水含量分布檢測裝置的制作方法

本實用新型涉及本實用新型涉及太赫茲檢測技術領域，特別是涉及一種水含量分布檢測裝置。

背景技術：

在進行生物組織分析中，常使用組織切片方法對生物組織進行切片，隨后使用光學顯微鏡進行觀察分析，通過觀察其中的水含量分布來鑒定生物組織中正常組織和病變組織的分布和位置。然而此種方法需要專業人員進行繁瑣的人工操作和冗長的數據分析，所需成本較高、步驟較為繁瑣、等待周期較長。

此外，使用普通光學顯微鏡進行水含量分析，僅依據不同水含量區域的圖像反差進行鑒別，水含量測定的靈敏度較低。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種水含量分布檢測裝置，可以避免組織切片的繁瑣程序，且可以提高水含量測定的靈敏度和準確性。

本實用新型的目的通過如下技術方案實現：

一種水含量分布檢測裝置，包括：太赫茲輻射裝置、第一調光透鏡組件、載物架組件、第二調光透鏡組件和太赫茲探測組件，所述載物架組件包括可移動的載物臺；

所述第一調光透鏡組件設置在所述太赫茲輻射裝置之間，所述第二調光透鏡組件設置在所述載物架組件和所述太赫茲探測組件之間，所述太赫茲探測組件連接信號分析裝置；

所述太赫茲輻射裝置輻射出的太赫茲光束經第一調光透鏡組件聚焦至所述載物臺上的待測樣品，所述待測樣品透射的太赫茲光束經所述第二調光透鏡組件投射至所述太赫茲探測組件，所述太赫茲探測組件探測到的太赫茲信號輸入到所述信號分析裝置進行所述待測樣品的含水量分布檢測。

一種如上所述的水含量分布檢測裝置在生物組織分析、材料檢測中的應用。

根據上述本實用新型的方案，其裝置包括太赫茲輻射裝置、第一調光透鏡組件、載物架組件、第二調光透鏡組件和太赫茲探測組件，載物架組件包括可移動的載物臺，第一調光透鏡組件設置在太赫茲輻射裝置之間，第二調光透鏡組件設置在載物架組件和太赫茲探測組件之間，太赫茲探測組件連接信號分析裝置，太赫茲輻射裝置輻射出的太赫茲光束經第一調光透鏡組件聚焦至載物臺上的待測樣品，待測樣品透射的太赫茲光束經第二調光透鏡組件聚焦至太赫茲探測組件，太赫茲探測組件探測到的太赫茲信號輸入到信號分析裝置進行待測樣品的含水量分布檢測，一方面，由于包括太赫茲輻射裝置、第一調光透鏡組件、載物架組件、第二調光透鏡組件和太赫茲探測組件，載物架組件包括可移動的載物臺，第一調光透鏡組件設置在太赫茲輻射裝置之間，第二調光透鏡組件設置在載物架組件和太赫茲探測組件之間，太赫茲探測組件連接信號分析裝置，且由于太赫茲輻射裝置輻射出的太赫茲光束經第一調光透鏡組件聚焦至載物臺上的待測樣品，待測樣品透射的太赫茲光束經第二調光透鏡組件投射至太赫茲探測組件，可通過共聚焦顯微鏡原理進行器件設置，可以大幅度的提高太赫茲成像的空間分辨率以提升檢測的準確性，另一方面，由于載物臺可移動，在載物臺發生移動時可以帶動放置在載物臺上的待測樣品進行移動，可以實現對待測樣品水平和垂直方向的掃描，此外，由于水分子對太赫茲輻射具有強大的吸收能力，可以進行高靈敏度的水含量檢測，因此，可以獲得待測樣品的三維水含量分布的結構示意圖，從而利用病理組織學的方法對組織的病變程度進行分析，避免傳統病理學中組織切片的繁瑣程序，提高了水含量測定的靈敏度和準確性。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例一的水含量分布檢測裝置的組成結構示意圖一；

