CN112611719A - 一种太赫兹光声单像素成像装置及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹光声单像素成像装置及成像方法。成像装置包括光源模块、空间光调制模块、太赫兹光调制模块、太赫兹光声探测模块及处理模块；光源模块用于输出泵浦激光束和太赫兹光束；空间光调制模块用于将泵浦激光束调制后传输至太赫兹光调制模块；太赫兹光调制模块用于将太赫兹光束调制后传输至待成像物体；太赫兹光声探测模块包括太赫兹光声材料和超声探测器，太赫兹光声材料用于在太赫兹光的激发下产生光声信号，超声探测器用于将光声信号转换为电信号；处理模块用于根据电信号实现待成像物体的单像素成像。本发明实施例的技术方案，具有成本低、使用便捷、时间分辨率和空间分辨率高等优点，可以用于对待成像物体的近场太赫兹成像。
Description
技术领域
本发明实施例涉及太赫兹成像技术，尤其涉及一种太赫兹光声单像素成像装置及成像方法。
背景技术
太赫兹光的频率在0.1THz～10THz范围内，处于毫米波和红外波之间。由于太赫兹光具有低光子能量、丰富的吸收谱、穿透性好等优点，近年来在安检、超材料、生物医学、半导体、食品药品等方面得到广泛应用。
其中太赫兹成像涉及的领域包括基于结构探测的安全检查、基于分子光谱的生物探测等研究。由于太赫兹具有较低的光子能量，其检测与x射线相比是无害的。然而，太赫兹成像存在着一些问题：一是太赫兹成像探测器的成本较高，常用的太赫兹成像探测器件价格昂贵，可达数十万；二是由于太赫兹的波长较长，太赫兹远场成像分辨率受限于衍射极限，难以提高。
近年来，人们提出了一种新的单像素检测技术代替普通的阵列扫描技术，利用单元素探测器比传统的探测器阵列可以一定程度降低成本。但仍存在成本较高、分辨率有待提高等缺点。
发明内容
本发明实施例提供一种太赫兹光声单像素成像装置及成像方法，该太赫兹光声单像素成像装置具有成本低、使用便捷、时间分辨率和空间分辨率高等优点，可以用于对待成像物体的近场太赫兹成像。
第一方面，本发明实施例提供一种太赫兹光声单像素成像装置，包括光源模块、空间光调制模块、太赫兹光调制模块、太赫兹光声探测模块以及处理模块；
所述光源模块用于输出泵浦激光束和太赫兹光束；
所述空间光调制模块用于接收所述泵浦激光束，并将所述泵浦激光束根据预设的单像素成像调制图样调制后传输至所述太赫兹光调制模块；
所述太赫兹光调制模块与待成像物体相邻，用于接收所述太赫兹光束，并将所述太赫兹光束根据所述单像素成像图样调制后传输至所述待成像物体；
所述太赫兹光声探测模块设置于所述太赫兹光调制模块的输出端，所述太赫兹光声探测模块包括太赫兹光声材料和超声探测器，所述太赫兹光声材料用于在经过所述待成像物体的太赫兹光的激发下产生光声信号，所述超声探测器用于将所述光声信号转换为电信号；
所述处理模块与所述超声探测器连接，用于根据所述电信号实现所述待成像物体的单像素成像。
可选的，还包括温度控制模块，用于调整所述太赫兹光声材料的温度，实现探测灵敏度的调谐。
可选的，所述太赫兹光声材料包括水、离子水溶液、液态无水离子溶液、碳纳米管和聚甲基硅氧烷的组合、硫化铜纳米粒子或吸收太赫兹光的超材料中的任意一种。
可选的，所述光源模块包括脉冲激光器、分束器、第一反射镜组、第二反射镜组、光栅、二分之一波片、第一透镜以及非线性晶体；
所述分束器用于将所述脉冲激光器输出的脉冲激光分为第一光束和第二光束，所述第一光束依次经过所述第一反射镜组、所述光栅、所述二分之一波片和所述第一透镜后聚焦到所述非线性晶体，以激发所述太赫兹光束，所述第二光束作为所述泵浦激光束，经过所述第二反射镜组后入射至所述空间光调制模块。
可选的，还包括抛物面镜组，所述抛物面镜组用于将所述非线性晶体输出的所述太赫兹光束聚焦到所述太赫兹光调制模块。
可选的，还包括位于所述空间光调制模块输出端的第二透镜，所述第二透镜用于将所述空间光调制模块的输出光束聚焦至所述太赫兹光调制模块。
可选的，所述非线性晶体包括铌酸锂晶体。
可选的，所述空间光调制模块包括数字微镜器件。
可选的，所述太赫兹光调制模块包括高阻硅片、蓝宝石或二氧化钒。
第二方面，本发明实施例还提供一种太赫兹光声单像素成像方法，由上述任一所述的太赫兹光声单像素成像装置执行，包括：
光源模块输出泵浦激光束和太赫兹光束；
空间光调制模块接收所述泵浦激光束，并将所述泵浦激光束根据预设的单像素成像调制图样调制后传输至太赫兹光调制模块；
