CN104458643B - 一种太赫兹波段的显微镜 - Google Patents
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Abstract
一种太赫兹波段的显微镜，属于太赫兹波段的探测装置，解决现有太赫兹波段成像探测装置结构复杂、稳定性差、成像速度慢的问题。本发明包括透光载玻片、编码板、取景窗、汇聚镜及太赫兹探测器；编码板为表面具有能遮挡太赫兹波段光的亚波长厚度金属镀膜的基板，金属镀膜上制作有亚波长小孔阵列，所述亚波长小孔阵列中，各小孔按循环s矩阵分布，小孔孔径小于瑞利判据中的r值；经透光载玻片上的样品过来的太赫兹光在所述编码板的小孔中被提取转换为传导波并经所述取景窗取样，再经过汇聚镜汇聚送往太赫兹探测器接收。本发明结构简单、稳定性好、成像速度较快，太赫兹光波段图像分辨率为15微米左右，为细胞、薄层组织及材料研究提供了新观察平台。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹波段成像探测装置。
背景技术
光学显微镜以不带电的光子为信息载体，是生物学和医学研究的基本工具。然而，光学显微镜只是利用了电磁波谱中很窄的一段电磁波作为观察目标的信息载体，实际上从可见光的长波段到无线电波的毫米波之间还有红外线和太赫兹波。太赫兹波段系指包括0.1THz至10THz频率的电磁波谱段的电磁波；太赫兹波长期受到探测手段及光源的限制而没有得到应有的开发；近来相关科学技术的发展促使人们对于太赫兹波所蕴藏的潜力的认识大为提高，太赫兹科技得到快速发展，太赫兹成像技术成为一个重要的高技术；其中，仅仅依靠单个太赫兹探测器的成像技术是一个重要分支。现有太赫兹波段成像探测装置包括实体探针、探针扫描驱动机构和太赫兹探测器，以实体探针做近场扫描而获得显微图像，分辨率很高，但是扫描驱动机构和后续配套系统复杂且成像速度慢。
为便于理解本发明，对有关术语加以解释：
衍射限分辨率是指以瑞利判据：所限定的物体上最小可分辨两相邻点间的距离，其中r:表示物体上最小可分辨两相邻点间的距离，λ:工作波长，n：镜头折射率，镜头通光口径的半张角。
亚波长小孔阵列是指制作到能阻挡工作光波的薄膜上的按一定规律排列的通光小孔阵列，小孔孔径小于或远小于瑞利判据中的r值，阵列的型式为循环s矩阵，以循环s矩阵的阵列型式做光场信息编码时理论上可获得很大信噪比；编码是指对待观测样品的一个确定尺寸的观察区而言，让穿过样品的工作波长为λ(或为△λ)的光中为这个确定尺寸的观察区所界定的那部分光通过上述亚波长小孔阵列中的一个个邻接的指定区域，并籍助紧接于上述亚波长小孔阵列的取景窗或者光波导(与工作光波波长λ或为△λ相对应的)，将通过观察区所界定这一个指定的亚波长小孔阵列的某一部分(子阵列)的多路小孔传送过来的光场信息混合起来逐次送入一个后置探测器，转换成一系列电信号，此电信号的值与子阵列对应，电信号的个数即为子阵列的个数；这一系列电信号经解码算法还原出确定尺寸的观察区所对应的待观测样品表面的二维光近场分布图像；此图像的分辨率被亚波长小孔的特征尺寸所决定，小孔的特征尺寸可为边长(当为正方形或矩形)。
为便于描述，本申请文件中设立X-Y直角坐标系，纸面上水平方向为X轴，向右为其正向；Y轴与X轴垂直，Y轴的正向垂直于纸面向里。
发明内容
本发明提供一种太赫兹波段的显微镜，解决现有太赫兹波段成像探测装置结构复杂、稳定性差、成像速度慢的问题；本发明免去探针，从而也免去为保证针尖到样品表面极近距离的保持装置及相关系统，而能够实现超衍射限分辨率成像。
本发明所提供的一种太赫兹波段的显微镜，包括透光载玻片以及位于其上方、自下而上顺序紧密排列并连接的编码板、取景窗和汇聚镜，汇聚镜上方设置太赫兹探测器，所述取景窗为矩形透光窗，其特征在于：
所述编码板为表面具有能遮挡太赫兹波段光的亚波长厚度金属镀膜的基板，所述基板为能够透过太赫兹波段光的高阻硅板或石英板，金属镀膜上制作有亚波长小孔阵列，所述亚波长小孔阵列中，各小孔按循环s矩阵分布，小孔孔径小于瑞利判据中的r值；
所述汇聚镜为能够汇聚太赫兹束的硅透镜或者聚合物透镜；所述太赫兹探测器为能够探测太赫兹波的单元探测器；
经透光载玻片上的样品过来的太赫兹光在所述编码板的小孔中被提取转换为传导波并经所述取景窗取样，再经过汇聚镜汇聚送往太赫兹探测器接收。
