CN101238393A

CN101238393A - 扫描方法和设备

Info

Publication number: CN101238393A
Application number: CNA2006800285300A
Authority: CN
Inventors: C·M·曼; D·J·库姆斯; M·费尔莱特
Original assignee: Thruvision Ltd
Current assignee: Thruvision Ltd
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2008-08-06
Also published as: GB0511209D0; US20110133087A1; WO2006129113A1; US8063366B2; EP1889097A1; JP2008542740A

Abstract

在太赫成像系统中，光束(115)跟踪用于扫描视场的扫描部件(105)，以便获得定位信息。可以通过扫描部件(105)，例如，采用反射、折射或衍射的方法来使跟踪光束(115)转向。然后可以通过空间敏感检测器诸如电荷耦合器件阵列(135)检测转向跟踪光束(125)。在一个优选实施例中，接收来自扫描视场(170)的太赫辐射的太赫检测器(130)的输出用来调制跟踪光束(115)。这意味着空间敏感检测器(135)可以提供从太赫辐射对视场的扫描直接得出的图像。

Description

扫描方法和设备

技术领域

本发明涉及用于利用波长在毫米到亚毫米范围的电磁频谱将目标成像的扫描方法和设备，并且尤其是(但不仅仅)涉及基于外差检测器的配置。

背景技术

上述范围在这里一般称为太赫频谱。已经发现太赫辐射对于成像和其他目的是有用的工具，因为某些对于可见光谱不透明的材料对于太赫辐射是透明的。这允许在不能使用可见光辐射的地方利用太赫辐射来″看透″这些材料。例如，太赫波长已经用于穿过大气将地球表面成像并且用于在坏天气时改善可见性(例如，用于飞行或驾驶)。可以在太赫辐射条件下区分某些材料，这是因为它们的独特的透射率或反射率的缘故，因而例如这已经用于检测食品或化学成分。此外，包括人体的对象本身可以发射太赫辐射。这已经在医学上用于检测皮肤癌。因为一般说来衣服对太赫辐射是透明的但武器对太赫辐射不是透明的，所以另一种应用是检查被人为地用其他方法隐藏的武器。

用于通过使用太赫频谱来将对象成像的照相机是已知的。在Zinn等人的国际专利申请WO 2004038854中描述一种配置。在这种配置中，摄像机基于的各自拾取太赫辐射的双排喇叭天线，使用时，利用本地振荡器将太赫辐射混频，以便提取中频信号。与其他情况下所需要的相比，这种已知的外差技术允许在室温下在太赫范围内使用较小的检测器，因此支持更精细的分辨率。但是，每一个检测器仍旧有0.2-10毫米左右的尺寸。

为了利用太赫检测器产生具有任何合理的分辨率水平的图像，将需要大的太赫检测器阵列。即使可以得到这样的阵列，在许多解决方案中它们也将是昂贵的和物理上不可行的。为了解决这个问题，已知可以横跨固定物镜的焦平面移动检测器阵列，以便扫描视场。在2004年9月15日以科学研究委员会中心实验室协会(Council for the CentralLaboratories of the Research Councils)的名义提交的国际专利申请WO2005/026833中示出这样的配置。为了跟踪检测器的移动，在扫描期间被照射的每一个检测器具有用于非太赫频率辐射的后向反射器，以便给出相应的检测器的空间位置。虽然有效，但是，这是一种带来物理体积大的检测器的慢扫描方法。

还已知利用机械扫描系统来提供其本身处在相对于视场的固定位置的检测器的图像的方法。这可以或者是单一检测器或者是检测器阵列。在WO 2004038854中，由包括提供一定程度的调焦的扫描反光镜的扫描系统向双排喇叭天线提供太赫辐射。与WO 2005/026833的移动检测器相比，这样的配置允许较快的扫描速率。

为了把由太赫辐射检测器收集的数据处理成图像数据，必须把被扫描的视场中的位置与检测器或各检测器的输出相关。在已知系统中，这是利用能够提供位置数据的扫描反光镜驱动系统来完成的。例如，可以获得用于驱动扫描反光镜的具有位置数据输出的已知的伺服电动机。

存在对较快的图像捕获的不断发展的需求。目前的目标是每秒5至50帧(″5-50帧/秒″)，而为响应这种需要，已经提出许多扫描机构来实现全光栅。因为速度问题，这些扫描机构通常包括可以或者产生圆形光栅模式或者产生准线性光栅的偏轴旋转平面反光镜。

对于太赫辐射检测器来说，存在这些检测器如何一起工作以便限制可以用以构建图像的速度的特殊因素。检测系统必须以像素形式构建图像，每一个像素与在目标上的位置相关。每一个像素必须收集足够的数据，以便产生无视系统噪声的分辨率。太赫检测遇到比光学检测高得多的噪声电平。为了收集足够的每像素数据，必须提供用以建立每个像素的足够的时间。可以通过利用来自关于一个像素的一个以上检测器的数据来加速数据收集，但是由于各个太赫辐射检测器的净物理尺寸而出现问题。若用多个检测器来建立每一个像素，那么，这不仅增加复杂性而且由于贡献于一个像素的多个检测器的位置越来越远离光轴而增加图像退化。

