JP2014525572A - テラヘルツ放射線の使用により物質を確定するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、テラヘルツ放射線を用いて、閉じた容器中にある液体（２）を確定する方法に関する。ここでは第１及び第２の測定が実行される。テラヘルツ放射線は、液体（２）の特性を測定するために液体（２）の方向に放出され、液体（２）の方向から来る部分（１５、１５'）のテラヘルツ放射線が検出される。提案される方法においては、閉じた容器（１）は液体（２）に加えて気体（４）を含み、容器の壁（３）はテラヘルツ放射線を透過する。ここで、検出される部分（１５、１５'）のテラヘルツ放射線は、第１の測定においては壁（３）と気体（４）又は気体（４）を含有する空洞との間の境界面において反射され、第２の測定においては壁（３）と液体（２）との間の境界面において反射される。よって、第１の測定は基準測定として機能する。基準測定は、テラヘルツビーム経路における攪乱による損失を捉えるためのものであり、第２の測定の測定結果に対する壁（３）の影響を確定するためのものである。発明は、さらにこの方法を実行するために適した機構にも関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主要な特許請求項のプリアンブル部に従ってテラヘルツ放射線の使用により物質を確定する方法に関し、さらに、そのような方法を実行するために適した機構に関する。

既知のタイプの方法により、第１及び第２の測定が実行される。ここでは、物質の特性を測定するために、テラヘルツ放射線が物質の方向に放出され、物質の方向から来る部分のテラヘルツ放射線が検出される。このような方法は、例えば、独国特許発明第１０ ２００９ ０５１ ６９２号明細書によって知られている。

テラヘルツ放射線に対して少なくともある程度透明な材料は、既知の方法で分析可能である。しかしながら、未解決の問題は、まずそれ自身が未知の材料で製造されている閉じた容器中にある液体（特に、概してテラヘルツ放射線に対して不透明な水性液体）を分析することである。この問題は、例えば、空港でのセキュリティチェックの状況にて発生し得る。従って、その液体を含有している容器（通常はボトル又は同様なもの）をこのために開ける必要無く、特に、安全な飲料から危険な物質を識別できなくてはならない。監視扉又はＸ線装置のような既知の手段では、この問題は解決できない。

従って発明の目的は、特にこのために容器を開けることを必要とせずに、少なくとも液体の種類が割り当てられる、又は、別の特定の液体もしくは液体の種類から識別することができる程度に十分正確に、閉じた容器中にある液体を確定することである。

本発明によれば、この目的は、主要な請求項のプリアンブル部の構成と組み合わせた主要な請求項の特徴的な構成を有する方法、並びに、この方法を実行するために適した従属請求項の構成を有する機構によって実現される。

提案される方法によって、閉じた容器中にあるそうした液体中の物質が確定される。ここで、容器はさらに気体を含有しており、容器の壁はテラヘルツ放射線に対して透明である。ここでまた、テラヘルツ放射線の使用により、２つの測定が実行される。ここでは、液体の特性を測定するそれぞれの場合において、テラヘルツ放射線が液体の方向に放出され、液体の方向から来る部分のテラヘルツ放射線が検出される。従って、テラヘルツ放射線の検出される部分は、第１の測定では壁と気体との間、又は、気体を含有する気泡との間の境界面において反射され、第２の測定では、壁と液体との間の境界面において反射される。ここで第１の測定は、第２の測定の測定結果に対して壁及び／又はテラヘルツビーム経路が及ぼす影響を確定するための基準測定として働く。

このために第１の測定では、気体又は気体を含有する気泡が壁に接触するべき壁の位置にテラヘルツ放射線が向けられ、一方、第２の測定では、液体が壁に接触するべき壁の位置にテラヘルツ放射線が向けられることにより、この方法が単純な様式で実行され得る。このため容器は、例えば第１の測定では上方から気泡の領域にビームが当てられ、第２の測定では下方から液体が満たされた領域にビームが当てられてよい。従って、ここでは第１の測定として示される基準測定が、第２の測定の前か後か、あるいはこれと同時に実行されるかについては重要ではない。

テラヘルツ放射線とは、特に、０．０５ＴＨｚから１０ＴＨｚまでの間の周波数を有する電磁放射線を示すべきものである。周波数は典型的には０．０５ＴＨｚから２ＴＨｚの間である。

液体を伴う容器、例えばボトルは閉じられており、提案される方法によれば、有利にも、閉じた状態のままであることができる。

本発明は、壁と液体との間の境界面において反射された後に（つまり第２の測定によって）検出される部分のテラヘルツ放射線の強度が、液体の特性のみならず、壁の特性、特に壁を形成する材料の屈折率にも依存するという理解に基づいている。さらに、使用されるテラヘルツ放出器から反射位置まで、及び、その反射位置から使用されるテラヘルツ受容器までのテラヘルツ放射線の経路に対する攪乱の影響が考慮される。これらは、例えば、容器の壁への吸収、でこぼこな壁の表面構造、貼り付けられたラベル、又は、汚れによる強度の損失である。攪乱の影響が除かれ、壁と液体との間の境界面における反射率（つまり、入射される放射線の強度と反射される放射線の強度との比率）、並びに壁を形成する材料の屈折率が既知である場合に、液体の屈折率を確定することができる。実験室測定を適切に構成することによって攪乱の影響を最小化することができ、従って、使用されるキュベットの屈折率は既知である。テラヘルツ放射線の経路に対する攪乱の影響があり、また、容器の壁の材料の屈折率が未知であることにも関わらず、その中にある液体を確定すべき場合に問題となる。この問題は、今や、基準測定がさらに実行されることによって解決される。

