CN114460032B - 一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，涉及物体内部的检测系统，包括：太赫兹准直系统、太赫兹分光系统、太赫兹成像系统、位置检测系统和控制系统，经辐射源产生的太赫兹波进入准直器件准直后，再由缩束器件进行缩束，缩束后的太赫兹波进入分光器件内，并形成若干具有不同频率的衍射太赫兹波，每一衍射太赫兹波再由线聚焦器件进行线聚焦并形成太赫兹线束，每一太赫兹光束均垂直投射于成像器件上，并由太赫兹相机成像。本发明通过控制相机采样间隔和被检物体的运动速度，可以使得各个位置的光谱信息不会发生错位，保证了检测的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种物体内部的检测系统，尤其涉及一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统。
背景技术
太赫兹波具有非常良好的特点，包括：对于非极性以及非金属包装具有较好的穿透性；大量的管制品(包括毒品、爆炸物、生化战剂类物质等)在太赫兹波段有明显的特异吸收光谱；太赫兹波光子能量低对人体安全等，因此利用太赫兹波进行包装内部物体的安检是长期以来的研究和应用热点。在检测系统、检测方法、检测效率等方面经过大量的研究和实践，目前形成了两种主要的太赫兹物质检测技术应用，分别为太赫兹时域光谱(简记为THz-TDS)和太赫兹连续波(简记为THz-CW)快速实时成像。前者可通过透射检测方式获得被测物质某一位置处的太赫兹波段特征吸收光谱；后者则利用太赫兹相机探测被检物体整体区域的太赫兹波透过率来检测包装内的物体形态。
然而，上述两类检测方式，均不能满足对于流水线物体(如食品工业，信函分拣，快递邮包等场景的传送带)的快速全面积成分分析需求。目前成熟的THz-TDS系统一次可以检测4THz范围内的吸收光谱，但因为太赫兹波的传输光路限制，THz-TDS系统一次只能实现单一位置处(光斑直径约4mm左右范围)的检测，对于有一定面积的物体，一般需要通过二维扫描实现对物体全面积区域内各个位置处的光谱检测，耗时较长且二维扫描机构难以和流水线整合，因此通常只适合用于实验室分析或样本取样抽检，不适合快速流水线应用；而THz-CW成像，虽然可以实现对一定面积范围内的快速成像检测，但其所使用的太赫兹辐射源的频率范围很小(一般使用单一频率的辐射源，少部分辐射源数十GHz的微小调谐能力)，且面阵探测器无法区分不同频率的响应，因此只能通过大致的成像实现有无物体和物体相对位置的检测，无法实现对物体太赫兹波段内特征吸收峰的检测，也即无法实现物质分析。
发明内容
针对现有的上述问题，现旨在提供一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，将THz-TDS系统的宽光谱检测能力和THz-CW成像的空间范围检测能力相结合，实现高效准确的物体成分及形态检测。
具体技术方案如下：
一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，包括：
太赫兹准直系统，设置有辐射源、准直器件和缩束器件，经所述辐射源产生的太赫兹波进入所述准直器件准直后，再由所述缩束器件进行缩束；
太赫兹分光系统，设置有分光器件和线聚焦器件，缩束后的所述太赫兹波进入所述分光器件内，并形成若干具有不同频率的衍射太赫兹波，每一所述衍射太赫兹波再由所述线聚焦器件进行线聚焦并形成太赫兹光束；
太赫兹成像系统，设置有成像器件和太赫兹相机，每一所述太赫兹光束均垂直投射于所述成像器件上，并由所述太赫兹相机成像，每一所述太赫兹光束到达所述成像器件过程中均形成光路面，经所述流水线输送的所述物体的运动方向垂直于每一所述光路面；
位置检测系统，设置有光电门和光栅尺，所述光电门用于获得所述物体经过的时间间隔Δt，所述光栅尺用于获得相同时刻的位移Δx；
控制系统，设置有软件平台，所述软件平台获取所述时间间隔Δt和所述位移Δx，计算出所述流水线的瞬时速度v＝Δx/Δt，并与预设的所述流水线的速度进行对比。
优选的，辐射源选用太赫兹光电导天线或电光晶体，准直器件选用离轴抛物面镜或太赫兹透镜，缩束器件选用两个太赫兹凸透镜。
上述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其中，所述控制系统还包括运动编码器，所述运动编码器用于获取所述光栅尺的位移，并将所述位移输送至所述软件平台。
上述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其中，所述光电门包括：分别设置在所述流水线的两侧的光源和光电探测器。
上述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其中，所述太赫兹准直系统还包括飞秒激光发生装置，所述飞秒激光发生装置用于发射用于泵浦所述辐射源的飞秒激光。
