CN108917929B - 太赫兹共焦显微成像系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹共焦显微成像系统，包括光源模块；数据采集模块；数据处理与图像还原模块；载物台模块，用于承载一待成像物体并其进行旋转和平移，以及将待成像物体的旋转平移二维信息发送至数据处理与图像还原模块；光路传输模块，用于将太赫兹光束沿一光路传输至数据采集模块，该光路上具有两个焦点且该光路穿过所述待成像物体；空间滤波模块，包括分别设于所述两个焦点处的针孔。本发明还提供其成像方法。本发明的成像系统避免了分束片的使用，减少了能量损耗，提高了成像信噪比，可以实现对隐匿物体的快速成像；此外，采用亚毫米针孔对太赫兹光束进行空间滤波，提高了成像的横向及纵向分辨率，最终可以得到物体的切片图像。

Description

太赫兹共焦显微成像系统及其成像方法

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，特别是涉及一种太赫兹共焦显微成像系统及其成像方法。

背景技术

THz(太赫兹)成像是THz技术的重要应用方向之一，1995年，B.B.Hu和M.C.Nuss利用THz时域光谱系统实现了对新鲜树叶和集成电路的扫描成像，该工作被视为THz成像领域的里程碑，直观而清晰的透射扫描图像证明了THz波在成像领域的巨大潜力。特别的，由红外量子级联激光器(Quantumcascade laser,QCL)发展而来的THz QCL在成像方面的潜力也引起了广泛的关注，器件具备输出功率高，单频性好和体积小易集成等特点，作为THz源被各种成像技术及系统所采用。

THz波介于毫米波和红外光之间，与毫米波或微波成像相比，THz波成像可以获得更高的分辨率，因为THz波具有更短的波长；与红外相比，THz波可以穿透很多红外无法透过的材料，如纸张，塑料，陶瓷和半导体等，完成对隐藏目标物体的成像；与在医学成像和安检成像等领域广泛应用的X射线相比，THz波具有更低的能量(1THz～4meV)，可以弥补X射线容易对人体造成辐射损伤这一明显缺点，同时对低密度物质成像的对比度又要优于X射线，基于上述优点，THz成像应用领域主要涉及隐蔽目标探测，安检成像，无损检测和癌变生物组织识别。

THz成像的发展趋势是研制更加实用化的THz成像探测设备，不断向着实时性、高分辨、远距离和便携式等方向发展。采用的技术手段主要包括：优化扫描方式、合成孔径技术和阵列接收技术等。在新型THz成像技术方面，基于THz量子级联激光器的成像技术是未来THz成像领域一个重要的发展方向之一。

目前，太赫兹成像系统大多会在探测器与传输光路之间设置分束片，使得进入探测器的太赫兹光束先经过分束片反射，由此极大降低了入射信号的强度，导致了信号具有较大的干扰，并且入射信号的收集效率也急剧下降。由于受到衍射极限的限制，远场太赫兹成像的分辨率一般均在亚毫米量级，导致太赫兹成像系统无法满足显微成像功能，在许多显微成像领域无法体现太赫兹成像的优越特性，并且系统轴向的分辨率也无法满足切片成像的要求。并且许多现用系统在扫描方式上采用的是步进式扫描方式，扫描速度慢，成像时间长。

鉴于此，有必要设计一种新的快速的太赫兹共焦显微成像系统用以解决上述技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹共焦显微成像系统及其成像方法，以解决现有的成像系统中图像分辨率低，无法实现切片成像以及成像速度慢的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种太赫兹共焦显微成像系统，包括光源模块，用于发射太赫兹光束；数据采集模块，用于接收所述太赫兹光束并将其转换为电信号；数据处理与图像还原模块，用于接收数据采集模块的电信号并成像；一载物台模块，用于承载一待成像物体并受所述数据处理与图像还原模块控制对其进行旋转和平移，以及将该待成像物体的旋转平移二维信息发送至所述数据处理与图像还原模块；一光路传输模块，用于将所述太赫兹光束沿一光路传输至所述数据采集模块，该光路上具有两个焦点且该光路穿过所述待成像物体；以及一空间滤波模块，包括分别设于所述两个焦点处的针孔。