基準測定を活用することにより、まずテラヘルツビーム経路における攪乱の効果（つまり強度の損失）が極めて徹底的に検出され、これらを考慮した基準値を生成することができる。さらに、非常によい近似として、気体が有する屈折率は１であると仮定することができるので、壁と気体との間の境界面における反射の反射率は、壁と液体との間の境界面における反射の反射率に比べて、未知数に対する依存性がより小さいという事実を利用することができる。容器の壁を形成する材料の屈折率に関する詳細もまた取得することが可能であり、及び／又は、壁の吸収特性の量をこのようにして確定することができる。たとえこの材料が予めわからなかったとしても、その後、第１の測定の結果に依存する形で第２の測定が評価されることによって、液体の屈折率を少なくとも大まかに決めることができる。よって、今度は液体を確定することができる、又は少なくとも種類を割り当てることができる。

テラヘルツビーム経路及び壁の影響がどちらの測定についても同一であることを確実にするために、第２の測定においてテラヘルツ放射線が向けられる壁の位置が、第１の測定においてテラヘルツ放射線が向けられる壁の位置と同一であることが考えられる。このため、この位置において壁と接触するものが、第１の測定においては気体又は気泡であり、第２の測定においては液体であるように容器を動かすことができる。 これは、容器が、テラヘルツ放出器及びテラヘルツ受容器を有する適用される測定システムに対して固定され、後者と一緒に回転又は傾斜されることによって実現することができる。

不変で均等な攪乱による損失を有する完全に同一なテラヘルツビーム経路を用いた、両方の測定に対して同一な測定点における測定は、一方の測定においては気体又は気泡との接触のみを変化させ、他方の測定においては液体との接触のみを変化させる。これは多くの面で基準測定及び液体の測定を実現するための最善の方法を示している。

容器がさらに梱包材中にある場合でも、つまり、旅行かばんや段ボール箱に入っている場合でも、完全な機構が互いに対して固定されたままであり、全体として傾斜あるいは回転させられる限りにおいては、この完全な基準形成がなおも機能する。その結果、気体又は液体のどちらかに対する容器の内表面の接触のみが全体として変化し、この変化のみが、基準信号対測定信号の差の形成又は比率の形成において検出される。

記載するように、同一の位置において両方の測定を実行することに伴う不利益は、単に、機械的な固定や動き、並びに必要な動きによって遅くなる測定の進行に対する取り組みを要するに過ぎない。

従って、別の方法としては、つまり、非常に高速な測定のためには、測定間に容器の動きを実行する代わりに、壁の異なる位置において２つの測定を実行することもまた考えられる。特にこの場合、第１及び第２の測定に対して容器は、横たわるような態様で、及び／又は、気体が容器のある領域に集まるような態様で配置されてよい。ここで、容器の壁の垂直な断面は円形である、及び／又は、等厚な壁を示す。従って、異なる壁の特性による影響があまりに大きく違っていても、両方の測定に対する壁の影響のためにこの方法の結果の質が低下することを回避できる。

好ましくは、第１の測定にて測定されるビーム強度が基準値として利用され、第２の測定にて測定されるビーム強度とこの基準値との比率に依存するような形で液体の屈折率が確定される。さらに、第１の測定、及び／又は、通常は間接的に実現される第２の測定によって、壁を形成する材料の屈折率が確定される。壁を形成する材料についてこうして確定された屈折率に基づいて第２の測定の結果が評価されることにより、液体の屈折率が次いで確定される。

このため、壁と液体の間の境界面に入射する放射線のパワーＰ_ｅと、そこで反射される放射線のパワーＰ_ｒと、壁を形成する材料の屈折率Ｎ_１と、液体の屈折率Ｎ_２との間の数的関係が評価される。この関係はフレネルの式に由来し、例えば、入射角及び反射角が無視できて、壁と液体の透磁率が等しいという現実的な仮定により、特定の場合に対する式Ｐ_ｒ＝Ｐ_ｅ（｜Ｎ_２−Ｎ_１｜／｜Ｎ_２＋Ｎ_１｜）^２を仮定する。この評価において、同じ仮定により、基準測定によって壁と気体との間の境界面で反射される放射線のパワーＰ_ｒ'に対してＰ_ｒ'＝Ｐ_ｅ（｜１−Ｎ_１｜／｜１＋Ｎ_１｜）^２が良好な精度であること、及び、比率Ｐ_ｒ／Ｐ_ｒ'が、２つの測定によって検出されるパワー又は強度の比率に対応するという事実を考慮することができる。特に、容器中の気体の屈折率の値は、少なくともおよそ１であると仮定することができる。

上述した部分に加えて、第１の測定及び／又は第２の測定によって、容器の外表面で反射されるビーム強度が検出され、伝播時間（経過時間又は伝搬時間）の差、及び／又は、壁と気体又は液体との間のそれぞれの境界面において反射される部分の間の強度差、並びに外表面で反射されるビーム部分が確定されると有用である。その結果、伝播時間差から壁の光学的厚みを確定することができる。また、強度差から、壁を形成する材料の吸収挙動、例えば吸収係数に関する量を確定することができる。これにより、ほとんど確実に、壁の材料を推定することができる。あるいは、この材料に対して少なくとも種類を割り当てることができる。これにより、壁の材料の屈折率を断定することが可能となる。 例えばこのためにデータバンクを評価すること、又は、格納されるテーブルを読み出すことができる。

