一种连续太赫兹波成像系统及其方法与流程

本发明涉及电磁波成像技术领域，尤其涉及一种连续太赫兹波成像系统及其方法。

背景技术：

太赫兹波是频率在0.1thz到10thz范围的电磁波，波长约在0.03-3mm范围，介于红外光与毫米波之间，具有高穿透性、低能性、指纹光谱等特征，故利用其进行成像，可与传统的可见光、红外、微波等成像形成有效互补，在安全检测、质量控制、疾病诊断等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。

太赫兹成像技术根据太赫兹波的产生与探测机理可以分为脉冲波成像与连续波成像两大类。脉冲太赫兹波成像的基本原理是透过成像样品的太赫兹电磁波的强度和相位包含了样品复介电函数的空间分布信息；而连续太赫兹波成像的基本原理是连续太赫兹波源提供比脉冲太赫兹源更高的辐射强度，在对样品成像时，物体内部的缺陷或损伤的边缘对太赫兹光的散射效应造成了物体的太赫兹波图像的明暗，从而推出物体内部的形状、缺陷或损伤位置。相比而言，连续太赫兹波成像具有较高的辐射功率，系统简单、价格低、成像速度快、信噪比高、且可通过焦平面阵列实现面阵成像等优点，成为了关注的焦点。

相比电读出成像系统，光读出成像系统能够从根本上避免电路热噪声，理论上具有极低的噪声等效功率，即高探测灵敏度。目前，现有技术中采用光读出方式的连续太赫兹波成像系统，利用太赫兹波源发出的连续波，穿透待测物体或被待测物体反射后，被太赫兹焦平面阵列(thzfocalplanearray，thzfpa)接收并引起结构形变，光学系统检测该形变，在相机上形成待测物体的太赫兹图像，并最终在计算机上显示。

