KR100809655B1 - 테라 헤르츠 방사선으로 물질의 상태 변화를 감지하는 시스템 및 방법 - Google Patents
테라 헤르츠 방사선으로 물질의 상태 변화를 감지하는 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
액체상태에서 고체상태로 상변화하는 물질을 탐지하고 모니터하는 테라 헤르츠 방사선을 이용한 시스템과 방법이 설명되어 있다. 펄스 모드와 연속파 모드에서 테라 헤르츠 방사선을 채용함으로써, 상기 시스템은 비파괴적으로 이러한 변화를 모니터할 수 있다. 상기 시스템은 반고체나 고체보다는 물질이 액체인 때에 테라 헤르츠 방사선을 더 많이 흡수하고 감쇄하는 원리를 이용한다. 대부분의 테라 헤르츠 방사선 흡수는 전체 분자나 원자 그룹이 분자 결합에 대하여 회전하는 분자의 회전운동에 의해 일어난다.
테라 헤르츠, 상변화
Description
본 발명은 테라 헤르츠(THz) 방사선 탐지 분석 시스템이 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 테라 헤르츠 방사선 탐지 분석 시스템 및 물질 내에서의 상변화를 탐지하는 데 사용되는 방법에 관한 것이다.
최근까지도 양생되어 건조되는 접착제와 같은 물질의 상변화를 비절개, 비파괴적인 방법으로 감지하는 상업적으로 유용한 장치나 방법은 없다. 또한, 2장의 종이, 2장의 플라스틱, 나무, 세라믹 또는 유리로 박판이 포개진 층과 같은 2개의 결합된 부분 사이에 접착제가 위치될 때 접착제 양생을 감지할 수 있는 공지된 방법이나 장치가 없다.
따라서, 접착제 결합의 무결성을 보장하고 다양한 제품의 품질을 감지할 수 있는 양생 과정을 감지할 기술이 필요하게 되었다.
따라서, 접착제 결합의 무결성을 보장하고 다양한 제품의 품질을 감지할 수 있는 양생 과정을 감지할 기술이 필요하게 되었다.
테라 헤르츠 방사선(50GHz 내지 10THz 범위의 전자기 방사선) 펄스 연속파가 이러한 목적을 위하여 사용될 수 있다. 테라 헤르츠 방사선은 액체 상태, 반고체상태, 또는 고체상태의 물질을 통과할 때 흡수되고 감쇄되는 정도가 다르다. 이러한 감쇄의 차이는 하기의 양생 과정을 행한 접착제의 상변화 과정에서 샘플의 상태를 탐지하여 감지될 수 있다.
본 발명은 액체 상태에서 고체상태로 변화하거나 기타의 변화를 하는 서로 다른 물질을 탐지하고 감지할 수 있는, 테라 헤르츠 방사선을 이용한, 장치와 방법을 포함한다. 펄스 모드나 연속 모드에서 테라 헤르츠 방사선을 채용함으로써, 본 시스템은 이러한 변화를 비파괴적으로 감지할 수 있다. 본 발명인 테라 헤르츠 시스템은 액체 상태의 물질이 반고체 상태나 고체 상태의 물질보다 테라 헤르츠 방사선을 보다 더 흡수하고 감쇄하다는 원리를 이용한다. 대부분의 테라 헤르츠 방사선 흡수는 전체 분자나 원자 집단이 분자 결합을 중심으로 회전하는 분자 회전 운동 때문에 발생한다. 테라 헤르츠 방사선은 극성 회전 반체(polar rotating moiety)가 많을수록 더 잘 흡수된다. 물질이 액체 상태이면 회전운동이 훨씬 잘 일어나지만, 물질이 고형화되거나 냉동되면 이러한 운동은 억제되고 물질은 테라 헤르츠 방사선에 대하여 높은 투과성을 가지게 된다. 대부분의 액체 접착제는 높은 극성을 가지며, 자유 회전하는 액체 접착제 분자들의 흡수와 분자들이 회전할 수 없는 양생된 접착제의 흡수 사이에 큰 차이를 나타낸다.
테라 헤르츠 방사선이 액체 상태에서 고체 상태로 변화하는 접착제의 양생을 감지하는데 사용될 수 있게 하고, 동일한 물리적 성질은 테라 헤르츠 방사선을 또한 물에서 얼음으로의 변화와 같은 액체-고체, 또는 고체-액체로의 상변화를 감지하는데도 사용될 수 있게 한다. 이러한 사실은 물을 함유한 냉동 음식과 같은 얼음이나 냉동 상품에 적용된다. 또한, 테라 헤르츠 방사선은 가루로 분쇄된 음료수나 유아용 음식과 같은 습기에 치명적인 제품의 물 함유량을 감지하는데 사용될 수 있다.
테라 헤르츠 감지 시스템의 이점은 다양하며, 산업 현장에서 용이하게 사용될 수 있다. 본 발명의 테라 헤르츠 시스템은 덮개로 포장되며, 에폭시, 접착제, 얼음 덩어리, 유아용 음식, 냉동 음식(이에 한정되지 않음)과 같은 전술한 일반적인 제품을 가공하는 산업현장에서 사용될 수 있다. 테라 헤르츠 시스템은 판지, 나무, 플라스틱, 코오킹, 실리콘 밀봉제의 박판층, 기타 다른 접착제와 같은 재료를 연결하는 데 사용된다. 또한, 테라 헤르츠 시스템은 차체에 페인트를 건조시키는 과정을 감지하는데도 사용될 수 있다.
