CN115084864A - 用于太赫兹设备的透镜及太赫兹设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于太赫兹设备的透镜及太赫兹设备，该透镜包括：透镜主体，透镜主体的厚度沿中心至边缘依次减小、且在水平面内的投影包括矩形和分别位于矩形相对的两个第一边处的两个弧形。该透镜在应用于太赫兹设备时，能够在像距一定的情况下对象的物距增大，最大化阵列探测器的电压幅度并增加耦合效率，进而使得太赫兹设备的对比度和成像分辨率得到提升，同时，上述透镜的形状有助于减小太赫兹设备的设备尺寸。

Description

用于太赫兹设备的透镜及太赫兹设备

技术领域

本公开的至少一种实施例涉及人体安检设备，更具体地，涉及一种用于太赫兹设备的透镜及太赫兹设备。

背景技术

本领域已公知，任何物体都可以向外辐射电磁波，而这些电磁波中的太赫兹波具有穿透熟料、不同类型的衣物等材料的能力。太赫兹波焦平面被动成像技术正是利用聚焦天线结合高灵敏度辐射计接收设备接收物体辐射的太赫兹波，根据不同物体与人体之间的辐射功率强度差异实现成像。为此，已研发了用于成像检查的太赫兹人体安检设备，并应用于机场、火车站、港口等重要关口的安检、场景监控等场合中。

基于太赫兹波被动成像的太赫兹人体安检设备在应用于成像检查时，需要将检测对象置于聚焦天线近场区域内，同时为提高成像分辨率，往往需要将多个馈源置于天线焦平面上以构成焦平面阵列，并要求安检设备的准光系统在特定的成像距离上形成最佳聚焦，且偏轴波束均匀性良好。为满足这些要求，现有的太赫兹设备在保证成像分辨率的情况下，太赫兹设备的体积较大。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供了一种用于太赫兹设备的透镜及太赫兹设备，通过设置具有异形结构的透镜，在保证成像分辨率的情况下，缩小太赫兹人体安检设备的体积。

根据本公开实施例的用于太赫兹设备的透镜，包括：

透镜主体，透镜主体的厚度沿中心至边缘依次减小、且在水平面内的投影包括矩形和分别位于相对的两个第一边处的两个弧形。

根据本公开的实施例，第一距离与两个切点之间的第二距离的比值范围为0.5～0.9，其中，切点表示的是平行于第一边的直线与一个弧形相切的点，第一距离表示的是第一边的长度。

根据本公开的实施例，透镜是由在太赫兹波段透过率符合预设要求且具有折射效应的材料制备形成。

根据本公开的实施例，弧形所在的圆的圆心与矩形的中心重合。

根据本公开的实施例，透镜主体的两个表面为凸面。

根据本公开的实施例，透镜主体的边缘厚度的范围为1～20mm。

根据本公开实施例的太赫兹人体安检设备包括：

仪器主体；

反射器，设置于仪器主体内，用于对对象发射的太赫兹波段的电磁波进行反射；

如上所述的透镜，设置于仪器主体内，透镜设置成接收从反射器反射的电磁波并对电磁波进行聚焦；透镜的厚度沿中心至边缘依次减小、且在水平面内的投影包括矩形和分别位于矩形两个第一边处的两个弧形，以在像距一定的情况下，增大对象的物距；

探测器，设置于透镜的与反射器相对的一侧，并适用于接收被透镜聚焦后的电磁波，以产生电信号。

根据本公开的实施例，太赫兹设备包括太赫兹人体安检仪。

根据本公开的实施例，探测器包括焦平面阵列探测器。

根据本公开的实施例，焦平面阵列探测器的辐射计天线对透镜的张角等于辐射计天线在预设电压幅度内的波束张角。

根据本公开的实施例，探测器的辐射计天线包括多个沿透镜在水平投影中垂直于第一边的方向上依次排列的喇叭天线，其中，第一边表示的是透镜在水平投影中矩形与弧形连接的边。

根据本公开的实施例，探测器的辐射计天线在垂直于第一边的方向上的张角是根据透镜的第二距离和辐射计天线与透镜之间的距离确定的，第二距离表示的是两个切点之间的距离，切点表示的是平行于第一边的直线与一个弧形相切的点；

