KR20150082318A - 반사 테라헤르츠 방사선을 사용하는 물질 특성 계산 시스템 - Google Patents
반사 테라헤르츠 방사선을 사용하는 물질 특성 계산 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
테라헤르츠 방사선을 해석하기 위한 시스템은 테라헤르츠 방사선의 펄스를 출력하게 구성된 테라헤르츠 송신기 및 테라헤르츠 송신기로부터 테라헤르츠 방사선의 펄스의 적어도 일부를 수용하게 구성된 테라헤르츠 수신기를 포함한다. 테라헤르츠 수신기는 테라헤르츠 수신기에 의해 수신된 방사선에 기초하여 신호를 출력하게 구성된다.
Description
본 발명은 테라헤르츠 방사선(terahertz radiation)을 사용하여 물질 특성을 계산하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반사 시간 영역 테라헤르츠("TD-THz") 송신기(reflection time domain terahertz transmitters)는 측정 대상 유전체 물질(때때로 샘플이라고 칭함)에 펄스 테라헤르츠("THz") 빔을 투사할 수 있다. 상기 물질로는 종이, 코팅 종이, 플라스틱 시트, 비제직(non-woven) 물질(섬유, 천), 압출 절연체, 발포체, 접착제 및 그 유사 물질이 있을 것이다.
그러나, 이들 측정 대상 유전체 물질의 물성 측정은 테라헤르츠 방사선의 반사가 샘플의 위치에 기초하여 부딪칠(impact) 것이라는 사실로 인해 복잡하게 될 수 있다. 샘플 위치를 판단할 수 없는 경우, 물성 측정은 반대로 부딪칠 것이다.
테라헤르츠 방사선을 해석하기 위한 시스템은 테라헤르츠 방사선의 펄스를 출력하게 구성된 테라헤르츠 송신기(terahertz transmitter)와 상기 테라헤르츠 송신기로부터 방사선 펄스의 적어도 일부를 수신하게 구성된 테라헤르츠 수신기(terahertz receiver)를 포함한다. 테라헤르츠 수신기는 테라헤르츠 수신기에 의해 수신된 방사선에 기초한 신호를 출력하게 형성된다.
또한 상기 시스템은 테라헤르츠 수신기로부터 테라헤르츠 방사선의 펄스에 광 간섭(optical interference)을 제공하는 제1광 인터페이스(optical interface)도 포함한다. 제1광 인터페이스는 테라헤르츠 방사선 펄스의 제1광 인터페이스 반사 부분을 테라헤르츠 수신기로 반사할 것이다. 상기 시스템은 또한 테라헤르츠 방사선 펄스에 광 간섭을 제공하는 제2광 인터페이스도 포함한다. 제2광 인터페이스는 테라헤르츠 수신기로 테라헤르츠 방사선 펄스의 제2광 인터페이스 반사 부분을 반사할 것이다. 제1 및 제2광 인터페이스 사이에는 간격(spacing)이 형성된다. 상기 간격은 샘플을 수용하여 테라헤르츠 방사선 펄스의 적어도 일부분에 의해 방사되게 구성된다. 샘플은 테라헤르츠 방사선 펄스의 제1샘플 반사부분을 테라헤르츠 수신기로 반사하며, 테라헤르츠 방사선 펄스의 제2샘플 반사부분을 테라헤르츠 수신기로 반사할 것이다.
일반적으로, 테라헤르츠 송신기 및 테라헤르츠 수신기는 하우징 내에서 서로 실질적으로 인접하여 배치된다. 프로세서는 테라헤르츠 수신기와 통신하며, 테라헤르츠 수신기로부터 신호를 수신하도록 구성된다. 프로세스는 신호에 기초한 샘플의 구경 두께, 밀도, 굴절률 또는 질량을 판단하게 형성된다. 시스템은 또한 갠트리(gantry)를 포함할 수도 있으며, 샘플을 가로질러 하우징을 이동하게 구성되어, 하우징은 갠트리에 결합된다.
제1광 인터페이스는 하우징에 장착되거나, 테라헤르츠 송신기와 샘플 사이에 위치될 수 있다. 제2광 인터페이스는 갠트리에 장착되거나, 단순히 제1광 인터페이스의 반대편에 장착될 수 있다.
또한, 시스템은 프로세서와 통신하는 위치 센서를 포함할 수도 있다. 위치 센서는 제1광 인터페이스 및 제2인터페이스 사이의 간격의 거리를 판단하여, 프로세서로 거리 신호를 출력하게 형성된다. 위치 센서는 온도 센서이거나, 맴돌이(eddy) 전류 센서일 수 있다.
본 발명의 추가적인 다른 목적, 특징 및 이점은 당업자가 본원의 명세서에 첨부된 도면 및 청구범위를 참조하여, 이하의 설명을 살펴보면 명료하게 이해될 것이다.
도 1은 전통적인 시간 영역 기반 테라헤르츠 시스템의 블록도이다.
도 2는 시트 물질의 웹(web) 위에 갠트리에 장착된 도 1의 시스템을 도시한다.
도 3은 때때로 외부 기준 구조(external reference structure)로 참고되는, 제2광 인터페이스를 갖지 않은 테스트 대상 물질의 단면을 도시한다.
도 4는 제2광 인터페이스를 가진 테스트 대상 물질의 단면도이다.
