CN110865043A - 基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置及方法，包括：第一、第二太赫兹离轴抛物面镜，设置在全反射棱镜的下侧；调整太赫兹分光镜与太赫兹波的传播方向成一定角度，经过太赫兹分光镜的太赫兹波被分为两束：一路反射的太赫兹波被第一太赫兹探测器直接收集，用于检测太赫兹辐射源的输出稳定性并作为最终图像的参考信号，另一路透射的太赫兹波作为探测待测样本的信号依次经过第一、第二太赫兹反射镜、第一离轴抛物面镜、全反射棱镜、第二离轴抛物面镜、太赫兹透镜之后被第二太赫兹探测器所接收；二维移动扫描平台设置在全反射棱镜下方，计算机用于接收第一、第二太赫兹探测器所探测的信号以及控制二维移动扫描平台实现扫描。

Description

基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置及方法

技术领域

本发明涉及太赫兹成像领域，尤其涉及一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置及方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)波是指频率从0.1THz-10THz范围的电磁波，相应的波长为0.03mm到3mm，介于远红外光与微波之间的电磁波谱区域。由于该频段正好处于宏观经典理论向微观电子理论的过渡区，其具有很多独特的性质，如瞬态性、宽带性、低能性等。因此，THz波成像技术在材料科学、生命科学、医学成像以及食品检测等领域有着极大的应用前景与应用价值。

根据成像原理的差异，可以将目前的太赫兹成像方式分为以下三种：透射式，反射式和衰减全反射式(attenuated total reflection,ATR)。透射式成像通过探测透过样本的太赫兹波信号进行成像；反射式通过探测样品表面反射的太赫兹波进行成像；ATR利用太赫兹在样本表面的全内反射原理进行成像，成像时将待测样品置于全反射棱镜的上表面，当太赫兹波的入射角大于全反射临界角时，太赫兹波会在全反射棱镜上表面发生全内反射，从棱镜出射的太赫兹波携带了样品的信息，因此可以表现出样本的物理性质。相比于透射和反射式的太赫兹成像方法，ATR成像具有如下的优势：(1)可以对高吸收性样本进行成像检测。太赫兹波在一些高吸收性物体中的穿透深度十分有限(大约为数十微米)，因此无法进行透射式成像；在ATR成像中，太赫兹波在棱镜-样本界面处发生衰减全反射，光强损失较小，因此可以对高吸收性样本进行成像研究。(2)样品制备简单。透射式成像对某些在太赫兹波段具有强烈吸收的样品的厚度要求十分严格，样品制备步骤繁琐，耗时较长；对于粉末状样品或表面不均匀的样本而言，其存在较强的漫反射效应，无法进行反射式成像；ATR成像仅要求样本与全反射棱镜互相贴合，无需对样本进行复杂的处理。(3)不会出现透射和反射成像中的干涉条纹。透射和反射式成像通常采用对THz低吸收的材料作为基底，这容易使得光线在基底与样品之间、上下基底之间或样品上下表面之间形成干涉，从而造成成像质量恶化、图像准确性降低。

ATR成像技术在红外波段的发展相对成熟，且广泛应用于面阵相机实时成像。在THz波段，目前商用化的THz辐射源功率较低，面阵式探测器的性能较差，因此多采用二维逐点扫描的成像方式，即通过移动样品或者全反射棱镜以实现扫描成像。若采用移动样品的方式，容易造成样品表面与全反射棱镜之间的摩擦损耗，并形成接触空隙。较常使用的棱镜移动方式是将样品固定于全反射棱镜上，通过棱镜的移动实现太赫兹波对样品的扫描。

目前常见的扫描方式大多为垂直扫描，即棱镜移动的两个方向均与主光线垂直。这种扫描方式存在如下的缺点和问题：

(1)移动的棱镜与固定的聚焦透镜在扫描过程中始终发生相对位移，改变了焦点的预设位置，使图像的空间分辨率只有在棱镜上表面中心才能取得最优值，而以此为中心，沿x方向往两侧退化，导致扫描大尺寸样品时，样品边缘模糊。