在光学成像中，有可能这样建立检测器阵列，使得所述阵列的区域覆盖在整个视场上产生的图像，因而在检测器和图像像素之间可以有一对一的关系。可以同时在整个检测器阵列上收集所有图像像素的数据。作为另一方案，可以使成像射束横跨各检测器扫描。无论在哪一种情况下，检测器和图像像素之间都有简单的关系，这使得容易把输入数据与在图像上的位置相关。由于各个太赫辐射检测器的净物理尺寸(和成本)的缘故，这在太赫辐射检测器的情况下也不能仿效。可以采用以下方法解决所述问题：利用单一检测器或有限检测器阵列，并且逐个像素地建立图像，直到足以克服系统中的固有噪声的程度。

在通过太赫辐射收集图像时有可能加速在整个视场上的扫描速率。以上提到旋转反射镜，但是，合适的旋转反射镜的净质量太大以致不允许高速扫描。有另一种较快的扫描机构。但是，若检测器无法收集超过系统的固有噪音电平的数据，那么，使用较快的扫描机构就没有明显的特点，并且，已知的较快的扫描机构还不提供位置数据输出。于是，使检测器输出与视场中的位置相关就成为问题。

发明内容

按照本发明的第一方面，提供一种用于扫描视场以便向至少一个太赫辐射检测器提供扫描太赫辐射输入的扫描系统，用于将所述视场成像，其中所述扫描系统包括至少一个移动部件，所述移动部件适合于将太赫辐射转向以便提供所述扫描太赫辐射输入，并且其中所述移动部件还适合于在扫描期间将用于跟踪所述移动部件的移动的电磁跟踪射束转向。

在这里，″太赫″指的是波长在毫米至亚毫米范围内的电磁频谱。

本发明的实施例可以通过利用电磁跟踪射束直接跟踪移动部件的移动来解决使检测器输出与视场中的位置相联系的问题。

在本发明各实施例中，移动部件的移动提供在整个视场中的扫描。因此，使用时可以把所述至少一个太赫辐射检测器安装在相对于视场的固定的位置。与通过一个或多个检测器的移动来提供扫描的系统相比，这支持高得多的扫描速度。

一般说来，移动部件包括：用于使太赫辐射转向的转向机构，诸如反射面；和用于产生所述转向机构的移动的致动器。适当的移动部件可以是例如共振扫描反射镜(下面将进一步讨论)，所述共振扫描反射镜可以具有例如基于电磁线圈的致动器。

可以用不同的方法把通过跟踪获得的信息与所述至少一个太赫辐射检测器的输出结合在一起。但是，在本发明的优选实施例中，所述跟踪信息可以用来驱动显示装置，而所述至少一个太赫辐射检测器的输出可以用来调制显示信号以便产生图像。于是，在显示装置上看到的图像将是通过从视场接收到的太赫辐射的变化获得的图像。

从图象处理观点看，与用其他方法有可能的速率相比，在这样的配置中，有可能以高得多的速率扫描视场。例如，因为可以在数量级上比利用已知的基于太赫辐射的成像系统可达到的更快地进行扫描，所以可以获得5-50帧/秒的刷新速率。不再需要与扫描规范(scanningregime)有关的显示数据，或者不再需要涉及使所述数据与显示器的像素相联系的计算开销。

应该明白，不必把通过将跟踪信息与所述至少一个太赫辐射检测器的输出组合在一起获得的调制的信号直接馈送到显示装置，而可以代之以例如将其存储或发送到别处。

在形成本发明时已经认识到，可以将跟踪射束″插入″到扫描系统，在利用太赫辐射扫描目标的同时利用所述跟踪射束而不显著降低性能。并且已经认识到，虽然扫描机构的主要目的是要扫描整个目标以及把信息交付给固定的点或各固定的点(一个或多个太赫辐射检测器)，但是，所述机构也经常相反地用来从固定的输入产生同时扫描输出。就是说，可以把固定的跟踪射束输入到扫描机构，以便得到扫描整个空间敏感跟踪射束检测器的输出。

在本发明各实施例中，还进一步认识到，扫描系统不再需要提供关于移动部件的位置数据，因为可以通过跟踪射束跟踪所述移动部件。因此，可以使用任何扫描系统，而不一定是使用伺服电动机的扫描系统。

按照本发明一个实施例的扫描系统还可以包括电磁射束源，用于把跟踪射束交付给移动部件以便使跟踪射束由此被转向。

适当的跟踪射束是光束。在这里，″光″意指0.2至10微米区域或从紫外直到远红外区域的电磁辐射。使用跟踪光束意味着可以获得光学领域中现有技术的优点，用于将通过使用扫描收集的数据转换成用于提供被扫描视场的视觉图像的图像信号。

移动部件可以采用各种不同的方法来将电磁跟踪射束转向。可以采用与扫描太赫辐射一样的方式来将电磁跟踪射束转向，例如通过从移动部件的表面反射。但是，最好的方式可能是：移动部件既包括太赫扫描元件，诸如反射面，又包括用于电磁射束的转向元件。例如，在使用所述系统时，转向元件可以包括在太赫辐射的束路径外面的反射面。用于扫描太赫辐射的反射面可以简单地伸展到所述束路径外面以便形成用于电磁射束的转向元件，或者，可以在移动部件的不同表面上形成所述转向元件，例如在相对于用于扫描太赫辐射的反射面的反面上。

