JP2004500546A - ３次元画像形成 - Google Patents

Abstract

サンプルを画像形成する方法及び装置である。本方法は、（ａ）２５ＧＨｚから１００ＴＨｚの範囲における複数の周波数を有するパルス電磁放射線の照射ビームにより、画像形成されるサンプルを照射するステップ、（ｂ）前記サンプルを通して透過された放射線及び前記サンプルにより反射された放射線の両者を検出するステップ、及び（ｃ）前記ステップ（ｂ）において検出された前記放射線から前記サンプルの画像を生成するステップとを備えている。

Description

【０００１】
［発明の背景］
本発明は、近赤外線（ＩＲ）及びテラヘルツ周波数レンジにおける放射線により、サンプルを画像形成する分野に関する。より詳細には、本発明は、より高いギガヘルツ（ＧＨｚ）及びテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数レンジにおける電磁放射線を使用して、３次元においてサンプルを画像形成するための装置及び方法に関する。
【０００２】
しかし、このタイプの画像形成技術において、全てのかかる放射線は、特に２５ＧＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲において、より特に５０ＧＨｚから８４ＧＨｚまでの範囲において、更に特に１００ＧＨｚから５０ＴＨｚまでの範囲において、ＴＨｚ放射線として口語体で言及される。
【０００３】
近年、ＴＨｚ放射線を使用して、方法の範囲を使用した広く様々なサンプルを見ることに益々多くの興味が持たれている。ＴＨｚ放射線は、サンプルの画像形成及びスペクトルの取得の両者のために使用されている。Ｍｉｔｔｌｅｍａｎ等による研究ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ３，１９９６年９月６７９−６９２頁では、ＴＨｚ放射線を使用して、フレーム、葉、モジュール化プラスティック及び半導体のような様々な物体を画像形成する方法が例示されている。
【０００４】
ＴＨｚ放射線は、プラスティック、紙、厚紙、及び無極性有機物質のような殆どドライ、非金属及び無極性物体に浸透する。したがって、ＴＨｚ放射線は、箱、ケース等を見るためにＸ線に代わって使用することができる。ＴＨｚは、低いエネルギー、Ｘ線よりも多くの非イオン化フォトンを有し、したがって、ＴＨｚ放射線を使用した健康への危険は、従来のＸ線を使用した場合と比較して、大幅に低減されることが期待される。
【０００５】
３次元画像の生成において、医療及び非医療分野の両者において非常に多くの関心が持たれている。たとえば、歯科分野では、歯の３次元画像を生成する能力により、歯科医は、虫歯（歯の侵食）又は他の異常が発生している場所に正確に配置することができる。従来の画像形成様式−Ｘ線、ＭＲＩ等−の殆どは、２次元画像のみを本来生成するという事実により障害があった。３次元画像は、Ｘ線ビームを通して、又はＭＲＩの場合における磁界を通して患者又は身体部分を変換することによりのみ可能であった。
【０００６】
平坦な物体（フロッピーディスク）の内部構造を画像形成するためのＴＨｚの使用は、ＥＰ０８６４８５７において記載されている。ここでは、発明者はＴＨｚ放射線のビームの反射を測定し、サンプルの内部構造の画像を生成している。
【０００７】
しかし、この方法は、前面及び背面が湾曲している物体の３次元画像を取得するために適切ではない。殆どの物体は、インタフェース及び／又は外部表面を有している。外部表面は無極性であり、すなわち、実質的な曲率半径を有している。ビームが湾曲している表面から反射される場合、照射ビームに対してある角度で反射される。ＥＰ０８６４８５７の方法は、放射線が湾曲している表面から反射される時にどのように画像を取得するかを示していない。
【０００８】
また、部分的に吸収する物体は、埋め込まれたレイヤからの弱い反射を生じ、ある反射パルスについて長い吸収長となる。このことは、ＴＨｚ反射データのみを使用して３次元において正確に画像形成することができる物体の厚さを制限することになる。
【０００９】
［発明の概要］
本発明は、上記問題に対処するものである。第１の観点は、サンプルを画像形成する方法を提供する。本方法は、以下のステップを備えている。
（ａ）２５ＧＨｚから１００ＴＨｚの範囲における複数の周波数を有するパルス電磁放射線の照射パルスにより、画像形成されるサンプルを照射するステップ。
（ｂ）サンプルを通して透過された放射線及びサンプルにより反射された放射線の両者を検出するステップ。
（ｃ）ステップ（ｂ）において検出された放射線からサンプルの画像を生成するステップ。
【００１０】
反射された放射線及び透過された放射線の両者を収集することにより、非常に広い範囲の湾曲している表面を測定することができる。したがって、本発明の方法は、現実的にいずれの形状のサンプルをも画像形成することができる。透過された放射線及び反射された放射線の両者を収集することにより、サンプルの組成画像を取得することができる。
【００１１】
サンプルを透過された放射線は、サンプルの形状及び成分を決定するために使用される。サンプルから反射された放射線は、形状の情報を与えることに加えて、サンプル内の絶縁表面の位置を測定するために使用される。この技術により、内部及び外部表面の両者の曲率を測定することができる。したがって、反射された放射線及び透過された放射線の両者を使用することは、物体の３次元組成構造を決定するための非常に強力な武器である。
【００１２】
簡単な例として均質な球面を考える。かかる例では、内部にインタフェースがない。したがって、パルスは球面を通して透過され、入口及び出口の球面に関して反射される。サンプルを２次元の画素アレイに小区分し、サンプルを通して透過されるパルスの飛行時間を測定することにより、それぞれの画素にいついてサンプルの厚さを測定することができる。しかし、サンプルの形状を位置として決定することができず、インタフェースの前面の形状がわからない。前面のインタフェースの形状は、入口の球面に関して反射されたパルスの飛行時間から決定することができる。したがって、反射パルスの飛行時間と相対的な透過パルス及び反射パルスの飛行時間の差をプロットすることにより、サンプルの形状に関する情報を取得することができる。
【００１３】
したがって、画像を生成するステップは、サンプルを通して透過されたパルスの飛行時間を計算するステップ、サンプルのインタフェース又は表面から反射されたパルスの飛行時間を計算するステップ、及び反射パルスの飛行時間と相対的に透過パルス及び反射パルスの飛行時間の差又は差の関数をプロットするステップ、を備えていることが好ましい。
この差の関数は、サンプルの屈折率における変動を補正するためにプロットすることができる。
【００１４】
球面の場合において、理論的には、出口の球面に関して反射されるパルスを使用して、球面の入口に関して反射されるパルスと共に、サンプルの形状を決定することができる。しかし、該反射パルスはかなり大きな角度を通して散乱され、検出器の範囲外となる可能性があるために、サンプルの出口に関して反射パルスを使用することは望ましくない。さらに、該反射パルスは、サンプルを通して２回通過するために非常に弱い。
【００１５】
本発明は、上記の均等な球面よりもより複雑な物体を画像形成するために使用することができる。上述したように、サンプル内で最も深い位置にあるインタフェースから反射パルスを検出することは難しい。かかる複雑なサンプルは、照射ＴＨｚパルスと同じサンプル側に配置される反射された放射線の１つの検出器（又は複数の検出器）、及び照射ＴＨｚパルスに対してサンプルとは実質的に反対側に配置される透過された放射線の１つの検出器（又は複数の検出器）を使用して測定される。
【００１６】
多くのインタフェースを有するサンプルにおいて、透過された放射線の検出器により検出された放射線の中には、サンプル全体を通して透過されたものがある。しかし、収集された放射線の中には、複数回の反射を受けているものがある。たとえば、放射線は、球面の外部表面から球面に反射されて戻り、内部のインタフェースに向かう。次いで、該パルスは、球面外の内部のインタフェースで２回目に反射される。この反射パルスは、透過された放射線の検出器により収集される。サンプル内のインタフェースの深さの位置は、かかる２回反射されたパルス又は偶数回の反射を受けたパルスによる信号を見ることにより決定することができる。
【００１７】
したがって、画像を生成するステップは、サンプル内での偶数回の反射による検出された透過パルスの一部を抽出するステップ、及び上記偶数回の反射により生じた信号を使用して、インタフェースの位置を決定するステップ、を備えていることが好ましい。
【００１８】