(2)THz波出射高度随棱镜的垂直移动而发生变化，使上表面允许扫描的范围受棱镜之后收集透镜通光孔径的限制。由于出射光无法始终沿该透镜光轴入射，这就导致经过透镜的折射光无法会聚成一点，从而增加THz波收集时的困难。

(3)THz波水平入射和出射的方式实质上使光线相对棱镜的两个等腰面发生斜入射和斜出射。考虑到硅棱镜通光面表面抛光，THz波在其中必然发生二次反射，这就导致主反射(单次反射)和次反射(二次反射)光路不重合，扫描某一像素点时，其它位置像素点的信息对其产生干扰，从而影响最终图像中所有像素点取值的精度。

发明内容

本发明提供了一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置及方法，本发明大幅改善分辨率退化问题；使棱镜的入射和出射光路与THz波聚焦及收集元件始终保持相对静止；单次反射和二次反射光路重合，棱镜上表面只出现一个取样光斑，详见下文描述：

一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置，所述装置包括：

斩波器、太赫兹分光镜、第一、第二太赫兹反射镜依次设置在太赫兹辐射源的输出光路上；

全反射棱镜为等腰梯形棱镜，待测样本放置在全反射棱镜的上表面；

第一、第二太赫兹离轴抛物面镜，设置在全反射棱镜的下侧；调整太赫兹分光镜与太赫兹波的传播方向成一定角度，经过太赫兹分光镜的太赫兹波被分为两束：一路反射的太赫兹波被第一太赫兹探测器直接收集，用于检测太赫兹辐射源的输出稳定性并作为最终图像的参考信号，另一路透射的太赫兹波作为探测待测样本的信号依次经过第一、第二太赫兹反射镜、第一离轴抛物面镜、全反射棱镜、第二离轴抛物面镜、太赫兹透镜之后被第二太赫兹探测器所接收；

二维移动扫描平台设置在全反射棱镜下方，计算机用于接收第一、第二太赫兹探测器所探测的信号以及控制二维移动扫描平台实现扫描。

其中，所述太赫兹辐射源为连续或脉冲太赫兹辐射源。

进一步地，所述斩波器用于将连续的太赫兹波转换为正弦波，斩波频率根据第一、第二太赫兹探测器的重复频率响应特性而设定。

其中，所述第一太赫兹离轴抛物面镜用于将太赫兹波聚焦到全反射棱镜中；第二赫兹离轴抛物面镜用于接收从全反射棱镜出射的太赫兹波。

进一步地，太赫兹波在全反射棱镜上的入射和出射方向均与全反射棱镜的下表面垂直。

一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像方法，所述方法包括：

计算机控制二维移动扫描平台在水平面x-y方向上以一定的步长进行扫描，太赫兹取样光斑也随之在棱镜-样本界面上的x和y方向移动；

计算机同时采集第一太赫兹探测器和第二太赫兹探测器的信号以及样本的位置信息，将第二太赫兹探测器所接收的太赫兹信号除以第一太赫兹探测器所接收的参考信号得到最终的图像信息。

若太赫兹辐射源的输出功率稳定，省略第一太赫兹探测器，直接将第二探测器所接收的信号作为最终的图像信息。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、扫描过程中，不同像素点之间的THz波强度差异全部来自于由棱镜上表面-样品界面处发生的ATR效应；THz波在全反射棱镜内传输时的多次反射光路重合，这使得上表面始终只有一个取样点，避免了像素信息的干扰，增强了图像对比度；

2、进一步地，THz波在全反射棱镜上的入射和出射点之间的相对距离固定，大幅简化了成像光路，提高了系统的稳定性；

3、显著改善了ATR成像装置中的分辨率退化问题，有利于实现大尺寸样本的太赫兹衰减全反射成像。

附图说明

图1为基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置示意图；

其中1.太赫兹辐射源；2.斩波器；3.太赫兹分光镜；4.第一太赫兹探测器；5.第一太赫兹反射镜；6.第二太赫兹反射镜；7.第一太赫兹离轴抛物面镜；8.全反射棱镜；9.二维移动扫描平台；10.第二太赫兹离轴抛物面镜；11.太赫兹透镜；12.第二太赫兹探测器；13.计算机；14.待测样本。

