CN113064283B - 一种用于太赫兹频段的匀光棱镜结构及其成像方法 - Google Patents

Abstract

一种用于太赫兹频段的匀光棱镜结构及其成像方法，涉及太赫兹照明领域，包括不同面型的匀光棱镜，面型为非球面柱面或者非球面圆锥面，其中不同面型的匀光棱镜为非球面柱面棱镜或非球面圆锥面棱镜，单个非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形后出射得到光强均匀分布的线形光斑，单个非球面圆锥面棱镜对高斯圆斑整形后出射得到光强均匀分布的圆形光斑。两个正交的非球面柱面棱镜组合，出射光斑为一条以一定角度发散、强度分布趋于均匀化的平顶光。本发明利用简易匀光棱镜的方法实现对太赫兹波段高斯光束的整形，该棱镜不仅可以实现圆形的平顶光还可以实现线形分布和矩形分布的平顶光，为实现高质量、快速的太赫兹安检人体成像与无损检测提供了一种可能性。

Description

一种用于太赫兹频段的匀光棱镜结构及其成像方法

技术领域

本发明涉及太赫兹照明领域，特别是一种用于无损检测和人体安检的太赫兹频段的匀光棱镜。

背景技术

由于太赫兹(Terahertz，简称THz)波可以穿透塑料、纸张、衣服等非金属和非极性物质，且与X辐射相比具有较低的光子能量，对人体几乎没有危害，此外，相对于毫米波具有更高的空间分辨率，使得太赫兹成像技术在无损检测、人体安检等众多领域均展现了广阔的应用前景。

太赫兹主动式成像的过程是由成像系统发出的太赫兹波照射到目标上，目标把含有自身振幅和相位的太赫兹波信号反射回系统，转换为电信号形成目标的太赫兹反射图像，根据图像的形状和灰度值来提取目标的特征信息。目前利用太赫兹进行无损检测和安检的成像系统，大部分利用聚焦的太赫兹光斑对目标进行点扫描，并配合点探测器完成信号采集从而实现对整个目标的探测成像，由于每次只能测量目标平面的一个点，要想得到完整图像必须进行二维机械扫描，不仅结构复杂而且成像时间也较长，难以在实际场景中应用。另外，由于目前太赫兹辐射源所辐射的太赫兹波在自由空间中是按照高斯光束特性传播的，其中间能量大，周围能量低，如果没有采取准直或者聚焦措施，那么辐射源发出的波束就会急剧的发散，光斑强度也会以高斯分布的形式急剧下降，因而辐射到人体上的太赫兹波会随传播距离的增加强度分布更加不均匀，最终将会导致同一物体放置于不同位置时成像结果对比度不一致的现象，成像质量较差。

鉴于上述问题，需将高斯光束转化为能量均匀分布的平顶光束，以消除照明光强分布不均匀对成像质量的不良影响，在此基础上还能实现太赫兹辐射源大面积光斑直接照射目标的快速成像。但是传统的光阑拦截法能量损失严重，适用于太赫兹波段的液晶空间光调制器造价又十分昂贵，而非球面透镜组加工困难、使用起来又较为复杂，因此本发明提出利用匀光棱镜的方法来实现太赫兹波段高斯光束的整形，该系统结构简单、成本低廉、易于实现、能量损失较小，且该棱镜不仅可以实现圆形的平顶光还可以实现线形分布和矩形分布的平顶光。

发明内容

由于在主动式太赫兹安检成像和无损检测系统中，辐射源辐射光斑的强度分布对成像质量存在不可忽视的影响。针对这一情况，本发明设计了一种太赫兹波段的匀光棱镜，实现将入射高斯分布的光束转化为能量均匀分布的平顶光束，为太赫兹安检成像和无损检测系统性能的完善提供了一种新思路。

本发明在已知主动式太赫兹成像系统中辐射源辐射特性的基础上，对匀光棱镜进行结构设计，优化设计方案。本发明的光束整形系统基于光的折射原理，当尺寸较小的太赫兹高斯圆斑经过该匀光棱镜时，由于棱镜表面曲率不同对不同位置光束聚焦程度不同，出射光斑在该方向上为一条以一定角度发散、而未聚焦方向宽度仍为入射光斑尺寸的线型光斑。当改变棱镜面型或者组合棱镜使用时还可以实现以一定角度发散的圆形分布的平顶光和矩形分布的平顶光。本发明致力于一种折射式光束整形棱镜，为实现高质量的太赫兹安检人体成像以及无损检测提供了一种可能性。