转向元件可以采取若干不同形式中的任何形式。如上所述，它可以包括反射面。它也可以或者代之以包括用于至少部分地通过折射使跟踪射束转向的折射材料。例如，转向元件可以包括移动部件的折射层，和/或棱镜。例如，使用折射材料具有以下优点：它允许相对于宽带电磁信号源的彩色分离，这可以提高跟踪的准确度。转向元件还可以或者代之以包括用于至少部分地通过衍射使跟踪射束转向的衍射元件。例如，转向元件可以包括衍射光栅。这使得可以获得多于一个数量级的跟踪信息，例如，这可以提高获得的跟踪信息中的信噪比。

按照本发明实施例的扫描系统还可以包括空间敏感检测器，用于在使用所述系统时检测被转向的电磁跟踪射束的位置。例如，适合于所述目的的空间敏感检测器包括电荷耦合器件阵列。已经知道供光学成像使用的这样的器件。

空间敏感检测器最好还包括具有相对于电磁跟踪射束的散射特性的材料片。许多电磁射束源提供具有非常小的斑点尺寸的射束。通过提供具有散射特性的材料片，可以把这种小的斑点尺寸转换成较大的斑点尺寸，以便更适合于例如通过电荷耦合器件阵列检测。在这样的配置中，空间敏感检测器最好还包括成像部件，用于形成所述材料片的图像并且把所述图像交付给图像存储部件，诸如电荷耦合器件阵列。

在特别有利的配置中，在按照本发明的实施例的扫描系统中，把太赫辐射检测器的输出连接到用于调制电磁跟踪射束的调制器。这具有这样的优点：使跟踪射束能够建立关于使用太赫辐射扫描的视场的图像信号。

在诸如这样的配置中，空间敏感检测器最好还对电磁跟踪射束的调制敏感，使得检测器的输出包括所述视场的由扫描太赫辐射产生的图像。

本发明的实施例在可以从利用太赫辐射扫描的视场获得图像的途径方面提供明显的灵活性。或者可以逐个像素地建立图像或者可以在整个视场范围内建立图像，然后可以对来自对视场的若干次完整扫描的图像信息积分(integrate)。例如，这可以通过以下方法来完成：改变电荷耦合器件阵列的刷新速率和/或灵敏度，和/或改变移动部件的转向元件的特性。因此，用户可以调整系统的性能以便满足实时要求。例如，可以调整获得图像的途径以便从静止目标获得相对地精细的细节或者从运动目标快速捕获可用图像。

把图像对若干帧积分，可以把将目标成像所用的时间减少到将有效特征(significant feature)成像所用的时间，因为一旦所述有效特征清晰，它在成像过程期间就变得明显。此外，有可能在扫描过程完成之前改变所述过程的一个或多个参数。因而，若有意义的特征开始显露，那么，可以优化一个或多个参数以便更清晰或快速地显示所述特征。例如，可以改变区域中的扫描光栅和/或像素尺寸，以便突出相关特征。作为另一方案，可以调谐由像素数据驱动的显示器，例如通过改变对比度、饱和度或色域。

在以上的描述中，一般地描述了本发明各实施例中设备的特征。但是，由这样的设备提供的方法步骤也是有创造性的。例如，本发明的实施例包括以下方法：扫描视场以便向至少一个太赫辐射检测器提供太赫辐射输入，用于将所述视场成像，所述方法包括：

a)重复扫描所述视场以便从所述检测器获得关于所述视场的多个输出；

b)对所述多个输出积分，以便获得所述视场的图像。

可以理解，所描述的关于任何一个实施例的特征可以单独使用或与所描述的其它特征结合使用，并且还可以与任何其它实施例的一个或多个特征结合使用，或者与任何其它实施例的组合的一个或多个特征结合使用。

附图说明

下面将参考附图，以本发明的实施例(仅仅作为实例)的形式描述太赫成像系统，附图中：

图1示出太赫成像系统的第一示例的示意的平面图，所述系统使用路径内跟踪光束和电荷耦合器件(″CCD″)阵列来跟踪系统的扫描行为；

图2示出图1的配置的变型，其中跟踪光束不平行于太赫射束路径；

图3a和3b示出图1的配置的变型，其中跟踪光束平行于太赫射束路径，但是在太赫射束路径旁边而不是在路径内，图3b示出关于图3a的横截面细节；

图4a和4b示出图1的跟踪配置的变型，其中跟踪光束从扫描反射镜的后面通过孔进入太赫辐射的路径，图4b更详细地示出在跟踪光束被扫描反射镜转向的位置图4a的跟踪光束的路径；