图2为沿x方向扫描时全反射棱镜中的光路位移示意图；

其中，实线表示棱镜位于初始位置时的太赫兹波光路，虚线表示棱镜沿x方向扫描移动时的太赫兹光路图；

A：初始位置时太赫兹波在全反射棱镜上的入射点；

A′：沿x方向扫描时太赫兹波在全反射棱镜上的入射点；

B：初始位置时太赫兹波在全反射棱镜第一个等腰面上的全反射点；

B′：沿x方向扫描时太赫兹波在全反射棱镜第一个等腰面上的全反射点；

C：初始位置时太赫兹波在全反射棱镜上表面的全反射点；

C′：沿x方向扫描时太赫兹波在全反射棱镜上表面的全反射点；

D：初始位置时太赫兹波在全反射棱镜第二个等腰面上的全反射点；

D′：沿x方向扫描时太赫兹波在全反射棱镜第二个等腰面上的全反射点；

E：初始位置时太赫兹波在全反射棱镜上的出射点；

E′：沿x方向扫描时太赫兹波在全反射棱镜上的出射点；

a：全反射棱镜在x方向的上边长；

h：全反射棱镜的高；

d：入射点的相对位移距离；

m：出射点的相对位移距离；

r：取样点的相对位移距离；

θ：太赫兹波在棱镜-样本界面处发生全反射的入射角；

β：等腰梯形全反射棱镜的底角。

图3为沿x方向扫描时分辨率退化的原理示意图。

其中，Ⅰ为初始状态的焦点位置示意图；Ⅱ为全反射棱镜沿x方向向左移动Δx时的焦点位置示意图；F：初始状态时的焦点；F′：全反射棱镜沿x方向向左移动Δx时的焦点。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明的具体实施方式体现在一种如图1所示的基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射装置中，该装置包括：太赫兹辐射源1、斩波器2、太赫兹分光镜3、第一太赫兹探测器4、第一太赫兹反射镜5、第二太赫兹反射镜6、第一太赫兹离轴抛物面镜7、全反射棱镜8、二维移动扫描平台9、第二太赫兹离轴抛物面镜10、太赫兹透镜11、第二太赫兹探测器12、计算机控制系统13、以及待测样本14。

太赫兹辐射源1发射频率范围为0.1-30THz的太赫兹波，太赫兹波经过斩波器2变换为正弦波并入射到太赫兹分光镜3；调整太赫兹分光镜3与太赫兹波的传播方向成一定角度(10-80°)，经过太赫兹分光镜3的太赫兹波被分为两束：一路反射的太赫兹波被第一太赫兹探测器4直接收集，用于检测太赫兹辐射源的输出稳定性并作为最终图像的参考信号，另一路透射的太赫兹波作为探测待测样本14的信号依次经过第一太赫兹反射镜5、第二太赫兹反射镜6、第一离轴抛物面镜7、全反射棱镜8、第二离轴抛物面镜10、太赫兹透镜11之后被第二太赫兹探测器12所接收。待测样品14置于全反射棱镜8上，其待测面与全反射棱镜紧密贴合。

其中，第一太赫兹反射镜5和第二太赫兹反射镜6用于改变太赫兹波的方向使得光路紧凑，可以用其他等效器件代替；第一太赫兹离轴抛物面镜7和第二太赫兹离轴抛物面镜10的焦距相同，表面镀金且离轴角均为90°；如图3所示，平行太赫兹波经第一太赫兹离轴抛物面镜7聚焦之后垂直入射到全反射棱镜8的下表面，棱镜8固定在二维移动扫描平台9上，调整全反射棱镜8的位置，使得太赫兹波的焦点位置处于棱镜8上表面的中心，此时为初始状态；待测样本放置在棱镜8上表面，其待测面与棱镜紧密贴合。

计算机控制二维移动扫描平台9在水平面x-y方向上以一定的步长进行扫描，太赫兹取样光斑也随之在棱镜-样本界面上的x和y方向移动；太赫兹波在棱镜8的等腰面和棱镜-样品界面处发生全反射之后从棱镜8下表面垂直出射，此时为发散光，经第二太赫兹离轴抛物面镜10准直后，以平行光入射到太赫兹透镜11上，太赫兹透镜11将太赫兹波聚焦入射到第二太赫兹探测器12中；第一太赫兹探测器4和第二太赫兹探测器12收集的太赫兹信号经过模/数转换之后被计算机13采集，并将不同扫描位置的太赫兹样本信号和参考信号进行处理，得到太赫兹波的衰减率和全反射率等参数，最终获得待测样本14的待测面的太赫兹图像。