第１及び／又は第２の測定を、それぞれの場合において、壁の異なる位置において及び／又はテラヘルツ放射線の異なる周波数において、複数回実行することが考えられる。この方法の統計誤差は、両方の測定を異なる位置において実行することによって低減することができる。異なる周波数で少なくとも１つの測定を実行することは、確定されるべき壁の材料における吸収の周波数依存性によって、壁の材料を確定することをまず単純化する。これにより、液体の屈折率もまた、より正確に確定することができる。もしも第２の測定も異なる周波数において実行される場合には、さらに、異なる周波数における液体の屈折率値が取得される。これによって、液体をより正確に確定することができる。 その結果、例えば、０．１ＴＨｚから０．５ＴＨｚまで又は１ＴＨｚまで、さらに良好なことには０．０５ＴＨｚから２ＴＨｚまでの周波数領域が、これらの測定によってサンプリング可能である。

液体で覆われた壁の内表面でまず第２の測定が実行され、次に、固定された測定点にある壁の内表面を気体又は気泡の領域に持ってくるために容器を回転又は傾斜させ、それから、規定の時系列で一連の測定が実行されるような方法もまた有利である。濡れ変化の速度は、例えば、使用される機構の評価ユニットによって確定することができる。この特性に関し、複数の液体は互いに著しく異なり得る。特に水は、その他の大抵の液体とは著しく異なる濡れ特性を示す。よって、液体を見分けるために、さらなるパラメータを推定することができる。

もし、第１及び第２の測定の評価が、複数の位置における測定（つまり、第１並びに第２の測定の実行を伴う）及び画像形成と組み合わされた場合、液体を有する容器の存在が梱包材中においても認識される。ここで、第１及び第２の測定は、上述のように、例えば差の形成又は比率の形成によって実現され、容器に対するテラヘルツ放出器とテラヘルツ受容器の相対的な配置を用い、これら２つの測定の間それぞれの場合において同一である。この場合、回転又は傾斜を与えられた測定信号の変化が時間分解方式でさらに検査されると、前の段落にて記載されるように、より遅い濡れ変化を有する液体（特に、例えば水）を、急速な濡れ変化を有する液体から識別することができる。（無害な）水を含んだ飲料を有するボトルは、低速の濡れ変化のために、急速な動きを与えても基準測定との間で非常に小さな信号の変化にしかつながらない。この場合、本来であれば気体が壁と接触するはずだが、壁が依然として液体の膜によって濡れており、実際には液体の測定となっている。対照的に、急速な濡れ変化を有する危険な可能性のあるその他の液体（例えばガソリン）の場合、たとえ急速な回転又は傾斜動作であっても、明らかな信号の変化が確認される。よって、急速な回転又は傾斜動作による信号差の異なる挙動によって、危険な可能性のあるガソリンや同類の液体から、特に、それ自身が梱包されていて、例えば旅行かばんや段ボール箱中にある閉じた容器中であっても、無害な水及び水を含有する飲料を区別することができる。

この方法は、少なくとも１つの光学的に活性化可能なテラヘルツ放出器アンテナと、テラヘルツ放出器アンテナによって生成されるテラヘルツ放射線のコヒーレントな検出のための少なくとも１つの光学的に活性化可能なテラヘルツ受容器アンテナとを有する、位相に対して感度を有するテラヘルツシステムにより実行することができる。テラヘルツ放出器アンテナ及びテラヘルツ受容器アンテナは、壁の光学的厚みの評価を可能とするために、共通の光源によって活性化される。従って光源に関しては、テラヘルツ領域の周波数成分を有するパルスを生成するためのパルスレーザの場合と、あるいは、テラヘルツ領域の光学ビート信号を生成する連続レーザ光源の場合とがある。このタイプの適切なテラヘルツシステムは、例えば国際公開第０１／０６９１５号に記載されている。

従って、第１及び第２の測定に対して同一のテラヘルツ放出器アンテナ及びテラヘルツ受容器アンテナを使用することが可能である。あるいは、この２つの測定のそれぞれに対する、それぞれの場合に独自のテラヘルツ放出器アンテナ及びテラヘルツ受容器アンテナも考えられる。いずれの場合であっても、テラヘルツ放射線の反射されるそれぞれの部分の振幅又は強度のみでなく、位相も測定されることが有利となる。これは、上述のタイプのテラヘルツシステムを用いることにより可能である。よって、それぞれの場合において複素屈折率を確定することができる。

閉じた容器中にある液体を確定するためであって、上述の方法を実行するのに適した機構もまた提案される。この機構は、テラヘルツ放射線を生成するための少なくとも１つのテラヘルツ放出器と、テラヘルツ放射線を検出するための少なくとも１つのテラヘルツ受容器と、少なくとも１つのテラヘルツ受容器に接続され、テラヘルツ受容器の出力信号を評価するための評価ユニットとを備える。テラヘルツ放出器とテラヘルツ受容器とは、テラヘルツ放出器によって生成されるテラヘルツ放射線が、容器の壁の内表面の規定の位置において反射された後にテラヘルツ受容器によって適切に検出されるように、互いに対して配置される。プログラミング技術に関し、提案される機構の評価ユニットは、第１の測定及び第２の測定の出力信号を評価するように構成される。これにより、第１の測定の出力信号から、検出されるテラヘルツ放射線の強度に対する基準値を導出し、基準値に基づいて第２の測定の出力信号を評価することにより、容器中にある液体の屈折率を導出する、及び／又は、液体に対して液体の種類を割り当てるように評価ユニットは構成される。

