一种太赫兹波反射成像装置及方法与流程

本发明涉及成像检测技术领域，更进一步地说是涉及一种太赫兹波反射成像装置及方法。

背景技术：

太赫兹波是指频率在0.1THz～10THz(波长为30～3000um)范围内的电磁波(1THz＝10¹²Hz)，太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，其长波段方向与毫米波(亚毫米波)相重合，而在短波段方向与红外线相重合。

太赫兹波所处的位置正好处于科学技术发展相对较好的微波毫米波与红外线光学之间，形成一个相对落后的“空白”；太赫兹的长波方向主要属于电子学范畴，而其短波方向则主要属于光子学范畴，从而在电子学与光子学之间形成一个“空白”。由于太赫兹波所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，有非常重要的学术和应用价值，使得全世界各国对其都给予了极大的关注。其中美国、欧州和日本尤为重视。

太赫兹的独特性能给宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域带来了深远的影响。但目前利用太赫兹进行反射成像时，往往存在定位不精准，定位尺寸难以精确判定，成像质量难以评估的缺点。

技术实现要素：

本发明提供了一种太赫兹波反射成像装置，能够精确地实现成像定位，更加准确地判定图像尺寸。具体方案如下：

一种太赫兹波反射成像装置，包括依次设置于同一光路上的太赫兹源、分束镜、准直聚焦系统和样品定位装置，还包括设置于所述分束镜反射光路上的探测器；所述样品定位装置包括用于固定被测样品的固定板，所述被测样品的成像区域内固定设置金属的定位标记。

可选地，所述定位标记至少设置两个，所述被测样品位于各个所述定位标记之间。

可选地，所述固定板大于所述被测样品，多个所述定位标记均设置于所述固定板上。

可选地，所述定位标记的具体形状为十字形、T形、X形或者圆环形；所述定位标记的材质为金、银或铝。

可选地，所述分束镜为经过特殊处理或镀膜的透镜，所述分束镜的一个面发生分光作用，透射光与反射光的占比为1∶1。

可选地，所述样品定位装置还包括运动控制系统，所述运动控制系统能够带动所述固定板、所述定位标记与被测样品同步平移。

可选地，所述固定板上设置太赫兹波吸收材料，所述太赫兹波吸收材料的厚度大于等于10mm。

可选地，所述固定板内部中空，填充设置水。

可选地，所述固定板背后设置海绵层。

此外，本发明还提供一种太赫兹波反射成像方法，在被测样品周围固定设置两个或以上金属的定位标记，使所述被测样品位于所述定位标记之间；调整准直聚焦系统和/或样品定位装置，使太赫兹波聚焦于最边缘的一个所述定位标记上，移动样品定位装置，使太赫兹波扫描所述被测样品及所有的所述定位标记；反射回路的太赫兹波经探测器接收后由图像处理系统生成图像。

本发明公开了一种太赫兹波反射成像装置，包括依次设置在同一太赫兹光路上的太赫兹源、分束镜、准直聚焦系统和样品定位装置，太赫兹源生成太赫兹波后经过分束镜折射继续向前，由准直聚焦系统进行聚焦后到达被测样品，被测样品反射太赫兹波后沿原路返回，再次经过准直聚焦系统，再次经过分束镜时一部分太赫兹波被反射，进入到分束镜反射光路上的探测器，由探测器接收携带被测样品信号的太赫兹波，经过分析计算后可以生成图像。本发明的样品定位装置包括固定板，固定板用于固定被测样品，在被测样品的成像区域内固定设置金属的定位标记。选用对太赫兹波反射效果更强的金属材料作为定位标记，固定于太赫兹波最终的成像区域内，并预先设定与被测样品的相对位置。由于定位标记的反射效果更强，当太赫兹波成像时会清楚成像，通过定位标记与被测样品的实际位置作为标准，由定位标记的显像位置可以判断出成像中被测样品的图像，得到被测样品更加精准的图像尺寸，提高太赫兹波检测的准确性。

本发明还提供一种太赫兹波反射成像方法，能够精确地实现定位，更加准确地判定被测样品的图像尺寸。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的太赫兹波反射成像装置的结构图；

