一种三维层析成像系统及方法
技术领域
本申请涉及材料检测技术领域,特别是涉及一种三维层析成像系统及方法。
背景技术
实际工业生产应用中,各种材料在生产制造过程中可能产生缺陷,引起质量问题,甚至导致采用该材料的整个结构件的报废,造成重大经济损失,尤其是应用于航空航天领域的各种复合材料,对材料质量要求更高,一旦采用的材料内部产生缺陷,将造成重大损失,甚至是发生重大事故。
目前可以利用红外光线检测、X射线检测等方法,对材料进行三维成像,从而检测材料内部结构是否存在缺陷,但这些方法所用射线的成像景深距离短,探测图像的分辨率较低,对材料内部结构,尤其是对复合材料内部结构的检测精度低。
发明内容
本申请主要提供一种三维层析成像系统及方法,能够提高材料检测的精度。
为解决上述技术问题,本申请采用的一个技术方案是:提供一种三维层析成像系统,包括:无衍射器件、聚光器件、扫描器件以及接收器;无衍射器件用于将入射的第一光束汇聚成第二光束;聚光器件设置于无衍射器件的出光侧,聚光器件上形成有通孔,第二光束通过该通孔射到扫描器件;扫描器件用于将第二光束以扫描方式反射到被检材料,并将被检材料反射的第三光束反射到聚光器件;接收器设置于聚光器件的聚光区,用于接收聚光器件汇聚的第三光束,以利用第三光束的信息构建被检材料的三维图像。
为解决上述技术问题,本申请采用的另一个技术方案是:提供一种三维层析成像方法,包括:利用无衍射器件将入射的第一光束汇聚成第二光束;利用扫描器件将第二光束以扫描方式反射到被检材料,并将被检材料反射的第三光束反射到聚光器件,其中聚光器件设置于无衍射器件的出光侧,聚光器件上形成有通孔,第二光束通过该通孔射到扫描器件;利用接收器接收聚光器件汇聚的第三光束,其中接收器设置于聚光器件的聚光区;利用第三光束的信息构建被检材料的三维图像。
本申请的有益效果是:区别于现有技术的情况,本申请的部分实施例中,利用无衍射器件将入射的第一光束汇聚成第二光束;利用扫描器件将第二光束以扫描方式反射到被检材料,并将被检材料反射的第三光束反射到聚光器件,由设置于聚光器件聚光区的接收器接收聚光器件汇聚的第三光束,以利用第三光束的信息构建被检材料的三维图像,从而利用无衍射器件,可以将第一光束汇聚成近似无衍射的第二光束,使得该第二光束在后续传播和扫描到被检测材料的过程中不发散、光场能量高度集中、中心亮斑尺寸小,进而使得扫描后利用第三光束的信息构建的被检材料的三维图像分辨率高,提高材料检测的精度。
附图说明
图1是本申请三维层析成像系统第一实施例的结构示意图;
图2是本申请三维层析成像系统第二实施例的结构示意图;
图3是本申请三维层析成像系统第二实施例中发射器和接收器的结构示意图;
图4是本申请三维层析成像系统第三实施例的结构示意图;
图5是本申请三维层析成像方法一实施例的流程示意图;
图6是图5中各步骤的具体流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
如图1所示,本申请三维层析成像系统10第一实施例包括:无衍射器件101、聚光器件102、扫描器件103以及接收器104。
无衍射器件101用于将入射的第一光束汇聚成第二光束;聚光器件102设置于无衍射器件101的出光侧,聚光器件102上形成有通孔1021,第二光束通过该通孔1021射到扫描器件103;扫描器件103用于将第二光束以扫描方式反射到被检材料A,并将被检材料A反射的第三光束反射到聚光器件102;接收器104设置于聚光器件102的聚光区,用于接收聚光器件102汇聚的第三光束,以利用第三光束的信息构建被检材料A的三维图像。
其中,无衍射器件101是将入射的第一光束汇聚成近似无衍射光束的器件,即该第二光束是近似无衍射光束,如无衍射贝塞尔光束。该无衍射器件101可以是能够产生近似无衍射光束的透镜或者透镜组合等,其可以采用超表面材料、高密度聚乙烯(high-densitypolyethylene,HDPE)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)、聚丙烯或聚4-甲基戊烯-1(TPX)等材料制作,此处不做具体限定。该无衍射器件101的类型具体可以根据入射的第一光束的频率选择,例如入射的第一光束是太赫兹光时,该无衍射器件101可以选择太赫兹频段的无衍射透镜。
