CN114062322A - 一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高THz‑ATR成像分辨率及性能的装置及方法，包括太赫兹辐射源发射的连续太赫兹波经斩波器变换为正弦波入射到太赫兹波分光镜并被分为两束：一束为反射光另一束为透射光作为探测样品信息的信号光依次经过第一太赫兹波反射镜、第一离轴抛物面镜、固体浸没ATR透镜、样品架并在样品架‑样品界面处发生全反射后从固体浸没ATR透镜出射，经第二离轴抛物面镜、第二太赫兹波反射镜后被第二太赫兹探测器接收。计算机控制样品架移动，采集太赫兹探测器接收的信号及数据的分析处理。本发明在显著提高衰减全反射式成像分辨率的同时还能解决传统衰减全反射式系统中焦点偏移导致的有效成像面积小这一问题，可以获得大尺寸样品的高灵敏度、高分辨率太赫兹成像。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹成像领域，尤其涉及一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置及方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝1012Hz)波是频率在0.1～10THz的电磁波，具有指纹性、安全性及水敏感性等独特的物理特性。这使得太赫兹技术可以应用到物质特性研究、安全检测、生物医学检测等诸多领域。太赫兹成像作为太赫兹相关技术的研究热点之一，因其具有无标记、灵敏度高、快速精确等独特优势在过去几十年中获得了快速发展。
太赫兹成像技术可以分为近场成像和远场成像两种。其中太赫兹波近场成像可以突破衍射极限的限制，获得亚微米甚至是纳米量级的分辨率。但其需要采用局域孔径、针尖或微纳结构调控等方法实现倏逝波的获取、利用和探测，存在成像时间长、信噪比低等问题。对于远场成像，根据成像方式可分为透射、反射和衰减全反射式(attenuated totalreflection,ATR)三种。透射式成像有装置简单，分辨率较高等优势，但受限于太赫兹波对水的穿透深度有限只适用于薄片样品，局限性较大且受干涉影响导致成像质量较低。反射式成像容易受样品表面漫反射的影响导致成像质量下降。ATR成像利用太赫兹波在ATR棱镜-样品界面处发生的全内反射现象进行成像，成像时将待测样品贴合于ATR棱镜表面，当太赫兹波入射角大于全反射临界角时，太赫兹波可以在ATR棱镜-样品界面处发生全内反射，产生倏逝波与样品相互作用，从ATR棱镜出射的太赫兹波携带了样品信息，可以表现出样品的物理性质。该成像方式有效避免了界面干涉、穿透深度小等问题，具有灵敏度高，影响因素少等优势，更适于对液体或含水样品进行成像，特别是在体生物组织成像，但成像分辨率和成像面积仍需进一步提高。
由于太赫兹波长较长，分辨率受限于衍射极限，并与系统数值孔径NA(numericalaperture,NA,NA＝nsin(U/2),n介质为折射率，U为光束孔径角)成反比。通常采用如下两种方式提高成像分辨率：增大成像系统中聚焦透镜的数值孔径，采用大孔径的离轴抛物面镜；前者在提高分辨率的同时引入了额外的波前像差导致成像质量下降；后者虽然可以修正相差，但也面临入射光和聚焦光束重叠、成像区域受限等问题，且上述方法对分辨率的提升仍无法满足高分辨率成像的要求。此外，在THz-ATR成像领域中，基于棱镜扫描的成像方式成像区域主要由ATR棱镜的尺寸决定，但大尺寸的ATR棱镜在扫描成像过程中受焦点偏移这一问题影响严重，成像区域远离棱镜中心时分辨率会迅速降低；另一种样品架与ATR棱镜分离的扫描成像方式受限于传统ATR棱镜数值孔径低，导致系统分辨率较低。因此，当前高分辨率与大成像面积无法兼得，现阶段急需一种方法和装置在保证成像质量的前提下能同时大幅提高分辨率和成像面积以满足在体生物组织或其他液体类样本高灵敏度、高分辨率、大区域成像的需求。
发明内容
本发明提供了一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置及方法，本发明实现了高灵敏度、高分辨率、大面积的太赫兹衰减全反射式成像，详见下文描述：
一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置，所述装置包括：
太赫兹辐射源用于产生太赫兹波；
斩波器用于将辐射源发出的太赫兹波转变为适合探测器探测的太赫兹波；
太赫兹波分光镜用于将太赫兹波分成两束，一束作为参考光，另一束作为信号光进行成像检测；
太赫兹波反射镜用于调整光路方向；第一、第二离轴抛物面镜用于太赫兹光束的聚焦和收集；
固浸透镜用于提高系统数值孔径；样品架作为成像窗口，其上、下表面分别与固浸透镜的底面以及样品的待测面紧密贴合；
