KR20120135228A

KR20120135228A - 물질 탐지 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20120135228A
Application number: KR1020127020770A
Authority: KR
Inventors: 커티스 에이. 비른바흐
Original assignee: 어드밴스드 퓨젼 시스템스 엘엘씨
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-12-12
Also published as: JP2015111138A; CN102812345B; AU2011216259B2; JP2016173368A; BR112012017260A2; US8682596B2; KR20170129299A; JP2013519885A; RU2552126C2; RU2012130788A; EP2534468A4; CN102812345A; NZ600888A; CA2786018A1; IL220757A0; CA3029954C; AU2011216259A1; US20110201510A1; KR101863378B1; JP6192761B2

Abstract

병렬 모드 분광법에 의해 물체 내의 고유 물질과 물체 내의 임의의 외래 물질 중 하나 또는 둘 다를 탐지하기 위한 방법이 개시되는데, 상기 방법은 병렬 모드 데이터 획득, 신호 처리 및 데이터 정리, 그리고 결과 제공을 포함한다. 병렬 모드 데이터 획득은 약 10 GHz 내지 약 25 THz 범위의 충분한 대역폭을 갖는 전자기 복사를 동시에 포함하는 탐문 신호를 생성하여 복수의 주파수에서 복수의 신호를 동시에 탐지하게 하는 단계를 포함하는데, 복수의 신호 각각은 소정의 진폭을 갖고, 복수의 신호는 탐지를 원하는 물질의 특유한 스펙트럼 서명을 집합적으로 제공한다. 신호 처리 및 데이터 정리는 물체를 탐문 복사에 노출시킨 결과로부터의 신호를 처리하여 물체와 연관된 적어도 임의의 외래 또는 고유 물질을 나타내는 3차원 데이터 행렬을 생성하는 단계를 포함한다. 상관 기법이 데이터 행렬을 기준 라이브러리와 비교하는 데 사용된다.

Description

물질 탐지 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR DETECTING MATERIALS}

본 출원은 2010년 2월 12일에 출원된 미국 임시 특허 출원 제61/304,318호로부터 우선권을 주장한다. 상술한 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다.

본 발명은 물체에 고유한 물질 또는 외래 물질의 존재를 탐지하기 위한 방법 및 시스템과 관련되고, 보다 구체적으로는 탐지 속도를 증가시키기 위해 병렬 모드 분광법(parallel-mode spectroscopy)을 사용하는 방법 및 시스템과 관련된다.

외래 또는 고유 물질의 존재에 대해 사람 및 다른 물체를 분석 또는 검사하기 위한 고속의 비침습적 방법에 대한 실질적인 필요가 존재한다. 외래 물질은 아래를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

폭발물과 그 전구 물질 및 중간 물질

화학 물질과 그 전구 물질 및 중간 물질

의약품과 그 전구 물질 및 중간 물질

화학 및 생물학 무기와 그 전구 물질 및 중간 물질

박테리아, 바이러스 및 다른 생명 형태

외래 물질과 혼합되었을 수 있는 소기의 고유 물질은 아래를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

의약품과 그 전구 물질 및 중간 물질

화학 물질과 그 전구 물질 및 중간 물질

식품 및 식제품과 그 전구 물질 및 중간 물질

외래 물질의 존재에 대해 물체를 분석하는 것에 관한 상술한 요건에 대처하는 분석 및 검사 기법을 만들기 위한 다수의 시도가 있어 왔으나, 이런저런 이유로 이러한 시도들은 모두 충분하지 못했다. 그 예에는 후방 산란 엑스선, 중성자 방사화, 질량 분광법(몇몇 변종) 및 밀리미터파 이미징이 포함된다. 이러한 기법들은 이온화 복사를 사용하거나, 증기의 탐지에 의존하거나, 또는 침습적 이미징 기법을 사용하는데, 이들은 의복을 통과하여 볼 수 있지만 여전히 심하게 제한되고 오긍정(false positive) 또는 오부정(false negative)이라는 결과를 제공하기 쉽다.

밀리미터파 기술에 있어서 종래 기술은 다소 논란이 있는 이미징 시스템으로 이루어졌다. 논란은 숨겨진 것이 존재하는지 여부를 결정하기 위해 사람들의 의복을 통과하여 볼 수 있는 능력이 시스템의 조작자에게 주어지기 때문에 일어난다. 많은 사람들은 이러한 장치가 이들의 프라이버시를 매우 침해하는 것으로 여긴다. 또한, 다양한 유형의 폭발물 또는 밀수품을 구별하는 능력이 제한되는 것이 심각한 단점이다.

다른 관심 영역은 공기 전염병의 탐지이다. 큰 수용 능력을 갖는 제트 비행기에 의해 광범위한 세계 여행이 가능해진 사회가 직면하는 가장 큰 위협들 중 하나는 공기 전염병에 대한 감수성이다. 둘 이상의 연결 항공편으로 여행을 하는 비행기 여행자는 잠재적으로 막대한 수의 사람들을 전염병에 노출시킬 수 있고, 따라서 전염병의 발생지를 추적하기가 지극히 어려워지는 동시에 전염병의 유행 확산의 위험이 생긴다. 명백하게, 전염병이 있는 직항편 비행기 여행자는 여전히 상당한 위험을 제기하는데, 그 까닭은 많은 승객들이 여전히 비행 이전과 도중에 전염병에 노출될 것이고, 이어서 이러한 노출된 승객들은 이후의 전염 잠복기 동안에 다른 사람들을 노출시킬 것이기 때문이다.

분광법은 분석 및 검사 기법으로서 많은 장점을 갖지만, 전형적으로 실시됨에 있어서 직렬 방식으로 데이터를 획득하기 때문에 느린 프로세스에 시달린다. 위에서 기술된 것과 같은 검사 목적을 위한 근 실시간 동작이 가능한 분광 방법 및 시스템을 갖는 것이 바람직할 것이다. 물체 상의 또는 물체 내의 외래 물질을 탐지하기 위한 이러한 시스템에 대한 많은 응용예가 존재한다. 물체에 대한 외래 물질의 예는 폭발물 또는 폭발물의 성분, 밀수품, 화학 및 생물학 무기, 의약품, 가공중인 식품 내의 오염 물질, 합법적 화학 제품 내의 오염 물질, 그리고 인간 및 동물의 질병과 연관된 물질이다.

바람직한 형태에서, 고유 물질을 갖고 잠재적으로 외래 물질을 갖는 물체와 관련하여, 본 발명은 병렬 모드 분광법에 의해 고유 물질과 외래 물질 중 하나 또는 둘 다를 탐지하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 (1) 병렬 모드 데이터 획득, (2) 신호 처리 및 데이터 정리(data reduction) 및 (3) 결과 제공을 포함한다. 병렬 모드 데이터 획득은 약 10 GHz 내지 약 25 THz 범위의 충분한 대역폭을 갖는 전자기 복사를 동시에 포함하는 탐문 신호를 생성하여 복수의 주파수에서 복수의 신호를 동시에 탐지하게 하는 단계를 포함하는데, 복수의 신호 각각은 소정의 진폭을 갖고, 복수의 신호는 탐지를 원하는 물질의 특유한 스펙트럼 서명을 집합적으로 제공한다. 물체 및 임의의 연관된 외래 물질은 탐문 신호에 노출되어 신호와 물체 및 임의의 연관된 외래 물질 사이의 상호작용을 야기한다. 탐문 신호와 물체 및 임의의 연관된 외래 물질의 상호작용으로부터 비롯된 수정된 신호가 탐지된다. 신호 처리 및 데이터 정리는 결과 신호를 처리하여 물체와 연관된 적어도 임의의 외래 또는 고유 물질을 나타내는 3차원 데이터 행렬을 생성하는 단계를 포함한다. 관심 있는 공지된 화학적 또는 생물학적 물질을 나타내는 데이터의 기준 라이브러리가 제공된다. 데이터 행렬을 기준 라이브러리와 비교하여 기준 라이브러리 데이터로부터의 적어도 하나의 연관된 외래 또는 고유 물질에 대응되는 적어도 하나의 상관 피크를 생성하기 위해 상관 기법이 사용된다. 상술한 비교의 결과가 제공된다.

