CN103575660B - 用于流水线上物品检测的太赫兹波扫描成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于流水线上物品检测的太赫兹波扫描成像系统，包括太赫兹波收发机、准直透镜、楔形金属反射镜、圆形转盘、聚焦透镜、运动控制器、传送带；所述聚焦透镜安装在圆形转盘上，圆形转盘与流水线的传送带平行；所述太赫兹波收发机用于发出和接收太赫兹波，所述运动控制器用于控制楔形金属反射镜和圆形转盘同步同向旋转，所述楔形金属反射镜的中心旋转轴安装方向与水平方向呈45°夹角。本发明扫描成像区域不受聚焦透镜口径限制，采用小口径聚焦透镜即可实现大区域扫描成像。

Description

用于流水线上物品检测的太赫兹波扫描成像系统及方法

技术领域

本发明涉及光学成像检测领域，尤其涉及一种用于流水线上物品检测的太赫兹波扫描成像系统及方法。

背景技术

太赫兹（THz）波通常指频率在0.1~10THz（波长在3mm~30μm）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系统仍然采用点探测器和扫描成像方式。逐点机械式光栅扫描是较早采用的扫描方式，该扫描方式可以实现较高的成像分辨率，但扫描速度缓慢。为了提高扫描成像速度，可采用光学扫描方法。已报道的太赫兹光学扫描成像方法包括：摆镜扫描式（专利号：US2008/0251720A1、CN101832912B、CN101846752A）、镜鼓扫描式（专利号：CN102004087A、CN102023144B、CN102681022A、CN102681023A）和楔形转镜扫描式（专利号：CN102012562B、CN102004311B）。这些光学扫描方法的共同点在于：

（1）入射的太赫兹光束被倾斜角度可变的镜面（或透镜）所反射（或折射），出射的太赫兹光束以不同的扫描角度入射聚焦透镜。由于需要考虑不同入射角度时的成像像质，因此聚焦透镜的优化设计较为困难。实际上，很难保证在不同扫描角度下达到相同的成像像质。

（2）为了覆盖一定的扫描角度，聚焦透镜通常需要较大的口径（D）。一方面，大口径聚焦透镜存在加工制作困难的问题；另一方面，大口径聚焦透镜的焦距也比较长，通常情况下，其焦距f=D（即）。对于某一扫描角度的太赫兹汇聚光束，其光束直径d远小于透镜口径D，即有效F_数远大于1，因此导致系统成像分辨率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中为了覆盖一定的扫描角度需要大口径聚焦透镜的缺陷，提供一种用于流水线上物品检测的太赫兹波扫描成像系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于流水线上物品检测的太赫兹波扫描成像系统，包括太赫兹波收发机、准直透镜、楔形金属反射镜、圆形转盘、聚焦透镜、运动控制器；

所述太赫兹波收发机用于发出太赫兹波和接收由待测物体反射回来的太赫兹波，所述准直透镜用于对太赫兹波收发机向外发射的太赫兹波束进行准直，所述运动控制器用于控制楔形金属反射镜和圆形转盘同步同向旋转，所述楔形金属反射镜的中心旋转轴安装方向与水平方向呈45°夹角；楔形金属反射镜用于接收经过准直的太赫兹光束并入射至聚焦透镜；所述聚焦透镜安装在圆形转盘上，用于接收太赫兹波形成汇聚光束正入射至传送带上的待测物体，圆形转盘与流水线的传送带平行。

按上述方案，所述楔形金属反射镜的镜面与其中心旋转轴安装方向成（θ+90）度倾斜，其中，θ角度范围为0<θ<90度。

按上述方案，所述聚焦透镜的中心与圆形转盘的圆心距离为s，，其中H为楔形金属反射镜的镜面中心到圆形转盘水平面的高度。

按上述方案，所述流水线的传送带位于聚焦透镜的像方焦平面。

按上述方案，所述楔形金属反射镜和圆形转盘匀速旋转，同时流水线的传送带匀速运动。

按上述方案，所述太赫兹波扫描成像系统还包括计算机、数据采集卡和信号预处理电路；其中信号预处理电路用于将太赫兹波收发机转化的模拟电压信号进行放大和滤波处理，所述数据采集卡用于对处理的信号进行模数转换后通过PCI接口将图像数据传送给计算机处理获得待检测物体的反射式二维太赫兹波图像。