물질 내부의 상변화에 대하여 테라 헤르츠 방사선의 흡수성을 변화시킴으로서 얻어지는 이점을 통하여, 테라 헤르츠 장치는 상변화의 이러한 형태를 감지 하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 또다른 목적, 특징, 이점은 도면을 참조하여 청구항 및 하기의 상세한 설명에서 명확히 드러날 것이다.
본 발명은 액체 상태에서 고체상태로 변화하거나 기타의 변화를 하는 서로 다른 물질을 탐지하고 감지할 수 있는, 테라 헤르츠 방사선을 이용한, 장치와 방법을 포함한다. 펄스 모드나 연속 모드에서 테라 헤르츠 방사선을 채용함으로써, 본 시스템은 이러한 변화를 비파괴적으로 감지할 수 있다. 본 발명인 테라 헤르츠 시스템은 액체 상태의 물질이 반고체 상태나 고체 상태의 물질보다 테라 헤르츠 방사선을 보다 더 흡수하고 감쇄하다는 원리를 이용한다. 대부분의 테라 헤르츠 방사선 흡수는 전체 분자나 원자 집단이 분자 결합을 중심으로 회전하는 분자 회전 운동 때문에 발생한다. 테라 헤르츠 방사선은 극성 회전 반체(polar rotating moiety)가 많을수록 더 잘 흡수된다. 물질이 액체 상태이면 회전운동이 훨씬 잘 일어나지만, 물질이 고형화되거나 냉동되면 이러한 운동은 억제되고 물질은 테라 헤르츠 방사선에 대하여 높은 투과성을 가지게 된다. 대부분의 액체 접착제는 높은 극성을 가지며, 자유 회전하는 액체 접착제 분자들의 흡수와 분자들이 회전할 수 없는 양생된 접착제의 흡수 사이에 큰 차이를 나타낸다.
테라 헤르츠 방사선이 액체 상태에서 고체 상태로 변화하는 접착제의 양생을 감지하는데 사용될 수 있게 하고, 동일한 물리적 성질은 테라 헤르츠 방사선을 또한 물에서 얼음으로의 변화와 같은 액체-고체, 또는 고체-액체로의 상변화를 감지하는데도 사용될 수 있게 한다. 이러한 사실은 물을 함유한 냉동 음식과 같은 얼음이나 냉동 상품에 적용된다. 또한, 테라 헤르츠 방사선은 가루로 분쇄된 음료수나 유아용 음식과 같은 습기에 치명적인 제품의 물 함유량을 감지하는데 사용될 수 있다.
테라 헤르츠 감지 시스템의 이점은 다양하며, 산업 현장에서 용이하게 사용될 수 있다. 본 발명의 테라 헤르츠 시스템은 덮개로 포장되며, 에폭시, 접착제, 얼음 덩어리, 유아용 음식, 냉동 음식(이에 한정되지 않음)과 같은 전술한 일반적인 제품을 가공하는 산업현장에서 사용될 수 있다. 테라 헤르츠 시스템은 판지, 나무, 플라스틱, 코오킹, 실리콘 밀봉제의 박판층, 기타 다른 접착제와 같은 재료를 연결하는 데 사용된다. 또한, 테라 헤르츠 시스템은 차체에 페인트를 건조시키는 과정을 감지하는데도 사용될 수 있다.
물질 내부의 상변화에 대하여 테라 헤르츠 방사선의 흡수성을 변화시킴으로서 얻어지는 이점을 통하여, 테라 헤르츠 장치는 상변화의 이러한 형태를 감지 하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 또다른 목적, 특징, 이점은 도면을 참조하여 청구항 및 하기의 상세한 설명에서 명확히 드러날 것이다.
도 1은 본 발명인 시간 영역 시스템을 나타내는 다이어그램이며;
도 2는 본 발명인 연속파 테라 헤르츠 시스템의 다이어그램이며;
도 3 및 도 3a는 녹고 있는 얼음의 테라 헤르츠 방사선 흡수를 도시하는 그래프이며;
도 4는 녹은 후 다시 응결된 냉동 오이의 테라 헤르츠 방사선 흡수를 도시하는 그래프이며;
도 5, 도 5a, 도 5b는 에폭시를 양생하기 위하여 테라 헤르츠 방사선을 흡수하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 1은 전체적으로 10으로 나타낸 테라 헤르츠 전자기 방사선 방출 및 탐지 시스템의 다이어그램이다. 800㎚로 100 펨토초(femto second) 이하의 펄스를 생성하는 Ti:사파이어 레이저광원(12)은 예비보상기(precompensator; 14)에 연결된다. 비록 Ti:사파이어 레이저가 광원(12)인 것이 양호하지만, 750-800㎚로 펄스를 생성하도록 주파수 배가된(doubled) 모드록킹(modelocked) Er-도핑 광섬유 레이저; 모드로킹 충돌 펄스 레이저(colliding-pulse modelocked laser; CPM laser); 고에너지로 증폭된 시드 펄스(seed pulse)로 구성된 증폭 Ti:사파이어 레이저; 주파수 배가된 모드로킹 Nd 기반 유리 레이저; 크롬으로 도핑된 호스트:LiCaF, LiSrAlF, 또는 LiSrGaAlF 중의 하나에 기반을 둔 모드로킹 레이저; 또는 메가 헤르츠 반복 비율로 펨토초 출력 펄스를 생성하는 다른 레이저 광원과 같이 다른 짧은 펄스 광원이 사용될 수도 있다. 그러나, 이에 한정되지는 않는다. 비록 양호한 실시예는 약 800㎚ 에서 작동하는 레이저 광원을 사용하나, 적절한 반도체가 송신기 및 수신기에 사용된다면, 1550㎚ 에서 작동하는 Er 도핑 광섬유 레이저와 같은 레이저 광원이 사용될 수도 있다.
