CN105259132A - 一种太赫兹波透射成像系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种太赫兹波透射成像系统，该系统包括太赫兹源、光路准直聚焦装置、扫描振镜、平场聚焦透镜、载物平台、探测器和图像处理装置。光路准直聚焦装置对太赫兹源所输出的太赫兹波进行准直和聚焦，扫描振镜用于对经过准直和聚焦后的太赫兹波在预设维度上进行偏转扫描，平场聚焦透镜用于将从扫描振镜中出射的太赫兹波聚焦到待测样品上，载物平台则用于承载待测样品，并驱动待测样品按预设路径进行运动，位于待测样品与载物平台之间的探测器对透射过待测样品的太赫兹波进行检测，并输出太赫兹波幅度信息，图像处理装置用于对太赫兹波幅度进行处理，从而最终得到待测样品的太赫兹波透射图像。

Description

一种太赫兹波透射成像系统

技术领域

本申请涉及太赫兹技术领域，更具体地说，涉及一种太赫兹波透射成像系统。

背景技术

太赫兹波在19世纪已经为人们所认识，但是由于没有稳定的辐射源和探测器，对于太赫兹谱段的物质特性一直是科学界的“真空地带”(terahertzgap)。美国贝尔实验室的奥斯顿等人在研究超快半导体现象时，发现了砷化镓光电导探测效应，1982年有关结果在美国权威杂志《科学》上发表，引发了科学界的广泛关注，逐渐使太赫兹波及其应用成为近年来学术界、产业界的热门课题。

太赫兹波之所以在基础研究、工业应用、生物医学、军事等领域有相当重要的应用前景，就在于它具有以下特点：

(1)太赫兹谱带波长比一般光学和近红外谱的波长要长，所以太赫兹辐射检测生物组织样本不易发生散射；太赫兹辐射比微波具有更短的波长，这使得太赫兹光谱具有更高的空间分辨率，更大的景深。

(2)太赫兹波穿透性好，能够穿透非极性液体和许多介电材料(衣服、塑料、木材、纸张等)，这意味着人们可利用太赫兹波穿透包装材料对其内部物体进行探测。

(3)由于太赫兹波的光子能量很低(毫电子伏量级)，它穿透物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测，与之对应的X射线检测则有相当的电离辐射危险。

(4)许多物质大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在太赫兹波段，所以在太赫兹波段表现出很强的吸收和谐振，这表明采用太赫兹光谱分析技术可以很明显的看到很多物体、材料在太赫兹波段的特征吸收峰，即可用太赫兹波对待检物品进行非接触式成分分析。

(5)太赫兹波的时域频谱信噪比很高，这使得太赫兹波非常适用于成像应用。太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究。太赫兹波用于等离子体检测，利用太赫兹辐射可以探测出高温、高密度等离子体中密度的空间分布。

由于太赫兹波具有以上的诸多优点，因此利用太赫兹波对待测样品进行透射成像在医学诊断、化学成分分析、药物的分析和检测上具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种太赫兹波透射成像系统，用于对待测样品进行透射成像，以获得反映待测样品的组成结构的太赫兹波透射图像。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种太赫兹波透射成像系统，包括太赫兹源、光路准直聚焦装置、扫描振镜、平场聚焦透镜、载物平台、探测器和图像处理装置，其中：

