CN107036549B - 一种基于相干层析的太赫兹成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相干层析的太赫兹三维成像装置，该装置包括太赫兹源、太赫兹波准直系统、迈克尔逊干涉系统和探测系统，准直系统对太赫兹源产生的波进行准直，迈克尔逊干涉系统用于将准直后的太赫兹波入射到分束镜上分为样品光和参考光，通过参考臂的扫描和样品台的移动，改变参考光和样品光的光程差，实现了对样品的不同部位、不同深度的扫描；探测系统用于对干涉信号进行探测处理，并控制参考臂上下扫描和样品臂左右扫描，实现太赫兹相干层析成像。本发明利用宽频太赫兹的弱相干原理，可以实现对待测样品的高精度三维图像重构，具有较高的纵向分辨率和更加广泛的应用领域，尤其是在高精度的材料无损探测领域具有非常巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹相干层析成像技术领域，具体涉及一种基于相干层析的太赫兹成像装置及方法。
背景技术
太赫兹波在电磁频谱中位于红外和微波之间，也称为亚毫米波。相对红外和微波，这一波段的研究相对落后。由于较低的单光子能量和对大部分非金属材料具有较高的穿透性能等特点，近几十年来逐渐引起了人们的研究热潮。自1995年Hu等人首次利用太赫兹辐射进行二维成像实验以来，太赫兹成像技术受到世界许多研究人员的关注。2002年，B.Ferguson等人将X射线波段的层析成像技术移植到太赫兹波段，提出太赫兹三维层析成像的概念。该技术原理是一束太赫兹波穿透被成像物体后，然后通过平移和转动，是太赫兹以不同位置和不同角度穿透被成像物体，通过Radon变换计算物体吸收率的空间分布，实现对物体三维重构。但是，在某些场合，待成像物体无法绕轴旋转，应用受到极大的限制。2009年，德国synview公司报道了一种基于连续太赫兹波的三维成像技术。该技术使用一个中心频率为300GHz的返波管作为太赫兹源，利用电学调制的方法测量不同反射波到达探测器所需的时间，计算待测物体离探测器的相对距离，实现对待测物体的三维重构。由于所使用的是单频长波长的太赫兹源，考虑到衍射极限的限制，该技术的最佳纵向分辨率为0.5mm，对于某些需要高精度测量的应用领域是不够的。2002年伦斯勒理工学院张希成领导的科研团队提出太赫兹时域光谱成像，可以给出物体表面形貌或不同层面的三维结构，但它并非是一项完全的三维成像技术，它无法显示物体内部非层状的结构分布。综上所述，现有的太赫兹三维成像系统尚存在纵向分辨率不高的问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明提供一种基于相干层析的太赫兹成像装置，用于实现高精度的材料三维无损探测和生物组织层析成像等领域，克服现有技术存在的纵向分辨率较低问题。
本发明提出一种基于相干层析的太赫兹成像装置，包括太赫兹源、光准直系统、迈克尔逊干涉系统和探测系统；其中：
所述太赫兹源为宽频太赫兹源，用于提供宽频带太赫兹波；
所述准直系统用于对太赫兹波进行准直，送入斩波器；
所述斩波器，设在准直系统和迈克尔逊干涉系统之间的光路上，用于将太赫兹波周期性地送入迈克尔逊干涉系统；
所述迈克尔逊干涉系统包括分束器、太赫兹反射镜组和样品镜组；其中：斩波器、分束器和样品镜组依序设置在同一光路，斩波器为太赫兹波入口端；所述太赫兹反射镜组设在分束器的反射光路上，作为参考臂；太赫兹反射镜组用于实现对分束器传来的波束同相反射，作为参考光；参考臂可垂直上下移动，从而改变参考光与样品光之间的光程；
所述样品镜组设在分束器相对于斩波器的另一侧，其包括反射镜和载物台，作为样品臂，用于提供样品光通道；所述载物台用于放置待测样品，载物台可以在其自身所处二维平面上移动；
