一種太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)至少包括：發(fā)散性太赫茲光源匯聚模塊，用于將發(fā)散性太赫茲光源發(fā)射的太赫茲信號進(jìn)行收集及匯聚，并將匯聚的太赫茲信號傳輸給共焦-濾波光路模塊；共焦-濾波光路模塊，用于對所述太赫茲信號進(jìn)行濾波并采集樣品信息，并將攜帶樣品信息進(jìn)行濾波后傳輸給太赫茲信號接收模塊；太赫茲信號接收模塊，用于提取攜帶樣品信息的太赫茲信號后產(chǎn)生響應(yīng)信號，該響應(yīng)信號用于后續(xù)的圖像還原。本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法的獲得的圖像分辨率接近理論值，圖像分辨率得到顯著提高，對太赫茲波成像應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和推廣有重要意義。
【專利說明】一種太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲光學(xué)應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著發(fā)散性太赫茲光源和探測器的快速發(fā)展，太赫茲波的成像應(yīng)用研究也越發(fā)廣泛。由于太赫茲波自身的眾多優(yōu)點，使得太赫茲應(yīng)用技術(shù)的研究已經(jīng)延伸到了社會生活和生產(chǎn)的各個方面。在公共安全檢測方面，毒品和TNT都具有其特殊的太赫茲吸收峰，由于太赫茲波可以透過一些常見的紅外無法穿透的材料，如塑料包裝，信封和半導(dǎo)體介質(zhì)等無極性材料，借助于相應(yīng)的太赫茲檢測儀可以檢測出隱藏的危險品，豐富了安檢的手段和內(nèi)容；在生物醫(yī)學(xué)方面，太赫茲波能檢測表皮生物細(xì)胞的病變情況，如皮膚燒傷面積，皮膚癌變等；在物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征檢測方面，由太赫茲波檢測完成的圖像結(jié)構(gòu)還原可以實現(xiàn)彩色化，區(qū)域識別化，較之于X射線等強(qiáng)射線還原的單一灰度圖像有顯著的改善，同時借助CT成像技術(shù)手段，還可以實現(xiàn)物質(zhì)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)和三維圖像的重建。另一方面，太赫茲波技術(shù)較之于微波超聲技術(shù)，圖像得到的分辨率更高，這得益于其更短的波長。
[0003]由于發(fā)散性太赫茲光源和探測器的發(fā)展相對較慢，在一定程度上限制了太赫茲應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。在已有的發(fā)散性太赫茲光源和探測器的基礎(chǔ)上，不斷的對發(fā)掘和改善應(yīng)用技術(shù)方法，對太赫茲波的實際應(yīng)用同樣至關(guān)重要。目前，太赫茲成像研究主要采用掃描模式，由于受制于太赫茲波光學(xué)系統(tǒng)的限制，成像的分辨率?1_，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根據(jù)瑞利判據(jù)計算的理論分辨率，所以分辨率的提高和優(yōu)化對于成像類應(yīng)用技術(shù)而言就顯得格外重要。
[0004]本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過長期對THz波成像系統(tǒng)以方法研究，提出了一種關(guān)于提高太赫茲波掃描成像分辨率的系統(tǒng)及方法，對于常見的太赫茲波掃描模式成像而言，使成像的分辨率得到顯著提高，有利于太赫茲成像技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法分辨率較低的問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種太赫茲波掃描成像系統(tǒng)，至少包括:
[0007]發(fā)散性太赫茲光源匯聚模塊，用于將發(fā)散性太赫茲光源發(fā)射的太赫茲信號進(jìn)行收集及匯聚，并將匯聚的太赫茲信號傳輸給共焦-濾波光路模塊；
[0008]共焦-濾波光路模塊，包括:
[0009]第一孔徑光闌，用于對匯聚的太赫茲信號進(jìn)行濾波，消除雜散光；
[0010]第一聚光元件，用于將經(jīng)過所述第一孔徑光闌濾波的太赫茲信號匯聚至樣品處；
[0011]第二聚光元件，用于收集并匯聚經(jīng)過樣品透射或反射的攜帶樣品信息的太赫茲信號;[0012]第二孔徑光闌，用于對攜帶樣品信息的太赫茲信號進(jìn)行濾波以增強(qiáng)所述太赫茲信號的對比度，并將攜帶樣品信息的太赫茲信號傳輸給太赫茲信號接收模塊；
[0013]太赫茲信號接收模塊，用于提取攜帶樣品信息的太赫茲信號后產(chǎn)生響應(yīng)信號，該響應(yīng)信號用于后續(xù)的圖像還原。
[0014]作為本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述發(fā)散性太赫茲光源匯聚模塊包括:
[0015]發(fā)散性太赫茲光源，用于產(chǎn)生發(fā)散性的太赫茲信號；
[0016]第一離軸拋物鏡，用于收集經(jīng)所述發(fā)散性太赫茲光源射出的太赫茲信號，并使該太赫茲信號反射至第二離軸拋物鏡；
[0017]第二離軸拋物鏡，用于接收經(jīng)所述第一離軸拋物鏡反射過來的太赫茲信號，并使該太赫茲信號反射并匯聚至所述焦-濾波光路模塊。
[0018]進(jìn)一步地，所述發(fā)散性太赫茲光源的發(fā)光頻率范圍為I?ΙΟΤΗζ，其發(fā)光類型為單頻、多頻或廣譜，其發(fā)散角大于或等于10°。
[0019]作為本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述第一聚光兀件與第二聚光元件相對于樣品呈對稱分布且共焦平面。
[0020]作為本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述第一孔徑光闌設(shè)置于所述第一聚光元件一側(cè)的焦平面處，其小孔設(shè)置于所述第一聚光元件一側(cè)的焦點處；所述第二孔徑光闌設(shè)置于所述第二聚光元件的一側(cè)焦平面處，其小孔設(shè)置于所述第二聚光元件一側(cè)的焦點處。
[0021]作為本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述第一孔徑光闌及第二孔徑光闌孔徑均為2.5r?5r,其中，r = 0.44 λ/nsin θ，λ為信號波長，η為光線傳輸介質(zhì)的折射率，Θ為光學(xué)系統(tǒng)的物鏡孔徑角。
[0022]作為本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述太赫茲信號接收模塊包括:
[0023]第三離軸拋物鏡，用于收集從所述共焦-濾波光路模塊射出的攜帶樣品信息的太赫茲信號并反射至第四離軸拋物鏡；
[0024]第四離軸拋物鏡，用于接收從所述第三離軸拋物鏡反射過來的攜帶樣品信息的太赫茲信號，并使該攜帶樣品信息的太赫茲信號反射并匯聚至太赫茲探測器處；
[0025]太赫茲探測器，用于提取從所述第四離軸拋物鏡反射并匯聚的攜帶樣品信息的太赫茲信號，用于后續(xù)的圖像還原。
[0026]作為本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的分辨率r = 0.44 λ/nsin Θ，其中，λ為信號波長，η為光線傳輸介質(zhì)的折射率，Θ為光學(xué)系統(tǒng)的物鏡孔徑角
[0027]本發(fā)明還提供一種上述任意一項方案所述的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的掃描成像方法，包括步驟:
[0028]I)通過發(fā)散性太赫茲光源匯聚模塊將太赫茲信號進(jìn)行收集及匯聚后傳輸至共焦-濾波光路模塊的第一孔徑光闌處；
