一种太赫兹透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透射成像装置及方法。

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透射成像时，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透射成像装置，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：

一种太赫兹透射成像装置，包括依次设置于同一光路上的太赫兹源、第一准直聚焦系统、第二准直聚焦系统和探测器；被测样品设置于所述第一准直聚焦系统与所述第二准直聚焦系统之间的光路上，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，还包括用于固定所述被测样品的样品定位板；所述被测样品固定于所述样品定位板的一侧。

可选地，所述定位标记的数量至少为两个，所述被测样品位于各个所述定位标记之间。

可选地，所述定位标记具体形状为十字形、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，还包括运动控制系统，所述运动控制系统能够夹持所述样品定位板、所述被测样品与所述定位标记同步平移。

可选地，所述样品定位板为太赫兹波高透板。

可选地，所述样品定位板为聚四氟乙烯板、聚丙烯板、高密度乙烯板或高阻硅板。

可选地，所述定位标记固定于所述样品定位板的边缘位置。

可选地，还包括对所述探测器的信号进行处理以生成图像的图像处理系统。

此外，本发明还提供一种太赫兹透射成像方法，包括：

在被测样品的周围固定设置两个或以上金属的定位标记；调整第一准直聚焦系统和/或样品定位板，使太赫兹波聚焦于最边缘的一个所述定位标记上，调整第二准直聚焦系统对焦于探测器；启动运动控制系统使所述被测样品与所述定位标记平移，太赫兹波扫描所述被测样品及所有的所述定位标记；经过所述第二准直聚焦系统的太赫兹波由所述探测器接收并由图像处理系统生成图像。

本发明提供了一种太赫兹透射成像装置，包括依次设置于同一光路上的太赫兹源、第一准直聚焦系统、第二准直聚焦系统和探测器，在第一准直聚焦系统和第二准直聚焦系统之间的光路上设置有被测样品。太赫兹源生成的太赫兹波经过第一准直聚焦系统进行聚焦，使焦点聚焦在被测样品上，太赫兹波经过被测样品后携带被测样品的信号继续传播，再由第二准直聚焦系统聚焦于探测器，对探测器接收的信号进行分析处理从而得到相应的图像。在被测样品的成像区域内固定 设置有金属材质的定位标记，定位标记对太赫兹波具有良好的反射效果，照射到被测样品上的太赫兹波透过被测样品继续传播，最终成像时定位标记所在位置呈现明显的阴影，很容易分辨。定位标记与被测样品的实际空间位置已经确定，通过定位标记的成像与两者的实际位置相互比较能够精确地实现成像定位，更加准确地判定图像尺寸。

本发明提供的太赫兹透射成像方法可以实现相同的技术效果。

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为本发明所提供的太赫兹透射成像装置一种具体布置形式的结构图；

图2为样品定位板及定位标记的正面结构图；

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为两个艾里斑不能分辨的位置关系图。

其中：

太赫兹源1、第一准直聚焦系统2、样品定位板3、第二准直聚焦系统4、探测器5、被测样品6、定位标记7、运动控制系统8、图像处理系统9。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种太赫兹透射成像装置及方法，能够精确地实现成像定位，更加准确地判定图像尺寸。

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

如图1所示，为本发明所提供的太赫兹透射成像装置一种具体布置形式的结构图。图2为样品定位板3及定位标记7的正面结构图。 其包括依次设置于同一光路上的太赫兹源1、第一准直聚焦系统2、第二准直聚焦系统4和探测器5等组件；被测样品6设置在第一准直聚焦系统2和第二准直聚焦系统4之间的光路上，一般地，上述组件设置在同一条光轴上。由太赫兹源1生成太赫兹波向外传播形成一条光路，依次经过第一准直聚焦系统2、被测样品6、第二准直聚焦系统4和探测器5，最终由探测器5接收太赫兹波信号，太赫兹波透射过被测样品6时携带被测样品6的图像信号，经探测器5接收后根据相应的信号分析计算得出被测样品6的图像。由于本发明中的成像装置是利用太赫兹波的透射原理实现成像，因此主要应用于太赫兹波透射效果强的材料。