도 5는 테스트 대상 물질의 위 및 아래에 모두 있는, 갠트리의 폭에 걸쳐 있는 광 인터페이스를 구비한 시스템을 도시한다.
도 6은 하우징에 포함된 제1광 인터페이스 및 테스트 대상 물질 아래의 갠트리의 폭에 걸쳐 있는 제2광 인터페이스를 가진 시스템을 도시한다.
도 7은 시스템의 하우징에 포함된 제1광 인터페이스 및 테스트 대상 물질 아래에 있는 동기식 동작(synchronized motion) 갠트리에 장착된 제2광 인터페이스를 나타낸 도면이다.
도 8은 테스트 대상 물질의 위와 아래 양측의 갠트리 폭에 걸쳐있는 광 인터페이스 및, 제1광 인터페이스와 제2광 인터페이스 사이의 거리를 측정하는 제1광 인터페이스 또는 갠트리 프레임에 장착된 거리 센서를 가진 시스템을 도시한다.
도 9는 하우징에 장착된 위치 센서를 사용하여 테스트 대상 물질의 위와 아래 양측에 갠트리 폭에 걸쳐있는 광 인터페이스를 갖는 시스템을 도시한다.
도 10은 시스템의 하우징 내에 포함된 제1광 인터페이스 및 거리 센서와, 테스트 대상 물질 아래의 갠트리의 폭에 걸쳐있는 제2광 인터페이스를 가진 시스템을 도시한다.
도 11은 하우징에 포함된 제1광 인터페이스 및 위치 센서와, 테스트 대상 물질 아래의 동기식 동작 갠트리에 장착된 제2광 인터페이스를 갖는 시스템을 도시한다.
도 12는 제1광 인터페이스 또는 갠트리에 장착된 온도 센서를 이용하는 시스템을 도시한다.
도 13은 제1포트 및 제2포트를 갖는 시스템을 도시한다.
도 2는 시트 물질의 웹(web) 위에 갠트리에 장착된 도 1의 시스템을 도시한다.
도 3은 때때로 외부 기준 구조(external reference structure)로 참고되는, 제2광 인터페이스를 갖지 않은 테스트 대상 물질의 단면을 도시한다.
도 4는 제2광 인터페이스를 가진 테스트 대상 물질의 단면도이다.
도 5는 테스트 대상 물질의 위 및 아래에 모두 있는, 갠트리의 폭에 걸쳐 있는 광 인터페이스를 구비한 시스템을 도시한다.
도 6은 하우징에 포함된 제1광 인터페이스 및 테스트 대상 물질 아래의 갠트리의 폭에 걸쳐 있는 제2광 인터페이스를 가진 시스템을 도시한다.
도 7은 시스템의 하우징에 포함된 제1광 인터페이스 및 테스트 대상 물질 아래에 있는 동기식 동작(synchronized motion) 갠트리에 장착된 제2광 인터페이스를 나타낸 도면이다.
도 8은 테스트 대상 물질의 위와 아래 양측의 갠트리 폭에 걸쳐있는 광 인터페이스 및, 제1광 인터페이스와 제2광 인터페이스 사이의 거리를 측정하는 제1광 인터페이스 또는 갠트리 프레임에 장착된 거리 센서를 가진 시스템을 도시한다.
도 9는 하우징에 장착된 위치 센서를 사용하여 테스트 대상 물질의 위와 아래 양측에 갠트리 폭에 걸쳐있는 광 인터페이스를 갖는 시스템을 도시한다.
도 10은 시스템의 하우징 내에 포함된 제1광 인터페이스 및 거리 센서와, 테스트 대상 물질 아래의 갠트리의 폭에 걸쳐있는 제2광 인터페이스를 가진 시스템을 도시한다.
도 11은 하우징에 포함된 제1광 인터페이스 및 위치 센서와, 테스트 대상 물질 아래의 동기식 동작 갠트리에 장착된 제2광 인터페이스를 갖는 시스템을 도시한다.
도 12는 제1광 인터페이스 또는 갠트리에 장착된 온도 센서를 이용하는 시스템을 도시한다.
도 13은 제1포트 및 제2포트를 갖는 시스템을 도시한다.
도 1을 참조하면, 테라헤르츠 방사선을 해석하기 위한 시스템(10)이 도시되어있다. 그 주요 구성요소로서, 시스템은 내부에 구비된 테라헤르츠 송신기(14) 및 테라헤르츠 수신기(16)를 갖는 하우징(12)을 포함한다. 시스템(10)은 또한 광선 소스(optical laser source) 및 컴퓨터 시스템(20)과 같은 테라헤르츠 제어장치(18)도 포함한다. 광선 소스(18)는 엄빌리컬(umbilical)(13, 15)을 통해 테라헤르츠 수신기(16) 및/또는 테라헤르츠 송신기(14)에 결합 될 수 있다. 엄빌리컬(13, 15)은 0-100 미터 길이 일 수 있다. 가요성 섬유의 광/전기 엄빌리컬(13, 15)은 TD-테라헤르츠 센서가 웹을 통해 주사하는 동작제어 갠트리에 장착되었을 때 가요성 케이블 트레이("뱀 형상")에 넣을 수 있다. 엄빌리컬(13, 15)은 광선 소스(18)를 테라헤르츠 수신기(16) 및/또는 테라헤르츠 송신기(14)에 광학적으로 연결한다.
