CN116015483A - 图像捕获装置、用图像捕获装置捕获图像的方法和照射装置 - Google Patents

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Abstract

公开了图像捕获装置、用图像捕获装置捕获图像的方法和照射装置。图像捕获装置1001通过使用太赫兹波来捕获图像，并且包括：生成单元112，包括多个生成元件，每个生成元件生成太赫兹波并且支承在支承面117上；照射光学系统111，用太赫兹波照射被摄体；成像光学系统101，对从被摄体反射的太赫兹波成像；以及传感器102，包括像素。所述多个生成元件至少包括第一生成元件113和第二生成元件114，第一生成元件113和第二生成元件114具有对被摄体的不同照射角度。存在如下的重叠区域，在该重叠区域中从第一生成元件到被摄体的第一太赫兹波156的照射区域和从第二生成元件到被摄体的第二太赫兹波157的照射区域重叠。

Description

图像捕获装置、用图像捕获装置捕获图像的方法和照射装置
本申请是申请号为201780072390.5，申请日为2017年11月16日，题为“图像捕获装置、用图像捕获装置捕获图像的方法和照射装置”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及使用太赫兹波的图像捕获装置、用图像捕获装置捕获图像的方法和照射装置。
背景技术
太赫兹波是通常具有从0.3THz到30THz的频带中的成分的电磁波。在该频带中，从生物分子和树脂开始，存在源自各种物质的结构和状态的多种特征吸收。除此之外，其波长比可见光和红外光的波长长。因而，太赫兹波不太可能受到散射的影响，并且对许多物质具有高渗透性。波长短于毫米波的波长，并且空间分辨率高。
例如，预期代替X射线应用于安全成像技术，代替毫米波(通常为30GHz至300GHz)应用于高分辨率透射成像技术，并且应用于通过最佳使用上述特点而实现的光谱成像技术。例如，考虑应用于隐藏物体检查技术，诸如公共场所的安全检查或监控相机。
PTL 1公开了图像捕获装置使用太赫兹波照射装置，来自被认为是点光源的太赫兹波生成元件的太赫兹波的波束被放大并照射到被摄体，并且太赫兹波被检测器阵列接收。
引用列表
专利文献
PTL 1：日本专利特许公开No.2006-81771
发明内容
根据本发明一方面的图像捕获装置通过使用太赫兹波来捕获被摄体的图像，并且包括：生成单元，包括多个生成元件，每个生成元件生成太赫兹波并且支承在支承面上；照射光学系统，在成像面上对来自生成单元的太赫兹波成像；成像光学系统，对从被摄体反射的太赫兹波进行成像；以及传感器，包括像素并且检测来自成像光学系统的太赫兹波。生成单元支承在照射光学系统的物面上。所述多个生成元件至少包括第一生成元件和第二生成元件，第一生成元件和第二生成元件在生成单元中彼此相邻并且具有对被摄体的不同照射角度。存在如下的重叠区域，在该重叠区域中，从第一生成元件到被摄体的第一太赫兹波的波束和从第二生成元件到被摄体的第二太赫兹波的波束在成像面上重叠。
附图说明
图1A示意性地图示了根据第一实施例的图像捕获装置的结构。
图1B示意性地图示了根据第一实施例的图像捕获装置的结构。
图2示意性地图示了根据第一实施例的图像捕获装置的另一个结构的示例。
图3示意性地图示了点光源的布置的示例。
图4示意性地图示了根据第二实施例的图像捕获装置的结构。
图5示意性地图示了根据第三实施例的图像捕获装置的结构。
图6A示意性地图示了根据第四实施例的图像捕获装置的扫描单元的结构。
图6B示意性地图示了根据第四实施例的图像捕获装置的扫描单元的结构。
图7示意性地图示了根据第四实施例的图像捕获装置的扫描单元的另一个结构的示例。
图8示意性地图示了根据第四实施例的图像捕获装置的形状调整单元的结构。
图9示意性地图示了根据第四实施例的图像捕获装置的扫描单元的另一个结构的示例。
图10A示意性地图示了根据第一实施例的图像捕获装置的波束分布的计算的示例。
图10B示意性地图示了根据第一实施例的图像捕获装置的波束分布的计算的示例。
图10C示意性地图示了根据第一实施例的图像捕获装置的波束分布的计算的示例。
图11图示了根据第一实施例的波束分布的重叠率与图像捕获装置的点光源之间的距离之间的关系。
图12是图示根据第四实施例的捕获图像的方法的流程图。
图13图示了电磁波的背景噪声和大气衰减。
具体实施方式
人体的皮肤结构具有几十μm到几百μm的不规则性。太赫兹波的波长在与皮肤结构相同的几十μm到几百μm或更多的范围内。为此，在被摄体包括人体的情况下，利用太赫兹波进行成像不是利用代表性地可见光的散射的散射成像，而是具有镜面反射的镜面反射成像。更具体而言，人体的皮肤结构可以被认为是抵抗太赫兹波的平滑反射被摄体。太赫兹波的镜面反射波的方向由太赫兹波入射到人体的曲面上的位置和角度确定。
