CN208621514U - 一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置，所述装置包括：光阑设置在聚焦透镜前，用于限制光斑尺寸并对光束进行整形；太赫兹分束器将太赫兹波分为两束，一束光作为信号光，通过成像样品后由第一太赫兹波探测器探测，另一束由第二太赫兹波探测器探测，用于监测太赫兹辐射源的功率波动以此提高信噪比；电控旋转平台固定于第一电控一维平移台上，第一电控一维平移台固定在第二电控一维平移台上，电控旋转平台连接成像样品，使其从上往下垂直浸入液体槽中，液体槽内充满折射率匹配液，使成像样品在液体环境中接受扫描；计算机控制系统通过连续扫描控制程序控制两个电控一维平移台以及电控旋转平台进行连续扫描。

Description

一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置

技术领域

本实用新型涉及太赫兹波成像技术领域，尤其涉及一种利用内置折射率匹配液的液体槽，实现对高折射率样品成像的太赫兹波计算机辅助层析成像的装置。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)波段是指频率从100GHz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。由于该频段是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，具有很多独特的性质，如许多生物大分子的振动与转动能级，以及很多凝聚态体系的声子和其他元激发都位于太赫兹波段，因此，可以通过特征共振与吸收对物质进行指纹识别；太赫兹波的光子能量(毫电子伏特)低，一般不会对生物组织与细胞造成损害，可以对生物体进行无损检测；太赫兹波对许多在可见和红外波段不透明的非金属、非极性材料具有较强的穿透能力，可进行透射成像。因此，太赫兹技术在物理科学、生命科学、信息技术和国防科技等方面都具有广阔的应用前景。太赫兹波成像是太赫兹科学技术最主要的应用之一，当前已发展出了透射式、反射式、衰减全反射、近场成像等主动成像技术以及被动成像技术，并在无损探伤、爆炸物检测、文物研究、安检、药品检测等方面，尤其是生物医学方面如对皮肤癌、脑胶质瘤、以及乳腺癌的检测应用方面取得了巨大的进展。但是，传统的太赫兹波二维成像技术只能反映样品的表面或整体信息，无法满足内部信息观测的需求。

三维成像技术是获取样品内部信息的有效手段之一，自提出以来，在微波、可见光、红外与太赫兹波等领域得到了验证。与其他不同频段的电磁波谱相比较，X射线光子能量较高，对生物体有电离辐射；红外光对样品的穿透深度较低；毫米波虽然透过率高，但其分辨率受到长波长的限制；太赫兹波的穿透性好，分辨率能满足实际要求，因此利用太赫兹波进行三维成像有更好的效果。目前，较为成熟的太赫兹波三维成像技术是太赫兹波计算机辅助层析(Computed Tomography,CT)，其可以看作是X射线CT在电磁波段上的扩展。

目前，太赫兹CT成像系统及其重建算法大多基于X射线CT技术，然而太赫兹波在样品中的传播过程与X射线并不相同，X射线不管是在表面还是内部都沿着直线传输，几乎没有反射与折射。但是空气及样品在太赫兹波段的折射率有较大的差异，太赫兹波在样品表面的折射以及反射现象很严重，当其以不同入射角入射时，其反射率不同且由折射引起的偏转也不同，这对图像的重建和光束的探测提出了较高的要求。基于上述原因，在太赫兹CT的前期研究中发现，对复杂且折射率较高的样品(如火鸡骨、聚四氟乙烯)成像时，其内部结构并不能展现出来，这是由边界的强烈反射与折射所造成。由此可见，鉴于太赫兹波本身的光束特性，在对物体吸收系数和折射率重建时，太赫兹波探测器本身的限制和样品的折射、反射损耗等问题会在很大程度上影响成像质量。为了使探测器能够尽可能地收集到全部的透射光束，使用抛面镜或透镜聚焦透射光束，可以将发散的光束聚焦到探测器探测孔径范围内，但这并不能解决光束偏折导致的问题。由于折射以及反射问题的存在，目前太赫兹CT大多采用低折射率样品进行研究，极大地限制了其发展和应用。

实用新型内容

本实用新型提供了一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置，本实用新型克服了光束折射和反射导致的问题，实现了对高折射率样品的太赫兹波计算机辅助层析成像，详见下文描述：

一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置，所述装置包括：

光阑设置在聚焦透镜前，用于限制光斑尺寸并对光束进行整形；

太赫兹分束器将太赫兹波分为两束，一束光作为信号光，通过成像样品后由第一太赫兹波探测器探测，另一束由第二太赫兹波探测器探测，用于监测太赫兹辐射源的功率波动；

电控旋转平台固定于第一电控一维平移台上，第一电控一维平移台固定在第二电控一维平移台上，电控旋转平台连接成像样品，使其从上往下垂直浸入液体槽中，液体槽内充满折射率匹配液，使成像样品在液体环境中接受扫描；

