CN109520963A - 一种时域光谱仪的成像扫描装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种时域光谱仪的成像扫描装置及方法，通过太赫兹辐射源产生太赫兹信号后，聚焦到被扫描样品并探测该太赫兹信号，同时对该太赫兹信号进行相干采集，最后将样品移动平台的位置信息以及对相干采集后的太赫兹信号进行电流放大后，以传输至上位机进行数据处理，并控制音圈电机及样品移动平台同步运动。由此通过控制音圈电机及样品移动平台同步运动，避免了出现因音圈电机起始位置不确定造成的图像整行偏移现象；同时获取太赫兹信号和样品移动平台的位置信息，通过对像素点作矫正，避免了连续扫描成像过程中，出现的两端拉伸、累积偏移和因丢包出现的像素点缺失现象，实现了对样品的识别及进一步精确获取样品的结构信息、物理信息以及化学信息的效果。
Description
技术领域
本发明属于成像扫描技术领域，尤其涉及一种时域光谱仪的成像扫描装置及方法。
背景技术
太赫兹波是指频率范围为0.1THz-10THz的电磁波，相应的波长为3毫米到30微米，介于毫米波与红外之间的电磁波区域，该频域范围处于宏观电子学和微观电子学过渡的区域。太赫兹具有许多特殊性能，对生物大分子的振动和转动能级，以及对于很多非极性材料有良好的穿透性，因此可以通过特征共振和吸收对物质进行指纹识别：太赫兹光子能量比较低，不会对生物组织与细胞造成破坏，因此可以对生物进行无损检测：太赫兹时域光谱技术可以获取亚皮秒，飞秒时间分辨率，能够有效的抑制背景噪声干扰。因此，太赫兹技术在物理科学，生命科学，国防，军事等方面都有较广阔的应用前景。
太赫兹时域光谱仪是一种利用飞秒激光激发半导体表面产生太赫兹信号，利用光电接收机制进行探测，并通过电流放大电路将太赫兹变化的信号采集，是一种非常有效的相干探测技术，具有较高的信噪比，高分辨率等优点。并且，太赫兹时域光谱仪通过记录参考和透过样品或从样品反射后的太赫兹时域波形，通过傅里叶变换获取样品的频谱信息。通过移动样品平台的位置，获取样品不同位置点的太赫兹时域波形和频谱信号，即可以得到二维的太赫兹时域图像和频谱图像，从而实现物质的识别并进一步获取物质的结构信息，物理和化学信息。
然而，目前太赫兹成像技术主要分为逐点扫描成像和连续扫描成像。
逐点扫描方式可以准确获取每个像素点的太赫兹信号，但是扫描速度慢，样品移动平台的停顿和位置检测，使每个像素点时间为2s左右，完成一次检测需要几个小时甚至十几个小时，其成像时间较长，在实际应用中有较大的制约性。
连续扫描成像可以连续对一定长度的像素点进行成像，扫描时间较快，但是由于连续扫描成像时样品移动平台是连续移动的，存在以下几个问题：
1)每一扫描行的起始和停止有加减速过程，导致像素行两端拉伸。
2)每一扫描行的起始位置与音圈电机不同步，导致像素行发生整行偏移。
3)音圈电机的运动周期无法严格相等，导致像素行发生累积偏移。
4)当出现数据丢包时，导致该像素点所在行后面的像素全部前移。
因此，现有的成像扫描技术存在着连续扫描过程中出现的图像错行和图像拉伸变形的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种时域光谱仪的成像扫描装置及方法，旨在解决现有的成像扫描技术存在着连续扫描过程中出现的图像错行和图像拉伸变形的问题。
本发明第一方面提供了一种时域光谱仪的成像扫描装置，所述成像扫描装置包括：
用于产生太赫兹信号的太赫兹辐射源；
与所述太赫兹辐射源连接，用于承载被扫描样品，并使所述太赫兹信号聚焦到所述被扫描样品的样品移动平台；
与所述样品移动平台连接，用于探测穿透过或反射于所述被扫描样品的所述太赫兹信号的强度的探测单元；
与所述探测单元连接，用于对所述太赫兹信号进行相干采集并进行传输的音圈电机；以及
与所述音圈电机及所述样品移动平台连接，用于将所述样品移动平台的位置信息以及对相干采集后的所述太赫兹信号进行电流放大后，以传输至上位机进行数据处理，并控制所述音圈电机及所述样品移动平台同步运动的控制单元。
