DE102006012715B4

DE102006012715B4 - Vorrichtung zum Abbilden eines Objektes mit einer Strahlungsquelle zur Emission einer Terahertzstrahlung

Info

Publication number: DE102006012715B4
Application number: DE102006012715A
Authority: DE
Inventors: Martin Prof. Dr. Koch; Christian Dipl.-Ing. Jördens; Kai Dipl.-Ing. Baaske; Günter Dr. Thorwirth
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig; Jena Optronik GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Braunschweig Carolo-Wi De; Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2026-03-18
Also published as: DE102006012715A1

Abstract

Vorrichtung (1) zum Abbilden eines Objektes (3) mit einer Strahlungsquelle (4) zur Emission einer Terahertzstrahlung im Ferninfrarot-Spektralbereich auf das Objekt (3), einer Detektoranordnung (12) zur Detektion von Terahertzstrahlung mit einer Bildaufnahmeoptik (10) zur Fokussierung von Terahertzstrahlung nach Ausbreitung durch das Objekt (3) und/oder Reflektion an dem Objekt (3) auf die Detektoranordnung (12), und einer mit der Detektoranordnung (12) verbundenen Auswerteeinheit (μP) zur Erzeugung einer Abbildung des Objektes (3) in Abhängigkeit von der detektierten Terahertzstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeoptik (10) mindestens ein Fokussierelement (11, 14b, 16, 17b) zur Bereitstellung stabförmiger Fokuspunkte (9) derart hat, dass sich benachbarte stabförmige Fokuspunkte (9) an den Enden der Fokuspunkte (9) in Richtung der längeren Halbachse der Fokuspunkte (9) überlappen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abbilden eines Objektes mit einer Strahlungsquelle zur Emission einer Terahertzstrahlung im Ferninfrarot-Spektralbereich auf das Objekt, einer Detektoranordnung zur Detektion von Terahertzstrahlung mit einem Bildaufnahmeobjekt zur Fokussierung von Terahertzstrahlung nach Ausbreitung durch das Objekt und/oder Reflektion an dem Objekt auf die Detektoranordnung, und einer mit der Detektoranordnung verbundenen Auswerteeinheit zur Erzeugung einer Abbildung des Objektes in Abhängigkeit von der detektierten Terahertzstrahlung.
Die Objektabbildung mit Hilfe der Terahertz-Zeitbereichs-Spektroskopie im Ferninfrarot-Spektralbereich unter Verwendung optisch gesteuerter Sender und Empfänger, wie beispielsweise mit photoleitenden Dipolantennen, ist an sich hinreichend bekannt und beispielsweise in P.R. Smith, D.H. Auston, M.C. Nuss, „Subpicosecond Photoconduction Dipole Antennas", in: IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 24, Februar 1988, Seiten 255 bis 260 beschrieben.
Um eine Terahertz-Abbildung des Objektes (der Probe) aufzunehmen, wird das Objekt typischerweise in x- und y-Richtung durch den Fokus eines Terahertzstrahls geführt. Diese Scantechnik ist zeitaufwändig.
Aus der EP 0 727 671 B1 ist bekannt, eine Vielzahl individueller, sich durch verschiedene räumlich getrennte Stellen auf dem Objekt ausbreitender Terahertzsignale zu sammeln und die resultierenden Signale zur Erzeugung einer Abbildung des Objekts zu verarbeiten. Die Signalquelle kann dabei an verschiedenen Stellen auf das Objekt fokussiert und die Quelle und der Detektor synchron in einem quer zur Ausbreitungsrichtung verlaufenden Muster über das Objekt geführt werden. Alternativ kann die Quelle auch das gesamte Objekt mit im Wesentlichen parallelen Strahlen überfluten, die dann durch einen das Objekt überstreichenden Detektor abgetastet werden können.
US 6,909,095 B2 und US 6,909,094 B2 offenbaren Einrichtungen und Verfahren zur Terahertzspektroskopie, ohne dass der Terahertzstrahl über die gesamte Probe im Scanverfahren geführt werden muss. Hierzu wird die Probe gleichzeitig mit einer Vielzahl von Terahertzstrahlen beaufschlagt, die auf nebeneinander liegende Fokuspunkte ausgerichtet sind. Die Terahertzstrahlen werden pixelweise moduliert. Das resultierende Gesamtsignal wird dann in Abhängigkeit von der Modulationsinformation ausgewertet.
WO 2005/080947 A1 offenbart ein System zur Untersuchung eines Objektes mittels Terahertzsignalen mit einer Strahlungsquelle zur Emission von Terahertzstrahlung auf ein Objekt und zwei oder mehr Detektoren zur Erfassung der von dem Objekt reflektierten Strahlung. Die emittierte Strahlung wird mit Hilfe eines Rasterscanningsystems 21 schrittweise auf das Objekt ausgerichtet, um dieses zur Bilderfassung abzuscannen.
