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原文传递太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置及补偿方法

专利名称：	太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置及补偿方法
摘要：	一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置及补偿方法，太赫兹波经斩波器、反射镜、分光镜、非球面透镜聚焦入射到全反射棱镜中，通过计算机系统控制一维扫描平台带动光程补偿棱镜组中的一个直角三角形棱镜和全反射棱镜分别沿z轴和y轴移动，携带样品信息的太赫兹波经太赫兹探测器探测，实现待测样品的成像。当太赫兹波扫描样本的不同位置时，入射到全反射棱镜底面上的光程相同，即实现了太赫兹波焦点始终位于全反射棱镜的底面上，克服了扫描成像焦点偏移导致分辨率变化的现象，实现高质量的成像，且本发明具有稳定性高、易于光线收集、成像灵敏度高、无干涉条纹、对样品无破坏性的特点，本发明在生命科学、医疗诊断等方面有着重要的应用潜力。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	天津;12
申请人：	天津大学
发明人：	王与烨;姜智南;徐德刚;刘宏翔;姚建铨
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-31T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-22T00:00:00+0800
申请号：	CN201910703706.7
公开号：	CN110361363A
代理机构：	天津市北洋有限责任专利代理事务所
代理人：	杜文茹
分类号：	G01N21/552(2014.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	300072 天津市南开区卫津路92号
主权项：	1.一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，包括太赫兹辐射源(1)和接收太赫兹辐射源(1)出射光的斩波器(2)，其特征在于，沿斩波器(2)的太赫兹波出射光路上依次设置有第一太赫兹反射镜(3)、太赫兹分光镜(4)、第二太赫兹反射镜(6)、第一非球面透镜(7)、光程补偿棱镜组(8)、放置有待测成像样品(12)的全反射棱镜(11)、用于收集太赫兹波的第二非球面透镜(13)和第二太赫兹探测器(14)，其中，所述太赫兹分光镜(4)将太赫兹波分成两路，一路透射光入射到第二太赫兹反射镜(6)，一路反射光的光路上设置有用于接收该反射光并作为参考光波信号输入到计算机控制系统(17)中的第一太赫兹探测器(5)，用于实现太赫兹波在扫描过程中入射到所述全反射棱镜(11)底面上的光程补偿棱镜组(8)上设置有用于驱动光程补偿棱镜组(8)沿z方向移动，实现对待测成像样品(12)x方向的扫描的一维z轴扫描平台(15)，所述全反射棱镜(11)上设置有用于驱动全反射棱镜(11)沿y向移动，实现对待测成像样品(12)y方向的扫描的一维y轴扫描平台(16)，所述的一维z轴扫描平台(15)和一维y轴扫描平台(16)的控制信号输入端分别连接计算机控制系统(17)，所述第二太赫兹探测器(14)的信号输出端连接所述计算机控制系统(17)，所述的计算机控制系统(17)通过数据采集卡连接一维z轴扫描平台(15)和一维y轴扫描平台(16)，用于分别实现所述的光程补偿棱镜组(8)，与全反射棱镜(11)沿z轴和y轴的移动；并且通过数据采集卡连接所述的第一太赫兹探测器(5)和第二太赫兹探测器(14)，用于太赫兹光强的采集，从而实现待测成像样品(12)的成像显示。 2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述的太赫兹辐射源(1)为连续或脉冲太赫兹辐射源，所述光程补偿棱镜组(8)的材料与全反射棱镜(11)材料相同；所述的光程补偿棱镜组(8)底面与入射的太赫兹波的方向平行，光程补偿棱镜组(8)的太赫兹波的通光面和出射面均为光学抛光面。 3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述的光程补偿棱镜组(8)为空气接触式光程补偿棱镜组，包括有第一补偿棱镜(9)和第二补偿棱镜(10)，所述第一补偿棱镜(9)和第二补偿棱镜(10)结构大小相同，均为直角三角形棱镜，所述第一补偿棱镜(9)和第二补偿棱镜(10)的长边直角面垂直于入射的太赫兹波放置，且对应作为太赫兹波进入补偿棱镜组的入射面和出射面，两个棱镜的斜边面相互平行放置，第一补偿棱镜(9)设置在一维z轴扫描平台(15)上，在一维z轴扫描平台(15)的驱动下沿z轴方向向下移动。 4.根据权利要求3所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述的第一补偿棱镜(9)与第二补偿棱镜(10)之间具有用于避免两者之间摩擦损伤的设定空气间隔。 5.根据权利要求3所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述的第一补偿棱镜(9)的扫描移动过程中，第二补偿棱镜(10)与全反射棱镜(11)保持不动，太赫兹波入射到全反射棱镜(11)底面的光程始终保持不变，即时刻满足关系：其中，f为第一非球面透镜(7)的焦距；LAB表示太赫兹波在第一非球面透镜(7)的出射点(A)至太赫兹波在第一补偿棱镜(9)入射点(B)的几何长度；LBC表示太赫兹波在第一补偿棱镜(9)入射点(B)至太赫兹波在第一补偿棱镜(9)的出射点(C)的几何长度；LCD表示太赫兹波在第一补偿棱镜(9)的出射点(C)至太赫兹波在第二补偿棱镜(10)的入射点(D)的几何长度；LDE表示太赫兹波在第二补偿棱镜(10)的入射点(D)至第二补偿棱镜(10)的出射点(E)的几何长度；LEF表示太赫兹波在第二补偿棱镜(10)的出射点(E)至全反射棱镜(11)的入射点(F)的几何长度；LFG表示太赫兹波在全反射棱镜(11)的入射点(F)至太赫兹波入射到全反射棱镜(11)底面的位置点(G)的几何长度；n表示第一补偿棱镜(9)、第二补偿棱镜(10)及全反射棱镜(11)在太赫兹波段的折射率。 