상술한 방법은 물체에 고유한 또는 외래의 물질을 탐지하기 위한 근 실시간 동작이 가능하게 만들어질 수 있는 분광 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명을 구현하기 위한 바람직한 시스템의 블록도.
도 2는 그리드(44)가 부분적으로 절단되어 도시되는, 도 1의 탐문 복사 소스에서 사용될 수 있는 원통형 스미스-퍼셀(Smith-Purcell) 개선 자기 절연 선형 발진기의 대체적인 단면도.
도 3은 스미스-퍼셀 RF 생성 프로세스의 종래 기술 표현.
도 4는 도 2의 탐문 복사 소스와 관련하여 스미스-퍼셀 RF 생성의 목적을 위한 평면 및 원통형 격자에 대한 전자빔의 관계를 단순한 형태로 도시하는 도면.
도 5는 도 1의 시스템에서 사용될 수 있고, 부분적으로 블록 형태이고 부분적으로는 단면인 비축(off-axis) 반사 빔 보정 준광학 요소를 도시하는 도면.
도 6은 도 1의 시스템의 탐문 복사 소스에서 사용될 수 있는 냉음극 전계 발광 3극관으로 구현되는 전류 조정기 회로를 도시하는 도면.
도 7은 도 1의 시스템의 탐문 복사 소스에서 사용될 수 있는 표류관(drift tube)의 내면 상의 전자기 격자 표면의 단면도.
도 8은 비율에 맞게 그려지지 않은, 원으로 표기된 도 8로 도시된 도 7의 해당 부분의 확대 상세도.
도 9는 종래 기술의 직렬 모드 분광법의 블록도.
도 10은 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 병렬 모드 분광법의 블록도.
도 11은 도 1의 시스템에서 이용될 수 있는 형광 분광법의 개념의 개략 표현도.
도 12는 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 합성 이미지를 나타내는 2차원 데이터 행렬 어레이를 도시하는 도면.
도 13은 도 1의 시스템에서 광 상관기로서 사용될 수 있는 광 상관 신호 처리기의 평면도.
도 14는 임계화(thresholding) 동작을 도시하는 그래프.
도 15 내지 19는 도 1의 시스템의 디스플레이에서 사용될 수 있는 몇몇 가능한 조작자 인터페이스 제어판을 도시하는 도면.

본 명세서에서 사용되는 다양한 정의는 아래와 같다.

정의

탐문 복사 소스: 본 명세서에서 "탐문 복사 소스"는 약 10 GHz 내지 약 25 THz 범위의 충분한 대역폭을 갖는 전자기 복사를 동시에 포함하여 복수의 주파수에서 복수의 신호의 동시 탐지를 가능하게 하는 광대역 전자기 복사를 의미하는데, 복수의 신호 각각은 소정의 진폭을 갖고, 복수의 신호는 탐지를 원하는 물질의 특유한 스펙트럼 서명을 집합적으로 제공한다.

광대역: 신호의 대역폭을 그 중심 주파수에 대해 표현한 것. 본 명세서에서 "광대역"은 가장 높은 주파수에 대해 중심 주파수의 약 25%보다 더 큰 주파수를 갖는 신호인 것으로 정의된다.

외래 물질: 본 명세서에서 사용되는 바처럼, "외래 물질"은 물체와 바람직하지 않게 연관된 물질이다. 외래 물질의 예는 폭발물, 불법 약물, 화학 및 생물학 제제, 식품 오염 물질, 화학 오염 물질, 의약 오염 물질, 질병과 연관된 물질, 및 바이러스, 박테리아, 단백질, 프리온, 균류 및 포자를 포함하지만 이에 한정되지 않는 병원체이다. 외래 물질은 복수의 성분을 가질 수 있으며, 따라서 획득된 스펙트럼 서명은 복수의 성분 및 각각의 양을 반영한다.

물질: 본 명세서에서 사용되는 바처럼, "물질"은 단일 물질 또는 복수의 물질로 구성될 수 있다.

물체: 본 명세서에서 사용되는 바처럼, "물체"는 그와 연관된 외래 물질을 갖거나 갖지 않을 수 있는 실체를 의미한다. 이러한 맥락에서 물체의 예에는 사람, 사람 및 의류 또는 수화물, 식품, 차량, 의약품, 화학 물질, 동물 및 생물학적 실체가 포함되지만, 이에 한정되지 않는다. "물체"는 단일 실체(예컨대 사람)일 수 있거나 또는 복수의 실체(의류를 입고 있는 사람)를 포함할 수 있다.

고유 물질: 본 명세서에서 사용되는 바처럼, "고유 물질"은 위에서 정의된 바와 같은 물체를 구성하는, 외래 물질을 제외한 물질을 의미한다. 고유 물질은 복수의 성분을 가질 수 있으며, 따라서 획득된 스펙트럼 서명은 복수의 성분 및 각각의 양을 반영한다. 일례는 사람 및 그 사람의 의류를 포함하는 물체와 관련되는데, 사람과 그 사람의 의류는 폭발물을 검사하는 경우에 무해하다. 다른 일례는 폭발물을 검사하는 경우에 고유한 것으로 간주되는 많은 무해한 부품을 갖는 자동차를 포함하는 물체와 관련된다.

외래 또는 고유 물질: 본 명세서에서 사용되는 바처럼, "외래 또는 고유 물질" 또는 유사한 문구는 문맥이 달리 규정하는 경우를 제외하고는 외래 및 고유 물질 중 하나 또는 둘 다를 의미한다.

갖다: 외래 또는 고유 물질을 "갖는" 물체에 관하여 사용되는 경우, 이는 본 명세서에서 그 물체가 이러한 물질을 직간접적으로 물리적으로 지지 또는 포함함을 의미한다. 예컨대, 외래 물질은 사람의 의류에 포함된 폭발 반응 물질로 이루어질 수 있는데, 사람과 그 사람의 무해한 의류는 (1) 시험중인 물체를 함께 포함하고, (2) 폭발물을 검사하는 경우에 고유한 것으로 간주된다. 다른 예시는 물체 자체 내에 포함되어 있는 물질, 예컨대 인체 내에 포함되어 있는 박테리아 또는 바이러스의 외래 물질, 또는 적색육 또는 계육에 포함되어 있는 살모넬라균과 같은 오염 물질을 포함한다.

공진 탐문 신호: 본 명세서에서 사용되는 바처럼, 공진 탐문 신호는 탐문 신호의 하나 이상의 주파수가 잠재적으로 존재하는 외래 물질의 공진 주파수에 있는 탐문 신호이다. 이러한 공진 주파수는 예컨대 잠재적으로 존재하는 외래 물질의 진동, 회전, 또는 다른 알려진 분자 천이와 연관될 수 있다.

전체 시스템 구성

도 1은 고유 물질을 갖고 잠재적으로 외래 물질을 갖는 시험중인 물체(12)와 관련하여 병렬 모드 분광법에 의해 외래 물질 또는 고유 물질을 탐지하기 위한 시스템(10)을 도시한다. 전반적인 개관에서, 탐문 복사 소스(14)는 시험중인 물체(12)를 탐문 전자기("EM") 복사(16)에 노출시키는 데 사용된다. 물체(12)를 통과한 후에, 이러한 복사(18)는 그 물체의 스펙트럼 서명, 그리고 바람직한 경우 임의의 외래 물질의 스펙트럼 서명을 지닌다. 존재하는 경우, 이는 이후에 탐지기 시스템(20)에 의해 탐지된다. 광 상관기(24)는 신호 전처리, 바람직하게는 감산(subtraction)을 사용하는 상관 및 임계화를 포함하는 다양한 기능을 수행하고; 이러한 동작들은 물체, 고유 물질, 그리고 존재하는 임의의 외래 물질의 스펙트럼 서명을 구별하는 목적으로 수행된다. 호스트 컴퓨터(26)는 탐문 복사 소스(14), 탐지기 시스템(20) 및 광 상관기(24)와 상호작용하고, 또한 출력 데이터의 디스플레이를 제공한다.

동작 모드

아래에서 보다 상세히 기술되는 바처럼, 도 1의 시스템은 아래를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 모드로 동작할 수 있다.

외래 물질 분석 모드: 이 모드에서, 라이브러리로부터의 기준 스펙트럼 서명과 비교하여 시험중인 물체(12)를 분석하여 외래 물질이 물체에 존재하는지 여부 및 그 양을 결정한다.

고유 물질 검사 모드: 이 모드에서, 라이브러리로부터의 기준 스펙트럼 서명과 비교하여 시험중인 물체(12)를 검사하여 고유 물질이 물체에 존재하는지 여부 및 그 양을 결정한다. 이 모드의 부분집합은 시험중인 물체(12)를 외래 물질이 없는 공지된 기준 물체와 비교하는 것을 수반한다.

순차 동작 모드: 본 발명의 시스템(예컨대 도 1)은 순차 모드로 동작할 수 있다. 순차 모드의 일례는 바로 위에서 언급된 바처럼 먼저 물체(12)를 기준 물체와 비교하고, 그 물체가 기준 물체와 합치되지 않는 경우 외래 물질 분석 동작 모드가 이어진다.

동시 분석 모드: 이 모드는 고유 및 외래 물질에 대한 시험중인 물체(12)의 분석 또는 검사를 제공한다. "동시 분석 모드"에서 사용되는 "동시"는 고유 물질 및 외래 물질에 대해 동시에 물체를 탐문하는 동시성을 지칭하고, 당연히 순차적으로 수행되어야 하는, 광 상관기(24)에 의해 수행되는 후속 광 상관 프로세스와는 관련이 없다.

형광 모드: 이 모드에서 외래 또는 고유 물질의 탐지는 시험중인 물체(12)를 제1 주파수로 탐문함으로써 수행되는데, 제1 주파수는 제2 공진 주파수에서 공진하는 외래 또는 고유 물질에서 이러한 제2 공진 주파수로 2차 복사를 일으킨다고 알려진 것이다. 이러한 모드에서, 전형적으로 제2 공진 주파수 또는 주파수들에 있는 신호만이 탐지 대상이다.

