DE102009001159A9

DE102009001159A9 - Elektrooptische Kamera mit demodulierendem Detektorarray

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Publication number: DE102009001159A9
Application number: DE102009001159A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr. Haring Bolivar; Gunnar Spickermann; Hartmut G. Prof. Dr. Roskos; Fabian Friederich
Original assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main; Universitaet Siegen
Current assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main; Universitaet Siegen
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2011-02-24
Also published as: WO2010097326A1; DE102009001159A1

Abstract

Bekannt ist eine Kamera zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Frequenzbereich, die einen elektrooptischen Kristall, einen Analysator und ein Detektorarray mit einer Mehrzahl von Detektoren zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Frequenzbereich aufweist, wobei der Analysator in Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich zwischen dem elektrooptischen Kristall und dem Detektorarray angeordnet ist. Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flächige Erfassung von Hochfrequenzstrahlung mit einer Mehrzahl von Bildpunkten mit Hilfe eines elektrooptischen Kristalls auch für niedrige Leistungen der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung und/oder der Abtaststrahlung zu realisieren. Dazu wird vorgeschlagen, die bekannte Kamera derart weiterzuentwickeln, dass eine Mehrzahl der Detektoren des Detektorarrays jeweils eine Einrichtung zur Demodulation der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kamera zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Frequenzbereich, die einen elektrooptischen Kristall, einen Analysator und ein Detektorarray mit einer Mehrzahl von Detektoren zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Frequenzbereich aufweist, wobei der Analysator in Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich zwischen dem elektrooptischen Kristall und dem Detektorarray angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein System zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung mit einer solchen Kamera.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Frequenzbereich mit den Schritten Mischen der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich mit elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Frequenzbereich in einem elektrooptischen Kristall, Analysieren des Polarisationszustands oder der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich nach dem Mischen und Erfassen der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich in einem Detektorarray mit einer Mehrzahl von Detektoren hinter dem elektrooptischen Kristall.
Der Terahertz-Frequenzbereich oder Submillimeter-Wellenlängenbereich, der allgemein von 100 Gigahertz (GHz) bis 10 Terahertz (THz) definiert ist, ist eine der letzten ”dunklen” Bereiche des elektromagnetischen Spektrums. Technisch nutzbare, insbesondere kohärente Quellen und entsprechende Detektoren, sind in diesem Frequenzbereich bisher nicht oder nur bei niedrigen Frequenzen kommerziell erhältlich. Die Entwicklung der letzten Jahrzehnte hat zu Systemen geführt, die aufgrund ihrer Komplexität bisher jedoch nur in experimentell geprägten Gebieten, wie der Radioastronomie oder der Atmosphärenforschung, Anwendung finden. Für die Anwendungen des täglichen Lebens fehlt es bisher an der Verfügbarkeit preiswerter Quellen und Detektoren, obwohl der THz-Frequenzbereich gegenüber anderen Frequenzbändern des elektromagnetischen Spektrums intrinsische Vorteile aufweist.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der Veröffentlichung von C. Wu und X. C. Zhang "Free-space electrooptic sampling of terahertz beams", Appl. Phys. Let. 67 (24, 3523–3525 (1995)), sind sogenannte elektrooptische Detektoren bekannt, die es ermöglichen, die Amplitude und die Phasenlage elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich zu erfassen. Zu diesem Zweck wird die zu erfassende Strahlung in einem elektrooptischen Kristall mit einem Abtastlichtstrahl gemischt. Bei diesem Mischprozeß wird ein Summen- oder Differenzsignal mit der Summen oder Differenzfrequenz der zu erfassenden Strahlung und der Frequenz des Abtaststrahls erzeugt. Das Mischsignal weist einen gegenüber dem Abtaststrahl veränderten Polarisationszustand auf, so dass auch das überlagerte Signal aus Abtaststrahl und Mischprodukt einen gegenüber der Polarisation des Abtaststrahls vor dem elektrooptischen Kristall veränderten Polarisationszustand aufweist. Dabei hängt die Änderung des Polarisationszustands von der Amplitude und der Phase des Mischprodukts und damit unmittelbar von der Amplitude der auf den elektrooptischen Kristall einfallenden, zu erfassenden THz-Strahlung ab. Auf diese Weise lässt sich das Problem der Erfassung der THz-Strahlung in einen Spektralbereich übertragen, in welchem Detektortechnologie kommerziell erhältlich ist. Die Effizienz dieser ”Übersetzung” ist jedoch aufgrund der kleinen nicht-linearen Koeffizienten der verfügbaren elektrooptischen Materialien sehr gering.
Die elektrooptische Detektion ist aufgrund der beschriebenen geringen Effizienz des Mischprozesses bisher nur für Einzelpunktmessungen nutzbar und ermöglicht bei solchen Aussagen sowohl über die Amplitude als auch die Phase der zu erfassenden THz-Strahlung. Insbesondere ist es bei solchen Einzelpunktmessungen möglich, die kleine Modulation des Abtastsignals über eine polarisationsselektive, differentielle Detektion sehr effizient zu separieren und zu detektieren. Es wurden empfindliche Analysesysteme entwickelt, die einen breiten Frequenzbereich von Mikrowellen über THz-Frequenzen bis ins mittlere Infrarot abdecken. Um mit einem solchen Detektionsverfahren ein bildgebendes System zu realisieren, muss jedoch das zu vermessende Objekt oder die Abbildungsoptik mechanisch in einem seriellen Verfahren bewegt werden, so dass der Messprozess prinzipiell langsam ist und eine Bildgebung mit einer akzeptablen räumlichen Auflösung in Echtzeit unmöglich wird.