圖2為圖1中的太赫茲輻射裝置在其中一個實施例中的細化結構示意圖；

圖3為圖1中的第一調光透鏡組件在其中一個實施例中的細化結構及其光路示意圖；

圖4為圖1中的載物架組件在其中一個實施例中的細化結構示意圖；

圖5為圖1中的第二調光透鏡組件在其中一個實施例中的細化結構及其光路示意圖；

圖6為圖1中的太赫茲探測組件在其中一個實施例中的細化結構及其光路示意圖；

圖7為本實用新型實施例一的水含量分布檢測裝置的組成結構示意圖二；

圖8為圖1或者圖7中的信號分析裝置的在其中一個實施例中的細化結構示意圖；

圖9為本實用新型實施例二的一個具體示例中的水含量分布檢測裝置的組成結構及其光路示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本使用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本實用新型的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本實用新型的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本實用新型。本文所使用的術語“或/和”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

太赫茲輻射是指頻率在0.1THz到10THz之間的電磁輻射。由于在太赫茲頻段，金屬物體表現為極強反射的特點，復雜有機分子表現為光譜特性吸收，非極性非金屬材料表現為高透射等特點，太赫茲成像在無損檢測、材料學、國防安全等領域均具有重要的應用價值。由于水是極性分子，水分子對太赫茲輻射具有強大的吸收能力，無論是實驗室組裝的太赫茲系統，還是商業型太赫茲產品，沖氮氣或干空氣都是常用的排除系統內水蒸氣的方法，以減少太赫茲波在自由空間內的損耗。也正因如此，太赫茲成像能夠很容易地鑒別含水物質和無水物質，進行高靈敏度水含量的測定。這一點在生物系統中尤為重要，因為水含量的微小改變將反映生物組織的關鍵性變化。人們在不使用有損式檢測方法(如病理學組織切片)的情況下，仍能準確地將正常組織和病變組織(如癌化組織)區分開來，且靈敏度更高。太赫茲成像主要根據水分對太赫茲輻射的吸收，因此可以進行高靈敏度的水含量檢測。太赫茲顯微成像技術是一項很有潛能的醫學診斷性技術，致力于提高目前太赫茲成像系統的空間分辨率，從而在太赫茲頻段獲得被測待測樣品的顯微層析圖像。以下對本實用新型方案的各個實施例進行詳細闡述。

實施例一

參見圖1所示，為本實用新型實施例一的水含量分布檢測裝置的組成結構示意圖一。如圖1所示，本實施例一的水含量分布檢測裝置包括太赫茲輻射裝置101、第一調光透鏡組件102、載物架組件103、第二調光透鏡組件104和太赫茲探測組件105，載物架組件103包括可移動的載物臺1031；

第一調光透鏡組件102設置在太赫茲輻射裝置101和載物架組件103之間，第二調光透鏡組件104設置在載物架組件103和太赫茲探測組件105之間，太赫茲探測組件105連接信號分析裝置106；

太赫茲輻射裝置101輻射出的太赫茲光束經第一調光透鏡組件聚焦102至載物臺1031上的待測樣品，所述待測樣品透射的太赫茲光束經第二調光透鏡組件104投射至太赫茲探測組件105，太赫茲探測組件105探測到的太赫茲信號輸入到信號分析裝置106進行所述待測樣品的含水量分布檢測。

其中，考慮到待測樣品在檢測時是放置在載物臺1031上的，為了能夠實現對待測樣品的三維掃描，一般需要載物臺1031可在水平方向和垂直方向(垂直水平面的方向)移動。

其中，信號分析裝置106可以是水含量分布檢測裝置的外接組件，也可以是水含量分布檢測裝置的內部組件。

其中，第一調光透鏡組件102和第二調光透鏡組件104可以分別包括一種或者多種光學元器件，例如，凸透鏡、孔徑光闌等，且每一種光學元器件的數量分別可以為一個，也可以為多個。

