CN107831132A - 太赫兹成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太赫兹成像仪，包括：第一会聚装置、太赫兹窄带滤波片、太赫兹相机和至少一个太赫兹波产生装置；至少一个太赫兹波产生装置用于产生预设能量级的太赫兹波，太赫兹窄带滤波片、第一会聚装置和太赫兹相机均设置在太赫兹波的传输路径上，太赫兹波经第一会聚装置会聚至太赫兹相机；太赫兹窄带滤波片设置在所述太赫兹波产生装置与所述第一会聚装置之间或者设置在所述第一会聚装置与所述太赫兹相机之间，所述太赫兹窄带滤波片用于获取预设波段的太赫兹波。可以快速得到待测物体在某一峰值波长处对应的图像，还可以快速得到多个不同峰值波长处对应的图像，而且结构简单，易于实现，可广泛应用于安检等重要领域。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹光学技术领域，更具体地，涉及太赫兹成像仪。
背景技术
太赫兹成像技术是太赫兹科学与技术中的关键组成部分。由于太赫兹辐射位于电磁波谱上微波与红外光之间的一个特殊频段，该频段太赫兹辐射的一个典型应用价值在于它的光谱。因为许多材料的振动和转动能级，以及分子间的氢键等弱相互作用的能级均在该频段，因此，太赫兹光谱能够给出材料的“指纹光谱”，可用于物质的成像。对于成像光源来说，传统的x射线拥有光子能量高，对物质有电离辐射等副作用，导致无法用于人体成像。相对于可见光和红外成像系统来说，太赫兹辐射形成的太赫兹波的波长更长，具有更好的穿透能力，更低的传输损耗，可用于浓烟、粉尘等复杂环境的成像应用，可穿透墙体对房屋内部进行扫描。对于毫米波来说，太赫兹波的频率更高，波长更短，可获得更高的成像空间分辨能力。太赫兹波对毛皮、衣物、纸张等具有很好的穿透能力，而对金属和水等极性液体穿透能力极差。因此，太赫兹成像可用于塑料凶器、陶瓷手枪、流体炸弹、人体炸弹等物体的检测和识别。同时，太赫兹波还可用于远距离探测地下雷场分布。
另外，太赫兹波对应生物分子的振动和转动等比较弱的能量，对应生物分子的特征能级，许多物质在太赫兹频段都有特征光谱，因此可与成像结合，实现特殊的谱学成像的功能，即在成像的同时，还能实现对物质的鉴别，在安防人体成像等方面拥有很大的应用潜能。
现有技术中，太赫兹成像技术已经被应用于泡沫的无损检测、药物监测、邮件检测、炸药识别等。大多数的太赫兹成像系统均采用机械扫描的方式，将被扫描的待测物体放置在一个二维移动平移台上，对待测物体逐点扫描。这种机械扫描的方式限制了太赫兹成像的速度。对于一个尺寸为100×100mm2的被成像区域或待测物体，要想获得成像分辨率为0.25mm的图像，大约需要6分钟。实时的太赫兹成像系统可通过采用焦平面阵列探测器的方式来实现，但这样的系统复杂度更高且成本高，且需要一个高亮度的太赫兹发生装置。基于发电式传感器的方式可实现视频速率(一般正常的视频速率在30帧左右)的太赫兹成像，但需要巨大的、且价格昂贵的放大级飞秒激光器。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种太赫兹成像仪。
一方面，本发明提供了一种太赫兹成像仪，包括：第一会聚装置、太赫兹窄带滤波片、太赫兹相机和至少一个太赫兹波产生装置；
所述至少一个太赫兹波产生装置用于产生预设能量级的太赫兹波，所述太赫兹窄带滤波片、所述第一会聚装置和所述太赫兹相机均设置在所述太赫兹波的传输路径上，所述太赫兹波经所述第一会聚装置会聚至所述太赫兹相机；