従って、プログラミング技術に関する評価ユニットの構成は、第１の測定では、液体に加えて容器中に含まれる気体又は気泡が容器の壁と接触する位置においてテラヘルツ放射線が反射され、第２の測定では、液体が容器の壁と接触する位置においてテラヘルツ放射線が反射されるという仮定に基づいている。これは、この機構の正しい適用に対応する。

評価ユニットはさらに、出力信号から、それぞれの場合において、容器の壁の外表面において反射される部分のテラヘルツ放射線の強度、容器の壁の内表面において反射される部分のテラヘルツ放射線の強度、及び、これら２つの部分の間の伝播時間差を導出するように構成されてよい。これを可能とするために、テラヘルツ受容器はテラヘルツ放出器と同期しなくてはならない。これは、テラヘルツ放出器が光学的に活性化可能なテラヘルツ放出器アンテナを有し、テラヘルツ受容器が、テラヘルツ放出器アンテナによって生成されるテラヘルツ放射線のコヒーレントな検出のための光学的に活性化可能なテラヘルツ受容器アンテナを有し、テラヘルツ放出器アンテナ並びにテラヘルツ受容器アンテナを活性化するための共通の光源が与えられる場合に、何の問題も無く実現されるであろう。

そして評価ユニットはまた、以下を行うように構成されてよい。伝播時間差から、容器の壁の光学的厚みを導出する。光学的厚みに基づいて、上述の強度から、壁の材料の吸収挙動の量を導出する。この量に基づいて、またさらに可能であれば確定された厚みに依存して、例えば、データバンク中に格納されてよい、又は評価ユニット中に置かれてよい典型的な値又は閾値と比較することにより、ある特定の物質に対応する、又は、ある特定の物質の種類に属するものとして、壁の材料を同定する。この物質に対し、又はこの物質の種類に対してメモリに格納される値に対応するように、壁の材料の屈折率を確定する。またメモリは、評価ユニットに含まれてよく、あるいは、外部データバンクによって与えられてよい。

評価ユニットはさらに、壁の材料についてこうして確定された屈折率に基づいて第２の測定の結果を評価することにより、液体の屈折率を確定するように構成されてよい。

これは、壁の材料の吸収挙動の周波数依存性が確定された場合に、つまり、異なる周波数に対して上述の量が確定された場合に、最も良く機能する。このため、評価ユニットはテラヘルツ放出器を活性化するための装置を備えてよい。この装置は、異なる周波数においてテラヘルツ放射線を連続的に又は同時に生成するように、テラヘルツ放出器を活性化するように構成される。ここで評価ユニットは、それぞれの周波数における出力信号を評価することにより、これらの周波数のそれぞれに対し、２つの測定の少なくとも一方を実行するように構成される。

容器、テラヘルツ放出器、及びテラヘルツ受容器に対する保持装置も備える機構が考えられる。これにより、容器、テラヘルツ放出器、及びテラヘルツ受容器は、測定の間、互いに対して固定される。しかしここでは、テラヘルツ放射線によって照射される測定点が、一旦は気泡によって覆われ、また一旦は液体によって覆われるように、保持装置によって全体が回転可能又は傾斜可能なようにも設計される。これにより、基準測定及び液体の測定を壁の単一の位置にて実行することができる。また、テラヘルツビーム経路における攪乱による損失は同一であり、基準測定によって完全に考慮され、評価において補償される。

しかしまた、それぞれの場合において１つのテラヘルツ放出器と１つのテラヘルツ受容器を有する２対を機構が備え、一方が他方より高く配置されるようにすることも可能である。ここで、より高く配置される方の対は、気泡における第１の測定用に設けられ、他方、つまり、より低い位置に配置される方の対は、液体における第２の測定用と考えられる。

これに加えて機構は、２つの測定に対して、容器を測定位置へと自動的に搬送するため、及び／又は、測定位置において容器を回転させる又は旋回させるための搬送装置、例えば、コンベヤベルト、又は、移動可能、回転可能、又は旋回可能な容器用ホルダを備えてよい。

最後に、それぞれの場合において、生成されるテラヘルツ放射線を壁の対応する位置にフォーカス又はイメージし、そこで反射されるテラヘルツ放射線をテラヘルツ受容器アンテナにフォーカス又はイメージするためのテラヘルツ光学素子を有するテラヘルツ放出器及びテラヘルツ受容器が考えられる。

ここからは、発明の実施例を図１から図３によって説明する。図面に示されるのは次の通りである。

テラヘルツ放射線の使用により、ボトルの中にある液体を確定するための機構の断面である。

別の実施例において同じ目的を果たす機構の、２つの異なる条件での断面である。

図２の実施例と同様な実施例において、また２つの異なる条件下での、それぞれ対応する機構を通る縦断面である。

断面で示されている容器１が図１において認識される。ここでは閉じたボトルの場合であり、その中に液体２がある。液体２に関して言うと、この場合、最初は未知の液体である。さらに、容器の壁３がどんな材料から形成されているかは経験的に不明であるが、テラヘルツ放射線に対して少なくともある程度透明である。容器１の上部において気泡を形成する気体が、液体２に加えて容器１中にある。

容器１中にある液体２を確定するための機構もまた図１中に示される。この機構は、光学的に活性化可能なテラヘルツ放出器アンテナをそれぞれ有する２つのテラヘルツ放出器５及び５'と、この場合、テラヘルツ放出器５及び５'のそれぞれについて、このテラヘルツ放出器５及び５'に対してそれぞれ割り当てられるテラヘルツ受容器６及び６'を備える。テラヘルツ受容器６及び６'は、それぞれ、光学的に活性化可能なテラヘルツ受容器アンテナを備える。