據此，根據上述本實施例的方案，由于太赫茲輻射裝置101、第一調光透鏡組件102、載物架組件103、第二調光透鏡組件104和太赫茲探測組件105，第一調光透鏡組件102設置在太赫茲輻射裝置101和載物架組件103之間，第二調光透鏡組件104設置在載物架組件103和太赫茲探測組件105之間，太赫茲探測組件105連接信號分析裝置106，且由于太赫茲輻射裝置101輻射出的太赫茲光束經第一調光透鏡組件聚焦102至載物臺1031上的待測樣品，所述待測樣品透射的太赫茲光束經第二調光透鏡組件104聚焦至太赫茲探測組件105，可通過共聚焦顯微鏡原理進行器件設置，可以大幅度的提高太赫茲成像的空間分辨率以提升檢測的準確性，另一方面，由于載物臺1031可移動，在載物臺1031發生移動時可以帶動待測樣品進行移動，可以實現對待測樣品水平和垂直方向的掃描，此外，由于水分子對太赫茲輻射具有強大的吸收能力，可以進行高靈敏度的水含量檢測，因此，可以獲得待測樣品的三維水含量分布的結構示意圖，從而利用病理組織學的方法對組織的病變程度進行分析，避免傳統病理學中組織切片的繁瑣程序，提高了水含量測定的靈敏度和準確性。

在其中一個實施例中，如圖2所示，太赫茲輻射裝置101可以包括太赫茲量子級聯激光器1011。或者，如圖2所示，太赫茲輻射裝置101可以包括太赫茲量子級聯激光器1011和與該太赫茲量子級聯激光器1011連接的熱電制冷器1012。

其中，太赫茲輻射裝置101用于向輻射太赫茲光束，熱電制冷器1012和太赫茲量子級聯激光器1011一般是通過傳熱連接(熱耦合)，從而有效消除太赫茲量子級聯激光器1011自身產生的熱，確保了太赫茲輻射裝置101乃至整個裝置的長期可靠運行；太赫茲量子級聯激光器1011一般是在脈沖模式下進行驅動。太赫茲輻射源是決定太赫茲成像靈敏度的關鍵器件；在眾多太赫茲輻射的產生方式中，基于半導體的全固態太赫茲量子級聯激光器具有能量轉換效率高、體積小、輕便、易集成等特點；使用基于半導體的全固態太赫茲量子級聯激光器，可以保證裝置在水含量測定的高靈敏度性能。

在其中一個實施例中，如圖3所示，第一調光透鏡組件102可以包括依次設置的第一準直透鏡1021、第一聚焦透鏡1022、第一孔徑光闌1023、第二準直透鏡1024及第二聚焦透鏡1025；太赫茲輻射裝置101輻射出的太赫茲光束經所述第一準直透鏡1021準直、第一聚焦透鏡1022聚焦至第一孔徑光闌1023，第一孔徑光闌1023出射的太赫茲光束經第二準直透鏡1024準直、第二聚焦透鏡1025聚焦至所述載物臺上的待測樣品。

其中，第一調光透鏡組件102中的各光學元器件可以設置在自由空間中；第一準直透鏡1021、第一聚焦透鏡1022用于準直并聚焦太赫茲光束至第一孔徑光闌1023；第一孔徑光闌1023作為空間濾波器，用于獲得均勻的太赫茲光束輪廓，以改善顯微影像質量；此外，第一孔徑光闌1023作為共聚焦孔徑光闌必須足夠小，可選取亞毫米級孔徑大小以減少太赫茲輻射在第一孔徑光闌1023的功率損耗，同時保證成像分辨率；第二準直透鏡1024、第二聚焦透鏡1025用于對第一孔徑光闌1023出射的太赫茲光束進行準直和聚焦；由于亞毫米級的第一孔徑光闌1023將產生較大的出射光束發散角，因此，第二準直透鏡1024需具有較大的透鏡直徑，即第二準直透鏡1024的透鏡直徑大于第一準直透鏡1021的透鏡直徑，以有效收集第一孔徑光闌1023出射的太赫茲光束；第二聚焦透鏡1025除需要擁有較大直徑，即第二聚焦透鏡1025的透鏡直徑大于第一聚焦透鏡1022的透鏡直徑，還需擁有交高聚光能力，如擁有大數值孔徑，即第二聚焦透鏡1025的數值孔徑大于第一聚焦透鏡1022的數值孔徑，以將較大直徑的太赫茲光束聚焦于待測樣品上一點，從而移動載物臺1031以帶動待測樣品進行掃描成像。需要說明的是，第一調光透鏡組件102的結構組成不限于此。亞毫米級指0.1毫米至1毫米。

