CN103257369A - 一种全反射式太赫兹波扫描成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全反射式太赫兹波扫描成像装置，采用多个椭球面镜相对于其所在的椭球中过一个焦点的中心轴对称布置形成多面体聚焦扫描镜，当多面体聚焦扫描镜转动对成像目标进行扫描时，其上的每个椭球面镜都会将从帧扫平面镜接收的太赫兹波汇聚到另一个焦点上，而不会因椭球面镜震动而导致汇聚点偏移，从而提高成像质量；在多面体聚焦扫描镜转动时，经过与帧扫平面镜的配合，每一个椭球面镜经过帧扫平面镜的反射光路后都会对成像目标在横向范围内进行一行的扫描，多面体聚焦扫描镜转动一周得到成像目标上的N行像素数据，相对于一个椭球面镜的扫描成像装置，扫描成像的速度大大提高了。

Description

一种全反射式太赫兹波扫描成像装置

技术领域

本发明涉及太赫兹波扫描成像技术，具体涉及一种全反射式的太赫兹波扫描成像装置。

背景技术

太赫兹波介于红外和毫米波之间，对纺织品、皮革等材料具有很好的穿透性，所成图像具有更高的空间分辨率；比X射线能量低多个数量级，对生物组织不会造成电离损伤，因此，太赫兹波成像装置具有实用性，可与传统安检装置形成有效互补。

目前，太赫兹波段的探测器件造价昂贵，在太赫兹成像中还无法采用焦平面成像，大多采用扫描成像。在满足机场、车站等公共场所的非接触式、大视场、快速、高分辨率的人体太赫兹扫描成像中，采用有限探测单元的太赫兹波束扫描成像是最现实的人体扫描成像方法。

在光机扫描成像中，采用介质透镜作为聚焦元件的成像装置比采用反射面作为聚焦元件的成像装置对人体所辐射或反射的微弱太赫兹波损耗大。在全反射式扫描成像中，采用反射面二维运动实现对被成像目标的扫描成像的系统会延长成像时间，降低成像质量；采用单一扫描镜的圆锥扫描实现对被测目标扫描成像的方法会延长成像时间、增加扫描装置的运动复杂性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种全反射式太赫兹波扫描成像装置，能够在提高成像质量的同时，缩短扫描成像的时间，同时还能降低成像系统内扫描镜的运动复杂性。

本发明的一种全反射式太赫兹波扫描成像装置，包括帧扫平面镜、多面体聚焦扫描镜和太赫兹探测装置，其中：

所述帧扫平面镜放置在成像目标的前方，并可绕摆动轴摆动；所述摆动轴与成像目标物平面和参考水平面均平行；

所述多面体聚焦扫描镜放置在帧扫平面镜的反射光路中，包括N个相对于中心轴对称布置的椭球面镜，所述椭球面镜为椭球面上的一部分；且N个椭球面镜各自所在的椭球有一个共同的焦点，定义为第二焦点O₂；所述中心轴过第二焦点O₂；所述N取大于或等于2的整数；

所述多面体聚焦扫描镜的放置位置满足:当帧扫平面镜与物平面成45度角，令多面体聚焦扫描镜相对于所述中心轴旋转，其中一个椭球面镜作为扫描面转到帧扫平面镜反射光路中且与帧扫平面镜正相对时，该椭球面镜所在椭球面的另一个焦点在成像目标相对于帧扫平面镜的像平面上，该焦点定义为第一焦点O₁；

所述太赫兹探测装置对在所述第二焦点O₂上汇聚的成像目标的太赫兹波进行接收探测。

所述中心轴与成像目标相对于帧扫平面镜的像平面平行放置。

所述太赫兹探测装置包括反射镜和太赫兹探测单元，其中，反射镜置于所述椭球面镜的反射光路中，且将光线向上反射；所述太赫兹探测单元置于反射镜的反射光线的汇聚点处，该汇聚点与椭球面的第二焦点呈镜像对称。

