本實(shí)用新型涉及太赫茲相干層析成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于相干層析的太赫茲成像裝置及方法。

背景技術(shù)：

太赫茲波在電磁頻譜中位于紅外和微波之間，也稱為亞毫米波。相對紅外和微波，這一波段的研究相對落后。由于較低的單光子能量和對大部分非金屬材料具有較高的穿透性能等特點(diǎn)，近幾十年來逐漸引起了人們的研究熱潮。自1995年Hu等人首次利用太赫茲輻射進(jìn)行二維成像實(shí)驗(yàn)以來，太赫茲成像技術(shù)受到世界許多研究人員的關(guān)注。2002年，B.Ferguson等人將X射線波段的層析成像技術(shù)移植到太赫茲波段，提出太赫茲三維層析成像的概念。該技術(shù)原理是一束太赫茲波穿透被成像物體后，然后通過平移和轉(zhuǎn)動，是太赫茲以不同位置和不同角度穿透被成像物體，通過Radon變換計(jì)算物體吸收率的空間分布，實(shí)現(xiàn)對物體三維重構(gòu)。但是，在某些場合，待成像物體無法繞軸旋轉(zhuǎn)，應(yīng)用受到極大的限制。2009年，德國synview公司報(bào)道了一種基于連續(xù)太赫茲波的三維成像技術(shù)。該技術(shù)使用一個(gè)中心頻率為300GHz的返波管作為太赫茲源，利用電學(xué)調(diào)制的方法測量不同反射波到達(dá)探測器所需的時(shí)間，計(jì)算待測物體離探測器的相對距離，實(shí)現(xiàn)對待測物體的三維重構(gòu)。由于所使用的是單頻長波長的太赫茲源，考慮到衍射極限的限制，該技術(shù)的最佳縱向分辨率為0.5mm，對于某些需要高精度測量的應(yīng)用領(lǐng)域是不夠的。2002年倫斯勒理工學(xué)院張希成領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)提出太赫茲時(shí)域光譜成像，可以給出物體表面形貌或不同層面的三維結(jié)構(gòu)，但它并非是一項(xiàng)完全的三維成像技術(shù)，它無法顯示物體內(nèi)部非層狀的結(jié)構(gòu)分布。綜上所述，現(xiàn)有的太赫茲三維成像系統(tǒng)尚存在縱向分辨率不高的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型提供一種基于相干層析的太赫茲成像裝置，用于實(shí)現(xiàn)高精度的材料三維無損探測和生物組織層析成像等領(lǐng)域，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的縱向分辨率較低問題。

本實(shí)用新型提出一種基于相干層析的太赫茲成像裝置，包括太赫茲源、光準(zhǔn)直系統(tǒng)、邁克爾遜干涉系統(tǒng)和探測系統(tǒng)；其中：

所述太赫茲源為寬頻太赫茲源，用于提供寬頻帶太赫茲波；

所述準(zhǔn)直系統(tǒng)用于對太赫茲波進(jìn)行準(zhǔn)直，送入斬波器；

所述斬波器，設(shè)在準(zhǔn)直系統(tǒng)和邁克爾遜干涉系統(tǒng)之間的光路上，用于將太赫茲波周期性地送入邁克爾遜干涉系統(tǒng)；

所述邁克爾遜干涉系統(tǒng)包括分束器、太赫茲反射鏡組和樣品鏡組；其中：斬波器、分束器和樣品鏡組依序設(shè)置在同一光路，斬波器為太赫茲波入口端；所述太赫茲反射鏡組設(shè)在分束器的反射光路上，作為參考臂；太赫茲反射鏡組用于實(shí)現(xiàn)對分束器傳來的波束同相反射，作為參考光；參考臂可垂直上下移動，從而改變參考光與樣品光之間的光程；