所述太赫兹光调制模块接收所述太赫兹光束，并将所述太赫兹光束根据所述单像素成像图样调制后传输至待成像物体；
太赫兹光声材料在经过所述待成像物体的太赫兹光的激发下产生光声信号，超声探测器将所述光声信号转换为电信号；
处理模块根据所述电信号实现所述待成像物体的单像素成像。
本发明实施例提供的太赫兹光声单像素成像装置，包括光源模块、空间光调制模块、太赫兹光调制模块、太赫兹光声探测模块以及处理模块；通过光源模块输出泵浦激光束和太赫兹光束；泵浦激光束传输到空间光调制模块，根据空间光调制模块上预设的单像素成像调制图样调制后传输至太赫兹光调制模块，进而对太赫兹光束的振幅进行调制；太赫兹光调制模块与待成像物体相邻，太赫兹光束传输到太赫兹光调制模块，并将太赫兹光束根据单像素成像图样调制后传输至待成像物体；通过太赫兹光声探测模块基于光声效应将太赫兹光信号转换为光声信号，进一步将光声信号转换为单像素的哈达玛电信号；通过处理模块根据电信号实现待成像物体的单像素成像。通过结合光声探测与太赫兹成像技术，实现一种低成本、高时间分辨率的太赫兹光声成像，太赫兹光声材料和超声探测器的有效集成可以实现更低成本的太赫兹信号探测器件，并利用声学探测器的快响应速度提高单像素成像的成像速率，可以实现亚波长尺寸的成像分辨率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种太赫兹光声单像素成像装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种太赫兹光声单像素成像装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的又一种太赫兹光声单像素成像装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种太赫兹光声单像素成像方法的流程示意图；
图5和图6分别是本发明实施例对T字形图形全采样的成像结果示意图；
图7～图9分别是对图6在重构算法下90％、75％、50％采样率下的成像结果示意图；
图10是本发明实施例提供的一种带温度控制模块的太赫兹光声单像素成像装置的局部结构示意图；
图11是本发明实施例在温度控制模块温度控制下信号变化的测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅展示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
单像素成像是从可见光和红外波段开始的，其概念是由Donoho和Candes在2004年提出的压缩感知理论发展起来的。2008年，莱斯大学开始开发单像素相机，在此基础上同年也实现了太赫兹域的单像素成像。太赫兹空间光调制器的厚度在决定太赫兹单像素成像图像的最终分辨率方面扮演着重要的角色，为了提高太赫兹单像素成像的成像分辨率，研究人员试图将成像系统中高阻硅晶片等太赫兹空间光调制器的厚度从115μm减少到6μm。然而，如果进一步减少厚度，样品加工变得困难，这也会导致使用起来过于脆弱。此外，由于太赫兹波在高阻硅片中的穿透深度为12μm，进一步降低厚度将显著削弱太赫兹调制深度。因此，研究人员将石墨烯与半导体或谐振的超表面结构耦合起来，但它仍然只有有限的调制深度和狭窄的工作频率窗口。钝化硅从而提高振幅的调制深度被提出，但从理论上讲，这种方法使得高速成像失去了可能。所以着眼于其他类型的太赫兹空间光调制器件，基于180nm的二氧化钒(VO2)太赫兹调制器实现了百分之波长的空间分辨率。因为调制器超薄的特性，从而实现了深度亚波长的分辨率。然而，由于温度控制的特性，VO2的开关速度相对较慢，非常不利于快速成像。同时，实现太赫兹调制所需的泵浦光功率也非常高，这意味着对泵浦光系统提出了较高的标准。而在成像速度方面，基于超材料太赫兹空间光调制器的频分复用单像素成像寄希望于可以提高成像速度，但这种方式必须在信噪比和成像速度之间进行取舍，并不能很好地实现快速高分辨的成像。
有鉴于此，本发明实施例利用光声探测与太赫兹成像技术相结合，实现了一种新型低成本、高时间分辨率的太赫兹光声成像技术，它主要是利用物质在太赫兹激发下的光声效应，将光学信号成像转化为声学信号成像，最终的成像是通过对声信号的探测，而不是对太赫兹信号的直接探测，从而显著降低成本。同时该成像方式可结合成熟的超声探测技术，具备成像方式简单、操作方便等优势。
