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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für die Abbildung
mit Terahertz-Strahlung, insbesondere zur Abbildung eines großvolumigen
Objektbereichs beziehungsweise über große Entfernungen mit
einem Objektabstand von mehreren Metern mit Strahlung im Terahertz-Spektralbereich.
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Unter
Terahertz-Strahlung wird elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich
zwischen dem fernen Infrarot- und dem Mikrowellenbereich verstanden.
Demnach liegt Terahertz-Strahlung in einem Frequenzband, das von
30 THz bis 300 GHz reicht, was Wellenlängen von einigen
Mikrometern bis zu einigen Millimetern entspricht.
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Aufgrund
geringer Photonenenergien in der Größenordnung
weniger Millielektronenvolt wirkt Terahertz-Strahlung im Gegensatz
zur Röntgenstrahlung nicht ionisierend und ist folglich
für biologisches Gewebe unschädlich. Diese vorteilhafte
Eigenschaft ist insbesondere für die Anwendung von Terahertz-Strahlung
für medizinisch-diagnostische Zwecke und zur Realisierung
von Sicherheits- und Überwachungssystemen relevant. Darüber
hinaus sind die meisten dielektrischen Materialien transparent für Terahertz-Strahlung,
sodass Kleidung, Papier, Plastik und Leder von Terahertz-Strahlung
durchstrahlt werden kann. Dagegen sind metallische Gegenstände
beziehungsweise allgemein elektrisch leitfähige Gegenstände
hoch reflektierend für Terahertz-Strahlung, sodass diese
besonders vorteilhaft zur Erkennung von unter der Kleidung oder
in Koffern versteckten Waffen und damit für die Überwachung
von öffentlichen Bereichen, etwa Flughäfen und
Bahnhöfen, eingesetzt werden kann.
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Zusätzlich
ist es aufgrund der voranstehend genannten selektiven Reflexion-
und Absorptionseigenschaften mit Terahertz-Strahlung möglich,
unterschiedliche Materialien, beispielsweise Sprengstoffe, durch
Kleidung oder Verpackungsmaterialien hindurch erkennen zu können
oder Terahertz-Strahlung für die Werkstoffprüftechnik
und für die Lebensmittel- und Medikamententechnik einzusetzen.
Exemplarisch wird zur Darlegung der Anwendungsmöglichkeiten
von Terahertz-Strahlung auf die Druckschriften
EP 0 093 566 B1 und die
WO 2006/12 91 13 A1 verwiesen.
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Eine
weitere Eigenschaft von Terahertz-Strahlung ist deren hoher Absorptionsgrad
für Wasser, sodass Terahertz-Strahlung in ein Wasser enthaltendes
System und damit auch in den menschlichen Körper nur bis
zu einer geringen Tiefe eindringt. Dies setzt medizinisch-diagnostischen
Anwendungen von Terahertz-Strahlung Grenzen und beschränkt
sie auf oberflächennahe Bereiche, etwa zur Diagnose von
Karies oder Hautkrebs. Darüber hinaus tritt durch den Wasserdampf
in der Luft bereits nach einem Laufweg von wenigen Metern eine starke Leistungsabschwächung
ein, so dass auf Terahertz-Strahlung basierende Überwachungssysteme typische
Reichweiten unter 10 m aufweisen.
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Zur
Abmilderung der voranstehenden Problematik werden hochempfindliche
sensorische Systeme für Terahertz-Strahlung entwickelt.
Eines der Prinzipien zur Detektion von Terahertz-Strahlung besteht
in der Anwendung antennengekoppelter Bolometer, welche wie in der
EP 0 903 566 B1 dargestellt, zu
einer Sensormatrix zusammengesetzt werden können. Alternativ
werden als Terahertz-Detektorelemente Heterodyn-Detektoren verwendet,
welche, wie durch die
WO
2006/129113 A1 offenbart, durch sukzessives Abrastern ein
größeres Bildfeld aufnehmen können. Ferner
ist es möglich, zur Detektion von Terahertz-Strahlung durch
Mikrostrukturierung hergestellte photonische Kristalle zur Ausbildung
von Kamerasystemen mit elektrooptischen Komponenten zu verbinden
und so die von einem erwärmten Objekt, beispielsweise einem
Menschen, ausgesandte Terahertz-Strahlung ohne weitere Beleuchtungsquellen
zur Terahertz-Bildgebung zu verwenden. Ferner wird beispielhaft
für eine Terahertz-Kamera auf die Offenbarung der
WO 2004/038854 verwiesen.
