CN104458642A - 快速太赫兹连续波扫描成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

快速太赫兹连续波扫描成像系统及方法，为提供一种快速太赫兹连续波扫描成像的方案，采用该方案可使得扫描成像速度加快、分辨率提高，并且能够在室温下长期稳定工作。为此，本发明采取的技术方案是，快速太赫兹连续波扫描成像系统及方法，对太赫兹辐射进行分光，通过引入参考光提高成像结果的信噪比；将信号光聚焦垂直入射到样品处，将样品固定在二维平移台上，通过改变样品位置实现扫描成像，二维平移台移动速度稳定，无停顿，用型号相同的探测器探测信号光与泵浦光的强度值，并且根据平移台位置记录相应位置处两个太赫兹探测器的数据，比较得出样品的太赫兹透射扫描成像结果。本发明主要应用于太赫兹连续波扫描成像。

Description

快速太赫兹连续波扫描成像系统及方法

技术领域

本发明涉及本发明涉及一种快速太赫兹连续波扫描成像系统及方法，属于太赫兹成像技术领域。具体讲，涉及快速太赫兹连续波扫描成像系统及方法。

技术背景

太赫兹连续波扫描成像技术是太赫兹成像技术的主要方法之一。目前太赫兹成像技术主要分为脉冲波成像和连续波成像，前者需用飞秒激光器作为泵浦源，系统成本高，体积庞大，而且扫描速度慢。连续波成像系统可选用面阵相机作为太赫兹波探测器，成像速度快，但是成像质量受相机阵列的限制，成像质量差。目前已报道的太赫兹连续波扫描成像技术中，多采用耿氏振荡器作为成像系统光源，其输出波长较长，成像质量差；部分报道中，选用二氧化碳气体激光器作为泵浦源产生太赫兹辐射进行扫描成像研究，其分辨率有所提高，所报道的成像分辨率也在0.2mm以上。目前已报道的太赫兹连续波扫描成像技术所采用的扫描方式为平台移动一个扫描步长，进行一次数据采集，存在扫描间隔，一般在0.5秒左右，平移台的变速运动和停顿造成扫描时间长，成像速度慢，成像所需时间在几十分钟至几个小时之间。现有的成像系统与方法在成像分辨率与扫描速度上的不足制约了其在科研领域、生物医学检测领域实际应用。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种快速太赫兹连续波扫描成像的方案，采用该方案可使得扫描成像速度加快、分辨率提高，每秒钟可采集10个像素点，在4.3THz频率输出下，扫描图像分辨率达到0.1mm，并且能够在室温下长期稳定工作。为此，本发明采取的技术方案是，快速太赫兹连续波扫描成像方法，对太赫兹辐射进行分光，通过引入参考光提高成像结果的信噪比；将信号光聚焦垂直入射到样品处，将样品固定在二维平移台上，通过改变样品位置实现扫描成像，二维平移台移动速度稳定，无停顿，用型号相同的探测器探测信号光与泵浦光的强度值，并且根据平移台位置记录相应位置处两个太赫兹探测器的数据，比较得出样品的太赫兹透射扫描成像结果。

快速太赫兹连续波扫描成像系统，由太赫兹激光器，频率可调节斩波器，金属线栅，表面镀金反射镜，两个太赫兹聚焦透镜，二维平移台，两个Golay-cell探测器，以及计算机构成，太赫兹激光器产生的太赫兹激光经频率可调节斩波器由金属线栅分成两束，一束作为参考光透射到一个Golay-cell探测器；另一束依次经表面镀金反射镜、两个太赫兹聚焦透镜、夹在两个太赫兹聚焦透镜中间二维平移台上的样品、透射到另一个Golay-cell探测器；计算机用于控制二维平移台移动速度稳定，无停顿，并比较两个Golay-cell探测器的输出结果得到样品的太赫兹透射扫描成像结果。

金属线栅金属线方向可调谐，通过改变角度调节分光比，使得分成两束功率比例满足1:1。

二维平移台上样品处于太赫兹聚焦透镜焦平面处。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明通过同时控制平移台的连续移动与探测器信号实时采集，实现快速成像，并通过选取高频率太赫兹光源以及双路探测，实现高质量，高分辨率成像，因而本发明改善了太赫兹连续波扫描成像系统扫描成像时间长和成像质量差的缺点，本太赫兹连续波扫描成像技术，通过透射成像方式，实现对样品透射扫描，获得样品对太赫兹波的吸收信息，可广泛应用于生物医学检测以及公共安全领域。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图中：1.太赫兹激光器；2.频率可调节斩波器；3.金属线栅；4.表面镀金反射镜；5.Tsurupica透镜；6.Tsurupica太赫兹超透镜；7.二维平移台；8.Golay-cell探测器；9.Golay-cell探测器；10.计算机。