所述太赫兹窄带滤波片设置在所述太赫兹波产生装置与所述第一会聚装置之间或者设置在所述第一会聚装置与所述太赫兹相机之间，所述太赫兹窄带滤波片用于获取预设波段的太赫兹波。
优选地，所述成像仪还包括第一准直装置；
所述第一准直装置设置在所述太赫兹波的传输路径上，且设置在所述太赫兹波产生装置与所述第一会聚装置之间，所述第一准直装置将所述太赫兹波进行准直，经准直后的太赫兹波再经过所述第一会聚装置会聚至所述太赫兹相机上。
优选地，所述成像仪中包括多个太赫兹窄带滤波片，所述多个太赫兹窄带滤波片均设置在固定板上；
所述固定板上设置有与所述太赫兹窄带滤波片数量相同的通孔，每一通孔用于固定一太赫兹窄带滤波片；
所述固定板垂直设置在所述太赫兹波的传输路径上。
优选地，所述成像仪中还包括：旋转电机，所述固定板与所述旋转电机连接。
优选地，所述固定板为圆形固定板，所述圆形固定板上沿圆周方向设置有与所述太赫兹窄带滤波片数量相同的通孔；
每一通孔均沿所述圆形固定板的半径方向设置，且每两相邻通孔与所述圆形固定板圆心连线之间的夹角相等。
优选地，所述成像仪中还包括：第二准直装置和第二会聚装置；
所述太赫兹波经所述第一会聚装置会聚至所述第二准直装置的一个焦点上，并经所述第二准直装置准直后入射至所述第二会聚装置上，经所述第二会聚装置会聚至所述太赫兹相机上。
优选地，所述第一准直装置、第一会聚装置、第二准直装置和第二会聚装置均为透镜；
或所述第一准直装置、第一会聚装置、第二准直装置和第二会聚装置均为离轴抛物面镜。
优选地，所述太赫兹波产生装置包括：光栅、半波片、成像单元和铌酸锂晶体；
利用泵浦飞秒激光照射所述光栅，并通过所述光栅衍射至所述半波片上，经过所述半波片改变所述泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过所述成像单元后入射至所述铌酸锂晶体上。
优选地，所述泵浦飞秒激光由全固态飞秒激光器或光纤飞秒激光器产生。
优选地，所述全固态飞秒激光器或光纤飞秒激光器的重复频率在数值上不小于所述旋转电机的转动速度。
本发明提供的太赫兹成像仪，通过结合太赫兹波产生装置、第一会聚装置、太赫兹窄带滤波片以及太赫兹相机，可以快速得到待测物体在某一峰值波长处对应的图像，还可以快速得到多个不同峰值波长处对应的图像，而且结构简单，易于实现，可广泛应用于安检等重要领域。
附图说明
图1为本发明一实施例中提供的一种太赫兹成像仪的结构示意图；
图2为本发明一实施例中提供的一种太赫兹成像仪的结构示意图；
图3为本发明一实施例中提供的一种太赫兹成像仪的结构示意图；
图4为本发明一实施例中提供的一种太赫兹成像仪的结构示意图；
图5为本发明一实施例中提供的一种太赫兹成像仪的结构示意图；
图6为本发明一实施例中提供的一种太赫兹成像仪的结构示意图；
图7为本发明一实施例中提供的一种太赫兹成像仪中固定板的结构示意图；
图8为本发明一实施例中提供的一种太赫兹成像仪的结构示意图；
图9为本发明一实施例中提供的一种太赫兹成像仪中太赫兹波产生装置的结构示意图；
图10为本发明一实施例中提供的一种太赫兹成像仪中太赫兹波产生装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明一实施例中提供了一种太赫兹成像仪，包括：第一会聚装置12、太赫兹窄带滤波片13、太赫兹相机14和至少一个太赫兹波产生装置11；
所述至少一个太赫兹波产生装置11用于产生预设能量级的太赫兹波，所述太赫兹窄带滤波片13、第一会聚装置12和太赫兹相机14均设置在所述太赫兹波的传输路径上，所述太赫兹波经所述第一会聚装置12会聚至太赫兹相机14；