Die bei den herkömmlichen Systemen eingesetzten Bildgebungsoptiken nutzen Standardlinsen oder Standardspiegel zur Abbildung der Terahertzstrahlen. Mit der Bildgebungsoptik wird pro Bildaufnahmepunkt ein einzelner idealerweise kreisförmi ger Fokuspunkt erzeugt. Der Einsatz derartiger Spiegel in Verbindung mit einem Rasterscanning führt zu einer recht langen Scandauer.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung zum Abbilden eines Objektes mit einer Strahlungsquelle bestehend aus mehreren Sendern zu schaffen, die eine schnelle Bildaufnahme ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Bildaufnahmeoptik mindestens ein Fokussierelement zur Bereitstellung stabförmiger Fokuspunkte mit einer im Vergleich zur Fokushöhe wesentlich größeren Fokusbreite hat und die Fokussierelemente derart hat, dass sich benachbarte stabförmige Fokuspunkte an den Enden der Fokuspunkte in Richtung der längeren Halbachse der Fokuspunkte (Fokusbreite) überlappen.
Durch den Einsatz einer Bildaufnahmeoptik z. B. eine Vielzahl von Fokussierelementen, wie zum Beispiel von Mikrospiegeln oder Mikrolinsen, können mehrere Foki mit gleicher Qualität gleichzeitig erzeugt werden. Damit lässt sich ein entsprechend dichtes Raster zwischen den einzelnen Kanälen und eine gleichzeitige Abtastung verschiedener Bereiche des Objektes erreichen. Durch die stabförmigen Fokuspunkte und die Überlappung zwischen benachbarten Fokuspunkten wird erreicht, dass redundante Informationen gewonnen werden können. Auf diese Weise kann im Unterschied zu den standardmäßigen kreisförmigen Fokuspunkten sichergestellt werden, dass keine Information verloren geht, die zwischen zwei Kanälen liegt. Hierdurch ist es möglich, mindestens in einem Schritt jeweils eine gesamte Zeile oder ein Bildpunktefeld (Array) eines Objektes aufzunehmen.
Gleichermaßen kann auch eine zwischen der Strahlungsquelle und dem Objekt angeordnete Bildgebungsoptik zur Fokussierung der Terahertzstrahlung auf das Objekt eine Vielzahl von Fokussierelementen zur Bereitstellung stabförmiger Fokuspunkte haben, wobei wiederum die Fokuspunkte eine im Vergleich zur Fokussierung wesentlich größere Fokusbreite haben und die Fokussierelemente in Richtung der Fokusbreite der Fokuspunkte nebeneinander derart angeordnet sind, dass sich be nachbarte stabförmige Fokuspunkte an den Enden der Fokuspunkte in Richtung der Fokusbreite, d.h. in Richtung der längeren Halbachse der Fokuspunkte überlappen.
Die stabförmigen Fokuspunkte der Bildaufnahmeoptik und die stabförmigen Fokuspunkte der Bildgebungsoptik sind aufeinander ausgerichtet, so dass sich eine eindeutige Zuordnung der Sende- und Empfangsstrahlung an den Fokuspunkten und ein auswertbares Signal ergibt.
Die Strahlungsquelle ist vorzugsweise zur Emission einer Terahertzstrahlung im Ferninfrarot-Spektralbereich von 100 GHz bis 20 THz eingerichtet. In Abhängigkeit von der Messaufgabe kann der Frequenzbereich auf ausgewählte Ferninfrarot-Spektralbereiche von beispielsweise 100 GHz bis 1 THz, 1 THz bis 20 THz bzw. 1 THz bis 3 THz beschränkt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die stabförmigen Fokuspunkte eine ovale Fläche mit einer mindestens um den Faktor 3 bezogen auf die Fokushöhe größeren Fokusbreite abdecken. Die Fokuspunkte sind somit an den Enden abgerundet und weisen im mittleren Bereich einen leichten Bauch auf. An den abgerundeten Enden überlappen sich die stabförmigen ovalen Fokuspunkte, um redundante Informationen zu gewinnen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Multifokusvorrichtung zum Abbilden eines Objektes mittels Terahertzstrahlung;
2 – Skizze eines erfindungsgemäßen stabförmigen Fokuspunktes im Vergleich zu den herkömmlichen kreisförmigen Fokuspunkten;
3 – Skizze der mit der Multifokus-Bildgebungs-/aufnahmeoptik bereitgestellten, sich überlappenden stabförmigen Fokuspunkte.
4 – schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Multifokusvorrichtung mit Makrolinsen;
5 – schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Multifokusvorrichtung mit Mikrolinsen;
6 – schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Multifokusvorrichtung mit Mikrospiegel.