[0029]2)通過共焦-濾波光路模塊的第一聚光元件將所述第一孔徑光闌發(fā)射的太赫茲信號匯聚至樣品處，經(jīng)過樣品透射或反射的太赫茲信號由第二聚光元件收集及匯聚至第二孔徑光闌處，然后由所述第二孔徑光闌將攜帶有樣品信息的太赫茲信號發(fā)射至太赫茲信號接收模塊；
[0030]3)通過太赫茲信號接收模塊提取所述攜帶樣品信息的太赫茲信號后產(chǎn)生響應(yīng)信號，用于后續(xù)的圖像還原。
[0031]作為本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的掃描成像方法的一種優(yōu)選方案，所述第一聚光元件與第二聚光元件相對于樣品呈對稱分布且共焦平面，樣品放置于共焦平面內(nèi)進(jìn)行平移掃描運動。
[0032]如上所述，本發(fā)明提供一種太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)至少包括:發(fā)散性太赫茲光源匯聚模塊，用于將發(fā)散性太赫茲光源發(fā)射的太赫茲信號進(jìn)行收集及匯聚，并將匯聚的太赫茲信號傳輸給共焦-濾波光路模塊；共焦-濾波光路模塊，用于對所述太赫茲信號進(jìn)行濾波并采集樣品信息，并將攜帶樣品信息進(jìn)行濾波后傳輸給太赫茲信號接收模塊；太赫茲信號接收模塊，用于提取攜帶樣品信息的太赫茲信號后產(chǎn)生響應(yīng)信號，該響應(yīng)信號用于后續(xù)的圖像還原。本發(fā)明利用一對孔徑光闌作為空間濾波器對發(fā)散性太赫茲光源和帶有樣品信息的透射或反射太赫茲信號進(jìn)行濾波，然后由探測器接收信號進(jìn)行圖像還原。第一個孔徑光闌作用為消除雜散光，對發(fā)散性太赫茲光源進(jìn)行濾波；第二個孔徑光闌作用為增強(qiáng)信號對比度，對攜 帶樣品信息的太赫茲信號進(jìn)行濾波。通過對光學(xué)系統(tǒng)的分析，定量的得到了優(yōu)化的分辨率表達(dá)式和實際應(yīng)用中小孔選擇的常用有效范圍，與常見的太赫茲掃描成像系統(tǒng)相比，分辨率得到顯著的提高。本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法的獲得的圖像分辨率接近理論值，圖像分辨率得到顯著提高，對太赫茲波成像應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和推廣有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1顯示為本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖2顯示為本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖3及圖4顯示本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)分辨率優(yōu)化光學(xué)示意圖。
[0036]圖5顯示為現(xiàn)有的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)與發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的點擴(kuò)散函數(shù)理論模擬結(jié)果對比圖。
[0037]圖6顯示為本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的掃描成像方法步驟流程示意圖。
[0038]元件標(biāo)號說明
[0039]10發(fā)散性太赫茲光源匯聚模塊
[0040]20共焦-濾波光路模塊
[0041]30太赫茲信號接收模塊
[0042]101發(fā)散性太赫茲光源
[0043]102第一離軸拋物鏡
[0044]103第二離軸拋物鏡
[0045]201第一孔徑光闌
[0046]202第一聚光兀件
[0047]203樣品
[0048]204第二聚光元件[0049]205第二孔徑光闌
[0050]301第三離軸拋物鏡
