CN209513618U - 一种基于双模式的太赫兹波高灵敏度成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于双模式的太赫兹波高灵敏度成像装置，包括：反射窗口及全反射棱镜，用于反射成像模式和全反射成像模式的快速切换；太赫兹波经过平面反射镜的反射被第一离轴抛物面镜接收并聚焦入射到反射窗口(或全反射棱镜)表面上；样品放置在反射窗口(或全反射棱镜)的底面；携带样品信息的太赫兹波经反射窗口(或全反射棱镜)反射被第二离轴抛物面镜接收；携带样品信息的太赫兹波经第二离轴抛物面镜接收后被第三离轴抛物面镜接收并聚焦入太赫兹波探测器。

Description

一种基于双模式的太赫兹波高灵敏度成像装置

技术领域

本实用新型用于太赫兹波成像领域，成像系统将反射和全反射两种成像模式，紧凑的结合在一起并实现两者的快速切换，即一种太赫兹波双模式高灵敏度成像装置。

背景技术

太赫兹波是指位于微波与红外波之间的电磁波，其频率为0.1～10THz，相应波长为0.03mm～3mm。因太赫兹波处于宏观向微观过渡的区域，其具有宽带性、低能性、指纹特性等独特的优势，这使得太赫兹波成像技术在成像、安全检测等领域有极大的应用前景。

目前，常见的太赫兹波成像方式主要包括：透射式、反射式和衰减全反射式成像。透射式成像具有较高的灵敏度，操作简单。但由于太赫兹波对极性分子(如水分子)的吸收较大，对于含水量较大的生物组织需要将样品进行切片，样品制作复杂。反射式成像通常可保整样品的完整性，其不仅可实现生物样品表面的检测且可以实现生物组织深层次检测，目前已报道可实现皮下1200微米处组织的检测。然而，反射式成像的灵敏度与分辨率较差，且对样品表面的平整度要求较严格，因为样品表面通常粗糙不仅产生漫反射且因此减弱信号光，这不利于样品信息的获取。

通常，太赫兹反射式成像采用对可见光透明的石英窗口紧贴并压平样本，该方法一方面可以清楚的观察到样品的成像区域并检查样品是否与窗口紧密贴合，另一方面，可以有效减小样品表面的漫反射。衰减全反射成像的原理是当光从光密介质入射到光疏介质时，入射角大于临界角，则在光入射的表面产生倏逝波，利用倏逝波与样品相互作用获得样品信息。该方法具有很高的成像灵敏度，但对含水量较大的样品其穿透深度仅为几十微米。另外，由于全反射棱镜通常采用对可见光不透明的高阻硅材料，在活体成像过程中不仅无法直接观察到扫描位置且无法确保样品是否与棱镜紧密接触，导致实验时间与样品破坏可能性的增加。

综上可知，在太赫兹成像过程中，现在急需一种既具有高的成像灵敏度，不破坏样品完整性，又可减少扫描时间和尽可能多的获得样品信息的成像方式或实验装置。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于双模式的太赫兹波高灵敏度成像装置，本实用新型将反射式和全反射式成像紧凑的结合在一套成像装置中，通过具有透明窗口的反射式成像获得样品的重点检测区域，再通过灵敏度较高的全反射成像获得样品的详细细节信息，两种成像方式只需要更换石英窗口与全反射棱镜，其他元器件保持不动，详见下文描述：

一种基于双模式的高灵敏度太赫兹波成像装置，包括：太赫兹波平面反射镜、第一太赫兹离轴抛物面镜、第二太赫兹离轴抛物面镜与第三太赫兹离轴抛物面镜依次设置在太赫兹波的出射光路上；

反射成像窗口及全反射成像棱镜的底面被置于第一太赫兹离轴抛物面镜和第二太赫兹离轴抛物面镜的水平焦平面上；

透过反射成像窗口的入射太赫兹波入射到样品，携带样品信息的太赫兹波再次经过反射成像窗口后被第二太赫兹波离轴抛物面镜聚焦并接收，获得反射成像；

太赫兹波经第一太赫兹离轴抛物面镜聚焦后入射到全反射成像棱镜的一个侧面上，太赫兹波在垂直全反射成像棱镜底面的方向产生倏逝波；

倏逝波垂直入射到样品，携带样品信息的太赫兹波在全反射成像棱镜的另一个侧面出射，出射后的太赫兹波被第二太赫兹离轴抛物面镜收集并接收，并通过太赫兹波平面反射镜反射，入射到太赫兹探测器，以获得样品的全反射成像结果。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

