CN210465257U - 太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，太赫兹波经斩波器、反射镜、分光镜、非球面透镜聚焦入射到全反射棱镜中，通过计算机系统控制一维扫描平台带动光程补偿棱镜组中的一个直角三角形棱镜和全反射棱镜分别沿z轴和y轴移动，携带样品信息的太赫兹波经太赫兹探测器探测，实现待测样品的成像。当太赫兹波扫描样本的不同位置时，入射到全反射棱镜底面上的光程相同，即实现了太赫兹波焦点始终位于全反射棱镜的底面上，本实用新型克服了扫描成像焦点偏移导致分辨率变化的现象，实现高质量的成像，且具有稳定性高、易于光线收集、成像灵敏度高、无干涉条纹、对样品无破坏性的特点，在生命科学、医疗诊断等方面有着重要的应用潜力。

Description

太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置

技术领域

本实用新型涉及一种太赫兹成像。特别是涉及一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)波是指频率从0.1THz-10THz范围的电磁波，相应的波长为0.03mm到3mm，介于远红外光与微波之间的电磁波谱区域。由于该频段正好处于宏观经典理论向微观电子理论的过渡区，其具有很多独特的性质，如瞬态性、宽带性、低能性等。因此，THz波成像技术在材料科学、生命科学、医学成像以及食品检测等领域有着极大的应用前景与应用价值。

当前，常见的太赫兹成像方式包括透射式与反射式成像。透射式成像具有较高的探测灵敏度，但对某些在太赫兹波段具有强烈吸收的样品，其对厚度有着严格的要求，通常具有样品制备复杂的缺点。反射式成像通过探测太赫兹波在样品表面的反射信号而进行成像，对于粉末状样品或表面不均匀的样本而言，其存在较强的漫反射。特别是上述两种成像方式通常采用太赫兹波低吸收材料作为基底，这容易使得光线在基底与样品之间、上下基底之间或样品上下表面之间形成干涉，从而造成成像质量恶化、图像准确性降低。太赫兹衰减全反射(attenuated total reflection,ATR)成像是利用全反射的机理，将待测样品置于全反射棱镜上表面，当太赫兹波的入射角大于临界角时，光线会在全反射棱镜上表面发生全反射，并携带样品信息。由于样品表面与全反射棱镜紧密接触，该方法具有灵敏度高、不存在干涉条纹、避免对样品的破坏等优点，特别适合对太赫兹波高吸收率的液体、固体及粉末材料成像。受限于太赫兹面阵探测器的灵敏度较低，太赫兹波ATR成像多采用逐点扫描方式，即通过样品移动或者全反射棱镜逐点移动以实现扫描成像。若采用样品移动方式，容易造成样品表面与全反射棱镜之间的摩擦损耗，并形成接触空隙。较常使用的棱镜移动方式是将样品固定于全反射棱镜上，通过棱镜的移动实现太赫兹波对样品的扫描。但当全反射棱镜移动时，太赫兹波到棱镜底面所经历的光程不同，则焦点位置会出现偏移问题，导致成像分辨率发生变化。若样品尺寸较小，焦点位置变化所引起的光程变化在瑞利长度范围内时，成像分辨率的变化会体现在图像边缘处；当样品较大时，焦点位置偏移会使图像发生畸变，影响成像质量，这就直接限制了成像面积，制约了其在科学研究、医学诊断等领域的实际应用。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够实现太赫兹波ATR成像分辨率不随扫描位置发生改变的太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置。

