太赫兹二维成像系统及成像方法与流程

本发明属于太赫兹应用技术领域，特别是涉及一种太赫兹二维成像系统及成像方法。

背景技术：

THz(太赫兹)成像是THz技术的重要应用方向之一，1995年，B.B.Hu和M.C.Nuss利用THz时域光谱系统实现了对新鲜树叶和集成电路的扫描成像，该工作被视为THz成像领域的里程碑，直观而清晰的透射扫描图像证明了THz波在成像领域的巨大潜力。特别的，由红外量子级联激光器(Quantum cascade laser,QCL)发展而来的THz QCL在成像方面的潜力也引起了广泛的关注，器件具备输出功率高，单频性好和体积小易集成等特点，作为THz源被各种成像技术及系统所采用。

THz波介于毫米波和红外光之间，与毫米波或微波成像相比，THz波成像可以获得更高的分辨率，因为THz波具有更短的波长；与红外相比，THz波可以穿透很多红外无法透过的材料[19–21]，如纸张，塑料，陶瓷和半导体等，完成对隐藏目标物体的成像；与在医学成像和安检成像等领域广泛应用的X射线相比，THz波具有更低的能量(1THz～4meV)，可以弥补X射线容易对人体造成辐射损伤这一明显缺点，同时对低密度物质成像的对比度又要优于X射线，基于上述优点，THz成像应用领域主要涉及隐蔽目标探测，安检成像，无损检测和癌变生物组织识别。

THz成像的发展趋势是研制更加实用化的THz成像探测设备，不断向着实时性、高分辨、远距离和便携式等方向发展。采用的技术手段主要包括：优化扫描方式、合成孔径技术和阵列接收技术等。在新型THz成像技术方面，基于THz QCL(Quantum Cascade Laser，量子级联激光器)的成像技术是未来THz成像领域一个重要的发展方向之一。

对于现有的太赫兹成像系统，由于在探测器与传输光路之间设置分束片，使得进入探测器的太赫兹光先经过分束片反射，由此极大降低了入射信号的强度，导致了信号具有较大的干扰，并且入射信号的收集效率也急剧下降。

鉴于此，有必要设计一种新的太赫兹二维成像系统及成像方法用以解决上述技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹二维成像系统及成像方法，用于解决现有的成像系统中进入探测器的入射信号强度低、干扰大、且收集效率低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹二维成像系统，所述成像系统包括：

太赫兹量子级联激光器模块，用于向外辐射平行的太赫兹光束；

载物台模块，用于承载待成像物体，并使所述待成像物体进行旋转和平移，以及将待成像物体的旋转平移二维信息发送至数据处理与图像还原模块；

光路传输模块，用于将所述太赫兹量子级联激光器模块发射的平行的太赫兹光束会聚到待成像物体上，并将带有待成像物体信息的太赫兹光进行反射，形成发散的太赫兹光束，然后再将发散的太赫兹光束转换为平行的太赫兹光束传输到数据采集模块；

数据采集模块，用于接收光路传输模块发送的平行的太赫兹光束，并将其会聚后转换为电信号，再将接收到的所有电信号发送至数据处理与图像还原模块，其中，所述电信号带有待成像物体信息；

