CN111398272B - 一种太赫兹波转镜连续成像方法及系统 - Google Patents

一种太赫兹波转镜连续成像方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波转镜连续成像方法，包括如下步骤：发射连续的太赫兹波，太赫兹波经反射镜反射后入射目标样品；多次调整反射镜方位改变太赫兹波在目标样品上的入射位置，采集不同入射位置对应的目标样品成像信号；对多次目标样品成像信号进行数据重建，得到太赫兹波扫描成像结果。本发明与现有技术相比，不需要太赫兹波发射器或目标样品进行移动，解决了传统的太赫兹连续波系统扫描成像时间长和系统体积大的问题，提高了扫描时的稳定性，实现了太赫兹成像技术在工业无损检测、生物医学检查领域的广泛应用。

Description

一种太赫兹波转镜连续成像方法及系统
技术领域
本发明属于太赫兹成像技术领域，更具体地，涉及一种太赫兹波转镜连续成像方法及系统。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10THz远红外波段的相干电磁辐射，因其处于电磁波谱中电子学向光子学过渡的特殊位置而具有透视性、安全性、光谱分辨率本领等独特的性质，具有非常重要的学术价值和应用前景。
目前的太赫兹成像技术主要分为脉冲式成像和连续波成像。一般而言，脉冲式成像的系统成本高（需要飞秒激光器作为泵浦源），体积大，成像速度慢。目前的太赫兹连续波扫描成像技术主要有光栅式扫描成像和合成孔径雷达成像两种，这些技术存在着成像速度慢、扫描时要求被测物/探测器进行大范围的平动位移等不足。这些不足导致太赫兹成像系统成像速度慢，系统体积大以及安全性差等问题。这些问题限制了太赫兹成像技术在工业无损检测、生物医学检查领域的广泛应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种太赫兹波转镜连续成像方法及系统，其目的在于用转镜来改变太赫兹波在目标样品上的扫描位置，由此解决成像速度慢、系统体积大的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种太赫兹波转镜连续成像方法，包括如下步骤：
发射连续的太赫兹波，太赫兹波经反射镜反射后入射目标样品；
多次调整反射镜方位改变太赫兹波在目标样品上的入射位置，采集不同入射位置对应的目标样品成像信号；
对多次目标样品成像信号进行数据重建，得到太赫兹波扫描成像结果。
优选地，所述调整反射镜方位改变太赫兹波在目标样品上的入射位置的具体实现方式是：首先转动反射镜使其轴线至预定方位角，此时太赫兹波在目标样品上的入射位置记为基准位置；再控制反射镜沿自身轴线周向转动，使得太赫兹波在目标样品上形成以基准位置为起止点的闭合轨迹。
优选地，所述反射镜的反射法线与轴线不平行。
优选地，对所述太赫兹波整型后再入射反射镜，所述整型获得的波束符合以下条件：在反射镜的波斑面积小于反射镜的收光面积，并且在目标样品的太赫兹波斑要尽可能地小。
优选地，太赫兹波转镜连续成像系统，包括：
太赫兹波发射器，用于发射连续的太赫兹波；
转镜机构，包括反射镜和转动模块，反射镜用于将太赫兹波反射至目标样品；转动模块用于调整反射镜方位从而改变太赫兹波在目标样品上的入射位置；
成像采集机构，用于采集不同入射位置对应的目标样品成像信号；
成像重建机构，用于对多次目标样品成像信号进行数据重建，得到太赫兹波扫描成像结果。
优选地，所述转动模块包括旋转台、第一旋转电机和第二旋转电机，所述反射镜设置于所述旋转台，所述第一旋转电机用于驱动所述反射镜沿自身轴线周向转动，以使得太赫兹波在目标样品上形成以基准位置为起止点的闭合轨迹；所述第二旋转电机用于驱动所述旋转台旋转，以使得太赫兹波在目标样品上的基准位置产生平移。
优选地，所述反射镜镜面具有倾斜角度。
优选地，还包括太赫兹波束整型镜，用于对所述太赫兹波整型后再入射反射镜。
优选地，所述成像采集机构包括太赫兹收光镜和太赫兹检波器，所述太赫兹收光镜用于汇聚目标样品反射或投射的太赫兹波，所述太赫兹检波器用于将汇聚的太赫兹波光信号转换为电信号得到目标成像信号，并将成像信号反馈至所述成像重建机构。