辐射计天线在平行于第一边的方向上的张角是根据透镜的第一距离和辐射计天线与透镜之间的距离确定的，第一距离表示的是第一边的长度。

根据本公开的实施例，辐射计天线对透镜的张角根据如下公式确定；

其中，D₁表征透镜的第二距离，D₂表征透镜的第一距离，S表征辐射计天线与透镜的距离，θ₁和θ₂分别表征辐射计天线对透镜在D₁方向和D₂方向上的张角。

根据本公开的实施例，反射器相对于水平面的夹角通过旋转机构可调节。

根据本公开的实施例，在水平面内的投影包括矩形和分别位于矩形两个第一边处的两个弧形的透镜应用在太赫兹设备时，能够在像距一定的情况下对象的物距增大，从而最大化阵列探测器的电压幅度并增加耦合效率，进而使得太赫兹设备的对比度和成像分辨率得到提升，同时，上述透镜的形状有助于减小太赫兹设备的设备尺寸。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的透镜的立体示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的透镜的物像关系示意图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的太赫兹设备的准光路示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的太赫兹设备的简易示意图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的辐射计天线接收来自于透镜的太赫兹波的光学原理示意图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的辐射计天线的喇叭天线及其直线阵列排布示意图；

图7示意性示出了根据本公开实施例的异形透镜与常规透镜的最大电压幅度对比示意图；以及

图8示意性示出了根据本公开实施例的基于异形透镜与常规透镜得到的太赫兹图像的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本公开，而非对本公开的限定，实施例中记载的各个特征可进行组合，形成多个可选方案。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分而非全部结构。

图1示意性示出了根据本公开实施例的透镜的立体示意图。

太赫兹透镜天线由于具有无遮挡、损耗小、安装方式灵活等优点，被广泛应用于太赫兹波被动成像系统，如太赫兹人体安检设备。作为被动成像系统的“眼睛”，太赫兹透镜的天线性能直接影响到系统的成像空间分辨率、亮温分辨率、成像景深等指标，是被动成像系统的关键部件之一。

参见图1，本公开实施例提供了一种用于太赫兹设备的透镜，该透镜包括透镜主体，透镜主体的厚度沿中心至边缘依次减小、且在水平面内的投影包括矩形和分别位于矩形相对的两个第一边处的两个弧形。

在水平面内的投影包括矩形和分别位于矩形两个第一边处的两个弧形的透镜应用在太赫兹设备时，能够在像距一定的情况下对象的物距增大，从而最大化阵列探测器的电压幅度并增加耦合效率，进而使得太赫兹设备的对比度和成像分辨率得到提升，同时，上述透镜的形状有助于减小太赫兹设备的设备尺寸。

在实现本公开的用于太赫兹设备的透镜的过程中，首先进行如下定义：第一距离表示的是第一边的长度。切点表示的是平行于第一边的直线与一个弧形相切的点。第二距离表示的是两个切点之间的距离。发明人发现第一距离与第二距离的比值对太赫兹设备的成像分辨率和体积有影响，然而太赫兹设备在使用时有较为严格的尺寸限制，因此，需要确定一个合适的范围以保证成像分辨率的同时能够有效降低太赫兹设备的体积尺寸。

图2示意性示出了根据本公开实施例的透镜的物像关系示意图。图3示意性示出了根据本公开实施例的太赫兹设备的准光路示意图。

设计透镜的主要工作是在确定物距S1的条件下，选择材料，设计透镜曲面，使其满足空间分辨率的要求，并得到透镜的像距S2。像距S2处为像平面，即接收(馈源)天线安装位置距离透镜像方表面顶点的距离。物距S1为物平面距离透镜物方表面顶点的距离。透镜的成像的物像关系如图2所示。

参照图3可以得到，成像分辨率δ与透镜直径D的关系如公式(1)：

上述公式(1)中λ为太赫兹波波长。太赫兹波被动成像系统在成像距离(像距S2)确定的情况下，物距S₁同样可以确定，为了得到较高的分辨率，即δ值较小，则需要透镜的直径D要较大。但是太赫兹设备的大小在实际使用时有固定的尺寸要求，而在像距S2确定的情况下，太赫兹设备的大小主要由透镜的尺寸决定，由此可见，太赫兹设备的大小(透镜的尺寸)与成像分辨率存在反比关系。

