一種緊湊型連續(xù)太赫茲雙軸共焦掃描反射式偏振成像裝置及成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及緊湊型連續(xù)太赫茲雙軸共焦掃描反射式偏振成像裝置及成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲(Terahertz，簡(jiǎn)稱THz)輻射通常指的是頻率在O.l-lOTHz范圍內(nèi)的電磁輻 射，此波段內(nèi)的電磁輻射可以穿透大多數(shù)非金屬非極性物質(zhì)。太赫茲成像設(shè)備相對(duì)于其他 波段成像設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)材料等的高分辨率無損探測(cè)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 偏振成像(polarization imaging)是一種通過與物質(zhì)發(fā)生相互作用后的光束的 偏振信息來獲得物體的偏振特性圖像的技術(shù)。它可以提取出物體表面各向異性特性的信 息，從而在一定程度上可以提高普通成像的質(zhì)量。
[0004] 截至目前，已有諸多研究團(tuán)隊(duì)做了可見光等波段偏振成像方面的研究，太赫茲波 段的則屈指可數(shù)。國(guó)內(nèi)已有單軸共焦掃描透射式偏振成像的研究，雙軸共焦掃描反射式偏 振成像則未見報(bào)道。在太赫茲波段，單軸共焦掃描透射式偏振成像裝置體積龐大、軸向分辨 率較低，而雙軸共焦掃描反射式偏振成像則有著諸多優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 氣體抽運(yùn)的單頻連續(xù)太赫茲激光器，由于具有易操作等優(yōu)點(diǎn)是常用的太赫茲源。 雙軸共焦掃描反射式成像較單軸共焦掃描成像具有更高的軸向分辨率。在太赫茲成像系統(tǒng) 中通常應(yīng)用90°離軸拋面鏡減少能量損耗，但同時(shí)帶來系統(tǒng)體積增大，如何實(shí)現(xiàn)小型化是急 需解決的實(shí)際問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是為了解決目前太赫茲共焦掃描偏振成像技術(shù)中軸向分辨率較低的問題， 而提出的一種緊湊型連續(xù)太赫茲雙軸共焦掃描反射式偏振成像裝置及成像方法。
[0007] -種緊湊型連續(xù)太赫茲雙軸共焦掃描反射式偏振成像裝置包括：
[0008] 太赫茲激光器（1)、氦氖激光器(2)、分光片(3)、A1偏振片(4-1)、P1離軸拋面鏡(5-1)、斬波器(6)、P2離軸拋面鏡(5-2)、M1全反鏡(7-1)、載物臺(tái)（8)、M2全反鏡(7-2)、P3離軸拋 面鏡(5-3)、A2偏振片(4-2)、P4離軸拋面鏡(5-4)、P5離軸拋面鏡(5-5)、探測(cè)器一(9-1)、探 測(cè)器二(9-2)和計(jì)算機(jī)(10);
[0009] 所述太赫茲激光器（1)輸出的經(jīng)過準(zhǔn)直的光束經(jīng)分光片（3)分光后入射至A1偏振 片(4-1)，再經(jīng)P1離軸拋面鏡(5-1)反射后，入射至斬波器(6)，經(jīng)斬波器(6)斬波的光束入射 至P2離軸拋面鏡(5-2)，P2離軸拋面鏡(5-2)將其入射光束反射至Ml全反鏡(7-1)，M1全反鏡 (7-1)反射的光束入射至載物臺(tái)（8)上的成像目標(biāo)，經(jīng)成像目標(biāo)反射的光束入射至M2全反鏡 (7-2)，M2全反鏡(7-2)反射的光束入射至P3離軸拋物鏡(5-3)，P3離軸拋物鏡(5-3)反射的 光束入射至A2偏振片(4-2)，再經(jīng)P4離軸拋物鏡(5-4)反射后，形成的輸出光束被探測(cè)器二 (9-2)接收，探測(cè)器二(9-2)的電信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)(10);
[0010] 其中所述探測(cè)器二(9-2)接收到的信號(hào)為目標(biāo)回波信號(hào)。
[0011] 利用所述裝置進(jìn)行偏振成像的方法，所述偏振成像的方法具體過程為：