本实用新型所采用的技术方案是：一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，包括太赫兹辐射源和接收太赫兹辐射源出射光的斩波器，沿斩波器的太赫兹波出射光路上依次设置有第一太赫兹反射镜、太赫兹分光镜、第二太赫兹反射镜、第一非球面透镜、光程补偿棱镜组、放置有待测成像样品的全反射棱镜、用于收集太赫兹波的第二非球面透镜和第二太赫兹探测器，其中，所述太赫兹分光镜将太赫兹波分成两路，一路透射光入射到第二太赫兹反射镜，一路反射光的光路上设置有用于接收该反射光并作为参考光波信号输入到计算机控制系统中的第一太赫兹探测器，用于实现太赫兹波在扫描过程中入射到所述全反射棱镜底面上的光程补偿棱镜组上设置有用于驱动光程补偿棱镜组沿z方向移动，实现对待测成像样品x方向的扫描的一维z轴扫描平台，所述全反射棱镜上设置有用于驱动全反射棱镜沿y向移动，实现对待测成像样品y方向的扫描的一维y轴扫描平台，所述的一维z轴扫描平台和一维y轴扫描平台的控制信号输入端分别连接计算机控制系统，所述第二太赫兹探测器的信号输出端连接所述计算机控制系统，所述的计算机控制系统通过数据采集卡连接一维z轴扫描平台和一维y轴扫描平台，用于分别实现所述的光程补偿棱镜组，与全反射棱镜沿z轴和y轴的移动；并且通过数据采集卡连接所述的第一太赫兹探测器和第二太赫兹探测器，用于太赫兹光强的采集，从而实现待测成像样品的成像显示。

本实用新型的太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，能够实现太赫兹波ATR成像分辨率不随扫描位置发生改变，克服样本扫描成像面积有限，完全实现太赫兹波ATR成像分辨率的补偿。

本实用新型采用补偿棱镜组起到补偿光程的作用，当扫描样本的不同位置时，焦点始终位于全反射棱镜的底面，克服了传统的衰减全反射棱镜扫描成像焦点位置偏移而导致的图像分辨率变化的现象，可以实现高质量的成像，并且避免了对成像样品尺寸的限制。

本实用新型通过补偿棱镜的上下移动来控制太赫兹波出射光线高度的变化，实现待测样本x方向上的扫描，这代替了传统ATR棱镜扫描成像装置中通过控制全反射棱镜的上下移动实现待测样本x方向上的扫描，相比而言，减少了放置样品的全反射棱镜的运动，极大地提高了系统的稳定性。

本实用新型通过补偿棱镜的上下移动来控制太赫兹波出射光线高度的变化，实现待测样本x方向上的扫描，出射的太赫兹波高度变化范围较小，能够实现信号的完全收集，克服了传统ATR棱镜扫描成像装置中由于光线高度变化范围较大、太赫兹探测器孔径有限而不能实现信号完全收集的缺点。

本实用新型由于采用太赫兹波衰减全反射成像技术，与透射式和反射式成像相比，具有成像灵敏度高、无干涉条纹，且对样本不具有破坏性的优点。

本实用新型通过计算机控制一个光程补偿棱镜和全反射棱镜分别沿z轴和y轴移动，即可实现对待测样品的太赫兹波扫描成像。光程补偿棱镜组有效地保证了太赫兹波在扫描过程中入射到全反射棱镜底面上的光程相同，实现了始终采用光束的焦点扫描样品，成像分辨率保持不变，提高了成像质量，本实用新型有利于信号的收集探测，避免了对成像样品尺寸的限制，增强了系统的稳定性，具有成像灵敏度高、无干涉条纹、对样品无破坏性的特点，可广泛应用于生命科学、医疗诊断等领域。

