成像装置的制作方法

专利名称：成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种成像装置，尤其是但并不专门地，涉及一种能够在 室温下工作的毫米和亚毫米波长扫描相机。
背景技术：
众所周知，亚毫米射线(也称为太赫射线，这种射线介于微波与红 外光之间)能够穿透纸和布料。因此已经将这一波长范围认定为是抵御 日益增长的恐怖行为威胁的有力工具，这是因为可以使用它以与目前机 场安检中使用的x射线基本相同的方式来査找隐藏的金属和非金属武器。 我们还知道太赫射线可以用在天文学研究中，并且可以用在生物物质的 光谱分析中，因为不同的生物分子吸收不同频率的太赫射线。它穿透最 上层皮肤层的能力还表明了在皮肤癌的诊断和分析中有使用太赫射线的 可能性。
在太赫频谱的低频端，可以按照与检测无线电波相同的方式使用天 线来检测射线。不过，即使在0.1THz上，天线长度也仅有lmm，并且 随着频率增大，天线的大小还会减小。在W098/43314中，介绍了制造 毫米和亚毫米喇叭天线的方法，其中首先使用基板上的抗蚀层来制备半 喇叭天线形状的模具。将抗蚀层蚀刻成所期望的天线形状，然后对抗蚀 层模具的表面进行金属化。之后除掉抗蚀层，从而所剩下的全体即为具 有半喇叭天线形状的金属层。然后可以将两个这样的金属化结构连接在一起，形成整个喇叭天线。这种技术使得比以往更加复杂的喇叭天线结 构能够得以制造。

发明内容
本发明寻求提供一种扫描成像装置，这种扫描成像装置尤其适于在 毫米和亚毫米波长上进行成像，并且能够在这些波长上给出高于现有扫 描成像系统的分辨率。
按照本发明的第一个方面，给出了一种成像装置，该成像装置用于 产生毫米和亚毫米范围内的波长的图像，该成像装置包括透镜系统， 用于在焦平面上产生样本的图像； 一个或更多个检测器，适用于检测毫 米和亚毫米范围内的多个波长，各个检测器包括天线和相关的信号处理 构件，各个天线位于透镜系统的焦平面上。
在优选的实施方式中，各个检测器适用于检测一定范围的波长。
在优选的实施方式中，各个检测器适用于检测单个波长并且成像装 置包括适用于检测不同波长的至少两个检测器。
在优选的实施方式中，检测器适用于检测100GHz到1 THz范围内
的频率。
在优选的实施方式中，各个检测器适用于检测不同的频率或频率范围。
在优选的实施方式中，天线在焦平面内被定位为使适用于检测选定 频率或频率范围的检测器得以散布在焦平面上。
在优选的实施方式中，成像装置包括多个检测器并且天线排列成线 性阵列。
在优选的实施方式中，天线排列成线性阵列的叠层。 在优选的实施方式中，所述成像装置还包括一个或更多个可移动的 支架，在所述支架上安装所述一个或更多个天线，所述支架包括驱动构 件，所述驱动构件用于横越焦平面可控制地移动所述一个或更多个天线。


现在将参照附图通过在附图中示出的示例对本发明的实施例进行介 绍，其中
图l是依据本发明的扫描太赫相机的示意图；和 图2示出了用于图1的相机的天线阵子；
图3示出了与镜光学器件一起使用以增强对可用照射的采集的依据 本发明的成像装置。
具体实施例方式
图1中所示的太赫相机总体上包括样本台1、固定物镜2和位于物
镜2的焦平面上的天线3形式的多个检测器(图1中仅仅示出了一个)。 每一个天线3通过相应的波导4与常规混频电路5和包括但不局限于数 据分析系统的读取电子装置(未示出)相连接。此外，各个天线3装有 对着其孔径(aperture)的后向反射器6，后向反射器6可以反射光波长 的射线。优选地将分束器7安装在物镜2与天线3的阵列之间，优选地 成45。的角度，并且将其设置成把来自光学光源8的光线引导到安装在各 个天线上的后向反射器6上。与光学光源8伴随在一起的是诸如CCD相 机之类的光学成像装置9，用于检测和记录从后向反射器6反射回来的光 线。
物镜2优选地是非球面塑料透镜，适于将样本台1上的样本的图像 聚焦到在透镜的焦平面上的检测器3上。为了在毫米和亚毫米波长上对 图像聚焦，物镜2的直径应具有100mm的量级，并且物镜的焦距应近似 具有相同量级。另选地，物镜可以由离轴凹面镜代替。而且，在理论上， 分束器7是对毫米和亚毫米波长的射线实质透明(即，反射率>5。％并优 选地>1%)的分束器。混频器5优选地是外差混频器，并且设计上一般 是常规的，只是尺寸比无线电波长所要求的要小。