所述太赫兹窄带滤波片13设置在所述太赫兹波产生装置11与所述第一会聚装置12之间或者设置在所述第一会聚装置12与所述太赫兹相机14之间，所述太赫兹窄带滤波片13用于获取预设波段的太赫兹波。
具体地，本发明中为了提高太赫兹相机14的成像质量，需要使用能够产生预设能量级的太赫兹波的太赫兹波产生装置11。这里，预设能量级至少为微焦量级。即太赫兹波的能量必须要至少达到微焦量级，才能保证太赫兹相机的成像质量。太赫兹波产生装置11产生的太赫兹波是由大量的太赫兹脉冲组成，每一个太赫兹脉冲中均包含有广泛的频率范围，可涵盖太赫兹全频段。太赫兹波具有高能量、高速度的性质，这将会提升整个成像仪的成像速度。预设能量级的太赫兹波是指太赫兹波中每个太赫兹脉冲能量为预设能量级。
图1和图2中的箭头方向表示太赫兹波的传播方向。需要说明的是，图中仅表示在传输路径上各装置之间的相对位置关系，并不表示各装置的实际位置。
本发明中，高能太赫兹成像仪中可以设置一个太赫兹窄带滤波片，或者在太赫兹波传输路径的同一位置上设置多个太赫兹窄带滤波片，这些太赫兹窄带滤波片构成一个垂直于传输路径的太赫兹窄带滤波片阵列。需要说明的是，由于太赫兹窄带滤波片只能允许一定波长范围的太赫兹波通过，即只能允许预设波段的太赫兹波通过，会使得最终得到的图像是待测物体在预设波段的峰值波长处对应的图像。当需要获得待测物体在不同峰值波长处对应的图像，可以在太赫兹波的传输路径上仅设置一个太赫兹窄带滤波片，此时需要手动更换不同的太赫兹窄带滤波片，以得到待测物体在多个峰值波长处对应的图像。还可以在太赫兹波的传输路径上设置一个太赫兹窄带滤波片阵列，此时分两种不同的情况可以实现，一种是当太赫兹波在太赫兹窄带滤波片阵列上形成的光斑可以覆盖整个太赫兹窄带滤波片阵列时，需要保证太赫兹相机14的感光面面积足够大，至少是太赫兹波在太赫兹相机14上形成的光斑的大小，此时可以直接同时得到待测物体在多个峰值波长处对应的图像。还有一种是太赫兹波在太赫兹窄带滤波片阵列上形成的光斑较小，不足以覆盖整个太赫兹窄带滤波片阵列时，此时可以先利用太赫兹窄带滤波片阵列中的一个太赫兹窄带滤波片对太赫兹波的波长范围进行选取，然后利用旋转电机带动整个太赫兹窄带滤波片阵列旋转，在旋转电机带动太赫兹窄带滤波片阵列转动一圈时，即可得到待测物体在多个峰值波长处对应的图像。
本实施例中预设波段的范围是由每个太赫兹窄带滤波片的固有属性决定，可根据需要选择适当预设波段对应的太赫兹窄带滤波片，本发明中不做具体说明。
本实施例中采用的太赫兹相机具有高灵敏度，以保证太赫兹波的光斑能够在太赫兹相机上获得更好的成像质量。
这里的第一会聚装置12可根据需要进行选取，可选择透镜或者离轴抛物面镜。这里需要说明的是，太赫兹波产生装置11产生的太赫兹波是发散光束，要使得太赫兹波经第一会聚装置12后会聚在太赫兹相机上，需要将太赫兹波产生装置11上的太赫兹波出射窗口设置在第一会聚装置的一倍焦距以外。此时，如果需要利用该太赫兹成像仪对待测物体进行成像时，将待测物体放置在太赫兹波的传输路径中靠近太赫兹相机的位置。
当太赫兹成像仪中包括至少两个太赫兹波产生装置11时，可分别将至少两个太赫兹波产生装置11设置在与第一会聚装置12的焦平面平行、且距离第一会聚装置12的距离大于一倍焦距的的平面上，并且使得至少两个太赫兹波产生装置11产生的太赫兹波经第一会聚装置12会聚在太赫兹相机14的不同位置上，可同时获取待测物体不同位置的图像。这种方法适用于待测物体较大、一次照射不足以产生完整图像的情况。
本实施例中，通过结合太赫兹波产生装置、第一会聚装置、太赫兹窄带滤波片以及太赫兹相机，可以快速得到待测物体在某一峰值波长处对应的图像，还可以快速得到多个不同峰值波长处对应的图像，而且结构简单，易于实现，可广泛应用于安检等重要领域。
