阅读说明：本技术 一种大景深太赫兹成像光学系统 (Large-field-depth terahertz imaging optical system ) 是由 王玉建 朱新勇 刘永利 张朝惠 郭永玲 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大景深太赫兹成像光学系统,其包括太赫兹源、准直透镜、楔形硅片、第一聚焦透镜、被测样品、第二聚焦透镜和太赫兹探测器,沿着太赫兹源发出的太赫兹波传播方向依次设置准直透镜、楔形硅片、第一聚焦透镜和被测样品,楔形硅片下表面与太赫兹源光轴夹角为45°,被测样品反射的太赫兹波沿原路返回至楔形硅片处在下表面发生一次反射,其传播方向旋转90°与太赫兹源的光轴垂直,第二聚焦透镜和太赫兹探测器沿一次反射的太赫兹波的传播方向依次设置。与传统斜入式光学系统相比,光学系统景深增加,可以达到±5～10mm；且可以有效的排除硅片的二次反射峰,从而避免二次反射峰对于测试结果的影响。(The invention discloses a large-field-depth terahertz imaging optical system which comprises a terahertz source, a collimating lens, a wedge-shaped silicon wafer, a first focusing lens, a tested sample, a second focusing lens and a terahertz detector, wherein the collimating lens, the wedge-shaped silicon wafer, the first focusing lens and the tested sample are sequentially arranged along the propagation direction of terahertz waves emitted by the terahertz source, the included angle between the lower surface of the wedge-shaped silicon wafer and the optical axis of the terahertz source is 45 degrees, terahertz waves reflected by the tested sample return to the wedge-shaped silicon wafer along the original path and are subjected to primary reflection, the propagation direction of the terahertz waves is rotated by 90 degrees and is vertical to the optical axis of the terahertz source, and the second focusing lens and the terahertz detector are sequentially arranged along the propagation direction of the terahertz waves subjected to the primary reflection. Compared with the traditional inclined-in optical system, the depth of field of the optical system is increased and can reach +/-5-10 mm; and the secondary reflection peak of the silicon chip can be effectively eliminated, so that the influence of the secondary reflection peak on the test result is avoided.)

一种大景深太赫兹成像光学系统

技术领域

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本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种大景深太赫兹成像光学系统。

背景技术

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太赫兹波是对一个特定的电磁辐射的统称，介于微波与红外线之间，在电子学领域，又被称为毫米波和亚毫米波，在光谱学领域，也被称为远红外射线。太赫兹波频率介于0.1THz～10THz之间，波长0.03mm～3mm。太赫兹波对于塑料、陶瓷、半导体等介电材料和非极性材料具有良好的穿透性，因此可以利用太赫兹波探测物体内部结构和组织，从而实现无损检测。相比于X射线或超声波成像，太赫兹波光子能量比X射线更低，对于操作人或被检测物不会造成电磁辐射，同时太赫兹波长比超声波更短，可以实现更高的成像分辨率。

目前，比较成熟的太赫兹波产生与探测方法是采用光电导原理，该方法产生的太赫兹波属于瞬态变化的脉冲信号，典型的太赫兹脉冲宽度只有1ps，因此可以利用太赫兹脉冲进行飞行时间断层成像。尤其是对于可见光波段不透明的多层结构体，可以利用太赫兹波的独特穿透性，进行无损的厚度检测，其纵向分辨率可以达到几十微米，同时内部的缺陷也可以探测出来。

上述基于光电导原理的太赫兹源和探测器分别为单点太赫兹源和单点太赫兹探测器，在飞行时间断层成像中其波束整形光学系统采用的是反射式光路，其聚焦于样品上的光斑尺寸可以代表其成像的横向分辨率，光斑尺寸越小，分辨率越高。一般在进行飞行时间断层成像时，被测样品具有不同深度的多个反射面，因此需要确保多个反射面都处于光学系统的景深范围内，即景深越大，其成像质量越稳定。