每个天线3都支撑在安装台10上，该安装架10可以在物镜2的焦 平面上进行移动。优选地，如图2所示，各个天线的安装架10与各自的 直线轨道11相接合，这些轨道11在物镜2的焦平面上基本相互平行地 延伸。安装架IO包括各自的驱动致动器12，优选地是常规的压电驱动器，这些驱动致动器12控制安装架10及其天线3沿着它们各自的轨道11的 运动。因此各个天线3能够沿着在物镜焦平面上延伸的直线选定任何位
置，并且因此天线3的波导4优选地是柔性的、低损耗的介质波导，以
适应这一运动。另选地，可以釆用柔性金属波导。
为了在毫米和亚毫米波长上进行成像，天线3优选地具有喇叭天线 的形式，比如但不限于W098/43314中介绍的那些喇叭天线。因此各个 天线的孔径为2 mm左右，从而一行16个独立天线可以延伸接近35 mm， 使得相邻天线之间能够有间隔。因此，通过为各个天线配备大约25 mm 左右的轨道长度，借助多个天线3能够扫描35 mmx25 mm的有效焦平面 面积。为了减小由天线的后向反射器6造成的天线遮挡，该后向反射器 长度优选地仅为接近0.2 mm。在使用显微机械加工技术制造天线的情况 下，该后向反射器优选地是光刻制造的，并且对着天线孔径悬挂在细硅 带上。
这样，上面介绍的成像装置将固定透镜与扫描天线阵列组合起来。 通过在各个天线上设置小的后向反射器，通过由CCD相机9对从后向反 射器反射回来的光线进行成像，能够确定各个天线在有效焦平面内的精 确位置。这能够明显提高图像分辨率，并且此外还能够将其用在反馈机 构中，以控制天线的进一步运动。
因为能够在太赫图像的一小块区域上进行积分，上面介绍的成像装 置具有提供数据变焦功能的额外优点，以实现较高的分辨率。
上面介绍的成像装置能够利用由样品发射的自然太赫射线产生样本 的图像。不过，该成像装置也适于对由外部太赫射线源照射的样本进行 成像，外部太赫射线源比如是与功率放大器和三倍频器相结合的在大约 80 GHz上工作的Gunn振荡器。
上面介绍的天线3可以独立进行移动。不过，在另选的实施例中， 可以将多个天线3连在一起，从而可以使用单个驱动致动器来一起移动 多个天线。例如，可以在公共安装架上将天线3排列成一个直线阵列， 艮口， 一个挨一个地排列，然后使公共安装架进行移动，以在太赫物镜的 焦平面上扫描该直线阵列。此外，将天线安装架限制为沿着轨道进行移轨道省去，并且用于安装架的驱动致动器能够沿着 不止一个方向或者甚至任何方向驱动这些安装架。而且，有一点当然是 显而易见的在另一另选实施例中，仅仅需要采用单个天线，该天线支 撑在安装架上，该安装架具有相关的驱动制动器，该驱动制动器能够可 控地将天线定位在处于太赫物镜焦平面内的扫描区域中的任何期望的位 置上。
虽然本文中提到了在太赫射线从物镜到天线的路径上设置光学分束 器，但是也可以想到，上面介绍的成像装置在没有光学分束器的情况下 也可以工作。利用该另选实施例，与太赫物镜的焦平面成锐角地对后向 反射器进行照射。在又一另选实施例中，可以用诸如平面镜或反射镜之 类的另选光学反射器来代替后向反射器。在与天线所处的平面成锐角地 照射平面反射镜的情况下，可以将光学光源和相机分立设置在太赫物镜 的相对两侧。
而且，虽然压电驱动制动器是用于控制天线运动的优选构件，但是 有一点当然是显而易见的也可以采用其它的另选机械/电子致动器，而 不会超出本发明的范围。
已知材料的发射率(尤其是所发射信号的强度)是随频率变化的。 而且，这种发射率随频率的变化对于不同的材料一般来说是不同的。因 此，可以通过测量所发射的不同频率的射线的强度并将结果与已知材料 的进行比较(例如，使用査询表)来识别材料。
在本发明的另一实施例中，与各个检测器相关的信号处理构件的混 频器适于在一定的频率范围内工作。例如，可以改变混频电路的本机振 荡频率，从而使检测器检测多种不同频率的射线。可以对本机振荡器的 频率进行切换，从而使检测器检测不同的离散频率。另选地，本机振荡 器可以遍历振荡频率范围，从而使检测器得以类似地遍历所检测频率的 范围。