[0012] 步驟一:調(diào)節(jié)A1偏振片(4-1)和A2偏振片(4-2)快軸間的夾角，使其為0°，通過計(jì)算 機(jī)（10)控制載物臺(tái)（8)的xy二維運(yùn)動(dòng)，由計(jì)算機(jī)（10)采集得到探測(cè)器二(9-2)的數(shù)據(jù)，將0° 時(shí)的圖像記錄為第一幅圖像11〇;調(diào)節(jié)A1偏振片(4-1)和A2偏振片(4-2)快軸間的夾角，使其 分別為45°、90°、135°，并將45°時(shí)的圖像記錄為第二幅圖像11 45,90°時(shí)的圖像記錄為第三幅 圖像I19Q，135°時(shí)的圖像記錄為第四幅圖像11 135，這四幅圖像構(gòu)成z軸所處位置的一組圖像； [0013]利用計(jì)算機(jī)（10)計(jì)算得到11、1]1、〇1、00?1^1，所述11為第1組圖像中光的總強(qiáng)度， Q1為第1組圖像中水平偏振和垂直偏振間的強(qiáng)度差，U1為第1組圖像中光線偏振部分方向在 45°和-45°之間的強(qiáng)度差，D0P1為第1組圖像中光的偏振度，A1為第1組圖像中光的偏振角；
[0014] 具體計(jì)算公式為：
[0015] Il = Il〇+Il9〇
[0016] Ql = Il〇-Il9〇
[0017] Ul = Il45-Ili35
[0020] 步驟二：利用計(jì)算機(jī)（10)控制載物臺(tái)（8)沿Z軸方向移動(dòng)0.05-0.5mm距離，重復(fù)執(zhí) 行步驟一，得到z軸所處位置的第二組圖像12〇、1245、129〇、12135;
[0021] 利用計(jì)算機(jī)（10)計(jì)算得到12、U2、Q2、D0P2、A2，所述12為第2組圖像中光的總強(qiáng)度， Q2為第2組圖像中水平偏振和垂直偏振間的強(qiáng)度差，U2為第2組圖像中光線偏振部分方向在 45°和-45°之間的強(qiáng)度差，D0P2為第2組圖像中光的偏振度，A2為第2組圖像中光的偏振角； [0022]具體計(jì)算公式為：
[0023] I2 = I2o+I29〇
[0024] Q2 = 120-1290
[0025] U2 = 1245-12135
[0028]步驟三：重復(fù)執(zhí)行步驟二η - 2次，直至得到z軸所處位置的第η組圖像In〇、In45、 Ingo、Ini35，n 大于等于 3;
[0029] 利用計(jì)算機(jī)（10)計(jì)算得到1]1、1]11、(>)11、00?11、411，所述111為第11組圖像中光的總強(qiáng)度， Qn為第η組圖像中水平偏振和垂直偏振間的強(qiáng)度差，Un為第η組圖像中光線偏振部分方向在 45°和-45°之間的強(qiáng)度差，DOPn為第η組圖像中光的偏振度，An為第η組圖像中光的偏振角； [00 30]具體計(jì)算公式為：
[0031] In = Ino+Ingo
[0032] Qn = In〇-Ing〇
[0033] Un=In45-Inl35
[0036] 步驟四：根據(jù)步驟一至三得到的z軸不同位置的D0P1，D0P2,……，D0Pn和A1， A2，……，An，可重構(gòu)出物體的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0037]發(fā)明效果：
[0038] 本發(fā)明采用氣體抽運(yùn)的單頻連續(xù)太赫茲激光器作為太赫茲源實(shí)現(xiàn)太赫茲雙軸共 焦掃描反射式偏振成像，易于操作、可成三維斷層像且軸向分辨率高;采用兩個(gè)15°離軸拋 面鏡使系統(tǒng)緊湊;采用兩臺(tái)探測(cè)器，其中一臺(tái)探測(cè)目標(biāo)回波信號(hào)，另一臺(tái)探測(cè)參考信號(hào)，從 而減少由于太赫茲激光源功率波動(dòng)造成的探測(cè)系統(tǒng)誤差。
[0039] 相比于單軸共焦掃描透射式偏振成像，雙軸共焦掃描反射式偏振成像系統(tǒng)軸向分 辨率提高到0.67mm，提高了近70%?？臻g尺度上，橫向壓縮了近60%，更利于實(shí)驗(yàn)裝置的擺 放。
【附圖說明】
[0040] 圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041 ]【具體實(shí)施方式】一:如圖1所示，一種緊湊型連續(xù)太赫茲雙軸共焦掃描反射式偏振成 像裝置包括：
[0042] 太赫茲激光器（1)、氦氖激光器(2)、分光片(3)、A1偏振片(4-1)、P1離軸拋面鏡(5-1)、斬波器(6)、P2離軸拋面鏡(5-2)、M1全反鏡(7-1)、載物臺(tái)（8)、M2全反鏡(7-2)、P3離軸拋 面鏡(5-3)、A2偏振片(4-2)、P4離軸拋面鏡(5-4)、P5離軸拋面鏡(5-5)、探測(cè)器一(9-1)、探 測(cè)器二(9-2)和計(jì)算機(jī)(10)。
