CN109883986B - 基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统及成像方法，分成光学系统和太赫兹系统，光学系统沿激光光路方向依次设有半导体激光器、激光缩束系统，X轴激光振镜、Y轴激光振镜；太赫兹系统沿太赫兹波的传播方向依次包括太赫兹连续波源、第一太赫兹透镜、硅基空间型太赫兹调制器、第二太赫兹透镜、太赫兹探测器。相较于太赫兹相干脉冲源，本系统采用的太赫兹连续波波源在操作上更加简便，成本更低，采用这两步法的太赫兹成像方法，分别采集了背景信息，和对待成像物体的成像信息，通过去除背景操作，对最终的成像效果进行优化，减弱了因太赫兹波的高斯分布特性而对太赫兹最终成像造成的影响。

Description

基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统及成像方法

技术领域

本发明属于太赫兹成像技术领域技术领域，尤其是一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统及成像方法。

背景技术

太赫兹(THz)波是频率范围为0.1THz-10THz(波长3000μm-30μm)的电磁波谱。太赫兹波具有带宽大、穿透性强、对人体无电离辐射以及对生物大分子具有特征谱线等波谱特性，这使得基于太赫兹波的成像技术在人体安检、缺陷检测以及医学诊断等领域具有广泛的应用前景。

根据太赫兹源的不同，可以将太赫兹主动成像分为两种，一种是基于太赫兹时域光谱技术的太赫兹相干成像系统，另一种是基于太赫兹连续波波源的非相干成像系统。第一种，其太赫兹波源发射的是脉冲式太赫兹波，功率较小，但是其波束的均匀性好，主要利用机械平移台来机械移动样品或探测器来进行扫描成像，是目前流行的成像系统。第二种，其太赫兹源发射的太赫兹波功率较高，可实现一定距离的成像，但是连续波的波束通常不够均匀，存在严重的高斯分布或者极化分布特性，会显著影响最终的成像效果。第二种利用太赫兹连续源的太赫兹成像系统成像距离较远，小巧灵活，成本较低，在多个领域都有很大的应用价值，越来越受到工业界的重视。不过太赫兹波束分布的不均匀性给系统带来了明显的背景噪声，虽然可以用太赫兹相机来进行预先探测并予以矫正，但是现有的太赫兹相机不但灵敏度不够高，而且成本较高，操作复杂，很难满足成像系统的实际需要。

在使用太赫兹连续源的太赫兹成像系统中，一种值得注意的成像方法是：基于空间型太赫兹调制器的太赫兹成像。这种方法是利用空间型太赫兹调制器对太赫兹波的空间调制特性，对透射的太赫兹波进行空间编码，再通过电脑算法来重构出太赫兹波的图像。制作空间型太赫兹调制器的材料中，硅作为半导体行业的主流材料，有着成熟的制作工艺，是一种重要的太赫兹调制器材料。其调制的原理是，以光控为主要手段，通过在硅中激发光生载流子层，形成对太赫兹波具有低透射的区域，从而进行空间调制。激光的操控速度明显比平移台的移动速度快得多，可以很大程度上提升成像的速度，也更加稳定。基于硅基空间型太赫兹调制器的太赫兹成像系统中，如果要得到较好的成像效果，就要对泵浦激光的质量有较高的要求，而泵浦光源主要有飞秒激光器和半导体激光器等。虽然飞秒激光具有激光功率高、均匀性好的优点，可以满足系统的要求，但是飞秒激光器价格昂贵，系统的成本会急剧增加，并且飞秒激光的操作难度较大，会增加系统的复杂性。而普通的半导体激光在价格上相对便宜，但存在激光的均匀性差的问题，其发射的激光容易出现高斯分布特性，使得成像的结果也呈现高斯分布的纹理特征，降低成像图像的精确度。同时系统对半导体激光的功率有要求，这也提升了对激光器的要求。

发明内容

由于太赫兹连续源发射出的太赫兹波具有一定的高斯分布特性，会给太赫兹成像系统带来较大影响的这一问题，以及基于硅基空间型太赫兹调制器的太赫兹成像系统，其对激光有着较高的要求，使得成本高昂、操作难度大的问题，本发明为解决上述技术问题，提供一种基于激光振镜的两步法太赫兹成像系统。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统，分成“光学系统”和“太赫兹系统”两个组成部分，“光学系统”沿激光光路方向依次设有半导体激光器1、激光缩束系统2，X轴激光振镜4、Y轴激光振镜5；“太赫兹系统”沿太赫兹波的传播方向依次包括太赫兹连续波源7、第一太赫兹透镜91、硅基空间型太赫兹调制器6、第二太赫兹透镜92、太赫兹探测器8；半导体激光器1产生的激光通过激光缩束系统进行缩束，激光缩束系统的光轴和半导体激光器1发出的激光光轴重合，被缩束后的激光光轴和X轴激光振镜4的转轴垂直相交，经过X轴激光振镜4反射的激光光轴和Y轴激光振镜5的转轴垂直相交，Y轴激光振镜5反射后的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面，

