WO2008138976A1 - Object imaging method and system - Google Patents
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- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
Definitions
- the invention relates to an imaging method for imaging an object and in particular a surface or a near-surface region of the object by stimulating the surface with electromagnetic radiation and a system for carrying out this method.
- thermography Methods and apparatus for displaying surfaces of objects are known.
- the object to be examined or the object surface to be examined is excited by means of electromagnetic radiation or ultrasound and the heat radiation emitted by the object surface due to this excitation is detected with a thermographic camera (see, for example, A. Dillenz and G. Busse, "Non-contact detection of laminate damage using Lockin thermography", http://www.zfp.uni-stuttgart.de/downloads/kk99.pdf)
- the thermography camera used to record the thermal radiation emitted by the object is an infrared Camera which images the area of the object surface to be examined The achievable resolution is limited by the camera used or the imaging optics used.
- the present invention seeks to provide a new method and system for imaging object surfaces.
- the invention is intended to allow the imaging of a surface cost-effectively with a high resolution.
- the invention is based on the basic idea of generating or stimulating a predetermined area of the object surface locally by means of coded stimulation radiation in order to generate images of near-surface object properties and to detect or detect the object radiation emitted by the object in a cooperative manner.
- Radiation of a frequency which differs from the frequency of the stimulation radiation is preferably detected here.
- the detected radiation includes the radiation caused by the stimulation.
- the radiation caused by the stimulation is to be understood as radiation that can be generated, changed or even influenced by the stimulation radiation.
- the radiation caused by the stimulation can be filtered out of the detected radiation.
- the stimulation radiation can be coded by amplitude or frequency modulation and the detection can be synchronized with this coding or modulation.
- a region of the object surface is stimulated which is smaller than the detection region, which defines from which region the object radiation is detected.
- the detection area may also be the same size as the area of local stimulation or even larger.
- a very small area of the object surface is stimulated by a laser beam, for example, and radiation emitted by essentially the entire object surface is detected.
- Such a local stimulation can be achieved by the cooperative detection accurate location information of the radiation generated by the stimulation and thus increase the resolution of the imaging. If different areas of the object surface are successively excited by the local stimulation, an image of the entire object surface can be generated by scanning the object surface.
- the detection device covers only a part of the object surface to be examined, the detection device is moved along accordingly.
- the scanning of the object surface can be done by successively stimulating defined areas (pixels) of the surface. These areas can, for example, be traversed in rows, columns or meanders to cover the entire surface to be examined. In order to avoid a possible influence of adjacent pixels, the surface can also be scanned in a jump method.
- the excitation and corresponding detection can be done using thermal effects.
- the Object surface are locally heated by a laser beam and the heat radiation emitted due to this heating can be detected.
- laser radiation in the visible or infrared range is preferably used.
- the detection is preferably carried out in the microwave range.
- the utilization of fluorescence or scattering effects is also possible in which the frequency of the fluorescence radiation differs from the frequency of the excitation radiation. Exemplary of this are two-photon fluorescence effects, wherein the excitation is carried out by the simultaneous absorption of two photons, or the Raman effect.
- particle beams for example electron beams or ion beams, can be used in particular for stimulating the object surface.
- stimulation devices can be used simultaneously or in parallel in order to be able to carry out the method more quickly.
- the different stimulation beams are coded differently.
- an examination of the object surface can take place, ie the immediate object surface but also areas near the surface.
- the thermal excitation of the object surface the heat is introduced by thermal conduction in deeper layers of the object surface. These areas also contribute to the generation of the observed thermal radiation.
- the present invention allows a representation of a surface area of an object to be examined. Due to the local stimulation of an object surface area, location information can be obtained from the globally or globally observed radiation without having to use imaging optics for the observation.
- the coding of the stimulation radiation and the cooperative detection can furthermore provide temporal information which can be used to filter out the background radiation which is not caused by the local stimulation and thus to obtain information about the radiation actually generated by the stimulation and to use for imaging.
- a system for imaging comprising means for locally stimulating an object surface area by means of coded stimulation radiation and means for cooperatively detecting object radiation emanating from the object, comprising radiation caused by the stimulation.
- System according to aspect 1, 2 or 3, further comprising a control device which is adapted to coordinate the detection with the stimulation, wherein the coordination is preferably carried out using and / or controlling the coding of the stimulation radiation.
- control device is designed to filter from the detected radiation caused by the stimulation radiation, preferably by using and / or controlling the coding of the stimulation radiation.
- control means is adapted to generate based on the stimulation caused by the radiation image information, preferably for display on a display of the stimulated area.
- means for local stimulation is adapted to stimulate successively different, defined areas.
- control device is designed to generate image information of the different stimulated regions on the basis of the detected radiation caused by the stimulation of different defined stimulated regions and to generate an image of an object surface section from this image information.
- the stimulation device is designed to generate amplitude and / or frequency modulated stimulation beams.
- the stimulation device is designed to generate electromagnetic radiation in the visible and / or infrared range and / or wherein the detection device is adapted to detect electromagnetic radiation of a frequency, preferably in the microwave range, the deeper is, as the frequency of the stimulation radiation.
- the stimulation means is adapted to fluorescence in the observed To generate object
- the detection device is adapted to detect the fluorescence radiation
- the detection device is designed to detect scattered radiation on the object surface, for example due to the Raman effect.
- a method of imaging an object comprising the steps of: locally stimulating a surface area of the object with coded stimulation radiation; cooperatively detecting the object radiation emanating from a detection region of the object, comprising radiation caused by the stimulation; and
- Fig. 1 shows schematically the area of local stimulation and the detection area according to an embodiment of the invention
- Fig. 2 shows schematically a system according to an embodiment of the invention
- Fig. 3 shows (a) a measurement object and (b) the representation of this measurement object obtained by a method according to the present invention.
- FIGS. 4 (a) and (b) show another measured object and the corresponding one
- an image is generated by means of a system in which the re-emission of electromagnetic waves is used.
- Images of the distribution of near-surface object properties are obtained by stimulation of the object surface by means of locally introduced modulated electromagnetic radiation, for example by a laser oscillator, and subsequent time-variable change of the local macro-object properties, such as temperature, emissivity, heat flow or local microproperties, such as quantum states of surface molecules.
- modulated electromagnetic radiation for example by a laser oscillator
- time-variable change of the local macro-object properties such as temperature, emissivity, heat flow or local microproperties, such as quantum states of surface molecules.
- Sources of re-emission of electromagnetic waves may be thermal effects resulting from the heating of the object, and / or fluorescence or scattering effects, such as the Raman effect, that result from excitation of the object material.
- the frequency of the stimulation radiation differs from the detected radiation.
- independent optimization of the stimulation and selection of the detection radiation is possible depending on the effects stimulated by the stimulation. For example, a low operating frequency makes it possible to reduce the costs for the detection device.
- a modulated stimulation and a synchronized detection a high geometric resolution can be achieved, in which only the stimulator is focused.
- the receiver is not focused or not continuously. Also, an increase in dynamic amplification is possible.
- FIG. 1 schematically shows the region A Lss & the local stimulation of an object surface, for example by irradiation of a laser and the larger area Ao of the detection according to an embodiment of the invention.
- the size of the laser beam-stimulated area A L aser of the surface is significantly smaller in this embodiment than the area Ao observed by the detection means. Due to the small size of the excited region A LaS he high geometric resolution can be achieved.
- the expected power of the re-radiated signal in the case of the use of thermal effects assuming blackbody radiation, can be estimated as follows, but this estimate is not suitable for exploiting a fluorescence effect or Raman effect and the dynamic expansion measures shown are not direct either transferable to these are:
- B is the bandwidth of the receiver
- k is the bolt constant
- To is the ambient temperature
- ⁇ T is the temperature rise due to the stimulation.
- the ambient noise power PA, ENV can in turn be estimated using the following formula:
- the stimulated area Ai_a S e r can be increased, which leads to a higher signal level, but also to a lower geometric resolution.
- it is possible to downsize the observed area Ao which in turn increases the radiated signal, but has the disadvantage that the object to be observed or the detection device has to be moved in order to be able to observe a larger area.
- improved system components may also be used, such as an improved mixer in the mmW radiometer, low noise IF amplifiers, or by amplifying the RF signal before conversion.
- Fig. 2 schematically shows a system according to an embodiment of the present invention.
- the local stimulation of the object surface 1 takes place by means of a stimulation device 2, which has a laser 21.
- the beam generated by the laser device 21 is coded, for example amplitude-modulated, which in the simplest case represents an on-off sequence that can be generated, for example, by an aperture wheel. However, other amplitude or frequency modulations are possible.
- a mirror pivoting device 22 the surface 1 of the object to be examined is scanned in succession, cell by cell, for example from cell ai via cell a ⁇ ⁇ to cell a n .
- the control of the modulation and the pivoting device 22 is effected by a central control 4, for example a computer.
- the central controller 4 is thus aware of the location of the instantaneous stimulation on the object surface 1.
- the radiation emitted by the entire object surface 1 is detected, for example radiation in the microwave range.
- This detected radiation also includes the radiation resulting from a change in surface property in the locally stimulated surface portion caused by the stimulation radiation. If, for example, the stimulated surface area is stimulated by the stimulation beam heated, heat radiation is generated in this surface area and this can be detected by the detection device 3. The change in the surface property caused by the stimulation thus manifests itself in a correspondingly altered emission of electromagnetic radiation, which can then be detected by the detection device 3. A corresponding signal is then forwarded by the detection device 3 to the central controller 4.
- This signal can be processed by the controller 4 and thus on a display unit 5, for example a computer screen, an image of the surface property can be generated by dividing it from the individual picture elements b k in lines 1 to m and columns 1 to n to the end Image element b e is built.
- the stimulation beam is successively swiveled over the entire object surface from cell ai to a e , for example with a mirror scanner, and at the same time the image is built cell by cell.
- the receiver recognizes the correct object surface cell at the identifier introduced there by the modulation of the stimulator, according to the principle of a coded cell, while at the same time all other areas of the surface which are not stimulated emit only background noise.
- the receiver can be equipped with a special filter for the modulation frequency, for example a synchronous detector or an FFT filter, which can be realized by software.
- the image generation can be accelerated by simultaneously scanning a plurality of stimulation beams of the same carrier frequency on different, for example parallel tracks and with different modulation frequencies, the receiver simultaneously recognizing the different modulation signals and their statements being displayed in parallel.
- images of different surface properties can be produced simultaneously by scanning several stimulation beams of different carrier frequencies, which correspond to the sought-after properties, with their own modulation code, and the receiver selectively scans the surface Receives carrier frequencies at the same time, recognizes the modulation and representing the carrier frequencies corresponding statements on one or different screens simultaneously.
- a stimulator e.g. from a laser
- a mirror swivel device scanner
- the location of the instantaneous stimulation on the object surface is known in the central control.
- a change in the surface property e.g. caused by the temperature, which manifests itself in a correspondingly altered emission of electromagnetic radiation
- this radiation can be picked up by a matching receiver, which passes on its signal to the central control.
- a presentation unit e.g. a computer screen
- an image of the surface property can then be generated, which is built from the individual picture elements.
- the stimulation device 2 and / or the detection device 3 are thus connected to one another via the central control device and are controlled by the latter. This allows a coordinated and coordinated control of stimulation site, coding of the stimulation and / or detection and thus preferably allows an improved representation of the object or the object surface.