작동시에, 광원(12)으로부터의 출력 펄스는 광분할기(17)에 의해 단일 모드 광섬유(16, 18)로 분할된다. 단일 모드 광섬유(16, 18)의 출력시에 변형-제한된 펄스를 얻기 위해서, 예비보상기(14)는 광섬유(16, 18)에서 발생하는 분산(dispersion)에 반대되는 분산 신호를 추가하도록 사용된다. 분산은 파장에 따른 그룹 속도 변화의 특성에 주어진 명칭이다. 이것은 광 펄스의 형상을 전개시키고, 신장시키고, 및/또는 왜곡시켜서 불명확하게 하는 경향이 있다. 가장 간단한 형태의 분산은 벌크 물질을 통하여 빛을 전파함으로써 얻어진다. 이러한 분산을 일으키는 것은 비선형 주파수-의존 굴절률이다. 예비보상기(14)는 격자, 홀로그램 격자, 프리즘, 그리즘(grism), 브래그-섬유 격자(Bragg-fiber gratings), Gires-Tournier 간섭계, 또는 다른 조합체로 구성되어, 네거티브 그룹 속도 분산 시스템으로 나타난다. 광섬유(16, 18)는 다수의 상업적으로 이용가능한 단일 모드 섬유를 포함할 수 있다.
광 펄스가 광섬유(16)를 빠져나올 때, 상기 광 펄스는 광섬유 광전송 장치(22)를 통과하여 진행하여 테라 헤르츠 전송기(24)에 도달하며, 상기 테라 헤르츠 전송기는 테라 헤르츠 주파수 범위에서 전자기 방사선의 단일-사이클이나 하프-사이클을 방출한다. 테라 헤르츠의 양호한 전송기(24)는 전자-정공 쌍과 펄스 전류를 생성하는 광전도 소자를 구비한다. 광전도 소자는 pn-접합 다이오드, 핀 포토다이오드, 금속-반도체-금속 포토다이오드, 점-접촉 포토다이오드, 헤테로 접합 다이오드이거나, 또는 저온 성장 GaAs, 반-절연-GaAs, 사파이어 상의 (결정 또는 이온-이식된) 실리콘, InAs, InP, InGaAs, 또는 다른 광반응 소자(그러나 이러한 것에 한정되지는 않음)를 포함하는 반도체 소자로 제조될 수 있는 단순 반도체일 수도 있다. 테라 헤르츠 펄스를 생성하는 광전도 소자는 1995년 5월 30일자로 장(Zhang) 등에 허여된 "전자파 방사원"이라는 명칭의 미국 특허 제5,420,595호에 적절하게 설명되어 있으며, 여기서는 그것을 채용하기로 한다.
전류 펄스는 테라 헤르츠 전송기(24)의 광전도 소자에 도달하는 광 펄스에 의해 생성될 것이다. 전류의 변화는 테라 헤르츠 주파수 범위에서 전자기 방사선을 생성할 것이다. 전자기 방사선의 임시 형상은 광전도 소자에 연결된 금속 안테나 구조체 및 광 펄스의 단축성에 의해 결정된다. 양호한 실시예에서, 안테나는 다이폴(dipole) 안테나이다. 이러한 양호한 실시예에서 안테나 형상은 1998년 5월 17일에 브레너 등에 허여된 "테라 헤르츠 생성기 및 탐지기"라는 명칭의 미국 특허 제5,729,017호에 설명되어 있다. 양호한 모드의 방사선은 50 기가 헤르츠에서 100 테라 헤르츠의 범위일 것이나, 그 이상이나 그 이하의 전자기적 주파수도 가능하다.
