CN103499392B

CN103499392B - 一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪

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Publication number: CN103499392B
Application number: CN201310442738.9A
Authority: CN
Inventors: 孟坤; 朱礼国; 刘乔; 钟森城; 雷江波
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: CN103499392A

Abstract

本发明涉及太赫兹光谱成像技术领域，尤其是涉及一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪。本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪，将太赫兹波远场成像的空间分辨能力提高到微米量级，提高太赫兹成像质量，拓展太赫兹成像技术的应用领域。本发明包括太赫兹发射器、激光产生装置、角度转换器、孔径成像装置、太赫兹探测器、锁相放大器等。本发明应用于太赫兹光谱成像技术领域。

Description

一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪

技术领域

本发明涉及太赫兹光谱成像技术领域，尤其是涉及一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪。

背景技术

太赫兹波与其他波段的电磁辐射一样可以用来对物体成像，而且根据太赫兹的大多物质在太赫兹波段都可有指纹谱等特性，使太赫兹成像相比其他成像方式更具优势。

1995年，Hu等在THz-TDS系统中增加二维扫描平移台，首次实现脉冲太赫兹时域光谱成像，并成功对树叶、芯片等被测样品成像。由于这种成像方法获得的被测样品的光谱信息，不仅能够实现结构成像，而且能够实现功能成像，随着对太赫兹波新特性的深入了解，太赫兹成像技术快速发展起来，涌现出了许多诸如太赫兹二维电光取样成像、层析成像、太赫兹啁啾脉冲时域场成像、近场成像、太赫兹连续波成像等，可应用与生物医学、质量检测、安全检查、无损检测等众多领域。

对于太赫兹时域光谱成像系统，所获取的数据集合实际是三维时空的数据（二维空间（x，y）轴向和一维时间轴向）。利用该三维数据集合可得到一系列被测样品的太赫兹图像，即皮秒量级的电影。另外由于在一个时间点上的太赫兹图像所包含的信息量很少，所以通常要获取整个三维的数据集合。而太赫兹图像的重构通常是基于太赫兹时域波形的特定参数或方位的延迟时间。

太赫兹成像技术以其独特的光谱特性和穿透性，在物理、化学、生物医学、安检等领域都具有广泛的应用。但是由于太赫兹波的波长较长（1THz波长为0.3mm），受衍射效应的限制，太赫兹成像的空间分辨率在亚毫米量级，限制了其成像质量，难以用于细微结构的成像。目前解决这一问题的途径是将近场成像技术（由瑞利判据可知，太赫兹成像技术存在空间分辨率不足的限制，由此限制了太赫兹波成像技术的实用化，所以需要突破衍射极限，提高太赫兹成像系统的空间分辨率。瞬逝波随距离的增加以指数衰减，传播距离在一个波长以内，无法抵达传统成像设备的像平面，所以如果将探测器放置于被测样品附近（一个波长之内），就可探测到瞬逝波，由此就可以对被测样品进行亚波长高分辨率的成像，此即为近场成像技术。）应用到太赫兹成像。但是由于近场成像要求被测样品紧贴探针，系统结构复杂且普适性差，在很大程度上限制了超衍射分辨太赫兹成像技术的应用范围。能够实现微米量级成像分辨能力的太赫兹波远场探测成像技术一直没有得以解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪，将太赫兹波远场成像的空间分辨能力提高到微米量级，提高太赫兹成像质量，拓展太赫兹成像技术的应用领域。