该第一光束可以是光源直接产生的准直光束,例如激光器产生的光束,也可以是光源产生后经过某些器件处理后的准直光束,该第一光束是可以穿透被检材料A的射线,如太赫兹光等。该被检材料可以是质量要求较高的复合材料,也可以是其他(非极性)材料,此处不做具体限定。该被检材料的厚度会影响光束的穿透性,一般不大于10cm。
该聚光器件102可以是凹面镜,或者聚光透镜和反射镜的组合,其中凹面镜或反射镜上形成有一通孔1021,第二光束可以通过该通孔1021入射到扫描器件103。该通孔1021的尺寸不小于第二光束产生的光斑的尺寸。该聚光器件102的聚光区可以是一个聚光点,也可以是一个聚光区域,具体视聚光器件102的具体类型而定,此处不做具体限定。
该扫描器件103可以是一可三维移动的反射镜,也可以是一组可改变第二光束出射方向的振镜,使得出射的第二光束以扫描方式反射到被检材料A表面。其中,该扫描器件103的扫描频率可以根据成像时间和材料尺寸等实际需求设置。例如,当该被检材料A的尺寸为50cm*50cm*10cm,且第二光束的中心光斑为0.3mm时,控制该扫描器件103的扫描频率,可以使得该成像时间不大于5s,成像分辨率达到0.3*0.3*1.5mm。
该接收器104可以包括探测器和信号处理器,其中探测器可以探测接收该第三光束,信号处理器可以获取接收到的第三光束中的信息,以构建被检材料A的三维图像。
具体地,在一个应用例中,光源产生的准直第一光束,入射到该无衍射器件101,由该无衍射器件101汇聚成近似无衍射的第二光束,该第二光束通过该聚光器件102上的通孔1021,入射到扫描器件103上,由该扫描器件103将该第二光束反射到被检材料A表面,其中该扫描器件103可以移动,从而可以改变第二光束的出射方向,控制该扫描器件103(如可三维方向移动的反射镜)的移动方向和移动角度,可以使得该第二光束以扫描方式反射到被检材料A表面。该第二光束会在被检材料A表面进行反射、透射,且由于被检材料A不同位置的材料平整度、材料的反射率、折射率等不尽相同,且内部缺陷可能存在缺陷等,不同位置该第二光束被吸收或反射的程度不同,因此,最终反射回到扫描器件103的第三光束中的信息(相位和强度等信息)可以反映该被检材料A的结构。该第三光束被反射到扫描器件103后,由该扫描器件103反射到聚光器件102,该聚光器件102会将射入的第三光束汇聚到聚光区,设置于该聚光区的接收器104利用探测器接收该第三光束后,其信号处理器可以提取该第三光束中的信息,以根据该第三光束中的相位和强度等信息,可以分析得知每个位置该被检材料A的内部结构,进而可以形成该被检材料A的三维图像。
本实施例中,利用无衍射器件将入射的第一光束汇聚成第二光束;利用扫描器件将第二光束以扫描方式反射到被检材料,并将被检材料反射的第三光束反射到聚光器件,由设置于聚光器件聚光区的接收器接收聚光器件汇聚的第三光束,以利用第三光束的信息构建被检材料的三维图像,从而利用无衍射器件,可以将第一光束汇聚成近似无衍射的第二光束,使得该第二光束在后续传播和扫描到被检测材料的过程中不发散、光场能量高度集中、中心亮斑尺寸小,进而使得扫描后利用第三光束的信息构建的被检材料的三维图像分辨率高,提高材料检测的精度。
在其他实施例中,该三维层析成像系统还可以包括光源,即发射器,可以发射该第一光束。
具体如图2所示,本申请三维层析成像系统20第二实施例是在本申请三维层析成像系统第一实施例的基础上,进一步包括:发射器100,该发射器100设置于无衍射器件101的入光侧,用于发射第一光束至无衍射器件101。