컴퓨터 시스템(20)이, 테라헤르츠 수신기(16)에 직접 또는 간접적으로 연결되어 테라헤르츠 수신기(16)로부터 신호를 수신할 수 있다. 이때, 테라헤르츠 수신기(16)에 의해 수신된 방사선을 해석할 수 있도록 컴퓨터 시스템(20)은 테라헤르츠 수신기(16)로부터의 신호를 해석할 수 있다. 시스템(10)은 또한 별도의 센서(22, 24)를 포함할 수 있다. 이런 센서(22, 24)로는 위치 센서 및/또는 온도 센서를 포함할 수 있다.
시스템(10)은 또한 물질의 산출을 제어하는 피드백 제어장치(26)를 포함할 수 있고, 또한 측정이 이루어질 수 있도록 테스트 대상 샘플(30) 또는 물질을 가로질러 하우징(12)을 이동하는 갠트리를 제어하기 위한 동작 제어(28)를 포함한다. 샘플(30)은 임의 타입의 샘플일 수 있지만, 일반적으로, 종이 또는 다른 타입의 웨빙(webbing) 물질과 같은 다수의 층을 갖는 샘플이다.
하우징(12)은 빔 분할 큐브(beam splitting cube)와 같은 빔 분할기구(32)를 포함 할 수 있다. 빔 분할기구(32)는 테라헤르츠 방사선(34)이 테라헤르츠 송신기(14)로부터 샘플(30)을 향하게 한다. 유사한 방식으로, 빔 분할기구(32)는 방사선(36)이 처음에 테라헤르츠 송신기(14)로부터 전송된 샘플로부터 테라헤르츠 수신기(16)로 향하게 한다. 또한, 렌즈(38)는 일반적으로 제1포트(40)를 통해 샘플(30)로부터 또는 샘플로 전송된 테라헤르츠 방사선을 초점으로 하는데 사용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 시스템(210)의 상세한 설명이 도시되었다. 이 실시예에서, 유사한 참조번호가 숫자 "2"를 요소 앞에 배치된 것을 제외하고는 유사한 구성요소들을 지칭하는데 이용되었다. 이들 구성요소에 대한 설명은 다시 하지 않을 것이다. 이 실시예에서는, 갠트리(250)가 샘플(230) 위에 위치되었다. 여기서는, 하우징이 화살표(252)로 나타낸 바와 같이 샘플(30)의 길이를 따라 이동하도록 하우징(212)이 갠트리(250)에 장착된다.
테라헤르츠 수신기(216) 및/또는 테라헤르츠 송신기(214)는 단상태(monostatic) 또는 동일선상(collinear) 구조일 수 있다. 이 구조에서는, 테스트 대상 물질(30)로 투사되는 펄스의 테라헤르츠 빔 및 테스트 대상 물질(30) 내부의 인터페이스로부터의(존재하는 경우, 외부 기준 구조체 인터페이스(들)로부터의) 반사가 동일한 경로를 따른다. 이 구조는 일반적으로 시차 효과를 없애며 샘플로부터 반사력(reflection power)을 최대로 하여서, 바람직한 것이다. 상기 동일선상의 구조는 테스트 대상 물질이 테라헤르츠 센서에 대하여 상하로 이동할 때 특히 중요하다. 대안적으로, 피치-캐치 배열(pitch-catch arrangement)을 특히 상하로 이동하지 않는 매우 얇은 물질용으로 사용할 수 있다.
도시된 테라헤르츠 수신기(216) 및/또는 테라헤르츠 송신기(214)는 테스트 대상 물질(230)을 탐침하는(probing) 테라헤르츠 빔을 집중 수집하는 대물렌즈를 갖는다. 상기 대물렌즈는 렌즈(238), 곡면 거울, 또는 이들의 조합체일 수 있다. 상기 대물렌즈는 고정된 초점 길이를 가질 수 있거나, 상호 교환가능한 것일 수 있거나, 가변 초점길이 렌즈일 수 있다. 1개의 요소가 사용되거나, 다수의 요소가 사용될 수 있다. 일부 구조는 대물렌즈를 필요로 하지 않을 수 있다.
테라헤르츠 수신기(216) 및/또는 테라헤르츠 송신기(214)의 주위 점선은 요소(습기, 먼지) 및 기계적 충격으로부터 센서를 보호하는 공칭 하우징(212)이다. 센서는 그런 하우징에 둘러싸여 있을 수도 있고, 그렇지 않고 있을 수도 있다.
테라헤르츠 수신기(216) 및/또는 테라헤르츠 송신기(214)는, 제어 장치에 가요성 섬유 광/전기 엄빌리컬로 연결된 원격의 자유롭게 위치될 수 있는 헤드에 장착된 송신기 및 수신기 안테나로 도시되어 있다. 이 실시예는 바센서 헤드를 작고 튼튼하게 제조하여 TD-테라헤르츠 제어장치에 레이저, 전력공급장치, 광 지연 스캐너, 컴퓨터 및/또는 다른 전자장치를 배치할 수 있기 때문에 바람직한 형태이다. 제어장치는 스캐닝 영역으로부터 떨어져서 안전하게 장착될 수 있다. 제어장치는 환경적으로 제어되는 캐비닛에 배치될 수 있다.