테라 헤르츠 방사선은 테라 헤르츠 방사선을 조절하는 광학소자(26)를 통하여 전송된다. 조절된 테라 헤르츠 방사선은 샘플(28)과 제 2 광학소자(30)를 통과하여 테라 헤르츠 수신기 모듈(32)에 도달한다. 전술한 바와 같이, 샘플(28)의 상변화는 샘플(28)을 통과하는 신호의 테라 헤르츠 전이의 주파수-의존성 흡수, 분산, 반사에 의해 특징된다. 샘플(28)을 통과하는 수신된 테라 헤르츠 방사선의 전체 에너지를 감지함으로써 재료의 상변화가 감지될 수 있다. 도 1의 테라 헤르츠 방사선 수신기(32)는 테라 헤르츠 방사선이 샘플(28)을 통과한 후에 테라 헤르츠 범위의 전자기 방사선을 탐지하는 구조를 이룬다. 테라 헤르츠 수신기(32)는 흡수, 반사, 굴절, 산란된 방사선을 탐지하도록 샘플(28)을 둘러싼 위치에 설치된다. 테라 헤르츠 수신기(32)는 증폭기(34)에 의해 증폭되고 데이터 획득 시스템(36)에 의해 해독, 스케일 및/또는 디지탈화된 수신된 테라 헤르츠 방사선의 동력이나 에너지에 따라서 전기적 신호를 생성할 것이다.
테라 헤르츠 수신기(32)는 트리거 장치(도시 않음)에 의해 제어되는 광섬유 지연회로(20; delay)와 광섬유(18)를 통과하여 나아가는 광 펄스에 의해 테라 헤르츠 전송기(24)와 동조된다. 광섬유 지연회로(20)는 수신된 테라 헤르츠 신호의 격자를 제어한다.
여기에서 설명된 시스템은 실제의 경우를 수행하는 바람직한 실시예를 가리킨다. 그러나, 펄스화된 시간 영역 시스템은 전기-광학적 생성기에 기반을 둔 것이며 다른 탐지기도 사용될 수 있다. 다른 실시예는 전송기로서 비선형 전송선, Gunn 다이오드, 탐지기로서 발로미터(balometer) 등을 구비한 모든 전자적 방법으로 구성된다.
도 2는 연속파 시스템을 사용하는 또 다른 테라 헤르츠 전송 수신 시스템의 형상을 나타낸 다이아그램이다. 두개의 반도체 다이오드 레이저(42, 44)는 광연결점(46)에서 연속파 신호를 생성하도록 광학적으로 연결된다. 연속파 신호는 다이오드 레이저(42, 44) 출력의 보강 간섭 및 상쇄 간섭에 의해 생성된다. 레이저(42, 44)는 희망하는 주파수를 생성하도록 조절된다. 도 1 에 도시된 본 발명의 제 1 실시예와 유사하게, 테라 헤르츠 방사선을 생성하는 테라 헤르츠 전송기(24')에 연속파가 보내진다. 테라 헤르츠 방사선은 테라 헤르츠 방사선을 조정하는 광학소자(26')를 통하여 전송된다. 조절된 테라 헤르츠 방사선은 샘플(28'), 제 2 광학소자(30'), 테라 헤르츠 수신기 모듈(32')을 통과한다. 테라 헤르츠 수신기(32')로부터의 신호는 제 1 실시예와 유사하게 분석된다. 시스템(40)에 의해 생성된 연속 테라 헤르츠 방사선은 날카로운 흡수선을 가진 기체 상태의 물질을 감지하는 장치를 파장에 민감하게 한다. 양호한 실시예로서 연속파 시스템의 형상은 1997년 9월 2일자로 브라운 등에 허여된 "광 헤테로다인 변환 장치 및 방법"으로 명명된 미국 특허 제5,663,639호에 상세히 설명되어 있으며, 여기서는 이를 참고로 한다.
도 3 및 도 3a는 얼음 덩어리가 천천히 녹을때 얼음 덩어리를 통과하여 전송된 펄스 파형을 시간에 대하여 도시한 그래프이다. 그래프(50, 52)는 시간에 대한 테라 헤르츠 수신기(32)의 증폭된 전압 신호를 도시한다. 전압 신호로 측정된 바와 같이, 얼음을 통과하는 테라 헤르츠 방사선으로부터 전송된 동력은 빔(beam) 경로의 물이 증가하기 시작함에 따라 천천히 감소한다.
도 4는 냉동된 오이 슬라이스를 녹이고, 다시 냉동시킨 후의 일련의 펄스 파형을 도시한다. 그래프(54)는 시간에 대한 테라 헤르츠 수신기(32)의 증폭된 전압 신호를 도시한다. 도 3 및 도 3a와 유사하게, 냉동 오이의 물과 같은 내용물은 테라 헤르츠 방사선의 감쇄를 결정한다.
도 5, 도 5a, 도 5b는 표준 타입의, 2-부분으로 된, 5분간의 에폭시 양생의 일련의 파형을 도시한다. 그래프(56, 58)는 시간에 대하여 테라 헤르츠 수신기의 증폭된 전압신호를 도시하며, 그래프(60)는 시간에 대하여 탐지된 통합 테라 헤르츠 동력을 도시한다. 에폭시가 액체 상태로부터 고체 상태로 양생되기 때문에, 이러한 신호 전압은 시간에 대하여 강도가 증가한다.
그래프(56, 58)는 에폭시가 양생되어 1㎝ 경로 거리를 통하여 전송된 전체 에너지를 연속적으로 감지하는 실험을 행하는 동안 얻어진 것이다. 도 5 및 도 5a는 최초 5분의 시간으로 양생하는 동안의 에폭시의 에너지 경향을 도시한다. 그래프(56, 58)는 혼합 후 4-5분동안 약간 감소 현상이 발생하면서 테라 헤르츠 방사선의 동일한 투과력을 보여주며, 다음 10분이 지난 후 전송된 에너지가 꾸준히 상승한 후 이러한 강하 작용이 이어진다.