太赫兹连续波源7、第一太赫兹透镜91、硅基空间型太赫兹调制器6、第二太赫兹透镜92、太赫兹探测器8的中心轴线重合，太赫兹连续波源7的发射口位于第一太赫兹透镜91的焦点上，赫兹探测器8的接收口位于第二太赫兹透镜92的焦点上。

作为优选方式，半导体激光器1用于产生激光，激光缩束系统2用于将半导体激光器1产生的激光进行缩束，X轴激光振镜4用于将缩束后的激光反射到Y轴激光振镜5上，Y轴激光振镜5用于将反射到Y轴激光振镜5上的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面。

太赫兹连续波源7用于产生连续太赫兹波，第一太赫兹透镜91用于将产生的连续太赫兹波汇聚成平行太赫兹波，硅基空间型太赫兹调制器6用于对平行太赫兹波进行空间调制，第二太赫兹透镜92用于将调制后的太赫兹波进行聚焦，太赫兹探测器8用于接收探测聚焦后的太赫兹波。

作为优选方式，激光缩束系统包括第一长焦距光学透镜21、第二长焦距光学透镜22、短焦距光学透镜23，第一长焦距光学透镜21、第二长焦距光学透镜22、短焦距光学透镜23三者的中心轴线重合，沿光路方向第二长焦距光学透镜22的后焦点和短焦距光学透镜23的前焦点重合。

作为优选方式，还包括计算机，计算机用于采集太赫兹探测器8的探测信号并储存和计算，以及控制X轴激光振镜4和Y轴激光振镜5的转动角度。

作为优选方式，硅基空间型太赫兹调制器6上设有扫描点阵列，有扫描点阵列的范围覆盖第一太赫兹透镜91发出的汇聚后的平行太赫兹波的面积。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统的太赫兹单像素成像方法，包括如下步骤：

(1)、在硅基空间型太赫兹调制器6和第一太赫兹透镜91之间放置待成像物体11，通过如下步骤获得待成像物体11的图像数据A：

(1.1)半导体激光器1产生激光，激光缩束系统2将半导体激光器1产生的激光进行缩束，X轴激光振镜4将缩束后的激光反射到Y轴激光振镜5上，Y轴激光振镜5将反射到Y轴激光振镜5上的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面的第一扫描点位置，形成能够对太赫兹波进行调制的光生载流子区域，(1.2)太赫兹连续波源7产生连续太赫兹波，第一太赫兹透镜91将产生的连续太赫兹波汇聚成平行太赫兹波，硅基空间型太赫兹调制器6用于对平行太赫兹波进行空间调制，第二太赫兹透镜92将调制后的太赫兹波进行聚焦，太赫兹探测器8接收探测聚焦后的太赫兹波，储存并记录数据，(1.3)通过改变X轴激光振镜4和Y轴激光振镜5的转动角度，依次改变反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面的激光位置，重复步骤(1.2)得到每个扫描点位置的数据；得到对待成像物体11的太赫兹图像数据A。

(2)、去掉待成像物体11，重复步骤(1.1)、(1.2)、(1.3)得到包含太赫兹波背景信息的图像B；

将步骤(1)得到的图像数据A，除以通过步骤(2)得到图像数据B，得到消除太赫兹波背景后的太赫兹扫描图像数据C，根据图像数据C即可重构待成像物体11的实际太赫兹图像。

作为优选方式，所述图像数据A、图像数据B都为太赫兹探测器8探测到的数据构成的矩阵，矩阵的行和列分别由X轴激光振镜4和Y轴激光振镜5所确定的扫描点所确定。

作为优选方式，通过电脑控制X轴激光振镜4和Y轴激光振镜5的旋转角度，完成在硅基空间型太赫兹调制器6的表面的激光扫描，电脑对太赫兹探测器8接收到的信号数据进行储存和计算。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的基于激光振镜的太赫兹单像素扫描成像技术，将单像素太赫兹成像分成两个步骤。第一个步骤获得包含太赫兹波束背景信息和带成像物体信息的太赫兹信号，第二个步骤获得包含太赫兹波束背景信息的太赫兹信号。通过矩阵运算即可消除太赫兹波束背景信息,从而获得实际的待成像物体的太赫兹信号。并且由于第一步和第二步的操作区别只在于有无待成像物体，其他操作包括成像部件的位置等都完全一样，排除了系统误差。

