CN113253469A - 一种用于太赫兹频段的匀光系统及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于太赫兹频段的匀光系统及其成像方法，涉及太赫兹照明领域，包括前后放置的非球面微透镜阵列和非球面聚焦透镜，非球面微透镜阵列为平面复眼透镜阵列，其子透镜孔径为矩形或者六角形，非球面微透镜阵列为复眼结构，前后表面均为微透镜阵列，后表面微透镜阵列位于前表面微透镜阵列的像方焦面处，前表面的每个微透镜将入射的光束分割为许多尺寸相同的子光束，每个子光束都会聚在后表面的微透镜阵列上，后表面的微透镜阵列起到场镜的作用，以形成远心光路，最终对高斯圆形光斑整形后得到光强均匀分布的太赫兹光斑。该匀光系统不仅可以实现任意形状的平顶光，还为实现高质量、快速的太赫兹安检人体成像和无损检测提供了新的技术途径。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹照明领域，特别是一种用于人体安检和无损检测的太赫兹频段的匀光系统。
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，而相对于毫米波则具有更高的空间分辨率，这使得太赫兹成像技术在人体安检和无损检测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太赫兹波照射到待测目标上，待测目标把含有振幅和相位信息的太赫兹波信号反射回探测系统，通过将其转换为电信号最终形成待测目标的太赫兹图像，根据图像的形状和灰度差异来提取待测目标的特征信息。目前利用太赫兹进行人体安检和无损检测的成像系统，大部分使用聚焦后的太赫兹光斑对目标进行点照明扫描，并配合点探测器完成信号的采集，从而实现对整个待测目标的探测成像。由于每次只能测量待测目标平面的一个点，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较长，难以在实际场景中应用。而当使用线阵或者面阵探测器进行太赫兹波的探测时，则不需要二维扫描，在这种情况下可以将太赫兹波大面积地照射到待测目标上，因此可以大大缩短成像时间。尽管如此，整体成像质量仍受限于目前太赫兹源所辐射太赫兹波的传播方式，即在自由空间中按照高斯光束特性传播，其中间能量大、周围能量低。随着传播距离的增加，辐射源发出的太赫兹波束就会急剧的发散，光斑强度也会以高斯分布的形式快速下降。当使用准直系统对发散的太赫兹波进行准直时，虽然太赫兹波能够被约束在一定的传播方向上，但是由于其所具有的高斯能量分布，其照射到待测目标上时仍然存在光束中心强度大、周围强度低的情况，这将导致同一待测目标放置于不同位置或者待测目标的不同区域反射回的太赫兹波强度不一致；而这种不一致是由照明太赫兹波本身强度分布不均匀所导致的，并不是由待测目标本身对太赫兹波的反射特性所决定。
鉴于上述问题，需将高斯分布的太赫兹光束转化为能量均匀分布的平顶太赫兹光束，以消除照明用太赫兹波强度分布不均匀对成像质量的不良影响，从而在此基础上实现太赫兹辐射源大面积光斑直接照射待测目标的快速成像。由于传统的光阑拦截法能量损失严重而且相对于太赫兹的波长来说衍射影响较大，适用于太赫兹波段的液晶空间光调制器造价又十分昂贵，而非球面透镜组使用起来又较为复杂，因此本发明提出利用非球面微透镜阵列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、能量损失较小，并且相较于传统的球面微透镜阵列具有更高的动态范围。
发明内容
在主动式太赫兹安检成像和无损检测系统中，太赫兹辐射源辐射光斑的非均匀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系统，实现将入射高斯分布的太赫兹光束转化为能量均匀分布的平顶太赫兹光束，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，对非球面微透镜阵列匀光系统进行结构设计，优化设计方案。本发明的太赫兹波光束整形系统基于科勒照明系统的原理，当一束光强分布不均匀的太赫兹光束准直后入射到由个非球面子透镜组成的微透镜阵列时，光源被分割为尺寸相同但模式不同的子光束，再经单透镜衍射后的多光束在非球面聚焦透镜的后焦面处叠加在一起，叠加后光斑的均匀度会远远高于入射光斑，如此来实现高性能的匀光作用。为太赫兹安检人体成像以及无损检测成像质量的提升提供了一种可能性。
本发明采用的技术方案是：
一种用于太赫兹频段的匀光系统，包括非球面微透镜阵列和非球面聚焦透镜，所述微透镜阵列和聚焦透镜的面型均为非球面。其中非球面微透镜阵列为平面复眼透镜阵列，其子透镜孔径可以为矩形或者六角形，所述匀光系统对高斯圆形光斑整形后在聚焦透镜的后焦面可得到光强均匀分布的矩形或六角形太赫兹光斑。若需要圆形平顶太赫兹光斑，可在聚焦透镜的后焦面放置圆形光阑来实现。
所述太赫兹频段的匀光系统由前后放置的非球面微透镜阵列和非球面聚焦透镜组成。其中，非球面微透镜阵列为复眼结构，前后表面均为微透镜阵列，并且后表面微透镜阵列位于前表面微透镜阵列的像方焦面处。前表面的每个微透镜将入射的光束分割为许多尺寸相同的子光束，每个子光束都会聚在后表面的微透镜阵列上。后表面的微透镜阵列起到场镜的作用，以形成远心光路。为了形成像方远心光路，需要将非球面微透镜阵列的后表面置于非球面聚焦透镜的物方焦平面。本发明使用复眼非球面微透镜阵列和非球面聚焦透镜组合来实现太赫兹波的匀光功能，对入射高斯圆形光斑整形后得到形状与微透镜阵列子透镜孔径一致、强度分布均匀化的平顶太赫兹光斑。