도 5b를 참조하면, 접착제, 에폭시, 물, 기타 유사한 물질에 있어서, 액체에서 고체 상으로 변화하는 것을 감지하는 테라 헤르츠 방사선의 장치의 예시가 도시된다. 그래프(60)는 표준 타입의 2-부분으로 된, 5-분간의 에폭시 큐베트(cuvette)를 통과하여 전송된 테라 헤르츠 동력을 도시한다. 에폭시가 중합되기 시작할 때, 에폭시의 큐베트는 시간을 초과하여 전송된 테라 헤르츠 동력의 증가가 가리키는 바와 같이, 테라 헤르츠 방사선에 대하여 더욱 투과성을 가지게 된다. 처음에, 2 부분이 혼합되므로, 에폭시의 큐베트는 고형화가 시작되기 바로 직전에 일시적으로 아주 불투명해지게 된다(전송된 테라 헤르츠 동력은 감소).
액체로부터 고체로의 상변화와 일반적인 물질에서의 회전 진동의 동결은 테라 헤르츠 상황에서 일반적으로 탐지되기 때문에, 동일한 결과가 다른 접착제에서도 발견될 것으로 믿는 것은 당연하다.
그래프(50, 52, 54, 56, 58, 60)는 펄스 또는 시간 영역 테라 헤르츠 시스템을 사용하여 얻어진 것이다. 본 발명의 양호한 실시예로서, 도 2에 도시된 것과 같은 연속파 테라 헤르츠 시스템은 산업 기계로 사용될 것이다. 이러한 시스템은 넓은 파장 범위의 테라 헤르츠 방사선을 간헐적으로 감지하는 것 보다는 특정 테라 헤르츠 주파수에서 전체 전송된 동력을 계속적으로 감지할 것이다.
작동시에, 광원(12)으로부터의 출력 펄스는 광분할기(17)에 의해 단일 모드 광섬유(16, 18)로 분할된다. 단일 모드 광섬유(16, 18)의 출력시에 변형-제한된 펄스를 얻기 위해서, 예비보상기(14)는 광섬유(16, 18)에서 발생하는 분산(dispersion)에 반대되는 분산 신호를 추가하도록 사용된다. 분산은 파장에 따른 그룹 속도 변화의 특성에 주어진 명칭이다. 이것은 광 펄스의 형상을 전개시키고, 신장시키고, 및/또는 왜곡시켜서 불명확하게 하는 경향이 있다. 가장 간단한 형태의 분산은 벌크 물질을 통하여 빛을 전파함으로써 얻어진다. 이러한 분산을 일으키는 것은 비선형 주파수-의존 굴절률이다. 예비보상기(14)는 격자, 홀로그램 격자, 프리즘, 그리즘(grism), 브래그-섬유 격자(Bragg-fiber gratings), Gires-Tournier 간섭계, 또는 다른 조합체로 구성되어, 네거티브 그룹 속도 분산 시스템으로 나타난다. 광섬유(16, 18)는 다수의 상업적으로 이용가능한 단일 모드 섬유를 포함할 수 있다.
광 펄스가 광섬유(16)를 빠져나올 때, 상기 광 펄스는 광섬유 광전송 장치(22)를 통과하여 진행하여 테라 헤르츠 전송기(24)에 도달하며, 상기 테라 헤르츠 전송기는 테라 헤르츠 주파수 범위에서 전자기 방사선의 단일-사이클이나 하프-사이클을 방출한다. 테라 헤르츠의 양호한 전송기(24)는 전자-정공 쌍과 펄스 전류를 생성하는 광전도 소자를 구비한다. 광전도 소자는 pn-접합 다이오드, 핀 포토다이오드, 금속-반도체-금속 포토다이오드, 점-접촉 포토다이오드, 헤테로 접합 다이오드이거나, 또는 저온 성장 GaAs, 반-절연-GaAs, 사파이어 상의 (결정 또는 이온-이식된) 실리콘, InAs, InP, InGaAs, 또는 다른 광반응 소자(그러나 이러한 것에 한정되지는 않음)를 포함하는 반도체 소자로 제조될 수 있는 단순 반도체일 수도 있다. 테라 헤르츠 펄스를 생성하는 광전도 소자는 1995년 5월 30일자로 장(Zhang) 등에 허여된 "전자파 방사원"이라는 명칭의 미국 특허 제5,420,595호에 적절하게 설명되어 있으며, 여기서는 그것을 채용하기로 한다.
전류 펄스는 테라 헤르츠 전송기(24)의 광전도 소자에 도달하는 광 펄스에 의해 생성될 것이다. 전류의 변화는 테라 헤르츠 주파수 범위에서 전자기 방사선을 생성할 것이다. 전자기 방사선의 임시 형상은 광전도 소자에 연결된 금속 안테나 구조체 및 광 펄스의 단축성에 의해 결정된다. 양호한 실시예에서, 안테나는 다이폴(dipole) 안테나이다. 이러한 양호한 실시예에서 안테나 형상은 1998년 5월 17일에 브레너 등에 허여된 "테라 헤르츠 생성기 및 탐지기"라는 명칭의 미국 특허 제5,729,017호에 설명되어 있다. 양호한 모드의 방사선은 50 기가 헤르츠에서 100 테라 헤르츠의 범위일 것이나, 그 이상이나 그 이하의 전자기적 주파수도 가능하다.
