CN104457989A - 一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于太赫兹成像研究技术领域，尤其是涉及一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪，通过编码激光产生模块产生的编码激光信号照射到太赫兹空间调制模块时，太赫兹源模块产生太赫兹波透不过或者透过太赫兹空间调制模块，对被测样本信息进行处理，还原被测样本图像。本发明包括编码激光产生模块、太赫兹空间调制模块、太赫兹源模块、太赫兹图像处理模块，通过编码激光产生模块产生编码激光信号对太赫兹波信号进行调制，携带被测样本信息太赫兹波通过太赫兹探测器后传输给处理器进行处理，还原被测样本图像。

Description

一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪

技术领域

本发明属于太赫兹成像研究技术领域，尤其是涉及一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪。

背景技术

太赫兹波的光子能量与大分子振动/转动能级、分子间弱相互作用能量、晶体晶格骨架振动能级、固体中电子-晶格相互作用能量等物质基本单位之间具有共振相互作用；因此，THz波在物质科学研究领域具有广阔的应用前景，能为物理、化学、生物等揭示新现象提供潜在的有力手段。

微观尺度下物质属性直接关系甚至决定物质宏观性能，因此物质科学的实验研究急需具有微观尺度分辨能力的诊断手段。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应用到太赫兹成像。但是现有的近场成像技术都是基于二维扫描方式实现的，这一方面对机械稳定性提出了极高的要求，致使信号质量下降；另一方面，在某些测试条件下这种方式不能应用，例如对生物组织等软物质成像，机械扫描会导致材料变形和损坏，不能成像。

能够实现微米量级成像分辨能力的太赫兹波非扫描超衍射分辨成像技术一直没有得以解决。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪，实现非扫描式的太赫兹波超衍射分辨成像，提高太赫兹成像质量，拓展太赫兹成像技术的应用领域，本发明提出了基于太赫兹波空间编码与重构的非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪，并给利用处理器基于Hadamard变换算法进行信号提取与处理的方法。通过编码激光产生模块产生的编码激光信号照射到太赫兹空间调制模块时，太赫兹源模块产生太赫兹波透不过或者透过太赫兹空间调制模块，对被测样本信息进行处理，解决了传统超衍射分辨成像能量利用率低和需要机械扫描的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪包括：编码激光产生模块、太赫兹空间调制模块、太赫兹源模块、太赫兹图像处理模块；

编码激光产生模块，用于接收太赫兹图像处理模块的编码信号，实现对激光束的空间编码，产生编码激光信号；

太赫兹源模块，用于产生与激光编码产生模块中心点及主轴重合的太赫兹波信号；

太赫兹空间调制模块，当编码激光产生模块产生的编码激光信号照射到太赫兹空间调制模块时，太赫兹源模块产生太赫兹波按照编码激光图形有选择的透过太赫兹空间调制模块，并携带太赫兹空间调制模块后样本的太赫兹光谱信息；

太赫兹探测器，用于探测太赫兹空间调制模块产生的携带被测样本信息的太赫兹波信号，并将此太赫兹波信号传递给太赫兹图像处理模块；

太赫兹图像处理模块，用于产生编码信号，并将编码信号输出给编码激光产生模块；同时通过太赫兹探测器提取携带被测样本信息的太赫兹波信号，分离被测样本信息，并对被测样本信息进行图像重构，得到被测样本图像。

进一步的，所述编码激光产生模块包括激光器1、空间光调制器2、激光成像透镜3；

所述空间光调制器接收太赫兹图像处理模块产生的编码信号，对所述激光器产生的激光光束进行调制后，产生编码激光信号；所述编码激光信号经由激光成像透镜成像到太赫兹空间调制模块上；

进一步的，所述太赫兹源模块包括太赫兹源5、太赫兹聚焦透镜7及导电玻璃8；太赫兹源5产生的太赫兹波经太赫兹聚焦透镜后，在经过导电玻璃使得太赫兹波成像与编码激光产生模块产生的编码激光信号主轴及中心点重合；当太赫兹源模块产生的太赫兹波和太赫兹探测器探测点在被测样本同侧时，形成反射式非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪；当太赫兹源模块产生的太赫兹波和太赫兹探测器探测点在被测样本异侧时，形成透射式非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪。

