本發(fā)明涉及一種太赫茲光譜成像儀，具體涉及一種能實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)thz光譜與圖像信息的光譜成像儀。所述thz光譜成像儀由前置鏡、前置視場(chǎng)光闌、前置準(zhǔn)直鏡、立體相位光柵、后置會(huì)聚鏡、后置視場(chǎng)光闌、后置準(zhǔn)直鏡、子孔徑成像鏡、探測(cè)器、探測(cè)器控制處理系統(tǒng)和控制采集處理計(jì)算機(jī)組成。所述探測(cè)器以孔徑分割方式同時(shí)獲取目標(biāo)場(chǎng)景被立體相位光柵n個(gè)元胞所衍射的n個(gè)零級(jí)衍射光的光強(qiáng)信息，依據(jù)立體相位光柵的n個(gè)元胞所對(duì)應(yīng)的n個(gè)光程差，獲得n組光程差與光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，通過(guò)傅里葉變換，實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)的thz譜和像，適用于thz光譜檢測(cè)、分析等相關(guān)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

太赫茲(thz)波是指頻率在0.1—10t(波長(zhǎng)為3000—30μm)范圍內(nèi)的電磁波(1thz＝10¹²hz)。目前thz波的產(chǎn)生體制有兩種，基于光子學(xué)的thz波發(fā)生器，和利用自由電子的thz輻射源?；诠庾訉W(xué)手段的thz波發(fā)生器受制于低效率的光能轉(zhuǎn)換效率，基于自由電子的thz輻射源受制于器件尺寸的不斷縮小使器件十分脆弱，因此兩種方式獲取的thz輻射能量目前尚都不超過(guò)20mw。而大氣中水汽的較強(qiáng)吸收，使的目標(biāo)太赫茲譜的探測(cè)面臨很大困難。

目前，適用于太赫茲波段的光譜儀器主要有兩類：紅外傅里葉光譜儀和太赫茲時(shí)域光譜儀(thz-tds)。紅外傅里葉光譜儀使用傅里葉變換技術(shù)分光具有多通道、高通量的特點(diǎn)，但傅里葉變換技術(shù)依賴動(dòng)鏡的順次掃描，不能實(shí)時(shí)成譜，限制了其在快速變化、復(fù)雜環(huán)境中的使用；其次，紅外傅里葉光譜儀基于邁克爾遜干涉儀的基本構(gòu)型，其中必不可少的分束片使入射光能損耗50％，限制了儀器在微弱信號(hào)探測(cè)中的使用；此外紅外傅里葉光譜儀引入了移動(dòng)部件和步進(jìn)控制電機(jī)，增加體積和功耗的同時(shí)，影響了儀器的使用壽命。

thz-tds對(duì)太赫茲信號(hào)的探測(cè)基于光電導(dǎo)取樣或電光取樣，對(duì)物體成譜時(shí)，需要依次完成波長(zhǎng)維，空間維的掃描，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間；其次thz-tds需要使用飛秒激光器作為太赫茲波的輻射裝置，使得儀器的體積龐大，移動(dòng)困難；此外thz-tds其用途是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)量物質(zhì)在太赫茲波段的透、反率特性，并不適合野外環(huán)境對(duì)有限距離目標(biāo)的太赫茲譜探測(cè)與成像應(yīng)用。

