LT6297B - Method and device for the spectroscopic imaging of the object - Google Patents
Method and device for the spectroscopic imaging of the object Download PDFInfo
- Publication number
- LT6297B LT6297B LT2014511A LT2014511A LT6297B LT 6297 B LT6297 B LT 6297B LT 2014511 A LT2014511 A LT 2014511A LT 2014511 A LT2014511 A LT 2014511A LT 6297 B LT6297 B LT 6297B
- Authority
- LT
- Lithuania
- Prior art keywords
- radiation
- terahertz
- intensity
- focusing
- frequency
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Išradimas priklauso vaizdų užrašymo ir atkūrimo sričiai terahercinio elektromagnetinės spinduliuotės dažnių diapazone ir gali būti naudojamas įvairių paslėptų pakuotėse objektų aptikimui bei jų atpažinimui saugos sistemose bei aplinkosaugoje, audinių struktūriniams pokyčiams medicinoje, medžiagų diagnostikai pramonėje, panaudojant spektroskopinį heterodininį vaizdų užrašymą ir atkūrimą teraherciniame dažnių ruože.The invention relates to the field of recording and reproducing images in the frequency range of terahertz electromagnetic radiation and can be used for detection and recognition of various hidden packaging objects in security systems and the environment, tissue structural changes in medicine, industrial diagnostics using terahertz imaging.
Technikos lygisState of the art
Terahercinis (THz) dažnių ruožas yra elektromagnetinės spinduliuotės sritis, esanti tarp milimetrinių radijo bangų ir infraraudonosios spinduliuotės srities. Terahercinė spinduliuotė lengvai praeina pro įvairias medžiagas, tokias kaip popierius, kartonas ar plastikas, todėl gali “matyti“ tokiuose pakuotėse paslėptus įvairius objektus. Jei paslėptos medžiagos šiame dažnių ruože turi sugerties spektrines linijas, jas galima identifikuoti matuojant jų absorbcijos ar pralaidumo spektrus.The terahertz (THz) band is the electromagnetic region between the millimeter radio waves and the infrared region. Terahertz radiation easily passes through various materials, such as paper, cardboard or plastic, and can therefore "see" various objects hidden in such packages. If hidden materials in this band have absorption spectral lines, they can be identified by measuring their absorption or bandwidth spectra.
Pagrindinis THz dažnių ruože vaizdinimo metodas yra laikine terahercine spektroskopija (angį. Terahertz time-domain- spectroscopy - THz-TDS). Šio metodo esmė yra ta, jog THz spinduliuotės impulsai yra generuojami ir detektuojami, naudojant femtosekundinės trukmės lazerio impulsus, kurie atitinkamai sužadina optoelektroninius emiterius ir strobuoja optoelektroninius detektorius [P. Smith et ai., IEEE Journal of Ctuantum Electronics, Vol. 24, No. 2, pp. 255-260 (1988)].The main imaging technique for the THz band is temporal terahertz spectroscopy (Terahertz time-domain-spectroscopy - THz-TDS). The essence of this method is that THz radiation pulses are generated and detected using femtosecond laser pulses that excite optoelectronic emitters and strobe optoelectronic detectors respectively [P. Smith et al., IEEE Journal of Ctuantum Electronics, Vol. 24, No. 2, p. 255-260 (1988)].
Daugeliu praktinių atvejų - nepažeidžiančiame objektų/pakuočių testavime, medicininėje diagnostikoje, distanciniame asmenų tikrinime saugumo sistemose, nėra patogu matuoti pakuotėse paslėptų objektų spektrus THz ruože dėl pačios pakuotės - drabužių, kartono ar organinių medžiagų, etc - sklaidos ar absorbcijos šiame elektromagnetinės spinduliuotės diapazone. Todėl patogiau yra naudoti spektroskopinio THz vaizdinimo metodiką, kuri leidžia atpažinti paslėptas medžiagas užrašant vaizdus ties charakteringomis medžiagų linijomis, jei tų medžiagų THz spektras yra a priori žinomas [I. Kašalynas, R. Venckevičius, D. Seliuta, I. Grigelionis, and G. Valušis, Journal of Applied Physics Vol. 110, art. no 114505 (2011), I. Kašalynas, R. Venckevičius, and G. Valušis, IEEE Sensors Journal, Vol. 13, No. 1, p. 50-54 (2013)].In most practical cases - non-destructive testing of objects / packages, medical diagnostics, remote screening of persons in security systems - it is not convenient to measure spectra of objects hidden in packages in THz range due to dispersion or absorption of the package itself - clothing, cardboard or organic. Therefore, it is more convenient to use the spectroscopic THz imaging technique, which allows for the detection of hidden materials by plotting images along characteristic lines of material, provided that the THz spectrum of these materials is known a priori [I. Kasalynas, R. Venckevičius, D. Seliuta, I. Grigelionis, and G. Valušis, Journal of Applied Physics Vol. 110, art. no 114505 (2011), I. Kasalynas, R. Venckevičius, and G. Valušis, IEEE Sensors Journal, Vol. 13, No. 1, p. 50-54 (2013)].
Žinomose terahercinio vaizdinimo sistemose dažniausiai yra registruojamas praėjusio pro tiriamąjį objektą arba atsispindėjusio nuo objekto THz spinduliuotės intensyvumas. Optinio pralaidumo registravimas yra techniškai paprastesnis, atspindys yra matuojamas tada, kai objekto optinis pralaidumas mažas arba yra reikalinga informacija apie objekto paviršiaus ypatumus.In the known terahertz imaging systems, the intensity of the THz radiation passed through or reflected from the object is usually recorded. Optical transmittance registration is technically simpler, reflection is measured when the optical transmittance of an object is low or information about the surface characteristics of an object is needed.
