CN116380799A - 应用于太赫兹信号的光斑成像装置及光斑成像方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种应用于太赫兹信号的光斑成像装置及光斑成像方法，装置包括：太赫兹信号发射模块，用于产生并准直扩束太赫兹信号；分束模块，用于接收并分束太赫兹信号得到并输出探测信号；阶梯形标准具反射模块包括阶梯形标准具，阶梯形标准具包括n级阶梯，阶梯形标准具用于接收探测信号，以预设角度步长绕旋转轴进行转动，以便在不同角度处反射探测信号，得到n个反射的探测信号，n个反射的探测信号返回分束模块，得到并输出n个反射信号；反射信号表征n级阶梯对应的n个时域峰值的强度；太赫兹信号接收模块，用于会聚并处理n个反射信号，得到太赫兹信号的光斑能量强度分布图像。

Description

应用于太赫兹信号的光斑成像装置及光斑成像方法
技术领域
本公开涉及激光光斑测量仪器技术领域，尤其涉及一种应用于太赫兹信号的光斑成像装置及光斑成像方法。
背景技术
太赫兹频段为毫米波到红外波之间的过渡频段，覆盖一个较大的带宽范围，不同于其他电磁辐射波束，太赫兹波束兼具电子学和光学的特性，这使得太赫兹波束在医学、军事、通信、光谱学、安检质检等领域具有广泛应用前景。在相关应用中，太赫兹脉冲对应的时域太赫兹信号可以通过太赫兹时域光谱(THz-Time Domain Spectroscopy，THz-TDS)系统进行测量，基于对THz–TDS的分析可以实现测量太赫兹波束的光束质量和传输规律。
在实现本公开发明构思的过程中，发明人发现相关技术中一般会存在以下问题：从TDS发射的绝对功率非常有限，基于光子或热检测的太赫兹范围内的焦平面阵列灵敏度较差，相关技术中的以及基于二维光电采样方法也较难实现在光学系统之后直接测量大尺寸的准直太赫兹光束；针对THz–TDS的现有成像装置获取的太赫兹波束成像分辨率较低，或者调节成像装置过程较复杂，且容易产生误差。
发明内容
有鉴于此，本公开提供了一种应用于太赫兹信号的光斑成像装置及光斑成像方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题。
本公开的一个方面，提供了一种应用于太赫兹信号的光斑成像装置。应用于太赫兹信号的光斑成像装置包括：太赫兹信号发射模块，用于产生并准直扩束上述太赫兹信号；分束模块，用于接收并分束上述太赫兹信号，得到并输出探测信号；阶梯形标准具反射模块，上述阶梯形标准具反射模块包括阶梯形标准具，上述阶梯形标准具包括n级阶梯，上述阶梯形标准具用于接收上述探测信号，以预设角度步长绕旋转轴进行转动，以便在不同角度处反射上述探测信号，得到n个反射的探测信号，上述旋转轴的方向与上述探测信号传播方向平行，上述旋转轴穿过上述阶梯形标准具对称中心，上述n个反射的探测信号返回上述分束模块，上述分束模块根据返回的上述n个反射的探测信号得到并输出n个反射信号；其中，n为正整数，上述预设角度为180°整除n得到的，每一上述反射信号表征n级阶梯对应的n个时域峰值的强度；太赫兹信号接收模块，用于会聚并处理n个上述反射信号，得到上述太赫兹信号的光斑能量强度分布图像，上述光斑能量强度分布图像为n×n大小的像素点阵，上述像素点阵为根据上述阶梯形标准具得到的，上述像素点阵能量强度为根据n个上述反射信号得到的。
根据本公开的实施例，上述阶梯包括反射面，上述反射面所在的平面垂直于上述转轴旋所在平面，上述反射面用于反射上述探测信号；在上述阶梯形标准具位于初始位置的情况下，获取上述n个反射面长度方向上对应的中心线，得到n条水平线；在上述阶梯形标准具转动到与上述初始位置垂直的情况下，获取上述n个反射面长度方向上对应的中心线，得到n条垂直线；根据上述n条水平线和上述n条垂直线得到的n×n个交点；以上述n×n个交点为像素点中心，上述反射面宽度为像素点边长，构建上述n×n大小的像素点阵。
根据本公开的实施例，上述太赫兹信号发射模块包括：发射端光电导天线和发射端离轴抛面镜；上述发射端光电导天线端口设置于上述发射端离轴抛面镜的焦点位置，用于产生上述太赫兹信号；上述发射端离轴抛面镜，用于对上述太赫兹信号进行准直和扩束操作，并输出上述太赫兹信号。
根据本公开的实施例，上述分束模块包括：金属线栅波束分束器和太赫兹1/4波片；上述金属线栅波束分束器设置于上述太赫兹信号所在的光路上，用于通过与上述金属线栅波束分束器偏振方向一致的上述太赫兹信号；上述太赫兹1/4波片设置于上述金属线栅波束分束器后的上述太赫兹信号所在的光路上，用于产生相位延迟，根据与上述金属线栅波束分束器偏振方向一致的上述太赫兹信号，得到上述探测信号，上述探测信号为圆偏光，上述太赫兹1/4波片还用于处理上述反射的探测信号，使上述反射的探测信号产生相位延迟，得到上述反射信号，上述反射信号偏振方向与上述金属线栅波束分束器偏振方向相互垂直，上述反射信号通过上述金属线栅波束分束器反射到上述太赫兹信号接收模块。
根据本公开的实施例，上述分束模块包括：高阻硅透镜；上述高阻硅透镜设置于上述太赫兹信号所在的光路上，使上述高阻硅透镜截面对称轴与太赫兹信号传播方向呈45°，用于对上述太赫兹信号进行分光，上述分光的透射反射比为1：1，输出透射出上述高阻硅透镜的沿上述太赫兹信号传播方向传播的上述探测信号，还用于对上述反射的探测信号进行分光，输出反射出上述高阻硅透镜的垂直于上述反射的探测信号传播方向传播的上述反射信号。
根据本公开的实施例，上述太赫兹信号接收模块包括：接收端离轴抛面镜、接收端光电导天线和光斑成像单元；上述接收端离轴抛面镜，用于依次会聚n个上述反射信号；上述接收端光电导天线端口设置于上述接收端离轴抛面镜的焦点位置，用于接收并向上述光斑成像单元发送n个会聚的反射信号；上述光斑成像单元，用于根据上述n个会聚的反射信号，分别得到n个时域信号，上述每个时域信号均包括n级阶梯对应的n个时域峰值的强度，还用于根据n个上述时域信号和上述像素点阵，求解得到上述像素点阵中n×n像素点对应的能量强度，根据上述能量强度得到上述光斑能量强度分布图像。
根据本公开的实施例，上述阶梯形标准具反射模块还包括：电控旋转镜架；上述电控旋转镜架，用于带动上述阶梯形标准具沿上述旋转轴旋转，以便上述阶梯形标准具反射模块在得到上述太赫兹信号的光斑能量强度分布图像的过程中不中断地得到上述n个反射的探测信号。