反射信号と透過信号を直接比較することを可能にするために、基準信号が供給されることが好ましい。かかる基準信号は、ＴＨｚ放射源又は画像形成されるサンプルのいずれかに関して既知の距離にある物体から離れた反射により提供されることが好ましい。放射源と画像形成されるサンプルの間に位置される好ましくはプレーナである物体から反射が取られてもよく、放射源それ自身のコンポーネントから離れた反射から取られることが好ましい。
【００１９】
透過データ及び反射データの両者を収集することに加えて、システムの解像度が回折限界により制限されないことが好ましい。したがって、サンプルを照射するビームが、電磁放射線のパルスにおける放射線のうちで最も短い波長よりも短いビーム直径を有していることが好ましい。
【００２０】
全体のサンプルの画像を取得するために、サンプルは、２次元の画素アレイに小区分されることが好ましい。それぞれの画素により反射された放射線、又はそれぞれの画素を通して透過された放射線のいずれかが検出される。次いで、画像は画素毎に生成される。
【００２１】
画像形成されるサンプルは、ｘ及びｙ方向の両者においてステップすることができるモータ付きステージ上に配置されることが好ましい。全体のサンプルの画像は、画素毎に生成することができる。
【００２２】
ビーム直径が放射線の波長よりも小さいことにより、本発明は、近接場技術を利用する。したがって、空間解像度は、ＴＨｚビームの焦点合わせされたスポットサイズにより決定されない。
【００２３】
サンプルを照射するために使用されるパルス放射線のビームは、非線形光学特性を有する放出体により発生されることが好ましい。放出体の物質は、該放出体が予め決定された１つ又は複数の入力周波数を有する放射線により照射された時に、該放出体が所望の１つ又は複数の出力周波数、すなわち５０ＧＨｚから８４ＴＨｚまでの範囲における１つ又は複数の周波数を有するビームを放出するように選択されることが好ましい。放出されたビームの周波数は、入力放射線の１つ又は複数の周波数、及び放出体それ自身の非線形特性の両者により決定される。
【００２４】
放出体は、可視光のパルス（すなわち、０．３μｍから１．５μｍまでの範囲における波長を有するパルス）が５０ＧＨｚから８４ＴＨｚまでの範囲における波長を有するパルスに変換することができる非線形光学特性タイプを有する半導体結晶とすることができる。
【００２５】
放出体は、広い範囲の物質から選択してもよい。たとえば、ＬｉＩＯ_３、ＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４、ＡＤＰ、ＫＨ_２ＰＯ_４、ＫＨ_２ＡＳＯ_４、水晶、ＡｌＰＯ_４、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＢａＴｉＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、Ｔｅ、Ｓｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、Ｂａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、ＡｇＡｓＳ_３、淡紅銀鉱、ＣｄＳｅ、ＣｄＧｅＡｓ_２、ＡｇＧａＳｅ_２、ＡｇＳｂＳ_３、ＺｎＳ、ＤＡＳＴ（４−Ｎ−メチルスチルバゾリウム）又はＳｉである。
【００２６】
他のタイプの放出体を使用することができる。たとえば、異なる周波数を有する入力ビームによる照射に応じて、及びアンテナへのバイアスの印加に応じて所望の周波数レンジにおける放射線を放出する光導電性アンテナである。
【００２７】
非線形光学特性を有する放出体の場合。入力ビームを放出ビーム（ＴＨｚビーム）と同相に維持するために、放出体が位相整合手段を備えていることが好ましい。位相整合手段は、放射線のうちの少なくとも１つの照射ビームに応じて、放出体において伝播する少なくとも２つの異なる周波数信号の間での位相整合を強化するためのタイプとすることができる。位相整合手段は、照射放射線ビームの成分に沿った、その屈折率における空間的な回転を有する。
【００２８】
サンプルを照射するビームの直径は、放出体を照射する可視又は近赤外ビームの直径により決定されることが好ましい。この状況において、ビームを焦点合わせするために、サンプルと放出体の間に余分な光学活性成分を有する必要がない。しかし、かかる構成において、サンプルは、放出体に接近して配置される必要がある。サンプルを放出体に直接取り付けてもよい。代替的に、サンプルは、半導体の放出体の非常に近くに取り付けてもよい。たとえば、１０μｍから５００μｍまでの間である。また、ＴＨｚ放射線に対して目に見えない光受動部品、すなわちウィンドウにサンプルを取り付けてもよい。このウィンドウは、ビームを焦点合わせするための役割を果たすものではない。
放出体がたとえばＺｎＴｅのような有害な物質を備えている場合、放出体とサンプルとを分離することが好ましい。
【００２９】
本発明の方法において、透過された放射線パルス及び反射された放射線パルスの両者が測定される。上述したタイプの放出体が使用される時、反射されたＴＨｚパルスは、分析のために反射されたＴＨｚとして収集される前に、（著しい損失なしで）放出体を通して通過して戻らなければならない。したがって、好ましくは、放出体は、ＴＨｚ放射線に対して、又は少なくとも照射ビームの放射線に対して透過性を有することが好ましい。低いキャリアドーピング濃度を有する半導体がこの態様について有効である。
【００３０】
本発明は、サンプルの内部及び外部形状を決定するために透過及び反射の両者を使用している。反射された信号の検出器での測定に必要なことは、サンプル内で深く位置される湾曲したインタフェースから一旦反射されたパルスが回避されることである。しかし、反射信号は、前面のインタフェースに近い湾曲したインタフェースから測定される。サンプルのサイズ、測定されるサンプルの前面に近い表面又はインタフェースの半径の範囲を許容するために、放出体は十分に大きく、全ての反射ビームが放出体を通して通過して戻ることができなければならない。
【００３１】
エミッタが非常に小さい場合、又は画像形成が放出体のエッジの非常に近くで行われる場合、反射の中には放出体の取り付けによりブロックされるものがある。より小さな結晶を使用することができるために、サンプルの領域を画像形成するためにサンプルを移動することが好ましい。放出体及び該放出体の入力ビームの両者と相対的にサンプルが移動する時、より小さな放出体を使用することができる。
【００３２】
放出体のサイズを更に減少することは、「ＴＨｚウィンドウ」に取り付けることである。ウィンドウの物質は、たとえばポリエチレン、ポリシーン、高抵抗シリコン、Ｚ−水晶又はＴＰＸ（ポリ−４−メチルペンテン−１）とすることができ、少なくとも照射ビームに対して実質的に透過性がなければならない。ウィンドウは、薄いことが好ましく、たとえば、５０から３００ミクロンである。これは、ＴＨｚビームがサンプルに到達した時に、ＴＨｚビームの直径が最も短い波長の成分よりもなお短いことを保証するためである。ウィンドウのサイズは、無視しうる損失により全ての反射ビームが収集するために十分な大きさである。ＴＨｚに対して実質的に透過性のあるウィンドウに放出体が設けられるため、ＴＨｚは放出体についての取り付けを通して通過することができる。
【００３３】
また、たとえば、電子光学的サンプリング及び光導電性検出といった従来の可干渉性ＴＨｚ検出方法を使用して、ＴＨｚビームをある点に焦点合わせしなければならず、したがって、異なるＴＨｚビームが後続する反射を取る経路についての情報が失われる。この問題は、ＣＣＤカメラを使用することにより対処する。したがって、反射されたＴＨｚビームの検出においてＣＣＤカメラが使用されることが好ましい。この検出方法により、反射技術は湾曲された表面の形状を作り出すことができ、内部及び外部の絶縁表面の間の形状における差を作り出すことができる。
【００３４】
なお、ＣＣＤカメラは、ＴＨｚを直接検出するために使用されないことが好ましい。ＴＨｚの代わりに、電気光学的成分が可視又は近赤外放射線に変換され、次いで、近赤外、可視放射線はＣＣＤにより収集される。ＩＲ又は可視放射線へのこの変換は、ＡＣ Ｐｏｃｋｅｌｓ効果をサポートする物質を通してＴＨｚビームで偏光された基準ビームを通過させることにより達成される。次いで、この物質により放出される光は、偏向子を通してＣＣＤに通過される。ＴＨｚ信号により回転されたその偏光を有していた光のみが偏光子からＣＣＤに転送される。
【００３５】
