透射式太赫兹波实时成像扫描装置

摘要

本发明公开了一种透射式太赫兹波实时成像扫描装置，包括：多面体转鼓，绕其旋转轴旋转，并沿摆动轴往复摆动，用于将待扫描目标辐射和/或反射的太赫兹波反射到太赫兹波透镜上；太赫兹波透镜用于将太赫兹波汇聚到太赫兹波探测器上；太赫兹波探测器，用于将太赫兹波转换为电压信号；前置放大器，用于对电压信号进行滤波、放大；数据采集卡，用于对前置放大器的输出信号进行A/D转换和数据采集得到数字信号；相机，用于获取待扫描目标的光学图像；图像采集卡，用于对图像进行采集得到数字图像信号；成像单元，用于根据数字信号和数字图像信号得到待扫描目标的太赫兹波图像、太赫兹波图像的反图像和光学图像，并将其传送至显示单元进行分区同时显示。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹波图像获取和处理领域，具体而言，涉及一种透射式太赫兹波实时成像扫描装置。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波通常指的是频率处在0.1THz～10THz(波长在3mm～30μm)之间的电磁波，介于微波和红外之间。太赫兹波对塑料、纸片、纺织品以及皮革等材料具有很强的穿透力，这些材料可以完全阻碍可见光和红外线的传播；THz波具有比毫米波更短的波长，这使得通过THz波所成的图像具有更高的空间分辨率；1THz的光子能量仅为4.1meV，同X射线相比，它对生物组织不会造成电离损伤。此外，被动式太赫兹成像不向外辐射电磁波，具有极强的隐蔽性和安全性。可见，被动式太赫兹成像技术有可能成为一种新型的安检技术，可以和传统的安检手段形成有效的互补。

目前，由于太赫兹波段的探测器受加工工艺的限制，不仅制作困难而且造价极其昂贵，所以太赫兹成像还不能达到像CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)相机或红外焦平阵列那样方便的形成二维图像。因此，大多数太赫兹成像采用扫描成像模式。在扫描成像中，由于逐点机械式的扫描成像需要花费很长时间，这限制了其在安检中的实用性；而采用二维振镜进行扫描成像，虽然可以提高扫描速度，但是对于安检所需求的高分辨率、大视场、快速成像的要求，在实现过程中存在着较大的困难。

发明内容

本发明提供一种透射式太赫兹波实时成像扫描装置，用以满足安检中高分辨率、大视场、快速成像的要求。

本发明提供了一种透射式太赫兹波实时成像扫描装置，该装置包括：多面体转鼓、太赫兹波透镜、太赫兹波探测器、前置放大器、数据采集卡、相机、图像采集卡、成像单元和显示单元，其中，多面体转鼓绕其旋转轴旋转，并同时沿摆动轴往复摆动，用于将待扫描目标辐射和/或反射的太赫兹波反射到太赫兹波透镜上；太赫兹波透镜用于将扫描得到的太赫兹波汇聚到太赫兹波探测器上；太赫兹波探测器用于将探测到太赫兹波转换为电压信号；前置放大器用于对电压信号进行滤波、放大；数据采集卡用于对前置放大器的输出信号进行A/D转换和数据采集得到数字信号；相机用于获取待扫描目标的光学图像；图像采集卡用于对图像进行采集得到数字图像信号；成像单元用于根据数字信号和数字图像信号得到待扫描目标的太赫兹波图像、太赫兹波图像的反图像和光学图像，并将太赫兹图像、太赫兹图像的反图像和光学图像传送至显示单元进行分区同时显示。

上述实施例通过多面体转鼓在横向和纵向对待扫描目标进行二维扫描，并采用相机获取待扫描目标的光学图像，进而较快地得到分辨率较高、视场较大的太赫兹波图像、太赫兹波图像的反图像和光学图像，满足了安检的需求，降低了成本，克服了现有技术中存在的问题。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例的前视图；

图2为图1实施例中五面体转鼓的结构剖视图；

图3为本发明第二实施例的前视图；

图4为本发明第三实施例的前视图。

具体实施方式

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付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。