本公开的另一个方面，提供了一种应用于太赫兹信号的光斑成像方法，该光斑成像方法包括：利用太赫兹信号发射模块，产生并准直扩束上述太赫兹信号；利用分束模块，接收并分束上述太赫兹信号，得到并输出探测信号；利用阶梯形标准具反射模块，上述阶梯形标准具反射模块包括阶梯形标准具，上述阶梯形标准具包括n级阶梯，上述阶梯形标准具接收上述探测信号，以预设角度步长绕旋转轴进行转动，以便在不同角度处反射上述探测信号，得到n个反射的探测信号，上述旋转轴的方向与上述探测信号传播方向平行，上述旋转轴穿过上述阶梯形标准具对称中心，上述n个反射的探测信号返回上述分束模块，以便利用上述分束模块根据返回的上述n个反射的探测信号得到并输出n个反射信号；其中，n为正整数，上述预设角度为180°整除n得到的，每一上述反射信号表征n级阶梯对应的n个时域峰值的强度；利用太赫兹信号接收模块，会聚并处理n个上述反射信号，得到上述太赫兹信号的光斑能量强度分布图像，上述光斑能量强度分布图像为n×n大小的像素点阵，上述像素点阵为根据上述阶梯形标准具得到的，上述像素点阵能量强度为根据n个上述反射信号得到的。
根据本公开的实施例，上述太赫兹信号接收模块包括：接收端离轴抛面镜、接收端光电导天线和光斑成像单元；上述利用太赫兹信号接收模块，会聚并处理n个上述反射信号，得到上述太赫兹信号的光斑能量强度分布图像包括：利用上述接收端离轴抛面镜，依次会聚n个上述反射信号；利用上述接收端光电导天线端口设置于上述接收端离轴抛面镜的焦点位置，接收并向上述光斑成像单元发送n个会聚的反射信号；利用上述光斑成像单元，利用旋转扫描时空映射算法，根据上述n个会聚的反射信号，分别得到n个时域信号，上述时域信号包括n级阶梯对应的n个时域峰值的强度，还根据n个上述时域信号和上述像素点阵，求解得到上述像素点阵中n×n像素点对应的能量强度，根据上述能量强度得到上述光斑能量强度分布图像。
根据本公开的实施例，上述利用上述光斑成像单元，利用旋转扫描时空映射算法，根据上述n个会聚的反射信号，分别得到n个时域信号，上述时域信号包括n级阶梯对应的n个时域峰值的强度，还根据n个上述时域信号和上述像素点阵，求解得到上述像素点阵中n×n像素点对应的能量强度，根据上述能量强度得到上述光斑能量强度分布图像表示为如下公式：
a11x11+a12x12+a13x13+...+annxnn＝e11
a11x11+a12x12+a13x13+...+annxnn＝e12
…
a11x11+a12x12+a13x13+...+annxnn＝enn
Figure BDA0004203459770000051
其中，a11…ann为像素点x11..xnn对应的系数，在上述像素点参与时域峰值的强度计算的情况下，上述像素点对应的系数为1，否则为0；e11…enn为根据第1到n个反射的探测信号得到的第1到第n个反射面的时域峰值的强度，其中第一个下标表征第几个反射的探测信号，第二个下标表征第几个反射面；
Figure BDA0004203459770000052
为系数矩阵；/>
Figure BDA0004203459770000053
为待求解像素点向量；/>
Figure BDA0004203459770000054
为强度值向量。
基于上述技术方案可以看出，本公开的实施例相对于现有技术具有如下有益效果：
通过应用于太赫兹信号的光斑成像装置，通过太赫兹信号准直扩束模块、偏振分束模块和阶梯形标准具反射模块对太赫兹信号进行处理，并通过信号处理及光斑成像模块处理工具不同角度处得到的反射探测信号得到的n个反射信号进行处理，得到太赫兹信号的光斑能量强度分布图像。光斑成像装置结构简单且各个模块位置固定后不需要人工频繁操作，得到太赫兹信号的光斑能量强度分布图像的自动化程度高，减少了测量繁琐程度，提高了测量和数据处理速度。且太赫兹信号光斑能量强度二维空间分布图像是根据n个反射信号反演得到的，误差较小，可以较为真实地还原实际光斑强度分布情况。可以通过调节光斑成像装置的结构参数，调节光斑强度分布图像的像素分辨率值和大小值，进一步解决了应用于TDS测量的情况下，弱信号的太赫兹波段光斑难测量的问题。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开一实施例的应用于太赫兹信号的光斑成像装置框架示意图。
图2示意性示出了根据本公开另一实施例的应用于太赫兹信号的光斑成像装置框架示意图。
图3示意性示出了根据本公开实施例的阶梯形标准具的结构示意图。
图4示意性示出了根据本公开实施例的应用于太赫兹信号的光斑成像方法流程示意图。
图5示意性示出了根据本公开实施例的光斑成像方法中阶梯形标准具的角度与对应获取反射信号和能量分布的示意图。
图6示意性示出了根据本公开实施例的光斑成像方法中与阶梯形标准具对应的时域信号的示意图。
图7a示意性示出了根据本公开实施例的太赫兹信号的原始光斑能量强度分布图像的示意图。
图7b示意性示出了根据本公开实施例的使用光斑成像方法得到的太赫兹信号的复原光斑能量强度分布图像的示意图。
1-发射端光电导天线；
2-发射端离轴抛面镜；
3-金属线栅波束分束器；
4-太赫兹1/4波片；
5-阶梯形标准具；
6-电控旋转镜架；
7-接收端离轴抛面镜；
8-接收端光电导天线；
9-光斑成像单元。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术存在如下问题。
太赫兹光斑测量的相关技术中，可以借鉴激光光斑测量的方法，通过二维阵列成像法、刀口法、套孔法和光纤扫描法等方法对太赫兹波束进行处理，得到太赫兹波的光斑能量强度分布图像。
由于太赫兹源输出功率较激光弱，且基于太赫兹频段的阵列成像技术以及器件有待发展，通过二维阵列成像法较难直接实现成像测量，即使通过二维阵列成像法得到太赫兹波的光斑能量强度分布图像，其成像分辨率较低且成像光斑面积较小，无法满足实际需求。
由于刀口法和套孔法的测量仪器和方法步骤的限制，其得到的光斑能量强度分布图像分辨率较低，且成像的过程中实现需要人工操作对仪器进行调节，可能导致存在测量误差、调节也较为繁琐。