所述探测系统设在太赫兹反射镜组相对于分束器的另一侧，与反射镜组、分束器设置在同一光路；所述探测系统包括探测器和锁相放大器，探测器用于探测从迈克尔逊干涉系统输出的太赫兹信号；所述锁相放大器，其参考信号通道接与斩波器同频同相的信号，其测量信号通道连探测器输出端，用于放大探测器输出的微弱电信号；
工作时，太赫兹源产生的太赫兹波，经准直后进入迈克尔逊干涉系统，分为参考光和样品光两路；样品臂光束经过反射镜聚焦后入射到载物台上；通过载物台的移动，实现对样品的二维扫描；样品反射光和与之同频同相的参考光在分束器形成干涉，干涉光入射到探测系统，通过锁相放大器检出样品光；对通过太赫兹反射镜组上下移动，改变参考光与样品光的光程差，从而实现对样品的纵向深度扫描。
进一步的，所述太赫兹反射镜组包括一个抛物反射镜和与其相对的平面反射镜，所述平面反射镜设在抛物反射镜，用于对抛物反射镜反射来的波束附加90度的相移，使反射光与样品镜组反射回分束器的波束同相。
进一步的，所述准直系统与迈克尔逊干涉系统的斩波器之间，设有孔径光阑，用于对遮挡波束周边不均匀成份，实现对波束的进一步均匀化整形。
进一步的，所述探测系统的探测器之前，设有一个锗片，用滤除迈克尔逊干涉系统产生的高频杂波分量。
进一步的，所述准直系统为一对反射镜面相对设置的抛物面镜；
进一步的，所述太赫兹源为中压汞灯。
进一步的，所述反射镜组由伺服电机驱动，可上下移动，从而改变参考光与样品光之间的光程，实现对被测样品的深度扫描；所述载物台设在二维电控平移台上，能实现被测样本在二维平面的扫描成像。
进一步的，所述伺服电机和二维电控平移台的动作，由控制器控制。
进一步的，所述太赫兹成像装置，还包括计算机，该计算机通过数据采集部件，用于采集锁相放大器输出信号；通过接口部件与所述控制器相连，用于实现对控制器的操作，从而改变伺服电机和二维电控平移台的动作，实现被测样品不同深度信号采集，在计算机上完成样品相干层析成像。
进一步的，所述载物台为反射镜。
本发明的有益效果：
本发明将太赫兹技术与光学相干层析技术想结合，提出了一种全新的太赫兹相干层析技术方案。本发明利用宽频太赫兹的弱相干原理，可以实现对待测样品的高精度三维图像重构。利用该技术，能完成纵向成像精度小于100μm的层析成像。实验结果表明，本发明提出的太赫兹相干层析成像技术具有更高的纵向分辨率和更加广泛的应用领域，尤其是在高精度的材料无损探测领域具有非常巨大的应用前景。作为一种有效的太赫兹三维成像技术，本发明在工业无损探测领域有广阔的推广应用价值。
附图说明
图1是基于相干层析的太赫兹成像装置的结构示意图；
图2是汞灯输出光谱图；
图3是太赫兹相干层析技术实验结果图的原始图像；
图4是太赫兹相干层析技术实验结果图的滤波处理后的图像；
图5是太赫兹相干层析技术实验结果图的小波降噪处理后的图像；
图6是太赫兹相干层析技术实验结果图的滤波和小波降噪同时处理后的图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
参照图1，本实施例中的基于相干层析的太赫兹成像装置，包括产生THz光源的高稳定性中压汞灯，起准直作用的镀金离轴抛物面镜OAP1和OAP2，控制进入干涉仪的光斑尺寸大小并且增加干涉对比度的孔径光阑，对高稳定性中压汞灯发出的THz波进行周期调制以供Golay探测器探测的斩波器，通过在Mylar薄膜上制作的金属光栅的工艺制作而成且透射反射比接近4:1的分束器，位于参考臂上的用于深度扫描的电控一维平移台，位于参考臂上的镀金离轴抛物面镜OAP3，位于参考臂上的镀金高反镜M1，位于样品臂上的对样品光起聚焦和准直作用的镀金离轴抛物面镜OAP4，位于样品臂上的一片镀铝由高反射镜构成的用于放置样品的载物台，位于样品臂上的对样品进行横向扫描的电控二维平移台，对来自样品臂和参考臂干涉后的信号进行聚焦的镀金离轴抛物面镜OAP5，起带阻滤波作用的锗片Ge，用于收集干涉光强的Golay探测器，对Golay探测器输出的探测信号进行锁相放大处理的锁相放大器和用于通过控制器控制位于参考臂的电控一维平移台与位于样品臂的电控二维平移台且记录锁相放大器输出信号的电脑。