학습 모드: 이 모드에서, 본 발명의 시스템(예컨대 도 1의 10)은 후속 물체의 분석 또는 검사에 사용할 행렬 데이터 라이브러리를 생성하거나 또는 기존의 행렬 데이터 라이브러리에 추가하기 위해 공지된 물질을 분석 또는 스캔한다.

아래의 설명은 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 도 1의 블록도를 아래의 주제들로 설명한다.

탐문 복사 소스(14)

시험될 물체(12)

탐지기 시스템(20)

광 상관 처리기(24)의 아래와 같은 기능

신호 재처리

상관

감산

임계화

호스트 컴퓨터 및 디스플레이(26)에 의한 출력 데이터의 제공

탐문 복사 소스(14)

도 1을 참조하면, 시험될 물체(12) 및 임의의 외래 물질은 위에서 정의된 바와 같은 광대역 탐문 복사 소스(14)로부터의 탐문 신호에 노출되어 탐문 신호가 물체와 상호작용하게 한다. 도 2는 원통형 스미스-퍼셀 구조물로 개선된 자기 절연 선형 발진기인 탐문 복사 소스(14)를 위한 바람직한 장치(30)를 도시한다. 이러한 구조물은 본 명세서에서 가장 정확하게는 CSP-MILO(Cylindrical Smith-Purcell enhanced Magnetically Insulated Linear Oscillator)(30)로 정의되며, 아래와 같이 상세히 기술된다. 도 2의 장치(30)에 관한 추가 세부사항은 아래에서 논의된다.

스미스-퍼셀 효과는 S. J. 스미스와 E. M. 퍼셀의 "Visible Light from Localized Surface Charges Moving across a Grating, Phys Rev 92, 1069"(1953)에서 처음으로 기술되었다. 스미스와 퍼셀은 전자가 괘선에 직각으로 움직이면서 금속 회절 격자의 표면 근처를 통과하는 경우 격자의 표면 상에 유도된 전하의 주기적 움직임이 복사를 야기한다는 점을 설명하였다. 도 3은 스미스-퍼셀 RF 생성 프로세스를 도시하고, 상술한 문헌으로부터 도출된 것이다. 특히, 이 도면은 단순한 호이겐스(Huygens) 작도를 도시하는데, 여기서 기본 파장은 I(1/βcosθ)이고, I는 괘선 사이의 거리이며, β는 평상시의 v/c를 나타내고(v는 전자빔의 속도이고 c는 광속임), θ는 전자의 이동 방향과 광선 사이의 각도이다.

본 발명자는 스미스-퍼셀 효과가 그다지 효율적이지 않음을 깨달았는데, 그 까닭은 스미스와 퍼셀에 의해 기술된 정접 기하 구조(tangent geometry)로 인해 한정된 개수의 전자가 격자 표면의 적절한 근방으로 끌려오기 때문이다. 도 4는 스미스-퍼셀 RF 생성의 목적을 위한 배열(34)의 평면 표면(종래 기술) 및 대안적으로는 배열(36)의 원통형 격자에 대한 전자빔의 관계를 도시한다. 도 4는 간략화된 것이므로, 전자빔(E-빔)은 원통형 격자의 전체 내부 표면에 접촉함에 주목하는 것이 중요하다. 미국 특허 출원 공개 2008/0063132 A1에서 본 발명자에 의해 기술된 원통형 스미스-퍼셀 변형은 아래의 현저한 장점을 갖는다. 도 2, 7 및 8의 단면도를 참조하면, 전자빔의 전체 표면이 표류관(40)의 내부 표면 상에 그어진 원통형 격자(38)의 내부 표면과 접촉한다. 이는 종래의 평면 스미스-퍼셀 소자에 비해 RF를 생성하는 효율을 10의 수 제곱배 만큼 증가시킨다. 표류관(40)(도 2, 7 및 8) 상에 적절한 전하를 배치함으로써 전자빔이 표류관의 내부 상의 원통형 격자(38)의 표면과 밀접하게 접촉하도록 끌어당겨질 수 있음에 주목한다. 요구 전압은 전자빔을 형성하는 데 사용되는 전압에 비례한다.

도 2를 참조하면, 전자빔은 진행파 전자총(46)을 형성하는 음극(42) 및 그리드(44)에 의해 형성되고, 개선된 표류관을 통해 전자빔을 취하는 궤적으로 양극(48)을 향해 가속된다. 예컨대 RF 복사에 투명한 창(50)은 양극(48) 위에 놓이고, RF가 CSP-MILO 장치(30)로부터 빠져나가게 하기 위한 수단뿐만 아니라 진공 밀봉을 제공한다. 격자가 전자빔에 의해 침식되지 않을 정도로 빔의 외부 표면이 격자 표면과 밀접하게 접촉하도록 보장하기 위해 빔의 외경과 표류관/격자의 내경이 대략 동일하게 조절된다. 이러한 점들은 도 4의 상술한 설명과 관련된다.

위에서 기술된 구조물에 의해 생성된 전자기 빔은 발산성이다. 도 5에 도시된 바처럼, 이는 비축 포물형 반사기(54)를 사용하여 부분적으로 또는 완전히 시준되거나 집속된 빔(52)으로 보정될 수 있다. 빔 보정은 반사기(54)의 반사성 요소를 사용하는 준광학 프로세스이다.

도 2를 참조하면, CSP-MILO 장치(30)의 공진 중공부(56)와 전자빔 사이의 추가적인 상호작용이 존재한다. 전자총(46)의 말단과 양극(48) 사이에 발진(oscillation)이 발생하는데, 이는 전자들이 표류관(40)을 통해 앞뒤로 발진하게 한다. 이는 (a) 대역폭을 확장시키고, (b) 방사되는 RF의 저주파수를 확립하며, (c) 전자들이 격자와 반복적으로 상호작용하게 함으로써 스미스-퍼셀 프로세스의 효율을 증가시키는 효과를 낳는다. 격자의 격자면 각도(blaze angle)로 인해, RF는 창(50)을 통해 한 방향으로만 방출된다.

CSP-MILO 장치(30)의 주파수는 두 가지 방식, 즉 (1) 조대(coarse) 조절 및 (2) 미세 조절에 의해 제어될 수 있다. 조대 조절은 격자(38)의 크기 및 기하학적 구조와 장치(30)의 중공(56)의 크기를 조절함으로써 이루어질 수 있다. 미세 조절은 스미스-퍼셀 효과와 관련하여 고전압을 조절함으로써 이루어질 수 있다. CSP-MILO 장치(30)는 바람직하게는 그 출력 신호 또는 탐문 복사(16)(도 1)가 약 10 GHz 내지 약 25 THz 범위의 충분한 대역폭을 갖는 전자기 복사를 동시에 포함하여 복수의 주파수에서 복수의 신호의 동시 탐지를 가능하게 하는 광대역 전자기 복사를 구성하도록 설계되는데, 복수의 신호 각각은 소정의 진폭을 갖고, 복수의 신호는 탐지를 원하는 물질의 특유한 스펙트럼 서명을 집합적으로 제공한다.

탐문 복사(16)(도 1)와 관련하여, 1 THz가 넘는 주파수 범위는 물질의 저주파수 진동 모드의 특유한 분광 탐문을 제공한다. 단백질의 3차 구조 및 폴리뉴클레오티드에서 오존 고갈의 메커니즘에 이르는 매우 다양한 분자 특성이 이들의 모드 스펙트럼에 의해 특징지어질 수 있다. 이러한 분자 특정 분광법은 (a) ppb(1x10⁹) 해상도를 제공하는 약 2MHz 이하의 스펙트럼 해상도, (b) 수 THz까지 확장되는 스펙트럼 범위 및 (c) 주파수 동조 가능성을 필요로 한다.

도 6은 저전압 전력 공급부에서 발견되는 고전적인 2-FET(Field Effect Transistor) 전류 조정기와 다소 유사한 방식으로 CSP-MILO 장치(30)(도 2)의 전력을 조정하는 데 사용될 수 있는 전류 조정기 회로(90)를 도시한다. 도 6에서, 전류 조정기 회로(90)는 냉음극 전계 발광 3극관(92 및 100)으로 구현되는데, 이들 중 하나 또는 둘 다는 예컨대 본 발명자 등의 "High Voltage Switch Tube"라는 명칭의 미국 특허 제4,950,962호에서 개시된 펄사트론(Pulsatron) 관을 포함할 수 있다. 도 6의 전류 조정기 회로에 의해 대처되는 문제는 이러한 설계를 위해 구상된 전압 또는 전류 체제에서 동작할 수 있는 고체 상태 또는 종래의 진공관 소자가 존재하지 않는다는 점이다. 이러한 회로 토폴로지는 2009년 7월 30일에 공개된 미국 특허 출원 공개 2009/0190383 A1에서 본 발명자에 의해 개시되었다. 전류 조정기 회로(90)의 추가 세부사항이 아래에서 기술된다.