テラヘルツ放出器５及びテラヘルツ受容器６は対を形成する。この対に対して、テラヘルツ放出器アンテナ及びテラヘルツ受容器６のテラヘルツ受容器アンテナを活性化するための共通の光源７が割り当てられる。同様に、テラヘルツ放出器５'のテラヘルツ放出器アンテナ及びテラヘルツ受容器６'のテラヘルツ受容器アンテナを活性化する共通の光源７'が、テラヘルツ放出器５'及びテラヘルツ受容器６'に対して割り当てられる。

テラヘルツ放出器５によって生成されたテラヘルツ放射線が、容器の上部領域の壁における規定の位置８において反射された後、テラヘルツ受容器６によって検出されるように、テラヘルツ放出器５及びテラヘルツ受容器６が、互いに対して及び容器１に対して配置される。同様に、テラヘルツ放出器５'によって生成されたテラヘルツ放射線が、容器１の下部領域の壁における規定の位置８'において反射された後に、テラヘルツ受容器６'によって検出されるように、テラヘルツ放出器５'及びテラヘルツ受容器６'が、互いに対して及び容器１に対して配置される。このため、テラヘルツ放出器５及び５'、並びに、テラヘルツ受容器６及び６'のそれぞれは、テラヘルツ光学素子９を有する。

光源７及び７'について言うと、それぞれの場合においてパルスレーザであり、その光パルスがフェムト秒領域のビームとして、対応するテラヘルツ放出器アンテナの感光性素子、及び、対応するテラヘルツ受容器アンテナの感光性素子に当てられる。受け取られたテラヘルツパルスは、放出器アンテナ又は受容器アンテナへ向かう途中のパルス間の相対遅延の結果サンプリングされ、続くフーリエ変換によって、例えば０．０５ＴＨｚから２ＴＨｚまでの領域に渡るテラヘルツスペクトルに変換される。

光源７は、それぞれの場合において、導波管１０及びビームスプリッタ１１を介して、対応するテラヘルツ放出器５及び５'、並びに、対応するテラヘルツ受容器６及び６'に接続されている。さらに、それぞれの場合において、ビームスプリッタ１１と対応するテラヘルツ受容器６及び６'との間には、調節可能な光学遅延回路１２が接続されている。よって、テラヘルツ放出器５及びテラヘルツ受容器６を伴うレーザ光源７、並びに、テラヘルツ放出器５'及びテラヘルツ受容器６'を伴うレーザ光源７'は、対応するテラヘルツ放出器アンテナによって生成されるテラヘルツ放射線のコヒーレントな検出を可能とする、位相に対して感度を有するテラヘルツシステムをそれぞれの場合において形成する。よって、強度又はパワーだけでなく、検出されるテラヘルツ放射線の位相又は伝播時間をも確定することができる。

光源７及び７'については、パルスレーザとしてではなく、互いに対して重畳された、わずかに波長の異なる２つの光成分を生成する連続レーザ光源として設計することも可能である。これにより、テラヘルツアンテナを活性化するための、テラヘルツ領域のビート信号が発生される。そのような光源はまた、ＣＷ光源とも呼ばれる。ＣＷは連続波を表す。従って、それぞれの場合において、波長の少なくとも一方を離調することによって、最後に生成されるテラヘルツ放射線の周波数を、例えば０．０５ＴＨｚから２ＴＨｚまでのような所望の区間に渡ってさらに調節することができる。

コンベヤベルト１３が図１に概略的に示されている。容器１は、コンベヤベルト１３によって測定位置（ここでは、２つのテラヘルツシステムの間）へと自動的に移送され、そこで保持される。ボトルに沿っていくつかの測定点を検査できるように、この方法の間、容器はまたコンベヤベルト１３によって測定ビームを通り過ぎるように導かれる。従って、不均一さを介して、何が評価の精度を上げるのかを確定することができる。

最後に図１の機構は、評価ユニット１４を備える。プログラミング技術に関して評価ユニット１４は、テラヘルツ受容器６及び６'の出力信号を評価するように構成されている。これによって、特に第１の測定に対しては、壁３と気体４との間の境界面で反射された部分１５のテラヘルツ放射線が検出され、第２の測定に対しては、壁３と液体２との間の境界面で反射された部分１５'のテラヘルツ放射線が検出される。従って第１の測定は基準測定の役割を果たし、これによってテラヘルツビーム経路における攪乱の影響（つまり強度の損失）が考慮され、第２の測定の測定結果に与える壁３の影響が確定される。さらに、どちらの測定によっても、容器１の外表面で反射されたビーム部分１６が検出される。この場合においては、テラヘルツ放出器５及びテラヘルツ受容器６を有するテラヘルツシステムが第１の測定に使用され、テラヘルツ放出器５'及びテラヘルツ受容器６'を有するテラヘルツシステムが第２の測定に使用される。

評価ユニット１４は、光源７及び７'を活性化し、その結果テラヘルツ放出器５及び５'を活性化するための装置を備える。受け取ったテラヘルツ放射線が時間的にサンプリングされ、またコヒーレントに検出されるように、光源７及び７'のパルスの時間位置又はビート信号の時間位置が、この装置によって調節される。さらに、レーザの波長調整を行うことにより、ビート信号によって周波数同調が実現される。よって、例えば０．１ＴＨｚから１ＴＨｚまで、又は、０．０５ＴＨｚから２ＴＨｚまでの全周波数範囲に渡って測定を実行することができる。