计算机控制系统控制两个电控一维平移台以及电控旋转平台进行连续扫描，同时实现对第一太赫兹波探测器和第二太赫兹波探测器测量数据的采集并处理，得到太赫兹层析成像图。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

1、本实用新型中的整个光路仅采用一个透镜以及一个镀金离轴抛面镜聚焦光束，其光路简单，稳定性好，降低了复杂性，并且由于光路紧凑，可以进一步降低光束偏折产生的影响；

2、本实用新型采用两个相同型号探测器对辐射源参考光和信号光同时进行采集，可以有效减小辐射源的波动对成像数据的影响，提高成像信噪比；

3、本实用新型将内置折射率匹配液的液体槽的通光面垂直于太赫兹光束放置，且采用折射率匹配液体浸没样品，使得样品在横向x轴扫描以及在xy平面内旋转的过程中，光束始终不会发生折射；

4、本实用新型由于入射角始终为零，在扫描过程中反射光强度也恒定，进一步消除了反射光强度随扫描位置变化而导致的噪声；

5、本实用新型可以促进太赫兹CT成像技术的研究和发展，并且极大地提高了太赫兹CT技术的应用前景，使得其在工业无损探测领域有广阔的推广应用价值。

附图说明

图1为太赫兹计算机辅助层析成像装置的结构示意图；

图2为成像样品实物图(a)、以及太赫兹CT成像结果(b)的示意图。

附图中，各部件表示的列表如下：

1：太赫兹辐射源； 2：太赫兹分束器；

3：光阑； 4：聚焦透镜；

5：液体槽； 6：折射率匹配液；

7：成像样品； 8：电控旋转平台；

9：第一电控一维平移台； 10：第二电控一维平移台；

11：镀金离轴抛面镜； 12：第一太赫兹波探测器；

13：第二太赫兹波探测器； 14：计算机控制系统。

其中，第一太赫兹波探测器12、第二太赫兹波探测器13的型号相同。第一电控一维平移台9在x轴方向移动，电控旋转平台8在xy平面内旋转，第二电控一维平移台10在z轴方向移动。液体槽5的前后面(图1中的阴影区域)均为通光面，通光面的材料为白色高密度聚乙烯(HDPE)。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置，参见图1，该装置包括：太赫兹辐射源1、太赫兹分束器2、光阑3、聚焦透镜4、液体槽5、折射率匹配液6、电控旋转平台8、第一电控一维平移台9、第二电控一维平移台10、镀金离轴抛物面镜11、第一太赫兹探测器12、第二太赫兹探测器13和计算机控制系统14。

其中，太赫兹辐射源1，其发射的太赫兹波频率范围为0.1THz-10THz。将光阑3放置在聚焦透镜4前，用于限制光斑尺寸并对光束(即太赫兹波)进行整形，从而提高聚焦后太赫兹光束的瑞利长度以及光束质量。

聚焦透镜4在太赫兹波段具有高透过率，其焦距根据实际成像样品7所需要的瑞利长度决定，具体实现时，本实用新型实施例对此不作限制。

太赫兹辐射源输出的太赫兹光束具有高斯光束特性，其光斑半径在光束方向(y轴方向)满足：

其中，ω₀为焦点光斑半径，z为光斑与焦点的距离，z_R为瑞利长度，可以表示为：

其中，λ为太赫兹波的波长。

高斯光束光斑的大小在瑞利长度范围内接近其聚焦光斑的大小。为了尽可能地提高成像分辨率，优选地，聚焦透镜4聚焦光束的瑞利长度应接近于成像样品7的半径。

太赫兹分束器2将太赫兹波分为两束，一束光作为信号光，通过成像样品7后由第一太赫兹波探测器12探测，另一束由第二太赫兹波探测器13探测，用于监测太赫兹辐射源的功率波动以此提高信噪比。

液体槽5在扫描过程中固定不动，液体槽5的中心位于太赫兹波聚焦光斑处，液体槽5的两个通光面垂直于光束(即太赫兹波)，液体槽5内充满折射率匹配液体，使成像样品7在液体环境中接受扫描，从而避免了因光束(即太赫兹波)的折射和反射导致的问题。

具体实现时，第一电控一维平移台9固定在第二电控一维平移台10上，电控旋转平台8固定于第一电控一维平移台9上，电控旋转平台8连接成像样品7，使成像样品7从上往下垂直浸入液体槽5中，电控旋转平台8带动成像样品7在液体槽5中实现旋转。

计算机控制系统14通过控制两个电控一维平移台9、10以及电控旋转平台8进行连续扫描，同时实现对第一太赫兹波探测器12和第二太赫兹波探测器13测量数据的采集。

优选地，液体槽5的两个通光面采用白色高密度聚乙烯(HDPE)材料制作，其厚度为1mm，使通光面不会对太赫兹波造成较大的衰减，并且当液体槽5内充满液体时也不会变形。