また、オフアクシス放物線ミラーを使用して出力光を収集する時、ミラーの中央とエッジの間の異なる光学経路長による、僅かな時間遅延が存在する。結果的に、反射ビームの異なる経路長により、パルスは検出器での異なる時間で到達することになる。内部の絶縁層の位置によるパルスの時間シフトと、サンプルからの反射と光学的ミラーのうちの１つによる異なる経路長との間の結合である時間シフトとの間で区別することが容易ではないため（可能である場合）、これにより問題が生じる。
【００３６】
この問題もまた、ＣＣＤカメラを検出器として使用することにより対処することができる。ＴＨｚを測定することができる場合、ＣＣＤカメラを使用して、全ての反射されたＴＨｚビーム、時間的及び空間的なシフトを含んでいる２次元領域を画像形成することができる。言い換えれば、ＣＣＤカメラを使用することにより、サンプルに関するより正確な情報を得ることができる。
【００３７】
ＣＣＤ技術を使用して、サンプルから透過された放射線及び反射された放射線の両者を収集することができる。多くの状況のように、透過されたビームもまたオフアクシスで転送してもよい。
【００３８】
本発明の方法において、飛行時間を使用する方法により、データを導出することができる。サンプルの入口のように、サンプルの屈折率における変動によりその速度は変化する。したがって、サンプルを通してのパルスの飛行時間を測定することにより、サンプル形状の画像は、透過を使用して取得することができる。
【００３９】
英国出願番号９９４０１６６７の周波数領域での分析技術を使用して、構造の組成を決定することができる。この出願において、透過された又は反射された複数の周波数のうちの単一周波数が使用され、画像が生成される。あるケースでは、狭い範囲の周波数、或いは特定の周波数又は周波数レンジの選択について研究されている。
【００４０】
選択された周波数レンジは、サンプルを照射するために使用される通過される電磁放射線の全レンジの３分の１よりも少ない周波数レンジに典型的に設定される。より好ましくは、選択される周波数レンジは、サンプルを照射するために使用される通過される電磁放射線の全周波数レンジの１０％よりも少ない。
【００４１】
たとえば、水は、ＴＨｚ放射線の強い吸収体である。５０ＧＨｚから５００ＧＨｚまで、３０ＴＨｚから４５ＴＨｚまで、５７ＴＨｚから８４ＴＨｚまでの水分吸収スペクトルにおいて「ウィンドウ」が存在する。サンプルが５０ＧＨｚから８４ＴＨｚまでの周波数レンジにより照射される場合、１つ又は複数の以下の選択された周波数レンジ、５０ＧＨｚから５００ＧＨｚまで、３０００ＧＨｚまで、３０ＴＨｚから４５ＴＨｚまで、及び５７ＴＨｚから８４ＴＨｚまでを使用して画像を生成することが好ましい。画像は、選択された周波数レンジにわたり統合することにより生成されてもよい。
【００４２】
したがって、上述のような透過された情報を分析することにより、１つの周波数又は選択された周波数範囲により、画像を作成することができる。また、複数の画像を複数の周波数から導出してもよく、又は１つの画像を２つ又は２を超える固有の周波数から導出してもよい。これは非常に強力な分析であり、決定される物質の成分における変動を許容することができる。
【００４３】
１つ又は複数の画像を様々なやり方で生成してもよい。たとえば、複数の異なる周波数から画像の系列を生成してもよい。
一般に、本発明は、それぞれの画素についての時間的なデータを検出するために配置される画像形成装置を使用して実行される。該データをフーリエ変換して、周波数領域Ｅ（ω）における複素ＴＨｚ電界を与えることが好ましい。
【００４４】
この複素ＴＨｚ電界Ｅ（ω）から様々なやり方で画像を取得することができる。たとえば、以下による。
（ｉ）サンプルのパワースペクトルＰ_{ｓａｍｐｌｅ}（ω）、及び基準信号のパワースペクトルＰ_ｒｅｆ（ω）を計算してもよい。次いで、選択された周波数レンジにわたる統合にわたっての選択された周波数で、それぞれの画素について、所与の周波数についての２つのパワースペクトル間の差をプロットすることにより、画像を生成することができる。
（ｉｉ）サンプルのパワースペクトルＰ_{ｓａｍｐｌｅ}、及び基準パワースペクトルＰ_ｒｅｆを小区分して透過率を与えてもよい。ついで、選択された周波数レンジにわたる統合にわたっての選択された周波数で、それぞれの画素について、透過率をプロットしてもよい。
（ｉｉｉ）複素電界Ｅ（ω）から周波数に依存する吸収係数α（ω）を計算し、選択された周波数レンジにわたる統合にわたっての選択された周波数で、それぞれの画素について、プロットしてもよい。
（ｉｖ）周波数に依存する屈折率η（ω）もまた、複素電界から計算してもよく、選択された周波数レンジにわたる統合にわたっての選択された周波数で、それぞれの画素について、プロットしてもよい。
【００４５】
検出された時間的な電界は、ビーム経路における媒質の複素誘電率の完全な記述を与える位相及び振幅情報の両者を含んでいる。特徴付けられるサンプルは、ビームに挿入され、サンプルを通して伝播したパルス又はサンプルから反射されたパルスの形状は、サンプルなしで取得された基準の時間的なプロファイルと比較される。複素電界Ｅ（ω）と基準信号Ｅ_ｒｅｆ（ω）の割合が計算され、サンプルの複素応答関数Ｓ（ω）が与えられる。最も簡単な場合、複素応答関数は、以下のように与えられる。
【００４６】
【数１】

ここで、ｄはサンプルの厚さ、ｃは真空における光の速度、ηは屈折率、及びαは吸収係数である。経験的な吸収係数α（ω）及び屈折率η（ω）は、以下に従う振幅Ｓ（ω）のＭ（ω）及び位相Ｓ（ω）のφ（ω）のそれぞれから容易に抽出してもよい。
【００４７】
【数２】

サンプルの絶縁インタフェースでの反射を説明するために、式（１）〜（３）において追加の項が含まれていてもよい。これにより、多層サンプルの正確な分析が可能となる。
これらのパラメータは、以下のように、サンプルの複素誘電関数ε（ω）に簡単に関連付けることができる。
【００４８】
【数３】

（ｉ）〜（ｉｖ）において示されたように導出されたデータは、カラー又はグレイスケール画像のいずれかとして直接プロットされてもよい。ここで、それぞれの画素についてのカラー又はグレイの陰は、所与の振幅を表す。
【００４９】
１つの周波数の代わりに、選択された周波数レンジ、結果及び該レンジにわたり統合された（ｉ）〜（ｉｖ）のデータを選択することができる。次いで、統合されたデータをプロットすることができる。
【００５０】
好ましくは、上記（ｉ）〜（ｉｖ）のいずれかに従うプロセスのデータを様々なバンドに小分けしてしてもよい。たとえば、ある値を下回る全てのデータを値０に割当て、次の振幅レンジにおける全てのデータを１に割当てる。これらのレンジは、振幅において等しい幅を有していてもよいし、異なる幅を有していてもよい。異なる幅は、たとえば、ＴＨｚのサンプル吸収における小さな変動があるサンプルの領域におけるコントラストを強調するために、コントロストを改善するために好ましい。
【００５１】
好ましくは、本発明では、２つ又は２を超える周波数を使用する。該２つの周波数からのデータは、上記（ｉ）〜（ｉｖ）のいずれかに従い処理される。次いで、データは、上述した１つの周波数について記載されたようにバンド分けされる。
【００５２】
データは、２つのバンドに分割されてもよい。一方を値「０」に割当て、他方を値「１」に割当てる。次いで、両方の周波数からのデータは、たとえば、ＡＮＤ，ＯＲ，ＮＯＴ，ＮＡＮＤ，ＸＯＲ等のブール代数表現のようなルールを使用して、互いに加算することができる。
【００５３】
勿論、本発明により、画像は２つの異なる周波数から比較することができる。ＴＨｚに対する吸収がある周波数レンジにわたり変化する物質を識別するために特に有効となる場合がある。
【００５４】
したがって、複雑な画像を生成することができる。このシステムは、胸部の３次元構造に関する空間情報及び成分情報の両者を導出することができる乳がんの検出において特に有効である。また、本発明を使用して、歯及び骨を画像形成することができる。
【００５５】
本発明の方法により、内部成分、形状及び内部表面の位置を決定することができる。したがって、サンプルの３次元画像は、本発明の３つの態様の方法から生成することができる。第２の態様では、本発明は、以下を備える装置を提供する。
ａ）２５ＧＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲における複数の周波数を有するパルス電磁放射線の照射ビームにより、画像形成されるサンプルを照射するための手段。
ｂ）サンプルを通して透過された放射線及びサンプルから反射された放射線の両者を検出するための手段。
ｃ）ステップｂ）において検出された放射線からサンプルの画像を生成するための手段。
【００５６】