上述兩種種現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一、傅里葉光譜儀和thz-tds，完成物體的成像過(guò)程需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，不適用于復(fù)雜多變環(huán)境條件下，目標(biāo)太赫茲譜的實(shí)時(shí)探測(cè)與成像需求；二、thz-tds其用途是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)量物質(zhì)在太赫茲波段的透、反率特性，并不適合野外環(huán)境對(duì)有限距離目標(biāo)的太赫茲譜探測(cè)與成像應(yīng)用；三、傅里葉光譜儀和thz-tds，其體積龐大，不便于攜帶。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供了一種基于靜態(tài)傅里葉變換的太赫茲譜探測(cè)與成像裝置，適用于目標(biāo)的太赫茲譜實(shí)時(shí)探測(cè)與成像。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于立體相位光柵和孔徑分割技術(shù)的thz光譜成像儀，包括依據(jù)光路傳輸依次排列的前置鏡1、前置視場(chǎng)光闌2、前置準(zhǔn)直鏡3、立體相位光柵4、后置會(huì)聚鏡5、后置視場(chǎng)光闌6、后置準(zhǔn)直鏡7、子孔徑會(huì)聚鏡8、探測(cè)器9，所述探測(cè)器9還依次連接有探測(cè)器控制處理系統(tǒng)10和控制采集處理計(jì)算機(jī)11，如說(shuō)明書(shū)附圖1所示。上述前置準(zhǔn)直鏡3、立體相位光柵4、后置會(huì)聚鏡5、后置視場(chǎng)光闌6、后置準(zhǔn)直鏡7、子孔徑會(huì)聚鏡8組成基于立體相位光柵分光的孔徑分割thz光譜成像系統(tǒng)。上述前置鏡1的焦面與前置準(zhǔn)直鏡3的前焦面重合；上述前置視場(chǎng)光闌2是方形，位于前置鏡1的焦面，其尺寸與視場(chǎng)和探測(cè)器9的面積相匹配；上述后置會(huì)聚鏡5的焦面與后置準(zhǔn)直鏡7的前焦面重合；上述后置視場(chǎng)光闌6是圓形，位于后置會(huì)聚鏡5的焦面，其開(kāi)孔大小僅允許光柵的零級(jí)衍射光通過(guò)。上述前置鏡1、前置準(zhǔn)直鏡3、后置會(huì)聚鏡5、后置準(zhǔn)直鏡7、子孔徑會(huì)聚鏡8采用太赫茲波段的復(fù)消色差設(shè)計(jì)。

上述太赫茲立體相位光柵4的結(jié)構(gòu)如說(shuō)明書(shū)附圖2所示，由長(zhǎng)方體金屬板12上表面刻出一系列平整光滑的矩形凹槽構(gòu)成，金屬板的材質(zhì)是鋁、鐵、鋁合金或鈦合金，所述的凹槽底面與長(zhǎng)方體金屬板12的上表面平行，凹槽的深度分別為h1、h2、…、hn-1、hn，h1、h2、h3、…、hn-2、hn-1、hn，順次增大，n為元胞的個(gè)數(shù)，深度相同的凹槽視為一個(gè)元胞。

上述立體相位光柵4的最大槽深hmax，由設(shè)計(jì)指標(biāo)所要求的光譜分辨率r和光線入射角α共同決定，滿足：

式中，α表示太赫茲波在立體相位光柵表面的入射角，r為系統(tǒng)的光譜分辨率，

光柵元胞的個(gè)數(shù)n滿足：

式中，σmax表示所用太赫茲波段的最大波數(shù)；

光柵元胞引入的光程差為：

式中，h表示光柵元胞的槽深；

對(duì)于n個(gè)元胞構(gòu)成的立體相位光柵，第i個(gè)光柵元胞所對(duì)應(yīng)的相位差為：

其中hi表示第i個(gè)光柵元胞的槽深，n表示立體相位光柵的元胞總數(shù)目。

元胞中凹槽的個(gè)數(shù)n滿足:

式中：σmin表示所用太赫茲波的最小波數(shù)；

光柵的占空比：d:a＞1，其中d為光柵周期，也即光柵元胞的寬，a為凹槽槽寬，b為光柵元胞的長(zhǎng)，也即凹槽的槽長(zhǎng)。

所述子孔徑會(huì)聚鏡8中子孔徑的數(shù)目與立體相位光柵4中元胞的個(gè)數(shù)n保持一致；上述子孔徑會(huì)聚鏡8包括一片硅片13和設(shè)置于硅片上的n個(gè)參數(shù)相同的矩形子透鏡i1，…，in，構(gòu)成子透鏡陣列，如說(shuō)明書(shū)附圖2所示。

所述矩形子透鏡的形狀參數(shù)與光柵元胞的形狀參數(shù)滿足：

e＝d×f2/f1；g＝b×f2×cos(α)/f1(6)

其中e表示矩形子透鏡i1，…，in的寬，g表示矩形子透鏡i1，…，in的高，d表示立體相位光柵4單元胞的寬，即立體相位光柵4的光柵周期，b表示立體相位光柵4單元胞的長(zhǎng)，f1表示后置會(huì)聚鏡5的焦距，f2表示后置準(zhǔn)直鏡7的焦距，α表示太赫茲波在立體相位光柵表面的入射角。

上述探測(cè)器控制處理系統(tǒng)10對(duì)探測(cè)器9采集的n個(gè)信號(hào)進(jìn)行并行處理，分別提取其強(qiáng)度信息，這n個(gè)信號(hào)強(qiáng)度與立體相位光柵n個(gè)元胞的光程差構(gòu)成傅里葉變換對(duì)；上述控制采集計(jì)算機(jī)11對(duì)n組數(shù)據(jù)構(gòu)成的傅里葉變換對(duì)進(jìn)行傅里葉變換，即可獲取目標(biāo)的thz光譜，將thz光譜疊加可以獲得目標(biāo)的thz圖像。

本發(fā)明的作用原理如下：

目標(biāo)發(fā)出的thz波被前置鏡1收集，經(jīng)前置視場(chǎng)光闌2的空間濾波被前置準(zhǔn)直鏡3準(zhǔn)直，平行入射太赫茲立體相位光柵4。寬譜平行太赫茲波斜入射立體相位光柵4發(fā)生衍射，衍射光經(jīng)過(guò)后置會(huì)聚鏡5在透鏡焦平面處聚焦，+1級(jí)衍射波、-1級(jí)衍射波和其他更高級(jí)次的衍射波被位于透鏡焦平面的后置視場(chǎng)光闌6濾除，立體相位光柵的0級(jí)衍射光繼續(xù)自由傳播，經(jīng)后置準(zhǔn)直鏡7準(zhǔn)直為平行太赫茲波。

由于元胞一、元胞二、元胞三、……、元胞n具有不同的槽深，其對(duì)入射太赫茲波的不同區(qū)域產(chǎn)生不同的相位調(diào)制，使0級(jí)衍射波中與光柵n個(gè)元胞相對(duì)應(yīng)的各個(gè)區(qū)域的波前具有不同的相位信息，因此0級(jí)衍射波經(jīng)過(guò)后置準(zhǔn)直鏡7后所獲得的平行太赫茲波，其波前具有n個(gè)不同強(qiáng)度區(qū)域，與立體相位光柵4的n個(gè)元胞的光程差一一對(duì)應(yīng)。

經(jīng)后置準(zhǔn)直鏡7準(zhǔn)直的平行太赫茲波被子孔徑會(huì)聚鏡8會(huì)聚，在焦面產(chǎn)生n個(gè)聚焦點(diǎn)被探測(cè)器9探測(cè)，經(jīng)過(guò)與探測(cè)器9相連的探測(cè)器控制處理系統(tǒng)10的并行處理，獲得與立體相位光柵4的n個(gè)元胞的光程差一一對(duì)應(yīng)的n個(gè)強(qiáng)度值。最后經(jīng)過(guò)控制采集計(jì)算機(jī)11對(duì)獲取的n組光程差與光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到目標(biāo)的thz譜，將譜數(shù)據(jù)疊加獲取目標(biāo)的thz圖像。

本發(fā)明的核心在于將立體相位光柵與孔徑分割技術(shù)結(jié)合，同時(shí)測(cè)量立體相位光柵各個(gè)元胞的零級(jí)衍射光的光強(qiáng)信息，獲得n組光程差與光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，通過(guò)傅里葉變化，實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)的thz譜和像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，基于立體相位光柵和孔徑分割技術(shù)的thz光譜成像儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：一、與傅里葉光譜儀和thz-tds相比，基于立體相位光柵和孔徑分割技術(shù)的thz光譜成像儀可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)thz譜的實(shí)時(shí)探測(cè)與成像；二、基于立體相位光柵和孔徑分割技術(shù)的thz光譜成像儀使用光柵的零級(jí)衍射光進(jìn)行譜探測(cè)和成像，具有能量利用率高的優(yōu)點(diǎn)，可適用于弱信號(hào)的實(shí)時(shí)探測(cè)與成像；三、基于立體相位光柵和孔徑分割技術(shù)的thz光譜成像儀使用立體相位光柵作為分光器件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無(wú)移動(dòng)部件的優(yōu)點(diǎn)，可適用于室外復(fù)雜多變環(huán)境。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為立體相位光柵結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為子孔徑成像鏡結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，如圖1，圖2，圖3所示。

本實(shí)施例所述thz光譜成像儀，由前置鏡1、前置視場(chǎng)光闌2、前置準(zhǔn)直鏡3、立體相位光柵4、后置會(huì)聚鏡5、后置視場(chǎng)光闌6、后置準(zhǔn)直鏡7、子孔徑會(huì)聚鏡8、探測(cè)器9，探測(cè)器控制處理系統(tǒng)10和控制采集處理計(jì)算機(jī)11組成。

為了保證寬譜段成像質(zhì)量和信噪比，前置鏡1、前置準(zhǔn)直鏡3、后置會(huì)聚鏡5、后置準(zhǔn)直鏡7、子孔徑會(huì)聚鏡8采用太赫茲波段的復(fù)消色差設(shè)計(jì)，保證在全譜段范圍內(nèi)，單色光彌散圓直徑小于探測(cè)器單像元尺寸。

子孔徑會(huì)聚鏡8結(jié)構(gòu)如附圖3所示，9個(gè)小透鏡粘在一個(gè)平整硅片上。為保證準(zhǔn)確的獲取目標(biāo)的光譜與圖像信息，透鏡的尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照比例關(guān)系設(shè)置。

本實(shí)施例采用以下主要器件：

1.前置鏡1：材質(zhì)hdpe，焦距600mm，口徑160mm。前置準(zhǔn)直鏡3、后置會(huì)聚鏡5、后置準(zhǔn)直鏡7：材質(zhì)hdpe，焦距300mm，口徑80mm。

2.立體相位光柵4：元胞個(gè)數(shù)6，槽深依次為0.1635cm、0.327cm、0.4905cm、0.654cm、0.8175cm、0.981cm。

3.子孔徑會(huì)聚鏡8：子透鏡的尺寸20mm*20mm,焦距200mm。

4、前置孔徑光闌2：孔徑大小15mm*15mm。后置視場(chǎng)光闌6：開(kāi)孔直徑12mm.

本實(shí)施例的工作原理如下所述：

目標(biāo)發(fā)出的thz波被前置鏡1收集，經(jīng)前置視場(chǎng)光闌2的空間濾波被前置準(zhǔn)直鏡3準(zhǔn)直，平行入射太赫茲立體相位光柵4發(fā)生衍射，衍射光經(jīng)過(guò)后置會(huì)聚鏡5在透鏡焦平面處聚焦，+1級(jí)衍射波、-1級(jí)衍射波和其他更高級(jí)次的衍射波被位于透鏡焦平面的后置視場(chǎng)光闌6濾除，立體相位光柵的0級(jí)衍射光繼續(xù)自由傳播，經(jīng)后置準(zhǔn)直鏡(7)準(zhǔn)直為平行太赫茲波，經(jīng)后置準(zhǔn)直鏡7準(zhǔn)直的平行太赫茲波被子孔徑會(huì)聚鏡8會(huì)聚，在焦面產(chǎn)生6個(gè)聚焦點(diǎn)被探測(cè)器9探測(cè)，經(jīng)過(guò)與探測(cè)器9相連的探測(cè)器控制處理系統(tǒng)10的并行處理，獲得6個(gè)強(qiáng)度值，與立體相位光柵4的6個(gè)元胞的光程差一一對(duì)應(yīng)。最后經(jīng)過(guò)控制采集計(jì)算機(jī)11對(duì)獲取的6組光程差與光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到目標(biāo)的thz譜，將譜數(shù)據(jù)疊加獲取目標(biāo)的thz圖像。