本发明第二方面提供了一种时域光谱仪的成像扫描方法，所述成像扫描方法包括：
采用太赫兹辐射源产生太赫兹信号；
采用样品移动平台承载被扫描样品，并使所述太赫兹信号聚焦到所述被扫描样品；
采用探测单元探测穿透过或反射于所述被扫描样品的所述太赫兹信号的强度；
采用音圈电机对所述太赫兹信号进行相干采集并进行传输；
采用控制单元将所述样品移动平台的位置信息以及对相干采集后的所述太赫兹信号进行电流放大后，以传输至上位机进行数据处理，并控制所述音圈电机及所述样品移动平台同步运动。
本发明提供的一种时域光谱仪的成像扫描装置及方法，通过太赫兹辐射源产生太赫兹信号后，聚焦到被扫描样品，并探测穿透过或反射于被扫描样品的太赫兹信号的强度，同时音圈电机对该太赫兹信号进行相干采集并进行传输，最后将样品移动平台的位置信息以及对相干采集后的太赫兹信号进行电流放大后，以传输至上位机进行数据处理，并控制音圈电机及样品移动平台同步运动。由此通过控制音圈电机及样品移动平台同步运动，避免了出现因音圈电机起始位置不确定造成的图像整行偏移现象；同时获取太赫兹信号和样品移动平台的位置信息，通过对像素点作矫正，避免了连续扫描成像过程中，出现的两端拉伸、累积偏移和因丢包出现的像素点缺失现象，实现了对样品的识别及进一步精确获取样品的结构信息、物理信息以及化学信息的效果，解决了现有的成像扫描技术存在着连续扫描过程中出现的图像错行和图像拉伸变形的问题。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种时域光谱仪的成像扫描装置的连接结构示意图。
图2是本发明另一实施例提供的一种时域光谱仪的成像扫描方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
上述的一种时域光谱仪的成像扫描装置及方法，通过太赫兹辐射源产生太赫兹信号后，聚焦到被扫描样品，并探测穿透过或反射于被扫描样品的太赫兹信号的强度，同时音圈电机对该太赫兹信号进行相干采集并进行传输，最后将样品移动平台的位置信息以及对相干采集后的太赫兹信号进行电流放大后，以传输至上位机进行数据处理，并控制音圈电机及样品移动平台同步运动。由此通过控制音圈电机及样品移动平台同步运动，避免了出现因音圈电机起始位置不确定造成的图像整行偏移现象；同时获取太赫兹信号和样品移动平台的位置信息，通过对像素点作矫正，避免了连续扫描成像过程中，出现的两端拉伸、累积偏移和因丢包出现的像素点缺失现象，实现了对样品的识别及进一步精确获取样品的结构信息、物理以及化学信息的效果。
图1示出了本发明一实施例提供的一种时域光谱仪的成像扫描装置的连接结构，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
上述一种时域光谱仪的成像扫描装置，该成像扫描装置包括：
用于产生太赫兹信号的太赫兹辐射源101；
与太赫兹辐射源101连接，用于承载被扫描样品，并使太赫兹信号聚焦到被扫描样品的样品移动平台102；
与样品移动平台102连接，用于探测穿透过或反射于被扫描样品的太赫兹信号的强度的探测单元103；
与探测单元103连接，用于对太赫兹信号进行相干采集并进行传输的音圈电机104；以及
与音圈电机104及样品移动平台102连接，用于将样品移动平台102的位置信息以及对相干采集后的太赫兹信号进行电流放大后，以传输至上位机106进行数据处理，并控制音圈电机104及样品移动平台102同步运动的控制单元105。
作为本发明一实施例，上述控制单元105采用微处理器实现。
作为本发明一实施例，上述探测单元103采用信号探测器实现。
作为本发明一实施例，上述太赫兹辐射源101采用飞秒激光激发半导体材料表面后产生太赫兹信号，太赫兹信号的频率范围为0.1THz～10THz。半导体材料为砷化镓，其具有较高的电子迁移速率和较快的电信号捕获时间，并且具有较高的信噪比。
