Терагерцовая томография - Terahertz tomography - Wikipedia

Терагерцовая томография
ЦельВизуализация осуществляется терагерцовым излучением.

Терагерцовая томография это класс томография где секционная визуализация выполняется терагерцовое излучение. Терагерцовое излучение электромагнитное излучение с частотой от 0,1 до 10 ТГц; он находится между радиоволнами и световыми волнами в спектре; он включает в себя части миллиметровые волны и инфракрасные длины волн. Из-за своей высокой частоты и короткой длины волны терагерцовая волна имеет высокий соотношение сигнал шум во временной области спектра.[1] Томография с использованием терагерцового излучения позволяет получать изображения образцов, непрозрачных в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Технология трехмерной (3D) визуализации терагерцовых волн быстро развивалась с момента ее первого успешного применения в 1997 году.[2] и последовательно предлагался ряд новых технологий трехмерной визуализации.

Терагерцовая визуализация

Терагерцовая визуализация имеет преимущества перед более дорогими рентгеновскими сканерами с меньшим радиусом действия. Различные материалы прозрачны для терагерцового излучения, что позволяет измерять толщину, плотность и структурные свойства материалов, которые трудно обнаружить. Поскольку терагерц не является ионизирующим излучением, его использование не вызывает повреждения живой ткани, что делает терагерц безопасным, неинвазивным методом биомедицинской визуализации. Более того, поскольку многие материалы имеют уникальную спектральную характеристику в терагерцовом диапазоне, терагерцовое излучение может использоваться для идентификации материалов. Терагерцовая визуализация широко используется при изучении свойств полупроводниковых материалов, визуализации биомедицинских клеток, а также при химических и биологических исследованиях.[нужна цитата ] Системы терагерцового диапазона во временной области (THz-tds) добились значительных успехов в создании 2D-изображений. THz-tds может определять комплексную диэлектрическую проницаемость образца, обычно 0,1–4 ТГц, и предоставляет информацию о статических характеристиках образца на десятках частот.[3] Однако у этой технологии есть некоторые ограничения. Например, из-за меньшей мощности луча датчик должен быть более чувствительным. Низкая скорость получения изображений может привести к компромиссу между временем и разрешением.

Приложения

Терагерцовые изображения могут быть полезны для проверки багажа и почтовых отправлений, поскольку они могут идентифицировать вещества на основе их характерных спектров в этом частотном диапазоне, такие как взрывчатые вещества и запрещенные наркотики.[4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14]; например, несколько жидких взрывчатых веществ можно отличить по изменению диэлектрического отклика в терагерцовом диапазоне в зависимости от процентного содержания спирта.[15]. Хотя опасные металлические предметы, такие как ножи, можно распознать по их форме с помощью определенных алгоритмов распознавания образов.[16], невозможно увидеть сквозь металлические корпуса с терагерцовыми волнами. Таким образом, терагерцовые спектрометры не могут заменить рентгеновские сканеры, даже если они предоставляют больше информации, чем рентгеновские сканеры для материалов с низкой плотностью и химического разделения.[17].

Системы терагерцового диапазона используются для управления производством в бумажной и полимерной промышленности.[18] Они могут определять толщину и влажность бумаги[19] и проводящие свойства, уровень влажности, ориентация волокон и температура стеклования в полимерах.[20][21][22][23]

Системы терагерцового диапазона облегчают обнаружение металлических и неметаллических загрязнений в пищевых продуктах.[24]. Например, терагерцовые волны позволяли обнаруживать металлические и неметаллические инородные тела в плитках шоколада,[25] так как продукты с низким содержанием воды, такие как шоколад, почти прозрачны в терагерцовом диапазоне. Терагерцовая томография также полезна в винодельческой промышленности для количественного определения влажности и неразрушающего анализа пробки.

С помощью терагерцовой визуализации можно обнаружить, что разные изомеры имеют разные спектральные отпечатки в терагерцовом диапазоне, что позволяет терагерцовому спектроскопу различать стереоизомеры - важное различие в фармации, где одним изомером может быть активное соединение и его энантиомер может быть неактивным или даже опасным.[26] Системы терагерцового диапазона также используются для измерения качества покрытия таблеток.[27]

Терагерцовая визуализация позволяет проводить неразрушающий анализ ценных произведений искусства и может быть проведена на месте. Он может обнаруживать скрытые слои и через пропускание различных пигментов[28][29]. Также исследуется как инструмент для 3D-визуализации.[30][31].

