CN105581773A - 一种太赫兹成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹成像系统，用于对检测对象进行检测，包括分光镜、波束扫描装置和太赫兹探测器，所述分光镜将接收到的太赫兹波反射到波束扫描装置上，所述波束扫描装置对检测对象进行扫描；检测对象反射的太赫兹波依次经过所述波束扫描装置和所述分光镜后到达所述太赫兹探测器，所述太赫兹探测器将接收到的太赫兹波转换成光电流信号输出供分析处理。本发明提供的太赫兹成像系统能够极大地提高成像的扫描速度，而且控制简便，造价便宜，有利于系统的集成和扩展；同时通过反射式测量的方式，使该太赫兹成像系统可以应用于生物体特性的在体检测。

Description

一种太赫兹成像系统

技术领域

本发明涉及太赫兹波成像领域,尤其涉及一种太赫兹成像系统。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz～10THz远红外波段的相干电磁辐射，处于电磁波谱中电子学向光子学过渡的特殊位置，因其具有透视性、安全性、光谱分辨本领等独特的本领，而表现出广泛的学术价值和应用前景。随着太赫兹技术的发展，太赫兹光谱及成像在生物学、医学疾病诊断、材料科学、军事以及化学基础研究等许多领域展现出巨大的应用潜力。太赫兹时域光谱技术是国际上近年来发展起来的太赫兹辐射的应用技术之一，是一种新兴的光谱技术，是太赫兹光谱技术的核心研发领域。太赫兹时域光谱所具有的相干探测方法、高的时间分辨率和高灵敏度为人们展现了一个全新的光谱学研究视角，也给光谱学研究者提供了新的机遇。而太赫兹时域光谱成像系统则继承了光谱系统的特点，且与普通的光学成像不同的是，太赫兹波成像的每个像素不仅包含光强信息还具有该像素点的光谱信息，经过相应处理的图像不仅可以观察还能识别物质成分，因此已经得到各个国家及各大研究所关注的前沿研究方向。

目前，太赫兹时域光谱成像系统已经广泛应用于生物医学领域。现有的商业化太赫兹成像设备中主要采用逐点扫描成像和面阵成像等技术，逐点扫描系统往往采用电机平台对样品进行二维移动实现逐点扫描(光栅扫描)，需要耗费较长的时间，无法满足对生物体进行在体检测的实际需求；面阵成像技术如焦平面探测阵列成像、基于电光采样方法的CCD成像等存在着系统复杂而且设备昂贵等方面的不足；此外，对于生物体而言，现有的太赫兹系统大多采用透射式进行研究，这也难以应用于在体检测。

首都师范大学太赫兹重点实验室的张存林、邓朝等设计的一种太赫兹成像系统，利用帧扫平面镜、多面体转镜和阵列探测器实现对物体的多列扫描成像(专利号CN201210117305.1)。然而，这种方案利用太赫兹阵列探测器造价较高，且利用多面体转镜扫描容易出现棱角过渡段的光线不明区域，对于精确控制带来一定的难度。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种扫描速度快、控制简便、控制精度高且适于在体检测的太赫兹成像系统。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种太赫兹成像系统，用于对检测对象进行检测，包括分光镜、波束扫描装置和太赫兹探测器，所述分光镜将接收到的太赫兹波反射到波束扫描装置上，所述波束扫描装置对检测对象进行扫描；检测对象反射的太赫兹波依次经过所述波束扫描装置和所述分光镜后到达所述太赫兹探测器，所述太赫兹探测器将接收到的太赫兹波转换成光电流信号输出供分析处理。

其中，所述波束扫描装置包括第一可旋转反射镜、第二可旋转反射镜、扫描透镜和反射镜驱动单元，所述反射镜驱动单元驱动所述第一可旋转反射镜和所述第二可旋转反射镜绕各自的对称轴转动；扫描透镜为聚焦透镜，太赫兹波依次经过所述第一可旋转反射镜、所述第二可旋转反射镜和所述扫描透镜照射到检测对象上。