도 2를 참조하면, 고전압 펄스가 CSP-MILO 장치(30)의 음극(42)에 직접 인가된다. 장치(30)의 동체는 음극이 발화하는 때에 발진하는 공진 중공(56)을 형성한다. 그리드(44)는 CSP-MILO 장치(30)의 발화를 제어한다. 트리거 펄스가 그리드(44)에 인가되어 RF 생성 프로세스를 개시한다.

CSP-MILO 장치(30)는 그 자체를 고려하면 본 발명자(C. A. Birnbach)의 2008년 3월 13일에 공개된 미국 특허 출원 공개 2008/0063132 A1에서 공지 및 기술되었고, 고전력 RF 소스이다. 이는 내부 표면 상에 원통형 격자(38)를 갖는 표류관(40)을 포함하고, C. A. Birnbach의 미국 특허 제4,950,962호에 원래 개시된 진행파 전자총(Traveling Wave Electron Gun; TWEG)(46)을 사용한다. 도 2를 참조하면, 표류관(40)의 치수와 함께 공진 중공(56)의 치수가 출력 범위를 결정한다. 특히 CSP 구조물이 없는 종래의 MILO 소자는 300 MHz와 3.5 GHz 사이의 출력을 갖는다. 본 발명자는 도 7 및 8에 도시된 바처럼, 표류관(40)의 원통형 내면 상에 전자기 원통형 격자(38) 표면을 배치함으로써, 표류관(40)이 전자빔의 외부 표면이 표류관의 내부 표면 상의 격자(38)와 밀접하게 접촉하도록 배열되어, 평활하게 뚫린 표류관에서 얻을 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 주파수로 RF를 생성하는 것이 가능하다는 것을 실험적으로 검증하였다. 이러한 RF의 소스는 위에서 기술된 스미스-퍼셀 효과에 기인하는데, 이는 상대론적 전자빔의 격자 표면과의 상호작용과 관련된다. 주파수 출력이 THz 범위에 충분히 있는 것이 가능하다.

도 7 및 8의 격자 표면(38)은 많은 방법에 의해 형성될 수 있다. 도 8을 참조하면, 격자(38)의 간격(60), 면각(62) 및 기하학적 구조는 모두 달성되는 주파수의 결정 인자이다. 표류관의 격자(38)의 바람직한 실시예는 도 7 및 8에 가장 잘 도시된 바와 같은 내부 스레드(internal thread)인 것으로 결정되었다. 스레드 파라미터를 변경함으로써, 출력 주파수가 바뀐다. 표류관(40)의 말단은 공진 중공 내부의 바람직하지 않은 전기장 섭동의 형성을 최소화하도록 둥글려진다.

전류 조정기(90)

위에서 언급된 바처럼, 도 1의 시스템(10)을 위한 적합한 탐문 복사 소스(14)(도 1)는 도 2의 CSP-MILO 장치(30)와 같은 원통형 스미스-퍼셀 구조물의 추가에 의해 개선된 자기 절연 선형 발진기이다. 탐문 복사 소스(14)의 출력 전력을 면밀히 조절할 필요가 있는데, 이는 음극(42)에 공급되는 전류를 제한함으로써 이루어진다. 위에서 소개된 도 6의 전류 조정기 회로(90)에서, 입력 노드(94)와 출력 노드(96) 사이에 연결된 주 변조 소자(92)를 통과하는 전류는 제어 소자(100)에 응답하여 변조된다.

도 4의 전류 조정기 회로(90)는 저전압 전력 공급부에서 발견되는 고전적인 FET 전류 조정기와 다소 유사하다. 전류 조정기 회로(90)에 의해 대처되는 문제는 이러한 설계를 위해 구상된 전압 또는 전류 체제에서 동작할 수 있는 고체 상태 또는 종래의 진공관 소자가 존재하지 않는다는 점이다. 따라서, 주 변조 소자(92)는 바람직하게는 3극관, 4극관, 또는 5극관 구조를 갖는 냉음극 전계 발광 제어 가능 전자관이다. 주 변조 소자(92)는 도 15에 도시되고 위에서 언급된 미국 특허 제4,950,962호에 더 기술된 기하학적 구조를 가질 수 있다. 그 대신, 주 변조 소자(92)는 사이리스터(thyristor)와 같은 고전압 반도체 소자를 포함할 수 있다. 제어 소자(100)는 필요한 부품의 다양성을 줄이기 위해 주 변조 소자(102)와 동일한 방식으로 구현될 수 있거나, 또는 전압 및 전류 요건이 비교적 더 적은 소자에 의해 구현될 수 있다.

도 4의 전류 조정기 회로에서, 아래의 동작 설명은 입력 노드(94) 상에 양전압 소스가 있다고 가정한다. 저항기(98)는 직렬 전류 조정기로서 기능하는, 제1 전자관으로 도시된 주 변조 소자(92)의 그리드에 대한 바이어스 전압을 수립한다. 주 변조 소자(92)는 이 회로에서 FET와 기능적으로 유사하다.

변조 소자(92)로부터 흐르는 전류는 분로 저항기(102)를 통해 흘러 이러한 저항기를 가로질러 전압이 생겨나게 한다. 이러한 전압은 각각 제1 및 제2 분압기 저항기(104 및 106)로 이루어지는 분압기를 통해 공급된다. 주 변조 소자(92)를 위한 제어 소자(100)는 바람직하게는 제어관으로서 사용되는 제2 전자관이며, 냉음극 전계 발광 전자관일 수 있다. 제어 소자(100)의 그리드는 제1 및 제2 분압기 저항기(104 및 106)의 접합점에 연결된다. 제어 전압이 저항기(104)의 다른 쪽으로, 즉 노드(108)로 인가된다. 분로 저항기(102)의 전압과 노드(108) 상의 저항성 분압기에 의해 생성되는 기준 전압 사이의 비율은 제어 소자(100)의 전도 정도를 결정하고, 이어서 이는 주 변조 소자(92)의 전도를 제어한다. 커패시터(110)는 회로가 영 교차점까지 전도 상태에 있도록 보장하기 위해 저항기(104)와 시상수를 수립한다. 노드(108) 상의 기준 전압의 값과 저항기(104 및 106)로부터 형성된 분압기의 저항기 값을 조절함으로써, 상이한 전류 조정 모드가 구현될 수 있다.

복사에 대한 물체(12)의 노출

다시 도 1을 참조하면, 바람직한 실시예에서, 약 10 GHz 내지 약 25 THz 범위의 충분한 대역폭을 갖는 전자기 복사를 동시에 포함하여 복수의 주파수에서 복수의 신호의 동시 탐지를 가능하게 하는 탐문 신호(16)가 제공되는데, 복수의 신호 각각은 소정의 진폭을 갖고, 복수의 신호는 탐지를 원하는 물질의 특유한 스펙트럼 서명을 집합적으로 제공한다. 이러한 EM 빔(16)은 바람직하게는 원하는 신호 대 잡음비를 여전히 유지하면서 가능한 한 낮은 전력을 갖고, 전형적으로는 1 내지 5 와트 사이이다. 위에서 기술된 바와 같은 원통형 스미스-퍼셀 개선 자기 절연 선형 발진기(CSP-MILO)(30)(도 2)가 바람직한 소스인데, 그 까닭은 이것이 위에서 정의된 주파수 및 출력 요건을 충족시키기 때문이다. 다시 도 5를 참조하면, 위에서 언급된 바처럼 출력 빔은 바람직하게는 비축 포물형 반사기(54)에 의해 완전히 또는 부분적으로 시준 또는 집속된다.

외래 또는 고유 물질의 존재 및 양의 탐지

도 1을 참조하면, 외래 또는 고유 물질의 존재 및 양의 탐지는 바람직하게는 초전(pyroelectric) 탐지기를 사용하는 탐지기 시스템(20)을 사용함으로써 이루어진다. 본 발명에서 이미지 탐지를 포함하는 것이 가능하지만, 바람직한 실시예에서 이는 외래 물질에 대해 사람을 검사하는 침습적이고 불쾌한 본질에 관한 만연한 정서를 존중하여 이루어지지 않는다. 인체의 이미징에 반대하는 만연한 정서는 검사를 위해 종래 기술의 밀리미터파 이미징 시스템을 시험하고 사용함에 있어서 반복적으로 관찰되었다. 바람직한 실시예에서 이미징 기능을 제거하는 것은 일반 대중의 상술한 염려를 없애준다. 또한, 분광 탐지 능력의 구현은 조작자에게 현저히 더 유용한 정보를 제공한다. 또한, 분광 탐지를 사용함으로써 오긍정 및 오부정 결과의 수준이 둘 다 감소한다.