以及，光纤扫描法无法适用于太赫兹波段。因此，需要一种应用于太赫兹信号的光斑成像装置和方法，以便在不需要人工操作复杂步骤的情况下，获得高分辨的太赫兹波束的光斑能量强度分布图像。
太赫兹脉冲对应的时域太赫兹信号可以通过太赫兹时域光谱(THz-Time DomainSpectroscopy，THz-TDS)系统产生与探测。
对于时域太赫兹光斑的测量，由于太赫兹信号较为微弱，相关技术中基于电光晶体的电光采样测量方法的测量装置复杂，对于光路结构和数据处理的要求严格，实际使用中操作复杂步骤，较难保证太赫兹信号的光斑能量强度分布图像的质量。
TDS可以同时获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信息，皮秒级的太赫兹波形可以通过飞秒激光脉冲在时域采样，获取包括具有完整的幅度和相位的信息，然后通过对时域太赫兹信号进行傅立叶变换获得宽带光谱，可以得到时域太赫兹信号对应的的吸收系数和折射率等光学参数。针对较短的太赫兹脉冲持续时间，可以基于飞行时间(Time OfFlight，TOF)检测获得高范围分辨率，通过测量发射或透射后的时域太赫兹信号，可以将特征峰的时间差通过反演得到空间上的距离差，即可以通过对时域太赫兹信号对应得到的时域像进行转换分析，得到太赫兹信号对应的空间距离像，以获取反射几何中物体内部的空间结构信息，从而实现层析成像。从TDS发射的绝对功率非常有限，基于光子或热检测的太赫兹范围内的焦平面阵列灵敏度较差；除了传统方法外，二维电光采样(Two DimensionalElectro-Optic sampling，2D-EO)是一种有效的方法，可以实现实时太赫兹成像。相关技术中还提出了一种使用双阶梯光学器件的单次测量2D-EO成像方法，通过将探测激光脉冲分成顺序延迟的子束，并在时域中获得空间成像。但是在相关技术中，成像方法需要相对较强的太赫兹和探测脉冲以及高性能的CCD(Charge coupled Device，电荷耦合元件)相机来记录由Pockels效应的太赫兹场调制的弱激光脉冲。相关技术中的以及基于二维光电采样方法也较难实现在光学系统之后直接测量大尺寸的准直太赫兹光束；针对THz–TDS的现有成像装置获取的太赫兹波束成像分辨率较低，或者调节成像装置过程较复杂，且容易产生误差。
为了至少部分地解决相关技术中存在的技术问题，本公开一方面提供了一种应用于太赫兹信号的光斑成像装置。
图1示意性示出了根据本公开实施例的应用于太赫兹信号的光斑成像装置框架示意图。
如图1所示，应用于太赫兹信号的光斑成像装置100可以包括：太赫兹信号发射模块110、分束模块120、阶梯形标准具反射模块130和太赫兹信号接收模块140。
太赫兹信号发射模块110，可以用于产生并准直扩束太赫兹信号。
分束模块120，可以用于接收并分束太赫兹信号，得到并输出探测信号。
阶梯形标准具反射模块130可以包括一个阶梯形标准具5，阶梯形标准具5包括n级阶梯，阶梯形标准具5可以接收探测信号，以预设角度步长绕旋转轴进行转动，以便在不同角度处反射探测信号，得到n个反射的探测信号，旋转轴的方向与探测信号传播方向平行，旋转轴穿过阶梯形标准具对称中心，n个反射的探测信号返回分束模块120，分束模块120根据返回的n个反射的探测信号得到并输出n个反射信号；其中，n为正整数，预设角度为180°整除n得到的，每一反射信号表征n级阶梯对应的n个时域峰值的强度。
太赫兹信号接收模块140，可以用于会聚并处理n个反射信号，得到太赫兹信号的光斑能量强度分布图像，光斑能量强度分布图像为n×n大小的像素点阵，像素点阵为根据阶梯形标准具得到的，像素点阵能量强度为根据n个反射信号得到的。
根据本公开实施例，太赫兹信号发射模块110可以对直径较小的太赫兹信号进行准直和扩束，得到直径可调的太赫兹信号，以便太赫兹信号在后续传输到阶梯形标准具反射模块130的情况下，太赫兹信号的直径可以与阶梯形标准具的尺寸匹配。太赫兹信号发射模块110可以为基于光学元件构建的模块，通过调节太赫兹信号发射模块110中的元件参数实现太赫兹信号尺寸的调节。
根据本公开实施例，阶梯形标准具反射模块130可以通过阶梯形标准具5反射探测信号，在实现探测信号光路方向反向的情况下并不改变探测信号的光学性质。
根据本公开实施例，分束模块120在太赫兹信号经过分束模块120到阶梯形标准具反射模块130的情况下处理一次，还在阶梯形标准具反射模块130返回n个反射的探测信号时依次对n个反射的探测信号再一次处理，以便n个反射的探测信号的不再沿探测信号光路传播，而使得n个反射的探测信号转向太赫兹信号接收模块140。
根据本公开实施例，阶梯形标准具反射模块130在反射一个探测信号时，阶梯形标准具反射模块130的n级阶梯之间存在高度差，可以使一个探测信号在阶梯形标准具5的不同位置存在不同的强度空间分布，进而使得太赫兹信号接收模块140可以接收到每个阶梯反射的n级阶梯对应的n个时域峰值的强度。
根据本公开实施例，太赫兹信号接收模块140可以到接收n个反射信号，其中，每一反射信号内可以包括由阶梯形标准具反射模块130的n级阶梯的反射导致的n个时域峰值的强度。基于探测得到的时域峰值的强度和n×n大小的像素点阵建立方程组，可以设置n×n个像素块各自的强度为未知量，则需要有n×n个时域峰值的强度，对应求解可以得到n×n个像素块各自的强度，进而得到太赫兹信号的光斑能量强度分布图像。
根据本公开实施例，由于太赫兹波信号微弱且不可见，在调制应用于太赫兹信号的光斑成像装置100中，各个模块间不需要进行复杂的人工调节和匹配，可以降低人工误差对太赫兹波信号的影响。此外，可以通过选择光学元件材料实现降低太赫兹信号发射模块110、阶梯形标准具反射模块130和0在传输、调制和接收太赫兹相关信号时的传输损耗，分束模块120仅改变太赫兹信号的偏振状态，光斑成像装置100对太赫兹光斑的形状、大小和强度分布等信息不造成较大改变，以便在得到太赫兹波的光斑能量强度分布图像可以较真实反映太赫兹波的信息。