上述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其中，所述流水线包括用于输送物体的传送带。
上述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其中，所述分光器件选用光栅。
上述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其中，所述衍射太赫兹波的衍射方程为d(sinα+sinβ)＝mλ，其中，d为所述分光器件的周期，α和β分别是入射光束和衍射光束与所述分光器件的法线的夹角，m为衍射级次，λ为衍射光的波长。
上述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其中，所述太赫兹相机面阵划分成N*L个单元，所述物体投影至所述太赫兹相机的像素平面划分为N*M个位置，其中，纵向表示有L个不同的波长，横向表示有N或M行不同的空间位置根据权利要求1所述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统。
上述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其中，所述物体的透射率T(xi,yj,λk)＝B(xi,yj,λk)/A(yj,λk)，其中，A(yj,λk)为每个波长的响应率，B(xi,yj,λk)为存在被检物体的情况下获得的每一列的响应。
上述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其中，所述线聚焦器件选用柱透镜。
上述技术方案与现有技术相比具有的积极效果是：
本发明能实现快速的流水线物体内部太赫兹成像功能，也能实现快速的物体内部各位置的太赫兹光谱检测，通过控制相机采样间隔和被检物体的运动速度，可以使得各个位置的光谱信息不会发生错位，保证了检测的精确性。
附图说明
图1为本发明一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统的原理图；
图2为本发明一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统的流水线的机构示意图；
图3为本发明一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统的太赫兹准直系统示意图；
图4为本发明一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统的分光系统的示意图；
图5为本发明一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统的太赫兹成像系统的示意图；
图6为本发明一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统的控制系统的示意图；
图7为本发明一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统的物体扫过太赫兹相机面阵的第一状态图；
图8为本发明一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统的物体扫过太赫兹相机面阵的第二状态图；
图9为本发明一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统的物体104扫过太赫兹相机面阵的第三状态图。
附图中：101、传送带；102、光电门；103、光栅尺；104、物体；201、飞秒激光发生装置；202、辐射源；203、准直器件；204、缩束器件；301、分光器件；302、线聚焦器件；401、成像器件；402、太赫兹相机；501、软件平台；502、运动编码器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1至图9所示，示出了一种较佳实施例的使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，包括：太赫兹准直系统、太赫兹分光系统、太赫兹成像系统、位置检测系统和控制系统，流水线包括传送带101机构，用于传送流水线上的被检物体104进入检测区域，太赫兹准直系统用于产生准直太赫兹宽光谱辐射，太赫兹分光系统用于将宽谱太赫兹辐射按照不同的频率进行分光，并将圆形光斑进行线聚焦汇聚至指定相对位置，太赫兹成像系统用于接收透过被检物体104的不同频率的太赫兹波，控制系统用于将上述各分系统进行整合控制，并提供用户软件。
