CN105068397A - 一种量子级联激光器太赫兹源数字全息成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子级联激光器太赫兹源数字全息成像系统，包括量子级联激光器太赫兹源、光束整形模块、全息光路模块、图像探测与采集模块，光束整形模块的透镜将量子级联激光器太赫兹源的光束平行聚焦在第一离轴抛物镜上反射后由第二离轴抛物镜平行射出整形光束；全息光路模块的分束片将整形光束分为两路光束，第一路光束经第一反射镜透过样品台上的待成像物体形成携带物体信息的物光，照射至合光镜；第二路光束经第二反射镜照射至合光镜作为参考光；合光镜上的物光和参考光发生干涉现象形成全息图形由图像探测与采集模块进行数据采集。本发明的全息成像系统对非金属与非极性材料的结构和功能进行精细成像，并且整个系统模块化、小型化。

Description

一种量子级联激光器太赫兹源数字全息成像系统

技术领域

本发明涉及全息成像系统，尤其涉及一种量子级联激光器太赫兹源数字全息成像系统。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率从0.1THz到10THz，介于毫米波与红外光之间的电磁波，具有安全性、宽带性、“指纹谱特性”和穿透性等特点。THz波具有重要的科学价值和广阔的应用前景，在基础科学、材料研究、生物医学、国家公共安全等多个领域具有独特优势。

太赫兹波应用可分为太赫兹波成像、太赫兹波谱分析、太赫兹波通信三个方向。太赫兹波成像不仅能对物体进行结构成像，而且还能进行功能成像，即不但能显示物体的轮廓，而且能识别物体的种类。特别是对于可见光不能透过、而X射线成像对比度又不够的场合，太赫兹波成像几乎是唯一的选择；它与微波成像、X射线成像、超声波成像等形成强烈的互补优势，尤其适用于非金属与非极性材料的成像研究。

太赫兹波成像可分为太赫兹波全息成像、太赫兹波扫描成像与太赫兹波层析成像三大类。由于太赫兹波全息成像的全息图记录了物光场的全部信息，因此可以通过对光束传播行为的数值计算获得任意平面上的光波场分布，从而达到消除太赫兹波衍射效应的作用；此外，太赫兹波全息成像与常规焦平面成像相比，其焦平面可自由选择，避免了光路装调误差对成像结果的影响，且可采用大数值孔径成像，易于提升图像的空间分辨率。

太赫兹波数字全息成像用探测器替代了原有的胶片，并用计算机来处理探测器所获得的图像信息，从而再现出物体的精细结构。目前，太赫兹源数字全息成像系统还未产品化，为了提高太赫兹源数字全息成像系统的空间分辨率，现阶段的成像系统皆选用高频(大于1太赫兹)太赫兹源—英国EI公司的FIRL系列产品(最高频率可到7.5THz)作为光源，该太赫兹源具有输出功率大(最高可接近200mW)、光束品质好、多频点选择等优点；但其结构复杂、体积庞大、输出功率不稳定等缺点决定了基于该太赫兹源的数字全息成像系统只能用于实验室环境，无法实现模块化、小型化与产品化。

发明内容

申请人在研发过程中对太赫兹源数字全息成像系统的结构和成像过程进行了深入研究，在保证成像效果的基础上，以量子级联激光器太赫兹源作为太赫兹波光源，简化了整个成像系统的结构设计，实现了全息成像系统的小型化、模块化，便于产品快速应用。

具体地说，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种量子级联激光器太赫兹源数字全息成像系统，包括量子级联激光器太赫兹源、光束整形模块、全息光路模块、图像探测与采集模块，光束整形模块的透镜将量子级联激光器太赫兹源的光束平行聚焦在第一离轴抛物镜上反射后由第二离轴抛物镜平行射出整形光束；全息光路模块的分束片将整形光束分为两路光束，第一路光束经第一反射镜透过样品台上的待成像物体形成携带物体信息的物光，照射至合光镜；第二路光束经第二反射镜照射至合光镜作为参考光；合光镜上的物光和参考光发生干涉现象形成全息图形由图像探测与采集模块进行数据采集。

在上述结构中，采用量子级联激光器作为太赫兹波光源，其宏观尺寸在毫米量级，完成封装后也只有火柴盒一般大小，有效降低了产品体积；在使用时其置于斯特林制冷机低温平台上，抽真空降温通电即可输出1-10mW的太赫兹波。为了克服量子级联激光器衍射效应和发散的弊端，使用了特定的光束整形模块显著提高了光源的光束质量，保证了后续的全息成像效果。