作为本发明一实施例，由于被扫描样品存在会被太赫兹信号穿透的情况，也存在不被太赫兹信号穿透的情况。因此，上述探测单元103既可以探测穿透过被扫描样品的太赫兹信号的强度，也可以探测反射于被扫描样品的太赫兹信号的强度。
图2示出了本发明另一实施例提供的一种时域光谱仪的成像扫描方法的步骤流程，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本发明还提供了一种时域光谱仪的成像扫描方法，所述成像扫描方法包括以下步骤：
S100.采用太赫兹辐射源产生太赫兹信号；
S200.采用样品移动平台承载被扫描样品，并使太赫兹信号聚焦到被扫描样品；
S300.采用探测单元探测穿透过或反射于被扫描样品的太赫兹信号的强度；
S400.采用音圈电机对太赫兹信号进行相干采集并进行传输；
S500.采用控制单元将样品移动平台的位置信息以及对相干采集后的太赫兹信号进行电流放大后，以传输至上位机进行数据处理，并控制音圈电机及样品移动平台同步运动。
作为本发明另一实施例，上述步骤S500中，控制音圈电机及样品移动平台同步运动具体包括：
当获取到音圈电机开始运动时输出的初始脉冲信号，则控制样品移动平台开始移动。
由此通过同步脉冲信号，解决了音圈电机起始位置不确定造成的图像整行偏移问题。
作为本发明另一实施例，上述控制单元采用微处理器实现，上述探测单元采用信号探测器实现。上述太赫兹辐射源采用飞秒激光激发半导体材料表面后产生太赫兹信号，太赫兹信号的频率范围为0.1THz～10THz。
作为本发明另一实施例，由于被扫描样品存在会被太赫兹信号穿透的情况，也存在不被太赫兹信号穿透的情况。因此，探测单元既可以探测穿透过被扫描样品的太赫兹信号的强度，也可以探测反射于被扫描样品的太赫兹信号的强度。
以下结合图1和图2对上述一种时域光谱仪的成像扫描装置及方法的工作原理进行描述：
首先，利用飞秒激光激发半导体表面产生太赫兹信号，通过光路调整将太赫兹信号聚焦到被扫描样品上。太赫兹信号通过样品吸收后，其强度有所改变，将穿透过或反射于被扫描样品后的太赫兹信号，利用光电导接收机制进行探测，并通过音圈电机104对太赫兹信号进行相干采集，由于音圈电机104的运动，获取不同长度点的太赫兹信号，并通过控制单元105将采集的信号通过电流放大电路后，传输到计算机控制***中，并由上位机106对得到的数据处理。
为了解决音圈电机起始位置不同引起的图像整行偏移问题，采取了由控制单元105控制音圈电机104和样本移动平台102同步运动，当音圈电机104开始运动时，控制单元105检测到音圈电机开始运动的脉冲信号，当获取到起始脉冲信号后，控制样品移动平台102开始移动。由此通过同步脉冲信号，解决了音圈电机起始位置不确定造成的图像整行偏移问题。
并且，由控制单元105采集音圈电机104的获取的太赫兹信号，同时通过控制单元105获取当前样品移动平台102的位置信息，将太赫兹信号和样品移动平台102的位置信息同时上传到计算机控制***中，用来表示当前获取信号时两者的位置关系。上位机106机对比获取的实际位置和理论位置，通过插值算法(如线性插值，三次样条差值等)对像素点做矫正，解决连续扫描成像过程中，出现的两端拉伸、累积偏移和因丢包出现的像素点缺失的问题，确保该行后面的像素点不错位。
最终将矫正后的图像绘制在界面上，通过图像矫正有效地解决了图像失真、像素点缺失等问题。
通过上述方法，很好的解决太赫兹成像***连续扫描过程中，出现的图像两端拉伸、图像偏移和像素点缺失等问题，从而实现对样品的识别并进一步获取样品的结构信息、物理信息以及化学信息的效果。
上述一种时域光谱仪的成像扫描装置及方法的优点体现在：
1、通过硬件电路，控制音圈电机和样品移动平台同步运动，从而确保获取的太赫兹信号和样品移动平台是同步运行的，解决音圈电机开始不同步引起的图像整行偏移问题，确保数据获取在同一个开始位置；
2、获取通过样品吸收后的信号，并将太赫兹信号和样品移动平台的位置信息同时上传到计算机控制***中，确保像素点的信号和位置信息同步，解决图像两端拉伸、累积偏移和因丢包出现的像素点缺失等问题；