图1所示为本发明实施例提供的一种太赫兹光声单像素成像装置的结构示意图，参考图1，本实施例提供的太赫兹光声单像素成像装置包括光源模块10、空间光调制模块20、太赫兹光调制模块30、太赫兹光声探测模块40以及处理模块50；光源模块10用于输出泵浦激光束a和太赫兹光束b；空间光调制模块20用于接收泵浦激光束a，并将泵浦激光束a根据预设的单像素成像调制图样调制后传输至太赫兹光调制模块30；太赫兹光调制模块30与待成像物体60相邻，用于接收太赫兹光束b，并将太赫兹光束b根据单像素成像图样调制后传输至待成像物体60；太赫兹光声探测模块40设置于太赫兹光调制模块30的输出端，太赫兹光声探测模块40包括太赫兹光声材料41和超声探测器42，太赫兹光声材料41用于在经过待成像物体60的太赫兹光的激发下产生光声信号，超声探测器42用于将光声信号转换为电信号；处理模块50与超声探测器42连接，用于根据电信号实现待成像物体60的单像素成像。
本实施例提供的太赫兹光声单像素成像装置是一种基于光声效应的太赫兹光声单像素成像方式，该成像方式相比于之前的成像系统或方式区别点在于最后的太赫兹信号探测器件。本发明实施例将光声成像技术引入到太赫兹单像素成像之中，其主要需要通过太赫兹光声材料将对太赫兹光吸收转换成超声波信号，具体可以理解成光声效应的主要作用机制在于通过脉冲光束照射媒介，被照射区域吸收能量之后温度发生变化，将光能转换成热能，通过温度变化后的热膨胀将热能转换成机械振动的机械能，再通过机械振动产生超声波，通过采集超声波信号进而通过成像算法反演出待成像物体或组织的图像。在本发明实施例中，通过使用太赫兹光声材料作为转换媒介，将对太赫兹波吸收转换成超声波信号。对于太赫兹光的光声材料，需要将两个因素考虑在内：一是太赫兹波段吸收系数；二是热膨胀系数。太赫兹光声材料需要对太赫兹波段具有高的吸收能力，从而能够有效地吸收太赫兹光能量并将其转换成热能；同时也需要较高的热膨胀系数能够将热能有效地转换成机械振动的机械能从而产生超声波被超声探测器获取。具体实施时，可选的，太赫兹光声材料可以包括水、离子水溶液、液态无水离子溶液、碳纳米管和聚甲基硅氧烷的组合、硫化铜纳米粒子或吸收太赫兹光的超材料等的任意一种。
其中，光源模块10用于输出脉冲形式的泵浦激光束a和太赫兹光束b，具体实现方式可以根据本领域熟知的方式实现。空间光调制模块20用于调制泵浦激光束a，可选的，空间光调制模块20包括数字微镜器件DMD，单像素成像调制图样加载到DMD上，从而实现泵浦激光束a的调制。太赫兹光调制模块30用于调制太赫兹光束b，可选的，太赫兹光调制模块30可以包括高阻硅片、蓝宝石或二氧化钒，具体实施时可以根据实际情况选择，本发明实施例对此不作限定。
本实施例的技术方案，通过光源模块输出泵浦激光束和太赫兹光束；泵浦激光束传输到空间光调制模块，根据空间光调制模块上预设的单像素成像调制图样调制后传输至太赫兹光调制模块，进而对太赫兹光束的振幅进行调制；太赫兹光调制模块与待成像物体相邻，太赫兹光束传输到太赫兹光调制模块，并将太赫兹光束根据单像素成像图样调制后传输至待成像物体；通过太赫兹光声探测模块基于光声效应将太赫兹光信号转换为光声信号，进一步将光声信号转换为单像素的哈达玛电信号；通过处理模块根据电信号实现待成像物体的单像素成像。通过结合光声探测与太赫兹成像技术，实现一种低成本、高时间分辨率的太赫兹光声成像，太赫兹光声材料和超声探测器的有效集成可以实现更低成本的太赫兹信号探测器件，并利用声学探测器的快响应速度提高单像素成像的成像速率，可以实现亚波长尺寸的成像分辨率。
在上述技术方案的基础上，图2所示为本发明实施例提供的另一种太赫兹光声单像素成像装置的结构示意图。参考图2，可选的，本实施例提供的太赫兹光声单像素成像装置还包括温度控制模块70，用于调整太赫兹光声材料41的温度。当太赫兹光声材料41的温度不同时，探测光经过待成像物体60后的信号分布不同，从而产生的光声信号不同，通过调整太赫兹光声材料41的温度，可以实现太赫兹光声探测的灵敏度可调，可以适用于更多的成像场景。
图3所示为本发明实施例提供的又一种太赫兹光声单像素成像装置的结构示意图。参考图3，可选的，光源模块包括脉冲激光器11、分束器12、第一反射镜组13、第二反射镜组14、光栅15、二分之一波片16、第一透镜17以及非线性晶体18；分束器12用于将脉冲激光器11输出的脉冲激光c分为第一光束c1和第二光束c2，第一光束c1依次经过第一反射镜组13、光栅15、二分之一波片16和第一透镜17后聚焦到非线性晶体18，以激发太赫兹光束，第二光束c2作为泵浦激光束，经过第二反射镜组14后入射至空间光调制模块20。可选的，非线性晶体18可以包括铌酸锂晶体。