其中，所述反射镜驱动单元包括两个扫描电机和伺服驱动单元，所述伺服驱动单元输出控制信号控制两个所述扫描电机分别驱动所述第一可旋转反射镜和所述第二可旋转反射镜旋转。

其中，所述第一可旋转反射镜的对称轴和所述第二可旋转反射镜的对称轴垂直。

其中，所述第一可旋转反射镜的的对称轴垂直于检测对象，所述第二可旋转反射镜的对称轴平行于检测对象。

其中，太赫兹成像系统还包括飞秒激光器、分束器和太赫兹发射器，所述飞秒激光器用于发出激光束，所述分束器用于将所述飞秒激光器发出的激光束分成探测光和泵浦光；所述泵浦光经所述太赫兹发射器后对检测对象进行扫描，检测对象反射的太赫兹波经所述分光镜进入所述太赫兹探测器，所述探测光经往复运动的快速延迟单元进入所述太赫兹探测器，所述太赫兹探测器在所述探测光和所述太赫兹波的共同作用下产生探测信号。

其中，所述快速延迟单元包括音圈电机和光束回返镜，所述快速延迟单元受所述音圈电机驱动往复运动，所述光束回返镜改变光路以投射至所述太赫兹探测器。

其中，太赫兹成像系统还包括太赫兹扩束装置和抛面镜，所述太赫兹扩束装置将所述太赫兹发射器产生的太赫兹辐射扩束后形成平行光束射出至所述分光镜；所述抛面镜将检测对象反射回的太赫兹波聚焦至所述太赫兹探测器。

其中，太赫兹成像系统还包括第一反射器和第二反射器，所述第一反射器接收所述飞秒激光器发出的激光束并反射到分束器上，所述第二反射器接收所述探测光并反射给快速延迟单元。

其中，所述太赫兹发射器包括太赫兹源和光束整理装置，所述太赫兹源受激光激发可产生太赫兹波，所述光束整理装置包括透镜，用于对太赫兹波进行整理。

本发明利用太赫兹波通过波束扫描装置对检测对象进行扫描，然后利用太赫兹探测器接收反射的太赫兹波并转换成光电流信号输出供分析处理。这种方式能够极大地提高成像的扫描速度，而且控制简便，造价便宜，有利于系统的集成和扩展；同时通过反射式测量的方式，使该太赫兹成像系统可以应用于生物体特性的在体检测。

附图说明

图1为本发明实施例的太赫兹成像系统结构示意图。

图2为本发明实施例的太赫兹成像系统的波束扫描装置结构示意图。

图3为本发明实施例的太赫兹成像系统的波束扫描装置的扫描原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图用实施例对本发明做进一步说明。

参阅图1，本发明实施例提供了一种太赫兹成像系统，用于对检测对象100进行检测，包括分光镜50、波束扫描装置60和太赫兹探测器70，分光镜50将接收到的太赫兹波反射到波束扫描装置60上，波束扫描装置60对检测对象100进行扫描；检测对象100反射的太赫兹波依次经过波束扫描装置60和分光镜50后到达太赫兹探测器70，太赫兹探测器70将接收到的太赫兹波转换成光电流信号输出供分析处理。

图2为波束扫描装置60的结构示意图，波束扫描装置60包括第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62、扫描透镜63和反射镜驱动单元(图未示)，反射镜驱动单元驱动第一可旋转反射镜61和第二可旋转反射镜62绕各自的对称轴转动；扫描透镜63为聚焦透镜，太赫兹波依次经过第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62和扫描透镜63照射到检测对象100上。其中，扫描透镜63的焦点位于检测对象100表面。

进一步地，反射镜驱动单元包括两个扫描电机(图未示)和伺服驱动单元(图未示)，伺服驱动单元输出控制信号控制两个扫描电机分别驱动第一可旋转反射镜61和第二可旋转反射镜62旋转，具体地，第一可旋转反射镜61和第二可旋转反射镜62绕各自对称轴旋转。