根据本公开的实施例，太赫兹设备可以是吊挂式太赫兹人体安检设备，其安装时对设备尺寸和重量有严格要求，例如重量不超过30kg。

根据本公开的实施例，发明人通过付出大量的创造性劳动后发现，在第一距离与第二距离的比值小于0.5时，太赫兹设备的像距一定的情况下，物距减小，而且太赫兹设备的体积尺寸并未发生明显的变化。

根据本公开的实施例，在第一距离与第二距离的比值大于0.9时，太赫兹设备的像距一定的情况下，物距变大，由此会使得太赫兹设备的最大电压幅度降低，从而降低了耦合效率，使得太赫兹设备中探测器上的光斑变大，产生了光的扩散。

综上所述，在第一距离与第二距离的比值范围为0.5～0.9时，不仅能够最大化阵列探测器的电压幅度并增加耦合效率，使得太赫兹设备的对比度和成像分辨率得到提升，而且由于减小了一部分透镜的尺寸，从而能够适应性地降低太赫兹设备的体积，其中，当比值范围为0.6～0.8，太赫兹设备的对比度和成像分辨率最佳。

根据本公开的实施例，透镜是由在太赫兹波段透过率符合预设要求且具有折射效应的材料制备形成。

根据本公开的实施例，该透镜的工作环境为太赫兹波段，不同于可见光波段和红外光波段，透镜的材料无法被可见光和红外光所穿透，制作上述透镜的材料包括以下至少一种：聚乙烯、聚四氟乙烯、聚4-甲基戊烯和高阻硅。

根据本公开的实施例，预设要求可以为满足预设数值的透过率，其中预设数值可以表征高透过率，例如可以为50-54％等。

根据本公开的实施例，密度为0.941至0.960g/cm³的聚乙烯材料可以制作质量更加优良的透镜。

根据本公开的实施例，高阻硅可以指1THz下电阻率为10kΩhm/cm的硅材料。需要说明的是，上述仅作为示例性说明，并非是指不可以为满足要求的其他材料。

根据本公开的实施例，弧形所在的圆的圆心与矩形的中心重合。在一种示例性实施例中，透镜可以是在圆形透镜上通过切割进行制备得到的。

根据本公开的实施例，透镜主体的两个表面为凸面。

根据本公开的实施例，凸面为非球面形状。非球面可以指面型由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不相同的面。根据本公开的一些可替换的实施例，非球面形状包括以下之一：二次曲面和偶次非球面。例如，二次曲面可以指三元二次方程所表示的曲面称作二次曲面。

根据本公开的实施例，透镜主体的边缘厚度的范围为1～20mm。

根据本公开的实施例，透镜主体的边缘厚度在小于1mm的情况下，透镜安装在太赫兹设备中，较为容易造成透镜边缘的破损，从而增大了太赫兹设备的维护成本。边缘厚度大于20mm则会降低太赫兹设备的成像质量，较难获取到满足要求的图像。

图4示意性示出了根据本公开实施例的太赫兹设备的简易示意图。

参见图1-4，本公开实施例提供了一种太赫兹设备可以包括仪器主体100、反射器200、透镜300和阵列探测器400。

在一些实施例中，反射器200设置于仪器主体100内，用于对对象发射的太赫兹波段的电磁波进行反射。透镜300设置于仪器主体100内，透镜300设置成接收从反射器200反射的电磁波并对电磁波进行聚焦；透镜300的厚度沿中心至边缘依次减小、且在水平面内的投影包括矩形和分别位于矩形相对的两个第一边处的两个弧形，以在像距一定的情况下，增大对象的物距。探测器400设置于透镜300的与反射器相对的一侧，并适用于接收被透镜300聚焦后的电磁波，以产生电信号。太赫兹设备的处理器(未示出)基于探测器400产生的电信号产生被检查的人体的安检图像。

根据本公开的实施例，通过在太赫兹设备中设置在水平面内的投影包括矩形和分别位于矩形相对的两个第一边处的两个弧形的透镜300，使得在像距一定的情况下对象的物距增大，从而最大化探测器的电压幅度并增加耦合效率，进而对比度和成像分辨率得到提升，同时，上述透镜300的形状有助于减小太赫兹设备的设备尺寸。

