一种紧凑型连续太赫兹双轴共焦扫描反射式偏振成像装置及成像方法

摘要

一种紧凑型连续太赫兹双轴共焦扫描反射式偏振成像装置及成像方法，本发明涉及紧凑型连续太赫兹双轴共焦扫描反射式偏振成像装置及成像方法。本发明是为了解决目前太赫兹共焦扫描偏振成像技术中轴向分辨率较低的问题。本发明装置包括：太赫兹激光器(1)、氦氖激光器(2)、分光片(3)、A1偏振片(4-1)、P1离轴抛面镜(5-1)、斩波器(6)、P2离轴抛面镜(5-2)、M1全反镜(7-1)、载物台(8)、M2全反镜(7-2)、P3离轴抛面镜(5-3)、A2偏振片(4-2)、P4离轴抛面镜(5-4)、P5离轴抛面镜(5-5)、探测器一(9-1)、探测器二(9-2)和计算机(10)。本发明应用于成像技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及紧凑型连续太赫兹双轴共焦扫描反射式偏振成像装置及成像方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射通常指的是频率在0.1-10THz范围内的电磁辐射， 此波段内的电磁辐射可以穿透大多数非金属非极性物质。太赫兹成像设备相对于其他波段 成像设备，可实现有机材料等的高分辨率无损探测，具有重要的应用价值。

偏振成像(polarizationimaging)是一种通过与物质发生相互作用后的光束的偏振信 息来获得物体的偏振特性图像的技术。它可以提取出物体表面各向异性特性的信息，从而 在一定程度上可以提高普通成像的质量。

截至目前，已有诸多研究团队做了可见光等波段偏振成像方面的研究，太赫兹波段的 则屈指可数。国内已有单轴共焦扫描透射式偏振成像的研究，双轴共焦扫描反射式偏振成 像则未见报道。在太赫兹波段，单轴共焦扫描透射式偏振成像装置体积庞大、轴向分辨率 较低，而双轴共焦扫描反射式偏振成像则有着诸多优点。

气体抽运的单频连续太赫兹激光器，由于具有易操作等优点是常用的太赫兹源。双轴 共焦扫描反射式成像较单轴共焦扫描成像具有更高的轴向分辨率。在太赫兹成像系统中通 常应用90°离轴抛面镜减少能量损耗，但同时带来系统体积增大，如何实现小型化是急需 解决的实际问题。

发明内容

本发明是为了解决目前太赫兹共焦扫描偏振成像技术中轴向分辨率较低的问题，而提 出的一种紧凑型连续太赫兹双轴共焦扫描反射式偏振成像装置及成像方法。

一种紧凑型连续太赫兹双轴共焦扫描反射式偏振成像装置包括：

太赫兹激光器(1)、氦氖激光器(2)、分光片(3)、A1偏振片(4-1)、P1离轴抛面 镜(5-1)、斩波器(6)、P2离轴抛面镜(5-2)、M1全反镜(7-1)、载物台(8)、M2全 反镜(7-2)、P3离轴抛面镜(5-3)、A2偏振片(4-2)、P4离轴抛面镜(5-4)、P5离轴抛 面镜(5-5)、探测器一(9-1)、探测器二(9-2)和计算机(10)；

所述太赫兹激光器(1)输出的经过准直的光束经分光片(3)分光后入射至A1偏振 片(4-1)，再经P1离轴抛面镜(5-1)反射后，入射至斩波器(6)，经斩波器(6)斩波 的光束入射至P2离轴抛面镜(5-2)，P2离轴抛面镜(5-2)将其入射光束反射至M1全反 镜(7-1)，M1全反镜(7-1)反射的光束入射至载物台(8)上的成像目标，经成像目标 反射的光束入射至M2全反镜(7-2)，M2全反镜(7-2)反射的光束入射至P3离轴抛物 镜(5-3)，P3离轴抛物镜(5-3)反射的光束入射至A2偏振片(4-2)，再经P4离轴抛物 镜(5-4)反射后，形成的输出光束被探测器二(9-2)接收，探测器二(9-2)的电信号输 出端连接计算机(10)；