上述した理由のため、近接領域で画像形成が実行されることが好ましい。したがって、サンプルを照射するためのステップが２５ＧＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲における複数の周波数を有する放射線のビームを放出するための放出体を備えていることが好ましい。該放出体は、光学的な非線形特性を有しており、可視又は近赤外周波数レンジにおける周波数を有する入力ビームで放出体が照射された時、２５ＧＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲における周波数を有するビームが放出される。パルス放射線の入力ビームは、放出されたビームのうちで最も短い波長のビーム直径よりも短い直径を有することが好ましい。
【００５７】
サンプルを画像形成するために、サンプルは、２つの直交する方法において画素毎にステップされるべきである。したがって、本装置は、２つの直交する方向において画素毎にステップすることができるように構成されるモータ付きステージを更に備えることが好ましい。
【００５８】
サンプル自身は、モータ付きステージに取り付けることができる。代替的に、サンプル及び放出体は、モータ付きステージに取り付けることができる。
本発明は、以下の添付図面において示される、好適な限定するものではない実施の形態を参照して記載される。
【００５９】
［発明の実施の形態］
図１は、近接場での透過及び反射による画像形成システムの概略図である。焦点合わせされた可視ビーム（可視電磁領域における波長、すなわち典型的に０．３μｍ〜１．５μｍの間の波長を有する）は、ＴＨｚ放出体３に焦点が合わせられている。ＴＨｚ生成クリスタル３は、可視光で照射された時に、ＴＨｚレジーム（５０ＧＨｚから８４ＴＨｚまで）における放射線を放出する非線形特性を有する結晶である。
【００６０】
ＴＨｚパルス５は、ＴＨｚ生成クリスタル３から放出される。放出されたビームの現実の周波数は、入力照射の周波数、及び放出体自身の物理的特性により決定される。所望の周波数レンジを有する放出されたビームは、放出体の物質を及び入力照射の周波数の適切な選択により得ることができる。
【００６１】
ＴＨｚ生成クリスタルに衝突する入力の直径は、放出体３からのＴＨｚパルスにおいて生成される最も短い波長を有するビームの直径よりも短い。サンプル７は、放出体３に直接取り付けられている。したがって、サンプルは、ＴＨｚ光のうちで最も短い波長のビーム直径よりも短いビーム直径を有するＴＨｚ放射線のビームで画像形成される。したがって、サンプルから取得される画像の解像度は、回折限界により制限されない。
【００６２】
ＴＨｚパルスの中には、サンプル７を通して透過されるものがある。透過されるＴＨｚは、参照符号８により示される。また、ＴＨｚパルスは、サンプル７から反射される。この特別な例において、ＴＨｚパルス５の第１の反射は、サンプル７と放出体３の間のインタフェース１１で生じる。
【００６３】
サンプル７内の第２の絶縁インタフェース１３により、第２に反射されたＴＨｚパルスである反射Ｒ_２が生じる。このパルスは、時間Δτ_１で反射され、ＴＨｚパルスがサンプル７から離れる時に第３の反射Ｒ_３が生じる。反射パルス及び透過パルスの両者を収集することにより、サンプル７についてのかなりの詳細を決定することができる。
【００６４】
反射されたＴＨｚパルス１０は、オフアクシス放物線ミラー１２により収集される。次いで、通過した反射ＴＨｚパルスは検出器（図示せず）に向けて反射される。オフアクシス放物線ミラー１２は、放射源（図示せず）からの焦点合わせされた可視ビーム１を放出体３に伝送するためのホール１４を有している。
【００６５】
図２は、完成されたシステムを示している。便宜上、同じ符号は、図１及び図２に関して同じ要素を示している。パルスレーザ源２１は、可視光１のビームを提供する。光１のビームは、ビームスプリッタ２３に衝突する。ビームスプリッタは、半銀付けミラー等であってもよい。ビームスプリッタ２３は、可視パルスの一部２５は放出体３の方向に通過され、可視パルスの第２部分２７は検出機構の方向に反射される。このビーム２７は、検出機構において基準ビームとして最終的に使用される。
【００６６】
ＴＨｚビームを生成するために使用される可視ビーム２５を最初に見ると、該ビームはオフアクシス放物線ミラー２９を通して最初に通過される。オフアクシス放物線ミラー２９はホールを有しており、そこを通して可視パルスの伝送を可能にする。次いで、パルスは、図１において示されるような放出体３に向けられる。
【００６７】
図１に関して上述されたように、ＴＨｚパルス５は、サンプル７の外部表面、及び絶縁内部表面から反射される。次いで、この反射されたパルス３１は、オフアクシス放物線ミラー２９により収集される（可視パルス２５が通過したのと同じミラーである）。ミラー２９は、画像を生成するために使用されるＴＨｚ検出器に該パルス３１を反射する。
【００６８】
第２のオフアクシス放物線ミラー３５は、サンプル７から透過されたＴＨｚパルス３７を収集するために使用される。オフアクシス放物線ミラー３５は、透過されたパルスを進めてＴＨｚ検出器３９に向ける。
【００６９】
可視パルス２７は、ミラー４３、４５及び４７を介してＴＨｚ検出器３３及び３９に向けられる。光遅延線４９は、可視パルス２７と収集された反射及び透過ＴＨｚ放射線とを同期させるために設けられている。反射されたＴＨｚ放射線及び透過されたＴＨｚ放射線がサンプルを通して通過する時、パルスが遅延される。光遅延線はこの作用を補償する。
【００７０】
図３は、図２の画像形成システムの変形例を示す図である。図３は、図２と非常に類似している。しかし、ここでは、可視ビーム２５は、２色性ビームスプリッタ５１に衝突する。このビームスプリッタ５１は、可視光に対して理想的に１００％反射性があるが、反射されたＴＨｚビームに対しては１００％透過性がある。
【００７１】
この構成において、２色性ミラー５１は、ビームをオフアクシス放物線ミラー２９に反射する。次いで、オフアクシス放物線ミラーは、可視ビームを放出体３に向ける。可視ビーム２５がオフアクシス放物線ミラーから反射される時、オフアクシス放物線ミラーを使用して、ビームを短い直径にして生成クリスタル３に焦点合わせすることができる。
【００７２】
反射されたＴＨｚパルス３１は、反射されたパルスがオフアクシス放物線ミラー２９により収集されるような、図１及び図２について記載されたような同じやり方で収集することができる。オフアクシス放物線ミラー２９は、反射されたパルス３１を２色性ミラー５１に向ける。２色性ミラーは、ＴＨｚに対して透過性があるため、パルス３１を検出器３３に透過させる。
透過された放射線３７の収集、及び基準ビーム２７の検出器３３及び３９への方向付けは、図２において記載されたものと同じである。
【００７３】
図４は、電子−光学検出を使用した完全な検出システムを示している。このシステムは、図２の検出と全く同じである。しかし、ここでは、ＴＨｚ検出器３３及び３９がより詳細に示されている。検出システム３３及び３９は同じである。したがって、簡単のために、検出器３３のみについて説明する。
【００７４】
検出器３３において、オフアクシス放物線ミラー１０３を使用して、反射されたサンプルの情報１０１を伝送するＴＨｚビーム、及び可視光ビーム２７が結合される。オフアクシス放物線ミラー１０３は、そこを通して可視ビーム２７の伝送のためのホールを有する。次いで、可視ビーム２７及び反射ビーム１０１の両者は、ＴＨｚ検出クリスタル１０５に向けられる。
【００７５】
可視光ビーム２７は、検出クリスタル１０５に照射される基準ビームとしての役割を果たす。それぞれのアクシスは、結晶の通常の軸及び臨時の軸のそれぞれに沿って、固有の屈折率ｎ_ｏ及びｎ_ｅを有する。第２のＴＨｚ放射線ビーム１０１がない場合には、線形に偏光された基準ビーム２７は、その偏光に対して無視しうる変化で検出クリスタル１０５を通して通過する。
【００７６】
出願人は、偏光が回転される角度は無視しうるものではあるが、線形に偏光されたビームが僅かに楕円とすることができることを明確にすることを望んでいる。この作用は、可変の遅延の波面、たとえば４分の１波面１０７により補償される。放出されたビームは、４分の１波面１０７を使用して、循環的に偏光された光に変換される。
【００７７】
次いで、放出されたビームは、ウォラストンプリズム１０９のようなビームスプリッタにより、２つの線形に偏光されたビームに分割される。該プリズム１０９は、偏光されたビームの２つの直交する成分を平衡ダイオードアセンブリ１１１に向ける。平衡ダイオードの信号は、２つのダイオードの間の出力における差がゼロであるように、波面１０７を使用して調節される。
【００７８】