例如，在尝试使用通过使用PTL 1中公开的点光源照射太赫兹波的图像捕获装置对人体进行成像时，取决于太赫兹波的镜面反射波的方向，太赫兹波的镜面反射波不到达检测器阵列。为此，在一些情况下，图像捕获装置的一些像素可以检测太赫兹波，但是其它像素不能检测太赫兹波。随着不能检测太赫兹波的像素的比率增大，关于被摄体的形状的信息减少，并且不容易从捕获的图像中推测被摄体的详细形状。
鉴于上述问题，后面描述的实施例的目的是在使用太赫兹波的图像捕获装置中抑制可以检测到太赫兹波的像素的数量减少。
根据稍后描述的每个实施例，使用太赫兹波的图像捕获装置可以抑制可以检测到太赫兹波的像素的数量减少。
根据稍后描述的每个实施例，将描述照射太赫兹波的照射装置和使用该照射装置的图像捕获装置。现在将描述太赫兹波。
图13图示了源自太阳并在微波波段到太赫兹波段中到达地球的背景噪声(辐射通量密度)的示例，以及太赫兹波段中的大气衰减量的频谱的示例。在微波波段至毫米波段中观察到的增大的背景噪声部分的噪声取决于太阳活动的状态而变化。如图13中所示，在一些情况下，背景噪声在微波波段到毫米波段中增大。在微波波段到毫米波段中，由于人的活动引起的人为噪声以及由于天气和大气的状态引起的各种噪声被叠加为环境噪声。
近年来，主要在毫米波段中的通信技术和在毫米波段中利用电磁波的天文观测已经变得普及，并且无线电法则将小于0.275GHz的频带划分为精细的区段用于各种目的。可以在毫米波段中输出的电场强度受到无线电法则的严格限制，因为这个波段也用于天文观测。
在构造使用毫米波的图像捕获装置的情况下，由于背景噪声的增大和可以使用的毫米波的输出的限制，使用乘法器和具有小SN比的信号的频率转换技术经常用于检测。此外，所使用的电磁波的波长长，包括图像传感器的光学系统的尺寸增大，并且担心图像捕获装置的尺寸在电学上和光学上增大。对于一些用途，不能确保足够的SN比，并且有必要增大图像传感器的像素尺寸。因而，所捕获的图像限于被摄体的整个轮廓，并且在一些情况下难以直接识别被摄体的详细形状。
可以考虑对使用太赫兹波的图像捕获装置的使用来使毫米波相机的图像更精确。例如，可以预期使用太赫兹波的图像捕获装置可以使用具有比使用毫米波的情况的输出更高的输出的光源，有许多可用频率的选择，并且因为波长减小，因此装置尺寸可以减小。
如从图13中的太赫兹波段中的大气衰减量的光谱可以看到的，存在其中大气衰减小的区域(称为“大气窗口”)。因而，可以认为选择与大气窗口相关的电磁波能够防止大的信号衰减发生。
根据稍后描述的实施例，将描述使用太赫兹波的图像捕获装置、捕获图像的方法以及在图像捕获装置中使用的照射装置。后面描述的每个实施例的目的是即使在如上所述的使用太赫兹波进行镜面反射成像的图像捕获装置中，也抑制可以检测太赫兹波的像素的数量减少。使用毫米波的图像捕获装置可能具有相同的问题。但是，当通过使用采用太赫兹波的图像捕获装置以高精度对被摄体的形状进行成像并且实现比使用毫米波并且对被摄体的整个轮廓进行成像的图像捕获装置更高的分辨率时，问题更明显地显现出来。
(第一实施例)
将参考图1A描述根据本实施例的图像捕获装置1001。图1A示意性地图示了图像捕获装置1001的结构。
图像捕获装置1001包括检测单元100、第一照射装置(第一照射单元)110、第二照射装置(第二照射单元)120、第一支撑单元118、第二支撑单元119、监视器单元130和处理单元170。
第一照射单元110和第二照射单元120用太赫兹波照射被摄体140。根据本实施例，图像捕获装置1001包括第一照射单元110和第二照射单元120这两个照射单元(照射装置)。但是，照射单元的数量不限于此，并且可以是1或2或更多。从第一照射单元110生成的太赫兹波作为第一照射波153照射到被摄体140。从第二照射单元120生成的太赫兹波作为第二照射波154照射到被摄体140。
来自第一照射波153和第二照射波154的太赫兹波的频率优选地包括在不小于0.3THz且不大于30THz的范围内的其中频率未被指派的频带或单个频率中的成分。在被摄体140包括人体的情况下，许多衣服具有高达1THz的高渗透性。因而，在例如隐藏物体检查的情况下，不小于0.3THz且不大于1THz的频率范围更优选。
第一照射单元110和第二照射单元120各自至少包括生成太赫兹波的生成单元112和照射光学系统111。稍后将描述第一照射单元110。第二照射单元120具有相同的结构。
生成单元112包括生成元件，生成元件包括生成太赫兹波的第一生成元件113和第二生成元件114，并且与支承在支承面117上的面光源对应。