- Fig. 3 (a) exemplifies a measurement object whose surface is to be imaged by the method according to the present invention.
- the object is a
- Fig. 3 (b) shows the image of the aluminum sheet taken with a system according to Fig. 2.
- the detection signal measured and processed during the stimulation of the individual object areas is color-coded.
- the receiver device 32 has various filter and synchronization devices for coded detection.
- the coding for example, by simply switching on, allows to detect radiation only at the times in which the stimulation takes place.
- the coordination of the detection with the coded stimulation can also be carried out by the central control itself, for example by the fact that although continuously measured by the detection device 3, this continuous measurement is compared with the coded radiation in the central control, and so the required temporal Resolution takes place.
- Lighting eg by the sun, headlights, etc.
- the simultaneous detection of the light portions reflected from the illumination beam consists, inter alia, in that this classical method only provides information about the reflectivity of the surface at the illumination frequency (color ) and requires a complex imaging recording optics, which may contains temporally parallel signal processing (e.g., retina of the eye and brain) and thus can be fast.
- temporally parallel signal processing e.g., retina of the eye and brain
- the method of the present invention which may also be referred to as STIREEM (Stimulated Re-Emission), on the other hand, works serially and, because of the cooperation between the stimulation location and the pixel location on the presentation unit, does not require imaging optics which may be tracked Optics must be designed and can be costly. Detecting properties of an object near the surface, not just directly on or on but also in areas below the surface, for example to a depth of a few millimeters, allows insights that are not possible with classical methods (only "passive" reflection).
- the STIREEM method according to the present invention provides a geometric resolution that is not limited by the frequency of the excitation system or the apparatus of the antenna.
- the "illumination" of the sample can be achieved by stimulating the sample at a relatively high frequency, for example with a laser
- the receiving device operating, for example, in the microwave range, detects the signal radiated back from the object surface
- the stimulation beam is passed over the sample surface, thereby "activating" the molecules in the region of the laser spot.
- re-emission by the molecules takes place at a certain frequency or in a frequency range. If the receiver is set to this frequency or a frequency from the frequency range, a signal can be measured.
- the lateral resolution here depends only on the size of the stimulation area. If a CO 2 laser with a frequency of approximately 30 THz, corresponding to a wavelength of 10.6 ⁇ m, is used for the stimulation, the size of the laser spot is approximately 10 -8 m 2 Even if the measuring range is several orders of magnitude greater, such as For example, with a measurement range of 10 "2 m 2 for a receive antenna system operating at a frequency of 30 GHz, corresponding to a wavelength of 1 cm, with an aperture of 0.1 m and a measurement distance of 1 m, a resolution improvement by a factor of 10 6 possible.
- the assignment of the observed pixel to the image pixel is achieved by a central controller.
- the scan angle of the stimulation beam at a particular time is used to calculate the image pixel position, which is then associated with the receive signal at that time at the receive frequency.
- the stimulation time at the pixel on the sample depends on the effect used for the re-emission and the imaging application.
- the stimulation beam can be modulated, for example, by an aperture wheel or an optical chopper.
- the synchronization of a lock-in amplifier with the modulation frequency leads to a received signal that contains only information about the stimulation area and no longer covers the entire detection area.
- the lock-in technique can provide a good signal-to-noise ratio for the imaging system.
- Solid bodies or structures with solid / liquid boundaries that have different locations in the surface heat storage or thermal conductivity can be observed radiometrically with the STIREEM method, even if in conventional observation by reflection on a (uniform) reflective Area no details are recognizable.
- This may in particular be the case when the observation-facing side of a body has been coated by protective films (e.g., oxides, varnishes, plastic layers). Due to the different heat dissipation from the energy supplied by the stimulation beam into the body background, a different background behind a protective or camouflage film can be detected. This can be particularly important in manufacturing controls, if a part of the protective film has detached itself from the body. Also, delamination of an intermediate layer in multilayer material can be detected and displayed. Furthermore, with the method according to the invention, blind holes can be recognized from the rear side on the visually uniform surface, as described with reference to FIG. 3 above.
- Frequency-shifting effects can be: linear or non-linear (2-photon) fluorescence and the Raman effect with its STOKES and anti-STOKES lines in molecules. Both effects have been used for a long time in the detection of pollutants or substances in the gaseous atmosphere and in Waters (environmental diagnostics) as well as for several years in cell diagnostics with special microscopes in biology and medicine.
- the invention can be used in the observation of "technical” surfaces, such as bio-chips coated with organic material, or in biological / chemical weapons, such as bacteria in envelopes or
- the properties of the laser beam allow the application of the STIREEM principle to longer distance targets.
- This type of remote sensing can be used for security-related and military tasks. These include material analysis over long distances, detection of cavities under surfaces as well as all above-mentioned tasks.
- One measure of the resolution is the distance ⁇ x from two points that are barely distinguishable from each other.
- the stimulation beam is coded, in the simplest case amplitude-modulated.
- the scan speed depends on this modulation process. In general, the faster it can be modulated, the faster the beam angle may be changed.
- the image structure in the rendering unit is just as fast: If the mechanisms of the re-emission are much faster, eg when using the Raman effect or also with the linear fluorescence, the object scan and thus the image composition can also be done The mirror swivel mechanism of the scanner and the signal processing electronics in this case do not give the limits.
- all generators can be used to produce monochromatic, coherent "light”: from lasers in the UV region to FIR / THz lasers, provided they have a sufficient amplitude with sufficient stability over time
- the stimulation frequency f s is dependent on the effect which one wishes to use, in particular also on the absorption coefficient at f s on the respective surface
- the frequency position of the re-emission receiver depends on the effect used. For radiometric reception in the case of heat change effects, the entire microwave range available on the device can be used. In experiments, for example, a 150 GHz receiver with about 1 GHz bandwidth was used.
- FIG. 4 (a) shows a wood block in which Teflon, cardboard and ceramic are embedded in certain places.
- Fig. 4 (b) shows a wood block in which Teflon, cardboard and ceramic are embedded in certain places.
- the presence of these different substances within the wood block can be detected.
- the method of the present invention is thus based in particular on local coded stimulation, reception preferably at a different wavelength for exploiting thermal or nonthermal near-surface effects, recognition of the image signal from the coding and instantaneous location of the stimulation and high-resolution representation of object features that do not or with conventional imaging methods can not be won so high.
- the imaging device thus operates according to the STIREEM principle, ie local stimulation of the object surface with a coded radiation, eg the frequency fs and image generation from the cooperative reception of radiation preferably at a different frequency f R ee due to re-emission of the stimulated surface Detection of material and geometry differences in the object surface.
- a coded radiation eg the frequency fs and image generation from the cooperative reception of radiation preferably at a different frequency f R ee due to re-emission of the stimulated surface Detection of material and geometry differences in the object surface.
- the frequency fsa of the stimulating radiation may be in the spectral range between ultraviolet and far-infrared, and the frequency f Ree of the re-emitted radiation may be lower frequency than f sti dominant broadband in the spectral range of the microwaves.
- a specific frequency fsti can be selectively absorbed by a part of the surface, thereby stimulating f Ree as fluorescence radiation, whereby the kind of substance of this surface part becomes recognizable.
- parts of the surface can be stimulated by the Raman effect f Rec as STOKES or anti-STOKES lines for re-emission, whereby these parts are recognizable in their material type.
- a cover layer which is transparent to f S t and f R e , which hinders normal visual transparency, but nevertheless allows STIREEM imaging.
- the stimulating radiation can not be electromagnetic type, but consist of particles with non-zero rest mass (Korpuskeln), the object may be in a vacuum, the re-emitted electromagnetic radiation but also outside the vacuum vessel can be received.
- stimulating beams with their own coding (modulation) and / or their own frequency fst j can scan the surface of the object at different locations and enable a faster image buildup by cooperatively receiving the re-emitting radiation generated simultaneously by the various points.
- the frequencies f R ee of the re-emitted radiation may be higher harmonics (n- ⁇ ) of the stimulation frequency fsti.
- the device can be used in laser material processing or laser tissue processing in manufacturing technology or medicine.
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Abstract
Description
Verfahren und System zur Bildgebung von Objekten Method and system for imaging objects
Die Erfindung betrifft ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung eines Objekts und insbesondere einer Oberfläche oder eines oberflächennahen Bereichs des Objekts durch Stimulation der Oberfläche mit elektromagnetischer Strahlung und ein System zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to an imaging method for imaging an object and in particular a surface or a near-surface region of the object by stimulating the surface with electromagnetic radiation and a system for carrying out this method.
Verfahren und Vorrichtungen zur Darstellung von Oberflächen von Objekten sind bekannt. So wird insbesondere in einem allgemein als Thermografie bezeichneten Verfahren das zu untersuchende Objekt beziehungsweise die zu untersuchende Objektoberfläche mittels elektromagnetischer Strahlung beziehungsweise Ultraschall angeregt und die von der Objektoberfläche aufgrund dieser Anregung abgegebene Wärmestrahlung mit einer Thermografie-Kamera erfasst (siehe beispielsweise A. Dillenz und G. Busse, „Berührungslose Erfassung von Laminatschäden mittels Lockin- Thermografie", http://www.zfp.uni-stuttgart.de/downloads/kk99.pdf). Die zur Erfassung der vom Objekt abgegebenen Wärmestrahlung verwendete Thermografie-Kamera ist eine Infrarot-Kamera, die den zu untersuchenden Bereich der Objektoberfläche abbildet. Die erreichbare Auflösung ist durch die verwendete Kamera beziehungsweise die verwendete Aufnahmeoptik begrenzt.Methods and apparatus for displaying surfaces of objects are known. Thus, in particular in a method generally referred to as thermography, the object to be examined or the object surface to be examined is excited by means of electromagnetic radiation or ultrasound and the heat radiation emitted by the object surface due to this excitation is detected with a thermographic camera (see, for example, A. Dillenz and G. Busse, "Non-contact detection of laminate damage using Lockin thermography", http://www.zfp.uni-stuttgart.de/downloads/kk99.pdf) The thermography camera used to record the thermal radiation emitted by the object is an infrared Camera which images the area of the object surface to be examined The achievable resolution is limited by the camera used or the imaging optics used.
Durch die vorliegende Erfindung soll ein neues Verfahren und ein System zur Bildgebung von Objektoberflächen bereitgestellt werden. Die Erfindung soll insbesondere die Abbildung einer Oberfläche kostengünstig mit einer hohen Auflösung ermöglichen.The present invention seeks to provide a new method and system for imaging object surfaces. In particular, the invention is intended to allow the imaging of a surface cost-effectively with a high resolution.
Die Erfindung ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.The invention is defined by the features of the independent claims. Preferred embodiments are defined in the dependent claims.