根据本公开实施例，通过应用于太赫兹信号的光斑成像装置，通过太赫兹信号发射模块110、分束模块120和阶梯形标准具反射模块对太赫兹波束进行处理，并通过太赫兹信号接收模块140处理工具不同角度处得到的反射探测信号得到的n个反射信号进行处理，得到太赫兹波的光斑能量强度分布图像。光斑成像装置结构简单且各个模块位置固定后不需要人工频繁操作，得到太赫兹波的光斑能量强度分布图像的自动化程度高，减少了测量繁琐程度，提高了测量和数据处理速度。且太赫兹波束光斑能量强度二维空间分布图像是工具n个反射信号反演得到的，误差较小，可以较为真实地还原实际光斑强度分布情况。可以通过调节光斑成像装置的结构参数，调节光斑强度分布图像的像素分辨率值和大小值，进一步解决了应用于TDS测量的情况下，弱信号的太赫兹波段光斑难测量的问题。
以下将基于图1描述的装置，通过图2～图3对实施例的应用于太赫兹信号的光斑成像装置进行详细描述。
图2示意性示出了根据本公开另一实施例的应用于太赫兹信号的光斑成像装置框架示意图。
如图2所示，应用于太赫兹信号的光斑成像装置100可以包括：发射端光电导天线1、发射端离轴抛面镜2、金属线栅波束分束器3、太赫兹1/4波片4、阶梯形标准具5、电控旋转镜架6、接收端离轴抛面镜7、接收端光电导天线8和光斑成像单元9。
根据本公开实施例，太赫兹信号发射模块110可以包括：发射端光电导天线1和发射端离轴抛面镜2。
发射端光电导天线1的端口设置于发射端离轴抛面镜2的焦点位置，用于传输太赫兹波。
发射端离轴抛面镜2，用于接收太赫兹信号并对太赫兹信号进行准直和扩束操作，得到并输出太赫兹信号。
根据本公开实施例，可以通过设置发射端光电导天线1的直径，控制太赫兹信号的初始直径，发射端光电导天线1可以是光电导天线，通过发射端光电导天线1出射的太赫兹信号的光波横切面的强度随径向距离可以呈现为高斯分布。发射端光电导天线1出射的太赫兹信号具有一定发散角，因此，可以结合发射端离轴抛面镜2对太赫兹信号进行准直，以便后续计算。但不限于此，本领域技术人员可以基于实际需求选择传输线，实现在保持传输和接口损失较小的情况下向发射端离轴抛面镜2发送太赫兹信号，本公开实施例，在此不做限定。
根据本公开实施例，可以通过发射端离轴抛面镜2对太赫兹信号进行准直和扩束操作，得到并向分束模块120输出太赫兹信号。太赫兹信号可以是平行光，且太赫兹信号为线偏振光。可以通过设置发射端离轴抛面镜2的参数，调节太赫兹信号的直径。但不限于此，本领域技术人员可以基于实际需求选择扩束及准直装置，实现在不产生反射损耗的情况下向分束模块120输出具有符合实际需求的平行度的太赫兹信号，本公开实施例，在此不做限定。
根据本公开实施例，分束模块120可以包括：金属线栅波束分束器3和太赫兹1/4波片4。
金属线栅波束分束器设置于太赫兹信号所在的光路上，用于通过与金属线栅波束分束器偏振方向一致的太赫兹信号；
太赫兹1/4波片4设置于金属线栅波束分束器3后的太赫兹信号所在的光路上，太赫兹1/4波片4可以用于产生相位延迟，根据与金属线栅波束分束器3偏振方向一致的太赫兹信号，得到探测信号，探测信号为圆偏光，太赫兹1/4波片还用于处理反射的探测信号，使反射的探测信号产生相位延迟，得到反射信号，反射信号偏振方向与金属线栅波束分束器偏振方向相互垂直，反射信号通过金属线栅波束分束器反射到太赫兹信号接收模块。
根据本公开实施例，在设置金属线栅波束分束器3时，可以根据太赫兹信号所在光路方向，使太赫兹信号穿过金属线栅波束分束器3的几何中心，且在摆放金属线栅波束分束器3时，保证金属线栅波束分束器3的偏振方向与太赫兹信号的偏振方向一致，即可以使金属线栅波束分束器3所在平面与太赫兹信号入射面呈45°，使得太赫兹信号偏振方向与金属线栅波束分束器3的金属线栅条纹方向重合，以便太赫兹信号从金属线栅波束分束器3透射，到达太赫兹1/4波片4。
根据本公开实施例，可以设置太赫兹1/4波片4在太赫兹信号所在的光路上，且太赫兹信号穿过太赫兹1/4波片4的几何中心。
根据本公开实施例，太赫兹1/4波片4可以为基于石英材质的波片构成的，还可以为基于高密度聚四氟乙烯材质的菲涅尔棱镜构成的。太赫兹1/4波片4可以将入射的太赫兹信号的线偏振状态的两正交分量之间引入90°相位差，从而将线偏振光转变为圆偏振光。同理，在圆偏振光再次通过太赫兹1/4波片4时，其可以由圆偏振光转变为线偏振光，只是该二次调制的线偏振光的偏振方向与未经调制的线偏振光的偏振方向正交。
根据本公开实施例，太赫兹1/4波片4可与按偏振分光的金属线栅波束分束器3配合，可实现分束模块120对太赫兹信号能量几乎无损耗的单站反射。
根据本公开实施例，分束模块120可以包括：高阻硅透镜。
高阻硅透镜设置于太赫兹信号所在的光路上，用于对太赫兹信号进行分光，输出沿太赫兹信号传播方向传播的探测信号，还用于对反射的探测信号进行分光，输出垂直于反射的探测信号传播方向传播的反射信号。
根据本公开实施例，可以设置高阻硅透镜在太赫兹信号所在的光路上，高阻硅透镜为两侧都为平面的透镜，可以使高阻硅透镜截面对称轴与太赫兹信号传播方向呈45°，以便高阻硅透镜对太赫兹信号进行分光，得到探测信号。
根据本公开实施例，高阻硅透镜在光斑成像装置100中的作用相当于半透半反镜，对信号进行分光。在太赫兹信号通过高阻硅透镜时，将透射该高阻硅透镜的那一部分太赫兹信号分束光信号作为探测信号进行后续处理，将阶梯形标准具反射模块130设置在透射该高阻硅透镜的那一部分太赫兹信号的分束光信号所在光路上，以便阶梯形标准具反射模块130反射该探测信号。以及，在反射的探测信号回到高阻硅透镜时，将反射出该高阻硅透镜的那一部分反射的探测信号分束光信号作为反射信号，以便太赫兹信号接收模块140根据反射信号得到光斑能量强度分布图像。
根据本公开实施例，高阻硅透镜的透射率和反射率的比例可以通过镀膜的操作进行调整，但是考虑到第一次分束需要的光信号是透射光，而第二次分束需要的光信号是反射光，为了使最后探测到的能量最高，可以选择保持透射率和反射率的比例为1：1。
根据本公开实施例，在选择金属线栅波束分束器3和太赫兹1/4波片4构成分束模块120的情况下，光路中太赫兹信号能量损失较小。根据本公开实施例，在选择高阻硅透镜构成分束模块120的情况下，不需要进行如调节金属线栅波束分束器3和太赫兹1/4波片4位置关系以匹配太赫兹信号的调节操作，装置调节步骤减少、光路结构较简单，高阻硅透镜具有半透半反的光学性质，光信号在光路传输的过程中能量会有一定的损耗，而以及实现缩减光路体积。本领域技术人员可以基于实际需求选择光学元件构成分束模块120，本公开实施例在此不做限定。
