快速太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)及方法
【專利摘要】快速太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)及方法，為提供一種快速太赫茲連續(xù)波掃描成像的方案，采用該方案可使得掃描成像速度加快、分辨率提高，并且能夠在室溫下長期穩(wěn)定工作。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，快速太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)及方法，對(duì)太赫茲輻射進(jìn)行分光，通過引入?yún)⒖脊馓岣叱上窠Y(jié)果的信噪比；將信號(hào)光聚焦垂直入射到樣品處，將樣品固定在二維平移臺(tái)上，通過改變樣品位置實(shí)現(xiàn)掃描成像，二維平移臺(tái)移動(dòng)速度穩(wěn)定，無停頓，用型號(hào)相同的探測器探測信號(hào)光與泵浦光的強(qiáng)度值，并且根據(jù)平移臺(tái)位置記錄相應(yīng)位置處兩個(gè)太赫茲探測器的數(shù)據(jù)，比較得出樣品的太赫茲透射掃描成像結(jié)果。本發(fā)明主要應(yīng)用于太赫茲連續(xù)波掃描成像。
【專利說明】快速太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及一種快速太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)及方法，屬于太赫茲成像【技術(shù)領(lǐng)域】。具體講，涉及快速太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)及方法。
技術(shù)背景
[0002]太赫茲連續(xù)波掃描成像技術(shù)是太赫茲成像技術(shù)的主要方法之一。目前太赫茲成像技術(shù)主要分為脈沖波成像和連續(xù)波成像，前者需用飛秒激光器作為泵浦源，系統(tǒng)成本高，體積龐大，而且掃描速度慢。連續(xù)波成像系統(tǒng)可選用面陣相機(jī)作為太赫茲波探測器，成像速度快，但是成像質(zhì)量受相機(jī)陣列的限制，成像質(zhì)量差。目前已報(bào)道的太赫茲連續(xù)波掃描成像技術(shù)中，多采用耿氏振蕩器作為成像系統(tǒng)光源，其輸出波長較長，成像質(zhì)量差；部分報(bào)道中，選用二氧化碳?xì)怏w激光器作為泵浦源產(chǎn)生太赫茲輻射進(jìn)行掃描成像研究，其分辨率有所提高，所報(bào)道的成像分辨率也在0.2mm以上。目前已報(bào)道的太赫茲連續(xù)波掃描成像技術(shù)所采用的掃描方式為平臺(tái)移動(dòng)一個(gè)掃描步長，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，存在掃描間隔，一般在0.5秒左右，平移臺(tái)的變速運(yùn)動(dòng)和停頓造成掃描時(shí)間長，成像速度慢，成像所需時(shí)間在幾十分鐘至幾個(gè)小時(shí)之間?，F(xiàn)有的成像系統(tǒng)與方法在成像分辨率與掃描速度上的不足制約了其在科研領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種快速太赫茲連續(xù)波掃描成像的方案，采用該方案可使得掃描成像速度加快、分辨率提高，每秒鐘可采集10個(gè)像素點(diǎn)，在4.3THz頻率輸出下，掃描圖像分辨率達(dá)到0.1mm，并且能夠在室溫下長期穩(wěn)定工作。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，快速太赫茲連續(xù)波掃描成像方法，對(duì)太赫茲輻射進(jìn)行分光，通過引入?yún)⒖脊馓岣叱上窠Y(jié)果的信噪比；將信號(hào)光聚焦垂直入射到樣品處，將樣品固定在二維平移臺(tái)上，通過改變樣品位置實(shí)現(xiàn)掃描成像，二維平移臺(tái)移動(dòng)速度穩(wěn)定，無停頓，用型號(hào)相同的探測器探測信號(hào)光與泵浦光的強(qiáng)度值，并且根據(jù)平移臺(tái)位置記錄相應(yīng)位置處兩個(gè)太赫茲探測器的數(shù)據(jù)，比較得出樣品的太赫茲透射掃描成像結(jié)果。
[0004]快速太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)，由太赫茲激光器，頻率可調(diào)節(jié)斬波器，金屬線柵，表面鍍金反射鏡，兩個(gè)太赫茲聚焦透鏡，二維平移臺(tái)，兩個(gè)Golay-cell探測器，以及計(jì)算機(jī)構(gòu)成，太赫茲激光器產(chǎn)生的太赫茲激光經(jīng)頻率可調(diào)節(jié)斬波器由金屬線柵分成兩束，一束作為參考光透射到一個(gè)Golay-cell探測器；另一束依次經(jīng)表面鍍金反射鏡、兩個(gè)太赫茲聚焦透鏡、夾在兩個(gè)太赫茲聚焦透鏡中間二維平移臺(tái)上的樣品、透射到另一個(gè)Golay-cell探測器；計(jì)算機(jī)用于控制二維平移臺(tái)移動(dòng)速度穩(wěn)定，無停頓，并比較兩個(gè)Golay-cell探測器的輸出結(jié)果得到樣品的太赫茲透射掃描成像結(jié)果。
