有的解析度的限制的聚焦金属材料镜头242和243的优点在于，维持高穿透比和高折射率。可在光电导薄膜图案和聚焦金属材料镜头中采用具有高穿透比和高折射率的区域的材料（ε>0,μ>0,

）。ε是介电常数，而μ是穿透比。n是折射率。参考图7，为了获得二维深度图像，通过聚乙烯镜头208来获得对焦平面221，并且为了获得不同二维深度图像，可使用金属材料镜头盒241通过镜头242和243的组合，来获得不同焦点245和248。可通过镜头242和243的厚度以及镜头242和243之间的距离，来控制镜头242和243的焦点。

图8是图示了根据本发明构思的第四实施例的太赫兹连续波系统的图。参考图8，太赫兹连续波系统40包括反射类型非破坏性检测器400，代替图1的太赫兹连续波系统10的透射类型非破坏性检测器200。在样本的前面形成图案、并且在样本的背面形成金属的情况下，由于太赫兹波不能穿过样本，所以采用反射类型非破坏性检测器。当在封装状态下、检查是否形成连接（bonding）或者检查半导体图案时，使用反射类型非破坏性检测器400非常便捷。与透射类型非破坏性检测器不同的是，在反射类型非破坏性检测器中使用镜子405和408。

图9是图示了根据本发明构思的第五实施例的太赫兹连续波系统的图。参考图9，太赫兹连续波系统50包括太赫兹波显微镜300，代替图1的太赫兹连续波系统10的透射类型非破坏性检测器200。当两个色散反馈（DFB）激光器101和102所生成的光载流子由施加的电压111加速时，从太赫兹光学混频装置301的光学混频器生成太赫兹波段的光学电流。从光学混频器生成的光学电流通过附接在光电导基板背面的硅镜头或金属材料镜头被发射到空闲空间。从发射机发射的太赫兹连续波通过孔径或共焦针眼302、分色（dichroic）镜303和凸透镜304，在对焦平面306上对焦样本305。如图5和7中图示的，可通过镜头的组合来控制对焦平面307。

通过凸透镜304、分色镜303和共焦针眼308从太赫兹检测器309检测对焦平面的图像。

图10是图示了图8或9中图示的太赫兹布置检测器的图。参考图10，在太赫兹布置检测器60中，电磁波束61穿过太赫兹波镜头62和天线阵列63，并然后由检测器阵列64感测。太赫兹布置检测器60可甚至检测不能透射光的对象的图像。图10中图示的太赫兹布置检测器60中使用的天线阵列63可由太赫兹区域的天线213a、213b、213c和213d以及用于检测太赫兹波的肖特基二极管214构成。

图11是根据本发明构思的一些实施例的输出电路630的框图。参考图11，与所检测的二维图像对应的像素阵列633的输出信号通过水平解码器631、垂直解码器632、略读像素634、电容跨阻抗放大器(capacitive transimpedance amplifier)635、采样和保持块636、多路复用块637和图像放大器638而输出。

输出电路630向顺序行供应电源并检测通过电阻器的电流。通过向每一行的像素供应电源而流经电阻器的电流由在每一列存在的电容跨阻抗放大器635变换为电压。第N行像素被积分，并且第N-1行的电压被输入到采样和保持块636。多路复用块637的多路复用信号在图像放大器638中放大并然后输出。作为输出信号的电模拟信号被变换为数字信号。所变换的数字信号被数字处理。数字信号处理获得二维深度图像，以从二维图像原始数据获得检测器阵列213的每一像素的距离信息（S110）。通过执行数字信号处理，如图2中描述的，可使用二维深度图像获得三维图像。