优选地，所述成像重建机构还用于向第一旋转电机和第二旋转电机发送旋转指令，所述旋转指令包括所述第一旋转电机驱动所述反射镜沿自身轴线旋转一周后所述第二旋转电机驱动所述旋转台旋转固定的角度，以使得太赫兹波在目标样品上的基准位置产生平移。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过多次调整反射镜方位改变太赫兹波在目标样品上的入射位置，采集不同入射位置对应的目标样品成像信号，将成像信号进行数据重建，得到太赫兹波连续扫描成像结果，不需要太赫兹波发射器或目标样品进行移动，解决了传统的太赫兹连续波系统扫描成像时间长和系统体积大的问题，提高了扫描时的稳定性，实现了太赫兹成像技术在工业无损检测、生物医学检查领域的广泛应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的实施例中扫描轨迹示意图；
图3是本发明的实施例中Delaunay三角重构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-太赫兹波发射器；2-太赫兹波束整型镜；3-转镜机构；4-载物台；5-太赫兹波收光镜；6-太赫兹检波器；7-成像重建机构。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
一种太赫兹波转镜连续成像方法，包括如下步骤：
发射连续的太赫兹波，太赫兹波经反射镜反射后入射目标样品；
多次调整反射镜方位改变太赫兹波在目标样品上的入射位置，采集不同入射位置对应的目标样品成像信号；
对多次目标样品成像信号进行数据重建，得到太赫兹波扫描成像结果。
更进一步的说明，所述调整反射镜方位改变太赫兹波在目标样品上的入射位置的具体实现方式是：首先转动反射镜使其轴线至预定方位角，此时太赫兹波在目标样品上的入射位置记为基准位置；再控制反射镜沿自身轴线周向转动，使得太赫兹波在目标样品上形成以基准位置为起止点的闭合轨迹。
更进一步的说明，所述反射镜的反射法线与轴线不平行。
更进一步的说明，对所述太赫兹波整型后再入射反射镜，所述整型获得的波束符合以下条件：在反射镜的波斑面积小于反射镜的收光面积，并且在目标样品的太赫兹波斑要尽可能地小。
如图1所示，太赫兹波转镜连续成像系统，包括：
太赫兹波发射器，用于发射连续的太赫兹波；转镜机构，包括反射镜和转动模块，反射镜用于将太赫兹波反射至目标样品；转动模块用于调整反射镜方位从而改变太赫兹波在目标样品上的入射位置；成像采集机构，用于采集不同入射位置对应的目标样品成像信号；成像重建机构，用于对多次目标样品成像信号进行数据重建，得到太赫兹波扫描成像结果。
在本发明的实施例中，太赫兹波发射器1发射的连续的太赫兹波通过转镜机构3将太赫兹波反射至固定于载物台4上的目标样品，采集不同位置方向的目标样品成像信号后，将成像信号反馈至重建机构，对目标样品的成像信号进行数据重建，得到太赫兹波扫描成像结果。为了更清楚的了解本发明的结构，图1为本发明的实施例的俯视图，可以从图中看出，太赫兹波发射器1和太赫兹检波器6位于转镜机构3的一侧，在太赫兹波发射器1和转镜机构3之间设置有太赫兹波束整型镜2，由于从太赫兹波发射器射出的太赫兹波在转镜机构3位置处的波斑比较大，因此需要对波束进行波束整型使得获得的波束符合以下条件：在反射镜位置的波斑大小小于反射镜的收光面积以被反射镜完整地接收，并且在目标样品成像区域位置的太赫兹波波斑要尽可能地小（无限接近衍射极限），以达到成像更加清晰的目的。在载物台4和太赫兹检波器6之间设置有太赫兹收光镜5，本实施例中，太赫兹检波器6和太赫兹收光镜5组成了成像采集机构，太赫兹收光镜用于汇聚目标样品反射或投射的太赫兹波，所述太赫兹检波器用于将汇聚的太赫兹波光信号转换为电信号得到目标成像信号，并将成像信号反馈至所述成像重建机构。由于太赫兹检波器无法接收所有角度的成像信号，所以设置太赫兹收光镜5方便使太赫兹检波器采集不同入射位置对应的目标样品的成像信号。