本发明采用的技术方案如下：

一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪包括：

太赫兹发射器，用于产生太赫兹波；

激光产生装置，用于产生激光光束，并进行激光光束调制；

角度转换器，用于调节激光光束入射角、太赫兹波入射角，使得激光光束入射角、太赫兹波入射角相同，并且激光光束、太赫兹波中心点重合；所述太赫兹波通过太赫兹发射器产生；

孔径成像装置，用于将通过角度转换器调节后的激光光束、太赫兹波，聚焦到孔径成像装置的测试窗口；实现对被测样品的成像，其中孔径成像装置通过二维扫描平移台移动；

太赫兹探测器，用于探测被测样品反射或透射的太赫兹波，并输出相应的电信号；

锁相放大器，用于接收激光产生装置产生的参考信号，同时接收太赫兹探测器输出的电信号，进行信号提取及放大，得到被测样品图像。

所述激光产生装置包括激光器、斩波器、第一透镜，所述激光器输出的激光光束通过第一透镜、角度转换器转换后聚焦于孔径成像装置，所述斩波器输出其工作频率信号给锁相放大器一输入端，斩波器输出的工作频率信号作为参考信号，所述第一透镜是将通过斩波器的激光光束进行聚焦，使得被测样品轮廓直径Y_R为调制后的激光器光束直径G_R满足Y_R≥2G_R。

所述孔径成像装置包括：形成测试窗口的熔融石英层、二氧化钒薄膜层以及被测样品层，所述二氧化钒薄膜层两端面分别与熔融石英层下表面与被测样品层上表面紧贴，所述太赫兹波、经调制的激光器聚焦于熔融石英层下表面，所述二氧化钒薄膜层上表面与熔融石英层下表面紧贴，被测样品上表面紧贴于二氧化钒薄膜层下表面，被测样品下表面透射或者被测样品上表面反射的太赫兹波通过太赫兹探测器接收。

所述角度转换器是导电玻璃时：激光产生装置产生的激光器光束透过导电玻璃，随后入射到孔径成像装置表面，太赫兹光谱装置产生的太赫兹波通过导电玻璃反射到孔径成像装置表面；当角度转换器是硅片时：激光器产生的激光器光束通过硅片反射到孔径成像装置表面；太赫兹光谱装置产生的太赫兹波透过硅片，随后入射到孔径成像装置表面。

所述锁相放大器接收到斩波器输出的工作频率信号作为参考信号，依此提取太赫兹探测器输出的太赫兹波差值电信号，并对此差值电信号进行放大。

一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪还包括第二透镜，所述第二透镜对太赫兹发射器输出的太赫兹波进行聚焦，然后将聚焦后的太赫兹波输入到角度转换器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1）利用聚焦激光实现对被测样品的空间扫描，使得成像空间分辨率由聚焦激光光斑尺寸决定，由于激光光斑经聚焦后尺寸可达微米量级，因此使太赫兹成像突破了太赫兹波长的限制，能够实现微米量级的空间分辨能力。

2）利用锁相放大技器实现对微小差分成像信号的提取，其优点在于：能够获取微米尺度被测样品的差异的微弱信号，实现对被测样品的准确成像。

3）本装置可以实现反射式和透射式两种成像方式（指的是太赫兹波探测器的探测方式，反射式指的是太赫兹波探测器在图2中熔融石英6窗口一侧探测；反射式指的是太赫兹探测器在图2中被测样品8一侧进行探测），适用于不同的被测样品（例如测金属被测样品的话，因为金属对太赫兹波吸收较多，因此采用反射式，从熔融石英6一侧进行探测；测木头的话，因为木头对太赫兹波吸收很少，可以采用透射式，从被测样品8一侧进行探测）和诊断需求，应用领域广泛。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1本发明一种实施例原理框图。

图2孔径成像装置。

图3是太赫兹光斑示意图。

附图标记：

1-激光器 2-斩波器 3-第一透镜

4-太赫兹发射器 5-角度转换器 6-太赫兹探测器

7-锁相放大器 8-孔径成像装置 9-处理器

10-第二透镜。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一、本发明相关说明：

1、本装置工作原理：

1）太赫兹成像的基本原理：利用太赫兹成像系统把成像被测样品的透射谱或反射谱的信息（包括振幅和相位的二位信息）进行处理、分析，得到被测样品的太赫兹图像。太赫兹成像系统的基本构成与太赫时域光谱相比，多了图像处理装置和扫描控制装置。利用反射扫描或透射扫描都可以成像，这主要取决于成像被测样品及成像系统的性质。根据不同的需要可以采用不同的成像方法。