所述旋转平移台和所述待成像物体之间设有升降台。

所述驱动器包括与所述基台连接的两个电机以及分别与这两个电机连接的采集器。

所述光路传输模块包括沿光路的走向依次排布的第一离轴拋面镜、第二离轴拋面镜、第三离轴拋面镜、第四离轴拋面镜、平面镜、第五离轴拋面镜、第六离轴拋面镜、第七离轴拋面镜以及第八离轴拋面镜；所述两个焦点为第二离轴拋面镜和所述第三离轴拋面镜的共同焦点，以及第六离轴拋面镜和第七离轴拋面镜共同焦点；所述待成像物体设于所述平面镜上并通过该平面镜承载于所述载物台模块上。

平面镜水平放置，且第一离轴拋面镜、第二离轴拋面镜、第三离轴拋面镜、第六离轴拋面镜、第七离轴拋面镜以及第八离轴拋面镜的主光轴位于水平面上。

所述针孔均为亚毫米尺寸。

所述光源模块包括一太赫兹量子级联激光器以及一连接所述太赫兹量子级联激光器的激光器电源；所述数据采集模块包括依次连接的探测器、信号读出及前置放大器、锁相放大器、数据采集卡，所述太赫兹光束传输至所述探测器，所述数据采集卡与所述数据处理与图像还原模块连接；且所述数据处理与图像还原模块为计算机。

所述探测器为太赫兹量子阱探测器、Ge:Ga低温探测器、超导低温HEB或辐射热测定器。

本发明还提供一种太赫兹共焦显微成像系统的成像方法，包括以下步骤：S1：搭建上文所述的太赫兹共焦显微成像系统，将一待成像物体安装于其载物台模块上，并由其光源模块发射一平行的太赫兹光束，该太赫兹光束沿一光路经由其光路传输模块并穿过所述待成像物体，传输至其数据采集模块，所述数据采集模块将该太赫兹光束转换为电信号；S2：步骤S1所述的太赫兹共焦显微成像系统的数据处理与图像还原模块控制所述载物台模块进行旋转和平移，并接收不同位置处的所述载物台模块发送的旋转平移二维信息以及所述数据采集模块发送的电信号；S3：所述数据处理与图像还原模块得到所述待成像物体的切片图像。

本发明的太赫兹共焦显微成像系统及其成像方法，具有以下有益效果：

1.本发明的太赫兹共焦显微成像系统通过光源模块、载物台模块、光路传输模块及数据采集模块重新设置了太赫兹光束的传输路径，避免了分束片的使用，减小了光的损耗和光束干扰，提高了成像信噪比，可以实现对隐匿物体的快速成像；而且光路传输模块将采用采用立体共焦光路实现反射信号的接收，增大了探测器的收集效率，提高了信号强度及成像效果。

2.本发明的太赫兹共焦显微成像系统采用亚毫米针孔对太赫兹光束进行空间滤波，将针孔放置于两个共焦焦点处，可以限制太赫兹光束场的大小，提高了成像的横向及纵向分辨率，最终可以得到物体的切片图像。

3.本发明的太赫兹共焦显微成像系统设置带有旋转平移台的载物台模块，通过采用旋转扫描方式，较普通步进式扫描方式，由于旋转和平移是连续进行的，因此极大地缩短了系统成像的时间，且成像系统可以对物体进行连续扫描，在相同扫描路径上可以无限地增加信号的采集量，增加图像的像素点，并提高最终图像的对比度。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的太赫兹共焦显微成像系统的系统框图。