优选地，折射率匹配液6采用石蜡油，这种液体在太赫兹波段具有很高的透过率，并且其在太赫兹波段的折射率与大多数样品的折射率接近，使太赫兹光束在液体与成像样品7的接触面不会发生偏折。

优选地，镀金离轴抛面镜11的孔径为50.8mm，焦距为50.8mm。

实施例2

下面结合图1对实施例1中的方案做进一步详细地说明，详见下文描述：

参见图1，本实施例中的太赫兹波计算机辅助层析成像装置，包括：产生太赫兹波的辐射源1，太赫兹波经过太赫兹分束器2、光阑3和聚焦透镜4后汇聚于液体槽5的中心。成像样品7浸入液体槽5内并与电控旋转平台8连接，折射率匹配液6注入液体槽5且浸没成像样品7，在电控一维平移台9、10以及电控旋转平台8的带动下实现成像样品7在液体内接受扫描。

第一太赫兹波探测器12和第二太赫兹波探测器13分别接收信号光和参考光。计算机控制系统14通过连续扫描控制程序控制两个电控一维平移台9、10以及电控旋转平台8进行连续扫描，同时实现对第一太赫兹探测器12和第二太赫兹探测器13对测量数据的采集，并采用算法对原始数据进行处理。

具体实现时，液体槽5的两个通光面采用白色高密度聚乙烯(HDPE)材料制作，厚度为1mm，使通光面不会对太赫兹波造成较大的衰减，并且当液体槽5内充满液体时也不会变形。

进一步地，上述液体优选为石蜡油，这种液体在太赫兹波段具有很高的透过率，并且其在太赫兹波段的折射率与大部分样品的折射率接近，使太赫兹光束在液体与样品的接触面不会发生折射。

其中，计算机利用算法对原始数据进行处理的步骤不涉及自己设计的软件，例如：采用滤波反投影算法对修正后的投影数据进行处理，得到样品一个切面的CT成像图的步骤为本领域技术人员所公知，本实用新型实施例对此不做赘述。

实施例3

下面结合图2对实施例1-2中的装置进行可行性验证，详见下文描述：

本实验对内部存在缺陷的白色高密度聚乙烯圆柱进行太赫兹CT成像，如图2所示。其中图2(a)为成像样品实物图，具体为直径25mm，高10mm的圆柱，其内部的圆形缺陷直径为8mm，缺陷中心偏离样品中心6mm。图2(b)显示了采用本实用新型对该样品进行太赫兹CT成像的实验结果。实验中，横向扫描步长为500μm，旋转步长为3°，图像像素点个数为70×70。从图2(b)中可以看出，样品的外形和内部缺陷的形状以及位置均能正确地显示出来。通过上述实验，可以直接地验证本实用新型中装置和方法的可行性。

本实用新型的优点在于，通过引入内置折射率匹配液6的液体槽5以及后续数据处理，可以实现对高折射率样品的太赫兹CT成像，有效地解决当前由于光束折射导致无法对高折射率样品进行太赫兹CT成像的问题。整个系统结构简单紧凑，可广泛应用于科研、文物无损探伤、工业过程控制等领域。

本实用新型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，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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

Claims (7)

1.一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置，其特征在于，所述装置包括：

光阑设置在聚焦透镜前，用于限制光斑尺寸并对光束进行整形；

太赫兹分束器将太赫兹波分为两束，一束光作为信号光，通过成像样品后由第一太赫兹波探测器探测，另一束由第二太赫兹波探测器探测，用于监测太赫兹辐射源的功率波动；

电控旋转平台固定于第一电控一维平移台上，第一电控一维平移台固定在第二电控一维平移台上，电控旋转平台连接成像样品，使其从上往下垂直浸入液体槽中，液体槽内充满折射率匹配液，使成像样品在液体环境中接受扫描；

计算机控制系统控制两个电控一维平移台以及电控旋转平台进行连续扫描，同时实现对第一太赫兹波探测器和第二太赫兹波探测器测量数据的采集并处理，得到太赫兹层析成像图。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置，其特征在于，

所述液体槽在扫描过程中固定不动，液体槽的中心位于太赫兹波聚焦光斑处，液体槽的两个通光面垂直于光束。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置，其特征在于，

所述聚焦透镜的聚焦光束的瑞利长度接近于成像样品的半径。

4.根据权利要求2所述的一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置，其特征在于，

所述液体槽的两个通光面采用白色高密度聚乙烯材料制作，厚度为1mm。

5.根据权利要求1所述的一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置，其特征在于，所述装置还包括：

镀金离轴抛面镜，用于聚焦透过样品后的太赫兹波，使发散的光束聚焦在探测器的探测孔径内；还用于汇聚不同偏折角度的太赫兹光束。

6.根据权利要求5所述的一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置，其特征在于，所述镀金离轴抛面镜的孔径为50.8mm，焦距为50.8mm。

7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种太赫兹波计算机辅助层析成像装置，其特征在于，所述太赫兹辐射源发射的太赫兹波频率范围为0.1THz-10THz。