进一步，作为一种较佳的实施例，太赫兹准直系统包括辐射源202、辐射源202、泵浦飞秒激光发生装置201、准直器件203和所述器件，太赫兹分光系统包括分光器件301和线聚焦器件302，太赫兹成像系统包括成像器件401和太赫兹相机402，控制系统包括软件平台501和运动编码器502，利用太赫兹波段的分光器件301，将由THz-TDS辐射分系统所产生的宽谱太赫兹辐射按照不同的波长(或频率)在空间中进行区分，而后使用线聚焦器件302将不同波长(或频率)的光束进行线聚焦，透射过被检物体104的光束被流水线下方的太赫兹相机402所接收，且太赫兹相机402的列像元与特定波长(或频率)一一对应。当被检物体104的某一横向截面(垂直于流水线被检物体104的前进方向)依次被太赫兹相机402的所有列所探测完后，将每一列的图像提取，即得到该截面的太赫兹光谱信息；又当系统对被检物体104的全部横向截面均完成探测时，即可得到被检物体104所有位置的宽吸收光谱信息，从而实现快速的流水线太赫兹成像与光谱检测功能。
进一步，作为一种较佳的实施例，将被检物体104放置在传送带101上，传送带101通过转轮电机带动前进，前进速度可由转轮电机的电流进行实时控制。流水线靠近检测区域附近安装一固定光电门102(电光们包括在流水线传送带101两侧安装的光源和光电探测器)，当被检物体104遮挡住光电门102时，将输出一个同步信息给软件平台501，用以提示被检物体104的绝对定位；同时，在流水线上加装长行程的光栅尺103，用于获取传送带101实时(增量)位置反馈信息，以供软件平台501对传送带101的运动速度进行闭环控制，使用商用化的太赫兹时域光谱系统的太赫兹辐射部分，由飞秒激光发生装置201泵浦辐射源202，从而输出发散的宽谱的太赫兹波束，由准直器件203构成太赫兹辐射准直光路，将辐射源202发出的发散太赫兹辐射进行准直，最后使用一个缩束器件204减小准直后的太赫兹辐射的光束直径。
进一步，作为一种较佳的实施例，准直后的太赫兹辐射入射至太赫兹分光器件301上，可以选择商用化的太赫兹波段的光栅作为分光部件，光栅是一种周期性的表面结构，设光栅的周期为d，则光栅的衍射方程为：d(sinα+sinβ)＝mλ，其中，α和β分别是入射光束和衍射光束与光栅面法线的夹角，m为衍射级次(可以加工光栅使得m＝1级衍射最强而其它级次的衍射很弱)，λ为衍射光的波长(或根据λ＝光速c/ν等价于衍射波束的频率ν)，由此，可以将同一入射角α的入射波束，根据不同的波长，在空间中以不同的角度出射，从而达到分光的作用。经过光栅分光的不同频率的衍射太赫兹波，被一个商用化的线聚焦器件302进行聚焦，各束不同的太赫兹波束相当于以不同的入射角进入线聚焦器件302，从而进行线聚焦，成为柱透镜焦平面的太赫兹光束。
进一步，作为一种较佳的实施例，各束被线聚焦后的太赫兹波束，透射过传送带101被检物体104之后，被太赫兹成像系统中的太赫兹成像器件401接收并汇聚至太赫兹相机402的对应像素点上。可选用高分辨率的相机(如1920×1080像素分辨率的SwissTerahertz公司的RIGI系列太赫兹相机402)，照相机像元尺寸为15μm，选用10倍变焦的成像镜头(镜头至物点的物距是镜头至相机的像距的10倍)，理论空间分辨率可达0.15mm，这已经达到了太赫兹波段的衍射极限；对于被检物体104行进方向，可以依次探测1080个波束，假设太赫兹检测谱宽为7THz(如Swiss Terahertz公司的OC Scanner太赫兹时域光谱系统)，则光谱分辨率可达6.5GHz。上述空间分辨率和光谱分辨率，已经足以支持实用化的流水线物体104太赫兹检测需求。
进一步，作为一种较佳的实施例，整个系统通过系统控制平台进行联合监控、数据采集以及数据分析。控制系统包括软件平台501和运动编码器502。软件平台501首先根据光电门102对于被检物体104的定位信息，对被检物体104进行绝对定位(零位位置即为光电门102的位置)；在检测到被检物体104的定位信息后，由运动编码器502依照定时间隔Δt对光栅尺103的(优选为增量式光栅尺103，可提供相对于前述零位的增量位置)位置信息x进行采集，获得瞬时速度v＝Δx/Δt，从而调整传送带101的运动快慢，使传送带101的瞬时速度v尽可能地保持在设定的速度v0附近。
进一步，作为一种较佳的实施例，被检物体104依次运动过太赫兹相机402的各列探测区域，将太赫兹相机402的面阵划分成N*L个单元，纵向表示L个不同的波长，横向表示N行不同的空间位置；再将被检物体104投影至相机像素平面划分为同样的N*M个位置。由于每个波长位置和相机的每一列是一一对应的，且两者并不随流水线传送带101的运动而发生位置变化，因此可以事先对其响应率进行标定并设置为程序的内置参数A(yj,λk)，而后，对于存在被检物体104的情况下获得的每一列的响应B(xi,yj,λk)，即可求得其透射率T(xi,yj,λk)＝B(xi,yj,λk)/A(yj,λk)当被检物体104进入面阵相机的探测区域后，被检物体104的第m列(1≤m≤M)，将依次通过相机的1～L列，而当被检物体104的第m列被相机的第l列(1≤l≤L)所探测时，相机的l-1列正探测被检物体104的第m+1列。