图2A为固定板内部填充水的正面结构图；

图2B为固定板内部填充水的侧面结构图；

图3A为两个艾里斑能清楚分辨的位置关系图；

图3B为两个艾里斑恰能分辨的位置关系图；

图3C两个艾里斑不能分辨的位置关系图；

图4A为固定板背后设置海绵层的正面结构图；

图4B为固定板背后设置海绵层的侧面结构图。

其中：

太赫兹源1、分束镜2、准直聚焦系统3，样品定位装置4、固定板41、定位标记42、运动控制系统43、探测器5、被测样品6、图像处理系统7。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种太赫兹波反射成像装置及方法，能够精确地实现定位，更加准确地判定被测样品的图像尺寸。本发明的成像装置利用太赫兹波的反射效应进行成像，主要适用于检测对太赫兹波反射效果较强的材质。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图与具体的实施方式，对本申请的太赫兹波反射成像装置及方法进行详细的介绍说明。

如图1所示，为本发明提供的太赫兹波反射成像装置的装置结构图。包括依次设置在太赫兹波同一传播光路上的太赫兹源1、分束镜2、准直聚焦系统3和样品定位装置4等组件，优选地上述四位组件均设置于同一条光轴上。该成像装置还包括设置在分束镜2的反射光路上的探测器5，探测器5用于接收反射的太赫兹波信号。样品定位装置4包括用于固定被测样品6的固定板41，固定板41设置在被测样品6之后。在被测样品6的成像区域内还固定设置有金属材质的定位标记42，定位标记42所选用的金属材质能够有效地反射太赫兹波信号。

成像时，由太赫兹源1产生太赫兹波，太赫兹波沿直线传播，先经过分束镜2，经分束镜2的折射作用继续传播，通过准直聚焦系统3将太赫兹波准直为平行光以及聚焦，被聚焦的太赫兹波射到被测样品6，样品6由样品固定装置4固定在特定位置，可以被聚焦准直后的太赫兹波聚焦照射。被测样品6及整个成像区域内的物体可以反射太赫兹波，使太赫兹波沿原路返回，再次经过准直聚焦系统3与分束镜2。再次经过分束镜2时，一部分太赫兹波能够被反射，太赫兹波沿反射光路传播，携带成像区域内物体信号的太赫兹波被反射光路上的探测器5接收，进而可以分析计算得出被测样品6所在的成像区域内的图像。携带成像区域内物体信号的太赫兹波经过分束镜2的透射部分会离开系统，进入不了探测器5。

由于定位标记42可以有效地反射太赫兹波，因此定位标记42可以清楚地成像。定位标记42与被测样品6的实际相对位置已经确定，可以根据两者的实际位置关系，再结合定位标记42的成像位置，可以更容易地确定被测样品6的成像位置以及尺寸。

采用本发明提供的太赫兹波反射成像装置，根据定位标记42与被测样品6的实际相对位置确定被测样品6的成像位置，从而实现更好地成像定位。被测样品6的材质不同，其对太赫兹波的反射效果也有很大的差异，但定位标记42的反射效果很好，可以很清楚地成像，对于反射效果并不很好地样品来说，根据清晰的定位标记42图像可以更加容易判断出被测样品6的图像边界与尺寸。

在此基础上，本发明所提供的定位标记42至少设置为两个，被测样品6位于各个定位标记42之间。若只有两个定位标记42，则分别位于被测样品6的两侧；若有三个或更多的定位标记42，则多个定位标记42能够围成一个区域，被测样品6位于定位标记42围成的区域内，定位标记42均位于被测样品6之外，避免对被测样品6的成像产生影响。上述布置方式仅是一种具体的设置形式，定位标记42只要便于区分扫描范围和被测样品6尺寸就可以，而对于位置并没有具体要求。

如图2A所示，为固定板41的一种正面结构图，在固定板41的四个边角处分别设置有四个定位标记42。本发明中固定板41的面积大于被测样品6，使太赫兹波的成像区域尽量在固定板41的范围以内。定位标记42优选设置在固定板41上，定位标记42位于固定板41的边缘，尽可能不对被测样品6造成干扰。

定位标记42的具体形状可设置为十字形、T形、X形或者圆环形，也可以是其他的形状，只要便于分辨识别即可；定位标记42的材质为金、银或铝，这些材料对太赫兹的反射效果相对较强，当然也可选用其他的材料制成。图2A中的定位标记42设置为十字形。由太赫兹波长的不同设定每个定位标记的最小尺寸，根据瑞利判据：如果一个点光源的衍射图象中央最亮处刚好与另一点光源的衍射图象最暗处重合，认为这两个点光源恰好能为这一光学仪器分辨。