图2是如图1所示的太赫兹共焦显微成像系统的结构示意图。

图3a-3b是根据本发明的一个实施例的太赫兹共焦显微成像系统的待成像物体及其成像结果示意图，其中，图3a显示为待成像物体，图3b显示为成像结果。

图4a-4b是根据本发明的另一个实施例的太赫兹共焦显微成像系统的待成像物体及其成像结果示意图，其中，图4a显示为待成像物体，图4b显示为切片成像结果。

元件标号说明

1 光源模块

11 太赫兹量子级联激光器

12 电源

2 载物台模块

21 载物台单元

22 驱动器

3 光路传输模块

31 第一离轴拋面镜

32 第二离轴拋面镜

33 第三离轴拋面镜

34 第四离轴拋面镜

35 平面镜

36 第五离轴拋面镜

37 第六离轴拋面镜

38 第七离轴拋面镜

39 第八离轴拋面镜

4 数据采集模块

41 探测器

42 信号读出及前置放大器

43 锁相放大器

44 数据采集卡

5 数据处理与图像还原模块

61 第一针孔

62 第二针孔

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

如图1所示为根据本发明的一个实施例的太赫兹共焦显微成像系统的原理图，该成像系统包括：一种太赫兹共焦显微成像系统，包括光源模块1，用于发射太赫兹光束；一载物台模块2，用于承载一待成像物体并其进行旋转和平移，并发送该该待成像物体的旋转平移二维信息；一光路传输模块3，用于将所述太赫兹光束沿一光路传输至所述数据采集模块4，该光路穿过所述待成像物体；数据采集模块4，用于接收所述太赫兹光束并将其转换为电信号；数据处理与图像还原模块5，用于控制所述载物台模块2对所述待成像物体进行旋转和平移，以及接收由载物台模块2发送的待成像物体的旋转平移二维信息以及数据采集模块4采集的电信号并成像；以及设于所述光路上的空间滤波模块6。由此，本发明的太赫兹共焦显微成像系统能够实现待成像物体的成像。

如图2所示为太赫兹共焦显微成像系统的结构示意图。其中，光源模块1包括一太赫兹量子级联激光器11，用于发射太赫兹光束；以及一连接所述太赫兹量子级联激光器的激光器电源12，用于给所述太赫兹量子级联激光器11提供脉冲偏置电压，并使所述太赫兹量子级联激光器11处于脉冲工作模式。

所述光路传输模块3位于光源模块1和数据采集模块4之间，包括沿光路的走向依次排布的第一离轴拋面镜31、第二离轴拋面镜32、第三离轴拋面镜33、第四离轴拋面镜34、平面镜35、第五离轴拋面镜36、第六离轴拋面镜37、第七离轴拋面镜38、以及第八离轴拋面镜39。其中，所述第二离轴拋面镜32和所述第三离轴拋面镜33共焦设置，第六离轴拋面镜37和第七离轴拋面镜38共焦设置，因此上文所述的两个焦点为第二离轴拋面镜32和所述第三离轴拋面镜33的共同焦点，以及第六离轴拋面镜37和第七离轴拋面镜38共同焦点；且所述第四离轴拋面镜34、第五离轴拋面镜36的焦点均位于平面镜35的后方，使得沿光路传播的太赫兹光束经第四离轴拋面镜34会聚到平面镜35上，并以发散的方式反射至第五离轴拋面镜36上。

所述待成像物体设于所述平面镜35上并通过该平面镜35承载于所述载物台模块2上，使得光路穿过该待成像物体，由此，沿光路的走向传播的太赫兹光束可以穿过待成像物体离开平面镜35，由于待成像物体对太赫兹光束的吸收而产生带有待成像物体信息的图像，并将带有待成像物体信息的太赫兹光束沿光路传输至数据采集模块4。

优选地，平面镜35水平放置，且第一离轴拋面镜31、第二离轴拋面镜32、第三离轴拋面镜33、第六离轴拋面镜37、第七离轴拋面镜38以及第八离轴拋面镜39的主光轴位于水平面上，第四离轴拋面镜34的反射光位于竖直平面内并以一定角度入射到平面镜35上，第五离轴拋面镜36接收来自平面镜35的反射光。这样设置可以使平面镜35及其上的待成像物体可以水平放置，并且光束以一定角度入射平面镜35上可以避免采用分束镜所带来的能量损失。

由此，经由光路传输模块3沿光路传输的太赫兹光束，其平面镜35的入射光束与反射光束的中心轴线与平面镜的主光轴所在平面与其他离轴拋面镜的光束的中心轴线与离轴拋面镜的主光轴所在平面垂直，其平面镜35的入射光束和反射光束与平面镜35法线之间的夹角相等，光路对称。

载物台模块2包括载物台单元21，以及与所述载物台单元21连接的驱动器22，所述载物台单元21包括基台、设于所述基台上且用于承载所述待成像物体的旋转平移台。旋转平移台和待成像物体之间还设有升降台，用于调节待成像物体在轴向上的高度。驱动器22包括与所述基台连接的两个电机，用于分别驱动旋转平移台的旋转和平移，进而驱动待成像物体旋转与平移；以及分别与这两个电机连接的采集器，用于采集所述待成像物体的待成像物体的旋转角度信息和平移长度信息，即旋转平移二维信息，由此，载物台模块2可以发送该旋转平移二维信息给数据处理与图像还原模块5。值得注意的是，采用驱动器驱动载物台单元21进行平移以及采集其平移信息均为市场上常见的技术，本发明的区别仅仅在于载物台单元可以同时实现旋转和平移。本发明的太赫兹共焦显微成像系统设置带有旋转平移台的载物台模块，其旋转平移台的设置可以实现旋转扫描方式，较普通步进式扫描方式，极大地缩短了系统成像的时间，并可以对待成像物体进行连续扫描，在相同扫描路径上可以无限地增加信号的采集量，增加图像的像素点，并提高最终图像的对比度。

