基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置及方法，本发明专利技术仅采用用于减少菲涅尔反射、物体不均匀漫散射等缺点的反射窗口，实现在采样阶段最大程度的增大信号振幅，提高成像信噪比。本发明专利技术将干涉理论应用到反射式成像中，通过理论计算选择合适的反射窗口厚度，实现成像信号强度的提升，提高成像信噪比，简易方便且成像质量好。

Device and Method for Improving Signal-to-Noise Ratio of THz Wave Imaging Based on Reflection Window

The invention discloses a device and method for improving the signal-to-noise ratio of terahertz wave imaging based on a reflection window. The device only adopts a reflection window for reducing the shortcomings of Fresnel reflection and non-uniform diffuse scattering of objects, so as to maximize the signal amplitude and improve the imaging signal-to-noise ratio in the sampling stage. The invention applies interference theory to reflective imaging, chooses appropriate reflection window thickness through theoretical calculation, realizes the enhancement of imaging signal intensity, improves imaging signal-to-noise ratio, is simple, convenient and has good imaging quality.

【技术实现步骤摘要】
基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置及方法
本专利技术涉及太赫兹波成像领域，尤其涉及一种基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置及方法。
技术介绍
太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝1012Hz)辐射是指频率从0.1THz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。太赫兹辐射在电磁波谱中所处的特殊位置赋予了其一系列特殊的性质，这使得太赫兹技术可以应用到生物医学检测、物质特性研究、安检等领域。在太赫兹波相关技术中，太赫兹波成像作为其研究热点之一更是取得了一系列成果。目前，在生物医学领域，太赫兹波成像技术已实现多种病灶识别，如皮肤癌、肝癌、乳腺癌、脑胶质瘤等。其中，生物医学领域最常用的成像方式为反射式成像。然而，反射式成像技术存在菲涅尔反射、物体不均匀漫散射等缺点，这会导致反射成像信号强度降低，进而降低成像信噪比，严重影响成像质量。此外，太赫兹热辐射探测器受外界环境影响严重，在信噪比较低的情况下，会导致成像结果产生误差的可能性剧增或直接产生较大误差。特别是在太赫兹生物医学光谱成像领域，由于样品表面较为粗糙，需要在样品表面加反射窗口以减小漫反射的影响。目前，常见的用于太赫兹生物医学光谱成像的太赫兹辐射源包括：太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)、反向波振荡器(BWO)、耿式震荡器、基于CO2激光器泵浦气体材料的远红外激光器、基于非线性光学效应的差频源或参量震荡源等。太赫兹时域光谱仪等脉冲源可以同时测量物体的振幅与相位信息，但由于能量分布在太赫兹脉冲的整个带宽上，在窄带频率上的信噪比(SNR)通常很低，峰值信号幅值与时域数据的噪声级之比可能非常大，严重影响成像质量。当前，通过改进算法恢复出原信号的方法也取得了一定效果，然而其计算繁琐且只是以一定概率恢复输出。基于反向波振荡器(BWO)、耿式震荡器、CO2激光器泵浦的远红外激光器、差频源或参量震荡源仅能获得物体的强度信息，其通过提高太赫兹辐射源的功率在一定程度上降低了外界环境的噪声影响，但是对于吸收较大的样品，其信噪比很难提高。因此太赫兹反射式成像急需一种能够在采样阶段就能提高样品采样的信噪比以达到高质量成像样品的方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置及方法，本专利技术提出通过理论计算选择适合太赫兹反射式成像的反射窗口厚度，在采样阶段最大程度的增大信号振幅，提高成像信噪比，详见下文描述：基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置，所述装置包括：太赫兹波平面反射镜、第一太赫兹波离轴抛物面镜、第二太赫兹波离轴抛物面镜、第三太赫兹波离轴抛物面镜依次设置在太赫兹波的出射光路上；第一太赫兹波离轴抛物面镜用于将输出的太赫兹波聚焦入射到反射窗口上；第二太赫兹波离轴抛物面镜设置在放样品装置的信号光出射光路上，用于接收信号光太赫兹波；第三太赫兹波离轴抛物面镜设置在太赫兹波探测前，用于接收并聚焦信号光太赫兹波进入探测器；探测器设置在第三太赫兹波离轴抛物面镜的信号光出射光路上，收集第三太赫兹波离轴抛物面镜的反射光；反射窗口为对太赫兹波高透的材料，其固定于二维扫描平台上，用于放置待测成像样品。进一步地，所述太赫兹辐射源为连续或脉冲的太赫兹辐射源。其中，所述太赫兹波平面反射镜、第一太赫兹波离轴抛物面镜、第二太赫兹波离轴抛物面镜、第三太赫兹波离轴抛物面镜，均镀太赫兹波段的宽带高反膜。具体实现时，所述太赫兹源产生太赫兹波输出，以30°角度入射到反射窗口。所述放置样品的二维平台是沿x轴和y轴成s型移动。具体实现时，所述反射窗口的厚度由所选用的波长决定。一种基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置的方法，所述方法包括：将干涉理论应用到反射式成像中，通过理论计算选择合适的反射窗口厚度，实现成像信号强度、以及信噪比的提升。其中，所述方法通过理论计算选择合适的反射窗口厚度，实现成像信号强度的提升具体为：太赫兹源产生太赫兹波输出，以一定角度入射到反射窗口，反射窗口为对太赫兹高透的材料，太赫兹源为相应太赫兹探测器接收的波段；当反射窗口的厚度选择使得探测器接收的信号相对于入射光波长为干涉相长时，相比于无反射窗口时的测量，I>I2；信号强度增大了；为干涉相减时，I<I2；信号强度降低了；其中，I2为入射光经第一反射窗口面透射，第二反射窗口面反射再经第一反射窗口面透射的反射光强度，其携带了待测样品的信息。其中，所述方法通过理论计算选择合适的反射窗口厚度，实现信噪比的提升具体为：当反射窗口的厚度选择使得探测器接收的信号相对于入射光波长为干涉相长时，SNR>1；当反射窗口的厚度选择使得探测器接收的信号相对于入射光波长为干涉相减时，SNR<1。本专利技术的有益效果是：1、相比无反射窗口成像，反射窗口的使用可降低反射式成像中的漫反射现象，极大地缓解漫反射对成像信号强度降低的影响。2、当反射窗口的厚度使得通过其上下表面反射的太赫兹波满足干涉相减条件时，理论上总信号强度为样品信号强度与反射窗口信号强度的矢量相减，这会使得总信号强度降低，进而成像信噪比降低。当反射窗口的厚度满足干涉相减时，虽可缓解漫反射对反射成像的影响，但总信号强度降低等同降低了成像信噪比，严重影响反射成像质量。3、当反射窗口的厚度相对于入射光波长为干涉相长时，理论上总信号强度为样品信号强度与反射窗口信号强度的矢量相减，这会使得总信号强度增大，进而成像信噪比提高。当反射窗口的厚度相对于入射光波长为干涉相长时，不仅可降低漫反射对成像的影响且提高成像信噪比，更有利于提高反射成像质量。4、本专利技术仅通过选择反射窗口的厚度，实现成像信号强度的提升，提高成像信噪比，装置简易方便且成像质量好。附图说明图1为基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置的结构示意图；图2为太赫兹波反射式成像的光路图；图3为信噪比图；图4为不同干涉方式对反射成像边界识别的影响图。附图1中，各部件表示的列表如下：1：太赫兹辐射源；2：探测器；3：第一太赫兹波离轴抛物面镜；4：第二太赫兹波离轴抛物面镜；5：第三太赫兹波离轴抛物面镜；6：太赫兹波平面反射镜；7：反射窗口。附图2中，各部件表示的列表如下：21：为反射窗口的第一个面；22：为反射窗口与样品接触面，称为反射窗口第二个面；23：为待测样品(或镀金反射镜)；24：为反射窗口；图4(a)为成像物体图、以及对比效果图(b和c)。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。为了增强反射式成像的成像信噪比，本专利技术实施例将干涉理论应用到反射式成像中，通过理论计算选择合适的反射窗口厚度。实施例1本专利技术实施例提供了一种基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置，参见图1，该装置包括：太赫兹辐射源1、接收太赫兹辐射源的探测器2、第一太赫兹波离轴抛物面镜3、第二太赫兹波离轴抛物面镜4、第三太赫兹波离轴抛物面镜5、太赫兹波平面反射镜6、以及反射窗口7，其中，反射窗口7为对太赫兹波高透的材料，其固定于二维扫描平台上，用于放置待测成像样品；太赫兹波平面反射镜6、第一太赫兹波离轴抛物面镜3、第二太赫兹波离轴抛物面镜4、第三太赫兹波离轴抛物面镜5依次设置在太赫兹波的出射光路上；第一太赫兹波离轴抛物面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置，其特征在于，所述装置包括：太赫兹波平面反射镜、第一太赫兹波离轴抛物面镜、第二太赫兹波离轴抛物面镜、第三太赫兹波离轴抛物面镜依次设置在太赫兹波的出射光路上；第一太赫兹波离轴抛物面镜用于将输出的太赫兹波聚焦入射到反射窗口上；第二太赫兹波离轴抛物面镜设置在放样品装置的信号光出射光路上，用于接收信号光太赫兹波；第三太赫兹波离轴抛物面镜设置在太赫兹波探测前，用于接收并聚焦信号光太赫兹波进入探测器；探测器设置在第三太赫兹波离轴抛物面镜的信号光出射光路上，收集第三太赫兹波离轴抛物面镜的反射光；反射窗口为对太赫兹波高透的材料，其固定于二维扫描平台上，用于放置待测成像样品。