根据本公开的实施例，太赫兹设备包括太赫兹人体安检仪。阵列探测器400包括焦平面阵列探测器。

根据本公开的实施例，上述透镜还可以应用于红外气体探测器、量子级联激光器和红外滤波片中。

根据本公开的实施例，焦平面阵列探测器400可以为红外焦平面阵列，其属于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件。

根据本公开的实施例，焦平面阵列探测器400中的辐射计天线可以指一种测量目标对象的微波热辐射的高灵敏度接收机，在焦平面阵列探测器400中包括至少一条阵列排布的辐射计天线。

根据本公开的实施例，为了较好地兼顾对比度和分辨率，可以在透镜300的垂直于第一边的方向和平行于第一边的方向上对阵列探测器的天线进行排布，以使得天线与透镜300的尺寸实现精确匹配。

图5示意性示出了根据本公开实施例的辐射计天线接收来自于透镜300的太赫兹波的光学原理示意图。

根据本公开的实施例，探测器的辐射计天线在垂直于第一边的方向上的张角是根据透镜的第二距离和辐射计天线与透镜之间的距离确定的。辐射计天线在平行于第一边的方向上的张角是根据透镜的第一距离和辐射计天线与透镜之间的距离确定的。

根据本公开的实施例，参照图5，辐射计天线对透镜300的张角根据公式(2)和(3)确定；

其中，D₁表征透镜300的第二距离，D₂表征透镜300的第一距离，S表征辐射计天线与透镜300的距离，θ₁和θ₂分别表征辐射计天线对透镜300在D₁方向和D₂方向上的张角。

根据本公开的实施例，在D₁＝30cm，D₂＝20cm，S＝100cm时，可得θ₁＝17.06°，θ₂＝11.42°，在上述θ₁和θ₂确定的情况下，可以对阵列探测器的波束张角与透镜300的尺寸实现精确匹配。

图6示意性示出了根据本公开实施例的辐射计天线的喇叭天线及其直线阵列排布示意图。

根据本公开的实施例，焦平面阵列探测器的辐射计天线对透镜的张角等于辐射计天线在在预设电压幅度内的波束张角。

根据本公开的实施例，为了实现高耦合效率且兼顾分辨率，辐射计天线对透镜300的张角θ，需要等于辐射计天线-11dB～-15dB(预设电压幅度)的波束张角，如图5所示。

根据本公开的实施例，辐射计天线一般采用矩形喇叭天线与矩形波导，如图6所示。如果辐射计天线对透镜300的张角θ小于上述范围，透镜300对辐射计天线的喇叭天线的耦合效率低，如果大于上述范围喇叭天线的波束面不均匀且采样间隔过大，导致分辨率降低，因此可以通过公式(2)和(3)将辐射计天线对透镜300的张角限制在预设电压幅度内。

根据本公开的实施例，在设计辐射计天线时，可以把天线沿着第垂直于第一边的方向进行排列，即阵列方向的波束宽，反射板扫描方向上的波束窄，能够进行冗余采样，从而可以实现更高分辨率。

根据本公开的实施例，为了使得上述透镜300与辐射计天线的排列方式能够具有较好的兼顾对比度和分辨率。可以对辐射计天线中的喇叭天线的波束张角分别与透镜300在水平投影中垂直于第一边的方向和平行于第一边的方向上进行匹配。具体设计可以根据上述公式(2)和(3)对喇叭天线进行精确匹配。

根据本公开的实施例，反射器200相对于水平面的夹角通过旋转机构可调节。

根据本公开的实施例，旋转机构可以为转轴，该转轴可以与反射器200固定连接，转轴的两端与仪器主体100的内壁有阻尼地转动连接。

根据本公开的实施例，旋转机构也可以包括连接杆、万向轴和连接板。连接杆的一端与仪器主体100连接，另一端连有万向轴，其中万向轴与连接板连接，连接板与反射器200固接。

图7示意性示出了根据本公开实施例的异形透镜与常规透镜的最大电压幅度对比示意图。图8示意性示出了根据本公开实施例的基于异形透镜与常规透镜得到的太赫兹图像的对比示意图。