[0043] 所述太赫茲激光器（1)輸出的經(jīng)過準(zhǔn)直的光束經(jīng)分光片（3)分光后入射至A1偏振 片(4-1)，再經(jīng)P1離軸拋面鏡(5-1)反射后，入射至斬波器(6)，經(jīng)斬波器(6)斬波的光束入射 至P2離軸拋面鏡(5-2)，P2離軸拋面鏡(5-2)將其入射光束反射至Ml全反鏡(7-1)，M1全反鏡 (7-1)反射的光束入射至載物臺(tái)（8)上的成像目標(biāo)，經(jīng)成像目標(biāo)反射的光束入射至M2全反鏡 (7-2)，M2全反鏡(7-2)反射的光束入射至P3離軸拋物鏡(5-3)，P3離軸拋物鏡(5-3)反射的 光束入射至A2偏振片(4-2)，再經(jīng)P4離軸拋物鏡(5-4)反射后，形成的輸出光束被探測(cè)器二 (9-2)接收，探測(cè)器二(9-2)的電信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)(10);
[0044]其中所述探測(cè)器二(9-2)接收到的信號(hào)為目標(biāo)回波信號(hào)。
[0045] 太赫茲激光器（1)可采用相干公司SIFIR-50型C02激光栗浦連續(xù)激光器，將其輸出 的2.52THz連續(xù)激光作為激光源，具有輸出功率相對(duì)較高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)；分光片(3)采 用高阻硅片，以布魯斯特角放置，使透射光功率達(dá)到最大;A1偏振片(4-1)和A2偏振片(4-2) 的引入，實(shí)現(xiàn)了偏振成像;P2離軸拋面鏡(5-2)和P3離軸拋面鏡(5-3)為15°離軸拋面鏡，可 以使系統(tǒng)緊湊;Ml全反鏡(7-1)和M2全反鏡(7-2)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了雙軸反射式成像，使軸向分 辨率得以提高。
【具體實(shí)施方式】 [0046] 二:本實(shí)施方式與一不同的是:所述太赫茲激光器(1) 輸出的經(jīng)過準(zhǔn)直的光束和P4離軸拋面鏡(5-4)反射形成的輸出光束的光軸相互平行，P1離 軸拋面鏡(5-1)反射的光束的光軸和P3離軸拋面鏡(5-3)反射的光束的光軸相互平行。
[0047]
【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述氦氖激光器 (2) 輸出的光束經(jīng)分光片(3)反射至A1偏振片上(4-1)，再經(jīng)P1離軸拋面鏡(5-1)反射后，入 射至斬波器(6)，經(jīng)斬波器(6)斬波的光束入射至P2離軸拋面鏡(5-2)，P2離軸拋面鏡(5-2) 將其入射光束反射至Ml全反鏡（7-1)，M1全反鏡(7-1)反射的光束入射至載物臺(tái)（8)上的成 像目標(biāo)，經(jīng)成像目標(biāo)反射的光束入射至M2全反鏡(7-2)，M2全反鏡（7-2)反射的光束入射至 P3離軸拋物鏡(5-3)，P3離軸拋物鏡(5-3)反射的光束入射至A2偏振片(4-2)，再經(jīng)P4離軸拋 物鏡(5-4)反射后，形成的輸出光束被探測(cè)器二(9-2)接收，探測(cè)器二(9-2)的電信號(hào)輸出端 連接計(jì)算機(jī)(10)。
[0048]【具體實(shí)施方式】四：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:所述分光片 (3) 法線方向與太赫茲激光器(1)輸出的經(jīng)過準(zhǔn)直的光束所成的夾角為布魯斯特角。
【具體實(shí)施方式】 [0049] 五:本實(shí)施方式與一至四之一不同的是:所述分光片 (3)的反射光入射至P5離軸拋面鏡(5-5)，經(jīng)P5離軸拋面鏡（5-5)反射形成的輸出光束被探 測(cè)器一 (9-1)接收，探測(cè)器一 (9-1)的電信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)(10);
[0050] 其中所述P5離軸拋面鏡(5-5)為90°離軸拋面鏡，探測(cè)器一(9-1)接收到的信號(hào)作 為參考信號(hào)。
【具體實(shí)施方式】 [0051] 六:本實(shí)施方式與一至五之一不同的是:所述P1離軸 拋面鏡(5-1)和P4離軸拋面鏡(5-4)為90°離軸拋面鏡，P2離軸拋面鏡(5-2)和P3離軸拋面鏡 (5-3)為15°離軸拋面鏡。
[0052]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是：所述探測(cè)器 一 (9-1)和探測(cè)器二(9-2)為熱釋電探測(cè)器。探測(cè)器