图5a示出图1的配置的变型，其中跟踪光束在扫描反射镜的背面被反射镜反射；

图5b示出图1的配置的变型，其中使来自视场的太赫辐射对整个太赫检测器阵列而不是对单一检测器扫描；

图6示出图1的跟踪配置的变型，其中跟踪光束被扫描反射镜的背面上的棱镜转向；

图7示出图1的跟踪配置的变型，其中跟踪光束被扫描反射镜的背面上的光栅衍射；

图8示意地示出跟踪光束和用于检测当前扫描位置的CCD阵列之间的关系；

图9示出基于图5a的配置的示意的平面图，其中太赫辐射检测器的输出用来调制跟踪光束源，以便在CCD阵列产生图像数据；

图10示出用来接收来自诸如图5a中所示的扫描反射镜的光的半透明屏的示意的平面图；

图11示出图5a中所示的配置的变型的示意的平面图，其中使用多个跟踪光束；

图12示出设置成还起照射视场的太赫源的作用的太赫检测器的示意的平面图；

图13示出供如图5a中所示的配置使用的共振扫描反射镜的正视图；和

图14示出供实现用于调制图9中所示的光源的配置使用的电路的示意图。

具体实施方式

应该指出，所述各图中没有一个是按比例画出的。所有附图都仅仅是示意的。在不同的附图中示出相同的部分的地方，使用相同的标号。

参见图1，可以用于本发明的实施例的太赫成像系统的主要部分包括：扫描装置105，例如可以用于光学成像系统的反射镜；和聚焦装置140，用于把输入的太赫辐射100聚焦在喇叭天线130上。(利用附图中未示出的校正光学部件，以已知方式使输入太赫辐射100准直。)喇叭天线130是已知类型的天线并且把所述太赫辐射转换成被任何一个扫描位置上的输入太赫辐射100的强度调制的电输出信号。此外，聚焦装置140也可以是可以用于光学系统的部件，诸如如图所示的凹面镜。

喇叭和平面天线是用来把在自由空间中传播的太赫信号耦合到波导结构或传输线电路的众所周知的定向部件。喇叭天线一般由波导输出口到大于所述波导的孔的锥形过渡段构成。所述孔的尺寸基本上控制所述天线的方向性。对于平面传输线电路，有若干等效的平面天线耦合结构，包括例如韦瓦第(Vivaldi)天线。

本文中扫描装置105包括已知的用于以一般50-1000Hz的高速率扫描激光束位置的共振扫描反射镜(RSM)。RSM 105由平面反射镜构成，借助于以电子方式驱动的电磁线圈围绕公共转动轴110驱动所述平面反射镜。

重要的是，还有提供准直光束115的光源120，准直光束115通过反射器145(诸如反射镜或棱镜)被反射到RSM 105上。然后，光束115被RSM 105反射到第二反射镜或棱镜150，第二反射镜或棱镜150将其发送到CCD阵列135。在这种配置中，使准直光束115进入RSM105的区域的太赫辐射射束路径中。两个反射器145、150也处在太赫辐射射束的路径中。为了避免太赫成像的退化，反射器145、150由对于太赫辐射是透明的材料(诸如聚酯薄膜)制成。

重要的特征是光束115在转动轴110的位置上命中RSM 105。否则，当RSM 105转动时，RSM 105和把光束115射向RSM 105的反射器145之间光程长度的变化将造成复杂状态。

因此，太赫辐射100和准直光束115在RSM 105的区域中遵循基本上相同的路径。但是，由RSM 105提供的扫描对太赫辐射100和准直光束115做不同的工作。太赫辐射100被引到喇叭天线130处固定的检测点。与太赫辐射100有关的是被扫描的视场170。相反，准直光束115来自固定光源120，并且随后使准直光束115在整个检测器(在本实施例中是CCD阵列135)上扫描。尽管如此，所述光束在整个CCD阵列135上的扫描重复太赫辐射100在整个视场170上的扫描。

从视场输入到所述系统的太赫辐射100可以或者是由所述视场中的目标发射的或者是被所述视场中的目标反射的。在某些情况下由目标发射的太赫辐射的电平可能太低。在这种情况下，按照本发明的实施例的系统还可以包括用以扫描视场170的太赫射束源。这可以方便地由现有的喇叭天线130提供，下面参照图11进一步描述适当的配置。然后，RSM 105可以用来使由喇叭天线130发射的太赫射束在目标范围内扫描并且在另一个路径方向上收集反射的太赫射束100并使光束115在CCD阵列135的范围内扫描。

参见图13，如上所述，RSM 105围绕垂直轴以50-1000Hz的速率扫描。RSM 105本身包括在框架内伸展的薄膜(下面将参照图9进一步描述)，而所述RSM框架具有在顶部和底部的、将其支撑在第二卵形框架1300中的支架1310。然后，卵形框架1300本身被水平支架1315支撑在另外的通常″U″形的框架1305中。卵形框架1300围绕通过其支架1315的水平轴，以适合于液晶显示器(LCD)装置的5-50帧/秒的较慢帧刷新速率旋转。因此，以50-1000Hz的高速扫描的方式刷新各个像素数据，但是帧刷新速率是较低的5-50帧/秒。

由各种不同厂家提供RSM，包括例如电光产品股份有限公司美国公司(US-based company Electro-Optical Products Corporation)。

再一次参见图1，光源120包括激光器，诸如半导体法布里-珀罗激光器，所述激光器可以产生小横截面的光束115，以便在CCD阵列135上产生小的光点。若光束115是大的或扩散的，那么，或者需要更复杂的信号处理过程或者分辨率可能相对地低。

可以将来自CCD阵列135的输出165存储、发送到别处，或者用来借助于图象处理软件175，以已知方式馈入液晶显示(LCD)装置160。太赫检测器130的输出155也可以连接到图象处理软件175并且用来调制LCD装置160的输入信号，以便调整LCD像素的亮度和/或颜色(取决于操作员要求的图像显示)。因为扫描光束125同步地扫描太赫检测器130的视场170和CCD阵列135，所以在任何一个瞬间，在由RSM 105扫描的太赫视场中的点与显示在LCD屏幕上的像素的电平或颜色之间有绝对和实时的链接。这样，可以无需计算地显示包括无规图样的任何光栅图样。于是，这种原理允许以非常高的速度扫描太赫视场，因为它不再需要具有关于RSM 105的扫描行为的独立信息。不再需要仅仅为了获得关于扫描行为的数据而使用的相对地的扫描机构，诸如使用伺服电动机的扫描机构。

