CN110057786B - 一种基于太赫兹波的成像***及扫描方法 - Google Patents

一种基于太赫兹波的成像***及扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹波的成像***及扫描方法，***包括太赫兹波发射模块、第一直线步进电机、第一旋转步进电机、样品台、第二直线步进电机、第二旋转步进电机、U型支架、太赫兹波探测模块以及数据采集模块，通过太赫兹波发射模块发射的太赫兹波，利用步进电机移动样品并采集样品位于各个位置和角度的信号，将光强信号转变为光电流信号并收集保存到数据采集模块中，最终得到样品的透射图像或正弦图。基于此***提出了二维太赫兹透射式成像***的扫描方法、基于二维Radon变换的太赫兹层析成像***的扫描方法以及基于三维Radon变换的太赫兹层析成像***的扫描方法，这种集成化设计有效降低了成像***的制作成本，减少了成像***的占用空间。

Description

一种基于太赫兹波的成像***及扫描方法
技术领域
本发明属于太赫兹成像领域，更具体地，涉及一种基于太赫兹波的成像***及扫描方法。
背景技术
太赫兹波(Terahertz Wave，简称THz波)是指频率在0.1～10THz之间的电磁波，其波长位于0.03mm～3mm范围内，介于红外波与微波波段之间。太赫兹波具有瞬态性、低能性、宽带性以及相干性等许多独特的优势。
x射线对各种材料和物质有很强的穿透能力，因此在医学诊断、材料分析以及工业生产等诸多领域中被广泛应用。但是非致密性材料，比如航天隔热泡沫，对x射线的吸收率极低，因此使用x射线成像技术很难辨识这些材料中的缺陷。与x射线相比，太赫兹波能穿透非金属和非极性的电介质材料，而且非致密性材料对太赫兹波的吸收相对较高，使用太赫兹成像技术能辨别非致密性材料的缺陷。此外，太赫兹波的光子能量低于损害生物组织的能量阈值，没有x射线的电离性质，因此可以被用来进行人体安检和生物检测。太赫兹成像技术可以作为现有成像技术的补充，在无损检测和人体安检等领域有广泛的应用前景。
现有的太赫兹成像***均基于单一的成像技术，比如太赫兹二维透射成像***，只能对二维样品进行透射成像，而太赫兹计算机层析成像***只能对三维样品的某一个横截面或者整个样品进行层析成像。如果需要使用多种成像技术对不同样品进行检测，则需要多个太赫兹成像***，制作成本高，占用空间大。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于太赫兹波的成像***及扫描方法，旨在解决现有***成像方式单一，制作成本高、占用空间大的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于太赫兹波的成像***，包括太赫兹波发射模块、第一直线步进电机、第一旋转步进电机、样品台、第二直线步进电机、第二旋转步进电机、U型支架、太赫兹波探测模块以及数据采集模块。
U型支架固定在第一旋转步进电机上，第一旋转步进电机固定在第一直线步进电机上，太赫兹波发射模块和太赫兹波探测模块分别固定在U型支架的两侧，样品台固定在第二旋转步进电机上，第二旋转步进电机固定在第二直线步进电机上，数据采集模块与太赫兹波探测模块相连。
太赫兹波发射模块用于发射太赫兹波，太赫兹波探测模块用于将收集到的光强信号转变为光电流信号，数据采集模块用于控制步进电机，采集并保存太赫兹波探测模块收到的光电流信号。
优选地，太赫兹波发射模块包括太赫兹波发射源、第一光学元件、第二光学元件和第一笼式单元；太赫兹波发射源、第一光学元件、第二光学元件依次放置于第一笼式单元。
优选地，太赫兹波探测模块包括太赫兹波探测器、第三光学元件、第四光学元件和第二笼式单元；第三光学元件、第四光学元件和太赫兹波探测器依次放置于第二笼式单元。