在本实施例中，第一可旋转反射镜61的对称轴和第二可旋转反射镜62的对称轴垂直。第一可旋转反射镜61的的对称轴垂直于检测对象100，第二可旋转反射镜62的对称轴平行于检测对象100。水平射入的太赫兹波经第一可旋转反射镜61反射后进入第二可旋转反射镜62，经第二可旋转反射镜62反射后由扫描透镜63聚焦后入射到检测对象100的扫描面上。

太赫兹成像系统还包括飞秒激光器10、分束器20和太赫兹发射器30，飞秒激光器10用于发出激光束，分束器20用于将飞秒激光器10发出的激光束分成两路光：探测光和泵浦光；其中的泵浦光经太赫兹发射器30后对检测对象100进行扫描，检测对象100反射的太赫兹波经分光镜50进入太赫兹探测器70，其中的探测光经快速往复运动的快速延迟单元80进入太赫兹探测器70，太赫兹探测器70在探测光和太赫兹波的共同作用下产生探测信号。这里的探测信号为光电流信号。太赫兹探测器70可以是任何可以与飞秒激光和太赫兹辐射发生相互作用产生探测信号的太赫兹探测装置，包括基于光电导采样和电光采样的太赫兹探测装置，以及包含辅助于太赫兹探测的飞秒激光聚焦透镜和太赫兹光束准直透镜等光束整理装置。

在飞秒激光器10和分束器20之间还设有第一反射器90，用于将飞秒激光器10射出的激光束改变方向投射至分束器20上，在分束器20和太赫兹发射器30之间还依次布置有第一中间反射器93和第一中间透镜110，第一中间透镜110为聚焦透镜，飞秒激光器10射出的激光束经分束器20分束后的泵浦光经第一中间反射器93反射后再由第一中间透镜110聚焦至太赫兹发射器30。在分束器20和快速延迟单元80之间还设有改变光线方向的第二反射器91，第二反射器91接收探测光并反射给快速延迟单元80。

本实施例的太赫兹成像系统还包括前置放大器200和锁相放大器300，探测器输出的光电流信号经前置放大器200放大后转变成电压信号，再由锁相放大器300进一步放大以供利用电脑、软件及相关设备等进行采集分析处理。

快速延迟单元80包括音圈电机(图未示)和光束回返镜81，快速延迟单元80受音圈电机驱动沿与入射光线平行的方向进行快速的往复运动，光束回返镜81用于改变光路以投射至太赫兹探测器70。由于音圈电机利用通电导体在磁场中受到安培力作用而运动，其结构中没有传统电机的螺母、丝杆等复杂的机械结构，因此运动阻力非常小，从而能够实现高速的往复运动。

具体地，光束回返镜81由呈一定夹角的入射反射镜和出射反光镜组成，起到一定的光线延迟效果。本实施例的入射反射镜和出射反光镜互相垂直，可以将入射的光线反向折回，快速延迟单元80还包括一块延迟反射镜82，延迟反射镜82平行布置于光束回返镜81的出射反光镜的正对面。在快速延迟单元80和太赫兹探测器70之间还依次布置有第二中间反射器94和第二中间透镜120，光线射入到光束回返镜81的入射反光镜后，由出射反光镜射出，再经延迟反射镜82垂直射出，最后经第二中间反射器94反射后由第二中间透镜120聚焦至太赫兹探测器70。

本发明实施例的太赫兹成像系统还包括太赫兹扩束装置40和抛面镜41，太赫兹扩束装置40将太赫兹发射器30产生的太赫兹辐射扩束后形成平行光束射出至分光镜50；抛面镜41将检测对象100反射回的太赫兹波聚焦至太赫兹探测器70。具体地，该太赫兹扩束装置40可以是任何具有扩束作用的太赫兹光学器件，包括各种透镜和离轴抛物面镜等。

其中，太赫兹发射器30包括太赫兹源和光束整理装置，其中太赫兹源可以是基于光电导效应的光电导天线太赫兹源，太赫兹源受激光激发可产生太赫兹波；光束整理装置包括透镜，用于对太赫兹波进行整理，如用于辅助太赫兹波发射的飞秒激光聚焦透镜和太赫兹光束准直透镜等。

