太赫茲二維成像系統的製作方法

2023-10-20 02:32:07

本實用新型屬於太赫茲應用技術領域，特別是涉及一種太赫茲二維成像系統。

背景技術：

THz(太赫茲)成像是THz技術的重要應用方向之一，1995年，B.B.Hu和M.C.Nuss利用THz時域光譜系統實現了對新鮮樹葉和集成電路的掃描成像，該工作被視為THz成像領域的裡程碑，直觀而清晰的透射掃描圖像證明了THz波在成像領域的巨大潛力。特別的，由紅外量子級聯雷射器(Quantum cascade laser,QCL)發展而來的THz QCL在成像方面的潛力也引起了廣泛的關注，器件具備輸出功率高，單頻性好和體積小易集成等特點，作為THz源被各種成像技術及系統所採用。

THz波介於毫米波和紅外光之間，與毫米波或微波成像相比，THz波成像可以獲得更高的解析度，因為THz波具有更短的波長；與紅外相比，THz波可以穿透很多紅外無法透過的材料[19–21]，如紙張，塑料，陶瓷和半導體等，完成對隱藏目標物體的成像；與在醫學成像和安檢成像等領域廣泛應用的X射線相比，THz波具有更低的能量(1THz～4meV)，可以彌補X射線容易對人體造成輻射損傷這一明顯缺點，同時對低密度物質成像的對比度又要優於X射線，基於上述優點，THz成像應用領域主要涉及隱蔽目標探測，安檢成像，無損檢測和癌變生物組織識別。

THz成像的發展趨勢是研製更加實用化的THz成像探測設備，不斷向著實時性、高分辨、遠距離和可攜式等方向發展。採用的技術手段主要包括：優化掃描方式、合成孔徑技術和陣列接收技術等。在新型THz成像技術方面，基於THz QCL(Quantum Cascade Laser，量子級聯雷射器)的成像技術是未來THz成像領域一個重要的發展方向之一。

對於現有的太赫茲成像系統，由於在探測器與傳輸光路之間設置分束片，使得進入探測器的太赫茲光先經過分束片反射，由此極大降低了入射信號的強度，導致了信號具有較大的幹擾，並且入射信號的收集效率也急劇下降。

鑑於此，有必要設計一種新的太赫茲二維成像系統用以解決上述技術問題。

技術實現要素：

鑑於以上所述現有技術的缺點，本實用新型的目的在於提供一種太赫茲二維成像系統，用於解決現有的成像系統中進入探測器的入射信號強度低、幹擾大、且收集效率低的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本實用新型提供一種太赫茲二維成像系統，所述成像系統包括：

太赫茲量子級聯雷射器模塊，用於向外輻射平行的太赫茲光束；

載物臺模塊，用於承載待成像物體，並使所述待成像物體進行旋轉和平移，以及將待成像物體的旋轉平移二維信息發送至數據處理與圖像還原模塊；

光路傳輸模塊，用於將所述太赫茲量子級聯雷射器模塊發射的平行的太赫茲光束會聚到待成像物體上，並將帶有待成像物體信息的太赫茲光進行反射，形成發散的太赫茲光束，然後再將發散的太赫茲光束轉換為平行的太赫茲光束傳輸到數據採集模塊；

數據採集模塊，用於接收光路傳輸模塊發送的平行的太赫茲光束，並將其會聚後轉換為電信號，再將接收到的所有電信號發送至數據處理與圖像還原模塊，其中，所述電信號帶有待成像物體信息；