Die 1 lässt eine schematische Darstellung einer Multifokus-Vorrichtung 1 zum Abbilden eines Objektes erkennen, das nur noch in y-Richtung über den Multifokusbereich 3 der Vorrichtung 1 zum Abscannen des Objektes 2 bewegt werden kann. Es ist eine Strahlungsquelle 4 mit einer Mehrzahl zeilen- oder bildblockweise angeordneter Sender 5a bis 5d vorgesehen, die beispielsweise mit Glasfaserkabeln 6a bis 6d an eine Terahertz-Strahlungsquelle zur Emission einer Terahertzstrahlung im Ferninfrarot-Spektralbereich angeschlossen sind. Die Terahertzstrahlung kann eine oder eine Mehrzahl von Frequenzen im Ferninfrarot-Spektralbereich von 10 GHz bis 20 THz aufweisen. Der Spektralbereich sollte dabei in Abhängigkeit von der Untersuchungsanwendung, wie beispielsweise Qualitätssicherung oder Sicherheitsanwendung gewählt werden.
Die Strahlungsquelle ist auf eine Bildgebungsoptik 7 mit einer Mehrzahl von Mikrospiegeln 8a bis d ausgerichtet, die die Terahertzstrahlung auf das Objekt 3 fokussieren. Die Mikrospiegel 8 stellen in ihrer Funktion als Fokussierelemente stabförmige Fokuspunkte 9a bis d bereit.
Zur Detektion der durch das Objekt 2 transmittierten und/oder gegebenenfalls vom Objekt 2 reflektierten Strahlung ist eine Bildaufnahmeoptik 10 mit einer Mehrzahl von Mikrospiegeln 11a bis 11d auf das Objekt 2 so ausgerichtet, dass die Mikrospiegel 11 als Fokussierelemente ebenfalls stabförmige Fokuspunkte bereitstellen, die mit den stabförmigen Fokuspunkten 9 der Bildgebungsoptik 7 übereinstimmen.
Die an den konkaven Mikrospiegeln 11 reflektierende Terahertzstrahlung wird zur Detektion zu einer Detektoranordnung 12 geführt, die aus einer Mehrzahl von Empfängern 13a bis 13d zur Detektion von Terahertzstrahlung in dem zu detektierenden Ferninfrarot-Spektralbereich gebildet ist.
Durch den Einsatz dieses Multifokussystems kann die Zeitdauer, die zur Aufnahme eines Bildes des Objektes 2 erforderlich ist, im Vergleich zu einem Einfokussystem mit einem einzigen Fokuspunkt erheblich reduziert werden.
Die 2 lässt einen Vergleich der herkömmlichen kreisförmigen Fokuspunkte FP mit den erfindungsgemäßen stabförmigen Fokuspunkten 9 erkennen. Es wird deutlich, dass die stabförmigen Fokuspunkte 9 in dem Ausführungsbeispiel ovalförmig sind. Die von einem ovalförmigen Fokuspunkt 9 abgedeckte Fläche sollte mindestens eine um den Faktor 3 bezogen auf die Fokushöhe größere Fokusbreite abdecken. Hierzu kann die Oberfläche der Mikrospiegel 8, 11 nach der folgenden Formel:
berechnet werden, wobei c_x = 1/r_x und c_y = 1/r_y mit dem Radius r_x in x-Richtung und dem Radius r_y in y-Richtung des elliptischen Spiegels. Die Konstante k_x bestimmt die Konusform in x-Richtung und die Konstante k_y die Konusform in y-Richtung. Denkbare Parameter sind r_x = 65,1 mm, r_y = 50,22 mm, k_x = –0,5 und k_y = –0,5.
Die stabförmigen ovalen Fokuspunkte überlappen sich an den Enden zwischen benachbarten Fokuspunkten 9, wie in der 3 skizziert ist. Hierdurch lässt sich eine redundante Information gewinnen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass keine Information verloren geht, die zwischen zwei Kanälen liegt. So kann beispielsweise vermieden werden, dass bei der Untersuchung von Lebensmitteln, wie beispielsweise einer Tafel Schokolade, ein kleiner Glassplitter in einer Tafel Schokolade übersehen wird, wenn dieser sich zufälligerweise genau zwischen zwei Kanälen befinden würde.
Durch den Einsatz der Mikrospiegel 8, 11 ist die Vorrichtung 1 beliebig erweiterbar. Je nach Größe des zu untersuchenden Objektes 2 kann die Anzahl der Sender 5, Empfänger 13 und zugehörigen Mikrospiegel 8, 11 angepasst werden. Die Qualität der Foki ist von ihrer Anzahl unabhängig.
Die 4 lässt eine zweite Ausführungsform der Multifokus-Vorrichtung 1 erkennen, bei der die nebeneinander liegenden Fokuspunkte 9 mit einer Makrolinse 14a für die Strahlungsquelle 4 und einer Makrolinse 14b für die Detektoranordnung 12 bereitgestellt werden.
Eine in der 5 skizzierte dritte Ausführungsform sieht eine Anzahl von Mikrolinsen 15a, 15b, 15c, 15d für die Strahlungsquelle 4 und eine Anzahl von Mikrolinsen 16a, 16b, 16c, 16d für die Detektoranordnung 12 zur Bereitstellung der Fokuspunkte 9 vor. Die Mikrolinsen 15 werden z. B. durch auf einer gemeinsamen Trägerlinse angeordnete Linsenabschnitte geschaffen.
Die 6 lässt eine vierte Ausführungsform der Multifokus-Vorrichtung 1 erkennen, bei der die nebeneinander liegenden Fokuspunkte 9 mit einem Makrospiegel 17a für die Strahlungsquelle 4 und einem Makrospiegel 17b für die Detektoranordnung 12 bereitgestellt werden.
Es ist offensichtlich, dass Kombinationen der Ausführungsformen denkbar sind, bei denen für Strahlungsanordnung 4 und Detektoranordnung 12 unterschiedliche Arten von Fokussierelementen eingesetzt werden.