所述樣品鏡組設(shè)在分束器相對于斬波器的另一側(cè)，其包括反射鏡和載物臺，作為樣品臂，用于提供樣品光通道；所述載物臺用于放置待測樣品，載物臺可以在其自身所處二維平面上移動；

所述探測系統(tǒng)設(shè)在太赫茲反射鏡組相對于分束器的另一側(cè)，與反射鏡組、分束器設(shè)置在同一光路；所述探測系統(tǒng)包括探測器和鎖相放大器，探測器用于探測從邁克爾遜干涉系統(tǒng)輸出的太赫茲信號；所述鎖相放大器，其參考信號通道接與斬波器同頻同相的信號，其測量信號通道連探測器輸出端，用于放大探測器輸出的微弱電信號；

工作時(shí)，太赫茲源產(chǎn)生的太赫茲波，經(jīng)準(zhǔn)直后進(jìn)入邁克爾遜干涉系統(tǒng)，分為參考光和樣品光兩路；樣品臂光束經(jīng)過反射鏡聚焦后入射到載物臺上；通過載物臺的移動，實(shí)現(xiàn)對樣品的二維掃描；樣品反射光和與之同頻同相的參考光在分束器形成干涉，干涉光入射到探測系統(tǒng)，通過鎖相放大器檢出樣品光；對通過太赫茲反射鏡組上下移動，改變參考光與樣品光的光程差，從而實(shí)現(xiàn)對樣品的縱向深度掃描。

進(jìn)一步的，所述太赫茲反射鏡組包括一個(gè)拋物反射鏡和與其相對的平面反射鏡，所述平面反射鏡設(shè)在拋物反射鏡，用于對拋物反射鏡反射來的波束附加90度的相移，使反射光與樣品鏡組反射回分束器的波束同相。

進(jìn)一步的，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)與邁克爾遜干涉系統(tǒng)的斬波器之間，設(shè)有孔徑光闌，用于對遮擋波束周邊不均勻成份，實(shí)現(xiàn)對波束的進(jìn)一步均勻化整形。

進(jìn)一步的，所述探測系統(tǒng)的探測器之前，設(shè)有一個(gè)鍺片，用濾除邁克爾遜干涉系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻雜波分量。

進(jìn)一步的，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)為一對反射鏡面相對設(shè)置的拋物面鏡；

進(jìn)一步的，所述太赫茲源為中壓汞燈。

進(jìn)一步的，所述反射鏡組由伺服電機(jī)驅(qū)動，可上下移動，從而改變參考光與樣品光之間的光程，實(shí)現(xiàn)對被測樣品的深度掃描；所述載物臺設(shè)在二維電控平移臺上，能實(shí)現(xiàn)被測樣本在二維平面的掃描成像。

進(jìn)一步的，所述伺服電機(jī)和二維電控平移臺的動作，由控制器控制。

進(jìn)一步的，所述太赫茲成像裝置，還包括計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集部件，用于采集鎖相放大器輸出信號；通過接口部件與所述控制器相連，用于實(shí)現(xiàn)對控制器的操作，從而改變伺服電機(jī)和二維電控平移臺的動作，實(shí)現(xiàn)被測樣品不同深度信號采集，在計(jì)算機(jī)上完成樣品相干層析成像。

進(jìn)一步的，所述載物臺為反射鏡。

本實(shí)用新型的有益效果：

本實(shí)用新型將太赫茲技術(shù)與光學(xué)相干層析技術(shù)想結(jié)合，提出了一種全新的太赫茲相干層析技術(shù)方案。本實(shí)用新型利用寬頻太赫茲的弱相干原理，可以實(shí)現(xiàn)對待測樣品的高精度三維圖像重構(gòu)。利用該技術(shù)，能完成縱向成像精度小于100μm的層析成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本實(shí)用新型提出的太赫茲相干層析成像技術(shù)具有更高的縱向分辨率和更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在高精度的材料無損探測領(lǐng)域具有非常巨大的應(yīng)用前景。作為一種有效的太赫茲三維成像技術(shù)，本實(shí)用新型在工業(yè)無損探測領(lǐng)域有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1是基于相干層析的太赫茲成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是汞燈輸出光譜圖；