由于太赫兹频段的光波不仅对材料有良好的穿透特性,而且光子能量低,不会引起有害的电离反应,可以实现材料的无损检测,尤其适合用于质量要求高、制造成本高的复合材料的检测。
本实施例中,该发射器100可以采用太赫兹光发射器,形成太赫兹频段的第一光束,其中,该第一光束的频率不小于0.5THz。
可选地,本实施例中该无衍射器件101为无衍射透镜,如太赫兹频段的PTFE透镜。该无衍射透镜101可以将平行入射的第一光束汇聚为近似无衍射的第二光束(涡旋光),其中该第二光束的景深不小于1.5m,中心光斑直径可以为0.3mm。
可选地,该聚光器件102是凹面镜,该凹面镜的反射面朝向扫描器件103,该凹面镜上形成的通孔的直径不小于0.3mm,从而可以使得该第二光束通过该通孔入射到扫描器件103,而该凹面镜具有聚光作用,该扫描器件103反射的第三光束入射到凹面镜的反射面时,该凹面镜会将第三光束汇聚到其焦点。该凹面镜可以采用与无衍射器件101相同的材料,如PTFE材料制作。其中,该通孔的尺寸可以根据实际需求设置,通常为毫米级,例如0.1mm~3mm。
本实施例中,该发射器100可以采用固态电子技术,形成太赫兹固态发射前端,类似的,该接收器104也可以采用固态电子技术,形成太赫兹固态接收前端。其中,当该发射器需要产生频率较高的太赫兹波时,可以采用倍频技术将较低频率的信号倍频到所需的太赫兹频段。
可选地,如图3所示,本实施例中,该发射器100包括:信号源1001、第一倍频器1002和发射天线1003。该信号源1001用于产生本振信号,该本振信号的频率小于第一光束的频率;第一倍频器1002连接信号源1001,用于将本振信号的频率提升至太赫兹频段,以形成第一光束;发射天线1003连接第一倍频器1002,用于发射第一光束。
其中,该第一倍频器1002可以采用多个倍频器(如二倍频器、四倍频器等)串联而成,具体根据所需的倍频数选择倍频器的类型和数量,此处不做具体限定。
具体地,在一个应用例中,该信号源1001可以产生12.5GHz的本振信号,该第一光束所需的频率是600GHz(即0.6THz),该第一倍频器1002的倍频数为48倍,则可以利用一个三倍频器和两个四倍频器串联形成该第一倍频器1002,当然,也可以采用两个二倍频器和一个四倍频器、一个三倍频器串联形成该第一倍频器1002,或者采用一个三倍频器和一个十六倍频器串联形成该第一倍频器1002,又或者采用一个二倍频器、一个三倍频器和一个八倍频器串联形成该第一倍频器1002。当然,在其他实施例中,也可以采用其他倍频数的倍频器,只要能够得到所需频段的信号即可。该发射天线1003接收到该第一倍频器1002倍频后输出的信号后,可以将该信号形成第一光束发射至无衍射器件101。
可选地,继续参阅图3,该接收器104具体包括:接收天线1041、基带信号源1042、调制器1043、第二倍频器1044、混频器1045、信号处理装置1046。
该基带信号源1042用于产生低频基带信号,该低频基带信号的频率小于本振信号的频率;调制器1043的输入端分别连接信号源1001和基带信号源1042,输出端连接第二倍频器1044,用于将基带信号调制到本振信号上后输入到第二倍频器1044中进行倍频;混频器1045的输入端分别连接该接收天线1041和第二倍频器1044,用于将第二倍频器1044倍频后的信号与接收天线1041接收的信号进行混频,以得到一低频信号,其中该第二倍频器1044的倍频数与第一倍频器1002相同;信号处理装置1046连接混频器1045,用于对混频后的低频信号进行处理,以得到第三光束的信息进行成像。