第一、第二太赫兹探测器用于接收太赫兹波信号；
计算机用于控制样品架移动，采集太赫兹探测器接收的信号及数据的分析处理。
在一种实施方式中，所述太赫兹辐射源为连续或脉冲太赫兹辐射源。所述第一离轴抛物面镜用于将入射太赫兹波聚焦到二维扫描样品架底面；第二离轴抛物面镜用于收集从固浸透镜出射的太赫兹波并将其转变为平行光束。
优选地，所述固浸透镜形状为超半球形，尺寸需满足h+d＝r/n，n为材料折射率，r为超半球透镜的球半径，h为超半球固浸ATR透镜球心到样品架上表面的距离，d为样品架厚度。
在一种实施方式中，所述样品架材料与固浸透镜一致且成像过程中与固浸透镜底面紧密贴合。所述第一、第二太赫兹探测器为具有相同频率响应特性的探测器。
第二方面，一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的方法，所述方法包括以下步骤：
待测样品与样品架底面紧密贴合，计算机控制样品架在水平面x、y方向上以一定步长进行扫描，扫描过程中太赫兹聚焦光斑的空间位置不变；
通过二维移动样品架将样品不同位置移至太赫兹波聚焦光斑处，获得样品不同位置的信息；
计算机同时采集第一、第二太赫兹探测器的信号，采用信号光与参考光相除的方式减小辐射源功率波动带来的影响以提高成像系统的信噪比，以样品与背景数据相除得出的相对强度作为各点数据做出ATR图像。
其中，所述方法通过待测样品移动的方式完成整个扫描成像过程，解决了传统ATR成像装置因焦点偏移导致分辨率退化的问题，实现了大面积成像时图像任意位置分辨率保持一致。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明的图像不同像素点之间的信号强度差异全部来自于样品-样品架界面处的ATR效应，干扰因素少，灵敏度高；
2、通过固体浸没透镜技术大幅提高成像系统的数值孔径，以实现成像分辨率的显著提升；
3、本发明在扫描过程中的成像光路、超半球形固体浸没ATR透镜和聚焦光斑位置始终不变，解决了ATR棱镜移动扫描过程中因焦点偏移导致的图像分辨率退化这一问题，以实现大面积样品的扫描成像。
本发明最终实现了高灵敏度、高分辨率、大面积的太赫兹衰减全反射式成像检测。
附图说明
图1为基于固浸透镜提高太赫兹衰减全反射成像分辨率及成像面积的装置的结构示意图；
其中，
1：太赫兹辐射源； 2：斩波器；
3：太赫兹波分光镜； 4：第一太赫兹探测器；
5：第一太赫兹波反射镜； 6：第一离轴抛物面镜；
7：超半球形固体浸没ATR透镜； 8：样品架；
9：待测样品； 10：第二离轴抛物面镜；
11：第二太赫兹波反射镜； 12：第二太赫兹探测器；
13：计算机。
图2为超半球形固体浸没ATR透镜技术提高成像分辨率的原理图；
其中，
实线代表实际光路，虚线代表未加入超半球形固体浸没ATR透镜情况下的聚焦光路；
A：未加入超半球形固体浸没ATR透镜时聚焦光路与超半球形固体浸没ATR透镜左边缘的切点；
B：未加入超半球形固体浸没ATR透镜时聚焦光路与超半球形固体浸没ATR透镜右边缘的切点；
O：超半球形固体浸没ATR透镜球心；
Q：未加入超半球形固体浸没ATR透镜的光路焦点；
P：加入超半球形固体浸没ATR透镜后的光路焦点；
i：未加入超半球形固体浸没ATR透镜的太赫兹波入射角；
i'：加入超半球形固体浸没ATR透镜后的太赫兹波入射角；
U：未加入超半球形固体浸没ATR透镜的太赫兹波孔径角；
U'：加入超半球形固体浸没ATR透镜后的太赫兹波孔径角；
r：超半球形固体浸没ATR透镜的球半径；
h：超半球形固体浸没ATR透镜球心到样品架上表面的距离；
d：样品架厚度。
图3为基于超半球形固体浸没ATR透镜的有效数值孔径放大倍数NAeff随入射角i的变化图；
其中，
NAeff：有效数值孔径放大倍数，NAeff＝nsin(U'/2)/nairsin(U/2)；
nair：空气折射率；
n：超半球形固体浸没ATR透镜及样品架的折射率。
图4为二维扫描样品架-超半球形固体浸没ATR透镜分离结构示意图。
其中，
n1：超半球透镜及样品架折射率；
n2：空气折射率。
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
本发明实施例的具体实施方式体现在一种如图1所示的一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置中，该装置包括：太赫兹辐射源1；斩波器2；太赫兹波分光镜3；第一太赫兹探测器4；第一太赫兹波反射镜5；第一离轴抛物面镜6；超半球形固体浸没ATR透镜7；样品架8；待测样品9；第二离轴抛物面镜10；第二太赫兹波反射镜11；第二太赫兹探测器12；计算机13。
