水含量分布检测装置的制作方法

本实用新型涉及本实用新型涉及太赫兹检测技术领域，特别是涉及一种水含量分布检测装置。

背景技术：

在进行生物组织分析中，常使用组织切片方法对生物组织进行切片，随后使用光学显微镜进行观察分析，通过观察其中的水含量分布来鉴定生物组织中正常组织和病变组织的分布和位置。然而此种方法需要专业人员进行繁琐的人工操作和冗长的数据分析，所需成本较高、步骤较为繁琐、等待周期较长。

此外，使用普通光学显微镜进行水含量分析，仅依据不同水含量区域的图像反差进行鉴别，水含量测定的灵敏度较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种水含量分布检测装置，可以避免组织切片的繁琐程序，且可以提高水含量测定的灵敏度和准确性。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

一种水含量分布检测装置，包括：太赫兹辐射装置、第一调光透镜组件、载物架组件、第二调光透镜组件和太赫兹探测组件，所述载物架组件包括可移动的载物台；

所述第一调光透镜组件设置在所述太赫兹辐射装置之间，所述第二调光透镜组件设置在所述载物架组件和所述太赫兹探测组件之间，所述太赫兹探测组件连接信号分析装置；

所述太赫兹辐射装置辐射出的太赫兹光束经第一调光透镜组件聚焦至所述载物台上的待测样品，所述待测样品透射的太赫兹光束经所述第二调光透镜组件投射至所述太赫兹探测组件，所述太赫兹探测组件探测到的太赫兹信号输入到所述信号分析装置进行所述待测样品的含水量分布检测。

一种如上所述的水含量分布检测装置在生物组织分析、材料检测中的应用。

根据上述本实用新型的方案，其装置包括太赫兹辐射装置、第一调光透镜组件、载物架组件、第二调光透镜组件和太赫兹探测组件，载物架组件包括可移动的载物台，第一调光透镜组件设置在太赫兹辐射装置之间，第二调光透镜组件设置在载物架组件和太赫兹探测组件之间，太赫兹探测组件连接信号分析装置，太赫兹辐射装置辐射出的太赫兹光束经第一调光透镜组件聚焦至载物台上的待测样品，待测样品透射的太赫兹光束经第二调光透镜组件聚焦至太赫兹探测组件，太赫兹探测组件探测到的太赫兹信号输入到信号分析装置进行待测样品的含水量分布检测，一方面，由于包括太赫兹辐射装置、第一调光透镜组件、载物架组件、第二调光透镜组件和太赫兹探测组件，载物架组件包括可移动的载物台，第一调光透镜组件设置在太赫兹辐射装置之间，第二调光透镜组件设置在载物架组件和太赫兹探测组件之间，太赫兹探测组件连接信号分析装置，且由于太赫兹辐射装置辐射出的太赫兹光束经第一调光透镜组件聚焦至载物台上的待测样品，待测样品透射的太赫兹光束经第二调光透镜组件投射至太赫兹探测组件，可通过共聚焦显微镜原理进行器件设置，可以大幅度的提高太赫兹成像的空间分辨率以提升检测的准确性，另一方面，由于载物台可移动，在载物台发生移动时可以带动放置在载物台上的待测样品进行移动，可以实现对待测样品水平和垂直方向的扫描，此外，由于水分子对太赫兹辐射具有强大的吸收能力，可以进行高灵敏度的水含量检测，因此，可以获得待测样品的三维水含量分布的结构示意图，从而利用病理组织学的方法对组织的病变程度进行分析，避免传统病理学中组织切片的繁琐程序，提高了水含量测定的灵敏度和准确性。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的水含量分布检测装置的组成结构示意图一；

图2为图1中的太赫兹辐射装置在其中一个实施例中的细化结构示意图；

图3为图1中的第一调光透镜组件在其中一个实施例中的细化结构及其光路示意图；

图4为图1中的载物架组件在其中一个实施例中的细化结构示意图；

图5为图1中的第二调光透镜组件在其中一个实施例中的细化结构及其光路示意图；

图6为图1中的太赫兹探测组件在其中一个实施例中的细化结构及其光路示意图；

图7为本实用新型实施例一的水含量分布检测装置的组成结构示意图二；

图8为图1或者图7中的信号分析装置的在其中一个实施例中的细化结构示意图；

图9为本实用新型实施例二的一个具体示例中的水含量分布检测装置的组成结构及其光路示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本使用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“或/和”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

太赫兹辐射是指频率在0.1THz到10THz之间的电磁辐射。由于在太赫兹频段，金属物体表现为极强反射的特点，复杂有机分子表现为光谱特性吸收，非极性非金属材料表现为高透射等特点，太赫兹成像在无损检测、材料学、国防安全等领域均具有重要的应用价值。由于水是极性分子，水分子对太赫兹辐射具有强大的吸收能力，无论是实验室组装的太赫兹系统，还是商业型太赫兹产品，冲氮气或干空气都是常用的排除系统内水蒸气的方法，以减少太赫兹波在自由空间内的损耗。也正因如此，太赫兹成像能够很容易地鉴别含水物质和无水物质，进行高灵敏度水含量的测定。这一点在生物系统中尤为重要，因为水含量的微小改变将反映生物组织的关键性变化。人们在不使用有损式检测方法(如病理学组织切片)的情况下，仍能准确地将正常组织和病变组织(如癌化组织)区分开来，且灵敏度更高。太赫兹成像主要根据水分对太赫兹辐射的吸收，因此可以进行高灵敏度的水含量检测。太赫兹显微成像技术是一项很有潜能的医学诊断性技术，致力于提高目前太赫兹成像系统的空间分辨率，从而在太赫兹频段获得被测待测样品的显微层析图像。以下对本实用新型方案的各个实施例进行详细阐述。

实施例一

参见图1所示，为本实用新型实施例一的水含量分布检测装置的组成结构示意图一。如图1所示，本实施例一的水含量分布检测装置包括太赫兹辐射装置101、第一调光透镜组件102、载物架组件103、第二调光透镜组件104和太赫兹探测组件105，载物架组件103包括可移动的载物台1031；

第一调光透镜组件102设置在太赫兹辐射装置101和载物架组件103之间，第二调光透镜组件104设置在载物架组件103和太赫兹探测组件105之间，太赫兹探测组件105连接信号分析装置106；

太赫兹辐射装置101辐射出的太赫兹光束经第一调光透镜组件聚焦102至载物台1031上的待测样品，所述待测样品透射的太赫兹光束经第二调光透镜组件104投射至太赫兹探测组件105，太赫兹探测组件105探测到的太赫兹信号输入到信号分析装置106进行所述待测样品的含水量分布检测。

其中，考虑到待测样品在检测时是放置在载物台1031上的，为了能够实现对待测样品的三维扫描，一般需要载物台1031可在水平方向和垂直方向(垂直水平面的方向)移动。

其中，信号分析装置106可以是水含量分布检测装置的外接组件，也可以是水含量分布检测装置的内部组件。

其中，第一调光透镜组件102和第二调光透镜组件104可以分别包括一种或者多种光学元器件，例如，凸透镜、孔径光阑等，且每一种光学元器件的数量分别可以为一个，也可以为多个。

据此，根据上述本实施例的方案，由于太赫兹辐射装置101、第一调光透镜组件102、载物架组件103、第二调光透镜组件104和太赫兹探测组件105，第一调光透镜组件102设置在太赫兹辐射装置101和载物架组件103之间，第二调光透镜组件104设置在载物架组件103和太赫兹探测组件105之间，太赫兹探测组件105连接信号分析装置106，且由于太赫兹辐射装置101辐射出的太赫兹光束经第一调光透镜组件聚焦102至载物台1031上的待测样品，所述待测样品透射的太赫兹光束经第二调光透镜组件104聚焦至太赫兹探测组件105，可通过共聚焦显微镜原理进行器件设置，可以大幅度的提高太赫兹成像的空间分辨率以提升检测的准确性，另一方面，由于载物台1031可移动，在载物台1031发生移动时可以带动待测样品进行移动，可以实现对待测样品水平和垂直方向的扫描，此外，由于水分子对太赫兹辐射具有强大的吸收能力，可以进行高灵敏度的水含量检测，因此，可以获得待测样品的三维水含量分布的结构示意图，从而利用病理组织学的方法对组织的病变程度进行分析，避免传统病理学中组织切片的繁琐程序，提高了水含量测定的灵敏度和准确性。

在其中一个实施例中，如图2所示，太赫兹辐射装置101可以包括太赫兹量子级联激光器1011。或者，如图2所示，太赫兹辐射装置101可以包括太赫兹量子级联激光器1011和与该太赫兹量子级联激光器1011连接的热电制冷器1012。

其中，太赫兹辐射装置101用于向辐射太赫兹光束，热电制冷器1012和太赫兹量子级联激光器1011一般是通过传热连接(热耦合)，从而有效消除太赫兹量子级联激光器1011自身产生的热，确保了太赫兹辐射装置101乃至整个装置的长期可靠运行；太赫兹量子级联激光器1011一般是在脉冲模式下进行驱动。太赫兹辐射源是决定太赫兹成像灵敏度的关键器件；在众多太赫兹辐射的产生方式中，基于半导体的全固态太赫兹量子级联激光器具有能量转换效率高、体积小、轻便、易集成等特点；使用基于半导体的全固态太赫兹量子级联激光器，可以保证装置在水含量测定的高灵敏度性能。

在其中一个实施例中，如图3所示，第一调光透镜组件102可以包括依次设置的第一准直透镜1021、第一聚焦透镜1022、第一孔径光阑1023、第二准直透镜1024及第二聚焦透镜1025；太赫兹辐射装置101辐射出的太赫兹光束经所述第一准直透镜1021准直、第一聚焦透镜1022聚焦至第一孔径光阑1023，第一孔径光阑1023出射的太赫兹光束经第二准直透镜1024准直、第二聚焦透镜1025聚焦至所述载物台上的待测样品。

其中，第一调光透镜组件102中的各光学元器件可以设置在自由空间中；第一准直透镜1021、第一聚焦透镜1022用于准直并聚焦太赫兹光束至第一孔径光阑1023；第一孔径光阑1023作为空间滤波器，用于获得均匀的太赫兹光束轮廓，以改善显微影像质量；此外，第一孔径光阑1023作为共聚焦孔径光阑必须足够小，可选取亚毫米级孔径大小以减少太赫兹辐射在第一孔径光阑1023的功率损耗，同时保证成像分辨率；第二准直透镜1024、第二聚焦透镜1025用于对第一孔径光阑1023出射的太赫兹光束进行准直和聚焦；由于亚毫米级的第一孔径光阑1023将产生较大的出射光束发散角，因此，第二准直透镜1024需具有较大的透镜直径，即第二准直透镜1024的透镜直径大于第一准直透镜1021的透镜直径，以有效收集第一孔径光阑1023出射的太赫兹光束；第二聚焦透镜1025除需要拥有较大直径，即第二聚焦透镜1025的透镜直径大于第一聚焦透镜1022的透镜直径，还需拥有交高聚光能力，如拥有大数值孔径，即第二聚焦透镜1025的数值孔径大于第一聚焦透镜1022的数值孔径，以将较大直径的太赫兹光束聚焦于待测样品上一点，从而移动载物台1031以带动待测样品进行扫描成像。需要说明的是，第一调光透镜组件102的结构组成不限于此。亚毫米级指0.1毫米至1毫米。

在其中一个实施例中，如图4所示，载物架组件103还可以包括步进电机1032和控制器1033，其中，步进电机1032分别与载物台1031、控制器1033连接；控制器1033用于控制步进电机1032带动载物台1031在设定方向上进行步进运动，并反馈步进位置信息。

在本实施例中的水含量分布检测装置投入使用后，待测样品放置并固定于载物台1031上，载物台1031需保持水平，此外，放置待测样品的载物台1031一般需进行部分的挖空处理或使用太赫兹频段内高透射率、低吸收的材料(或者说是使用对太赫兹频段的透射率高于透射率阈值的材料，即满足一定透射率要求或者吸收率要求的材料，其中，透射率阈值可以根据实际需要选定)，以保证入射到待测样品的太赫兹光束可以从待测样品底部透射出去，经传播到达太赫兹探测组件105，完成太赫兹透射光束的探测。

其中，步进电机1032一般与载物台1031机械连接，步进电机1032一般与控制器1033电连接；控制器1033用于控制待测样品和载物台1031在水平和垂直方向进行高精度步进运动，数字反馈步进位置信息，调整显微镜的视场或所需监控的样品区域，作为显微镜扫描成像的辅助机械装置。

需要说明的是步进电机1032与载物台1031的在图4中的位置关系仅是示意性的，并不代表步进电机1032必须位于载物台1031的一侧，在具体实现，可以根据实际需要设定两者的位置关系。

作为成像系统，显微镜的主要性能指标就是其空间分辨率，而本实用新型实施例的水含量分布检测装置所使用的亚毫米级的第一孔径光阑1023和大数值孔径的第二聚焦透镜1025将大大增强空间分辨率。由于该水含量分布检测装置使用扫描方式进行二维或三维图像的建立，该水含量分布检测装置的空间分辨率与步进电机1032的扫描精度(即每次步进的位移)有一定关系，根据奈奎斯特采样定理，步进电机1032的扫描精度需是显微镜本身空间分辨率的2倍以上，才可以保证空间分辨率的获取，否则会降低显微镜原有的空间分辨率。因此，在其中一个实施例中，步进电机1032的扫描精度为水含量分布检测装置的空间分辨率的两倍以上。

在其中一个实施例中，如图5所示，第二调光透镜组件104可以包括依次设置的第三准直透镜1041、第三聚焦透镜1042、第二孔径光阑1043、第一离轴抛物面镜1044和第二离轴抛物面镜1045；所述待测样品透射的太赫兹光束经第三准直透镜1041收集、准直后，经第三聚焦透镜1042聚焦至所述第二孔径光阑1043；第二孔径光阑1043出射的太赫兹光束经第一离轴抛物面镜1044、第二离轴抛物面镜1045投射至太赫兹探测组件105。

其中，第二调光透镜组件104中的各光学元器件可以设置在自由空间中。第三准直透镜1041用于收集、准直从待测样品底部透射并发散的太赫兹光束，第三准直透镜1041需拥有与第二聚焦透镜1025相同或更大的数值孔径，即第三准直透镜1041的数值孔径大于或者等于第二聚焦透镜1025的数值孔径，以最优化检测装置的空间分辨率。第三聚焦透镜1042用于将准直后太赫兹光束聚焦至第二孔径光阑1043。第二孔径光阑1043作为共聚焦孔径光阑，第二孔径光阑1043的孔径同样需足够小，以获得高分辨率的图像，可以选取与第一孔径光阑1023相似大小的孔径，即第二孔径光阑1043的孔径也为亚毫米级，以保证太赫兹光束的低功率损耗和高成像分辨率。第二孔径光阑1043出射的太赫兹光束经由第一离轴抛物面镜17、第二离轴抛物面镜18投射至太赫兹探测组件，其中第二离轴抛物面镜18的聚焦光束和视场需与太赫兹探测组件105的入射锥形光束和视场相匹配，以保证最大化的光传播耦合效率。

其中，第一准直透镜1031、第一聚焦透镜1032、第二准直透镜1034、第二聚焦透镜1035、第三准直透镜1041以及第三聚焦透镜1042一般均为凸透镜，在具体实现时，可以选用相同透镜直径的第一准直透镜1031和第一聚焦透镜1032，相同透镜直径的第二准直透镜1034和第二聚焦透镜1035，相同透镜直径的第三准直透镜1041和第三聚焦透镜1042。

在其中一个实施例中，如图6所示，太赫兹探测组件105可以包括自由空间内设置的超半球透镜1051和测热辐射仪1052，其中，测热辐射仪1052放置在超半球透镜1052背面，超半球透镜1051用于增强测热辐射仪1052的耦合效率；测热辐射仪1052还电性连接有信号分析装置106，信号分析装置106用于进行扫描成像的采集和处理。

在其中一个实施例中，如图7所示，本实用新型的水含量分布检测装置还可以包括信号分析装置106。

在其中一个实施例中，如图8所示，信号分析装置可以包括依次连接的信号放大电路1061、信号采集电路1062和图像分析装置1063。其中，信号放大电路1061、信号采集电路1062和图像分析装置1063之间的连接方式可以是电性连接。图像分析装置1063可采用在线分析和离线分析两种方式。

其中，图像分析装置1063还可以和控制器1033连接，图像分析装置1063可以用于获取控制器1033反馈的步进位置信息，结合每个步进位置对应的待测样品位置信息以及在每个步进位置时待测样品的被测信号获取水含量分布图。

此外，信号放大电路1061可以包括一锁相放大器以及与该锁相放大器连接的斩波器，该斩波器设置在太赫兹探测组件105之前，这里，斩波器设置在太赫兹探测组件105之前是指斩波器设置在太赫兹光速入射至太赫兹探测组件105之前的某个位置，该位置可以根据实际需要选取。其中，锁相放大器可大幅度的抑制无用噪声并提高检测灵敏度，斩波器用于获取和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号。

实施例二

为了便于理解本实用新型的方案，以下通过一个具体示例对本实用新型方案进行阐述。

如图9所示，为本实用新型的水含量分布检测装置在一具体示例中的组成结构示意图。图9中示出了水含量分布检测装置的一个较佳示例的组成结构示意图。依据不同的考虑因素，在具体实现本实用新型的水含量分布检测装置时，也可以对某些部件或者组件做出若干变形和改进，以下以图9中的水含量分布检测装置为例进行详细说明。

参见图9所示，本实施例二的水含量分布检测装置包括太赫兹辐射装置、第一调光透镜组件、载物架组件、第二调光透镜组件、太赫兹探测组件和信号分析装置217。

其中，太赫兹辐射装置包括已集成热电制冷器201的量子级联激光器202，其中热电制冷器和量子级联激光器是通过传热连接(热耦合)；第一调光透镜组件设置在太赫兹辐射装置及载物架组件之间；第一调光透镜组件包括在自由空间依次设置的第一准直透镜203、第一聚焦透镜204、第一孔径光阑205、第二准直透镜206及第二聚焦透镜207的一系列光学元器件；载物架组件包括带步进电机的载物台208，这里，将带步进电机的载物台称为步进载物台，其中，待测样品218放置于步进载物台208上，步进载物台208电性连接有控制器209，用于控制待测样品218在水平和垂直方向进行高精度步进运动和扫描成像；第二调光透镜组件设置在载物架组件及太赫兹探测组件之间；第二调光透镜组件包括自由空间设置的第三准直透镜210、第三聚焦透镜211、第二孔径光阑212、第一离轴抛物面镜213及第二离轴抛物面镜214的一系列光学元器件；太赫兹探测组件包括自由空间设置的超半球透镜215和测热辐射仪216，其中测热辐射仪放置在超半球透镜背面并且电性连接有信号分析装置217。

其中，信号分析装置217可包括信号放大电路、信号采集电路、图像分析装置；其中信号放大模块、信号采集模块和图像分析装置电性连接；图像分析装置可采用在线分析和离线分析两种方式。信号分析装置中，信号放大电路可以包括一锁相放大器，可大幅度的抑制无用噪声并提高检测灵敏度；该锁相放大器需连接一斩波器，此斩波器需设置在太赫兹探测组件之前，从而获取和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号。

该具体示例中的水含量分布检测装置利用了共聚焦显微镜原理，大幅度的提高了太赫兹成像的空间分辨率，可推广到太赫兹成像的其他应用领域包括医学成像、材料检测等。另一方面，使用共聚焦太赫兹扫描显微镜对样品进行水平和垂直方向的扫描，可以获得样品的三维水含量分布的结构示意图，从而利用病理组织学的方法对组织的病变程度进行分析，避免传统病理学中组织切片的繁琐程序，提高了水含量测定的灵敏度和准确性。

将上述本实用新型实施例中水含量分布检测装置的应用在生物组织分析、材料检测中，可以具有广泛的应用价值。

具体地，在生物组织分析中，可以将待测样品放到载物台1031上，通过控制载物台1031在水平方向和垂直方向移动，可以完成对待测样品的三维扫描，获得待测样品三维水含量分布图，根据三维水含量分布图中各点的水含量值以及病理组织学的方法对组织的病变程度进行分析。例如，可以查询待测样品中水含量值处于某一设定区间的区域，对该区域内的各点的水含量值取平均值，根据该平均值以及预设的病变程度和水含量值的对应关系确定相应组织的病变程度。其中，设定区间可以根据实际需要选取。这种方式，可以避免传统病理学中组织切片的繁琐程序，提高了水含量测定的灵敏度和准确性。

具体地，在材料检测中，可以将待测样品放到载物台1031上，通过控制载物台1031在水平方向和垂直方向移动，可以完成对待测样品的三维扫描，获得待测样品三维水含量分布图，根据预设的材料类型与水含量值的对应关系，查询与三维水含量分布图中各点的水含量值相匹配的材料类型。

上述实施例中所述的“水平”、“垂直”仅是互为相对概念或是以装置的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

需要说明的是，当一个元件被称为“连接”另一个元件，根据需要，它可以是直接连接到另一个元件或者间接连接至该另一个元件上。术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。