所述太赫兹波段的显微镜，所述亚波长小孔阵列为由0和1组成的M行N列循环s矩阵，亚波长小孔阵列大小M×N，M×N＝3、7、15、35、63、255、511、1023、或2047；折叠方式为一维排列或者二维排列；所述亚波长小孔端面形状为栅栏状，每个小孔均由平行排列的P条矩形狭缝构成，P＝4～10，所述小孔孔径由第一条矩形狭缝和第P条矩形狭缝的距离以及矩形狭缝的长度确定；小孔垂直方向形状为梳状，每条梳齿为棱台或棱柱；
M×N＝3时，首行为101；
M×N＝7时，首行为1110100；
M×N＝15时，首行为000100110101111；
M×N＝35时，首行为00100110101000010011101111100011101；
M×N＝63时，首行为：
00000100001100010100111101000111001
0010110111011001101010111111；
M×N＝225时，首行为：
以下字符对应关系：以八进制0、1、2、3、4、5、6、7分别表示二进制000、001、010、011、100、101、110、111；
M×N＝511时，首行为：
M×N＝1023时，首行为：
M×N＝2047时，首行为：
使用本发明对工作样品成像过程为：载玻片承载样品，首先尽量向上靠近编码板，并且在X、Y方向调整载玻片，使样品处于编码板的左上角位置下方，将编码板相对取景窗做平移，编码板按照编码规则进行一维编码或者二维编码，以取得M×N个不同的M×N矩阵的太赫兹透射强度值，最后按照线性方程组的解法解码出M×N个像元的透射太赫兹光强度。纸面上水平方向为X轴，向右为其正向；Y轴与X轴垂直，Y轴的正向垂直于纸面向里。
所述太赫兹波段的显微镜，使用于扩大视场时，采用合成编码板取代所述编码板，合成编码板由L个相同面积的所述编码板沿X方向密接排列构成；每个编码板上接一个独立的、与编码板尺寸相匹配的取景窗，分别传送相应的编码板送过来的光信号，L个相同面积的所述取景窗沿X方向密接排列构成合成取景窗；每个取景窗上连接片状光波导，L片片状光波导沿X方向密接排列构成合成传输光波导，所述合成传输光波导的输出端自下而上依次连接一维编码板和汇聚镜，汇聚镜上方设置太赫兹探测器；所述合成编码板与相应的Y方向扫描器相连，所述一维编码板与相应的X方向扫描器相连；扫描器为扩大观测视场提供支持；
所述一维编码板为表面具有能遮挡太赫兹波段光的亚波长厚度金属镀膜的基板，所述基板为能够透过太赫兹波段光的高阻硅板或石英板，金属镀膜上制作有小孔阵列，所述小孔阵列由L阶(1行L列)循环s矩阵构成，所述小孔端面形状为矩形，所述小孔孔径与合成传输光波导9中各片状光波导出口端面尺寸相同；所述L＝3、7、11、15、19、23、31、35、43、47、63、71、79、83、103、127、255、511或1023。
使用于扩大视场时，本发明工作过程与前述的编码过程基本相同，只是合成编码板每移动一位以后接着移动一维编码板并且完成一轮即L次测量，然后解出每一位的值再复位，这样将得到合成编码板的每一个独立编码板的第一位的值，按照这个方式一次次地操作就可以得到每一个独立编码板的每一位的值，进而得到合成取景窗的每一个独立取景窗对应的编码矩阵的每一位的太赫兹透射强度值。
本发明结构简单、稳定性好、成像速度较快，太赫兹光波段图像分辨率为15微米左右；样品可以在一定的液态或气态介质中，只要液态介质不侵蚀码板上的保护膜并不全部吸收工作光就可以正常工作，这为细胞、薄层组织及材料研究提供了新观察平台；本发明免去探针、其保持装置及相关系统，由于没有针尖到样品表面极小间距的控制，因而可以在研究较大细胞与激光束相互作用(如光化学键接PTB)的同时进行亚细胞水平的观察，不会发生作用束激光与控制信号干拢；系统承受外场如高电压电场，或其他电磁场作用能力大为增强。
附图说明
图1.本发明的示意图；
图2.为9行7列63阶循环S矩阵示意图；
图3.用于本发明的63阶循环S矩阵二维排列一维编码板；
图4.用于本发明的63阶循环S矩阵二维排列二维编码板；
图5.本发明用于扩大视场编码成像系统示意图；
图6.用于扩大视场的一维编码板示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明详细说明。
如图1所示，本发明包括透光载玻片1以及位于其上方、自下而上顺序紧密排列并连接的编码板3、取景窗4和汇聚镜5，汇聚镜5上方设置太赫兹探测器6，所述取景窗为矩形透光窗；