根据本公开实施例，阶梯形标准具反射模块130可以包括：阶梯形标准具5。图3示意性示出了根据本公开实施例的阶梯形标准具的结构示意图。
如图3所示，阶梯形标准具5包括n级阶梯，每个阶梯可以包括一反射面，反射面所在的平面垂直于转轴旋所在平面，反射面用于反射探测信号；在阶梯形标准具位于初始位置的情况下，获取n个反射面长度方向上对应的中心线，得到n条水平线；在阶梯形标准具转动到与初始位置垂直的情况下，获取n个反射面长度方向上对应的中心线，得到n条垂直线；根据n条水平线和n条垂直线得到的n×n个交点；以n×n个交点为像素点中心，反射面宽度为像素点边长，构建n×n大小的像素点阵。
根据本公开实施例，可以设置n×n个区域对应的中心为像素点，根据像素点得到n×n大小的像素点阵，以便太赫兹信号接收模块140根据像素点阵和n个反射信号，计算得到像素点阵内像素点对应的能量强度，并根据能量强度得到光斑能量强度分布图像。
根据本公开实施例，阶梯形标准具可以为根据反射式迈克尔逊阶梯光栅得到的。反射式迈克尔逊阶梯光栅是一种闪耀光栅，其形状类似多阶楼梯，在空间上具有两个维度的规律变化。将其放入太赫兹信号坐标系，在沿着波传播方向，光栅以每一级阶梯的宽度阶跃变化，可在TDS系统测量的时域信号中具有时间或距离分辨能力。同时，每一级台阶在垂直于太赫兹信号传播方向上以每一级阶梯的高度阶跃变化，可反映太赫兹光斑不同位置强度的横向空间分布。反射式迈克尔逊阶梯的高度和宽度越小，分辨率越高。因此，基于飞行时间测距原理，制作反射面相互严格平行且光学抛光的阶梯形标准具，可以用于光斑测量，且测量过程简单，自动化程度高，可测光斑范围大，分辨率可灵活调节，能够有效满足目前时域太赫兹信号光斑测量的需求。
根据本公开实施例，阶梯形标准具5的尺寸调节1较为灵活，可以适应不同尺寸的太赫兹信号，避免了相比相关技术中激光光斑测量方法在大光斑和微小光斑测量的局限性，解决了时域太赫兹信号能量微弱，其光斑难以测量的问题。
根据本公开实施例，阶梯形标准具可以采用铝合金材质，每一级的长宽高一致，反射面相互严格平行，且进行了光学抛光，以便减小探测信号的反射损失，以及保持得到的反射探测信号的平行度。
根据本公开实施例，阶梯形标准具反射模块130还可以包括：电控旋转镜架6。电控旋转镜架6，可以带动阶梯形标准具5沿旋转轴旋转，以便阶梯形标准具反射模块在得到太赫兹信号的光斑能量强度分布图像的过程中不中断地得到n个反射的探测信号。
根据本公开实施例，可以通过程序控制电控旋转镜架6在得到太赫兹信号的光斑能量强度分布图像的过程中，不需要经过人工调节，自动地带动阶梯形标准具5以预设角度转完180°。
根据本公开实施例，在阶梯形标准具反射模块130在不同角度处反射探测信号，得到n个反射探测信号的情况下，n个反射探测信号回到分束模块120。在选择金属线栅波束分束器3和太赫兹1/4波片4构成分束模块120的情况下，还可以用于反射经阶梯形标准具反射模块反射的反射探测信号，以便得到并输出反射信号。在选择高阻硅透镜构成分束模块120的情况下，还可以用于反射经阶梯形标准具反射模块反射的反射探测信号，以便得到并输出反射信号。
根据本公开实施例，太赫兹信号接收模块140包括：接收端离轴抛面镜7、接收端光电导天线8和光斑成像单元9。
接收端离轴抛面镜7，用于依次接收并会聚n个反射信号。
接收端光电导天线8的端口设置于接收端离轴抛面镜7的焦点位置，用于接收并向光斑成像单元发送n个会聚的反射信号。
根据本公开实施例，在阶梯形标准具反射模块130的中，接收端离轴抛面镜7和接收端光电导天线8的元件设计可以参照上述太赫兹信号发射模块110中发射端光电导天线1和发射端离轴抛面镜2和说明，在此不再赘述。
根据本公开实施例，光斑成像单元9，用于接收端光电导天线8，根据接收端光电导天线8接收到的n个会聚的反射信号，得到n个时域信号，还用于根据n个时域信号和像素点阵，利用旋转扫描时空映射算法，计算得到像素点阵内像素点对应的能量强度，根据能量强度得到光斑能量强度分布图像。
根据本公开实施例，光斑成像单元9可以包括光电转换子单元和加载有计算程序的计算子单元。通过光电转换子单元根据n个会聚的反射信号，进行信号预处理和光电转换，得到n个时域信号。通过计算子单元根据n个时域信号和像素点阵，得到光斑能量强度分布图像。
根据本公开实施例，光斑成像单元9可以为电脑，其加载有来算法反演和自动控制的程序；光斑成像单元9还可以为加载有来算法反演和自动控制的程序的芯片等硬件元件；光斑成像单元9还可以为包括加载有来算法反演和自动控制的程序的软件的其他设备。本领域技术人员可以基于实际需求进行选择光斑成像单元9的种类，以实现对获取的反射信号的处理，得到光斑能量强度分布图像，本公开实施例在此不做限定。
根据本公开实施例，光斑成像单元9还可以包括加载有控制程序的控制子单元，该控制子单元可以连接电控旋转镜架6，控制电控旋转镜架6带动阶梯形标准具5沿旋转轴旋转。该控制子单元还可以连接发射端光电导天线1，获取太赫兹波束的原始数据。
图4示意性示出了根据本公开实施例的应用于太赫兹波束的光斑成像方法流程示意图。
如图4所示，应用于太赫兹波束的光斑成像方法400，包括操作S410～S440。
在操作S410，利用太赫兹信号发射模块110，产生并准直扩束太赫兹信号。
在操作S420，利用分束模块120，接收并分束太赫兹信号，得到并输出探测信号。
在操作S430，利用阶梯形标准具反射模块130，阶梯形标准具反射模块130包括阶梯形标准具5，阶梯形标准具5包括n级阶梯，阶梯形标准具5接收探测信号，以预设角度步长绕旋转轴进行转动，以便在不同角度处反射探测信号，得到n个反射的探测信号，旋转轴的方向与探测信号传播方向平行，旋转轴穿过阶梯形标准具对称中心，n个反射的探测信号返回分束模块，分束模块120根据返回的n个反射的探测信号得到并输出n个反射信号。
在操作S440，利用太赫兹信号接收模块140，用于会聚并处理n个反射信号，得到太赫兹信号的光斑能量强度分布图像，光斑能量强度分布图像为n×n大小的像素点阵，像素点阵为根据阶梯形标准具得到的，像素点阵能量强度为根据n个反射信号得到的。