其中所述探测器二(9-2)接收到的信号为目标回波信号。

利用所述装置进行偏振成像的方法，所述偏振成像的方法具体过程为：

步骤一：调节A1偏振片(4-1)和A2偏振片(4-2)快轴间的夹角，使其为0°，通 过计算机(10)控制载物台(8)的xy二维运动，由计算机(10)采集得到探测器二(9-2) 的数据，将0°时的图像记录为第一幅图像I1₀；调节A1偏振片(4-1)和A2偏振片(4-2) 快轴间的夹角，使其分别为45°、90°、135°，并将45°时的图像记录为第二幅图像 I1₄₅，90°时的图像记录为第三幅图像I1₉₀，135°时的图像记录为第四幅图像I1₁₃₅，这四 幅图像构成z轴所处位置的一组图像；

利用计算机(10)计算得到I1、U1、Q1、DOP1、A1，所述I1为第1组图像中光的 总强度，Q1为第1组图像中水平偏振和垂直偏振间的强度差，U1为第1组图像中光线偏 振部分方向在45°和-45°之间的强度差，DOP1为第1组图像中光的偏振度，A1为第1 组图像中光的偏振角；

具体计算公式为：

I1＝I1₀+I1₉₀

Q1＝I1₀-I1₉₀

U1＝I1₄₅-I1₁₃₅

$DOP1=\frac{\sqrt{Q{1}^2+U{1}^2}}{I1}$

$A1=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{U1}{Q1}\right)$

步骤二：利用计算机(10)控制载物台(8)沿z轴方向移动0.05-0.5mm距离，重复 执行步骤一，得到z轴所处位置的第二组图像I2₀、I2₄₅、I2₉₀、I2₁₃₅；

利用计算机(10)计算得到I2、U2、Q2、DOP2、A2，所述I2为第2组图像中 光的总强度，Q2为第2组图像中水平偏振和垂直偏振间的强度差，U2为第2组图像中 光线偏振部分方向在45°和-45°之间的强度差，DOP2为第2组图像中光的偏振度，A2 为第2组图像中光的偏振角；

具体计算公式为：

I2＝I2₀+I2₉₀

Q2＝I2₀-I2₉₀

U2＝I2₄₅-I2₁₃₅

$DOP2=\frac{\sqrt{Q{2}^2+U{2}^2}}{I2}$

$A2=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{U2}{Q2}\right)$

步骤三：重复执行步骤二n－2次，直至得到z轴所处位置的第n组图像In₀、In₄₅、 In₉₀、In₁₃₅，n大于等于3；

利用计算机(10)计算得到In、Un、Qn、DOPn、An，所述In为第n组图像中光 的总强度，Qn为第n组图像中水平偏振和垂直偏振间的强度差，Un为第n组图像中光线 偏振部分方向在45°和-45°之间的强度差，DOPn为第n组图像中光的偏振度，An为第 n组图像中光的偏振角；

具体计算公式为：

In＝In₀+In₉₀

Qn＝In₀-In₉₀

Un＝I_n45-I_n135

$DOPn=\frac{\sqrt{{\mathrm{Qn}}^2+{\mathrm{Un}}^2}}{In}$

$An=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{Un}{Qn}\right)$

步骤四：根据步骤一至三得到的z轴不同位置的DOP1,DOP2,……,DOPn和 A1,A2,……,An，可重构出物体的三维结构图。

发明效果：

本发明采用气体抽运的单频连续太赫兹激光器作为太赫兹源实现太赫兹双轴共焦扫 描反射式偏振成像，易于操作、可成三维断层像且轴向分辨率高；采用两个15°离轴抛 面镜使系统紧凑；采用两台探测器，其中一台探测目标回波信号，另一台探测参考信号， 从而减少由于太赫兹激光源功率波动造成的探测系统误差。

相比于单轴共焦扫描透射式偏振成像，双轴共焦扫描反射式偏振成像系统轴向分辨率 提高到0.67mm，提高了近70％。空间尺度上，横向压缩了近60％，更利于实验装置的摆 放。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种紧凑型连续太赫兹双轴共焦扫描反射式偏振成像 装置包括：