可以理解的是，图3中第一反射镜组13示出三个反射镜，第二反射镜组14示出六个反射镜仅是示意性的，具体实施时可以根据实际情况选择，其中第二反射镜组14中部分反射镜用于调节第二光束c2的时间延迟，以保证与太赫兹光束的同步性。
可选的，继续参考图3，本实施例提供的太赫兹光声单像素成像装置还包括抛物面镜组80，抛物面镜组80用于将非线性晶体18输出的太赫兹光束聚焦到太赫兹光调制模块30。
其中，图3中示出的抛物面镜组80包括第一抛物面镜81和第二抛物面镜82仅是示意性的，并不是对本发明实施例的限定，在其他实施例中，抛物面镜组80可以包括其他数量的抛物面镜，例如四个抛物面镜，本发明实施例对此不作限定。
可选的，继续参考图3，本实施例提供的太赫兹光声单像素成像装置还包括位于空间光调制模块20输出端的第二透镜90，第二透镜90用于将空间光调制模块20的输出光束聚焦至太赫兹光调制模块30。其中，第二透镜90可以为双凸透镜、平凸透镜等汇聚透镜，具体实施时可以根据实际需求选择。
图4为本发明实施例提供的一种太赫兹光声单像素成像方法的流程示意图，该方法可以由上述实施例提供的任意一种太赫兹光声单像素成像装置来执行，具体包括如下步骤：
步骤S110、光源模块输出泵浦激光束和太赫兹光束。
步骤S120、空间光调制模块接收泵浦激光束，并将泵浦激光束根据预设的单像素成像调制图样调制后传输至太赫兹光调制模块。
步骤S130、太赫兹光调制模块接收太赫兹光束，并将太赫兹光束根据单像素成像图样调制后传输至待成像物体。
步骤S140、太赫兹光声材料在经过待成像物体的太赫兹光的激发下产生光声信号，超声探测器将光声信号转换为电信号。
步骤S150、处理模块根据电信号实现待成像物体的单像素成像。
本发明实施例提供的成像方法将光声成像技术引入到太赫兹光声单像素成像之中，其主要需要通过太赫兹光声材料将对太赫兹光吸收转换成超声波信号，具体可以理解成光声效应的主要作用机制在于通过脉冲光束照射媒介，被照射区域吸收能量之后温度发生变化，将光能转换成热能，通过温度变化后的热膨胀将热能转换成机械振动的机械能，再通过机械振动产生超声波，通过采集超声波信号进而通过成像算法反演出待成像物体或组织的图像。在其他实施例中，还可以设置温度控制模块调整太赫兹光声材料的温度，进而实现探测灵敏度可调谐。在本发明实施例中，通过使用太赫兹光声材料作为转换媒介，将对太赫兹波吸收转换成超声波信号。对于太赫兹光的光声材料，需要将两个因素考虑在内：一是太赫兹波段吸收系数；二是热膨胀系数。太赫兹光声材料需要对太赫兹波段具有高的吸收能力，从而能够有效地吸收太赫兹光能量并将其转换成热能；同时也需要较高的热膨胀系数能够将热能有效地转换成机械振动的机械能从而产生超声波被超声探测器获取。
本实施例的技术方案，通过光源模块输出泵浦激光束和太赫兹光束；泵浦激光束传输到空间光调制模块，根据空间光调制模块上预设的单像素成像调制图样调制后传输至太赫兹光调制模块，进而对太赫兹光束的振幅进行调制；太赫兹光调制模块与待成像物体相邻，太赫兹光束传输到太赫兹光调制模块，并将太赫兹光束根据单像素成像图样调制后传输至待成像物体；通过太赫兹光声探测模块基于光声效应将太赫兹光信号转换为光声信号，进一步将光声信号转换为单像素的哈达玛电信号；通过处理模块根据电信号实现待成像物体的单像素成像。通过结合光声探测与太赫兹成像技术，实现一种低成本、高时间分辨率的太赫兹光声成像，太赫兹光声材料和超声探测器的有效集成可以实现更低成本的太赫兹信号探测器件，并利用声学探测器的快响应速度提高单像素成像的成像速率，可以实现亚波长尺寸的成像分辨率。
本发明实施例提出的成像方式对待成像物体在太赫兹波段成像相比于之前的技术，能够实现亚波长尺寸的成像分辨率，对于更为精细的待成像物体能够实现成像，通过对单像素成像过程中测量矩阵的选择能够进一步实现深度亚波长的成像分辨率，这对于成像来说是进一步的提升。同时相比于之前太赫兹波段的探测器件价格达数十万，本成像方式所使用的探测器件为已成熟的超声探头，成像成本相比于之前的成像探测方式要低很多；超声探测器根据探测频率不同价格由几百到几千元浮动，而太赫兹探测器件价格达数十万；同时使用超声探头可以通过放大器将超声信号放大后通过数据采集模块进行采集，由于超声探头较为成熟的技术可以实现更快的响应速度。同时由于该成像方式将单像素成像技术引入，所以可以通过较低的采样率实现对信号数据的采集，极大降低了信号数据采集、存储和处理的成本；并且由于压缩感知理论的特性，可以通过很少的采样数据就能对物体进行成像，所以可以不用使用全部采集数据就可成像，由于太赫兹空间光调制器件的限制导致太赫兹单像素成像在采集速率上有所限制，需要在成像速度和信噪比做出取舍。而针对这个缺点，本发明实施例使用超声探测的快速响应速率，可以有效提高单像素成像的时间效率，最终可以实现快速高分辨的太赫兹光声单像素成像。同时以此作为探测方式，具有较高的灵敏度，对于细微信号的变化可精确掌控，可为之后的生物成像和医学应用提供有利帮助。