$\mathrm{\Δ}x=\frac{0.61\mathrm{\λ}}{n\sin \mathrm{\μ}}$

两个相邻的点光源形成的像是两个衍射斑，若两个等光强的非相干像之间的间隔等于艾里斑半径，即一个像斑的中心恰好位于另一个像斑第一暗环处，那么这两个点就是刚好能够分辨，而这两点之间的这个距离就是定位标记形状大小的一种几何尺寸的参考。如图3A至图3C所示，分别表示两个艾里斑能清楚分辨、恰能分辨和不能分辨的位置关系图。当波长不一样的时候，分辨清楚的最短距离也不一样。当系统能达到衍射极限时，若波长为1.426mm，光束发散角为12°，物体所在空间为空气时，物空间折射率为1，△x＝0.61*1.426/1*sin12＝4.15mm为最短分辨距离，比如两光斑的距离小于这个4.15mm，就不能分辨，成为了一个光斑。所以为了使定位标记42的清晰度得到提高，比如说一个十字形标记，按顺时针旋转，令上面一个点为A点，其它各点按顺时针为B,C,D。那么A和B，D之间的直线距离就得大于4.15mm，不是的话，十字形就分辨不出来了。还有一个考虑因素是当标记装置和样品之间的距离小于这个距离时，标记装置就和样品分辨在一起了，起不到应有的作用。

分束镜2为经过特殊处理或镀膜的透镜，在分束镜2的一个面发生分光作用，优选地使透射光与反射光的占比为1∶1。

本发明中的样品定位装置4还包括运动控制系统43，运动控制系统43能够带动固定板41、定位标记42与被测样品6同步平移。优选地，运动控制系统43由二维直线电机驱动。

在上述任一项及其相互组合的基础上，本发明中的固定板41上设置太赫兹波吸收材料，能够减少太赫兹波发生反射，降低对成像的干扰。太赫兹波吸收材料的厚度大于等于10mm，保证吸收的有效性。

具体地，本发明的固定板41内部填充设置水，由于水是太赫兹波的良好吸收体，除了定位标记42与被测样品6可反射太赫兹波外，其他的地方主要是吸收太赫兹波，减弱了背景噪声，提高了成像质量。如图2A与图2B所示，分别为固定板41内部填充水的正面结构图与侧面结构图；在固定板41的顶部设置有注水孔。图4A与图4B分别表示固定板41背后设置海绵层的正面结构图与侧面结构图。

相比于传统的单点式太赫兹探测器反射成像技术，本发明提出的反射式太赫兹样品定位装置由于增加了定位标记，具有定位速度快，定位效率高，可以了解被测样品详细几何信息的优点。由于水和海绵对太赫兹波具有良的好吸收性，本发明采用中空注水式固定板和加上毫米级吸收海绵的固定板，能够使背景噪声得到降低，减少干扰信号的影响。

为了确定太赫兹波反射成像装置的成像质量，通过成像中定位标记42的形状变化与实际图形相互比较，就可以评估整个成像装置成像质量的好坏。

本发明还提供了一种太赫兹波反射成像方法，在被测样品6周围固定设置两个或以上金属的定位标记42，使被测样品6位于定位标记42之间；调整准直聚焦系统3和/或样品定位装置4，使太赫兹波聚焦于最边缘的一个定位标记42上，移动样品定位装置4，使太赫兹波扫描被测样品6及所有的述定位标记42；反射回路的太赫兹波经探测器5接收后由图像处理系统7生成图像。

被测样品6首先在成像区域的初始位置，太赫兹波从太赫兹源1发出后经过分束镜2，分成折射、反射两束电磁波，折射光束通过准直聚焦系统，聚焦在被测样品6的表面，通过调整样品定位装置4使得太赫兹波聚焦在某一个定位标记42处，调整聚焦之后，如果被测样品6表面对于太赫兹波具有良好的反射性能的话，那么太赫兹波就会被反射回系统中，然后分别通过准直聚焦系统3和起转折光路作用的分束镜2，最终成像聚焦在太赫兹探测器5中。运动控制系统43带动被测样品6平移，聚焦的光斑打在被测样品6表面的不同区域，就可以使整个样品或者样品内部的详细信息被探测器5接收，不同材料对太赫兹波的反射和吸收性能不一样，导致太赫兹波返回的能量不一样；最后通过图像处理系统7，经过一系列的图像处理之后，得到最终的图像。图像处理系统7根据各数据采集点的坐标位置和每点的太赫兹幅度信息(反映为图像中每个像素的灰度信息)，利用基于区域相关的拼接算法和基于特征相关的拼接算法，最终合成一幅太赫兹波反射图像。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。