所述编码板3为表面具有能遮挡太赫兹波段光的亚波长厚度金属镀膜的基板，所述基板为能够透过太赫兹波段光的高阻硅板或石英板，金属镀膜上制作有亚波长小孔阵列，所述亚波长小孔阵列中，各小孔按循环s矩阵分布，小孔孔径小于瑞利判据中的r值；
所述汇聚镜为能够汇聚太赫兹束的硅透镜或者聚合物透镜；所述太赫兹探测器为能够探测太赫兹波的单元探测器；
经透光载玻片1上的样品2过来的太赫兹光11在所述编码板的小孔中被提取转换为传导波并经所述取景窗4取样，再经过汇聚镜5汇聚送往太赫兹探测器6接收。
如图2所示，图中的浅色矩形狭缝代表通光单元，深色矩形狭缝代表不通光单元，每个小孔均由平行排列的5条矩形狭缝构成，5条矩形狭缝均不通光，对应小孔为0状态，图中的浅色5条矩形狭缝均通光，对应小孔为1状态；
所述小孔孔径由第一条矩形狭缝和第5条矩形狭缝的距离以及矩形狭缝的长度确定；小孔垂直方向形状为梳状，每条梳齿为棱台；小孔的孔径即为此显微镜的分辨率大小。
由0和1组成的9行7列63阶循环s矩阵，63阶循环S矩阵首行为：
00100001100010100111101000111001
0010110111011001101010111111000，
将所述首行按7位一行折叠9次，构成图2所示矩阵。
如图3所示，本发明实施例1，用于一维编码板，所述编码板的亚波长小孔阵列为由0和1组成的9行7列循环s矩阵，亚波长小孔阵列大小为63；折叠方式为二维排列；63阶循环s矩阵的首行为：
00000100001100010100111101000111001
0010110111011001101010111111，
一维编码板由9行构成，其首行为上述63阶循环s矩阵的首行后接所述首行的前6位，其余八行依63阶循环s矩阵的对应行后接各行对应的循环62位所构成。
所述亚波长小孔端面形状为栅栏状，每个小孔均由平行排列的5条矩形狭缝构成，所述小孔孔径由第一条矩形狭缝和第5条矩形狭缝的距离以及矩形狭缝的长度确定；小孔垂直方向形状为梳状，每条梳齿为棱台；
如图4所示，本发明实施例2，用于二维编码板，所述编码板的亚波长小孔阵列为由0和1组成的9行7列循环s矩阵，亚波长小孔阵列大小为63；折叠方式为二维排列；63阶循环s矩阵的首行为：
00000100001100010100111101000111001
0010110111011001101010111111，
二维编码板的构成为17行13列：在63阶循环s矩阵的基础上，按循环规则扩展将其首行到13位，首列扩展到17位然后再依循环规则将各行扩展到13位。
图中5条矩形狭缝构成的浅色方格代表通光小孔，也用1表示，5条矩形狭缝构成深色方格代表不通光小孔，也用0表示；二维排列二维编码矩阵在工作时，扫描方式按之字(S形)路线二维扫描。
如图5所示，使用于扩大视场时，采用合成编码7板取代所述编码板3，合成编码板7由L个相同面积的所述编码板3沿X方向密接排列构成；每个编码板3上接一个独立的、与编码板3尺寸相匹配的取景窗4，分别传送相应的编码板送过来的光信号，L个相同面积的所述取景窗4沿X方向密接排列构成合成取景窗8；每个取景窗上连接片状光波导，L片片状光波导沿X方向密接排列构成合成传输光波导9，所述合成传输光波导9的输出端自下而上依次连接一维编码板10和汇聚镜5，汇聚镜5上方设置太赫兹探测器6；所述合成编码板7与相应的Y方向扫描器相连，所述一维编码板10与相应的X方向扫描器相连；扫描器为扩大观测视场提供支持；纸面上水平方向为X轴，向右为其正向；Y轴与X轴垂直，Y轴的正向垂直于纸面向里。
所述一维编码板10为表面具有能遮挡太赫兹波段光的亚波长厚度金属镀膜的基板，所述基板为能够透过太赫兹波段光的高阻硅板或石英板，金属镀膜上制作有小孔阵列，所述小孔阵列为L阶，各小孔按循环s矩阵分布，所述小孔端面形状为矩形，所述小孔孔径与合成传输光波导9中各片状光波导出口端面尺寸相同；所述L＝3、7、11、15、19、23、31、35、43、47、63、71、79、83、103、127、255、511或1023。
如图6所示，本实施例的一维编码板小孔阵列由7阶(1行7列)循环s矩阵构成，其中的浅色代表通光小孔即矩形小孔，深色的代表不通光小孔。