进一步需要说明的是，由于驱动器单元22的两个电机分别驱动所述旋转平移台21的旋转和平移，故所述旋转平移台21的旋转运动和平移运动可分开进行，也可同时进行。两个驱动器分别控制平移与旋转两个电机，通过Labview编程实现同时运动，或者分开运动。

所述数据采集模块4包括依次连接的探测器41、信号读出及前置放大器42、锁相放大器43、数据采集卡44。太赫兹光束传输至数据采集模块4的探测器41，使得经由所述光路传输模块3传输的太赫兹光束被转换为电信号；信号读出及前置放大器42用于读出所述探测器41的电信号并将信号进行前置放大，再将放大的信号发送至锁相放大器43；锁相放大器43用于将信号进行锁相并放大，提高信号的性噪比；数据采集卡44与所述数据处理与图像还原模块5连接，用于采集锁相放大器放大后的信号并将采集到的所有电信号发送至数据处理与图像还原模块5。由此，数据采集模块4实现了将经由所述光路传输模块3传输的太赫兹光束被转换为电信号并将采集到的所有电信号发送至数据处理与图像还原模块5。

需要说明的是，探测器41为现有的任意一种探测器，优选地，所述探测器41为太赫兹量子阱探测器、Ge:Ga低温探测器、超导低温HEB或辐射热测定器。

数据处理与图像还原模块5为计算机。在本实施例中，所述计算机上安装有labview和matlab程序，由此可以通过labview和matlab程序实现同步控制、数据处理与图像还原并显示功能。具体地，所述数据处理与图像还原模块5采用现有的labview程序实现对驱动器单元22和数据采集卡42的同步驱动，即数据采集卡42采集到的待成像物体的位置信息与驱动器单元的采集器采集的旋转平移二维信息一一对应；所述数据处理与图像还原模块5通过matlab程序对数据采集模块发送的所有电信号及载物台模块发送的旋转平移二维信息进行数据处理，还原成图像并进行显示。

所述空间滤波模块6包括设于第二离轴拋面镜32和第三离轴拋面镜33的焦点处的第一针孔61，以及设于第六离轴拋面镜37和第七离轴拋面镜38的焦点处的第二针孔62。第一针孔61和第二针孔62为亚毫米尺寸。第一针孔61和第二针孔62放置于两个共焦焦点处，可以对沿光路经由光路传输模块3传输的太赫兹光束进行空间约束，起到空间滤波的作用，提高系统分辨率。

根据上文所述的太赫兹共焦显微成像系统，本发明还提供一种太赫兹共焦显微成像系统的成像方法。该成像方法的一个实施例，具体包括以下步骤：

S1：搭建如上文所述的太赫兹共焦显微成像系统，将一待成像物体安装于其载物台模块2上，并由其光源模块1发射一平行的太赫兹光束，该太赫兹光束沿一光路经由其光路传输模块3并穿过所述待成像物体，传输至其数据采集模块4，所述数据采集模块4将该太赫兹光束转换为电信号。由此，太赫兹光束穿过待成像物体，并将带有待成像物体信息的太赫兹光束沿光路传输至数据采集模块4，并使得数据采集模块4将该太赫兹光束转换为电信号。

S2：步骤S1所述的太赫兹共焦显微成像系统的数据处理与图像还原模块5控制所述载物台模块2进行旋转和平移，以使得会聚的太赫兹光束扫描到待成像物体上的不同采集位置，并相应地接收不同位置处的所述载物台模块2发送的旋转平移二维信息以及所述数据采集模块4发送的电信号。

S3：所述数据处理与图像还原模块5得到所述待成像物体的切片图像。

此外，还可以包括S4：调节所述待成像物体在轴向上的高度，并重复S2-S3。由此，可以得到不同位置处物体的切片图像，其中，空间滤波模块6的设置可以限制其他高度处的截面信息进入探测器。

其中，旋转平移台以8转每秒的速度旋转，以1cm/s的速度平移；与此同时，载物台模块2的驱动器上的采集器每1ms采集一次待成像物体的旋转平移二维信息；所述采集位置的数量为5000个。