具体地,在一个应用例中,该接收天线1041可以接收第三光束,生成第三光束信号,当该发射天线发射的第一光束频率为600GHz(即0.6THz)时,该第三光束的频率也为600GHz。该基带信号源1042产生1MHz的低频基带信号,调制器1043获取发射器100的信号源1001产生的12.5GHz本振信号,将该1MHz的基带信号调制到该12.5GHz的本振信号上,形成12.501GHz的信号。第二倍频器1044的倍频数与该第一倍频器1002相同,均为48倍,则该12.501GHz的信号经过倍频后,可以得到600.048GHz的信号,其中该第二倍频器1044也可以采用多个倍频器串联的形式,其结构可以与第一倍频器1002相同,也可以不同,只要倍频数相同即可。由于低频信号处理方便,该混频器1045获取600.048GHz的信号和该600GHz的第三光束信号后,进行混频,可以得到48MHz的低频信号,该低频信号保留有第三光束的信息。该信号处理装置1046获取该48MHz的低频信号后,可以从该低频信号中提取相位信息和强度信息等,从而可以根据反映被检材料A结构的上述相位信息和强度信息构建被检材料A的三维图像,进而可以从三维图像中直观得到该被检材料A内部是否存在缺陷。
可选地,进一步参阅图3,该接收器104中,该信号处理装置1046包括:依次连接的正交信号(I/Q)解调器10461、模数转换器(A/D)10462、现场可编程门阵列(FPGA)10463以及成像电路10464。
该正交信号解调器10461用于将该低频信号进行解调;该模数转换器10462用于将解调后的低频信号转换为数字信号;该现场可编程门阵列10463用于采集该数字信号中的数据;成像电路10464用于利用采集到的数据构建被检材料A的三维图像。
具体地,在一个应用例中,由于数字信号处理较为简单方便,而混频后的低频信号是经过调制的模拟信号,该信号处理装置1046首先利用I/Q信号解调器10461将该低频信号进行解调后,利用A/D转换器10462将解调后的模拟低频信号转换为数字信号,再采用FPGA电路10463采集该数字信号中的数据(如相位和幅度信息),最后成像电路10464可以利用采集到的数据分析被检材料A的内部结构,最终构建被检材料A的三维图像。当然,在其他实施例中,该接收器104也可以直接连接一独立的成像装置,由该独立的成像装置根据该第三光束的信息构建被检材料A的三维图像。
本实施例中,利用太赫兹波段光发射器发射太赫兹频段的第一光束至无衍射器件,由无衍射器件将入射的第一光束汇聚成第二光束,利用扫描器件将第二光束以扫描方式反射到被检材料,并将被检材料反射的第三光束反射到聚光器件,由设置于聚光器件聚光区的接收器接收聚光器件汇聚的第三光束,以利用第三光束的信息构建被检材料的三维图像,从而利用无衍射器件,可以将第一光束汇聚成近似无衍射的第二光束,使得该第二光束在后续传播和扫描到被检测材料的过程中不发散、光场能量高度集中、中心亮斑尺寸小,进而使得扫描后利用第三光束的信息构建的被检材料的三维图像分辨率高,提高材料检测的精度,并且利用太赫兹频段光束的强穿透性和低光子能量的特性,可以穿透厚度较高的被检材料,且不损伤被检材料,实现无损检测。
如图4所示,本申请三维层析成像系统30第三实施例是在本申请三维层析成像系统第一实施例的基础上,进一步限定该扫描器件103为扫描振镜,包括第一振镜片1031和第二振镜片1032,该第一振镜片1031沿第一方向转动,第二振镜片1032沿垂直于第一方向的第二方向转动,以使得第二光束逐行或逐列扫描被检材料A。
其中,该第二光束的扫描方式可以是沿“Z”或“弓”字形扫描。该第一振镜片1031可以是行方向振镜,即该第一振镜片1031转动后,可以改变第二光束的出射方向,使得该第二光束在被检材料A表面的行方向上扫描;而该第二振镜片1032则是列方向振镜,即该第二振镜片1032转动后,可以改变第二光束的出射方向,使得该第二光束在被检材料A表面的列方向上扫描。
具体地,初始状态时,该第一振镜片1031和第二振镜片1032可以平行设置,开始逐行扫描时,该第一振镜片1031开始转动,该第二振镜片1032不动,扫描完一行后,该第二振镜片1032转动一定角度,第一振镜片1031不动,使得第二光束可以照射下一行,然后重复上述步骤,直至该被检材料A被扫描完毕。
当然,在其他实施例中,该第一振镜片1031可以是列方向振镜,该第二振镜片1032可以是行方向振镜,扫描方式也可以是逐列扫描,或者采用其他扫描方式,此处不做具体限定。