[0051]302第四離軸拋物鏡
[0052]303太赫茲探測器
【具體實施方式】
[0053]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0054]請參閱圖1-圖5。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實 施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0055]如圖1-圖5所示，本實施例提供一種太赫茲波掃描成像系統(tǒng)，至少包括:
[0056]發(fā)散性太赫茲光源101匯聚模塊10，用于將發(fā)散性太赫茲光源101發(fā)射的太赫茲信號進(jìn)行收集及匯聚，并將匯聚的太赫茲信號傳輸給共焦-濾波光路模塊20 ；
[0057]共焦-濾波光路模塊20，包括:
[0058]第一孔徑光闌201，用于對匯聚的太赫茲信號進(jìn)行濾波，消除雜散光；
[0059]第一聚光元件202，用于將經(jīng)過所述第一孔徑光闌201濾波的太赫茲信號匯聚至樣品203處；
[0060]第二聚光元件204，用于收集并匯聚經(jīng)過樣品203透射或反射的攜帶樣品203信息的太赫茲信號；
[0061]第二孔徑光闌205，用于對攜帶樣品203信息的太赫茲信號進(jìn)行濾波以增強(qiáng)所述太赫茲信號的對比度，并將攜帶樣品203信息的太赫茲信號傳輸給太赫茲信號接收模塊30 ；
[0062]太赫茲信號接收模塊30，用于提取攜帶樣品203信息的太赫茲信號后產(chǎn)生響應(yīng)信號，該響應(yīng)信號用于后續(xù)的圖像還原。
[0063]作為示例，所述發(fā)散性太赫茲光源101匯聚模塊10包括:
[0064]發(fā)散性太赫茲光源101，用于產(chǎn)生發(fā)散性的太赫茲信號；
[0065]第一離軸拋物鏡102，用于收集經(jīng)所述發(fā)散性太赫茲光源101射出的太赫茲信號，并使該太赫茲信號反射至第二離軸拋物鏡103 ；
[0066]第二離軸拋物鏡103，用于接收經(jīng)所述第一離軸拋物鏡102反射過來的太赫茲信號，并使該太赫茲信號反射并匯聚至所述焦-濾波光路模塊。
[0067]進(jìn)一步地，所述發(fā)散性太赫茲光源101的發(fā)光頻率范圍為I-ΙΟΤΗζ，其發(fā)光類型為單頻、多頻或廣譜，其發(fā)散角大于或等于10°。
[0068]作為不例，所述第一聚光兀件202與第二聚光兀件204相對于樣品203呈對稱分布且共焦平面。
[0069]作為示例，所述第一孔徑光闌201設(shè)置于所述第一聚光元件202—側(cè)的焦平面處，其小孔設(shè)置于所述第一聚光元件202 —側(cè)的焦點處；所述第二孔徑光闌205設(shè)置于所述第二聚光元件204的一側(cè)焦平面處，其小孔設(shè)置于所述第二聚光元件204 —側(cè)的焦點處。
[0070]作為示例，所述第一孔徑光闌201及第二孔徑光闌205孔徑均為2.5r?5r，其中，r = 0.44 λ/nsin θ，λ為信號波長，η為光線傳輸介質(zhì)的折射率，Θ為光學(xué)系統(tǒng)的物鏡孔徑角。
[0071]作為示例,所述太赫茲信號接收模塊30包括:
[0072]第三離軸拋物鏡301，用于收集從所述共焦-濾波光路模塊20射出的攜帶樣品203信息的太赫茲信號并反射至第四離軸拋物鏡302 ；
[0073]第四離軸拋物鏡302，用于接收從所述第三離軸拋物鏡301反射過來的攜帶樣品203信息的太赫茲信號，并使該攜帶樣品203信息的太赫茲信號反射并匯聚至太赫茲探測器303處;
[0074]太赫茲探測器303，用于提取從所述第四離軸拋物鏡302反射并匯聚的攜帶樣品203信息的太赫茲信號，用于后續(xù)的圖像還原。
[0075]作為示例，所述太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的分辨率r = 0.44 λ/nsin Θ，其中，λ為信號波長，η為光線傳輸介質(zhì)的折射率，Θ為光學(xué)系統(tǒng)的物鏡孔徑角。