太赫兹激光器(1)、氦氖激光器(2)、分光片(3)、A1偏振片(4-1)、P1离轴抛面 镜(5-1)、斩波器(6)、P2离轴抛面镜(5-2)、M1全反镜(7-1)、载物台(8)、M2全 反镜(7-2)、P3离轴抛面镜(5-3)、A2偏振片(4-2)、P4离轴抛面镜(5-4)、P5离轴抛 面镜(5-5)、探测器一(9-1)、探测器二(9-2)和计算机(10)。

所述太赫兹激光器(1)输出的经过准直的光束经分光片(3)分光后入射至A1偏振 片(4-1)，再经P1离轴抛面镜(5-1)反射后，入射至斩波器(6)，经斩波器(6)斩波 的光束入射至P2离轴抛面镜(5-2)，P2离轴抛面镜(5-2)将其入射光束反射至M1全反 镜(7-1)，M1全反镜(7-1)反射的光束入射至载物台(8)上的成像目标，经成像目标 反射的光束入射至M2全反镜(7-2)，M2全反镜(7-2)反射的光束入射至P3离轴抛物 镜(5-3)，P3离轴抛物镜(5-3)反射的光束入射至A2偏振片(4-2)，再经P4离轴抛物 镜(5-4)反射后，形成的输出光束被探测器二(9-2)接收，探测器二(9-2)的电信号输 出端连接计算机(10)；

其中所述探测器二(9-2)接收到的信号为目标回波信号。

太赫兹激光器(1)可采用相干公司SIFIR-50型CO₂激光泵浦连续激光器，将其输出 的2.52THz连续激光作为激光源，具有输出功率相对较高和稳定性好的特点；分光片(3) 采用高阻硅片，以布鲁斯特角放置，使透射光功率达到最大；A1偏振片(4-1)和A2偏 振片(4-2)的引入，实现了偏振成像；P2离轴抛面镜(5-2)和P3离轴抛面镜(5-3)为 15°离轴抛面镜，可以使系统紧凑；M1全反镜(7-1)和M2全反镜(7-2)的应用，实 现了双轴反射式成像，使轴向分辨率得以提高。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述太赫兹激光器(1) 输出的经过准直的光束和P4离轴抛面镜(5-4)反射形成的输出光束的光轴相互平行，P1 离轴抛面镜(5-1)反射的光束的光轴和P3离轴抛面镜(5-3)反射的光束的光轴相互平 行。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述氦氖激光器(2) 输出的光束经分光片(3)反射至A1偏振片上(4-1)，再经P1离轴抛面镜(5-1)反射后， 入射至斩波器(6)，经斩波器(6)斩波的光束入射至P2离轴抛面镜(5-2)，P2离轴抛 面镜(5-2)将其入射光束反射至M1全反镜(7-1)，M1全反镜(7-1)反射的光束入射 至载物台(8)上的成像目标，经成像目标反射的光束入射至M2全反镜(7-2)，M2全反 镜(7-2)反射的光束入射至P3离轴抛物镜(5-3)，P3离轴抛物镜(5-3)反射的光束入 射至A2偏振片(4-2)，再经P4离轴抛物镜(5-4)反射后，形成的输出光束被探测器二 (9-2)接收，探测器二(9-2)的电信号输出端连接计算机(10)。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述分光片(3) 法线方向与太赫兹激光器(1)输出的经过准直的光束所成的夹角为布鲁斯特角。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述分光片(3) 的反射光入射至P5离轴抛面镜(5-5)，经P5离轴抛面镜(5-5)反射形成的输出光束被 探测器一(9-1)接收，探测器一(9-1)的电信号输出端连接计算机(10)；

其中所述P5离轴抛面镜(5-5)为90°离轴抛面镜，探测器一(9-1)接收到的信号 作为参考信号。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述P1离轴抛 面镜(5-1)和P4离轴抛面镜(5-4)为90°离轴抛面镜，P2离轴抛面镜(5-2)和P3离 轴抛面镜(5-3)为15°离轴抛面镜。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述探测器一 (9-1)和探测器二(9-2)为热释电探测器。探测器一(9-1)用于检测太赫兹激光器(1) 的输出功率及其输出光束的稳定性；探测器二(9-2)用于接收目标回波信号。