根据本公开实施例，应用于太赫兹信号的光斑成像方法400，通过阶梯型标准具5将时域太赫兹信号的时间分布转化为空间强度分布，解决微弱功率的时域太赫兹信号的二维成像难题，能够有效满足目前时域太赫兹信号光斑时域测量的需求。
根据本公开实施例，太赫兹信号接收模块140可以包括：接收端离轴抛面镜、接收端光电导天线和光斑成像单元。在操作S440可以包括：利用接收端离轴抛面镜，依次会聚n个反射信号；利用接收端光电导天线端口设置于接收端离轴抛面镜的焦点位置，接收并向光斑成像单元发送n个会聚的反射信号；利用光斑成像单元，利用旋转扫描时空映射算法，根据n个会聚的反射信号，分别得到n个时域信号，时域信号包括n级阶梯对应的n个时域峰值的强度，还根据n个时域信号和像素点阵，求解得到像素点阵中n×n像素点对应的能量强度，根据能量强度得到光斑能量强度分布图像。
根据本公开实施例，根据图2所示的应用于太赫兹信号的光斑成像装置100，操作S440中利用光斑成像单元，利用旋转扫描时空映射算法，根据n个会聚的反射信号，分别得到n个时域信号，时域信号包括n级阶梯对应的n个时域峰值的强度，还根据n个时域信号和像素点阵，求解得到像素点阵中n×n像素点对应的能量强度，根据能量强度得到光斑能量强度分布图像可以包括：利用光斑成像单元9根据会聚的n个反射信号，得到n个时域信号，以便光斑成像单元9根据像素点和n个时域信号，利用旋转扫描时空映射算法，计算得到像素点对应的能量强度，根据能量强度得到光斑能量强度分布图像；像素点为根据阶梯形标准具5的阶梯划分的区域内的点。
以下将基于图4描述的方法，通过图5～图7b对实施例的应用于太赫兹信号的光斑成像方法进行详细描述。
图5示意性示出了根据本公开实施例的光斑成像方法中阶梯形标准具的角度与对应获取反射信号和能量分布的示意图。
如图5所示，图中左侧一列为在0°处、θ°处和180°处的阶梯形标准具5的反射面。图中中间一列为在0°处、θ°处和180°处的对应得到的反射信号示意图，中间图中横坐标为时间轴，纵坐标为反射信号能量值。图中右侧一列为在0°处、θ°处和180°处的一个反射信号中阶梯形标准具5的n个反射面对应的时域峰值的强度，右侧图中横坐标为第1到第n个阶梯，第1个阶梯为阶梯形标准具5中高度最大的那一级阶梯，纵坐标为对应的时域峰值的强度。
设置0°处为该阶梯形标准具5位于初始位置。还进行如下设置：设置在当前实施例下，阶梯形标准具5沿旋转轴顺时针旋转，以及旋转轴穿过阶梯形标准具对称中心，即在如图5所示阶梯形标准具5的n个反射面对应的整体区域的中心。在0°处，得到阶梯形标准具5的每一阶的长度方向上对应的中心线，即得到n条水平线；以及，在顺时针旋转到90°后，阶梯形标准具5的每一阶的长度方向上对应的中心线，即得到n条垂直线，n条水平线和n条垂直线得到的n×n焦点为如图5所示的x11..xnn，将x11..xnn定义为像素点，像素点为像素点阵的像素块的中点。像素点阵包括n×n个大小相等的像素块，由上述方法得到的像素块为正方形，其边长值为阶梯形标准具5的阶梯宽度值。像素点用xij表示，i和j∈[1，n]；可以设置i为第i行，j为第j列。可以设置像素点的坐标分别为(x，y)，x和y∈[1，n]，设置标准具旋转的中心点坐标为(x0，y0)，x0＝y0＝n/2。
设置以n阶阶梯长度方向上划分的的n+1条棱建立直线族，每个角度下的n+1条直线为一族，斜率相等，相邻两条直线的间距为标准具的阶宽，0°时，直线族的斜率为k0＝0，截距为b0＝b，b∈(0，n)，则阶梯形标准具5在θ角度下的斜率kθ和在θ角度下的bθ截距可以分别由以下公式(1.1)和公式(1.2)表示。
Figure BDA0004203459770000181
Figure BDA0004203459770000182
通过阶梯形标准具5的旋转，得到不同角度下反射信号，进而得到对应的像素点的强度值。像素点的强度值为未知数建立多元一次线性方程组，多元一次线性方程组可以通过以下公式(2.1)～公式(2.n2)表示。以及，公式(2.1)～公式(2.n2)可以转换为公式(2.n2+1)表示的矩阵形式。
a11x11+a12x12+a13x13+...+annxnn＝e11 (2.1)
a11x11+a12x12+a13x13+...+annxnn＝e12 (2.2)
…
a11x11+a12x12+a13x13+...+annxnn＝enn(2.n2)
Figure BDA0004203459770000191
其中，a11…ann为像素点x11..xnn对应的系数；e11…enn为根据第1到n个反射的探测信号得到的第1到第n个反射面的时域峰值的强度，其中第一个下标表征第几个反射的探测信号，第二个下标表征第几个反射面；
Figure BDA0004203459770000192
为系数矩阵；/>
Figure BDA0004203459770000193
为待求解像素点向量；/>
Figure BDA0004203459770000194
为强度值向量。
根据本公开实施例，像素点x11..xnn对应的系数可以进行如下设置。像素点x11..xnn参与时域峰值的强度计算时，像素点对应的系数为1，否则为0。例如，在公式(2.1)的情况下，公式右边为0°处，得到阶梯形标准具5的第一级阶梯的反射面的时域峰值的强度，则对应的，x11..x1n的系数为1，其余不参与的像素点对应的系数为0。又例如，在阶梯形标准具旋转过程中，在保持像素点阵的位置不移动的情况下，阶梯形标准具的反射面相对像素点的位置发生位移。设置在阶梯形标准具旋转过程中，像素点还没有相对移出其属于的那一级阶梯的情况下，该像素点对应的系数为1；在像素点相对移出其属于的那一级阶梯的情况下，像素点对应的系数为0。以如图5所示的θ°处的阶梯形标准具5的反射面为例，在计算θ°处的阶梯形标准具5的第一级阶梯的反射面的时域峰值的强度时，第一级阶梯的的像素点都还没有相对移出其属于的那一级阶梯，则所有像素点对应的系数为1，此时第一级阶梯的最右侧的那一个像素点已经在第一级阶梯的的边缘；由于设置了阶梯形标准具5沿旋转轴顺时针旋转，则再经过一个预设角度，此时第一级阶梯的最右侧的那一个像素点就相对移出了它属于的那一级阶梯，则在计算以如图5所示的θ°再顺时针旋转加上一个预设角度的第一级阶梯的反射面的时域峰值的强度时，最右侧的那一个像素点对应的系数为0。其余情况依此类推，在此不再赘述。
