CN103575704A

CN103575704A - 一种高分辨率太赫兹波扫描成像装置

Info

Publication number: CN103575704A
Application number: CN201310539643.9A
Authority: CN
Inventors: 袁英豪; 郭良贤; 孙峰; 邓代竹; 李渊; 梁娟; 张青; 张保
Original assignee: Hubei Jiuzhiyang Infrared System Co Ltd
Current assignee: Hubei Jiuzhiyang Infrared System Co Ltd
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2014-02-12

Abstract

本发明公开了一种高分辨率太赫兹波扫描成像装置，包括太赫兹波收发机、第一抛物面反射镜、平面反射镜、第二抛物面反射镜、第一电控位移导轨、第二电控位移导轨、数据采集卡和计算机；所述太赫兹波收发机用于发射太赫兹波并将接收到的太赫兹波转换为电压信号；第一抛物面反射镜用于准直太赫兹波；平面反射镜用于折转太赫兹波光路至第二抛物面反射镜；第二抛物面反射镜用于将太赫兹波反射、聚焦至目标表面，并将目标反射的太赫兹波原路返回；数据采集卡用于将太赫兹收发机输出的电压信号进行A/D转换并发送给计算机，计算机用于输出目标的二维太赫兹波图像。本发明装置能同时兼顾成像分辨率和成像速度。

Description

一种高分辨率太赫兹波扫描成像装置

技术领域

本发明涉及太赫兹波应用领域，特别是涉及一种太赫兹波扫描成像装置。

背景技术

太赫兹（THz）波通常指频率在0.1 ~ 10 THz（波长在3 mm ~ 30 μm）之间的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间。THz波能穿透很多介电材料和非极性材料，如衣料、塑料和纸张等，可以对可见光不透明的物体进行透视成像。另外，与毫米波成像技术相比，太赫兹波波长更短，因此能够提供更高的空间分辨率。基于以上特点，太赫兹波成像技术在安全检测、无损探伤、质量控制等领域有着重要的应用价值。

目前，太赫兹面阵探测器制作困难而且价格昂贵，因此大多数的太赫兹成像***仍然采用点探测器和扫描成像方式。已报道的扫描成像方式主要有机械式扫描和光学式扫描两种。机械式扫描的实现方式为：太赫兹成像单元整体在电控位移导轨控制下做光栅式二维扫描运动（例如：李海涛, 王新柯, 牧凯军, 张艳东等. 《红外与激光》. 2007, 37(9), 876-878）。这种扫描方式可以实现较高的成像分辨率，但是，由于太赫兹成像单元整体较重，为了保证扫描运动的稳定性，扫描速度通常很慢。光学式扫描的实现方式为：太赫兹成像单元整体静止不动，太赫兹成像单元内部采用摆镜、多面体镜鼓、楔形转镜、等光机扫描部件使太赫兹聚焦光斑在待测物体表面形成扫描运动。已报道的光学式扫描方法包括：摆镜扫描式（专利号：US 2008/0251720 A1、CN 101832912 B、CN 101846752 A）、多面体镜鼓扫描式（专利号：CN 102004087 A、CN 102023144 B、CN 102681022 A、CN 102681023 A）和楔形转镜扫描式（专利号：CN 102012562 B、CN 102004311 B）。相对于机械式扫描，光学式扫描可以大幅度提高扫描速度，但是，由于扫描过程中太赫兹汇聚光束的数值孔径通常很小，因此导致成像空间分辨率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种高分辨率太赫兹波扫描成像装置，能同时兼顾成像分辨率和成像速度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高分辨率太赫兹波扫描成像装置，包括太赫兹波收发机、第一抛物面反射镜、平面反射镜、第二抛物面反射镜、第一电控位移导轨、第二电控位移导轨、数据采集卡和计算机；所述太赫兹波收发机用于发射太赫兹波并将接收到的太赫兹波转换为电压信号；第一抛物面反射镜用于准直太赫兹波收发机发射的太赫兹波；平面反射镜用于折转准直后的太赫兹波光路至第二抛物面反射镜；第二抛物面反射镜用于将太赫兹波反射、聚焦至目标表面，并将目标反射的太赫兹波原路返回；第一电控位移导轨用于驱动第二抛物面反射镜做水平运动，使太赫兹光斑在目标表面形成行扫描；第二电控位移导轨用于驱动抛物面反射镜和平面反射镜整体做垂直运动，使太赫兹光斑在目标表面形成列扫描；数据采集卡用于将太赫兹收发机输出的电压信号进行A/D转换并发送给计算机，计算机用于控制第一电控位移导轨和第二电控位移导轨做二维光栅式扫描运动，并通过数据采集卡采集从目标表面每一点反射的太赫兹电压信号强度，进行图像处理，输出目标的二维太赫兹波图像。