Методы терагерцовой томографии

Терагерцовую томографию можно разделить на режим пропускания и отражения. Он действует как расширение рентгеновской компьютерной томографии (КТ) на другой диапазон волн. В основном он изучает создание моделей процесса, таких как рефракция, отражение и дифракция, когда терагерцовые волны передают образцы, что имеет определенные требования к алгоритмам восстановления. В соответствии с различной задержкой передачи отраженного сигнала терагерцовой волны на разных глубинах внутри образца, информация о глубине может быть получена путем обработки отраженного сигнала внутри образца для реализации томографии. В реализации в основном используются терагерцовая времяпролетная томография (THz-TOF) и терагерцовая оптическая когерентная томография (Thz-OCT).

ТГц дифракционная томография

В дифракционной томографии луч обнаружения взаимодействует с целью и использует полученные рассеянные волны для построения трехмерного изображения образца.[32]. Эффект дифракции и теорема о дифракционном срезе освещают поверхность рассеиваемого объекта и записывают отраженный сигнал, чтобы получить распределение дифракционного поля после образца, чтобы исследовать форму поверхности целевого объекта. Для тонких образцов с более сложной структурой поверхности эффективна дифракционная томография, поскольку она может обеспечить распределение показателя преломления образца.[33] Однако есть и недостатки: хотя скорость визуализации терагерцовой дифракционной томографии выше, качество ее визуализации оставляет желать лучшего из-за отсутствия эффективного алгоритма реконструкции. В 2004 г. С. Ваанг и другие. впервые применил дифракционную хроматографию на основе системы THz-tds для изображения образцов полиэтилена[34].

ТГц томосинтез

Томосинтез это метод, используемый для создания томографии с высоким разрешением. Реконструкция может производиться под несколькими углами проецирования, что позволяет быстрее создавать изображение. Этот метод имеет низкое разрешение, но более высокую скорость визуализации.[35] Этот метод также имеет преимущество перед КТ терагерцового диапазона. Терагерцовая КТ значительно зависит от отражения и преломления, особенно для широких и плоских пластинчатых образцов, которые имеют большой угол падения на краю и сильное затухание сигнала. Следовательно, трудно одновременно получить как полные данные проекции, так и существенную информацию о шумах. Однако на синтетическую томографию терагерцового разлома не влияют преломление и отражение из-за малого угла падения во время проецирования. Это эффективный метод для локальной визуализации, быстрой визуализации или неполного вращения образца. В 2009 г. Н. Унагути и другие. в Японии использовали непрерывный терагерцовый твердотельный умножитель частоты с частотой 540 ГГц для получения изображения TS на трех буквах «T», «H» и «Z» на разной глубине стикеров.[36]Для восстановления пространственного распределения трех букв использовались метод обратной проекции и фильтр Винера.

ТГц времяпролетная томография

Хроматография терагерцовых разломов может реконструировать трехмерное распределение показатель преломления отражением терагерцового импульса на разной глубине в образце. Информация о распределении по глубине показателя преломления может быть получена путем анализа временной задержки пикового значения отраженного импульса. Продольное разрешение времяпролетной томографии зависит от ширины импульса терагерцовых волн (обычно в десятки микрон); поэтому вертикальное разрешение пролётной хроматографии очень высокое. В 2009 году Дж. Такаянаги и другие. разработал экспериментальную систему, которая успешно использовала томографию на образце полупроводника, состоящем из трех листов наложенной бумаги и тонкого двухмикронного слоя GaAs.[37]

3D голография

Луч ТГц может быть включен в трехмерную голографию, если разрешено дифференцирование каждой многократной рассеянной волны терагерцового диапазона разных порядков рассеяния.[38] С записью как интенсивности, так и распределения фазы интерференционная картина, создаваемая светом объекта и опорным светом, кодирует больше информации, чем сфокусированное изображение. Голограммы могут обеспечить трехмерную визуализацию интересующего объекта при реконструкции с помощью Фурье-оптика.[39] Однако получение изображений высокого качества с помощью этого метода остается проблемой из-за эффектов рассеяния и дифракции, необходимых для измерения. Измерение рассеяния высокого порядка обычно приводит к плохому отношению сигнал / шум (SNR).[40]

Линзы Френеля

Линзы Френеля заменяют традиционные преломляющие линзы.[41] с преимуществами небольшого размера и легкости. Поскольку их фокусные расстояния зависят от частот, образцы могут отображаться в различных местах на пути распространения до плоскости изображения.[42], который может быть применен к томографической визуализации.