根据本公开实施例，根据不同角度处反射的探测信号对应的反射信号，以便得到时域信号。可以根据时域信号建立n个方程，获取大于等于n个角度的数据建立多元一次线性方程组使得方程组可解，由此可解出每个像素点的强度，进而获得太赫兹光斑的空间强度分布。
根据本公开实施例，可以通过改变阶梯形标准具5的制作精度、尺寸和旋转镜架6的转角步长，实现满足多种多样的测量背景和需求。以及，应用于太赫兹信号的光斑成像装置100还可以通过改变元件参数，拓展到其他波段电磁波的可识别时域信号的系统的光斑成像，例如单光子计数系统等，以实现激光光斑测量。
根据本公开实施例，在构建应用于太赫兹信号的光斑成像装置100时，可以设置如下具体数据。
可以采用AVANTEST公司的太赫兹光电导天线(TAS1230/TAS1110)分别作发射端光电导天线1和接收端光电导天线8，将其分别固定于发射端和探测端的焦距2英寸口径1英寸的离轴抛面镜的焦点位置处，系统光学结构为紧缩场入射。
可以在与发射端离轴抛面镜平行方向的光路上45°放置直径5厘米的金属线栅波束分束器3。在金属线栅波束分束器3厚放置直径2英寸、波长覆盖范围为100μm～717μm的宽带太赫兹1/4波片4。
可以接着垂直于光束光轴放置固定着阶梯形标准具的Sigma电控旋转镜架。包括光电导天线和离轴抛面镜的太赫兹信号接收模块位于金属线栅垂直反射方向。可以设置阶梯形标准具5为铝合金材质的标准具。阶梯形标准具5最高阶对应的高度为5cm，阶梯形标准具的整体长度为5cm，整体宽度为2.5cm，该阶梯形标准具5包括50级阶梯，相邻两级阶梯之间的间隔为0.5mm，阶梯反射面的长度为50mm，宽度为1mm。制作时保证阶梯反射面的平行度和光滑程度。在该具体数字设置下，阶梯形标准具5反射的时域信号中不同台阶反射面的峰值间距可以为3.3ps。
在实际成像的情况下，设置阶梯形标准具5旋转步长为1°光轴为转轴自动步进改变旋转镜架的角度，得到每个角度下的时域信号。以及，在光斑成像单元9中，信号预处理可以包括对进行信号去噪、平滑和和取峰谷绝对值处理，以便后续得到光斑能量强度分布图像。可以理解的是，基于理论推导，在获得与阶梯形标准具5阶梯数相等的反射信号(即n个反射信号)，得到n×n个反射面的时域峰值的强度即可得到通过计算得到太赫兹信号的光斑能量强度分布图像，但是在实际计算中，获取大于n×n个反射面的时域峰值的强度进行计算，从而可以更好地消除实际情况下测量过程的误差、工艺问题导致的光斑成像装置的元件匹配误差以及阶梯形标准具5的表面反射率以及阶梯形标准具5阶梯之间的平行率等元件误差，以便较为真实准确地计算得到光斑强度分布情况。优选的，在确定阶梯形标准具5阶梯数n之后，将180°÷(n×4)后得到的值作为实际操作中的预设角度值，由此得到质量较好的光斑强度分布情况图像。例如，在上述阶梯形标准具5包括50级阶梯的情况下，具体的预设角度值还可以为0.9°。
为减少空气中水蒸气对太赫兹波的吸收影响，可以设置一亚克力罩子将应用于太赫兹信号的光斑成像装置100覆盖，得到一密闭空间，并对该密闭空间充干燥空气至湿度为5％RH，在实际获得太赫兹信号的光斑能量强度分布图像的过程中，保持充干燥空气的设备持续工作，以使密闭空间的湿度为5％RH及以下，以便提高后续测量时得到的数据的准确性。
可以设置通过AVANTEST公司的TAS7500TS太赫兹时域光谱仪系统获得时域信号。
图6示意性示出了根据本公开实施例的光斑成像方法中与阶梯形标准具对应的时域信号的示意图。
如图6所示，图中横坐标为时间轴，纵坐标为时域信号的能量强度。通过对时域信号的获取以及对时域信号的预处理，得到时域信号的能量强度，导入旋转扫描时空映射算法，通过建立多元一次线性方程组，反演解出太赫兹信号的光斑能量强度分布图像。
图7a示意性示出了根据本公开实施例的太赫兹信号的原始光斑能量强度分布图像的示意图。
图7b示意性示出了根据本公开实施例的使用光斑成像方法得到的太赫兹信号的复原光斑能量强度分布图像的示意图。
如图7a和图7b所示，其x轴和y轴表示基于n×n大小的像素点阵得到的光斑能量强度分布点，其灰度值表示光斑能量强度的大小。对比图7a和图7b，应用于太赫兹信号的光斑成像方法误差较小，可较为真实地还原实际光斑强度分布情况。
附图中的流程图和框图，示意性示出了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明本公开的目的、技术方案和有益效果，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，在本公开的精神和原则之内，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于太赫兹信号的光斑成像装置，包括：
太赫兹信号发射模块，用于产生并准直扩束所述太赫兹信号；
分束模块，用于接收并分束所述太赫兹信号，得到并输出探测信号；
阶梯形标准具反射模块，所述阶梯形标准具反射模块包括阶梯形标准具，所述阶梯形标准具包括n级阶梯，所述阶梯形标准具用于接收所述探测信号，以预设角度步长绕旋转轴进行转动，以便在不同角度处反射所述探测信号，得到n个反射的探测信号，所述旋转轴的方向与所述探测信号传播方向平行，所述旋转轴穿过所述阶梯形标准具对称中心，所述n个反射的探测信号返回所述分束模块，所述分束模块根据返回的所述n个反射的探测信号得到并输出n个反射信号；其中，n为正整数，所述预设角度为180°整除n得到的，每一所述反射信号表征n级阶梯对应的n个时域峰值的强度；以及
太赫兹信号接收模块，用于会聚并处理n个所述反射信号，得到所述太赫兹信号的光斑能量强度分布图像，所述光斑能量强度分布图像为n×n大小的像素点阵，所述像素点阵为根据所述阶梯形标准具得到的，所述像素点阵能量强度为根据n个所述反射信号得到的。
2.如权利要求1所述的光斑成像装置，其中，所述阶梯包括反射面，所述反射面所在的平面垂直于所述转轴旋所在平面，所述反射面用于反射所述探测信号；
在所述阶梯形标准具位于初始位置的情况下，获取所述n个反射面长度方向上对应的中心线，得到n条水平线；