该太赫兹成像系统具体工作原理如下：飞秒激光器10发出的激光束经过分束器20分成探测光和泵浦光。其中的泵浦光经过一面第一中间反射器93反射后，射向太赫兹发射器30而产生太赫兹辐射；由太赫兹发射器30产生的太赫兹辐射经太赫兹扩束装置40后形成平行光束；被扩束的太赫兹辐射经分光镜50反射至波束扫描装置60，然后聚焦于检测对象100测量位置进行扫描；从检测对象100反射后的太赫兹辐射经波束扫描装置60返回，经过分光镜50后再通过抛面镜41，最后入射到太赫兹探测器70上；其中的探测光经过第二反射器91反射后进入到快速延迟单元80，经过快速延迟单元80的光束折返后被第二中间反射器94反射至太赫兹探测器70。太赫兹探测器70在探测光和太赫兹辐射的共同作用下产生探测信号；太赫兹探测器70输出的光电流信号经前置放大器200转换成电压信号，再由锁相放大器300进一步放大以供采集分析处理。

结合图2和图3，波束扫描装置60利用伺服驱动单元输出的两路信号控制两个扫描电机分别驱动第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62旋转，实现第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62在检测对象100平面上的光束偏转。第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62分别装配在两个扫描电机上，每个扫描电机均采用具有高动态响应性能的检流计式有限转角电机。

如图3，定义检测对象100即扫描面所在的平面为OXY平面，第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62的旋转轴分别与Z轴和X轴平行，且第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62的中心在同一高度，太赫兹波的入射方向为X轴正向。初始状态时，第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62的旋转角θ_x、θ_y均为0，此时第一可旋转反射镜61与X轴、Y轴的初始夹角均为45°，第二可旋转反射镜62与Y轴、Z轴的初始夹角均为45°，入射的太赫兹波经第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62反射后垂直入射到扫描透镜63上，最后聚焦于XY平面的坐标原点P(0,0)。

太赫兹波束扫描成像时，扫描点与第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62的旋转角θ_x、θ_y以及动态聚焦的调焦距离一一对应，但是他们之间的关系为非线性。因而，要实现太赫兹波束的精确扫描控制，首先必须得到其精确的扫描模型，然后通过扫描模型得到第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62旋转角与扫描点坐标及动态的聚焦移动距离之间的精确函数关系，从而实现对振镜的精确控制。

理想状态下，扫描透镜63的焦距F、扫描中心P(0,0)到扫描点P(x,y)的距离L，第二可旋转反射镜62射出的波束与扫描透镜63法线的夹角θ满足如下关系：

L＝F×θ

扫描面上扫描点的轨迹，可表示为：

$x=\frac{L\·\sin {2\mathrm{\θ}}_x}{\cos (L/F)}$

$y=\frac{L\·\mathrm{tg}{2\mathrm{\θ}}_y}{\mathrm{tg}(L/F)}$

又由于因此，可以得出通过第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62的旋转角θ_x、θ_y控制扫描轨迹的数学模型为：

${\mathrm{\θ}}_x=0.5\arcsin \frac{x\·\cos (\sqrt{x^2+y^2}/F)}{\sqrt{x^2+y^2}}$

${\mathrm{\θ}}_y=0.5\mathrm{arctg}\frac{y\·\mathrm{tg}(\sqrt{x^2+y^2}/F)}{\sqrt{x^2+y^2}}$