Daher finden sich im Stand der Technik Bemühungen, die elektrooptische Erfassung von THz-Strahlung auf ein Detektorarray zu erweitern, in welchem ein elektrooptischer Kristall in Kombination mit einem Polarisationsanalysator und einem Intensitätsdetektorarray, z. B. einer CCD-Kamera oder einer CMOS-Kamera, als Detektor verwendet wird, um parallel mit einer Vielzahl von Bildpunkten ein komplettes Bild aufnehmen zu können und damit ein mechanisches Abtasten zu umgehen. In einer solchen flächigen Anordnung von Intensitätsdetektoren ist jedoch eine differentielle Detektion nicht mehr anwendbar. Das zu detektierende Modulationssignal wird daher von Untergrundsignalen überschattet und die Leistungsfähigkeit solcher Systeme ist beschränkt. Wie beispielsweise in Rungsawang et al., "1-kHz real-time imaging using a half-cycal terahertz electromagnetic pulse", Jpn. J. of Appl. Phys. – Part 2, 44 (8–11), L 288–L 291 (2005) beschrieben, konnten solche Detektoren bisher nur mit Systemen mit hohen Momentanleistungen der zu erfassenden THz-Strahlung sowie der Abtastpulse realisiert werden, welche jedoch beispielsweise aufwendige Hochleistungs-fs-Verstärkerlaser erfordern.
Gegenüber dem zuvor genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine flächige Erfassung von Hochfrequenzstrahlung mit einer Mehrzahl von Bildpunkten mit Hilfe eines elektrooptischen Kristalls auch für niedrige Leistungen der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung und/oder der Abtaststrahlung zu realisieren.
Die zuvor genannte Aufgabe wird durch eine Kamera zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Frequenzbereich gelöst, die einen elektrooptischen Kristall, einen Analysator und ein Detektorarray mit einer Mehrzahl von Detektoren zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Frequenzbereich aufweist, wobei der Analysator in Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich zwischen dem elektrooptischen Kristall und dem Detektorarray angeordnet ist, wobei eine Mehrzahl der Detektoren des Detektorarrays jeweils eine Einrichtung zur Demodulation der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich aufweist.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann der Analysator entweder ein polarisierendes Element zur Analyse des Polarisationszustands der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich sein oder ein Filter, welches es ermöglicht die Summen- oder Differenzfrequenz zwischen der elektromagnetischen Strahlung im ersten Frequenzbereich und der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich, die in dem elektrooptischen Kristall gebildet wird, spektral von der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich zu filtern.
Als elektrooptischer Kristall im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Kristall bezeichnet, dessen doppelbrechende Eigenschaften sich in Abhängigkeit eines an den Kristall angelegten elektrischen Feldes ändern (Kerr-Effekt und Pockels-Effekt). Die zu erfassende in den elektrooptischen Kristall eingestrahlte elektromagnetische Strahlung stellt ein solches an den Kristall angelegtes elektrisches Feld dar. Beispiele für Materialien solcher elektrooptischer Kristalle sind ZnTe, InP, LiNbO₃ oder BBO.
Unter einem Detektorarray wird in der vorliegenden Anmeldung eine zweidimensionale Anordnung von einzelnen Detektoren in einer Zeile oder einer flächigen Anordnung verstanden, die es erlaubt ein Bild, welches sich aus mehreren von den Detektoren gebildeten Bildpunkten zusammensetzt, aufzunehmen.
Im Allgemeinen werden sich der erste Frequenzbereich der zu erfassenden elektromagnetischen Strahlung und der von dem Detektorarray erfaßte zweite Frequenzbereich nicht überschneiden. Während der erste Frequenzbereich der zu erfassenden elektromagnetischen Strahlung in einem Frequenzbereich liegt, der mit herkömmlichen, kommerziell erhältlichen Detektoren nicht oder nur schlecht zu erfassen ist, liegt der zweite Frequenzbereich, der mit dem Detektorarray erfasst werden kann, in einem Frequenzbereich, der kommerziellen Detektoranordnungen zugänglich ist.
In einer Ausführungsform liegt der erste Frequenzbereich der zu erfassenden elektromagnetischen Strahlung im Mikrowellenbereich, im THz-Bereich oder im mittleren Infraroten (MIR). Bevorzugt liegt der erste Frequenzbereich zwischen 1 GHz und 10 THz, d. h. im sogenannten erweiterten THz-Frequenzbereich oder auch im mittleren Infraroten um etwa 100 THz.
Der zweite Frequenzbereich der von dem Detektorarray erfassbaren elektromagnetischen Strahlung liegt vorzugsweise im sichtbaren, infraroten oder nahinfraroten Spektralbereich des Lichts. Insbesondere in diesen Spektralbereichen sind kommerzielle Detektoren erhältlich.
Entscheidend für die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kamera ist, dass zumindest eine Mehrzahl der Detektoren des Detektorarrays so eingerichtet sind, dass sie eine Demodulation der zu erfassenden Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich unmittelbar im Detektor ermöglichen. Daneben können in Ausführungsformen der Erfindung in dem Detektorarray der Kamera auch weitere Detektoren vorgesehen sein, die keine Demodulation ermöglichen.
Um eine Demodulation der zu erfassenden elektromagnetischen Strahlung zu ermöglichen, weist die Kamera in einer Ausführungsform eine Mehrzahl von Detektoren mit einer Einrichtung zur Modulation der Sensitivität auf.
Vorzugsweise weist jeder der Detektoren zwei Ausleseelektroden auf. Die Ausleseelektroden können in einer Ausführungsform mit einer Einrichtung zur Modulation einer Vorspannung der Ausleseelektroden versehen sein, welche im Betrieb der Kamera die Ausleseelektroden mit einer Modulationsspannung als Referenzsignal versorgt. Die Ausleseelektroden bilden in diesem Fall einen Teil der Einrichtung zur Modulation der Sensitivität bzw. zur Demodulation der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich.
In einer weiteren Ausführungsform der Kamera weist der Detektor mit der Einrichtung zur Demodulation mindestens zwei Modulationsgates auf, wobei die Modulationsgates einen Teil der Einrichtung zur Demodulation im Detektor bilden. Die Modulationsgates sind in einer Ausführungsform mit einer Einrichtung zur Modulation einer Vorspannung der Modulationsgates versehen, welche im Betrieb der Kamera die Modulationsgates mit einer Modulationsspannung als Referenzsignal versorgt.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Kamera weist der Detektor mit einer Einrichtung zur Demodulation eine Einrichtung auf, welche im Betrieb der Kamera zwei der Ausleseelektroden oder zwei der Modulationsgates mit zueinander um 180° phasenverschobenen Referenzsignalen gleicher Frequenz versorgt. Auf diese Weise wird eine Gegentaktmodulation bereitgestellt, so dass das Differenzsignal der Ausgangssignale von je zwei Ausleseelektroden nur noch die relevanten modulierten (AC-)Anteile enthält, während sich die nichtkorrelierten Gleichspannungs- bzw. Gleichstrom-(DC-)Anteile bei einer Integration des Differenzsignals aufheben.