테라 헤르츠 방사선은 테라 헤르츠 방사선을 조절하는 광학소자(26)를 통하여 전송된다. 조절된 테라 헤르츠 방사선은 샘플(28)과 제 2 광학소자(30)를 통과하여 테라 헤르츠 수신기 모듈(32)에 도달한다. 전술한 바와 같이, 샘플(28)의 상변화는 샘플(28)을 통과하는 신호의 테라 헤르츠 전이의 주파수-의존성 흡수, 분산, 반사에 의해 특징된다. 샘플(28)을 통과하는 수신된 테라 헤르츠 방사선의 전체 에너지를 감지함으로써 재료의 상변화가 감지될 수 있다. 도 1의 테라 헤르츠 방사선 수신기(32)는 테라 헤르츠 방사선이 샘플(28)을 통과한 후에 테라 헤르츠 범위의 전자기 방사선을 탐지하는 구조를 이룬다. 테라 헤르츠 수신기(32)는 흡수, 반사, 굴절, 산란된 방사선을 탐지하도록 샘플(28)을 둘러싼 위치에 설치된다. 테라 헤르츠 수신기(32)는 증폭기(34)에 의해 증폭되고 데이터 획득 시스템(36)에 의해 해독, 스케일 및/또는 디지탈화된 수신된 테라 헤르츠 방사선의 동력이나 에너지에 따라서 전기적 신호를 생성할 것이다.
테라 헤르츠 수신기(32)는 트리거 장치(도시 않음)에 의해 제어되는 광섬유 지연회로(20; delay)와 광섬유(18)를 통과하여 나아가는 광 펄스에 의해 테라 헤르츠 전송기(24)와 동조된다. 광섬유 지연회로(20)는 수신된 테라 헤르츠 신호의 격자를 제어한다.
여기에서 설명된 시스템은 실제의 경우를 수행하는 바람직한 실시예를 가리킨다. 그러나, 펄스화된 시간 영역 시스템은 전기-광학적 생성기에 기반을 둔 것이며 다른 탐지기도 사용될 수 있다. 다른 실시예는 전송기로서 비선형 전송선, Gunn 다이오드, 탐지기로서 발로미터(balometer) 등을 구비한 모든 전자적 방법으로 구성된다.
도 2는 연속파 시스템을 사용하는 또 다른 테라 헤르츠 전송 수신 시스템의 형상을 나타낸 다이아그램이다. 두개의 반도체 다이오드 레이저(42, 44)는 광연결점(46)에서 연속파 신호를 생성하도록 광학적으로 연결된다. 연속파 신호는 다이오드 레이저(42, 44) 출력의 보강 간섭 및 상쇄 간섭에 의해 생성된다. 레이저(42, 44)는 희망하는 주파수를 생성하도록 조절된다. 도 1 에 도시된 본 발명의 제 1 실시예와 유사하게, 테라 헤르츠 방사선을 생성하는 테라 헤르츠 전송기(24')에 연속파가 보내진다. 테라 헤르츠 방사선은 테라 헤르츠 방사선을 조정하는 광학소자(26')를 통하여 전송된다. 조절된 테라 헤르츠 방사선은 샘플(28'), 제 2 광학소자(30'), 테라 헤르츠 수신기 모듈(32')을 통과한다. 테라 헤르츠 수신기(32')로부터의 신호는 제 1 실시예와 유사하게 분석된다. 시스템(40)에 의해 생성된 연속 테라 헤르츠 방사선은 날카로운 흡수선을 가진 기체 상태의 물질을 감지하는 장치를 파장에 민감하게 한다. 양호한 실시예로서 연속파 시스템의 형상은 1997년 9월 2일자로 브라운 등에 허여된 "광 헤테로다인 변환 장치 및 방법"으로 명명된 미국 특허 제5,663,639호에 상세히 설명되어 있으며, 여기서는 이를 참고로 한다.
도 3 및 도 3a는 얼음 덩어리가 천천히 녹을때 얼음 덩어리를 통과하여 전송된 펄스 파형을 시간에 대하여 도시한 그래프이다. 그래프(50, 52)는 시간에 대한 테라 헤르츠 수신기(32)의 증폭된 전압 신호를 도시한다. 전압 신호로 측정된 바와 같이, 얼음을 통과하는 테라 헤르츠 방사선으로부터 전송된 동력은 빔(beam) 경로의 물이 증가하기 시작함에 따라 천천히 감소한다.
도 4는 냉동된 오이 슬라이스를 녹이고, 다시 냉동시킨 후의 일련의 펄스 파형을 도시한다. 그래프(54)는 시간에 대한 테라 헤르츠 수신기(32)의 증폭된 전압 신호를 도시한다. 도 3 및 도 3a와 유사하게, 냉동 오이의 물과 같은 내용물은 테라 헤르츠 방사선의 감쇄를 결정한다.