Обработка синтетической апертуры (SA)

Обработка синтетической апертуры (SA) отличается от традиционных систем построения изображений при сборе данных. В отличие от схемы измерения точка-точка, SA использует расходящийся или несфокусированный луч.[43] Информация о фазе, собранная SA, может быть использована для трехмерной реконструкции.

Компьютерная томография (КТ) терагерцового диапазона

Компьютерная томография терагерцового диапазона регистрирует информацию как об амплитуде, так и о спектральной фазе по сравнению с рентгеновской визуализацией. КТ терагерцового диапазона может идентифицировать и сравнивать различные вещества, не разрушая их.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Guillet, J. P .; Recur, B .; Frederique, L .; Bousquet, B .; Canioni, L .; Manek-Hönninger, I .; Desbarats, P .; Mounaix, P. (2014). «Обзор методик терагерцовой томографии». Журнал инфракрасных, миллиметровых и терагерцовых волн. 35 (4): 382–411. CiteSeerX  10.1.1.480.4173. Дои:10.1007 / s10762-014-0057-0.
  2. ^ Даниэль М. Миттлман, Стефан Хунше, Люк Бойвин и Мартин К. Нусс. (2001). Т-лучевая томография. Письма об оптике, 22 (12)
  3. ^ Катаяма, И., Акаи, Р., Бито, М., Шимосато, Х., Миямото, К., Ито, Х., и Ашида, М. (2010). Генерация сверхширокополосного терагерца на монокристаллах тозилата 4-N, N-диметиламино-4'-N'-метил-стильбазолия. Письма по прикладной физике, 97 (2), 021105. doi: 10.1063 / 1.3463452
  4. ^ Майкл С. Кемп, П.Ф. Taday, Брайан Э. Коул, J.A. Клафф и Уильям Р. Трайб. (2003). Приложения безопасности терагерцовой технологии. Proc Spie, 5070
  5. ^ Хосина, Х. (2009). Неинвазивный досмотр почты с использованием терагерцового излучения. Отдел новостей SPIE. DOI: 10.1117 / 2.1200902.1505
  6. ^ Аллис, Д. Г., и Кортер, Т. М. (2006). Теоретический анализ терагерцового спектра взрывчатого тэна. ХимФизХим, 7 (11), 2398–2408. DOI: 10.1002 / cphc.200600456
  7. ^ Бейкер, К., Ло, Т., Трайб, В. Р., Коул, Б. Э., Хогбин, М. Р., и Кемп, М. С. (2007). Обнаружение скрытых взрывчатых веществ на расстоянии с использованием терагерцовой технологии. Труды IEEE, 95 (8), 1559–1565. DOI: 10.1109 / jproc.2007.900329
  8. ^ Кемп, М.С. (2011). Обнаружение взрывчатых веществ методом терагерцовой спектроскопии - слишком далекий мост? IEEE Transactions по науке и технологиям терагерцового диапазона, 1 (1), 282–292. DOI: 10.1109 / tthz.2011.2159647
  9. ^ Чжун, Х., Редо-Санчес, А., и Чжан, X.-C. (2006). Идентификация и классификация химических веществ с использованием терагерцовой спектроскопической системы визуализации в фокальной плоскости. Оптика Экспресс, 14 (20), 9130. doi: 10.1364 / oe.14.009130
  10. ^ Федеричи, Дж. Ф., Шулкин, Б., Хуанг, Ф., Гэри, Д., Барат, Р., Оливейра, Ф., и Зимдарс, Д. (2005). ТГц изображения и зондирование для приложений безопасности - взрывчатых веществ, оружия и наркотиков. Полупроводниковая наука и технология, 20 (7). DOI: 10.1088 / 0268-1242 / 20/7/018
  11. ^ Кавасе, К. (2004). Терагерцовая визуализация для обнаружения наркотиков и крупномасштабной проверки интегральных схем. Новости оптики и фотоники, 15 (10), 34. doi: 10.1364 / opn.15.10.000034
  12. ^ Алнабуда, М. О., Шубаир, Р. М., Ришани, Н. Р., и Алдаббаг, Г. (2017). Терагерц, спектроскопия и визуализация для обнаружения и идентификации запрещенных наркотиков. 2017 Sensors Networks Smart and Emerging Technologies (SENSET). DOI: 10.1109 / senset.2017.8125065