目前常用的为斜入射式光学系统，如图1所示，其包括太赫兹源1、第一准直透镜2、第一聚焦透镜3、被测样品4、第二准直透镜5、第二聚焦透镜6和太赫兹探测器7。太赫兹源1发出的带有一定发散角的太赫兹波束经过第一准直透镜2准直、第一聚焦透镜3聚焦后汇聚于被测样品4上一点，即为探测点，经过被测样品表面发射后，依次被第二准直透镜5、第二聚焦透镜6收集，最终汇聚于太赫兹探测器7中心，被其所感应并转换为可探测的电信号。该光路景深范围较小，仅有1～2mm，且超出景深范围后，聚焦光斑的位置与形状会产生较大偏离，造成成像失真。

发明内容

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本发明的目的在于提供一种大景深太赫兹成像光学系统，解决目前斜入射式光路景深范围小的缺点。

为了实现上述目的，本发明涉及的大景深太赫兹成像光学系统，包括太赫兹源、准直透镜、楔形硅片、第一聚焦透镜、被测样品、第二聚焦透镜和太赫兹探测器，太赫兹源用于发出带有一定发散角的太赫兹波，沿着太赫兹波传播方向依次设置准直透镜、楔形硅片、第一聚焦透镜和被测样品，准直透镜用于准直太赫兹波，第一聚焦透镜用于聚焦楔形硅片透射的太赫兹波于被测样品表面，楔形硅片下表面与太赫兹源光轴夹角为45°，用于改变样品表面反射回的太赫兹波的传播方向，被测样品反射的太赫兹波沿原路返回至楔形硅片处发生二次反射，太赫兹波在下表面发生一次反射，其传播方向旋转90°与太赫兹源的光轴垂直，在上表面发生二次反射，其传播方向旋转不等于90°，第二聚焦透镜和太赫兹探测器沿一次反射的太赫兹波的传播方向依次设置，第二聚焦透镜用于聚焦一次反射的太赫兹波，太赫兹探测器位于第二聚焦透镜焦点处，用于接收一次反射的太赫兹波，而二次反射的太赫兹波将超出太赫兹探测器的接收范围。

优选地，楔形硅片8通光口径不低于上述透镜通光口径的1.4倍，上下表面的楔形夹角一般选取0.1～0.5°。

具体地，所述准直透镜是具有一定焦距的平凸透镜，焦点位于被测样品表面，准直透镜光轴与太赫兹波源光轴重合。

具体地，第一聚焦透镜是具有一定焦距的平凸透镜，焦点位于被测样品表面，光轴与楔形硅片偏移后的太赫兹波源光轴重合，楔形硅片偏移后的太赫兹波源光轴与太赫兹波源光轴平行且具有一定偏移量，该偏移量由楔形硅片厚度决定。

为了进一步增大景深，第一聚焦透镜焦距一般不小于100mm。

具体地，第二聚焦透镜是具有一定焦距的平凸透镜，焦点位于太赫兹探测器7的光电导晶体处，光轴与一次反射的探测光光轴重合。

所述太赫兹源发散角与太赫兹探测器孔径角均为12.5°，准直透镜与第二聚焦透镜焦距38.1mm、通光口径35mm，第一聚焦透镜焦距100mm、通光口径35mm，楔形硅片通光口径50.8mm、楔形角0.1°。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1)光学系统景深增加，可以达到±5～10mm；

2)无论是在景深范围内还是超出景深范围，其聚焦光斑始终处于光轴中心处，不会产生位置与形状的偏离，从而避免了图像失真；

3)采用楔形硅片作为分光器件，可以有效的排除硅片的二次反射峰，从而避免二次反射峰对于测试结果的影响。

4)光学系统更加紧凑，有利于进行集成化、小型化太赫兹镜头设计。

附图说明

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图1为传统斜入射式光学系统结构原理示意图。

图2为本发明涉及的大景深太赫兹成像光学系统结构原理示意图。

图3为图1传统斜入射光学系统与图2大景深太赫兹成像光学系统在不同离焦量下样品表面聚焦光斑的对比图。

图4为平行硅片与楔形硅片对比图。

具体实施方式

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下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图2所示，本发明涉及的一种大景深太赫兹成像光学系统，包括太赫兹源1、准直透镜2、楔形硅片8、第一聚焦透镜3、被测样品4、第二聚焦透镜6和太赫兹探测器7。