本发明还提供一种高分辨率太赫兹波扫描成像装置，包括太赫兹波发射机、第一抛物面反射镜、第一平面反射镜、第一电控位移导轨、第二抛物面反射镜、第三抛物面反射镜、第二平面反射镜、第二电控位移导轨、第四抛物面反射镜、太赫兹波接收机、数据采集卡和计算机；所述太赫兹波发射机用于发射太赫兹波，为***提供成像载波；第一抛物面反射镜用于对太赫兹波发射机发射的太赫兹波束进行准直；第一平面反射镜用于折转第一抛物面反射镜准直后的太赫兹波光路至第二抛物面反射镜；第二抛物面反射镜用于将太赫兹波反射、聚焦至待测物体表面；第三抛物面反射镜用于反射和准直被待测物体反射的太赫兹波；第二平面反射镜用于折转第三抛物面反射镜反射和准直的太赫兹波光路至第四抛物面反射镜；第四抛物面反射镜用于将平行太赫兹波光束汇聚至太赫兹接收机；太赫兹接收机用于将接收到的太赫兹波转化为模拟电压信号，数据采集卡用于对该电压信号进行A/D转换，然后发送给计算机；所述第二抛物面反射镜和第三抛物面反射镜安装在第一电控位移导轨的滑块上；第一电控位移导轨用于驱动第二抛物面反射镜和第三抛物面反射镜做水平运动，使太赫兹聚焦光斑在待测物体表面形成行扫描；所述第一电控位移导轨、第一平面反射镜和第二平面反射镜安装在第二电控位移导轨的滑块上；电控位移导轨用于驱动第一平面反射镜、第二抛物面反射镜、第三抛物面反射镜和第二平面反射镜整体做垂直运动，使太赫兹聚焦光斑在待测物体表面形成列扫描；计算机用于控制第一电控位移导轨和第二电控位移导轨做二维光栅式扫描运动，并通过数据采集卡采集每个扫描位置反射回来的太赫兹信号强度，然后进行数字图像处理，输出待测物体的二维太赫兹波扫描图像。

本发明产生的有益效果是：

1）采用抛物面反射镜作为太赫兹波准直和聚焦元件，由于抛物面反射镜工作频段宽，不存光谱偏差和球面偏差，能够将太赫兹波收发机发出的太赫兹波束高度准直，并将平行太赫兹波光束以较大的孔径角高度汇聚至目标表面，因此扫描成像空间分辨率高。

2）扫描成像过程中，太赫兹收发机和抛物面反射镜均静止不动，只有平面反射镜和另一抛物面反射镜参与扫描运动，运动机构的重量大大减轻，因此能够实现较快的扫描成像速度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明装置第一实施例的俯视图；