示例性的，以图3所示的太赫兹光声单像素成像装置为例，脉冲激光器11选用可调谐飞秒脉冲激光器，中心波长为790nm，重复频率为1kHz，脉冲宽度约为40fs，空间光调制模块20选用DMD，太赫兹光束通过飞秒激光波面倾斜泵浦铌酸锂晶体产生，通过使用抛物面镜将产生的太赫兹光束准直聚焦到待成像物体表面。太赫兹光声探测模块40使用太赫兹光声材料和超声探头结合作为信号采集探测器件，超声探头频率范围为500kHz-5MHz，太赫兹光声材料使用水实现对太赫兹的光声转换。通过使用聚二甲基硅氧烷微流控芯片作为合理的容器，将水这种液态的太赫兹光声材料可以在实验探测中放置。
本实施例的工作过程为：脉冲激光器11输出的脉冲激光通过分束器12分成两束，第一光束经第一反射镜组13、光栅15、二分之一波片16和第一透镜17进行波面倾斜技术整形后，泵入非线性晶体18(铌酸锂)产生太赫兹光。太赫兹光通过两个抛物面镜81和82聚焦入射到待成像物体上。第二光束经过第二反射镜组14后投射在一个DMD(2560×1600像素对角排列，微镜像素间距为7.56μm)上后被调制作为泵浦光。带有调制信息的泵浦光入射到太赫兹光调制模块30(高阻硅片)上，与由第一光束产生的太赫兹入射区域重合。高阻硅片由于泵浦光的激发使得其载流子浓度降低，进而对太赫兹脉冲的振幅进行调制。在本实施例中，待成像物体紧贴在高阻硅片的前面，以达成近场成像。硅片后放置一个基于光声效应探测太赫兹脉冲的探测器来获取单像素的哈达玛探测信号。处理模块包括示波器，将肉眼无法观测的电信号变换为可直接实时观测的信号幅值随时间变化的波形曲线。
在具体成像过程中，使用哈达玛矩阵作为测量矩阵的正交基，这是由于哈达玛矩阵与其他测量矩阵相比具有较高的算法效率。在每次测量时，提取哈达玛矩阵的一行，并将其重新排列成一个n×n掩模模式，显示在DMD上。改变DMD上投影的图案进而得到不同图案所对应的信号，我们通过使用超声探头记录每个掩模模式对应的信号峰峰值yi。然后把所有测得的yi重新排列成一维列向量y，矩阵的表示形式是：
y＝Hx (1)
其中，y是一个包含测量值纬度为M×1的列向量、H是一个维度为M×N矩阵(其中N＝n×n，具体来说是每次测量时预设哈达玛矩阵的一行并改造成一个纬度为n×n的二维矩阵)，x是一个纬度为N×1的行向量。
由于哈达玛矩阵由1和-1组成，在实际的实验中不能在DMD上显示负数。因此，在具体实施时，首先将第一次测试中的哈达玛矩阵的-1改为0，将第二次测试矩阵中的-1改为1，1改为0，将两个测试矩阵相减，即得到最终的哈达玛矩阵。数学模型可理解为：
基于上述方式，通过不同的重构算法可以在不同采样率下对图像进行重建。
示例性的，图5和图6所示分别为本发明实施例对T字形图形全采样的成像结果示意图，其中图5和图6中待成像的图形为通过光刻技术在厚度为500μm高阻硅片上做出的不同尺寸的T字的成像，成像像素点为8×8，单个像素点的尺寸为300μm，示例中的太赫兹中心波段为0.7THz，中心波长为428μm，可以达成亚波长的高分辨成像效果。图7～图9所示分别为对图6在重构算法下90％、75％、50％采样率下的成像结果示意图，由图7～图9可知，即使降低采样率，也可以获得待成像物体的清晰成像，有效提高成像效率，达到纳秒级采集速率，实现快速高分辨率的太赫兹光声单像素成像。