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。当微透镜阵列子透镜和聚光镜曲面的曲率半径和圆锥系数进行不同的组合时，匀光系统会实现不同的匀光效果。
一般形式的非球面表示为：
式中，a2，a4，a6+···为多次项系数，多数情况下，即当需要对透镜曲率半径r检测，例如光学偏心检测时a2取0，可以推导得知公式(1)由二次曲面得来，因此公式(2)表示的是高次非球面对二次曲面的偏离程度。
当使用不同的多次项系数组合时，可以得到不同面型的非球面透镜，通过对聚焦透镜不同孔径处曲率的控制，实现对相应位置入射光不同程度的聚焦，从而达到增大匀化光斑均匀截面动态范围的目的。因此针对不同的实际使用需求，本发明均可以设计出适用于不同距离以及不同动态范围的匀光系统。
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。非球面微透镜阵列和非球面聚焦透镜的材料均为高密度聚乙烯或者聚四氟乙烯等太赫兹波高透的材料。透镜面型均为非球面。
本发明的技术效果是：
本发明利用复眼结构非球面微透镜阵列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等匀光器件，具有使用简单、成本低廉、易于实现的优点。该匀光系统不仅可以实现任意形状的平顶光，例如矩形、六角形、圆形等，还可以扩大均匀截面的动态范围，这为实现高质量、快速的太赫兹安检人体成像和无损检测提供了一种新的技术途径。
附图说明
图1为本发明太赫兹频段匀光系统对高斯圆斑整形的光路示意图。图1中图1a、图1b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，用于描述复眼结构非球面透镜阵列匀光系统对高斯圆斑整形的光路，该图反映了出射波束在X、Y方向有不同聚焦程度以及是否均匀化的特性。
图2为本发明复眼结构非球面微透镜阵列图。图2所示为复眼结构非球面微透镜阵列，前表面(图2a)微透镜阵列中的各个子透镜的焦点与后表面(图2b)微透镜阵列中对应的子透镜的中心重合，前后表面微透镜阵列的光轴互相平行。本发明所述复眼结构非球面微透镜阵列子透镜选取为矩形非球面平凸透镜，对应圆锥系数k<-1。其中子透镜孔径还有多种选择，例如六角形、圆形等，对此本发明不做限制。
图3为非球面聚焦透镜的外观图。非球面聚焦透镜放置在非球面微透镜阵列后表面后，在非球面聚焦透镜的焦平面附近就形成了均匀照明系统。本发明所述非球面聚焦透镜选取为大焦深非球面凸凹透镜，对应圆锥系数k≤-1。
图4为本发明匀光系统在太赫兹人体安检成像系统中应用的装置示意图。所述复眼非球面微透镜阵列3、非球面聚焦透镜4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准直后入射到复眼非球面微透镜阵列3的前表面复眼透镜阵列中，后表面复眼透镜阵列的出射光经非球面聚光镜4在目标距离附近即可得到高质量的所需形状的平顶光，从而可以在一定范围内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，复眼非球面微透镜阵列匀光系统对高斯圆斑整形
图1为本发明太赫兹频段匀光系统对高斯圆斑整形的光路示意图。图1中图1a、图1b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，用于描述复眼非球面微透镜阵列匀光系统对高斯圆斑整形的光路，该图反映了出射波束在X、Y方向有不同聚焦程度以及是否均匀化的特性。图1a为XOZ面剖视图,即X方向整形示意图，与光轴平行的光束通过复眼透镜阵列前表面后聚焦在复眼透镜阵列后表面各子透镜的中心处，复眼透镜阵列前表面将光源形成多个光源像进行照明，其后表面的每个小透镜将复眼透镜阵列前表面对应的小透镜重叠成像于照明面上。由于复眼透镜阵列前表面将光源的整个宽光束分为多个细光束照明，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置，通过相互叠加使得细光束的微小不均匀性获得了补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。从复眼透镜阵列后表面出射的光斑通过非球面聚焦透镜聚焦在目标位置上，目标位置处光斑的每一点均受到光源所有点发出的光线照射，同时，光源上每一点发出的光束又都交会重叠到照明光斑上的同一视场范围内，所以得到一个均匀的方形光斑。图1b为YOZ面剖视图,即Y方向整形示意图，与X方向的整形原理相同，但是由于高斯光源出射光线的随机性，YOZ面聚焦后的匀化光斑看起来比XOZ面要大一些。此外，通过控制非球面聚焦透镜不同孔径处的曲率可以使出射光被不同程度的聚焦，从而增加非球面聚焦透镜的焦深，使得匀化光斑均匀截面的动态范围得到提升。上述矩形复眼结构非球面微透镜阵列与非球面聚焦透镜的组合实现了对入射高斯圆斑整形后出射得到光强均匀分布的矩形光斑。