Die Erfindung basiert auf der Grundidee, zur Erzeugung von Bildern oberflächennaher Objekteigenschaften einen vorbestimmten Bereich der Objektoberfläche lokal mittels kodierter Stimulationsstrahlung anzuregen bzw. zu stimulieren und in kooperierender Weise die vom Objekt ausgehende Objektstrahlung zu erfassen bzw. zu detektieren. Vorzugsweise wird hierbei Strahlung einer Frequenz detektiert, die sich von der Frequenz der Stimulationsstrahlung unterscheidet. Die detektierte Strahlung umfasst die durch die Stimulation hervorgerufene Strahlung. Die durch die Stimulation hervorgerufene Strahlung ist als Strahlung zu verstehen, die durch die Stimulationsstrahlung erzeugt, verändert oder auch beeinflusst werden kann. Durch eine Koordination zwischen der Kodierung der Stimulationsstrahlung und der kooperierenden Detektion kann aus der detektierten Strahlung die durch die Stimulation hervorgerufene Strahlung herausgefiltert werden. Beispielsweise kann die Stimulationsstrahlung durch Amplituden- oder Frequenzmodulation kodiert sein und die Detektion mit dieser Kodierung beziehungsweise Modulation synchronisiert erfolgen.The invention is based on the basic idea of generating or stimulating a predetermined area of the object surface locally by means of coded stimulation radiation in order to generate images of near-surface object properties and to detect or detect the object radiation emitted by the object in a cooperative manner. Radiation of a frequency which differs from the frequency of the stimulation radiation is preferably detected here. The detected radiation includes the radiation caused by the stimulation. The radiation caused by the stimulation is to be understood as radiation that can be generated, changed or even influenced by the stimulation radiation. By coordinating between the coding of the stimulation radiation and the cooperating detection, the radiation caused by the stimulation can be filtered out of the detected radiation. For example, the stimulation radiation can be coded by amplitude or frequency modulation and the detection can be synchronized with this coding or modulation.
In einer Ausführungsform wird ein Bereich der Objektoberfläche stimuliert, der kleiner ist als der Detektionsbereich, der definiert, aus welchem Bereich die Objektstrahlung detektiert wird. Der Detektionsbereich jedoch kann auch die gleiche Größe haben wie der Bereich der lokalen Stimulation oder sogar größer sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird jeweils nur ein sehr kleiner Bereich der Objektoberfläche beispielsweise durch einen Laserstrahl stimuliert und von im Wesentlichen der gesamten Objektoberfläche ausgehende Strahlung detektiert. Durch eine solche lokale Stimulation kann durch die kooperierende Detektion eine genaue Ortsinformation der durch die Stimulation erzeugten Strahlung erzielt werden und so die Auflösung der Bildgebung erhöht werden. Werden durch die lokale Stimulation nacheinander verschiedene Bereiche der Objektoberfläche angeregt, kann durch Abrastern der Objektoberfläche ein Bild der gesamten Objektoberfläche erzeugt werden. Deckt in diesem Fall die Detektionseinrichtung nur einen Teil der zu untersuchenden Objektoberfläche ab, wird die Detektionseinrichtung entsprechend mitbewegt. Das Abrastern der Objektoberfläche kann durch aufeinander folgendes Stimulieren definierter Bereiche (Pixel) der Oberfläche erfolgen. Diese Bereiche können beispielsweise Zeilen- bzw. spaltenweise oder mäanderförmig abgefahren werden, um die gesamte zu untersuchende Oberfläche abzudecken. Um eine mögliche Beeinflussung benachbarter Pixel zu vermeiden, kann die Oberfläche auch in einem Sprungverfahren abgerastert werden.In one embodiment, a region of the object surface is stimulated which is smaller than the detection region, which defines from which region the object radiation is detected. However, the detection area may also be the same size as the area of local stimulation or even larger. According to a preferred embodiment, in each case only a very small area of the object surface is stimulated by a laser beam, for example, and radiation emitted by essentially the entire object surface is detected. Such a local stimulation can be achieved by the cooperative detection accurate location information of the radiation generated by the stimulation and thus increase the resolution of the imaging. If different areas of the object surface are successively excited by the local stimulation, an image of the entire object surface can be generated by scanning the object surface. If, in this case, the detection device covers only a part of the object surface to be examined, the detection device is moved along accordingly. The scanning of the object surface can be done by successively stimulating defined areas (pixels) of the surface. These areas can, for example, be traversed in rows, columns or meanders to cover the entire surface to be examined. In order to avoid a possible influence of adjacent pixels, the surface can also be scanned in a jump method.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Anregung und entsprechende Detektion unter Verwendung thermischer Effekte erfolgen. So kann beispielsweise die Objektoberfläche durch einen Laserstrahl lokal erwärmt werden und die aufgrund dieser Erwärmung abgegebene Wärmestrahlung detektiert werden. Zur Erzeugung thermischer Effekte wird vorzugsweise Laserstrahlung im sichtbaren oder infraroten Bereich verwendet. Die Detektion erfolgt vorzugsweise im Mikrowellenbereich. Auch ist die Ausnutzung von Fluoreszenz- oder Streueffekten möglich, bei denen sich die Frequenz der Fluoreszenzstrahlung von der Frequenz der Anregungsstrahlung unterscheidet. Beispielhaft hierfür sind Zwei-Photon-Fluoreszenz-Effekte, wobei die Anregung durch die simultane Absorption zweier Photonen erfolgt, oder der Raman- Effekt. Weiterhin können insbesondere zur Stimulation der Objektoberfläche Teilchenstrahlen, beispielsweise Elektronen- oder lonenstrahlen verwendet werden.According to the present invention, the excitation and corresponding detection can be done using thermal effects. For example, the Object surface are locally heated by a laser beam and the heat radiation emitted due to this heating can be detected. To generate thermal effects, laser radiation in the visible or infrared range is preferably used. The detection is preferably carried out in the microwave range. The utilization of fluorescence or scattering effects is also possible in which the frequency of the fluorescence radiation differs from the frequency of the excitation radiation. Exemplary of this are two-photon fluorescence effects, wherein the excitation is carried out by the simultaneous absorption of two photons, or the Raman effect. Furthermore, particle beams, for example electron beams or ion beams, can be used in particular for stimulating the object surface.
Auch können mehrere Stimulationseinrichtungen gleichzeitig bzw. parallel verwendet werden, um das Verfahren schneller durchführen zu können. In diesem Fall werden die unterschiedlichen Stimulationsstrahlen unterschiedlich kodiert.Also, several stimulation devices can be used simultaneously or in parallel in order to be able to carry out the method more quickly. In this case, the different stimulation beams are coded differently.
Durch das Verfahren und das System der vorliegenden Erfindung kann eine Untersuchung der Objektoberfläche erfolgen, also der unmittelbaren Objektoberfläche aber auch oberflächennaher Bereiche. So wird beispielsweise durch die thermische Anregung der Objektoberfläche die Wärme durch Wärmeleitung auch in tiefere Schichten der Objektoberfläche eingebracht. Diese Bereiche tragen auch zur Erzeugung der beobachteten Wärmestrahlung bei.By means of the method and the system of the present invention, an examination of the object surface can take place, ie the immediate object surface but also areas near the surface. Thus, for example, the thermal excitation of the object surface, the heat is introduced by thermal conduction in deeper layers of the object surface. These areas also contribute to the generation of the observed thermal radiation.
Die vorliegende Erfindung erlaubt eine Darstellung eines Oberflächenbereichs eines zu untersuchenden Objektes. Durch die lokale Stimulation eines Objektoberflächenbereichs kann eine Ortsinformation von der global beziehungsweise pauschal beobachteten Strahlung gewonnen werden, ohne eine bildgebende Optik für die Beobachtung einsetzen zu müssen. Durch die Kodierung der Stimulationsstrahlung und die kooperierende Detektion kann weiterhin eine zeitliche Information gewonnen werden, die dazu verwendet werden kann, die Hintergrundstrahlung, die nicht durch die lokale Stimulation hervorgerufen wird, herauszufiltern und somit Informationen zu der tatsächlich durch die Stimulation erzeugten Strahlung zu erlangen und zur Bildgebung zu nutzen. Die zuvor beschriebenen Gedanken und Aspekte der vorliegenden Erfindung sowie alternative und/oder zusätzliche Aspekte der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden bevorzugten Aspekte der Erfindung beschrieben:The present invention allows a representation of a surface area of an object to be examined. Due to the local stimulation of an object surface area, location information can be obtained from the globally or globally observed radiation without having to use imaging optics for the observation. The coding of the stimulation radiation and the cooperative detection can furthermore provide temporal information which can be used to filter out the background radiation which is not caused by the local stimulation and thus to obtain information about the radiation actually generated by the stimulation and to use for imaging. The above-described ideas and aspects of the present invention as well as alternative and / or additional aspects of the present invention will be described with reference to the following preferred aspects of the invention:
1. System zur Bildgebung aufweisend eine Einrichtung zur lokalen Stimulation eines Objektoberflächenbereichs mittels kodierter Stimulationsstrahlung und eine Einrichtung zur kooperierenden Detektion von vom Objekt ausgehender Objektstrahlung, umfassend durch die Stimulation hervorgerufene Strahlung.A system for imaging comprising means for locally stimulating an object surface area by means of coded stimulation radiation and means for cooperatively detecting object radiation emanating from the object, comprising radiation caused by the stimulation.
2. System nach Aspekt 1, wobei die Detektionseinrichtung ausgebildet ist, eine Objektstrahlung einer Frequenz zu detektieren, die sich von der Frequenz der Stimulationsstrahlung unterscheidet.2. System according to aspect 1, wherein the detection device is designed to detect an object radiation of a frequency which differs from the frequency of the stimulation radiation.
3. System nach Aspekt 1 oder 2, wobei die Detektionseinrichtung ausgebildet ist, Objektstrahlung ausgehend von einem Detektionsbereich des Objekts zu detektieren, wobei der Bereich der lokalen Stimulation kleiner oder gleich dem Detektionsbereich ist.3. System according to aspect 1 or 2, wherein the detection device is designed to detect object radiation from a detection area of the object, wherein the area of the local stimulation is less than or equal to the detection area.
4. System nach Aspekt 1 , 2 oder 3, ferner aufweisend eine Steuereinrichtung die ausgebildet ist, die Detektion mit der Stimulation zu koordinieren, wobei die Koordination vorzugsweise unter Nutzung und/oder Steuerung der Kodierung der Stimulationsstrahlung erfolgt.4. System according to aspect 1, 2 or 3, further comprising a control device which is adapted to coordinate the detection with the stimulation, wherein the coordination is preferably carried out using and / or controlling the coding of the stimulation radiation.
5. System nach einem der vorangegangenen Aspekte, wobei die (eine) Steuereinrichtung ausgebildet ist, aus der detektierten Strahlung die durch die Stimulation hervorgerufene Strahlung zu filtern, vorzugsweise unter Nutzung und/oder Steuerung der Kodierung der Stimulationsstrahlung erfolgt.5. System according to one of the preceding aspects, wherein the (a) control device is designed to filter from the detected radiation caused by the stimulation radiation, preferably by using and / or controlling the coding of the stimulation radiation.
6. System nach einem der vorangegangenen Aspekte, wobei die (eine) Steuereinrichtung ausgebildet ist, auf Basis der durch die Stimulation hervorgerufenen Strahlung Bildinformation, vorzugsweise zur Darstellung auf einem Display, des stimulierten Bereichs zu erzeugen. 7. System nach einem der vorangegangenen Aspekte, wobei die Einrichtung zur lokalen Stimulation ausgebildet ist, nacheinander verschiedene, definierte Bereiche zu stimulieren.6. System according to one of the preceding aspects, wherein the (a) control means is adapted to generate based on the stimulation caused by the radiation image information, preferably for display on a display of the stimulated area. 7. System according to one of the preceding aspects, wherein the means for local stimulation is adapted to stimulate successively different, defined areas.