在另一实施例中，还可以通过设置温度控制模块实现灵敏度调节。示例性的，图10所示为本发明实施例提供的一种带温度控制模块的太赫兹光声单像素成像装置的局部结构示意图。参考图10，该装置包括高功率的太赫兹脉冲源1、待成像物体及硅片2、聚焦透镜3、太赫兹光声材料4、蠕动泵5、温度控制模块6、压电超声探头7、放大器8和示波器9。首先记录第一种成像物体在太赫兹光声材料4常温下的光声信号，高功率太赫兹脉冲辐射经硅片2过滤泵浦红光后，被聚集透镜3聚焦入射到太赫兹光声材料4的前表面。传统的压电超声探头7位于太赫兹光声材料4后表面，用以接收超声信号，顺序连接放大器8和示波器9，将肉眼无法观测的超声信号变换为可直接实时观测的信号幅值随时间变化的波形曲线，用于记录常温下太赫兹辐射经过太赫兹光声材料4后的信号分布。然后，通过与太赫兹光声材料4紧密连接的温度控制模块6，控制太赫兹光声材料4的温度，改变探测灵敏度，再次记录示波器9的信号，得到不同温度下探测光经过太赫兹光声材料4后的信号分布。通过分析同一待成像物体在太赫兹光声材料4不同温度下的信号差异，可以实现太赫兹光声探测的灵敏度可调谐。通过使用蠕动泵5，进行液态光声材料的更换，实现不同太赫兹光声材料下的灵敏度可调谐探测。
示例性的，以水作为光声材料的测量情况作为具体实施，对本发明实施例作进一步的详细说明。
探测时太赫兹光声材料均封存于沟道厚度3mm的定制微流控芯片内。
太赫兹光声材料准备过程：首先通过硅胶软管将与微流控芯片连接，通过蠕动泵将液态太赫兹光声材料注入定制的微流控芯片内。其次将温度控制模块和微流控芯片紧密结合。
系统调节过程：放置带有小孔的样品架，保证小孔尺寸略小于太赫兹光斑的大小，调节小孔和探测器的相对位置，将探测光路信号调至最佳状态。然后，将封存液体的微流控芯片固定在小孔中心，通过超声耦合剂连接超声探头、放大器、示波器/数据采集卡。完成后，打开示波器，调节至示波器显示波形最佳且稳定后，固定探头。
测量过程：记录示波器/数据采集卡波形，保存常温下待成像物体的太赫兹光声信号。随后，改变太赫兹光声材料的温度，保存不同温度下的此待成像物体的太赫兹光声响应。如需要采用其他的液态太赫兹光声材料，则可以使用蠕动泵进行更换，并对相应的液态太赫兹光声材料的响应信号进行保存。
对采集到的不同温度下太赫兹光声信号数据进行处理，以水或者其他液体作为太赫兹光声材料探测到的太赫兹被测物体的光声信号随温度改变，改变温度可以改变探测的灵敏度。图11所示为本发明实施例在温度控制模块温度控制下信号变化的测试结果示意图，图11示出了探测到的光声信号在0-40度之间的变化。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种太赫兹光声单像素成像装置，其特征在于，包括光源模块、空间光调制模块、太赫兹光调制模块、太赫兹光声探测模块以及处理模块；
所述光源模块用于输出泵浦激光束和太赫兹光束；
所述空间光调制模块用于接收所述泵浦激光束，并将所述泵浦激光束根据预设的单像素成像调制图样调制后传输至所述太赫兹光调制模块；
所述太赫兹光调制模块与待成像物体相邻，用于接收所述太赫兹光束，并将所述太赫兹光束根据所述单像素成像图样调制后传输至所述待成像物体；
所述太赫兹光声探测模块设置于所述太赫兹光调制模块的输出端，所述太赫兹光声探测模块包括太赫兹光声材料和超声探测器，所述太赫兹光声材料用于在经过所述待成像物体的太赫兹光的激发下产生光声信号，所述超声探测器用于将所述光声信号转换为电信号；
所述处理模块与所述超声探测器连接，用于根据所述电信号实现所述待成像物体的单像素成像。
2.根据权利要求1所述的太赫兹光声单像素成像装置，其特征在于，还包括温度控制模块，用于调整所述太赫兹光声材料的温度，进而实现探测灵敏度的调谐。
3.根据权利要求1所述的太赫兹光声单像素成像装置，其特征在于，所述太赫兹光声材料包括水、离子水溶液、液态无水离子溶液、碳纳米管和聚甲基硅氧烷的组合、硫化铜纳米粒子或吸收太赫兹光的超材料中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的太赫兹光声单像素成像装置，其特征在于，所述光源模块包括脉冲激光器、分束器、第一反射镜组、第二反射镜组、光栅、二分之一波片、第一透镜以及非线性晶体；
所述分束器用于将所述脉冲激光器输出的脉冲激光分为第一光束和第二光束，所述第一光束依次经过所述第一反射镜组、所述光栅、所述二分之一波片和所述第一透镜后聚焦到所述非线性晶体，以激发所述太赫兹光束，所述第二光束作为所述泵浦激光束，经过所述第二反射镜组后入射至所述空间光调制模块。
5.根据权利要求4所述的太赫兹光声单像素成像装置，其特征在于，还包括抛物面镜组，所述抛物面镜组用于将所述非线性晶体输出的所述太赫兹光束聚焦到所述太赫兹光调制模块。
6.根据权利要求4所述的太赫兹光声单像素成像装置，其特征在于，还包括位于所述空间光调制模块输出端的第二透镜，所述第二透镜用于将所述空间光调制模块的输出光束聚焦至所述太赫兹光调制模块。