附图说明

图1是本实用新型的太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置的整体结构示意图；

图中

1：太赫兹辐射源 2：斩波器

3：第一太赫兹反射镜 4：太赫兹分光镜

5：第一太赫兹探测器 6：第二太赫兹反射镜

7：第一非球面透镜 8：光程补偿棱镜组

9：第一补偿棱镜 10：第二补偿棱镜

11：全反射棱镜 12：待测成像样品

13：第二非球面透镜 14：第二太赫兹探测器

15：一维z轴扫描平台 16：一维y轴扫描平台

17：计算机控制系统 18：第三补偿棱镜

19：第四补偿棱镜

图2是本实用新型光程补偿棱镜组第一实施例的结构示意图；

图中

A：太赫兹波在第一非球面透镜上的出射点

B：太赫兹波在第一补偿棱镜上的入射点

C：太赫兹波经过第一补偿棱镜后的出射点

D：太赫兹波在第二补偿棱镜上的入射点

E：太赫兹波经过第二补偿棱镜后的出射点

F：太赫兹波在全反射棱镜上的入射点

G：太赫兹波入射到全反射棱镜底面的位置点

α：第一补偿棱镜的顶角

θ：全反射棱镜顶角的一半

n：第一补偿棱镜、第二补偿棱镜和全反射棱镜在太赫兹波段的折射率

HI1：第一补偿棱镜与第二补偿棱镜的高度

h'：第一补偿棱镜向下移动的高度

r₁：第一补偿棱镜移动时所扫描的样本沿x方向的长度；

图3是本实用新型光程补偿棱镜组第二实施例的结构示意图；

图中

A′：太赫兹波在第一非球面透镜上的出射点

B′：太赫兹波在第三补偿棱镜上的入射点

C′：太赫兹波经过第四补偿棱镜后的出射点

D′：太赫兹波在全反射棱镜上的入射点

E′：太赫兹波入射到全反射棱镜底面的位置点

β：第三补偿棱镜的顶角

θ：全反射棱镜的顶角的一半

n：第三补偿棱镜、第四补偿棱镜和在太赫兹波段的折射率

HI2：第三补偿棱镜与第四补偿棱镜的高度

h”：第三补偿棱镜向下移动的高度

r₂：第三补偿棱镜移动时所扫描的样本沿x方向的长度

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置做出详细说明。

如图1所示，本实用新型的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，包括太赫兹辐射源1和接收太赫兹辐射源1出射光的斩波器2，沿斩波器2的太赫兹波出射光路上依次设置有第一太赫兹反射镜3、太赫兹分光镜4、第二太赫兹反射镜6、第一非球面透镜7、光程补偿棱镜组8、放置有待测成像样品12的全反射棱镜11、用于收集太赫兹波的第二非球面透镜13和第二太赫兹探测器14，其中，所述太赫兹分光镜4将太赫兹波分成两路，一路透射光入射到第二太赫兹反射镜6，一路反射光的光路上设置有用于接收该反射光并作为参考光波信号输入到计算机控制系统17中的第一太赫兹探测器5，以减少功率波动等因素所引起的噪声对成像的影响，用于实现太赫兹波在扫描过程中入射到所述全反射棱镜11底面上的光程补偿棱镜组8上设置有用于驱动光程补偿棱镜组8沿z方向移动，实现对待测成像样品12x方向的扫描的一维z轴扫描平台15，所述全反射棱镜11上设置有用于驱动全反射棱镜11沿y向移动，实现对待测成像样品12y方向的扫描的一维y轴扫描平台16，所述的一维z轴扫描平台15和一维y轴扫描平台16的控制信号输入端分别连接计算机控制系统17，所述第二太赫兹探测器14的信号输出端连接所述计算机控制系统17，所述的计算机控制系统17通过数据采集卡连接一维z轴扫描平台15和一维y轴扫描平台16，用于分别实现所述的光程补偿棱镜组8，与全反射棱镜11沿z轴和y轴的移动；并且通过数据采集卡连接所述的第一太赫兹探测器5和第二太赫兹探测器14，用于太赫兹光强的采集，从而实现待测成像样品12的成像显示。

所述的第一太赫兹探测器5与第二太赫兹探测器14为太赫兹波段的探测器。所述的斩波器2的斩波频率需要根据第一太赫兹探测器5和第二太赫兹探测器14的重复频率响应特性而设定。

所述的太赫兹辐射源1为连续或脉冲太赫兹辐射源，所述光程补偿棱镜组8的材料与全反射棱镜11材料相同；通常选取太赫兹波段的高折射率与低吸收材料，如硅或锗。全反射棱镜11三面进行光学抛光，太赫兹波入射方向与棱镜底面平行。所述的光程补偿棱镜组8底面与入射的太赫兹波的方向平行，光程补偿棱镜组8的太赫兹波的通光面和出射面均为光学抛光面。

所述的第一太赫兹反射镜3和第二太赫兹反射镜6均镀太赫兹波段的宽带高反膜，所述的第一非球面透镜7和第二非球面透镜13在太赫兹波段具有高透过率，所述的第一非球面透镜7的焦距根据实际应用所需的聚焦光斑大小决定，所述的第二非球面透镜13的焦距选择以能够完全实现太赫兹波光线的收集为依据

