测量时域数据中脉冲的渡越时间位置的系统和方法
【专利说明】测量时域数据中脉冲的渡越时间位置的系统和方法
[0001] 本申请是国际申请日为2008年7月14日的、名称为"测量时域数据中脉冲的渡越 时间位置的系统和方法"的发明专利申请No. 200880106694.X(PCT/US2008/069935)的分案 申请。
【背景技术】
[0002] 本发明设及测量时域波形数据中脉冲的渡越时间的方法。使用时域太赫数据给出 示例W确定样本性质。太赫电磁福射在很多工业测量应用中有潜在的用处。在TD-??ζ，福 射的基本上单周期的脉冲（近似Ips宽度，图1)被同步产生和检测。运种同步方法导致波 形时间窗上福射的电场强度的高保真测量。运种窗口的宽度可根据使用的仪表设备在宽范 围中变化。由于??ζ福射脉冲在时间上非常短暂，所W它们将包含非常宽的频带（lOGHz直 到50THZ)。
[0003] 一旦TD-??ζ脉冲与样本互相作用，就能够从获取的时域数据提取一些有用的测 量结果。可能的测量结果包括但不限于：样本质量、厚度、密度、折射率、密度和表面变化W 及光谱学（例如，湿气含量、多形体识别）。
[0004] 图2表示太赫发射器10和太赫接收器12。TD-THz，在??ζ脉冲与材料互相作用之 后的??ζ脉冲的变化记录于时域波形中。例如，作为穿过样本14的脉冲，与穿过空气路径的 相同脉冲的传输相比，该脉冲到达接收器将会衰减和延迟（图2)。脉冲延迟的量由材料的 群组折射率值和样本射束中的质量的值确定。脉冲的衰减也取决于材料的折射率（化esnel 反射损失）、样本对福射的散射和材料对脉冲的频率的衰减。
[0005] 在最上面的示意图中，??ζ脉冲W最小的飞行时间穿过空气并且没有幅度损失。在 ??ζ射束路径中加入基本上透明的固体材料（例如，塑胶、纸和布）（左下角）将会导致更长 的脉冲飞行时间。增加的飞行时间与材料的质量和折射率成比例。在右下角的示意图中， 除了产生飞行时间脉冲延迟之外，散射或吸收介质（诸如，装着泡沫或水的布）还会减小脉 冲幅度。
[0006]利用从样本反射TD-??ζ脉冲能够进行很多测量（图3)。图3显示了一组可能的 互相作用和由此能够测量的样本性质。所有测量的一致要求是对TD-THz脉冲的渡越时间 值的精确确定。
[0007] -个示例性测量是样本厚度测量。可W根据透射或反射光学几何进行运种测量。 在透射中，样本14导致的??ζ脉冲的延迟能够用于测量厚度（图4)。在图4中，线16代表 没有样本。线18代表薄样本。线20代表厚样本。运种方法需要从在两个不同时间获取的 两个时域波形确定峰的时间位置（即，样本进出射束）。如果任一峰的位置由于仪表或环境 条件而移位，则运种方法会导致偏移或定标误差。
[000引另一方面，??ζ脉冲将会在任何交界面反射一些能量（例如，化esnel反射）。参 照图5,示出了多程样本室21。如图6中所示，能够观察到从样本的前表面和后表面使用镜 子22和24进行的反射。运两个反射峰之间的时间延迟由材料的质量和折射率确定。因此， 可W根据单一时域波形来测量样本的质量、样本的厚度和/或密度。W运种方式进行的测 量将会表现出减小的偏移或时间斜率误差。
[0009] 使??ζ脉冲多次通过样本将会增加观察到的时间延迟而不会改变脉冲时间测量 的不精确性（只要保持足够的信噪比）。运个概念显示在图4中。运种方法将会增加整体 样本厚度测量精确度。
[0010] 反射波形的一个有趣方面是波形脉冲的极性。TD-??ζ测量直接的电场，因此脉冲 的极性就指示电场极性。在透射测量中，样本的存在不影响脉冲极性。然而，对于反射测量， 当从低到高折射率或金属交界面反射时，脉冲将会翻转极性。运就是为什么图6的反射波 形中的第一脉冲（空气到样本）极性翻转的原因。反射的强度尤其取决于两种材料之间的 折射率差。运个信息能够用于确定横跨交界面的两种材料的折射率变化差值，包括差值的 符号。