8. System nach einem der vorangegangenen Aspekte, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, auf Basis der detektierten durch die Stimulation hervorgerufenen Strahlung verschiedener definierter stimulierter Bereiche Bildinformation der verschiedenen stimulierten Bereiche zu erzeugen und aus diesen Bildinformationen ein Bild eines Objektoberflächenabschnitts zu erzeugen.8. The system according to one of the preceding aspects, wherein the control device is designed to generate image information of the different stimulated regions on the basis of the detected radiation caused by the stimulation of different defined stimulated regions and to generate an image of an object surface section from this image information.
9. System nach einem der vorangegangenen Aspekte, wobei die Stimulationseinrichtung ausgebildet ist, amplituden- und/oder frequenzmodulierte Stimulationsstrahlen zu erzeugen.9. System according to one of the preceding aspects, wherein the stimulation device is designed to generate amplitude and / or frequency modulated stimulation beams.
10. System nach einem der vorangegangenen Aspekte, wobei die Detektionseinrichtung ausgebildet ist, die Detektion mit der kodierten Stimulationsstrahlung zu synchronisieren.10. System according to one of the preceding aspects, wherein the detection device is designed to synchronize the detection with the coded stimulation radiation.
11. System nach einem der vorangegangenen Aspekte, wobei die Stimulationseinrichtung ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und/oder Infrarot-Bereich zu erzeugen und/oder wobei die Detektionseinrichtung ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung einer Frequenz, vorzugsweise im Mikrowellenbereich, zu detektieren, die tiefer ist, als die Frequenz der Stimulationsstrahlung.11. System according to one of the preceding aspects, wherein the stimulation device is designed to generate electromagnetic radiation in the visible and / or infrared range and / or wherein the detection device is adapted to detect electromagnetic radiation of a frequency, preferably in the microwave range, the deeper is, as the frequency of the stimulation radiation.
12. System nach einem der vorangegangenen Aspekte, wobei die Stimulationseinrichtung ausgebildet ist, Teilchenstrahlung zu erzeugen.12. System according to one of the preceding aspects, wherein the stimulation device is designed to generate particle radiation.
13. System nach einem der Aspekte 6 bis 12, wobei die Bildinformation Stoff- und/oder Geometrieinformation betreffend den stimulierten Bereich umfasst.13. System according to any of aspects 6 to 12, wherein the image information comprises material and / or geometry information relating to the stimulated area.
14. System nach einem der vorangegangenen Aspekte, wobei die Stimulationseinrichtung ausgebildet ist, eine Fluoreszenz in dem zu beobachteten Objekt zu erzeugen, und die Detektionseinrichtung ausgebildet ist, die Fluoreszenzstrahlung zu detektieren.14. System according to one of the preceding aspects, wherein the stimulation means is adapted to fluorescence in the observed To generate object, and the detection device is adapted to detect the fluorescence radiation.
15. System nach einem der vorangegangenen Aspekte, wobei die Detektionseinrichtung ausgebildet ist, an der Objektoberfläche gestreute Strahlung, beispielsweise aufgrund des Raman-Effekts, zu detektieren.15. System according to one of the preceding aspects, wherein the detection device is designed to detect scattered radiation on the object surface, for example due to the Raman effect.
16. Verfahren zur Abbildung eines Objekts mit den Schritten: lokales Stimulieren eines Oberflächenbereichs des Objekts mit kodierter Stimulationsstrahlung; kooperierendes Detektieren der von einem Detektionsbereich des Objekts ausgehenden Objektstrahlung, umfassend durch die Stimulation hervorgerufene Strahlung; und16. A method of imaging an object comprising the steps of: locally stimulating a surface area of the object with coded stimulation radiation; cooperatively detecting the object radiation emanating from a detection region of the object, comprising radiation caused by the stimulation; and
Darstellen des Oberflächenbereichs auf der Basis der detektierten Objektstrahlung.Representing the surface area on the basis of the detected object radiation.
17. Verfahren nach Aspekt 16, wobei Objektstrahlung bei einer Frequenz detektiert wird, die sich von der Frequenz der Stimulationsstrahlung unterscheidet.17. The method of aspect 16, wherein object radiation is detected at a frequency different from the frequency of the stimulation radiation.
18. Verfahren nach Aspekt 16 oder 17, wobei der lokal stimulierte Oberflächenbereich kleiner oder gleich dem Detektionsbereich ist.18. The method of aspect 16 or 17, wherein the locally stimulated surface area is less than or equal to the detection area.
19. Verfahren nach Aspekt 16, 17 oder 18, wobei die Detektion mit der Stimulation koordiniert wird, wobei die Koordination vorzugsweise unter Nutzung und/oder Steuerung der Kodierung der Stimulationsstrahlung erfolgt.19. The method of aspect 16, 17 or 18, wherein the detection is coordinated with the stimulation, wherein the coordination is preferably done using and / or controlling the coding of the stimulation radiation.
20. Verfahren nach einem der Aspekte 16 bis 19, wobei die Stimulationsstrahlung amplituden- und/oder frequenzmoduliert wird.20. The method according to any one of aspects 16 to 19, wherein the stimulation radiation is amplitude and / or frequency modulated.
21. Verfahren nach einem der Aspekte 16 bis 20, wobei die Detektion synchronisiert mit der kodierten Stimulationsstrahlung erfolgt.21. The method of any one of aspects 16 to 20, wherein the detection is synchronized with the coded stimulation radiation.
22. Verfahren nach einem der Aspekte 16 bis 21 , wobei aus der detektierten Strahlung die durch die Stimulation hervorgerufene Strahlung gefiltert wird, vorzugsweise unter Nutzung und/oder Steuerung der Kodierung der Stimulationsstrahlung.22. Method according to one of the aspects 16 to 21, wherein the radiation produced by the stimulation is filtered out of the detected radiation, preferably using and / or controlling the coding of the stimulation radiation.
23. Verfahren nach einem der Aspekte 16 bis 22, wobei auf Basis der durch die Stimulation hervorgerufenen Strahlung Bildinformation des stimulierten Bereichs erzeugt wird, zur Darstellung des Oberflächenbereichs.23. Method according to one of the aspects 16 to 22, wherein image information of the stimulated area is generated on the basis of the radiation caused by the stimulation, for the representation of the surface area.
24. Verfahren nach einem der Aspekte 16 bis 23, wobei nacheinander verschiedene, definierte Oberflächenbereiche des Objekts stimuliert werden.24. Method according to one of the aspects 16 to 23, wherein successively different, defined surface areas of the object are stimulated.
25. Verfahren nach einem der Aspekte 16 bis 24, wobei auf Basis der jeweils detektierten durch die Stimulation hervorgerufenen Strahlung verschiedener stimulierter Bereiche Bildinformationen der verschiedenen stimulierten Bereiche erzeugt werden und aus diesen Bildinformationen ein Bild eines Abschnitts der Objektoberfläche erzeugt wird.25. Method according to one of the aspects 16 to 24, wherein image information of the different stimulated areas is generated on the basis of the respective detected radiation caused by the stimulation of different stimulated areas and an image of a section of the object surface is generated from this image information.
26. Verfahren nach einem der Aspekte 16 bis 25, wobei die Stimulationsstrahlung elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und/oder Infrarot-Bereich ist und/oder elektromagnetische Strahlung einer Frequenz detektiert wird, die tiefer ist als die Frequenz der Stimulationsstrahlung.26. The method according to any of aspects 16 to 25, wherein the stimulation radiation is electromagnetic radiation in the visible and / or infrared range and / or electromagnetic radiation of a frequency is detected which is lower than the frequency of the stimulation radiation.
27. Verfahren nach einem der Aspekte 16 bis 26, wobei durch das lokale Stimulieren eine Fluoreszenz angeregt wird und die Fluoreszenzstrahlung detektiert wird.27. The method according to any one of aspects 16 to 26, wherein fluorescence is excited by the local stimulation and the fluorescence radiation is detected.
28. Verfahren nach einem der Aspekte 16 bis 27, wobei die Stimulationsstrahlung Teilchenstrahlung ist.28. The method of any one of aspects 16 to 27, wherein the stimulation radiation is particle radiation.
29. Verfahren nach einem der Aspekte 16 bis 28, wobei an der Objektoberfläche gestreute Strahlung, beispielsweise aufgrund des Raman-Effekts, detektiert wird.29. Method according to one of the aspects 16 to 28, wherein radiation scattered on the object surface, for example due to the Raman effect, is detected.
30. Verwendung eines Systems nach einem der Aspekte 1 bis 15 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Aspekte 16 bis 29. 31. Verwendung eines Systems nach einem der Aspekte 1 bis 15 und/oder eines Verfahrens nach einem der Aspekte 16 bis 29 zur Darstellung eines Objekts.30. Use of a system according to any one of aspects 1 to 15 for carrying out a method according to one of the aspects 16 to 29. 31. Use of a system according to one of the aspects 1 to 15 and / or a method according to one of the aspects 16 to 29 for the representation of an object.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.Preferred embodiments of the invention will be described in more detail below with reference to the accompanying figures.
Fig. 1 zeigt schematisch den Bereich der lokalen Stimulation und den Detektionsbereich gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;Fig. 1 shows schematically the area of local stimulation and the detection area according to an embodiment of the invention;
Fig.2 zeigt schematisch ein System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;Fig. 2 shows schematically a system according to an embodiment of the invention;
Fig. 3 zeigt (a) ein Messobjekt und (b) die durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltene Darstellung dieses Messobjekts; undFig. 3 shows (a) a measurement object and (b) the representation of this measurement object obtained by a method according to the present invention; and
Fig. 4(a) und (b) zeigen ein weiteres Messobjekt und die entsprechendeFIGS. 4 (a) and (b) show another measured object and the corresponding one
Darstellung durch ein bevorzugtes Verfahren gemäß der Erfindung.Representation by a preferred method according to the invention.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein Bild mittels eines Systems erzeugt, bei dem die Wiederausstrahlung elektromagnetischer Wellen verwendet wird. Bilder der Verteilung von oberflächennahen Objekteigenschaften werden durch Stimulation der Objekt-Oberfläche mittels lokal eingebrachter modulierter elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise von einem Laser-Oszillator, und nachfolgender zeitvariabler Änderung der lokalen Makro-Objekteigenschaften, wie zum Beispiel Temperatur, Emissivität, Wärmefluss oder von lokalen Mikroeigenschaften, wie beispielsweise Quantenzuständen von Oberflächenmolekülen, erzeugt. Diese lokalen Eigenschaftsänderungen äußern sich in einer entsprechenden elektromagnetischen Emission in einem weiten Frequenzspektrum, das von einem Empfänger, zum Beispiel im Mikrowellenbereich, räumlich pauschal erfasst wird.In particular, according to the present invention, an image is generated by means of a system in which the re-emission of electromagnetic waves is used. Images of the distribution of near-surface object properties are obtained by stimulation of the object surface by means of locally introduced modulated electromagnetic radiation, for example by a laser oscillator, and subsequent time-variable change of the local macro-object properties, such as temperature, emissivity, heat flow or local microproperties, such as quantum states of surface molecules. These local property changes manifest themselves in a corresponding electromagnetic emission in a broad frequency spectrum, which is spatially determined spatially by a receiver, for example in the microwave range.
