CN106932357B - 一种超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，太赫兹源出射的太赫兹波经准直透镜准直后透过太赫兹相位板，形成太赫兹矢量光场，激光器出射的激光光束经空间光调制器调制后与太赫兹矢量光场同时入射至太赫兹调制器，经太赫兹调制器调制后的太赫兹矢量光场再由反射镜反射进入第一透镜，并经第一透镜聚焦于所述成像样品上，太赫兹矢量光场激发成像样品产生携带样品信息的太赫兹波，携带样品信息的太赫兹波经第二透镜聚集后穿过位于第二透镜焦点处的聚焦针孔，太赫兹信号接收装置探测携带样品信息的太赫兹波信号，再经数据处理装置处理后得到成像样品的超分辨率图像，本发明提供的太赫兹光谱成像系统，能够实现超衍射极限太赫兹光谱显微成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统。
背景技术
太赫兹波(THz)是对频率处在0.1到10THz范围内(波长处在3mm到0.03mm范围内)的电磁波的统称，它在频谱图上位于微波与红外光之间，是全新的极为丰富的电磁频谱资源。太赫兹波在光谱学、材料学、生物学、医学成像、信息科学、天体物理学、等离子体物理学等领域有着广阔的应用前景，被认为是改变未来世界的十大科学技术之一(Tech.Review,by MIT,USA,2004)。
太赫兹成像技术在穿透性、高分辨率以及无损性方面具有独特优势。与光学相比，太赫兹由于其穿透大多数介电材料和非极性物质的特性，不仅可以进行无损探测，而且还可以深入物质内部探测到物质组成甚至测定物质的分子结构；和微波毫米波相比，太赫兹波由于其较短的波长，可大幅提高成像分辨率和信噪比；和X射线相比，太赫兹波光子能量很弱，不会对物质特别是生物组织构成损伤，尤其适合生物医学成像。
超衍射光谱成像技术是突破成像系统衍射限制，是一种成像分辨率小于电磁波长的一半及以下的光谱成像技术。目前实现超衍射光谱成像主要采用近场扫描技术，近场扫描技术已经应用到太赫兹波超衍射成像中，并实现了亚微米空间分辨成像；该技术主要可分为近场孔扫描技术和近场针尖增强扫描技术。前者通过减小探测太赫兹信号的区域来实现小于波长的，再通过扫描就可以进行超衍射成像；后者利用AFM金属针尖增强被探测区域的太赫兹波强度，数量级提高被探测区域(针尖)物质的信号，再利用锁相放大提取针尖区域的太赫兹信号，然后通过扫描就可以进行超衍射成像。
然而，基于近场扫描技术的超衍射分辨率太赫兹光谱成像技术在航天材料、集成电路、物质微观研究应用过程中存在显著的不足，该技术对成像物体进行单像素点逐一二维扫描，耗时长(几十分钟甚至数小时)、扫描成像区域小(亚毫米量级)；并且近场扫描探针需要近距离接触被测物体，不但对物体表面平整度具有较高的要求，而且还会对被测量物体引入干扰。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种能够实现超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，包括：太赫兹矢量光场调节装置、太赫兹空间调制器装置、空间光调制装置、共焦显微装置、太赫兹信号接收装置及数据处理装置，其中：
所述太赫兹矢量光场调节装置包括太赫兹源、准直透镜和太赫兹相位板；
所述太赫兹空间调制器装置包括太赫兹空间调制器，所述太赫兹空间调制器用于改变入射的太赫兹波传输角度；
所述空间光调制装置包括激光器和空间光调制器，所述空间光调制器用于调节所述激光器出射的激光光强的空间分布；
所述共焦显微装置包括第一透镜、成像样品、第二透镜及聚焦针孔；
所述太赫兹源出射的太赫兹波经所述准直透镜准直后透过所述太赫兹相位板，形成太赫兹矢量光场，所述激光器出射的激光光束经所述空间光调制器调制后与所述太赫兹矢量光场同时入射至所述太赫兹调制器；
经所述太赫兹调制器调制后的所述太赫兹矢量光场再由所述反射镜反射进入所述第一透镜，并经所述第一透镜聚焦于所述成像样品上，所述太赫兹矢量光场激发所述成像样品产生携带样品信息的太赫兹波；
所述携带样品信息的太赫兹波经所述第二透镜聚集后穿过位于所述第二透镜焦点处的聚焦针孔，所述太赫兹信号接收装置探测所述携带样品信息的太赫兹波信号，再经所述数据处理装置处理后得到成像样品的超分辨率图像。
在一些较佳实施例中，所述激光器出射的激光波长为1550nm。
在一些较佳实施例中，所述第一透镜及第二透镜为Teflon聚焦透镜。