图2为本发明装置第一实施例中抛物面反射镜的反射后的光束传播方向图；

图3为本发明装置第二实施例的俯视图；

图4为本发明装置第二实施例中抛物面反射镜的反射后的光束传播方向图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，图1是本发明的第一个实施例的结构框图。本实施例装置包括太赫兹波收发机1、抛物面反射镜2、平面反射镜3、抛物面反射镜4、电控位移导轨5、电控位移导轨6和待测物体7，以及数据采集卡和计算机。其中，太赫兹波收发机1向外发射太赫兹波，为***提成成像载波；抛物面反射镜2用于对太赫兹波收发机1向外发射的太赫兹波束进行准直；平面反射镜3用于折转准直后的太赫兹波光路至抛物面反射镜4；抛物面反射镜4用于将太赫兹波反射、聚焦至待测物体7表面，太赫兹波光束被抛物面反射镜4反射后的传播方向如图2所示，待测物体7平行于纸面放置；被待测物体反射的太赫兹波原路返回至太赫兹波收发机1；太赫兹收发机1将接收到的太赫兹波转化为模拟电压信号，数据采集卡对该电压信号进行A/D转换，然后发送给计算机；抛物面反射镜4安装在电控位移导轨一5的滑块上，电控位移导轨5用于驱动抛物面反射镜4做水平运动，从而使太赫兹聚焦光斑在待测物体7表面形成行扫描；电控位移导轨5和平面反射镜3安装在电控位移导轨6的滑块上，电控位移导轨6用于驱动抛物面反射镜4和平面反射镜3整体做垂直运动，从而使太赫兹聚焦光斑在待测物体7表面形成列扫描；计算机用于控制电控位移导轨5和电控位移导轨6做二维光栅式扫描运动，并通过数据采集卡采集每个扫描位置反射回来的太赫兹信号强度，然后进行数字图像处理，在显示器中输出待测物体7的二维太赫兹波扫描图像。

上述抛物面反射镜均可替换为其它可实现类似功能的光学元件或组合。例如：将抛物面反射镜替换为平面反射镜和准直透镜，其中：平面反射镜可采用金属铝制作，准直透镜可采用高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、聚4-甲基戊烯-1（TXP）等材料制作。太赫兹波收发机1、太赫兹波发射机8的工作频率也可以为其它所有频段，例如：微波、毫米波、红外、可见光等频段。

实施例中，太赫兹波收发机1采用德国Synview公司生产的型号为SynviewHead300的全电子学太赫兹波收发模块，发射的太赫兹波频率范围为0.23 THz ~ 0.32 THz，功率为60 uW，束腰半径为3 mm；采用谐波混频方式探测接收到的太赫兹信号，有效测量时间为100 us。所有的抛物面反射镜（2、4、9、12、13、16）和平面反射镜（3、10、14）均可采用金属铝制作，也可采用轻质材料（如塑料）表面镀铝或金等制作。太赫兹波发射机8采用德国Radiometer Physics公司生产的由耿氏振荡器和倍频器级联组成、输出频率为0.2 THz、功率为12 mW的太赫兹波源。

图3是本发明的第二个实施例组成框图。本实施例包括由太赫兹波发射机8、抛物面反射镜9、平面反射镜10、第三电控位移导轨11、抛物面反射镜12、抛物面反射镜13、平面反射镜14、第四电控位移导轨15、抛物面反射镜16、太赫兹波接收机17和待测物体7。其中，太赫兹波发射机8向外发射太赫兹波，为***提供成像载波；抛物面反射镜9用于太赫兹波发射机8向外发射的对太赫兹波束进行准直；平面反射镜10用于折转太赫兹波光路至抛物面反射镜12；抛物面反射镜12用于将太赫兹波反射、聚焦至待测物体7表面，太赫兹波光束被抛物面反射镜12反射后的传播方向如图4所示，待测物体7平行于纸面放置；被待测物体7反射的太赫兹波被抛物面反射镜13所反射和准直；平面反射镜14用于折转太赫兹波光路至抛物面反射镜16；抛物面反射镜16用于将平行太赫兹波光束汇聚至太赫兹接收机17；太赫兹接收机17将接收到的太赫兹波转化为模拟电压信号，数据采集卡对该电压信号进行A/D转换，然后发送给计算机；抛物面反射镜12和抛物面反射镜13安装在电控位移导轨11的滑块上；电控位移导轨11用于驱动抛物面反射镜12和抛物面反射镜13做水平运动，从而使太赫兹聚焦光斑在待测物体7表面形成行扫描；电控位移导轨三11、平面反射镜10和平面反射镜14安装在电控位移导轨四15的滑块上；电控位移导轨四15用于驱动平面反射镜10、抛物面反射镜12、抛物面反射镜13和平面反射镜14整体做垂直运动，从而使太赫兹聚焦光斑在待测物体7表面形成列扫描；计算机用于控制电控位移导轨三11和电控位移导轨四15做二维光栅式扫描运动，并通过数据采集卡采集每个扫描位置反射回来的太赫兹电压信号强度，然后进行数字图像处理，在显示器中输出待测物体7的二维太赫兹波扫描图像。