所述多面体聚焦扫描镜上椭球面镜的个数选取3至5个。

所述帧扫描平面镜、多面体聚焦扫描镜和太赫兹探测装置封装在盒体内，在成像目标与帧扫描平面镜之间的盒体上安装有可允许太赫兹波透过的成像窗口。

本发明的扫描成像装置还包括频率范围为0.1THz～10THz的太赫兹辐射源，用于对成像目标进行照明。

本发明具有如下有益效果：

1）本发明采用多个椭球面镜相对于其所在的椭球中过一个焦点的中心轴对称布置形成多面体聚焦扫描镜，当多面体聚焦扫描镜转动对成像目标进行扫描时，其上的每个椭球面镜都会将从帧扫平面镜接收的太赫兹波汇聚到另一个焦点上，而不会因椭球面镜震动而导致汇聚点偏移，从而提高成像质量；

在多面体聚焦扫描镜转动时，经过与帧扫平面镜的配合，每一个椭球面镜经过帧扫平面镜的反射光路后都会对成像目标在横向范围内进行一行的扫描，多面体聚焦扫描镜转动一周得到成像目标上的N行像素数据，相对于一个椭球面镜的扫描成像装置，扫描成像的速度大大提高了；

本发明利用帧扫平面镜对成像目标进行纵向范围的扫描，多面体聚焦扫描镜进行横向范围的扫描，使对两者的运动驱动的控制互相分开，而多面体聚焦扫描镜为连续旋转运动，从而降低了整个系统的运动复杂性。

2）本发明将多面体聚焦扫描镜的中心轴设置成与成像目标像平面平行，使得多面体聚焦扫描镜在转动时扫描成像目标的水平行方向，方便图像处理，节约扫描成像时间。

3）本发明中的太赫兹探测装置采用反射镜和太赫兹探测单元，利用反射镜将从椭球面镜反射的光线向上反射，从而太赫兹探测单元置于反射镜的上方进行探测，相对于直接在第二焦点处放置太赫兹探测单元对汇聚光波进行直接探测的方案，本发明的方案节约了系统的横向空间，达到缩小整个系统尺寸的目的，使本发明在安检领域的具有实用性。

4）本发明中的多面体聚焦扫描镜上采用3至5个椭球面镜，在和提高扫描成像速度的同时，还能保证多面体聚焦扫描镜具有实际应用的合适尺寸。

附图说明

图1为本发明的扫描成像原理图。

图2为本发明的多面体聚焦扫描镜的立体图。

图3为本发明的一个椭球面镜与中心轴的位置关系示意图。

其中，1-成像目标，2-成像窗口，3-帧扫平面镜，4-多面体聚焦扫描镜，5-反射镜，6-太赫兹探测单元，7-椭球面镜，8-中心轴，9-摆动轴。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种全反射式太赫兹波扫描成像装置，如图1所示，包括帧扫平面镜3、多面体聚焦扫描镜4和太赫兹探测装置，其中：

帧扫平面镜3放置在成像目标1的前方，并可绕摆动轴9摆动，该摆动轴9与成像目标1物平面和参考水平面均平行，当帧扫平面镜3绕摆动轴9转动时，相对于成像目标1进行俯仰运动，可完成成像目标1沿纵向范围的扫描。这里的参考水平面是指与成像目标1垂直的平面。

多面体聚焦扫描镜4放置在帧扫平面镜3的反射光路中，包括N个相对于中心轴8对称布置的椭球面镜7，所述椭球面镜7为椭球面上的一部分；且N个椭球面镜7各自所在的椭球有一个共同的焦点，定义为第二焦点O₂；中心轴8过第二焦点O₂；其中N取大于或等于2的整数；

多面体聚焦扫描镜4的放置位置满足:当帧扫平面镜3与物平面成45度角，令多面体聚焦扫描镜4相对于所述中心轴8旋转，其中一个椭球面镜7作为扫描面转到帧扫平面镜3反射光路中且与帧扫平面镜3正相对时，椭球面镜7所在椭球面的另一个焦点在成像目标1相对于帧扫平面镜3的像平面上，该焦点定义为第一焦点O₁；