在一些较佳实施例中，所述太赫兹矢量光场垂直入射至所述太赫兹调制器，并在所述太赫兹调制器上形成入瞳空间滤波。
在一些较佳实施例中，所述聚焦针孔安装于可旋转的转盘上。
在一些较佳实施例中，所述转盘设置于平移台上，所述平移台可沿水平方向移动。
在一些较佳实施例中，所述太赫兹信号接收装置包括太赫兹探测器，所述太赫兹探测器用于记录携带成像物品的太赫兹光波的信息。
在一些较佳实施例中，所述数据处理装置包括计算机，所述计算机用于将采集到的携带样品信息的太赫兹波信号恢复出成像样品的超分辨率图像。
本发明采用上述技术方案的有益效果在于：
本发明提供的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，所述太赫兹源出射的太赫兹波经所述准直透镜准直后透过所述太赫兹相位板，形成太赫兹矢量光场，所述激光器出射的激光光束经所述空间光调制器调制后与所述太赫兹矢量光场同时入射至所述太赫兹调制器，经所述太赫兹调制器调制后的所述太赫兹矢量光场再由所述反射镜反射进入所述第一透镜，并经所述第一透镜聚焦于所述成像样品上，所述太赫兹矢量光场激发所述成像样品产生携带样品信息的太赫兹波，所述携带样品信息的太赫兹波经所述第二透镜聚集后穿过位于所述第二透镜焦点处的聚焦针孔，所述太赫兹信号接收装置探测所述携带样品信息的太赫兹波信号，再经所述数据处理装置处理后得到成像样品的超分辨率图像，本发明提供的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，能突破夫琅和费圆孔衍射成像限制，从而实现动态、高速超衍射极限太赫兹光谱显微成像。
本发明提供的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，因其无损探伤、高分辨率以及三维层析探测的综合优势，在航空航天材料，大规模集成电路检测、材料物化特性分析、违禁物品反恐检查等方面均有重要的应用价值和市场推广潜力。
附图说明
图1为一实施方式的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统的结构示意图。
图2为一实施方式提供的聚焦针孔的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1及图2所示，一实施方式的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统100，包括：太赫兹矢量光场调节装置110、太赫兹空间调制器装置120、空间光调制装置130、共焦显微装置140、太赫兹信号接收装置150及数据处理装置160。其中：
所述太赫兹矢量光场调节装置110包括太赫兹源111、准直透镜112和太赫兹相位板113。
可以理解，由于本发明采用太赫兹相位板113调节矢量光场，方案简单，成本低，同时可以设计不同的相位板来调控不同的矢量光场。
所述太赫兹空间调制器装置120包括太赫兹空间调制器121，所述太赫兹空间调制器用于改变入射的太赫兹波传输角度，实现扫描焦斑的功能。
可以理解，矢量光场通过太赫兹空间调制器121，其相位和振幅空间分布都会被相应改变，而振幅的空间不均匀分布能够实现成像系统的入瞳空间滤波，当压缩矢量光场聚焦后焦斑强度空间分布的主极大峰，其半高全宽接近0.2。
所述空间光调制装置130包括激光器131和空间光调制器132，所述空间光调制器132用于调节所述激光器出射的激光光强的空间分布。
优选地，激光器131出射的激光波长为1550nm。
可以理解，空间光调制器132可以调节激光光强的空间分布，其载流子浓度空间分布与激光光强的强度空间分布相对应，而空间光调制器132的调制功能与载流子浓度相对应。
所述共焦显微装置140包括第一透镜141、成像样品142、第二透镜143及聚焦针孔144。
优选地，所述第一透镜141及第二透镜143为Teflon聚焦透镜。
优选地，所述聚焦针孔144安装于可旋转的转盘145上，且所述转盘145设置于平移台146上，所述平移台146可沿水平方向移动。可以理解，通过准确控制转盘145的转角和平移台146的位移两个参量可以完全定位针孔的空间位置。
可以理解，采用共焦显微技术可以有效抑制太赫兹矢量场焦斑的旁瓣对于成像的不利影响，从而进一步提高分辨率和信噪比。
所述太赫兹信号接收装置150包括太赫兹探测器151，所述太赫兹探测器151用于记录携带成像物品的太赫兹光波的信息。
所述数据处理装置(图未示)包括计算机(图未示)，所述计算机用于将采集到的携带样品信息的太赫兹波信号恢复出成像样品的超分辨率图像。