可以把简单的求和和积分例程应用于CCD装置135，所述CCD装置将允许逐帧地将整个视场实时成像。CCD装置135将在由其刷新速率设定的时段内继续构造图像。可以为了达到不同的目的而设定CCD刷新速率。例如，可以将CCD刷新速率设定为低，以便当RSM的每一个扫描帧重叠在下一个上面时，相对静止对象的弱图像必然经历由CCD器件的积分。例如，在刷新CCD之前，RSM可以在像场上扫描五次。这样，可以将由整个视场中每一个快速扫描器产生的多个图像求和，以便通过积分改善图像质量。另一方面，对于快速移动对象的强图像，可以提高CCD图像刷新速率，以便提供较快的图像捕获来分辨移动。因此，操作员可以在其应用中根据图像的强度和/或对象的移动速度，通过设定CCD刷新速率来适当地调整分辨率和/或清晰度。另外的选项可以是相对于CCD阵列135的检测器调整LCD装置160的像素尺寸。

如上所述，影响图像分辨率的因素是光束115的光点尺寸和CCD阵列135的检测器尺寸之间的关系。参见图9，可以采用以下方法来调整所述关系：把扫描光束115和CCD阵列135之间的半透明屏900同诸如透镜910的成像光学部件一起用于捕获和减小从屏幕900到CCD阵列135的光点尺寸。(下面将进一步讨论半透明屏900的使用和优点。)

可供选择的实施例

参见图2，用来跟踪RSM 105的扫描运动的光束115不必遵循RSM 105处太赫辐射100的路径。在可供选择的配置中，把用于引导光束115的反射器145、150设置在太赫辐射束路径的外面，而以比太赫辐射路径更尖的角把光束115射在RSM 105上。这仍旧在CCD阵列135处产生与对太赫视场的扫描同步的扫描光束。

参见图3，在图2配置的变型中，还有可能增大RSM 105的尺寸，使得可以与RSM 105处的太赫辐射束100平行地引导光束115，但是在它的旁边而不是在它里面。这样的配置维持对太赫辐射视场的扫描和在CCD阵列135处的光学扫描区域之间的直接关系。

图3a示出类似于图1的配置，但是用于引导光束115的反射器145、150实际上在太赫辐射100的路径之上。这在图3b中可以看到，图3b示出图3a中表示的，沿箭头方向观察的横截面A-A。在图3b中，可以看出，光束115在垂直旋转轴110上但是在RSM 105上太赫辐射100的轨迹之上一定距离的位置命中RSM 105。如图所示，光束115侧向向着下一个反射器150偏转，与太赫辐射100的路径平行但是在太赫辐射100的路径外面。

参见图4，其中要求紧凑的系统，任选地把光束115射向RSM 105的背面。图4a示出一种配置，其中光束115在转动轴110上的点的位置穿过RSM 105。这可以是在射束内，如图1中所示，或者与射束平行，如图3中所示。(为了达到清晰的目的，图4除去太赫辐射100的路径，因此，只是示出光束配置。)

用图4a中的圆400和图4b中放大的圆400表示光束115穿过RSM 105的过渡点。在图4b中，可以看出，RSM 105有两层，反射太赫辐射的衬底层105b和对太赫辐射束100和光束115两者都透明的正面层105a。光束115穿过衬底层105b中的孔并且当RSM 105旋转时通过在RSM 105的正面层105a的材料中的折射而被转向。

折射可以具有附带效应。若光束115的频谱线宽是宽阔的，那么，所述折射将倾向于不仅使光束115发散而且使它转向。图4a和4b示出只是RSM 105的一个位置上的光束115，并且表明折射正面层105a的发散效应。假如折射光束125的发散造成问题，那么有若干方法可以处理折射光束125的发散。这些方法是：使用具有窄线宽的光束115；使用仅仅对折射光束125中的窄频带敏感的CCD阵列135；插入滤光器；或者使用减小CCD阵列135上折射光束125的光点尺寸的成像光学部件。

参见图5a，在另一种变型中，光束115可以简单地在RSM 105的背面在转动轴110上的位置被反射。这产生与正面相同的扫描运动并且同样产生光束115在CCD阵列135上的扫描。

参见图5b，本发明的实施例的实力在于：在不必移动检测器阵列130的情况下，不仅可以相对于视场扫描一个太赫检测器130而且可以相对于视场扫描整个太赫检测器阵列。例如，可以从一个光束115在RSM 105上的位置来确定RSM 105相对于所述阵列的每一个检测器130的扫描位置。

可以指出，在这里描述的任何一个实施例中，RSM 105可以围绕一个以上的轴110转动。若是如此，那么，在诸如图4的配置中(其中光束115穿过RSM 105中的孔405)，重要的是，使用时RSM 105围绕其旋转的所有轴都穿过孔405。否则，RSM 105的转动将几乎不可避免地使孔405倾斜而远离输入光束115。在其它配置中，多个旋转轴可以在RSM 105上的点会合，在这种情况下，光束115最好在这个点转向，因此，应当把光束115射向这个点。若光束115不是射向一个以上旋转轴110在其中会合的点，那么，光程长度的变化很可能使扫描光束115和扫描太赫视场之间的关系或者复杂化或者不可行。