所述太赫兹源用于输出太赫兹波；

所述光路准直聚焦装置用于对所述太赫兹波进行准直和聚焦；

所述扫描振镜用于对经过准直和聚焦后的太赫兹波在预设维度上进行偏转扫描；

所述载物平台用于承载待测样品，并按预设路径进行运动；

所述平场聚焦透镜用于将从所述扫描振镜中出射的所述太赫兹波聚焦到所述待测样品上；

所述探测器设置在所述载物平台的上表面，用于对所述太赫兹波进行检测，并输出太赫兹波幅度信息；

所述图像处理装置用于根据所述太赫兹波幅度信息生成太赫兹波透射图像。

可选的，所述光路准直聚焦装置包括抛物面镜。

可选的，所述预设维度为一维。

可选的，所述探测器为由多个单点探测器组成的线式阵列探测器。

可选的，所述太赫兹波透射图像为二维图像或三维图像。

可选的，所述待测样品距离所述探测器的距离为2.5～5毫米。

可选的，还包括夹具，其中：

所述夹具包括上夹板、下夹板和用于将所述上夹板与所述下夹板相向压紧的连接件；

所述下夹板位于所述载物平台的下方；

所述上夹板位于所述待测样品的上方。

可选的，所述载物平台还设置有电动升降机构，其中：

所述电动升降机构用于推动所述载物平台上下运动。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种太赫兹波透射成像系统，该系统包括太赫兹源、光路准直聚焦装置、扫描振镜、平场聚焦透镜、载物平台、探测器和图像处理装置。光路准直聚焦装置对太赫兹源所输出的太赫兹波进行准直和聚焦，扫描振镜用于对经过准直和聚焦后的太赫兹波在预设维度上进行偏转扫描，平场聚焦透镜用于将从扫描振镜中出射的太赫兹波聚焦到待测样品上，载物平台则用于承载待测样品，并驱动待测样品按预设路径进行运动，位于待测样品与载物平台之间的探测器对透射过待测样品的太赫兹波进行检测，并输出太赫兹波幅度信息，图像处理装置用于对太赫兹波幅度进行处理，并生成太赫兹波透射图像。从而本系统能够利用太赫兹波对待测样品进行透射成像，得到反映待测样品的组成结构的太赫兹波透射图像。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种太赫兹波透射成像系统的示意图；

图2为本申请提供的一种太赫兹波透射成像系统的二维扫描路径的示意图；

图3为本申请提供的一种太赫兹波透射成像系统的三维扫描路径的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

图1为本申请实施例提供的一种太赫兹波透射成像系统的示意图。

如图1所示，本实施例提供的太赫兹波透射成像系统包括太赫兹源10、光路准直聚焦装置20、扫描振镜30、平场聚焦透镜40、载物平台50、探测器60和图像处理装置70。其中，图像处理装置70的信号输入端与探测器60的信号输出端相连接。

太赫兹源10用于产生太赫兹波，随着技术的发展，现在可以多种方式产生太赫兹波，但没有本质上的区别，因此本申请不限定产生太赫兹波的具体方式和设备。

光路准直聚焦装置20用于对太赫兹源产生的太赫兹波进行准直和聚焦，具体方式为利用一个抛物面镜21对太赫兹波的前进方向进行偏转、准直和聚焦。

扫描振镜30用于控制太赫兹波的波束偏转在预设维度上进行偏转，太赫兹波束首先入射到扫描振镜30的反射镜片的中心位置，然后被反射镜片所反射，再经过平场聚焦透镜40聚焦到载物平台上50的待测样品100处。预设维度优选一维。

扫描振镜30在相应控制系统输出的控制直流信号的控制下，能够使扫描振镜30中的通电线圈在磁场中产生力矩，控制转子带动反射镜片以一定角度偏转，从而起到精确控制太赫兹波束偏转的作用。

平场聚焦透镜40将经过扫描振镜30偏转的太赫兹波聚焦到待测样品上，平场聚焦透镜40的孔径光阑在光路调节中被设置在扫描振镜30的中心点处，其大小等于振镜处入射太赫兹波束的孔径尺寸。太赫兹波的扫描范围x₀＝F×θ，F是平场聚焦透镜40的焦距，θ是扫描振镜30的偏转角范围，一旦这两个参数确定，待测样品100表面上的太赫兹波束的扫描范围也就确定了。