在上述实施例的基础上，太赫兹成像仪中还包括第一准直装置；
所述第一准直装置设置在所述太赫兹波的传输路径上，且设置在所述太赫兹波产生装置与所述第一会聚装置之间，所述第一准直装置将所述太赫兹波进行准直，经准直后的太赫兹波再经过所述第一会聚装置会聚至所述太赫兹相机上。
具体地，如图3所示，第一准直装置21设置在所述太赫兹波产生装置11与所述第一会聚装置12之间，还可如图4所示，将第一准直装置21设置在所述太赫兹波产生装置11与太赫兹窄带滤波片13之间，也可如图5所示，将第一准直装置21设置在太赫兹窄带滤波片13与第一会聚装置12之间。需要说明的是，第一准直装置21、第一会聚装置12和太赫兹窄带滤波片13均设置在太赫兹波的传输路径上。图3、图4和图5中的箭头方向表示太赫兹波的传播方向。图中各装置在传输路径上的相对位置关系，并不表示各装置的实际位置。
第一准直装置21将所述太赫兹波进行准直，经准直后的太赫兹波再经过所述第一会聚装置12会聚至所述太赫兹相机14上。这里，为了实现准直和会聚，需要将太赫兹波产生装置11上的太赫兹波出射窗口设置在第一准直装置21的一个焦点上，使经过第一准直装置21的太赫兹波由发散光束变成平行光束。平行光束再经第一会聚装置12会聚至太赫兹相机14上。在这一过程中，太赫兹窄带滤波片13的位置并不会影响到第一准直装置21或第一会聚装置12对光束的调整。
如图6所示，图中15为待测物体，待测物体15设置于太赫兹窄带滤波片13和第一会聚装置12之间。
本实施例中，为实现高速的太赫兹成像仪提供了不同的结构，而且由于加入了第一准直装置，可大大缩短整个光路的长度，进而减小了成像仪的尺寸。
在上述实施例的基础上，所述成像仪中包括多个太赫兹窄带滤波片，所述多个太赫兹窄带滤波片均设置在固定板上；
所述固定板上设置有与所述太赫兹窄带滤波片数量相同的通孔，每一通孔用于固定一太赫兹窄带滤波片；
所述固定板垂直设置在所述太赫兹波的传输路径上。
具体地，本实施例可适用于太赫兹波在太赫兹窄带滤波片阵列上形成的光斑较大且可以同时覆盖多个太赫兹窄带滤波片时的情况，此时多个太赫兹窄带滤波片均匀设置在固定板上。作为优选方案，可将固定板设置为圆形，具体结构可以如图7所示，但并不限于此。圆形固定板上沿圆周方向设置有与所述太赫兹窄带滤波片数量相同的通孔，每一通孔用于固定一太赫兹窄带滤波片。每一通孔均沿圆形固定板的半径方向设置，每两个相邻通孔与所述圆形固定板圆心连线之间的夹角相等，即实现太赫兹窄带滤波片均匀分布在固定板上。
太赫兹窄带滤波片的数量可根据需要以及每一太赫兹窄带滤波片允许通过的波段进行适当选取。
在上述实施例的基础上，所述成像仪中还包括：旋转电机，所述固定板与所述旋转电机连接。
具体地，本实施例可适用于太赫兹波在太赫兹窄带滤波片阵列上形成的光斑较小且不能同时覆盖多个太赫兹窄带滤波片时的情况，此时多个太赫兹窄带滤波片均匀设置在固定板上。作为优选方案，可将固定板设置为圆形，固定方式也可以如图7所示。不同的是，在具体应用中，太赫兹波产生装置11产生的太赫兹波会射在固定板上的一个太赫兹窄带滤波片上，由旋转电机带动固定板进行高速旋转，固定板带动其上的太赫兹窄带滤波片高速旋转，进而实现太赫兹波的快速成像。本实施例中采用的旋转电机为高速电机，转速可达10000转/秒，即旋转电机每10-4秒转动一周。
本发明中，成像仪中产生太赫兹图像的速度取决于旋转电机的转速，转速越大，产生待测物体的图像的速度越快。本实施例中，由于设置了太赫兹窄带滤波片阵列，可快速获得多个峰值波长处待测物体的图像，并且可以快速得到不同峰值波长与成像仪的成像质量和对比度之间的关系，便于进行后续研究。