对于某些材料，发射率、透射率和反射率特性在某一亚毫米频率范 围内可能仅仅发生轻微变化。为了提高材料间的差异度，优选地将成像
装置的检测器改造为能够测量至少100 GHz到1 THz范围内的频率。在需要较宽频率范围的情况下，不管是遍历还是切换，单个检测器都可能 无法覆盖期望的频率范围。因此成像装置优选地包括多个检测器，使与 各个检测器相关的混频器适于在不同的频率范围内工作。
使用多个检测器检测较宽的频率范围可以以多种方式来实现。例如， 可以使各个检测器适于检测整个期望频率范围内的不同的离散频率或者 子频率范围。可以将各个检测器在焦平面内的排列或定位选择为用于选 定的频率或子频率范围的检测器散布在焦平面上。另选地，成像装置可 以包括排列成线性阵列的像素检测器，阵列的各个像素检测器适合于检 测整个期望频率范围内的不同的离散频率或子频率范围，但是相邻线性 阵列中的像素检测器易受对应频率的影响。通过采用线性阵列的叠层(可 以是移动的也可以是静止的)，可以减少成像次数。再可选地，可以使某 一线性阵列内的所有像素检测器适于检测相同的频率或子频率范围，但 是相邻阵列内的检测器适于检测不同的频率或子频率范围。这样，利用 这种另选实施例，通过使线性阵列形成叠层，可以覆盖整个期望频率范 围。
通过检测不同频率的射线并且将信号强度的变化与已知材料的进行 比较(例如使用查询表)，可以将本发明的成像装置用于识别是否存在特 定材料。例如，该成像装置可以用在食品工业中，在食品工业中，可以 使用该成像装置来监测食品的状况和卫生标准。该成像装置尤其适于用 在安检系统中，用来识别使用常规的检查方法一般情况下看不到的违禁 材料，比如塑料爆炸物。可以将该成像装置的数据分析元件编程为仅对 特定的材料做出标记，在由该装置以高度可视化的方式产生的图像上识 别该做了标记的材料所在的位置。此外，检测到被标记的材料可以触发 某种形式的报警。
在将成像装置用于识别选定材料存在与否的情况下，图像分辨率的 重要程度可能低于材料选择性和成像速度。具体来说，知道特定材料是 否存在比正确了解材料所处位置更为重要。因此，可以以牺牲图像分辨 率来换取材料选择性和速度，即，确保检测器覆盖合适数量和范围的频 率并且确保图像能够在可接受的时帧内得以形成/采集。本发明的成像装置和其它任何相机一样也仅仅能够对物体面对成像 装置的表面进行成像。该成像装置因此不能对物体背离检测器的表面进 行成像。为了采集来自物体两面的照射，可以将该成像装置与位于物体 后面的可以反射太赫频率的反射镜结合起来使用。还可以将额外的反射 镜置于物体上方和/或下方的位置上。
由于太赫射线的波长(通常是1 mm或更短)并不要求苛刻的金属
表面精整标准，可以使用常规的机加工金属来制作反射镜，比如铝。可
以使用一个或更多个朝向成像装置倾斜的常规平面镜。不过，如图3所
示，实现点到平行成像的凹面镜光学器件是首选，这是因为这些凹面镜
光学器件能够采集所有的太赫照射；在希望采集来自小样本的所有可能 照射的情况下，这一点尤其重要。另选地，可以采用非球面光学系统。 而且，还可以采用其它的光学器件和/或相机，以便避免物体造成的阴影。
反射镜的大小取决于所要成像的物体的大小，并且因此较大的物体 (比如重件运载工具)需要相对较大的反射镜。在这些情况下，反射镜 可以由涂覆有适当金属反射体的模制塑料体构成。
上面已经提到，在很多情况下，比如检测违禁材料的情况，检测出 物体(比如塑料爆炸物块)存在与否比真正对物体成像更为重要。与成 像装置相结合地使用反射镜为尽可能多地釆集不同频率的照射提供了可 能。因此，本发明理论上适用于为了检查是否存在违禁材料的对物体的 检查。
可以预料，本发明在机场和港口安检中会有具体的应用，在这种情 况下，可以将反射镜和/或相机相对于物体隐藏在对太赫频率透明的材料 的面板后面，例如在纸制海报展示板、纸板或塑料板后面。
可以设想到对上面介绍的发明的具体实施方式
进行的其它改变，比 如省去样本台和将混频器与天线安装在一起，从而将这二者安装成横越 物镜的焦平面进行移动，这些改变不会超出所附权利要求中定义的本发 明的范围。