Terahercinių bangų fazės pokyčio, atsiradusio dėl tiriamojo objekto, matavimas leidžia padidinti skaidrių objektų vaizdo kontrastą ir suteikia papildomos informacijos apie objekto vidinę sandarą. Taikant laikinės skyros terahercinę vaizdinimo sistemą [D. M. Mittleman, M. Gupta, R. Neelamani, R. G. Baraniuk, J. V. Rudd, and M. Koch, Appl. Phys. B 68(6), 1085-1094 (1999)] yra matuojamas praėjusio pro tiriamąjį objektą optinio impulso vėlinimas. Vėlinimas yra tiesiogiai susijęs su terahercinio spindulio fazės pokyčiu, todėl informacija apie fazę gali būti nesunkiai gauta iš impulsinių interferogramų. Tačiau laikinės skyros terahercinės sistemos yra nepraktiškos dėl savo sudėtingos konstrukcijos ir palyginti aukštos kainos.Measurement of the change in the terahertz wave phase caused by the object under study allows to increase the contrast of the slide objects and provides additional information about the subject's internal structure. Applying a temporal resolution terahertz imaging system [D. M. Mittleman, M. Gupta, R. Neelamani, R. G. Baraniuk, J. V. Rudd, and M. Koch, Appl. Phys. B 68 (6), 1085-1094 (1999)] measures the delay of an optical pulse passed through a test object. The delay is directly related to the change in the phase of the terahertz beam, so that phase information can easily be obtained from pulsed interferograms. However, temporal resolution terahertz systems are impractical due to their complex design and relatively high cost.
Fazė taip pat gali būti registruojama naudojant koherentinį nuolatinės veikos terahercinio dažnio šaltinį ir interferometrinę matavimo sistemą: Macho-Zenderio interferometrą [S. Mair, B. Gompf and M Dressel, Physics In Medicine And Biology, Vol. 47 (21) 3719-3725 (2002)] arba Maikelsono interferometrą [Yingxin Wang, Ziran Zhao, Zhiąiang Chen, Li Zhang, Kejun Kang, and Jingkang Deng, Applied Optics Vol. 50, 6452-6460 (2011)]. Kiekvienam vaizdo elementui yra užrašoma interferograma, keičiant vieno iš spindulių kelio ilgį. Pagal interferogramą yra nustatomas fazės poslinkis kiekvienam vaizdo elementui.The phase can also be recorded using a coherent continuous-mode terahertz frequency source and an interferometric measurement system: Mach-Zender Interferometer [S. Mair, B. Gompf and M Dressel, Physics In Medicine And Biology, Vol. 47 (21) 3719-3725 (2002)] or a Mikeelson interferometer [Yingxin Wang, Ziran Zhao, Zhiaiang Chen, Li Zhang, Kejun Kang, and Jingkang Deng, Applied Optics Vol. 50, 6452-6460 (2011)]. An interferogram is recorded for each pixel by changing the path length of one of the beams. The interferogram is used to determine the phase shift for each pixel.
Yra žinomas būdas fazės poslinkiui matuoti - interferometras su moduliuoto dažnio terahecinių dažnių bangų šaltiniu [J. Zheng, Optical Freąuency-Modulated Continuous Wave (FMCW) Interferometry; Springer-Verlag, p. 111-124 (viso 245) (2005)]. Šiuo atveju šaltinio dažnis yra keičiamas tiesiniu dėsniu. Dėl spindulių eigos skirtumo atsiranda signalo vėlinimas, o detektoriaus įėjime gaunami du skirtingo dažnio teraherciniai virpesiai.There is a known method for measuring phase shift, an interferometer with a source of modulated frequency terahedral frequencies [J. Zheng, Optical Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW) Interferometry; Springer-Verlag, p. 111-124 (245 total) (2005)]. In this case, the source frequency is changed linearly. The difference in beam travel results in signal delay and two terahertz oscillations of different frequency are obtained at the detector input.
Naudojant moduliuoto dažnio šaltinį, nereikalingos precizinės vėlinimo linijos (mechaninės veidrodžių poslinkio sistemos). Signalo mušimai, atsiradę detektoriaus išėjime gali būti analizuojami žemo dažnio elektronikos grandinėse. Mušimų signalo fazė nepriklauso nuo aukštadažnio signalo fazės, todėl, moduliuojant šaltino dažnį pjūklo formos signalu, pastarąjį galima sinchronizuoti su detektoriaus signalu. Tai leidžia matuoti detektoriaus signalo fazės pokytį, kuris yra tiesiogiai susijęs terahercinio spindulio fazės pokyčiu tiriamajame objekte. Tai leidžia nustatyti fazės poslinkį kiekviename vaizdo taške ir gauti tiriamojo objekto fazinį vaizdą.Precision delay lines (mechanical mirror shift systems) are not required when using a modulated frequency source. Signal bumps at the detector output can be analyzed in low frequency electronics circuits. The phase of the beat signal is independent of the frequency of the RF signal, so by modifying the source frequency with a saw-like signal, the latter can be synchronized with the detector signal. This allows to measure the phase change of the detector signal, which is directly related to the phase change of the terahertz beam in the object. This allows you to determine the phase shift at each point in the image and obtain a phase view of the object under investigation.
Fazinio vaizdinimo sistemos suteikia pilną vaizdą apie praėjusią arba atsispindėjusią terahercinę bangą, tačiau yra sudėtingos, brangios ir lėtaeigės, nes fazės registravimas reikalauja interferogramos analizės, kuri trunka ilgiau, nei amplitudės registravimas.Phase imaging systems provide a complete view of the past or reflected terahertz wave, but are complex, expensive, and slow because phase recording requires interferogram analysis that takes longer than amplitude recording.
