Терагерцовая томография
В этой статье может быть слишком много заголовков разделов . ( февраль 2020 г. ) |
Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( апрель 2014 г. ) |
Терагерцовая томография | |
---|---|
Цель | Визуализация осуществляется с помощью терагерцового излучения. |
Терагерцовая томография — это класс томографии , при котором секционная визуализация осуществляется с помощью терагерцового излучения . Терагерцовое излучение — это электромагнитное излучение с частотой от 0,1 до 10 ТГц; в спектре он находится между радиоволнами и световыми волнами; оно охватывает части миллиметровых волн и инфракрасных волн . Из-за своей высокой частоты и короткой длины волны терагерцовая волна имеет высокое соотношение сигнал/шум во временном спектре. [1] Томография с использованием терагерцового излучения может отображать образцы, непрозрачные в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Технология трехмерной (3D) визуализации на терагерцовых волнах быстро развивалась с момента ее первого успешного применения в 1997 году. [2] и последовательно был предложен ряд новых технологий трехмерной визуализации.
Терагерцовая визуализация
[ редактировать ]Терагерцовая визуализация имеет преимущества перед более дорогими рентгеновскими сканерами с меньшим радиусом действия. Разнообразные материалы прозрачны для терагерцового излучения, что позволяет измерять толщину, плотность и структурные свойства труднообнаружимых материалов. Поскольку терагерцовое излучение не является ионизирующим излучением, его использование не вызывает повреждения живых тканей, что делает терагерцовое излучение безопасным и неинвазивным методом биомедицинской визуализации. Более того, поскольку многие материалы имеют уникальную спектральную характеристику в терагерцовом диапазоне, терагерцовое излучение можно использовать для идентификации материалов. Терагерцовая визуализация широко используется при изучении свойств полупроводниковых материалов, биомедицинской визуализации клеток, а также химических и биологических исследованиях. [ нужна ссылка ] Терагерцовые системы во временной области (THz-tds) добились значительных успехов в области двумерной визуализации. ТГц-tds способен определять комплексную диэлектрическую проницаемость образца, обычно 0,1–4 ТГц, и предоставляет информацию о статических характеристиках образца на десятках частот. [3] Однако эта технология имеет некоторые ограничения. Например, из-за меньшей мощности луча датчик должен быть более чувствительным. Низкая скорость получения изображений может привести к поиску компромисса между временем и разрешением.
Приложения
[ редактировать ]Терагерцевая визуализация может быть полезна для проверки багажа и почтовой почты, поскольку она позволяет идентифицировать вещества на основе их характеристических спектров в этом диапазоне частот, например, взрывчатые вещества и запрещенные наркотики; [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] например, некоторые жидкие взрывчатые вещества 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 форме с помощью определенных алгоритмов распознавания образов, [16] невозможно видеть сквозь металлические пакеты с терагерцовыми волнами. Таким образом, терагерцовые спектрометры не могут заменить рентгеновские сканеры, хотя они дают больше информации, чем рентгеновские сканеры для материалов низкой плотности и химического разделения. [17]
Терагерцовые системы используются для управления производством в бумажной и полимерной промышленности. [18] Они могут определять толщину и содержание влаги в бумаге. [19] и проводящие свойства, уровень влажности, ориентация волокон и температура стеклования в полимерах. [20] [21] [22] [23]
Терагерцевые системы облегчают обнаружение металлических и неметаллических загрязнений в пищевых продуктах. [24] Например, терагерцовые волны позволили обнаружить металлические и неметаллические посторонние вещества в плитках шоколада. [25] поскольку продукты с низким содержанием воды, такие как шоколад, почти прозрачны в терагерцовом диапазоне. Терагерцовая томография также полезна в винодельческой и спиртовой промышленности для количественного определения влажности и неразрушающего анализа пробки.