载物平台50用于承载待测样品100，一般可利用相应的夹具(未示出)将待测样品100与载物平台50固定在一起。夹具包位于载物平台50下方的下夹板和位于待测样品100的上部的上夹板，还包括将上夹板和下夹板连接在一起使之相向夹紧的连接件。载物平台50可以在xyz三个维度方向上运动。

待测样品100要求对太赫兹波吸收较少，以利于太赫兹波的透射测量，待测样品100须固定在载物平台50上，以随之一同运动。

探测器60为由多个单点探测器组合而成线式阵列探测器，设置在载物平台50的上表面，且位于待测样品100下表面，用于接收太赫兹波透射信号，并输出太赫兹波幅度信息。

线式阵列探测器与样品仅在xy平面内可相对运动，沿z轴方向无相对运动，即探测器60始终与样品下表面(太赫兹波出射面)间距不变。与该线式阵列探测相对应，本申请要求扫描振镜30的偏转方向与线式阵列探测器的方向平行。

载物平台50可在电动升降机构的推动下实现探测器与样品一同做z轴方向的上下运动；探测器60y轴方向的前后运动，可由一组线性导轨或滚动丝杠实现；探测器60x轴方向的左右运动，可由滚动丝杠加导向轴实现，亦可由其他机构实现。

图像处理装置70用于接收探测器60输出的太赫兹波幅度信息，利用基于区域相关的拼接算法和基于特征相关的拼接算法，最终合成一幅待测样品的太赫兹波透射图像。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种太赫兹波透射成像系统，该系统包括太赫兹源、光路准直聚焦装置、扫描振镜、平场聚焦透镜、载物平台、探测器和图像处理装置。光路准直聚焦装置对太赫兹源所输出的太赫兹波进行准直和聚焦，扫描振镜用于对经过准直和聚焦后的太赫兹波在预设维度上进行偏转扫描，平场聚焦透镜用于将从扫描振镜中出射的太赫兹波聚焦到待测样品上，载物平台则用于承载待测样品，并驱动待测样品按预设路径进行运动，位于待测样品与载物平台之间的探测器对透射过待测样品的太赫兹波进行检测，并输出太赫兹波幅度信息，图像处理装置用于对太赫兹波幅度进行处理，并生成太赫兹波透射图像。从而本系统能够利用太赫兹波对待测样品进行透射成像，得到反映待测样品的组成结构的太赫兹波透射图像。

由于本系统能够利用扫描振镜在一维上进行扫描，因此在成像时就能够使载物品平台在运动上减少一个方向，由于载物平台的运动是物理运动，相对于扫描振镜的电子扫描运动来说速度要慢，因此减少载物平台的一个运动方向能够大幅提高成像的速度。

通过采用线式阵列探测器进行线性扫描，探测器的阵列单元靠近扫描样品的出射端表面，一方面有利于大视野、进行高精度测量，另一方面线式阵列探测器与待测样品的间距在小于五到十倍太赫兹波中心波长的距离接收太赫兹波，这样相当于近场接收信号，如太赫兹波中心频率是0.6THz，则中心波长0.5毫米，阵列单元与样品间距保持在2.5～5毫米左右或更近距离能够增强接收信号，并有利于增加信噪比，提高系统分辨率，测量精度可接近于太赫兹波波长量级。

通过使载物平台在三个维度上的运动，可以通过本系统得到二维图像或三维图像。这两种图像的成像过程见下面的介绍。

二维成像的扫描过程：

首先在扫描区域的初始位置，太赫兹波从太赫兹源发出后经过太赫兹波准直聚焦装置准直后聚焦在扫描振镜的中心点，然后太赫兹波被扫描振镜反射后经平场聚焦透镜聚焦在待测样品的表面上，其透射信号被下面的线式阵列探测器所接收。扫描振镜转动开始，它可控制太赫兹波束沿图2中的x轴方向来回偏转，待测样品下面的线式太赫兹波探测器与x轴平行，可接收x方向太赫兹波透射信号，当一行x信号接收完毕后，载物平台带着样品沿y轴移动一段距离Δy，Δy与太赫兹波束在样品面的聚焦点大小有关，并决定y轴方向的分辨率，然后振镜系统继续偏转太赫兹波束沿x轴方向扫描，按照此步骤循环往复，最终完成样品在xy面的太赫兹波透射二维成像，具体扫描路径如图2中所示。