根据本发明一个实施例的透射式太赫兹波实时成像扫描装置，用于目标的太赫兹波成像，该装置包括扫描部分和图像获取部分。扫描部分包括：窗口，位于待扫描目标后，用以遮挡杂散光、灰尘等进入透射式太赫兹波实时成像扫描装置内部；多面体转鼓，设于窗口后的光路上，用以横向和纵向二维扫描待扫描目标；太赫兹透镜，位多面体转鼓后的光路上，以汇聚多面体转鼓扫描得到的待测目标所辐射和/或反射的太赫兹波；太赫兹波探测器，位于太赫兹透镜后的光路上，接收太赫兹透镜汇聚而来的待扫描目标所辐射和/或反射的太赫兹信号。图像获取部分包括：前置放大器，和太赫兹探测器的输出端口相连接，用以对太赫兹探测器所输出的信号进行滤波、放大等处理；数据采集卡，安装在计算机内部，用以在计算机的控制下对来自前置放大器的输出信号进行A/D转换、数据采集等操作；相机(如CCD相机)，位于多面体转鼓旁，用于获取待扫描目标的光学图像；图像采集卡，安装在计算机内部，用于在计算机的控制下对相机获取的图像信号进行采集，得到数字图像信号；成像单元，用于根据数字信号和数字图像信号得到待扫描目标的太赫兹图像、太赫兹图像的反图像和光学图像，并在显示器上分为三个区域同时显示三幅实时图像：成像区域的光学图像、太赫兹图像以及太赫兹图像的反图像。

在本发明的实施例中，多面体转鼓的旋转轴的方向平行于水平方向，其摆动轴垂直于旋转轴且与竖直方向成设定的角度(如45°)；也可以将摆动轴平行于水平方向，旋转轴垂直于摆动轴且与竖直方向成设定的角度(例如45°)。

图1为本发明第一实施例的前视图，以水平入射的太赫兹波光路为例说明，本实施例中多面体转鼓为一个五面体转鼓，该五面体转鼓3的摆动轴平行于水平方向，旋转轴垂直于摆动轴且与竖直方向成设定的角度，待扫描目标1置于该五面体转鼓3的前方。

双凸太赫兹透镜4设于五面体转鼓3后的光路上，位于五面体转鼓3的扫描面的下方，并且双凸太赫兹透镜4的中心与所述的五面体转鼓3的扫描面的中心重合，以保证从五面体转鼓3的扫描面(旋转到待扫描目标后方的面)所反射的太赫兹波能够到达双凸太赫兹透镜4上。双凸太赫兹透镜4用于将多面体转鼓扫描得到的来自待扫描目标的太赫兹波汇聚到太赫兹波探测器5上。

扫描时，五面体转鼓3绕其旋转轴转动，其旋转轴与水平方向成平行设置，以保证从待测目标辐射的太赫兹波可以被反射到双凸太赫兹透镜4上。五面体转鼓3的每个面转到待扫描目标1的后方，都会对待扫描目标1的水平方向进行一维的快速扫描，五面体转鼓3每转动1周，可以实现对待扫描目标1的多行扫描，扫描的行数为5行。

五面体转鼓3在绕其旋转轴进行转动的同时，还绕其摆动轴进行往复摆动，即改变五面体转鼓3与竖直面所成角的角度，使物点竖直方向上的位置发生变化，从而实现纵向的扫描。让五面体转鼓3的转动和摆动同步连续运动可以提高扫描的速度，会使整个运动平稳，实现二维平面扫描。CCD相机设置在五面体转鼓附近(在图1中未示出)，用于获取待扫描目标1的光学图像。