在其中一個實施例中，如圖4所示，載物架組件103還可以包括步進電機1032和控制器1033，其中，步進電機1032分別與載物臺1031、控制器1033連接；控制器1033用于控制步進電機1032帶動載物臺1031在設定方向上進行步進運動，并反饋步進位置信息。

在本實施例中的水含量分布檢測裝置投入使用后，待測樣品放置并固定于載物臺1031上，載物臺1031需保持水平，此外，放置待測樣品的載物臺1031一般需進行部分的挖空處理或使用太赫茲頻段內高透射率、低吸收的材料(或者說是使用對太赫茲頻段的透射率高于透射率閾值的材料，即滿足一定透射率要求或者吸收率要求的材料，其中，透射率閾值可以根據實際需要選定)，以保證入射到待測樣品的太赫茲光束可以從待測樣品底部透射出去，經傳播到達太赫茲探測組件105，完成太赫茲透射光束的探測。

其中，步進電機1032一般與載物臺1031機械連接，步進電機1032一般與控制器1033電連接；控制器1033用于控制待測樣品和載物臺1031在水平和垂直方向進行高精度步進運動，數字反饋步進位置信息，調整顯微鏡的視場或所需監控的樣品區域，作為顯微鏡掃描成像的輔助機械裝置。

需要說明的是步進電機1032與載物臺1031的在圖4中的位置關系僅是示意性的，并不代表步進電機1032必須位于載物臺1031的一側，在具體實現，可以根據實際需要設定兩者的位置關系。

作為成像系統，顯微鏡的主要性能指標就是其空間分辨率，而本實用新型實施例的水含量分布檢測裝置所使用的亞毫米級的第一孔徑光闌1023和大數值孔徑的第二聚焦透鏡1025將大大增強空間分辨率。由于該水含量分布檢測裝置使用掃描方式進行二維或三維圖像的建立，該水含量分布檢測裝置的空間分辨率與步進電機1032的掃描精度(即每次步進的位移)有一定關系，根據奈奎斯特采樣定理，步進電機1032的掃描精度需是顯微鏡本身空間分辨率的2倍以上，才可以保證空間分辨率的獲取，否則會降低顯微鏡原有的空間分辨率。因此，在其中一個實施例中，步進電機1032的掃描精度為水含量分布檢測裝置的空間分辨率的兩倍以上。

在其中一個實施例中，如圖5所示，第二調光透鏡組件104可以包括依次設置的第三準直透鏡1041、第三聚焦透鏡1042、第二孔徑光闌1043、第一離軸拋物面鏡1044和第二離軸拋物面鏡1045；所述待測樣品透射的太赫茲光束經第三準直透鏡1041收集、準直后，經第三聚焦透鏡1042聚焦至所述第二孔徑光闌1043；第二孔徑光闌1043出射的太赫茲光束經第一離軸拋物面鏡1044、第二離軸拋物面鏡1045投射至太赫茲探測組件105。