3、通过矫正算法还原图像，真实反映样品信息。
综上，本发明实施例提供的一种时域光谱仪的成像扫描装置及方法，通过太赫兹辐射源产生太赫兹信号后，聚焦到被扫描样品，并探测穿透过或反射于被扫描样品的太赫兹信号的强度，同时音圈电机对该太赫兹信号进行相干采集并进行传输，最后将样品移动平台的位置信息以及对相干采集后的太赫兹信号进行电流放大后，以传输至上位机进行数据处理，并控制音圈电机及样品移动平台同步运动。由此通过控制音圈电机及样品移动平台同步运动，避免了出现因音圈电机起始位置不确定造成的图像整行偏移现象；同时获取太赫兹信号和样品移动平台的位置信息，通过对像素点作矫正，避免了连续扫描成像过程中，出现的两端拉伸、累积偏移和因丢包出现的像素点缺失现象，实现了对样品的识别及进一步精确获取样品的结构信息、物理信息以及化学信息的效果，解决了现有的成像扫描技术存在着连续扫描过程中出现的图像错行和图像拉伸变形的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种时域光谱仪的成像扫描装置，其特征在于，所述成像扫描装置包括：
用于产生太赫兹信号的太赫兹辐射源；
与所述太赫兹辐射源连接，用于承载被扫描样品，并使所述太赫兹信号聚焦到所述被扫描样品的样品移动平台；
与所述样品移动平台连接，用于探测穿透过或反射于所述被扫描样品的所述太赫兹信号的强度的探测单元；
与所述探测单元连接，用于对所述太赫兹信号进行相干采集并进行传输的音圈电机；以及
与所述音圈电机及所述样品移动平台连接，用于将所述样品移动平台的位置信息以及对相干采集后的所述太赫兹信号进行电流放大后，以传输至上位机进行数据处理，并控制所述音圈电机及所述样品移动平台同步运动的控制单元。
2.如权利要求1所述的成像扫描装置，其特征在于，所述太赫兹信号的频率范围为0.1THz～10THz。
3.如权利要求1所述的成像扫描装置，其特征在于，所述探测单元采用信号探测器实现。
4.如权利要求1所述的成像扫描装置，其特征在于，所述太赫兹辐射源采用飞秒激光激发半导体材料表面后产生所述太赫兹信号。
5.如权利要求1所述的成像扫描装置，其特征在于，所述控制单元采用微处理器实现。
6.一种时域光谱仪的成像扫描方法，其特征在于，所述成像扫描方法包括：
采用太赫兹辐射源产生太赫兹信号；
采用样品移动平台承载被扫描样品，并使所述太赫兹信号聚焦到所述被扫描样品；
采用探测单元探测穿透过或反射于所述被扫描样品的所述太赫兹信号的强度；
采用音圈电机对所述太赫兹信号进行相干采集并进行传输；
采用控制单元将所述样品移动平台的位置信息以及对相干采集后的所述太赫兹信号进行电流放大后，以传输至上位机进行数据处理，并控制所述音圈电机及所述样品移动平台同步运动。
7.如权利要求6所述的成像扫描方法，其特征在于，控制所述音圈电机及所述样品移动平台同步运动具体包括：
当获取到所述音圈电机开始运动时输出的初始脉冲信号，则控制所述样品移动平台开始移动。
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Application publication date: 20190326 Assignee: Jiangmen Huaxun ark Technology Co.,Ltd. Assignor: SHENZHEN THZ SCIENCE AND TECHNOLOGY INNOVATION INSTITUTE Contract record no.: X2021980017377 Denomination of invention: An imaging scanning device and method of time domain spectrometer License type: Common License Record date: 20220104 |