一种用于流水线上物品检测的太赫兹波扫描成像方法，包括太赫兹波收发机、准直透镜、楔形金属反射镜、圆形转盘、聚焦透镜和运动控制器；步骤如下：

（1）太赫兹波收发机向外发射太赫兹波，准直透镜用于对太赫兹波束进行准直；

（2）使经过准直的太赫兹光束平行入射至楔形金属反射镜的镜面中央位置；所述楔形金属反射镜的镜面与其中心旋转轴安装方向成（θ+90）度倾斜，其中，θ角度范围为0<θ<90度，楔形金属反射镜的中心旋转轴安装方向与水平方向呈45°夹角；楔形金属反射镜在运动控制器的控制下匀速旋转，出射的太赫兹波束形成圆形扫描，其扫描圆锥角为±2θ；

（3）将楔形金属反射镜的镜面中央置于聚焦透镜的物方焦平面；

（4）将聚焦透镜安装在圆形转盘上，与圆形转盘的圆心间距，其中H为楔形金属反射镜的镜面中心到圆形转盘所在水平面的高度；圆形转盘4在运动控制器7的控制下，与楔形金属反射镜3保持同步旋转，保证太赫兹波束在圆形扫描过程中，始终以2θ夹角入射到聚焦透镜中央位置；

（5）太赫兹光束经过聚焦透镜5后，形成汇聚光束正入射至待测物体。其中，待测物体水平放置于传送带上，传送带位于聚焦透镜5的像方焦平面位置，待测物体在传送带上从左至右匀速运动；

（6）太赫兹波收发机接收被待测物体反射的太赫兹波并将接收到的太赫兹波转换为模拟电压信号；

（7）信号预处理电路对该模拟电压信号进行放大、滤波处理，然后使用数据数据采集卡对处理的信息进行A/D转换，最后通过PCI接口传送给计算机，计算机将采集到的图像数据进行数字图像处理，在显示器中输出显示待测物体的反射式二维太赫兹波图像。

本发明的工作原理如下：太赫兹波收发机发出的太赫兹波经过准直透镜后，形成准平行光束入射到楔形金属反射镜上；楔形金属反射镜高速旋转，使出射的太赫兹光束形成圆形扫描；聚焦透镜安装在圆形转盘上，与楔形金属反射镜同步旋转，使太赫兹扫描光束始终能够入射到聚焦透镜；太赫兹扫描光束经过聚焦透镜后，形成汇聚光斑正入射到待测物体表面；被待测物体反射的太赫兹波原路返回光学系统，被太赫兹波收发机所接收；太赫兹波收发机将探测到的太赫兹波转化为模拟电压信号，经过信号预处理电路进行放大、滤波处理，然后使用数据采集卡进行模数转换，最后通过PCI接口将图像数据传送给计算机。在楔形金属反射镜和圆形转盘同步旋转扫描的同时，待测物体随传送带水平运动，使太赫兹扫描光束在待测物体表面形成“摆线型”二维扫描轨迹；计算机将采集到的图像数据进行数字图像处理，在显示器中输出物体的反射式二维太赫兹波扫描图像。

本发明产生的有益效果是：

1）扫描成像区域不受聚焦透镜口径限制；采用小口径聚焦透镜即可实现大区域扫描成像，聚焦透镜加工制造容易。

2）扫描过程中太赫兹光束始终以固定倾角入射聚焦透镜，因此聚焦透镜优化设计简单，成像像质容易保障。

3）扫描成像系统能够实现较小的F数（F≤1），因此能够获得较好的成像分辨率。

4）扫描机构采用匀速旋转形式，扫描速度快，能够满足流水线上物品检测对成像实时性的需求。

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为本本发明实施例的太赫兹波扫描成像系统的结构图；

图2为本发明实施例楔形金属反射镜的侧视图；

图3为本发明实施例的圆形转盘及聚焦透镜的顶视图；

图4为本发明实施例的太赫兹光斑在待测物体表面形成的“摆线型”扫描轨迹示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2、图3所示，图1是本发明的一个实施例组成框图。本实施例由太赫兹波收发机1、准直透镜2、楔形金属反射镜3、圆形转盘4、聚焦透镜5、传送带6、运动控制器7、计算机8、数据采集卡9、信号预处理电路10和待测物体11等组成。