本发明采用的技术方案是：

一种用于太赫兹频段的匀光棱镜结构，至少包括不同面型的匀光棱镜，面型为非球面柱面或者非球面圆锥面，其中不同面型的匀光棱镜为非球面柱面棱镜或非球面圆锥面棱镜，所述的单个非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形后出射得到光强均匀分布的线形光斑，所述的单个非球面圆锥面棱镜对高斯圆斑整形后出射得到光强均匀分布的圆形光斑。

包括两个正交的非球面柱面棱镜组合，两个正交的非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形后出射得到光强均匀分布的矩形光斑。

本发明单个非球面柱面棱镜对入射高斯圆斑整形后出射得到光强在一个方向上均匀分布的线形光斑。该单个非球面柱面棱镜出射光斑为一条以一定角度发散、强度分布趋于均匀化的平顶光。

本发明两个正交放置的非球面柱面棱镜对入射高斯圆斑整形后出射得到光强在两个方向上都均匀分布的矩形光斑。

对于一般的曲面面型，可以由下式描述，其中c为曲率(半径所对应的)，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k为圆锥系数。圆锥系数对于双曲线小于-1，对于抛物线为-1，对于椭圆为-1到0之间，对于球面为0。当曲面的曲率半径和圆锥系数不同时，匀光棱镜顶端的局部面型曲线形状不同，会实现不同的匀光效果。

本发明对辐射源辐射的太赫兹波准直后的高斯圆斑进行整形。匀光棱镜的材料为高密度聚乙烯或者聚四氟乙烯等太赫兹波高透的材料。面型可以为非球面柱面或者非球面圆锥面。

本发明的效果是：

本发明利用简易匀光棱镜的方法实现对太赫兹波段高斯光束的整形，该系统相较于非球面透镜组、太赫兹波段的液晶空间光调制器、微透镜阵列等常见匀光器件，结构简单、成本低廉、易于实现，且该棱镜不仅可以实现圆形的平顶光还可以实现线形分布和矩形分布的平顶光，为实现高质量、快速的太赫兹安检人体成像和无损检测提供了一种可能性。

附图说明

图1为匀光棱镜结构示意图。表征匀光棱镜的参数有入射光斑直径、出射扇形角、棱镜直径

棱镜厚度H。由于所述棱镜对入射光斑的尺寸有一定的要求，或大或小都会影响出射光线在目标位置的均匀性，因此针对不同的实际使用需求，需要设计适用于不同入射光斑直径以及不同出射扇形角的匀光棱镜。

图2为非球面柱面棱镜、非球面圆锥面棱镜的外观图。图2(a)所示为单个非球面柱面棱镜，当入射光接触到该棱镜的第一面后会在棱镜内快速的聚焦，造成光束的发散角非常大，使得在像平面会有线形的效果；而由于第一面只有一个方向具有非球面曲率，在此方向上的出射光束直径就会等于在像平面的有效宽度。因此使用单个非球面柱面棱镜对入射高斯圆斑整形后出射可以得到光强在一个方向上均匀分布的线形光斑。本发明所述非球面柱面棱镜选取面型为柱面，对应圆锥系数k<-1。图2(b)所示为单个非球面圆锥面棱镜，由于该棱镜在所有方向上都具有非球面曲率，因此入射高斯圆斑在XOY面内的所有方向都会被快速聚焦，造成光束的发散角非常大，使得在像平面会有圆形的效果。因此使用单个非球面圆锥面棱镜对入射高斯圆斑整形后出射得到光强均匀分布的圆形光斑。本发明所述非球面圆锥面棱镜选取面型为标准面，对应圆锥系数k<-1。

图3为单个非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形的光路示意图。图3中(a)、(b)是不同视角下波束在Z方向传播的计算机模拟图，即三维图像中不同面的剖视图，用于描述非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形的光路，该图反映了出射波束在X、Y方向有不同发散程度以及是否均匀化的特性。

图4为两个正交放置的非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形的光路示意图。两非球面柱面棱镜参数大体一致，只有圆锥系数k和径向曲率c略有差别。图4中(a)、(b)是不同视角下波束在Z方向传播的计算机模拟图，即三维图像中不同面的剖视图，用于描述两个正交放置的非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形的光路，该图反映了出射波束在X、Y方向大体一致的发散程度以及均匀化程度的特性。

图5为单个非球面圆锥面棱镜对高斯圆斑整形的光路示意图。图5中(a)、(b)是不同视角下波束在Z方向传播的计算机模拟图，即三维图像中不同面的剖视图，用于描述非球面圆锥面棱镜对高斯圆斑整形的光路，该图反映了出射波束在X、Y方向有相同的发散程度以及均匀化程度的特性。