太赫兹源1用于发出带有一定发散角的太赫兹波，沿着太赫兹波传播方向依次设置准直透镜2、楔形硅片8、第一聚焦透镜3和被测样品4，准直透镜2用于准直太赫兹波，第一聚焦透镜3用于聚焦楔形硅片8透射的太赫兹波于被测样品4表面，楔形硅片8下表面与太赫兹源光轴夹角为45°，用于改变样品表面反射回的太赫兹波的传播方向，被测样品4反射的太赫兹波沿原路返回至楔形硅片8处发生二次反射，太赫兹波在下表面发生一次反射，其传播方向旋转90°与太赫兹源的光轴垂直，在上表面发生二次反射，其传播方向旋转不等于90°，第二聚焦透镜6和太赫兹探测器7沿一次反射的太赫兹波的传播方向依次设置，第二聚焦透镜6用于聚焦一次反射的太赫兹波，太赫兹探测器7位于第二聚焦透镜6焦点处，用于接收一次反射的太赫兹波，而二次反射的太赫兹波将超出太赫兹探测器的接收范围从而避免了二次反射信号对于探测结果的影响。

图3为相同太赫兹源1、太赫兹探测器及透镜情况下，传统斜入射光学系统与本实施涉及的大景深太赫兹成像光学系统在不同离焦量下样品表面聚焦光斑的对比图。从图中可以看出，大景深太赫兹成像光学系统中，聚焦于样品上的光斑位置不会随着离焦量而改变，且形状可以保持正圆；而斜入射系统中，光斑位置会随着离焦量的变化，在平行与入射面的方向上移动，形状也会发生畸变。

太赫兹源1发出的带有一定发散角的太赫兹波束经过准直透镜2后变为平行光束，经过楔形硅片8后一部分被反射，一部分继续向前传播，经过第一聚焦透镜3汇聚于被测样品4上一点，即为探测点，经样品表面反射，原路穿过第一聚焦透镜3，在楔形硅片8下表面一部分发生透射被损耗掉，一部分发生反射，传播方向发生90°转折，经过第二聚焦透镜6后汇聚于太赫兹探测器7中心的光电导晶体处，然后被转换为可探测的电信号，即为探测点处携带有样品信息的太赫兹信号。

上述可用的太赫兹回波为硅片下表面的一次反射峰，但是由于菲涅尔定律，在硅片上表面必然存在二次反射峰，如图4所示，当硅片为平行硅片时，二次反射峰也会被探测器所收集，影响探测的准确性；为此，本实施例采用楔形硅片8，使二次反射峰与一次反射峰具有一定夹角，经过一段距离传播后可以超过太赫兹探测器7的收集范围，从而避免了二次反射峰对探测准确性的影响。

优选地，楔形硅片8通光口径不低于上述透镜通光口径的1.4倍，上下表面的楔形夹角一般选取0.1～0.5°，过大则会使光路产生严重变形，过小则起不到消除二次反射峰的作用。

具体地，所述准直透镜2是具有一定焦距的平凸透镜，焦点位于被测样品4表面，准直透镜2光轴与太赫兹波源光轴重合。

具体地，第一聚焦透镜3是具有一定焦距的平凸透镜，焦点位于被测样品4表面，光轴与楔形硅片8偏移后的太赫兹波源光轴重合，楔形硅片8偏移后的太赫兹波源光轴与太赫兹波源光轴平行且具有一定偏移量，该偏移量由楔形硅片8厚度决定。为了进一步增大景深，第一聚焦透镜3焦距一般不小于100mm。

具体地，第二聚焦透镜6是具有一定焦距的平凸透镜，焦点位于太赫兹探测器7的光电导晶体处，光轴与一次反射的探测光光轴重合。

本实施例中太赫兹源1发散角与太赫兹探测器7孔径角均为12.5°，准直透镜2与第二聚焦透镜6焦距38.1mm、通光口径35mm，第一聚焦透镜3焦距100mm、通光口径35mm，楔形硅片通光口径50.8mm、楔形角0.1°。