바람직한 실시예는 QFE(Quantum Ferroelectric) 물질로 만들어진 탐지기 시스템(20)(도 1)을 포함한다. QFE 탐지기는 광대역이고, 실온에서 동작할 수 있다. QFE 탐지기는 탐지기 광음극의 온도보다 높은 온도에 있는 입사 광자가 양의 전하로서 표현되는 반면 광음극의 온도보다 낮은 온도에 있는 광자가 음의 전하로서 표현된다는 점에서 종래의 탐지기와 구별된다. QFE 탐지기가 작동하지 않는 스펙트럼 내의 유일한 곳은 입사 광자가 광음극과 동일한 온도에 있을 때이다. 광음극의 온도는 이러한 무효 영역을 편이시키기 위해 작은 양만큼 가열 또는 냉각함으로써 편이될 수 있다. 전형적인 QFE 물질은 PVDF(PolyVinylidene Fluoride) 박막이다. PVDF는 KYNAR 및 HYLAR의 상표명 하에 제조된다. KYNAR PVDF는 예컨대 미국 펜실베니아주 필라델피아의 Arkema 사의 제품이고, HYLAR PVDF는 예컨대 벨기에 브뤼셀의 Solvay Chemical 사의 제품이다. 적합한 탐지기의 선택은 본 명세서에 기초하여 본 기술 분야의 당업자에게 자명할 것이다.

병렬 분광법

도 9는 종래 기술에 따른 직렬 모드 분광기(120)를 도시하고, 도 10은 본 발명에서 바람직하게 사용되는 병렬 모드 분광기(122)를 도시한다. 도 9의 직렬 모드 분광기(120)에서, 시험중인 물체(12)는 화살표(124)로 표시된 바처럼 소정 범위의 주파수에 걸쳐 순차 스캔으로 소사(sweep)된다. 블록(127)은 수정된 신호의 탐지, 신호 처리 및 디스플레이 기능을 표시한다. 그러나, 직렬 모드 분광기(120)의 사용은 저속의 데이터 획득 및 처리를 초래한다. 데이터 획득 및 처리의 속도를 높여 본 발명을 보다 실용적이고 사용하기에 더 저렴하게 만들기 위해, 시험중인 물체(12)의 스캔으로부터 수신된 데이터를 신호 처리 프로세스에서 가능한 한 일찍 병렬 형식으로 변환하는 것이 바람직하고; 이는 수학적으로 보다 집약적인 연산이 병렬로 수행될 수 있게 한다. 이는 화살표(128)에 의해 도 10에서 표시되는데, 이는 탐문 복사의 모든 또는 많은 주파수에 의해 동시에 시험중인 물체(12)를 조사(또는 스캔)하는 것을 표시한다. 이는 분광 프로세스의 속도를 현저히 높이고, 도 10에서 "신호 처리"(24)로 표시된 신호 처리를 위해 데이터가 3차원 상태로 도 1의 광 상관기(24)에 제시될 수 있게 한다. "3차원 상태"는 데이터가 어레이 또는 행렬로서 표현됨을 의미하는데, 여기서 각각의 지점은 탐문 신호에 응답하는 탐지기 출력의 진폭의 정수 표현을 갖는다. "3차원 상태"의 추가 정의가 아래에서 제시된다. 본 발명의 실시예의 맥락에서 병렬 모드 분광법이 종래의 직렬 모드 분광법보다 실질적으로 더 빠른 다른 이유는 바람직한 실시예에서 이용되는 광 상관기(24)(도 1)의 지극히 높은 대역폭에 기인한다. 본 기술 분야의 당업자에게 알려진 바처럼, 광 상관기(24)(도 1)와 같은 광 신호 처리기는 본래부터 빠르며 따라서 높은 대역폭을 갖는다. 물체(12)를 조사하기 위한 특정한 대역폭의 선택은 탐색되는 특정한 외래 또는 고유 물질에 좌우되는데, 이는 본 명세서로부터 본 기술 분야의 당업자에게 자명할 것이다.

병렬 모드 광 처리기(예컨대 도 1의 24)는 2 내지 20 나노초 정도의 복소 상관 연산을 위한 전형적인 입력 대 출력 처리량(throughput) 시간을 갖는다. 이는 완전한 상관 연산을 위해 필요한 전체 시간이다. 처리량은 광 상관 처리기(24)의 입력 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator; SLM)(도 1에 도시되지 않음)에 데이터가 입력될 수 있는 속도에 의해 궁극적으로 제한된다. 현대의 전자 공학은 수천 회의 상관 연산이 대략 몇 초에 수행될 수 있게 하므로, 예컨대 모든 알려진 위협을 스캔하는 것 외에 밀수품 및 다수의 병원체(공기 전염에 의해 확산되는 바이러스, 박테리아, 단백질, 프리온, 균류, 포자를 포함하지만 이에 한정되지 않음)를 스캔하기에 충분하고도 남음이 있는 시간을 허용한다.

형광 모드

도 10에 도시된 병렬 모드 분광기(122)는 흡수 모드로 동작한다. 흡수 모드로 동작하는 병렬 모드 분광기를 사용하는 것 외에도, 도 11에 도시된 바처럼 시험중인 물체(12)를 복사(132)에 의해 여기시키는 것이 가능한데, 복사(132)는 동일 대역 내에 있지만 특정한 주파수 f₁에 있고, f₁은 공지된 공진 주파수를 갖는 외래 또는 고유 물질이 존재하는 경우 이러한 주파수 f₂에서 2차 공진 복사(134)를 여기시킨다고 알려진 것이다. 이러한 반응은 알려진 특징을 갖는 전자기 에너지를 갖는 제2 복사(134)를 생성하는데, 그 식별 및 탐지는 보다 간단한 데이터 분석을 가능하게 한다. 이는 종래의 형광 분광법과 유사하지만, 종래의 광학적 등가물보다 더 낮은 주파수에서 수행된다.

자극(또는 탐문) 신호는 시험되고 있는 외래 물질의 정확한 공진 주파수에 있거나 그 근처에 있는 협대역 신호일 수 있거나, 또는 시험되고 있는 물체(12) 내에 언급된 외래 물질이 존재하는 경우 원하는 2차(즉 자극된) 출력을 또한 생성할 광대역 신호일 수 있다. 이러한 탐문 신호는 바람직한 실시예에서 도 2의 CSP-MILO 장치(30)에 의해, 또는 적절한 주파수 및 출력 전력을 갖는 다른 공지된 RF 소스에 의해 생성될 수 있다.

3차원 데이터 표현

바람직한 실시예에서, 데이터는 탐지기 시스템(30)(도 1) 내의 지점들로부터 2차원 행렬 데이터 저장 어레이(136) 내의 대응되는 버퍼들로 병렬적으로 공급되는데, 이러한 2차원 행렬 데이터 저장 어레이 내의 각각의 지점은 탐지기 내의 대응되는 지점에 의해 수신된 신호의 세기에 상당하는 수치를 포함한다. 데이터를 병렬 대 직렬 대 병렬 방식으로 전송하는 것이 또한 가능하지만, 이는 바람직한 실시예만큼 효율적이지 않다.

2차원 행렬 데이터 저장 어레이(136) 내의 각각의 데이터 저장 장소는 0 내지 x 범위의 수치를 보유할 수 있는데, x는 시스템의 동적 범위와 동등한 정수이다. 데이터의 분포는 점방식(raster) 또는 지그재그식일 수 있다. 각 버퍼의 값은 주어진 샘플링 주파수에서 탐지기로부터의 신호의 진폭을 나타낸다. 이러한 방식으로 형식화된 데이터는 "합성 이미지"라고 지칭된다. 합성 이미지는 인식 가능한 이미지 특성을 갖지 않고, 오직 머신에 의해서만 판독될 수 있으며, 인간의 눈에는 갖가지 회색 음영 또는 갖가지 색(다른 가능한 인코딩 기법)을 갖는 정사각형의 X-Y 그리드로 보인다. 도 12는 합성 이미지를 나타내는 행렬(136)을 도시하는데, 각각의 셀은 f₁, f₂, … f_n과 같은 주파수에서의 수치를 포함한다. 상술한 설명으로부터 자명한 바처럼, 행렬(136) 내의 각각의 셀은 다양한 회색 음영 또는 색을 갖는 것으로 인간의 눈에 보이도록 만들어질 수 있다.

광 상관기

도 1의 광 상관 처리기(24)는 도 13과 관련하여 기술된 아날로그 광 상관기(140)에 의해 구현될 수 있다. 아날로그 광 상관기는 렌즈의 푸리에(Fourier) 변환 특성을 활용함으로써 두 신호를 비교하기 위한 소자이다. 이는 미사일 표적화 시스템에서 표적 추적 및 식별을 위해 사용되어 왔다. 이는 그 전자적 대응물보다 실질적으로 더 높은 명백한 대역폭을 갖는다는 장점을 갖는다.

아날로그 광 상관기 및 전자 상관기에 의해 수행되는 수학 연산은 본질적으로 동일하지만, 이들의 물리적 구현은 매우 상이하다. 전자 상관기는 인쇄 회로 기판 상에 장착된 종래의 전자 회로로 이루어진다. 반면, 도 13에서 140으로 도시된 것과 같은 아날로그 광 상관기는 렌즈(142, 144 및 146), 거울(148 및 150), 편광 빔 분할기(152 및 154) 및 입력 공간 광 변조기(SLM)(156)와 같은 전자 광학 소자를 포함한다. 상술한 부품들은 입력 공간 광 변조기(SLM)(156)를 통한 전자 영역으로부터 광학 영역으로의 천이, 그리고 다시 전하 결합 소자(Charge-Coupled Device; CCD) 카메라(158)를 통한 전자 영역으로의 천이에 사용된다. 아날로그 광 상관기(140)는 가변 가간섭성 길이(coherence length) 광원(160), 빔 덤프(beam dump)(162) 및 단색화 스펙트럼 필터(164)를 더 포함한다.