2）本成像仪在太赫兹成像基础原理基础上，通过孔径成像装置对被测样品成像，进行通过太赫兹探测器对被测样品成像图像进行反射式探测或透射式探测，得到太赫兹成像图像；其中例如被测样品是金属（由于金属对太赫兹波吸收较充分）时，太赫兹探测器采用反射式探测，即探测被测样品上表面反射的太赫兹波；例如被测样品是木头（木头对太赫兹波吸很少）时，太赫兹探测器采用透射式探测，即探测被测样品下表面透射的太赫兹波。

3）通过锁相放大器接收太赫兹探测器及斩波器输出的频率信号，进行被测样品图像微弱信号的提取及放大。进一步的，可通过处理器对锁相放大器输出信号进行分析处理。

2、熔融石英层是熔融石英形成；二氧化钒薄膜层是二氧化钒形成，所述二氧化钒薄膜层（二氧化钒薄膜层上表面）镀在熔融石英层下表面；被测样品层是有被测样品形成，被测样品层上表面紧贴于二氧化钒薄膜层下表面。

3、带有被测样品的孔径成像装置放置于二维扫描平移台上，按照坐标x坐标与Y坐标为起始点，进行X方向与Y方向的二维扫描。使得太赫兹波及激光光束依次扫描被测样品。所述X方向指的是二维扫描平移台的横向。Y方向指的是二维扫描平移台纵向。

二、本发明组成：

1、如图1所示，包括：太赫兹发射器，用于产生太赫兹波；激光产生装置，用于产生激光光束，并进行激光光束调制；角度转换器，用于调节激光光束入射角、太赫兹波入射角，使得激光光束入射角、太赫兹波入射角相同，并且激光光束、太赫兹波中心点重合；所述太赫兹波通过太赫兹发射器产生；激光光束入射角指的是激光光束入射到孔径成像装置测试窗口的入射角，太赫兹波入射到孔径成像装置测试窗口的入射角；孔径成像装置，用于将通过角度转换器调节后的激光光束、太赫兹波，聚焦到孔径成像装置的测试窗口；实现对被测样品的成像，其中孔径成像装置通过二维扫描平移台移动；太赫兹探测器，用于探测被测样品反射或透射的太赫兹波，并输出相应的电信号；锁相放大器，用于接收激光产生装置产生的参考信号，同时接收太赫兹探测器输出的电信号，进行信号提取及放大，得到被测样品信息。另外一种组成方式只是将上述激光产生装置与太赫兹发射器位置对调。

进一步的，一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪还包括处理器、显示器，用于对锁相放大器输出的被测样品信息进行图像信号分析，通过显示器将处理器分析的信号进行图像显示。

2、孔径成像装置：

如图2所示，包括形成测试窗口的熔融石英层、二氧化钒薄膜层以及被测样品层，所述二氧化钒薄膜层两端面分别与熔融石英层下表面与被测样品层上表面紧贴，所述太赫兹波、经调制的激光器聚焦于熔融石英层下表面，所述二氧化钒薄膜层上表面与熔融石英层下表面紧贴，被测样品上表面紧贴于二氧化钒薄膜层下表面，被测样品下表面透射或者被测样品上表面反射的太赫兹波通过太赫兹探测器接收。如图3所示，太赫兹光斑形状，其中图3a是无激光激励二氧化钒薄膜层时，透过二氧化钒薄膜打到被测样品上的太赫兹光斑形状；图3b是有激光激励二氧化钒时，透过二氧化钒薄膜打到样本上的太赫兹光斑形状。

二氧化钒薄膜层单层厚度一般在纳米级。熔融石英层厚度毫米量级。被测样品厚度对于反射式测量，被测样品可以是任意厚度，对于透射式测量，被测样品厚度要小于等于亚毫米尺度。