다른 테라헤르츠 수신기(216) 및/또는 테라헤르츠 송신기(214)가 사용될 수도 있다. 실질적으로, TD-테라헤르츠 제어장치 내의 시스템의 일부 또는 모두를 소형화하여 TD-테라헤르츠 센서 헤드에 전체적으로 배치할 수 있다. 이런 복합기 구조는 광섬유의 사용이 필수적인 것은 아니다. 테라헤르츠 송신기 및 수신기는 분리된 마운트 상에 있거나 또는 기계적으로 동일한 위치에 있을 수 있다. 테라헤르츠 수신기(216) 및/또는 테라헤르츠 송신기(214)는 (복합기 방식으로) 송신기 및/또는 수신기가 동일한 위치에 배치된 동일한 레이저, 전자 및/또는 기타 다른 지지 하위 시스템을 공유하거나; 또는 레이저, 전자, 및/또는 기타 다른 지지 하위 시스템은 전기 및/또는 광섬유 케이블에 의해 연결된, 송신기 및/또는 수신기에서 원거리에 위치될 수 있다.
테라헤르츠 수신기(216) 및/또는 테라헤르츠 송신기(214)는 펨토초 레이저로부터 생성된 단일 펄스를 사용하는 대신, 광대역 소스에 의해 트리거 되는 상호 비교(cross-correlating) 노이즈 펄스의 원리로 동작할 것이다. 테라헤르츠 EM을 생성하는 임의의 방법이 사용될 수 있다.
테라헤르츠 수신기(216)는 시간 영역 대신 주파수 영역에서 작동할 수 있다. 테라헤르츠 수신기(216)가 주파수 영역에서 작동하는 경우, 송신기도 마찬가지로 작동할 것이다. 테라헤르츠 송신기(214) 및 수신기(216)는 샘플의 층 두께를 측정하는데 필요한 해상도를 달성하기에 충분히 넓은 대역폭을 가져야한다. 테라헤르츠 송신기(214)는 송신기가 충분한 대역폭을 갖는 한, 파동 또는 비파동으로 동작할 것이다. 테라헤르츠 송신기(214)는 임의의 외부 기준 구조의 인터페이스와 마찬가지로 샘플의 인터페이스를 하나 이상의 층으로부터 양쪽을 반사하는 광대역 테라헤르츠 빔을 방출한다. 주파수-영역 테라헤르츠 수신기(214)는 주파수 진폭 및/또는 위상의 함수로서 반사를 기록한다. 다음, 기록된 주파수 영역 데이터는 (예를 들면 푸리에 변환과 같은) 수학적 변환의 사용을 통해 시간-영역으로 변환될 수 있다. 시간-영역으로 변환된 이런 데이터는 이제, 데이터가 시간 영역에서 기본적으로 수집되는 방식과 동일하거나 유사한 방식으로 샘플 내부의 비행 시간의 인터페이스와 외부 기준 인터페이스를 나타낼 것이며; 샘플(230)의 물질 특성은 기본적 시간 영역 데이터와 동일한 방식으로 보상 방법을 사용하여 계산될 수 있다. 대안적으로, 물질 특성의 계산은 직접적으로 주파수 영역의 진폭 및/또는 위상에서 만들어질 수 있다. 특별한 비행 시간의 간격(들)으로 분리된 반사 인터페이스에 대응하는 시간 영역에서의 2개 이상의 피크가, 손실 및/또는 주파수 영역에서 특정 주파수 간격(들)으로 이격된 송신 피크(transmission peaks)로 나타난다. 이런 주파수 영역 간격은 설명된 보상 방식의 하나 이상의 방식으로부터 알려진 외부 기준 인터페이스 간격들을 사용하여 동일한 물질 특성을 계산하는데 사용될 수 있다. 다른 주파수 영역 방법은 주파수 변조 연속파 방식(FMCW:frequency modulated continuous wave method)을 포함한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 이들 도면은 샘플(30)과 접촉할 때 테라헤르츠 방사선의 빔이 발생하는 모습을 보여준다. 테라헤르츠 방사선(34)의 빔은 샘플(30)의 각 층의 각각의 면에 의해 반사된다. 다음, 테라헤르츠 방사선의 반사된 부분이 도 1의 테라헤르츠 수신기(16)로 다시 보내진다. 도 4는 제1광 인터페이스(42) 및 제2광 인터페이스(44)를 갖는 시스템을 도시한다. 제2광 인터페이스(44)는 거울과 같은 완전한 반사성인 반면에, 제1광 인터페이스(42)는 부분적으로 투과할 수 있는 것일 수 있다. 이 경우, 방사선(34)은 샘플(30)의 각각의 층에 의해서만 아니라, 제1광 인터페이스(42) 및 제2광 인터페이스(44)에 의해서도 반사된다. 테라헤르츠 빔(34)의 이런 반사 부분은 도 1의 테라헤르츠 수신기(16)로 다시 전송된 반사 테라헤르츠 방사선(36)을 형성한다.