  13. ^ Кавасе, К., Огава, Ю., Ватанабэ, Ю., и Иноуэ, Х. (2003). Неразрушающая терагерцовая визуализация запрещенных наркотиков с использованием спектральных отпечатков пальцев. Оптика Экспресс, 11 (20), 2549. doi: 10.1364 / oe.11.002549
  14. ^ Хагманн, М. Дж., Макбрайд, Б. А., и Хагманн, З. С. (2004). Импульсные и широко настраиваемые источники терагерцового диапазона для безопасности: визуализация и спектроскопия. Терагерц для военных и охранных приложений II. DOI: 10.1117 / 12.540808
  15. ^ Джепсен П. У., Мёллер У. и Мербольд Х. (2007). Исследование водно-спиртовых и сахарных растворов с помощью терагерцовой временной спектроскопии на отражение. Оптика Экспресс, 15 (22), 14717. doi: 10.1364 / oe.15.014717
  16. ^ Эпплби Р. и Андертон Р. Н. (2007). Изображение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов для систем безопасности и наблюдения. Труды IEEE, 95 (8), 1683–1690. DOI: 10.1109 / jproc.2007.898832
  17. ^ Гийе, Дж. П., Рекур, Б., Фредерик, Л., Буске, Б., Каниони, Л., Манек-Хеннингер, И.,… Мунаикс, П. (2014). Обзор методик терагерцовой томографии. Журнал инфракрасных, миллиметровых и терагерцовых волн, 35 (4), 382–411. DOI: 10.1007 / s10762-014-0057-0
  18. ^ Рахани, Э. К., Кунду, Т., Ву, З., и Синь, Х. (2011). Обнаружение механических повреждений полимерных плиток ТГц излучением. Журнал IEEE Sensors, 11 (8), 1720–1725. DOI: 10.1109 / jsen.2010.2095457
  19. ^ Мусави П., Харан Ф., Джез Д., Сантоза Ф. и Додж Дж. С. (2009). Одновременное измерение состава и толщины бумаги с помощью терагерцовой спектроскопии во временной области. Прикладная оптика, 48 (33), 6541. doi: 10.1364 / ao.48.006541
  20. ^ Нгема, Э., Виньерас, В., Миане, Дж., И Мунаикс, П. (2008). Диэлектрические свойства проводящих пленок полианилина по данным ТГц временной спектроскопии. Европейский полимерный журнал, 44 (1), 124–129.doi: 10.1016 / j.eurpolymj.2007.10.020
  21. ^ Банерджи Д., Шпигель В. В., Томсон М. Д., Шабель С. и Роскос Х. Г. (2008). Диагностика содержания воды в бумаге по терагерцовому излучению. Оптика Экспресс, 16 (12), 9060. doi: 10.1364 / oe.16.009060
  22. ^ Park, J.-W., Im, K.-H., Hsu, D.K., Jung, J.-A., & Yang, I.-Y. (2012). Подход терагерцовой спектроскопии влияния ориентации волокна на композитные твердые ламинаты из углепластика. Журнал механических наук и технологий, 26 (7), 2051–2054. DOI: 10.1007 / s12206-012-0513-5
  23. ^ Кавасе, К., Сибуя, Т., Хаяси, С., и Суизу, К. (2010). Методы ТГц изображения для неразрушающего контроля. Comptes Rendus Physique, 11 (7-8), 510–518. DOI: 10.1016 / j.crhy.2010.04.003
  24. ^ Хан, С.-Т., Парк, В.К., Ан, Й.-Х., Ли, В.-Дж., и Чун, Х.С. (2012). Разработка компактного гиротрона суб-терагерцового диапазона и его применение для получения изображений в реальном времени с помощью t-луча для проверки пищевых продуктов. 2012 37-я Международная конференция по инфракрасным, миллиметровым и терагерцовым волнам. DOI: 10.1109 / irmmw-thz.2012.6380390
  25. ^ Йорденс, К. (2008). Обнаружение инородных тел в шоколаде с помощью импульсной терагерцовой спектроскопии. Оптическая инженерия, 47 (3), 037003. doi: 10.1117 / 1.2896597
  26. ^ Кинг, М. Д., Хаки, П. М., и Кортер, Т. М. (2010). Дискриминация хиральных твердых тел: терагерцовое спектроскопическое исследование l- и dl-серина. Журнал физической химии A, 114 (8), 2945–2953. DOI: 10.1021 / jp911863v