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Für
die Bildgebung im Terahertz-Spektralbereich wird üblicherweise
der Bereich, in dem sich das zu untersuchende Objekt befindet, durch
eine Terahertz-Strahlungsquelle ausgeleuchtet. Terahertz-Strahlung
kann hierfür nach unterschiedlichen Prinzipien erzeugt
werden. Am einfachsten ist eine thermische Erzeugung durch Schwarzkörperstrahlung
oder Gasentladungslampen, bevorzugt verbunden mit einer spektralen
Filterung. Terahertz-Strahlung kann jedoch auch elektronisch erzeugt
werden, etwa durch Halbleiter-Oszillatoren mit anschließender
Frequenzvervielfachung oder durch supraleitende Josephson-Oszillatoren
oder mittels Quantenkaskadenlasern, wie sie beispielsweise durch
die
US 2006/0153262
A1 und die
US
2005/0058166 A1 offenbart werden. Alternativ kann mittels
der Bestrahlung eines elektrisch vorgespannten Halbleiters mit einem
kurzen Laserpuls durch die Freisetzung von Ladungsträgern
und deren Beschleunigung im elektrischen Feld Terahertz-Strahlung
emittiert werden. Die erzeugten Strahlungspulse korrespondieren
zu einem Terahertz-Spektrum im Frequenzbereich, wobei durch eine
Kopplung zur Phase des anregenden Laserpulses die entstehende Strahlung
kohärent ist. Allerdings weisen die erzeugten Terahertz-Strahlungspulse
ein breitbandiges Frequenzspektrum im Bereich von 10 GHz bis 50
THz auf. Für eine solche Terahertz-Strahlungsquelle wird
exemplarisch auf die
US 5729017 verwiesen.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung
ist die Verwendung von zwei zueinander frequenzverstimmter Laser,
wobei die Differenzfrequenz Strahlungsanteile im Terahertz-Bereich
aufweist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung anzugeben,
die zur Abbildung eines Objektbereichs mittels Terahertz-Strahlung verwendet
werden kann, wobei diese insbesondere zur Überwachung von
größeren Freibereichen, wie beispielsweise von
Eingangs- oder Durchgangspassagen in öffentlichen Gebäuden
oder von Bahnsteigen, oder zur Ausführung einer Prüfaufgabe
in einer Fertigungsstraße geeignet sein soll. Ferner sollte
die Messvorrichtung über eine Distanz von vorzugsweise
mehreren Metern eine beugungsbegrenzte Auflösung für
die Bildgebung erreichen, sodass beispielsweise im Falle einer Überwachungsaufgabe
eine Erkennung versteckter Gegenstände, insbesondere von
Gefahrenstoffen, Waffen, Sprengstoff und A-, B- und C-Waffen, ermöglicht
wird.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale
des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass eine Messvorrichtung zur Bildgebung
mit Terahertz-Strahlung, welche die voranstehende Aufgabe löst,
eine der Terahertz-Empfängereinheit vorgeschalteten, deformierbaren
Spiegel umfassen sollte. Dieser deformierbare Spiegel stellt einen
räumlich auflösenden Phasenmodulator dar, der
in Verbindung mit einem Wellenfrontsensor und einem Rekonstruktionsrechner
Korrekturen an der Wellenfront in Echtzeit vornimmt, um eine beugungsbegrenzte
Abbildung anzustreben. Hierbei wird der Zusammenhang zwischen einem
Punktbild in der Bildebene und der zugeordneten Phasenfunktion in
einer Pupille des Systems ausgenutzt. Wird demnach der Wellenfrontsensor
in einer Pupille der Messvorrichtung angeordnet, so ist es möglich,
durch die Untersuchung eines Referenzobjekts dessen Wellenfront
bekannt ist (üblicherweise ein angenähert punktförmiges
Objekt), am Wellenfrontsensor Phasenstörungen zu detektieren,
die aus statistischen Schwankungen des Brechungsindexes entlang
des Laufwegs der Strahlung vom Referenzobjekt zur Messvorrichtung
entstehen. Diese werden wiederum insbesondere durch auf Turbulenzen
zurückzuführende zeitliche und räumliche
Schwankungen der Temperatur und des Wassergehalts der Luft bewirkt.