샘플(30)은 적어도 2개의 반사 인터페이스(상부 및 하부 외면)을 가질 것이며, 1개 이상의 내부 인터페이스를 가질 수도 있고, 갖지 않을 수도 있다. 광 인터페이스(42, 44)는 측정 대상 물질의 위 및/또는 아래에 배치된 1개 이상의 부가적인 외부 인터페이스를 생성하는데 사용될 수 있다. 샘플(30)로부터의 반사 펄스 중 하나 이상의 펄스와, 광 인터페이스(42, 44)로부터의 반사 펄스 중 하나 이상의 펄스의 상대적 타이밍은, 예를 들어 캘리퍼 두께, 밀도, 굴절률 및 질량 등의 샘플(30)의 속성을 계산하는데 사용될 수 있다. 이 값들은 하나 이상의 교정 계수 시간을 사용하여 인터페이스 펄스 시간의 적절한 합 및/또는 차의 선형 조합(linear combination)이 계산된다. 전술한 바와 같이, 테라헤르츠 수신기(16)는 정지 상태로 있을 수도 있고, 이동할 수도 있다. 이런 광 인터페이스(42, 44)는 고정적으로 있을 수 있으며, 하우징(12)에 연결될 수도 연결되지 않을 수도 있고 및/또는 상기 구조는 하우징(12)과 이동할 수 있다. 테라헤르츠 수신기(16), 샘플(30) 및 광 인터페이스(42, 44)는 샘플 인터페이스 및 광 인터페이스(42, 44)의 각각이 TD-테라헤르츠 파형으로 기록되는 반사 펄스를 초래하는 기하학적 구조로 형성된다. 측정 대상 물질의 1개 이상의 반사 펄스와 1개 이상의 광 인터페이스(42, 44)의 상대적 타이밍은 캘리퍼 두께, 밀도, 굴절률 및 질량과 같은 측정 대상 물질의 물성을 계산하는데 사용될 수 있다.
이 값들은 하나 이상의 교정 계수 시간을 사용하여 인터페이스 펄스 시간의 적절한 합 및/또는 차의 선형 조합이 계산된다. 광 인터페이스(42, 44)는 광 인터페이스(42, 44) 사이에 알려진 또는 측정 가능한(즉, 한정된) 거리를 갖도록 설치된다. 모든 외부 인터페이스 사이의 분리는 하나 이상의 TD-테라헤르츠 파형의 수집(collection) 시간 척도로 측정 가능하게 있어야 한다.
광 인터페이스(42, 44) 사이의 고정된 거리(들)는 알려졌거나 또는 측정되어 진다. 이런 공지된 인터페이스 분리 거리는, 유도된 값과 TD-테라헤르츠 반사 펄스 시간을 결합하여, 특정한 외부 인터페이스와 함께(예를 들면, 밀도) 또는 외부 인터페이스 없이 TD-테라헤르츠 측정으로부터 모호하게 될 특정 물질의 특성을 계산하는데 사용된다. 외부 인터페이스 사이의 한정된 거리도 다음을 수용하는데 사용될 수 있다.
1) TD-테라헤르츠 펄스의 (예를 들면, 광섬유 스트레칭으로 인한) 절대적 타이밍의 이동(shift);
2) 측정 대상 물질의 굴절률 변화;
3) 측정 대상 물질의 밀도 변화;
4) 기타 효과.
이런 광 인터페이스(42, 44)는 다음 중 어느 하나를 가져야 한다.
1) 이전에 수집된 저장된 측정치를 사용할 수 있는 높은 기하학적 안정성,
2) 단시간(단일 TD-테라헤르츠 파형 측정의 길이 0.001~1s) 및 장시간(분, 시간 또는 일)에 걸친 매우 정밀하게 측정된 인터페이스 거리 또는 간접적인 보조 센서와 교정 방법(예를 들어 열전대 및 온도에 대한 교정 방법)으로 측정되거나 결정된 인터페이스 거리.
필요한 기하학적 안정성은 일반적으로 2 마이크론 미만이다. 상기 구성은 필수 허용 오차 내에서 음향(microphonic) 및 다른 진동을 감소하게 형성해야 한다. 특정 경우에는 상기 구성이 측정 대상 물질의 넓은 시트(wide sheet) 위로 수 미터에 걸쳐 있어야 한다. 이 경우, 광 인터페이스(42, 44)의 구조는 열팽창 또는 수축으로 인해 또는 외부 응력의 변화로 인해 수 분, 수 시간 또는 수 일에 걸쳐 그 기하학적 거리(들)가 변할 것이다.
외부 기준 구조(external reference structure)를 갖지 않은, TD-테라헤르츠 반사 펄스의 타이밍을 도시한 테스트 대상 물질(30)의 단면도를 도 3에 나타내었다. 물질은, A, B, ... N으로 표시된 하나 이상의 층(N으로 지칭된 수)을 갖는 것으로 도시되었다. 여기서 j = N + 1 인터페이스 이다. 상부 및 하부 인터페이스는 일반적으로 공기(air) 경계층을 갖지만, 필수적인 사항은 아니다. 인터페이스로부터의 반사는, 1, 2, ... j-1, j 로 표시된다. 반사 펄스의 시퀀스 및 타이밍이 도면의 우측에 도시되었다. 도 3은 임의 각도로 반사된 것을 나타낸다. 이 예시 방법은 도면을 명확하게 나타낼 목적으로만 사용된 것이다. 반사는 수직이거나 또는 임의 각도로 이루어진다.