3、斩波器工作频率的倒数要比锁相放大器的积分时间低至少一个数量级。

4、锁相放大器工作过程是：所述锁相放大器一输入端接收到斩波器输出的工作频率信号作为参考信号，依此提取锁相放大器另一输入端接收到太赫兹波差值电信号（太赫兹波差值电信号是太赫兹探测器输出以一个方波信号为周期的太赫兹波光斑电信号，方波信号周期与斩波器工作频率相对应。与斩波器工作频率前半周期对应输出没有激光激励二氧化钒薄膜层时，太赫兹波透过二氧化钒薄膜层打到样本上形成的太赫兹光斑对应的电信号；与斩波器工作频率后半周期对应输出有激光激励二氧化钒薄膜层时，太赫兹波透过二氧化钒打到样本上形成的太赫兹光斑对应的电信号。方波信号周期内，后半周期与前半周期对应的太赫兹光波对应的电信号的差值为太赫兹波差值电信号），并对此差值电信号进行放大。其中工作频率信号是一个方波信号，方波比为1：1，锁相放大器通过方波信号的前半周期和后半周期分别对应提取无激光激励二氧化钒薄膜层时和有激光机理二氧化钒薄膜层时，透过二氧化钒薄膜层打到样本上的太赫兹光斑对应的电信号。。

5、本设计中太赫兹探测器与被测样品的距离远大于太赫兹波的波长，是远场探测；本成像仪的成像分辨率远小于太赫兹波的波长，是超衍射成像。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪，其特征在于包括：

太赫兹发射器，用于产生太赫兹波；

激光产生装置，用于产生激光光束，并进行激光光束调制；

锁相放大器，用于接收激光产生装置产生的参考信号，同时接收太赫兹探测器输出的电信号，进行信号提取及放大，得到被测样品信号，计算机接收锁相放大器输出信号并重构出被测样品图像；所述激光产生装置包括激光器、斩波器、第一透镜，所述激光器输出的激光光束通过第一透镜、角度转换器转换后聚焦于孔径成像装置，所述斩波器输出其工作频率信号给锁相放大器一输入端，斩波器输出的工作频率信号作为参考信号，所述第一透镜是将通过斩波器的激光光束进行聚焦，使得被测样品轮廓直径Y_R为调制后的激光器光束直径G_R满足Y_R≥2G_R；所述角度转换器是导电玻璃时：激光产生装置产生的激光器光束透过导电玻璃，随后入射到孔径成像装置表面，太赫兹光谱装置产生的太赫兹波通过导电玻璃反射到孔径成像装置表面；当角度转换器是硅片时：激光器产生的激光器光束通过硅片反射到孔径成像装置表面；太赫兹光谱装置产生的太赫兹波透过硅片，随后入射到孔径成像装置表面。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪，其特征在于所述孔径成像装置包括：形成测试窗口的熔融石英层、二氧化钒薄膜层以及被测样品层，所述二氧化钒薄膜层两端面分别与熔融石英层下表面与被测样品层上表面紧贴，所述太赫兹波、经调制的激光器聚焦于熔融石英层下表面，所述二氧化钒薄膜层上表面与熔融石英层下表面紧贴，被测样品上表面紧贴于二氧化钒薄膜层下表面，被测样品下表面透射或者被测样品上表面反射的太赫兹波通过太赫兹探测器接收。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪，其特征在于所述锁相放大器一输入端接收到斩波器输出的工作频率信号作为参考信号，依此提取锁相放大器另一输入端接收的太赫兹波差值电信号，并对此差值电信号进行放大。

4. 根据权利要求1至3之一所述的一种太赫兹波远场探测超衍射分辨成像仪，其特征在于还包括第二透镜，所述第二透镜对太赫兹发射器输出的太赫兹波进行聚焦，然后将聚焦后的太赫兹波输入到角度转换器。