[0076]如圖1?圖6所示，本實施例還提供一種太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的掃描成像方法，包括步驟:
[0077]首先進(jìn)行步驟I )S11，通過發(fā)散性太赫茲光源101匯聚模塊10將太赫茲信號進(jìn)行收集及匯聚后傳輸至共焦-濾波光路模塊20的第一孔徑光闌201處；
[0078]然后進(jìn)行步驟2)S12，通過共焦-濾波光路模塊20的第一聚光元件202將所述第一孔徑光闌201發(fā)射的太赫茲信號匯聚至樣品203處，經(jīng)過樣品203透射或反射的太赫茲信號由第二聚光元件204收集及匯聚至第二孔徑光闌205處，然后由所述第二孔徑光闌205將攜帶有樣品203信息的太赫茲信號發(fā)射至太赫茲信號接收模塊30 ；
[0079]最后進(jìn)行步驟3)S13，通過太赫茲信號接收模塊30提取所述攜帶樣品203信息的太赫茲信號后產(chǎn)生響應(yīng)信號，用于后續(xù)的圖像還原。
[0080]作為不例，所述第一聚光兀件202與第二聚光兀件204相對于樣品203呈對稱分布且共焦平面，樣品203放置于共焦平面內(nèi)進(jìn)行平移掃描運動。
[0081]作為示例，本發(fā)明的赫茲波掃描成像系統(tǒng)及成像方法需要先進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整，步驟如下:
[0082]步驟一、利用可見光光源進(jìn)行光路校準(zhǔn)。將發(fā)散性可見光源置于發(fā)散性太赫茲光源101位置，借助可見光源對后續(xù)光路進(jìn)行調(diào)節(jié)；光路校準(zhǔn)之后，對發(fā)散性可見光源的位置和探測器位置進(jìn)行標(biāo)定，然后在對應(yīng)位置放上發(fā)散性太赫茲光源101和探測器。
[0083]步驟二、點亮發(fā)散性太赫茲光源101，對共焦-濾波光路模塊20進(jìn)行微調(diào)，同步調(diào)節(jié)第一孔徑光闌201及第二孔徑光闌205孔徑大小至探測器響應(yīng)信號穩(wěn)定。
[0084]步驟三、先固定發(fā)散性太赫茲光源101位置，微調(diào)所述太赫茲探測器303位置，至信號最大；然后固定探測器位置，微調(diào)發(fā)散性太赫茲光源101位置，至信號最大。
[0085]步驟四、對于共焦-濾波光路模塊20微調(diào)，保持第一聚光元件202、第二聚光元件204、第一孔徑光闌201及第二孔徑光闌205的光軸共線，第一孔徑光闌201及第二孔徑光闌205孔徑調(diào)節(jié)由大到小，孔徑選擇范圍為2.5r?5r (r = 0.44 λ /nsin Θ )。[0086]具體地，本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)【具體實施方式】和方法原理說明如下:
[0087]請參閱圖2，發(fā)散性太赫茲光源101位于第一離軸拋物鏡102焦點處，經(jīng)過第一離軸拋物鏡102收集轉(zhuǎn)換為平行光傳輸至第二離軸拋物鏡103，第一離軸拋物鏡102和第二離軸拋物鏡103作用為引導(dǎo)光路，將發(fā)散的太赫茲信號引導(dǎo)至主要功能?？?共焦-濾波模塊。第二離軸拋物鏡103與第一聚光元件202共焦點，焦點與第一孔徑光闌201孔徑中心重合，第一聚光兀件202匯聚太赫茲信號于樣品203的一點上,經(jīng)過樣品203透射或反射的太赫茲信號由第二聚光兀件204收集,第一聚光兀件202與第二聚光兀件204規(guī)格相同，具有相同的焦距F=60mm,且第一聚光兀件202與第二聚光兀件204共焦,樣品203置于共焦平面上，移動樣品203完成掃描操作。第二聚光元件204將攜帶有樣品203信息的太赫茲信號收集匯聚，然后經(jīng)過第二孔徑光闌205傳輸至第三離軸拋物鏡301，其中第二聚光元件204與第三離軸拋物鏡301共焦點，焦點與第二孔徑光闌205孔徑中心重合，第三離軸拋物鏡301和第四離軸拋物鏡302的作用與第一離軸拋物鏡102，第二離軸拋物鏡103相同，引導(dǎo)太赫茲信號進(jìn)入太赫茲探測器303。其中，上述各光學(xué)元件的參數(shù)如下:第一聚光元件202、第二聚光元件204焦距為60mm，直徑為50.8mm ;第一離軸拋物鏡102、第二離軸拋物鏡103、第三離軸拋物鏡301、第四離軸拋物鏡302焦距為101.6mm ;第一孔徑光闌201、第二孔徑光闌205孔徑選擇范圍為0.25mm?0.5mm ;發(fā)散性太赫茲光源101頻點為3.9THz ;各光學(xué)元件間距離均由以上參數(shù)確定。