太赫兹波收发机1向外发射太赫兹波，为系统提成成像载波。准直透镜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。经过准直的太赫兹光束平行入射至楔形金属反射镜3的镜面中央位置；楔形金属反射镜3的镜面与其中心旋转轴安装方向成（θ+90）度倾斜，θ角度范围为0<θ<90°，中心旋转轴安装方向与水平方向呈45°夹角。楔形金属反射镜在运动控制器7的控制下匀速旋转，使出射的太赫兹波束形成圆形扫描，扫描圆锥角为±2θ。楔形金属反射镜7的镜面中央位于聚焦透镜5的物方焦平面。聚焦透镜5安装在圆形转盘4上，与圆形转盘4的圆心间距为s，，其中H为楔形金属反射镜的镜面中心到圆形转盘水平面的高度。圆形转盘4在运动控制器7的控制下，与楔形金属反射镜3保持同步旋转，从而使太赫兹波束在圆形扫描过程中，始终能够以2θ夹角入射到聚焦透镜中央位置。太赫兹光束经过聚焦透镜5后，形成汇聚光束正入射至待测物体。待测物体11水平放置于传送带6上，传送带6位于聚焦透镜5的像方焦平面位置。当楔形金属反射镜3与圆形转盘4同步旋转的同时，待测物体11在传送带6上从左至右匀速运动，从而使太赫兹光斑在待测物体表面形成如图4所示的“摆线型”二维扫描轨迹。被待测物体反射的太赫兹波原路返回光学系统，被太赫兹波收发机1所接收。太赫兹波收发机1将接收到的太赫兹波转换为模拟电压信号，利用信号预处理电路10对该信号进行放大、滤波处理，然后使用数据数据采集卡9进行A/D转换，最后通过PCI接口被计算机8所采集。计算机8将采集到的图像数据进行数字图像处理，在显示器中输出显示待测物体11的反射式二维太赫兹波图像。

本发明还提供一种用于流水线上物品检测的太赫兹波扫描成像方法，该方法使用上述实施例的成像系统，具体步骤如下：

（1）太赫兹波收发机向外发射太赫兹波，准直透镜用于对太赫兹波束进行准直；

（2）使经过准直的太赫兹光束平行入射至楔形金属反射镜的镜面中央位置；所述楔形金属反射镜的镜面与其中心旋转轴安装方向成（θ+90）度倾斜，θ角度范围为0<θ<90°，楔形金属反射镜的中心旋转轴安装方向与水平方向呈45°夹角；楔形金属反射镜在运动控制器的控制下匀速旋转，出射的太赫兹波束形成圆形扫描，其扫描圆锥角为±2θ；

（3）将楔形金属反射镜的镜面中央置于聚焦透镜5的物方焦平面；

（4）将聚焦透镜5安装在圆形转盘4上，与圆形转盘4的圆心间距，其中H为楔形金属反射镜的镜面中心到圆形转盘水平面的高度，圆形转盘4在运动控制器7的控制下，与楔形金属反射镜3保持同步旋转，保证太赫兹波束在圆形扫描过程中，始终以2θ夹角入射到聚焦透镜中央位置；

（5）太赫兹光束经过聚焦透镜5后，形成汇聚光束正入射至待测物体。其中，待测物体水平放置于传送带上，传送带位于聚焦透镜5的像方焦平面位置，待测物体在传送带上从左至右匀速运动；

（6）太赫兹波收发机接收被待测物体反射的太赫兹波并将接收到的太赫兹波转换为模拟电压信号；

（7）信号预处理电路对该模拟电压信号进行放大、滤波处理，然后使用数据数据采集卡对处理的信息进行A/D转换，最后通过PCI接口传送给计算机，计算机将采集到的图像数据进行数字图像处理，在显示器中输出显示待测物体的反射式二维太赫兹波图像。

在实施例中，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0.23THz~0.32THz，功率为60uW，束腰半径为3mm；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100us。准直透镜2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，直径为100mm。楔形金属反射镜3采用抛光铝板制作，镜面倾斜角θ=10°，镜面直径ΦM=155mm。圆形转盘4采用铝板制作，转盘直径D=250mm，与楔形金属反射镜3的镜面中央位置的垂直间距为400mm。聚焦透镜5的制作材料与准直透镜2相同，直径d=100mm，物方焦截距f1=400mm，像方焦截距f2=100mm。聚焦透镜5安装在圆形转盘4上，镜面中心与圆形转盘的中心间距s=150mm。数据采集卡9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10MHz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 (7)

