[發明專利]一種基于立體相位光柵和孔徑分割技術的THz光譜成像儀

在審

• 申請號: 201710037295.3
• 申請日: 2017-01-19
• 公開（公告）號: CN106706130A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 舒嶸;楊秋杰;何志平;黃敬國;黃志明;秦俠格
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/18;G01J3/02;G01N21/3586;G01N21/01
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 郭英

本發明涉及一種太赫茲光譜成像儀，具體涉及一種能實時獲取目標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、前置視場光闌、前置準直鏡、立體相位光柵、后置會聚鏡、后置視場光闌、后置準直鏡、子孔徑成像鏡、探測器、探測器控制處理系統和控制采集處理計算機組成。所述探測器以孔徑分割方式同時獲取目標場景被立體相位光柵N個元胞所衍射的N個零級衍射光的光強信息，依據立體相位光柵的N個元胞所對應的N個光程差，獲得N組光程差與光強的對應關系數據，通過傅里葉變換，實時獲取目標的THz譜和像，適用于THz光譜檢測、分析等相關領域。

背景技術

太赫茲(THz)波是指頻率在0.1—10T(波長為3000—30μm)范圍內的電磁波(1THz＝10¹²Hz)。目前THz波的產生體制有兩種，基于光子學的THz波發生器，和利用自由電子的THz輻射源。基于光子學手段的THz波發生器受制于低效率的光能轉換效率，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20mW。而大氣中水汽的較強吸收，使的目標太赫茲譜的探測面臨很大困難。

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域光譜儀(THz-TDS)。紅外傅里葉光譜儀使用傅里葉變換技術分光具有多通道、高通量的特點，但傅里葉變換技術依賴動鏡的順次掃描，不能實時成譜，限制了其在快速變化、復雜環境中的使用；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探測中的使用；此外紅外傅里葉光譜儀引入了移動部件和步進控制電機，增加體積和功耗的同時，影響了儀器的使用壽命。

THz-TDS對太赫茲信號的探測基于光電導取樣或電光取樣，對物體成譜時，需要依次完成波長維，空間維的掃描，需要耗費大量的時間；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，移動困難；此外THz-TDS其用途是在實驗室環境中測量物質在太赫茲波段的透、反率特性，并不適合野外環境對有限距離目標的太赫茲譜探測與成像應用。

上述兩種種現有技術的缺點主要體現在以下幾個方面：一、傅里葉光譜儀和THz-TDS，完成物體的成像過程需要花費較長時間，不適用于復雜多變環境條件下，目標太赫茲譜的實時探測與成像需求；二、THz-TDS其用途是在實驗室環境中測量物質在太赫茲波段的透、反率特性，并不適合野外環境對有限距離目標的太赫茲譜探測與成像應用；三、傅里葉光譜儀和THz-TDS，其體積龐大，不便于攜帶。

發明內容

針對現有技術的上述不足，本發明提供了一種基于靜態傅里葉變換的太赫茲譜探測與成像裝置，適用于目標的太赫茲譜實時探測與成像。

本發明的技術方案如下：

一種基于立體相位光柵和孔徑分割技術的THz光譜成像儀，包括依據光路傳輸依次排列的前置鏡1、前置視場光闌2、前置準直鏡3、立體相位光柵4、后置會聚鏡5、后置視場光闌6、后置準直鏡7、子孔徑會聚鏡8、探測器9，所述探測器9還依次連接有探測器控制處理系統10和控制采集處理計算機11，如說明書附圖1所示。上述前置準直鏡3、立體相位光柵4、后置會聚鏡5、后置視場光闌6、后置準直鏡7、子孔徑會聚鏡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。上述前置鏡1的焦面與前置準直鏡3的前焦面重合；上述前置視場光闌2是方形，位于前置鏡1的焦面，其尺寸與視場和探測器9的面積相匹配；上述后置準直鏡5的焦面與后置準直鏡7的前焦面重合；上述后置視場光闌6是圓形，位于前置鏡5的焦面，其開孔大小僅允許光柵的零級衍射光通過。上述前置鏡1、前置準直鏡3、后置會聚鏡6、后置準直鏡7、子孔徑會聚鏡8采用太赫茲波段的復消色差設計。

上述太赫茲立體相位光柵4的結構如說明書附圖2所示，由長方體金屬板12上表面刻出一系列平整光滑的矩形凹槽構成，金屬板的材質是鋁、鐵、鋁合金或鈦合金，所述的凹槽底面與長方體金屬板12的上表面平行，凹槽的深度分別為h₁、h₂、…、h_N-1、h_N，h₁、h₂、h₃、…、h_N-2、h_N-1、h_N，順次增大，N為元胞的個數，深度相同的凹槽視為一個元胞。

上述立體相位光柵4的最大槽深h_max，由設計指標所要求的光譜分辨率R和光線入射角α共同決定，滿足：