Терагерцевая визуализация может обнаружить, что разные изомеры имеют разные спектральные характеристики в терагерцовом диапазоне, что позволяет терагерцовой спектроскопии различать стереоизомеры — решающее различие в фармации, где один изомер может быть активным соединением, а его энантиомер может быть неактивным или даже опасным. [26] Терагерцовые системы также используются для измерения качества покрытия таблеток. [27]
Терагерцовая визуализация позволяет проводить неразрушающий анализ ценных произведений искусства на месте. Он может выявить скрытые слои и пропускание различных пигментов. [28] [29] Он также исследуется как инструмент для 3D-визуализации. [30] [31]
Методы
[ редактировать ]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 процессов, таких как преломление, отражение и дифракция, когда терагерцовые волны передают образцы, что предъявляет определенные требования к алгоритмам реконструкции. В соответствии с разной 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. При реализации в основном используются терагерцовая времяпролетная томография (ТГц-ВП) и ТГц оптическая когерентная томография (ТГц-ОКТ).
ТГц дифракционная томография
[ редактировать ]В дифракционной томографии луч обнаружения взаимодействует с мишенью и использует полученные рассеянные волны для построения трехмерного изображения образца. [32] Эффект дифракции и теорема о дифракционном срезе освещают поверхность рассеянного объекта и записывают отраженный сигнал, чтобы получить распределение дифракционного поля после образца, чтобы исследовать форму поверхности целевого объекта. Для мелких 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 изображения низкое из-за отсутствия эффективного алгоритма реконструкции. В 2004 г. С. Ваанг и др. впервые применил дифракционную хроматографию на основе системы ТГц-tds для изображения образцов полиэтилена. [34]
ТГц томосинтез
[ редактировать ]Томосинтез — это метод, используемый для создания томографии высокого изображения. Реконструкция может производиться по нескольким углам проекции, что позволяет быстрее создать изображение. Этот метод имеет низкое разрешение, но более высокую скорость визуализации. [35] Этот метод также имеет преимущество перед терагерцовой КТ. Терагерцовая КТ существенно зависит от отражения и преломления, особенно для широких и плоских образцов пластин, которые имеют большой угол падения на краю и сильное затухание сигнала. Поэтому трудно одновременно получить как полные проекционные данные, так и существенную информацию о шуме. Однако на синтетическую томографию терагерцового разлома не влияют преломление и отражение из-за небольшого угла падения во время проецирования. Это эффективный метод локальной визуализации, быстрой визуализации или неполного вращения образца. В 2009 г. Н. Унагучи и др. в Японии использовали непрерывный твердотельный умножитель частоты терагерцового диапазона с частотой 540 ГГц для проведения TS-визуализации трех букв «T», «H» и «Z» на разной глубине стикеров. [36] Метод обратной проекции и фильтр Винера были использованы для восстановления пространственного распределения трех букв.
ТГц времяпролетная томография
[ редактировать ]Терагерцовая хроматография дефектов может восстановить трехмерное распределение показателя преломления , отражая терагерцовый импульс на разной глубине в образце. Информацию о распределении показателя преломления по глубине можно получить путем анализа временной задержки пикового значения отраженного импульса. Продольное разрешение времяпролетной томографии зависит от ширины импульса терагерцовых волн (обычно десятки микрон); следовательно, вертикальное разрешение пролетной хроматографии очень велико. В 2009 г. Дж. Такаянаги и др. разработал экспериментальную систему, которая успешно использовала томографию полупроводникового образца, состоящего из трех листов бумаги, наложенных друг на друга, и тонкого слоя GaAs толщиной два микрона. [37]
3D-голография
[ редактировать ]ТГц луч может быть включен в трехмерную голографию, если включена дифференциация каждой многократно рассеянной терагерцовой волны разных порядков рассеяния. [38] При регистрации распределения интенсивности и фазы интерференционная картина, создаваемая светом объекта и эталонным светом, кодирует больше информации, чем сфокусированное изображение. Голограммы могут обеспечить трехмерную визуализацию интересующего объекта при реконструкции с помощью оптики Фурье . [39] Однако получение высококачественных изображений 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
[ редактировать ]Линзы Френеля служат заменой традиционным преломляющим линзам. [41] с преимуществами небольшого размера и легкости. Поскольку их фокусные расстояния зависят от частот, образцы можно отображать в различных местах на пути распространения до плоскости изображения. [42] который может быть применен к томографической визуализации.