일반적인 배경으로서, 아날로그 광 상관기는 푸리에 영역에서 소정의 필터 함수에 의해 변환되는 입력 신호를 갖는다. 푸리에 영역 내의 예시 필터는 공간 광 변조기(155)에 의해 아날로그 광 상관기(140)에 제시되는 정합 필터이다. 푸리에 영역 내의 이러한 정합 필터는 155에 있는 필터 신호를 입력 공간 광 변조기(156)에서 상관기(140)에게 제시되는 입력 합성 이미지(예컨대 도 12의 138)와 상호 상관시킨다. 상관 프로세스는 아래에서 논의된다.

본 명세서에서 정의되는 데이터 행렬은 3차원 행렬이라고 지칭된다는 점에 주목한다. 그러나, 아래의 수학 등식에서, 데이터 행렬은 2차원 실체[(x,y)]로서 표시된다. 이는 본 명세서의 수학 등식이 각각의 요소 (x,y)에 대한 진폭값을 표시하지 않는다는 사실에 기인한다.

2차원 신호 i(x,y)의 h(x,y)와의 상호 상관 c(x,y)는 아래와 같다.

이는 푸리에 공간에서 아래와 같이 다시 표현될 수 있다.

여기서 대문자는 소문자의 푸리에 변환을 나타낸다. 따라서, 이후에 결과를 푸리에 역변환함으로써 상관이 계산될 수 있다.

프레넬 회절 이론에 따르면, f의 초점 길이를 갖는 이중 볼록 렌즈는 렌즈 앞의 거리 f에 배치된 물체의 렌즈 뒤의 거리 f에서 정확한 푸리에 변환을 생성할 것이다. 복소 진폭이 변환되도록 하기 위해, 광원은 가간섭성이어야 하고, 전형적으로 레이저로부터 비롯된다. 디지털 필터의 형태인 입력 신호는 전형적으로 공간 광 변조기(SLM)(예컨대 도 13의 156)에 기입된다. 레이저를 광원으로 하여 수행되는 광 상관은 레이저의 높은 가간섭성 길이로 인한 허상(artifact) 및 허위 신호의 형성을 포함하는 소정의 단점을 갖는다. 부분적 가간섭성 길이를 갖는 광원(160)을 사용하는 것이 바람직한데, 특정한 시스템에 대해 최적의 가간섭성 길이가 설정될 수 있도록 광원이 조절될 수 있는 것이 바람직하다.

도 13의 아날로그 광 처리기(140)는 아래와 같이 동작한다. 입력 신호는 적절한 가간섭성 길이를 갖는 광원(도시되지 않음)에 의해 조사되고 있는 평면인, 입력 평면에 위치하는 제1 SLM(156)에 전자적으로 기입된다. 입력 평면은 이중 볼록 렌즈(142)에 의해 푸리에 평면 상에 이미징되는데, 이미지 평면으로부터 이러한 렌즈까지의 길이와 이러한 렌즈로부터 푸리에 평면까지의 길이는 이러한 렌즈(142)의 초점 길이와 같다. 제2 SLM(155)이 푸리에 평면에 위치하는데, 이러한 SLM은 동적 정합 필터로서 이러한 정합 필터의 푸리에 특징에 기초하여 입력으로부터 선택적으로 정보를 제거한다. 결과적인 신호는 제2 렌즈(144)로 푸리에 변환되는데, 이 렌즈(144)는 그의 초점 길이와 같은 거리에 위치한다. 결과적인 신호는 다시 푸리에 변환되어 푸리에 평면의 역변환을 생성하고, 렌즈(144)의 출력은 CCD 카메라(158) 상으로 이미징되는데, 이 CCD 카메라(158)는 렌즈(144)의 초점 길이의 두 배인 거리에 위치한다. CCD 카메라(158) 상에 형성된 결과적인 이미지는 정합 필터에 의해 변환된 입력 이미지이다. 렌즈(144)로부터 오는 변조 및 시준된 빛을 CCD 카메라(158) 상으로 집속시키기 위해 렌즈(146)가 제공된다.

도 13에 도시된 바처럼, 광 상관 처리기(140)는 세 개의 거울(148, 149 및 150)과 두 개의 편광 빔 분할기(152 및 154)에 의해 구부러지는 광 경로를 갖는다. 제1 빔 분할기(152)는 입방체일 수 있고, 광학 빔을 굴절시키고 동시에 이를 편광시키는 이중 기능을 수행한다. 제2 빔 분할기(154)는 제2 빔 분할기(154) 입방체의 일 표면에 광학적으로 결속된 SLM 푸리에 필터(155)를 갖는다. 이러한 구성은 제2 빔 분할기 입방체(154)와 제2 SLM(155)의 조합이 굴절 거울(folding mirror)과 능동 푸리에 필터 둘 다로서 작용하게 한다. 제2 SLM(155)는 제2 빔 분할기(154)가 입방체인 경우 제2 빔 분할기(154)에 광학적으로 결속될 수 있다. 그 대신, 제2 SLM(155)은 빔 분할기 입방체(154)의 적절한 표면 상에 직접 형성될 수 있다. 제1, 제2 및 제3 거울(148, 149 및 150)은 단색성 유전체 스택 거울이고, 빔을 굴절시키는 데 사용된다.

조사 빔의 가간섭성 길이가 최적의 상관 성능을 위한 바람직한 값으로 조절되도록 하기 위해 가변 가간섭성 광원(160)이 제공된다. 가간섭성 길이 요건은 광 상관 처리기를 위해 선택되는 특정한 값에 따라 달라지지만, 전형적으로는 0.25 mm 내지 10 mm 범위에 있다.

빔 경로에서 제2 빔 분할기(154) 앞에 있는 입력 SLM(156)은 시험중인 물체(12)로부터 취한 데이터로부터 도출된 합성 이미지(138)(도 12)의 광 상관기(140)로의 도입을 가능하게 한다. 바람직하게는 호스트 컴퓨터(26)(도 1)에 저장된 기준 라이브러리로부터의 다른 합성 이미지들(138)(도 12)이 제2 빔 분할기(154) 상의 푸리에 필터(155)에 제공된다. 이러한 라이브러리는 분석될 각각의 위협 또는 다른 외래 물질 또는 고유 물질의 합성 이미지들(138)(도 9)을 포함한다. 기준 라이브러리는 외래 물질만의 데이터, 고유 물질만의 데이터, 또는 외래 및 고유 물질의 조합의 데이터를 포함할 수 있다.

광 상관 처리기의 출력은 CCD 카메라(158)로 지향되고, CCD 카메라(158)는 광 신호를 아래에서 기술되는 임계화 동작을 위해 호스트 컴퓨터(26)(도 1)에 의해 사용될 전자 신호로 다시 변환시킨다. 바람직하게는, 시험중인 물체의 어떠한 실제 이미지도 시스템(10)(도 1)에서 형성되지 않는데, 이는 물체가 인간인 경우 시험중인 물체의 프라이버시를 보호하고 또한 시스템의 비용을 적당한 수준으로 유지하기 위함이다. 그러나, 탐지된 외래 또는 고유 물질이 이미지 상에 입혀진 이미지를 제공하는 이미징 기능을 추가하는 것이 가능하다.

기술된 시스템(10)은 복수의 푸리에 연산을 수행하는 능력을 제공하는데, 여기에는 시험중인 물체에 고유하지 않거나 외래가 아닌 물질을 무시하는 것이 포함된다.

도 13의 상술한 광 상관기(140)가 선호되지만, 다른 기술을 사용하는 상관기가 사용될 수 있다. 예컨대, 적합한 상관기는 디지털 컴퓨터를 사용하는 것과 펌웨어를 사용하는 것을 포함한다.

감산 신호 처리

본 유형의 신호 처리에서 마주치는 하나의 문제는 외래 물질 또는 고유 물질의 탐지와 특별히 관련되지 않는, 그리고 따라서 잡음 성분을 구성하는 정보의 존재이다. 이러한 잡음을 제거하기 위해, 이러한 잡음 성분과 직접 연관된 스펙트럼을 빼서 나머지 데이터 집합을 단순화하는 것이 가능하다. 이는 본 명세서에서 "감산 신호 처리"라고 지칭되며, 하나의 데이터 집합이 지점별로 제2 데이터 집합으로부터 감산되는 기법이다. 예컨대, 외래 물질에 대해 물체를 검사 또는 분석하는 경우, 물체 내의 순수하게 고유한 물질의 스펙트럼 정보를 포함하는 데이터 집합이 물체 내의 고유 물질 및 임의의 연관된 외래 물질의 조합된 정보를 갖는 데이터 집합으로부터 감산된다. 이러한 프로세스의 결과는 원래의 샘플 데이터 집합에 포함된 임의의 연관된 외래 물질만의 스펙트럼이다.