每个生成元件的尺寸小于到检测单元100的距离，并且生成元件可以被认为是点太赫兹波源并且在下面被称为点光源。换句话说，生成元件是太赫兹波源，其尺寸与可由检测单元100分解为图像的尺寸基本相同或者小于该尺寸。在这种情况下，可以认为点光源从单个点径向地生成太赫兹波。支承面117将在后面描述。在以下描述中，包括第一生成元件113和第二生成元件114的每个生成元件被称为“点光源”，并且包括生成元件的生成单元被称为“面光源”。
每个点光源的示例可以包括：诸如谐振隧穿二极管之类的半导体元件的太赫兹波生成元件，和使用光学切换和差频光的光激发太赫兹波生成元件。
每个点光源优选地具有天线结构以改善与空气的阻抗匹配和太赫兹波的生成效率。天线的尺寸被确定为基本上等于所使用的波长。
下面将通过示例描述包括在点光源中的第一点光源113和第二点光源114。第一点光源113生成第一太赫兹波156。第二点光源114生成第二太赫兹波157。存在其中第一太赫兹波156的照射区域与第二太赫兹波157的照射区域部分地重叠的重叠区域。
在这种情况下，第一点光源113和第二点光源114之间的距离优选地等于或长于根据第一太赫兹波156和第二太赫兹波157的波长中的最长波长获得的距离。具体而言，第一点光源113与第二点光源114之间的距离等于或大于与第一太赫兹波156和第二太赫兹波157的波长中的最长波长对应的每个天线的远场。第一太赫兹波156的波长和第二太赫兹波157的波长可以相同或者可以彼此不同。
本说明书中的“远场”是指点光源113和114被认为是彼此分离的距离。远场以各种方式表述。例如，远场是2D2/λ或更大的距离，其中D是每个天线的直径，并且λ是太赫兹波的波长。点光源之间的距离更优选为大约32D2/λ，这被认为是无穷远。在第二点光源114部署在第一点光源113的远场的状态下，点光源可以被认为是独立的光源，并且可以忽略点光源之间的相互影响，这产生稳定的操作。
例如，在使用诸如偶极天线或贴片天线之类的半波长天线(D＝λ/2)作为点光源113和114的天线的情况下，可以将远场计算为0.5λ或更大。特别地，被认为是无穷远的距离可以被计算为8λ或更大。在第一太赫兹波156和第二太赫兹波157是0.5THz(λ＝0.6mm)的太赫兹波的情况下，远场是0.3mm，被认为是无穷远的距离是4.8mm。在使用的太赫兹波具有多个波长的情况下，λ是最长的波长。
照射光学系统111用太赫兹波照射被摄体。根据本实施例的照射光学系统111具有成像功能。具体而言，从支承在照射光学系统111的物面116上的面光源112生成的第一照射波153收敛在照射光学系统111的成像面115上。物面116是照射光学系统111的面向被摄体的成像面。第一照射波153是太赫兹波的组合波，其至少包括第一太赫兹波156和第二太赫兹波157。包括在组合波中的太赫兹波的数量等于包括在面光源112中的点光源的数量。
照射光学系统111可以包括透射光学元件(诸如透镜)或反射光学元件(诸如反射镜)或其组合。例如，在图1A中的图像捕获装置1001中，其光轴与直线150重合的照射光学系统111包括单个透镜。在将透镜用作照射光学系统111的情况下，透镜的材料优选地对所使用的太赫兹波具有小的损耗。其示例包括Teflon(注册商标)和高密度聚乙烯。用于可见光的方法可以用于照射光学系统111的设计。
照射光学系统111的结构不限于透射光学系统的结构。例如，如图2中所示，使用反射镜的反射照射光学系统211可以被用作照射光学系统111。图2中的图像捕获装置1002的照射光学系统211使用反射来自点光源的太赫兹波的反射镜，并且反射镜具有轴外抛物面形状，其光轴与直线250重合。但是，反射镜的结构不限于此。
在图像捕获装置1002中，面光源212包括支承在与物面216相交的支承面217上的点光源以调整照射光学系统211的结构。包括经由照射光学系统211来自第一点光源113的第一太赫兹波256和来自第二点光源114的第二太赫兹波257的第一照射波253在成像面215上成像并照射到被摄体140。第二照射单元220具有相同的结构。来自第二照射单元220的第二照射波254照射到被摄体140。
使用图1A中所示的透射光学元件作为照射光学系统111使得面光源112和照射光学系统111能够同轴地布置。为此，当构造照射单元110和120时，可以容易地确保对准精度。同轴布置使得安装空间能够减小并且使得照射单元110和120的尺寸能够减小。
使用图2中所示的反射光学元件作为照射光学系统111使得当太赫兹波通过光学元件时的损耗能够减小并且抑制第一照射波153和第二照射波154的输出减小。与透射光学系统的情况相比，反射光学系统的尺寸容易增大。因而，可以增大照射光学系统111的太赫兹波接收区域，并且可以提高太赫兹波的接收效率。
检测单元100是检测太赫兹波的太赫兹波相机。在图像捕获装置1001中，通过使用第一支撑单元118和第二支撑单元119将第一照射单元110和第二照射单元120固定到检测单元100并且一体地形成第一照射单元110和第二照射单元120。第一支撑单元118和第二支撑单元119中的每个可以包括姿势调整可移动部分，其调整第一照射单元110和第二照射单元120的姿势。