进一步的，所述太赫兹图像处理模块是处理器9，所述处理器产生编码信号的过程是：根据成像像素数需要和Hadamard编码规则，生成由0和1两个数字组成的Hadamard编码矩阵，矩阵中每一个向量生成一个棋盘形状的编码图形，其中明色块代表1，暗色块代表0，反之也可，这样一个Hadamard矩阵就可以生成一组编码图形；

进一步的，所述太赫兹图像处理模块是处理器9；所述处理器通过太赫兹探测器提取携带被测样本信息的太赫兹波信号，分离被测样本信息，并对被测样本信息进行图像重构，得到被测样本图像具体过程是：所述处理器通过[D]=[Φ]·[X]实现对被测样本的成像，其中[X]为被测样本每一个像素点的太赫兹信号值, 是一个m×1向量；[Φ]是太赫兹图像处理模块根据Hadamard编码规则生成一个m×n的二维矩阵[Φ]，是已知量；[D]是一个1×n向量，表示n个太赫兹信号测试值； 太赫兹图像处理模块通过读取太赫兹探测器测得的由Hadamard编码矩阵中的n个行向量所对应的编码图形的n个测试值，得到矩阵[D]；

求解矩阵方程[D]=[Φ]·[X]，获得被测样本每一个像素点值的太赫兹信号值[X]，像素点值的太赫兹信号值[X]的大小可表示为灰度值，从而获得整个被测样本的灰度图像或伪彩色图像，即重构出被测样本的图像。

进一步的，所述太赫兹空间调制模块是相变薄膜或半导体4；所述太赫兹源模块产生太赫兹波入射到被编码激光产生模块产生的编码激光信号照射的相变薄膜或半导体时，编码为0的像素位置太赫兹波可以透过，编码为1的像素位置太赫兹波不能透过。

本发明的有益效果：

1. 太赫兹空间调制模块利用空间编码的激光束激发半导体材料或相变材料实现对太赫兹波的空间调制，其优点在于：a）成像的空间分辨率由激光空间分辨率决定，突破了太赫兹波波长的限制，能够实现微米量级的空间分辨能力；b）激光空间编码图像的面积决定了太赫兹波成像的面积，可以实现非扫描成像；c）基于激光的动态编码，成像速度快。

2.太赫兹图像重构模块是利用基于隐周期的编码矩阵算法（例如Hadamard变换算法）实现对太赫兹波的空间分割和重构。其优点在于：太赫兹波的能量利用率高，成像质量好，且节约测试和计算资源。

3.太赫兹波空间调制模块提高了太赫兹波的调制强度和调制精度，有利于获得图像质量更好的超衍射分辨太赫兹图像，消除图像畸变。

4.编码激光产生模块利用的激光器可以是连续激光和脉冲激光。其优点在于：可以适用于不同参数的太赫兹波成像，普适性强。

5.太赫兹源与探测器根据几何位置不同，可以实现反射式和透射式两种成像方式。其优点在于：适用于不同的被测样本和诊断需求，应用领域广泛。

附图说明

图1是本本发明非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪整体结构图；

图2是本发明太赫兹空间调制模块结构图。

图3是太赫兹光斑形状图。

1-激光器     2-空间光调制器      3-激光成像透镜     4-太赫兹波空间调制模块

5-太赫兹源      6-太赫兹探测器      7-太赫兹聚焦透镜         8-导电玻璃

9-处理器        10-编码激光         11-太赫兹波        12-被测样本。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

本发明相关说明：

1．当太赫兹源模块产生的太赫兹波信号和太赫兹探测器探测点在被测样本同侧时，形成反射式非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪；

当太赫兹源模块产生的太赫兹波信号和太赫兹探测器探测点在被测样本异侧时，形成透射式非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪；