【附图说明】
[0011] 图1表示时域太赫灯D-THz)波形；
[0012] 图2表示??ζ脉冲与材料的互相作用；
[0013] 图3表示TD-??ζ脉冲的示例性反射互相作用；
[0014] 图4表示空气和各种厚度样本的透射测量；
[0015] 图5表示多程样本室；
[0016] 图6表示样本的反射TD-??ζ波形；
[0017] 图7表示从各种材料厚度反射的TD-??ζ脉冲的仿真例子；
[0018] 图8表示应用于各种样本厚度的边缘中点算法的图；
[0019] 图9表示峰峰反射波形幅度对样本厚度的图；
[0020] 图10表示用于中点确定的脉冲边缘；
[0021] 图11表示所选择的边缘中点的线性拟合；
[0022]图12表不中点确定的流程图；
[0023] 图13表示多峰寻找的两种标准情况；
[0024] 图14表示多峰寻找的两种非标准"双极"情况；
[00巧]图15表示第一峰标注为双极并且第二峰标注为标准类型的情况；
[0026] 图16表示模型波形；
[0027] 图17表示样本波形，其中，前两个峰是塑料垫片，后两个峰是娃参考标准具；
[0028] 图18表示模型波形峰的放大图；
[0029] 图19表示样本波形峰的放大图；
[0030] 图20表示使用256个点的模型波形对样本波形的试验拟合的开始点；
[0031] 图21表示在方法优化之后的最后结果；
[0032] 图22表示塑料垫片厚度测量结果；
[0033] 图23表示用于去卷积方法的样本数据；
[0034] 图24表示图23中的数据的化urier变换；
[0035] 图25表示样本除W基准的频域结果；
[0036] 图26表示把Ti化onov滤波器应用于图25的结果导致对于具有更大信噪比的频 率的数据重新分配权重；
[0037] 图27表示图26中的数据的逆Fourier变换，是图23中的数据的完成的去卷积；
[0038] 图28表示应用于去卷积结果的模型拟合；
[0039] 图29表示把图27与Gaussian函数进行卷积的结果；
[0040] 图30表示图29的模型拟合；
[0041] 图31表示包括反射的图30的模型拟合；
[0042] 图32表示具有内部校准标准具的传感器；
[0043] 图33表示来自内部校准标准具传感器和单层样本的反射波形；
[0044] 图34表示ICE/后反射器结构，其中，最左边的图是空结构，而最右边的图是具有 样本的结构；
[0045] 图35表示内部校准标准具/后反射器结构中的样本的TD-??ζ波形；
[0046] 图36表示样本多程标准具；
[0047] 图37表示具有同时的基准空气路径的多程样本标准具室；
[0048] 图38是应用本发明的原理的通用计算机的方框图。
【具体实施方式】
[0049] 为了进行一些不同样本性质测量，需要精确地确定TD-??ζ脉冲的渡越时间。运可 W通过多种方法来实现。提供了使用TD-??ζ脉冲作为示例数据的快速、高精度脉冲时间值 的Ξ种算法：边缘中点方法、模型拟合方法和利用拟合的去卷积方法。W下描述确定最佳算 法的指导。
[0050] 算法的选择取决于多个因素，图7示出了运一点。波形26模拟前反射和后反射之 间的lOps延迟，等效于η= 1. 5的3mm材料。波形28是化S(0. 6mm)，波形30是0. 02ps化0 微米），波形32是0. 005PS(15微米）。边缘中点算法通常是更快的计算方法，但它通常对 于非常薄的样本不能很好地起作用（图8)。峰峰幅度方法也很快，但仅对非常薄的样本起 作用（图9)。模型拟合和去卷积算法通常对所有样本起作用，并提供更高的精度（表1)， 但计算较慢。