太赫兹辐射源1发射的连续太赫兹波经斩波器2变换为正弦波入射到太赫兹波分光镜3并被分为两束：其中一束为反射光被第一太赫兹探测器4直接收集，作为成像系统的参考信号；另一束为透射光作为探测样品信息的信号光依次经过第一太赫兹波反射镜5、第一离轴抛物面镜6、超半球形固体浸没ATR透镜7、样品架8并在样品架-样品界面处发生全反射后从超半球形固体浸没ATR透镜7出射，经第二离轴抛物面镜10、第二太赫兹波反射镜11后被第二太赫兹探测器12接收。第一太赫兹探测器4和第二太赫兹探测器12收集的信号经模/数转换后被计算机13采集并存储，之后计算机13将不同扫描位置的太赫兹样品信号和参考信号进行处理，得到两路太赫兹波的相对强度信息，数据可视化处理后获得样品待测面的太赫兹图像。
其中，样品架8作为成像窗口其上、下表面分别与超半球形固体浸没ATR透镜7的底面以及待测样品9的待测面紧密贴合。第一太赫兹波反射镜5和第二太赫兹波反射镜11仅用于调整光路方向使系统便于搭建和使用，可以用其他等效器件代替。第一离轴抛物面镜6和第二离轴抛物面镜10的焦距和离轴角相同，表面镀金提高反射率以降低信号光的损耗，离轴角的选取与实际应用中入射角i的大小及第一、第二太赫兹波反射镜5、11的角度有关。
对于超半球形固体浸没ATR透镜7和样品架8，应选取太赫兹波段的高折射率低吸收材料，如硅或锗，其细节参见图2，其中U为入射光束孔径角，由太赫兹波入射到离轴抛物面镜表面的光斑直径和离轴抛物面镜焦距决定；i为入射角；i'和U'分别为样品架8中入射样品光束的入射角和孔径角，其中i'须满足全反射条件。如果不加入超半球形固体浸没ATR透镜7，入射光束焦点位于Q点；加入超半球形固体浸没ATR透镜7后，入射光束汇聚于位于样品架8下表面的P点，有效数值孔径放大倍数增大n2倍以上，从而减小聚集光斑，提高空间分辨力。需注意的是，超半球形固体浸没ATR透镜7的尺寸与样品架8的厚度需满足h+d＝r/n，此时焦点位于样品架8的下表面，且不会引起球差，保证成像质量，其中，h为超半球形固体浸没ATR透镜球心到样品架上表面的距离，d为样品架厚度，r为超半球形固体浸没ATR透镜的球半径，n为超半球形固体浸没ATR透镜及样品架的折射率。
实施例2
一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的方法，参见图1-图4，该方法包括以下步骤：
101：通过二维移动样品架8将待测样品9从不同位置移至太赫兹波聚焦光斑处，从而获得待测样品9不同位置的信息；
102：计算机13同时采集第一、第二太赫兹探测器的信号，采用信号光与参考光相除的方式减小辐射源功率波动带来的影响以提高成像系统的信噪比，以待测样品9与背景数据相除得出的相对强度作为各点数据，进而做出ATR图像。
其中，上述步骤101具体为：
计算机13控制样品架8在水平面x、y方向上以一定步长进行扫描(扫描步长可根据实际要求进行调节)，待测样品9与样品架8的底面紧密贴合并同步移动，移动过程中聚焦光斑空间位置不变，通过二维移动样品架8将待测样品9从不同位置移至太赫兹波聚焦光斑处，从而获得待测样品9在不同位置的信息。计算机13同时采集第一、第二太赫兹探测器(4,12)的信号，采用信号光与参考光相除的方式减小辐射源功率波动带来的影响以提高成像系统的信噪比，以待测样品9与背景数据相除得出的相对强度作为各点数据做出ATR图像。通过待测样品9移动的方式完成整个扫描成像过程，该方法解决了传统ATR成像装置因焦点偏移导致分辨率退化这一问题，实现了大面积成像时图像任意位置分辨率都保持一致。
实施例3
下面结合具体的实例对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：
当超半球形固体浸没ATR透镜7采用高阻硅材料时，待测样品9以纯水为例，其在频率为2.52THz范围内的全反射临界角为36.82°，当入射光束孔径角U为2.86°和5.72°时(分别对应离轴抛物面镜焦距为200mm和100mm，光斑直径为10mm)，有效数值孔径放大倍数NAeff随入射角i的变化如图3所示。从图3中可知，随着入射角i的增大，成像方式由反射变为衰减全反射(全反射临界角在两种情况下分别对应i1＝11.52°，i2＝12.95°)，有效数值孔径放大倍数不断增大，系统的成像分辨率相应提高。当入射角i增大到一定值(i+U/2≥∠AQO)时，聚焦光束会偏离到超半球形固体浸没ATR透镜7的外部，无法进行成像实验。
对于尺寸满足h+d＝r/n的超半球形固体浸没ATR透镜-样品架结构，齐明点位于图2中的P点，当聚焦光斑偏离该点时，聚焦效果会受到严重影响。因此，本发明实施例采用样品架8-超半球形固体浸没ATR透镜7分离的结构，如图4所示。