數據處理與圖像還原模塊，用於同步控制所述載物臺模塊和數據採集模塊，以及根據所述數據採集模塊採集到的電信號和所述載物臺模塊發送的旋轉平移二維信息進行成像並顯示。

優選地，所述太赫茲量子級聯雷射器模塊包括：

太赫茲量子級聯雷射器，用於發射太赫茲光；以及

內置於所述太赫茲量子級聯雷射器出光口的第一鏡體，用於將所述太赫茲量子級聯雷射器發射的太赫茲波會聚為平行的太赫茲光束。

優選地，所述第一鏡體包括拋面鏡或凸透鏡中的一種。

優選地，所述載物臺模塊包括載物臺單元，以及與所述載物臺單元連接的驅動器單元；其中，所述載物臺單元包括：

基臺，與旋轉平移臺配合，通過驅動器單元的控制實現旋轉平移臺在其上的旋轉與平移；以及

位於所述基臺上的旋轉平移臺，用於放置待成像物體；

所述驅動器單元包括：

與所述基臺連接的第一電機，用於控制所述旋轉平移臺的旋轉；

與所述基臺連接的第二電機，用於控制所述旋轉平移臺的平移；以及

分別與所述第一、第二電機連接的採集器，用於採集所述待成像物體的旋轉平移二維信息。

優選地，所述光路傳輸模塊包括：

第一離軸拋面鏡，位於所述太赫茲量子級聯雷射器模塊的上方，用於接收所述太赫茲量子級聯雷射器模塊發射的平行的太赫茲光束，並將其會聚到所述待成像物體上；

平面鏡，位於所述載物臺模塊與待成像物體之間，用於將帶有待成像物體信息的太赫茲光反射到第二離軸拋面鏡，其中，所述反射光為發散的太赫茲光束；

第二離軸拋面鏡，位於所述數據採集模塊的下方，用於將平面鏡反射的帶有待成像物體信息的太赫茲光進行會聚，形成平行的太赫茲光束，並發送到數據採集模塊。

優選地，所述第一離軸拋面鏡和所述第二離軸拋面鏡與水平方向均呈45度角。

優選地，所述數據採集模塊包括：

內置有第二鏡體的探測器，用於將所述光路傳輸模塊發送的平行的太赫茲光束經第二鏡體聚集到探測器的探測元件上，並將聚集後的太赫茲光轉換為電信號，發送給數據採集卡；

以及與所述探測器連接的數據採集卡，用於採集探測器輸出的電信號，並將採集到的所有電信號發送至數據處理與圖像還原模塊。

優選地，所述探測器包括太赫茲量子阱探測器、Ge:Ga低溫探測器、高萊盒、超導低溫HEB或輻射熱測定器中的一種。

優選地，所述第二鏡體包括凸透鏡，winston錐或拋面鏡中的一種。

如上所述，本實用新型的太赫茲二維成像系統，具有以下有益效果：

1.本實用新型所述成像系統通過將第一鏡體內置於太赫茲量子級聯雷射器的出光口，不僅實現了所述雷射器模塊直接發射平行的太赫茲光，還減小了成像系統的體積及複雜度；而且通過將傳輸至光路傳輸模塊的太赫茲光設置為平行的太赫茲光束，大大減小了光的損耗。

2.本實用新型所述成像系統通過將第二鏡體內置與探測器的前端，不僅實現了太赫茲光的會聚，還進一步減小了成像系統的體積及複雜度。

3.本實用新型所述成像系統通過太赫茲量子級聯雷射器模塊、載物臺模塊、光路傳輸模塊及數據採集模塊重新設置了太赫茲光的傳輸路徑，避免了分束片的使用，減小了光的損耗和光束幹擾，提高了成像信噪比；而且通過光路傳輸模塊將入射至數據採集模塊的太赫茲光設置為平行的太赫茲光束，增大了探測器的收集效率，提高了信號強度及成像效果。

附圖說明

圖1顯示為本實用新型所述成像系統的系統框圖。

圖2顯示為本實用新型所述太赫茲量子級聯雷射器模塊的結構示意圖及光路傳輸路徑。

圖3a顯示為探測器單元的一種結構示意圖及光路傳輸路徑。

圖3b顯示為探測器單元的另一種結構示意圖及光路傳輸路徑。

圖4顯示為本實用新型所述成像方法的流程圖。

圖5顯示為待成像物體及其成像結果示意圖，其中，圖5a顯示為待成像物體，圖5b顯示為成像結果。

元件標號說明

1 太赫茲量子級聯雷射器模塊

11 太赫茲量子級聯雷射器

12 第一鏡體

2 載物臺模塊

21 載物臺單元

211 基臺

212 旋轉平移臺

22 驅動器單元

3 光路傳輸模塊

31 第一離軸拋面鏡

32 平面鏡

33 第二離軸拋面鏡

4 數據採集模塊

41 探測器

411a 凸透鏡

411b winston錐

412 探測元件

42 數據採集卡

5 數據處理與圖像還原模塊

1)～4) 步驟

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本實用新型的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本實用新型的其他優點與功效。本實用新型還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本實用新型的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖1至圖5。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本實用新型的基本構想，遂圖式中僅顯示與本實用新型中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。