Artimiausias pagal techninę paskirtį yra LT patentinėje paraiškoje Nr.2013128 Pr.179, autoriai:R. Adomavičius, I. Kašalynas, R. Venckevičius, G. Valušis, A. Krotkus, aprašyta terahercinių dažnių juostos THz-TDS vaizdinimo sistema. Principinę šios sistemos schemą sudaro: femtosekundinis lazeris, kurio spinduliuotė perduodama į anteninį emiterį, kurio išėjimo spinduliuotė kvazioptinės fokusuojančio sistemos pagalba yra fokusuojama tiriamame objekte, o spinduliuotė, praėjusį tiriamą objektą minėtos fokusuojančios sistemos nukreipiama į nekoherentinį THz detektorių. Vaizdinimo sistemoje numatytas valdymo elektronikos blokas ir siauro dažnio filtras. Matuojant objekto pralaidumą, tiriamasis objektas yra tvirtinamas ant plokštumoje slankiojamo laikiklio tarp dviejų fokusuojančių optinių elementų. Tai leidžia iš atskirų taškų sudaryti dvimatį tiriamojo objekto optinio pralaidumo arba atspindžio vaizdą. Signalo/triukšmo santykiui padidinti yra naudojama terahercinio spindulio amplitudės moduliacija ir sinchroninis detektavimas.The closest by technical application is in LT patent application No. 2013348 Pr.179, by R. Adomavičius, I. Kašalynas, R. Venckevičius, G. Valušis, A. Krotkus, THz-TDS imaging system of terahertz frequency band is described. The principal scheme of this system consists of: a femtosecond laser transmitted to an antenna emitter, the output of which is focused by a quasi-optic focusing system on the object under study, and the radiation passed by said focusing system to a non-coherent THz detector. The imaging system includes a control electronics unit and a narrow-band filter. When measuring the permeability of an object, the test object is mounted on a plane-sliding holder between two focusing optical elements. This allows for a two-dimensional image of the optical transmission or reflection of the test object from individual points. Terahertz beam amplitude modulation and synchronous detection are used to increase the signal-to-noise ratio.
Žinomose sistemose matuojant THz spindulio intensyvumą, pro bandinį praėjusios arba nuo jo atsispindėjusios šviesos fazė nėra fiksuojama. Informacijos apie THz spindulio intensyvumą nepakanka, jei tiriamasis objektas yra santykinai skaidrus, o sugertis arba atspindys yra silpni. Tokiu atveju vaizdo kontrastas yra nedidelis, neskaitant tiriamojo objekto kraštų, kuriuose kontrastas padidėja dėl terahercinių bangų difrakcijos.In known systems, the phase of light transmitted through or reflected by the sample is not recorded when measuring the intensity of the THz beam. Information on the intensity of the THz beam is not sufficient if the subject is relatively transparent and the absorption or reflection is poor. In this case, the contrast of the image is low, except for the edges of the object, where the contrast is increased by diffraction of the terahertz waves.
Išradimo esmėThe essence of the invention
Išradimu siekiama padidinti vaizdų atkūrimo spartą, padidinti tiriamojo objekto atkurto vaizdo kontrastą bei supaprastinti įrenginio techninį išpildymą.The object of the invention is to increase the rate of image reproduction, to increase the contrast of the object being reproduced and to simplify the technical performance of the device.
Pagal pasiūlytą išradimą tiriamojo objekto heterodininis vaizdinimo būdas apima terahercinio dažnio amplitude moduliuotos spinduliuotės nukreipimą į tiriamą objektą, objekto skenavimą spinduliuote, praėjusios pro objektą arba atsispindėjusios nuo jo minėtos spinduliuotės intensyvumo registravimą. Pagal pasiūlytą išradimą terachercinio dažnio amplitude moduliuotą spinduliuotę padalija į du šviesos pluoštus, pirmąjį iš pluoštų nukreipia į tiriamą objektą bei su juo atlieka objekto skenavimą, praėjusią objektą arba nuo jo atsispindėjusią šviesos spinduliuotę surenka į optinį elementą, kuriame pluoštas sumuojamas su minėtu antruoju šviesos pluoštu tam, kad už optinio elemento abu šviesos pluoštai interferuotų. Nekoherentiniu detektoriumi registruoja interferavusio terahercinio pluošto intensyvumą, kuris priklauso nuo praėjusios per tiriamą objektą elektromagnetinės bangos amplitudės ir fazės pokyčių, pagal kuriuos ekrane atkuria tiriamo objekto vaizdą.According to the present invention, a heterodynamic imaging object of the subject comprises directing the amplitude modulated radiation at terahertz frequency to the subject, scanning the object by radiation, recording the intensity of said radiation passing through or reflected from the object. According to the present invention, the amplitude-modulated radiation of the terachertz frequency is divided into two light beams, the first of the beams is directed to the object under investigation and scans the object, and collects the passed object or its reflected light into an optical element. to cause both light beams to interfere behind the optical element. The non-coherent detector registers the intensity of the interfering terahertz beam, which depends on changes in the amplitude and phase of the electromagnetic wave passed through the object, which reproduces the image of the object on the screen.