"N"층의 각각은 각각의 위치에서 변할 수 있는 기계적 두께 "L"와 유효 굴절률 "η"을 갖는다. 굴절률(η)을 알고 있으면, 층의 두께를 다음의 식으로 TD-테라헤르츠 파형으로부터 유도해 낼 수 있다.
L = c * t/(2 * n)
여기서 c는 진공에서의 빛의 속도이다.
다르게는, 두께(L)가 알고 있는 값으로 유지되는 경우, 층의 유효한 굴절률을 유도해 낼 수 있다.
굴절률은 물질의 화학적 및 물리적 물질 조성의 함수이며, 예를 들면, 물질의 밀도에 비례할 수 있다. 유효한 굴절률은 일반적으로 일정하지 않다. 그것은 예를 들면, 밀도에 따라 달라질 수 있다. 도 3의 우측에는 하나의 층의 인덱스가 증가하는 경우, 피크 사이의 타이밍은, 기계적 두께가 일정하게 유지되더라도 증가함을 보여준다. 이것은 타이밍 피크만으로부터 TD-테라헤르츠 데이터로부터 테스트 대상 물질의 두께를 계산할 때 분명치 않은 결과를 초래한다. 만일 잘못되게 인덱스가 일정하게 유지된다고 가정하면, 층의 밀도의 증가는 그 층의 두께의 증가처럼 (잘못) 보일 것이다.
하나 이상의 층의 가변 굴절률을 분명하지 않게 만드는 하나의 중요한 측정에는 물질의 전반적인 물리적 "캘리퍼" 두께가 있다. 전체 샘플의 캘리퍼 두께는, 추가적인 "외부 기준 구조" 또는 ERS 또는 제1광 인터페이스(42) 및 제2광 인터페이스(44)가 시트 샘플 주위 또는 근처에 더해지면, 계산될 수 있다. 도 4는 외부 기준 구조를 갖고, TD-테라헤르츠 반사 펄스의 타이밍을 도시한 테스트 대상 물질의 일례의 단면 다이어그램이다. ERS의 상부 면과 하부 면은 알고 있거나 또는 측정된 이격 거리(D)에 있다. 거리(D)는 테스트 대상 물질을 측정하기에 앞서 설계에서 알려졌거나 또는 ERS의 측정된 치수로 알려진 것이다. 이 개시내용은 샘플 측정 프로세스 시간 동안 또는 그 근방에서 ERS 치수(D)를 결정하는 방법(들)을 개시한 것이다. 미국 특허출원 12/667,986호의 기술내용이 전체적으로 본원에 참고로 포함되었다.
이상적으로, ERS의 상부 면은 테라헤르츠 빔의 대부분을 전송한다. ERS의 하부 면은 적어도 부분적으로 반사성이 있어야 하며, 거울일 수 있다. 공기(air)에서 상부 및 하부 면에 대응하는 테라헤르츠 펄스 0 및 j+1의 비행 시간은:
TERS = 2 * D/C 이다.
테스트 대상 물질의 내부 층의 굴절률 및/또는 밀도 또는 물질 조성물과 무관한 캘리퍼 두께는 다음과 같다.
L = D - c *([t1 - t0] + [tj +1 - tj])/2
테스트 대상 물질의 두께는 ERS의 간격 마이너스 ERS 내측 테스트 대상 물질의 위와 아래의 공기 두께의 합과 같다.
테스트 대상 물질의 (모든 N층의) 평균 굴절률은 다음과 같은 비율이다.
N 평균 = (t1 - tj)/(TERS-([t1 - t0] + [tj +1 - tj]))
ERS 측정을 구현하는 다른 방법은 테라헤르츠 빔에서 샘플의 동일한 2개의 반사에서 시간으로부터 알고 있거나 또는 측정된 "빈(empty)"(즉, 테라헤르츠 빔에 샘플 없음) ERS 인터페이스 타이밍을 빼는 것이다. 이런 방식에서는, 더블 패스 전송 측정의 등가 시간 지연(equivalent time delay)이 반사 측정으로 구해진다. 이 방법은 "빈" ERS 시간 측정에서, 표준 송신에 대한 측정보다 더 안정적이라는 이점을 제공한다. 양쪽 측정은 샘플 없는 측정을 필요로 하지만, ERS 반사 측정은 순전한 송신 측정보다 더 안정적이고, 본원에 개시된 실시예에서 재측정 또는 교정 또는 눈금측정(calibrate)이 될 수 있다.
도 5를 참조하면, 시스템(510)의 다른 실시예가 도시되었다. 유사한 참조 부호는 유사한 구성요소를 참조하는 데 사용되었다. 제2광 인터페이스(544)가 샘플(530) 아래에 위치된 반면에, 본 실시예에서는 제1광 인터페이스(542)가 샘플(530) 위에 위치된다.