(2)相较于太赫兹相干脉冲源，本系统因为可以消除太赫兹波束所携带的背景噪声，因此可以采用更加便宜、小巧、易于组装的的太赫兹连续波源。这将降低太赫兹成像系统的整机成本，提高系统集成度。

(3)本成像系统及其成像方法，采用了激光振镜的扫描功能来定义空间调制器件，这允许利用单像素的探测器即可实现高速成像，摆脱了对阵列探测器的需求，大幅度降低了系统成本。

(4)所述系统中因为采用了激光振镜的扫描功能，这允许对激光进行缩束，这步操作会提升激光的功率密度，降低系统对激光总功率的要求，使得系统可以不用昂贵的飞秒激光器，而可以采用激光功率较弱的激光器(例如常规的半导体激光器)，进一步降低了系统成本和集成度。

(5)所述系统中激光振镜的扫描速度最高可以达到64KHz，远远高过机械扫描的速度(大约30-50Hz)，这样可以提高成像速度达到1000倍以上。

附图说明

图1是本发明步骤(1)的待成像物体的太赫兹成像系统图；

图2是本发明步骤(2)的太赫兹波背景信息的太赫兹成像系统图；

图3是本发明步骤(1)得到的待成像物体的太赫兹成像灰值图；

图4是本发明步骤(2)得到的太赫兹波背景信息成像灰值图；

图5是本发明最终得到的去除太赫兹波背景信息的成像灰值图；

1为半导体激光器，2为激光缩束系统，21为第一长焦距光学透镜，22为第二长焦距光学透镜，23为短焦距光学透镜，4为x轴振镜，5为y轴振镜，6为硅基空间型太赫兹调制器，7为太赫兹连续波源，8为太赫兹探测器，91为第一太赫兹透镜，92为第二太赫兹透镜，10为计算机，11为待成像物体。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统，分成“光学系统”和“太赫兹系统”两个组成部分，“光学系统”沿激光光路方向依次设有半导体激光器1、激光缩束系统2，X轴激光振镜4、Y轴激光振镜5；“太赫兹系统”沿太赫兹波的传播方向依次包括太赫兹连续波源7、第一太赫兹透镜91、硅基空间型太赫兹调制器6、第二太赫兹透镜92、太赫兹探测器8。

半导体激光器1产生的激光通过激光缩束系统进行缩束，激光缩束系统的光轴和半导体激光器1发出的激光光轴重合，被缩束后的激光光轴和X轴激光振镜4的转轴垂直相交，经过X轴激光振镜4反射的激光光轴和Y轴激光振镜5的转轴垂直相交，Y轴激光振镜5反射后的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面，

太赫兹连续波源7、第一太赫兹透镜91、硅基空间型太赫兹调制器6、第二太赫兹透镜92、太赫兹探测器8的中心轴线重合，太赫兹连续波源7的发射口位于第一太赫兹透镜91的焦点上，赫兹探测器8的接收口位于第二太赫兹透镜92的焦点上。

半导体激光器1用于产生激光，激光缩束系统2用于将半导体激光器1产生的激光进行缩束，X轴激光振镜4用于将缩束后的激光反射到Y轴激光振镜5上，Y轴激光振镜5用于将反射到Y轴激光振镜5上的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面，

太赫兹连续波源7用于产生连续太赫兹波，第一太赫兹透镜91用于将产生的连续太赫兹波汇聚成平行太赫兹波，硅基空间型太赫兹调制器6用于对平行太赫兹波进行空间调制，第二太赫兹透镜92用于将调制后的太赫兹波进行聚焦，、太赫兹探测器8用于接收探测聚焦后的太赫兹波。硅基空间型调制器会利用光电导层对投射过来的太赫兹波进行空间编码；每次照射在硅基太赫兹调制器6上的激光都会在该照射区域内形成光生载流子层，吸收穿过该区域的太赫兹波，降低太赫兹波在该区域的透射率。与没有照射激光时候对比，每次照射激光后，太赫兹探测器8所采集的信号强度将会降低，而降低的太赫兹波信号强度值与投射在该区域的太赫兹波强度成正比。由于每次扫描照射的激光特征基本一致，所以每个区域所改变的太赫兹透射率将会保持一致。依次扫描完硅基太赫兹调制器6上的每一个区域后，通过组合从太赫兹探测器8上采集到的所有信号数据，就可以完成太赫兹成像；