具体实施方式八：本实施方式的一种紧凑型连续太赫兹双轴共焦扫描反射式偏振成像 方法，具体过程为：

计算机(10)程序包括步进电机控制模块、数据采集模块和图像处理模块；

步进电机控制模块用于控制固定在载物台(8)上的步进电机，以实现载物台(8)的 xyz三维运动；沿着光入射到载物台(10)的方向，y轴为水平方向，x轴为垂直y轴方 向，z轴分别为垂直x轴和y轴于方向。

数据采集模块记录探测器一(9-1)和探测器二(9-2)所探测到的数据；

图像处理模块根据数据采集模块采集到的数据做后期的一系列处理；

具体操作为：

步骤一：调节A1偏振片(4-1)和A2偏振片(4-2)快轴间的夹角，使其为0°，通 过计算机(10)的步进电机控制模块控制载物台(8)的xy二维运动，由计算机(10)的 数据采集模块采集得到探测器二(9-2)的数据，将0°时的图像记录为第一幅图像I1₀； 调节A1偏振片(4-1)和A2偏振片(4-2)快轴间的夹角，使其分别为45°、90°、135°， 并将45°时的图像记录为第二幅图像I1₄₅，90°时的图像记录为第三幅图像I1₉₀，135° 时的图像记录为第四幅图像I1₁₃₅，这四幅图像构成z轴所处位置的一组图像；

利用计算机(10)的图像处理模块计算得到I1、U1、Q1、DOP1、A1，所述I1为第 1组图像中光的总强度，Q1为第1组图像中水平偏振和垂直偏振间的强度差，U1为第1 组图像中光线偏振部分方向在45°和-45°之间的强度差，DOP1为第1组图像中光的偏 振度，A1为第1组图像中光的偏振角；

具体计算公式为：

I1＝I1₀+I1₉₀

Q1＝I1₀-I1₉₀

U1＝I1₄₅-I1₁₃₅

$DOP1=\frac{\sqrt{Q{1}^2+U{1}^2+V^2}}{I1}=\frac{\sqrt{Q{1}^2+U{1}^2}}{I1}(V=0)$

$A1=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{U1}{Q1}\right)$

步骤二：利用计算机(10)控制载物台(8)沿z轴方向移动0.05-0.5mm距离，重复 执行步骤一，得到z轴所处位置的第二组图像I2₀、I2₄₅、I2₉₀、I2₁₃₅；

利用计算机(10)的图像处理模块计算得到I2、U2、Q2、DOP2、A2，所述I2为 第2组图像中光的总强度，Q2为第2组图像中水平偏振和垂直偏振间的强度差，U2为 第2组图像中光线偏振部分方向在45°和-45°之间的强度差，DOP2为第2组图像中光 的偏振度，A2为第2组图像中光的偏振角；

具体计算公式为：

I2＝I2₀+I2₉₀

Q2＝I2₀-I2₉₀

U2＝I2₄₅-I2₁₃₅

$DOP2=\frac{\sqrt{Q{2}^2+U{2}^2+V^2}}{I2}=\frac{\sqrt{Q{2}^2+U{2}^2}}{I2}(V=0)$

$A2=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{U2}{Q2}\right)$

步骤三：重复执行步骤二n－2次，直至得到z轴所处位置的第n组图像In₀、In₄₅、 In₉₀、In₁₃₅，n大于等于3；

利用计算机(10)的图像处理模块计算得到In、Un、Qn、DOPn、An，所述In为 第n组图像中光的总强度，Qn为第n组图像中水平偏振和垂直偏振间的强度差，Un为第 n组图像中光线偏振部分方向在45°和-45°之间的强度差，DOPn为第n组图像中光的 偏振度，An为第n组图像中光的偏振角；

具体计算公式为：

In＝In₀+In₉₀

Qn＝In₀-In₉₀

Un＝I_n45-I_n135

$DOPn=\frac{\sqrt{{\mathrm{Qn}}^2+{\mathrm{Un}}^2+V^2}}{In}=\frac{\sqrt{{\mathrm{Qn}}^2+{\mathrm{Un}}^2}}{In}(V=0)$

$An=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{Un}{Qn}\right)$

步骤四：根据步骤一至三得到的z轴不同位置的DOP1,DOP2,……,DOPn和 A1,A2,……,An，可重构出物体的三维结构图。