Pagal konstrukcinį pasiūlyto išradimo išpildymą heterodininiame vaizdinimo įrenginyje, apimančiame šviesos šaltinį, generuojantį terahercinio dažnio moduliuotos amplitudės spinduliuotę, įrenginys papildomai turi terahercinio dažnio spinduliuotės interferometrą, apimantį šviesos spinduliuotės daliklį, skirtą minėtą spinduliuotę padalinti į du šviesos pluoštus, kurių pirmojo kelyje patalpinta fokusavimo sistema, skirta pirmąjį šviesos pluoštą fokusuoti tiriamame objekte, o praėjusį ar nuo jo atsispindėjusi pirmąjį šviesos pluoštą surinkti į interferometro kitą šviesos daliklį, į kurį yra nukreiptas terahercinės spinduliuotės antrasis pluoštas, abu minėti šviesos pluoštai daliklyje sudedami, o už daliklio interferavęs spindulių pluoštas fokusavimo priemone yra nukreiptas į terahercinės spinduliuotės bent vieną nekoherentinį detektorių (10), skirtą interferavusio spindulių pluošto intensyvumui, kuris priklauso nuo praėjusios per tiriamą objektą elektromagnetinės bangos amplitudės ir fazės pokyčių, registruoti, o pagal užregistruotus intensyvumo pokyčius ekrane atkuria tiriamo objekto vaizdą.Terahercinės spinduliuotės šaltinio dažnis pasirenkamas atsižvelgiant į tiriamo objekto sugerties spektrą. Terahercinės spinduliuotės šaltinis spinduliuoja vieno dažnio amplitude moduliuotą spinduliuotę. Nekoherentinis detektorius yra parinktas iš InGaAs asimetrinės formos diodų arba nanometrinių matmenų lauko tranzistorių (Tera-FET) arba mikrobolometrų. Nekoherentinis detektorius gali būti sudarytas iš daugiau nei vieno detektoriaus, kurie gali būti išdėstyti į liniją arba sukomponuoti į dvimatę matricą. Fokusuojanti priemonė gali būti cilindrinis lęšis arba veidrodis, terahercinę spinduliuotę sufokusuojantis į liniją bandinio ir detektoriaus plokštumoje.According to a structural embodiment of the present invention, the device further comprises a terahertz frequency interferometer comprising a light source generating a terahertz frequency modulated amplitude beam, the light beam divider for dividing said beam into two light beams, the first of which focusing the first light beam on the subject, and collecting the first light beam past or reflected on the interferometer to another light divider pointing at the second beam of terahertz radiation, both of said light beams being placed in the divider and the beam beam interfering behind the divider at least one non-coherent detector (10) of terahertz radiation for intensity of the interfering beam, The changes in the amplitude and phase of the electromagnetic wave over the object are recorded and, based on the recorded intensity changes, the screen reproduces the object under investigation. The frequency of the source of the tertiary radiation is selected according to the absorption spectrum of the object. A source of terahertz radiation emits single frequency amplitude modulated radiation. The non-coherent detector is selected from InGaAs asymmetric diodes or nanometric field-effect transistors (Tera-FETs) or microbolometers. An incoherent detector may consist of more than one detector, which may be in-line or arrayed in a two-dimensional array. The focusing means may be a cylindrical lens or a mirror that focuses the terahertz radiation in a line in the plane of the sample and the detector.
Pagal išradimą pasiūlytas vaizdinimo būdas ir įrenginys nuo žinomos tiesioginės detekcijos sistemos skiriasi tuo, kad vaizdui kurti naudojama ir amplitudinė, ir fazinė terahercinės bangos informacija, be to, sistema pasižymi paprastumu ir didele veikimo sparta, nes joje vaizdui gauti pakanka vieno šaltinio ir nereikalingas atskiras signalų apdorojimas. Šios sistemos privalumas tas, kad praėjusios arba atsispindėjusios bangos tiek amplitudė, tiek ir fazės pokytis didina vaizdo kontrastą. Šis būdas tinka skaidrių ir mažai kontrastingų teraherciniame diapazone objektų vaizdinimui, esant mažam amplitudinio vaizdinimo kontrastui.The imaging method and device according to the invention differ from the known direct detection system in that both amplitude and phase terahertz wave information are used to create the image, and the system is simple and fast in operation because it requires only one source and no separate signals processing. The advantage of this system is that the amplitude and phase change of the transmitted or reflected wave increase the contrast of the image. This method is suitable for imaging transparent and low contrast terahertz objects at low amplitude contrast.
Trumpas brėžinių figūrų aprašymas.Brief description of the drawing figures.
Detaliau pasiūlytas išradimas paaiškinamas brėžiniais. Brėžiniai yra pateikiami tik kaip realizavimo pavyzdžiai ir neriboja išradimo apimties.The invention is explained in more detail in the drawings. The drawings are provided by way of example only and are not intended to limit the scope of the invention.
Fig.1 - pavaizduota vaizdinimo įrenginio, skirto tiriamojo objekto spektroskopiniam vaizdinimui naudojant terachercinio dažnio šviesos spinduliuotę, schema.Fig. 1 is a schematic diagram of an imaging device for spectroscopic imaging of a subject using terachertz frequency light radiation.
Fig.2 - pavaizduotas interferavusio spindulių pluošto intensyvumo, kuris detektuojamas nekoherentiškai, signalo kitimas priklausomai nuo objekto storio.Fig. 2 is a graph showing the variation in the intensity of the interfering beam, which is detected non-coherently, as a function of the thickness of the object.
Fig.3 - pavaizduotas vaizdinimo įrenginio dinaminio diapazono palyginimas atliekant vaizdinimą skirtingais būdais 300 GHz dažnio diapazone.Fig. 3 shows a comparison of the dynamic range of the imaging device in different imaging modes in the 300 GHz frequency range.
Fig.4 - pavaizduota tiriamo objekto fotonuotrauka. Ją sudaro polietileno maišelyje supakuotų dviejų 1.25 mm ir 1.45 mm storio PTFE plastiko tabletės, moneta, didžiavaržis silicis ir antras polietileno maišelis, dalinai užpildytas milteliais.Fig.4 - shows a photograph of the object under investigation. It consists of two PTFE plastic tablets, 1.25 mm and 1.45 mm, packed in a polyethylene bag, coin, high-strength silicon, and a second polyethylene bag partially filled with powder.
Fig.5 - pavaizduota tiriamų objektų vaizdas, užrašytas taikant tiesioginį detektavimo būdą, naudojant šaltinio spinduliuotę su moduliuota amplitude (AM) ir matuojant signalą dėlamplitudės pokyčio.Fig. 5 is a view of the subjects under observation using a direct detection method using source amplitude modulated (AM) radiation and measuring the amplitude change signal.