如图2所示，所述的光程补偿棱镜组8为空气接触式光程补偿棱镜组，包括有第一补偿棱镜9和第二补偿棱镜10，所述第一补偿棱镜9和第二补偿棱镜10结构大小相同，均为直角三角形棱镜，所述第一补偿棱镜9和第二补偿棱镜10的长边直角面垂直于入射的太赫兹波放置，且对应作为太赫兹波进入补偿棱镜组的入射面和出射面，两个棱镜的斜边面相互平行放置，第一补偿棱镜9设置在一维z轴扫描平台15上，在一维z轴扫描平台15的驱动下沿z轴方向向下移动。

所述的第一补偿棱镜9与第二补偿棱镜10之间具有用于避免两者之间摩擦损伤的设定空气间隔。

所述的第一补偿棱镜9的扫描移动过程中，第二补偿棱镜10与全反射棱镜11保持不动，太赫兹波入射到全反射棱镜11底面的光程始终保持不变。

待测成像样品12的扫描长度与第一补偿棱镜9和第二补偿棱镜10的高度成正比。

第一补偿棱镜9和第二补偿棱镜10的高度HI1＝60mm时，在待测成像样品12沿x方向的最大扫描长度为9.3mm，补偿棱镜的顶角为8.1°。若想获得更大的成像面积，可以继续增大第一补偿棱镜9和第二补偿棱镜10的高度。

如图3所示，所述的光程补偿棱镜组8还可以是棱镜接触式光程补偿棱镜组，包括有第三补偿棱镜18和第四补偿棱镜19，所述第三补偿棱镜18和第四补偿棱镜19的长边直角面垂直于入射的太赫兹波放置，且尽可能靠近；第三补偿棱镜18和第四补偿棱镜19的斜边面相互平行放置，且对应作为太赫兹波进入光程补偿棱镜组8的入射面和出射面；第三补偿棱镜18设置于一维z轴扫描平台15上，在一维z轴扫描平台15的驱动下沿z轴方向向下移动，第三补偿棱镜18与第四补偿棱镜19尽可能靠近。

当所述的第三补偿棱镜18沿z轴正方向移动时，太赫兹波的出射方向向上平移，则太赫兹波入射到全反射棱镜的位置发生上移，实现对待测成像样品12x方向的扫描。全反射棱镜11置于沿y轴方向移动的一维扫描平台上，实现对待测成像样品12y方向的扫描。在第三补偿棱镜18的扫描移动过程中，第四补偿棱镜19与全反射棱镜11保持不动，太赫兹波的光程始终保持不变。

待测成像样品12的扫描长度与第三补偿棱镜18和第四补偿棱镜19的高度成正比。

第三补偿棱镜18和第四补偿棱镜19的高度HI2＝40mm时，对待测成像样品12沿x方向的最大扫描长度等于14.3mm，第三补偿棱镜18和第四补偿棱镜19的顶角为25°。若想获得更大的成像面积，可以继续增大第三补偿棱镜18和第四补偿棱镜19的高度。

本实用新型只需要利用计算机控制系统17控制一个光程补偿棱镜和全反射棱镜分别沿z轴和y轴移动，即可实现对待测样品的扫描成像。这样不仅实现了成像分辨率保持不变，对样品尺寸无限制及信号的完全收集，还增强了系统稳定性，可实现高灵敏度、高质量的成像测量。

本实用新型的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置的工作原理如下：

太赫兹辐射源1发出的太赫兹波经过斩波器2、第一太赫兹反射镜3，入射到太赫兹分光镜4，其中一路反射光被第一太赫兹探测器5探测作为参考信号，另一路透射光经过第二太赫兹反射镜6入射到第一非球面透镜7，太赫兹光束由平行光变为汇聚光，再经过光程补偿棱镜组8和全反射棱镜11，聚焦入射到全反射棱镜11的底面上，并发生全反射；光程补偿棱镜组8中的一个固定不动，另一个沿z轴镜像且沿x轴翻转180°后固定在z轴方向移动的一维z轴扫描平台15上，这样入射到全反射棱镜11中的太赫兹光束会出现沿z轴方向的平移，从而实现对待测成像样品12x方向的扫描；在光程补偿棱镜组8的过程中，太赫兹波入射到全反射棱镜11底面的光程始终不变，即将高斯光束的焦点聚焦到全反射棱镜11底面，实现用高斯光束的焦点扫描整个待测成像样品12；全反射棱镜11固定于y轴方向移动的一维y轴扫描平台16上，实现对待测成像样品12y方向的扫描；出射的太赫兹波被第二太赫兹探测器14；通过计算机系统调节控制一维z轴扫描平台15和一维y轴扫描平台16的移动，并采集第一太赫兹探测器5和第二太赫兹探测器14的数据，最终实现太赫兹波衰减全反射成像结果的显示。

