CN105241815A - 一种太赫兹成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹成像装置和方法，其中，所述太赫兹成像装置包括：准直模块、掩模模块和透射波采集模块；准直模块，用于将入射的太赫兹信号进行准直后照射向掩模模块和待成像物品；掩模模块，用于覆盖在待成像物品前，控制太赫兹信号照射所述物品的照射区域；透射信号采集模块，用于采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号，并将所述透射太赫兹信号转换为电信号发送至信号处理模块；信号处理模块，用于控制掩模模块的移动，并根据对应的电信号进行物品成像。

Description

一种太赫兹成像装置和方法

技术领域

本发明涉及太赫兹(TeraHertz，THz)技术领域，尤其涉及一种太赫兹成像装置和方法。

背景技术

随着太赫兹技术的发展，利用太赫兹时域光谱进行成像的技术越来越受到关注，传统的太赫兹时域光谱成像技术，是在太赫兹光斑焦点处放置样品，通过二维平移台移动样品，采集每一个像素点的太赫兹光谱。最后通过相应的算法恢复成太赫兹图像。这种成像方法能够同时获得样品的光谱信息和图像信息是一种光谱成像方式。缺点是由于要对每个像素点逐个扫描，成像速度比较慢。一般情况下采集一个太赫兹光谱需要1024个采样点，得到一个完整的光谱需要花费200s-300s。一个10*10像素的太赫兹图像需要8个小时左右的时间。

还有一种傅里叶变换光谱仪扫描成像装置(如CN202869964U中所述)利用傅里叶变换光谱仪进行太赫兹光谱成像，不是通过移动样品进行成像，而是通过移动抛物面镜采集样品的光谱图像。但是，这种成像方式的成像速度同样也比较慢。傅里叶变换光谱采集一个光谱需要时间大概在100s左右。同样采集一个10*10的太赫兹光谱图像也需要几个小时。

在许多场景下，如此缓慢的成像速度，不能满足用户的需求。

发明内容

为解决现有存在的技术问题，本发明实施例期望提供一种太赫兹成像装置和方法，能加快太赫兹成像的速度和性能。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种太赫兹成像装置，该装置包括：准直模块、掩模模块和透射波采集模块；其中，

准直模块，用于将入射的太赫兹信号进行准直后照射向掩模模块和待成像物品；

掩模模块，用于覆盖在待成像物品前，控制太赫兹信号照射所述物品的照射区域；

透射信号采集模块，用于采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号，并将所述透射太赫兹信号转换为电信号发送至信号处理模块；

信号处理模块，用于控制掩模模块的移动，并根据对应的电信号进行物品成像。

上述方案中，所述掩模模块包括：

阿达玛掩模单元，用于覆盖在待成像物品前，按照阿达玛变换规则，控制太赫兹信号的照射所述待成像物品的照射区域；

掩模控制单元，用于控制阿达玛掩模单元按照预设路径移动。

上述方案中，所述装置还包括：

分频模块，位于待成像物品之后，用于将透射过所述物品的各个频率的透射太赫兹信号分别聚焦于光轴不同的位置。

上述方案中，所述透射信号采集模块包括：

N个透射信号固定采集单元，分别用于采集N个不同频率的透射太赫兹信号，位于所述光轴的不同聚焦位置。

上述方案中，所述透射信号采集模块包括：

透射信号移动采集单元，用于在光轴上移动，采集不同频率的透射太赫兹信号。

本发明实施例还提供一种太赫兹成像方法，该方法包括：

将入射的太赫兹信号进行准直后照射向掩模模块和待成像物品；

将掩模模块覆盖在待成像物品前，以控制太赫兹信号照射所述物品的照射区域；

采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号，并将所述透射太赫兹信号转换为电信号；

控制掩模模块的移动，并根据对应的电信号进行物品成像。

上述方案中，所述将掩模模块覆盖在待成像物品前，以控制太赫兹信号照射所述物品的照射区域包括：

将阿达玛掩模覆盖在所述物品前，并按照预设的路径移动该阿达玛掩模，实现阿达玛变换。

上述方案中，在采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号之前，所述方法还包括：

将透射过所述物品的各个频率的透射太赫兹信号分别聚焦于光轴不同的位置。

上述方案中，采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号包括：

使用N个固定于光轴不同聚焦位置的N个位置的透射信号固定采集单元，分别采集N个不同频率的透射太赫兹信号；或者

使用一个透射信号移动采集单元，在光轴上移动，采集不同频率的透射太赫兹信号。

本发明实施例所提供的太赫兹成像装置和方法，利用在待成像物品前放置阿达玛掩模，实现了对物品像素的批量采样的同时提高了采样信号的信噪比，同时，通过移动阿达玛掩模而不移动待成像物品，实现对所述物品各个像素的全面采样，从而避免移动物品而带来的像差；此外，利用菲涅尔透镜或菲涅尔波带片将透射过物品的太赫兹波聚焦于光轴上不同的位置，从而实现采集各个不同频率的太赫兹波的图像，进一步提高太赫兹成像的速度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的太赫兹成像装置的组成示意图；