Beispiele für solche Detektorarrays mit Detektoren die eine direkte Demodulation in den Detektoren ermöglichen bzw. deren Sensitivität modulierbar ist, finden sich im Stand der Technik in vielfacher Weise, z. B. PMD-Arrays, MSM-Arrays, Microchannel Plates sowie modulierbare CCD-Kameras. Die Möglichkeit, die Sensitivität eines Detektors, d. h. eines Bildpunktes, zu modulieren ermöglicht es, in jedem Detektor das Mischprodukt zwischen einem Referenzsignal, welches zur Modulation der Sensitivität des Detektors verwendet wird und der auf den Detektor einfallenden, ebenfalls modulierten elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich zu bilden. Mit anderen Worten ausgedrückt ermöglichen die Detektoren des Detektorarrays, welche eine Einrichtung zur Modulation ihrer Sensitivität aufweisen, eine Demodulation der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich, wobei das Mischen bzw. die Multiplikation zwischen Meßsignal, d. h. der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich, und dem Referenzsignal im Detektor selbst erfolgt.
Diese Art der Erfassung ermöglicht eine rauscharme Detektion, da sämtliche Hintergrundbeiträge des Signals durch den Mischprozeß effizient unterdrückt werden.
Das Detektionsprinzip eines solchen Detektors des Detektorarrays mit einer Einrichtung zur Modulation seiner Sensitivität wird nachfolgend am Beispiel eines sogenannten PMD-Elements beschrieben, welches ein einfaches Verständnis des verwendeten Detektionsprinzips ermöglicht.
Aus dem Stand der Technik sind Phasen- bzw. laufzeitsensitive Mischdetektorelemente zur Abstandsmessung im sichtbaren oder infraroten Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums bekannt. Solche Elemente sind beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen DE 196 35 932 und DE 197 04 496 als sogenannte Photogate Photomixing-Devices (PG-PMD) für elektromagnetische Strahlung beschrieben. Alternativ zu den PG-PMD-Elementen können die Mischdetektorelemente beispielsweise auch als MSM-PMD-Elemente (MSM: Metall-Halbleiter-Metall, von engl. Metal-Semiconductor-Metal) ausgestaltet sein, so wie sie in der WO 02 33922 A2 offenbart sind. Gemeinsam ist den aus dem Stand der Technik bekannten PMD-Mischdetektorelementen, dass sie Ausleseelektroden aufweisen, zwischen denen sich ein fotoleitfähiges Material, insbesondere ein Halbleitermaterial erstreckt. Zusätzlich können auf dem Halbleitermaterial zwei oder mehrere transparente Modulationsgates (bei PG-PMD-Elementen) vorgesehen sein sowie vorzugsweise weitere Komponenten, insbesondere zur Hintergrundunterdrückung.
Wird der fotoleitfähige Teil des Detektorelements mit intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich, beleuchtet, so ändert sich die Leitfähigkeit des Detektorelements zwischen den Ausleselektroden in Abhängigkeit von der momentan auf den Detektor einfallenden Intensität. Werden gleichzeitig an die Modulationsgates (bei PG-PMD-Elementen) oder auch direkt an die Ausleseelektroden (bei MSM-PMD-Elementen) amplitudenmodulierte Strom- oder Spannungssignale angelegt, welche zueinander invertiert oder um 180° phasenverschoben sind, so erhält man an den Ausleseelektroden Mischsignale, welche mit der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz der Intensitätsmodulation der einfallenden Strahlung und der Referenzfrequenz moduliert sind.
Die Ausgangssignale an den Ausleseelektroden der Detektoren sind zudem von der Intensität der einfallenden Strahlung abhängig. Bildet man nun die Summe der beiden Ausgangssignale der Ausleseelektroden, so erhält man ein von der Intensität der einfallenden Strahlung abhängiges Signal, in dem lediglich die Gleichanteile (DC) enthalten sind. Demgegenüber enthält das Differenzsignal zwischen den beiden Ausgangssignalen der Ausleseelektroden lediglich die korrelierten Signalanteile. Das Differenzsignal trägt daher weiterhin sowohl die Phasen- als auch die Amplitudeninformation der einfallenden intensitätsmodulierten Strahlung.
Das beschriebene Verfahren wird auch als Gegentaktdetektion oder ”balanced detection” bezeichnet, da die Modulations- bzw. Ausleseelektroden des Mischerelements mit zueinander invertierten bzw. um 180° phasenverschobenen Signalen versehen sind. Das Gegentaktverfahren erlaubt es, durch Bildung der Differenz zwischen den beiden Ausgangssignalen des Mischdetektors, wie zuvor beschrieben, die Gleichanteile zu unterdrücken und nur solche Signale zu berücksichtigen, welche miteinander korreliert sind.
Die Modulation der Modulationsgates bzw. Ausleseelektroden mit einem Referenzsignal führt zu einer Modulation der Sensitivität der Detektoren. Nur wenn zwischen den Gates bzw. den Elektroden ein Potentialgefälle besteht, werden die von der auf den Detektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich erzeugte Ladungsträger aus dem Halbleiter abgeführt und können erfasst werden. Auf diese Weise schwankt die Sensitivität des Detektors zwischen einem Maximum und einem Minimum.
Alternative Halbleiterdetektoren, die im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch als PMD-Elemente bezeichnet werden, und die eine direkte Demodulation der zu erfassenden elektromagnetischen Strahlung ermöglichen, sind in der US 2002/084430 A1 und der US 2008/247033 A1 beschrieben.