在一种示意性的实施例中，为了进一步对本公开的透镜的效果进行说明，本公开通过控制太赫兹设备的体积尺寸为固定值(太赫兹设备的体积尺寸与透镜的第一距离相关)，以透镜的第二距离为可变量进行对照实验，尺寸为D＝30cm*20cm的异形透镜(本公开的异形透镜300)与尺寸为D＝20cm*20cm的常规透镜，同样792mm的像距的情况下，如图7所示，最佳物点从6.06mm(异形透镜)变成5.79mm(常规透镜)，最大电压幅度分别为20.144dBV/m(异形透镜)与19.4761dBV/m(常规透镜)，差值为0.658dBV/m。而最大电压幅度越大，图像的对比度越好，且图像的分辨率越高。需要解释说明的是，透镜尺寸(D＝m*n)中m表示的是第二距离，即两个弧形上的切点之间的距离，n表示的是第一距离，即第一边的长度。

进一步地参见图8，尺寸为D＝30*20的异形透镜的太赫兹图像的分辨率明显高于尺寸为D＝20*20的常规透镜的太赫兹图像，且其对比度也高于尺寸为D＝20*20的常规透镜。因此，在太赫兹设备体积一致的情况下，尺寸为D＝30*20的异形透镜具有更佳的分辨率和对比度。

进一步地，尺寸为D＝20*10的异形透镜的太赫兹图像与尺寸为D＝30*20的异形透镜的太赫兹图像对比可知，尺寸为D＝20*10的异形透镜的太赫兹图像中人与背景的过度模糊，且人体携带的可疑物的灰度级区分较低。由此可见当异形透镜的尺寸比例在偏离优选范围(0.6～0.8)时，异形透镜的图像的分别率随着尺寸比例偏离程度的增大而降低。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用于太赫兹设备的透镜，包括：

透镜主体，所述透镜主体的厚度沿中心至边缘依次减小、且在水平面内的投影包括矩形和分别位于所述矩形相对的两个第一边处的两个弧形。

2.根据权利要求1所述的透镜，其中，第一距离与两个切点之间的第二距离的比值范围为0.5～0.9，其中，所述切点表示的是平行于所述第一边的直线与一个所述弧形相切的点，所述第一距离表示的是第一边的长度。

3.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述透镜是由在太赫兹波段透过率符合预设要求且具有折射效应的材料制备形成。

4.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述弧形所在的圆的圆心与所述矩形的中心重合。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的透镜，其中，所述透镜主体的两个表面为凸面。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的透镜，其中，所述透镜主体的边缘厚度的范围为1～20mm。

7.一种太赫兹设备，包括：

仪器主体；

反射器，设置于所述仪器主体0内；

如权利要求1～6中任一项所述的透镜，设置于所述仪器主体内；

探测器，设置于所述透镜的与所述反射器相对的一侧。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述太赫兹设备包括太赫兹人体安检仪。

9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述探测器包括焦平面阵列探测器。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述焦平面阵列探测器的辐射计天线对透镜的张角等于辐射计天线在预设电压幅度内的波束张角。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述探测器的辐射计天线包括多个沿透镜在水平投影中垂直于第一边的方向上依次排列的喇叭天线，其中，所述第一边表示的是透镜在水平投影中矩形与弧形连接的边。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述探测器的辐射计天线在垂直于第一边的方向上的张角是根据所述透镜的第二距离和所述辐射计天线与透镜之间的距离确定的，所述第二距离表示的是两个切点之间的距离，所述切点表示的是平行于所述第一边的直线与一个所述弧形相切的点；

所述辐射计天线在平行于所述第一边的方向上的张角是根据所述透镜的第一距离和所述辐射计天线与透镜之间的距离确定的，所述第一距离表示的是第一边的长度。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述辐射计天线对所述透镜的张角根据公式(1)和(2)确定；

其中，D₁表征透镜的第二距离，D₂表征透镜的第一距离，S表征辐射计天线与透镜的距离，θ₁和θ₂分别表征辐射计天线对透镜在D₁方向和D₂方向上的张角。

14.根据权利要求7所述的设备，其中，所述反射器相对于水平面的夹角通过旋转机构可调节。

Images