一種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及太赫茲光譜成像【技術領域】，尤其是涉及一種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀。本發(fā)明所要解決的技術問題是：針對現有技術存在的問題，提供一種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀，將太赫茲波遠場成像的空間分辨能力提高到微米量級，提高太赫茲成像質量，拓展太赫茲成像技術的應用領域。本發(fā)明包括太赫茲發(fā)射器、激光產生裝置、角度轉換器、孔徑成像裝置、太赫茲探測器、鎖相放大器等。本發(fā)明應用于太赫茲光譜成像【技術領域】。
【專利說明】ー種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀
[0001]【技術領域】
本發(fā)明涉及太赫茲光譜成像【技術領域】，尤其是涉及ー種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀。
【背景技術】
[0002]太赫茲波與其他波段的電磁輻射一樣可以用來對物體成像，而且根據太赫茲的大多物質在太赫茲波段都可有指紋譜等特性，使太赫茲成像相比其他成像方式更具優(yōu)勢。
[0003]1995年，Hu等在THz-TDS系統中增加ニ維掃描平移臺，首次實現脈沖太赫茲時域光譜成像，并成功對樹葉、芯片等被測樣品成像。由于這種成像方法獲得的被測樣品的光譜信息，不僅能夠實現結構成像，而且能夠實現功能成像，隨著對太赫茲波新特性的深入了解，太赫茲成像技術快速發(fā)展起來，涌現出了許多諸如太赫茲ニ維電光取樣成像、層析成像、太赫茲啁啾脈沖時域場成像、近場成像、太赫茲連續(xù)波成像等，可應用與生物醫(yī)學、質量檢測、安全檢查、無損檢測等眾多領域。
[0004]對于太赫茲時域光譜成像系統，所獲取的數據集合實際是三維時空的數據(ニ維空間(X，y)軸向和ー維時間軸向)。利用該三維數據集合可得到一系列被測樣品的太赫茲圖像，即皮秒量級的電影。另外由于在ー個時間點上的太赫茲圖像所包含的信息量很少，所以通常要獲取整個三維的數據集合。而太赫茲圖像的重構通常是基于太赫茲時域波形的特定參數或方位的延遲時間。
[0005]太赫茲成像技術以其獨特的光譜特性和穿透性，在物理、化學、生物醫(yī)學、安檢等領域都具有廣泛的應用。但是由于太赫茲波的波長較長(ITHz波長為0.3mm)，受衍射效應的限制，太赫茲成像的空間分辨率在亞毫米量級，限制了其成像質量，難以用于細微結構的成像。目前解決這ー問題的途徑是將近場成像技術(由瑞利判據可知，太赫茲成像技術存在空間分辨率不足的限制，由此限制了太赫茲波成像技術的實用化，所以需要突破衍射極限，提高太赫茲成像系統的空間分辨率。瞬逝波隨距離的增加以指數衰減，傳播距離在ー個波長以內，無法抵達傳統成像設備的像平面，所以如果將探測器放置于被測樣品附近(ー個波長之內)，就可探測到瞬逝波，由此就可以對被測樣品進行亞波長高分辨率的成像，此即為近場成像技木。)應用到太赫茲成像。但是由于近場成像要求被測樣品緊貼探針，系統結構復雜且普適性差，在很大程度上限制了超衍射分辨太赫茲成像技術的應用范圍。能夠實現微米量級成像分辨能力的太赫茲波遠場探測成像技術一直沒有得以解決。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是:針對現有技術存在的問題，提供一種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀，將太赫茲波遠場成像的空間分辨能力提高到微米量級，提高太赫茲成像質量，拓展太赫茲成像技術的應用領域。
[0007]本發(fā)明采用的技術方案如下:
ー種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀包括:太赫茲發(fā)射器，用于產生太赫茲波；
激光產生裝置，用于產生激光光束，并進行激光光束調制；
角度轉換器，用于調節(jié)激光光束入射角、太赫茲波入射角，使得激光光束入射角、太赫茲波入射角相同，并且激光光束、太赫茲波中心點重合；所述太赫茲波通過太赫茲發(fā)射器產生；