實施例一

如圖1所示，本實施例提供一種太赫茲二維成像系統，所述成像系統包括：

太赫茲量子級聯雷射器模塊1，用於向外輻射平行的太赫茲光束；

載物臺模塊2，用於承載待成像物體，並使所述待成像物體進行旋轉和平移，以及將待成像物體的旋轉平移二維信息發送至數據處理與圖像還原模塊5；

光路傳輸模塊3，用於將所述太赫茲量子級聯雷射器模塊1發射的平行的太赫茲光束會聚到待成像物體上，並將帶有待成像物體信息的太赫茲光進行反射，形成發散的太赫茲光束，然後再將發散的太赫茲光束轉換為平行的太赫茲光束傳輸到數據採集模塊4；

數據採集模塊4，用於接收光路傳輸模塊3發送的平行的太赫茲光束，並將其會聚後轉換為電信號，再將接收到的所有電信號發送至數據處理與圖像還原模塊5，其中，所述電信號帶有待成像物體信息；

數據處理與圖像還原模塊5，用於同步控制所述載物臺模塊2和數據採集模塊4，以及根據所述數據採集模塊4採集到的電信號和所述載物臺模塊2發送的旋轉平移二維信息進行成像並顯示。

具體的，如圖2所示，所述太赫茲量子級聯雷射器模塊1包括：

太赫茲量子級聯雷射器11，用於發射太赫茲光；以及

內置於所述太赫茲量子級聯雷射器11出光口的第一鏡體12，用於將所述太赫茲量子級聯雷射器11發射的太赫茲波會聚為平行的太赫茲光束。

優選地，所述第一鏡體12與水平方向呈45度角。

優選地，所述第一鏡體12包括拋面鏡或凸透鏡中的一種；進一步優選地，在本實施例中，所述第一鏡體12為拋面鏡。

需要說明的是，太赫茲量子級聯雷射器11發射的太赫茲光為發散光束，所述發散光束經過第一鏡體12後轉換為平行光束並從出光面射出，具體光路傳輸路徑請參閱圖2。

需要說明的是，通過將第一鏡體12內置於所述太赫茲量子級聯雷射器11中，使得所述太赫茲量子級聯雷射器11發射的太赫茲光直接為平行光束，而無需額外設置轉換元件，不僅減小了系統體積及複雜度，而且相較於發散光束，在傳輸過程中，平行光束具有更多優點，如傳輸過程中損耗小、具有更大的強度及收集效率更高等。

具體的，所述載物臺模塊2包括載物臺單元21，以及與所述載物臺單元21連接的驅動器單元22；其中，所述載物臺單元21包括：

基臺211，與旋轉平移臺212配合，通過驅動器單元22的控制實現旋轉平移臺212在其上的旋轉與平移；以及

位於所述基臺211上的旋轉平移臺212，用於放置待成像物體；

所述驅動器單元22包括：

與所述基臺211連接的第一電機，用於控制所述旋轉平移臺212的旋轉；

與所述基臺211連接的第二電機，用於控制所述旋轉平移臺212的平移；以及

分別與所述第一、第二電機連接的採集器，用於採集所述待成像物體的旋轉平移二維信息。

需要說明的是，所述基臺211為固定結構，用於放置所述旋轉平移臺212；當所述驅動器單元22通過第一、第二電機分別控制所述旋轉平移臺212時，所述旋轉平移臺212在所述基臺211上進行旋轉平移運動。