Quellen für die Wiederausstrahlung elektromagnetischer Wellen können thermische Effekte sein, die durch die Aufheizung des Objekts entstehen, und/oder Fluoreszenzoder Streuungseffekte, wie der Raman-Effekt, die durch Anregung des Objektmaterials entstehen. Im Allgemeinen unterscheidet sich die Frequenz der Stimulationsstrahlung von der detektierten Strahlung. So ist eine unabhängige Optimierung der Stimulation und eine Auswahl der Detektionsstrahlung je nach den durch die Stimulation angeregten Effekten möglich. Beispielsweise ist durch eine geringe Betriebsfrequenz eine Reduzierung der Kosten für die Detektionseinrichtung möglich. Durch eine modulierte Stimulation und eine synchronisierte Detektion kann eine hohe geometrische Auflösung erreicht werden, in dem lediglich der Stimulator fokussiert wird. Vorzugsweise wird der Empfänger nicht bzw. nicht kontinuierlich fokussiert. Auch ist eine Steigerung der dynamischen Verstärkung möglich.Sources of re-emission of electromagnetic waves may be thermal effects resulting from the heating of the object, and / or fluorescence or scattering effects, such as the Raman effect, that result from excitation of the object material. In general, the frequency of the stimulation radiation differs from the detected radiation. Thus, independent optimization of the stimulation and selection of the detection radiation is possible depending on the effects stimulated by the stimulation. For example, a low operating frequency makes it possible to reduce the costs for the detection device. By a modulated stimulation and a synchronized detection, a high geometric resolution can be achieved, in which only the stimulator is focused. Preferably, the receiver is not focused or not continuously. Also, an increase in dynamic amplification is possible.
Fig. 1 zeigt schematisch den Bereich ALss& der lokalen Stimulation einer Objektoberfläche, beispielsweise durch Einstrahlung eines Lasers und den großflächigeren Bereich Ao der Detektion gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Größe des durch den Laserstrahl stimulierten Bereichs ALaser der Oberfläche ist in dieser Ausführungsform deutlich kleiner als der von der Detektionseinrichtung beobachtete Bereich Ao. Aufgrund der geringen Größe des angeregten Bereichs ALaSer kann die hohe geometrische Auflösung erreicht werden.1 schematically shows the region A Lss & the local stimulation of an object surface, for example by irradiation of a laser and the larger area Ao of the detection according to an embodiment of the invention. The size of the laser beam-stimulated area A L aser of the surface is significantly smaller in this embodiment than the area Ao observed by the detection means. Due to the small size of the excited region A LaS he high geometric resolution can be achieved.
Die zu erwartende Leistung des wiederausgestrahlten Signals kann, für den Fall der Nutzung thermischer Effekte unter der Annahme einer Schwarzkörperstrahlung wie folgt abgeschätzt werden, wobei diese Abschätzung für die Ausnutzung eines Fluoreszenzeffekts oder Raman-Effekts nicht geeignet ist und die gezeigten Maßnahmen zur Dynamikerweiterung auch nicht direkt auf diese übertragbar sind:The expected power of the re-radiated signal, in the case of the use of thermal effects assuming blackbody radiation, can be estimated as follows, but this estimate is not suitable for exploiting a fluorescence effect or Raman effect and the dynamic expansion measures shown are not direct either transferable to these are:
AA
= BM T + Laser AT= BM T + laser AT
AA
B ist hierbei die Bandbreite des Empfängers, k die Boltzmankonstante, To die Umgebungstemperatur und ΔT der Temperaturanstieg durch die Stimulation. Die Umgebungsrauschleistung PA,ENV kann wiederum mit folgender Formel abgeschätzt werden:Here, B is the bandwidth of the receiver, k is the bolt constant, To is the ambient temperature and ΔT is the temperature rise due to the stimulation. The ambient noise power PA, ENV can in turn be estimated using the following formula:
P = KkT Die Differenz zwischen PA und PA,ENV ergibt eine Abschätzung für die Leistung des aufgrund der Stimulation re-emittierten Signals.P = KkT The difference between P A and PA, ENV gives an estimate of the power of the signal re-emitted due to the stimulation.
Um den Dynamikbereich des Systems zu verbessern, kann daher einerseits der stimulierte Bereich Ai_aSer vergrößert werden, was zwar zu einem höheren Signalpegel, aber auch zu einer geringeren geometrischen Auflösung führt. Andererseits ist es möglich, den beobachteten Bereich Ao zu verkleinern, was wiederum das abgestrahlte Signal vergrößert, aber mit dem Nachteil verbunden ist, dass das zu beobachtende Objekt bzw. die Detektionseinrichtung bewegt werden muss, um einen größeren Bereich beobachten zu können. Weiterhin können zur Erhöhung des Dynamikbereichs auch verbesserte Systemkomponenten verwendet werden, beispielsweise ein verbesserter Mischer in dem mmW-Radiometer, ZF-Verstärker mit geringem Rauschen oder durch Verstärkung des HF-Signals vor der Konvertierung.In order to improve the dynamic range of the system, therefore, on the one hand, the stimulated area Ai_a S e r can be increased, which leads to a higher signal level, but also to a lower geometric resolution. On the other hand, it is possible to downsize the observed area Ao, which in turn increases the radiated signal, but has the disadvantage that the object to be observed or the detection device has to be moved in order to be able to observe a larger area. Furthermore, to increase the dynamic range, improved system components may also be used, such as an improved mixer in the mmW radiometer, low noise IF amplifiers, or by amplifying the RF signal before conversion.
Fig. 2 zeigt schematisch ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß Fig. 2 erfolgt die lokale Stimulation der Objektoberfläche 1 durch eine Stimulationseinrichtung 2, die einen Laser 21 aufweist. Der von der Lasereinrichtung 21 erzeugte Strahl ist kodiert, beispielsweise amplitudenmoduliert, was im einfachsten Fall eine An-Aus-Abfolge darstellt, die beispielsweise durch ein Blendenrad erzeugt werden kann. Jedoch sind auch andere Amplituden- oder Frequenzmodulationen möglich. Mit Hilfe einer Spiegel-Schwenkvorrichtung 22 wird die Oberfläche 1 des zu untersuchenden Objekts zeitlich nacheinander, Zelle für Zelle, beispielsweise von Zelle ai über Zelle aι< zu Zelle an, abgetastet. Die Steuerung der Modulation und der Schwenkvorrichtung 22 erfolgt durch eine zentrale Steuerung 4, beispielsweise einen Computer. Der zentralen Steuerung 4 ist somit der Ort der momentanen Stimulation auf der Objektoberfläche 1 bekannt.Fig. 2 schematically shows a system according to an embodiment of the present invention. According to FIG. 2, the local stimulation of the object surface 1 takes place by means of a stimulation device 2, which has a laser 21. The beam generated by the laser device 21 is coded, for example amplitude-modulated, which in the simplest case represents an on-off sequence that can be generated, for example, by an aperture wheel. However, other amplitude or frequency modulations are possible. With the aid of a mirror pivoting device 22, the surface 1 of the object to be examined is scanned in succession, cell by cell, for example from cell ai via cell aι < to cell a n . The control of the modulation and the pivoting device 22 is effected by a central control 4, for example a computer. The central controller 4 is thus aware of the location of the instantaneous stimulation on the object surface 1.
Durch eine Detektionseinheit 3, die gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform eine Antenne 31 und einen damit verbundenen Empfänger 32 aufweist, wird die von der gesamten Objektoberfläche 1 abgegebene Strahlung erfasst, beispielsweise Strahlung im Mikrowellenbereich. Diese erfasste Strahlung umfasst auch die Strahlung, die sich durch eine durch die Stimulationsstrahlung hervorgerufene Änderung der Oberflächeneigenschaft in dem lokal stimulierten Oberflächenabschnitt ergibt. Wird beispielsweise durch den Stimulationsstrahl der stimulierte Oberflächenbereich erwärmt, wird in diesem Oberflächenbereich Wärmestrahlung erzeugt und diese kann durch die Detektionseinrichtung 3 erfasst werden. Die durch die Stimulation hervorgerufene Änderung der Oberflächeneigenschaft äußert sich also in einer entsprechend veränderten Emission von elektromagnetischer Strahlung, die dann durch die Detektionseinrichtung 3 erfasst werden kann. Ein entsprechendes Signal wird von der Detektionseinrichtung 3 dann an die zentrale Steuerung 4 weitergegeben. Dieses Signal kann von der Steuerung 4 verarbeitet werden und somit kann auf einer Darstelleinheit 5, beispielsweise einem Computerbildschirm, ein Bild der Oberflächeneigenschaft generiert werden, indem dieses aus den einzelnen Bildelementen bk in Zeilen 1 bis m und Spalten 1 bis n bis zum End-Bildelement be aufgebaut wird.By means of a detection unit 3, which according to the embodiment shown in FIG. 2 has an antenna 31 and a receiver 32 connected thereto, the radiation emitted by the entire object surface 1 is detected, for example radiation in the microwave range. This detected radiation also includes the radiation resulting from a change in surface property in the locally stimulated surface portion caused by the stimulation radiation. If, for example, the stimulated surface area is stimulated by the stimulation beam heated, heat radiation is generated in this surface area and this can be detected by the detection device 3. The change in the surface property caused by the stimulation thus manifests itself in a correspondingly altered emission of electromagnetic radiation, which can then be detected by the detection device 3. A corresponding signal is then forwarded by the detection device 3 to the central controller 4. This signal can be processed by the controller 4 and thus on a display unit 5, for example a computer screen, an image of the surface property can be generated by dividing it from the individual picture elements b k in lines 1 to m and columns 1 to n to the end Image element b e is built.
Eine bildhafte Darstellung entsteht also erfindungsgemäß dadurch, dass während eine bestimmte Objektoberflächenzelle ak stimuliert wird, das Ergebnis des Empfängersignals an der äquivalenten Bildstelle bk angezeigt wird, zum Beispiel auf einem Bildschirm. Der Stimulationsstrahl wird nacheinander über die ganze Objektoberfläche von Zelle a-i bis ae geschwenkt, beispielsweise mit einem Spiegel- Scanner, und zeitgleich das Bild Zelle für Zelle aufgebaut. Erfindungsgemäß erkennt der Empfänger die richtige Objektoberflächenzelle an der dort durch die Modulation des Stimulators eingebrachten Kennung, nach dem Prinzip einer kodierten Zelle, während zeitgleich alle anderen Stellen der Oberfläche, die nicht stimuliert werden, nur Grundrauschen emittieren. Hierzu kann der Empfänger mit einem speziellen Filter für die Modulationsfrequenz, beispielsweise einem Synchron-Detektor oder einem FFT- Filter, was durch Software realisiert werden kann, ausgerüstet sein.A pictorial representation thus results according to the invention in that while a particular object surface cell a k is stimulated, the result of the receiver signal is displayed at the equivalent image location b k , for example on a screen. The stimulation beam is successively swiveled over the entire object surface from cell ai to a e , for example with a mirror scanner, and at the same time the image is built cell by cell. According to the invention, the receiver recognizes the correct object surface cell at the identifier introduced there by the modulation of the stimulator, according to the principle of a coded cell, while at the same time all other areas of the surface which are not stimulated emit only background noise. For this purpose, the receiver can be equipped with a special filter for the modulation frequency, for example a synchronous detector or an FFT filter, which can be realized by software.