依次类推，即可得到被检物体104不同位置的对应光谱图像信息T(xi,yj,λk)。此时，将任一(xi0,yj0)位置处的L点波长透射率信息组合起来，即可得到该点的太赫兹波段吸收谱，并依靠对应的吸收谱比对方法，进行相应的物质识别；同样，将任一波长λk0对应的二维透过率信息组合起来，即可得到被检物体104在该波长下所成的透射式太赫兹图像。在控制好相机采样间隔和被检物体104运动速度的前提下，可以使得各个位置的光谱信息不会发生错位，保证了检测的精确性。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其特征在于，包括：
太赫兹准直系统，设置有辐射源、准直器件和缩束器件，经所述辐射源产生的太赫兹波进入所述准直器件准直后，再由所述缩束器件进行缩束；
太赫兹分光系统，设置有分光器件和线聚焦器件，缩束后的所述太赫兹波进入所述分光器件内，并形成若干具有不同频率的衍射太赫兹波，每一所述衍射太赫兹波再由所述线聚焦器件进行线聚焦并形成太赫兹光束；
太赫兹成像系统，设置有成像器件和太赫兹相机，每一所述太赫兹光束均垂直投射于所述成像器件上，并由所述太赫兹相机成像，每一所述太赫兹光束到达所述成像器件过程中均形成光路面，经所述流水线输送的所述物体的运动方向垂直于每一所述光路面；
位置检测系统，设置有光电门和光栅尺，所述光电门用于获得所述物体经过的时间间隔Δt，所述光栅尺用于获得相同时刻的位移Δx；
控制系统，设置有软件平台，所述软件平台获取所述时间间隔Δt和所述位移Δx，计算出所述流水线的瞬时速度v＝Δx/Δt，并与预设的所述流水线的速度进行对比。
2.根据权利要求1所述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其特征在于，所述控制系统还包括运动编码器，所述运动编码器用于获取所述光栅尺的位移，并将所述位移输送至所述软件平台。
3.根据权利要求1所述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其特征在于，所述光电门包括：分别设置在所述流水线的两侧的光源和光电探测器。
4.根据权利要求1所述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其特征在于，所述太赫兹准直系统还包括飞秒激光发生装置，所述飞秒激光发生装置用于发射用于泵浦所述辐射源的飞秒激光。
5.根据权利要求1所述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其特征在于，所述流水线包括用于输送物体的传送带。
6.根据权利要求1所述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其特征在于，所述分光器件选用光栅。
7.根据权利要求6所述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其特征在于，所述衍射太赫兹波的衍射方程为d(sinα+sinβ)＝mλ，其中，d为所述分光器件的周期，α和β分别是入射光束和衍射光束与所述分光器件的法线的夹角，m为衍射级次，λ为衍射光的波长。
8.根据权利要求1所述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其特征在于，所述太赫兹相机面阵划分成N*L个单元，所述物体投影至所述太赫兹相机的像素平面划分为N*M个位置，其中，纵向表示有L个不同的波长，横向表示有N或M行不同的空间位置。
9.根据权利要求7所述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其特征在于，所述物体的透射率T(xi,yj,λk)＝B(xi,yj,λk)/A(yj,λk)，其中，A(yj,λk)为每个波长的响应率，B(xi,yj,λk)为存在被检物体的情况下获得的每一列的响应。
10.根据权利要求1所述使用太赫兹光谱与成像检测流水线上物体的系统，其特征在于，所述线聚焦器件选用柱透镜。
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| Non-Contact, Non-Destructive Testing in Various Industrial Sectors with Terahertz Technology;Yu Heng Tao等;《Sensors》;第第20卷卷;1-21 * |
| 盐酸吗啡的太赫兹光谱和理论仿真分析;吴玫晓等;《太赫兹科学与电子信息学报》;第第19卷卷(第第3期期);第375-379页 * |
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