進一步需要說明的是，由於所述第一、第二電機分別控制所述旋轉平移臺212，故所述旋轉平移臺212的旋轉運動和平移運動可分開進行，也可同時進行。

需要說明的是，所述旋轉平移二維信息包括待成像物體的旋轉角度信息和平移長度信息。

具體的，所述光路傳輸模塊3包括：

第一離軸拋面鏡31，位於所述太赫茲量子級聯雷射器模塊1的上方，用於接收所述太赫茲量子級聯雷射器模塊1發射的平行的太赫茲光束，並將其會聚到所述待成像物體上；

平面鏡32，位於所述載物臺模塊2與待成像物體之間，用於將帶有待成像物體信息的太赫茲光反射到第二離軸拋面鏡33，其中，所述反射光為發散的太赫茲光束；

第二離軸拋面鏡33，位於所述數據採集模塊4的下方，用於將平面鏡32反射的帶有待成像物體信息的太赫茲光進行會聚，形成平行的太赫茲光束，並發送到數據採集模塊4。

優選地，所述第一離軸拋面鏡和所述第二離軸拋面鏡與水平方向均呈45度角，即第一離軸拋面鏡的鏡面和第二離軸拋面鏡的鏡面與水平方向呈45度角。

具體的，如圖3a和圖3b所示，所述數據採集模塊4包括：

內置有第二鏡體的探測器41，用於將所述光路傳輸模塊發送的平行的太赫茲光束經第二鏡體聚集到探測器的探測元412件上，並將聚集後的太赫茲光轉換為電信號，發送給數據採集卡；

以及與所述探測器41連接的數據採集卡42，用於採集探測器41輸出的電信號，並將採集到的所有電信號發送至數據處理與圖像還原模塊5。

需要說明的是，所述探測器41為現有的任意一種探測器，優選地，所述探測器包括太赫茲量子阱探測器、Ge:Ga低溫探測器、高萊盒、超導低溫HEB或輻射熱測定器中的一種。

優選地，所述第二鏡體包括凸透鏡，winston錐或拋面鏡中的一種；進一步優選地，所述第二鏡體為凸透鏡或winston錐。

需要說明的是，光路傳輸模塊傳輸的平行光束經入光面進入探測器41後，先經過第二鏡體後會聚到探測元件412上，經探測元件412後轉換為電信號，具體光路傳輸路徑請參閱圖3a和圖3b。

需要說明的是，所述數據採集卡42用於實時採集所述探測器41轉換的電信號並進行保存，直至所述數據採集模塊採集完待成像物體的全部位置信息後，所述數據採集卡42在將採集到的所有電信號發送至數據處理與圖像還原模塊。

具體的，所述數據處理與圖像還原模塊為計算機；優選地，在本實施例中，所述計算機通過labview和matlab程序實現同步控制、數據處理與圖像還原並顯示功能。

需要說明的是，所述數據處理與圖像還原模塊5通過labview編程實現對驅動器單元22和數據採集卡42的同步控制，即數據採集卡42採集到的待成像物體的位置信息與驅動器單元的採集器採集的旋轉平移二維信息一一對應。

需要說明的是，所述數據處理與圖像還原模塊5通過matlab編程對數據採集模塊發送的所有電信號及載物臺模塊發送的旋轉平移二維信息進行數據處理，還原成圖像並進行顯示。

實施例二

如圖4所示，本實施例還提供一種太赫茲二維成像系統的成像方法，所述成像方法包括：

1)太赫茲量子級聯雷射器模塊1發射平行的太赫茲光束，所述平行的太赫茲光束經由光路傳輸模塊3傳輸並會聚至載物臺模塊2表面的待成像物體上；

2)會聚的太赫茲光掃描待成像物體的位置信息，然後通過光路傳輸模塊3將帶有位置信息的太赫茲光進行反射並轉換為平行的太赫茲光束傳輸至數據採集模塊4，同時數據處理與圖像還原模塊5則控制所述載物臺模塊2進行旋轉平移，以使得會聚的太赫茲光掃描到待成像物體的全部位置信息，同時，載物臺模塊2採集該位置信息並將採集的待成像物體的全部位置信息發送至數據處理與圖像還原模塊5；