太赫兹波聚焦于被测样品所在的一个区域内，成像区域内的物体会被最终显示，因此本发明在被测样品6的成像区域内固定设置金属的定位标记7，定位标记7选用对太赫兹波反射效果强的材料，与被测样品6的位置相对固定，当太赫兹波透射被测样品6时，经过定位标记7的太赫兹波主要被反射，最终成像较暗，很容易识别。因此通过最终成像的定位标记7的位置与实际位置相互比较可以精确地实现成像定位，更加准确地判定图像的几何数据信息。

在此基础上，本发明的太赫兹透射成像装置还包括用于固定被测样品6的样品定位板3，被测样品6固定于样品定位板3板面的一侧。样品定位板3与被测样品3都位置成像区域内，太赫兹波也经过样品定位板3。当然，若不设置样品定位板3也是可以的，仅在成像区域内布置相应数量的定位标记7，与被测样品6有确定的相对位置。

优选地，本发明中的定位标记7的数量至少为两个，两个被测样品6位于各个定位标记7之间。若只有两个定位标记7，则分别位于实测样品6的两侧；若有三个或更多的定位标记7，则多个定位标记7能够围成一个区域，被测样品6位于定位标记7围成的区域内，定位标记7分别位于被测样品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。

进一步，定位标记7需要设置为特定的易于识别的形状，例如十字形、T形、X形或者圆环形，也可以采用其他的形状，容易布置且易于被发现识别。定位标记7为对太赫兹波反射效应强的金属制成，优选地材质为金、银或铝。

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，比如两个光斑的距离小于这个4.15mm，就不能分辨，成为了同一个光斑。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。

本发明的太赫兹透射成像装置还包括运动控制系统8，运动控制系统8能够夹持样品定位板3、被测样品6以及定位标记7，使样品定位板3、被测样品6以及定位标记7能够实现同步平移。优选地，运动控制系统43由二维直线电机驱动。太赫兹源1生成一束太赫兹波， 经过第一准直聚焦系统2对焦后无法整体覆盖被测样品6，需要被测样品6平移来分区域进行测量，分区域扫描被测样品6。

在上述任一实施例及其相互组合的基础上，本发明中的述样品定位板3为太赫兹波高透板，被测样品6由太赫兹波段透过率较强的样品定位板3固定。

具体地，样品定位板3为聚四氟乙烯板(PPFE)、聚丙烯板(PP)、高密度乙烯板(HDPE)或高阻硅板(HRFZ-Si)。采用这类材料可以减小太赫兹波通过定位装置7的能量损耗。定位标记7固定在样品定位板3的边缘位置，测量时被测样品6位于样品定位板3中中央区域内，定位装置7与被测样品6之间有一定的间隔，以使最终成像清晰。

本发明的太赫兹透射成像装置还包括对探测器5的信号进行处理以生成图像的图像处理系统9，图像处理系统9将探测器5接收的信号收集汇总，经过分析计算最终得到被测样品6的图像，根据定位标记7的位置更精确地确定出被测样品6的图像尺寸。图像处理系统9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透射图像。

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7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透射成像方法，在被测样品6的周围固定设置两个或以上金属的定位标记7；调整第一准直聚焦系统2和/或样品定位板3，使太赫兹波聚焦于最边缘的一个定位标记7上，调整第二准直聚焦系统4对焦于探测器5；启动运动控制系统8使被测样品6与定位标记7平移，太赫兹波扫描被测样品6及所有的定位标记7；经过第二准直聚焦系统4的太赫兹波由探测器5接收并由图像处理系统9生成图像。

首先使被测样品6处于初始位置，太赫兹波从太赫兹源1发出后经过第一准直聚焦系统2，聚焦在被测样品6的表面，被测样品6用 太赫兹波段透过率较高材料构成的样品定位板3所固定，此时，调整样品定位板3，使聚焦在某一个定位标记7上或附近区域(最终成像区域包括所有定位标记7)，调整聚焦之后，太赫兹波再依次通过样品定位板3、第二准直聚焦系统4，聚焦在太赫兹点探测器5中，聚焦的光斑打在样品表面的不同区域，不同材料对太赫兹波的反射和吸收性能不一样，导致太赫兹波通过样品的能量不一样，就可以把整个样品或者样品内部的详细信息被探测器5接收，最后通过图处理系统9，经过一系列的处理之后，得到最终的图像。

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。