[發明專利]基于水平掃描方式的太赫茲衰減全反射成像裝置及方法

有效

• 申請號: 201911159085.7
• 申請日: 2019-11-22
• 公開（公告）號: CN110865043B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 王與燁;王國強;劉宏翔;徐德剛;姚建銓
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N21/3586
• 分類號: G01N21/3586
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

本發明公開了一種基于水平掃描方式的太赫茲衰減全反射成像裝置及方法，包括：第一、第二太赫茲離軸拋物面鏡，設置在全反射棱鏡的下側；調整太赫茲分光鏡與太赫茲波的傳播方向成一定角度，經過太赫茲分光鏡的太赫茲波被分為兩束：一路反射的太赫茲波被第一太赫茲探測器直接收集，用于檢測太赫茲輻射源的輸出穩定性并作為最終圖像的參考信號，另一路透射的太赫茲波作為探測待測樣本的信號依次經過第一、第二太赫茲反射鏡、第一離軸拋物面鏡、全反射棱鏡、第二離軸拋物面鏡、太赫茲透鏡之后被第二太赫茲探測器所接收；二維移動掃描平臺設置在全反射棱鏡下方，計算機用于接收第一、第二太赫茲探測器所探測的信號以及控制二維移動掃描平臺實現掃描。

技術領域

本發明涉及太赫茲成像領域，尤其涉及一種基于水平掃描方式的太赫茲衰減全反射成像裝置及方法。

背景技術

太赫茲(Terahertz，簡稱THz，1THz＝10¹²Hz)波是指頻率從0.1THz-10THz范圍的電磁波，相應的波長為0.03mm到3mm，介于遠紅外光與微波之間的電磁波譜區域。由于該頻段正好處于宏觀經典理論向微觀電子理論的過渡區，其具有很多獨特的性質，如瞬態性、寬帶性、低能性等。因此，THz波成像技術在材料科學、生命科學、醫學成像以及食品檢測等領域有著極大的應用前景與應用價值。

根據成像原理的差異，可以將目前的太赫茲成像方式分為以下三種：透射式，反射式和衰減全反射式(attenuated?total?reflection,ATR)。透射式成像通過探測透過樣本的太赫茲波信號進行成像；反射式通過探測樣品表面反射的太赫茲波進行成像；ATR利用太赫茲在樣本表面的全內反射原理進行成像，成像時將待測樣品置于全反射棱鏡的上表面，當太赫茲波的入射角大于全反射臨界角時，太赫茲波會在全反射棱鏡上表面發生全內反射，從棱鏡出射的太赫茲波攜帶了樣品的信息，因此可以表現出樣本的物理性質。相比于透射和反射式的太赫茲成像方法，ATR成像具有如下的優勢：(1)可以對高吸收性樣本進行成像檢測。太赫茲波在一些高吸收性物體中的穿透深度十分有限(大約為數十微米)，因此無法進行透射式成像；在ATR成像中，太赫茲波在棱鏡-樣本界面處發生衰減全反射，光強損失較小，因此可以對高吸收性樣本進行成像研究。(2)樣品制備簡單。透射式成像對某些在太赫茲波段具有強烈吸收的樣品的厚度要求十分嚴格，樣品制備步驟繁瑣，耗時較長；對于粉末狀樣品或表面不均勻的樣本而言，其存在較強的漫反射效應，無法進行反射式成像；ATR成像僅要求樣本與全反射棱鏡互相貼合，無需對樣本進行復雜的處理。(3)不會出現透射和反射成像中的干涉條紋。透射和反射式成像通常采用對THz低吸收的材料作為基底，這容易使得光線在基底與樣品之間、上下基底之間或樣品上下表面之間形成干涉，從而造成成像質量惡化、圖像準確性降低。

ATR成像技術在紅外波段的發展相對成熟，且廣泛應用于面陣相機實時成像。在THz波段，目前商用化的THz輻射源功率較低，面陣式探測器的性能較差，因此多采用二維逐點掃描的成像方式，即通過移動樣品或者全反射棱鏡以實現掃描成像。若采用移動樣品的方式，容易造成樣品表面與全反射棱鏡之間的摩擦損耗，并形成接觸空隙。較常使用的棱鏡移動方式是將樣品固定于全反射棱鏡上，通過棱鏡的移動實現太赫茲波對樣品的掃描。

目前常見的掃描方式大多為垂直掃描，即棱鏡移動的兩個方向均與主光線垂直。這種掃描方式存在如下的缺點和問題：

(1)移動的棱鏡與固定的聚焦透鏡在掃描過程中始終發生相對位移，改變了焦點的預設位置，使圖像的空間分辨率只有在棱鏡上表面中心才能取得最優值，而以此為中心，沿x方向往兩側退化，導致掃描大尺寸樣品時，樣品邊緣模糊。

(2)THz波出射高度隨棱鏡的垂直移動而發生變化，使上表面允許掃描的范圍受棱鏡之后收集透鏡通光孔徑的限制。由于出射光無法始終沿該透鏡光軸入射，這就導致經過透鏡的折射光無法會聚成一點，從而增加THz波收集時的困難。