3.太赫兹源是太赫兹脉冲源，也可以是太赫兹波连续源；太赫兹探测器根据太赫兹源来选择，可以是相干探测器，也可以是非相干探测器。

4. 半导体或相变薄膜的厚度在100微米以下，其特性为在没有激光激发时太赫兹波透过率高，有激光激发时太赫兹波透过率低。被测样本紧贴相变薄膜或半导体表面。

5．太赫兹图像处理模块是处理器进行的，处理器首先获取各个编码下的太赫兹波信号，然后根据编码算法进行反推，重构出太赫兹图像。

6. 成像分辨率即是每一个像素点的尺寸，如前所述像素点的分割是由激光光斑形状决定的。只有太赫兹波光斑略小于激光光斑，才能保证整个太赫兹波光斑都被空间调制，且具有较高的能量利用率。

工作过程：激光器的激光光束经过空间光调制器调制后，经由激光成像透镜成像到太赫兹空间调制模块上；与此同时太赫兹波经激光成像透镜后打到太赫兹空间调制模块的同一位置，保证太赫兹波的尺寸略小于激光光斑尺寸。由于太赫兹空间调制模块材料的特性为有无激光激发时的太赫兹波透过率差别很大，因此经太赫兹空间调制模块透过的太赫兹波也被空间编码，并与被测样本相互作用，携带被测样本整个编码面积上的信息。这种太赫兹波信号被太赫兹探测去检测，并输入处理器。处理器根据编码规则和测得的数据，通过解编码算法，获得被测样本的太赫兹图像。因为太赫兹图像的成像分辨率由处理器发送给空间光调制器的编码信号决定，在微米到十微米量级，因此实现了非扫描的超衍射分辨成像。（激光光束调制太赫兹波原理：通过半导体或相变薄膜实现，激光打到薄膜上，太赫兹波透不过薄膜，激光没有打到薄膜上，则太赫兹波可以透过薄膜。所以通过控制打到薄膜上的激光光斑的图像，就可以控制太赫兹波的图像）

其中处理器通过太赫兹探测器提取携带被测样本信息的太赫兹波信号，分离被测样本信息，并对被测样本信息进行图像重构，得到被测样本图像具体过程是：

步骤1：每一个太赫兹波信号对应的是Hadamard编码矩阵中的一个行向量所对应的编码图形的测试值并由太赫兹探测器测得，输出给太赫兹图像处理模块，

步骤2：太赫兹探测器对Hadamard编码矩阵的n个行向量所构成的n个编码图形下的太赫兹信号分别测试，就可以得到n个测试值，并将这n个测试值输出给太赫兹图像处理模块，由太赫兹图像处理模块根据Hadamard变换算法进行图像处理；Hadamard变换算法的基本表达式为[D]=[Φ]·[X],其中[D]是一个1×n向量，表示n个太赫兹信号测试值，[Φ]是前述的m×n的二维Hadamard变换矩阵，[X]是一个m×1向量，表示被测样本每一个像素点的太赫兹信号值。[Φ]已知，[D]已经测得，因此求解此矩阵方程，获得被测样本每一个像素点的值，即[X]，

步骤3：太赫兹图像处理模块将[X]的每个值根据其大小表示为灰度值，从而可以将每一个像素点用灰度值表示，得到被测样本的灰度图或伪彩色图，即重构出被测样本的图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪，其特征在于包括：编码激光产生模块、太赫兹空间调制模块、太赫兹源模块、太赫兹图像处理模块；

编码激光产生模块，用于接收太赫兹图像处理模块的编码信号，实现对激光束的空间编码，产生编码激光信号；

太赫兹源模块，用于产生与激光编码产生模块中心点及主轴重合的太赫兹波信号；

太赫兹空间调制模块，当编码激光产生模块产生的编码激光信号照射到太赫兹空间调制模块时，太赫兹源模块产生太赫兹波按照编码激光信号有选择的透过太赫兹空间调制模块，并携带与太赫兹空间调制模块紧贴的被测样本的太赫兹光谱信息；