[0088]第一孔徑光闌201和第二孔徑光闌205實現(xiàn)濾波功能，說明參閱圖3及圖4。圖3所示，發(fā)散性太赫茲光源101經(jīng)過光闌第一孔徑光闌201，然后再經(jīng)過第一聚光元件202收集匯聚至樣品203上的A點處，太赫茲信號經(jīng)過樣品203透射或反射之后的信號由第二聚光元件204收集匯聚，然后經(jīng)過光闌第二孔徑光闌205，傳輸至下一級系統(tǒng)。第一孔徑光闌201與第二孔徑光闌205的作用在于:第一孔徑光闌201,用于限制雜散光進(jìn)入信號(環(huán)境存在黑體輻射，包含太赫茲譜)；第二孔徑光闌205，用于抑制樣品203其他點的透射或反射信息干擾測試點A的信號。圖4可以對此功能進(jìn)行說明:以樣品203上B點為例，在與圖3中同樣光線的照射下，在沒有第二孔徑光闌205存在的情況下，B點的透射或反射光線會進(jìn)入A點的光線之內(nèi)，導(dǎo)致測試A點的信息是受到B點信息的干擾，當(dāng)A、B兩點差別不大的時候，圖像信號就反映為相同，而導(dǎo)致最終無法區(qū)分開A、B兩點；在第二孔徑光闌205存在的情況下，B點的透射或反射信息最后匯聚于第二孔徑光闌205的孔徑之外(由圖中虛線光線所示)，使得B點的光線絕大部分被第二孔徑光闌205過濾掉，無法進(jìn)入A點的信號之中，這樣就提高了 A、B兩點信號的對比度，從而提高圖像的分辨率。
[0089]方法原理說明，首先，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)分辨率的定義主要依據(jù)瑞利判據(jù)(Rayleighcriterion):當(dāng)一個艾里斑(Airy disc)的中心與另一個艾里斑的第一級暗環(huán)重合時，剛好能分辨出是兩個像，這個距離定義為光學(xué)系統(tǒng)的分辨率r或一個分辨率單元(resel)
[0090]r = Iresel = 0.61 λ /nsin Θ
[0091]其中，λ為信號波長，η為光線傳輸介質(zhì)的折射率，Θ為光學(xué)系統(tǒng)的物鏡孔徑角。
[0092]由于衍射效應(yīng)，一個點光源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)之后還原的像不會是一個理想的點光源，而是一個擴(kuò)散的亮斑。點擴(kuò)展函數(shù)可以準(zhǔn)確的描述這樣一個行為:
[0093]ζ = O:ρ (O, P ) = 2J/ ( p ) / p 2
[0094]其中，ζ為光學(xué)系統(tǒng)軸向坐標(biāo)，點擴(kuò)展函數(shù)通常針對焦平面而言，ζ =0即為焦平面，P為光強(qiáng)分布，P為光軸垂面極坐標(biāo)，J1 (P)/P為第一類Bessel函數(shù)的第一階表達(dá)式。
[0095]根據(jù)此表達(dá)式，模擬得到點光源經(jīng)過一次光闌孔徑(作用類似于目鏡)在像平面的強(qiáng)度分布，如圖5(a)所示，可以看到第一級主峰周圍第二級，第三級主峰明顯，模擬范圍為P = ±6π。在成像系統(tǒng)中第二、第三級主峰強(qiáng)度會帶來像素模糊化效應(yīng)，削弱圖像像素對比度，降低成像分辨率。
[0096]本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法中具有兩對稱的孔徑光闌進(jìn)行光學(xué)濾波，所以點擴(kuò)展函數(shù)表達(dá)式為:
[0097]Pcon ( ζ , P) = ρ( ζ , P ) Χρ( ζ , P)
