CN205879786U - 一种太赫兹波成像系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种太赫兹波成像系统，用于对待测样品进行成像，包括太赫兹源、聚光镜、物镜、太赫兹探测器、处理装置和中心遮挡装置。太赫兹源用于发射太赫兹波，聚光镜用于对太赫兹源发射的太赫兹波进行准直和聚焦，并将太赫兹波照射到待测样品上，物镜用于收集从待测样品上散射出来的太赫兹波，太赫兹探测器用于接收物镜汇聚的太赫兹波，并根据接收到的太赫兹波生成太赫兹波信号，处理装置用于对太赫兹波信号进行处理，得到待测样品的太赫兹波图像。中心遮挡装置位于太赫兹波进入待测样品前的传输路径上，用于遮挡经过聚光镜的中心区域的太赫兹波，能够解决明场成像方式下不易体现待测样品的表面纹理、凸高和缺陷等细节部分的问题。

Description

一种太赫兹波成像系统

技术领域

本申请涉及太赫兹波技术领域，更具体地说，涉及一种太赫兹波成像系统。

背景技术

有关太赫兹波谱段的物质特性的研究一直是科学界的“真空地带”(terahertzgap)，随着太赫兹源和探测器技术的日益进步，逐渐使太赫兹波及其应用成为近年来学术界、产业界的研发热点。

太赫兹波之所以在基础研究、工业应用、生物医学、军事等领域有相当重要的应用前景，在于它具有以下特点：(a)太赫兹谱带波长比一般光学和近红外谱的波长要长，检测生物组织样本不易发生散射；太赫兹辐射比微波具有更短的波长，这使得太赫兹光谱具有更高的空间分辨率，更大的景深。(b)太赫兹波穿透性好，能够穿透非极性液体和许多介电材料(衣服、塑料、木材、纸张等)，这意味着人们可利用太赫兹波穿透包装材料对其内部物体进行探测。(c)由于太赫兹波的光子能量很低(毫电子伏量级)，它穿透物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测，与之对应的X射线检测则有相当的电离辐射危险。(d)许多物质大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在太赫兹波段，所以在太赫兹波段表现出很强的吸收和谐振，这表明采用太赫兹光谱分析技术可以很明显的看到很多物体、材料在太赫兹波段的特征吸收峰，即可用太赫兹波对待检物品进行非接触式成分分析。(e)太赫兹波的时域频谱信噪比很高，这使得太赫兹非常适用于成像应用。太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究。

鉴于太赫兹波具有的这些优点，利用太赫兹波对被测样品进行成像、以此对被测样品的内部进行探测成为太赫兹波一个重要的应用方向。在对物质进行探测时，传统的明场成像方式会将被测样品和背景会被太赫兹波束同时照亮，造成成像衬度较差，从而无法显现被测样品的表面纹理、凸高、缺陷等细节部分。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供一种太赫兹波成像系统，用于对被测样品进行暗场成像，以解决明场成像方式下不易体现待测样品的表面纹理、凸高和缺陷等细节部分的问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种太赫兹波成像系统，包括依次排列太赫兹源、聚光镜、物镜和太赫兹探测器、还包括与所述太赫兹探测器相连接的处理装置和设置在所述聚光镜上的中心遮挡装置，其中：