参见图6a，不是使用反射，而是把棱镜600添加到RSM 105的背面并且使其与宽频谱或多色入射光束115配合使用。当光束115穿过棱镜600时，它的分波长被以不同方式折射而提供不同颜色的加宽的输出125。图6a中，对于RSM 105的三种不同的扫描位置，示出折射光束125a、125b、125c。

图6b示出图6a的CCD阵列135的正面相对于图6a中所示的视图转过90°的正视图。图中示出对于三个不同扫描位置中的每一个扫描位置，CCD阵列135的正面上折射的宽频谱射束125a、125b、125c的扩展的轨迹。这种扩展的轨迹可以用来从中得到好处。通过或者使用仅仅具有少量例如两个窄通带的滤光片(未示出)或者使用仅仅对加宽的输出信号中的少量例如两个窄带敏感的CCD阵列135，有可能达到较高的空间定位准确度。这是通过将每一个轨迹内每一个窄(通)带的定位数据取平均值来完成的。例如，正如图6b中的各个圆所表明的，可以在CCD阵列135上获得关于折射光束125a、125b、125c的轨迹的每一个端部的折射光的定位数据。然后取这种数据的平均值。

参见图7，代替棱镜600，可以把衍射光栅700添加到RSM 105的背面，使得入射光束115被衍射而不是被折射。衍射可以产生一个以上衍射级，建立一组空间分离的衍射射束125a、125b、125c。然后，使这些衍射射束各自在不同的相应的CCD检测器阵列135a...135n上扫描。通过使用来自不同的CCD阵列135a...135n的组合的输出，可以达到较高的定位精度。

参见图8，扫描光束125和CCD阵列135之间的关系如下。

当RSM 105来回移动时，入射光束115(图8未示出中)变成在第二反射器150的反射面上扫描并且因此在CCD阵列135上扫描的扫描光束125。图8示出在扫描操作中若干不同时刻到达CCD阵列135的扫描光束125的视图的复杂状态。(应该明白，图8仅仅是示意图，在许多配置中扫描光束125在CCD阵列135上具有分布式轨迹。)

CCD阵列135是包括集成电路芯片的已知类型的器件，包含响应光而存储电荷的电容器阵列。对于每一个电容器，电荷累积并且可以被读出，表示光在所述阵列上的分布。虽然可以使用其它器件，诸如光电检测器，但是，对于低光电平测量，CCD阵列尤其灵敏。若仅仅有一个在CCD阵列135上扫描的光束125，那么，阵列135将因此产生在时间和空间上与扫描光束125的位置相关并且因此与RSM105的行为相关的一组值。

可以把CCD阵列135的每一个电容器看作与图像有关的像素800。阵列135中的每一个像素800具有相关联的标识符(″ID″)，因而可以读出CCD阵列135以便给出在任何一个瞬间产生数值的像素的ID。

将有可能获得时间和像素ID数据并且将它映射到喇叭天线130的输出，以便将喇叭天线130的顺序输出转换成图像信号。但是，正如上面参照图1描述的，把两个信号、CCD阵列135的像素ID和喇叭天线130的输出同时馈送到诸如LCD装置160的显示模块是一种简单的解决方案。来自CCD阵列135的输出的像素ID用来选择LCD装置160的一个或多个像素，同时喇叭天线130的输出用来调制每一个选定的像素(各像素)的亮度或颜色。因此，可以在LCD装置160上建立图像，所述图像代表输入的扫描太赫辐射100的亮度分布。

上述的用以在LCD装置160上建立实时图像的像素调制仍旧是有可能的，其中单一检测器130被图5b中所示的检测器阵列130代替。但是，这当然会需要一定程度的信号处理以及或许对一个以上全扫描的积分，以便使所述阵列中响应检测器130的位置与CCD阵列135的像素相关。

参见图9，在图5a的配置的变型中，代之以使用喇叭天线130的输出来调制光束115的光源120。再一次通过RSM 105使光束115与太赫辐射100同步地扫描并且输入到CCD阵列135，此时，通过半透明屏900输入到CCD阵列135。此时，CCD阵列135直接形成代表由太赫辐射100形成的图像的图像信号。这种信号可以被存储或通过网络发送以及随后用来驱动LCD装置160或者实际上驱动另一个成像系统。消除了把信号实时交付给LCD装置160以便由喇叭天线130的输出同步地调制所述信号的要求。

工作实施例

参见图9，工作系统的示例如下。

图9以平面图的形式示出类似于图5a的配置。把RSM 105和凹面光学反射镜140放在适当位置以便构成太赫辐射检测器130(在本实施例中对0.3THz频率敏感)的扫描视场170。来自诸如白光LED(发光二极管)的光源120的光束115同步地入射在RSM背面上的反射区域上，这产生同时扫描视场170的光束125。在这种情况下，使扫描光束125在半透明屏900上的整个光学投影平面上扫描。因此，如图所示，把来自光源120的输出成像在半透明屏900上这样的位置，该位置被映射到视场170中检测器130的扫描位置。然后，使用适当的耦合光学部件，诸如透镜910把来自半透明屏900的图像投影在CCD135上对应的映射位置上。

作为另一方案，可以用CMOS(互补金属氧化物半导体)阵列代替CCD135，在CMOS阵列中在芯片上以数字方式进行光信号的积分。

在本实施例中，在特别有效的配置中，太赫检测器130的输出的瞬时振幅由控制电子部件915用来调制光源120的振幅。这意味着由检测器130在太赫辐射中检测到的扫描视场170的图像直接控制由扫描光束125在半透明屏上建立的并通过透镜910转移到CCD阵列135的光学图像。因而，当驱动RSM 105扫描视场170上的太赫检测器130时，同时在CCD阵列上在可见光范围内建立相应的光学图像。