[0098]取ζ =0，即為焦平面上點擴(kuò)展函數(shù)表達(dá)式，同樣P取值范圍為±6 π得到的模擬結(jié)果如圖5(b)所示，可以看到第一級主峰周圍的第二級，第三級主峰被明顯削弱，這樣信號的對比度就得到大幅度提高，分辨率自然得到提高，經(jīng)上式計算得到新的分辨率為:
[0099]r = 0.72resel = 0.44 λ /nsin θ
[0100]與普通太赫茲掃描成像分辨率r = lresel = 0.61 λ/nsin Θ相比,分辨率幅度提高了 27.87%。
[0101]進(jìn)一步優(yōu)選的，在共焦-濾波光路模塊20中第一孔徑光闌201和第二孔徑光闌205的孔徑調(diào)節(jié)范圍限定在2.5r?5r，在此范圍內(nèi)，根據(jù)實驗結(jié)果，成像信號強(qiáng)度不會被大幅度削弱，同時分辨率得到顯著提高。
[0102]如上所述，本發(fā)明提供一種太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)至少包括:發(fā)散性太赫茲光源101匯聚模塊10，用于將發(fā)散性太赫茲光源101發(fā)射的太赫茲信號進(jìn)行收集及匯聚，并將匯聚的太赫茲信號傳輸給共焦-濾波光路模塊20 ;共焦-濾波光路模塊20，用于對所述太赫茲信號進(jìn)行濾波并采集樣品203信息，并將攜帶樣品203信息進(jìn)行濾波后傳輸給太赫茲信號接收模塊30 ;太赫茲信號接收模塊30，用于提取攜帶樣品203信息的太赫茲信號后產(chǎn)生響應(yīng)信號，該響應(yīng)信號用于后續(xù)的圖像還原。本發(fā)明利用一對孔徑光闌作為空間濾波器對發(fā)散性太赫茲光源101和帶有樣品203信息的透射或反射太赫茲信號進(jìn)行濾波，然后由探測器接收信號進(jìn)行圖像還原。第一個孔徑光闌作用為消除雜散光，對發(fā)散性太赫茲光源101進(jìn)行濾波；第二個孔徑光闌作用為增強(qiáng)信號對比度，對攜帶樣品203信息的太赫茲信號進(jìn)行濾波。通過對光學(xué)系統(tǒng)的分析，定量的得到了優(yōu)化的分辨率表達(dá)式和實際應(yīng)用中小孔選擇的常用有效范圍，與常見的太赫茲掃描成像系統(tǒng)相比，分辨率得到顯著的提高。本發(fā)明的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)及方法的獲得的圖像分辨率接近理論值，圖像分辨率得到顯著提高，對太赫茲波成像應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和推廣有重要意義。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0103]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種太赫茲波掃描成像系統(tǒng)，其特征在于，至少包括: 發(fā)散性太赫茲光源匯聚模塊，用于將發(fā)散性太赫茲光源發(fā)射的太赫茲信號進(jìn)行收集及匯聚，并將匯聚的太赫茲信號傳輸給共焦-濾波光路模塊； 共焦-濾波光路模塊，包括: 第一孔徑光闌，用于對匯聚的太赫茲信號進(jìn)行濾波，消除雜散光； 第一聚光元件，用于將經(jīng)過所述第一孔徑光闌濾波的太赫茲信號匯聚至樣品處；第二聚光元件，用于收集并匯聚經(jīng)過樣品透射或反射的攜帶樣品信息的太赫茲信號；第二孔徑光闌，用于對攜帶樣品信息的太赫茲信號進(jìn)行濾波以增強(qiáng)所述太赫茲信號的對比度，并將攜帶樣品信息的太赫茲信號傳輸給太赫茲信號接收模塊； 太赫茲信號接收模塊，用于提取攜帶樣品信息的太赫茲信號后產(chǎn)生響應(yīng)信號，該響應(yīng)信號用于后續(xù)的圖像還原。