太赫兹探测装置对在所述第二焦点O₂上汇聚的成像目标1的太赫兹波进行接收探测。

本发明的全反射式太赫兹波扫描成像装置的工作原理为：如图1所示，在帧扫描平面镜3不摆动的情况下，成像目标1辐射或反射的太赫兹波经由帧扫描平面镜3反射到多面体聚焦扫描镜4上，多面体聚焦扫描镜4绕其中心轴8进行旋转，当其中一个椭球面镜7转到帧扫平面镜3后方光路中时，该椭球面镜就会对成像目标1辐射或反射的太赫兹波进行反射，根据椭球面的几何性质可知，由于每个作为反射面的椭球面镜7所在的椭球面的一个焦点均位于成像目标1的物平面上，这里由于帧扫平面镜3的存在，根据镜像原理，则上述成像目标1的物平面即为真正的成像目标1的镜像图像的像平面，此时相当于太赫兹光波从一个焦点（定义为第一焦点O₁）发出，由椭球面镜7进行反射，则太赫兹光波被汇聚到该椭球面的另一个焦点（定义为第二焦点O₂）处，再由设置在第二焦点O₂处的太赫兹探测装置进行接收。

当多面体聚焦扫描镜4转动起来后，对于其上的每个椭球面镜7来说，椭球面镜7所在椭球的第一焦点随椭球面转动，根据图1可知，则第一焦点在成像目标1的像平面上沿横向范围移动，完成对成像目标1的横向范围的扫描。多面体聚焦扫描镜4绕其中心轴8旋转一周，N个椭球面镜7分别作为扫描面对成像目标1进行扫描，得到N行数据，即：对成像目标1的扫描行数与多面体聚焦扫描镜4上的椭球面镜7的数量一致。由于N个椭球面镜有一个共同的第二焦点O₂，因此，椭球面镜7的太赫兹光线汇聚点均为第二焦点O₂，都可以被该焦点处的太赫兹探测装置所接收。

为了提高扫描速度和增加系统稳定性，本发明采用动力装置驱动帧扫描平面镜绕其中心轴8往复摆动，以此来完成对成像目标1竖直列方向的扫描。当帧扫描平面镜的摆动同时多面体聚焦扫描镜4转动，帧扫平面镜3在成像目标1纵向范围上扫描，则多面体聚焦扫描镜4上的多个椭球面镜7轮流作为扫描镜对成像目标1水平行进行扫描，合理设置帧扫平面镜3和多面体聚焦扫描镜4的周期，则最终完成个成像目标1的扫描成像。

这里要说明的是，由于中心轴8只要求过第二焦点O₂，因此中心轴8有很多方向，即多面体聚焦扫描镜4的摆放位置也有很多种情况。图1中给出的是中心轴8与成像目标1的像平面平行的情况而已。如果与该像平面成任意角度时，则当多面体聚焦扫描镜4转动后，其在像平面上的扫描轨迹并非是水平方向，而是与水平方向有一定的夹角，夹角大小与中心轴8的方向有关。如此，在后续的图像处理中，由于扫描到的图像行数据是倾斜的，为了显示和观察方便，要把倾斜的数据处理成水平方向。基于上述考虑，本发明将中心轴8与成像目标1在帧扫平面镜3中的像平面平行放置，如图1所示，当多面体聚焦扫描镜4转动时，由于中心轴8与物平面平行，则第一焦点O₁相当于在成像目标1的水平方向移动，则最终获得成像目标1的水平行数据。这样，简化了后续的图像处理过程，节省了扫描成像时间。