太赫检测器130的输出信号是变压信号形式的，而控制电子部件915是把太赫检测器130的输出信号中的电压振幅调制转换成适合于调制光源120的振幅的输入信号所必需的。

参见图14，对于主要基于外差混频器1200的太赫检测器130，通过对来自混频器1200的低频(0.1-50GHz)中频(IF)进行整流来形成检测器130的输出电压″V″。为了做到这一点，来自混频器1200的输出被两个放大器1415放大，然后利用肖特基二极管1420对其进行整流，以便建立DC(直流)电压输出1425。因此，LED控制电子部件915是把太赫检测器130的这种直流电压输出1425中的电压振幅调制转换成适合于调制光源120的振幅的驱动偏置电压/电流所必需的。

若光源120包括LED，那么，控制电子部件915将主要执行把检测器130的直流电压输出1425变换成适用于LED的增益控制信号的任务。实际上，对于LED，来自太赫检测器130的调制输出电压1425将被馈入场效应晶体管1430的栅极，所述场效应晶体管1430同电池/电压源1435一起用来控制LED的偏压电流。

诸如图9中所示的系统中的尺寸要求如下。

例如，对系统的要求可能是在太赫视场170中实现2×2cm的像素尺寸，太赫视场170具有一米的最大尺寸，定位在距RSM 105大约三米的位置。这给出例如用于将人的躯干成像的良好的工作配置。由限定输入射束宽度的太赫光学部件设计并且还由用于在检测器130处检测到的太赫辐射的信号处理的性质，根据RSM 105的扫描行为，用已知方式确定像素尺寸。为了在距RSM 105三米远的视场170中实现2×2cm的这种像素尺寸，系统的最后孔径(就是说，在RSM 105处的被收集到太赫检测器130的瞬时射束尺寸)将必须是直径大约100mm。于是，RSM 105必须是直径110mm，以便当扫描期间被倾斜时适应所述最后孔径。为了映射出(map up)距RSM 105三米远的尺寸为0.6米水平尺寸乘1米垂直尺寸(用于将人的躯干成像所需的典型尺寸)的太赫视场170中的垂直图像，必须使RSM 105通过垂直平面内从+9.5至-9.5度以及水平平面内从+5.7至-5.7度的角度而被扫描。

在典型的应用中，RSM 105可以由质轻的薄的(0.02mm厚)拉紧在支撑框架上的金属化塑料薄膜(诸如聚酯薄膜)构成。在图9中描述的实施例中，金属化必须是足够厚的，足以在可见光和太赫波长两者的范围内是完全反射的。0.002mm厚度的铝将是绰绰有余的。另外，所述金属化将是在形成RSM 105的薄膜的″背面″上，使得跟踪光束115不穿过所述塑料，从而消除折射影响。

使在RSM 105的背面被反射的跟踪光束115在相同的角度范围内扫描，即，在垂直平面内从+9.5至-9.5度以及在水平平面内从+5.7至-5.7度。在距RSM 105的中心100mm的距离处，这将在半透明屏900上，在垂直平面内映射出32mm的图像尺寸以及在水平平面内映射出20mm的图像尺寸。因此，成像光学部件910最好设计成产生半透明屏900的图像，所述图像将填满通常是10mm×6mm尺寸的CCD阵列135。用于这种系统的结果光束像素尺寸将是在半透明屏900上大约0.7mm以及在CCD阵列135上大约0.22mm。

这就是说，在这里与成像光学部件910配合使用的半透明屏900的有益是显而易见的。通过使用屏幕900，RSM 105和CCD阵列135之间的距离变成随光学缩小/放大光学部件910的设计而变，而基本上与太赫成像距离和扫描器角度无关。此外，可以使对光源120的光点尺寸要求满足每一种应用的需要。若不使用屏幕900，那么，必须使用较小的光点尺寸并且必须这样进行扫描，以便把扫描光束125映射到较小尺寸的CCD阵列135上。

可以以若干种方法制造半透明屏900。一种方法是使用诸如喷沙处理的工艺过程使薄的(20微米厚)透明聚酯薄膜的表面变粗糙。表面弄糙的目的是要散射从RSM 105接收的光束125，以便在屏幕900上形成第二扩展光源，然后可以使所述第二扩展光源在CCD阵列135上再次成像。

在另一个变型中，不是使用CCD阵列135来产生代表屏幕900上的图像的调制电信号输出，而有可能使用具有适当的快门速度的摄像机直接从屏幕900捕获图像。实际上，也可以通过人眼直接在屏幕900上看到图像。

为了加速图像捕获，可能希望使用配置成检测器阵列130的一个以上的太赫检测器130。在本实例中，每一个太赫检测器130用来驱动相应的光源阵列120中它自己的可见光源120。

在CCD阵列135中有两个可能的图像畸变来源。首先，参见图10，甚至在仅仅有一个光源120的情况下，当朝着屏幕900的边缘倾斜时，RSM 105也将照射半透明屏900的较大区域。就是说，与朝着屏幕900的中心的扫描光束125的轨迹1000b相比，朝着屏幕900的边缘的扫描光束125的轨迹1000a比较大。当使用一个以上光源120时，若各个光源从不同的角度射向RSM 105，则出现第二畸变源。例如，这可以是以下情况：输入光束115必须穿过RSM 105中的孔或者必须被RSM 105的背面上的较小的棱镜600或光栅700转向。此外，扫描光束125的朝着屏幕900的边缘的轨迹将倾向于大于屏幕900的中心处的轨迹。