Erfindungsgemäß kann die Bilderzeugung dadurch beschleunigt werden, dass gleichzeitig mehrere Stimulationsstrahlen der selben Trägerfrequenz auf verschiedenen, beispielsweise parallelen Bahnen und mit verschiedenen Modulationsfrequenzen die Oberfläche abscannen und der Empfänger gleichzeitig die verschiedenen Modulationssignale erkennt und deren Aussagen parallel dargestellt werden. Ferner können Bilder verschiedener Oberflächeneigenschaften erfindungsgemäß dadurch gleichzeitig hergestellt werden, dass mehrere Stimulationsstrahlen verschiedener Trägerfrequenzen, die den gesuchten Eigenschaften entsprechen, mit je eigener Modulationskennung die Oberfläche abscannen und der Empfänger selektiv die Trägerfrequenzen zeitgleich aufnimmt, an der Modulation erkennt und die den Trägerfrequenzen entsprechenden Aussagen auf einem oder verschiedenen Bildschirmen gleichzeitig darstellt.According to the invention, the image generation can be accelerated by simultaneously scanning a plurality of stimulation beams of the same carrier frequency on different, for example parallel tracks and with different modulation frequencies, the receiver simultaneously recognizing the different modulation signals and their statements being displayed in parallel. Furthermore, according to the invention, images of different surface properties can be produced simultaneously by scanning several stimulation beams of different carrier frequencies, which correspond to the sought-after properties, with their own modulation code, and the receiver selectively scans the surface Receives carrier frequencies at the same time, recognizes the modulation and representing the carrier frequencies corresponding statements on one or different screens simultaneously.
Es wird also mit dem Stimulationsstrahl von einem Stimulator, z.B. von einem Laser, der auch noch kodiert bspw. amplitudenmoduliert ist, die Oberfläche eines Objekts zeitlich nacheinander, Zelle für Zelle abgetastet, z.B. mit Hilfe einer Spiegel- Schwenkvorrichtung (Scanner), die von einer zentralen Steuerung versorgt wird. Dadurch ist in der zentralen Steuerung der Ort der momentanen Stimulation auf der Objekt-Oberfläche bekannt. Wird an dieser Stelle eine Änderung der Oberflächen- Eigenschaft z.B. der Temperatur hervorgerufen, die sich in einer entsprechend veränderten Emission von elektromagnetischer Strahlung äußert, dann kann diese Strahlung von einem hierfür passenden Empfänger aufgenommen werden, der sein Signal an die zentrale Steuerung weitergibt. Auf einer Darstelleinheit, z.B. einem Computerbildschirm, kann dann ein Bild der Oberflächeneigenschaft generiert werden, das aus den einzelnen Bildelementen aufgebaut wird.It is thus mixed with the stimulation beam from a stimulator, e.g. from a laser, which is also coded, for example, amplitude-modulated, the surface of an object in succession, scanned cell by cell, e.g. by means of a mirror swivel device (scanner), which is supplied by a central control. As a result, the location of the instantaneous stimulation on the object surface is known in the central control. If, at this point, a change in the surface property, e.g. caused by the temperature, which manifests itself in a correspondingly altered emission of electromagnetic radiation, then this radiation can be picked up by a matching receiver, which passes on its signal to the central control. On a presentation unit, e.g. a computer screen, an image of the surface property can then be generated, which is built from the individual picture elements.
Die Stimulationseinrichtung 2 und/oder die Detektionseinrichtung 3 sind somit über die zentrale Steuereinrichtung miteinander verbunden und werden über diese gesteuert. Dies erlaubt eine abgestimmte und koordinierte Steuerung von Stimulationsort, Kodierung der Stimulation und/oder Detektion und erlaubt somit vorzugsweise eine verbesserte Darstellung des Objekts bzw. der Objektoberfläche.The stimulation device 2 and / or the detection device 3 are thus connected to one another via the central control device and are controlled by the latter. This allows a coordinated and coordinated control of stimulation site, coding of the stimulation and / or detection and thus preferably allows an improved representation of the object or the object surface.
Fig. 3 (a) zeigt beispielhaft ein Messobjekt, dessen Oberfläche mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung abgebildet werden soll. Das Objekt ist einFig. 3 (a) exemplifies a measurement object whose surface is to be imaged by the method according to the present invention. The object is a
Aluminiumblech, das verschieden große Bohrlöcher aufweist. Die Oberfläche desAluminum sheet, which has different sized holes. The surface of the
Aluminiumblechs wurde mit Papier verdeckt, so dass die Bohrlöcher optisch nicht beobachtet werden können. Fig. 3 (b) zeigt die Abbildung des Aluminiumblechs, die mit einem System gemäß Fig. 2 aufgenommen wurde. Das bei der Stimulation der einzelnen Objektbereiche gemessene und verarbeitete Detektionssignal ist farbkodiert.Aluminum sheet was covered with paper so that the holes can not be visually observed. Fig. 3 (b) shows the image of the aluminum sheet taken with a system according to Fig. 2. The detection signal measured and processed during the stimulation of the individual object areas is color-coded.
Deutlich sind in Fig. 3 (a) an den Orten der Bohrungen Verfärbungen der Papierabdeckung zu beobachten, die durch die unterschiedliche Wärmeaufnahme bzw. -ableitung in diesen Bereichen hervorgerufen werden. Ist unter dem Papier ein Abschnitt des Aluminiumblechs angeordnet, wird die Oberfläche des Aluminiumblechs durch das Papier hindurch durch den Anregungsstrahl erwärmt und die Wärme relativ schnell in tiefere Bereiche des Aluminiumblechs weitergegeben. Wird dagegen der Bereich stimuliert, in dem die Bohrungen angeordnet sind, wird lediglich das zur Abdeckung verwendete Papier vom Laserstrahl getroffen, Wärme kann nicht an ein darunter angeordnetes Material abgegeben werden. Die erzeugte Abstrahlung in Bereichen mit beziehungsweise ohne Aluminiumblech unterscheidet sich dadurch, was sich auch in verschiedene Färbungen der entsprechenden Abschnitte überträgt.In Fig. 3 (a), discolorations of the paper cover caused by the differential heat absorption in this area are clearly observed at the locations of the holes. Is under the paper one Arranged portion of the aluminum sheet, the surface of the aluminum sheet is heated through the paper through the excitation beam and the heat relatively quickly passed into deeper areas of the aluminum sheet. On the other hand, if the area in which the holes are arranged is stimulated, only the paper used for the cover is hit by the laser beam, heat can not be given off to a material arranged underneath. The radiation produced in areas with or without aluminum sheet differs thereby, which also translates into different colors of the corresponding sections.
Die Empfängereinrichtung 32 weist zur kodierten Detektion verschiedene Filter- und Synchronisierungseinrichtungen auf. Die Kodierung, beispielsweise durch einfaches An- Aus-Schalten, erlaubt, Strahlung nur zu den Zeitpunkten zu detektieren, in denen auch die Stimulation erfolgt. Die Koordinierung der Detektion mit der kodierten Stimulation kann auch durch die zentrale Steuerung selbst erfolgen, beispielsweise dadurch, dass zwar kontinuierlich durch die Detektionseinrichtung 3 gemessen wird, diese kontinuierliche Messung aber mit der kodierten Strahlung in der zentralen Steuerung abgeglichen wird, und so die erforderliche zeitliche Auflösung erfolgt.The receiver device 32 has various filter and synchronization devices for coded detection. The coding, for example, by simply switching on, allows to detect radiation only at the times in which the stimulation takes place. The coordination of the detection with the coded stimulation can also be carried out by the central control itself, for example by the fact that although continuously measured by the detection device 3, this continuous measurement is compared with the coded radiation in the central control, and so the required temporal Resolution takes place.
Der Unterschied der vorliegenden Erfindung gegenüber einer herkömmlichen BiId- Herstellung, bestehend aus einer gleichzeitig die ganze Fläche erfassendenThe difference of the present invention over a conventional BiId- production, consisting of a simultaneously covering the whole area
Beleuchtung (z.B. durch Sonne, Scheinwerfer u.a.) und der gleichzeitigen Erfassung der aus dem Beleuchtungsstrahl reflektierten Licht-Anteile (mit einer notwendigerweise abbildenden Optik) besteht unter anderem darin, dass dieses klassische Verfahren nur eine Information über das Reflexionsvermögen der Oberfläche bei der Beleuchtungsfrequenz (Farbe) liefert und eine aufwändige abbildende Aufnahme-Optik benötigt, die u.U. eine zeitlich parallele Signalverarbeitung (z.B. Netzhaut des Auges und Gehirn) enthält und damit schnell sein kann.Lighting (eg by the sun, headlights, etc.) and the simultaneous detection of the light portions reflected from the illumination beam (with a necessarily imaging optics) consists, inter alia, in that this classical method only provides information about the reflectivity of the surface at the illumination frequency (color ) and requires a complex imaging recording optics, which may contains temporally parallel signal processing (e.g., retina of the eye and brain) and thus can be fast.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung, das auch als STIREEM-Verfahren (Stimulierte Re-Emission) bezeichnet werden kann, arbeitet dagegen zeitlich seriell und benötigt wegen der Kooperation zwischen Stimulations-Ort und Bildelement-Ort auf der Darstelleinheit keine abbildende Aufnahmeoptik, die gegebenenfalls als nachgeführte Optik ausgestaltet werden muss und kostenintensiv sein kann. Die Erkennung von Eigenschaften eines Objekts in Oberflächen-Nähe, also nicht nur direkt an bzw. auf sondern auch in Bereichen unter der Oberfläche, beispielsweise bis zu einer Tiefe von einigen Millimetern, ermöglicht Einblicke, die mit klassischen Verfahren (nur „passive" Reflexion) nicht möglich sind.The method of the present invention, which may also be referred to as STIREEM (Stimulated Re-Emission), on the other hand, works serially and, because of the cooperation between the stimulation location and the pixel location on the presentation unit, does not require imaging optics which may be tracked Optics must be designed and can be costly. Detecting properties of an object near the surface, not just directly on or on but also in areas below the surface, for example to a depth of a few millimeters, allows insights that are not possible with classical methods (only "passive" reflection).
Das STIREEM-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bietet eine geometrische Auflösung, die nicht durch die Frequenz des Anregungssystems oder der Apparatur der Antenne eingeschränkt ist. Im Rahmen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die „Beleuchtung" der Probe durch eine Stimulation der Probe bei einer relativ hohen Frequenz, beispielsweise mit einem Laser, erreicht werden. Die Empfangseinrichtung, die beispielsweise im Mikrowellenbereich arbeitet, detektiert das von der Objektoberfläche wieder ausgestrahlte Signal bei einer niedrigeren Frequenz. Unter Verwendung beispielsweise eines optischen Spiegel-Scanners, wie in Fig. 2 gezeigt, wird der Stimulationsstrahl über die Probenoberfläche geführt und „aktiviert" dabei die Moleküle im Bereich des Laserspots. Abhängig von der Art der Moleküle und der Stimulationsfrequenz erfolgt eine Re-Emission durch die Moleküle bei einer bestimmten Frequenz oder in einem Frequenzbereich. Wird der Empfänger auf diese Frequenz oder eine Frequenz aus dem Frequenzbereich eingestellt, kann ein Signal gemessen werden.The STIREEM method according to the present invention provides a geometric resolution that is not limited by the frequency of the excitation system or the apparatus of the antenna. Within the scope of an embodiment of the present invention, the "illumination" of the sample can be achieved by stimulating the sample at a relatively high frequency, for example with a laser The receiving device, operating, for example, in the microwave range, detects the signal radiated back from the object surface At a lower frequency, for example, using an optical mirror scanner as shown in Figure 2, the stimulation beam is passed over the sample surface, thereby "activating" the molecules in the region of the laser spot. Depending on the type of molecules and the stimulation frequency, re-emission by the molecules takes place at a certain frequency or in a frequency range. If the receiver is set to this frequency or a frequency from the frequency range, a signal can be measured.