Fig.6 - pavaizduota tiriamų objektų vaizdas, užrašytas taikant heterodininį detektavimo būdą, naudojant šaltinio spinduliuotę su moduliuotu dažniu (FM) ir detektavimo būdą, naudojant šaltinio spinduliuotę su moduliuotu dažniu (FM) ir matuojant signalą dėl amplitudės pokyčio.Fig. 6 shows an image of the subjects, recorded using a heterodynamic detection method using source-modulated frequency (FM) and a detection method using source-modulated frequency (FM) and measuring the amplitude change signal.
Fig.7 - pavaizduota tiriamų objektų vaizdas, užrašytas taikant heterodininj detektavimo būdą, naudojant šaltinio spinduliuotę su moduliuotu dažniu (FM) ir interferometrą bei matuojant signalą dėl fazės pokyčio.Fig. 7 is a view of the subjects under observation using a heterodynamic detection method using source modulated frequency (FM) radiation and an interferometer and measuring the phase change signal.
Fig.8 - pavaizduotas tiriamų objektų vaizdas, užrašytas pagal pasiūlytą išradimą taikant heterodininj detektavimo būdą, naudojant šaltinio spinduliuotę su moduliuota amplitude (AM) ir interferomertą bei matuojant signalą dėl amplitudės ir fazės pokyčių.Fig. 8 is an exploded view of the test subjects recorded according to the present invention using a heterodynamic detection method using source amplitude modulated (AM) and interferomer and measuring the signal due to amplitude and phase changes.
Išradimo realizavimo aprašymasDescription of Embodiment of the Invention
Pagal pasiūlytą išradimą tiriamojo objekto heterodininis vaizdinimo būdas apima šią operacijų seką. Terahercinio dažnio amplitude moduliuotą spinduliuotę padalija į du koherentinius šviesos pluoštus. Pirmąjį iš pluoštų nukreipia į tiriamą objektą bei su juo atlieka objekto skenavimą, o praėjusią objektą arba nuo jo atsispindėjusią šviesos spinduliuotę surenka į optinį elementą, kuriame pluoštas sumuojamas su minėtu antruoju šviesos pluoštu tam, kad už optinio elemento abu šviesos pluoštai interferuotų. Nekoherentiniu detektoriumi registruoja interferavusio terahercinio pluošto intensyvumą, kuris priklauso nuo praėjusios per tiriamą objektą elektromagnetinės bangos amplitudės ir fazės pokyčių, pagal kuriuos ekrane atkuria tiriamo objekto vaizdą.According to the present invention, the subject object heterodynamic imaging method comprises the following sequence of operations. The amplitude of the terahertz frequency divides the modulated radiation into two coherent light beams. The first of the beams is directed to the object under investigation and scans the object, and collects the passed object or the light reflected from it into an optical element, where the beam is summed with said second light beam in order to interfere with the two light beams behind the optical element. The non-coherent detector registers the intensity of the interfering terahertz beam, which depends on changes in the amplitude and phase of the electromagnetic wave passed through the object, which reproduces the image of the object on the screen.
Fig.1 pavaizduota pagal išradimą pasiūlyta terahercinio (THz) diapazono heterodininis vaizdinimo įrenginys Jį sudaro: terahercinės spinduliuotės šaltinis 1; interferometras 13, sudarytas iš spinduliuotės daliklių (2, 7) optinių veidrodžių (3, 8); fokusuojančio optikos elementų (4, 6, 9) THz spinduliuotei fokusuoti. Tiriamasis objektas 5 pritvirtintas prie turinčio galimybę judėti laikiklio (brėžinyje neparodytas). Įrenginys turi THz spinduliuotės detektorių 10, stiprintuvą 11 ir kompiuterį 12.Fig. 1 shows a terahertz (THz) range heterodyne imaging device according to the invention comprising: a terahertz radiation source 1; an interferometer 13 consisting of optical mirrors (3, 8) of radiation dividers (2, 7); focusing the THz radiation of the focusing optical elements (4, 6, 9). The test object 5 is mounted on a movable carrier (not shown in the drawing). The unit has a THz radiation detector 10, an amplifier 11 and a computer 12.
Siūlomame įrenginyje terahercinės spinduliuotės šaltinis 1 yra nuolatinės veikos koherentinis terahercinio dažnio šaltinis (lazeris, aukštadažnis generatorius). Interferometras 13 yra Macho-Zenderio interferometras (gali būti naudojami ir Maikelsono arba Fabry-Perot interferometrai). Detektorius 10 arba detektorių linija gali būti bet koks nekoherentinis detektorius, registruojantis terahercinės spinduliuotės intensyvumą. Vienoje padalintos spinduliuotės šakoje talpinamas tiriamasis objektas 5. Detektoriaus plokštumoje yra gaunama dviejų spindulių interferencija, todėl bangos intensyvumą I lemia ne tik praėjusios (atsispindėjusios) bangos intensyvumo pokytis, bet ir fazės poslinkis:In the proposed device, the terahertz radiation source 1 is a continuous-mode coherent terahertz frequency source (laser, HF oscillator). Interferometer 13 is a Mach-Zender interferometer (may also be used a Macelson or Fabry-Perot interferometer). The detector 10 or detector line may be any non-coherent detector that registers the intensity of the terahertz radiation. In one branch of the split radiation, the object under investigation is placed 5. In the plane of the detector, two beams are interfered, so the wave intensity I is determined not only by the change in the intensity of the previous (reflected) wave, but also by the phase shift:
Z = Ą + Z2(x,y) + 2VZi/2(x,y) cos(<p(x,y)), kur Ztyra vieno (atraminio) spindulio intensyvumas, Z2 - praėjusio pro bandinį arba atsispindėjusios nuo bandinio bangos intensyvumas, φ - spindulių fazių skirtumas.Z = ą + Z 2 (x, y) + 2VZi / 2 (x, y) cos (<p (x, y)), where Z t is the intensity of one (reference) beam, Z 2 is the passage of the sample or reflected wave intensity of the sample, φ - phase difference of the beam.