孔徑成像裝置，用于將通過角度轉換器調節(jié)后的激光光束、太赫茲波，聚焦到孔徑成像裝置的測試窗ロ ；實現對被測樣品的成像，其中孔徑成像裝置通過二維掃描平移臺移動；太赫茲探測器，用于探測被測樣品反射或透射的太赫茲波，并輸出相應的電信號；鎖相放大器，用于接收激光產生裝置產生的參考信號，同時接收太赫茲探測器輸出的電信號，進行信號提取及放大，得到被測樣品圖像。[0008]所述激光產生裝置包括激光器、斬波器、第一透鏡，所述激光器輸出的激光光束通過第一透鏡、角度轉換器轉換后聚焦于孔徑成像裝置，所述斬波器輸出其工作頻率信號給鎖相放大器ー輸入端，斬波器輸出的工作頻率信號作為參考信號，所述第一透鏡是將通過斬波器的激光光束進行聚焦，使得被測樣品輪廓直徑Yk為調制后的激光器光束直徑ら滿足Yr ≥ 2Gk。
[0009]所述孔徑成像裝置包括:形成測試窗ロ的熔融石英層、二氧化釩薄膜層以及被測樣品層，所述二氧化釩薄膜層兩端面分別與熔融石英層下表面與被測樣品層上表面緊貼，所述太赫茲波、經調制的激光器聚焦于熔融石英層下表面，所述二氧化釩薄膜層上表面與熔融石英層下表面緊貼，被測樣品上表面緊貼于二氧化釩薄膜層下表面，被測樣品下表面透射或者被測樣品上表面反射的太赫茲波通過太赫茲探測器接收。
[0010]所述角度轉換器是導電玻璃時:激光產生裝置產生的激光器光束透過導電玻璃，隨后入射到孔徑成像裝置表面，太赫茲光譜裝置產生的太赫茲波通過導電玻璃反射到孔徑成像裝置表面；當角度轉換器是硅片時:激光器產生的激光器光束通過硅片反射到孔徑成像裝置表面；太赫茲光譜裝置產生的太赫茲波透過硅片，隨后入射到孔徑成像裝置表面。
[0011]所述鎖相放大器接收到斬波器輸出的工作頻率信號作為參考信號，依此提取太赫茲探測器輸出的太赫茲波差值電信號，并對此差值電信號進行放大。
[0012]一種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀還包括第二透鏡，所述第二透鏡對太赫茲發(fā)射器輸出的太赫茲波進行聚焦，然后將聚焦后的太赫茲波輸入到角度轉換器。
[0013]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果是:
I)利用聚焦激光實現對被測樣品的空間掃描，使得成像空間分辨率由聚焦激光光斑尺寸決定，由于激光光斑經聚焦后尺寸可達微米量級，因此使太赫茲成像突破了太赫茲波長的限制，能夠實現微米量級的空間分辨能力。
[0014]2)利用鎖相放大技器實現對微小差分成像信號的提取，其優(yōu)點在于:能夠獲取微米尺度被測樣品的差異的微弱信號，實現對被測樣品的準確成像。
[0015]3)本裝置可以實現反射式和透射式兩種成像方式(指的是太赫茲波探測器的探測方式，反射式指的是太赫茲波探測器在圖2中熔融石英6窗ロー側探測；反射式指的是太赫茲探測器在圖2中被測樣品8 一側進行探測)，適用于不同的被測樣品(例如測金屬被測樣品的話，因為金屬對太赫茲波吸收較多，因此采用反射式，從熔融石英6 —側進行探測；測木頭的話，因為木頭對太赫茲波吸收很少，可以采用透射式，從被測樣品8 —側進行探測)和診斷需求，應用領域廣泛。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1本發(fā)明ー種實施例原理框圖。
[0017]圖2孔徑成像裝置。
[0018]圖3是太赫茲光斑示意圖。
[0019]附圖標記:
1-激光器2-斬波器3-第一透鏡
4-太赫茲發(fā)射器5-角度轉換器6-太赫茲探測器
7-鎖相放大器8-孔徑成像裝置9-處理器
10-第二透鏡。
【具體實施方式】
[0020]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0021]本說明書(包括任何`附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是ー系列等效或類似特征中的ー個例子而已。
[0022]一、本發(fā)明相關說明:
1、本裝置工作原理:
I)太赫茲成像的基本原理:利用太赫茲成像系統把成像被測樣品的透射譜或反射譜的信息(包括振幅和相位的二位信息)進行處理、分析，得到被測樣品的太赫茲圖像。太赫茲成像系統的基本構成與太赫時域光譜相比，多了圖像處理裝置和掃描控制裝置。利用反射掃描或透射掃描都可以成像，這主要取決于成像被測樣品及成像系統的性質。根據不同的需要可以采用不同的成像方法。