太赫兹探测器，用于探测太赫兹空间调制模块产生的携带被测样本信息的太赫兹波信号，并将此太赫兹波信号传递给太赫兹图像处理模块；

太赫兹图像处理模块，用于产生编码信号，并将编码信号输出给编码激光产生模块；同时通过太赫兹探测器提取携带被测样本信息的太赫兹波信号，分离被测样本信息，并对被测样本信息进行图像重构，得到被测样本图像。

2.根据权利要求1所述的一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪，其特征在于所述编码激光产生模块包括激光器、空间光调制器、激光成像透镜；

所述空间光调制器接收太赫兹图像处理模块产生的编码信号，对所述激光器产生的激光光束进行调制后，产生编码激光信号；所述编码激光信号经由激光成像透镜成像到太赫兹空间调制模块上。

3.根据权利要求2所述的一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪，其特征在于所述太赫兹源模块包括太赫兹源、太赫兹聚焦透镜及导电玻璃；太赫兹源产生的太赫兹波经太赫兹聚焦透镜后，在经过导电玻璃使得太赫兹波成像与编码激光产生模块产生的编码激光信号主轴及中心点重合；当太赫兹源模块产生的太赫兹波信号和太赫兹探测器探测点在被测样本同侧时，形成反射式非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪；当太赫兹源模块产生的太赫兹波信号和太赫兹探测器探测点在被测样本异侧时，形成透射式非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪。

4.根据权利要求2所述的一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪，其特征在于所述太赫兹图像处理模块是处理器，所述处理器产生编码激光信号的过程是：

由太赫兹图像处理模块根据Hadamard编码规则生成一个m×n的二维矩阵[Φ],这个矩阵由0和1两个数字组成，矩阵中每一行向量有m个元素代表对被测样本成像的像素数，这个行向量生成一个棋盘形状的编码图形，其中明色块代表1，暗色块代表0，这样一个Hadamard矩阵就生成n个编码图形；这组编码图形由太赫兹图像处理模块输出给编码激光产生模块，对激光进行编码，从而使编码激光产生模块输出n种不同编码的激光图形。

5.根据权利要求4所述的一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪，其特征在于所述太赫兹图像处理模块是处理器；所述处理器通过太赫兹探测器提取携带被测样本信息的太赫兹波信号，分离被测样本信息，并对被测样本信息进行图像重构，得到被测样本图像具体过程：

所述处理器通过[D]=[Φ]·[X]实现对被测样本的成像，其中[X]为被测样本每一个像素点的太赫兹信号值, 是一个m×1向量；[Φ]是太赫兹图像处理模块根据Hadamard编码规则生成一个m×n的二维矩阵[Φ]，是已知量；[D]是一个1×n向量，表示n个太赫兹信号测试值； 太赫兹图像处理模块通过读取太赫兹探测器测得的由Hadamard编码矩阵中的n个行向量所对应的编码图形的n个测试值，得到矩阵[D]；

求解矩阵方程[D]=[Φ]·[X]，获得被测样本每一个像素点值的太赫兹信号值[X]，像素点值的太赫兹信号值[X]的大小可表示为灰度值，从而获得整个被测样本的灰度图像或伪彩色图像，即重构出被测样本的图像。

6.根据权利要求2所述的一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪，其特征在于所述太赫兹空间调制模块是相变薄膜或半导体；所述太赫兹源模块产生太赫兹波信号入射到被编码激光产生模块产生的编码激光信号照射的相变薄膜或半导体时，编码为0的像素位置太赫兹波可以透过，编码为1的像素位置太赫兹波不能透过，因此当编码激光产生模块产生的编码激光图像入射到太赫兹空间调制模块，太赫兹调制模块就可以实现对太赫兹波的空间调制。

7.根据权利要求2所述的一种非扫描超衍射分辨太赫兹显微仪，其特征在于所述半导体或相变薄膜的膜厚<100um。