しかし、検出器１０７が基準ビームと同様に第２のビーム１０１（この場合、ＴＨｚレンジにおける周波数を有するビーム）を検出する場合、偏光が回転される角度を無視することはできない。これは、ＴＨｚ電界が軸ｎ_ｅ及びｎ_ｏのうちの一方に沿った目に見える（基本的な）放射線の屈折率を修正するためである。これにより、検出器１０５が楕円となった後に可視フィールドとなる。したがって、プリズム１０９により分離された偏光成分は、等しくない。ダイオード出力の間の信号における差は、検出信号を与える。
【００７９】
基準ビーム２７及びＴＨｚビーム１０１は、クリスタル１０５を通して通過する時、同相にあるべきである。さもなければ、偏光回転が不明になる。したがって、検出クリスタル１０５は、クリア信号を生成するための位相整合手段を有している。
【００８０】
光遅延は、キューブミラー１２１及び平面ミラー１２３により導入される。キューブミラー１２１は、光経路長及び基準ビーム２７の長さを変化するために前後に移動される。
【００８１】
図５は、図４のシステムに関する変形例を示す。ここでは、光導電性ＴＨｚ検出器１３１及び１３３による光導電性による検出が使用されて、透過及び反射されたＴＨｚビームを検出する。
【００８２】
図４及び図５において示されるシステムは、両検出要素に供給する（キューブミラー１２１及び平面ミラーにより達成される）１つの光遅延線を有している。代替的に、それぞれの検出要素についての分離された遅延線を使用することができる。これは、非常に厚い物体が画像形成される時に必要となる場合がある。ここでは、透過されたＴＨｚパルスは、前面の表面から反射されるパルスよりも長い遅延を受ける。したがって、１つの光遅延が適さない場合がある。
【００８３】
オフアクシス放物線ミラー２９、３５を慎重に配置して、透過されたＴＨｚパルス３７及び反射されたＴＨｚパルス３１の両者を効果的に収集することを保証する必要がある。
【００８４】
ＴＨｚビームが湾曲した表面、すなわちＴＨｚビームの方向に対して平行でない正常な表面を有する表面に照射される場合、ＴＨｚビームは同じ軸に沿って反射されない。代わりに、ＴＨｚビームは、表面の湾曲と共に増加する角度で反射される。
【００８５】
２つの上述したＴＨｚ検出方法において、ＴＨｚは、検出のためのある点に焦点合わせされる。したがって、異なるＴＨｚビームが続いて反射する経路についての情報が失われる可能性がある。
【００８６】
また、オフアクシス放物線ミラーを使用して出力を収集する時、ミラーの中央と縁の間での異なる光経路長による僅かな時間遅延がある。結果的に、ビームを反射する異なる経路長により、パルスは検出器で異なる時間で到着する。図４及び図５の検出方法を使用することにより、ビームは１点に焦点合わせされる。これにより、絶縁層の妨害による時間シフトと、絶縁位置とミラーに関する異なる経路長との結合である時間シフトとの間で区別することが難しくなるので（不可能でない場合）、問題が生じる。
【００８７】
ミラーに対して異なる経路の作用は、表面／インタフェースは鋭く湾曲している時に最も大きくなる。しかし、ＣＣＤカメラを使用する場合、ＴＨｚビームの時間的及び空間的なシフトの両者を測定することができ、これにより、画素毎のサンプルの正確な曲率を決定することができる。
【００８８】
図６は、図４及び図５と同じシステムを示している。異なる点は、図６の検出機構がＣＣＤを使用している点である。
基準ビーム２７は、オフミラー４７で反射され、偏光子１４２を通してビームを通過することにより偏光される。次いで、偏光された基準ビーム２７は、ビームスプリッタ１０２を使用して反射された放射線１０１と結合される。ビームスプリッタは、ＴＨｚ放射線に対して透過性があり、ＴＨｚ放射線は、ビームスプリッタ１０２を通して透過される。しかし、可視光に対しては透過性がなく、反射され偏光された基準ビーム２７は、ＴＨｚビームと結合される。
【００８９】
反射されたＴＨｚビーム１０１及び基準ビーム２７は、検出器クリスタル１４１の方向に向けられる。この検出メカニズムは、ＡＣ Ｐｏｃｋｌｅｓ効果に基づいており、基準ビーム２７の偏光は、反射されたＴＨｚビーム１０１の存在により回転される。次いで、緊急のビーム１３９が偏光子１４０を通して通過される。偏光子１４０及び１４２は、互いに関して交差される。
【００９０】
したがって、ＴＨｚビームが存在しない場合、ビーム２７の偏光は回転されず、ビームは偏光子１４０によりブロックされる。しかし、ビームが回転される場合、偏光子１４０は、透過されたビーム１３９の少なくとも１部を透過させる。次いで、出力１４０の出力は、ＣＣＤカメラ１４３に向けられる。したがって、ＣＣＤカメラ１４３を使用し、ＴＨｚ放射線の存在を検出して、ＣＣＤにより検出された空間の変化を介して反射されたＴＨｚビームの空間依存性を与える。
【００９１】
図７は、図６のシステムの変形例を示している。図７のシステムは、図６のシステムよりもコンパクトである。可視入力ビーム２３は、図１を参照して上述されたように、オフアクシス放物線ミラーにおけるホールを通して放出体３に伝送される。オフアクシス放物線ミラー２９が使用されて、反射された放射線を収集し、検出器３３に向ける。同様にして、透過された放射線は、オフアクシス放物線ミラー３５により収集され、検出器３９に向けられる。
【００９２】
このシステムと図６のシステムの間の主な差異は、基準ビームが反射されたＴＨｚビーム及び透過されたＴＨｚビームに結合されるやり方である。基準ビーム２７は、上述したように光遅延線４９を通して供給される。ビームの部分２７ａは、反射されたＴＨｚ信号のために使用されることとなり、第１の交差される偏光子２０１ａを通して通過される。次いで、この偏光された基準ビームは、反射されたＴＨｚパルス３１及び偏光された基準信号２７ａの両者が検出器３３に向けられるように、オフアクシス放物線ミラー２９における第２のホールを通して通過される。
【００９３】
図６を参照して記載されたのと同様に、ＴＨｚビーム３１により基準ビーム２７ａの偏光の回転が生じる。第２の偏光子２０３ａは、回転されていないいずれかの放射線の部分をブロックする。２０１Ａ及び２０３ａは、交差された偏光子である。次いで、偏光子は、ＣＣＤカメラ１４３に供給される。
【００９４】
透過されたビームについての基準ビームは、ビーム２７ｂとして分割される。次いで、このビームは、偏光子２０１ｂを通して通過され、偏光された基準ビームが得られる。次いで、ビーム２７ｂは、オフアクシス放物線ミラー３５におけるホールを通して通過され、透過されたＴＨｚ放射線３７を基準ビーム２７ｂに結合する。
【００９５】
次いで、上述したように、基準ビーム２７ｂの偏光の回転を通して、透過されたＴＨｚビームの存在が検出される。次いで、緊急のビームは偏光子２０３ｂに供給される。偏光子２０３ｂがその偏光ベクトルを回転していないいずれかの放射線を偏光子２０３ｂがブロックするように、偏光子２０１ｂと交差される。
【００９６】
図８は、図７のシステムに非常に類似したシステムを示している。ここでは、２つのＣＣＤカメラ１４３及び１４５の代わりに、１つのＣＣＤカメラ１５１が使用され、透過された放射線及び反射された放射線の両者を検出している。
【００９７】
特に、第２の交差された偏光子２０３ａにより透過されたビームは、ＣＣＤカメラ１５１に向けられる。また、第２の交差された偏光子２０３ｂにより透過されたビーム（透過放射線）もまた、ＣＣＤカメラ１５１に向けられる。１つのＣＣＤカメラアレイ要素は、反射された画像及び透過された画像が同時に検出されることを意味している。
【００９８】
図１〜図８において、サンプルは放出体に取り付けられて示されている。この配置は、図９において特に示されている。サンプルの領域の完全な画像を得るために、サンプルは、画素毎にｘ及びｙ方向の両者において、ＴＨｚビームに相対的にステップされる。これは、放出体にサンプルを取り付け、モータ付きステージを使用して放出体及びサンプルの両者を互いに移動することによる。
【００９９】
画像形成システムにおいて、反射された放射線及び透過された放射線の両者が収集されなければならない。したがって、反射されたＴＨｚパルスは、オフアクシス放物線ミラー（図１〜図８における参照番号２９）に到達する前に、放出体クリスタルを通して通過され戻らなければならない。
【０１００】
言い換えれば、放出体は、反射されたＴＨｚのためのウィンドウとしての役割を果たす。また、大きな範囲での測定されるサンプルのサイズ及び表面の曲率を可能とするために、放出体は、全ての反射されたビームが放出体を通して通過させ戻すことができるように、十分に大きくなければならない。
【０１０１】
図９ｂは、より小さな放出体を使用することができる配置を示している。この配置において、放出体により接近してサンプルが取り付けられている（たとえば、１０〜５００μｍの間、サンプルのみがｘ−ｙ平面において移動される）。言い換えれば、サンプルは放出体に相対的に移動される。高い空間解像度を確保するために（すなわち、近接場領域）、サンプルは放出体表面の近くに保持されなければならない。