7.根据权利要求4所述的太赫兹光声单像素成像装置，其特征在于，所述非线性晶体包括铌酸锂晶体。
8.根据权利要求1所述的太赫兹光声单像素成像装置，其特征在于，所述空间光调制模块包括数字微镜器件。
9.根据权利要求1所述的太赫兹光声单像素成像装置，其特征在于，所述太赫兹光调制模块包括高阻硅片、蓝宝石或二氧化钒。
10.一种太赫兹光声单像素成像方法，其特征在于，由权利要求1～9任一所述的太赫兹光声单像素成像装置执行，包括：
光源模块输出泵浦激光束和太赫兹光束；
空间光调制模块接收所述泵浦激光束，并将所述泵浦激光束根据预设的单像素成像调制图样调制后传输至太赫兹光调制模块；
所述太赫兹光调制模块接收所述太赫兹光束，并将所述太赫兹光束根据所述单像素成像图样调制后传输至待成像物体；
太赫兹光声材料在经过所述待成像物体的太赫兹光的激发下产生光声信号，超声探测器将所述光声信号转换为电信号；
处理模块根据所述电信号实现所述待成像物体的单像素成像。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113075132A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-06 | 广东工业大学 | 一种基于电光效应的反射式太赫兹显微成像系统及方法 |
| CN114001821A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-02-01 | 南开大学 | 基于光热声机制的室温太赫兹波功率测量装置及测量方法 |
| CN114235708A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-03-25 | 天津大学 | 一种太赫兹光声检测装置及方法 |
| CN114563479A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-05-31 | 之江实验室 | 一种实时三维高分辨太赫兹光声成像方法和装置 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150316511A1 (en) * | 2014-05-02 | 2015-11-05 | The Regents Of The University Of Michigan | Real-time detection and imaging of terahertz pulse radiation by using photoacoustic conversion |
| JP2016077804A (ja) * | 2014-10-22 | 2016-05-16 | キヤノン株式会社 | 音響波検出装置および音響波検出方法 |
| CN105914565A (zh) * | 2016-07-08 | 2016-08-31 | 电子科技大学 | 一种基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器 |
| CN107421910A (zh) * | 2017-06-24 | 2017-12-01 | 天津大学 | 基于波面倾斜方法的超短脉冲泵浦的太赫兹强场系统 |
| US20180246030A1 (en) * | 2015-02-24 | 2018-08-30 | The University Of Tokyo | Dynamic high-speed high-sensitivity imaging device and imaging method |
| US10288979B1 (en) * | 2017-12-12 | 2019-05-14 | National Tsinghua University | Terahertz imaging system using tunable fishnet metamaterials |
| CN111598962A (zh) * | 2020-04-24 | 2020-08-28 | 北京理工大学 | 基于矩阵草图分析的单像素成像方法和装置 |
-
2020