Ein alternativer Halbleiterdetektor, bei welchem eine Demodulation der zu erfassenden elektromagnetischen Strahlung über vier getrennt zuschaltbare Integrationskapazitäten erfolgt, und der ebenfalls für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet ist, ist in der DE 44 40 613 C1 offenbart. Entsprechend weist der Detektor mit der Einrichtung zur Demodulation in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens zwei Integrationskapazitäten auf.
Ein weiteres Beispiel für einen MSM-Detektor findet sich in Gulden et al. "Novel optical distance sensor based on MSM-technology", IEEE Sensors Journal, Band 4, Nr. 5, Oktober 2004.
Alternative Detektoren, die eine Einrichtung zur Modulation ihrer Sensitivität aufweisen sind Microchannel Plates, beschrieben in Johnson et al., "Microchannel Plate Inverter Image Intensifiers", IEEE Transactions on electron devices, Band ED-18, Nr. 11, Seiten 1113 bis 1116, November 1971, sowie direktmodulierbare CCD-Chips, beschrieben in Mitchell et al. "Direct modulation of effective sensitivity of a CCD detector: A new approach to time-resolved fluorescence imaging", Journal of Microscopy, Band 206, Seiten 225 bis 232, Januar 2002.
Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein System zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung mit einer Kamera in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen und einer Quelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich gelöst. Diese Quelle dient der Erzeugung des Abtaststrahls.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Quelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich eine Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit einer Intensitätsmodulation ist. Dazu kann die Quelle entweder direkt modulierbar sein, sowie dies beispielsweise bei Laserdioden der Fall ist, oder auch zusätzlich einen internen oder externen Modulator aufweisen, welcher der erzeugten Strahlung eine Intensitätsmodulation aufprägt.
Darüber hinaus ist eine Ausführungsform des Systems zweckmäßig, welche zusätzlich eine Quelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich aufweist, d. h. zur Erzeugung der zu erfassenden Strahlung. Ein solches Gesamtsystem umfasst die Erzeugung der zu erfassenden Strahlung, des Abtaststrahls sowie das Abtasten der erzeugten und genutzten Strahlung im ersten Frequenzbereich mit dem Abtaststrahl in dem elektrooptischen Kristall sowie eine Erfassung des Abtaststrahls im zweiten Frequenzbereich mit Hilfe der Detektoren des Detektorarrays. Ein solches Gesamtsystem lässt sich beispielsweise für bildgebende Anwendungen einsetzen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist die Quelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich eine Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit einer Intensitätsmodulation. Wie zuvor ist es dabei möglich, dass die Quelle direkt modulierbar ist, z. B. über ihren Treiberstrom, oder aber die von der Quelle erzeugte Strahlung intern oder extern mit einem Intensitätsmodulator modulierbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist das System eine Referenzquelle zur Erzeugung eines Referenzsignals auf, wobei die Referenzquelle mit dem Detektorarray verbunden ist, so dass das Referenzsignal als Modulationssignal zum Treiben der Einrichtung zur Demodulation der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich in den einzelnen Detektoren verwendet werden kann.
Unter einer intensitätsmodulierten Quelle im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird auch eine gepulste Quelle verstanden, die elektromagnetische Impulse abstrahlt, wie z. B. ein fs-Laser.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das System eine Einrichtung zur Kopplung der Phase des Referenzsignals an die Phase der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich auf.
Alternativ oder zusätzlich kann das System eine Einrichtung zur Kopplung der Phase des Referenzsignals an die Phase der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich aufweisen.
In einer Ausführungsform ist beispielsweise die Quelle für die elektromagnetische Strahlung im ersten Frequenzbereich eine optoelektronische Quelle zur Erzeugung von THz-Strahlung, wobei ein fotokonduktiver Schalter, so wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, mit einem fs-Lasersystem beleuchtet wird.
Wird nun beispielsweise ein Teil der zur Erzeugung der THz-Strahlung verwendeten Laserstrahlung vor dem Auftreffen auf den fotokonduktiven Schalter mit Hilfe eines Strahlteilers abgeteilt und dieser Teil als Abtaststrahl im zweiten Frequenzbereich verwendet, so besteht eine Phasenkopplung zwischen der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich, d. h. des Abtaststrahls, und der Phase der elektromagnetischen Strahlung im ersten Frequenzbereich.
Die zuvor genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Frequenzbereich gelöst, welches die Schritte aufweist: Mischen der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich mit elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Frequenzbereich in einem elektrooptischen Kristall, Analysieren der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich nach dem Mischen und Erfassen der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich in einem Detektorarray mit einer Mehrzahl von Detektoren hinter dem elektrooptischen Kristall, wobei die elektromagnetische Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich in einer Mehrzahl der Detektoren des Arrays demoduliert wird.
Das Analysieren der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich erfolgt dabei entweder in Bezug auf die Polarisation oder in Bezug auf die Frequenz.
Im ersten Fall wird der veränderte Polarisationszustand der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich hinter dem elektrooptischen Kristall erfasst. Dieser hängt von der Intensität der auf den elektrooptischen Kristall fallenden elektromagnetischen Strahlung im ersten Frequenzbereich ab. Mit Hilfe eines polarisierenden Elements wird die Änderung des Polarisationszustands in eine Intensitätsänderung umgesetzt.
Im zweiten Fall wird mit einem spektralen Filter die Summen- und/oder Differenzfrequenz aus der elektromagnetischen Strahlung im ersten Frequenzbereich und der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich herausgefiltert und nur dieses Summen- und/oder Differenzsignal auf die Detektoren des Detektorarrays durchgelassen. Die Intensität des Summen- bzw. Differenzsignals hängt von der Intensität der auf den elektrooptischen Kristalls einfallenden elektromagnetischen Strahlung im ersten Frequenzbereich ab. Wird das Summen- und/oder Differenzsignal hinter dem elektrooptischen Kristall herausgefiltert, d. h. vom Hintergrund der verbleibenden Strahlung im zweiten Frequenzbereich befreit, so lassen sich die Intensitätsänderungen im Summen- und/oder Differenzsignal unmittelbar mit den Detektoren des Detektorarrays als solche erfassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kamera zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Systems zur Erzeugung und Erfassung von Hochfrequenzstrahlung gemäß der Erfindung.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Erfassung von Hochfrequenzstrahlung.