【０１０２】
また、放出体３の表面から１０〜１００μｍについて取り付けられている薄いウィンドウにサンプルが取り付けられていてもよい。この場合、放出体は、サンプルからの全ての反射されたパルスがオフアクシス放物線ミラー２９に到達することができるように十分に大きいことを必要とする。
【０１０３】
図９ｂの構成において必要とされる放出体のサイズは、図９ａの放出体のサイズよりも小さい。放出体は、サンプルからの全ての反射パルスを捕獲するために十分に大きいことを必要とする。図９ｂにおける配置において、放出体は、画像形成されるサンプルの小さな部分からの全ての反射パルスを捕獲するために十分な大きさを必要とする。
【０１０４】
図９ｃにおいて、放出体はＴＨｚウィンドウに取り付けられている。放出体のための取り付けによりＴＨｚが透過される時、全ての反射されたＴＨｚパルスを放出体を通して通過させて戻すための必要条件がないので、放出体をより小さくすることができる。放出体は，ＴＨｚビームを生成するために十分に大きくなければならない。
【０１０５】
また、サンプルは、放出体とは反対側に放出体に接近して取り付けられる。この配置において、サンプルのみが移動される必要がある。したがって、放出体のみが、領域において数平方ミリメートルである必要がある（たとえば、２５ｍｍ×２５ｍｍ以下）。ウィンドウ４は、ＴＨｚビームがサンプルに到達した時に、ＴＨｚビーム直径が最も短い波長成分よりもなお短いことを保証するために薄い。
【０１０６】
図１０は、本発明の原理を説明するための簡略化された例として使用される一様な球面３０１を示している。球面３０１は、球面３０１と配置される空間３０３との間でのＴＨｚ周波数で屈折率における差があるように絶縁材料から構成されている。
【０１０７】
絶縁層の厚さｄは、以下の関係を使用して時間遅延τから導出することができる。
τ＝ｄ（ｎ−１）／ｃ　　　　　　　（１）
ここで、ｎは放射線が浸透する媒体の屈折率であり、ｃは自由空間における光速である。
【０１０８】
ＴＨｚビームは、球面３０１に照射される。ＴＨｚビーム３０５は、球面３０１を通して透過され（ビームＴ１として図示）、透過された放射線の検出器３０６により収集される。また、ビームは、第１のインタフェース３０７（ビームＲ１）及び第２のインタフェース（ビームＲ２）から反射される。
【０１０９】
この説明のために、インタフェースは、放射線のビーム３０５に遭遇される順番に番号付けされている。反射されたＴＨｚビームは、反射された放射線の検出器３０８により収集される。
【０１１０】
透過されたビームＴ１の時間遅延τ_ｔ１を使用して、サンプルの厚さを決定することができる。しかし、物体が球面（円形）、方形又はいずれか他の形状であるかを決定することは不可能である。これは、τ_ｔ１が等しい厚さの全ての形状について同じであるからである。
【０１１１】
たとえば、形状３１１は、球面３０１と同じ厚さを有している。しかし、形状３０１の前面のインタフェース３０７は平坦である。球面３０１及び形状３１１の両者は、透過された信号の同じ飛行時間を生じる。
【０１１２】
物体の形状を確立するために、第１の表面３０７から反射されたパルスＲ１に関連する時間遅延が必要とされる。これは、反射されたＴＨｚの検出器３０８により測定される。このパルスの飛行時間τ_ｔ１は、第１の絶縁他フェース（たとえば、空気−球面）の位置を確立する。これより、サンプル３０１の厚さがτ_ｔ１から知ることができるので、第２のインタフェース３０９の位置を決定することができる。
【０１１３】
したがって、その画素でのτ_ｔ１に関してそれぞれの画素の座標（ｘ，ｙ）で差τ_ｔ１、−τ_ｔ１をプロットすることにより、球面３０１の形状をプロットしてもよい。
たとえば、テラヘルツに対して透過性のあるウィンドウの上部表面又は下部表面（図１において図示せず）、照射ビーム３０５及びサンプル３０１の間の配置、又はテラヘルツ放出体自身における内部反射（図１において図示せず）のような、既知の位置の基準平面からの別な反射に関してτ_ｔ１をプロットすることにより、物体の絶対的な位置を確立してもよい。
【０１１４】
理論において、球面−空気の第１のインタフェース３０９からの反射されたパルスＲ２の飛行時間τ_ｔ２を使用することにより、同様なやり方で形状を描くことも可能である。しかし、このやり方が実用的でない２つの理由がある。第１に、パルスＲ２は、球面を通して通過する時に減衰のために弱くなりがちである。これは特に、象牙質、エナメル、キャビティパルプが全てテラヘルツを吸収する人間の歯のようなサンプルでは真である。
【０１１５】
第２に、球面−空気のインタフェース３０９の湾曲した性質により、反射された信号Ｒ２が検出器の視野の外になることを左右する。信号Ｒ１は、検出器３０８に近く、より効果的に収集される。この点は、任意の形状の物体における制限をより多くする。任意の形状では、背面の表面が湾曲されているか、輪郭付けされている。したがって、背面の表面３０９の先験的な知識なしでどの角度Ｒ２が反映されるかを判断することは困難、又は不可能である。
【０１１６】
透過された信号Ｔ１は、この場合Ｒ２よりも優れている。これは以下のためである。１）透過された信号はＲ２よりも強くなりがちである。これは、該信号が球面を１度だけ通過し、その減衰がＲ２よりも少ないためである。２）透過された放射線の検出器３０６を物体にきわめて近く正確に配置することができ、全ての放射線Ｔ１を収集することができる。
【０１１７】
図１０の球面は、内部のインタフェースを有さずに一様である。複数の内部のインタフェースが存在する状況により複雑化される。図１１は、図１０のより一般的なケースを示しており、ここでは３次元サンプル３１３が複数の同心の絶縁球面を備えている。サンプルは、自由空間“ａ”において配置されている。サンプルは、最も外側の球面“ｂ”、中間の球面“ｃ”及び内側の球面“ｄ”を有している。一般に、それぞれの球面は、異なる吸収係数及び屈折率を有している。
【０１１８】
図１０を参照して記載されたのと同様なやり方で、サンプル３１３は、ＴＨｚ放射線３０５により照射される。透過された放射線は、反射された放射線の検出器３０８を使用して収集される。はじめに、反射された放射線の検出器により収集された信号について説明する。
【０１１９】
絶対座標系で画像を構築するために、たとえば、テラヘルツに対して透過性のあるウィンドウの上部表面又は下部平面、照射ビーム３０５及びサンプル３０１の間の配置（図示せず）、又はテラヘルツ放出体自身における内部反射（図示せず）のような、既知の位置の基準平面からの反射が必要とされる。
【０１２０】
反射された放射線の検出器３０８により検出された３つの最も強度が高い信号は、ａ−ｂインタフェース３１５、ｂ−ｃインタフェース３１７からの反射、ｃ−ｄインタフェース３１９からの反射である。
【０１２１】
ａ−ｂインタフェース３１５の位置は、インタフェース３１５から反射されたパルスに関連する時間遅延τ_ｔ１を測定することにより決定することができる。τ_ｔ１を基準平面（図示せず）から反射されたパルスに関連する時間遅延と比較して、ａ−ｂインタフェース３１５の位置を決定することができる。
【０１２２】
ｂ−ｃインタフェース３１７の位置は、インタフェース３１７から反射されたパルスに関連する時間遅延τ_ｔ２を測定することにより決定することができる。τ_ｔ２をａ−ｂインタフェースから反射されたパルスに関連する時間遅延と比較することにより、τ_ｔ１から決定された位置に関して（τ_ｔ２−τ_ｔ１）ｃ／２ｎから決定される厚さをプロットすることにより、位置を取得してもよい。
【０１２３】
ｂ−ｃインタフェース３１７の位置の決定において、領域ｂにおける屈折率ｎが使用されるべきであり、τ_ｔ２−τ_ｔ１に対する材料の寄与を補正することができる。“ｃ”は自由空間（ｎ＝１）における光速である。
【０１２４】
ｃ−ｄインタフェース３１９の位置は、インタフェース３１９から反射されたパルスに関連する時間遅延τ_ｔ３を測定することにより決定することができる。τ_ｔ３をｂ−ｃインタフェース３１７から反射されたパルスに関連する時間遅延と比較することにより、τ_ｔ２から決定された位置に関して（τ_ｔ３−τ_ｔ２）ｃ／２ｎから決定された厚さをプロットすることにより取得することができる。
【０１２５】
インタフェースｂ−ｃ３１７の位置の決定において、領域ｃの屈折率ｎが使用されるべきであり、τ_ｔ３−τ_ｔ２に対する材料の寄与を補正することができる。“ｃ”は自由空間（ｎ＝１）における光速である。
透過された放射線の検出器３０６により収集されたデータを使用して、「より深く」インタフェースｄ−ｃ３２１、インタフェースｃ−ｂ３２３、インタフェースｂ−ａ３２５の位置が決定される。