それぞれの場合において、壁３の外表面で反射されたビーム部分１６の強度、壁３と気体４又は液体２との間の境界面で（つまり、壁の内表面で）それぞれ反射された部分１５及び１５'のテラヘルツ放射線の強度、並びに、これら２つのビーム部分１６と１５との間、又は１６と１５'との間の伝播時間差を出力信号から導出することができるように、評価ユニット１４がプログラムされている。従って、それぞれの場合において、評価ユニット１４によってこのために活性化される光学遅延回路１２が測定に応じて調節される。そして、伝播時間差を確定するために、遅延回路１２の設定に対する出力信号の依存性を検査する。従って反射されたテラヘルツ放射線は、その位相に関しても検出される。

評価ユニット１４により、両方の測定に対して同一であろう伝播時間差から、壁３の光学的厚みが直接導出される。ビーム部分１６に対して確定された強度と、光学的厚みの使用により異なる周波数のテラヘルツ放射線に対して評価される部分１５に対して確定された強度との間の差によって、評価ユニット１４は、壁３を形成する材料の吸収挙動のスペクトルの経過を確定する。こうして確定されたスペクトルの経過は、それぞれの周波数に対し、各周波数における吸収挙動の量を定義し、例えば周波数の関数としての吸収係数を表してよく、ここでは、典型的なスペクトルの経過又は異なる周波数に対する閾値と比較される。これにより、評価ユニット１４を用いて、少なくとも特定の物質の種類に属するものとして壁３の材料が同定される。このための典型的なスペクトルの経過又は閾値は、評価ユニット１４のメモリに格納される。測定に使用される各周波数に対して、壁の材料の屈折率が評価ユニット１４によって同時に確定されるように、考慮すべきあらゆる物質に対して、あるいは考慮すべきあらゆる物質の種類に対して、周波数の関数としての屈折率が評価ユニットのメモリに格納される。

さらに評価ユニット１４は、第１の測定にて取得されるテラヘルツ受容器６の出力信号を評価することによって、検出されるテラヘルツ放射線の強度に対する基準値を確定するように構成される。この基準値は、第２の測定の評価に使用される。次いで第２の測定にて取得されるテラヘルツ受容器６'の出力信号は、使用される周波数のそれぞれに対し、それぞれの場合について壁３の材料に対して確定された屈折率及び基準値に基づいて評価される。 基準値は、例えば、境界面において１００％の反射を生じる強度値に対応して、つまり反射率１に対応して、算出された１００％の信号として定義されてよい。

これによって最後に、容器１中にある液体２の屈折率が、適用される周波数のそれぞれに対して導出される。特に、第２の測定にて測定される部分１５'の強度と基準値との比率に依存するような形で導出される。ここで、それぞれの場合において、ビーム部分１６に対して確定された強度によって、両方とも規格化することができる。非常に小さな入射角及び反射角を無視すると、ある特定の周波数における液体２の屈折率を確定するために、式Ｉ'／Ｉ＝［（｜Ｎ_２−Ｎ_１｜×｜１＋Ｎ_１｜）／（｜Ｎ_２＋Ｎ_１｜×｜１−Ｎ_１｜）］^２をＮ_２に対して解くことができる。この式においては、Ｉは第１の測定にて部分１５に対して測定される強度を表し、Ｉ'は第２の測定にて部分１５'に対して測定される強度を表す（好ましくは、どちらの場合もビーム部分１６に対して測定された強度によって規格化される）。また、Ｎ_１は壁３の材料の屈折率を表し、上記した態様で、少なくともおよその値が確定される。また、Ｎ_２は最終的に確定されるべき液体２の屈折率を表す。この関係は、概要部分で示したフレネルの式に関する引用に直接由来する。

遅くとも、テラヘルツ領域において十分に多くの異なる周波数に対して液体２の屈折率が確定されると、これにより、液体２自身が何かを容易に結論付けることができる。あるいは、液体２が物質あるいは材料として有害な種類に属するか又は無害な種類に属するかが少なくとも同定できる。適切なプログラミングによって、この同定は評価ユニット１４によって自動的に実行することができる。

ここに記載され、図１の機構によって実行される液体２を確定する方法を用いると、全ての測定の間閉じたままの容器１は、横たわる態様で配置され、その結果、容器のある領域に気体４が集まるように置かれる。ここでは、図１において認識されるように、壁３の垂直な断面は円形であり、一定の壁の厚みを有する。従って、基準測定が実行される位置８における壁３の特性は、確実に、第２の測定が実行される位置８'におけるその特性と同等となる。従って、本実施例における２つの測定は、同時に実行されてよい。たとえ容器１が異なる形状であっても、壁の厚み、表面の性質、及び曲率の特性に関してどう見ても位置８と８'とが等しくなるように、位置８と８'とを選択すべきである。

対照的に、もし２つの測定が順々に実行され、そして、第１の測定における壁３の位置８が第２の測定における壁３の位置８'と同一となるように、２つの測定の間に容器１が動かされる場合には、この方法はさらに一層正確になる。例えば、２つの測定点が互いに対して正確に反対に位置し、２つの測定の間に、容器をその縦軸回りに１８０°回転させる場合に、これを実現できる。このために、コンベヤベルト１３に加えて容器１を回転させるための装置が備えられてよい。

これに代えて、又は、これに加えて、両方の測定を異なる周波数で実行するばかりでなく、統計誤差を低減するために、それぞれの場合において壁３の複数の位置において実行することもまた可能である。このために、例えば容器をその縦軸回りに３６０°回転させてよい。従って、第１及び第２の測定が繰り返して実行される。よって、ボトルの不均一性が認識され、また考慮される。