更进一步的说明，所述转动模块包括旋转台、第一旋转电机和第二旋转电机，所述反射镜设置于所述旋转台，所述第一旋转电机用于驱动所述反射镜沿自身轴线周向转动，以使得太赫兹波在目标样品上形成以基准位置为起止点的闭合轨迹；所述第二旋转电机用于驱动所述旋转台旋转，以使得太赫兹波在目标样品上的基准位置产生平移。本发明的实施例中，反射镜安装于所述旋转台上，在系统工作时，反射镜由第一旋转电机驱动沿自身轴线周向转动，如图1中较长箭头所示的转动方向，当然不仅限于箭头所指出的转动方向，反向转动也可实现。在反射镜旋转的同时，第二旋转电机驱动旋转台旋转一个固定的角度，以使得太赫兹波在目标样品上的基准位置产生平移，如图1中较短箭头所示的旋转方向，同样不仅限于箭头所指出的旋转方向，反向旋转也可实现。
更进一步的说明，所述反射镜镜面具有倾斜角度。本发明的实施例中，所述反射镜的镜面具有倾斜角度，其角度范围是0～90°，优选实施例的最佳角度范围为5°～20°，角度越大，系统的扫描范围就越大，但是成像精度也会相应下降。反射镜的材料可以为光敏树脂、玻璃或者金属中的一种，根据不同环境的需要，选择反射镜的制作材料。
更进一步的说明，还包括太赫兹波束整型镜，用于对所述太赫兹波整型后再入射反射镜。
更进一步的说明，所述成像重建机构还用于向第一旋转电机和第二旋转电机发送旋转指令，所述旋转指令包括所述第一旋转电机驱动所述反射镜沿自身轴线旋转一周后所述第二旋转电机驱动所述旋转台旋转固定的角度，以使得太赫兹波在目标样品上的基准位置产生平移。需要说明的是，第一旋转电机和第二旋转电机由成像重建机构发出的指令进行控制，并且第一旋转电机和第二旋转电机的旋转方向可以任意设置，无论旋转方向如何变化，都不会影像成像结果。为了更好的理解系统的成像过程以及转镜机构的运动轨迹，图2提供了本发明的实施例中太赫兹波扫描目标样品的轨迹示意图，以此清晰的解释反射镜和旋转台的运动规律。如图2所示，可知太赫兹波扫描目标样品的轨迹由成像重建机构控制第一旋转电机和第二旋转电机，从而驱动反射镜和旋转台来完成对目标样品的扫描。系统工作时，第一旋转电机驱动反射镜周向转动一周，由于反射镜镜面具有倾斜角度，太赫兹波对目标样品的扫描轨迹为一个椭圆轨迹，当转到起点时，此时第二旋转电机驱动旋转台旋转一个固定的角度。这里需要说明的是，所述固定的角度是根据目标样品的尺寸大小来决定，为了使成像更加清晰，下系统运行前，根据目标样品输入相应的扫描参数，包括扫描范围以及扫描精度等，系统会根据输入的扫描参数自动生成旋转台旋转的角度。当旋转台旋转一个角度的同时，反射镜仍旧继续周向转动，此时便从起点位置形成另外一个椭圆形的轨迹。周而复始，从目标样品的一端扫描到目标样品的另一端，完成成像前的扫描工作。需要说明的是，由于不限定反射镜和旋转台的旋转方向，图2中的扫描轨迹的起始方向可以为目标样品的任意一端开始，形成的扫描轨迹也就可以从图2中的任意一端开始。
本发明的一个实施例中，目标样品为60㎜*80㎜大小的区域，其中太赫兹波束整型镜为高分子聚合物透镜，其孔径光阑为3英寸，焦距为75㎜。太赫兹波收光镜也为高分子聚合物透镜，其孔径光阑为4英寸，焦距为100㎜。太赫兹波发射器的输出中心频率为300GHz，其输出功率为2mW。反射镜的收光口（直径）为2英寸，载物台与反射镜的距离为200㎜。这里需要说明的是，载物台和反射镜的距离不为固定距离，根据目标样品区域的大小可以任意调整载物台和反射镜之间的距离，目标样品的区域越大，则载物台和反射镜之间的距离越远，反之则越近。由于目标样品的区域大小为60㎜*80㎜，所以将载物台与反射镜之间的距离设置为200mm，可以使目标样品达到最佳的成像效果，此距离为最佳的扫描距离。使用Labview变成语言编写成像重建机构的程序，成像重建机构分别引入第一旋转电机和第二旋转电机的旋转角度反馈，通过记录第一旋转电机和第二旋转电机的运动脉冲信号来判断反射镜和旋转台的实时旋转角度，从而在所需要采集的点记录下对应的扫描数据。扫描目标样品前，将目标样品固定于载物台上，打开Labview程序控制面板，输入相应的扫描参数，包括扫描范围以及扫描精度等，并运行程序。