激光缩束系统包括第一长焦距光学透镜21、第二长焦距光学透镜22、短焦距光学透镜23，第一长焦距光学透镜21、第二长焦距光学透镜22、短焦距光学透镜23三者的中心轴线重合，沿光路方向第二长焦距光学透镜22的后焦点和短焦距光学透镜23的前焦点重合。

本系统还包括计算机，计算机用于采集太赫兹探测器8的探测信号并储存和计算，以及控制X轴激光振镜4和Y轴激光振镜5的转动角度。完成在硅基空间型太赫兹调制器6的表面的激光扫描。

硅基空间型太赫兹调制器6上设有扫描点阵列，有扫描点阵列的范围覆盖第一太赫兹透镜91发出的汇聚后的平行太赫兹波的面积。

本实施例还提供一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统的太赫兹单像素成像方法，包括如下步骤：

(1)、在硅基空间型太赫兹调制器6和第一太赫兹透镜91之间放置待成像物体11，通过如下步骤获得待成像物体11的图像数据A：

(1.1)半导体激光器1产生激光，激光缩束系统2将半导体激光器1产生的激光进行缩束，X轴激光振镜4将缩束后的激光反射到Y轴激光振镜5上，Y轴激光振镜5将反射到Y轴激光振镜5上的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面的第一扫描点位置，形成能够对太赫兹波进行调制的光生载流子区域，(1.2)太赫兹连续波源7产生连续太赫兹波，第一太赫兹透镜91将产生的连续太赫兹波汇聚成平行太赫兹波，硅基空间型太赫兹调制器6用于对平行太赫兹波进行空间调制，第二太赫兹透镜92将调制后的太赫兹波进行聚焦，太赫兹探测器8接收探测聚焦后的太赫兹波，储存并记录数据，(1.3)通过改变X轴激光振镜4和Y轴激光振镜5的转动角度，依次改变反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面的激光位置，重复步骤(1.2)得到每个扫描点位置的数据；得到的太赫兹图像数据A如图3所示；

(2)、去掉待成像物体11，重复步骤(1.1)、(1.2)、(1.3)得到包含太赫兹波背景信息的图像B，其结果如图4所示；

将步骤(1)得到的图像数据A，除以通过步骤(2)得到的图像数据B对应点位置的数据，得到消除太赫兹波背景后的太赫兹扫描图像数据C。根据图像数据C即可重构待成像物体11的实际太赫兹图像，如图5所示；

所述图像数据A、图像数据B都为太赫兹探测器8探测到的数据构成的矩阵。矩阵的行和列分别由X轴激光振镜4和Y轴激光振镜5所确定的扫描点所确定。

本实例中，采用的是具有镂空十字架的金属板为待成像物体11，经过金属板之后的太赫兹波的波前图形为十字架形状。其实际成像的结果图如图3所示，虽然可以看出其图形类似一个十字架，但是由于高斯背景的影响，导致边缘的信号被淹没，使得尽管边缘的信号有调制，但是却不能显示出来。最后，将第一步和第二步得到的数据相除，消除高斯背景。实际得到的结果图如图5所示。可以看出，图5中能明显看到十字架的图像，与图3相对比，图5的效果更佳清晰，优化效果明显。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统，分成“光学系统”和“太赫兹系统”两个组成部分，“光学系统”沿激光光路方向依次设有半导体激光器（1）、激光缩束系统（2），X轴激光振镜（4）、Y轴激光振镜（5）；“太赫兹系统”沿太赫兹波的传播方向依次包括太赫兹连续波源（7）、第一太赫兹透镜（91）、硅基空间型太赫兹调制器（6）、第二太赫兹透镜（92）、太赫兹探测器（8）；

半导体激光器（1）产生的激光通过激光缩束系统进行缩束，激光缩束系统（2）的光轴和半导体激光器（1）发出的激光光轴重合，被缩束后的激光光轴和X轴激光振镜（4）的转轴垂直相交，经过X轴激光振镜（4）反射的激光光轴和Y轴激光振镜（5）的转轴垂直相交，Y轴激光振镜（5）反射后的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器（6）的表面，