所述太赫兹源用于发射太赫兹波；

所述聚光镜位于所述太赫兹源的前方，用于对所述太赫兹源发射的太赫兹波准直和聚焦到待测样品上；

所述物镜设置在待测样品的后方，用于收集从所述待测样品上散射出来的太赫兹波，并汇聚到所述太赫兹探测器；

太赫兹探测器用于接收所述物镜汇聚的太赫兹波，并根据接收到的太赫兹波生成太赫兹波信号；

所述处理装置用于对所述太赫兹波信号进行处理，得到所述待测样品的太赫兹波图像；

可选的，所述太赫兹源为光学太赫兹源、电子太赫兹源或等离子太赫兹源。

可选的，所述聚光镜包括准直机构和聚焦机构，其中：

所述准直机构用于对所述太赫兹波进行准直控制；

所述聚焦机构用于对所述太赫兹波进行聚焦控制。

可选的，所述中心遮挡装置为圆形金属挡片或圆形液体膜挡片。

可选的，所述液体膜挡片包括一个透明材质的圆形透明腔体，其中：

所述圆形透明腔体内容纳有用于吸收太赫兹波的液体物质。

可选的，所述液体物质为蒸馏水。

可选的所述圆形透明腔体的中心设置有用于注入所述液体物质的注入孔。

可选的，所述圆形透明腔体包括位于所述中部的圆形小腔体和围绕所述圆形小腔体同心依次布置的多个环形腔室；

所述环形腔室之间设置有用于通过所述液体物质的流量控制阀。

可选的，所述液体膜挡片包括多个挡片支架和设置在所述挡片支架上可拆卸的多个圆形液膜挡片；

所述多个圆形液膜挡片的半径依次增大；

所述圆形液膜挡片包括透明腔体和灌注在所述透明腔体内、用于吸收太赫兹波的液体物质。

可选的，所述液体物质为蒸馏水。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种太赫兹波成像系统，用于对待测样品进行成像，包括太赫兹源、聚光镜、物镜、太赫兹探测器、处理装置和中心遮挡装置。太赫兹源用于发射太赫兹波，聚光镜用于对太赫兹源发射的太赫兹波进行准直和聚焦，并将经过准直和聚焦后的太赫兹波照射到待测样品上，物镜用于收集从待测样品上散射出来的太赫兹波，并汇聚到太赫兹探测器，太赫兹探测器用于接收物镜汇聚的太赫兹波，并根据接收到的太赫兹波生成太赫兹波信号，处理装置用于对太赫兹波信号进行处理，得到待测样品的太赫兹波图像。中心遮挡装置位于太赫兹波进入待测样品前的传输路径上，用于遮挡经过聚光镜的中心区域的太赫兹波，从而不使垂直入射波进入到物镜内，使进入物镜的只是由待测样品微粒或待测样品的表面纹理、凸高或缺陷等所散射的太赫兹波束，使在较暗的视场背景上给出较亮的图像，即暗场成像方式，从而能够解决明场成像方式下无法显现待测样品的表面纹理、凸高和缺陷等细节部分的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种太赫兹波成像系统的结构示意图；

图2为本申请提供的一种圆形液体膜挡片的俯视图；

图3为本申请提供的另一种圆形液体膜挡片的侧视图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

图1为本申请实施例提供的一种太赫兹波成像系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例提供的太赫兹波成像系统用于对待测样品30进行太赫兹波成像，以对其为结构进行分析，具体包括依次排列的太赫兹源10、聚光镜20、物镜40、太赫兹探测器50和处理装置(未示出)，待测样品30位于聚光镜20与物镜40之间。除此之外，本系统还包括中心遮挡装置60。

太赫兹源10用于产生太赫兹波，太赫兹波的产生原理可基于光学方法、电子学方法和等离子方法等，因此太赫兹源10可以为基于光学方法的光学太赫兹源、基于电子学方法的电子太赫兹源或者基于等离子原理的等离子太赫兹源。

聚光镜20位于太赫兹源10的后方，具体为位于太赫兹源10所发出的太赫兹波的路径上，用于对太赫兹波进行准直和聚焦，本申请中仅用聚光镜20对其进行简化表述，其实在实际应用中具体包括用于对太赫兹波进行准直的准直机构(未示出)，和用于对太赫兹波进行对焦的对焦机构(未示出)。

待测样品30置于一个移动平台(未示出)上，在对待测样品进行检测时，通过对移动平台的上下左右移动可以将待测样品进行移动，从而可以使经过聚光镜20准直和聚焦的太赫兹波的波束对待测样品30进行全面的照射。