4 zeigt schematisch den Aufbau eines Fotomischdetektors.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Kamera zur phasenauflösenden Erfassung von elektromagnetischer Strahlung, welche dazu dienen soll, die Grundprinzipien der erfindungsgemäßen Kamera anhand einer Ausführungsform zu veranschaulichen. Die Kamera zur phasenauflösenden Erfassung von elektromagnetischer Strahlung wird in der in 1 dargestellten Ausführungsform von einem elektrooptischen Kristall 2, einem Polarisationsanalysator 8, sowie einem Detektorarray 6 gebildet. Im Sprachgebrauch dieser Anmeldung gehört zu dem System zur phasenauflösenden Erfassung elektromagnetischer Strahlung neben der Kamera mit den Elementen 2, 8 und 6 eine Quelle 4 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Frequenzbereich. Die von dieser Quelle 4 erzeugte Strahlung 3 wird als Abtaststrahl verwendet.
In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei der zu erfassenden elektromagnetischen Strahlung 1 um THz-Strahlung mit einer Frequenz von 800 GHz, so wie sie beispielsweise von einer Schottky-Diode mit nachgeschalteter Vervielfacherkette erzeugt wird. Demgegenüber liegt die Wellenlänge des Abtaststrahls 3 im Nahinfraroten bei etwa 800 nm und wird in der dargestellten Ausführungsform von einem Laser 4 erzeugt.
Der elektrooptische Kristall 2 ist in der dargestellten Ausführungsform ein ZnTe-Kristall, der einen elektrooptischen Mischprozeß zwischen der zu erfassenden Strahlung 1 und dem Abtaststrahl 3 ermöglicht.
Der Abtaststrahl 3 ist in der dargestellten Ausführungsform linear polarisiert. Je nach Phasenanpassung wird in dem nicht-linearen Kristall 2 das Summen- oder Differenzsignal, d. h. ein Mischsignal, zwischen der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung 1 und dem Abtaststrahl 3 erzeugt.
Dieses Mischsignal weist einen gegenüber dem Abtaststrahl 3 veränderten Polarisationszustand auf. Daher weist auch die Superposition des Abtaststrahls 3 und des Mischsignals hinter dem Kristall 2 einen gegenüber dem Abtaststrahl 3 vor dem nichtlinearen Kristall veränderten Polarisationszustand auf. Je nach Intensität des THz-Signals ändert sich der Polarisationszustand des Mischsignals. Das Superpositionssignal aus dem Abtaststrahl 3 und dem Mischsignal ist in 1 mit 5 bezeichnet.
Mit anderen Worten ausgedrückt wird die Intensität der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung 1 mit Hilfe des elektrooptischen Kristalls 2 in die Intensität des Mischsignals und damit in eine Änderung des Polarisationszustands des Superpositionssignals 5 hinter dem Kristall 2 übersetzt. Um die Änderung des Polarisationszustands der Superposition 5 aus Abtaststrahl 3 und Mischsignal hinter dem Kristall 2 in eine von einem herkömmlichen Detektor erfaßbare Intensitätsänderung umzusetzen, ist hinter dem elektrooptischen Kristall 2 ein Polarisator 8 als Analysator angeordnet. Da dieser Analysator 8 nur eine bestimmte Polarisationsrichtung durchlässt, führt eine Änderung des Polarisationszustands des Superpositionssignals 5 vor dem Analysator 8 zu einer Änderung der Intensität der Superposition 5 hinter dem Analysator 8. Diese Intensitätsänderung kann von jedem Pixel oder Bildpunkt des Detektorarrays 6 erfasst werden.
Das Detektorarray 6 weist in der dargestellten Ausführungsform eine quadratische, d. h. zweidimensionale Anordnung von 100 × 100 Detektoren auf, wobei jeder der Detektoren eine Einrichtung zur Modulation seiner Sensitivität aufweist. In der dargestellten Ausführungsform sind die einzelnen Detektoren des Detektorarrays 6 Fotomischdetektoren (PMD-Elemente), so wie sie beispielsweise aus der DE 198 21 974 A1 bekannt sind.
In 4 ist eine Ansicht auf einen solchen Fotomischdetektor 300 von oben dargestellt. Der Fotomischdetektor weist zwei Ausleseelektroden 301, 302 auf, die leitfähig mit einem darunter liegenden fotoleitenden Material, hier Silizium, verbunden sind. Darüber hinaus sind zwei transparente und gegen das fotoleitende Material isolierte Modulationsgates 303, 304 vorgesehen. Die auf den Fotomischdetektor 300 auftreffende elektromagnetische Strahlung im zweiten Frequenzbereich, d. h. das Superpositionssignal 5 trifft auf die fotoleitende Schicht des Detektors 300 und erzeugt dort Ladungsträger. Die Modulationsgates 303, 304 werden mit einem Referenzsignal vorgespannt, wobei das Referenzsignal der beiden Modulationsgates 303, 304 eine Phasenverschiebung von 180° zueinander aufweist. So wird ein Potentialgefälle in einer Richtung senkrecht zu den streifenförmigen Ausleseelektroden 301, 302 bzw. Modulationsgates 303, 304 des Fotomischdetektors 300 erzeugt, dessen Richtung mit der Frequenz des Modulationssignals wechselt. Die fotogenerierten Ladungsträger in dem fotoleitenden Material werden in dem von den Modulationsgates 303, 304 hervorgerufenen elektrischen Feld in Richtung der Ausleseelektroden 301, 302 getrieben. Der an den Ausleseelektroden 301, 302 erfasste Strom bzw. die erzeugte Spannungsdifferenz ist dann abhängig vom Produkt der fotomodulierten Leitfähigkeit des fotoleitfähigen Materials des Detektors 300 und der an den Modulationsgates 303, 304 anliegenden Modulationsspannung.
In einer alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsform eines solchen Fotomischdetektors kann auf die streifenförmigen Modulationsgates 303, 304 verzichtet werden, wobei dann das Modulations- bzw. Referenzsignal direkt an die Ausleseelektroden 301, 302 angelegt werden muss (sog. MSM-Element).