但是在实际情况中，光读出成像系统的噪声等效功率仍然较高，与理论值相差较大。因此，亟待设计一种降低噪声等效功率的连续太赫兹波成像系统及其方法，用以提高探测灵敏度。

技术实现要素：

本发明提供的连续太赫兹波成像系统及方法，能够解决现有技术中光读出连续太赫兹波成像系统噪声等效功率较高的问题。

第一方面，本发明提供一种连续太赫兹波成像系统，其中包括：

连续太赫兹辐射源，用于产生太赫兹连续波；

样品台，用于放置待检测样品；

太赫兹焦平面阵列，用于吸收所述太赫兹连续波的能量并产生结构偏转角度的变化；

光学系统，用于读出所述太赫兹焦平面阵列的结构偏转角度，并产生可见光光强信息；

相机，用于获得所述可见光光强信息，并形成采样图像；

计算机，用于根据所述采样图像进行图像处理并实时显示；

其特征在于，所述连续太赫兹波成像系统还包括所述连续太赫兹辐射源和所述样品台之间的调制器，用于调制所述太赫兹连续波的光强。

可选地，上述调制器通过调节自身工作频率实现所述调制太赫兹连续波的光强。

可选地，上述调制器调制的所述太赫兹连续波的光强变化频率为所述太赫兹焦平面阵列的共振频率。

可选地，上述调制器为声光调制器、电光调制器或机械调制器。

可选地，上述连续太赫兹辐射源为光泵太赫兹激光器、量子级联激光器或返波管。

可选地，上述太赫兹焦平面阵列为热机械型太赫兹焦平面阵列。

可选地，上述热机械型太赫兹焦平面阵列包括用于吸收所述太赫兹连续波能量的吸收结构，以及用于根据热机械效应产生所述结构偏转角度的悬臂梁结构。

可选地，上述光学系统包括：

可见光源，用于产生可见光；

半反半透镜，用于将所述可见光入射到所述太赫兹焦平面阵列，并使得从所述太赫兹焦平面阵列表面反射的可见光透过；

变换透镜，用于形成光学衍射谱；

滤波单元，用于选择所述光学衍射谱的通光量；

成像透镜，用于将通过所述滤波单元的光转化为可见光光强信息。

可选地，上述太赫兹焦平面阵列位于所述变换透镜的前焦平面，所述相机位于所述成像透镜的后焦平面。

可选地，上述相机为ccd相机或cmos相机，用于形成以灰度值表示的所述采样图像。

可选地，上述计算机进行的图像处理包括：对所述采样图像中灰度变化最大的图像的选择、去除背景以及降噪处理。

另一方面，本发明还提供一种使用上述系统的连续太赫兹波成像方法，其中包括：

步骤一、将调制器频率设定为太赫兹焦平面阵列的结构共振频率；

步骤二、由连续太赫兹波辐射源发出并通过所述调制器形成振幅调制的太赫兹连续波；

步骤三、由太赫兹焦平面阵列接收带有样品信息的所述振幅调制的太赫兹连续波信号，并产生同频率周期性变化的结构偏转角度；

步骤四、由光学系统将所述结构偏转角度转化为可见光光强信息；

步骤五、由相机接收所述可见光光强信息，形成采样图像；

步骤六、由计算机处理所述采样图像并形成可视化太赫兹图像。

本发明提供的连续太赫兹波成像系统及方法，能够利用太赫兹连续波具有振幅可调制的特点，通过调制器进行光强调制，从而引起太赫兹焦平面阵列结构转角周期性变化，当调制频率达到结构共振频率，共振效应将有利于在一定温升下增大结构转角，从而提高太赫兹焦平面阵列的热机械响应率，达到降低系统噪声等效功率的效果，最终可有效提高系统的探测灵敏度。

附图说明

图1为本发明一实施例连续太赫兹波成像系统透射式结构的示意图；

图2为本发明另一实施例连续太赫兹波成像系统反射式结构的示意图；

图3为本发明一实施例连续太赫兹波成像方法的流程示意图。

图1附图标记：10、连续太赫兹辐射源；20、调制器；30、样品台；301、样品；40、太赫兹焦平面阵列；401、吸收结构；402、悬臂梁；50、光学系统；501、可见光源；502、半反半透镜；503、变换透镜；504、滤波单元；505、成像透镜；60、相机；70、计算机；

图2附图标记：210、连续太赫兹辐射源；220、调制器；230、样品台；2301、样品；240、太赫兹焦平面阵列；2401、吸收结构；2402、悬臂梁；250、光学系统；2501、可见光源；2502、半反半透镜；2503、变换透镜；2504、滤波单元；2505、成像透镜；260、相机；270、计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一方面，本发明提供了一种连续太赫兹波成像系统。图1示出了连续太赫兹波成像系统的透射式结构示意图。如图1所示，该连续太赫兹波成像系统包括：连续太赫兹辐射源10、调制器20、样品台30、太赫兹焦平面阵列40、光学系统50、相机60和计算机70。

连续太赫兹辐射源10用于产生频率一定、振幅一定的太赫兹连续波。优选地，连续太赫兹辐射源10可选用光泵太赫兹激光器、量子级联激光器或返波管。

调制器20通过调节频率实现对太赫兹连续波光强的调制，输出频率一定、振幅调制的太赫兹连续波。优选地，调制器20可选用声光调制器、电光调制器或机械调制器，频率范围包括但不限于4-5000hz。

样品台30用于放置样品301。如图1所示，频率一定、振幅调制的太赫兹连续波穿透样品后，产生包含样品301信息的太赫兹连续波信号。

太赫兹焦平面阵列40为热机械型太赫兹焦平面阵列，由多个像元组成，每个像元至少包括吸收结构401和悬臂梁402。吸收结构401吸收包含样品信息的太赫兹连续波信号能量，将其转换成热能，同时温度升高；悬臂梁402由多层材料构成，与吸收结构401连接，通过热传导使得温度改变，并根据热机械效应偏转角度发生变化。特别地，调制的振幅信号将使太赫兹焦平面阵列40温升同频率变化，从而导致结构转角也产生同频率周期性的动态变化。优选地，太赫兹焦平面阵列40可选用专利cn105987757a提出的太赫兹焦平面阵列。

光学系统50读出太赫兹焦平面阵列40结构偏转角度变化，并产生可见光的光强信息。优选地，光学系统50包括：可见光源501、半反半透镜502、变换透镜503、滤波单元504和成像透镜505。可见光源501产生可见光，该可见光经半反半透镜502入射到太赫兹焦平面阵列40表面并被反射，反射后的可见光经变换透镜503形成衍射谱，衍射谱的通光量被滤波单元504调控后，经成像透镜505形成包含有样品信息的可见光光强信息。

相机60获得包含有样品信息的可见光光强信息，通过对动态信号采样，形成以灰度值表示的采样图像。优选地，相机60可选用ccd相机或cmos相机。

特别地，太赫兹焦平面阵列40位于光学系统50变换透镜503的前焦平面，相机60位于光学系统50成像透镜505的后焦平面。

计算机70用于对相机60获得的采样图像进行图像处理，得到可视化的样品太赫兹图像。特别地，计算机70对采样图像进行的图像处理包括：对采样图像中灰度变化最大图像的选择、去除背景处理以及降噪处理。