도 5, 도 5a, 도 5b는 표준 타입의, 2-부분으로 된, 5분간의 에폭시 양생의 일련의 파형을 도시한다. 그래프(56, 58)는 시간에 대하여 테라 헤르츠 수신기의 증폭된 전압신호를 도시하며, 그래프(60)는 시간에 대하여 탐지된 통합 테라 헤르츠 동력을 도시한다. 에폭시가 액체 상태로부터 고체 상태로 양생되기 때문에, 이러한 신호 전압은 시간에 대하여 강도가 증가한다.
그래프(56, 58)는 에폭시가 양생되어 1㎝ 경로 거리를 통하여 전송된 전체 에너지를 연속적으로 감지하는 실험을 행하는 동안 얻어진 것이다. 도 5 및 도 5a는 최초 5분의 시간으로 양생하는 동안의 에폭시의 에너지 경향을 도시한다. 그래프(56, 58)는 혼합 후 4-5분동안 약간 감소 현상이 발생하면서 테라 헤르츠 방사선의 동일한 투과력을 보여주며, 다음 10분이 지난 후 전송된 에너지가 꾸준히 상승한 후 이러한 강하 작용이 이어진다.
도 5b를 참조하면, 접착제, 에폭시, 물, 기타 유사한 물질에 있어서, 액체에서 고체 상으로 변화하는 것을 감지하는 테라 헤르츠 방사선의 장치의 예시가 도시된다. 그래프(60)는 표준 타입의 2-부분으로 된, 5-분간의 에폭시 큐베트(cuvette)를 통과하여 전송된 테라 헤르츠 동력을 도시한다. 에폭시가 중합되기 시작할 때, 에폭시의 큐베트는 시간을 초과하여 전송된 테라 헤르츠 동력의 증가가 가리키는 바와 같이, 테라 헤르츠 방사선에 대하여 더욱 투과성을 가지게 된다. 처음에, 2 부분이 혼합되므로, 에폭시의 큐베트는 고형화가 시작되기 바로 직전에 일시적으로 아주 불투명해지게 된다(전송된 테라 헤르츠 동력은 감소).
액체로부터 고체로의 상변화와 일반적인 물질에서의 회전 진동의 동결은 테라 헤르츠 상황에서 일반적으로 탐지되기 때문에, 동일한 결과가 다른 접착제에서도 발견될 것으로 믿는 것은 당연하다.
그래프(50, 52, 54, 56, 58, 60)는 펄스 또는 시간 영역 테라 헤르츠 시스템을 사용하여 얻어진 것이다. 본 발명의 양호한 실시예로서, 도 2에 도시된 것과 같은 연속파 테라 헤르츠 시스템은 산업 기계로 사용될 것이다. 이러한 시스템은 넓은 파장 범위의 테라 헤르츠 방사선을 간헐적으로 감지하는 것 보다는 특정 테라 헤르츠 주파수에서 전체 전송된 동력을 계속적으로 감지할 것이다.
본 발명은 전술한 설명과 도면에 한정되지 않으며, 다양한 변형예가 하기의 청구항에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 고려될 수 있다.
Claims (31)
- 레이저 광선을 생성하는 레이저 광원과;샘플을 통과하여 전송되는 테라 헤르츠 전자기 방사선으로 레이저 광선을 전환하는 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기와;샘플을 통과하여 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선을 수용하도록 테라 헤르츠 전송기 반대편에 위치한 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기와;샘플이 상변화 하는지 여부를 결정하기 위하여, 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기에 의해 수신된 테라 헤르츠 전자기 방사선과 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기에 의해 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선을 비교하는 분석기;를 포함하는, 검사 중인 샘플이 상변화 하는지 여부를 결정하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 샘플이 상변화 하고 있는지 여부를 결정하기 위하여, 상기 분석기는 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기에 의해 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 전송 파워와 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기에 의해 수신된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 수신 파워를 추가로 비교하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 샘플이 상변화 하고 있는지 여부를 결정하기 위하여, 상기 분석기는 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기에 의해 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 전송 피크 전압 진폭과 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기에 의해 수신된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 수신 피크 전압 진폭을 추가로 비교하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 광원은 약 100 펨토초의 지속시간을 가지는 광 펄스를 생성할 수 있는 레이저인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 4 항에 있어서, 상기 레이저 광원으로부터 상기 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기 및 수신기로 광 펄스를 전송하는 데 광섬유 전송 시스템이 사용되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 5 항에 있어서, 상기 광섬유 전송 시스템에서 생긴 분산을 상쇄하기 위하여, 분산을 추가하기 위한 예비보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 광원은 다수의 단일 주파수-광선 신호들을 생성하는 다수의 단일-주파수 광원을 더 구비하여, 상기 다수의 단일-주파수 광선 신호들은 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기 및 수신기에서 더해지는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 7 항에 있어서, 다수의 단일-주파수 광선 신호를 공간적으로 오버랩하는 광섬유 결합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 테라 헤르츠 전송기 및 수신기는 레이저 광선을 테라 헤르츠 전자기 방사선으로 전환하는 광전도 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 9 항에 있어서, 상기 광전도 소자는 저온 성장 GaAs 반도체인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 테라 헤르츠 전송기 및 수신기는 레이저 광선을 테라 헤르츠 전자기 방사선으로 전환하는 전기-광학소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 11 항에 있어서, 상기 전기-광학소자는 ZnTe 를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 테라 헤르츠 전송기 및 수신기는 테라 헤르츠 전자기 방사선을 전송기로부터 수신기로 효율적으로 연결하는 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 레이저 광선을 상기 레이저 광원으로부터 상기 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기로 전송할 때 시간적 지연을 일으키는 광학적 지연 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 테라 헤르츠 전자기 방사선을 샘플에 초점 맞추도록 테라 헤르츠 전송기와 정렬되는 테라 헤르츠 광학소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 테라 헤르츠 전자기 방사선을 테라 헤르츠 수신기 상에 집중시키도록 테라 헤르츠 수신기와 정렬되는 테라 헤르츠 광학소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 