Auf diese Weise lassen sich, ausgehend von einem Referenzobjekt,
durch eine Differenzbildung der tatsächlich vorliegenden
Wellenfront vom bekannten Idealfall die für die Kompensation
der deformierten Welle notwendigen Korrekturgrößen
ermitteln, die sodann auf den deformierbaren Spiegel aufgeschaltet
werden. Hierfür ist der deformierbare Spiegel entsprechend
zum Wellenfrontsensor in einer Pupille der Messvorrichtung angeordnet.
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Das
aus Anwendungen für die Astronomie bekannte Prinzip einer
Korrektur von Phasenaberrationen wird demnach auf eine Messvorrichtung
für die Bildgebung im Terahertz-Bereich übertragen.
Für den Bereich der Astronomie wird als Referenz meist ein
Fixstern herangezogen. Für die Erfindung bestehen zwei
unterschiedliche Möglichkeiten für die Wahl des
Referenzobjekts, das sich im abgebildeten Objektbereich befindet.
Gemäß einer ersten Variante strahlt das Referenzobjekt
Terahertz-Strahlung ab, wobei es entweder als Reflektor oder als
Terahertz-Strahlungsquelle ausgebildet ist. Für eine zweite
Variante der Erfindung weicht die vom Referenzobjekt ausgehende
Strahlung bezüglich ihrer Wellenlänge von der
für die Abbildung verwendete Terahertz-Strahlung ab, wobei
bevorzugt eine Referenzwellenlänge im Infrarotbereich und
besonderes bevorzugt im Bereich der Wasserlinien des Spektrums,
das heißt den Absorptionsbanden für Wasser im
Gaszustand, zum Beispiel bei den Wellenzahlen 1595 cm–1,
3652 cm–1 und 3756 cm–1,
Verwendung findet.
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Für
die erste Variante wird als Referenzobjekt, dessen ideale Wellenfront
bekannt ist, bevorzugt ein Terahertz-Strahlung aussendendes Objekt,
insbesondere ein Reflektor, verwendet, dessen Ausdehnung bevorzugt
so hinreichend klein ist, dass sein Bild als punktförmig
angenommen werden kann. Vorteilhafterweise wird ein Reflektor mit
einer metallischen Oberfläche verwendet und dieser im abzubildenden
Objektbereich so positioniert, dass dieser nicht von einem durch
den Objektbereich bewegten Gegenstand oder eine Person verdeckt
werden kann. Darüber hinaus ist dessen Anordnung so zu wählen,
dass die vom Reflektor ausgehende Strahlung im Wesentlichen den
gleichen Atmosphärenbereich wie die vom zu untersuchenden
Objekt ausgehende Strahlung durchquert. Hierzu wird bevorzugt, den
Reflektor im Hintergrund des ausgewählten Objektbereichs
zu platzieren.
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Für
die zweite Variante, bei der die vom Referenzobjekt abgestrahlte
Referenzstrahlung, welche dem Wellenfrontsensor über den
deformierbaren Spiegel zugeleitet wird, nicht dem Empfindlichkeitsbereich
der Terahertz-Detektorelemente entspricht, wird bevorzugt zur Ausführung
der Phasenkorrekturen auf eine Referenzstrahlung im fernen Infrarot
zurückgegriffen. Hierzu kann als Referenzobjekt wiederum
ein Spiegel verwendet werden, der von einer separaten Strahlungsquelle
zur Erzeugung der Referenzstrahlung ausgeleuchtet wird.