物镜40用于收集从待测样品30上散射出来的太赫兹波，并汇聚到位于其后方的太赫兹探测器50上。

太赫兹探测器50用于接收物镜40汇聚的太赫兹波，并将太赫兹波转换为相应的太赫兹波信号，该信号为适于进行图像处理的电信号或者数字信号。

处理装置用于对太赫兹探测器50输出的太赫兹波信号进行处理，得到反映待测样品30的结构的太赫兹波图像。

中心遮挡装置60位于太赫兹波束的路径上，用于对经过聚光镜20的太赫兹波的中心区域进行遮挡，从而不使垂直入射波进入到物镜40内，使进入物镜40的只是由微粒或待测样品的表面纹理、凸高或缺陷等所散射的太赫兹波束，从而使在较暗的视场背景上给出较亮的图像，即暗场成像方式。中心遮挡装置60可以设置在紧靠聚光镜20的位置处。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种太赫兹波成像系统，用于对待测样品进行成像，包括太赫兹源、聚光镜、物镜、太赫兹探测器、处理装置和中心遮挡装置。太赫兹源用于发射太赫兹波，聚光镜用于对太赫兹源发射的太赫兹波进行准直和聚焦，并将经过准直和聚焦后的太赫兹波照射到待测样品上，物镜用于收集从待测样品上散射出来的太赫兹波，并汇聚到太赫兹探测器，太赫兹探测器用于接收物镜汇聚的太赫兹波，并根据接收到的太赫兹波生成太赫兹波信号，处理装置用于对太赫兹波信号进行处理，得到待测样品的太赫兹波图像。中心遮挡装置位于太赫兹波进入待测样品前的传输路径上，用于遮挡经过聚光镜的中心区域的太赫兹波，从而不使垂直入射波进入到物镜内，使进入物镜的只是由微粒或待测样品的表面纹理、凸高或缺陷等所散射的太赫兹波束，使在较暗的视场背景上给出较亮的图像，即暗场成像方式，从而能够解决明场成像方式下无法显现待测样品的表面纹理、凸高和缺陷等细节部分的问题。

传统的金属材质的挡片会将直射过来的太赫兹波反射回去，反射波会和入射波发生干涉效应，并影响最终的成像质量，另外，反射波也会对太赫兹源的发射造成一定的影响。为了避免这一缺陷，本申请优选圆形液体膜挡片遮挡入射的太赫兹波，以尽量消除发射带来的不利影响。

同时，本申请设计的液体膜挡片可方便、迅速的调节液体膜的尺寸大小，针对不同类型的样品达到最佳暗场成像效果，而传统的金属材质挡片则不易调节尺寸。

图2为本申请提供的一种圆形液体膜挡片的俯视图。

如图2所示，本申请提供的圆形液体膜挡片包括一个透明材质的圆形透明腔体61，本处的“透明”与前述的“透明”概念相同，均是对太赫兹波吸收较小的材质。并且在透明腔体61内灌注能够吸收太赫兹波的液体物质，由于水对太赫兹波有较强的吸收作用，根据参考文献，在0.3THz-3.72THz频段，22℃的蒸馏水其吸收系数最低为123cm^-1，因此我们只要把水膜的厚度设置为0.5mm，就可使水膜对太赫兹波的透过率降到千分之一左右(根据公式L＝-ln(T)/α，其中L为水膜厚度，T为太赫兹波透过率，α为水对太赫兹波的吸收系数)，且水较为廉价，因此本申请优选蒸馏水作为该液体物质。

在对不同的待测样品进行暗场成像时，需要根据聚焦镜的数值孔径、太赫兹波长、样品材质参数对遮挡面积进行调整，为此，该透明腔体包括一个位于中心的透明小腔体611和围绕该透明小腔体的多个同心布置、且半径依次增大的环形腔室612组成。在透明小腔体611的中心设置有用于注入液体物质的注入孔613，在环形腔室612之间设置用于供液体物质通过的流量控制阀614。

在透明腔体61内部通过注入孔613注入液体物质，使之充满整个内部腔体，并通过流量控制阀614进出每一层环形腔室612，由此达到液体膜在液体膜挡片的指定区域内的覆盖，使只有挡片边缘区域未覆盖液体膜的区域才可以透过太赫兹波束。

这种液体膜挡片无需更换，只要简单的调整其中液体膜的面积区域即可满足更换其他硬件之后新系统的暗场测量条件。该调整既可以通过手动调节，又可以通过电机自动调整，根据暗场成像清晰度调整液体膜区域面积，达到最佳暗场成像效果。