检测单元100包括传感器102和成像光学系统101，传感器102包括划分的像素，成像光学系统101在传感器102的成像面上对来自被摄体140的反射波155(是太赫兹波)进行成像。反射波155包括从被摄体140反射的第一太赫兹波156和第二太赫兹波157。
传感器102的像素被划分为阵列形状或矩阵形状。像素包括检测太赫兹波的相应检测元件。每个检测元件的示例可以包括热检测元件(诸如测辐射热计)或半导体检测元件(诸如肖特基势垒二极管)。参考传感器102的输出信号形成太赫兹波图像。
传感器102的每个检测元件优选地具有天线结构以改善与空气的阻抗匹配和太赫兹波的检测效率。确定每个天线的尺寸基本上等于在图像捕获装置1001中使用的波长。在有必要快速捕获图像的情况下，半导体检测元件优选地用作检测元件。
成像光学系统101在传感器102上对在成像光学系统101的物面上的被摄体140的图像进行成像，并且诸如透镜或反射镜之类的光学元件可以被使用。每个图像捕获装置1使用其光轴与直线151重合的单个透镜作为成像光学系统101。但是，成像光学系统101的结构不限于此，并且可以使用多个光学元件。在透镜的情况下，优选地使用对所使用的太赫兹波具有小损耗的材料。例如，可以使用Teflon和高密度聚乙烯。用于可见光的方法可以用于成像光学系统101的设计。
来自被摄体140的反射波155由检测单元100检测。检测单元100的检测结果被发送到处理单元170。处理单元170通过使用检测单元100的检测结果来捕获图像。处理单元170的示例可以包括诸如计算机之类的处理设备，该处理设备例如包括CPU(中央处理单元)、存储器和存储装置。用于可视化的处理可以由处理单元170中的软件执行。由处理单元170的处理实现的一些功能可以由诸如逻辑电路之类的硬件代替。处理单元170可以是通用计算机或专用硬件，诸如单板计算机或ASIC。可替代地，处理单元170可以安装在检测单元100中。
监视器单元130可以基于关于由处理单元170形成的图像的信息来显示被摄体的图像。监视器单元130可以是用作处理单元170的计算机的监视器，或者可以准备好显示图像。
图1B示意性地图示了照射光学系统111的成像面115的一部分。成像面115具有如下的重叠区域：其中第一太赫兹波156的收敛在成像面115上的第一波束分布(第一照射区域)158的一部分与第二太赫兹波157的收敛在成像面115上的第二波束分布(第一照射区域)159的一部分重叠。在面光源112中，优选地调整第一点光源113和第二点光源114之间的距离及其布置，使得第一波束分布158的一部分与第二波束分布159的一部分重叠。
利用这种结构，被摄体140的区域在不同方向上被第一太赫兹波156和第二太赫兹波157照射。因此，第一太赫兹波156和第二太赫兹波157以等于入射角度的反射角度从被摄体140反射，并且从被摄体140起沿不同方向行进。这使得从被摄体140的区域反射的第一太赫兹波156和第二太赫兹波157能够被认为是伪散射波。
此时，成像面115上的第一波束分布158和第二波束分布159之间的重叠区域优选地与成像面115上的观察区域160重叠，该观察区域160与传感器102的至少一个像素对应。
以这种方式，检测单元100的传感器102的每个像素可以接收来自对应的观察区域160的在不同方向上的镜面反射光，进而可以减小不能检测太赫兹波的像素的百分比。因此，与常规的情况相比，可以通过使用检测单元100的检测结果更准确地捕获图像。此外，与常规的情况相比，可以更容易地从捕获图像推测被摄体140的形状。
点光源支承在支承面117上。支承面117可以是平坦表面或可以包含弯曲表面。支承面117可以与照射光学系统111的物面116齐平或者可以与其相交。第一照射单元110调整支承面117的形状和支承面117相对于物面116的姿势以调整每个点光源和照射光学系统111之间的距离，并调整照射到被摄体140的太赫兹波的像差。调整太赫兹波的像差使得能够调整来自点光源的太赫兹波的波束分布之间的重叠区域，并且使得能够调整与观察区域160的重叠程度。
由于照射光学系统111的尺寸是确定的，因此有可能发生所谓的渐晕，即，取决于支承面117的形状以及支承面117相对于物面116的姿势，一些太赫兹波被照射光学系统111的光学元件消除。例如，渐晕会减少到达被摄体140的太赫兹波的输出。为了减少渐晕，如图3中所示，照射光学系统311的光轴上的单个点优选地与从包括点光源313和314的每个点光源照射的太赫兹波的波束图(辐射图)的指向轴上的单个点相交。