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Die
zweite Variante für die Referenzstrahlung führt
zwar zur Vereinfachung der Ausbildung des Wellenfrontsensors, sodass
hierfür keine für den Terahertz-Bereich empfindlichen
sensorischen Elemente verwendet werden müssen. Zusätzlich
wird kein Anteil der Terahertz-Strahlung, die zur Abbildung des
Objekts verwendet wird, zum Wellenfrontsensor abgezweigt. Nachteilig
bei einer Verwendung einer Referenzstrahlung außerhalb
des Terahertz-Strahlungsbereichs ist der unvermeidbare statistische
Fehler aufgrund ungleicher optischer Wege der für die Bildgebung
verwendeten Terahertz-Strahlung und der Referenzstrahlung. Dieser
Fehler ist im Rahmen des fachmännischen Könnens
mit weiteren Fehlerquellen, etwa dem Photonenrauschen der Detektoren
des Wellenfrontsensors und den durch den endlichen Abstand des Reflektors
zur Messvorrichtung bedingten fokalen Anisoplanatismus, zu vergleichen
und entsprechend eine bevorzugte Frequenz für die Referenzstrahlung
zu verwenden. Hierbei wird insbesondere als Referenzfrequenz eine
IR-Linie für Wasser im gasförmigen Zustand ausgewählt,
da Schwankungen des Wassergehalts im Laufweg neben den nicht korrigierbaren
Absorptionseffekten wesentlich zur Aberration der Wellenfronten
der Terahertz-Strahlung aufgrund statistischer Unterschiede in der
optischen Weglänge beitragen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung wird die natürliche von den
zu untersuchenden Objekten beziehungsweise Personen abgestrahlte
Terahertz-Strahlung vom bildgebenden System verarbeitet, sodass
eine Ausleuchtung des Objektbereichs mit Hilfe einer Terahertz-Strahlungsquelle
nicht notwendig ist. Für diesen Fall muss das Referenzobjekt für
die erste Variante als Terahertz-Strahlungsquelle ausgebildet sein,
im einfachsten Fall wird die Strahlungserzeugung thermisch erfolgen.
Für die zweite Variante wird das Referenzobjekt bevorzugt
Strahlung im Infrarotbereich erzeugen. Dies kann ein Spektrum aus
einer oder mehrerer IR-Linien sein, wobei insbesondere Absorptionsbanden
von Wasser bevorzugt werden. Zusätzlich zu den voranstehend genannten
Absorptionsbanden für gasförmiges Wasser wird
eine Wellenlänge im Bereich von λ = 1500 nm bevorzugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsalternative
wird ein breitbandiges oder durchstimmbares Spektrum wiederum bevorzugt
im IR-Bereich verwendet.
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Besonders
bevorzugt wird die Ausgestaltung der Messvorrichtung mit einer Einrichtung
zur Ausleuchtung des Objektbereichs mittels einer Terahertz-Strahlungsquelle.
Ferner werden vorteilhafterweise die Komponenten der Messvorrichtung
als Baueinheit zusammengefasst, in die insbesondere der deformierbare
Spiegel, der Wellenfrontsensor und das zugeordnete Regelungssystem
sowie die Terahertz-Empfängereinheit integriert sind. Das
Innere dieser Baueinheit kann dann kontinuierlich mittels eines
Schutzgases gespült und klimatisiert werden. Für
die zweite Variante der Referenzstrahlung wird ferner für
den Fall, dass einer Referenzstrahlungsquelle zur Ausleuchtung eines
reflektiven Referenzobjekts verwendet wird, diese bevorzugt in die
Baueinheit integriert.
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Der
Vorteil einer als Baueinheit zusammengefassten Anordnung besteht
darin, dass zur Ausführung einer Messung nur das im Objektbereich
angeordnete Referenzobjekt, typischerweise ein Reflektor für
Terahertz-Strahlung, zur Realisierung der Messvorrichtung installiert
werden muss, so dass mehrere dieser erfindungsgemäßen,
als Baueinheiten zusammengefassten Messvorrichtungen zu einer Messanordnung
kombiniert werden können, wobei sich die jeweils einzelnen
Messvorrichtungen zugeordneten Objektbereiche so überlappen,
dass ein großes Raumvolumen untersucht werden kann. Alternativ kann
die Messvorrichtung zur Ausbildung einer Messanordnung bestimmte
Winkelstellungen zueinander einnehmen, sodass beispielsweise eine
Beobachtung aus mehreren Richtungen oder tomographische Aufnahmen
realisiert werden können.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Messvorrichtung wird mit hochenergetischer Terahertz-Strahlung
im Grenzbereich zum Infraroten, beispielsweise mit einer Wellenlänge
von 10 μm, gearbeitet. Dies ist deshalb vorteilhaft, da
zum einen die beugungsbegrenzte Auflösung hoch ist und gleichzeitig
die voranstehend genannten Vorteile der Terahertz-Strahlung genützt
werden können.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Figuren genauer beschrieben, diese
zeigen im Einzelnen Folgendes:
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1 stellt
schematisch eine erfindungsgemäße Messvorrichtung
dar.