圖3是太赫茲相干層析技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖的原始圖像；

圖4是太赫茲相干層析技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖的濾波處理后的圖像；

圖5是太赫茲相干層析技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖的小波降噪處理后的圖像；

圖6是太赫茲相干層析技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖的濾波和小波降噪同時(shí)處理后的圖像。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。

參照圖1，本實(shí)施例中的基于相干層析的太赫茲成像裝置，包括產(chǎn)生THz光源的高穩(wěn)定性中壓汞燈，起準(zhǔn)直作用的鍍金離軸拋物面鏡OAP1和OAP2，控制進(jìn)入干涉儀的光斑尺寸大小并且增加干涉對比度的孔徑光闌，對高穩(wěn)定性中壓汞燈發(fā)出的THz波進(jìn)行周期調(diào)制以供Golay探測器探測的斬波器，通過在Mylar薄膜上制作的金屬光柵的工藝制作而成且透射反射比接近4:1的分束器，位于參考臂上的用于深度掃描的電控一維平移臺，位于參考臂上的鍍金離軸拋物面鏡OAP3，位于參考臂上的鍍金高反鏡M1，位于樣品臂上的對樣品光起聚焦和準(zhǔn)直作用的鍍金離軸拋物面鏡OAP4，位于樣品臂上的一片鍍鋁由高反射鏡構(gòu)成的用于放置樣品的載物臺，位于樣品臂上的對樣品進(jìn)行橫向掃描的電控二維平移臺，對來自樣品臂和參考臂干涉后的信號進(jìn)行聚焦的鍍金離軸拋物面鏡OAP5，起帶阻濾波作用的鍺片Ge，用于收集干涉光強(qiáng)的Golay探測器，對Golay探測器輸出的探測信號進(jìn)行鎖相放大處理的鎖相放大器和用于通過控制器控制位于參考臂的電控一維平移臺與位于樣品臂的電控二維平移臺且記錄鎖相放大器輸出信號的電腦。

工作時(shí)，初始化電控二維平移臺使其靜止于橫向掃描初始點(diǎn)，初始化電控一維平移臺使其沿樣品深度方向進(jìn)行縱向掃描。與此同時(shí)高穩(wěn)定性中壓汞燈輸出覆蓋0.1THz-20THz頻率范圍THz波，經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)的鍍金離軸拋物面鏡OAP1和OAP2準(zhǔn)直后，經(jīng)孔徑光闌，孔徑光闌的作用是控制進(jìn)入干涉儀的光斑尺寸大小，增加干涉對比度；孔徑光闌輸出太赫茲波入射到分束器上并分為參考光和樣品光。參考光經(jīng)過鍍金離軸拋物面鏡OAP3入射到鍍金高反鏡M1上并被反射回來，經(jīng)過鍍金離軸拋物面鏡OAP3再次入射到分束器上。此時(shí)樣品光經(jīng)過鍍金離軸拋物面鏡OAP4入射到樣品內(nèi)部某個(gè)深度并被反射回來，經(jīng)過鍍金離軸拋物面鏡OAP4再次入射到分束器上。根據(jù)邁克爾遜干涉儀原理，重新經(jīng)過分束器的樣品光和參考光滿足相干條件，產(chǎn)生包含樣品深度信息的干涉信號并被鍍金離軸拋物面鏡OAP5聚焦，由Ge片對其進(jìn)行帶阻濾波，隨后被Golay探測器探測，將干涉信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘瑯悠飞疃刃畔⒌碾娦盘?。通過鎖相放大器對該電信號進(jìn)行鎖相放大處理并被電腦所收集。這樣便完成了一次深度掃描，結(jié)合電控二維平移臺便能對樣品進(jìn)行三位掃描。對電腦采集到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合相關(guān)軟件進(jìn)行三維重構(gòu)。