本说明书中每个点光源的指向轴是指来自点光源的太赫兹波的方向特性的中心轴。具体而言，指向轴与表示从点光源发射具有最大强度的太赫兹波的方向的直线重合。例如，指向轴与连接如下的同心圆上的太赫兹波强度最大的位置的直线重合，所述同心圆具有不同的半径并且中心位于点光源的重心处。
例如，如图3中所示，包括在面光源312中的点光源313的辐射图360的指向轴361、包括在面光源312中的点光源314的第二辐射图362的第二指向轴363以及照射光学系统311的光轴在同一位置处彼此交叉。这种布置使得从点光源生成的太赫兹波能够包含在照射光学系统311的光学有效区域中。因此，减少了由照射光学系统311引起的渐晕，并且可以抑制到达被摄体140的太赫兹波的输出减少。
根据本实施例，指向轴361和照射光学系统311的光轴相交的位置与指向轴363和照射光学系统311的光轴相交的位置相同。但是，本实施例不限于这种结构。即，指向轴361和363可以在不同位置处与照射光学系统311的光轴相交。
来自点光源的太赫兹波优选地同时照射到被摄体140。在第一点光源113和第二点光源114的输出被调制的情况下，点光源优选地同步地改变去往被摄体140的输出。
图10B和图10C图示了在图2中的图像捕获装置1002的成像面215上成像的、来自面光源212的太赫兹波的波束图的几何光学计算的示例。具体而言，跟踪从包括在面光源212中的点光源到成像面215的光线。
图10A图示了包括在用于计算的面光源212中的点光源的布置。在假设面光源212包括布置在面光源212的中心部分处并且彼此间隔开d布置的点光源[1]至[9]以及布置在面光源212的外周部分上的点光源[10]至[17]的情况下，面光源212用于计算。中心部分处的点光源[1]至[9]用于确认太赫兹波的波束分布之间的重叠。外周部分上的点光源[10]至[17]用于确认由于像差引起的波束分布的最大扩展。
为了简化计算，在这里，面光源212包括布置在中心部分处的九个点光源[1]至[9]以及布置在外周部分上的八个点光源[10]至[17]。但是，点光源的数量和位置不限于此。例如，在点光源彼此间隔开d并且以矩阵形状布置的情况下，面光源212的点光源的数量可以是(L/d+1)×(L/d+1)，其中L是面光源212的外周的边的长度。
将描述计算的条件。在图10A中，面光源212的边的长度L是100mm。在目标频率为0.5THz的情况下，太赫兹波的波长λ为0.6mm。半波长天线用作每个点光源的天线。天线的直径D为0.3mm。在这种情况下，天线的远场为0.3mm(λ/2)或更大。被认为是无限远的远场是4.8毫米(8λ)或更大。
用于卫星广播的典型抛物面天线用作照射光学系统211。抛物面天线在纵向方向上的开口部的长度为520mm，横向方向上的长度为460mm。从开口部到底部的深度为50mm。抛物面天线的轴上焦距是234mm，其轴外角度是55.6度，并且其轴外焦距是299mm。
用作照射光学系统211的抛物面天线的轴外焦点位于从面光源212到达照射光学系统211的太赫兹波的入射轴250上。照射光学系统211的开口部的倾斜度相对于入射轴250为62.2度。入射轴250与几何光轴对应。物面216垂直于入射轴250。物面216穿过入射轴250上的点。具体而言，物面216在离开照射光学系统211的方向上位于距轴外焦点约85mm的位置处。面光源212以物面216和支承面217彼此相交的方式部署在物面216附近。支承面217可以与物面216匹配。
在使用这种第一照射单元210的情况下，第一照射波253在离开照射光学系统211约1340mm的位置处成像，并且太赫兹波照射到被摄体140。当如上所述面光源212的外周的边的长度L为100mm时，照射到被摄体140的第一照射波253具有大约350mm×350mm的尺寸。在计算中，抛物面天线的开口部的有效直径为80％。第二照射单元220具有与第一照射单元210相同的结构。
图10B图示了当点光源之间的距离d是4.8mm(8λ)时来自面光源212的中心部分处的点光源[1]至[9]的太赫兹波在成像面215上的波束分布的计算，所述距离对于每个天线被认为是无限远。水平轴(水平/mm)与图2中的X方向对应，垂直轴(垂直/mm)与图2中的Y方向对应。
如图10B中所示，由于抛物面天线的像差的影响，太赫兹波的波束分布延伸以向上突出。可以确认的是，来自点光源[5]周围的点光源[1]至[4]和[6]至[9]的太赫兹波的波束与来自部署在中心处的点光源[5]的太赫兹波的波束重叠。因此，反射波155可以用作伪散射波。可以以使得检测单元100的传感器102的每个像素的观察区域160与重叠部分重叠的方式来检测作为在重叠部分处反射的伪散射波的反射波155。