２つの同等な機構が図２及び図３に示される。ここに繰り返されている構成は、再び同じ参照番号を与えてある。ここに示されてはいないものの、前の実施例と同じように備えられているものは、テラヘルツ放出器５及びテラヘルツ受容器６を活性化するためであり、テラヘルツ放出器５及びテラヘルツ受容器６に光学的に結合される上述の光源、及び、適切にプログラミングされた評価ユニットである。前の実施例との差異は、ここではそれぞれの場合において、単一のテラヘルツ放出器５及び単一のテラヘルツ受容器６が存在し、これらは第１の測定にも第２の測定にも使用されるという事実にのみある。容器１用の旋回可能な保持装置１７がそれぞれの場合に提供され、この保持装置によりテラヘルツ放出器５及びテラヘルツ受容器６に対して容器１が固定され、これらを一緒に軸１８の回りに回転又は傾斜させることができる。

それぞれの機構が、図２及び図３において、それぞれの場合について互いに隣り合って２回示されている。特に、左の図は第１の配置にあって第１の測定が実行されることを表し、右の図は第２の配置にあって第２の測定が実行されることを表す。ここで、第２の測定が実行される壁３の位置８'は、第１の測定が実行される位置８と同一である。そこで確定されるべきものは、第１の測定では気体４又は気体４を含有する気泡であり、第２の測定では壁３の内表面において壁と接触する液体２である。

あるいは、図２及び図３の機構によって実行される方法は、一点だけを除いて上記の方法と対応する。それは、ここでもまたいくつかの周波数に対して２つの測定が実行されるが、容器１を回転させる又は傾斜させるために保持装置１７がこれらの測定の間で旋回されなければならないために、必然的に２つの測定が順々に実行される点である。

ここでは、いずれの場合であっても、両方の測定に対して完全に同一な測定位置となる結果、第１の測定が完璧な基準測定となる。その結果、構造、ラベル、又は汚染／よごれといったボトルに対するあらゆる典型的な攪乱又は干渉の影響は、両方の測定に対して正確に同じように影響を及ぼすので、容易且つ正確に取り除くことができる。これにより、この方法の精度が落ちることはない。

テラヘルツ放射線の適用により提案される方法によって、特に場合によってはテラヘルツ放射線に対するその不透明性にもかかわらず、液体２の屈折率、及びそれ故に液体２を、非常に良好に分析することができる。容器１（大抵の場合は普通のボトル）は、内側が通常非常に滑らかな表面を有しているので、概して、それぞれの境界面で反射される部分のテラヘルツ放射線が、はっきりとした形で検出可能である。

図２及び図３によって記載される方法のさらなる展開によれば、第２の測定がまず初めに実行され、容器１が続いて第１の測定に適した配置へと動かされる。するとすぐに、さらに複数の測定が、規定の時間間隔で連続的に、そして、壁３の同じ位置８に向けられたテラヘルツ放射線によって実行される。次いで、上述した壁３の位置８における濡れ変化の速度を、さらなる測定の測定結果から確定することができる。

Claims (18)