工作时，初始化电控二维平移台使其静止于横向扫描初始点，初始化电控一维平移台使其沿样品深度方向进行纵向扫描。与此同时高稳定性中压汞灯输出覆盖0.1THz-20THz频率范围THz波，经过准直系统的镀金离轴抛物面镜OAP1和OAP2准直后，经孔径光阑，孔径光阑的作用是控制进入干涉仪的光斑尺寸大小，增加干涉对比度；孔径光阑输出太赫兹波入射到分束器上并分为参考光和样品光。参考光经过镀金离轴抛物面镜OAP3入射到镀金高反镜M1上并被反射回来，经过镀金离轴抛物面镜OAP3再次入射到分束器上。此时样品光经过镀金离轴抛物面镜OAP4入射到样品内部某个深度并被反射回来，经过镀金离轴抛物面镜OAP4再次入射到分束器上。根据迈克尔逊干涉仪原理，重新经过分束器的样品光和参考光满足相干条件，产生包含样品深度信息的干涉信号并被镀金离轴抛物面镜OAP5聚焦，由Ge片对其进行带阻滤波，随后被Golay探测器探测，将干涉信号转变为包含样品深度信息的电信号。通过锁相放大器对该电信号进行锁相放大处理并被电脑所收集。这样便完成了一次深度扫描，结合电控二维平移台便能对样品进行三位扫描。对电脑采集到的三维数据进行相关的数据处理，结合相关软件进行三维重构。
在孔径光阑与分束器之间，还设有斩波器对光源发出的光进行周期调制，以供Golay探测器探测。本实施例所用的干涉仪的分光器为在Mylar薄膜上制作的金属光栅，透射反射比接近4:1。参考臂由一个一维电控平移台精确控制，进行一维扫描，实现扫描深度调节；样品臂光束经过抛物面镜聚焦后入射到载物台上。本实施例中，载物台为一片镀铝的高反射镜，放置在二维电控平移台上，用于实现对样品的二维扫描。参考光和样品光经过分光器后，被一个抛物面镜收集，入射到探测器进行探测。本实施例中所使用的探测器是由俄罗斯tydex公司生产的Golay cell。探测器探测到的信号输入到锁相放大器，经锁相放大处理后被计算机所记录。通过对样品平面的二维扫描和样品深度方向的相干层析扫描，经过图像数据处理后即可对样品的三维图像进行重构。
利用太赫兹辐射具有良好穿透能力的特点，本发明提出一种全新的太赫兹相干层析技术(Terahertz Coherent Tomography,TCT)方案。由弱相干光的干涉理论可知，辐射源的相干长度
其中λ0为辐射源的中心波长，Δλ为辐射源的光谱宽度。在参考臂扫描的过程中，仅当参考臂和样品臂之间的光程差小于相干长度，两束光才会出现干涉现象。因此为了实现高精度的纵向扫描成像，要求所使用光源具有较短的相干长度，即具有较宽的辐射光谱。本实施例使用高稳定性中压汞灯作为辐射源，其输出光谱如图2所示，输出频率主要集中在0.1THz-10THz及11THz到20THz。本发明中成像系统的纵向分辨率由辐射源的相干长度决定，最小可以达到60μm左右。
进一步的，实施例仍然选取如前所述的相同方案和样品。为了缩短成像时间，在与光束垂直方向，实验仅对样品进行了一维扫描。实验结果如图3所示，在Z方向出现三个干涉信号，分别位于0.1mm-0.2mm、0.4mm-0.5mm和0.6mm-0.7mm位置。对直接测得的干涉信号分别经过低通滤波、小波降噪和平滑处理后，得到的结果分别如图4、5和6所示。可以看到，经过相关处理后，系统的噪声得到明显的抑制，图像的对比度得到明显的提高。