在这里假设使用外径为120mm且曲率约为100mm的透镜作为成像光学系统101，并且传感器102和成像光学系统101之间的距离为224mm。在这种情况下，成像光学系统101和被摄体140之间的距离约为1200mm，并且可以基本上等于第一照射单元210和被摄体140之间的距离。当传感器102的像素尺寸是0.5mm(其基本上等于面光源212的波长)时，观察区域160的尺寸约为2.6mm。在图10B中，波束分布的重叠区域(图10B中的圆圈中所示的区域)的尺寸大于观察区域160的尺寸。为此，可以理解的是，重叠区域可以包含观察区域160。成像光学系统101的形状可以包括非球面。
图10C图示了当点光源之间的距离d为19.2mm(32λ)时来自点光源[1]至[17]的太赫兹波的波束分布的计算结果。图中的数字是图10A中所示并且用于计算的每个点光源的编号。如图10C中所示，来自部署在中心处的点光源[5]的太赫兹波的波束与来自在点光源[5]周围的点光源[1]至[4]和[6]至[9]的太赫兹波的波束在两个位置处重叠。具体而言，点光源[5]的太赫兹波的波束与来自点光源[4]和[6]的太赫兹波的波束重叠。
由于照射光学系统211的像差的影响，来自面光源212的外周部分上的点光源[10]至[17]的太赫兹波的波束分布大于中心部分处的点光源[1]至[9]的波束分布。为此，可以增大其波束分布与观察区域160重叠的点光源的数量。
现在将描述来自相邻点光源的太赫兹波的重叠率。本说明书中的“重叠率”是跟中心部分处的那个波束重叠的区域的数量B与来自跟部署在中心处的点光源相邻的点光源的太赫兹波的波束的数量A的比率B/A，并且是重叠的相邻波束分布的比率。在图10B的情况下，点光源之间的距离d是4.8mm(8λ)，并且重叠率是1。在图10C的情况下，点光源之间的距离d是19.2mm(32λ)，并且重叠率是0.25。
在图11中，针对面光源212的中心部分处的相邻点光源的距离d绘制了相邻波束之间的重叠率。如图11中所示，来自相邻点光源的太赫兹波的所有波束在被认为是无限远的远场8λ内重叠，并且波束的重叠率在8λ之外减小。波束在32λ之外几乎不重叠。波束分布在36λ处彼此隔离。
从上面可以理解，对于在太赫兹波段形成伪散射波优选的是第一点光源113和第二点光源114之间的距离可以由远场的值来定义，远场的值由波长λ定义。具体而言，如图10C中所示，第一点光源113和第二点光源114之间的距离d优选地不小于0.5λ且不大于36λ，以便在太赫兹波的波长范围内形成伪散射波。第一点光源113和第二点光源114之间的距离d更优选地不小于0.5λ且不大于8λ。照射单元210和220以及检测单元100的结构不限于上述结构，而是根据图像捕获装置中使用的部件和待观察的被摄体140的形状适当地设计。
利用这种结构，相机的传感器的像素可以通过在不同方向上将太赫兹波照射到被摄体而接收在不同方向上的镜面反射光。这使得从观察区域反射的太赫兹波能够被认为是伪散射波。为此，可以减小不能检测太赫兹波的像素的百分比。因此，改善了通过使用太赫兹波捕获的图像的分辨率，并且可以容易地推测被摄体的形状。
(第二实施例)
将参考图4描述根据本实施例的图像捕获装置1003。图4示意性地图示了图像捕获装置1003的结构。图像捕获装置1003与根据第一实施例的图像捕获装置1002的不同之处在于，照射单元410和420以不同的方式布置。与根据上述实施例的部件相同的部件在图4中用相同的标号表示，并省略其详细描述。
在根据第一实施例的图像捕获装置1001和1002中，照射单元110、120、210和220以及检测单元100通过第一支撑单元118和第二支撑单元119组合在一起。但是，在根据本实施例的图像捕获装置1003中，第一照射单元410由第一支撑单元418保持并且与检测单元100分开部署。第二照射单元420由第二支撑单元419保持并且与检测单元100分开部署。第一支撑单元418和第二支撑单元419可以保持第一照射单元410和第二照射单元420的姿势，并且可以具有用于调整姿势的姿势调整机构。
使用太赫兹波的根据本实施例的图像捕获装置可以抑制能够检测太赫兹波的像素的数量减少。
利用根据本实施例的图像捕获装置1003的结构，改善了第一照射单元410和第二照射单元420的布置的自由度，并且图像捕获装置可以用于更宽范围的应用。
(第三实施例)
将参考图5描述根据本实施例的图像捕获装置1004的结构。图5示意性地图示了图像捕获装置1004的结构。图像捕获装置1004的照射单元510和检测单元100之间的位置关系不同于根据上述实施例的位置关系。与根据上述实施例的部件相同的部件在图5中用相同的标号表示，并省略其详细描述。
具体而言，图像捕获装置1004的照射单元510部署在检测单元100的后面。换句话说，成像光学系统101和照射光学系统511彼此面对，其间插入有面光源512，并且照射单元510以轴与检测单元100的光轴基本上重合的方式被部署。