具体实现时，该装置的操作的具体方法步骤如下：

(1)太赫兹辐射源1发射的太赫兹波经过斩波器2后入射到太赫兹分光镜3上，太赫兹分光镜反射的太赫兹波被第一太赫兹探测器4直接收集，用于检测太赫兹辐射源的输出稳定性并作为最终图像的参考信号；透射的太赫兹波作为探测样品的信号依次经过第一太赫兹反射镜5、第二太赫兹反射镜6、第一太赫兹离轴抛物面镜7、全反射棱镜8、第二太赫兹离轴抛物面镜10、太赫兹透镜11之后被第二太赫兹探测器12所接收。

(2)棱镜8固定在二维移动扫描平台9上，调整全反射棱镜8的位置，使得太赫兹波的焦点位置处于棱镜上表面的中心，此时为初始状态；

(3)待测样本14放置在全反射棱镜8的上表面，并将其待测面与棱镜8紧密贴合；计算机13控制二维移动扫描平台9在水平面x-y方向上以一定的步长进行扫描，太赫兹取样光斑也随之在棱镜-样本界面上的x和y方向移动；

(4)计算机同时采集第一太赫兹探测器4和第二太赫兹探测器12的信号以及样本的位置信息，将第二太赫兹探测器12所接收的太赫兹信号除以第一太赫兹探测器4所接收的参考信号得到最终的图像信息；若太赫兹辐射源1的输出功率稳定，则可以省略第一太赫兹探测器4，直接将第二探测器12所接收的信号作为最终的图像信息。

其中，参见图2，全反射棱镜等腰梯形棱镜，选取太赫兹波段的高折射率与低吸收材料，如硅或锗，棱镜的两个等腰面进行光学抛光，底角为68°，高度为51.6mm，上表面沿x和y方向长度分别为29mm和40mm，太赫兹波入射方向与棱镜底面垂直。

实施例2

下面结合具体的实例对实施例1中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

(1)这种基于等腰梯形棱镜的扫描方式不会改变THz波在棱镜内的总光程，从而不改变THz波在棱镜内传播时受棱镜材质吸收的程度；另外，考虑到THz波在棱镜等腰面发生全反射，从入射到出射棱镜时产生的反射损耗始终恒定。因此，可以确定扫描过程中THz波的强度差异是由棱镜上表面-样品界面处发生的ATR造成的。

(2)扫描过程中，THz波在全反射棱镜上的入射和出射点之间的相对距离固定，仅通过移动全反射棱镜即可完成样品扫描。沿x方向扫描时全反射棱镜中的光路位移情况如图2所示。假设初始位置时太赫兹波在全反射棱镜上的入射点为A，出射点为E；沿x方向扫描时太赫兹波在全反射棱镜上的入射点变为A′，出射点为E′。根据几何关系可知，A和A′之间的距离与E和E′之间的距离相等，即m＝d。换句话说，在扫描过程中太赫兹波在全反射棱镜上的入射点和出射点之间的相对距离不变，仅二维移动全反射棱镜即可完成扫描成像过程。这一优势解决了THz波出射光路相对收集元件变化的问题，使光路更简化，结果更可靠。

(3)棱镜内THz波多次反射光路重合。在垂直扫描三角形棱镜方法中，THz波斜入射在等腰面上，导致其在棱镜内的多次反射光路不重合，在上表面多次入射的光斑位置不一致，最终使待研究像素信息掺杂其它像素信息。

在本方法中，THz波总是垂直入射和出射底面，这就导致其多次反射光路重合，并且上表面始终只有一个取样点，像素信息不受干扰，甚至得益于多次反射，较单次反射增加了样品对THz波的吸收程度，增强了图像对比度。