上述太赫兹波接收机17的工作频率也可以替换为其它所有频段，例如：微波、毫米波、红外、可见光等频段。

实施例中，太赫兹波接收机17采用由美国Pacific Millimeter公司生产的型号为GD的肖特基二极管。数据采集卡可采用美国NI公司生产的型号为PCI-6115的12位、最高采集速率为10 MHz的模拟信号采集卡。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种高分辨率太赫兹波扫描成像装置，包括太赫兹波收发机、第一抛物面反射镜、平面反射镜、第二抛物面反射镜、第一电控位移导轨、第二电控位移导轨、数据采集卡和计算机；

所述太赫兹波收发机用于发射太赫兹波并将接收到的太赫兹波转换为电压信号；第一抛物面反射镜用于准直太赫兹波收发机发射的太赫兹波；平面反射镜用于折转准直后的太赫兹波光路至第二抛物面反射镜；第二抛物面反射镜用于将太赫兹波反射、聚焦至目标表面，并将目标反射的太赫兹波原路返回；第一电控位移导轨用于驱动第二抛物面反射镜做水平运动，使太赫兹光斑在目标表面形成行扫描；第二电控位移导轨用于驱动抛物面反射镜和平面反射镜整体做垂直运动，使太赫兹光斑在目标表面形成列扫描；数据采集卡用于将太赫兹收发机输出的电压信号进行A/D转换并发送给计算机，计算机用于控制第一电控位移导轨和第二电控位移导轨做二维光栅式扫描运动，并采集从目标表面每一点反射的太赫兹电压信号强度，进行图像处理，输出目标的二维太赫兹波图像。

2.一种高分辨率太赫兹波扫描成像装置，其特征在于，包括太赫兹波发射机、第一抛物面反射镜、第一平面反射镜、第一电控位移导轨、第二抛物面反射镜、第三抛物面反射镜、第二平面反射镜、第二电控位移导轨、第四抛物面反射镜、太赫兹波接收机、数据采集卡和计算机；所述太赫兹波发射机用于发射太赫兹波，为***提供成像载波；第一抛物面反射镜用于对太赫兹波发射机发射的太赫兹波束进行准直；第一平面反射镜用于折转第一抛物面反射镜准直后的太赫兹波光路至第二抛物面反射镜；第二抛物面反射镜用于将太赫兹波反射、聚焦至待测物体表面；第三抛物面反射镜用于反射和准直被待测物体反射的太赫兹波；第二平面反射镜用于折转第三抛物面反射镜反射和准直的太赫兹波光路至第四抛物面反射镜；第四抛物面反射镜用于将平行太赫兹波光束汇聚至太赫兹接收机；太赫兹接收机用于将接收到的太赫兹波转化为模拟电压信号，数据采集卡用于对该电压信号进行A/D转换，然后发送给计算机；所述第二抛物面反射镜和第三抛物面反射镜安装在第一电控位移导轨的滑块上；第一电控位移导轨用于驱动第二抛物面反射镜和第三抛物面反射镜做水平运动，使太赫兹聚焦光斑在待测物体表面形成行扫描；所述第一电控位移导轨、第一平面反射镜和第二平面反射镜安装在第二电控位移导轨的滑块上；电控位移导轨用于驱动第一平面反射镜、第二抛物面反射镜、第三抛物面反射镜和第二平面反射镜整体做垂直运动，使太赫兹聚焦光斑在待测物体表面形成列扫描；计算机用于控制第一电控位移导轨和第二电控位移导轨做二维光栅式扫描运动，并通过数据采集卡采集每个扫描位置反射回来的太赫兹电压信号强度，然后进行数字图像处理，输出待测物体的二维太赫兹波扫描图像。