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2 zeigt
die Kombination mehrerer erfindungsgemäßer Messvorrichtungen
zu einer Messanordnung für die Überwachung größerer
Volumina.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1.
Diese umfasst eine Terahertz-Empfängereinheit 8,
die bevorzugt zur Bildgebung eine Vielzahl von Terahertz-Detektorelementen,
die im Einzelnen in 1 nicht dargestellt sind, aufweist.
Diese empfängt Terahertz-Strahlung von einem abzubildenden
Objekt 3, wobei im Strahlengang zwischen Objekt 3 und
Terahertz-Empfängereinheit 8 wenigstens ein deformierbarer
Spiegel 6 angeordnet ist, der eine Vielzahl von Aktoren 13 aufweist,
sodass die Spiegelfläche zur Phasenmodulation eingestellt
werden kann.
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Mögliche
Ausgestaltungen des deformierbaren Spiegels 6 umfassen
anpassbare monolithische Spiegel, segmentierte Spiegel, Membranspiegel
oder die Anordnung mikromechanischer Korrektoren. So kann beispielsweise
ein Membranspiegel eine dünne, hochflexible Membran aus
Silizium, Quarz oder Mylar aufweisen, welche zusätzlich
eine metallische Reflexionsschicht für die Terahertz-Strahlung
umfassen kann. Diese Membran wird durch zugeordnete Aktoren 13 entsprechend
der Phasenmodulation deformiert, wobei zur Aktuation piezoelektrische,
magnetostatische oder elektrostatische Kräfte angewandt werden
können. Mögliche Ausführungsformen umfassen
bimorphe Aktoren, für die beispielsweise eine Piezokeramik,
etwa Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und ein Substrat, etwa amorphes
SiO2, miteinander verbunden werden. Diese
Verbindung kann als Klebeverbindung hergestellt werden oder die
Piezokeramik wird über einen Sol-Gel-Prozess mit nachfolgendem Sinter-
und Polarisierungsschritt aufgebracht. Als mögliche Ausführungsform
kann die Aktorik eine axial oder tangential zur Trägerfläche
verlaufende Stellbewegung ausführen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung des deformierbaren Spiegels umfasst
einzeln ansteuerbare Facettenelemente, die von einer Vielzahl von Aktuatoren
getragen werden. Durch die Ansteuerung der Aktuatoren, die wiederum
bevorzugt ein adaptives Material und insbesondere ein Ferroelektrika, eine
Formgedächtnislegierung oder ein elektrisch aktives Polymer
umfassen, kann eine einzelne Spiegelfacette nanometergenau in drei
Raumrichtungen translatiert und gemäß der Euler-Winkel
verkippt werden. Vorteilhaft ist ferner die Verwendung eines Verbundwerkstoffs
aus einem passiven Trägersubstrat und einem adaptiven Material
zur Ausbildung der Aktoren. Für mögliche Ausgestaltungen
des deformierbaren Spiegels und der zur Deformation verwendeten
Aktoren wird auf die Monographien „Principles of Adaptive
Optics", Robert K. Tyson, Academic Press. Inc., 1991, ISBN 0-12-705900-8 und „Ein
Beitrag zur Untersuchung von Bimorphspiegeln für die Präzisionsoptik",
Dr.-Ing. Timo Richard Möller, Shaker Verlag Aachen, 2002,
ISBN 3-8322-0555-1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt
vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen
wird. Ferner schließt der in der vorliegenden Anmeldung
verwendet Begriff eines deformierbaren Spiegels jede Form eines
Phasenmodulators ein, der zur Ausführung der Phasenkonjugation
zur Wellenfrontkorrektur verwendet werden kann.