1.一种用于流水线上物品检测的太赫兹波扫描成像系统，其特征在于，包括太赫兹波收发机、准直透镜、楔形金属反射镜、圆形转盘、聚焦透镜和运动控制器；

所述太赫兹波收发机用于发出太赫兹波和接收由待测物体反射回来的太赫兹波，所述准直透镜用于对太赫兹波收发机向外发射的太赫兹波束进行准直，所述运动控制器用于控制楔形金属反射镜和圆形转盘同步同向旋转，所述楔形金属反射镜的中心旋转轴安装方向与水平方向呈45°夹角；楔形金属反射镜用于接收经过准直的太赫兹光束并入射至聚焦透镜；所述聚焦透镜安装在圆形转盘上，用于接收太赫兹波形成汇聚光束正入射至传送带上的待测物体，圆形转盘与流水线的传送带平行。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波扫描成像系统，其特征在于，所述楔形金属反射镜的镜面与其中心旋转轴安装方向成（θ+90）度倾斜，其中，θ角度范围为0<θ<90度。

3.根据权利要求2所述的太赫兹波扫描成像系统，其特征在于，所述聚焦透镜的中心与圆形转盘的圆心距离为s，，其中H为楔形金属反射镜的镜面中心到圆形转盘水平面的高度。

4.根据权利要求1所述的太赫兹波扫描成像系统，其特征在于，所述流水线的传送带位于聚焦透镜的像方焦平面。

5.根据权利要求1所述的太赫兹波扫描成像系统，其特征在于，所述楔形金属反射镜和圆形转盘匀速旋转，同时流水线的传送带匀速运动。

6.根据权利要求1-5任一项所述的太赫兹波扫描成像系统，其特征在于，所述太赫兹波扫描成像系统还包括计算机、数据采集卡和信号预处理电路；其中信号预处理电路用于将太赫兹波收发机转化的模拟电压信号进行放大和滤波处理，所述数据采集卡用于对处理的信号进行模数转换后通过PCI接口将图像数据传送给计算机处理获得待检测物体的反射式二维太赫兹波图像。

7.一种基于权利要求1所述的太赫兹波扫描成像系统的用于流水线上物品检测的太赫兹波扫描成像方法，步骤如下：

（1）太赫兹波收发机向外发射太赫兹波，准直透镜用于对太赫兹波收发机向外发射的太赫兹波束进行准直；

（2）使经过准直的太赫兹光束平行入射至楔形金属反射镜的镜面中央位置；所述楔形金属反射镜的镜面与其中心旋转轴安装方向成（θ+90）度倾斜，其中，θ角度范围为0<θ<90度；楔形金属反射镜在运动控制器的控制下匀速旋转，出射的太赫兹波束形成圆形扫描，其扫描圆锥角为±2θ；

（3）将楔形金属反射镜的镜面中央置于聚焦透镜的物方焦平面；

（4）将聚焦透镜安装在圆形转盘上，与圆形转盘的圆心间距，其中H为楔形金属反射镜的镜面中心到圆形转盘所在水平面的高度；圆形转盘在运动控制器的控制下，与楔形金属反射镜保持同步旋转，保证太赫兹波束在圆形扫描过程中，始终以2θ夹角入射到聚焦透镜中央位置；

（5）太赫兹光束经过聚焦透镜后，形成汇聚光束正入射至待测物体；

其中，待测物体水平放置于传送带上，传送带位于聚焦透镜的像方焦平面位置，待测物体在传送带上从左至右匀速运动；

（6）太赫兹波收发机接收被待测物体反射的太赫兹波并将接收到的太赫兹波转换为模拟电压信号；

（7）信号预处理电路对该模拟电压信号进行放大、滤波处理，然后使用数据采集卡对处理的信息进行A/D转换，最后通过PCI接口传送给计算机，计算机将采集到的图像数据进行数字图像处理，在显示器中输出显示待测物体的反射式二维太赫兹波图像。