6.根据权利要求3所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述第一补偿棱镜(9)向下移动距离h'和在待测成像样品(12)上沿x方向所扫描的的长度r1满足关系：第一补偿棱镜(9)和第二补偿棱镜(10)的顶角α的设计满足隐函数方程：第一补偿棱镜(9)和第二补偿棱镜(10)的高度HI1的设计根据公式：其中，n表示第一补偿棱镜(9)、第二补偿棱镜(10)及全反射棱镜(11)在太赫兹波段的折射率；θ表示全反射棱镜(11)顶角的一半；待测成像样品(12)的扫描长度与第一补偿棱镜(9)和第二补偿棱镜(10)的高度成正比。 7.根据权利要求1所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，所述的光程补偿棱镜组(8)为棱镜接触式光程补偿棱镜组，包括有第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)，所述第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)的长边直角面垂直于入射的太赫兹波放置；第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)的斜边面相互平行放置，且对应作为太赫兹波进入光程补偿棱镜组(8)的入射面和出射面；第三补偿棱镜(18)设置于一维z轴扫描平台(15)上，在一维z轴扫描平台(15)的驱动下沿z轴方向向下移动。 8.根据权利要求7所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，在第三补偿棱镜(18)的扫描移动过程中，第四补偿棱镜(19)与全反射棱镜(11)保持不动，太赫兹波的光程始终保持不变，即时刻满足关系：其中，其中，f为第一非球面透镜(7)的焦距；LA′B′表示太赫兹波在第一非球面透镜(7)的出射点(A′)至太赫兹波在第三补偿棱镜(18)入射点(B′)的几何长度；LB′C′表示太赫兹波在第三补偿棱镜(18)入射点(B′)至太赫兹波在第四补偿棱镜(19)的出射点(C′)的几何长度；LC′D′表示太赫兹波在第四补偿棱镜(19)的出射点(C′)至太赫兹波在全反射棱镜(11)的入射点(D′)的几何长度；LD′E′表示太赫兹波在全反射棱镜(11)的入射点(D′)至太赫兹波入射到全反射棱镜(11)底面的位置点(E′)的几何长度；n表示第三补偿棱镜(18)、第四补偿棱镜(19)及全反射棱镜(11)在太赫兹波段的折射率。 9.根据权利要求7所述的一种太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置，其特征在于，第三补偿棱镜(18)向下移动距离h”和所扫描样本的长度r2满足关系：第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)的顶角设计β满足隐函数方程：第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)的高度HI2的设计可根据公式：其中，n表示第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)及全反射棱镜(11)在太赫兹波段的折射率；θ表示全反射棱镜(11)顶角的一半；待测成像样品(12)的扫描长度与第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)的高度成正比。第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)的高度HI2＝40mm时，对待测成像样品(12)沿x方向的最大扫描长度等于14.3mm，第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)的顶角为25°。若想获得更大的成像面积，可以继续增大第三补偿棱镜(18)和第四补偿棱镜(19)的高度。 10.一种权利要求1所述的太赫兹波衰减全反射成像的分辨率补偿装置的补偿方法，其特征在于，包括以下过程：太赫兹辐射源(1)发出的太赫兹波经过斩波器(2)、第一太赫兹反射镜(3)，入射到太赫兹分光镜(4)，其中一路反射光被第一太赫兹探测器(5)探测作为参考信号，另一路透射光经过第二太赫兹反射镜(6)入射到第一非球面透镜(7)，太赫兹光束由平行光变为汇聚光，再经过光程补偿棱镜组(8)和全反射棱镜(11)，聚焦入射到全反射棱镜(11)的底面上，并发生全反射；光程补偿棱镜组(8)中的一个固定不动，另一个沿z轴镜像且沿x轴翻转180°后固定在z轴方向移动的一维z轴扫描平台(15)上，这样入射到全反射棱镜(11)中的太赫兹光束会出现沿z轴方向的平移，从而实现对待测成像样品(12)x方向的扫描；在光程补偿棱镜组(8)的过程中，太赫兹波入射到全反射棱镜(11)底面的光程始终不变，即将高斯光束的焦点聚焦到全反射棱镜(11)底面，实现用高斯光束的焦点扫描整个待测成像样品(12)；全反射棱镜(11)固定于y轴方向移动的一维y轴扫描平台(16)上，实现对待测成像样品(12)y方向的扫描；出射的太赫兹波被第二太赫兹探测器(14)；通过计算机系统调节控制一维z轴扫描平台(15)和一维y轴扫描平台(16)的移动，并采集第一太赫兹探测器(5)和第二太赫兹探测器(14)的数据，最终实现太赫兹波衰减全反射成像结果的显示。
所属类别：	发明专利