레이저 광원을 이용하여 광파를 생성하는 단계와;샘플을 통과하는 테라 헤르츠 전자기 방사선을 전송하는 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기를 이용하여, 광파를 테라 헤르츠 전자기 방사선으로 전환하는 단계와;테라 헤르츠 전송기 반대편에 위치한 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기를 이용하여, 샘플을 통과하여 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선을 수용하는 단계와;샘플이 상변화 하는지 여부를 결정하기 위하여, 수신된 테라 헤르츠 전자기 방사선과 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선을 비교하는 단계;를 포함하는, 검사중인 샘플이 상변화 하는지 여부를 결정하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 샘플이 상변화 하고 있는지 여부를 결정하기 위하여 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선과 수신된 테라 헤르츠 전자기 방사선을 비교하는 단계는, 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기에 의해 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 전송 파워와 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기에 의해 수신된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 수신 파워를 비교하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 샘플이 상변화 하고 있는지 여부를 결정하기 위하여 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선과 수신된 테라 헤르츠 전자기 방사선을 비교하는 단계는, 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기에 의해 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 전송 피크 전압 진폭과 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기에 의해 수신된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 수신 피크 전압 진폭을 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 약 100 펨토초의 지속 시간을 가지는 광 펄스를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 20 항에 있어서, 광섬유 전송 시스템을 이용하여 광 펄스를 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기 및 수신기로 전송하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제 21 항에 있어서, 광섬유 전송 시스템에서 발생하는 분산을 상쇄하기 위하여, 예비보상기를 이용하여 분산을 추가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 각각의 전송기와 수신기는 안테나를 포함하며, 안테나를 이용하여 테라 헤르츠 전송기로부터 헤르츠 수신기로의 테라 헤르츠 전자기 방사선의 연결 효율을 향상시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기와 함께 정렬된 테라 헤르츠 광학소자를 이용하여 샘플 상에 테라 헤르츠 전자기 방사선의 초점을 맞추는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 테라 헤르츠 수신기와 함께 정렬된 테라 헤르츠 광학소자를 이용하여 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기 상에 샘플을 통과하여 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 초점을 맞추는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 레이저 광원을 이용하여 광파를 생성하는 단계는, 다수의 단일-주파수 광원을 이용하여 다수의 단일-주파수 광선 신호들을 생성하는 단계를 더 포함하며, 상기 다수의 단일-주파수 광선 신호들은 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기 및 수신기에서 더해지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 레이저 광선의 펄스를 생성하는 펄스 레이저 광원과;샘플을 통과하여 전송되는 테라 헤르츠 전자기 방사선의 펄스로 레이저 광선을 전환하는 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기와;샘플을 통과하여 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선을 수용하도록 테라 헤르츠 전송기 반대편에 위치한 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기와;상기 레이저 광원으로부터 상기 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기 및 수신기로 레이저 광선을 전송하는 광섬유 전송 시스템과;상기 레이저 광원으로부터 상기 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기로 레이저 광선을 전송할 때 시간적 지연을 일으키는 광학적 지연 소자와;샘플이 상변화 하고 있는지를 결정하기 위하여, 상기 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기에 의해 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선과 상기 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기에 의해 수신된 테라 헤르츠 전자기 방사선을 비교하는 분석기;를 포함하는, 검사중인 샘플이 상변화 하는지 여부를 결정하는 시스템.
- 제 27 항에 있어서, 상기 레이저 광원은 약 100 펨토초의 시간을 가지는 광 펄스를 생성할 수 있는 레이저인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 27 항에 있어서, 상기 광섬유 전송 시스템에서 생성된 분산을 상쇄하기 위하여, 분산을 추가하는 예비보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 27 항에 있어서, 샘플이 상변화 하고 있는지를 결정하기 위하여, 상기 분석기는 상기 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기에 의해 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 전송 파워와 상기 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기에 의해 수신된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 수신 파워를 더 비교하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 27 항에 있어서, 샘플이 상변화 하고 있는지를 결정하기 위하여, 상기 분석기는 상기 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 전송기에 의해 전송된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 전송 피크 전압 진폭과 상기 광학적으로 구동되는 테라 헤르츠 수신기에 의해 수신된 테라 헤르츠 전자기 방사선의 수신된 피크 전압 진폭을 더 비교하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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