如前所述，本发明非球面微透镜阵列为平面复眼透镜阵列，其子透镜孔径为矩形或者六角形，图2所示为复眼结构非球面微透镜阵列，前表面微透镜阵列中的各个子透镜的焦点与后表面微透镜阵列中对应的子透镜的中心重合，前后表面微透镜阵列的光轴互相平行。本发明所述复眼结构非球面微透镜阵列子透镜选取为矩形非球面平凸透镜，对应圆锥系数k<-1。其中子透镜孔径还有多种选择，例如六角形、圆形等，对此本发明不做限制。图3所示为非球面聚焦透镜，放置在非球面微透镜阵列后表面后，在非球面聚焦透镜的焦平面附近就形成了均匀照明系统。本发明所述非球面聚焦透镜选取为大焦深非球面凸凹透镜，对应圆锥系数k≤-1。
实施例2，
参见附图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1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40mm的直径入射到复眼非球面微透镜阵列3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，非球面聚焦透镜4焦距为75mm，可以在非球面聚焦透镜4第一面的中心到目标物面中心的直线距离为65mm到85mm的范围内得到高质量的平顶光。经过准直处理的太赫兹波束传播至非球面微透镜阵列匀光系统，所述匀光系统对该波束进行整形处理，在目标物面附近呈现出强度均匀分布的平顶光。本实施例中复眼非球面微透镜阵列的口径为57mm×57mm的矩形，子透镜口径为3mm×3mm的矩形。非球面聚光镜口径为直径65mm的圆形。相较于传统的球面微透镜阵列匀光系统匀化光斑均匀截面的动态范围提升了约2.5倍。结合实际的使用需求可以改变微透镜阵列匀光系统的匀化光斑尺寸、形态和动态范围以及目标物面的距离。
上述实施例均可再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。
实施例3，基于上述实施例，本发明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。本发明各成像器件的组成及相互位置关系均可采用现有技术中的方式，在此不做详细表述，其中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金属违禁物品时，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非球面微透镜阵列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，对人体安检成像距离无严格要求，允许人体在一定范围内活动，甚至还可实现多人甚至动态的安检扫描成像。此外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 (8)
1.一种用于太赫兹频段的匀光系统，其特征是：包括非球面微透镜阵列和非球面聚焦透镜，其中非球面微透镜阵列为平面复眼透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的用于太赫兹频段的匀光系统，其特征是：由前后放置的非球面微透镜阵列和非球面聚焦透镜组成。
3.根据权利要求1所述的用于太赫兹频段的匀光系统，其特征是：非球面微透镜阵列前后表面均为微透镜阵列，其子透镜孔径为矩形或者六角形。
4.根据权利要求3所述的用于太赫兹频段的匀光系统，其特征是：非球面微透镜阵列的后表面微透镜阵列位于前表面微透镜阵列的像方焦面处，前表面的每个微透镜将入射的光束分割为许多尺寸相同的子光束，每个子光束都会聚在后表面的微透镜阵列上。
5.根据权利要求1所述的用于太赫兹频段的匀光系统，其特征是：非球面微透镜阵列和非球面聚焦透镜的材料均为高密度聚乙烯或者聚四氟乙烯太赫兹波高透的材料。
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系统的成像方法，其特征是：包括前后放置的非球面微透镜阵列和非球面聚焦透镜，其中非球面微透镜阵列为平面复眼透镜阵列，其子透镜孔径为矩形或者六角形，非球面微透镜阵列为复眼结构，前后表面均为微透镜阵列，并且后表面微透镜阵列位于前表面微透镜阵列的像方焦面处，前表面的每个微透镜将入射的光束分割为许多尺寸相同的子光束，每个子光束都会聚在后表面的微透镜阵列上，后表面的微透镜阵列起到场镜的作用，以形成远心光路，最终匀光系统对高斯圆形光斑整形后在非球面聚焦透镜的后焦面得到光强均匀分布的矩形或六角形太赫兹光斑。
7.根据权利要求6所述的用于太赫兹频段的匀光系统的成像方法，其特征是：通过将非球面微透镜阵列的后表面置于非球面聚焦透镜的物方焦平面，形成像方远心光路。
8.根据权利要求6所述的用于太赫兹频段的匀光系统的成像方法，其特征是：入射高斯圆形光斑经非球面微透镜阵列和非球面聚焦透镜整形后得到形状与微透镜阵列子透镜孔径一致、强度分布均匀化的平顶太赫兹光斑。
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- 2021-05-22 CN CN202110561448.0A patent/CN113253469B/zh active Active
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