  27. ^ Шен, Ю.-К., и Тадай, П.Ф. (2008). Разработка и применение терагерцовой импульсной визуализации для неразрушающего контроля фармацевтических таблеток. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 14 (2), 407–415. DOI: 10.1109 / jstqe.2007.911309
  28. ^ Адам, А. Дж. Л., Планкен, П. С. М., Мелони, С., и Дик, Дж. (2009). Терагерцовое изображение скрытых красочных слоев на холсте. 2009 34-я Международная конференция по инфракрасным, миллиметровым и терагерцовым волнам. DOI: 10.1109 / icimw.2009.5324616
  29. ^ Фукунага К. и Хосако И. (2010). Инновационные неинвазивные методы анализа культурного наследия с использованием терагерцовой технологии. Comptes Rendus Physique, 11 (7-8), 519–526. DOI: 10.1016 / j.crhy.2010.05.004
  30. ^ Даниэль М. Миттлман, Стефан Хунше, Люк Бойвин и Мартин К. Нусс. (2001). Т-лучевая томография. Письма об оптике, 22 (12)
  31. ^ Чжан X.C. Трехмерная визуализация терагерцовых волн. Философские труды Лондонского королевского общества. Серия математических, физических и технических наук, 2004. 362 (1815): с. 283–298
  32. ^ Гбур Г. и Вольф Э. (2001). Связь компьютерной томографии и дифракционной томографии. Журнал Оптического общества Америки A, 18 (9), 2132. doi: 10.1364 / josaa.18.002132
  33. ^ Фергюсон, Б., Ван, С., Грей, Д., Эббот, Д., и Чжан, X. (2002). Т-лучевая компьютерная томография. , 27 (15), 1312-4
  34. ^ Ван, С., и Чжан, XC. . Импульсная терагерцовая томография. Журнал физики D Прикладная физика, 37 (4), 0-0
  35. ^ Сунагути, Н., Сасаки, Ю., Майкуса, Н., Каваи, М., Юаса, Т., и Отани, К. (2009). Терагерцовое изображение с глубинным разрешением и томосинтезом. Оптика Экспресс, 17 (12), 9558. doi: 10.1364 / oe.17.009558
  36. ^ СУНАГУЧИ Н., САСАКИ Ю., МАЙКУСА Н. и др. Терагерцовое изображение с разрешением по глубине и томосинтезом [J]. Оптика Экспресс, 2009, 17 (12): 9558-9570. DOI: 10.1364 / OE.17.009558
  37. ^ ТАКАЯНАГИ Дж., Джинно Х, Ичино С. и др. Времяпролетная терагерцовая томография высокого разрешения с использованием волоконного фемтосекундного лазера [J]. Оптика Экспресс, 2009, 17 (9): 7533-7539. DOI: 10.1364 / OE.17.007533
  38. ^ Ван, С., и Чжан, XC. . Импульсная терагерцовая томография. Журнал физики D Прикладная физика, 37 (4), 0-0
  39. ^ Ю. Чжан, В. Чжоу, X. Ван, Ю. Цуй, В. Сан. (2008). Цифровая голография терагерцового диапазона. Штамм, 44 (5), 380-385
  40. ^ Ли, К., Дин, С. Х., Ли, Ю. Д., Сюэ, К., и Ван, К. (2012). Экспериментальные исследования по повышению разрешающей способности цифровой голографии CW THz. Прикладная физика B, 107 (1), 103–110. DOI: 10.1007 / s00340-012-4876-
  41. ^ [36] Павловски, Э., Энгель, Х., Ферстл, М., Фуэрст, В., и Кухлоу, Б. (1993). Двумерный массив дифракционных микролинз с просветляющим покрытием, изготовленных методом тонкопленочного осаждения. Миниатюра и микрооптика: изготовление и системные приложения II. DOI: 10.1117 / 12.138880
  42. ^ Карпович, Н., Чжун, Х., Сюй, Дж., Лин, К.-И., Хван, Дж.-С., и Чжан, X.-C. (2005). Неразрушающее изображение CW суб-ТГц. Терагерцовая и гигагерцовая электроника и фотоника IV. DOI: 10.1117 / 12.590539
  43. ^ Охара, Дж., И Гришковски, Д. (2004). Квазиоптические синтетические терагерцовые изображения с фазированной решеткой. Журнал Оптического общества Америки B, 21 (6), 1178. doi: 10.1364 / josab.21.001178