CN107192454A - 一种基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪 - Google Patents

一种基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪，所述THz光谱成像仪由前置镜、前置视场光阑、前置准直镜、立体相位光栅、后置会聚镜、后置视场光阑、后置准直镜、子孔径成像镜、探测器、探测器控制处理系统和控制采集处理计算机组成。所述探测器以孔径分割方式同时获取目标场景被立体相位光栅N个元胞所衍射的N个零级衍射光的光强信息，依据立体相位光栅的N个元胞所对应的N个光程差，获得N组光程差与光强的对应关系数据，通过傅里叶变换，实时获取目标的THz谱和像，适用于THz光谱检测、分析等相关领域。

Description

一种基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪
技术领域
本发明涉及一种太赫兹光谱成像仪，具体涉及一种能实时获取目标THz光谱与图像信息的光谱成像仪。所述THz光谱成像仪由前置镜、前置视场光阑、前置准直镜、立体相位光栅、后置会聚镜、后置视场光阑、后置准直镜、子孔径成像镜、探测器、探测器控制处理系统和控制采集处理计算机组成。所述探测器以孔径分割方式同时获取目标场景被立体相位光栅N个元胞所衍射的N个零级衍射光的光强信息，依据立体相位光栅的N个元胞所对应的N个光程差，获得N组光程差与光强的对应关系数据，通过傅里叶变换，实时获取目标的THz谱和像，适用于THz光谱检测、分析等相关领域。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1—10T(波长为3000—30μm)范围内的电磁波(1THz＝1012Hz)。目前THz波的产生体制有两种，基于光子学的THz波发生器，和利用自由电子的THz辐射源。基于光子学手段的THz波发生器受制于低效率的光能转换效率，基于自由电子的THz辐射源受制于器件尺寸的不断缩小使器件十分脆弱，因此两种方式获取的THz辐射能量目前尚都不超过20mW。而大气中水汽的较强吸收，使的目标太赫兹谱的探测面临很大困难。
目前，适用于太赫兹波段的光谱仪器主要有两类：红外傅里叶光谱仪和太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)。红外傅里叶光谱仪使用傅里叶变换技术分光具有多通道、高通量的特点，但傅里叶变换技术依赖动镜的顺次扫描，不能实时成谱，限制了其在快速变化、复杂环境中的使用；其次，红外傅里叶光谱仪基于迈克尔逊干涉仪的基本构型，其中必不可少的分束片使入射光能损耗50％，限制了仪器在微弱信号探测中的使用；此外红外傅里叶光谱仪引入了移动部件和步进控制电机，增加体积和功耗的同时，影响了仪器的使用寿命。
THz-TDS对太赫兹信号的探测基于光电导取样或电光取样，对物体成谱时，需要依次完成波长维，空间维的扫描，需要耗费大量的时间；其次THz-TDS需要使用飞秒激光器作为太赫兹波的辐射装置，使得仪器的体积庞大，移动困难；此外THz-TDS其用途是在实验室环境中测量物质在太赫兹波段的透、反率特性，并不适合野外环境对有限距离目标的太赫兹谱探测与成像应用。
上述两种种现有技术的缺点主要体现在以下几个方面：一、傅里叶光谱仪和THz-TDS，完成物体的成像过程需要花费较长时间，不适用于复杂多变环境条件下，目标太赫兹谱的实时探测与成像需求；二、THz-TDS其用途是在实验室环境中测量物质在太赫兹波段的透、反率特性，并不适合野外环境对有限距离目标的太赫兹谱探测与成像应用；三、傅里叶光谱仪和THz-TDS，其体积庞大，不便于携带。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种基于静态傅里叶变换的太赫兹谱探测与成像装置，适用于目标的太赫兹谱实时探测与成像。