数据处理与图像还原模块，用于同步控制所述载物台模块和数据采集模块，以及根据所述数据采集模块采集到的电信号和所述载物台模块发送的旋转平移二维信息进行成像并显示。

优选地，所述太赫兹量子级联激光器模块包括：

太赫兹量子级联激光器，用于发射太赫兹光；以及

内置于所述太赫兹量子级联激光器出光口的第一镜体，用于将所述太赫兹量子级联激光器发射的太赫兹波会聚为平行的太赫兹光束。

优选地，所述第一镜体包括拋面镜或凸透镜中的一种。

优选地，所述载物台模块包括载物台单元，以及与所述载物台单元连接的驱动器单元；其中，所述载物台单元包括：

基台，与旋转平移台配合，通过驱动器单元的控制实现旋转平移台在其上的旋转与平移；以及

位于所述基台上的旋转平移台，用于放置待成像物体；

所述驱动器单元包括：

与所述基台连接的第一电机，用于控制所述旋转平移台的旋转；

与所述基台连接的第二电机，用于控制所述旋转平移台的平移；以及

分别与所述第一、第二电机连接的采集器，用于采集所述待成像物体的旋转平移二维信息。

优选地，所述光路传输模块包括：

第一离轴拋面镜，位于所述太赫兹量子级联激光器模块的上方，用于接收所述太赫兹量子级联激光器模块发射的平行的太赫兹光束，并将其会聚到所述待成像物体上；

平面镜，位于所述载物台模块与待成像物体之间，用于将带有待成像物体信息的太赫兹光反射到第二离轴拋面镜，其中，所述反射光为发散的太赫兹光束；

第二离轴拋面镜，位于所述数据采集模块的下方，用于将平面镜反射的带有待成像物体信息的太赫兹光进行会聚，形成平行的太赫兹光束，并发送到数据采集模块。

优选地，所述第一离轴拋面镜和所述第二离轴拋面镜与水平方向均呈45度角。

优选地，所述数据采集模块包括：

内置有第二镜体的探测器，用于将所述光路传输模块发送的平行的太赫兹光束经第二镜体聚集到探测器的探测元件上，并将聚集后的太赫兹光转换为电信号，发送给数据采集卡；

以及与所述探测器连接的数据采集卡，用于采集探测器输出的电信号，并将采集到的所有电信号发送至数据处理与图像还原模块。

优选地，所述探测器包括太赫兹量子阱探测器、Ge:Ga低温探测器、高莱盒、超导低温HEB或辐射热测定器中的一种。

优选地，所述第二镜体包括凸透镜，winston锥或拋面镜中的一种。

本发明还提供一种太赫兹二维成像系统的成像方法，所述成像方法包括：

1)太赫兹量子级联激光器模块发射平行的太赫兹光束，所述平行的太赫兹光束经由光路传输模块传输并会聚至载物台模块表面的待成像物体上；

2)会聚的太赫兹光扫描待成像物体的位置信息，然后通过光路传输模块将带有位置信息的太赫兹光进行反射并转换为平行的太赫兹光束传输至数据采集模块，同时数据处理与图像还原模块则控制所述载物台模块进行旋转平移，以使得会聚的太赫兹光扫描到待成像物体的全部位置信息，同时，载物台模块采集该位置信息并将采集的待成像物体的全部位置信息发送至数据处理与图像还原模块；

3)数据采集模块将接收到的平行的太赫兹光束进行会聚后转换为电信号，再将接收到的所有电信号发送至数据处理与图像还原模块；

4)数据处理与图像还原模块根据数据采集模块发送的电信号和载物台模块发送的旋转平移二维信息进行成像并显示。

如上所述，本发明的太赫兹二维成像系统及成像方法，具有以下有益效果：

1.本发明所述成像系统通过将第一镜体内置于太赫兹量子级联激光器的出光口，不仅实现了所述激光器模块直接发射平行的太赫兹光，还减小了成像系统的体积及复杂度；而且通过将传输至光路传输模块的太赫兹光设置为平行的太赫兹光束，大大减小了光的损耗。

2.本发明所述成像系统通过将第二镜体内置与探测器的前端，不仅实现了太赫兹光的会聚，还进一步减小了成像系统的体积及复杂度。

3.本发明所述成像系统通过太赫兹量子级联激光器模块、载物台模块、光路传输模块及数据采集模块重新设置了太赫兹光的传输路径，避免了分束片的使用，减小了光的损耗和光束干扰，提高了成像信噪比；而且通过光路传输模块将入射至数据采集模块的太赫兹光设置为平行的太赫兹光束，增大了探测器的收集效率，提高了信号强度及成像效果。