Die Modulation der an die Modulationsgates 303, 304 angelegten Modulations- bzw. Referenzspannungen ermöglicht eine Modulation der Sensitivität der Detektoren in dem Sinne, dass die Erfassung von Ladungsträgern an den Ausleseelektroden 301, 302 davon abhängt, ob gerade ein Potentialgefälle in dem Bauelement 300 vorliegt oder nicht. Die Sensitivität variiert zwischen einer maximalen Sensitivität bei maximalem Spannungsgefälle und vollständiger Insensitivität bei Fehlen eines Spannungsgefälles in dem Bauelement 300. Weiterhin kann durch Umpolen zeitlich nacheinander in mehrere verschiedene Kapazitäten integriert werden.
Bei dem in 4 dargestellten Detektor 300 erfolgt die Modulation der Modulationsgates 303, 304 im Gegentakt, d. h. mit einer Phasenverschiebung der an den Modulationsgates anliegenden Referenzsignale von 180°, so dass das Potentialgefälle nicht nur moduliert sondern auch umgepolt wird. Die an den Ausleseelektroden 301, 302 des Detektors 300 anliegenden Signale sind daher ebenfalls um 180° zueinander phasenverschoben. Das Differenzsignal der Ausgangssignale der beiden Ausleseelektroden enthält daher nur die zu erfassenden korrelierten Signalanteile.
Die grundlegenden Vorteile der schematisch in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus einer Betrachtung der in 1 mit 7 bezeichneten Einrichtung zur Phasenkopplung. Dabei sind alternative Ausführungsformen denkbar, die unterschiedliche Kopplungen der in dem System auftretenden Signale bereitstellen.
In einer ersten Ausführungsform wird die Quelle für die zu erfassende elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung 1 intensitätsmoduliert, wobei die Frequenz der Intensitätsmodulation von der Einrichtung 7 erfasst bzw. von dieser vorgegeben (angedeutet durch den Pfeil 10 aus 1) wird und ein Referenzsignal mit gleicher Frequenz an das Detektorarray 6 bereitgestellt wird, das zur Modulation der Sensitivität der einzelnen Detektoren des Arrays 6 verwendet wird (angedeutet durch Pfeil 9 in 1). Eine solche Phasenkopplung der Intensitätsmodulation der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung 1 an das an die Modulationsgates 303, 304 jedes Detektors 300 angelegte Referenzsignal ermöglicht eine phasensensitive Erfassung der Intensitätsmodulation des Hochfrequenzsignals 1.
Die Intensitätsmodulation des Hochfrequenzsignals 1 führt auch zu einer Modulation der Intensität des Abtaststrahls 5 hinter der Kombination aus elektrooptischem Kristall 2 und Analysator 8. Geht man im einfachsten Fall von einer Sinusmodulation der Intensität der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung und einem Sinussignal mit gleicher Frequenz als Referenzsignal für die Detektoren 300 und des Detektorarrays 6 aus, so enthält der DC-(Gleichspannungs-)Anteil, des an den Ausleseelektroden 301, 302 der Detektoren 300 anliegenden Signalanteils ausschließlich solche Signalbestandteile, welche mit der Frequenz der Intensitätsmodulation bzw. des Referenzsignals moduliert sind.
Betrachtet man nur diesen DC-Anteil, so erhält man eine rausch- und hintergrundarme Signalerfassung nach Art einer Lock-In-Detektion. Diese ist darüber hinaus auch phasensensitiv, so dass eine Phasenverschiebung zwischen der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung 1 und dem Referenzsignal, dargestellt durch den Pfeil 9, zu einer Änderung des an den einzelnen Detektoren 300 des Detektorarrays 6 anliegenden DC-Signals führt. Mit Hilfe einer Quadraturmessung lässt sich so die relative Phasenlage zwischen der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung 1 und dem Referenzsignal 9 bestimmen und Phasenverschiebungen lassen sich erfassen. Da bei Beleuchtung eines Objekts jedes Pixel bzw. jeder Bildpunkt des Detektorarrays 6 eine andere Phase erfasst, lässt sich aus dieser Phaseninformation eine Tiefen- bzw. Strukturinformation über die Oberfläche des beleuchteten Objekts erhalten. Die Realisierung einer solchen Ausführungsform der Erfindung ist in 3 im Detail dargestellt und wird weiter unten erläutert.
Während bei der zuvor beschrieben Messung die Phase der Intensitätsmodulation unmittelbar in der Kamera erfasst wird, kann zusätzlich noch die Messung der Phase der Hochfrequenzstrahlung 1 selbst in der Zeitdomäne erfolgen. Dazu müssen die Phasenlage der Hochfrequenzstrahlung 1 und die Phasenlage einer zusätzlichen Modulation des Abtaststrahls 3 hinreichend stabil zueinander sein. Die Phasendifferenz zwischen der Modulation des Abtaststrahls 3 und der Hochfrequenzstrahlung 1 wird variiert. Die damit verbundene Intensitätsänderung im Mischsignal wird erfasst und mit einer nachgeschalteten Fourier-Analyse (zumeist FFT-Analyse) wird die relative Phasenlage der Hochfrequenzstrahlung selbst bestimmt.
Eine weitere, dritte Ausführungsform ermöglicht die Erfassung der Phasenlage der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung 1 selbst in der Kamera und nicht wie zuvor beschrieben der Phasenlage einer Intensitätsmodulation auf dem elektromagnetischen Hochfrequenzsignal 1.
In einer solchen Ausführungsform stellt die Quelle 4 für den Abtaststrahl 3 eine Intensitätsmodulation des Abtaststrahls 3 bereit. Dabei liegt die Frequenz der Intensitätsmodulation des Abtaststrahls 3 in der gleichen Größenordnung wie die Frequenz der Hochfrequenzstrahlung 1. In der dargestellten Ausführungsform ist die Frequenz der Intensitätsmodulation des Abtaststrahls gleich der Summe aus der Frequenz der Hochfrequenzstrahlung und der Frequenz des Referenzsignals der Detektoren. Solch eine hohe Modulationsfrequenz lässt sich beispielsweise durch räumliche Überlagerung zweier im Frequenzraum um die Frequenz der zu erzeugenden Intensitätsmodulation beabstandeter Dauerstrichlaserquellen zu einem Schwebungssignal erreichen. Alternativ kann jedoch auch ein Femtosekunden-Kurzpulslasersystem als Quelle 4 für den Abtaststrahl 3 verwendet werden, dessen Pulsdauer klein gegenüber der Schwingungsperiode des elektromagnetischen Hochfrequenzsignals 1 ist.