本发明用于扩大视场近场编码成像的实施例：如图4所示的63阶循环S矩阵二维排列二维编码板，再复制六块相同的编码板，密接排列七块，构成合成编码板7；此时取景窗由原来的一个扩大到7个，每个取景窗后接一个独立的片状光波导，与取景窗尺寸相同，7个相同面积的取景窗共同构成合成取景窗8，视场就变成了该合成取景窗的大小；七片光波导叠在一起，构成合成传输光波导9，但分别传送各自对应的编码板送过来的光场信号。七片叠在一起的合成传输光波导出口端再接以图6所示的一维排列小孔的一维编码板10，小孔宽度正好对应每块独立片状光波导的宽度，小孔高为光波导的长度，一维编码板10(七合一，即1×7矩阵)尺寸传送的复合信号直接经过汇聚镜5送往太赫兹探测器6，这就是图5所示的结构；
此实施例中，一维编码板10后也可以再接一传输光波导，以接受一维编码板(七合一)尺寸传过来的复合信号，然后经汇聚镜5送往太赫兹探测器6。
Claims (2)
1.一种太赫兹波段的显微镜，包括透光载玻片(1)以及位于其上方、自下而上顺序紧密排列并连接的编码板(3)、取景窗(4)和汇聚镜(5)，汇聚镜(5)上方设置太赫兹探测器(6)，所述取景窗为矩形透光窗；所述编码板(3)为表面具有能遮挡太赫兹波段光的亚波长厚度金属镀膜的基板，所述基板为能够透过太赫兹波段光的高阻硅板或石英板，金属镀膜上制作有亚波长小孔阵列，所述亚波长小孔阵列中，各小孔按循环s矩阵分布，小孔孔径小于瑞利判据中的r值；
所述汇聚镜为能够汇聚太赫兹束的硅透镜或者聚合物透镜；所述太赫兹探测器为能够探测太赫兹波的单元探测器；
经透光载玻片(1)上的样品(2)过来的太赫兹光(11)在所述编码板(3)的小孔中被提取转换为传导波并经所述取景窗(4)取样，再经过汇聚镜(5)汇聚送往太赫兹探测器(6)接收；其特征在于：
所述亚波长小孔阵列为由0和1组成的M行N列循环s矩阵，亚波长小孔阵列大小M×N，M×N＝3、7、15、35、63、255、511、1023、或2047；折叠方式为一维排列或者二维排列；所述亚波长小孔端面形状为栅栏状，每个小孔均由平行排列的P条矩形狭缝构成，P＝4～10，所述小孔孔径由第一条矩形狭缝和第P条矩形狭缝的距离以及矩形狭缝的长度确定；小孔垂直方向形状为梳状，每条梳齿为棱台或棱柱；
M×N＝3时，首行为101；
M×N＝7时，首行为1110100；
M×N＝15时，首行为000100110101111；
M×N＝35时，首行为00100110101000010011101111100011101；
M×N＝63时，首行为：
00000100001100010100111101000111001
0010110111011001101010111111；
M×N＝225时，首行为：
以下字符对应关系：以八进制0、1、2、3、4、5、6、7分别表示二进制000、001、010、011、100、101、110、111；
M×N＝511时，首行为：
M×N＝1023时，首行为：
M×N＝2047时，首行为：
2.如权利要求1所述太赫兹波段的显微镜，其特征在于：
使用于扩大视场时，采用合成编码板(7)取代所述编码板(3)，合成编码板(7)由L个相同面积的所述编码板(3)沿X方向密接排列构成；每个编码板(3)上接一个独立的、与编码板(3)尺寸相匹配的取景窗(4)，分别传送相应的编码板送过来的光信号，L个相同面积的所述取景窗(4)沿X方向密接排列构成合成取景窗(8)；每个取景窗上连接片状光波导，L片片状光波导沿X方向密接排列构成合成传输光波导(9)，所述合成传输光波导(9)的输出端自下而上依次连接一维编码板(10)和汇聚镜(5)，汇聚镜(5)上方设置太赫兹探测器(6)；所述合成编码板(7)与相应的Y方向扫描器相连，所述一维编码板(10)与相应的X方向扫描器相连；
所述一维编码板(10)为表面具有能遮挡太赫兹波段光的亚波长厚度金属镀膜的基板，所述基板为能够透过太赫兹波段光的高阻硅板或石英板，金属镀膜上制作有小孔阵列，所述小孔阵列由L阶循环s矩阵构成，所述小孔端面形状为矩形，所述小孔孔径与合成传输光波导9中各片状光波导出口端面尺寸相同；所述L＝3、7、11、15、19、23、31、35、43、47、63、71、79、83、103、127、255、511或1023。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170718 Termination date: 20181209 |