附图说明

图1显示为本发明所述成像系统的系统框图。

图2显示为本发明所述太赫兹量子级联激光器模块的结构示意图及光路传输路径。

图3a显示为探测器单元的一种结构示意图及光路传输路径。

图3b显示为探测器单元的另一种结构示意图及光路传输路径。

图4显示为本发明所述成像方法的流程图。

图5显示为待成像物体及其成像结果示意图，其中，图5a显示为待成像物体，图5b显示为成像结果。

元件标号说明

1 太赫兹量子级联激光器模块

11 太赫兹量子级联激光器

12 第一镜体

2 载物台模块

21 载物台单元

211 基台

212 旋转平移台

22 驱动器单元

3 光路传输模块

31 第一离轴拋面镜

32 平面镜

33 第二离轴拋面镜

4 数据采集模块

41 探测器

411a 凸透镜

411b winston锥

412 探测元件

42 数据采集卡

5 数据处理与图像还原模块

1)～4) 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种太赫兹二维成像系统，所述成像系统包括：

太赫兹量子级联激光器模块1，用于向外辐射平行的太赫兹光束；

载物台模块2，用于承载待成像物体，并使所述待成像物体进行旋转和平移，以及将待成像物体的旋转平移二维信息发送至数据处理与图像还原模块5；

光路传输模块3，用于将所述太赫兹量子级联激光器模块1发射的平行的太赫兹光束会聚到待成像物体上，并将带有待成像物体信息的太赫兹光进行反射，形成发散的太赫兹光束，然后再将发散的太赫兹光束转换为平行的太赫兹光束传输到数据采集模块4；

数据采集模块4，用于接收光路传输模块3发送的平行的太赫兹光束，并将其会聚后转换为电信号，再将接收到的所有电信号发送至数据处理与图像还原模块5，其中，所述电信号带有待成像物体信息；

数据处理与图像还原模块5，用于同步控制所述载物台模块2和数据采集模块4，以及根据所述数据采集模块4采集到的电信号和所述载物台模块2发送的旋转平移二维信息进行成像并显示。

具体的，如图2所示，所述太赫兹量子级联激光器模块1包括：

太赫兹量子级联激光器11，用于发射太赫兹光；以及

内置于所述太赫兹量子级联激光器11出光口的第一镜体12，用于将所述太赫兹量子级联激光器11发射的太赫兹波会聚为平行的太赫兹光束。

优选地，所述第一镜体12与水平方向呈45度角。

优选地，所述第一镜体12包括拋面镜或凸透镜中的一种；进一步优选地，在本实施例中，所述第一镜体12为拋面镜。

需要说明的是，太赫兹量子级联激光器11发射的太赫兹光为发散光束，所述发散光束经过第一镜体12后转换为平行光束并从出光面射出，具体光路传输路径请参阅图2。

需要说明的是，通过将第一镜体12内置于所述太赫兹量子级联激光器11中，使得所述太赫兹量子级联激光器11发射的太赫兹光直接为平行光束，而无需额外设置转换元件，不仅减小了系统体积及复杂度，而且相较于发散光束，在传输过程中，平行光束具有更多优点，如传输过程中损耗小、具有更大的强度及收集效率更高等。

具体的，所述载物台模块2包括载物台单元21，以及与所述载物台单元21连接的驱动器单元22；其中，所述载物台单元21包括：

基台211，与旋转平移台212配合，通过驱动器单元22的控制实现旋转平移台212在其上的旋转与平移；以及

位于所述基台211上的旋转平移台212，用于放置待成像物体；

所述驱动器单元22包括：

与所述基台211连接的第一电机，用于控制所述旋转平移台212的旋转；

与所述基台211连接的第二电机，用于控制所述旋转平移台212的平移；以及

分别与所述第一、第二电机连接的采集器，用于采集所述待成像物体的旋转平移二维信息。

需要说明的是，所述基台211为固定结构，用于放置所述旋转平移台212；当所述驱动器单元22通过第一、第二电机分别控制所述旋转平移台212时，所述旋转平移台212在所述基台211上进行旋转平移运动。