1、本实用新型将反射和全反射模式紧凑的结合在一个装置中，相比于仅反射成像，因全反射成像采用折射率较大的高阻硅棱镜，提高了成像分辨率，具有较高的检测灵敏度；

2、本实用新型相比于仅全反射成像，因反射模式可以观察到样品检测区域，可以为全反射成像提供精细的检测区域，节约全反射成像扫描时间。

3、本实用新型具有装置简易、扫描时间短、灵敏度高的优点。

附图说明

图1为基于双模式的高灵敏度太赫兹波成像装置示意图；

图2为在反射成像中，太赫兹波以不同角度入射时的反射和透射系数曲线；

图3为在全反射成像中，太赫兹波以不同角度入射时的反射率曲线；

图4为成像物体实物图；

图5为太赫兹反射式成像图；

图6为太赫兹全反射成像图。

附件中，各部件表示的列表如下：

1：太赫兹源； 2：太赫兹波平面反射镜；

3：第一太赫兹波离轴抛物面镜； 4：反射成像窗口；

5：样品(即待测样品)； 6：第二太赫兹波离轴抛物面镜；

7：第三太赫兹波离轴抛物面镜； 8：太赫兹波探测器；

9：全反射棱镜。

其中，第一太赫兹波离轴抛物面镜3和第二太赫兹波离轴抛物面镜6的型号相同。反射窗口4和全反射棱镜9的材料为对太赫兹波高透的材料。

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

参见图1，一种基于双模式的高灵敏度太赫兹波成像装置，所述装置包括：太赫兹源1，用于反射太赫兹波的太赫兹波平面反射镜2，用于太赫兹波聚焦的第一太赫兹波离轴抛物面镜3，反射成像窗口4，待测物体5，用于收集太赫兹波的第二太赫兹波离轴抛物面镜6，用于聚焦太赫兹波的第三太赫兹波离轴抛物面镜7，用于太赫兹波探测的太赫兹波探测器8和全反射成像棱镜9。太赫兹波平面反射镜2、第一太赫兹离轴抛物面镜3、第二太赫兹离轴抛物面镜6与第三太赫兹离轴抛物面镜7依次设置在太赫兹波的出射光路上。

其中，第一太赫兹波离轴抛物面镜3和第二太赫兹波离轴抛物面镜6的型号相同，反射成像窗口4及全反射成像棱镜9的底面被置于第一太赫兹离轴抛物面镜3和第二太赫兹离轴抛物面镜6的水平焦平面上。反射成像窗口4的材料对太赫兹波高透，例如：石英。

具体实现时，太赫兹源1产生太赫兹波输出，太赫兹波经第一太赫兹波离轴抛物面镜3聚焦后以一定的角度入射到反射成像窗口4，透过反射成像窗口4的入射太赫兹波入射到样品5。入射太赫兹波经样品5反射后，携带样品信息的太赫兹波再次经过反射成像窗口4后被第二太赫兹波离轴抛物面镜6聚焦并接收，获得反射成像。

通过反射成像后，获得样品5的大概图像及样品成像区域，然后将反射成像窗口4替换成全反射成像棱镜9。太赫兹波经第一太赫兹离轴抛物面镜3聚焦后以一定的角度，入射到全反射成像棱镜9的一个侧面上，太赫兹波在垂直全反射成像棱镜9底面的方向产生倏逝波，倏逝波垂直入射到样品5进行相互作用，携带样品5信息的太赫兹波在全反射成像棱镜9的另一个侧面出射，出射后的太赫兹波被第二太赫兹离轴抛物面镜6收集并接收，并通过太赫兹波平面反射镜2反射，入射到太赫兹探测器8，以获得样品5的全反射成像结果(获得样品的详细信息)。

其中，全反射成像棱镜9是在不改变反射成像装置中的任何装置参数，通过将反射成像窗口4替换成全反射成像棱镜9；该全反射成像棱镜9是通过理论计算获得用于全反射成像的最佳棱镜参数；该全反射棱镜材料必须选用太赫兹波吸收较小的材料，且其折射率要比检测样品折射率高以实现全反射成像；该全反射成像棱镜9与样品5的接触面，设置在与反射成像窗口4相同的位置。