在这种情况下，照射单元510的照射光学系统511优选地是反射性的，并且照射光学系统511的光学有效区域的尺寸优选地充分大于检测单元100的截面的尺寸。照射单元510和检测单元100可以一体地形成或者可以彼此分离。利用这种结构，可以减小图像捕获装置1004的尺寸。
而且，根据本实施例，来自照射单元510的点光源的第一太赫兹波556和第二太赫兹波557在照射光学系统511的成像面上重叠。这使得根据本实施例的使用太赫兹波的图像捕获装置能够抑制可以检测太赫兹波的像素的数量减少。
(第四实施例)
将参考图6A和图6B描述根据本实施例的图像捕获装置1005。图6A和图6B示意性地图示了图像捕获装置1005的结构。图像捕获装置1005等同于进一步包括用于扫描太赫兹波的结构的根据上述实施例的图像捕获装置之一。这里描述的示例是进一步包括用于扫描太赫兹波的结构的根据第一实施例的图像捕获装置1002。与根据上述实施例的部件相同的部件在图6A和图6B中用相同的参考标号表示，并省略详细描述。
根据第一实施例的图像捕获装置1002不包括用于扫描太赫兹波的机构，并且太赫兹波照射到被摄体140的方向几乎是固定的，或者未示出的姿势控制单元控制照射单元210和220的姿势以改变照射波的方向。但是，本实施例还包括扫描单元690，扫描单元690通过同时改变第一照射单元210、第二照射单元220和检测单元100的姿势来扫描照射波。因此，可以改变太赫兹波到被摄体140的入射角度和照射范围。由于入射在传感器102的每个像素的观察区域160上的太赫兹波的入射角度可以改变，因此来自观察区域160的太赫兹波的反射角度也改变。
扫描单元690的示例可以包括调整仰角和方向角(旋转角)的角度调整台以及调整图像捕获装置1002的位置的直线运动台。根据本实施例，调整仰角的旋转台用作扫描单元690。如图6A和图6B中所示，通过由扫描单元690同时调整第一照射单元210、第二照射单元220和检测单元100的姿势，可以改变第一照射波253和第二照射波254对被摄体140的照射位置和角度。
在这里，图6A中的状态被称为第一状态，而图6B中的状态被称为第二状态。图像捕获装置1005获得检测单元100的在第一状态下的检测结果和检测单元100的在第二状态下的检测结果，并从相应的检测结果捕获图像。图像被彼此组合。因此，可以增大从点光源行进并且从观察区域160反射的太赫兹波的反射角度成分，并且可以获得更接近散射光的状态。
扫描单元690的结构不限于此。例如，如图7中所示，第一支撑单元118和第二支撑单元119的姿势改变单元790可以用作扫描单元690。姿势改变单元790是用于改变第一照射单元210和第二照射单元220的姿势的机构。姿势改变单元790改变并调整第一照射单元210和第二照射单元220的仰角以在扫描方向791上扫描第一照射波253和第二照射波254。姿势改变单元790可以安装在根据第二实施例的图像捕获装置1003的第一支撑单元418或第二支撑单元419中，或者姿势改变单元790可以安装在第一支撑单元418和第二支撑单元419两者中。
将参考图12描述通过使用根据本实施例的图像捕获装置1005捕获图像的方法。通过扫描单元690调整被摄体140上的照射波的入射角度，并且被摄体140上的照射波的入射角度至少包括第一入射角度和第二入射角度。入射角度的数量可以根据需要由测量员设置，或者可以根据测量模式预先确定。在以下描述中，注意力集中在第一照射波253。但是，可以对其它照射波执行相同的处理。
当开始测量时，扫描单元690调整姿势，使得被摄体140上的照射波253的入射角度等于第一入射角度(S1201)。在这种状态下，照射波253照射到被摄体140，并且通过检测单元100检测来自被摄体140的反射波155而获得的检测结果被用于捕获第一图像(S1202)。第一图像数据D1201存储在处理单元的存储单元中。随后，扫描单元690调整姿势，使得被摄体140上的照射波253的入射角度等于第二入射角度(S1203)。
在这种状态下，照射波253照射到被摄体140，并且通过检测单元100检测来自被摄体140的反射波155而获得的检测结果被用于捕获第二图像(S1204)。第二图像数据D1202存储在处理单元的存储单元中。这个处理重复与设置为捕获图像的入射角度的数量相同的次数。
随后，处理单元读取存储在未示出的存储单元中的第一图像数据D1201和第二图像数据D1202，并组合图像(S1205)。以这种方式，可以增大从观察区域160反射的太赫兹波的反射角度成分，并且可以获得更接近散射光的状态。因此，可以减小不能检测太赫兹波的像素的百分比。因此，可以捕获具有比常规情况下的分辨率更高的分辨率的图像，并且可以从捕获的图像容易地推测被摄体的形状。监视器单元130可以显示组合的图像。
根据本实施例描述的捕获图像的方法是示例，并且可以改变每个步骤的次序。可以同时执行多个步骤。可以省略诸如步骤S1202之类的捕获图像的步骤，并且可以从检测单元100的以不同姿势获得的检测结果获得关于在步骤S1204捕获的图像的信息。