Claims

Vorrichtung (1) zum Abbilden eines Objektes (3) mit einer Strahlungsquelle (4) zur Emission einer Terahertzstrahlung im Ferninfrarot-Spektralbereich auf das Objekt (3), einer Detektoranordnung (12) zur Detektion von Terahertzstrahlung mit einer Bildaufnahmeoptik (10) zur Fokussierung von Terahertzstrahlung nach Ausbreitung durch das Objekt (3) und/oder Reflektion an dem Objekt (3) auf die Detektoranordnung (12), und einer mit der Detektoranordnung (12) verbundenen Auswerteeinheit (μP) zur Erzeugung einer Abbildung des Objektes (3) in Abhängigkeit von der detektierten Terahertzstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeoptik (10) mindestens ein Fokussierelement (11, 14b, 16, 17b) zur Bereitstellung stabförmiger Fokuspunkte (9) derart hat, dass sich benachbarte stabförmige Fokuspunkte (9) an den Enden der Fokuspunkte (9) in Richtung der längeren Halbachse der Fokuspunkte (9) überlappen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwischen der Strahlungsquelle (4) und dem Objekt (3) angeordnete Bildgebungsoptik (7) zur Fokussierung der Terahertzstrahlung auf das Objekt (3) mit mindestens einem Fokussierelement (8, 14a, 15, 17a) zur Bereitstellung stabförmiger Fokuspunkte (9) derart, dass sich benachbarte stabförmige Fokuspunkte (9) an den Enden der Fokuspunkte (9) in Richtung der längeren Halbachse der Fokuspunkte (9) überlappen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Fokussierelementen (8, 11, 14a, 14b, 15, 16, 17a, 17b) in Richtung der Fokusbreite der Fokuspunkte (9) nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle zur Emission einer Terahertzstrahlung im Ferninfrarot-Spektralbereich von 100 GHz bis 20 THz eingerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle zur Emission einer Terahertzstrahlung im Ferninfrarot-Spektralbereich von 100 GHz bis 1 THz eingerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle zur Emission einer Terahertzstrahlung im Ferninfrarot-Spektralbereich von 1 THz bis 20 THz eingerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle zur Emission einer Terahertzstrahlung im Ferninfrarot-Spektralbereich von 1 THz bis 3 THz eingerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stabförmigen Fokuspunkte (9) eine ovale Fläche mit einer mindestens um den Faktor 3 bezogen auf die Fokushöhe größeren Fokusbreite abdecken.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierelemente Mikrospiegel (8a–d, 11a–d) sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierelemente Mikrolinsen (15, 16) sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierelemente Makrolinsen (14a, 14b) oder Makrospiegel (17a, 17b) sind.