1. テラヘルツ放射線の適用により物質を確定する方法であって、第１の測定及び第２の測定を実行し、前記物質の特性を測定するべく前記テラヘルツ放射線を前記物質の方向に放出し、前記物質の前記方向から来る前記テラヘルツ放射線の部分を検出し、
   前記物質は、液体であり、前記液体に加えて気体を含む閉じた容器中にあり、
   前記容器の壁は前記テラヘルツ放射線に対して透明であり、
   前記第１の測定においては、前記気体または前記気体を含有する気泡が前記壁と接触する前記壁の位置に前記テラヘルツ放射線を向け、
   前記第１の測定によって検出される前記テラヘルツ放射線の前記部分は、前記壁と前記気体または前記気泡との間の境界面において反射され、
   前記第２の測定においては、前記液体が前記壁と接触する前記壁の位置に前記テラヘルツ放射線を向け、
   前記第２の測定によって検出される前記テラヘルツ放射線の前記部分は、前記壁と前記液体との間の境界面で反射され、
   前記第１の測定は、前記第２の測定の測定結果に対する基準測定として作用する方法。
2. 前記第２の測定において前記テラヘルツ放射線が向けられる前記壁の前記位置は、前記第１の測定において前記テラヘルツ放射線が向けられる前記壁の前記位置と同一であり、
   前記第１の測定においては前記気体または前記気泡が、前記第２の測定においては前記液体が、前記位置において前記壁と接触するように、前記容器を動かす請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の測定をまず実行し、
   続いて前記第１の測定に適した配置へと前記容器を動かし、
   次いで、所定の時間間隔で連続的に、前記壁の同一の前記位置に対して前記テラヘルツ放射線が向けられる複数の測定をさらに実行し、
   さらに実行された前記複数の測定の測定結果から、前記壁の前記位置における濡れ変化の速度を確定させる請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の測定及び前記第２の測定において、横たわる態様、及び、前記気体が前記容器の１つの領域内に集まる態様の少なくとも一方の態様で前記容器を配置し、
   前記容器の前記壁の垂直な断面は、円形及び等厚の少なくとも一方である請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１の測定によって測定され前記気体または前記気泡との前記境界面において反射される前記部分のビーム強度を基準値として使用し、
   前記第２の測定によって測定され前記液体との前記境界面において反射される前記部分のビーム強度と、前記基準値との比率に基づいて、前記液体の屈折率を確定する請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第１の測定及び前記第２の測定の少なくとも一方によって前記壁を形成する材料の屈折率を確定し、
   前記壁を形成する前記材料の確定された前記屈折率に基づいて評価される前記第２の測定の結果によって、前記液体の前記屈折率を確定する請求項５に記載の方法。
7. 前記部分に加えて、前記容器の外表面で反射されるビーム部分を前記第１の測定及び前記第２の測定の少なくとも一方によって検出し、
   前記壁と前記気体または前記液体との間の対応する前記境界面において反射される前記部分と、前記外表面において反射される前記ビーム部分との間の伝播時間差及び強度差の少なくとも一方を確定する請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記伝播時間差に基づいて前記壁の光学的厚みを確定し、
   前記強度差に基づいて前記壁を形成する材料の吸収挙動の量を確定する請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の測定及び前記第２の測定の少なくとも一方を、それぞれの場合において、前記壁の異なる位置、及び、前記テラヘルツ放射線の異なる周波数の少なくとも一方において、複数回実行する請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記第１の測定及び前記第２の測定をそれぞれの場合において、前記壁の異なる位置において実行し、
    前記第１の測定の結果と前記第２の測定の結果との間の差の形成または比率の形成により画像を生成する請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 少なくとも１つの光学的に活性化可能なテラヘルツ放出器アンテナと、前記テラヘルツ放出器アンテナによって生成される前記テラヘルツ放射線のコヒーレントな検出のための少なくとも１つの光学的に活性化可能なテラヘルツ受容器アンテナとを有し、位相に対して感度を有するテラヘルツシステムにより実行され、
    前記テラヘルツ放出器アンテナ及び前記テラヘルツ受容器アンテナを、共通の光源により活性化する請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 閉じた容器中にある液体を確定するための機構であって、
    テラヘルツ放射線を生成する少なくとも１つのテラヘルツ放出器と、
    前記テラヘルツ放射線を検出する少なくとも１つのテラヘルツ受容器と、
    前記少なくとも１つのテラヘルツ受容器に接続され、前記テラヘルツ受容器の出力信号を評価する評価ユニットと、
    を備え、
    前記テラヘルツ放出器によって生成される前記テラヘルツ放射線が、前記容器の壁の内表面の１つ以上の所定の位置において反射された後に、前記テラヘルツ受容器によって適切に検出されるように、前記テラヘルツ放出器と前記テラヘルツ受容器とが互いに対して配置され、
    プログラミング技術に関して前記評価ユニットは、前記壁と気体との間の境界面において反射される前記テラヘルツ放射線の部分が検出される第１の測定の前記出力信号、及び、前記壁と前記液体との間の境界面において反射される前記テラヘルツ放射線の部分が検出される第２の測定の前記出力信号を評価することにより、
    前記第１の測定の前記出力信号から、検出される前記テラヘルツ放射線の強度に対する基準値を導出し、
    前記容器中にある前記液体の屈折率の導出、及び、前記液体に対する液体の種類の割り当ての少なくとも一方のために、前記基準値に基づいて前記第２の測定の前記出力信号を評価する機構。
13. 前記容器、前記テラヘルツ放出器、及び前記テラヘルツ受容器を互いに対して固定するための保持装置を備え、
    前記容器、前記テラヘルツ放出器、及び前記テラヘルツ受容器は、前記第１の測定における第１の配置と前記第２の測定における第２の配置との間で、前記保持装置により一緒に回転可能または旋回可能であり、前記第１の測定及び前記第２の測定の両者に対して同一である前記壁の前記内表面における測定点が、前記第１の配置においては前記液体に加えて前記容器中にある気体または前記気体を含有する気泡によって接触され、前記第２の配置においては前記液体によって覆われる請求項１２に記載の機構。
14. それぞれがテラヘルツ放出器及びテラヘルツ受容器を有する対を２対備え、
    前記対の一方は他方より高く配置され、
    より高く配置される前記一方の対は、前記液体に加えて前記容器中にある気体に対する前記第１の測定用に設けられ、
    前記他方の対は、前記液体に対する前記第２の測定用に設けられる請求項１２に記載の機構。
15. 前記評価ユニットは、それぞれの場合において、前記容器の前記壁の外表面において反射される部分の強度、前記容器の前記壁の前記内表面において反射される前記テラヘルツ放射線の前記部分の強度、及び、２つの前記部分の間の伝播時間差を前記出力信号から導出する請求項１２から１４のいずれか１項に記載の機構。
16. 前記評価ユニットは、
    前記伝播時間差から前記容器の前記壁の光学的厚みを導出し、
    前記光学的厚みに基づいて、前記壁の前記外表面で反射される前記部分及び前記壁の前記内表面で反射される前記部分の前記強度から、前記壁の材料の吸収挙動の量を導出し、
    前記量に基づいて、特定の物質に対応するもの、または、特定の物質の種類に属するものとして前記壁の前記材料を同定し、
    前記物質または前記物質の前記種類に対してメモリに格納される値に対応するように前記壁の前記材料の前記屈折率を確定し、
    前記壁の前記材料に対して確定された前記屈折率に基づいて、前記第２の測定の結果を評価することにより、前記液体の前記屈折率を確定する請求項１５に記載の機構。
17. 前記評価ユニットは、異なる周波数において前記テラヘルツ放射線を連続的にまたは同時に生成するように前記テラヘルツ放出器を活性化するためのテラヘルツ放出器用活性化装置を備え、
    前記評価ユニットは、それぞれの前記周波数における前記出力信号を評価することにより、前記異なる周波数のそれぞれに対し、前記２つの測定の少なくとも一方を実行する請求項１２から１６のいずれか１項に記載の機構。
18. 測定位置への前記容器の自動的な搬送、及び、前記測定位置における前記容器の回転または旋回の少なくとも一方のための搬送装置を備える請求項１２から１７のいずれか１項に記載の機構。

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