通过上述的数学模型即可精确调节第一可旋转反射镜61、第二可旋转反射镜62的旋转角度，从而实现扫描轨迹的精确控制。

本发明由于采用了反射式测量方法，解决了透射式测量难以实现生物体的在体检测问题，通过配合扫描透镜，使太赫兹波束入射到检测对象表面，反射的太赫兹波束沿光路返回直至分光镜后，经抛面镜聚焦于太赫兹探测器。探测器输出的光电流信号经前置放大器变成电压信号，再由锁相放大器进一步放大即可进行采集分析处理。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种太赫兹成像系统，用于对检测对象(100)进行检测，其特征在于，包括分光镜(50)、波束扫描装置(60)和太赫兹探测器(70)，所述分光镜(50)将接收到的太赫兹波反射到波束扫描装置(60)上，所述波束扫描装置(60)对检测对象(100)进行扫描；检测对象(100)反射的太赫兹波依次经过所述波束扫描装置(60)和所述分光镜(50)后到达所述太赫兹探测器(70)，所述太赫兹探测器(70)将接收到的太赫兹波转换成光电流信号输出供分析处理。

2.根据权利要求1所述的太赫兹成像系统，其特征在于，所述波束扫描装置(60)包括第一可旋转反射镜(61)、第二可旋转反射镜(62)、扫描透镜(63)和反射镜驱动单元，所述反射镜驱动单元驱动所述第一可旋转反射镜(61)和所述第二可旋转反射镜(62)绕各自的对称轴转动；扫描透镜(63)为聚焦透镜，太赫兹波依次经过所述第一可旋转反射镜(61)、所述第二可旋转反射镜(62)和所述扫描透镜(63)照射到检测对象(100)上。

3.根据权利要求2所述的太赫兹成像系统，其特征在于，所述反射镜驱动单元包括两个扫描电机和伺服驱动单元，所述伺服驱动单元输出控制信号控制两个所述扫描电机分别驱动所述第一可旋转反射镜(61)和所述第二可旋转反射镜(62)旋转。

4.根据权利要求2所述的太赫兹成像系统，其特征在于，所述第一可旋转反射镜(61)的对称轴和所述第二可旋转反射镜(62)的对称轴垂直。

5.根据权利要求4所述的太赫兹成像系统，其特征在于，所述第一可旋转反射镜(61)的的对称轴垂直于检测对象(100)，所述第二可旋转反射镜(62)的对称轴平行于检测对象(100)。

6.根据权利要求1所述的太赫兹成像系统，其特征在于，还包括飞秒激光器(10)、分束器(20)和太赫兹发射器(30)，所述飞秒激光器(10)用于发出激光束，所述分束器(20)用于将所述飞秒激光器(10)发出的激光束分成探测光和泵浦光；所述泵浦光经所述太赫兹发射器(30)后对检测对象(100)进行扫描，检测对象(100)反射的太赫兹波经所述分光镜(50)进入所述太赫兹探测器(70)，所述探测光经往复运动的快速延迟单元(80)进入所述太赫兹探测器(70)，所述太赫兹探测器(70)在所述探测光和所述太赫兹波的共同作用下产生探测信号。

7.根据权利要求6所述的太赫兹成像系统，其特征在于，所述快速延迟单元(80)包括音圈电机和光束回返镜(81)，所述快速延迟单元(80)受所述音圈电机驱动往复运动，所述光束回返镜(81)改变光路以投射至所述太赫兹探测器(70)。

8.根据权利要求6所述的太赫兹成像系统，其特征在于，还包括太赫兹扩束装置(40)和抛面镜(41)，所述太赫兹扩束装置(40)将所述太赫兹发射器(30)产生的太赫兹辐射扩束后形成平行光束射出至所述分光镜(50)；所述抛面镜(41)将检测对象(100)反射回的太赫兹波聚焦至所述太赫兹探测器(70)。

9.根据权利要求6所述的太赫兹成像系统，其特征在于，还包括第一反射器(90)和第二反射器(91)，所述第一反射器(90)接收所述飞秒激光器(10)发出的激光束并反射到分束器(20)上，所述第二反射器(91)接收所述探测光并反射给快速延迟单元(80)。

10.根据权利要求6所述的太赫兹成像系统，其特征在于，所述太赫兹发射器(30)包括太赫兹源和光束整理装置，所述太赫兹源受激光激发可产生太赫兹波，所述光束整理装置包括透镜，用于对太赫兹波进行整理。