优选地，在这个成像***中包含三类光学元件，第一类光学元件用于汇聚太赫兹波束，功能类似于平凸透镜，包括但不限于平凸透镜、双凸透镜、衍射元件、电浆子波导、超颖表面、超材料透镜或者离轴抛物面镜；第二类光学元件用于将准直的高斯波束生成准零阶贝塞尔波束，功能类似于锥透镜，包括但不限于锥透镜、衍射元件、电浆子波导、超颖表面或者超材料透镜；第三类光学元件用于在某一个方向上会聚太赫兹波，功能类似于柱透镜，包括但不限于柱透镜、衍射元件、电浆子波导、超颖表面或者超材料透镜。第一光学元件和第四光学元件均为第一类光学元件，二者可以在其中分别选择一种进行组合；第二光学元件和第三光学元件为同一类光学元件，可以根据实际应用的需求在三类光学元件中分别选择一种进行组合，当采用二维太赫兹透射式成像***的扫描方法和基于二维Radon变换的太赫兹层析成像***的扫描方法时可选择第一类光学元件或者第二类光学元件，当采用基于三维Radon变换的太赫兹层析成像***的扫描方法时刻选择第三类光学元件。
优选地，以样品台平面为xz平面，以第二直线步进电机的移动方向为x轴，第一直线步进电机的移动方向为y轴，垂直于第二直线步进电机的移动方向为z轴。第一光学元件的后焦平面、第二光学元件的后焦平面、第三光学元件的前焦平面、第四光学元件的前焦平面和样品台的中心位于同一个xz平面上；U型支架的旋转中心位于第一旋转步进电机的中心轴上；样品台的中心位于第二旋转步进电机的中心轴上。
优选地，数据采集模块包括数据采集单元、和控制单元；数据采集单元用于将接收到的光电流信号转变为电压信号并对电压信号进行放大和降噪处理；控制单元用于通过步进电机控制器驱动第一直线步进电机、第一旋转步进电机、第二直线步进电机和第二旋转步进电机，同时采集并记录探测信号和位置信息。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于上述二维太赫兹透射式成像***的扫描方法，包括以下步骤：
(1)连续太赫兹波束经过准直聚焦后入射到样品上，透射的波束再次经过准直聚焦，探测得到样品一个采样点的透射光强；
(2)将透射光强转换为电压信号，并对电压信号进行放大和降噪处理；
(3)通过步进电机控制器驱动2个直线步进电机分别沿x轴方向和y轴方向平移，y轴每下降一个高度，在x轴方向进行一条直线的扫描，重复步骤(1)至(2)，直到将样品的采样点全部扫描完毕，得到样品透射图像。
按照本发明的又一个方面，提供了一种基于二维Radon变换的太赫兹层析成像***的扫描方法，包括以下步骤：
(1)连续太赫兹波束经过准直聚焦后入射到样品上，透射的波束再次经过准直聚焦，探测得到样品一个采样点的透射光强；
(2)将透射光强转换为电压信号，并对电压信号进行放大和降噪处理；
(3)通过步进电机控制器驱动第二旋转步进电机和第二直线步进电机，使样品绕y轴旋转，并且沿x轴方向和y轴方向平移，重复步骤(1)至(2)，直到将样品的采样点全部扫描完毕，得到样品正弦图。
按照本发明的又一个方面，提供了一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像***的扫描方法，包括以下步骤：
(1)连续太赫兹波束经过准直聚焦后入射到样品上，透射的波束再次经过准直聚焦，探测得到样品一个采样点的透射光强；
(2)将透射光强转换为电压信号，并对电压信号进行放大和降噪处理；
(3)通过步进电机控制器驱动第二直线步进电机运动，当样品截面大小大于波束宽度时，使样品沿x轴方向平移直至太赫兹波束遍历该截面所有样品点，重复步骤(1)至(2)，并将所有电压值求和，若样品截面大小小于波束宽度，则只用进行一次扫描即可；
(4)通过步进电机控制器驱动第一直线步进电机沿y轴方向移动，并重复步骤(3)，直到太赫兹波束沿y轴方向遍历样品；
(5)通过步进电机控制器驱动第二旋转步进电机使样品绕y轴旋转，重复步骤(4)，直到样品旋转360°停止；
(6)通过步进电机控制器驱动第一旋转步进电机，使波束绕x轴旋转，重复步骤(5)，直到旋转至预设角度后停止，得到样品正弦图。
电压信号反映了样品在不同位置时的透射光强，即样品在某一个截面的正弦图，得到样品正弦图后就可以通过图像重建算法重建出样品图像。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下
有益效果：
1、本发明提供了一种集成了二维太赫兹透射式成像技术、基于二维Radon变换的太赫兹计算机层析成像技术和基于三维Radon变换的太赫兹计算机层析成像技术于一体的太赫兹成像***，不仅可以对二维样品进行成像或者获得三维样品的某一个横截面的图像，而且能够用两种计算机层析成像方式获得样品的三维重建图像，这种对二维太赫兹透射式成像***、基于二维Radon变换的太赫兹计算机层析成像***和基于三维Radon变换的太赫兹计算机层析成像***的集成化设计，有效降低了成像***的制作成本，减少了成像***的占用空间；
