[发明专利]一种基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪

说明书

本发明涉及一种太赫兹光谱成像仪，具体涉及一种能实时获取目标THz光谱与图像信息的光谱成像仪。所述THz光谱成像仪由前置镜、前置视场光阑、前置准直镜、立体相位光栅、后置会聚镜、后置视场光阑、后置准直镜、子孔径成像镜、探测器、探测器控制处理系统和控制采集处理计算机组成。所述探测器以孔径分割方式同时获取目标场景被立体相位光栅N个元胞所衍射的N个零级衍射光的光强信息，依据立体相位光栅的N个元胞所对应的N个光程差，获得N组光程差与光强的对应关系数据，通过傅里叶变换，实时获取目标的THz谱和像，适用于THz光谱检测、分析等相关领域。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率在0.1—10T(波长为3000—30μm)范围内的电磁波(1THz＝10¹²Hz)。目前THz波的产生体制有两种，基于光子学的THz波发生器，和利用自由电子的THz辐射源。基于光子学手段的THz波发生器受制于低效率的光能转换效率，基于自由电子的THz辐射源受制于器件尺寸的不断缩小使器件十分脆弱，因此两种方式获取的THz辐射能量目前尚都不超过20mW。而大气中水汽的较强吸收，使的目标太赫兹谱的探测面临很大困难。

目前，适用于太赫兹波段的光谱仪器主要有两类：红外傅里叶光谱仪和太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)。红外傅里叶光谱仪使用傅里叶变换技术分光具有多通道、高通量的特点，但傅里叶变换技术依赖动镜的顺次扫描，不能实时成谱，限制了其在快速变化、复杂环境中的使用；其次，红外傅里叶光谱仪基于迈克尔逊干涉仪的基本构型，其中必不可少的分束片使入射光能损耗50％，限制了仪器在微弱信号探测中的使用；此外红外傅里叶光谱仪引入了移动部件和步进控制电机，增加体积和功耗的同时，影响了仪器的使用寿命。

THz-TDS对太赫兹信号的探测基于光电导取样或电光取样，对物体成谱时，需要依次完成波长维，空间维的扫描，需要耗费大量的时间；其次THz-TDS需要使用飞秒激光器作为太赫兹波的辐射装置，使得仪器的体积庞大，移动困难；此外THz-TDS其用途是在实验室环境中测量物质在太赫兹波段的透、反率特性，并不适合野外环境对有限距离目标的太赫兹谱探测与成像应用。

上述两种种现有技术的缺点主要体现在以下几个方面：一、傅里叶光谱仪和THz-TDS，完成物体的成像过程需要花费较长时间，不适用于复杂多变环境条件下，目标太赫兹谱的实时探测与成像需求；二、THz-TDS其用途是在实验室环境中测量物质在太赫兹波段的透、反率特性，并不适合野外环境对有限距离目标的太赫兹谱探测与成像应用；三、傅里叶光谱仪和THz-TDS，其体积庞大，不便于携带。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种基于静态傅里叶变换的太赫兹谱探测与成像装置，适用于目标的太赫兹谱实时探测与成像。

本发明的技术方案如下：

一种基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪，包括依据光路传输依次排列的前置镜1、前置视场光阑2、前置准直镜3、立体相位光栅4、后置会聚镜5、后置视场光阑6、后置准直镜7、子孔径会聚镜8、探测器9，所述探测器9还依次连接有探测器控制处理系统10和控制采集处理计算机11，如说明书附图1所示。上述前置准直镜3、立体相位光栅4、后置会聚镜5、后置视场光阑6、后置准直镜7、子孔径会聚镜8组成基于立体相位光栅分光的孔径分割THz光谱成像系统。上述前置镜1的焦面与前置准直镜3的前焦面重合；上述前置视场光阑2是方形，位于前置镜1的焦面，其尺寸与视场和探测器9的面积相匹配；上述后置准直镜5的焦面与后置准直镜7的前焦面重合；上述后置视场光阑6是圆形，位于前置镜5的焦面，其开孔大小仅允许光栅的零级衍射光通过。上述前置镜1、前置准直镜3、后置会聚镜6、后置准直镜7、子孔径会聚镜8采用太赫兹波段的复消色差设计。

上述太赫兹立体相位光栅4的结构如说明书附图2所示，由长方体金属板12上表面刻出一系列平整光滑的矩形凹槽构成，金属板的材质是铝、铁、铝合金或钛合金，所述的凹槽底面与长方体金属板12的上表面平行，凹槽的深度分别为h₁、h₂、…、h_N-1、h_N，h₁、h₂、h₃、…、h_N-2、h_N-1、h_N，顺次增大，N为元胞的个数，深度相同的凹槽视为一个元胞。

上述立体相位光栅4的最大槽深h_max，由设计指标所要求的光谱分辨率R和光线入射角α共同决定，满足：