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Die
Stellsignale für die Aktuatoren 13 werden dem
deformierbaren Spiegel 6 von einer Regelungseinrichtung 10 zugeführt,
welche Signale vom Wellenfrontsensor 9 verarbeitet. Diesem
Wellenfrontsensor 9 wird Strahlung zugeführt,
die im Strahlengang nach dem deformierbaren Spiegel 6 und
demnach zwischen der Terahertz-Empfängereinheit 8 und
dem deformierbaren Spiegel 6 ausgekoppelt wird. Dies kann
beispielsweise mit Hilfe einer teildurchlässigen optischen
Komponente 7, etwa eines Polarisationsstrahlteilers, bewirkt
werden. Im Fall der zweiten Variante, bei der eine Referenzstrahlung
außerhalb des Terahertz-Spektrums verwendet wird, erfolgt
bevorzugt diese Auskopplung frequenzabhängig, sodass nur
die Referenzstrahlung dem Wellenfrontsensor zugeführt wird.
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Der
Wellenfrontsensor 9 bestimmt in einer Pupille der Messvorrichtung 1 die
aktuell vorliegende Phasenfront und führt diese Messdaten
der Regelungseinrichtung 10 zu, in der diese Phasenfront
mit den abgespeicherten Idealdaten verglichen werden. Die Idealdaten
beruhen auf der Kenntnis eines Referenzobjekts 4, das im
Objektbereich 3 angeordnet ist, sodass die vom Referenzobjekt 4 abgestrahlte
Referenzstrahlung im Wesentlichen den gleichen optischen Laufweg
wie die vom zu vermessenden Objekt 3 abgegebene Objektstrahlung
aus dem Terahertz-Spektrum durchläuft. Die Referenzstrahlung wird
entsprechend der Objektstrahlung durch die Atmosphäre zwischen
dem Objektbereich und der Messvorrichtung phasendeformiert. Auf
diese Weise ist es möglich, aus den Idealdaten der bekannten Wellenfront
für die Referenzstrahlung im Regelungssystem 10 Korrekturterme
zu berechnen, die in Echtzeit um 180° phasenverschoben
zur Phasenmodulation auf den deformierbaren Spiegel 6 aufgeschaltet werden.
Es erfolgt demnach eine Phasenkonjugation. Entsprechend erfolgt
die Ansteuerung der dem deformierbaren Spiegel 6 zugeordneten
Aktoren 13.
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Als
Wellenfrontsensor 9 kann nach dem Shack-Hartmann-Prinzip
eine regelmäßige Matrix von Mikrolinsen übereinstimmender
Brechweite vorgesehen sein, wobei jeder Mikrolinse ein sensorisches
Element für die vorliegende Wellenlänge der Referenzstrahlung
zugeordnet wird. Aus der lateralen Abweichung des Beleuchtungsschwerpunkts
für jede der Mikrolinsen aus der erwarteten Solllage wird die
mittlere Neigung der Wellenfront und damit deren Gradient über
der Mikrolinse gemessen. Aus dieser Messung der Subapertur kann
auf die Wellenfront selbst zurückgerechnet werden, wobei
diese Berechnung meist über Zernike Polynome oder Karhunen-Loeve-Funktionen
erfolgt. Alternativ zum Shack- oder Hartmann-Sensor kann die Wellenfront
mit Hilfe von Krümmungssensoren, Pyramidensensoren oder mittels
interferometrischer Messungen bestimmt werden, wobei für
letztere eine hinreichende Kohärenz der Referenzstrahlung
vorausgesetzt wird.
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Für
die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 bestehen
unterschiedliche Ausgestaltungsalternativen im Hinblick auf die
Ausleuchtung des Objektbereichs mit einer Terahertz-Strahlungsquelle
und bezüglich der Ausgestaltung des für die Wellenfrontkorrektur
verwendeten Referenzobjekts:
Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausgestaltung wird der Objektbereich 2 durch
eine Terahertz-Strahlungsquelle 5 beleuchtet, sodass das
zu untersuchende Objekt 3 gemäß seiner
charakteristischen Reflexions- und Absorptionseigenschaften einen
Teil der einfallenden Terahertz-Strahlung zurückreflektiert, welche
dann zur Bildgebung verwendet wird. Diese Anordnung wird insbesondere
im Hinblick auf eine zur Bildgebung ausreichende Objektstrahlung
bevorzugt. Für diese Ausgestaltungsalternative ist das
Referenzobjekt im einfachsten Fall ein Reflektor für Terahertz-Strahlung,
das heißt ein Gegenstand mit einer metallischen Oberfläche,
sodass die Referenzstrahlung und die Objektstrahlung beide aufgrund
der Bestrahlung durch die Terahertz-Strahlungsquelle 5 entstehen
und somit im übereinstimmenden Frequenzbereich liegen.