Dydžiai Z2 ir φ priklauso nuo tiriamojo objekto optinių savybių ir objekto padėties (x ir y koordinačių) spindulio atžvilgiu. Tai leidžia sudaryti dvimatį tiriamojo objekto vaizdą.The sizes Z 2 and φ depend on the optical properties of the object under investigation and on its position (x and y coordinates) in relation to the radius. This allows you to create a two-dimensional image of the subject.
Antrasis formulės narys atitinka intensyvumo kitimą detektoriaus įėjime, gali būti matuojamas tiesioginio detektavimo būdu, atliekant amplitudinį vaizdinimą. Trečiasis formulės narys atspindi bangų interferenciją. Tinkamai parinkus pradinį fazių skirtumą, šis narys gali padidinti interfuojančio pluoštelio intensyvumą detektoriaus įėjime ir tokiu būdu padidinti vaizdo kontrastą. Šis metodas gerai tinka skaidrių ir mažai kontrastingų objektų vaizdinimui teraherciniame diapazone, ypač kai amplitudinio vaizdinimo kontrastas yra mažas.The second member of the formula corresponds to the intensity variation at the detector input, and can be measured by direct detection by amplitude imaging. The third member of the formula represents wave interference. Properly selected initial phase difference, this member can increase the intensity of the interfering beam at the detector input and thus increase image contrast. This method is well suited for displaying transparent and low-contrast objects in the terahertz range, especially when the amplitude imaging contrast is low.
Pasiūlytas išradimas buvo išbandytas praktiškai. THz šaltiniu buvo pasirinktas dažnio daugintuvų grandinė su mikrobangų sintezatoriumi, generuojanti 300 GHz dažnio spinduliuotę. Naudojamas šaltinis turi galimybę būtį moduliuojamas tiek dažniu, tiek amplitude. Dėl mažų nuostolių šaltinio spinduliuotei valdyti buvo naudojami metalu dengti optiniai komponentai, paraboliniai fokusuojantys bei plokštieji veidrodžiai. Iš šaltinio 1 sklindanti spinduliuotė dalikliu 2 yra dalinamas į du koherentinius spindulių pluoštus, sklindančius skirtingose šakose. Vienoje iš šakų sklindantis pirmasis spindulių pluoštas fokusavimo priemone 4 fokusuojamas į tiriamą objektą 5. Praėjusi pro tiriamą objektą 5 pirmojo pluošto spinduliuotė fokusavimo priemone 6 sukolimuojama į lygiagrečių spindulių pluoštą, kuris patenka į spindulių daliklį 7, kuriame susikerta su kitoje šakoje sklindančiu ir veidrodžiais 3 ir 8 nukreiptu į spindulių daliklį 7 antruoju spindulių pluoštu. Daliklyje 7 pirmasis spindulių pluoštas praėjęs tiriamą objektą 5 interferuoja su tiesiogiai į daliklį 7 atėjusiu antruoju spindulių pluoštu. Interferavęs spindulių pluoštelis fokusavimo priemone 9 fokusuojamas į THz detektorių 10,. Detektoriaus 10 signalas matuojamas sinchroniniu stiprintuvui 1 turinčiu galimybę fiksuoti ir amplitudės, ir fazės pokytį. Atliekant vaizdinimą, kompiuterizuota pozicionavimo sistema išstato tiriamą objekto sritį atžvilgiu terahercinio pluoštelio (rastrinis skenavimas), išmatuojamas praėjusio arba atsispindėjusio pluoštelio intensyvumas, iš išmatuoto signalo pasiskirstymo nuo koordinatės atkuriamas dvimatis objekto vaizdas.The proposed invention has been tested in practice. A frequency multiplier circuit with a microwave synthesizer generating a frequency of 300 GHz was selected as the source of THz. The source used has the ability to be modulated in both frequency and amplitude. Because of the small losses, metal-coated optical components, parabolic focusing and flat mirrors were used to control the source radiation. The radiation emanating from source 1 is divided by divider 2 into two coherent beams propagating in different branches. The first beam of radiation in one of the branches is focused by the focusing means 4 on the object 5. After passing through the object 5, the radiation of the first beam by the focusing means 6 is bonded to a parallel beam which enters the beam divider 7 where it intersects 8 directed to the beam splitter 7 by the second beam. In the divider 7, the first beam, after passing through the object 5, interferes with the second beam directly coming to the divider 7. The interfering beam is focused by the focusing means 9 on the THz detector 10. The signal of detector 10 is measured by a synchronous amplifier 1 having the ability to record both amplitude and phase change. During imaging, the computerized positioning system distorts the subject area relative to the terahertz beam (raster scan), measures the past or reflected beam intensity, and reproduces a two-dimensional image of the object from the measured coordinate distribution.
Hetorodininės detekcijos tinkamas THz vaizdinimui buvo pagrįstas, išmatavus detektoriaus signalo priklausomybę nuo popieriaus storio. Rezultatai pateikti Fig. 2. Pastebėta, kad signalas osciliuoja didėjant popieriaus storiui. Osciliacijų periodas atitinka tokį storį, dėl kurio fazė užvėlinama per 2π. Vadinasi signalą nulemia ne tik objekto pralaidumas, bet ir jo optinis storis. Pateiktame grafike signalo amplitudė tarp pirmo piko ir pirmo minimumo skiriasi apie 50 kartų, kai tuo tarpu popieriaus storis didėja 1 mm. Tai reiškia, kad šis efektas gali stipriai padidinti kontrastą mažiems storio pokyčiams, atliekant terahercinį vaizdinimą.Hetorodynamic detection suitable for THz imaging was based on measuring the dependence of the detector signal on paper thickness. The results are shown in Figs. 2. The signal is observed to oscillate with increasing paper thickness. The period of the oscillations corresponds to the thickness that causes the phase delay by 2π. Consequently, the signal is determined not only by the bandwidth of the object but also by its optical thickness. In the graph shown, the signal amplitude varies between the first peak and the first minimum about 50 times while the paper thickness increases by 1 mm. This means that this effect can dramatically increase the contrast for small thickness changes during terahertz imaging.