2、本发明基于提出的成像***可以同时实现三种扫描方式，其中基于三维Radon变换的太赫兹计算机层析成像技术是一种新的太赫兹成像技术，通过柱透镜将波束沿一个维度会聚，使入射到样品上的波束近似为沿一个平面传播，可以同时获取位于该平面的样品信息，极大的缩短了扫描时间；
3、现有的成像***大多使用高斯波束成像，应用零阶贝塞尔波束可以提升成像***的景深，本发明提供的成像***可以根据需要选择高斯波束和贝塞尔波束成像，满足实际应用的不同需求。
附图说明
图1是本发明提供的基于太赫兹波的成像***的结构示意图；
图2是本发明提供的成像***的第一笼式单元的结构示意图；
图3是本发明提供的成像***的第二笼式单元的结构示意图
图4是本发明提供的成像***的U型支架的结构示意图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示的基于太赫兹波的成像***，包括太赫兹波发射模块、2个直线步进电机、2个旋转步进电机、样品台、U型支架、太赫兹波探测模块以及数据采集模块。
太赫兹波发射模块用于发射太赫兹波，该模块包含太赫兹波发射源1、第一准直透镜2、第一聚焦透镜3、第一柱透镜4和用于集成元件1～4的第一笼式单元5；太赫兹波探测模块用于探测透过样品的太赫兹波光强；探测模块包含第二柱透镜6、第二准直透镜7、第二聚焦透镜8、太赫兹探测器9和用于集成元件6～9的第二笼式单元10。
太赫兹波发射源1用于发射连续太赫兹波，本实施例中，太赫兹波发射源由耿氏二极管、三倍频器和喇叭天线组成，出射的太赫兹波频率为300GHz，功率为0.3mW。第一准直透镜2用于准直出射的太赫兹波束，第一聚焦透镜3用于将准直的太赫兹波束会聚成点聚焦的太赫兹波束并将其导入到样品上，第一柱透镜4用于将准直的太赫兹波束沿y轴方向会聚成线聚焦的太赫兹波束并将其导入到样品上。第一笼式单元5用于固定元件1～4。第二柱透镜6和第二准直透镜7用于将通过样品的透射波束准直，第二聚焦透镜8用于将准直的透射波束会聚并导入到太赫兹探测器9中。第二笼式单元10用于固定元件6～9。本实施例中，第一准直透镜2和第二聚焦透镜8的直径为50.8mm，焦距为50mm；第一聚焦透镜3和第二准直透镜7的直径为50.8mm，焦距为120mm；第一柱透镜4和第二柱透镜6的尺寸为50mm×50mm，焦距为100mm。第一笼式单元5和第二笼式单元10中分别包含4根直径为6mm，长度为250mm的金属支杆和4个笼板。具体结构如图2所示。第一笼板是根据发射源的结构设计的，外部结构尺寸是70mm×70mm×7mm，在四个顶角位置有4个直径为6mm的圆孔，用于将第一笼板固定在笼式单元的4根金属支杆上。笼板2和3的外部结构尺寸是70mm×70mm×7mm；在四个顶角位置有4个直径为6mm的圆孔，用于将第二笼板和第三笼板固定在笼式单元的4根金属支杆上；内部是直径为50.8mm的圆形孔，用于固定透镜。第四笼板的外部结构尺寸是70mm×70mm×7mm；在四个顶角位置有4个直径为6mm的圆孔，用于将第四笼板固定在笼式单元的4根金属支杆上；内部是50mm×50mm的矩形孔，用于固定透镜。
样品台11固定在第二旋转步进电机12上，第二旋转步进电机固定于第二直线步进电机13上，需要注意的是：样品台的中心位于第二旋转步进电机12的中心轴上。在本实施例中，样品台是直径为150mm，厚度为20mm的圆板，圆板上有4个直径为3.2mm的圆孔，用于将样品台固定在第二旋转步进电机12上。第二旋转步进电机12的直径为125mm，第二直线步进电机的行程为200mm。
U型支架14固定在第一旋转步进电机15上，第一旋转步进电机15固定在第一直线步进电机16上，U型支架的两侧分别用于固定太赫兹波发射模块和太赫兹波探测模块。在本实施例中，U型架14的结构如图3所示。第一旋转步进电机15的直径为125mm，第一直线步进电机的行程为400mm。