其中，第二調光透鏡組件104中的各光學元器件可以設置在自由空間中。第三準直透鏡1041用于收集、準直從待測樣品底部透射并發散的太赫茲光束，第三準直透鏡1041需擁有與第二聚焦透鏡1025相同或更大的數值孔徑，即第三準直透鏡1041的數值孔徑大于或者等于第二聚焦透鏡1025的數值孔徑，以最優化檢測裝置的空間分辨率。第三聚焦透鏡1042用于將準直后太赫茲光束聚焦至第二孔徑光闌1043。第二孔徑光闌1043作為共聚焦孔徑光闌，第二孔徑光闌1043的孔徑同樣需足夠小，以獲得高分辨率的圖像，可以選取與第一孔徑光闌1023相似大小的孔徑，即第二孔徑光闌1043的孔徑也為亞毫米級，以保證太赫茲光束的低功率損耗和高成像分辨率。第二孔徑光闌1043出射的太赫茲光束經由第一離軸拋物面鏡17、第二離軸拋物面鏡18投射至太赫茲探測組件，其中第二離軸拋物面鏡18的聚焦光束和視場需與太赫茲探測組件105的入射錐形光束和視場相匹配，以保證最大化的光傳播耦合效率。

其中，第一準直透鏡1031、第一聚焦透鏡1032、第二準直透鏡1034、第二聚焦透鏡1035、第三準直透鏡1041以及第三聚焦透鏡1042一般均為凸透鏡，在具體實現時，可以選用相同透鏡直徑的第一準直透鏡1031和第一聚焦透鏡1032，相同透鏡直徑的第二準直透鏡1034和第二聚焦透鏡1035，相同透鏡直徑的第三準直透鏡1041和第三聚焦透鏡1042。

在其中一個實施例中，如圖6所示，太赫茲探測組件105可以包括自由空間內設置的超半球透鏡1051和測熱輻射儀1052，其中，測熱輻射儀1052放置在超半球透鏡1052背面，超半球透鏡1051用于增強測熱輻射儀1052的耦合效率；測熱輻射儀1052還電性連接有信號分析裝置106，信號分析裝置106用于進行掃描成像的采集和處理。

在其中一個實施例中，如圖7所示，本實用新型的水含量分布檢測裝置還可以包括信號分析裝置106。

在其中一個實施例中，如圖8所示，信號分析裝置可以包括依次連接的信號放大電路1061、信號采集電路1062和圖像分析裝置1063。其中，信號放大電路1061、信號采集電路1062和圖像分析裝置1063之間的連接方式可以是電性連接。圖像分析裝置1063可采用在線分析和離線分析兩種方式。

其中，圖像分析裝置1063還可以和控制器1033連接，圖像分析裝置1063可以用于獲取控制器1033反饋的步進位置信息，結合每個步進位置對應的待測樣品位置信息以及在每個步進位置時待測樣品的被測信號獲取水含量分布圖。

此外，信號放大電路1061可以包括一鎖相放大器以及與該鎖相放大器連接的斬波器，該斬波器設置在太赫茲探測組件105之前，這里，斬波器設置在太赫茲探測組件105之前是指斬波器設置在太赫茲光速入射至太赫茲探測組件105之前的某個位置，該位置可以根據實際需要選取。其中，鎖相放大器可大幅度的抑制無用噪聲并提高檢測靈敏度，斬波器用于獲取和被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號。

實施例二

為了便于理解本實用新型的方案，以下通過一個具體示例對本實用新型方案進行闡述。

如圖9所示，為本實用新型的水含量分布檢測裝置在一具體示例中的組成結構示意圖。圖9中示出了水含量分布檢測裝置的一個較佳示例的組成結構示意圖。依據不同的考慮因素，在具體實現本實用新型的水含量分布檢測裝置時，也可以對某些部件或者組件做出若干變形和改進，以下以圖9中的水含量分布檢測裝置為例進行詳細說明。