Обработка синтетической апертуры (SA)
[ редактировать ]Обработка с синтезированной апертурой (SA) отличается от традиционных систем визуализации при сборе данных. В отличие от схемы измерения «точка-точка», в SA используется расходящийся или несфокусированный луч. [43] Фазовая информация, собранная SA, может быть использована для 3D-реконструкции.
Терагерцовая компьютерная томография (КТ)
[ редактировать ]Терагерцовая компьютерная томография записывает информацию как об амплитуде, так и о фазе спектра по сравнению с рентгеновскими изображениями. Терагерцовая КТ может идентифицировать и сравнивать различные вещества, не разрушая их местоположение.
См. также
[ редактировать ]- Терагерцовый метаматериал
- Терагерцовый неразрушающий контроль
- Терагерцовое излучение
- Терагерцовая спектроскопия во временной области
- Томография
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гийе, JP; Рекур, Б.; Фредерик, Л.; Буске, Б.; Каниони, Л.; Манек-Хеннингер, И.; Десбарац, П.; Муне, П. (2014). «Обзор методов терагерцовой томографии». Журнал инфракрасных, миллиметровых и терагерцовых волн . 35 (4): 382–411. Бибкод : 2014JIMTW..35..382G . CiteSeerX 10.1.1.480.4173 . дои : 10.1007/s10762-014-0057-0 . S2CID 120535020 .
- ^ Дэниел М. Миттлман, Стефан Хунше, Люк Бойвен и Мартин К. Нусс. (2001). Рентгеновская томография. Оптика Буквы, 22(12)
- ^ Катаяма И., Акаи Р., Бито М., Симосато Х., Миямото К., Ито Х. и Асида М. (2010). Сверхширокополосная терагерцевая генерация с использованием монокристаллов тозилата 4-N,N-диметиламино-4'-N'-метилстильбазолия. Письма по прикладной физике, 97 (2), 021105. doi: 10.1063/1.3463452.
- ^ Майкл К. Кемп, П. Ф. Тадей, Брайан Э. Коул, Дж. А. Клафф и Уильям Р. Трайб. (2003). Приложения безопасности терагерцовой технологии. Прок Шпи, 5070
- ^ Хосина, Х. (2009). Неинвазивный досмотр почты с использованием терагерцового излучения. Отдел новостей SPIE. дои: 10.1117/2.1200902.1505
- ^ Эллис, Д.Г., и Кортер, Т.М. (2006). Теоретический анализ терагерцового спектра фугасного тэна. ChemPhysChem, 7(11), 2398–2408. doi: 10.1002/cphc.200600456
- ^ Бейкер, К., Ло, Т., Трайб, В.Р., Коул, Б.Е., Хогбин, М.Р., и Кемп, MC (2007). Обнаружение скрытых взрывчатых веществ на расстоянии с использованием терагерцовой технологии. Труды IEEE, 95 (8), 1559–1565. дои: 10.1109/jproc.2007.900329
- ^ Кемп, MC (2011). Обнаружение взрывчатых веществ с помощью терагерцовой спектроскопии: мост слишком далеко? Транзакции IEEE по терагерцовой науке и технологиям, 1 (1), 282–292. дои: 10.1109/tthz.2011.2159647
- ^ Чжун, Х., Редо-Санчес, А., и Чжан, X.-C. (2006). Идентификация и классификация химических веществ с использованием терагерцовой отражательной спектроскопической системы визуализации в фокальной плоскости. Оптика Экспресс, 14(20), 9130. doi: 10.1364/oe.14.009130
- ^ Федеричи Дж. Ф., Щулкин Б., Хуанг Ф., Гэри Д., Барат Р., Оливейра Ф. и Зимдарс Д. (2005). ТГц визуализация и зондирование для приложений безопасности — взрывчатых веществ, оружия и наркотиков. Полупроводниковая наука и технология, 20 (7). дои: 10.1088/0268-1242/20/7/018
- ^ 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