[0023]2)本成像儀在太赫茲成像基礎原理基礎上，通過孔徑成像裝置對被測樣品成像，進行通過太赫茲探測器對被測樣品成像圖像進行反射式探測或透射式探測，得到太赫茲成像圖像；其中例如被測樣品是金屬(由于金屬對太赫茲波吸收較充分)時，太赫茲探測器采用反射式探測，即探測被測樣品上表面反射的太赫茲波；例如被測樣品是木頭(木頭對太赫茲波吸很少)時，太赫茲探測器采用透射式探測，即探測被測樣品下表面透射的太赫茲波。
[0024]3)通過鎖相放大器接收太赫茲探測器及斬波器輸出的頻率信號，進行被測樣品圖像微弱信號的提取及放大。進一歩的，可通過處理器對鎖相放大器輸出信號進行分析處理。
[0025]2、熔融石英層是熔融石英形成；二氧化釩薄膜層是二氧化釩形成，所述二氧化釩薄膜層(二氧化釩薄膜層上表面)鍍在熔融石英層下表面；被測樣品層是有被測樣品形成，被測樣品層上表面緊貼于二氧化釩薄膜層下表面。
[0026]3、帶有被測樣品的孔徑成像裝置放置于二維掃描平移臺上，按照坐標X坐標與Y坐標為起始點，進行X方向與Y方向的二維掃描。使得太赫茲波及激光光束依次掃描被測樣品。所述X方向指的是二維掃描平移臺的橫向。Y方向指的是二維掃描平移臺縱向。[0027]ニ、本發(fā)明組成:
1、如圖1所示，包括:太赫茲發(fā)射器，用于產生太赫茲波；激光產生裝置，用于產生激光光束，并進行激光光束調制；角度轉換器，用于調節(jié)激光光束入射角、太赫茲波入射角，使得激光光束入射角、太赫茲波入射角相同，并且激光光束、太赫茲波中心點重合；所述太赫茲波通過太赫茲發(fā)射器產生；激光光束入射角指的是激光光束入射到孔徑成像裝置測試窗ロ的入射角，太赫茲波入射到孔徑成像裝置測試窗ロ的入射角；孔徑成像裝置，用于將通過角度轉換器調節(jié)后的激光光束、太赫茲波，聚焦到孔徑成像裝置的測試窗ロ ；實現對被測樣品的成像，其中孔徑成像裝置通過ニ維掃描平移臺移動；太赫茲探測器，用于探測被測樣品反射或透射的太赫茲波，并輸出相應的電信號；鎖相放大器，用于接收激光產生裝置產生的參考信號，同時接收太赫茲探測器輸出的電信號，進行信號提取及放大，得到被測樣品信息。另外ー種組成方式只是將上述激光產生裝置與太赫茲發(fā)射器位置對調。
[0028]進ー步的，一種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀還包括處理器、顯示器，用于對鎖相放大器輸出的被測樣品信息進行圖像信號分析，通過顯示器將處理器分析的信號進行圖像顯示。
[0029]2、孔徑成像裝置:
如圖2所示，包括形成測試窗ロ的熔融石英層、ニ氧化釩薄膜層以及被測樣品層，所述ニ氧化釩薄膜層兩端面分別與熔融石英層下表面與被測樣品層上表面緊貼，所述太赫茲波、經調制的激光器聚焦于熔融石英層下表面，所述ニ氧化釩薄膜層上表面與熔融石英層下表面緊貼，被測樣品上表面緊貼于ニ氧化釩薄膜層下表面，被測樣品下表面透射或者被測樣品上表面反射的太赫茲波通過太赫茲探測器接收。如圖3所示，太赫茲光斑形狀，其中圖3a是無激光激勵ニ氧化釩薄膜層時，透過ニ氧化釩薄膜打到被測樣品上的太赫茲光斑形狀；圖3b是有激光激勵ニ氧化釩時，透過ニ氧化釩薄膜打到樣本上的太赫茲光斑形狀。
[0030]ニ氧化釩薄膜層單層厚度一般在納米級。熔融石英層厚度毫米量級。被測樣品厚度對于反射式測量，被測樣品可以是任意厚度，對于透射式測量，被測樣品厚度要小于等于亞毫米尺度。
[0031]3、斬波器工作頻率的倒數要比鎖相放大器的積分時間低至少ー個數量級。
[0032]4、鎖相放大器工作過程是:所述鎖相放大器一輸入端接收到斬波器輸出的工作頻率信號作為參考信號，依此提取鎖相放大器另ー輸入端接收到太赫茲波差值電信號(太赫茲波差值電信號是太赫茲探測器輸出以一個方波信號為周期的太赫茲波光斑電信號，方波信號周期與斬波器工作頻率相對應。與斬波器工作頻率前半周期對應輸出沒有激光激勵ニ氧化釩薄膜層時，太赫茲波透過ニ氧化釩薄膜層打到樣本上形成的太赫茲光斑對應的電信號；與斬波器工作頻率后半周期對應輸出有激光激勵ニ氧化釩薄膜層時，太赫茲波透過ニ氧化釩打到樣本上形成的太赫茲光斑對應的電信號。方波信號周期內，后半周期與前半周期對應的太赫茲光波對應的電信號的差值為太赫茲波差值電信號)，并對此差值電信號進行放大。其中工作頻率信號是ー個方波信號，方波比為1:1，鎖相放大器通過方波信號的前半周期和后半周期分別對應提取無激光激勵ニ氧化釩薄膜層時和有激光機理ニ氧化釩薄膜層時，透過ニ氧化f凡薄膜層打到樣本上的太赫茲光斑對應的電信號。。