该液体膜挡片还可以调整到完全不挡住太赫兹波的状态(排出其中的液体膜)，在这种情况下从聚焦镜会聚直射过来的太赫兹波束可以不受阻挡的穿过该机构到达待测样品表面，这就是常用的明场测量方法。随着手动或电动控制液体膜在中心挡片结构中慢慢铺开，聚焦镜中心处的直射太赫兹波束被液体膜所吸收，只有边缘的太赫兹波束以较大的散射角度到达样品上，达到暗场成像效果。因此本实用新型可以很方便的切换系统的明场测量和暗场测量状态，便于使用者从明场、暗场两个状态对样品进行观察，可以得到较为丰富的图像特征信息。

图3为本申请提供的另一种圆形液体膜挡片的侧视图。

这种圆形液体膜挡片包括挡片支架62，在挡片支架62中设置有多个可拆卸的圆形液膜挡片63，每个液膜挡片63的半径依次增大。在使用时，根据计算加工液膜挡片63，然后将液膜挡片63根据调节的范围按顺序(液体面积的等圆变化)依次叠加后装入挡片支架62中，然后由固定在挡片支架62和推板64上的弹簧641使液膜挡片处于夹紧的状态。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种太赫兹波成像系统，其特征在于，包括依次排列太赫兹源、聚光镜、物镜和太赫兹探测器、还包括与所述太赫兹探测器相连接的处理装置和设置在所述聚光镜上的中心遮挡装置，其中：

所述太赫兹源用于发射太赫兹波；

所述聚光镜位于所述太赫兹源的前方，用于对所述太赫兹源发射的太赫兹波准直和聚焦到待测样品上；

所述物镜设置在待测样品的后方，用于收集从所述待测样品上散射出来的太赫兹波，并汇聚到所述太赫兹探测器；

太赫兹探测器用于接收所述物镜汇聚的太赫兹波，并根据接收到的太赫兹波生成太赫兹波信号；

所述处理装置用于对所述太赫兹波信号进行处理，得到所述待测样品的太赫兹波图像；

所述中心遮挡装置用于遮挡经过所述聚光镜的中心区域的太赫兹波。

2.如权利要求1所述的太赫兹波成像系统，其特征在于，所述太赫兹源为光学太赫兹源、电子太赫兹源或等离子太赫兹源。

3.如权利要求1所述的太赫兹波成像系统，其特征在于，所述聚光镜包括准直机构和聚焦机构，其中：

所述准直机构用于对所述太赫兹波进行准直控制；

所述聚焦机构用于对所述太赫兹波进行聚焦控制。

4.如权利要求1～3任一项所述的太赫兹波成像系统，其特征在于，所述中心遮挡装置为圆形金属挡片或圆形液体膜挡片。

5.如权利要求4所述的太赫兹波成像系统，其特征在于，所述液体膜挡片包括一个透明材质的圆形透明腔体，其中：

所述圆形透明腔体内容纳有用于吸收太赫兹波的液体物质。

6.如权利要求5所述的太赫兹波成像系统，其特征在于，所述液体物质为蒸馏水。

7.如权利要求5所述的太赫兹波成像系统，其特征在于所述圆形透明腔体的中心设置有用于注入所述液体物质的注入孔。

8.如权利要求5所述的太赫兹波成像系统，其特征在于，所述圆形透明 腔体包括位于中部的圆形小腔体和围绕所述圆形小腔体同心依次布置的多个环形腔室；

所述环形腔室之间设置有用于通过所述液体物质的流量控制阀。

9.如权利要求4所述的太赫兹波成像系统，其特征在于，所述液体膜挡片包括多个挡片支架和设置在所述挡片支架上可拆卸的多个圆形液膜挡片；

所述多个圆形液膜挡片的半径依次增大；

所述圆形液膜挡片包括透明腔体和灌注在所述透明腔体内、用于吸收太赫兹波的液体物质。

10.如权利要求9所述的太赫兹波成像系统，其特征在于，所述液体物质为蒸馏水。