另外，根据本发明的另一方面，本发明提供了一种成像装置，该成 像装置用于产生毫米和亚毫米范围内的第一组波长的图像，该成像装置包括透镜系统，用于在焦平面上产生样本的图像； 一个或更多个检测 器，各个检测器包括天线和相关的信号处理构件，各个天线位于透镜系 统的焦平面上； 一个或更多个可移动的支架，所述一个或更多个天线安 装在所述支架上，所述支架包括驱动构件，所述驱动构件用于在所述焦 平面上可控制地移动所述一个或更多个天线；和反射器，适用于反射与
所述第一组波长不同的第二组波长的射线，该反射器安装在各个天线上。 在一种的实施方式中，所述天线借助柔性波导与所述信号处理构件
进行通信。
在一种的实施方式中，所述驱动构件包括压电致动器。
在一种的实施方式中，所述驱动构件适用于沿着三个或更多个不同 的方向移动所述支架。
在一种的实施方式中，所述成像装置还包括光源，该光源被设置成 用所述第二组波长的射线照射所述反射器。
在一种的实施方式中，所述成像装置还包括用于检测从所述反射器 反射回来的光线的相机。
在一种的实施方式中，所述成像装置还包括定位成将来自所述光源 的光线引导到所述反射器并将来自所述反射器的光线引导到所述相机的 分束器。
在一种的实施方式中，所述成像装置还包括样本台，在该样本台上， 与透镜系统成固定关系地安装着所要成像的样本。
在一种的实施方式中，所述一个或更多个检测器适用于检测毫米和 亚毫米范围内的多个波长。
在一种的实施方式中，各个检测器适用于检测一定范围的波长。
在一种的实施方式中，各个检测器适用于检测单个波长并且成像装 置包括适用于检测不同波长的至少两个检测器。
在一种的实施方式中，检测器适用于检测100 GHz至l」1 THz范围内
的频率。
在一种的实施方式中，各个检测器适用于检测不同的频率或频率范围。在一种的实施方式中，天线在焦平面内被定位为使适用于检测选定 频率或频率范围的检测器得以散布在焦平面上。
在一种的实施方式中，成像装置包括多个检测器并且天线排列成线 性阵列。
进一步，天线排列成线性阵列的叠层。
根据本发明的再一方面，提供了一种成像系统，该成像系统包括上 述所述的成像装置，还包括设置成用所述第一组波长照射所述样本的射 线源。
权利要求
1. 一种成像装置，用于产生毫米和亚毫米范围内的波长的图像，该成像装置包括透镜系统，用于在焦平面上产生样本的图像；一个或更多个检测器，适用于检测毫米和亚毫米范围内的多个波长，各个检测器包括天线和相关的信号处理构件，各个天线位于透镜系统的焦平面上。
2. 根据权利要求1所述的成像装置，其中各个检测器适用于检测一 定范围的波长。
3. 根据权利要求1所述的成像装置，其中，各个检测器适用于检测 单个波长并且成像装置包括适用于检测不同波长的至少两个检测器。
4. 根据权利要求1到3中任一项所述的成像装置，其中，检测器适 用于检测100 GHz到lTHz范围内的频率。
5. 根据权利要求1到4中任一项所述的成像装置，其中，各个检测 器适用于检测不同的频率或频率范围。
6. 根据权利要求1到5中任一项所述的成像装置，其中，天线在焦 平面内被定位为使适用于检测选定频率或频率范围的检测器得以散布在 焦平面上。
7. 根据权利要求1到6中任一项所述的成像装置，其中，成像装置包括多个检测器并且天线排列成线性阵列。
8. 根据权利要求7所述的成像装置，其中，天线排列成线性阵列的叠层。
9. 根据权利要求1到8中任一项所述的成像装置，还包括一个或更 多个可移动的支架，在所述支架上安装所述一个或更多个天线，所述支 架包括驱动构件，所述驱动构件用于横越焦平面可控制地移动所述一个 或更多个天线。
全文摘要
本发明公开了一种成像装置，该成像装置用于产生毫米和亚毫米范围内的波长的图像，该成像装置包括透镜系统，用于在焦平面上产生样本的图像；一个或更多个检测器，适用于检测毫米和亚毫米范围内的多个波长，各个检测器包括天线和相关的信号处理构件，各个天线位于透镜系统的焦平面上。
文档编号G01V8/00GK101299071SQ20081009140
公开日2008年11月5日 申请日期2004年9月15日 优先权日2003年9月15日
发明者乔纳森·詹姆士, 克里斯·曼恩 申请人:科学技术设备委员会