需要注意的是，第一聚焦透镜3的后焦平面、第二准直透镜7的前焦平面、第一柱透镜4的后焦平面、第二柱透镜6的前焦平面和样品台的中心位于同一个xz平面上；此外，U型架的旋转中心位于第一旋转步进电机15的中心轴上；当第一旋转步进电机位于零位时，U型架与光学平台平行；第一直线步进电机16的零位在y轴方向的最高位置，第二直线步进电机13的零位在沿x轴方向靠近直线步进电机16的一端。
数据采集控制模块包含数据采集单元17，步进电机控制器18和控制单元19。控制单元19通过步进电机控制器18实现对2个直线步进电机和2个旋转步进电机的控制。样品台11上的样品位于各个不同的位置和旋转角度时，太赫兹波探测器9将所收集到的光强信号转换为光电流信号，并将光电流信号输入至数据采集单元17；数据采集单元17用于将接收到的光电流信号转变为电压信号并对电压信号进行放大和降噪处理。经过处理的电压信号输入到控制单元19中保存，同时，控制单元19记录下对应的样品位置信息。
在实际应用中，以样品台平面为xz平面，以第二直线步进电机的移动方向为x轴，第一直线步进电机的移动方向为y轴，垂直于第二直线步进电机的移动方向为z轴。基于上述***可以实现三种扫描方式，包括：
一种基于二维太赫兹透射式成像***的扫描方法，包括以下步骤：
(1)连续太赫兹波束经过准直聚焦后入射到样品上，透射的波束再次经过准直聚焦，探测得到样品一个采样点的透射光强；
(2)将透射光强转换为电压信号，并对电压信号进行放大和降噪处理；
(3)通过步进电机控制器驱动2个直线步进电机分别沿x轴方向和y轴方向平移，y轴每下降一个高度，在x轴方向进行一条直线的扫描，重复步骤(1)至(2)，直到将样品的采样点全部扫描完毕，得到样品透射图像。
一种基于二维Radon变换的太赫兹层析成像***的扫描方法，包括以下步骤：
(1)连续太赫兹波束经过准直聚焦后入射到样品上，透射的波束再次经过准直聚焦，探测得到样品一个采样点的透射光强；
(2)将透射光强转换为电压信号，并对电压信号进行放大和降噪处理；
(3)通过步进电机控制器驱动第二旋转步进电机和第二直线步进电机，使样品绕y轴旋转，并且沿x轴方向和y轴方向平移，重复步骤(1)至(2)，直到将样品的采样点全部扫描完毕，得到样品正弦图。
一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像***的扫描方法，包括以下步骤：
(1)连续太赫兹波束经过准直聚焦后入射到样品上，透射的波束再次经过准直聚焦，探测得到样品一个采样点的透射光强；
(2)将透射光强转换为电压信号，并对电压信号进行放大和降噪处理；
(3)通过步进电机控制器驱动第二直线步进电机运动，当样品截面大小大于波束宽度时，使样品沿x轴方向平移直至太赫兹波束遍历该截面所有样品点，重复步骤(1)至(2)，并将所有电压值求和，若样品截面大小小于波束宽度，则只用进行一次扫描即可；
(4)通过步进电机控制器驱动第一直线步进电机沿y轴方向移动，并重复步骤(3)，直到太赫兹波束沿y轴方向遍历样品；
(5)通过步进电机控制器驱动第二旋转步进电机使样品绕y轴旋转，重复步骤(4)，直到样品旋转360°停止；
(6)通过步进电机控制器驱动第一旋转步进电机，使波束绕z轴旋转，重复步骤(5)，直到旋转至预设角度后停止，得到样品正弦图。
电压信号反映了样品在不同位置时的透射光强，即样品在某一个截面的正弦图，得到样品正弦图后就可以通过图像重建算法重建出样品图像。
本领域的技术人员容易理解，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)

1.一种基于太赫兹波的成像***，其特征在于，包括：
太赫兹波发射模块、第一直线步进电机、第一旋转步进电机、样品台、第二直线步进电机、第二旋转步进电机、U型支架、太赫兹波探测模块以及数据采集模块；
所述U型支架固定在所述第一旋转步进电机上，所述第一旋转步进电机固定在所述第一直线步进电机上，所述太赫兹波发射模块和所述太赫兹波探测模块分别固定在所述U型支架的两侧，所述样品台固定在所述第二旋转步进电机上，所述第二旋转步进电机固定在所述第二直线步进电机上，所述数据采集模块与所述太赫兹波探测模块相连；