本发明的技术方案如下：
一种基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪，包括依据光路传输依次排列的前置镜1、前置视场光阑2、前置准直镜3、立体相位光栅4、后置会聚镜5、后置视场光阑6、后置准直镜7、子孔径会聚镜8、探测器9，所述探测器9还依次连接有探测器控制处理系统10和控制采集处理计算机11，如说明书附图1所示。上述前置准直镜3、立体相位光栅4、后置会聚镜5、后置视场光阑6、后置准直镜7、子孔径会聚镜8组成基于立体相位光栅分光的孔径分割THz光谱成像系统。上述前置镜1的焦面与前置准直镜3的前焦面重合；上述前置视场光阑2是方形，位于前置镜1的焦面，其尺寸与视场和探测器9的面积相匹配；上述后置会聚镜5的焦面与后置准直镜7的前焦面重合；上述后置视场光阑6是圆形，位于后置会聚镜5的焦面，其开孔大小仅允许光栅的零级衍射光通过。上述前置镜1、前置准直镜3、后置会聚镜5、后置准直镜7、子孔径会聚镜8采用太赫兹波段的复消色差设计。
上述太赫兹立体相位光栅4的结构如说明书附图2所示，由长方体金属板12上表面刻出一系列平整光滑的矩形凹槽构成，金属板的材质是铝、铁、铝合金或钛合金，所述的凹槽底面与长方体金属板12的上表面平行，凹槽的深度分别为h1、h2、…、hN-1、hN，h1、h2、h3、…、hN-2、hN-1、hN，顺次增大，N为元胞的个数，深度相同的凹槽视为一个元胞。
上述立体相位光栅4的最大槽深hmax，由设计指标所要求的光谱分辨率R和光线入射角α共同决定，满足：
式中，α表示太赫兹波在立体相位光栅表面的入射角，R为系统的光谱分辨率，
光栅元胞的个数N满足：
式中，σmax表示所用太赫兹波段的最大波数；
光栅元胞引入的光程差为：
式中，h表示光栅元胞的槽深；
对于N个元胞构成的立体相位光栅，第i个光栅元胞所对应的相位差为：
其中hi表示第i个光栅元胞的槽深，N表示立体相位光栅的元胞总数目。
元胞中凹槽的个数n满足:
式中：σmin表示所用太赫兹波的最小波数；
光栅的占空比：d:a＞1，其中d为光栅周期，也即光栅元胞的宽，a为凹槽槽宽，b为光栅元胞的长，也即凹槽的槽长。
所述子孔径会聚镜8中子孔径的数目与立体相位光栅4中元胞的个数N保持一致；上述子孔径会聚镜8包括一片硅片13和设置于硅片上的N个参数相同的矩形子透镜i1，…，iN，构成子透镜阵列，如说明书附图2所示。
所述矩形子透镜的形状参数与光栅元胞的形状参数满足：
e＝d×f2/f1；g＝b×f2×cos(α)/f1 (6)
其中e表示矩形子透镜i1，…，iN的宽，g表示矩形子透镜i1，…，iN的高，d表示立体相位光栅4单元胞的宽，即立体相位光栅4的光栅周期，b表示立体相位光栅4单元胞的长，f1表示后置会聚镜5的焦距，f2表示后置准直镜7的焦距，α表示太赫兹波在立体相位光栅表面的入射角。
上述探测器控制处理系统10对探测器9采集的N个信号进行并行处理，分别提取其强度信息，这N个信号强度与立体相位光栅N个元胞的光程差构成傅里叶变换对；上述控制采集计算机11对N组数据构成的傅里叶变换对进行傅里叶变换，即可获取目标的THz光谱，将THz光谱叠加可以获得目标的THz图像。
本发明的作用原理如下：