图12是图示了根据本发明构思的一些实施例的对数周期天线的图。参考图12，太赫兹连续波装置使用具有大的暗电阻、相对好的载流子迁移率和非常短的载流子寿命的低温成长的GaAs基板。作为通过光学混频生成太赫兹波段的电流的光学混频器，使用叉指（interdigitated）电容器（IDC）类型光学混频器以增加光电效率。可以按照宽带操作的对数周期天线被设计为向空闲空间发射所生成的太赫兹频带的电流。IDC光学混频器具有两个手指的结构，手指重叠长度为4.6m，手指宽度为0.3m，而手指缝隙为1.7m。已使用电子束平版印刷（lithography）处理以制造精细图案IDC光学混频器。

图13A和13B是图示了根据本发明构思的一些实施例的当使用金属材料镜头和光学镜头时的解析度的图。参考图13A和13B，金属材料镜头具有90nm的解析度而传统光学镜头具有360nm的解析度。与传统光学镜头相比，根据本发明构思的一些实施例的金属材料镜头可以获得高解析度。

图14是图示了根据本发明构思的一些实施例的特氟纶基板上的金属垫圈的样本和塑料垫圈的样本的图。参考图14，当金属垫圈和塑料垫圈位于特氟纶的前侧和特氟纶的背侧时，在前侧感测不到对象，并且对象似乎被隐藏。使用的特氟纶的厚度可以是1nm、2nm、3nm或更多。图14中使用的金属垫圈是具有1nm厚度、4nm内径和10nm外径的环形垫圈。图10中使用的塑料垫圈是具有1.5nm厚度、3nm内径和8nm外径的环形垫圈。

图15是图示了根据本发明构思的一些实施例的由穿过特氟纶基板的太赫兹波所测量的金属垫圈和塑料垫圈的二维深度图像的图。参考图15，Y轴上的坐标40线处的金属垫圈是深色可见的。这是因为太赫兹波在金属上被完全反射。Y轴上的坐标16线处的塑料垫圈看上去与特氟纶基板类似。这是因为太赫兹波穿透塑料垫圈。

图16是图示了图15中图示的金属垫圈和塑料垫圈的三维笛卡尔积分图像的图。

图17是图示了对于图15中图示的金属垫圈和塑料垫圈的三维可视图像执行图像处理的图像的图。

通过在硅基板上放置（depositing）光电导薄膜并在硅基板上配备金属材料镜头，本发明构思可简化所有制造处理，并去除误差发生的原因，由此降低时间和成本。

本发明构思简化系统构成，并且太赫兹波具有电波的穿透性和光波的线性，并由此可获得使用焦距的三维可视化图像。

本发明构思可通过使用金属材料镜头取代传统光学镜头，来克服传统光学镜头的解析度的限制。当对太赫兹系统进行商业化时，这可成为大规模生产的基础。

根据本发明构思的太赫兹连续波系统的非破坏性测试可通过在使得诸如X射线、伽马射线等的放射线不穿透测试样品的情况下控制孔径或共焦针眼，来获得故障部分的空间信息。非破坏性测试可容易地估计瑕疵的深度，并可容易地检测具有坏方向性的二维瑕疵。

由于根据本发明构思的太赫兹连续波系统不发射对人体有害的放射线，所以其容易在本领域中使用，并具有快勘探速度和低勘探成本。

根据本发明构思的太赫兹连续波系统具有高便携性和高灵敏度，并可获得裂缝（crack）的位置信息或瑕疵的空间信息。太赫兹连续波系统的非破坏性测试方法是安全和经济的。太赫兹连续波系统的非破坏性测试方法可增加工作效率并可有效发现表面瑕疵。

根据本发明构思的太赫兹连续波系统可调查具有比较复杂形状的结构，并可甚至检测细小瑕疵。太赫兹连续波系统通过金属材料镜头和镜头的组合以及金属材料镜头的组合增加空间解析度。太赫兹连续波系统不需要高压电流来形成如同非破坏性磁性粒子（MT）的磁场，并可容易地检测对象表面下的细小瑕疵。