[0005]金屬線柵金屬線方向可調(diào)諧，通過改變角度調(diào)節(jié)分光比，使得分成兩束功率比例滿足1:1。
[0006]二維平移臺(tái)上樣品處于太赫茲聚焦透鏡焦平面處。
[0007]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)與效果:
[0008]本發(fā)明通過同時(shí)控制平移臺(tái)的連續(xù)移動(dòng)與探測器信號(hào)實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)快速成像，并通過選取高頻率太赫茲光源以及雙路探測,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量,高分辨率成像，因而本發(fā)明改善了太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)掃描成像時(shí)間長和成像質(zhì)量差的缺點(diǎn)，本太赫茲連續(xù)波掃描成像技術(shù)，通過透射成像方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品透射掃描，獲得樣品對(duì)太赫茲波的吸收信息，可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測以及公共安全領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖中:1.太赫茲激光器；2.頻率可調(diào)節(jié)斬波器；3.金屬線柵；4.表面鍍金反射鏡；5.Tsurupica透鏡；6.Tsurupica太赫茲超透鏡；7.二維平移臺(tái)；8.Golay-cell探測器；9.Golay-cell探測器；10.計(jì)算機(jī)。
[0011]圖2掃描路徑示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明提出了一種快速太赫茲連續(xù)波掃描成像的方案，方案對(duì)太赫茲輻射進(jìn)行分光，通過引入?yún)⒖脊馓岣叱上窠Y(jié)果的信噪比；將信號(hào)光聚焦垂直入射到樣品處，通過改變樣品位置實(shí)現(xiàn)掃描成像，因此需將樣品固定在二維平移臺(tái)上，通過控制平移臺(tái)連續(xù)移動(dòng)使得樣品位置改變。編程控制平移臺(tái)連續(xù)移動(dòng)，移動(dòng)速度穩(wěn)定，無停頓，并且根據(jù)平移臺(tái)位置記錄相應(yīng)位置處兩個(gè)太赫茲探測器的數(shù)據(jù)。用型號(hào)相同的探測器探測信號(hào)光與泵浦光的強(qiáng)度值，比較得出樣品的太赫茲透射掃描成像結(jié)果。兩個(gè)探測器的數(shù)據(jù)比較方法:用信號(hào)光(經(jīng)過樣品的光束)的強(qiáng)度值除以參考光的強(qiáng)度值(未經(jīng)過樣品的光束)。
[0013]本發(fā)明通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)，包括太赫茲激光器1，頻率可調(diào)節(jié)斬波器2，金屬線柵3，表面鍍金反射鏡4，太赫茲聚焦透鏡5、6，二維平移臺(tái)7，Golay-cell探測器8、9，以及計(jì)算機(jī)10構(gòu)成的快速太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)，其特征在于通過LabVIEW軟件編程，同時(shí)控制平移臺(tái)的連續(xù)移動(dòng)與探測器信號(hào)實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)快速成像，并通過選取高頻率太赫茲光源以及雙路探測，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量，高分辨率成像。Golay-cell:高萊盒。
[0014]下面通過附圖和一個(gè)具體實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0015]本發(fā)明的實(shí)施方案中太赫茲激光器可選用二氧化碳?xì)怏w泵浦太赫茲激光器，其樣品腔中填充甲醇?xì)怏w，可有五個(gè)不同波長太赫茲輸出，根據(jù)具體需求選擇4.3THz頻率輸出，其額定輸出功率為20mW;由于探測器無法相應(yīng)連續(xù)波信號(hào)，因此需要用斬波器進(jìn)行斬波，使探測器可以探測到太赫茲信號(hào)。系統(tǒng)成像速度與斬波器的斬波頻率有關(guān)，因此選用頻率可調(diào)節(jié)斬波器可以改變成像速度，斬波器斬波頻率為1-4000HZ可調(diào)，占空比為50%，根據(jù)探測器響應(yīng)頻率，將斬波頻率設(shè)為50Hz ;其成像速度較快。