实验中，通过施加外加压力将待测样品9与样品架8底面紧密贴合，待测样品9与样品架8作为整体共同置于二维扫描平台上，通过扫描平台的二维扫描即可实现待测样品9的高分辨率成像。由于样品架8的上表面和超半球形固体浸没ATR透镜7的底面并不是绝对光滑的，因此，它们之间会存在一个微小的空气隙，通过施加外力，倏逝波电场可在界面处发生受抑全反射使大部分倏逝波透过空气隙进入样品架8，入射波在样品架8中传播至其下表面时，会在待测样品9-样品架8的界面处发生全反射。该实施例实现了高分辨率、大成像面积的衰减全反射式成像。
综上，本发明实施例提供一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置及方法，在利用本发明进行太赫兹ATR成像过程中，不同像素点间的太赫兹波强度差异完全是由样品架8的底面和样品待测面之间的ATR效应产生，保证了成像灵敏度；通过超半球形固体浸没ATR透镜7代替传统ATR棱镜的方式大幅提高了成像分辨率；基于光学隧道效应设计适用于生物样品在体扫描成像的二维扫描样品架-超半球形固体浸没ATR透镜7分离结构，解决了ATR成像装置中的分辨率退化问题，大面积成像时图像各点分辨率相同；上述三点保证了本装置能进行高灵敏度、高分辨率、大面积的太赫兹衰减全反射式成像检测。此外，成像过程中太赫兹波的入射点、聚焦光斑、出射点与超半球形固体浸没ATR透镜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。
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 (8)
1.一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置，其特征在于，所述装置包括：
太赫兹辐射源用于产生太赫兹波；
斩波器用于将辐射源发出的太赫兹波转变为适合探测器探测的太赫兹波；
太赫兹波分光镜用于将太赫兹波分成两束，一束作为参考光，另一束作为信号光进行成像检测；
太赫兹波反射镜用于调整光路方向；第一、第二离轴抛物面镜用于太赫兹光束的聚焦和收集；
固浸透镜用于提高系统数值孔径；样品架作为成像窗口，其上、下表面分别与固浸透镜的底面以及样品的待测面紧密贴合；
第一、第二太赫兹探测器用于接收太赫兹波信号；
计算机用于控制样品架移动，采集太赫兹探测器接收的信号及数据的分析处理。
2.根据权利要求1所述的一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置，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所述的一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置，其特征在于，所述第一离轴抛物面镜用于将入射太赫兹波聚焦到二维扫描样品架底面；第二离轴抛物面镜用于收集从固浸透镜出射的太赫兹波并将其转变为平行光束。
4.根据权利要求1所述的一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置，其特征在于，所述固浸透镜形状为超半球形，尺寸需满足h+d＝r/n，n为材料折射率，r为超半球透镜的球半径，h为超半球固浸ATR透镜球心到样品架上表面的距离，d为样品架厚度。
5.根据权利要求4所述的一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置，其特征在于，所述样品架材料与固浸透镜一致且成像过程中与固浸透镜底面紧密贴合。
6.根据权利要求1所述的一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的装置，其特征在于，所述第一、第二太赫兹探测器为具有相同频率响应特性的探测器。
7.一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
待测样品与样品架底面紧密贴合，计算机控制样品架在水平面x、y方向上以一定步长进行扫描，扫描过程中太赫兹波聚焦光斑的空间位置不变；
通过二维移动样品架将样品不同位置移至太赫兹波聚焦光斑处，获得样品不同位置的信息；
计算机同时采集第一、第二太赫兹探测器的信号，采用信号光与参考光相除的方式减小辐射源功率波动带来的影响以提高成像系统的信噪比，以样品与背景数据相除得出的相对强度作为各点数据做出ATR图像。
8.根据权利要求7所述的一种提高THz-ATR成像分辨率及性能的方法，其特征在于，所述方法通过待测样品移动的方式完成整个扫描成像过程，解决了传统ATR成像装置因焦点偏移导致分辨率退化的问题，实现了大面积成像时图像任意位置分辨率保持一致。
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