【０１２６】
反射データ及び透過データを互いに使用するためには、共通の時間ゼロを確立し、この時間ゼロの後に、様々な時間遅延τ_ｔ１、τ_ｔ２、．．．、及びτ_ｔ１、τ_ｔ２をプロットことが必要である。時間ゼロは、Ｔ_ｒｅｆ／２として取ることができ、Ｔ_ｒｅｆは基準パルスが反射された放射線の検出器３０８に到達する時間である。これは、照射パルス３０５が基準平面を残し、サンプル３１３の方向に通過する本質的な時間である。
【０１２７】
３次元画像を構築するための次のステップは、上記反射分析から既知の位置ｃ−ｄ３１９に関して、インタフェースｄ−ｃ３２１の位置をプロットすることである。ｃ−ｄインタフェース３１９から反射されたビームとインタフェースｄ−ｃ３２１から透過されたビームとの間の遅延を使用することを含んでいる。
【０１２８】
サンプルを通して透過された放射線は、透過される前に、複数の反射を受ける。複数の反射を受けておらず、かつサンプル３１３を通してちょうど透過された放射による信号はｔ１である。サンプルを通してのｔ１の飛行時間は、τ_ｔ１である。
【０１２９】
透過されたビームｔ２は、透過された放射線の検出器３０６により検出されたものであり、インタフェース３１５，３１７，３１９，３２１及び３２３を通して透過される。しかし、ビームは、ｂ−ａインタフェース３２５でサンプルに反射されて戻る。ｔ２は、ｃ−ｂインタフェース３２３により２回目に反射され、サンプル３１３を出て、透過された放射線の検出器３０６により収集される。ビームｔ２の飛行時間は、τ_ｔ２である。
【０１３０】
透過された放射線の検出器により検出される透過されたビームｔ３は、インタフェース３１５，３１７，３１９，３２１及び３２３を通して透過される。しかし、ビームは反射されて、ｂ−ａインタフェース３２５でサンプル３１３に戻る。ｔ３は、インタフェース３２１を通して透過され、ｄ−ｃインタフェース３２１により２回目に反射され、サンプル３１３を出て透過された放射線の検出器３０６により収集される。ビームｔ３の飛行時間は、τ_ｔ３である。
【０１３１】
透過されたビームｔ３は、検出され追加の遅延を受ける前に、複数の反射を受ける。これら追加の遅延を補正することが必要である。透過されたパルス３について、ある者は、透過されたパルスがインタフェースｄ−ｃ３２１を通して最初に通過するのは何時τ_ｔ３’かを知りたいであろう。
【０１３２】
インタフェースｃ−ｂを通してパルスが通過する時間τ_ｔ２’は、以下から計算される。
τ_ｔ２’＝τ_ｔ１−（τ_ｔ２−τ_ｔ１）／２
インタフェースｄ−ｃを通してパルスが通過する時間τ_ｔ３’は、以下から計算される。
τ_ｔ３’＝τ_ｔ２’−（τ_ｔ３−τ_ｔ２）／２
ｄ−ｃの位置は、τ_ｔ３から決定されたインタフェースｃ−ｄの位置に関して、（τ_ｔ３’−τ_ｔ３）ｃ／ｎから得られた厚さをプロットすることにより得ることができる（上記参照）。インタフェースｄ−ｃの位置の決定において、領域ｄの屈折率ｎが使用されるべきであり、τ_ｔ３’−τ_ｔ３に対する材料の寄与を補正することができる。この文脈におけるτ_ｔ３は、反射されたパルス３が基準時間ゼロに関してインタフェースｃ−ｄから反射された時間である。
【０１３３】
ｃ−ｂの位置は、（τ_ｔ３−τ_ｔ２）ｃ／２ｎから得られた厚さをプロットし、該厚さを上記τ_ｔ３’から得られた位置に加えることにより得ることができる。領域ｃの屈折率ｎからの材料の寄与が含まれる。
【０１３４】
図１２は、かかるシステムが歯を走査するために技術的にどのように実現される場合があるかを示している。
サンプルは、生きた歯であり、歯ぐき３３３における歯３３１である。この歯は、３次元画像形成システム３３５を使用して画像形成される。３次元画像形成システムは、図１０及び図１１における検出器３０８を参照して記載されたのと同じやり方で、ＴＨｚ放射線を放出して反射されたＴＨｚ放射線を検出するための役割を果たすＴＨｚ放出体／検出器３３７を備えている。
【０１３５】
歯３３１を通して透過された放射線は、透過されたＴＨｚ放射線の検出器３３９により検出される。該検出器は、図１０及び図１１を参照して記載された検出器３０６と同じやり方で放射線を収集するために使用される。
【０１３６】
ＴＨｚ放出体／検出器３３７、及び検出器３３９の詳細は、ここでは記載しない。しかし、図１〜図９のいずれかを参照して記載されたような構成を使用することができる。図１２において示される特別の例において、マルチエレメントの検出器が使用され、透過された放射線及び反射された放射線の両者が検出される。これは、全ての必要とされる画素から透過された放射線又は反射された放射線を同時に収集するように配置されているので、ビーム又はサンプルを走査する必要がないことを意味している。
【０１３７】
マルチエレメントのヘッドは、透過された放射線又は反射された放射線を収集するために構成される複数のファイバ状の光ケーブルから構成されている。検出されたＴＨｚ放射線により伝送される情報は、分析のためにプローブから送出される前に、プローブで別の形式に変換されてもよい。たとえば、ＴＨｚ周波数は、伝送のために増加されてもよい。
【０１３８】
代替的に、基準ビームが検出器に供給され、ＡＣ Ｐｏｃｋｅｌｓ作用が使用されて、図４及び図６を参照して記載されたような検出されたＴＨｚ信号に従い、基準ビームの偏光の回転を可能にしてもよい。次いで、回転された偏光ベクトルを有する基準ビームは、検出器のそれぞれの要素画素について偏光している保持ファイバを使用してプローブから伝送することができる。
【０１３９】
検出器／放出器３３７及び放出器３３９は、プローブ３４１に配置されている。プローブが歯３３１のｎ位置である時、歯３３１がＹのアーム間に配置されるように、プローブは“Ｙ”形状をしている。検出器／放出器３３７及び検出器３３９は、歯３３１のいずれかの側の“Ｙ”のアームの端部にある。
【０１４０】
ファイバ状の光ケーブル３４３は、プローブ３４１の逆“Ｙ”の上部に接続されている。ケーブル３４３は、画像形成のためにプローブ３４１に放射線を伝送し、プローブ３４１からの情報を伝送する。
【０１４１】
ファイバ状の光ケーブル３４３は、レーザ源、遅延制御、ビームスプリッタ及びＣＣＤカメラ３４５に接続されている。これらは、図６を参照して説明されている。これらは、３次元画像を表示するためのコンピュータ３４７に接続されている。
【０１４２】
図１１を参照して記載されるようなやり方で、実際のデータを分析することができる。たとえば、図１１において、領域を以下のように指定することができる。ａ＝空気、ｂ＝エナメル、ｃ＝象牙質、及びｄ＝パルプ。本発明者は、エナメル及び象牙質についての屈折率（それぞれ３．２及び２．６）、パルプ（典型的に２．０）を計算している。したがって、これらの屈折率は、式（１）と共に時間遅延を使用して厚さ及び様々な絶縁層の位置を特徴付けることができる。これにより、歯の３次元画像を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施の形態による近接透過及び反射画像形成システムの概略的に示す図である。
【図２】
透過された放射線及び反射された放射線の両者についての放射源及び検出器を有する、図１のシステムを示す図である。
【図３】
図２の画像形成システムの変形例を示す図である。
【図４】
検出器の詳細を有する、図２の画像形成システムを示す図である。
【図５】
検出器の詳細を有する、図２の画像形成システムを示す図である。
【図６】
検出器の詳細を有する、図２の画像形成システムを示す図である。
【図７】
図６の画像形成システムの変形例を示す図である。
【図８】
図６及び図７の画像形成システムの変形例を示す図である。
【図９ａ】
画像形成されるサンプルを取り付ける方法に関する変形例を示す図である。
【図９ｂ】
画像形成されるサンプルを取り付ける方法に関する変形例を示す図である。
【図９ｃ】
画像形成されるサンプルを取り付ける方法に関する変形例を示す図である。
【図１０】
本発明の実施の形態による方法を説明するための均質な球面を概略的に示す図である。
【図１１】
本発明の実施の形態による方法を説明するための、内部の複数のインタフェースを有する球面の概略を示す図である。
【図１２】
歯を画像形成するために使用される本発明の実施の形態を示す図である。

Claims (43)

1. （ａ）２５ＧＨｚから１００ＴＨｚの範囲における複数の周波数を有するパルス電磁放射線の照射ビームにより、画像形成されるサンプルを照射するステップと、
   （ｂ）前記サンプルを通して透過された放射線及び前記サンプルにより反射された放射線の両者を検出するステップと、
   （ｃ）前記ステップ（ｂ）において検出された前記放射線から前記サンプルの画像を生成するステップと、を備えるサンプルを画像形成する方法。