- ^ Альнабуда, Миссури, Шубайр, Р.М., Ришани, Н.Р., и Алдаббаг, Г. (2017). Терагерцовая спектроскопия и визуализация для обнаружения и идентификации запрещенных наркотиков. 2017 Сенсорные сети «Умные и новые технологии» (SENSET). дои: 10.1109/senset.2017.8125065
- ^ 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
- ^ Хагманн, М.Дж., Макбрайд, Б.А., и Хагманн, З.С. (2004). Импульсные и широко перестраиваемые терагерцовые источники для обеспечения безопасности: визуализация и спектроскопия. Терагерц для военных целей и безопасности II. дои: 10.1117/12.540808
- ^ Джепсен, П.У., Мёллер, У. и Мербольд, Х. (2007). Исследование водно-спиртовых и сахарных растворов методом отражательной терагерцовой спектроскопии во временной области. Оптика Экспресс, 15(22), 14717. doi: 10.1364/oe.15.014717
- ^ Эпплби, Р., и Андертон, Р.Н. (2007). Визуализация в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне для обеспечения безопасности и наблюдения. Труды IEEE, 95 (8), 1683–1690. doi:10.1109/jproc.2007.898832
- ^ Гийе, Дж. П., Рекур, Б., Фредерик, Л., Буске, Б., Каниони, Л., Манек-Хеннингер, И.,… Муне, П. (2014). Обзор методов терагерцовой томографии. Журнал инфракрасных, миллиметровых и терагерцовых волн, 35 (4), 382–411. дои: 10.1007/s10762-014-0057-0
- ^ Рахани, Э.К., Кунду, Т., Ву, З. и Синь, Х. (2011). Обнаружение механических повреждений полимерных плиток по ТГц излучению. Журнал датчиков IEEE, 11 (8), 1720–1725. дои: 10.1109/jsen.2010.2095457
- ^ Мусави П., Харан Ф., Джез Д., Сантоса Ф. и Додж Дж. С. (2009). Одновременное измерение состава и толщины бумаги с использованием терагерцовой спектроскопии во временной области. Прикладная оптика, 48(33), 6541. doi: 10.1364/ao.48.006541.
- ^ Нгема Э., Виньерас В., Миан Дж. и Муне П. (2008). Диэлектрические свойства проводящих полианилиновых пленок по данным ТГц спектроскопии во временной области. Европейский журнал полимеров, 44(1), 124–129.doi:10.1016/j.eurpolymj.2007.10.020
- ^ Банерджи, Д., Шпигель, В.В., Томсон, доктор медицины, 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
- ^ Парк, Дж.-В., Им, К.-Х., Сюй, Д.К., Юнг, Дж.-А., и Ян, И.-Ю. (2012). Метод терагерцовой спектроскопии влияния ориентации волокон на твердые композитные ламинаты из углепластика. Журнал механических наук и технологий, 26 (7), 2051–2054. дои: 10.1007/s12206-012-0513-5
- ^ Кавасе К., Сибуя Т., Хаяши С. и Суизу К. (2010). Методы ТГц визуализации для неразрушающего контроля. Comptes Rendus Physique, 11 (7–8), 510–518. doi: 10.1016/j.crhy.2010.04.003
- ^ Хан, С.-Т., Парк, В.К., Ан, Ю.-Х., Ли, В.-Дж., и Чун, Х.С. (2012). Разработка компактного субтерагерцового гиротрона и его применение для получения изображений в режиме реального времени при проверке пищевых продуктов. 2012 37-я Международная конференция по инфракрасным, миллиметровым и терагерцовым волнам. doi: 10.1109/irmmw-thz.2012.6380390
- ^ Йорденс, К. (2008). Обнаружение инородных тел в шоколаде с помощью импульсной терагерцовой спектроскопии. Оптотехники, 47(3), 037003. doi: 10.1117/1.2896597
- ^ Кинг, доктор медицинских наук, Хаки, П.М., и Кортер, Т.М. (2010). Дискриминация хиральных твердых веществ: терагерцовое спектроскопическое исследование l- и dl-серина. Журнал физической химии А, 114 (8), 2945–2953. дои: 10.1021/jp911863v