特别地，当太赫兹连续波光强调幅频率达到太赫兹焦平面阵列40的共振频率时，太赫兹焦平面阵列40将产生共振效应，使得结构转角增大，从而提高太赫兹焦平面阵列40的热机械响应率。对于光读出成像系统而言，噪声等效功率(nep)可表示为：nep＝inoise/r，其中inoise为系统的噪声灰度级、r为响应率。太赫兹焦平面阵列40响应率由器件对太赫兹波的吸收率及其热机械响应率共同决定，由此提高太赫兹焦平面阵列40的热机械响应率，有助于降低系统噪声等效功率。

本发明的另一个实施例提供一种反射式连续太赫兹波成像系统。图2示出了连续太赫兹波成像系统的反射式结构示意图。如图2所示，该连续太赫兹波成像系统包括：连续太赫兹辐射源210、调制器220、样品台230、太赫兹焦平面阵列240、光学系统250、相机260和计算机270。

连续太赫兹辐射源210用于产生频率一定、振幅一定的太赫兹连续波。优选地，连续太赫兹辐射源210可选用光泵太赫兹激光器、量子级联激光器或返波管。

调制器220通过调节频率实现对太赫兹连续波光强的调制，输出频率一定、振幅调制的太赫兹连续波。优选地，调制器220可选用声光调制器、电光调制器或机械调制器，频率范围包括但不限于4-5000hz。

样品台230用于放置样品2301。如图2所示，频率一定、振幅调制的太赫兹连续波经样品反射后，产生包含样品2301信息的太赫兹连续波信号。

太赫兹焦平面阵列240为热机械型太赫兹焦平面阵列，由多个像元组成，每个像元至少包括吸收结构2401和悬臂梁2402。吸收结构2401吸收包含样品信息的太赫兹连续波信号能量，将其转换成热能并且温度升高；悬臂梁2402由多层材料构成，与吸收结构2401连接，通过热传导使得温度改变，并根据热机械效应偏转角度发生变化。特别地，调制的振幅信号将使太赫兹焦平面阵列240温升同频率变化，从而导致结构转角也产生同频率周期性的动态变化。优选地，太赫兹焦平面阵列240可选用专利cn105987757a提出的太赫兹焦平面阵列。

光学系统250读出太赫兹焦平面阵列240结构偏转角度变化，并产生可见光光强信息。优选地，光学系统250包括：可见光源2501、半反半透镜2502、变换透镜2503、滤波单元2504和成像透镜2505。可见光源2501产生可见光，该可见光经半反半透镜2502入射到太赫兹焦平面阵列240表面并被反射，反射后的可见光经变换透镜2503形成衍射谱，衍射谱的通光量被滤波单元2504调控后，经成像透镜2505形成包含有样品信息的可见光光强信息。

相机260获得包含有样品信息的可见光光强信息，通过对动态信号采样，形成以灰度值表示的采样图像。优选地，相机260可选用ccd相机或cmos相机。

特别地，太赫兹焦平面阵列240位于光学系统250变换透镜2503的前焦平面，相机260位于光学系统250成像透镜2505的后焦平面。

计算机270用于对相机260获得的采样图像进行图像处理，得到可视化的样品太赫兹图像。特别地，计算机270对采样图像进行的图像处理包括：对采样图像中灰度变化最大图像的选择、去除背景处理以及降噪处理。

特别地，当太赫兹连续波光强调幅频率达到太赫兹焦平面阵列240共振频率时，太赫兹焦平面阵列240将产生共振效应，使得结构转角增大，从而提高太赫兹焦平面阵列240的热机械响应率。对于光读出成像系统而言，噪声等效功率(nep)可表示为：nep＝inoise/r，其中inoise为系统的噪声灰度级、r为响应率，太赫兹焦平面阵列240响应率由器件对太赫兹波的吸收率及其热机械响应率共同决定，由此提高太赫兹焦平面阵列240的热机械响应率，有助于降低系统噪声等效功率。

第二方面，本发明提供了一种连续太赫兹波成像方法。图3示出了本发明一实施例的连续太赫兹波成像方法流程图。如图所示，s31表示将调制器频率设定为太赫兹焦平面阵列的结构共振频率；s32表示由连续太赫兹辐射源发出并通过所述调制器形成振幅调制的太赫兹连续波；s33表示由太赫兹焦平面阵列接收带有样品信息的所述振幅调制的太赫兹连续波信号，并产生同频率周期性变化的结构偏转角度；s34表示由光学系统将所述结构偏转角度转化为可见光光强信息；s35表示由相机接收所述可见光光强信息，形成采样图像；s36表示由计算机处理所述采样图像并形成可视化太赫兹图像。

本发明实施例提供的连续太赫兹波成像系统及方法，能够将太赫兹波调制到太赫兹焦平面阵列结构共振频率，提高太赫兹焦平面阵列的热机械响应率，降低系统噪声等效功率，有效提高系统的探测灵敏度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。