도 6을 참조하면, 시스템(610)의 다른 실시예가 도시되었다. 본 실시예는 제1광 인터페이스(642)가 하우징(612) 내에 위치된 것이 도 5의 실시예와 다르다. 도 7을 참조하면, 시스템(710)의 실시예는 도 6에 개시된 것과 유사하다. 그러나, 제2광 인터페이스(744)는 제2광 인터페이스(744)가 하우징(712)이 갠트리를 따른 이동으로 제1광 인터페이스(742)의 정반대편에 있도록 갠트리(750)에 배치된다. 기본적으로, 제2광 인터페이스(744)는 제2광 인터페이스(744)가 다시 테라헤르츠 수신기(716)에 테라헤르츠 방사선을 반사할 수 있도록 하우징(712)의 이동과 동시적으로 행해지는 이동을 한다.
도 8을 참조하면, 시스템(810)의 다른 실시예가 도시되었다. 본 실시예는 도 5의 실시예(510)와 유사하다. 그러나, 시스템(810)은 시스템(810)이 제1광 인터페이스(842)에 장착된 위치 센서(846, 848)를 이용하는 점에서 다르다. 위치 센서(846, 848)는 맴돌이 전류 센서일 수 있다.
본 실시예의 일 양태는 위치 센서(846, 848)를 포함하여, 기하 형상의 장기간의 변화를 수용하도록 인터페이스(842, 844) 사이의 거리를 측정 또는 눈금측정을 한다. 많은 측정 대상 물질이 흔히 연속적으로 제조되어, 외부 반사 인터페이스 사이의 특정 위치에 있게 될 것이다. 따라서, 인터페이스(842, 844) 사이의 절대 거리를 직접적으로 측정하는데 사용되는 추가의 분리 센서(들)가 주어진 측정 대상 물질로 그렇게 할 수 있어야 한다. 즉, 이상적으로, 보조 센서의 변위 측정은 샘플의 출현으로 영향을 받지 않을 수 있다. 일반적으로, (TD-테라헤르츠, 광학성, 전기 용량성, 마이크로파 등) 전기장을 측정하는 센서는 유전 물질의 출현으로 영향을 받는다. 맴돌이 전류 센서와 같은 자기 센서는, 실질적으로 측정 대상 물질의 유전체 두께 또는 조성물의 변화 또는 측정 경로 내의 유전체 물질의 출현으로 영향을 받지 않는다. 맴돌이 전류 센서는 필요한 변위 측정의 공차를 갖는다. 마찬가지로, 측정 대상 물질과 유사한 둔감성을 가진 분리 또는 변위 센서(들)가 사용될 수도 있다.
다른 방법은 설계에 의해 외부 반사 인터페이스 사이의 샘플 공간과 상호 작용하지 않는 인터페이스 면 사이의 거리를 측정하는데 테라헤르츠 펄스 또는 추가 분리 또는 변위 센서를 사용하는 것이다. 이 방법의 예에는 센서 위치에 대한 구조 인터페이스(structures interfaces)의 분리를 이중 포트 테라헤르츠 센서를 사용하여 측정하거나 또는 샘플과 상호작용하지 않는 방법으로 기준 구조의 인터페이스에 대한 거리를 측정하는 다른 유형의 센서(들)(예를 들어, 레이저, 초음파, 정전용량식 센서)가 있을 것이다. 이 측정은 측정 대상 물질 근방의 면 또는 인터페이스 구조의 다른 표면일 수 있다. 외부 인터페이스는 센서와 측정 대상 물질 사이일 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.
다른 양태에서, 테라헤르츠 수신기(816)는 광 인터페이스(842, 844)의 분리를 측정하는데 사용될 수 있다. 광 인터페이스(842, 844)의 THz 측정이 샘플이 없으면 제공되지 않는 영역(즉, "오프 시트"로 지칭되는, 샘플의 "왼쪽" 및 "오른쪽"으로)에서 이루어질 수 있다. 테라헤르츠 빔은 또한, 측정 대상 샘플(830)과 상호 작용하지 않은 경로를 통해 하나 이상의 광 인터페이스(842, 844)에 대한 거리를 측정하도록 향해질 수 있다.
도 9를 참조하면, 도 9의 시스템(910)은 도 8의 시스템(810)과 유사하지만, 위치 센서(946)가 시스템(910)의 하우징(912) 내에 위치하며, 단 하나의 위치 센서가 사용되었다. 이전과 마찬가지로, 센서(946)는 제1광 인터페이스(942) 및 제2광 인터페이스(948) 사이의 거리를 판단하도록 맴돌이 전류 센서일 수 있다.
도 10은 시스템(1010)의 다른 실시예가 도시되었다. 본 실시예에서는 하우징(1012)이 위치 센서(1048) 및 제1광 인터페이스(1042) 모두를 포함한다.
도 11을 참조하면, 본 실시예는 도 10에 도시된 실시예와 유사하지만, 그러나, 본 실시예에서는 제2광 인터페이스가 갠트리(1150)에 장착되어 제2광 인터페이스(1146)는 갠트리가 하우징(1112)을 이동하면 제1광 인터페이스(1144)의 정반대편에 있다. 도 12를 참조하면, 실시예(1210)는 도 8에 도시된 실시예와 유사하지만, 그러나 본 실시예에서는 온도 센서(1256, 1258)가 사용된다.