有太赫兹波发射器发出的太赫兹连续波通过太赫兹波束整型镜进行波束整型，这里需要说明的是，整型后所得的太赫兹波束符合以下条件：在反射镜位置的波斑大小要小于反射镜的收光面积以被反射镜完整地接收。成像重建模块向第一旋转电机和第二旋转电机发送旋转指令，反射镜将整型后的太赫兹波反射至目标样品上进行连续扫描，以获得成像信号，成像重建模块对多次目标样品成像信号进行数据重建，得到太赫兹波扫描成像结果。需要说明的是，本发明的实施例中，使用Delaunay三角重构得到目标样品的太赫兹图像，如图3所示。本发明所述的方法对一个60㎜*80㎜大小的目标样品进行扫描成像花费的时间在30秒以内，而光栅式扫描成像方式的太赫兹波成像系统对同样大小的区域进行扫描成像所花费的时间接近30分钟。
所述数据重建可采用Delaunay三角重构、多普勒算法、Chirp Scaling算法、Ω-k算法、SPECAN算法等中的任何一种方法并且通过MATLAB仿真进行图像重构。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太赫兹波转镜连续成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
发射连续的太赫兹波，太赫兹波经反射镜反射后入射目标样品，所述反射镜镜面具有倾斜角度，且所述反射镜的反射法线与轴线不平行；
转动反射镜使其轴线至预定方位角，此时太赫兹波在目标样品上的入射位置记为基准位置，再控制反射镜沿自身轴线周向转动，使得太赫兹波在目标样品上形成以基准位置为起止点的闭合轨迹，多次调整反射镜方位改变太赫兹波在目标样品上的入射位置，采集不同入射位置对应的目标样品成像信号；
对多次目标样品成像信号进行数据重建，得到太赫兹波扫描成像结果。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波转镜连续成像方法，其特征在于，对所述太赫兹波整型后再入射反射镜，所述整型获得的波束符合以下条件：在反射镜的波斑面积小于反射镜的收光面积，并且在目标样品的太赫兹波斑无限接近衍射极限。
3.一种实现权利要求1或2所述方法的太赫兹波转镜连续成像系统，其特征在于，包括：
太赫兹波发射器，用于发射连续的太赫兹波；
转镜机构，包括反射镜和转动模块，反射镜用于将太赫兹波反射至目标样品；转动模块用于调整反射镜方位从而改变太赫兹波在目标样品上的入射位置；
成像采集机构，用于采集不同入射位置对应的目标样品成像信号；
成像重建机构，用于对多次目标样品成像信号进行数据重建，得到太赫兹波扫描成像结果。
4.根据权利要求3所述的太赫兹波转镜连续成像系统，其特征在于，所述转动模块包括旋转台、第一旋转电机和第二旋转电机，所述反射镜设置于所述旋转台，所述第一旋转电机用于驱动所述反射镜沿自身轴线周向转动，以使得太赫兹波在目标样品上形成以基准位置为起止点的闭合轨迹；所述第二旋转电机用于驱动所述旋转台旋转，以使得太赫兹波在目标样品上的基准位置产生平移。
5.根据权利要求4所述的太赫兹波转镜连续成像系统，其特征在于，所述反射镜镜面具有倾斜角度。
6.根据权利要求3或4所述的太赫兹波转镜连续成像系统，其特征在于，还包括太赫兹波束整型镜，用于对所述太赫兹波整型后再入射反射镜。
7.根据权利要求3或4所述的太赫兹波转镜连续成像系统，其特征在于，所述成像采集机构包括太赫兹收光镜和太赫兹检波器，所述太赫兹收光镜用于汇聚目标样品反射或投射的太赫兹波，所述太赫兹检波器用于将汇聚的太赫兹波光信号转换为电信号得到目标成像信号，并将成像信号反馈至所述成像重建机构。
8.根据权利要求4所述的太赫兹波转镜连续成像系统，其特征在于，所述成像重建机构还用于向第一旋转电机和第二旋转电机发送旋转指令，所述旋转指令包括所述第一旋转电机驱动所述反射镜沿自身轴线旋转一周后所述第二旋转电机驱动所述旋转台旋转固定的角度，以使得太赫兹波在目标样品上的基准位置产生平移。
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