所述太赫兹波发射模块用于发射太赫兹波，所述太赫兹波探测模块用于将收集到的光强信号转变为光电流信号，所述数据采集模块用于控制步进电机，采集并保存太赫兹波探测模块收到的光电流信号所述太赫兹波发射模块包括太赫兹波发射源、第一光学元件、第二光学元件和第一笼式单元；所述太赫兹波发射源、所述第一光学元件、所述第二光学元件依次放置于所述第一笼式单元；所述太赫兹波探测模块还包括太赫兹波探测器、第三光学元件、第四光学元件和第二笼式单元；所述第三光学元件、所述第四光学元件和所述太赫兹波探测器依次放置于所述第二笼式单元；
以样品台平面为xz平面，以第二直线步进电机的移动方向为x轴，第一直线步进电机的移动方向为y轴，垂直于第二直线步进电机的移动方向为z轴，第一光学元件的后焦平面、第二光学元件的后焦平面、第三光学元件的前焦平面、第四光学元件的前焦平面和样品台的中心位于同一个xz平面上；U型支架的旋转中心位于第一旋转步进电机的中心轴上；样品台的中心位于第二旋转步进电机的中心轴上。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一光学元件和第四光学元件为平凸透镜、双凸透镜、衍射元件、电浆子波导、超颖表面、超材料透镜或者离轴抛物面镜。
3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述第二光学元件和第三光学元件为平凸透镜、双凸透镜、锥透镜、柱透镜、衍射元件、电浆子波导、超颖表面、超材料透镜或者离轴抛物面镜。
4.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述数据采集模块包括数据采集单元和控制单元，所述数据采集单元用于将接收到的光电流信号转变为电压信号并对电压信号进行放大和降噪处理；所述控制单元用于通过步进电机控制器控制第一直线步进电机、第一旋转步进电机、第二直线步进电机和第二旋转步进电机运行，同时从所述数据采集单元采集数据。
5.一种基于权利要求1～4任一项所述的基于太赫兹波的成像***的扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)连续太赫兹波束经过准直聚焦后入射到样品上，透射的波束再次经过准直聚焦，探测得到样品一个采样点的透射光强；
(2)将所述透射光强转换为电压信号，并对所述电压信号进行放大和降噪处理；
(3)通过步进电机控制器驱动2个直线步进电机分别沿x轴方向和y轴方向平移，y轴每下降一个高度，在x轴方向进行一条直线的扫描，重复步骤(1)至(2)，直到将样品的采样点全部扫描完毕，得到样品透射图像。
6.一种基于权利要求1～4任一项所述的基于太赫兹波的成像***的扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)连续太赫兹波束经过准直聚焦后入射到样品上，透射的波束再次经过准直聚焦，探测得到样品一个采样点的透射光强；
(2)将所述透射光强转换为电压信号，并对所述电压信号进行放大和降噪处理；
(3)通过步进电机控制器驱动第二旋转步进电机和第二直线步进电机，使样品绕y轴旋转，并且沿x轴方向和y轴方向平移，重复步骤(1)至(2)，直到将样品的采样点全部扫描完毕，得到样品正弦图。
7.一种基于权利要求1～4任一项所述的基于太赫兹波的成像***的扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)连续太赫兹波束经过准直聚焦后入射到样品上，透射的波束再次经过准直聚焦，探测得到样品一个采样点的透射光强；
(2)将所述透射光强转换为电压信号，并对所述电压信号进行放大和降噪处理；
(3)通过步进电机控制器驱动第二直线步进电机运动，使样品沿x轴方向平移直至太赫兹波束遍历截面所有样品点，重复步骤(1)至(2)，并将所有电压值求和；
(4)通过步进电机控制器驱动第一直线步进电机沿y轴方向移动，并重复步骤(3)，直到太赫兹波束沿y轴方向遍历样品；
(5)通过步进电机控制器驱动第二旋转步进电机使样品绕y轴旋转，重复步骤(4)，直到样品旋转360°停止；
(6)通过步进电机控制器驱动第一旋转步进电机，使波束绕x轴旋转，重复步骤(5)，直到旋转至预设角度后停止，得到样品正弦图。
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