Claims (7)

1.一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，包括太赫兹辐射源(1)和接收太赫兹辐射源(1)出射光的斩波器(2)，其特征在于，沿斩波器(2)的太赫兹波出射光路上依次设置有第一太赫兹反射镜(3)、太赫兹分光镜(4)、第二太赫兹反射镜(6)、第一非球面透镜(7)、光程补偿棱镜组(8)、放置有待测成像样品(12)的全反射棱镜(11)、用于收集太赫兹波的第二非球面透镜(13)和第二太赫兹探测器(14)，其中，所述太赫兹分光镜(4)将太赫兹波分成两路，一路透射光入射到第二太赫兹反射镜(6)，一路反射光的光路上设置有用于接收该反射光并作为参考光波信号输入到计算机控制系统(17)中的第一太赫兹探测器(5)，用于实现太赫兹波在扫描过程中入射到所述全反射棱镜(11)底面上的光程补偿棱镜组(8)上设置有用于驱动光程补偿棱镜组(8)沿z方向移动，实现对待测成像样品(12)x方向的扫描的一维z轴扫描平台(15)，所述全反射棱镜(11)上设置有用于驱动全反射棱镜(11)沿y向移动，实现对待测成像样品(12)y方向的扫描的一维y轴扫描平台(16)，所述的一维z轴扫描平台(15)和一维y轴扫描平台(16)的控制信号输入端分别连接计算机控制系统(17)，所述第二太赫兹探测器(14)的信号输出端连接所述计算机控制系统(17)，所述的计算机控制系统(17)通过数据采集卡连接一维z轴扫描平台(15)和一维y轴扫描平台(16)，用于分别实现所述的光程补偿棱镜组(8)，与全反射棱镜(11)沿z轴和y轴的移动；并且通过数据采集卡连接所述的第一太赫兹探测器(5)和第二太赫兹探测器(14)，用于太赫兹光强的采集，从而实现待测成像样品(12)的成像显示。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述的太赫兹辐射源(1)为连续或脉冲太赫兹辐射源，所述光程补偿棱镜组(8)的材料与全反射棱镜(11)材料相同；所述的光程补偿棱镜组(8)底面与入射的太赫兹波的方向平行，光程补偿棱镜组(8)的太赫兹波的通光面和出射面均为光学抛光面。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述的光程补偿棱镜组(8)为空气接触式光程补偿棱镜组，包括有第一补偿棱镜(9)和第二补偿棱镜(10)，所述第一补偿棱镜(9)和第二补偿棱镜(10)结构大小相同，均为直角三角形棱镜，所述第一补偿棱镜(9)和第二补偿棱镜(10)的长边直角面垂直于入射的太赫兹波放置，且对应作为太赫兹波进入补偿棱镜组的入射面和出射面，两个棱镜的斜边面相互平行放置，第一补偿棱镜(9)设置在一维z轴扫描平台(15)上，在一维z轴扫描平台(15)的驱动下沿z轴方向向下移动。

4.根据权利要求3所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述的第一补偿棱镜(9)与第二补偿棱镜(10)之间具有用于避免两者之间摩擦损伤的设定空气间隔。

5.根据权利要求3所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述的待测成像样品(12)的扫描长度与第一补偿棱镜(9)和第二补偿棱镜(10)的高度成正比。

6.根据权利要求1所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述的光程补偿棱镜组(8)为棱镜接触式光程补偿棱镜组，包括有第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)，所述第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)的长边直角面垂直于入射的太赫兹波放置；第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)的斜边面相互平行放置，且对应作为太赫兹波进入光程补偿棱镜组(8)的入射面和出射面；第三补偿棱镜(18)设置于一维z轴扫描平台(15)上，在一维z轴扫描平台(15)的驱动下沿z轴方向向下移动。

7.根据权利要求6所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述的待测成像样品(12)的扫描长度与第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)的高度成正比。

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