图6为太赫兹人体安检成像系统中匀光棱镜的装置示意图。所述匀光棱镜系统3应用于太赫兹人体安检成像系统中，且是安检成像系统的前端。辐射源1用于产生太赫兹波，且该波在自由空间中按照高斯光束特性传播，经准直透镜2准直后入射到匀光棱镜中，出射光在目标距离附近即可得到高质量的所需形状的平顶光，从而实现对人体进行强度均匀的太赫兹辐射。其中辐射源有多种选择，例如：辐射喇叭天线、阵列天线、波导缝隙天线等，对此本发明不做限制。

具体实施方式

实施例1，单个非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形

图3为单个非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形的光路示意图。图3中(a)、(b)是不同视角下波束在Z方向传播的计算机模拟图，即三维图像中不同面的剖视图，用于描述非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形的光路，该图反映了出射波束在X、Y方向有不同发散程度以及是否均匀化的特性。图3(a)为XOZ面剖视图,即X方向整形示意图，由于棱镜表面曲率都是一样的，因此出射光斑宽度仍为入射光斑尺寸，光斑强度分布也还是高斯分布。图3(b)为YOZ面剖视图,即Y方向整形示意图，由于棱镜表面曲率不同对入射高斯圆斑不同位置处聚焦程度不同，因此出射光斑为一条以一定角度发散、强度分布趋于均匀化的平顶光。上述单个非球面柱面棱镜实现了对入射高斯圆斑整形后出射得到光强在一个方向上均匀分布的线形光斑。

实施例2，两个正交放置的非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形

图4为两个正交放置的非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形的光路示意图。两非球面柱面棱镜参数大体一致，只有圆锥系数k和径向曲率c略有差别。图4中(a)、(b)是不同视角下波束在Z方向传播的计算机模拟图，即三维图像中不同面的剖视图，用于描述两个正交放置的非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形的光路，该图反映了出射波束在X、Y方向大体一致的发散程度以及均匀化程度的特性。图4(a)为XOZ面剖视图,即X方向整形示意图，经过第一个棱镜后出射光斑宽度仍为入射光斑尺寸，光斑强度分布仍然为高斯分布，经过第二个棱镜后出射光斑为一条以一定角度发散、强度分布趋于均匀化的平顶光。图4(b)为YOZ面剖视图,即Y方向整形示意图，经过第一个棱镜后出射光斑为一条以一定角度发散、强度分布趋于均匀化的平顶光，经过第二个棱镜后出射光斑强度分布基本不变，但是由于第二个棱镜出射面折射的作用，出射光斑为一条发散角略有增大的平顶光。上述两个正交放置的非球面柱面棱镜实现了对入射高斯圆斑整形后出射得到光强在两个方向上都均匀分布的矩形光斑。特别提醒，得到的矩形光斑形状会略有畸变，这不仅与棱镜的尺寸有关，还与两个棱镜之间距离有关，然而棱镜的厚度H决定了两个棱镜之间的最小距离，第一个棱镜的厚度H越小，畸变也就相对小一些。

实施例3，单个非球面圆锥面棱镜对高斯圆斑整形

图5为单个非球面圆锥面棱镜对高斯圆斑整形的光路示意图。图5中(a)、(b)是不同视角下波束在Z方向传播的计算机模拟图，即三维图像中不同面的剖视图，用于描述非球面圆锥面棱镜对高斯圆斑整形的光路，该图反映了出射波束在X、Y方向有相同的发散程度以及均匀化程度的特性。图5(a)为XOZ面剖视图,即X方向整形示意图，由于棱镜表面曲率不同对入射高斯圆斑不同位置处聚焦程度不同，因此出射光斑为一条以一定角度发散、强度分布趋于均匀化的平顶光。图5(b)为YOZ面剖视图,即Y方向整形示意图，由于棱镜表面曲率与XOZ剖面一致，所以出射光斑在Y方向整形效果与X方向相同。上述单个非球面圆锥面棱镜实现了对入射高斯圆斑整形后出射得到光强均匀分布的圆形光斑。

实施例4，

为了更清楚的描述本发明波束的整形过程，本实施例优选了辐射源辐射太赫兹波后的整形过程，具体整形过程如下:

辐射源辐射太赫兹波束，该波束在自由空间中按照高斯光束特性传播，经准直透镜2准直后以8mm的直径入射到匀光棱镜中。因为辐射源有多种选择，因此在本实施例中对准直透镜的面型、尺寸、个数也不做限定，匀光棱镜最后一面中心和目标物面中心的直线距离为25mm。经过准直处理的太赫兹波束传播至匀光棱镜，匀光棱镜对该波束进行整形处理，在目标物面呈现出强度均匀分布的平顶光。本实施例中匀光棱镜的口径为20mm×20mm。结合实际的使用需求可以增大匀光棱镜的口径以及目标物面的距离。

上述实施例均可结合准直透镜对整形后的均匀光斑进行准直，从而实现更远距离的成像。

基于上述实施例，在本发明另一实施例中公开了一种太赫兹人体安检成像系统。该系统包括上述实施例中的匀光系统和成像器件。其中，匀光系统和上述实施例中相同，在此不做阐述。成像器件包括：太赫兹源、太赫兹成像透镜、太赫兹探测器与太赫兹探测器连接的图像处理装置。太赫兹探测器用于接收反射的太赫兹波信号，并输出太赫兹波幅度信息。利用基于区域相关的拼接算法或基于特征相关的拼接算法，最终合成一副待检人员的太赫兹波反射图像。该反射图像表征人体或其它物品各部位太赫兹波的辐射强度。例如，人在所穿的衣物中藏有枪支、刀具等物品时，物品所在位置的太赫兹波辐射强度与人体其他部位存在强弱对比，在反射图像上表现为灰度差异，实现对隐蔽物品的检测。

在本实施例中，该主动式太赫兹人体安检成像系统通过匀光系统对太赫兹波束先进行均匀化处理再将大面积光斑直接辐射到人体上，人体反射或散射的太赫兹波信号经过太赫兹成像透镜收集，最后被太赫兹探测器接收形成反射图像，使得该安检成像系统的反射图像对比度以及分辨率相比现有技术更加高,成像结果受物体摆放位置的影响更小，成像速度更快。同时，该安检成像系统使用了太赫兹波束，使得该系统能高效检测一些潜在的非金属隐匿违禁品、危险物品等，并且相比现有技术中X射线等辐射性安检设备更加安全。

Claims (6)

1.一种用于太赫兹频段的匀光棱镜的成像方法，其特征是：匀光棱镜结构至少包括不同面型的匀光棱镜，面型为非球面柱面或者非球面圆锥面，其中不同面型的匀光棱镜为非球面柱面棱镜或非球面圆锥面棱镜，所述的单个非球面柱面棱镜对高斯圆斑整形后出射得到光强均匀分布的线形光斑，所述的单个非球面圆锥面棱镜对高斯圆斑整形后出射得到光强均匀分布的圆形光斑；

所述非球面柱面棱镜包括两个正交的非球面柱面棱镜组合，两个正交的非球面柱面棱镜参数大体一致；两个正交放置的非球面柱面棱镜对入射高斯圆斑整形后出射得到光强在两个方向上都均匀分布的矩形光斑,且两个方向上的均匀化程度大体一致；棱镜材料为高密度聚乙烯或者聚四氟乙烯对太赫兹波高透的材料；

辐射源发射太赫兹波束，该波束在自由空间中按照高斯光束特性传播，经准直透镜准直后以8mm的直径入射到匀光棱镜中，匀光棱镜最后一面中心和目标物面中心的直线距离为25mm，经过准直处理的太赫兹波束传播至匀光棱镜，匀光棱镜对该波束进行整形处理，在目标物面呈现出强度均匀分布的平顶光，其中匀光棱镜的口径为20mm×20mm。

2.根据权利要求1所述的用于太赫兹频段的匀光棱镜的成像方法，其特征是：单个非球面柱面棱镜对入射高斯圆斑整形后出射得到光强在一个方向上均匀分布的线形光斑。

3.根据权利要求1所述的用于太赫兹频段的匀光棱镜的成像方法，其特征是：单个非球面柱面棱镜出射光斑为一条以一定角度发散、强度分布趋于均匀化的平顶光。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于太赫兹频段的匀光棱镜的成像方法，其特征是：曲面面型由下式描述，

其中c为曲率，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k为圆锥系数， 圆锥系数对于双曲线小于-1，对于抛物线为-1，对于椭圆为-1到0之间，对于球面为0。

5.根据权利要求4所述的用于太赫兹频段的匀光棱镜的成像方法，其特征是：当曲面的曲率半径和圆锥系数不同时，匀光棱镜顶端的局部面型曲线形状不同，会实现不同的匀光效果。

6.一种权利要求1-5任一项所述的用于太赫兹频段的匀光棱镜的成像方法在太赫兹人体安检成像系统中的应用。

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