온도(
TEMPERATURE
)
도 13을 참조하면, 시스템(1310)은 빔 지향 장치(1362)와 제2포트(1360)를 포함하며, 상기 빔 지향 장치는 테라헤르츠 송신기로부터 제1광 인터페이스(1342)로 제2포트(1360)를 통해, 빔 분할 장치(1332)를 경유하여 테라헤르츠 방사선을 지향시킨다. 본 실시예는 제1광 인터페이스(1342)가 다양한 위치에 배치될 수 있게 한다. 본 실시예는 제1광 인터페이스(1342)가 거울과 같이 완전한 반사성이 있게 한다. 렌즈(1361)는 제1광 인터페이스(1342)에 방사선이 초점되게 포트(1360)에 배치될 수 있다.
당업자가 용이하게 이해할 수 있게, 상기 설명은 본 발명의 원리를 구현하는 예시로 의도하고 기술된 것이다. 따라서, 상기 설명이 본 발명의 범위를 한정하지 않으며, 본 발명은 첨부된 청구범위가 한정한 범위 내에서, 개조, 변형 및 변경될 수 있는 범주를 포함하는 것이다.
Claims (18)
- 테라헤르츠 방사선을 해석하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
테라헤르츠 방사선의 펄스를 제1포트를 통해 출력하게 구성된 테라헤르츠 송신기;
테라헤르츠 방사선의 펄스의 적어도 일부를 제1포트를 통해 수신하게 구성된 테라헤르츠 수신기, 상기 테라헤르츠 수신기는 테라헤르츠 수신기에 의해 수신된 방사선에 기초한 신호를 출력하게 구성되며;
테라헤르츠 방사선의 펄스에 광학 간섭을 제공하는 제1광 인터페이스, 상기 제1광 인터페이스는 테라헤르츠 수신기로 테라헤르츠 방사선의 펄스의 제1광 인터페이스 반사부분을 반사하며;
테라헤르츠 방사선의 펄스에 광학 간섭을 제공하는 제2광 인터페이스, 상기 제2광 인터페이스는 테라헤르츠 수신기로 테라헤르츠 방사선의 펄스의 제2광 인터페이스 반사부분을 반사하며;
제1광 인터페이스 및 제2광 인터페이스 사이에 형성되는 간격, 상기 간격은 테라헤르츠 방사선의 펄스의 적어도 일부가 조사(irradiated)를 받도록 샘플을 수신하게 구성되며;
상기 샘플은 테라헤르츠 수신기로 테라헤르츠 방사선의 펄스의 제1샘플 반사부분 및 테라헤르츠 수신기로 테라헤르츠 방사선의 펄스의 제2샘플 반사부분을 반사하며;
테라헤르츠 송신기 및 테라헤르츠 수신기는 하우징 내의 실질적으로 서로 인접하게 배치되고;
테라헤르츠 수신기와 통신하며 테라헤르츠 수신기로부터 신호를 수신하도록 구성된 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는 신호에 기초한 샘플의 캘리퍼 두께, 밀도, 굴절률 또는 질량을 결정하게 형성된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 갠트리를 부가로 포함하며, 하우징은 갠트리에 결합되며, 상기 갠트리는 샘플을 가로질러 하우징을 이동하게 구성된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 제1광 인터페이스는 하우징에 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제3항에 있어서,
제2광 인터페이스는 갠트리에 장착되며, 상기 제2광 인터페이스는 갠트리를 따라 하우징이 이동할 때 이동하며, 제1 및 제2광 인터페이스는 일반적으로 서로 마주하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 프로세서와 통신하는 위치 센서를 부가로 포함하며, 상기 위치 센서는 제1광 인터페이스 및 제2광 인터페이스 사이의 간격 거리를 결정하여 거리 신호를 프로세서로 출력하게 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 위치 센서는 맴돌이 전류 센서인 것을 특징으로 하는 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 맴돌이 전류 센서는 제1광 인터페이스에 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 맴돌이 전류 센서는 하우징에 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제5항에 있어서,
위치 센서는 온도 센서이며, 상기 온도 센서는 샘플의 온도를 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1광 인터페이스는 테라헤르츠 송신기 및 샘플 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 제1광 인터페이스는 하우징에 연결되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1포트는 부가로 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 샘플은 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
제1광 인터페이스는 투과형 반사 면이고, 제2광 인터페이스는 완전 반사형 광 인터페이스인 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
시스템은 제2포트를 부가로 포함하며, 테라헤르츠 송신기는 제2포트를 통하는 테라헤르츠 방사선의 펄스를 구성하며;
테라헤르츠 수신기는 제2포트를 통하는 테라헤르츠 방사선 펄스의 적어도 일부를 수신하도록 구성되며; 상기 제1광 인터페이스는 완전 반사형 광 인터페이스인 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
시스템은 광 펄스를 출력하게 구성된 광원을 부가로 포함하며;
상기 광원은 테라헤르츠 송신기 및 테라헤르츠 수신기와 광 통신하며;
테라헤르츠 송신기 및 테라헤르츠 수신기는, 테라헤르츠 수신기가 광 펄스에 의해 테라헤르츠 송신기에 동기화되도록, 광원으로부터 광 펄스를 수신하도록 동기화되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제16항에 있어서,
테라헤르츠 수신기로 제1광 인터페이스, 제2광 인터페이스 또는 샘플에 의해 반사된 방사선이 지향하게 구성된 빔 스플리터를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 광원은 테라헤르츠 송신기 또는 테라헤르츠 수신기와 광 섬유를 통해 광 통신하는 것을 특징으로 하는 시스템.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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