Naujo vaizdinimo įrenginio optinė schema ir naudojama techninė bazė leidžia tomis pačiomis sąlygomis atlikti įvairius vaizdinimo būdus ir rezultatus palyginti su tais, kurie gaunami naudojant įprastinį tiesioginio detektavimo būdą bei heterodininį su dažnine moduliacijos (FM) schema būdą. Fig. 3 pateiktas heterodininės detekcijos matuojamo signalo slopimas nuo kartono storio, kur palyginta tiesioginės detekcijos ir heterodininės detekcijos su FM moduliacija rezultatai. Kaip matyti storiems objektams peršviesti labiausiai tinkama heterodininė detekcija su dažnine moduliacija, kadangi signalas slopsta lėčiausiai didėjant storiui.The optical circuitry of the new imaging device and the technical base used allow it to perform, under the same conditions, different imaging modalities and results compared to those obtained using the conventional direct detection method and the heterodynamic frequency modulation (FM) scheme. FIG. Figure 3 shows the attenuation of the signal measured by heterodyne detection from the thickness of the cardboard, where the results of direct detection and FM modulation were compared. As can be seen in the case of thick objects, heterodynamic detection with frequency modulation is most appropriate, since the signal is suppressed by the slowest increase in thickness.
Heterodininio vaizdinimo būdo ir įrenginio tinkamumo pagrindimui buvo atliktas THz vaizdinimas skirtingais būdais. Eksperimentui buvo pasirinktas tiriamasis objektas sudarytas iš polietileno maišelyje supakuotų dviejų 1.25 mm ir 1.45 mm storio PTFE plastiko tablečių, kurios naudojamos kaip sprogmenų simuliatoriai dėl panašių į tikrus sprogmenis spektrinių savybių THz bangų ruože, moneta, didžiavaržis silicis ir antrasis polietileno maišelis, dalinai užpildytas milteliais, kurių efektyviai sklaido bangas. Visi išvardinti objektai buvo patalpinti į uždarą pašto voką ir išdėlioti tvarka, kuri parodyta Fig. 4.THz imaging was performed in different ways to substantiate the heterodynamic imaging mode and device fit. The subject selected for the experiment consisted of two PTFE plastic tablets packed in a polyethylene bag of 1.25 mm and 1.45 mm thickness which are used as explosive simulators due to the similar spectral properties of the real explosives in the THz band, coin, high-strength silicon and which effectively propagate waves. All of the above objects were placed in a closed mail envelope and arranged in the order shown in Figs. 4.
Tiriamo objekto vaizdas buvo užrašytas išmatavus per objektą praėjusios spinduliuotės intensyvumo pokyčius tiesioginėje detektavimo schemoje, tyrimų rezultatai parodyti Fig. 5; heterodininėje schemoje, kai šaltinis spinduliuoja FM spinduliuotę ir matuojame interferencinio signalo amplitudės pokytį - rezultatai Fig. 6;The subject's image was recorded by measuring changes in the intensity of radiation passed through the object in a direct detection scheme, the results of which are shown in Figs. 5; in a heterodynamic scheme, where the source emits FM radiation and measures the change in amplitude of the interfering signal - results FIG. 6;
heterodininėje schemoje, kai šaltinis spinduliuoja FM spinduliuotę ir matuojame interferencinio signalo vėlinimą radianais - rezultatai Fig. 7; heterodininėje schemoje, kai šaltinis spinduliuoja AM spinduliuotę ir matuojame interferencinio signalo intensyvumą - rezultatai Fig. 8.in a heterodyne scheme, where the source emits FM radiation and measures the interference signal delay in radians - results in FIG. 7; in a heterodyne scheme, where the source emits AM radiation and measures the intensity of the interfering signal - results FIG. 8th
Išmatuoti vaizdai skiriasi pagal jų suteikiamą informaciją apie tiriamą objektą. Visuose vaizduose galima nesunkiai išskirti kairėje pusėje esančius objektus: PTFE tabletes, monetą ir Si plokštelę. Tačiau PE maišelis, esantis dešinėje vaizdo pusėje, matomas skirtingai. Kadangi miltelių kiekis nėra didelis ir PE yra mažai absorbuojanti THz spinduliuotę medžiaga, todėl tokio objekto vaizdinimas nėra optimalus tiesioginės detekcijos bei amplitudės matavimo FM schemoje metodais. Tai ypatingai svarbu saugumo sistemoms siekiant aptikti mažus kiekius draudžiamų narkotinių ir kt. draudžiamų preparatų. Tokiems objektams pastebėti galėtų būti panaudojami fazės pokyčiams jautrūs metodai, tokie kaip vėlinimo matavimas interferencinėje FM schemoje arba mūsų siūlomas amplitudės matavimas interferencinėje AM schemoje. Abiem būdais užrašytuose vaizduose PE maišelis ir jo turinys yra gerai matomas. Fazės vėlinimo metodas turi keletą trūkumų. Visų pirma, objektas nepraleidžiantis spinduliuotės, šiuo atveju moneta, yra nematomas. Antra, dėl fazės signalo periodiško pasikartojimo, objektai, kurių sukeliamas vėlinimas bus artimas kartotiniam 2π skaičiui, bus neatskiriami tarpusavyje. Ir trečia, tiksliam fazės vėlinimo matavimui reikia labai greito duomenų surinkimo ir duomenų analizės, dėl ko realiame laike veikiančios sistemos yra sudėtingos ir brangios. Visų šių trūkumų neturi siūlomas interferencinis AM vaizdinimo metodas. Siūlomu atveju matuojamą interferencijos signalą įtakoja tiek amplitudės, tiek ir fazės pokyčiai. Taigi, rezultate Fig. 8, moneta yra ryškiai atvaizduota dėl amplitudės slopinimo, o PE maišelis ir jo turinys - dėl signalo vėlinimo. Problemos kylančios dėl fazės periodiškumo čia ne tokios aktualios, nes, pavyzdžiui, objektai vėlinantys signalą kartotiniu 2π dydžiu bus atskiriami pagal skirtingą THz spinduliuotės amplitudės slopinimą. Galų gale siūlomas būdas reikalauja AM spinduliuotės Šaltinio, dėl ko įrenginys tampa paparastesnė, pigesnė, nesudėtingai įgyvendinama, pritaikant