将样品的待检测面与所述的成像反射窗口紧密接触，通过反射成像获得样品的大致区域，将反射成像窗口4替换成全反射成像棱镜9，是在不改变反射成像的任何实验装置的基础上替换。

反射成像窗口4为对太赫兹波高透的材料(全反射成像棱镜为对太赫兹高透的等腰三棱镜，其固定于二维扫描平台上，用于放置待测成像样品5。

进一步地，太赫兹源1为连续或脉冲太赫兹辐射源。

太赫兹波平面反射镜2、第一太赫兹反射离轴抛物面镜3、第二太赫兹反射离轴抛物面镜6和第三太赫兹反射离轴抛物面镜7，均镀太赫兹波段的宽带高反膜。

反射模式采用太赫兹高透材料的反射窗口，全反射模式采用与所测样品5的折射率大的材料。

进一步地，放置样品5的二维平台是沿x轴和y轴成s型移动。反射式成像可以扫描无限大样品，全反射成像可扫描棱镜底面大小的样品。

进一步地，全反射成像棱镜9选取太赫兹波段的高折射率与低吸收材料，棱镜三面进行光学抛光，且与边法线成19°入射到棱镜。

具体实现时，太赫兹探测器8为太赫兹波段的探测器。

进一步地，所选仪器及参数符合两种模式(反射模式或全反射模式)达到最好成像要求。所选仪器及参数符合反射及透射理论计算的公式。

综上所述，本实用新型实施例提供了一种将反射和全反射成像结合在一套装置中用于样品粗精扫描成像，相比于仅反射成像，因全反射成像采用折射率较大的高阻硅棱镜，提高了成像分辨率，具有较高的检测灵敏度。

实施例2

下面结合图1，对实施例1中的方案、工作原理进行进一步地介绍，详见下文描述：

本实用新型实施例的目的在于提供一种通过设计成像参数，增大成像系统的灵敏度、减少成像时间、提高成像分辨率的成像装置。

在反射式成像过程中，太赫兹波经第一太赫兹波离轴抛物面镜3的聚焦，斜入射到反射成像窗口4，然后入射到样品5，经样品5反射的太赫兹波需再次通过反射成像窗口4。

第一太赫兹离轴抛物面镜3用于将输出的太赫兹波聚焦入射到反射成像窗口4(或棱镜)上；第二太赫兹离轴抛物面镜6，设置在放样品5的信号光出射光路上，用于接收信号光太赫兹波；第三太赫兹离轴抛物面镜7，设置在太赫兹波探测前，用于接收并聚焦信号光太赫兹波进入太赫兹波探测器8；太赫兹波探测器8，设置在第三太赫兹离轴抛物面镜7的信号光出射光路上，收集第三太赫兹离轴抛物面镜7的反射光。

为了尽可能减少反射成像窗口4的损耗，第一太赫兹波离轴抛物面镜3的离轴角度(太赫兹波斜入射到反射成像窗口4的角度)需要满足两方面的要求，一方面需要该角度入射的太赫兹波透过反射成像窗口4表面时满足高透低反的要求，另一方面要求透过反射成像窗口4的太赫兹波经样品5高反才能获得样品信息。

由菲涅尔理论可得，对于斜入射的太赫兹波，其反射系数和透射系数受角度的影响极大，以P偏振光为例，其反射系数r和透射系数t满足如下公式：

其中，n₁为空气的折射率，n₂为反射窗口的折射率，θ为太赫兹波入射到反射成像窗口4的角度，θ₂为太赫兹波进入反射成像窗口4后的折射角度。

图2为太赫兹波在反射成像窗口4表面的将其反射系数和透射系数与入射角度的关系绘制如图2所示。由图2可知，在入射角度θ为30°～60°时，其反射窗口满足高透低反的要求。进一步透过反射成像窗口4的太赫兹波需经样品5高反才能获得样品信息，因此通过反射成像窗口4的太赫兹波斜入射到样品5的角度需满足有高反射率的要求。根据斯涅耳公式：

n₂sinθ₂＝n₃sinθ₃ (3)

其中，n₃为样品的折射率，θ₃为太赫兹波入射进样品后的折射角度。

由公式(3)可得，在样品5的折射率n₃一定的情况下，入射角越大，进入样品5的折射角度越大。由图2可得反射系数随角度的增大而较低，因此第二太赫兹离轴抛物面镜6的离轴角度选择为30°。