如图3a-b和图4a-b所示，通过本实施例所述方法对图3a和图4a所述的待成像物体进行成像后，其成像结果图3b和图4b所示。其中，图3a中成像物品为普通干树叶，放于平面镜之上，覆盖物体上的是带三个小孔的塑料盖。图4a中成像物体为方板与五角的硬币，硬币放于方板之上，组合形成三维立体图形。可以看到，所述待成像物体的成像结果图像分辨率很高。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。例如，光路传输模块除了采用上述的八个离轴拋面镜和一个平面镜，还可采用透镜组代替该光路传输模块。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种太赫兹共焦显微成像系统，包括光源模块(1)，用于发射太赫兹光束；数据采集模块(4)，用于接收所述太赫兹光束并将其转换为电信号；以及数据处理与图像还原模块(5)，用于接收数据采集模块(4)的电信号并成像，其特征在于，所述成像系统还包括：

一载物台模块(2)，用于承载一待成像物体并受所述数据处理与图像还原模块(5)控制对其进行旋转和平移，以及将该待成像物体的旋转平移二维信息发送至所述数据处理与图像还原模块(5)；

一光路传输模块(3)，用于将所述太赫兹光束沿一光路传输至所述数据采集模块(4)，该光路上具有两个焦点且该光路穿过所述待成像物体；以及

一空间滤波模块(6)，包括分别设于所述两个焦点处的针孔(61、62)；

所述光路传输模块(3)包括沿光路的走向依次排布的第一离轴拋面镜(31)、第二离轴拋面镜(32)、第三离轴拋面镜(33)、第四离轴拋面镜(34)、平面镜(35)、第五离轴拋面镜(36)、第六离轴拋面镜(37)、第七离轴拋面镜(38)以及第八离轴拋面镜(39)；

所述两个焦点为第二离轴拋面镜(32)和所述第三离轴拋面镜(33)的共同焦点，以及第六离轴拋面镜(37)和第七离轴拋面镜(38)共同焦点；所述待成像物体设于所述平面镜(35)上并通过该平面镜(35)承载于所述载物台模块(2)上。

2.根据权利要求1所述的太赫兹共焦显微成像系统，其特征在于，所述载物台模块(2)包括载物台单元(21)，以及与所述载物台单元(21)连接的驱动器(22),所述载物台单元(21)包括基台、设于所述基台上且用于承载所述待成像物体的旋转平移台。

3.根据权利要求2所述的太赫兹共焦显微成像系统，其特征在于，所述旋转平移台和所述待成像物体之间设有升降台。

4.根据权利要求2所述的太赫兹共焦显微成像系统，其特征在于，所述驱动器(22)包括与所述基台连接的两个电机以及分别与这两个电机连接的采集器。

5.根据权利要求1所述的太赫兹共焦显微成像系统，其特征在于，平面镜(35)水平放置，且第一离轴拋面镜(31)、第二离轴拋面镜(32)、第三离轴拋面镜(33)、第六离轴拋面镜(37)、第七离轴拋面镜(38)以及第八离轴拋面镜(39)的主光轴位于水平面上。

6.根据权利要求1所述的太赫兹共焦显微成像系统，其特征在于，所述光源模块(1)包括一太赫兹量子级联激光器(11)以及一连接所述太赫兹量子级联激光器的激光器电源(12)。

7.根据权利要求1所述的太赫兹共焦显微成像系统，其特征在于，所述数据采集模块(4)包括依次连接的探测器(41)、信号读出及前置放大器(42)、锁相放大器(43)、数据采集卡(44)，所述太赫兹光束传输至所述探测器(41)，所述数据采集卡(44)与所述数据处理与图像还原模块(5)连接。

8.根据权利要求7所述的太赫兹共焦显微成像系统，其特征在于，所述探测器(41)为太赫兹量子阱探测器、Ge:Ga低温探测器、超导低温HEB或辐射热测定器。

9.一种太赫兹共焦显微成像系统的成像方法，包括以下步骤：

S1：搭建根据权利要求1-8之一所述的太赫兹共焦显微成像系统，将一待成像物体安装于其载物台模块(2)上，并由其光源模块(1)发射一平行的太赫兹光束，该太赫兹光束沿一光路经由其光路传输模块(3)并穿过所述待成像物体，传输至其数据采集模块(4)，所述数据采集模块(4)将该太赫兹光束转换为电信号；

S2：步骤S1所述的太赫兹共焦显微成像系统的数据处理与图像还原模块(5)控制所述载物台模块(2)进行旋转和平移，并接收不同位置处的所述载物台模块(2)发送的旋转平移二维信息以及所述数据采集模块(4)发送的电信号；

S3：所述数据处理与图像还原模块(5)得到所述待成像物体的切片图像。