Die Einrichtung zur Phasenkopplung 7 muss in einer solchen Ausführungsform eine Kopplung der Phase der Intensitätsmodulation des Abtaststrahls 3, der Phase der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung 1 und der Phase des Referenzsignals bereitstellen. In einer solchen Ausführungsform sind alle drei, die jeweiligen Phasenkopplungen bezeichnenden Pfeile 9, 10 und 11 ”aktiv”.
Eine konkrete Realisierung einer solchen Ausführungsform wird nun anhand von 2 detailliert beschrieben. Die THz-Strahlungsquelle 101 beleuchtet ein Objekt 103 mit kontinuierlicher monofrequenter THz-Strahlung 102, d. h. im Dauerstrich- bzw. CW-Betrieb. Die von dem Objekt 103 reflektierte THz-Strahlung 104 wird über eine Abbildungsoptik 105 für die THz-Strahlung in die mit 106 bezeichnete elektrooptische Konvertereinheit eingekoppelt und bildet das Objekt 103 auf einen großflächigen elektrooptischen ZnTe-Kristall 111 ab.
In einer alternativen Ausführungsform könnte das Objekt 103 in einer Transmissionsanordnung durchleuchtet und die durch das Objekt transmittierte Strahlung von der elektrooptischen Konvertereinheit 106 erfasst werden.
Gleichzeitig wird der elektrooptische Kristall 111 mit einem Abtaststrahl 108 aus einem Zweifarben-Diodenlaser 107 beleuchtet. Der Abtaststrahl 108 wird dann von der räumlichen Überlagerung zweier monochromatischer, um die Frequenz der zu erfassenden THz-Strahlung 102 zuzüglich der Frequenz des Referenzsignals der Detektoren gegeneinander verschobener Laserstrahlen gebildet. Der Abtaststrahl wird mit Hilfe eines Teleskops 109 so aufgeweitet, dass er den elektrooptischen Kristall 111 ganzflächig beleuchtet. In der dargestellten Ausführungsform liegt die Wellenlänge des Abtaststrahls 108 in der Größenordnung von 800 nm.
Mit Hilfe eines für die THz-Strahlung 104 reflektierenden, jedoch für die optische Strahlung 108 des Abtaststrahls durchlässigen Spiegels 110 werden die THz-Strahlung 104 und der Abtaststrahl 108 auf dem elektrooptischen Kristall 111 räumlich überlagert. In dem elektrooptischen Kristall 111 wird nun wie zuvor beschrieben die Intensität und die Phasenlage der THz-Strahlung als Änderung des Polarisationszustandes auf den Abtaststrahl 108 übertragen. Hinter einem Analysator 112 ist diese Information als Intensitätsmodulation auf dem Abtaststrahl meßbar. Das Bild wird nun mit Hilfe einer Abbildungsoptik 113 für den Abtaststrahl 108 auf die Detektoren des Detektorarrays 114 abgebildet. Durch eine Demodulation in den einzelnen Detektoren des Detektorarrays 114 lassen sich wie oben beschrieben sowohl die Intensitäts- als auch die Phaseninformation der erfaßten THz-Strahlung 102 für jedes Detektorpixel bestimmen.
Eine zentrale Aufgabe beim Betrieb der in 2 gezeigten Ausführungsform kommt einer zentralen Synchronisations- bzw. Phasenkopplungseinheit 115 zu. In der dargestellten Ausführungsform stellt die Synchronisationseinheit 115 eine starre Phasenkopplung der Schwebung des Abtaststrahls 108, der THz-Strahlung 102 sowie des Modulationssignals für die einzelnen Detektoren des Detektorarrays 114 bereit. Dazu misst die Synchronisationseinheit die Differenz zwischen der THz-Strahlung 102 und der Differenzfrequenz des Zweifarben-Lasersystems 107. Die ermittelte Frequenz wird dann mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und bei Abweichungen wird entweder die Frequenz der THz-Quelle 101 oder die Differenzfrequenz des Lasersystems 107 nachgeregelt, bis der Sollwert wieder erreicht ist. Zusätzlich wird die von der Synchronisationseinheit ermittelte Frequenz elektronisch als Referenzsignal für die Phasenmessung der Detektoren des Detektorarrays 114 bereitgestellt. Lediglich bei Verwendung von extrem phasenstabilen Komponenten kann die Notwendigkeit einer Synchronisationseinheit 115 entfallen. In diesem Fall wird die gemessene Differenzfrequenz zwischen der THz-Quelle 101 und der Differenzfrequenz zwischen den beiden Dauerstrichlasern der Laserquelle 107 direkt als Referenzfrequenz auf die phasenauflösenden Detektoren des Detektorarrays 114 gegeben.
In einer alternativen Ausführungsform kann statt der zuvor beschriebenen Zweifarben-Dauerstrich-Laserquelle 107 ein Femtosekunden-Kurzpulslasersystem zur Bereitstellung des Abtaststrahls 108 verwendet werden. Die Funktionsweise des Systems ist analog, wobei von der Synchronisationseinheit 115 statt der Differenz der beiden Laserstrahlen des Zweifarbenlasers 107 die Repetitionsrate der Laserpulse bzw. eine höhere harmonische davon erfasst und mit der Frequenz der abgestrahlten THz-Strahlung 102 abgeglichen wird.
In einer alternativen, in 3 dargestellten Ausführungsform wird wie bereits schematisch anhand von 1 beschrieben, statt der Phasenlage der elektromagnetischen THz-Strahlung 101 die Phasenlage einer Intensitätsmodulation der von der intensitätsmodulierten THz-Quelle 201 abgestrahlten THz-Strahlung 202 erfasst. In einer solchen Ausführungsform kann auf eine Erfassung der Differenzfrequenz-Zweifarbenlaserquelle 207 bzw. der Wiederholrate der Laserpulse des Abtaststrahls 208 verzichtet werden. Mit den Detektoren des Detektorarrays 214 wird in einem solchen Fall neben der Intensität der THz-Strahlung 202 bzw. 204 nicht die Phasenlage der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung 202, 204 direkt erfasst, sondern die Phasenlage der von einem Modulator 216 der Quelle 201 aufgeprägten Intensitätsmodulation der THz-Strahlung 202, 204.