- 2020-12-10 CN CN202011457316.5A patent/CN112611719A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150316511A1 (en) * | 2014-05-02 | 2015-11-05 | The Regents Of The University Of Michigan | Real-time detection and imaging of terahertz pulse radiation by using photoacoustic conversion |
| JP2016077804A (ja) * | 2014-10-22 | 2016-05-16 | キヤノン株式会社 | 音響波検出装置および音響波検出方法 |
| US20180246030A1 (en) * | 2015-02-24 | 2018-08-30 | The University Of Tokyo | Dynamic high-speed high-sensitivity imaging device and imaging method |
| CN105914565A (zh) * | 2016-07-08 | 2016-08-31 | 电子科技大学 | 一种基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器 |
| CN107421910A (zh) * | 2017-06-24 | 2017-12-01 | 天津大学 | 基于波面倾斜方法的超短脉冲泵浦的太赫兹强场系统 |
| US10288979B1 (en) * | 2017-12-12 | 2019-05-14 | National Tsinghua University | Terahertz imaging system using tunable fishnet metamaterials |
| CN111598962A (zh) * | 2020-04-24 | 2020-08-28 | 北京理工大学 | 基于矩阵草图分析的单像素成像方法和装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| RAYKO IVANOV STANTCHEV等: "Noninvasive, near-field terahertz imaging of hidden objects using a single-pixel detector", 《SCIENCE ADVANCES》 * |
| RAYKO IVANOV STANTCHEV等: "Noninvasive, near-field terahertz imaging of hidden objects using a single-pixel detector-Supplementary Materials", 《SCIENCE ADVANCES》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113075132A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-06 | 广东工业大学 | 一种基于电光效应的反射式太赫兹显微成像系统及方法 |
| CN114001821A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-02-01 | 南开大学 | 基于光热声机制的室温太赫兹波功率测量装置及测量方法 |
| CN114235708A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-03-25 | 天津大学 | 一种太赫兹光声检测装置及方法 |
| CN114235708B (zh) * | 2021-12-20 | 2024-03-29 | 天津大学 | 一种太赫兹光声检测装置及方法 |
| CN114563479A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-05-31 | 之江实验室 | 一种实时三维高分辨太赫兹光声成像方法和装置 |
| CN114563479B (zh) * | 2022-04-20 | 2022-08-30 | 之江实验室 | 一种实时三维高分辨太赫兹光声成像方法和装置 |
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