임계화 동작

위에서 기술된 바처럼 완전히 처리된 데이터의 상관 피크(들)이 획득되면, 이들의 진폭을 서명 라이브러리 내의 기준 스펙트럼에 포함된 것들과 비교하는 것이 바람직하다. 주어진 수준 위로 올라가는 임의의 피크는 조작자의 인터페이스 내의 표시를 촉발할 것이다.

복수의 피크의 존재는 단일 피크가 취급되는 방식과 유사한 방식으로 디스플레이될 수 있다. 도 14는 임계화 동작을 도시하는 그래프를 도시한다. 도 14에 도시된 바처럼, 신호가 적어도 "MUST BE ABOVE" 수준(수작업과 같은 다른 기법에 의해 물체를 수색하기 위한 예시적인 표시임)보다 높은 경우에 임계화 조건이 충족된다. 신호가 적어도 "SHOULD BE ABOVE" 수준(물체가 예컨대 외래 물질을 명백히 가질 수 있으므로 압수되어야 한다는 예시적인 표시임)보다 높은 경우 추가 가중치가 주어진다. 따라서, "MUST BE ABOVE" 신호는 외래 또는 고유 물질의 가능성 있는 존재를 표시하고, 한편으로 "SHOULD BE ABOVE" 신호는 외래 물질의 명백한 존재 또는 고유 물질의 예기치 않은 적은 양을 표시한다.

원하는 경우 도 14에 도시된 것과 다른 임계화 기법이 사용될 수 있다.

탐지 결과의 제공

외래 물질의 존재에 관한 상술한 결정의 결과는 다양한 방식으로 사용될 수 있다. 예컨대, 결과는 인간 조작자에게 제공될 수 있거나, 또는 자동화된 보정 동작을 위해 보조 시스템에 제시될 수 있다.

본 발명에 적용될 수 있는 다수의 가능한 조작자 인터페이스 기법이 존재한다. 이러한 기법들은 시험중인 이러한 특정 물체에 더 주의를 기울일 필요가 있음을 표시하는 단일 파일럿(pilot) 광에서부터, 특정한 관심 외래 물질의 존재를 표시하는 광 뱅크(bank of lights), 특정한 관심 외래 물질의 양에 관한 수치 디스플레이, 전체 스펙트럼 플롯 디스플레이(spectrum plotted display)에 이른다. 또는, 결과가 완전 자동화 머신 수준 인터페이스로 보조 시스템에 제시될 수 있다. 인터페이스 기법의 선택은 이러한 시스템을 사용하는 특정한 이유, 조작자의 숙달 수준 등에 따라 달라진다.

도 15는 몇몇 가능한 조작자 인터페이스 제어판을 도시한다. 도 16에서, 5개의 잠재적인 인간 조작자 인터페이스가 도시된다. 도 15는 가장 단순한 버전을 도시한다. 이는 단지 두 개의 주요 지시등(통과 및 수색)을 갖는다. 외래 물질을 수색하는 경우, 켜진 통과 지시등은 시험중인 물체가 어떠한 외래 물질도 포함하지 않음을 표시한다. 고유 물질을 수색하는 경우, 켜진 통과 지시등은 용인 가능한 양의 고유 물질이 존재함을 표시한다. 수색 지시등이 켜지는 경우, 시험중인 물체는 면밀한 조사를 받아야 한다.

도 16은 약간 더 복잡하다. 이는 4개의 주요 지시등(폭발물, 밀수품, 질병 및 통과)을 갖는다. 이 버전은 특히 승객 검사 응용예를 지향하지만, 다른 응용예가 가능하다. 통과 기능은 도 15 및 16과 동일하다. 3개의 지시등(폭발물, 밀수품 및 질병)은 이러한 설명에 속하는 임의의 외래 물질이 탐지되는 경우에 켜진다. 이러한 범주들 중 임의의 것은 임의의 원하는 화학 물질일 수 있고, 이러한 기능을 위한 지시등의 개수는 3개로 한정되지 않음이 명백하다.

도 17은 도 16의 디자인의 확장이다. 이는 각각의 범주에 있는 어떠한 특정 외래 물질이 탐지되는지를 표시하기 위한 수문자 디스플레이를 추가시킨다.

도 18은 도 17의 디자인을 확장시킨다. 이는 탐지된 주어진 외래 물질의 양에 관한 수량화를 제공하는 디스플레이를 추가시킨다.

도 19는 전적으로 상이한 인간 조작자 인터페이스 접근법을 도시한다. 이는 넓은 범위의 외래 물질의 특정한 스펙트럼을 인식하도록 훈련된 고급 조작자를 위해 설계된 것이다. 이러한 디스플레이는 전형적인 실험실 등급의 분광기의 디스플레이에 필적하며, 스펙트럼을 직접 디스플레이한다.

인간 조작자 인터페이스를 위한 많은 다른 변형 및 조합이 가능하다는 점이 명백하다. 이러한 기능은 조작자의 능력 수준 및 검사 작업의 특정 환경을 충족시키도록 맞추어진다.

고유 분석 모드에서의 공지된 물질과의 비교

상술한 설명의 일부 양상은 예컨대 외래 물질의 존재 및 양의 탐지를 강조하였지만, 본 발명의 다른 특징은 시험중인 물체를 외래 물질이 없는 공지된 물체와 비교하는 것이다. 이러한 점에서, 샘플 물체를 시험 또는 분석하는 경우 물체에 고유한 물질의 양을 정량화할 수 있는 것이 바람직한데, 그 까닭은 외래 물질의 잠재적인 존재에 관한 선험적 지식이 없으므로 불가능하지는 않더라도 이를 수색하기가 어려워지는 많은 상황이 존재하기 때문이다. 그러나, 고유 물질의 정확한 양에 관한 선험적 지식이 있는 경우, 그러한 준거에 성공적으로 합치되지 않는 신호는 외래 물질이 무엇인지를 시스템이 구체적으로 식별할 수 없다 하더라도 외래 물질의 존재를 추론하여 표시한다. 이러한 맥락에서, 신호의 합치는 위에서 기술된 것과 같은 임계화 동작에 의해 결정된다.

본 방법의 상술한 특징의 예시로서, 시험중인 의약 물체를 공지된 활성 의약 성분을 갖는 기준 의약품과 비교하여 시험중인 물체의 활성 의약 성분이 기준 의약품의 활성 의약 성분에 합치되는지 여부를 살펴볼 수 있다.

상술한 비교에서, 최상의 정확도를 위해 의약 물체의 활성 의약 성분의 조성 및 중량이 기준 의약품과 비교된다. 그러나, 물체의 활성 의약 성분의 조성만을 비교하는 것이 또한 유용할 수 있지만, 이는 정확도가 더 낮을 수 있다. 이러한 접근법은 시험중인 물체와 기준 물체의 완벽한 합치로부터의 임의의 편차의 성질에 관한 구체적인 정보를 제공하지 않지만, 조성 또는 조성과 양의 단순한 편차는 경보를 촉발하거나 그렇지 않으면 편차를 표시하기에 충분하다. 이러한 맥락에서, "완벽한 합치"는 시험되고 있는 물체의 제조 공차 내에 있다. 이러한 수준의 시험은 현대의 생산 라인 기술에 상응하는 매우 빠른 속도로 수행될 수 있다. 예컨대 기준 물체에 합치되지 않는 의약 물체는 외래 물질의 포함과 같은 편차의 이유를 구체적으로 식별하기 위해 추가적인 분석 기법의 적용을 받을 수 있다. 이는 외래 물질을 분석함으로써 도 1의 시스템(10)으로 달성될 수 있다. 유사한 기법이 다른 고유 물질에 적용될 수 있다.

동시 분석 모드

시험중인 물체를 공지된 기준 물체와 비교하는 상술한 개념의 추가 확장은 고유 및 외래 물질 양자의 동시 분석을 가능하게 한다.

순차 분석 모드

시험중인 물체를 공지된 기준 물체와 비교하는 상술한 개념의 더욱 추가적인 확장은 "고유 분석 모드에서의 공지된 물질과의 비교" 부분에서 상술된 바처럼 이러한 비교를 수행하는 것으로 시작한다. 시험중인 물체가 공지된 기준 물체로부터 벗어나는 것으로 결정되는 경우, 본 발명의 시스템의 동작 모드를 변경함으로써 순차 분석이 수행되어 특정 외래 물질을 분석한다.

기준 라이브러리에 대한 학습 동작 모드

때때로, 다른 물질에 대한 데이터를 기준 라이브러리에 추가하는 것이 바람직하다. 이는 시스템(10)(도 1)이 제작 후에 처음 개시되는 때에, 또는 다른 물질에 대한 추가 데이터를 라이브러리에 추가할 필요가 있는 임의의 시점에 이루어질 수 있다. 새로운 라이브러리 데이터를 추가하는 이러한 가장 신속한 방법은 아래와 같다. 물질의 기준 샘플이 도 1의 시스템(10)에서 탐문 복사에 노출된다. 행렬 데이터(136)(도 1 및 12)로부터 직접 출력이 취해지고, 호스트 컴퓨터(26)(도 1)에 의해 라이브러리에 입력된다. 동일한 최종 결과를 달성하는 다른 방법들이 존재하지만, 상술한 것이 바람직한 방법이다.