参见图10，可以通过利用图10中用虚线轮廓线表示的曲面屏幕900a来减少或减轻这样的畸变。但是，为了成功地实现，光学缩小/放大光学部件910(图9中所示的)的景深应当足以清晰地停留在曲面半透明屏900a的整个表面上。附加的校正光学部件，诸如用以拾取来自曲面屏幕900a的光的凹透镜可以进一步改善所述情况。

参见图11，也可以通过使用多个太赫检测器130和多个光源120来减轻由使用多个光源120引起的畸变。在本实施例中，所述多个光源120均具有它们自己的以相对于RSM 105的适当的角度设置的半透明屏900和CCD阵列135。

在CCD阵列135上积分的图像中的像差的另一个来源是：大部分RSM 105都以正弦曲线的方式工作，这导致与图像的中心相比，在图像的边缘花费较长的时间。因而，更多的光在CCD(或CMOS)阵列135的边缘显现。校正这种效应的一种方法是在阵列135的前面插入变亮度掩模，所述变亮度掩模将平化视场上的光强。

还有可能使用图象处理软件来至少减轻在按照本发明实施例的系统中可能固有的某些潜在的畸变和像差。例如，所述图像处理软件可以在图像信号的显示或其它处理操作之前对CCD阵列135的输出起作用。

参见图12，在上述所有实施例中有可能利用太赫辐射100照射太赫视场170。可以通过以下方法来做到这一点：使用与用以检测太赫辐射100相同的天线(多个天线)130来产生太赫辐射100。在比较简单的配置中，所述天线130或每一个天线130可以配备有在天线130和与它相关联的接收设备1200之间的信号途径中的从太赫源(未示出)馈入的定向耦合器1205。

本文中规定要广义地解释单词″包括″，以便例如至少包括以下短语中的任一个的意义：″仅仅由...构成的″和″除别的以外，包含″。

Claims

1.一种用于扫描视场以便向至少一个太赫辐射检测器提供扫描太赫辐射输入的扫描系统，用于将所述视场成像，其中所述扫描系统包括适合于将太赫辐射转向以便提供所述扫描太赫辐射输入的至少一个移动部件，并且其中所述移动部件还适合于在扫描期间将用于跟踪所述移动部件的移动的电磁跟踪射束转向。

2.如权利要求1所述的扫描系统，其中还包括使用时安装在相对于所述视场的固定位置的至少一个太赫辐射检测器。

3.如上述权利要求中任一个所述的扫描系统，其中包括使用时安装在相对于所述视场的固定位置的多个太赫辐射检测器。

4.如上述权利要求中任一个所述的扫描系统，其中还包括电磁射束源，所述电磁射束源用于将跟踪射束交付给所述移动部件，所述所述移动部件将所述跟踪射束转向。

5.如上述权利要求中任一个所述的扫描系统，其中还包括空间敏感检测器，用于在所述系统使用时检测所述被转向电磁跟踪射束的位置。

6.如上述权利要求中任一个所述的扫描系统，其中所述电磁跟踪射束包括光束。

7.如上述权利要求中任一个所述的扫描系统，其中所述移动部件包括用于使所述电磁跟踪射束转向的转向元件。

8.如权利要求7所述的扫描系统，其中所述转向元件包括用于至少部分地通过折射而使所述跟踪射束转向的折射材料。

9.如权利要求8所述的扫描系统，其中所述转向元件包括棱镜。

10.如权利要求7所述的扫描系统，其中所述转向元件包括用于至少部分地通过反射而使所述跟踪射束转向的反射材料。

11.如权利要求7所述的扫描系统，其中所述转向元件包括用于至少部分地通过衍射而使所述跟踪射束转向的衍射元件。

12.如权利要求5至11中任一个所述的扫描系统，其中所述空间敏感检测器包括电荷耦合器件阵列。

13.如权利要求5至12中任一个所述的扫描系统，其中所述空间敏感检测器包括具有相对于所述电磁跟踪射束的散射特性的材料片。

14.如权利要求13所述的扫描系统，其中所述空间敏感检测器还包括用于形成所述材料片的图像并且把所述图像交付给图像存储部件的成像部件。

15.如上述权利要求中任一个所述的扫描系统，其中所述太赫辐射检测器的输出连接到用于调制所述电磁跟踪射束的调制器。

16.如权利要求5和15所述的扫描系统，其中所述空间敏感检测器还对所述电磁跟踪射束的调制敏感，使得所述检测器的输出包括由扫描太赫辐射产生的所述视场的图像。

17.如上述权利要求中任一个所述的扫描系统，其中所述移动部件包括适合于在使用时借助于反射面使所述太赫辐射转向的共振扫描反射镜。

18.如上述权利要求中任一个所述的扫描系统，其中通过对所述太赫辐射检测器的输出积分以便产生所述图像的多个像素中的每一个像素来产生所述视场的图像，所述系统还包括用于移动所述移动部件以便扫描所述视场的驱动机构，以及其中通过把每一个像素的太赫辐射检测器的输出对所述视场的一个以上完整扫描积分来产生所述视场的图像。