įprastus technologinius sprendimus.The measured images differ according to the information they provide about the object under investigation. All images can easily distinguish objects on the left: PTFE tablets, coin and Si plate. However, the PE pouch on the right side of the image is seen differently. Since the powder content is not high and PE is a low absorbent material of THz, imaging of such an object is not optimal by methods of direct detection and amplitude measurement in the FM scheme. This is particularly important for security systems to detect small quantities of illicit drugs, etc. prohibited preparations. Phase change sensitive methods such as delay measurement in the interfering FM scheme or our proposed amplitude measurement in the interfering AM scheme could be used to detect such objects. In both images, the PE bag and its contents are clearly visible. The phase delay method has several disadvantages. First of all, the radiation-proof object, in this case the coin, is invisible. Second, because of the periodic repetition of the phase signal, the objects whose delay will be close to a multiple of 2π will be indistinguishable. And third, accurate phase delay measurement requires very fast data acquisition and data analysis, which makes real-time systems complex and expensive. Not all of these shortcomings have the proposed interfering AM imaging method. In the proposed case, the measured interference signal is influenced by both amplitude and phase changes. Thus, in the result of Figs. 8, the coin is sharply depicted for amplitude suppression and the PE bag and its contents for signal delay. Problems due to phase periodicity are less relevant here, as, for example, objects delaying the signal by a multiple of 2π will be distinguished by different attenuation of THz radiation amplitude. In the end, the proposed technique requires an AM radiation source, which makes the device simpler, less expensive, and easy to implement with conventional technology solutions.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2014511A LT6297B (en) | 2014-12-05 | 2014-12-05 | Method and device for the spectroscopic imaging of the object |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2014511A LT6297B (en) | 2014-12-05 | 2014-12-05 | Method and device for the spectroscopic imaging of the object |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LT2014511A LT2014511A (en) | 2016-06-27 |
| LT6297B true LT6297B (en) | 2016-08-25 |
Family
ID=56134751
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LT2014511A LT6297B (en) | 2014-12-05 | 2014-12-05 | Method and device for the spectroscopic imaging of the object |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| LT (1) | LT6297B (en) |
-
2014
- 2014-12-05 LT LT2014511A patent/LT6297B/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| P. SMITH ET AL: "Terahertz time-domain- spectroscopy", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 24, NO. 2, 1988, pages 255 - 260 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| LT2014511A (en) | 2016-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10509065B1 (en) | Imaging of electromagnetic fields | |
| US7326930B2 (en) | Terahertz radiation sensor and imaging system | |
| US6665075B2 (en) | Interferometric imaging system and method | |
| US5892583A (en) | High speed inspection of a sample using superbroad radiation coherent interferometer | |
| US6014214A (en) | High speed inspection of a sample using coherence processing of scattered superbroad radiation | |
| US9927355B2 (en) | Fourier domain terahertz coherence tomography (TCT) | |
| JP6008299B2 (en) | Optical interferometer, information acquisition apparatus, and information acquisition method | |
| US20080165355A1 (en) | High-Resolution High-Speed Terahertz Spectrometer | |
| EP3206014B1 (en) | Optical response measuring device and optical response measuring method | |
| AU5094300A (en) | Three dimensional imaging | |
| US5060248A (en) | Scanning analysis and imaging system with modulated electro-magnetic energy source | |
| EP1836510B1 (en) | Method and apparatus for the detection of objects under a light obstructing barrier | |
| CN107063125A (en) | A kind of length scanning three dimensional shape measurement system of frequency comb reference | |
| WO2015001918A1 (en) | Interference measurement method and device | |
| CN109556503A (en) | THz clock synchronization frequency modulation continuous wave nondestructive thickness measuring detection system | |
| JP2023109764A (en) | Imaging of electromagnetic fields | |
| US20200371023A1 (en) | Far-Infrared Light Source and Far-Infrared Spectrometer | |
| US5807262A (en) | Device for localizing an object in a turbid medium using a modulated light source | |
| JP7313460B2 (en) | Device, use of device, and method for high-contrast imaging | |
| US5020920A (en) | Method and apparatus for millimeter-wave detection of thermal waves for materials evaluation | |
| US20110267599A1 (en) | Systems, methods, devices, and computer readable media for terahertz radiation detection | |
| LT6297B (en) | Method and device for the spectroscopic imaging of the object | |
| KR20160044344A (en) | System for 2D spectroscopy and method of 2D spectroscopic analysis | |
| KR20110050812A (en) | Measuring apparatus using terahertz wave | |
| Kaname et al. | Fast three-dimensional terahertz imaging with continuous-wave photomixing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Patent application published |
Effective date: 20160627 |
|
| FG9A | Patent granted |
Effective date: 20160825 |
|
| MM9A | Lapsed patents |
Effective date: 20191205 |