2. 前記ステップ（ｃ）は、前記サンプルを通して透過されたパルスの飛行時間を計算するステップと、前記サンプルのインタフェース又は表面から反射されたパルスの飛行時間を計算するステップと、前記反射パルスの前記飛行時間と相対的な前記透過パルス及び前記反射パルスの飛行時間の差、又は差の関数をプロットするステップと、を備えることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ステップ（ｃ）は、前記サンプル内での偶数回の反射による前記透過パルスの一部を抽出するステップと、前記偶数回の反射により生じた信号を使用して、インタフェースの位置を決定するステップと、をさらに備える請求項１又は２記載の方法。
4. 照射ビームの放出体又は画像形成される前記サンプルのいずれかからの既知の分離を有する物体から取得される基準信号を検出するステップをさらに備える、請求項１乃至３のいずれか記載の方法。
5. 前記基準信号は、前記放出体の構成要素から離れた反射から取得される、請求項４記載の方法。
6. 前記照射ビームは、前記放射線のビームのうちで最も短い波長のビームの直径よりも短いビーム直径を有する、請求項１乃至５のいずれか記載の方法。
7. 前記照射ビームは放出体により放出され、前記放出体は、可視又は近赤外周波数の範囲における周波数を有する放射線のうちの少なくとも１つの入力ビームで照射され、前記放出体は、非線形光学特性を有する物質である、請求項１乃至６のいずれか記載の方法。
8. 前記入力ビームは、前記ステップ（ａ）のパルス放射線のビームうちで最も短い波長よりも短いビーム直径を有する、請求項４記載の方法。
9. 前記放出体は半導体である、請求項７又は８記載の方法。
10. 前記非線形光学特性を有する前記物質は、ＬｉＩＯ_３、ＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４、ＡＤＰ、ＫＨ_２ＰＯ_４、ＫＨ_２ＡＳＯ_４、水晶、ＡｌＰＯ_４、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＢａＴｉＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、Ｔｅ、Ｓｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、Ｂａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、ＡｇＡｓＳ_３、淡紅銀鉱、ＣｄＳｅ、ＣｄＧｅＡｓ_２、ＡｇＧａＳｅ_２、ＡｇＳｂＳ_３、ＺｎＳ、ＤＡＳＴ（４−Ｎ−メチルスチルバゾリウム）又はＳｉのグループから選択される、請求項１乃至８のいずれか記載の方法。
11. 前記サンプルは、前記サンプルと前記放出体の間に光学活性成分が存在しないように取り付けられる、請求項７乃至１０のいずれか記載の方法。
12. 前記放出体は、前記サンプルを保持するために配置される、請求項７乃至１１のいずれか記載の方法。
13. 前記サンプルは、前記放出体から１０μｍから５００μｍに分離されて配置される、請求項７乃至１２のいずれか記載の方法。
14. 前記放出体は、前記サンプルから反射される放射線が前記放出体を通して通過して戻ることができるようなサイズで構成される、請求項７乃至１３のいずれか記載の方法。
15. 前記放出体は、前記照射ビームに対して実質的に透過性がある、請求項７乃至１４のいずれか記載の方法。
16. 前記放出体は、前記照射ビームに対して透過性がある物質に取り付けられる、請求項７乃至１５のいずれか記載の方法。
17. 前記サンプルは、前記照射ビームに対して透過性のある物質に取り付けられる、請求項１乃至１６のいずれか記載の方法。
18. 前記ステップ（ｂ）において、画像形成される前記サンプルの領域は２次元の画素アレイに小区分され、放射線はそれぞれの画素から検出される、請求項１乃至１７のいずれか記載の方法。
19. 前記サンプルは、透過された放射線及び反射された放射線を画素毎に検出することができるように移動される、請求項１８記載の方法。
20. 前記サンプルと前記放出体の両者は、前記反射された放射線及び前記透過された放射線を画素毎に検出することができるように移動される、請求項１９記載の方法。
21. 前記サンプルから反射された放射線を検出するために、ＣＣＤカメラが使用される、請求項１乃至２０のいずれか記載の方法。
22. 前記サンプルを通して透過された放射線を検出するために、ＣＣＤカメラが使用される、請求項１乃至２１のいずれか記載の方法。
23. 前記ステップ（ｃ）において３次元画像が生成される、請求項１乃至２２のいずれか記載の方法。
24. ステップ（ｃ）において組成画像が生成される、請求項１乃至２３のいずれか記載の方法。
25. （ａ）２５ＧＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲における複数の周波数を有するパルス電磁放射線の照射ビームにより、画像形成されるサンプルを照射するための手段と、
    （ｂ）前記サンプルを通して透過された放射線及び前記サンプルから反射された放射線の両者を検出するための手段と、
    前記（ｂ）手段により検出された放射線から前記サンプルの画像を生成するための手段と、を備えるサンプルを画像形成するための装置。
26. 画像を生成するための前記手段は、前記サンプルを通して透過された放射線のパルスの飛行時間を計算するための手段と、前記サンプルのインタフェース又は表面から反射された放射線のパルスの飛行時間を計算するための手段と、前記反射されたパルスの飛行時間と相対的に、前記透過パルス及び前記反射パルスの飛行時間の差又は差の関数をプロットするための手段と、を備える請求項２５記載の装置。
27. 前記サンプルの画像を生成するための手段は、前記サンプル内での偶数回の反射による透過パルスの一部を抽出し、前記偶数回の反射により生じた信号を使用して、インタフェースの位置を決定するための手段を備える、請求項２５又は２６記載の装置。
28. 基準信号を生成するための手段をさらに備える、請求項２５乃至２７のいずれか記載の装置。
29. 基準信号を生成するための前記手段は、前記サンプルを照射するための前記手段の構成要素から反射された信号を測定するための手段を備える、請求項２８のいずれか記載の装置。
30. 前記サンプルを照射するための手段は、前記照射ビームを放出するための放出体を備え、前記放出体は、前記放出体が可視又は近赤外周波数範囲における周波数を有する入力ビームで照射された時に、２５ＧＨｚから１００ＴＨｚの範囲における周波数を有するビームが放出されるような非線形光学特性を有する、請求項２５乃至２９のいずれか記載の装置。
31. 前記パルス放射線の前記入力ビームは、前記照射ビームのうちで最も短い波長の直径よりも短い直径を有する、請求項３０記載の装置。
32. ２つの直交する方向において画素毎にステップすることができるように配置されるモータ付きステージをさらに備える、請求項２５乃至３１のいずれか記載の装置。
33. 前記サンプルは前記モータ付きステージ上に取り付けられる、請求項３２記載の装置。
34. 請求項３０に従属する時、前記サンプルと前記放出体の両者は、前記モータ付きステージに取り付けられる、請求項３３記載の装置。
35. 請求項３０に従属する時、前記放出体は、前記照射ビームに対して透過性を有する物質に取り付けられる、請求項３３記載の装置。
36. 前記サンプルに面する前記放出体の領域は、２５ｍｍ×２５ｍｍ又はそれよりも小さい、請求項３５記載の装置。
37. 請求項２５に従属である時、前記サンプルは、前記放出体に対して相対的に移動可能である、請求項３５又は３６記載の装置。
38. 前記放射線を検出するための前記手段は、前記反射された放射線を検出するためのＣＣＤカメラを備える、請求項２５乃至３７のいずれか記載の装置。
39. 前記放射線を検出するための前記手段は、前記透過された放射線を検出するためのＣＣＤカメラを備える、請求項２５乃至３８のいずれか記載の装置。
40. 前記サンプルの画像を生成するための前記手段は、前記サンプルの３次元画像を生成するための手段を備える、請求項２５乃至３９のいずれか記載の装置。
41. 前記サンプルの画像を生成するための前記手段は、前記サンプルの組成画像を生成するための手段を備える、請求項２５乃至４０のいずれか記載の装置。
42. 添付図面を参照して、実質的に以上に記載されたような方法。
43. 添付図面を参照して、実質的に以上に記載されたような装置。

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