三维成像的扫描过程：

首先在扫描区域的初始位置，太赫兹波从太赫兹源发出后经过太赫兹波准直聚焦装置准直后聚焦在扫描振镜的中心点，然后太赫兹波被扫描振镜反射后经平场聚焦透镜聚焦在待测样品表面上，其透射信号被下面的线式阵列探测器所接收。

扫描振镜转动开始，它可控制太赫兹波沿示意图3中的x轴方向来回偏转，待测样品下面的线式太赫兹波探测器与x轴平行，可接收x方向太赫兹波透射信号，当一行x信号接收完毕后，载物平台带着待测样品沿y轴移动一段距离Δy，Δy与太赫兹波束在样品面的聚焦点大小有关，并决定y轴方向的分辨率，然后扫描振镜继续偏转太赫兹波沿x轴方向扫描，按照此步骤循环，完成样品在初始z轴坐标z₀处xy面的太赫兹波透射二维数据采集。

然后载物平台带着待测样品和线式阵列探测器沿z轴整体移动Δz的距离，Δz决定z轴方向的分辨率，相应的聚焦点也从初始位置z₀处有Δz左右的移动，另外聚焦位置还与样品材料的介电参数有关。继续重复上述步骤完成z轴坐标z₀+Δz处xy面的太赫兹波透射数据采集。按照Δz的步长把样品沿z轴均分为n个xy面进行成像数据采集，最终通过图像处理装置把z轴方向n个面的二维数据拼接在一起，形成太赫兹波透射三维图像。具体扫描路径如示意图3所示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种太赫兹波透射成像系统，其特征在于，包括太赫兹源、光路准直聚焦装置、扫描振镜、平场聚焦透镜、载物平台、探测器和图像处理装置，其中：

所述太赫兹源用于输出太赫兹波；

所述光路准直聚焦装置用于对所述太赫兹波进行准直和聚焦；

所述扫描振镜用于对经过准直和聚焦后的太赫兹波在预设维度上进行偏转扫描；

所述载物平台用于承载待测样品，并按预设路径进行运动；

所述平场聚焦透镜用于将从所述扫描振镜中出射的所述太赫兹波聚焦到所述待测样品上；

所述探测器设置在所述载物平台上，用于对所述太赫兹波进行检测，并输出太赫兹波幅度信息；

所述图像处理装置用于根据所述太赫兹波幅度信息生成太赫兹波透射图像。

2.如权利要求1所述的太赫兹透射成像系统，其特征在于，所述光路准直聚焦装置包括抛物面镜。

3.如权利要求1所述的太赫兹透射成像系统，其特征在于，所述预设维度为一维。

4.如权利要求1所述的太赫兹透射成像系统，其特征在于，所述探测器为由多个单点探测器组成的线式阵列探测器。

5.如权利要求1所述的太赫兹透射成像系统，其特征在于，所述太赫兹波透射图像为二维图像或三维图像。

6.如权利要求1～5任一项所述的太赫兹透射成像系统，其特征在于，所述待测样品距离所述探测器的距离为2.5～5毫米。

7.如权利要求6所述的太赫兹透射成像系统，其特征在于，还包括夹具，其中：

所述夹具包括上夹板、下夹板和用于将所述上夹板与所述下夹板相向压紧的连接件；

所述下夹板位于所述载物平台的下方；

所述上夹板位于所述待测样品的上方。

8.如权利要求6所述的太赫兹透射成像系统，其特征在于，所述载物平台还设置有电动升降机构，其中：

所述电动升降机构用于推动所述载物平台上下运动。