3)數據採集模塊4將接收到的平行的太赫茲光束進行會聚後轉換為電信號，再將接收到的所有電信號發送至數據處理與圖像還原模塊5；

4)數據處理與圖像還原模塊5根據數據採集模塊4發送的電信號和載物臺模塊2發送的旋轉平移二維信息進行成像並顯示。

具體的，所述太赫茲量子級聯雷射器模塊1包括太赫茲量子級聯雷射器11，以及內置於所述太赫茲量子級聯雷射器11出光口的第一鏡體12。

優選地，所述第一鏡體12包括拋面鏡或凸透鏡中的一種；進一步優選地，在本實施例中，所述第一鏡體12為拋面鏡。

具體的，所述載物臺模塊2包括載物臺單元21，以及與所述載物臺單元21連接的驅動器單元22；其中，

所述載物臺單元21包括基臺211，以及位於所述基臺211上的旋轉平移臺212；

所述驅動器單元22包括與所述基臺211連接的第一電機，與所述基臺211連接的第二電機，以及分別與所述第一、第二電機連接的採集器。

具體的，所述光路傳輸模塊3包括第一離軸拋面鏡31，平面鏡32，以及第二離軸拋面鏡33。

優選地，所述第一離軸拋面鏡和所述第二離軸拋面鏡與水平方向均呈45度角，即第一離軸拋面鏡的鏡面和第二離軸拋面鏡的鏡面與水平方向呈45度角。

具體的，所述數據採集模塊4包括內置有第二鏡體的探測器41，以及與所述探測器41連接的數據採集卡42。

需要說明的是，所述探測器41為現有的任意一種探測器，優選地，所述探測器包括太赫茲量子阱探測器、Ge:Ga低溫探測器、高萊盒、超導低溫HEB或輻射熱測定器中的一種。

優選地，所述第二鏡體包括凸透鏡，winston錐或拋面鏡中的一種；進一步優選地，所述第二鏡體為凸透鏡或winston錐。

具體的，所述數據處理與圖像還原模塊5為計算機；優選地，在本實施例中，所述計算機通過labview和matlab程序實現同步控制、數據處理與圖像還原並顯示功能。

下面對本實施例所述成像方法進行詳細說明。

所述太赫茲量子級聯雷射器發射太赫茲光，太赫茲光經過第一鏡體後轉換為平行的太赫茲光束向外輻射並傳輸至第一離軸拋面鏡；所述第一離軸拋面鏡將該平行的太赫茲光束進行傳輸並會聚至載物臺模塊的待成像物體上，會聚的太赫茲光掃描待成像物體的位置信息，並通過平面鏡將帶有待成像物體位置信息的太赫茲光反射至第二離軸拋面鏡，其中，掃描時長為5s，共記錄5000個待成像物體的位置信息；同時，數據處理與圖像還原模塊通過控制第一電機和第二電機進而控制旋轉平移臺在基臺上進行旋轉和平移運動，其中，旋轉平移臺以8轉每秒的速度旋轉，以1cm/s的速度平移；與此同時，採集器每1ms採集一次待成像物體的旋轉平移二維信息；第二離軸拋面鏡將接收到的帶有待成像物體位置信息的太赫茲光轉換為平行的太赫茲光束，並傳輸至探測器，第二鏡體將接收的平行的太赫茲光會聚後傳輸至探測元件上，探測元件將接收的光信號轉換為電信號並輸出至數據採集卡；直至5000個位置信息全部採集完，數據採集卡將全部電信號輸出至數據處理與圖像還原模塊，同時採集器也將全部旋轉平移二維信息輸出至數據處理與圖像還原模塊，數據處理與圖像還原模塊根據電信號及旋轉平移二維信息進行數據處理並進行圖像還原及顯示。

如圖5a和5b所示，通過本實施例所述方法對圖5a所述的待成像物體進行成像後，其成像結果如圖5b所示。

綜上所述，本實用新型的太赫茲二維成像系統，具有以下有益效果：

1.本實用新型所述成像系統通過將第一鏡體內置於太赫茲量子級聯雷射器的出光口，不僅實現了所述雷射器模塊直接發射平行的太赫茲光，還減小了成像系統的體積及複雜度；而且通過將傳輸至光路傳輸模塊的太赫茲光設置為平行的太赫茲光束，大大減小了光的損耗。

2.本實用新型所述成像系統通過將第二鏡體內置與探測器的前端，不僅實現了太赫茲光的會聚，還進一步減小了成像系統的體積及複雜度。

3.本實用新型所述成像系統通過太赫茲量子級聯雷射器模塊、載物臺模塊、光路傳輸模塊及數據採集模塊重新設置了太赫茲光的傳輸路徑，避免了分束片的使用，減小了光的損耗和光束幹擾，提高了成像信噪比；而且通過光路傳輸模塊將入射至數據採集模塊的太赫茲光設置為平行的太赫茲光束，增大了探測器的收集效率，提高了信號強度及成像效果。

所以，本實用新型有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用於限制本實用新型。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本實用新型的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本實用新型所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本實用新型的權利要求所涵蓋。