进一步需要说明的是，由于所述第一、第二电机分别控制所述旋转平移台212，故所述旋转平移台212的旋转运动和平移运动可分开进行，也可同时进行。

需要说明的是，所述旋转平移二维信息包括待成像物体的旋转角度信息和平移长度信息。

具体的，所述光路传输模块3包括：

第一离轴拋面镜31，位于所述太赫兹量子级联激光器模块1的上方，用于接收所述太赫兹量子级联激光器模块1发射的平行的太赫兹光束，并将其会聚到所述待成像物体上；

平面镜32，位于所述载物台模块2与待成像物体之间，用于将带有待成像物体信息的太赫兹光反射到第二离轴拋面镜33，其中，所述反射光为发散的太赫兹光束；

第二离轴拋面镜33，位于所述数据采集模块4的下方，用于将平面镜32反射的带有待成像物体信息的太赫兹光进行会聚，形成平行的太赫兹光束，并发送到数据采集模块4。

优选地，所述第一离轴拋面镜和所述第二离轴拋面镜与水平方向均呈45度角，即第一离轴拋面镜的镜面和第二离轴拋面镜的镜面与水平方向呈45度角。

具体的，如图3a和图3b所示，所述数据采集模块4包括：

内置有第二镜体的探测器41，用于将所述光路传输模块发送的平行的太赫兹光束经第二镜体聚集到探测器的探测元412件上，并将聚集后的太赫兹光转换为电信号，发送给数据采集卡；

以及与所述探测器41连接的数据采集卡42，用于采集探测器41输出的电信号，并将采集到的所有电信号发送至数据处理与图像还原模块5。

需要说明的是，所述探测器41为现有的任意一种探测器，优选地，所述探测器包括太赫兹量子阱探测器、Ge:Ga低温探测器、高莱盒、超导低温HEB或辐射热测定器中的一种。

优选地，所述第二镜体包括凸透镜，winston锥或拋面镜中的一种；进一步优选地，所述第二镜体为凸透镜或winston锥。

需要说明的是，光路传输模块传输的平行光束经入光面进入探测器41后，先经过第二镜体后会聚到探测元件412上，经探测元件412后转换为电信号，具体光路传输路径请参阅图3a和图3b。

需要说明的是，所述数据采集卡42用于实时采集所述探测器41转换的电信号并进行保存，直至所述数据采集模块采集完待成像物体的全部位置信息后，所述数据采集卡42在将采集到的所有电信号发送至数据处理与图像还原模块。

具体的，所述数据处理与图像还原模块为计算机；优选地，在本实施例中，所述计算机通过labview和matlab程序实现同步控制、数据处理与图像还原并显示功能。

需要说明的是，所述数据处理与图像还原模块5通过labview编程实现对驱动器单元22和数据采集卡42的同步控制，即数据采集卡42采集到的待成像物体的位置信息与驱动器单元的采集器采集的旋转平移二维信息一一对应。

需要说明的是，所述数据处理与图像还原模块5通过matlab编程对数据采集模块发送的所有电信号及载物台模块发送的旋转平移二维信息进行数据处理，还原成图像并进行显示。

实施例二

如图4所示，本实施例还提供一种太赫兹二维成像系统的成像方法，所述成像方法包括：

1)太赫兹量子级联激光器模块1发射平行的太赫兹光束，所述平行的太赫兹光束经由光路传输模块3传输并会聚至载物台模块2表面的待成像物体上；

2)会聚的太赫兹光扫描待成像物体的位置信息，然后通过光路传输模块3将带有位置信息的太赫兹光进行反射并转换为平行的太赫兹光束传输至数据采集模块4，同时数据处理与图像还原模块5则控制所述载物台模块2进行旋转平移，以使得会聚的太赫兹光扫描到待成像物体的全部位置信息，同时，载物台模块2采集该位置信息并将采集的待成像物体的全部位置信息发送至数据处理与图像还原模块5；