(4)分辨率退化问题显著改善，提升了大尺寸样本的太赫兹图像边缘的分辨率。根据q参数结合ABCD矩阵可得出焦点偏移值与棱镜底角和扫描长度之间的关系如下：

其中，r表示棱镜上表面的取样点与初始位置之间的距离(沿x方向)，n表示棱镜的折射率，θ表示棱镜的底角。从上式可以看出，底角恒定时，焦点偏移值随扫描长度线性增加；扫描长度恒定时，焦点偏移值随底角增大而增大，且扫描长度越长，增大地越快，趋势越明显。

进一步分析可知，在棱镜上表面入射角一定的条件下，对于同一样品的扫描成像而言，水平扫描方法焦点偏移量占垂直扫描方法焦点偏移量的百分比与扫描范围无关，只与上表面入射角或棱镜角度有关。计算可得，等腰梯形全反射棱镜的焦点偏移量是传统的三角形棱镜垂直扫描方法焦点偏移量的25％。

综上所述，本发明提供一种衰减全反射式的太赫兹成像装置及方法，通过在水平面内二维扫描移动所设计的等腰梯形全反射棱镜实现了太赫兹ATR成像。在利用本发明进行太赫兹ATR成像过程中，不同像素点之间的太赫兹波强度差异完全是由全反射棱镜上表面和样品待测面之间的ATR效应造成的；太赫兹波在全反射棱镜上的入射点和出射点的相对位置始终固定，简化了实验光路，提高了系统的稳定性；太赫兹波在全反射棱镜内的多次反射光路重合，避免了多个像素点之间的干扰，提高了图像的对比度；分辨率退化问题显著改善，提升了大尺寸样本的太赫兹图像边缘的分辨率。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置，其特征在于，所述装置包括：

斩波器、太赫兹分光镜、第一、第二太赫兹反射镜依次设置在太赫兹辐射源的输出光路上；

全反射棱镜为等腰梯形棱镜，待测样本放置在全反射棱镜的上表面；

第一、第二太赫兹离轴抛物面镜，设置在全反射棱镜的下侧；调整太赫兹分光镜与太赫兹波的传播方向成一定角度，经过太赫兹分光镜的太赫兹波被分为两束：一路反射的太赫兹波被第一太赫兹探测器直接收集，用于检测太赫兹辐射源的输出稳定性并作为最终图像的参考信号，另一路透射的太赫兹波作为探测待测样本的信号依次经过第一、第二太赫兹反射镜、第一离轴抛物面镜、全反射棱镜、第二离轴抛物面镜、太赫兹透镜之后被第二太赫兹探测器所接收；

二维移动扫描平台设置在全反射棱镜下方，计算机用于接收第一、第二太赫兹探测器所探测的信号以及控制二维移动扫描平台实现扫描。

2.根据权利要求1所述的一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置，其特征在于，所述太赫兹辐射源为连续或脉冲太赫兹辐射源。

3.根据权利要求1所述的一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置，其特征在于，所述斩波器用于将连续的太赫兹波转换为正弦波，斩波频率根据第一、第二太赫兹探测器的重复频率响应特性而设定。

4.根据权利要求1所述的一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置，其特征在于，所述第一太赫兹离轴抛物面镜用于将太赫兹波聚焦到全反射棱镜中；第二赫兹离轴抛物面镜用于接收从全反射棱镜出射的太赫兹波。

5.根据权利要求1所述的一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像装置，其特征在于，太赫兹波在全反射棱镜上的入射和出射方向均与全反射棱镜的下表面垂直。

6.一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像方法，其特征在于，所述方法包括：

二维移动扫描平台在水平面x-y方向上以一定的步长进行扫描，太赫兹取样光斑也随之在棱镜-样本界面上的x和y方向移动；

计算机同时采集第一太赫兹探测器和第二太赫兹探测器的信号以及样本的位置信息，将第二太赫兹探测器所接收的太赫兹信号除以第一太赫兹探测器所接收的参考信号得到最终的图像信息。

7.根据权利要求1所述的一种基于水平扫描方式的太赫兹衰减全反射成像方法，其特征在于，

若太赫兹辐射源的输出功率稳定，省略第一太赫兹探测器，直接将第二探测器所接收的信号作为最终的图像信息。

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