아래의 도면 참조 번호 목록은 세 개의 열을 갖는다. 제1 열은 도면 참조 번호를 포함하고, 제2 열은 참조 번호와 연관된 부품을 열거하며, 제3 열은 부품에 대한 바람직한 물질(적용 가능한 경우)을 언급한다.

# 항목 바람직한 물질

10 시스템 다양함

12 물체 다양함

14 탐문 복사 소스 다양함

16 EM 복사 EM 복사

18 복사 EM 복사

20 탐지기 시스템 QFE 물질

24 광 상관기 다양함

26 호스트 컴퓨터 및 디스플레이 다양함

30 CSP-MILO 전자관

34 배열 전자빔 및 평면 격자

36 배열 전자빔 및 원통형 격자

38 원통형 격자 전도성 금속

40 표류관 전도성 금속

42 음극 탄소

44 그리드 전도성 금속

46 진행파 전자총(TWEG) 탄소 및 금속

48 양극 전도성 금속

50 창 RF 투명 물질

52 빔 EM 복사

54 반사기 전도성 금속

56 중공부 전도성 금속

60 간격 해당 없음

62 면각 해당 없음

90 전류 조정기 회로 전자 회로

92 주 변조 소자 전자관

94 입력 노드 회로 요소

96 출력 노드 회로 요소

98 저항기 회로 요소

100 제어 소자 전자관

102 분로 저항기 회로 요소

104 저항기 회로 요소

106 저항기 회로 요소

108 노드 회로 요소

110 커패시터 회로 요소

120 직렬 모드 분광기 다양함

122 병렬 모드 분광기 다양함

124 화살표 해당 없음

127 블록 다양함

128 화살표 해당 없음

132 복사 EM 복사

134 2차 공진 복사 형광 복사

136 2차원 행렬 데이터 저장 어레이 전자 부품

138 합성 이미지 디지털 데이터

140 광 상관기 다양함

142 렌즈 전형적으로 유리

144 렌즈 전형적으로 유리

146 렌즈 전형적으로 유리

148 거울 전형적으로 유전체 스택

149 거울 전형적으로 유전체 스택

150 거울 전형적으로 유전체 스택

152 편광 빔 분할기 전형적으로 유리 및 유전체 스택

154 편광 빔 분할기 전형적으로 유리 및 유전체 스택

155 푸리에 필터 전자 광학 소자

156 입력 공간 광 변조기(SLM) 전자 광학 소자

158 전하 결합 소자(CCD) 전자 광학 소자

160 가변 가간섭성 길이 광원 전자 광학 소자

162 빔 덤프 다양함

164 스펙트럼 필터 전형적으로 유리 위의 유전체 스택

상술한 내용은 위에서 기술된 것과 같은 검사 목적을 위한 근 실시간 동작이 가능한 분광 방법 및 시스템을 기술한다. 기술된 6개의 동작 모드는 (1) 외래 물질 분석 또는 검사 모드, (2) 고유 물질 분석 또는 검사 모드, (3) 본 발명의 시스템의 순차 동작 모드, (4) 고유 및 외래 물질 양자에 대한 분석 또는 검사를 위한 동시 동작 모드, (5) 형광 모드 및 (6) 후속 물체를 스캔할 때에 사용하기 위한 행렬 데이터의 라이브러리를 획득하기 위한 학습 모드이다.

본 발명이 예시를 위해 특정한 실시예들과 관련하여 기술되었지만, 많은 수정 및 변경이 본 기술 분야의 당업자에게 떠오를 것이다. 예컨대, 본 발명의 복잡도를 갖는 시스템은 위에서 기술된 다양한 모드에 더하여 복수의 동작 모드를 가질 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 범위 및 사상에 속하는 이러한 모든 수정 및 변경을 포괄하도록 의도되는 것임을 이해해야 한다.

Claims

고유 물질을 갖고 잠재적으로 외래 물질을 갖는 물체와 관련하여, 병렬 모드 분광법에 의해 상기 고유 물질 및 상기 외래 물질 중 하나 또는 둘 다를 탐지하기 위한 방법으로서,
a) 병렬 모드 데이터 획득 단계 - 상기 병렬 모드 데이터 획득 단계는,
i) 약 10 GHz 내지 약 25 THz 범위의 충분한 대역폭을 갖는 전자기 복사를 동시에 포함하는 탐문 신호를 생성하여 복수의 주파수에서 복수의 신호를 동시에 탐지하게 하는 단계 - 상기 복수의 신호 각각은 소정의 진폭을 갖고, 상기 복수의 신호는 탐지를 원하는 물질의 특유한 스펙트럼 서명을 집합적으로 제공함 - ;
ii) 상기 물체 및 임의의 연관된 외래 물질을 상기 탐문 신호에 노출시켜 상기 신호와 상기 물체 및 임의의 연관된 외래 물질 사이의 상호작용을 야기하는 단계; 및
iii) 상기 탐문 신호와 상기 물체 및 임의의 연관된 외래 물질의 상호작용으로부터 비롯된 수정된 신호를 탐지하는 단계
를 포함함 - ;
b) 신호 처리 및 데이터 정리(data reduction) 단계 - 상기 신호 처리 및 데이터 정리 단계는,
i) 상기 결과 신호를 처리하여 상기 물체와 연관된 적어도 임의의 외래 또는 고유 물질을 나타내는 3차원 데이터 행렬을 생성하는 단계;
ii) 관심 있는 공지된 화학적 또는 생물학적 물질을 나타내는 데이터의 기준 라이브러리를 제공하는 단계; 및
iii) 상관 기법을 사용하여 상기 데이터 행렬을 상기 기준 라이브러리와 비교하여 상기 기준 라이브러리 데이터로부터의 적어도 하나의 연관된 외래 또는 고유 물질에 대응되는 적어도 하나의 상관 피크를 생성하는 단계
를 포함함 - ; 및
c) 상기 비교의 결과를 제공하는 단계
를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 상관 기법은 병렬 모드 광 상관기를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 신호 처리 및 데이터 정리 단계는 임의의 생성된 상관 피크가 상기 물체와 연관된 외래 또는 고유 물질의 존재 및 양을 표시하기에 충분한 수준으로 상승하는지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
a) 상기 데이터의 기준 라이브러리는 공지된 조성 및 중량을 갖는 물체를 나타내고,
b) 상기 신호 처리 및 데이터 정리 단계는 상기 3차원 데이터 행렬이 조성 면에서 상기 데이터의 기준 라이브러리에 합치되는지 여부를 결정하는 단계를 포함하며,
c) 상기 결정의 결과를 제공하는 방법.
제4항에 있어서,
상기 신호 처리 및 데이터 정리 단계는 상기 3차원 데이터 행렬이 조성 및 중량 면에서 상기 데이터의 기준 라이브러리에 합치되는지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 데이터의 기준 라이브러리는 고유 물질에만 관련되는 방법.
제5항에 있어서,
상기 데이터의 기준 라이브러리는 외래 물질 및 공지된 물질 양자에 관한 복수의 데이터를 포함하여 복수의 동작 모드를 가능하게 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 물체에 고유한 물질을 무시하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 탐문 신호는 약 10 GHz 내지 약 25 THz 범위의 충분한 대역폭을 갖는 전자기 복사를 동시에 포함하고, 예상되는 외래 또는 고유 물질의 공진 주파수를 집합적으로 포괄하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 전자기 복사를 갖는 탐문 신호를 생성하는 단계는 원통형 스미스-퍼셀 개선 자기 절연 선형 발진기로 행해지는 방법.
제1항에 있어서,
a) 상기 결과 신호를 처리하는 단계는 상기 결과 신호를 처리하여 상기 물체 및 임의의 연관된 외래 또는 고유 물질의 조합된 화학 조성을 나타내는 3차원 데이터 행렬을 생성하는 단계를 포함하고,
b) 상기 방법은 감산 신호 처리 기법을 사용하여 상기 물체 및 임의의 연관된 외래 또는 고유 물질의 정보를 포함하는 광대역 탐문 신호로부터 관심 스펙트럼 또는 스펙트럼들을 추출하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
a) 상기 탐문 신호는 하나 이상의 특정한 화학 물질로부터 특유의 공지된 2차 반응을 유발시키는 공진 탐문 신호를 포함하고,
b) 상기 탐지 단계는 상기 2차 반응을 탐지하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 프로세스는 고유 물질에 대해 검사하도록 구성되는 방법.
제1항에 있어서,
상기 신호 처리 및 데이터 정리 단계는 상기 물질의 형광 방출과 관련된 특정한 주파수에서만 상기 수정된 신호를 분석하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 데이터 행렬로부터 직접 데이터를 추출하고 이를 상기 기준 라이브러리에 입력함으로써 상기 기준 라이브러리에 대한 학습 모드가 가능해지는 방법.