[0033]5、本設計中太赫茲探測器與被測樣品的距離遠大于太赫茲波的波長，是遠場探測；本成像儀的成像分辨率遠小于太赫茲波的波長，是超衍射成像。[0034]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權利要求】
1.ー種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀，其特征在于包括: 太赫茲發(fā)射器，用于產生太赫茲波； 激光產生裝置，用于產生激光光束，并進行激光光束調制； 角度轉換器，用于調節(jié)激光光束入射角、太赫茲波入射角，使得激光光束入射角、太赫茲波入射角相同，并且激光光束、太赫茲波中心點重合；所述太赫茲波通過太赫茲發(fā)射器產生； 孔徑成像裝置，用于將通過角度轉換器調節(jié)后的激光光束、太赫茲波，聚焦到孔徑成像裝置的測試窗ロ ；實現對被測樣品的成像，其中孔徑成像裝置通過二維掃描平移臺移動； 太赫茲探測器，用于探測被測樣品反射或透射的太赫茲波，并輸出相應的電信號； 鎖相放大器，用于接收激光產生裝置產生的參考信號，同時接收太赫茲探測器輸出的電信號，進行信號提取及放大，得到被測樣品信號，計算機接收鎖相放大器輸出信號并重構出被測樣品圖像。
2.根據權利要求1所述的ー種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀，其特征在于所述激光產生裝置包括激光器、斬波器、第一透鏡，所述激光器輸出的激光光束通過第一透鏡、角度轉換器轉換后聚焦于孔徑成像裝置，所述斬波器輸出其工作頻率信號給鎖相放大器一輸入端，斬波器輸出的工作頻率信號作為參考信號，所述第一透鏡是將通過斬波器的激光光束進行聚焦，使得被測樣品輪廓直徑Yk為調制后的激光器光束直徑Gk滿足Yk ^ 2Gk。
3.根據權利要求1所述的ー種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀，其特征在于所述孔徑成像裝置包括:形成測試窗ロ的熔融石英層、二氧化釩薄膜層以及被測樣品層，所述二氧化釩薄膜層兩端面分別與熔融石英層下表面與被測樣品層上表面緊貼，所述太赫茲波、經調制的激光器聚焦于熔融石英層下表面，所述二氧化釩薄膜層上表面與熔融石英層下表面緊貼，被測樣品上表面緊貼于二氧`化釩薄膜層下表面，被測樣品下表面透射或者被測樣品上表面反射的太赫茲波通過太赫茲探測器接收。
4.根據權利要求1所述的ー種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀，其特征在于所述角度轉換器是導電玻璃時:激光產生裝置產生的激光器光束透過導電玻璃，隨后入射到孔徑成像裝置表面，太赫茲光譜裝置產生的太赫茲波通過導電玻璃反射到孔徑成像裝置表面；當角度轉換器是硅片時:激光器產生的激光器光束通過硅片反射到孔徑成像裝置表面；太赫茲光譜裝置產生的太赫茲波透過硅片，隨后入射到孔徑成像裝置表面。
5.根據權利要求1所述的ー種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀，其特征在于所述鎖相放大器一輸入端接收到斬波器輸出的工作頻率信號作為參考信號，依此提取鎖相放大器另ー輸入端接收的太赫茲波差值電信號，并對此差值電信號進行放大。
6.根據權利要求1至5之一所述的ー種太赫茲波遠場探測超衍射分辨成像儀，其特征在于還包括第二透鏡，所述第二透鏡對太赫茲發(fā)射器輸出的太赫茲波進行聚焦，然后將聚焦后的太赫茲波輸入到角度轉換器。
【文檔編號】G01J3/42GK103499392SQ201310442738
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權日:2013年9月26日
【發(fā)明者】孟坤, 朱禮國, 劉喬, 鐘森城, 雷江波 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所