【技术特征摘要】
1.基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置，其特征在于，所述装置包括：太赫兹波平面反射镜、第一太赫兹波离轴抛物面镜、第二太赫兹波离轴抛物面镜、第三太赫兹波离轴抛物面镜依次设置在太赫兹波的出射光路上；第一太赫兹波离轴抛物面镜用于将输出的太赫兹波聚焦入射到反射窗口上；第二太赫兹波离轴抛物面镜设置在放样品装置的信号光出射光路上，用于接收信号光太赫兹波；第三太赫兹波离轴抛物面镜设置在太赫兹波探测前，用于接收并聚焦信号光太赫兹波进入探测器；探测器设置在第三太赫兹波离轴抛物面镜的信号光出射光路上，收集第三太赫兹波离轴抛物面镜的反射光；反射窗口为对太赫兹波高透的材料，其固定于二维扫描平台上，用于放置待测成像样品。2.根据权利要求1所述的基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置，其特征在于，所述太赫兹辐射源为连续或脉冲的太赫兹辐射源。3.根据权利要求1所述的基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置，其特征在于，所述太赫兹波平面反射镜、第一太赫兹波离轴抛物面镜、第二太赫兹波离轴抛物面镜、第三太赫兹波离轴抛物面镜，均镀太赫兹波段的宽带高反膜。4.根据权利要求1所述的基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置，其特征在于，所述太赫兹源产生太赫兹波输出，以30°角度入射到反射窗口。5.根据权利要求1所述的基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置，其特征在于，所述放置样品的二维平台是...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐德刚，武丽敏，王与烨，姚建铨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12