在上述实施例的基础上，所述成像仪还包括：第二准直装置和第二会聚装置；
所述太赫兹波经所述第一会聚装置会聚至所述第二准直装置的一个焦点上，并经所述第二准直装置准直后入射至所述第二会聚装置上，经所述第二会聚装置会聚至所述太赫兹相机上。
具体地，在具体对待测物体进行成像时，可将待测物体设置在第一会聚装置与第二准直装置之间。
由于透镜具有准直光线的功能和会聚光线的功能，可将所述第一准直装置、第一会聚装置、第二准直装置和第二会聚装置均设置为透镜；还可以将所述第一准直装置、第一会聚装置、第二准直装置和第二会聚装置均设置为离轴抛物面镜。
这里需要说明的是，透镜的准直和会聚均需要太赫兹波透过透镜，属于透射式，离轴抛物面镜的准直和会聚则是反射式的。本实施例中还可以利用透镜与离轴抛物面镜混合使用。
在上述实施例的基础上，所述成像仪还可以包括：多个准直装置和多个会聚装置，多个准直装置和多个会聚装置可设置在第二会聚装置后，多次对太赫兹波进行准直和会聚，进一步缩小成像仪的尺寸。
如图8所示，第一准直装置21、第一会聚装置12、第二准直装置71和第二会聚装置72均为离轴抛物面镜。待测物体15设置在第一会聚装置12与第二准直装71置之间。本发明中，使用的离轴抛物面镜具有大孔径、短焦距的特点。具体地，可选择孔径尺寸为3英寸、焦距为2英寸的离轴抛物面镜。在抛物面镜的反射面上镀金或镀铝。
在上述实施例的基础上，太赫兹波产生装置11具体的结构可以如图9所示。图9中，所述太赫兹波产生装置11包括：光栅81、半波片82、成像单元83和铌酸锂晶体84；
利用泵浦飞秒激光照射光栅81，并通过光栅81衍射至半波片82上，经过半波片82改变泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过成像单元83后入射至铌酸锂晶体84上。成像单元83为凸透镜。
具体地，本发明中利用光栅81实现倾斜波前，基于波前倾斜技术产生太赫兹脉冲，并经光栅衍射后的太赫兹脉冲通过成像透镜，成像到铌酸锂晶体中，经过铌酸锂晶体进行光学整流，得到高能量、高速的太赫兹波。本实施例中的半波片82用于改变泵浦飞秒激光的偏振方向，使之与铌酸锂晶体匹配，最终可获得高能量的太赫兹波。
在上述实施例的基础上，本发明提供的太赫兹波产生装置中还包括飞秒激光器，用于产生泵浦飞秒激光。
具体地，飞秒激光器可包括全固态飞秒激光器或光纤飞秒激光器。由于在太赫兹波产生装置中设置了飞秒激光器，可以持续的产生高能量、高速的太赫兹波。若要使太赫兹波产生装置11产生的太赫兹波的能量达到微焦量级，则需要飞秒激光器产生的单脉冲的能量达到毫焦量级。
如图10所示，飞秒激光器产生的太赫兹波经第一反射镜91、第二反射镜92和第三反射镜93入射至光栅上，并经半波片和凸透镜最后打到铌酸锂晶体上，激发太赫兹脉冲波。这里第一反射镜91、第二反射镜92和第三反射镜93起到缩短光路的作用。
在上述实施例的基础上，所述全固态飞秒激光器或光纤飞秒激光器的重复频率在数值上不小于所述旋转电机的转动速度。
具体地，重复频率是指单位时间内输出太赫兹脉冲的数量，单位为赫兹(Hz)。例如，一秒钟内出现的脉冲个数为50000个，则重复频率为50KHz。重复频率在数值上不小于所述旋转电机的转动速度，即单位时间内输出的太赫兹脉冲的数量要大于或等于旋转电机在单位时间内转动的圈数，保证旋转电机上的每一个太赫兹窄带滤波片均起到选择预设波段的太赫兹波的作用。