Demnach wird der Wellenfrontsensor 9 für Terahertz-Strahlung
ausgelegt, das heißt im Fall eines Wellenfrontsensors nach
dem Shack-Hartmann-Prinzip werden die den einzelnen Mikrolinsen
zugeordneten sensorische Elemente die einfallende Terahertz-Strahlung
detektieren.
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Gemäß einer
Weitergestaltung wird anstatt eines Reflektors ein Referenzobjekt 4 verwendet, welches
eine Referenzstrahlung abstrahlt, die nicht in dem für
die Bildgebung verwendeten Terahertz-Strahlungsbereich liegt. Beispielsweise
kann für den bevorzugten Fall, dass zur Terahertz-Bildgebung
der Strahlungsbereich von 10 μm verwendet wird, eine Referenzstrahlung
angewandt werden, die weiter in den Infrarotbereich verschoben ist.
Der Vorteil besteht darin, dass der Wellenfrontsensor bezüglich
seiner sensorischen Elemente einfach ausgebildet werden kann. Nachteilig
ist jedoch, dass zusätzliche statistische Fehler aufgrund unterschiedlicher optischer
Weglängen von Objektstrahlung und Referenzstrahlung entstehen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 wird
auf eine Terahertz-Strahlungsquelle 5 verzichtet und stattdessen
die unmittelbar vom Objekt abgestrahlte natürliche Terahertz-Strahlung
mit Hilfe einer hochempfindlichen Terahertz-Empfängereinheit 8 detektiert.
Auch für diesen Fall ist erfindungsgemäß eine
Phasenkorrektur mit Hilfe eines deformierbaren Spiegels ausgehend
von Daten eines Wellenfrontsensors vorgesehen, wobei wiederum als
Referenzobjekt ein Strahlungsquelle für Terahertz-Strahlung
(ein thermisches Element) oder eine von der Objektstrahlung spektral unterschiedliche
Referenz, beispielsweise im Infraroten, verwendet werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden alle Komponenten
der Messvorrichtung 1 mit Ausnahme des Referenzobjekts 4 als
eine Baueinheit 12 zusammengefasst, insbesondere sind dies
die Terahertz-Empfängereinheit 8, der deformierbare
Spiegel 6, die teildurchlässige optische Komponente 7,
der Wellenfrontsensor 9 und das Regelungssystem 10.
Weiterhin können zur Strahlführung zusätzliche
refraktive Optiken vorgesehen sein sowie zusätzliche Systemkomponenten 11, etwa
eine Leistungsversorgung beziehungsweise Vorrichtung zur Datenerfassung
und Datenspeicherung für die Terahertz-Empfängereinheit 8.
Falls eine separate Referenzstrahlungsquelle 15 verwendet wird,
so wird diese bevorzugt in die Baueinheit 12 aufgenommen.
Ferner ist eine Ausgestaltung vorteilhaft, bei der der Innenbereich
der Baueinheit 12 beziehungsweise jener Teil derselben,
in dem die Terahertz-Strahlung und die Referenzstrahlung geführt werden,
mittels eines Schutzgases kontinuierlich gespült wird,
um den Gehalt an Wasserdampf möglichst gering zu halten.
Weiterhin führt eine Klimatisierung beziehungsweise eine
möglichst gleichmäßige Temperatureinstellung
wenigstens im Bereich des Strahlengangs zu einer Verringerung der
in der Baueinheit zusätzlich auftretenden Wellenfrontaberrationen.
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Aufgrund
der bevorzugten kompakten Bauweise unter Einschluss aller wesentlichen
Komponenten in einer Baueinheit 12 ist es möglich,
eine Messanordnung mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen
Messvorrichtungen 1 auszubilden. Dies kann beispielsweise
eine tomographische Anordnung zur dreidimensionalen Erfassung eines
zu untersuchenden Objekts sein, etwa zu Prüfzwecken oder
für den medizinisch-diagnostischen Bereich.
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Eine
andere vorteilhafte Verwendung besteht in der Überwachung
großer Raumvolumina, beispielsweise durch erfindungsgemäße,
bildgebende Messvorrichtungen, die in einem öffentlichen
Bereich installiert sind. Ein Beispiel hierfür ist in 2 dargestellt.