在所述阶梯形标准具转动到与所述初始位置垂直的情况下，获取所述n个反射面长度方向上对应的中心线，得到n条垂直线；
根据所述n条水平线和所述n条垂直线得到的n×n个交点；以及
以所述n×n个交点为像素点中心，所述反射面宽度为像素点边长，构建所述n×n大小的像素点阵。
3.如权利要求1所述的光斑成像装置，其中，所述太赫兹信号发射模块包括：发射端光电导天线和发射端离轴抛面镜；
所述发射端光电导天线端口设置于所述发射端离轴抛面镜的焦点位置，用于产生所述太赫兹信号；以及
所述发射端离轴抛面镜，用于对所述太赫兹信号进行准直和扩束操作，并输出所述太赫兹信号。
4.如权利要求3所述的光斑成像装置，其中，所述分束模块包括：金属线栅波束分束器和太赫兹1/4波片；
所述金属线栅波束分束器设置于所述太赫兹信号所在的光路上，用于通过与所述金属线栅波束分束器偏振方向一致的所述太赫兹信号；
所述太赫兹1/4波片设置于所述金属线栅波束分束器后的所述太赫兹信号所在的光路上，用于产生相位延迟，根据与所述金属线栅波束分束器偏振方向一致的所述太赫兹信号，得到所述探测信号，所述探测信号为圆偏光，所述太赫兹1/4波片还用于处理所述反射的探测信号，使所述反射的探测信号产生相位延迟，得到所述反射信号，所述反射信号偏振方向与所述金属线栅波束分束器偏振方向相互垂直，所述反射信号通过所述金属线栅波束分束器反射到所述太赫兹信号接收模块。
5.如权利要求3所述的光斑成像装置，其中，所述分束模块包括：高阻硅透镜；
所述高阻硅透镜设置于所述太赫兹信号所在的光路上，使所述高阻硅透镜截面对称轴与太赫兹信号传播方向呈45°，用于对所述太赫兹信号进行分光，所述分光的透射反射比为1：1，输出透射出所述高阻硅透镜的沿所述太赫兹信号传播方向传播的所述探测信号，还用于对所述反射的探测信号进行分光，输出反射出所述高阻硅透镜的垂直于所述反射的探测信号传播方向传播的所述反射信号。
6.如权利要求2所述的光斑成像装置，其中，所述太赫兹信号接收模块包括：接收端离轴抛面镜、接收端光电导天线和光斑成像单元；
所述接收端离轴抛面镜，用于依次会聚n个所述反射信号；
所述接收端光电导天线端口设置于所述接收端离轴抛面镜的焦点位置，用于接收并向所述光斑成像单元发送n个会聚的反射信号；以及
所述光斑成像单元，用于根据所述n个会聚的反射信号，分别得到n个时域信号，所述每个时域信号均包括n级阶梯对应的n个时域峰值的强度，还用于根据n个所述时域信号和所述像素点阵，求解得到所述像素点阵中n×n像素点对应的能量强度，根据所述能量强度得到所述光斑能量强度分布图像。
7.如权利要求2所述的光斑成像装置，所述阶梯形标准具反射模块还包括：电控旋转镜架；
所述电控旋转镜架，用于带动所述阶梯形标准具沿所述旋转轴旋转，以便所述阶梯形标准具反射模块在得到所述太赫兹信号的光斑能量强度分布图像的过程中不中断地得到所述n个反射的探测信号。
8.一种应用于太赫兹信号的光斑成像方法，包括：
利用太赫兹信号发射模块，产生并准直扩束所述太赫兹信号；
利用分束模块，接收并分束所述太赫兹信号，得到并输出探测信号；
利用阶梯形标准具反射模块，所述阶梯形标准具反射模块包括阶梯形标准具，所述阶梯形标准具包括n级阶梯，所述阶梯形标准具接收所述探测信号，以预设角度步长绕旋转轴进行转动，以便在不同角度处反射所述探测信号，得到n个反射的探测信号，所述旋转轴的方向与所述探测信号传播方向平行，所述旋转轴穿过所述阶梯形标准具对称中心，所述n个反射的探测信号返回所述分束模块，以便利用所述分束模块根据返回的所述n个反射的探测信号得到并输出n个反射信号；其中，n为正整数，所述预设角度为180°整除n得到的，每一所述反射信号表征n级阶梯对应的n个时域峰值的强度；以及
利用太赫兹信号接收模块，会聚并处理n个所述反射信号，得到所述太赫兹信号的光斑能量强度分布图像，所述光斑能量强度分布图像为n×n大小的像素点阵，所述像素点阵为根据所述阶梯形标准具得到的，所述像素点阵能量强度为根据n个所述反射信号得到的。
9.如权利要求8所述的光斑成像方法，其中，所述太赫兹信号接收模块包括：接收端离轴抛面镜、接收端光电导天线和光斑成像单元；
所述利用太赫兹信号接收模块，会聚并处理n个所述反射信号，得到所述太赫兹信号的光斑能量强度分布图像包括：
利用所述接收端离轴抛面镜，依次会聚n个所述反射信号；
利用所述接收端光电导天线端口设置于所述接收端离轴抛面镜的焦点位置，接收并向所述光斑成像单元发送n个会聚的反射信号；以及
利用所述光斑成像单元，利用旋转扫描时空映射算法，根据所述n个会聚的反射信号，分别得到n个时域信号，所述每个时域信号均包括n级阶梯对应的n个时域峰值的强度，还根据n个所述时域信号和所述像素点阵，求解得到所述像素点阵中n×n像素点对应的能量强度，根据所述能量强度得到所述光斑能量强度分布图像。
10.如权利要求9所述的光斑成像方法，其中，所述利用所述光斑成像单元，利用旋转扫描时空映射算法，根据所述n个会聚的反射信号，分别得到n个时域信号，所述每个时域信号均包括n级阶梯对应的n个时域峰值的强度，还根据n个所述时域信号和所述像素点阵，求解得到所述像素点阵中n×n像素点对应的能量强度，根据所述能量强度得到所述光斑能量强度分布图像表示为如下公式：
a11x11+a12x12+a13x13+...+annxnn＝e11
a11x11+a12x12+a13x13+...+annxnn＝e12
…
a11x11+a12x12+a13x13+...+annxnn＝enn
Figure FDA0004203459760000041
其中，a11…ann为像素点x11..xnn对应的系数，在所述像素点参与时域峰值的强度计算的情况下，所述像素点对应的系数为1，否则为0；e11…enn为根据第1到n个反射的探测信号得到的第1到第n个反射面的时域峰值的强度，其中第一个下标表征第几个反射的探测信号，第二个下标表征第几个反射面；
Figure FDA0004203459760000042
为系数矩阵；/>
Figure FDA0004203459760000043
为待求解像素点向量；/>
Figure FDA0004203459760000044
为强度值向量。
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