太赫兹连续波源（7）、第一太赫兹透镜（91）、硅基空间型太赫兹调制器（6）、第二太赫兹透镜（92）、太赫兹探测器（8）的中心轴线重合，太赫兹连续波源（7）的发射口位于第一太赫兹透镜（91）的焦点上，太赫兹探测器（8）的接收口位于第二太赫兹透镜（92）的焦点上；

半导体激光器（1）用于产生激光，激光缩束系统（2）用于将半导体激光器（1）产生的激光进行缩束，X轴激光振镜（4）用于将缩束后的激光反射到Y轴激光振镜（5）上，Y轴激光振镜（5）用于将反射到Y轴激光振镜（5）上的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器（6）的表面；

太赫兹连续波源（7）用于产生连续太赫兹波，第一太赫兹透镜（91）用于将产生的连续太赫兹波汇聚成平行太赫兹波，硅基空间型太赫兹调制器（6）用于对平行太赫兹波进行空间调制，第二太赫兹透镜（92）用于将调制后的太赫兹波进行聚焦，太赫兹探测器（8）用于接收探测聚焦后的太赫兹波。

2.根据权利要求1所述的基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统，其特征在于：激光缩束系统包括第一长焦距光学透镜（21）、第二长焦距光学透镜（22）、短焦距光学透镜（23），第一长焦距光学透镜（21）、第二长焦距光学透镜（22）、短焦距光学透镜（23）三者的中心轴线重合，沿光路方向第二长焦距光学透镜（22）的后焦点和短焦距光学透镜（23）的前焦点重合。

3.根据权利要求1所述的基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统，其特征在于：还包括计算机，计算机用于采集太赫兹探测器（8）的探测信号并储存和计算，以及控制X轴激光振镜（4）和Y轴激光振镜（5）的转动角度。

4.根据权利要求1所述的基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统，其特征在于：硅基空间型太赫兹调制器（6）上设有扫描点阵列，扫描点阵列的范围覆盖第一太赫兹透镜（91）发出的汇聚后的平行太赫兹波的面积。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统的太赫兹单像素成像方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、在硅基空间型太赫兹调制器（6）和第一太赫兹透镜（91）之间放置待成像物体（11），通过如下步骤获得待成像物体（11）的图像数据A：

（1.1）半导体激光器（1）产生激光，激光缩束系统（2）将半导体激光器（1）产生的激光进行缩束，X轴激光振镜（4）将缩束后的激光反射到Y轴激光振镜（5）上，Y轴激光振镜（5）将反射到Y轴激光振镜（5）上的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器（6）的表面的第一扫描点位置，形成能够对太赫兹波进行调制的光生载流子区域，（1.2）太赫兹连续波源（7）产生连续太赫兹波，第一太赫兹透镜（91）将产生的连续太赫兹波汇聚成平行太赫兹波，硅基空间型太赫兹调制器（6）用于对平行太赫兹波进行空间调制，第二太赫兹透镜（92）将调制后的太赫兹波进行聚焦，太赫兹探测器（8）接收探测聚焦后的太赫兹波，储存并记录数据，（1.3）通过改变X轴激光振镜（4）和Y轴激光振镜（5）的转动角度，依次改变反射在硅基空间型太赫兹调制器（6）的表面的激光位置，重复步骤（1.2）得到每个扫描点位置的数据；得到对待成像物体（11）的太赫兹图像数据A；

（2）、去掉待成像物体（11），重复步骤（1.1）、（1.2）、（1.3）得到包含太赫兹波背景信息的图像数据B；

将步骤（1）得到的图像数据A，除以通过步骤（2）得到的图像数据B，得到消除太赫兹波背景后的太赫兹扫描图像数据C，根据图像数据C即可重构待成像物体（11）的实际太赫兹图像。

6.根据权利要求5所述的太赫兹单像素成像方法，其特征在于：所述图像数据A、图像数据B都为太赫兹探测器（8）探测到的数据构成的矩阵，矩阵的行和列分别由X轴激光振镜（4）和Y轴激光振镜（5）所确定的扫描点所确定。

7.根据权利要求5所述的太赫兹单像素成像方法，其特征在于：通过电脑控制X轴激光振镜（4）和Y轴激光振镜（5）的旋转角度，完成在硅基空间型太赫兹调制器（6）的表面的激光扫描，电脑对太赫兹探测器（8）接收到的信号数据进行储存和计算。

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