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)，其特征在于:所述發(fā)散性太赫茲光源匯聚模塊包括: 發(fā)散性太赫茲光源，用于產(chǎn)生發(fā)散性的太赫茲信號； 第一離軸拋物鏡，用于收集經(jīng)所述發(fā)散性太赫茲光源射出的太赫茲信號，并使該太赫茲信號反射至第二離軸拋物鏡； 第二離軸拋物鏡，用于接收經(jīng)所述第一離軸拋物鏡反射過來的太赫茲信號，并使該太赫茲信號反射并匯聚至所述焦-濾波光路模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)，其特征在于:所述發(fā)散性太赫茲光源的發(fā)光頻率范圍為I-ΙΟΤΗζ`，其發(fā)光類型為單頻、多頻或廣譜，其發(fā)散角大于或等于10。。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)，其特征在于:所述第一聚光元件與第二聚光元件相對于樣品呈對稱分布且共焦平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)，其特征在于:所述第一孔徑光闌設(shè)置于所述第一聚光元件一側(cè)的焦平面處，其小孔設(shè)置于所述第一聚光元件一側(cè)的焦點處；所述第二孔徑光闌設(shè)置于所述第二聚光元件的一側(cè)焦平面處，其小孔設(shè)置于所述第二聚光元件一側(cè)的焦點處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)，其特征在于:所述第一孔徑光闌及第二孔徑光闌孔徑均為2.5r-5r,其中，r = 0.44 λ/nsin θ，λ為信號波長，η為光線傳輸介質(zhì)的折射率，Θ為光學(xué)系統(tǒng)的物鏡孔徑角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)，其特征在于:所述太赫茲信號接收模塊包括: 第三離軸拋物鏡，用于收集從所述共焦-濾波光路模塊射出的攜帶樣品信息的太赫茲信號并反射至第四離軸拋物鏡； 第四離軸拋物鏡，用于接收從所述第三離軸拋物鏡反射過來的攜帶樣品信息的太赫茲信號，并使該攜帶樣品信息的太赫茲信號反射并匯聚至太赫茲探測器處； 太赫茲探測器，用于提取從所述第四離軸拋物鏡反射并匯聚的攜帶樣品信息的太赫茲信號，用于后續(xù)的圖像還原。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)，其特征在于:所述太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的分辨率r = 0.44 λ/nsin θ，其中，λ為信號波長,η為光線傳輸介質(zhì)的折射率，Θ為光學(xué)系統(tǒng)的物鏡孔徑角
9.一種如權(quán)利要求1-8任意一項所述的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的掃描成像方法,其特征在于:包括步驟: 1)通過發(fā)散性太赫茲光源匯聚模塊將太赫茲信號進(jìn)行收集及匯聚后傳輸至共焦-濾波光路模塊的第一孔徑光闌處； 2)通過共焦-濾波光路模塊的第一聚光元件將所述第一孔徑光闌發(fā)射的太赫茲信號匯聚至樣品處，經(jīng)過樣品透射或反射的太赫茲信號由第二聚光元件收集及匯聚至第二孔徑光闌處，然后由所述第二孔徑光闌將攜帶有樣品信息的太赫茲信號發(fā)射至太赫茲信號接收模塊； 3)通過太赫茲信號接收模塊提取所述攜帶樣品信息的太赫茲信號后產(chǎn)生響應(yīng)信號，用于后續(xù)的圖像還原。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太赫茲波掃描成像系統(tǒng)的掃描成像方法，其特征在于:所述第一聚光元件與第二聚光元件相對于樣品呈對稱分布且共焦平面，樣品放置于共焦平面內(nèi)進(jìn)行平移掃描運動?！?br> 【文檔編號】G01N21/59GK103454255SQ201310393494
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月2日
【發(fā)明者】曹俊誠, 周濤, 張戎 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所