根据本发明构思的太赫兹连续波系统可进一步包括聚焦布置金属材料镜头，以通过控制聚焦金属材料镜头的焦点远离聚焦金属材料镜头隔开，来获得对象的三维图像。

尽管已示出和描述了本总发明构思的几个实施例，但是本领域技术人员将理解的是，可在这些实施例中进行改变，而不脱离在所附权利要求及其等效中限定其范围的本总发明构思的原理和精神。所以，上面描述的主题应被看作说明性而非限制性的。

Claims (18)

1.一种太赫兹连续波系统，包括：

太赫兹波发生器，用于生成太赫兹连续波；

非破坏性检测器，用于通过向样本发射所生成的太赫兹连续波、并在按照预定间隔二维移动该样本的同时控制所发射的太赫兹连续波的焦点，来测量太赫兹连续波的改变；和

三维图像处理器，用于通过使用与所测量的太赫兹连续波对应的二维图像来获得三维图像。

2.根据权利要求1的太赫兹连续波系统，其中该非破坏性检测器传送所发射的太赫兹连续波。

3.根据权利要求2的太赫兹连续波系统，其中该非破坏性检测器使用孔径来控制所发射的太赫兹连续波的焦点。

4.根据权利要求2的太赫兹连续波系统，其中该非破坏性检测器使用共焦针眼来控制所发射的太赫兹连续波的焦点。

5.根据权利要求4的太赫兹连续波系统，其中该非破坏性检测器进一步包括镜头盒，该镜头盒包括多个镜头，用于控制所发射的太赫兹连续波的焦点。

6.根据权利要求5的太赫兹连续波系统，其中该非破坏性检测器进一步包括聚乙烯镜头以获得对焦平面。

7.根据权利要求4的太赫兹连续波系统，其中该非破坏性检测器进一步包括金属材料镜头盒，该金属材料镜头盒包括用于获得对焦平面的聚乙烯镜头、和用于控制所发射的太赫兹连续波的焦点的多个金属材料镜头。

8.根据权利要求1的太赫兹连续波系统，其中该非破坏性检测器是太赫兹波显微镜。

9.根据权利要求1的太赫兹连续波系统，其中该非破坏性检测器反射所发射的太赫兹连续波。

10.根据权利要求9的太赫兹连续波系统，其中该非破坏性检测器包括太赫兹波布置检测器，并且

其中在该太赫兹波布置检测器中，电子束穿过太赫兹镜头和天线阵列，并然后由检测器阵列感测。

11.根据权利要求10的太赫兹连续波系统，其中该天线阵列包括太赫兹波区域的至少一个天线和用于检测太赫兹波的肖特基二极管。

12.根据权利要求1的太赫兹连续波系统，其中该太赫兹波发生器色散反馈激光器生成具有不同频率的光学信号，以生成光学外差方法的太赫兹连续波。

13.根据权利要求12的太赫兹连续波系统，其中该太赫兹波发生器进一步包括反馈控制系统，用于使得该色散反馈激光器稳定化。

14.根据权利要求1的太赫兹连续波系统，其中该三维图像处理器进一步包括模式锁定放大器，用于测量与从该非破坏性检测器接收的太赫兹连续波对应的细小电流。

15.一种太赫兹连续波系统的获得三维图像的方法，包括：

生成太赫兹连续波；

向样本发射所生成的太赫兹连续波；

在按照预定间隔移动该样本的同时改变该太赫兹连续波的焦点；

测量该太赫兹连续波的改变；

获得与所测量的该太赫兹连续波的改变对应的二维图像；

使用该二维图像来获得二维深度图像；和

使用该二维深度图像来获得三维图像。

16.根据权利要求15的太赫兹连续波系统的获得三维图像的方法，其中进一步包括根据所获得的三维图像的深度修剪该三维图像。

17.根据权利要求15的太赫兹连续波系统的获得三维图像的方法，进一步包括对于所获得的三维图像执行去卷积。

18.根据权利要求15的太赫兹连续波系统的获得三维图像的方法，其中所述获得三维图像的步骤包括：

对于该二维深度图像执行三维笛卡尔积分；

对于该笛卡尔积分后的图像执行三维可视化；和

处理所述三维可视化后的图像。

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