其中所用的图像探测与采集模块通常是采用CCD或CMOS等器件接收参考光和物光的干涉条纹场，由图像采集卡将其传入电脑记录数字全息图。

在本发明中，为了实现物体结构的精细成像，第一反射镜与合光镜的光路上，在待成像物体与合光镜之间设有预放大物镜。

由于上述放大镜的存在，使得达到合光镜的物光带有更精确、更清晰地物体信息。

在本发明中，在第二反射镜与合光镜的光路上设有光强调节器。

通过使用光强调节器，使得物参光在更准确的条件下产生条纹干涉。

为了滤除杂波，降低后期的数据处理负担，在合光镜与图像探测与采集模块之间的光路上设有滤波片。

考虑到数字全息成像中常见的杂波类型，所述滤波片优选为红外滤波片。

本领域技术人员可以理解，为了实现全息成像的观察和利用，所述图像探测与采集模块连接有数据处理与再现系统。

通常上述的数据处理与再现系统是电脑，电脑的运算单元利用菲涅尔衍射原理在CPU中模拟光学衍射过程，实现全息图的数字再现；最后利用数字图像基本原理再现的全息图进行进一步处理，去除数字干扰，得到清晰的全息图像，并显示在所连接的显示器上。

与传统的全息成像系统相比，本发明的技术方案基于量子级联激光器研制的太赫兹源数字全息成像系统体积不高于1.2m×0.8m×1.2m(L×W×H)，重量可控制在200kg之内，方便移动、且产品结构模块化、小型化，可实现对非金属与非极性材料的结构与功能成像，便于在市场上大规模销售和应用。

附图说明

图1是本发明量子级联激光器太赫兹源数字全息成像系统的结构示意图。

在附图中，各数字含义如下：1.量子级联激光器太赫兹源，2.透镜，3.离轴抛物镜，4.离轴抛物镜，5.分束片，6.反射镜，7.光强调节器，8.反射镜，9.样品台，10.透镜，11.合光镜，12.红外滤波片，13.图像探测与采集系统,14.数据处理与再现系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的产品结构进行详细说明。如下所提供的技术方案仅为示意性，并不对本发明构成特别限制。

如图1所示，本发明的量子级联激光器太赫兹源数字全息成像系统，包括如下结构：量子级联激光器太赫兹源1、光束整形模块、全息光路模块、图像探测与采集模块13。

其中，光束整形模块包括透镜2、相对设置的第一离轴抛物镜3、第二离轴抛物镜4，透镜2将量子级联激光器太赫兹源射出的发散光束形成平行光射向第一离轴抛物镜3(调整距离使得量子级联激光器太赫兹源1位于透镜2的焦点位置即可)，经过与第一离轴抛物镜3对称设计的第二离轴抛物镜4后射出，实现光束的完全整形，防止杂乱光束影响成像效果；全息光路模块包括分束片5、第一反射镜8、第二反射镜6，整形的光束经分束片5形成物参两路光束，一路经第一反射镜8透过样品台9上的待成像物体形成携带物体信息的物光，照射至合光镜11上；另一路经第二反射镜6照射至合光镜11，从而在合光镜发生干涉现象形成全息图形；图像探测与采集模块13为CCD和图像采集卡，由CCD接收参考光和物光的干涉条纹场，由图像采集卡将其传入电脑记录数字全息图；最终数字全息图进入数据处理与再现系统14(即电脑)进行处理和成像显示。

为了改善成像效果，在样品台9上的物体与合光镜11之间设有预放大物镜10，在第二反射镜6与合光镜11之间设有光强调节器7，在合光镜11与图像探测与采集模块13之间设有红外滤波器12。

上述结构的工作原理如下：量子级联激光器太赫兹源输出太赫兹波，经透镜与第一、第二离轴抛物镜组成的光束整形模块进行光束整形，再经分束片形成物参两路光束，一路经第一反射镜透过样品台上的物体形成携带物体信息的物光，经预放大物镜收集并照射至合光镜上；另一路经第二反射镜并通过光强调节器照射至合光镜上。合光镜上的物参光发生干涉现象形成全息图形，经红外滤波片滤波后进行图像探测与采集，数据传输至数据处理与再现系统再现出物体的精细结构。

Claims (6)

1.一种量子级联激光器太赫兹源数字全息成像系统，其特征在于包括量子级联激光器太赫兹源、光束整形模块、全息光路模块、图像探测与采集模块，光束整形模块的透镜将量子级联激光器太赫兹源的光束平行聚焦在第一离轴抛物镜上反射后由第二离轴抛物镜平行射出整形光束；全息光路模块的分束片将整形光束分为两路光束，第一路光束经第一反射镜透过样品台上的待成像物体形成携带物体信息的物光，照射至合光镜；第二路光束经第二反射镜照射至合光镜作为参考光；合光镜上的物光和参考光发生干涉现象形成全息图形由图像探测与采集模块进行数据采集。

2.根据权利要求1的全息成像系统，其特征在于在第一反射镜与合光镜的光路上，在待成像物体与合光镜之间设有预放大物镜。

3.根据权利要求1的全息成像系统，其特征在于在第二反射镜与合光镜的光路上设有光强调节器。

4.根据权利要求1的全息成像系统，其特征在于在合光镜与图像探测与采集模块之间的光路上设有滤波片。

5.根据权利要求4的全息成像系统，其特征在于滤波片为红外滤波片。

6.根据权利要求1的全息成像系统，其特征在于图像探测与采集模块连接有数据处理与再现系统。