当增加多面体聚焦扫描镜4上的椭球面镜7的数量时，多面体聚焦扫描镜4的一个转动周期内，就会相应地增加被成像目标1的扫描行数，为保证每个椭球面镜7的口径大小都能有效的探测到整个成像目标1上所辐射或反射的太赫兹波，增加多面体聚焦扫描镜4上的椭球面镜7的数量，就会相应的增大多面体聚焦扫描镜4的体积，不利于整个系统的小型化，同时也会给驱动多面体聚焦扫描镜4的高速稳定旋转带来很大的困难，因此多面体聚焦扫描镜4选用3个至5个椭球面镜7较为合适。

为了节约本发明装置的横向空间，本发明的太赫兹探测装置包括反射镜5和太赫兹探测单元6，其中，反射镜5置于所述椭球面镜7的反射光路中，且将光线向上反射；太赫兹探测单元6置于反射镜5的反射光线的汇聚点处，该汇聚点与椭球面的第二焦点呈镜像对称。

本发明中，为了防止灰尘和杂散光等进入到扫描装置内部，帧扫描平面镜3、多面体聚焦扫描镜4和太赫兹探测装置均封装在盒体内，在成像目标1与帧扫描平面镜3之间的盒体上安装有可允许太赫兹波透过的成像窗口2。

本发明的装置还可用于主动太赫兹波扫描成像，在主动太赫兹波扫描成像中，选用频率范围为0.1THz～10THz的太赫兹辐射源对被成像目标1进行照明。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全反射式太赫兹波扫描成像装置，其特征在于，包括帧扫平面镜（3）、多面体聚焦扫描镜（4）和太赫兹探测装置，其中：

所述帧扫平面镜（3）放置在成像目标（1）的前方，并可绕摆动轴（9）摆动；所述摆动轴（9）与成像目标（1）物平面和参考水平面均平行；

所述多面体聚焦扫描镜（4）放置在帧扫平面镜（3）的反射光路中，包括N个相对于中心轴（8）对称布置的椭球面镜（7），所述椭球面镜（7）为椭球面上的一部分；且N个椭球面镜（7）各自所在的椭球有一个共同的焦点，定义为第二焦点O₂；所述中心轴（8）过第二焦点O₂；所述N取大于或等于2的整数；

所述多面体聚焦扫描镜（4）的放置位置满足:当帧扫平面镜（3）与物平面成45度角，令多面体聚焦扫描镜（4）相对于所述中心轴（8）旋转，其中一个椭球面镜（7）作为扫描面转到帧扫平面镜（3）反射光路中且与帧扫平面镜（3）正相对时，该椭球面镜（7）所在椭球面的另一个焦点在成像目标（1）相对于帧扫平面镜（3）的像平面上，该焦点定义为第一焦点O₁；

所述太赫兹探测装置对在所述第二焦点O₂上汇聚的成像目标（1）的太赫兹波进行接收探测。

2.如权利要求1所述的一种全反射式太赫兹波扫描成像装置，其特征在于，所述中心轴（8）与成像目标（1）相对于帧扫平面镜的像平面平行放置。

3.如权利要求1所述的一种全反射式太赫兹波扫描成像装置，其特征在于，所述太赫兹探测装置包括反射镜（5）和太赫兹探测单元，其中，反射镜（5）置于所述椭球面镜（7）的反射光路中，且将光线向上反射；所述太赫兹探测单元置于反射镜（5）的反射光线的汇聚点处，该汇聚点与椭球面的第二焦点呈镜像对称。

4.如权利要求1所述的一种全反射式太赫兹波扫描成像装置，其特征在于，多面体聚焦扫描镜（4）上椭球面镜（7）的个数选取3至5个。

5.如权利要求1所述的一种全反射式太赫兹波束扫描成像装置，其特征在于，帧扫描平面镜（3）、多面体聚焦扫描镜（4）和太赫兹探测装置封装在盒体内，在成像目标（1）与帧扫描平面镜（3）之间的盒体上安装有可允许太赫兹波透过的成像窗口（2）。

6.如权利要求1所述的一种全反射式太赫兹波扫描成像装置，其特征在于，还包括频率范围为0.1THz～10THz的太赫兹辐射源，用于对成像目标（1）进行照明。

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