在孔徑光闌與分束器之間，還設(shè)有斬波器對光源發(fā)出的光進(jìn)行周期調(diào)制，以供Golay探測器探測。本實(shí)施例所用的干涉儀的分光器為在Mylar薄膜上制作的金屬光柵，透射反射比接近4:1。參考臂由一個(gè)一維電控平移臺精確控制，進(jìn)行一維掃描，實(shí)現(xiàn)掃描深度調(diào)節(jié)；樣品臂光束經(jīng)過拋物面鏡聚焦后入射到載物臺上。本實(shí)施例中，載物臺為一片鍍鋁的高反射鏡，放置在二維電控平移臺上，用于實(shí)現(xiàn)對樣品的二維掃描。參考光和樣品光經(jīng)過分光器后，被一個(gè)拋物面鏡收集，入射到探測器進(jìn)行探測。本實(shí)施例中所使用的探測器是由俄羅斯tydex公司生產(chǎn)的Golay cell。探測器探測到的信號輸入到鎖相放大器，經(jīng)鎖相放大處理后被計(jì)算機(jī)所記錄。通過對樣品平面的二維掃描和樣品深度方向的相干層析掃描，經(jīng)過圖像數(shù)據(jù)處理后即可對樣品的三維圖像進(jìn)行重構(gòu)。

利用太赫茲輻射具有良好穿透能力的特點(diǎn)，本實(shí)用新型提出一種全新的太赫茲相干層析技術(shù)(Terahertz Coherent Tomography,TCT)方案。由弱相干光的干涉理論可知，輻射源的相干長度其中λ₀為輻射源的中心波長，Δλ為輻射源的光譜寬度。在參考臂掃描的過程中，僅當(dāng)參考臂和樣品臂之間的光程差小于相干長度，兩束光才會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。因此為了實(shí)現(xiàn)高精度的縱向掃描成像，要求所使用光源具有較短的相干長度，即具有較寬的輻射光譜。本實(shí)施例使用高穩(wěn)定性中壓汞燈作為輻射源，其輸出光譜如圖2所示，輸出頻率主要集中在0.1THz-10THz及11THz到20THz。本實(shí)用新型中成像系統(tǒng)的縱向分辨率由輻射源的相干長度決定，最小可以達(dá)到60μm左右。

進(jìn)一步的，實(shí)施例仍然選取如前所述的相同方案和樣品。為了縮短成像時(shí)間，在與光束垂直方向，實(shí)驗(yàn)僅對樣品進(jìn)行了一維掃描。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，在Z方向出現(xiàn)三個(gè)干涉信號，分別位于0.1mm-0.2mm、0.4mm-0.5mm和0.6mm-0.7mm位置。對直接測得的干涉信號分別經(jīng)過低通濾波、小波降噪和平滑處理后，得到的結(jié)果分別如圖4、5和6所示?？梢钥吹剑?jīng)過相關(guān)處理后，系統(tǒng)的噪聲得到明顯的抑制，圖像的對比度得到明顯的提高。

以經(jīng)過濾波處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，在Z＝0.15mm位置出現(xiàn)一個(gè)較明顯的干涉峰值，此為載物臺反射的信號；在Z＝0.48mm和Z＝0.68mm附近出現(xiàn)有兩個(gè)干涉信號，分別為兩個(gè)樣品的反射信號。測量結(jié)果表明，兩個(gè)樣品的厚度分別近似為300μm和500μm，光程差約為200μm，結(jié)合硅的折射率硅片n＝3.41，可以推出測量誤差約為60μm左右?？梢姡緦?shí)用新型具有縱向分辨率高、探測深度深等特點(diǎn)，在高精度的材料三維無損探測和生物組織層析成像等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的具體實(shí)施方式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術(shù)方案的簡單變化或等效替換均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。