图2扫描路径示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种快速太赫兹连续波扫描成像的方案，方案对太赫兹辐射进行分光，通过引入参考光提高成像结果的信噪比；将信号光聚焦垂直入射到样品处，通过改变样品位置实现扫描成像，因此需将样品固定在二维平移台上，通过控制平移台连续移动使得样品位置改变。编程控制平移台连续移动，移动速度稳定，无停顿，并且根据平移台位置记录相应位置处两个太赫兹探测器的数据。用型号相同的探测器探测信号光与泵浦光的强度值，比较得出样品的太赫兹透射扫描成像结果。两个探测器的数据比较方法：用信号光(经过样品的光束)的强度值除以参考光的强度值(未经过样品的光束)。

本发明通过下述技术方案加以实现，包括太赫兹激光器1，频率可调节斩波器2，金属线栅3，表面镀金反射镜4，太赫兹聚焦透镜5、6，二维平移台7，Golay-cell探测器8、9，以及计算机10构成的快速太赫兹连续波扫描成像系统，其特征在于通过LabVIEW软件编程，同时控制平移台的连续移动与探测器信号实时采集，实现快速成像，并通过选取高频率太赫兹光源以及双路探测，实现高质量，高分辨率成像。Golay-cell：高莱盒。

下面通过附图和一个具体实施例，进一步详细说明本发明。

本发明的实施方案中太赫兹激光器可选用二氧化碳气体泵浦太赫兹激光器，其样品腔中填充甲醇气体，可有五个不同波长太赫兹输出，根据具体需求选择4.3THz频率输出，其额定输出功率为20mW；由于探测器无法相应连续波信号，因此需要用斩波器进行斩波，使探测器可以探测到太赫兹信号。系统成像速度与斩波器的斩波频率有关，因此选用频率可调节斩波器可以改变成像速度，斩波器斩波频率为1-4000Hz可调，占空比为50％，根据探测器响应频率，将斩波频率设为50Hz；其成像速度较快。也可高于50Hz，但是会影响到系统稳定性，成像质量等方面。金属线栅金属线方向可调谐，通过改变角度可以调节分光比，使得信号光与参考光功率比例满足1:1；聚焦透镜选用Tsurupica透镜，尺寸为50mm，焦距为50mm；摆放二维平移台使样品处于透镜焦平面处，扫描方式为蛇形移动，扫描过程中平移台连续移动，无停顿；蛇形运动是指平移台移动，聚焦光斑位置固定不变，平移台只有上下移动与左右移动，并无旋转，平移台运动路线为向上扫描一列，然后向右移动一个步长，再向下移动一列，然后向右移动一个步长，如此反复。Golay-cell探测器选用GP-1T型号。二维平移台位置：处于前一个透镜的像方焦平面上，同时也是后一个透镜的物方焦平面。

通过编写LabVIEW程序控制平移台连续移动，系统引入外触发信号，每个触发信号对应平移台移动一段距离，程序可通过记录触发信号的个数来判断平移台的位置，以及记录每个像素点位置处的Golay-cell探测器的读数。计算机根据探测器探测的数据重构得到太赫兹扫描图像，并且每完成一列扫描，立即绘制当列图像，进一步缩短扫描时间。

整套系统搭建完成后，每次扫描只需将样品固定在平移台上，打开LabVIEW程序控制面板，设定扫描范围，扫描步长，运行程序即可完成扫描。在扫描光源为4.3THz频率输出时，其扫描成像分辨率为0.1mm，对1cm×1cm大小的样品扫描时间仅需17分钟。

Claims (4)

1.一种快速太赫兹连续波扫描成像方法，其特征是，对太赫兹辐射进行分光，通过引入参考光提高成像结果的信噪比；将信号光聚焦垂直入射到样品处，将样品固定在二维平移台上，通过改变样品位置实现扫描成像，二维平移台移动速度稳定，无停顿，用型号相同的探测器探测信号光与泵浦光的强度值，并且根据平移台位置记录相应位置处两个太赫兹探测器的数据，比较得出样品的太赫兹透射扫描成像结果。

2.一种快速太赫兹连续波扫描成像系统，其特征是，由太赫兹激光器，频率可调节斩波器，金属线栅，表面镀金反射镜，两个太赫兹聚焦透镜，二维平移台，两个Golay-cell探测器，以及计算机构成，太赫兹激光器产生的太赫兹激光经频率可调节斩波器由金属线栅分成两束，一束作为参考光透射到一个Golay-cell探测器；另一束依次经表面镀金反射镜、两个太赫兹聚焦透镜、夹在两个太赫兹聚焦透镜中间二维平移台上的样品、透射到另一个Golay-cell探测器；计算机用于控制二维平移台移动速度稳定，无停顿，并比较两个Golay-cell探测器的输出结果得到样品的太赫兹透射扫描成像结果。

3.如权利要求2所述的快速太赫兹连续波扫描成像系统，其特征是，金属线栅金属线方向可调谐，通过改变角度调节分光比，使得分成两束功率比例满足1:1。

4.如权利要求2所述的快速太赫兹连续波扫描成像系统，其特征是，二维平移台上样品处于太赫兹聚焦透镜焦平面处。