图2为本发明实施例中使用的阿达玛掩模的结构示意图；

图3为图2所示的阿达玛掩模所对应的空间编码方案；

图4为本发明提供的太赫兹成像装置的一具体实施例的组成结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例和技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的太赫兹成像装置的组成示意图，如图1所示，该装置包括：准直模块101、掩模模块102、透射波采集模块103和信号处理模块104；其中，

准直模块101，用于将入射的太赫兹信号进行准直后照射向掩模模块和待成像物品；

掩模模块102，用于覆盖在待成像物品前，控制太赫兹信号照射所述物品的照射区域；

透射信号采集模块103，用于采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号，并转换为电信号发送至信号处理模块；

信号处理模块104，用于控制掩模模块的移动，并根据对应的电信号进行物品成像。

具体的，准直模块101可以是凸透镜或者是离轴抛物面镜等具有将太赫兹波进行直准的器件。

优选的，掩模模块102中包括：

阿达玛掩模单元，用于覆盖在待成像物品前，按照阿达玛变换规则，控制太赫兹信号的照射所述待成像物品的照射区域；

掩模控制单元，用于控制阿达玛掩模单元按照预设路径移动。

具体的，阿达玛掩模单元可以是一块如图2所示的掩模，该掩模由金属等太赫兹波不能透过的材质制成，图2中灰色的部分表示实心，太赫兹波不能透过；白色的部分表示镂空，太赫兹波可以透过。将该掩模放置在待成像物品之前并进行移动，等同于在光路截面上进行可变的空间编码，每个编码单元对应于图像上的一个像素，每个单元均可被置于0或1态，即不透过状态或全透过状态。例如，与图2所示掩模对应的空间编码如图3所示。掩模控制单元将该阿达玛掩模单元按照预设的路径移动，即能完成对照射待成像物品的太赫兹信号的阿达玛变换，进而实现对透射过待成像物品的太赫兹信号的阿达玛变换。

图2只示出了一种3*5(即15)成像像素的阿达玛掩模，而实际应用中的阿达玛掩模的规格和种类还有很多种，具体如何选择阿达玛掩模的规格和种类主要考虑成像的像素数。而一旦选定特定的阿达玛掩模，则该掩模对应的移动路径即已确定，这是由阿达玛变换算法决定的。可直接参考现有的阿达玛光谱仪的规则制作阿达玛掩模。具体的，图2所示的阿达玛掩模，则它在最初时位于待成像区域的左上角，然后在掩模控制单元的控制下先向下移一行、在向右移一列，依次循环，直到该阿达玛掩模移动至待成像区域的右下角。每一次行/列移动之前，都先进行透射太赫兹信号的采集。

进一步的，为了加快信号采集的速度，在透射信号采集模块103之前，所述太赫兹成像装置还包括：

分频模块，位于待成像物品之后，用于将透射过所述物品的各个频率的透射太赫兹信号分别聚焦于光轴不同的位置。

具体的，分频模块可以是菲涅尔透镜或菲涅尔波带片等可以将经过掩膜板调制的太赫兹信号在光轴上分频，因此，所述透射信号采集模块103中，可包括：

N个透射信号固定采集单元，分别用于采集N个不同频率的透射太赫兹信号，位于所述光轴的不同聚焦位置。

N越大，则并行采集透射信号的效率越高，但也将导致成像装置的制造成本的增加。

因此，透射信号采集模块103还可以包括：

透射信号移动采集单元，用于在光轴上移动，采集不同频率的透射太赫兹信号。

当然，为了平衡透射信号采集效率与成像装置制造成本，也可同时设置多个透射信号移动采集单元，每个透射信号移动采集单元负责采集光轴上一段距离内的不同频率的透射太赫兹信号。这样，即可实现并行采集不同频率的透射太赫兹信号，又可以减少采集单元的数量。

实际应用中，上述透射信号固定采集单元和透射信号移动采集单元均可由太赫兹探测器实现，太赫兹探测器可将太赫兹信号转换为电信号发送至信号处理模块104。

具体的，信号处理模块104用于控制掩模模块的移动，并根据对应的电信号进行物品成像。其运用的成像原理如下：

在光学编码成像的信号探测系统中，假设要获取一幅二维图像的图像信息，其目的就是获取图像光强信号的空间分布和信号量的大小。我们可以在一个二维空间中考虑一幅图像的编码形式。设(x,y)为一幅二维图像的空间坐标，φ(x,y)为x,y的函数，其大小对应于该坐标处像元的强度，成像测量的目的就是确定φ(x,y)的分布。在实际测量中，是将φ(x,y)离散化来处理已确定其分布。为此，对目标图像进行离散化处理，

以3*5图像为例，3和5分别为划分的行数和列数，则一幅二维图像的信息可表示为：

这时候有15个未知数需要进行15次测量:

假设第i测量中，编码的构型为W_i1，W_i2，W_i3……W_i15，相应结果为Y_i

其中是坐标x_jy_s处像元的强度，e_i是这次测量时的噪声。

采用矩阵可简化表示为；

忽略噪声则可以得到

其值可以在计算机上编程解出，由这一无偏估计值可以实现图像的再现。

在实际应用中，信号处理模块104可以由所述太赫兹成像装置的中央处理器(CPU)、微处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)、或现场可编程门阵列(FPGA)实现。

为了实现成像，所述太赫兹成像装置中还包括采集器、存储介质和显示屏；其中，采集器将太赫兹波探测器的数据进行放大、模数转换；存储介质用于存数模板序列、重构程序、原始数据、图像数据，显示屏用于显示重构图像。

图4为本发明提供的太赫兹成像装置的一具体实施例的组成结构图，其中，直线箭头表明了太赫兹波在该装置中的传播路径。如果4所示，经过菲涅尔透镜，不同频率的透射太赫兹波分别汇聚于光轴上不同点处，例如图中的A、B、C点处，太赫兹探测器可分别采集这几个点处的太赫兹波。

本发明实施例还提供一种太赫兹成像方法，该方法包括：

将入射的太赫兹信号进行准直后照射向掩模模块和待成像物品；

将掩模模块覆盖在待成像物品前，以控制太赫兹信号照射所述物品的照射区域；

采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号，并将所述透射太赫兹信号转换为电信号；

控制掩模模块的移动，并根据对应的电信号进行物品成像。

上述方案中，所述将掩模模块覆盖在待成像物品前，以控制太赫兹信号照射所述物品的照射区域包括：

将阿达玛掩模覆盖在所述物品前，并按照预设的路径移动该阿达玛掩模，实现阿达玛变换。

上述方案中，在采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号之前，所述方法还包括：

将透射过所述物品的各个频率的透射太赫兹信号分别聚焦于光轴不同的位置。

上述方案中，采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号包括：

使用N个固定于光轴不同聚焦位置的N个位置的透射信号固定采集单元，分别采集N个不同频率的透射太赫兹信号；或者

使用一个透射信号移动采集单元，在光轴上移动，采集不同频率的透射太赫兹信号。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，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。

Claims (9)

1.一种太赫兹成像装置，其特征在于，所述装置包括：准直模块、掩模模块和透射波采集模块；其中，

准直模块，用于将入射的太赫兹信号进行准直后照射向掩模模块和待成像物品；

掩模模块，用于覆盖在待成像物品前，控制太赫兹信号照射所述物品的照射区域；

透射信号采集模块，用于采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号，并将所述透射太赫兹信号转换为电信号发送至信号处理模块；

信号处理模块，用于控制掩模模块的移动，并根据对应的电信号进行物品成像。

2.根据权利要求1所述的太赫兹成像装置，其特征在于，所述掩模模块包括：

阿达玛掩模单元，用于覆盖在待成像物品前，按照阿达玛变换规则，控制太赫兹信号的照射所述待成像物品的照射区域；

掩模控制单元，用于控制阿达玛掩模单元按照预设路径移动。

3.根据权利要求1或2所述的太赫兹成像装置，其特征在于，所述装置还包括：

分频模块，位于待成像物品之后，用于将透射过所述物品的各个频率的透射太赫兹信号分别聚焦于光轴不同的位置。

4.根据权利要求3所述的太赫兹成像装置，其特征在于，所述透射信号采集模块包括：

N个透射信号固定采集单元，分别用于采集N个不同频率的透射太赫兹信号，位于所述光轴的不同聚焦位置。

5.根据权利要求3所述的太赫兹成像装置，其特征在于，所述透射信号采集模块包括：

透射信号移动采集单元，用于在光轴上移动，采集不同频率的透射太赫兹信号。

6.一种太赫兹成像方法，其特征在于，所述方法包括：

将入射的太赫兹信号进行准直后照射向掩模模块和待成像物品；

将掩模模块覆盖在待成像物品前，以控制太赫兹信号照射所述物品的照射区域；

采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号，并将所述透射太赫兹信号转换为电信号；

控制掩模模块的移动，并根据对应的电信号进行物品成像。

7.根据权利要求6所述的太赫兹成像方法，其特征在于，所述将掩模模块覆盖在待成像物品前，以控制太赫兹信号照射所述物品的照射区域包括：

将阿达玛掩模覆盖在所述物品前，并按照预设的路径移动该阿达玛掩模，实现阿达玛变换。

8.根据权利要求6或7所述的太赫兹成像方法，其特征在于，在采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号之前，所述方法还包括：

将透射过所述物品的各个频率的透射太赫兹信号分别聚焦于光轴不同的位置。

9.根据权利要求8所述的太赫兹成像方法，其特征在于，采集经过所述物品透射后的透射太赫兹信号包括：

使用N个固定于光轴不同聚焦位置的N个位置的透射信号固定采集单元，分别采集N个不同频率的透射太赫兹信号；或者

使用一个透射信号移动采集单元，在光轴上移动，采集不同频率的透射太赫兹信号。