- ^ Шен, Ю.-К., и Тадай, П.Ф. (2008). Разработка и применение терагерцовой импульсной визуализации для неразрушающего контроля фармацевтических таблеток. Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники, 14 (2), 407–415. doi: 10.1109/jstqe.2007.911309
- ^ Адам, AJL, Планкен, PCM, Мелони, С. и Дик, Дж. (2009). Терагерцовое изображение скрытых слоев краски на холсте. 2009 34-я Международная конференция по инфракрасным, миллиметровым и терагерцовым волнам. дои: 10.1109/icimw.2009.5324616
- ^ Фукунага К. и Хосако И. (2010). Инновационные методы неинвазивного анализа культурного наследия с использованием терагерцовой технологии. Comptes Rendus Physique, 11 (7–8), 519–526. doi: 10.1016/j.crhy.2010.05.004
- ^ Дэниел М. Миттлман, Стефан Хунше, Люк Бойвен и Мартин К. Нусс. (2001). Рентгеновская томография. Оптика Буквы, 22(12)
- ^ Чжан, XC, Трехмерная визуализация терагерцовых волн. Философские труды Лондонского королевского общества, Серия а-Математические физические и технические науки, 2004. 362 (1815): стр. 362 (1815): p. 283-298
- ^ Гбур Г. и Вольф Э. (2001). Связь между компьютерной томографией и дифракционной томографией. Журнал Оптического общества Америки A, 18(9), 2132. doi: 10.1364/josaa.18.002132.
- ^ Фергюсон Б., Ван С., Грей Д., Эббот Д. и Чжан X. (2002). Рентгеновская компьютерная томография. , 27(15), 1312-4
- ^ Ван, С., и Чжан, XC. . Импульсная терагерцовая томография. Журнал физики D Прикладная физика, 37 (4), 0-0
- ^ Сунагути, Н., Сасаки, Ю., Майкуса, Н., Каваи, М., Юаса, Т. и Отани, К. (2009). ТГц визуализация с разрешением по глубине и томосинтезом. Оптика Экспресс, 17(12), 9558. doi:10.1364/oe.17.009558
- ^ СУНАГУЧИ Н., САСАКИ Й., МАИКУСА Н. и др. ТГц визуализация с разрешением по глубине и томосинтезом[J]. Оптика Экспресс, 2009, 17(12): 9558-9570. DOI:10.1364/OE.17.009558
- ^ ТАКАЯНАГИ Дж., ДЖИННО Х., ИЧИНО С. и др. Времяпролетная терагерцовая томография высокого разрешения с использованием фемтосекундного волоконного лазера[J]. Оптика Экспресс, 2009, 17(9): 7533-7539. DOI:10.1364/OE.17.007533
- ^ Ван, С., и Чжан, XC. . Импульсная терагерцовая томография. Журнал физики D Прикладная физика, 37 (4), 0-0
- ^ Ю.Чжан, В.Чжоу, С.Ван, Ю.Цуй и В.Сун. (2008). Терагерцовая цифровая голография. Штамм, 44(5), 380-385
- ^ Ли, К., Дин, Ш., Ли, Ю.Д., Сюэ, К., и Ван, К. (2012). Экспериментальные исследования по повышению разрешения в цифровой голографии непрерывного ТГц диапазона. Прикладная физика Б, 107(1), 103–110. дои: 10.1007/s00340-012-4876-
- ^ [36] Павловский Э., Энгель Х., Ферстл М., Фюрст В. и Кулов Б. (1993). Двумерная матрица дифракционных микролинз с просветляющим покрытием, изготовленная методом осаждения тонких пленок. Миниатюра и микрооптика: изготовление и системное применение II. дои: 10.1117/12.138880
- ^ Карпович, Н., Чжун, Х., Сюй, Дж., Линь, К.-И., Хван, Дж.-С., и Чжан, X.-C. (2005). Неразрушающая визуализация непрерывного излучения субТГц. Терагерцовая и гигагерцовая электроника и фотоника IV. дои: 10.1117/12.590539
- ^ Охара Дж. и Гришковски Д. (2004). Квазиоптическая синтетическая терагерцовая визуализация с фазированной решеткой. Журнал Оптического общества Америки B, 21(6), 1178. doi: 10.1364/josab.21.001178.