在反射式成像的基础上，进一步优化设计全反射棱镜的参数以获得全反射成像，即只需要将全反射成像棱镜9替换反射成像窗口4，而不改变图1的成像装置中其他元件，则可实现全反射成像。

与反射成像相同，因多角度入射，全反射成像受角度的影响极大。由公式(1)可得P偏振光的全反系数R随角度的变化，如图3所示。

其中，n₁为全反射成像棱镜9的折射率，n₂为样品5的折射率，θ为太赫兹波入射到全反射成像棱镜9底面的角度，θ₂为太赫兹入射到样品5后的折射角度。考虑到水对太赫兹波的吸收较大，图3以水为例进行计算。

由图3可得，入射角θ全反射临界角36.8°～60°，P偏振光的全反射率随入射角度的增大而增大，反射率越大即太赫兹的吸收越小。全反射成像因由倏逝波成像，其穿透深度仅有几十个微米，因此为了更好的获得样品5的信息需减小全反射率。因此将入射到样品5的角度选择为43°。结合第二太赫兹离轴抛物面镜6的角度，全反射采用顶角为82°的等腰三棱镜，其底面与高度可根据成像样品5的大小进行选择。

综上所述，本实用新型实施例提供了一种提高太赫兹成像灵敏度的双模式成像装置，通过优化离轴抛物面镜的离轴角、全反射棱镜的角度与尺寸，只需切换反射窗口与全反射棱镜，即可实现反射式和全反射式两种成像模式，而无需其他元件调整。

实施例3

下面结合图4-图6对实施例1和2中的装置进行可行性验证，详见下文描述：

本实验分别用反射和全反射成像对生物组织样品进行成像，生物样品以猪肉为例，其由脂肪和肌肉组成。实物图如图4所示，图中脂肪和肌肉的边界处依次标号①、②与③。

图5为太赫兹反射式成像结果，太赫兹反射成像可清晰的获得猪肉的轮廓，对于脂肪和肌肉区域界限较明显的①和②边界识别的较好，而对于较不明显的③，成像几乎难以识别。

图6为太赫兹全反射成像结果，其可以清晰识别实物图4中①和②与③的细节。

通过上述试验，可以直接的验证本实用新型实施例1和2中装置的可行性，满足了实际应用中的多种需要，提高了成像灵敏度。

综上所述，本实用新型实施例在太赫兹波成像的采样阶段使用反射成像和全反射成像快速切换的方式，实现一种既具有高的成像灵敏度，不破坏样品完整性，又可减少扫描时间和尽可能多的获得样品信息的成像方式或实验装置。

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 (4)

1.一种基于双模式的高灵敏度太赫兹波成像装置，其特征在于，

太赫兹波平面反射镜、第一太赫兹离轴抛物面镜、第二太赫兹离轴抛物面镜与第三太赫兹离轴抛物面镜依次设置在太赫兹波的出射光路上；

反射成像窗口及全反射成像棱镜的底面被置于第一太赫兹离轴抛物面镜和第二太赫兹离轴抛物面镜的水平焦平面上；

透过反射成像窗口的入射太赫兹波入射到样品，携带样品信息的太赫兹波再次经过反射成像窗口后被第二太赫兹波离轴抛物面镜聚焦并接收，获得反射成像；

太赫兹波经第一太赫兹离轴抛物面镜聚焦后入射到全反射成像棱镜的一个侧面上，太赫兹波在垂直全反射成像棱镜底面的方向产生倏逝波；

倏逝波垂直入射到样品，携带样品信息的太赫兹波在全反射成像棱镜的另一个侧面出射，出射后的太赫兹波被第二太赫兹离轴抛物面镜收集并接收，并通过太赫兹波平面反射镜反射，入射到太赫兹探测器，以获得样品的全反射成像结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于双模式的高灵敏度太赫兹波成像装置，其特征在于，所述反射成像窗口为对太赫兹波高透的材料，所述全反射成像棱镜为对太赫兹高透的等腰三棱镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于双模式的高灵敏度太赫兹波成像装置，其特征在于，所述太赫兹源为连续或脉冲太赫兹辐射源。

4.根据权利要求1所述的一种基于双模式的高灵敏度太赫兹波成像装置，其特征在于，太赫兹波平面反射镜、第一太赫兹反射离轴抛物面镜、第二太赫兹反射离轴抛物面镜和第三太赫兹反射离轴抛物面镜均镀太赫兹波段的宽带高反膜。