在上述图像捕获装置的情况下，包括第一太赫兹波(156，256)和第二太赫兹波(157，257)的第一照射波(153，253)在圆形平面上在被摄体140上成像，如图1B中所示。但是，第一照射波153和253不限于此并且可以线状收敛。例如，如图8中所示，形状调整单元854可以部署在照射光学系统211和被摄体140之间的照射光学系统211的光轴(入射轴250)上，并且第一照射波253可以是具有线状波束分布的照射波853。
形状调整单元854可以是如下的光学元件，其中照射光学系统211和成像光学系统101之一的轴的曲率不同于垂直于该轴的另一个光学系统的轴的曲率。其示例可以包括柱面透镜或柱面反射镜。在图8中，太赫兹波通过的柱面透镜用作形状调整单元854。由形状调整单元854调整的照射波的形状不限于线状形状，并且可以是圆形形状或四边形形状。
因此，作为太赫兹波的第一照射波253的波束形状被集中以利用其照射被摄体140。这使得能够增大照射到观察区域160的太赫兹波的输出。因此，改善了由图像捕获装置1006获得的太赫兹波的SN比，并且改善了通过使用太赫兹波捕获的被摄体的图像的层次。
在图像捕获装置包括上述形状调整单元854的情况下，如图9中所示，可以包括控制形状调整单元854的姿势的扫描单元990。例如，在图9中，扫描单元990可以通过调整形状调整单元854的仰角来在扫描方向991上扫描照射波853。
利用这种结构，可以增大从点光源照射并且从被摄体140的观察区域160反射的太赫兹波的反射角度成分，并且可以获得更接近散射光的状态。这使得根据本实施例的使用太赫兹波的图像捕获装置能够抑制可以检测太赫兹波的像素的数量减少。因此，可以减小不能检测太赫兹波的像素的百分比，并且可以从所获得的太赫兹波图像容易地推测出被摄体的形状。
以上描述了本发明的优选实施例。但是，本发明不限于这些实施例，并且可以在其精神范围内进行各种修改和变更。可以组合根据上述实施例的图像捕获装置的结构以供使用。因而，可以通过适当地组合根据上述实施例的各种技术来获得新的图像捕获装置。通过组合获得的图像捕获装置也包括在本发明的范围内。
本发明不限于上述实施例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变更。因而，附上以下权利要求以使本发明的范围公开。
本申请要求于2016年11月28日提交的日本专利申请No.2016-230606的权益，其全部内容通过引用并入本文。

Claims (13)

1.一种通过使用太赫兹波来捕获被摄体的图像的图像捕获装置，该图像捕获装置包括：
第一生成单元，布置有多个生成元件，每个生成元件生成太赫兹波；
第二生成单元，布置有多个生成元件，每个生成元件生成太赫兹波；
照射光学系统，使来自第一生成单元或来自第二生成单元的太赫兹波成像在成像面上；
成像光学系统，对从被摄体反射的太赫兹波成像；和
传感器，包括多个像素并且检测来自成像光学系统的太赫兹波，
其中，图像捕获装置包括来自第一生成单元的太赫兹波的波束与来自第二生成单元的太赫兹波的波束重叠的区域。
2.根据权利要求1所述的图像捕获装置，
其中，第一生成单元包括第一生成元件和第二生成元件，并且
其中，图像捕获装置包括来自第一生成元件的太赫兹波的波束与来自第二生成元件的太赫兹波的波束重叠的区域。
3.根据权利要求1所述的图像捕获装置，
其中，照射光学系统包括透射光学元件。
4.根据权利要求1所述的图像捕获装置，
其中，照射光学系统包括反射光学元件。
5.根据权利要求1所述的图像捕获装置，
其中，照射光学系统包括透镜。
6.根据权利要求5所述的图像捕获装置，
其中，成像光学系统包括透镜。
7.根据权利要求5或6所述的图像捕获装置，
其中，所述透镜包括树脂。
8.根据权利要求5所述的图像捕获装置，
其中，所述透镜包括聚乙烯。
9.根据权利要求1所述的图像捕获装置，
其中，来自第一生成单元的太赫兹波的波束与来自第二生成单元的太赫兹波的波束重叠的区域以与被摄体重叠的方式配置。
10.根据权利要求1所述的图像捕获装置，
其中，第一生成单元和第二生成单元沿着第一方向布置，并且
其中，所述传感器布置在第一生成单元与第二生成单元之间。
11.根据权利要求10所述的图像捕获装置，
其中，第一方向是重力方向。
12.根据权利要求1所述的图像捕获装置，
其中，来自第一生成单元以及来自第二生成单元的太赫兹波包括不小于0.3THz且不大于30THz的太赫兹波。
13.根据权利要求1所述的图像捕获装置，
其中，来自第一生成单元以及来自第二生成单元的太赫兹波包括不小于0.3THz且不大于1THz的太赫兹波。
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