Schematisch vereinfacht werden drei erfindungsgemäße
Messvorrichtungen 1.1, 1.2 und 1.3 gezeigt,
die jeweils aus den Baueinheiten 12.1, 12.2 und 12.3 sowie
den zugeordneten Referenzobjekten 4.1, 4.2 und 4.3 bestehen,
die vorteilhafterweise Reflektoren für Terahertz-Strahlung
sind. Jeder einzelnen Messvorrichtung 1.1, 1.2 und 1.3 sind
jeweils die Objektbereiche 2.1, 2.2 und 2.3 zugeordnet.
Hierbei wird ein Objektbereich jeweils durch die optischen Eigenschaften
der zugeordneten Messvorrichtung festgelegt, insbesondere durch
den Schärfetiefebereich und die Größe
des Bildfelds sowie des von der Terahertz-Strahlungsquelle ausgeleuchteten
Bereichs.
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Vorteilhaft überschneiden
sich für eine erfindungsgemäße Messanordnung
die Objektbereiche der miteinander kombinierten Messvorrichtungen, sodass
beispielsweise zur Sicherheitsüberwachung ein großvolumiger
Raumbereich überdeckt werden kann. Exemplarisch ist hierzu
in 2 ein Durchgang dargestellt, der durch die zwei
Wände 21 und 22 beschränkt wird
und in dem insbesondere ein Zugangsbereich über eine Treppe 20 zu überwachen
ist. Hierzu sind die beiden erfindungsgemäßen
Messvorrichtungen 1.1 und 1.2 bezüglich
ihrer zugeordneten Objektbereiche aufeinander abfolgend angeordnet, während
die dritte erfindungsgemäße Messvorrichtung 1.3 eine
andere Blickrichtung abdeckt.
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Durch
die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist es möglich,
Bilder eines Objekts im Spektralbereich der Terahertz-Strahlung
mit einer beugungsbeschränkten Auflösung aufzunehmen,
sodass auch über einen hinreichenden Abstand hochaufgelöste Bilder
entstehen. Hierbei ist es aufgrund der vorgeschlagenen kompakten
Baueinheit, umfassend die Komponenten für den Empfang der
Terahertz-Strahlung, für die Phasenkorrektur sowie eventuell
für die Terahertz-Strahlungsquelle, möglich, mit
einer Vielzahl solcher erfindungsgemäßer Messvorrichtungen eine
Messanordnung zu gestalten, mit der ein Raumbereich mit großem
Volumen mittels Terahertzbildgebung überwacht werden kann.
Ferner sind Überwachungen aus verschiedenen Raumrichtungen
möglich, wobei bei einer entsprechenden Anordnung der Messvorrichtungen
eine 3-dimensionale Auswertung der Bilddaten möglich ist.
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- 1,
1.1, 1.2, 1.3
- Messvorrichtung
- 2,
2.1, 2.2 2.3
- Objektbereich
- 3
- Objekt
- 4,
4.1, 4.2, 4.3
- Referenzobjekt
- 5
- Terahertz-Strahlungsquelle
- 6
- deformierbarer
Spiegel
- 7
- teildurchlässige
optische Komponente
- 8
- Terahertz-Empfängereinheit
- 9
- Wellenfrontsensor
- 10
- Regelungssystem
- 11
- Systemkomponenten
- 12,
12.1, 12.2, 12.3
- Baueinheit
- 13
- Aktoren
- 15
- Referenzstrahlungsquelle
- 20
- Treppe
- 21,
22
- Wände
- 100
- Messanordnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0093566
B1 [0004]
- - WO 2006/129113 A1 [0004, 0006]
- - EP 0903566 B1 [0006]
- - WO 2004/038854 [0006]
- - US 2006/0153262 A1 [0007]
- - US 2005/0058166 A1 [0007]
- - US 5729017 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Principles
of Adaptive Optics", Robert K. Tyson, Academic Press. Inc., 1991,
ISBN 0-12-705900-8 [0024]
- - „Ein Beitrag zur Untersuchung von Bimorphspiegeln
für die Präzisionsoptik", Dr.-Ing. Timo Richard
Möller, Shaker Verlag Aachen, 2002, ISBN 3-8322-0555-1 [0024]