可选地,继续参阅图4,该聚光器件102也可以采用平面反射镜1022和聚光透镜1023组合形成,其中,该平面反射镜1022的反射面朝向该扫描器件103,该平面反射镜1022形成有一通孔1021,第一光束可以通过该通孔1021入射到扫描器件103,该扫描器件103反射的第三光束可以被该平面反射镜1022的反射面反射。该聚光透镜1023设置于该平面反射镜1022的反射区,即其反射的光线的出光侧,接收器104设置于该聚光透镜1023的聚光区(如焦点位置),该聚光透镜1023可以将该平面反射镜1022反射的第三光束汇聚到该接收器104,由接收器104接收后进行处理。
本实施例中的三维层析成像系统也可以与本申请三维层析成像系统第二实施例相结合。
如图5所示,本申请三维层析成像方法应用于本申请三维层析成像系统,该三维层析成像系统的具体结构可以参考本申请三维层析成像系统第一至第三任一实施例的结构。本实施例中,该三维层析成像方法包括:
S101:利用无衍射器件将入射的第一光束汇聚成第二光束。
S102:利用扫描器件将所述第二光束以扫描方式反射到被检材料,并将被检材料反射的第三光束反射到聚光器件。
其中,聚光器件设置于无衍射器件的出光侧,聚光器件上形成有通孔,第二光束通过该通孔射到扫描器件。
S103:利用接收器接收聚光器件汇聚的第三光束。
其中,接收器设置于聚光器件的聚光区。
S104:利用第三光束的信息构建被检材料的三维图像。
可选地,步骤S101之前,进一步包括:
S100:利用发射器发射第一光束至无衍射器件。
其中,该发射器设置于无衍射器件的入光侧,该第一光束可以是太赫兹频段的光束,频率不小于0.5THz。
可选地,如图6所示,步骤S100具体包括:
S1001:利用信号源产生频率小于第一光束频率的本振信号。
S1002:利用第一倍频器将该本振信号倍频为太赫兹频段的信号。
S1003:利用发射天线将该太赫兹频段的信号转变为准直的太赫兹频段的第一光束,并发射至太赫兹无衍射透镜。
可选地,步骤S101具体包括:
S1011:利用太赫兹无衍射透镜将第一光束汇聚成太赫兹频段的近似无衍射的第二光束。
可选地,步骤S102具体包括:
S1021:控制扫描振镜以扫描方式将穿过凹面镜上通孔的该第二光束反射到被检材料表面。
S1022:利用凹面镜将扫描振镜反射的第三光束汇聚到焦点区域。
其中,该焦点区域是以凹面镜焦点为中心的预设范围的区域。
可选地,步骤S103具体包括:
S1031:利用接收天线接收凹面镜反射的第三光束;
S1032:利用调制器将基带信号源产生的低频基带信号调制到本振信号上;
S1033:利用第二倍频器将调制后的信号倍频到太赫兹频段;
其中,该第二倍频器的倍频数与该第一倍频器相同。
S1034:利用混频器将倍频后的信号与接收的第三光束信号进行混频,得到一低频信号。
其中,该低频信号携带该第三光束的信息。
可选地,步骤S104具体包括:
S1041:利用信号处理装置将该低频信号进行处理,得到该第三光束的相位和强度信息,并根据该相位和强度信息分析该被检材料的结构,构建该被检材料的三维图像。
本实施例中,利用无衍射器件将入射的第一光束汇聚成第二光束;利用扫描器件将第二光束以扫描方式反射到被检材料,并将被检材料反射的第三光束反射到聚光器件,由设置于聚光器件聚光区的接收器接收聚光器件汇聚的第三光束,以利用第三光束的信息构建被检材料的三维图像,从而利用无衍射器件,可以将第一光束汇聚成近似无衍射的第二光束,使得该第二光束在后续传播和扫描到被检测材料的过程中不发散、光场能量高度集中、中心亮斑尺寸小,进而使得扫描后利用第三光束的信息构建的被检材料的三维图像分辨率高,提高材料检测的精度。
以上所述仅为本申请的实施方式,并非因此限制本申请的专利范围,凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本申请的专利保护范围内。