參見圖9所示，本實施例二的水含量分布檢測裝置包括太赫茲輻射裝置、第一調光透鏡組件、載物架組件、第二調光透鏡組件、太赫茲探測組件和信號分析裝置217。

其中，太赫茲輻射裝置包括已集成熱電制冷器201的量子級聯激光器202，其中熱電制冷器和量子級聯激光器是通過傳熱連接(熱耦合)；第一調光透鏡組件設置在太赫茲輻射裝置及載物架組件之間；第一調光透鏡組件包括在自由空間依次設置的第一準直透鏡203、第一聚焦透鏡204、第一孔徑光闌205、第二準直透鏡206及第二聚焦透鏡207的一系列光學元器件；載物架組件包括帶步進電機的載物臺208，這里，將帶步進電機的載物臺稱為步進載物臺，其中，待測樣品218放置于步進載物臺208上，步進載物臺208電性連接有控制器209，用于控制待測樣品218在水平和垂直方向進行高精度步進運動和掃描成像；第二調光透鏡組件設置在載物架組件及太赫茲探測組件之間；第二調光透鏡組件包括自由空間設置的第三準直透鏡210、第三聚焦透鏡211、第二孔徑光闌212、第一離軸拋物面鏡213及第二離軸拋物面鏡214的一系列光學元器件；太赫茲探測組件包括自由空間設置的超半球透鏡215和測熱輻射儀216，其中測熱輻射儀放置在超半球透鏡背面并且電性連接有信號分析裝置217。

其中，信號分析裝置217可包括信號放大電路、信號采集電路、圖像分析裝置；其中信號放大模塊、信號采集模塊和圖像分析裝置電性連接；圖像分析裝置可采用在線分析和離線分析兩種方式。信號分析裝置中，信號放大電路可以包括一鎖相放大器，可大幅度的抑制無用噪聲并提高檢測靈敏度；該鎖相放大器需連接一斬波器，此斬波器需設置在太赫茲探測組件之前，從而獲取和被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號。

該具體示例中的水含量分布檢測裝置利用了共聚焦顯微鏡原理，大幅度的提高了太赫茲成像的空間分辨率，可推廣到太赫茲成像的其他應用領域包括醫學成像、材料檢測等。另一方面，使用共聚焦太赫茲掃描顯微鏡對樣品進行水平和垂直方向的掃描，可以獲得樣品的三維水含量分布的結構示意圖，從而利用病理組織學的方法對組織的病變程度進行分析，避免傳統病理學中組織切片的繁瑣程序，提高了水含量測定的靈敏度和準確性。

將上述本實用新型實施例中水含量分布檢測裝置的應用在生物組織分析、材料檢測中，可以具有廣泛的應用價值。

具體地，在生物組織分析中，可以將待測樣品放到載物臺1031上，通過控制載物臺1031在水平方向和垂直方向移動，可以完成對待測樣品的三維掃描，獲得待測樣品三維水含量分布圖，根據三維水含量分布圖中各點的水含量值以及病理組織學的方法對組織的病變程度進行分析。例如，可以查詢待測樣品中水含量值處于某一設定區間的區域，對該區域內的各點的水含量值取平均值，根據該平均值以及預設的病變程度和水含量值的對應關系確定相應組織的病變程度。其中，設定區間可以根據實際需要選取。這種方式，可以避免傳統病理學中組織切片的繁瑣程序，提高了水含量測定的靈敏度和準確性。

具體地，在材料檢測中，可以將待測樣品放到載物臺1031上，通過控制載物臺1031在水平方向和垂直方向移動，可以完成對待測樣品的三維掃描，獲得待測樣品三維水含量分布圖，根據預設的材料類型與水含量值的對應關系，查詢與三維水含量分布圖中各點的水含量值相匹配的材料類型。

上述實施例中所述的“水平”、“垂直”僅是互為相對概念或是以裝置的正常使用狀態為參考的，而不應該認為是具有限制性的。

需要說明的是，當一個元件被稱為“連接”另一個元件，根據需要，它可以是直接連接到另一個元件或者間接連接至該另一個元件上。術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”僅用于描述目的，而不能理解為指示或者暗示相對重要性。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應以所附權利要求為準。