也可高于50Hz，但是會(huì)影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性，成像質(zhì)量等方面。金屬線柵金屬線方向可調(diào)諧，通過改變角度可以調(diào)節(jié)分光t匕，使得信號(hào)光與參考光功率比例滿足1:1 ;聚焦透鏡選用Tsurupica透鏡，尺寸為50mm，焦距為50mm ;擺放二維平移臺(tái)使樣品處于透鏡焦平面處，掃描方式為蛇形移動(dòng)，掃描過程中平移臺(tái)連續(xù)移動(dòng)，無停頓；蛇形運(yùn)動(dòng)是指平移臺(tái)移動(dòng)，聚焦光斑位置固定不變，平移臺(tái)只有上下移動(dòng)與左右移動(dòng)，并無旋轉(zhuǎn)，平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)路線為向上掃描一列，然后向右移動(dòng)一個(gè)步長，再向下移動(dòng)一列，然后向右移動(dòng)一個(gè)步長，如此反復(fù)。Golay-cell探測器選用GP-1T型號(hào)。二維平移臺(tái)位置:處于前一個(gè)透鏡的像方焦平面上，同時(shí)也是后一個(gè)透鏡的物方焦平面。
[0016]通過編寫LabVIEW程序控制平移臺(tái)連續(xù)移動(dòng)，系統(tǒng)引入外觸發(fā)信號(hào)，每個(gè)觸發(fā)信號(hào)對(duì)應(yīng)平移臺(tái)移動(dòng)一段距離，程序可通過記錄觸發(fā)信號(hào)的個(gè)數(shù)來判斷平移臺(tái)的位置，以及記錄每個(gè)像素點(diǎn)位置處的Golay-cell探測器的讀數(shù)。計(jì)算機(jī)根據(jù)探測器探測的數(shù)據(jù)重構(gòu)得到太赫茲掃描圖像，并且每完成一列掃描，立即繪制當(dāng)列圖像，進(jìn)一步縮短掃描時(shí)間。
[0017]整套系統(tǒng)搭建完成后，每次掃描只需將樣品固定在平移臺(tái)上，打開LabVIEW程序控制面板，設(shè)定掃描范圍，掃描步長，運(yùn)行程序即可完成掃描。在掃描光源為4.3THz頻率輸出時(shí)，其掃描成像分辨率為0.1mm，對(duì)IcmX Icm大小的樣品掃描時(shí)間僅需17分鐘。
【權(quán)利要求】
1.一種快速太赫茲連續(xù)波掃描成像方法，其特征是，對(duì)太赫茲輻射進(jìn)行分光，通過引入?yún)⒖脊馓岣叱上窠Y(jié)果的信噪比；將信號(hào)光聚焦垂直入射到樣品處，將樣品固定在二維平移臺(tái)上，通過改變樣品位置實(shí)現(xiàn)掃描成像，二維平移臺(tái)移動(dòng)速度穩(wěn)定，無停頓，用型號(hào)相同的探測器探測信號(hào)光與泵浦光的強(qiáng)度值，并且根據(jù)平移臺(tái)位置記錄相應(yīng)位置處兩個(gè)太赫茲探測器的數(shù)據(jù)，比較得出樣品的太赫茲透射掃描成像結(jié)果。
2.一種快速太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)，其特征是，由太赫茲激光器，頻率可調(diào)節(jié)斬波器，金屬線柵，表面鍍金反射鏡，兩個(gè)太赫茲聚焦透鏡，二維平移臺(tái)，兩個(gè)Golay-cell探測器，以及計(jì)算機(jī)構(gòu)成，太赫茲激光器產(chǎn)生的太赫茲激光經(jīng)頻率可調(diào)節(jié)斬波器由金屬線柵分成兩束，一束作為參考光透射到一個(gè)Golay-cell探測器；另一束依次經(jīng)表面鍍金反射鏡、兩個(gè)太赫茲聚焦透鏡、夾在兩個(gè)太赫茲聚焦透鏡中間二維平移臺(tái)上的樣品、透射到另一個(gè)Golay-cell探測器；計(jì)算機(jī)用于控制二維平移臺(tái)移動(dòng)速度穩(wěn)定，無停頓，并比較兩個(gè)Golay-cell探測器的輸出結(jié)果得到樣品的太赫茲透射掃描成像結(jié)果。
3.如權(quán)利要求2所述的快速太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)，其特征是，金屬線柵金屬線方向可調(diào)諧，通過改變角度調(diào)節(jié)分光比，使得分成兩束功率比例滿足1:1。
4.如權(quán)利要求2所述的快速太赫茲連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)，其特征是，二維平移臺(tái)上樣品處于太赫茲聚焦透鏡焦平面處。
【文檔編號(hào)】G01N21/3581GK104458642SQ201410727209
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】徐德剛, 李忠孝, 王與燁, 李佳起, 閆超, 嚴(yán)德賢, 石嘉, 劉鵬翔, 姚建銓 申請(qǐng)人:天津大學(xué)