目标发出的THz波被前置镜1收集，经前置视场光阑2的空间滤波被前置准直镜3准直，平行入射太赫兹立体相位光栅4。宽谱平行太赫兹波斜入射立体相位光栅4发生衍射，衍射光经过后置会聚镜5在透镜焦平面处聚焦，+1级衍射波、-1级衍射波和其他更高级次的衍射波被位于透镜焦平面的后置视场光阑6滤除，立体相位光栅的0级衍射光继续自由传播，经后置准直镜7准直为平行太赫兹波。
由于元胞一、元胞二、元胞三、……、元胞N具有不同的槽深，其对入射太赫兹波的不同区域产生不同的相位调制，使0级衍射波中与光栅N个元胞相对应的各个区域的波前具有不同的相位信息，因此0级衍射波经过后置准直镜7后所获得的平行太赫兹波，其波前具有N个不同强度区域，与立体相位光栅4的N个元胞的光程差一一对应。
经后置准直镜7准直的平行太赫兹波被子孔径会聚镜8会聚，在焦面产生N个聚焦点被探测器9探测，经过与探测器9相连的探测器控制处理系统10的并行处理，获得与立体相位光栅4的N个元胞的光程差一一对应的N个强度值。最后经过控制采集计算机11对获取的N组光程差与光强数据进行傅里叶变换，得到目标的THz谱，将谱数据叠加获取目标的THz图像。
本发明的核心在于将立体相位光栅与孔径分割技术结合，同时测量立体相位光栅各个元胞的零级衍射光的光强信息，获得N组光程差与光强的对应关系数据，通过傅里叶变化，实时获取目标的THz谱和像。
与现有技术相比，基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪具有以下优点：一、与傅里叶光谱仪和THz-TDS相比，基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪可以实现目标THz谱的实时探测与成像；二、基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪使用光栅的零级衍射光进行谱探测和成像，具有能量利用率高的优点，可适用于弱信号的实时探测与成像；三、基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪使用立体相位光栅作为分光器件，具有结构简单、体积小、无移动部件的优点，可适用于室外复杂多变环境。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图。
图2为立体相位光栅结构示意图。
图3为子孔径成像镜结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的具体实施例，如图1，图2，图3所示。
本实施例所述THz光谱成像仪，由前置镜1、前置视场光阑2、前置准直镜3、立体相位光栅4、后置会聚镜5、后置视场光阑6、后置准直镜7、子孔径会聚镜8、探测器9，探测器控制处理系统10和控制采集处理计算机11组成。
为了保证宽谱段成像质量和信噪比，前置镜1、前置准直镜3、后置会聚镜5、后置准直镜7、子孔径会聚镜8采用太赫兹波段的复消色差设计，保证在全谱段范围内，单色光弥散圆直径小于探测器单像元尺寸。
子孔径会聚镜8结构如附图3所示，9个小透镜粘在一个平整硅片上。为保证准确的获取目标的光谱与图像信息，透镜的尺寸应严格按照比例关系设置。
本实施例采用以下主要器件：
1.前置镜1：材质HDPE，焦距600mm，口径160mm。前置准直镜3、后置会聚镜5、后置准直镜7：材质HDPE，焦距300mm，口径80mm。
2.立体相位光栅4：元胞个数6，槽深依次为0.1635cm、0.327cm、0.4905cm、0.654cm、0.8175cm、0.981cm。
3.子孔径会聚镜8：子透镜的尺寸20mm*20mm,焦距200mm。
4、前置孔径光阑2：孔径大小15mm*15mm。后置视场光阑6：开孔直径12mm.