Zum Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort ”aufweisen” nicht andere Elemente oder Schritte aus und der unbestimmte Artikel ”eine” oder ”ein” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugzeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränken des Schutzbereichs gedacht.
Bezugszeichenliste

1: elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung
2: Kristall
3: Abtaststrahl
4: Laser
5: Superpositionssignal
6: Detektorarray
8: Analysator
101: THz-Strahlungsquelle
102, 104: THz-Strahlung
105: Abbildungsoptik
103: Objekt
106: elektrooptische Konvertereinheit
107: Zweifarben-Lasersystem
108: Abtaststrahl
109: Teleskop
110: Spiegel
111: elektrooptischer Kristall
112: Analysator
113: Optik
114: Detektorarray
115: Synchronisations- bzw. Phasenkopplungseinheit
201: THz-Strahlungsquelle
202, 104: THz-Strahlung
205: Abbildungsoptik
203: Objekt
206: elektrooptische Konvertereinheit
207: Zweifarben-Lasersystem
208: Abtaststrahl
209: Teleskop
210: Spiegel
211: elektrooptischer Kristall
212: Analysator
213: Optik
214: Detektorarray
215: Synchronisations- bzw. Phasenkopplungseinheit
216: Modulator
300: Fotomischdetektor, Bauelement
301, 302: Ausleseelektrode
303, 304: Modulationsgate

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19635932 [0024]
- DE 19704496 [0024]
- WO 0233922 A2 [0024]
- US 2002/084430 A1 [0029]
- US 2008/247033 A1 [0029]
- DE 4440613 C1 [0030]
- DE 19821974 A1 [0058]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- C. Wu und X. C. Zhang ”Free-space electrooptic sampling of terahertz beams”, Appl. Phys. Let. 67 (24, 3523–3525 (1995)) [0005]
- Rungsawang et al., ”1-kHz real-time imaging using a half-cycal terahertz electromagnetic pulse”, Jpn. J. of Appl. Phys. – Part 2, 44 (8–11), L 288–L 291 (2005) [0007]
- Gulden et al. ”Novel optical distance sensor based on MSM-technology”, IEEE Sensors Journal, Band 4, Nr. 5, Oktober 2004 [0031]
- Johnson et al., ”Microchannel Plate Inverter Image Intensifiers”, IEEE Transactions on electron devices, Band ED-18, Nr. 11, Seiten 1113 bis 1116, November 1971 [0032]
- Mitchell et al. ”Direct modulation of effective sensitivity of a CCD detector: A new approach to time-resolved fluorescence imaging”, Journal of Microscopy, Band 206, Seiten 225 bis 232, Januar 2002 [0032]

Claims

Kamera zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung (1, 102, 202) in einem ersten Frequenzbereich, die einen elektrooptischen Kristall (2, 111, 211), einen Analysator und ein Detektorarray (6, 114, 214) mit einer Mehrzahl von Detektoren (300) zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung (3, 5, 108, 208) in einem zweiten Frequenzbereich aufweist, wobei der Analysator (8, 112, 212) in Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung (3, 5, 108, 208) in dem zweiten Frequenzbereich zwischen dem elektrooptischen Kristall (2, 111, 211) und dem Detektorarray (6, 114, 214) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Detektoren (300) des Detektorarrays (6, 114, 214) jeweils eine Einrichtung (303, 304) zur Demodulation der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich aufweist.
Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (300) mit der Einrichtung (303, 304) zur Demodulation mindestens zwei Ausleseelektroden (301, 302) aufweist.
Kamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (300) mit der Einrichtung (303, 304) zur Demodulation mindestens zwei Modulationsgates (303, 304) aufweist.
Kamera nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (300) mit der Einrichtung (303, 304) zur Demodulation eine Einrichtung aufweist welche im Betrieb der Kamera zwei der Ausleseelektroden (301, 302) oder zwei der Modulationsgates (303, 304) mit zueinander um 180° phasenverschobenen Referenzsignalen versorgt.
Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor mit der Einrichtung zur Demodulation mindestens zwei Integrationskapazitäten aufweist.
Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorarray (6, 114, 214) ein 3-D Bildsensor (300) ist.
System zur phasenauflösenden Erfassung elektromagnetischer Strahlung (1, 102, 202) in einem ersten Frequenzbereich mit einer Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einer Quelle (4, 107, 207) zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung (4, 107, 207) in dem zweiten Frequenzbereich.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung (108) in dem zweiten Frequenzbereich eine Quelle (107) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (108) mit einer Intensitätsmodulation ist.
System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Quelle (101, 201) zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung (102, 104, 202, 204) in dem ersten Frequenzbereich aufweist.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung (202, 204) in dem ersten Frequenzbereich eine Quelle (201) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (202, 204) mit einer Intensitätsmodulation ist.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Referenzquelle (115, 215) zur Erzeugung eines Referenzsignals aufweist, wobei die Referenzquelle (115, 215) mit der Einrichtung zur Demodulation (303, 304) der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereichs eines Detektors (300) des Detektorarrays (114, 214) verbunden ist.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Einrichtung zur Kopplung der Phase des Referenzsignals an die Phase der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich aufweist.
System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Einrichtung zur Kopplung der Phase des Referenzsignals an die Phase der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich aufweist.
Verfahren zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Frequenzbereich mit den Schritten Mischen der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich mit elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Frequenzbereich in einem elektrooptischen Kristall, Analysieren der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Frequenzbereich nach dem Mischen mit einem Analysator und Erfassen der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich in einem Detektorarray mit einer Mehrzahl von Detektoren hinter dem elektrooptischen Kristall, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung im zweiten Frequenzbereich in einer Mehrzahl der Detektoren des Arrays demoduliert wird.