以经过滤波处理后的实验结果为例，在Z＝0.15mm位置出现一个较明显的干涉峰值，此为载物台反射的信号；在Z＝0.48mm和Z＝0.68mm附近出现有两个干涉信号，分别为两个样品的反射信号。测量结果表明，两个样品的厚度分别近似为300μm和500μm，光程差约为200μm，结合硅的折射率硅片n＝3.41，可以推出测量误差约为60μm左右。可见，本发明具有纵向分辨率高、探测深度深等特点，在高精度的材料三维无损探测和生物组织层析成像等领域具有非常广阔的应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于相干层析的太赫兹成像装置，其特征在于，包括计算机、太赫兹源、光准直系统、迈克尔逊干涉系统和探测系统；其中：
所述太赫兹源为宽频太赫兹源，用于提供宽频带太赫兹波；
所述准直系统用于对太赫兹波进行准直，输入斩波器；
所述斩波器，设在准直系统和迈克尔逊干涉系统之间的光路上，用于将太赫兹波周期性地送入迈克尔逊干涉系统；
所述迈克尔逊干涉系统包括分束器、太赫兹反射镜组和样品镜组；其中：斩波器、分束器和样品镜组依序设置在同一光路，斩波器为太赫兹波入口端；所述太赫兹反射镜组设在分束器的反射光路上，作为参考臂；太赫兹反射镜组用于实现对分束器传来的波束同相反射，作为参考光；参考臂可垂直上下移动，从而改变参考光与样品光之间的光程；
所述样品镜组设在分束器相对于斩波器的另一侧，其包括反射镜和载物台，作为样品臂，用于提供样品光通道；所述载物台用于放置待测样品，载物台能在其自身所处二维平面上移动；
所述探测系统设在太赫兹反射镜组相对于分束器的另一侧，与反射镜组、分束器设置在同一光路；所述探测系统包括探测器和锁相放大器，探测器用于探测从迈克尔逊干涉系统输出的太赫兹信号；所述锁相放大器，其参考信号通道接与斩波器同频同相的信号，其测量信号通道连探测器输出端，用于放大探测器输出的微弱电信号；
工作时，太赫兹源产生的太赫兹波，经准直后进入迈克尔逊干涉系统，分为参考光和样品光两路；样品臂光束经过反射镜聚焦后入射到载物台上；通过载物台的移动，实现对样品的二维扫描；样品反射光和与之同频同相的参考光在分束器形成干涉，干涉光入射到探测系统，通过锁相放大器检出样品光；对通过太赫兹反射镜组上下移动，改变参考光与样品光的光程差，从而实现对样品的纵向深度扫描；
所述太赫兹反射镜组包括一个抛物反射镜和与其相对的平面反射镜，所述平面反射镜设在抛物反射镜，用于对抛物反射镜反射来的波束附加90度的相移，使反射光与样品镜组反射回分束器的波束同相；所述反射镜组由伺服电机驱动，可上下移动，从而改变参考光与样品光之间的光程，实现对被测样品的深度扫描；所述载物台设在二维电控平移台上，能实现被测样本在二维平面的扫描成像；
所述伺服电机和二维电控平移台的动作，由控制器控制；
计算机通过数据采集部件，用于采集锁相放大器输出信号；通过接口部件与所述控制器相连，用于实现对控制器的操作，从而改变伺服电机和二维电控平移台的动作，实现被测样品不同深度信号采集，在计算机上完成样品相干层析成像；
所述准直系统与迈克尔逊干涉系统的斩波器之间，设有孔径光阑，用于对遮挡波束周边不均匀成份，实现对波束的进一步均匀化整形；
所述探测系统的探测器之前，设有一个锗片，用滤除迈克尔逊干涉系统产生的高频杂波分量。
2.根据权利要求1所述太赫兹成像装置，其特征在于，所述准直系统为一对反射镜面相对设置的抛物面镜。
3.根据权利要求1所述太赫兹成像装置，其特征在于，所述太赫兹源为中压汞灯。
4.根据权利要求1所述太赫兹成像装置，其特征在于，所述载物台为反射镜。
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