Die laterale Auflösung ist hierbei lediglich von der Größe des Stimulationsbereichs abhängig. Wird zur Stimulation ein CO2-Laser mit einer Frequenz von etwa 30 THz, entsprechend einer Wellenlänge von 10,6 μm, verwendet, ist die Größe des Laserspots etwa 10"8 m2. Auch wenn der Messbereich um mehrere Größenordnungen größer ist, wie beispielsweise bei einem Messbereich von 10"2 m2 für ein Empfangsantennensystem, das bei einer Frequenz von 30 GHz, entsprechend einer Wellenlänge 1 cm, mit einer Apertur von 0,1 m und einer Messdistanz von 1 m, ist eine Auflösungsverbesserung um einen Faktor von 106 möglich. Die Zuordnung des beobachteten Pixels zu dem Bildpixel wird durch eine zentrale Steuerung erreicht. Hierbei wird der Scan-Winkel des Stimulationsstrahls zu einer bestimmten Zeit dazu verwendet, die Bild-Pixelposition zu errechnen, die dann mit dem Empfangssignal zu dieser Zeit bei der Ernpfangsfrequenz zugeordnet wird. Die Stimulationszeit bei dem Pixel auf der Probe hängt von dem für die Re-Emission verwendeten Effekt und der Bildgebungsanwendung ab. Um die Sensitivität zu erhöhen, kann der Stimulationsstrahl beispielsweise durch ein Blendenrad bzw. einen optischen Zerhacker moduliert werden. Die Synchronisation eines Lock-In- Verstärkers mit der Modulationsfrequenz führt zu einem Empfangssignal, das lediglich eine Information über den Stimulationsbereich enthält und nicht mehr den gesamten Detektionsbereich umfasst. Durch die Lock-In-Technik kann ein gutes Signal- zu-Rausch-Verhältnis für das bildgebende System erzielt werden.The lateral resolution here depends only on the size of the stimulation area. If a CO 2 laser with a frequency of approximately 30 THz, corresponding to a wavelength of 10.6 μm, is used for the stimulation, the size of the laser spot is approximately 10 -8 m 2 Even if the measuring range is several orders of magnitude greater, such as For example, with a measurement range of 10 "2 m 2 for a receive antenna system operating at a frequency of 30 GHz, corresponding to a wavelength of 1 cm, with an aperture of 0.1 m and a measurement distance of 1 m, a resolution improvement by a factor of 10 6 possible. The assignment of the observed pixel to the image pixel is achieved by a central controller. Here, the scan angle of the stimulation beam at a particular time is used to calculate the image pixel position, which is then associated with the receive signal at that time at the receive frequency. The stimulation time at the pixel on the sample depends on the effect used for the re-emission and the imaging application. To increase the sensitivity, the stimulation beam can be modulated, for example, by an aperture wheel or an optical chopper. The synchronization of a lock-in amplifier with the modulation frequency leads to a received signal that contains only information about the stimulation area and no longer covers the entire detection area. The lock-in technique can provide a good signal-to-noise ratio for the imaging system.
Dies wird durch die nachfolgenden Beispiele verdeutlicht:This is illustrated by the following examples:
a) Feste Körper oder Gebilde mit Fest/Flüssig-Grenzen, die in der Oberfläche unterschiedliche Stellen im Wärmespeicher- bzw. Wärmeleitvermögen besitzen, können mit dem STIREEM-Verfahren radiometrisch beobachtet werden, auch wenn bei herkömmlicher Beobachtung durch Reflexion an einer (einheitlich) reflektierenden Fläche keine Einzelheiten mehr erkennbar sind. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn die der Beobachtung zugewandte Seite eines Körpers durch Schutzfilme (z.B. Oxide, Lacke, Kunststoffschichten) überzogen wurde. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeableitung aus der vom Stimulationsstrahl zugeführten Energie in den Körperhintergrund kann ein unterschiedlicher Hintergrund hinter einem Schutz- oder Tarnfilm erkannt werden. Dies kann vor allem bei Fertigungskontrollen wichtig sein, wenn ein Teil des Schutzfilms sich vom Körperhintergrund gelöst hat. Auch kann eine Delamination einer Zwischenschicht in Multilayermaterial erkannt und dargestellt werden. Ferner kann man mit der Methode gemäß der Erfindung Sacklöcher von der Rückseite auf der visuell einheitlichen Oberfläche erkennen, wie unter Bezug auf die Fig.3 oben beschrieben.a) Solid bodies or structures with solid / liquid boundaries that have different locations in the surface heat storage or thermal conductivity can be observed radiometrically with the STIREEM method, even if in conventional observation by reflection on a (uniform) reflective Area no details are recognizable. This may in particular be the case when the observation-facing side of a body has been coated by protective films (e.g., oxides, varnishes, plastic layers). Due to the different heat dissipation from the energy supplied by the stimulation beam into the body background, a different background behind a protective or camouflage film can be detected. This can be particularly important in manufacturing controls, if a part of the protective film has detached itself from the body. Also, delamination of an intermediate layer in multilayer material can be detected and displayed. Furthermore, with the method according to the invention, blind holes can be recognized from the rear side on the visually uniform surface, as described with reference to FIG. 3 above.
b) In einer zweiten Gruppe von STIREEM-Anwendungen werden nicht Wärmeeffekte, sondern Frequenzverschiebungen auf Oberflächen ausgenutzt. Der Empfänger muss dann auf die gegenüber der Stimulationsfrequenz verschobene Re-Emissionsfrequenz (gegebenenfalls auf mehrere Re-Emissionsfrequenzen) abgestimmt werden. Frequenzverschiebende Effekte können z.B. sein: die lineare bzw. die nichtlineare (2 Photonen-) Fluoreszenz und der Raman-Effekt mit seinen STOKES - und Anti- STOKES-Linien bei Molekülen. Beide Effekte werden seit Längerem genutzt bei der Erkennung von Schad- oder Nutzstoffen in der gasförmigen Atmosphäre und in Gewässern (Umweltdiagnostik) sowie seit einigen Jahren in der Zelldiagnostik mit speziellen Mikroskopen in Biologie und Medizin.b) In a second group of STIREEM applications, not heat effects but frequency shifts on surfaces are exploited. The receiver must then be tuned to the re-emission frequency shifted from the pacing rate (if necessary to several re-emission frequencies). Frequency-shifting effects can be: linear or non-linear (2-photon) fluorescence and the Raman effect with its STOKES and anti-STOKES lines in molecules. Both effects have been used for a long time in the detection of pollutants or substances in the gaseous atmosphere and in Waters (environmental diagnostics) as well as for several years in cell diagnostics with special microscopes in biology and medicine.
Die Erfindung kann insbesondere bei der Beobachtung „technischer" Oberflächen wie z.B. Bio-Chips verwendet werden, die mit organischem Material beschichtet sind, oder bei biologisch/chemischen Waffen, wie z.B. Bakterien in Briefumschlägen oderIn particular, the invention can be used in the observation of "technical" surfaces, such as bio-chips coated with organic material, or in biological / chemical weapons, such as bacteria in envelopes or
Plastiksprengstoff unter Kleidung und ähnliche Fälle. Schließlich zählen zu den frequenzverschiebenden Effekten auch noch die Bildung von HarmonischenPlastic explosive under clothes and similar cases. Finally, the frequency-shifting effects also include the formation of harmonics
(ganzzahligen Vielfachen) der Stimulationsfrequenz fs; der Empfänger muss dann auf diese harmonischen Frequenzen n-fs (n = 2,3,4...) abgestimmt sein.(integer multiples) of the stimulation frequency f s ; the receiver must then be tuned to these harmonic frequencies nf s (n = 2,3,4 ...).
c) Die Nutzung dieser Effekte nach dem STIREEM-Prinzip könnte bei der Beobachtung und Analyse von Prozessen in der Laser-Materialbearbeitung wie z.B. in der Halbleiterfertigung oder bei der Laser-Materialbearbeitung (Trennen, Schweißen, Fügen) von Bedeutung sein. Bei diesen Verfahren ist zu jedem Zeitpunkt die Position des Laserstrahls bekannt, so dass über eine geeignete Auswertung Informationen zu den Prozesseigenschaften gewonnen werden können.c) The use of these effects according to the STIREEM principle could be used in the observation and analysis of processes in laser material processing such as e.g. in the semiconductor manufacturing or in the laser material processing (cutting, welding, joining) of importance. In these methods, the position of the laser beam is known at all times, so that information about the process properties can be obtained via a suitable evaluation.
d) Die Eigenschaften des Laserstrahles (geringe Strahlaufweitung über große Entfernungen) ermöglichen die Anwendung des STIREEM-Prinzips auf Messobjekte, die sich in größerer Entfernung befinden. Diese Art der Fernerkundung kann für sicherheitsrelevante und militärische Aufgaben verwendet werden. Hierzu zählen die Materialanalyse über größere Entfernungen, Aufspüren von Hohlräumen unter Oberflächen sowie alle oben bereits genannten Aufgabenfelder.d) The properties of the laser beam (low beam spread over long distances) allow the application of the STIREEM principle to longer distance targets. This type of remote sensing can be used for security-related and military tasks. These include material analysis over long distances, detection of cavities under surfaces as well as all above-mentioned tasks.
Das Auflösungsvermögen hängt bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nur von der Stimulationsfrequenz fs bzw. der zugehörigen Wellenlänge X3 ab; in normaler Atmosphäre (als dem der Zieloberfläche vorgelagertem Medium) gilt λs = C0 / fs mit C0 = 3-108 m/s. Ein Maß für die Auflösung ist der Abstand Δx von zwei Punkten, die gerade noch voneinander unterscheidbar sind. Bei einem üblicherweise benutzten Laser für die Stimulation darf man annehmen, dass die Taille eines Gaußstrahls mit dem Taillendurchmesser 2w0 auf der Zieloberfläche dort ein Δx = 2w0 von = 2 λs erzeugt. Bei einem „grünen" Laser mit λs = 500 nm würde somit eine Auflösung von Δx = 1 μm möglich sein. Vergleicht man diesen Wert mit dem Durchmesser des Flecks DR6, aus dem ein Re-Emissionsempfänger Signale aufnimmt - und damit auch ohne das STIREEM-Verfahren örtlich auflösen könnte - so sieht man, dass in allen Fällen von fRe « fs ein deutlicher Auflösungsgewinn zu erreichen ist. Im radiometrischen Beispiel sei als fs = 30 THz bzw. λs = 10 μm und fRe = 30 GHz bzw. λRe = 1 cm gewählt. Selbst wenn der Mikrowellenempfänger auf den Stimulationsbereich fokussiert wäre, mit einer Gaußstrahl-Taille von 2λRe =2 cm, ergäbe sich eine Auflösung von Δx = λs = 20 μm und damit eine Verbesserung um den Faktor 1000.The resolving power in the method according to the present invention depends only on the stimulation frequency f s or the associated wavelength X 3 ; in a normal atmosphere (as the medium upstream of the target surface) λ s = C 0 / f s with C 0 = 3-10 8 m / s. One measure of the resolution is the distance Δx from two points that are barely distinguishable from each other. In a commonly used laser for stimulation, it may be assumed that the waist of a Gaussian beam with the waist diameter 2w 0 on the target surface produces a Δx = 2w 0 = 2 λs there. In the case of a "green" laser with λs = 500 nm, a resolution of Δx = 1 μm would thus be possible If this value is compared with the diameter of the spot DR 6 , from which a re-emission receiver picks up signals - and thus could also dissolve locally without STIREEM process - so you can see that in all cases of f Re "f s a significant increase in resolution can be reached. In the radiometric example, we choose f s = 30 THz or λ s = 10 μm and f Re = 30 GHz or λ Re = 1 cm. Even if the microwave receiver were focused on the stimulation area, with a Gaussian beam waist of 2λ Re = 2 cm, this would result in a resolution of Δx = λ s = 20 μm and thus an improvement by a factor of 1000.