综上所述，本发明提供的太赫兹成像仪具有如下优点：1)快速：利用太赫兹相机对照射待测物体后的太赫兹波进行视频成像，成像的速度取决于飞秒激光器的重复频率，克服了传统的成像仪对待测物体机械逐点扫描的缺点，可实现快速成像；2)成像原理简单：该成像仪仅需要太赫兹波产生装置、太赫兹窄带滤波片和太赫兹相机，即可实现不同峰值波长处的快速成像。3)适应性好：本发明提供的成像仪不仅可利用基于铌酸锂晶体、倾斜波前技术产生的高能量太赫兹波进行成像，还可以利用其它装置产生高能量太赫兹波并进行成像。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，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 (10)
1.一种太赫兹成像仪，其特征在于，包括：第一会聚装置、太赫兹窄带滤波片、太赫兹相机和至少一个太赫兹波产生装置；
所述至少一个太赫兹波产生装置用于产生预设能量级的太赫兹波，所述太赫兹窄带滤波片、所述第一会聚装置和所述太赫兹相机均设置在所述太赫兹波的传输路径上，所述太赫兹波经所述第一会聚装置会聚至所述太赫兹相机；
所述太赫兹窄带滤波片设置在所述太赫兹波产生装置与所述第一会聚装置之间或者设置在所述第一会聚装置与所述太赫兹相机之间，所述太赫兹窄带滤波片用于获取预设波段的太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的成像仪，其特征在于，还包括第一准直装置；
所述第一准直装置设置在所述太赫兹波的传输路径上，且设置在所述太赫兹波产生装置与所述第一会聚装置之间，所述第一准直装置将所述太赫兹波进行准直，经准直后的太赫兹波再经过所述第一会聚装置会聚至所述太赫兹相机上。
3.根据权利要求1所述的成像仪，其特征在于，所述成像仪中包括多个太赫兹窄带滤波片，所述多个太赫兹窄带滤波片均设置在固定板上；
所述固定板上设置有与所述太赫兹窄带滤波片数量相同的通孔，每一通孔用于固定一太赫兹窄带滤波片；
所述固定板垂直设置在所述太赫兹波的传输路径上。
4.根据权利要求3所述的成像仪，其特征在于，还包括：旋转电机，所述固定板与所述旋转电机连接。
5.根据权利要求3所述的成像仪，其特征在于，所述固定板为圆形固定板，所述圆形固定板上沿圆周方向设置有与所述太赫兹窄带滤波片数量相同的通孔；
每一通孔均沿所述圆形固定板的半径方向设置，且每两相邻通孔与所述圆形固定板圆心连线之间的夹角相等。
6.根据权利要求1所述的成像仪，其特征在于，还包括：第二准直装置和第二会聚装置；
所述太赫兹波经所述第一会聚装置会聚至所述第二准直装置的一个焦点上，并经所述第二准直装置准直后入射至所述第二会聚装置上，经所述第二会聚装置会聚至所述太赫兹相机上。
7.根据权利要求6所述的成像仪，其特征在于，所述第一准直装置、第一会聚装置、第二准直装置和第二会聚装置均为透镜；
或所述第一准直装置、第一会聚装置、第二准直装置和第二会聚装置均为离轴抛物面镜。
8.根据权利要求4所述的成像仪，其特征在于，所述太赫兹波产生装置包括：光栅、半波片、成像单元和铌酸锂晶体；
利用泵浦飞秒激光照射所述光栅，并通过所述光栅衍射至所述半波片上，经过所述半波片改变所述泵浦飞秒激光的偏振方向后，再通过所述成像单元后入射至所述铌酸锂晶体上。
9.根据权利要求8所述的成像仪，其特征在于，所述泵浦飞秒激光由全固态飞秒激光器或光纤飞秒激光器产生。
10.根据权利要求8所述的成像仪，其特征在于，所述全固态飞秒激光器或光纤飞秒激光器的重复频率在数值上不小于所述旋转电机的转动速度。
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