本实施例的工作原理如下所述：
目标发出的THz波被前置镜1收集，经前置视场光阑2的空间滤波被前置准直镜3准直，平行入射太赫兹立体相位光栅4发生衍射，衍射光经过后置会聚镜5在透镜焦平面处聚焦，+1级衍射波、-1级衍射波和其他更高级次的衍射波被位于透镜焦平面的后置视场光阑6滤除，立体相位光栅的0级衍射光继续自由传播，经后置准直镜(7)准直为平行太赫兹波，经后置准直镜7准直的平行太赫兹波被子孔径会聚镜8会聚，在焦面产生6个聚焦点被探测器9探测，经过与探测器9相连的探测器控制处理系统10的并行处理，获得6个强度值，与立体相位光栅4的6个元胞的光程差一一对应。最后经过控制采集计算机11对获取的6组光程差与光强数据进行傅里叶变换，得到目标的THz谱，将谱数据叠加获取目标的THz图像。

Claims (4)

1.一种基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪，包括由N个元胞构成的太赫兹立体相位光栅(4)，以及依据光路传输依次排列的前置镜(1)、探测器(9)，所述探测器(9)还依次连接有探测器控制处理系统(10)和控制采集处理计算机(11)，其特征在于：
所述的THz光谱成像仪依据光路传输依次排列的前置镜(1)、前置视场光阑(2)、前置准直镜(3)、立体相位光栅(4)、后置会聚镜(5)、后置视场光阑(6)、后置准直镜(7)、子孔径会聚镜(8)、探测器(9)，所述探测器(9)依次连接有探测器控制处理系统(10)和控制采集处理计算机(11)；
所述前置准直镜(3)、立体相位光栅(4)、后置会聚镜(5)、后置视场光阑(6)、后置准直镜(7)、子孔径会聚镜(8)组成孔径分割THz光谱成像光学系统；所述前置镜(1)的焦面与前置准直镜(3)的前焦面重合；所述前置视场光阑(2)是方形，位于前置镜(1)的焦面，其尺寸与视场和探测器(9)的面积相匹配；所述后置会聚镜(5)的焦面与后置准直镜(7)的前焦面重合；所述后置视场光阑(6)是圆形，位于后置会聚镜(5)的焦面，其开孔大小仅允许光栅的零级衍射光通过；
所述探测器(9)以孔径分割方式同时获取目标场景被立体相位光栅(4)N个元胞所衍射的N个零级衍射光的光强信息，N为正整数，N的取值满足：
<mrow> <mi>N</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中：上述hmax为立体相位光栅(4)的最大槽深，α表示太赫兹波在立体相位光栅表面的入射角α为光线入射角，σmax表示所用太赫兹波段的最大波数；所述探测器控制处理系统(10)对探测器(9)采集的N个信号进行并行处理，同时提取其强度信息；所述控制采集计算机(11)对N个强度和对应的光程差数据构成的傅里叶变换对进行傅里叶变换，即可获取目标的THz光谱，将THz光谱叠加可以获得目标的THz图像。
2.根据权利要求1所述的基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪，其特征在于：所述子孔径会聚镜(8)包括一片硅片(13)和设置于硅片上的一系列参数相同的矩形子透镜构成；所述子孔径会聚镜(8)中矩形子透镜的数目与立体相位光栅(4)中光栅元胞的数目N保持一致，即子孔径会聚镜(8)中矩形子透镜的数目为N；所述矩形子透镜(i1，…，iN)的形状参数与光栅元胞的形状参数满足：
e＝d×f2/f1；g＝b×f2×cos(α)/f1
其中e表示矩形子透镜(i1，…，iN)的宽，g表示矩形子透镜(i1，…，iN)的高，d表示立体相位光栅(4)的光栅周期，b表示立体相位光栅(4)单元胞的长，f1表示后置会聚镜(5)的焦距，f2表示后置准直镜(7)的焦距，α表示太赫兹波在立体相位光栅表面的入射角。
3.根据权利要求1所述的基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪，其特征在于：所述探测器(9)是适用于太赫兹波段的多元面阵探测器，探测器的像元数目必须是子孔径会聚镜(8)中矩形子透镜数目N的整数倍。
4.根据权利要求1所述的基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪，其特征在于：所述前置镜(1)、前置准直镜(3)、后置会聚镜(5)、后置准直镜(7)、子孔径会聚镜(8)采用太赫兹波段的经复消色差设计的光学镜头。
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