Ein weiteres Charakteristikum des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass der Stimulationsstrahl kodiert, im einfachsten Fall amplitudenmoduliert ist. Von diesem Modulationsvorgang hängt die Scan-Geschwindigkeit ab. Allgemein gilt, je schneller moduliert werden kann, umso schneller darf der Strahlwinkel verändert werden.Another characteristic of the method of the present invention is the fact that the stimulation beam is coded, in the simplest case amplitude-modulated. The scan speed depends on this modulation process. In general, the faster it can be modulated, the faster the beam angle may be changed.
Bei den oben beschriebenen „Wärme-Änderungs"-Effekten, die langsam ablaufen, sollte die Modulationsfrequenz f^ nicht höher als z.B. 10 Hz gewählt werden. Entsprechend lang sind die Verweilzeiten des Stimulationsstrahls auf einer Zelle an der Zieloberfläche, in der Regel etwa 10 Periodendauem TM = 1/fM, in diesem Beispiel also 10 TM = 1 S. Bei einem Ziel-Feld auf der Oberfläche von z.B. 10 Spalten und 10 Zeilen aus Objektelementen ak errechnet sich dann eine Gesamt-Abtastzeit von 10-10-1 s = 100 s. Genau so schnell erfolgt der Bildaufbau in der Darstelleinheit. Sind die Mechanismen der Re-Emission viel schneller, wie z.B. bei Verwendung des Raman-Effekts oder auch bei der linearen Fluoreszenz, kann auch die Objekt-Abtastung und damit der Bildaufbau schneller erfolgen. Der Spiegel-Schwenkmechanismus des Scanners und die Signalverarbeitungs-EIektronik geben in diesem Fall nicht die Grenzen vor.For the "heat-change" effects described above, which are slow, the modulation frequency f ^ should not be higher than, for example, 10 Hz, and the residence times of the stimulation beam on a cell at the target surface are correspondingly long, typically about 10 periods T M = 1 / f M , in this example 10 T M = 1 s. For a target field on the surface of eg 10 columns and 10 lines of object elements ak then a total sampling time of 10-10-1 is calculated s = 100 s The image structure in the rendering unit is just as fast: If the mechanisms of the re-emission are much faster, eg when using the Raman effect or also with the linear fluorescence, the object scan and thus the image composition can also be done The mirror swivel mechanism of the scanner and the signal processing electronics in this case do not give the limits.
Als Quellen für den Stimulationsprozess können alle Generatoren zur Erzeugung von monochromatischem, kohärentem „Licht" verwendet werden: also von Lasern im UV- Gebiet bis zu FIR/THz-Lasern, soweit sie eine hinreichende Amplitude mit ausreichender zeitlicher Stabilität besitzen. Der Lasertyp, d.h. die Stimulationsfrequenz fs hängt ab von dem Effekt, den man nutzen will, insbesondere auch von dem Absorptionskoeffizient bei fs an der jeweiligen Oberfläche. In den bisher im Rahmen der Erfindung durchgeführten experimentellen Untersuchungen mit thermischen Effekten wurde zur Stimulation ein CO2-Laser (bei λ = 10 μm Wellenlänge) genutzt, da bei dieser Wellenlänge viele Stoffe wenig reflektieren, d.h. die Stimulationsfrequenz gut absorbiert wird und damit Wärmeeffekte auslöst.As sources for the stimulation process, all generators can be used to produce monochromatic, coherent "light": from lasers in the UV region to FIR / THz lasers, provided they have a sufficient amplitude with sufficient stability over time The stimulation frequency f s is dependent on the effect which one wishes to use, in particular also on the absorption coefficient at f s on the respective surface In the experimental investigations with thermal effects previously carried out in the context of the invention, a CO 2 laser (FIG. at λ = 10 micron wavelength), since in this Wavelength many substances reflect little, ie the stimulation frequency is well absorbed and thus causes heat effects.
Die Frequenzlage des Re-Emissions-Empfängers richtet sich nach dem benutzten Effekt. Für radiometrischen Empfang bei Wärmeänderungseffekten kann der ganze, gerätetechnisch verfügbare Mikrowelleπbereich genutzt werden. Bei Experimenten wurde beispielsweise ein 150 GHz-Empfänger mit ca. 1 GHz-Bandbreite verwendet.The frequency position of the re-emission receiver depends on the effect used. For radiometric reception in the case of heat change effects, the entire microwave range available on the device can be used. In experiments, for example, a 150 GHz receiver with about 1 GHz bandwidth was used.
Ein weiteres Beispiel der Anwendung der vorliegenden Erfindung ist in den Figuren 4(a) und 4(b) gezeigt. Fig. 4(a) zeigt einen Holzblock, in den an bestimmten Stellen Teflon, Karton und Keramik eingebettet ist. In der Abbildung des Objekts mithilfe des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann gemäß Fig. 4(b) das Vorhandensein dieser unterschiedlichen Substanzen innerhalb des Holzblocks nachgewiesen werden.Another example of the application of the present invention is shown in Figures 4 (a) and 4 (b). Fig. 4 (a) shows a wood block in which Teflon, cardboard and ceramic are embedded in certain places. In the image of the object by the method of the present invention, as shown in Fig. 4 (b), the presence of these different substances within the wood block can be detected.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung basiert somit insbesondere auf lokaler kodierter Stimulation, Empfang vorzugsweise bei einer anderen Wellenlänge zur Ausnutzung thermischer oder nichtthermischer oberflächennaher Effekte, Erkennung des Bildsignals aus der Kodierung und momentanen Ortslage der Stimulation und hochaufgelöste Darstellung von Objektmerkmalen, die mit herkömmlichen Abbildungsverfahren nicht oder nicht so hoch aufgelöst gewonnen werden können.The method of the present invention is thus based in particular on local coded stimulation, reception preferably at a different wavelength for exploiting thermal or nonthermal near-surface effects, recognition of the image signal from the coding and instantaneous location of the stimulation and high-resolution representation of object features that do not or with conventional imaging methods can not be won so high.
Die bildgebende Vorrichtung arbeitet also nach dem STIREEM-Prinzip, d.h. lokale Stimulation der Objektoberfläche mit einer kodierten Strahlung, z.B. der Frequenz fs« und Bilderzeugung aus dem kooperierenden Empfang von Strahlung vorzugsweise auf einer anderen Frequenz fRee infolge Re-Emission der stimulierten Fläche zur Erkennung von Stoff- und Geometrie-Unterschieden in der Objektoberfläche.The imaging device thus operates according to the STIREEM principle, ie local stimulation of the object surface with a coded radiation, eg the frequency fs and image generation from the cooperative reception of radiation preferably at a different frequency f R ee due to re-emission of the stimulated surface Detection of material and geometry differences in the object surface.
Die Frequenz fsa der stimulierenden Strahlung kann im Spektralbereich zwischen Ultraviolett und Fern-Infrarot liegen und die Frequenz fRee der re-emittierten Strahlung niederfrequenter als fsti dominierend breitbandig im Spektralbereich der Mikrowellen liegen. Eine spezielle Frequenz fsti kann von einem Teil der Oberfläche selektiv absorbiert werden und dabei fRee als Fluoreszenzstrahlung stimuliert werden, wodurch die Stoffart dieses Oberflächenteils erkennbar wird.The frequency fsa of the stimulating radiation may be in the spectral range between ultraviolet and far-infrared, and the frequency f Ree of the re-emitted radiation may be lower frequency than f sti dominant broadband in the spectral range of the microwaves. A specific frequency fsti can be selectively absorbed by a part of the surface, thereby stimulating f Ree as fluorescence radiation, whereby the kind of substance of this surface part becomes recognizable.
Von einer z.B. schmalbandigen fsti kann in Teilen der Oberfläche per Raman-Effekt fRec als STOKES- bzw. Anti-STOKES-Linien zur Re-Emission stimuliert werden, wodurch diese Teile in ihrer Stoffart erkennbar sind.From a narrow-band fsti, for example, parts of the surface can be stimulated by the Raman effect f Rec as STOKES or anti-STOKES lines for re-emission, whereby these parts are recognizable in their material type.
Vor dem Objekt, also zwischen Stimulationsquelle sowie Re-Emissions-Empfänger und Objekt-Oberfläche kann eine für fStι und fRβe transparente Deckschicht liegen, die eine normale visuelle Durchsicht behindert, aber gleichwohl eine STIREEM-Bildgebung ermöglicht.In front of the object, that is to say between the stimulation source and the re-emission receiver and the object surface, there may be a cover layer which is transparent to f S t and f R e , which hinders normal visual transparency, but nevertheless allows STIREEM imaging.
Die stimulierende Strahlung kann auch nicht elektromagnetischer Art sein, sondern aus Teilchen mit von Null verschiedener Ruhemasse (Korpuskeln) bestehen, wobei sich das Objekt dabei im Vakuum befinden kann, die re-emittierte elektromagnetische Strahlung aber auch außerhalb des Vakuumgefäßes empfangbar sein kann.The stimulating radiation can not be electromagnetic type, but consist of particles with non-zero rest mass (Korpuskeln), the object may be in a vacuum, the re-emitted electromagnetic radiation but also outside the vacuum vessel can be received.
Es können gleichzeitig mehrere stimulierende Strahlen mit je eigener Codierung (Modulation) und/oder eigener Frequenz fstj an verschiedenen Stellen die Oberfläche des Objekts abscannen und durch kooperierenden Empfang der von den verschiedenen Stellen gleichzeitig erzeugten re-emittierenden Strahlung einen schnelleren Bildaufbau ermöglichen.At the same time, several stimulating beams with their own coding (modulation) and / or their own frequency fst j can scan the surface of the object at different locations and enable a faster image buildup by cooperatively receiving the re-emitting radiation generated simultaneously by the various points.
Die Frequenzen fRee der re-emittierten Strahlung können höhere Harmonische (n -≤) der Stimulationsfrequenz fsti sein.The frequencies f R ee of the re-emitted radiation may be higher harmonics (n-≤) of the stimulation frequency fsti.
Die Vorrichtung kann bei der Laser-Material-Bearbeitung bzw. Laser-Gewebe- Bearbeitung in Fertigungstechnik bzw. Medizin eingesetzt werden. The device can be used in laser material processing or laser tissue processing in manufacturing technology or medicine.
Claims
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 08759650 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 08759650 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |