一种基于零阶贝塞尔波束的太赫兹反射成像系统的制作方法

本实用新型属于太赫兹成像技术领域，更具体地，涉及一种基于零阶贝塞尔波束的太赫兹反射成像系统。

背景技术：

太赫兹波(Terahertz Wave，简称THz波)是指频率介于100GHz～10THz (波长30μm～3mm)之间的一段电磁波，位于红外波和微波波段之间。太赫兹波相对于其他波段的电磁波有一些独特的性质。因为太赫兹波恰好位于红外波和微波之间，因此兼具有两种波段的特点：在宏观上具有类似微波的穿透能力和类似光波的方向性，在微观上具有量子特征，单光子能量和分子的转动能级相当。太赫兹波对很多介电材料和非极性液体具有良好的穿透性，因此可以用于安全检查和质量控制等领域。与X射线相比，太赫兹波的光子能量更低，远低于损害生物组织的能量阈值，因此安全性远高于其他波段的电磁波。与此同时，大多数在安检领域比较重视的物质(例如毒品、炸药等)在太赫兹波段存在特征谱，因此可以通过光谱分析将这些物质鉴定出来。此外，水对太赫兹波有很强的吸收作用，所以太赫兹波不会对生物分子、生物细胞和组织产生有害的电离和破坏，特别适用于对生物组织进行活体检查。因此，太赫兹波可以作为医学成像和癌症检测的工具。

太赫兹连续波成像系统可以分为透射式成像和反射式成像两大类。由于太赫兹波的透射率的限制，只有有限的材料可用于太赫兹透射成像系统，因此太赫兹连续波反射成像技术也有重要的研究价值。现有的太赫兹反射成像技术中，均利用太赫兹高斯波束进行成像；在这类成像系统中，高斯波束先被聚焦后再入射到样品上，由于高斯波束在传播过程中，波束直径会不断变化，因此只能在有限的传播距离内认为波束直径不变；入射到样品上的高斯波束的直径越小，成像分辨率越高，但系统景深越小。

总体而言，现有的太赫兹反射成像系统无法同时提供高成像分辨率和大景深。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本实用新型提供了一种基于零阶贝塞尔波束的太赫兹反射成像系统，其目的在于提供一种能够同时提供高成像分辨率和大景深的成像系统。

为实现上述目的，按照本实用新型的第一方面，提供了一种基于零阶贝塞尔波束的太赫兹反射成像系统，包括：太赫兹发射源、准直透镜、硅片、衍射元件、聚焦透镜、太赫兹探测器、样品台、样品台移动装置、锁相放大器以及控制模块；

太赫兹发射源用于发射太赫兹高斯波束；准直透镜、硅片、衍射元件以及样品台沿太赫兹高斯波束的透射方向依次设置；硅片的中心位于透射波束的中心轴线上，并且硅片与透射波束的中心轴线夹角为45°；准直透镜和衍射元件的主光轴均位于透射波束的中心轴线上；样品台垂直于透射波束的中心轴线；样品台用于承载待成像的样品；准直透镜用于对发散的太赫兹高斯波束进行准直；衍射元件用于使得透射的太赫兹高斯波束成为零阶贝塞尔波束，以保证透射波束在传播过程中，在无衍射距离内横截面光强分布不变，从而扩展成像系统的景深，进而在保证成像分辨率的同时一方面扩大样品的成像厚度范围，降低对样品厚度的限制，另一方面扩大样品沿景深方向的位置范围，降低成像系统的调节难度；衍射元件还用于使得经样品反射的反射波束平行传播；硅片用于改变反射波束的光路，使得反射波束经硅片反射后其传播方向与透射波束的中心轴线夹角为90°；聚焦透镜的主光轴位于反射光路上并且与透射波束的中心轴线垂直；太赫兹探测器位于聚焦透镜的焦平面上；聚焦透镜用于将平行传播的反射波束会聚至太赫兹探测器；太赫兹探测器与锁相放大器相连；太赫兹探测器用于将接收到的反射光强信号转换为光电流信号，并将光电流信号传输至锁相放大器；锁相放大器用于将接收到的光电流信号转变为电压信号并对电压信号进行放大和降噪处理；控制模块分别与样品台移动装置和锁相放大器相连，控制模块用于控制样品台移动装置驱动样品台沿不同方向移动，以实现对样品的完整成像，同时，控制模块还从锁相放大器读取电压信号值，并记录对应的成像位置信息，从而得到样品图像。

进一步地，太赫兹发射源与准直透镜之间还包括斩波器(2)；斩波器与锁相放大器结合使用，以提高成像系统的信噪比。

进一步地，准直透镜中心与硅片中心之间的距离大于距离L34，以保证准直透镜与硅片在成像过程中不会相互碰撞；若准直透镜的半径R3小于硅片的半径R4，则距离L34＝√2R3；否则，距离L34＝R4。

进一步地，硅片中心与衍射元件中心之间的距离大于距离L45，以保证硅片与衍射元件在成像过程中不会相互碰撞；若硅片的半径R4小于衍射元件的半径R5，则距离L45＝√2R4；否则，距离L45＝R5。

进一步地，硅片中心与聚焦透镜中心之间的距离大于距离L46，以保证硅片与聚焦透镜在成像过程中不会相互碰撞；若硅片的半径R4小于聚焦透镜的半径R6，则距离L46＝＝√2R4；否则，距离L46＝R6。

进一步地，准直透镜可为平凸透镜、双凸透镜或者离轴抛物面镜。

进一步地，聚焦透镜可为平凸透镜、双凸透镜或者离轴抛物面镜。

进一步地，衍射元件可为轴棱锥、电浆子波导(plasmonic waveguide)、超颖表面(metasurface)或者超材料透镜(metamaterial lens)。

进一步地，样平台移动装置驱动样品台沿x方向移动，以实现对样品一个条带的成像；样平台移动装置驱动样品台沿y方向移动，以实现对样品的完整成像；样品台移动装置驱动样品台沿z方向移动，以得到样品位于不同景深处的图像；其中，x方向为对一个条带成像时波束扫描的步进方向，y方向为样品平面内与x方向垂直的方向，z方向为景深方向；x方向、 y方向与z方向构成右手坐标系。

进一步地，样品台移动装置包括三个步进电机，分别用于驱动样品台沿三个方向移动；成像时，样品台沿x方向移动，对样品的一个条带进行成像；一个条带成像完成后，样品台沿y方向移动，对样品的下一个条带进行成像；样品成像完成后，样品台沿z方向移动，以得到样品在不同景深处的图像，并以此为依据确定最佳成像位置。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：衍射元件使得透射的高斯波束成为零阶贝塞尔波束，能够保证透射波束在传播过程中，在无衍射距离内横截面光强分布不变，从而扩展成像系统的景深，进而在保证成像分辨率的同时一方面扩大样品的成像厚度范围，降低对样品厚度的限制，另一方面扩大样品沿景深方向的位置范围，降低成像系统的调节难度。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的基于零阶贝塞尔波束的太赫兹反射成像系统示意图；

图2为本实用新型实施例提供的待成像的样品；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为太赫兹发射源，2为斩波器，3为准直透镜，4为硅片，5为衍射元件，6为聚焦透镜，7为太赫兹探测器，8为样品台，9为样品台移动装置， 10为锁相放大器，11为控制模块。

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，对本实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以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示的基于零阶贝塞尔波束的太赫兹反射成像系统，包括：太赫兹发射源1、斩波器2、准直透镜3、硅片4、衍射元件5、聚焦透镜6、太赫兹探测器7、样品台8、样品台移动装置9、锁相放大器10以及控制模块11；

太赫兹发射源1用于发射频率为300Hz、束腰半径为2.3mm的太赫兹高斯波束；斩波器2、准直透镜3、硅片4、衍射元件5以及样品台8沿太赫兹高斯波束的透射方向依次设置；硅片4的中心位于透射波束的中心轴线上，并且硅片4与透射波束的中心轴线夹角为45°；准直透镜3和衍射元件5的主光轴均位于透射波束的中心轴线上；样品台8垂直于透射波束的中心轴线；样品台8用于承载待成像的样品；准直透镜3用于对发散的太赫兹高斯波束进行准直；衍射元件5用于使得透射的太赫兹高斯波束成为零阶贝塞尔波束，以保证透射波束在传播过程中，在无衍射距离内横截面光强分布不变，从而扩展成像系统的景深，进而在保证成像分辨率的同时一方面扩大样品的成像厚度范围，降低对样品厚度的限制，另一方面扩大样品沿景深方向的位置范围，降低成像系统的调节难度；衍射元件5还用于使得经样品反射的反射波束平行传播；硅片4用于改变反射波束的光路，使得反射波束经硅片4反射后其传播方向与透射波束的中心轴线夹角为90°；聚焦透镜6的主光轴位于反射光路上并且与透射波束的中心轴线垂直；太赫兹探测器7位于聚焦透镜6的焦平面上；聚焦透镜6用于将平行传播的反射波束会聚至太赫兹探测器7；太赫兹探测器7与锁相放大器10相连；太赫兹探测器7用于将接收到的反射光强信号转换为光电流信号，并将光电流信号传输至锁相放大器10；锁相放大器10用于将接收到的光电流信号转变为电压信号并对电压信号进行放大和降噪处理；控制模块11分别与样品台移动装置9和锁相放大器10相连，控制模块用于控制样品台移动装置9驱动样品台8沿不同方向移动，以实现对样品的完整成像，同时，控制模块11还从锁相放大器读取电压信号值，并记录对应的成像位置信息，从而得到样品图像。

在本实施例中，准直透镜3可为平凸透镜、双凸透镜或者离轴抛物面镜；聚焦透镜6可为平凸透镜、双凸透镜或者离轴抛物面镜；衍射元件5 可为轴棱锥、电浆子波导(plasmonic waveguide)、超颖表面(metasurface) 或者超材料透镜(metamaterial lens)；样平台移动装置9驱动样品台8沿x 方向移动，以实现对样品一个条带的成像；样平台移动装置9驱动样品台8 沿y方向移动，以实现对样品的完整成像；样品台移动装置9驱动样品台8 沿z方向移动，以得到样品位于不同景深处的图像；其中，x方向为对一个条带成像时波束扫描的步进方向，y方向为样品平面内与x方向垂直的方向， z方向为景深方向；x方向、y方向与z方向构成右手坐标系；样品台移动装置9包括三个步进电机，分别用于驱动样品台沿三个方向移动。

成像时，样品台沿x方向移动，对样品的一个条带进行成像；一个条带成像完成后，样品台沿y方向移动，对样品的下一个条带进行成像；样品成像完成后，样品台沿z方向移动，以得到样品在不同景深处的图像，并以此为依据确定最佳成像位置；其中，样品台8在x方向上的平移扫描频率在100Hz～8000Hz间连续可调，频率越低，对应平移扫描速度越慢，采样点数越多，扫描时间越长；样品台8在y方向上的平移扫描距离为1mm；样品台8在z方向上的平移步长为5mm。

在本实施例中，经过调节，准直透镜中心和硅片中心之间的距离、硅片中心和衍射元件中心之间的距离、硅片中心和聚焦透镜中心之间的距离均满足成像过程中器件之间不会相互碰撞的条件。

图2所示的待成像的样品为分辨率板，该分辨率板是在尺寸为80mm× 80mm多氯联苯(polychlorinated biphenyls)塑料表面上镀上宽度2mm的铜线而制成，分辨率板上的金属线条可以分为四个部分：密度逐渐变化的平行直线条，不同直径的圆环，一系列同心圆环以及放射形线条。

使用图1所示的成像系统对图2所示的样品进行成像，分辨率板沿z 方向距离衍射元件5约为10mm时，探测到第一个反射图像，以5mm的步长沿z方向移动样品台，依次探测到第二到第十八个反射图像；在第一到第十八个反射图像中，只有第一个反射图像有明显失真，其他反射图像均能清晰有效地反应分辨率板的真实形貌；因此，该成像系统的有效景深为 80mm。

将图1所示的成像系统中衍射元件5替换为焦距50mm，直径2英寸，材料为高密度聚乙烯的平凸透镜，得到传统的基于高斯波束的太赫兹反射成像系统；使用传统的基于高斯波束的太赫兹反射成像系统对图2所示的样品进行成像，分辨率板沿z方向距平凸透镜约为10mm时，探测到第一个反射图像，以5mm的步长沿z方向移动样品台，依次探测到第二到第十八个反射图像；在第一到第十八个反射图像中，只有第六到第九个反射图像共四个反射图像没有失真，即成像系统的景深不到20mm。

对比使用图1所示的成像系统和使用传统的基于高斯波束的太赫兹反射成像系统的成像结果可知，相对于传统的基于高斯波束的太赫兹反射成像系统，基于零阶贝塞尔波束的太赫兹反射成像系统可以有效扩展成像系统的景深。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。