上述超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统的工作原理如下：
所述太赫兹源111出射的太赫兹波经所述准直透镜112准直后透过所述太赫兹相位板113，形成太赫兹矢量光场，所述激光器131出射的激光光束经所述空间光调制器132调制后与所述太赫兹矢量光场同时入射至所述太赫兹调制器121；
经所述太赫兹调制器121调制后的所述太赫兹矢量光场再由所述反射镜160反射进入所述第一透镜141，并经所述第一透镜141聚焦于所述成像样品142上，所述太赫兹矢量光场激发所述成像样品产生携带样品信息的太赫兹波；
所述携带样品信息的太赫兹波经所述第二透镜143聚集后穿过位于所述第二透镜143焦点处的聚焦针孔144，所述太赫兹信号接收装置150探测所述携带样品信息的太赫兹波信号，再经所述数据处理装置160处理后得到成像样品的超分辨率图像。
本发明提供的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，能突破夫琅和费圆孔衍射成像限制，从而实现动态、高速超衍射极限太赫兹光谱显微成像，同时，因其无损探伤、高分辨率以及三维层析探测的综合优势，在航空航天材料，大规模集成电路检测、材料物化特性分析、违禁物品反恐检查等方面均有重要的应用价值和市场推广潜力。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，其特征在于，包括：太赫兹矢量光场调节装置、太赫兹空间调制器装置、空间光调制装置、共焦显微装置、太赫兹信号接收装置及数据处理装置，其中：
所述太赫兹矢量光场调节装置包括太赫兹源、准直透镜和太赫兹相位板，所述太赫兹相位板用于调节太赫兹波的矢量光场；
所述太赫兹空间调制器装置包括太赫兹空间调制器，所述太赫兹空间调制器用于改变入射的太赫兹波传输角度；
所述空间光调制装置包括激光器和空间光调制器，所述空间光调制器用于调节所述激光器出射的激光光强的空间分布；
所述共焦显微装置包括第一透镜、成像样品、第二透镜及聚焦针孔；
所述太赫兹源出射的太赫兹波经所述准直透镜准直后透过所述太赫兹相位板，形成太赫兹矢量光场，所述激光器出射的激光光束经所述空间光调制器调制后与所述太赫兹矢量光场同时入射至所述太赫兹空间调制器；
经所述太赫兹空间调制器调制后的所述太赫兹矢量光场再由反射镜反射进入所述第一透镜，并经所述第一透镜聚焦于所述成像样品上，所述太赫兹矢量光场激发所述成像样品产生携带样品信息的太赫兹波；
所述携带样品信息的太赫兹波经所述第二透镜聚集后穿过位于所述第二透镜焦点处的聚焦针孔，所述太赫兹信号接收装置探测所述携带样品信息的太赫兹波信号，再经所述数据处理装置处理后得到成像样品的超分辨率图像；
所述聚焦针孔安装于可旋转的转盘上，所述转盘设置于平移台上，所述平移台可沿水平方向移动。
2.根据权利要求1所述的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，其特征在于，所述激光器出射的激光波长为1550nm。
3.根据权利要求2所述的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，其特征在于，所述第一透镜及第二透镜为Teflon聚焦透镜。
4.根据权利要求1所述的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，其特征在于，所述太赫兹矢量光场垂直入射至所述太赫兹空间调制器，并在所述太赫兹空间调制器上形成入瞳空间滤波。
5.根据权利要求1所述的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，其特征在于，所述太赫兹信号接收装置包括太赫兹探测器，所述太赫兹探测器用于记录携带成像物品的太赫兹光波的信息。
6.根据权利要求1所述的超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统，其特征在于，所述数据处理装置包括计算机，所述计算机用于将采集到的携带样品信息的太赫兹波信号恢复出成像样品的超分辨率图像。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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