3)数据采集模块4将接收到的平行的太赫兹光束进行会聚后转换为电信号，再将接收到的所有电信号发送至数据处理与图像还原模块5；

4)数据处理与图像还原模块5根据数据采集模块4发送的电信号和载物台模块2发送的旋转平移二维信息进行成像并显示。

具体的，所述太赫兹量子级联激光器模块1包括太赫兹量子级联激光器11，以及内置于所述太赫兹量子级联激光器11出光口的第一镜体12。

优选地，所述第一镜体12包括拋面镜或凸透镜中的一种；进一步优选地，在本实施例中，所述第一镜体12为拋面镜。

具体的，所述载物台模块2包括载物台单元21，以及与所述载物台单元21连接的驱动器单元22；其中，

所述载物台单元21包括基台211，以及位于所述基台211上的旋转平移台212；

所述驱动器单元22包括与所述基台211连接的第一电机，与所述基台211连接的第二电机，以及分别与所述第一、第二电机连接的采集器。

具体的，所述光路传输模块3包括第一离轴拋面镜31，平面镜32，以及第二离轴拋面镜33。

优选地，所述第一离轴拋面镜和所述第二离轴拋面镜与水平方向均呈45度角，即第一离轴拋面镜的镜面和第二离轴拋面镜的镜面与水平方向呈45度角。

具体的，所述数据采集模块4包括内置有第二镜体的探测器41，以及与所述探测器41连接的数据采集卡42。

需要说明的是，所述探测器41为现有的任意一种探测器，优选地，所述探测器包括太赫兹量子阱探测器、Ge:Ga低温探测器、高莱盒、超导低温HEB或辐射热测定器中的一种。

优选地，所述第二镜体包括凸透镜，winston锥或拋面镜中的一种；进一步优选地，所述第二镜体为凸透镜或winston锥。

具体的，所述数据处理与图像还原模块5为计算机；优选地，在本实施例中，所述计算机通过labview和matlab程序实现同步控制、数据处理与图像还原并显示功能。

下面对本实施例所述成像方法进行详细说明。

所述太赫兹量子级联激光器发射太赫兹光，太赫兹光经过第一镜体后转换为平行的太赫兹光束向外辐射并传输至第一离轴拋面镜；所述第一离轴拋面镜将该平行的太赫兹光束进行传输并会聚至载物台模块的待成像物体上，会聚的太赫兹光扫描待成像物体的位置信息，并通过平面镜将带有待成像物体位置信息的太赫兹光反射至第二离轴拋面镜，其中，扫描时长为5s，共记录5000个待成像物体的位置信息；同时，数据处理与图像还原模块通过控制第一电机和第二电机进而控制旋转平移台在基台上进行旋转和平移运动，其中，旋转平移台以8转每秒的速度旋转，以1cm/s的速度平移；与此同时，采集器每1ms采集一次待成像物体的旋转平移二维信息；第二离轴拋面镜将接收到的带有待成像物体位置信息的太赫兹光转换为平行的太赫兹光束，并传输至探测器，第二镜体将接收的平行的太赫兹光会聚后传输至探测元件上，探测元件将接收的光信号转换为电信号并输出至数据采集卡；直至5000个位置信息全部采集完，数据采集卡将全部电信号输出至数据处理与图像还原模块，同时采集器也将全部旋转平移二维信息输出至数据处理与图像还原模块，数据处理与图像还原模块根据电信号及旋转平移二维信息进行数据处理并进行图像还原及显示。

如图5a和5b所示，通过本实施例所述方法对图5a所述的待成像物体进行成像后，其成像结果如图5b所示。

综上所述，本发明的太赫兹二维成像系统及成像方法，具有以下有益效果：

1.本发明所述成像系统通过将第一镜体内置于太赫兹量子级联激光器的出光口，不仅实现了所述激光器模块直接发射平行的太赫兹光，还减小了成像系统的体积及复杂度；而且通过将传输至光路传输模块的太赫兹光设置为平行的太赫兹光束，大大减小了光的损耗。

2.本发明所述成像系统通过将第二镜体内置与探测器的前端，不仅实现了太赫兹光的会聚，还进一步减小了成像系统的体积及复杂度。

3.本发明所述成像系统通过太赫兹量子级联激光器模块、载物台模块、光路传输模块及数据采集模块重新设置了太赫兹光的传输路径，避免了分束片的使用，减小了光的损耗和光束干扰，提高了成像信噪比；而且通过光路传输模块将入射至数据采集模块的太赫兹光设置为平行的太赫兹光束，增大了探测器的收集效率，提高了信号强度及成像效果。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。