扫描到的太赫兹信号通过太赫兹波探测器5转换成电压信号，该信号通过前置放大器的滤波、放大等处理，然后传给装在计算机内部的数据采集卡，在计算机的控制下，通过扫描部分的同步信号触发数据采集卡，对来自前置放大器的信号进行采集，然后通过成像单元进行拼接重构并显示，完成完整的待扫描目标1的二维扫描成像。图像采集卡，安装在计算机内部，用于在计算机的控制下对相机获取的光学图像信号进行采集，得到数字图像信号；成像单元，用于根据数字信号和数字图像信号得到待扫描目标的太赫兹图像、太赫兹图像的反图像和光学图像。显示器上分为三个区域同时显示三幅实时图像：成像区域的太赫兹图像，太赫兹图像的反图像以及光学图像。

上述实施例中多面体转鼓可以为空心蜂窝状结构，其材质可以为铝合金。

图2为图1实施例中五面体转鼓的结构剖视图。如图2所示，1为五面体转鼓的旋转轴，2为五面体转鼓的摆动轴，3为五面体转鼓，4为五面体转鼓的外壳。

本实施例除了可以应用于太赫兹波段的实时扫描成像外，还可以应用于红外和毫米波波段的实时扫描成像。

例如，本发明的实施例可以应用于毫米波成像。在毫米波成像时，通过将太赫兹透镜和太赫兹波探测器换成工作于毫米波波段的毫米波透镜和毫米波探测器就可以对待测目标进行实时扫描成像。

又例如，本发明的实施例也可以应用于红外热成像。在红外热成像时，通过经太赫兹透镜和太赫兹波探测器换成工作于红外波段的红外透镜和红外探测器就可以对待测目标进行实时红外热成像。

本发明的实施例可以应用于被动成像模式，也可以应用于主动成像模式。在被动成像模式时，本发明实施例的透射式太赫兹波实时成像扫描装置直接接收待扫描目标自身辐射的太赫兹波，进行实时扫描成像。

在主动成像模式时，需要由外部源向待扫描目标1发射太赫兹波，成像装置接收待扫描目标1反射的太赫兹波。在本发明的第一实施例中，该外部光源可以设置于多面体转鼓3的一侧，以较宽的光源提供待扫描目标1的照明。或者，利用可以发射并接收太赫兹波的太赫兹波收发器代替太赫兹波探测器5，由于光路可逆，太赫兹波收发器发出的太赫兹波经由扫描部分到达待扫描目标1，提供待扫描目标1的外部照明。由此，本发明的实施例可以工作于主动或被动成像模式，有较广泛的应用范围。

第一实例是通过多面体转鼓的高速转动来实现对待扫描目标的横向扫描，同时通过多面体转鼓的往复摆动来实现对待扫描目标纵向扫描，以此来实现对待扫描目标二维实时成像。太赫兹透镜采用由聚四氟乙烯制作而成的一面为球面而另一面为非球面的双凸透镜。本实例是通过多面体转鼓的高速转动来实现对待扫描目标的纵向扫描，同时通过多面体转鼓的往复摆动来实现对待扫描目标的横向扫描，以此来实现对待扫描目标二维实时成像。本实例中太赫兹透镜采用4-甲基戊烯的聚合物(TPX)制作成而成的一面为球面而另一面为非球面的双凸透镜。此外，本实施例中所使用的4-甲基戊烯的聚合物(TPX)材料对可见光是透明的，因此可以极大地减小成像装置制作和调试过程中困难。

图3为本发明第二实施例的前视图。下面以水平入射的太赫兹波的光路为例进行说明。本实施例中多面体转鼓为一个五面体转鼓，该五面体转鼓3的旋转轴的方向平行于水平方向，其摆动轴垂直于旋转轴且与竖直方向成设定的角度，待扫描目标1位于该五面体转鼓的前方。

太赫兹透镜4设在五面体转鼓3后的光路上，太赫兹透镜4位于五面体转鼓的扫描面的下方，并且太赫兹透镜4的中心与五面体转鼓3的扫描面的中心重合，以保证从五面体转鼓3的扫描面所反射的太赫兹波能够到达太赫兹透镜4上。太赫兹透镜4用于将来自待扫描目标的太赫兹波汇聚到太赫兹波探测器5上。

扫描时，五面体转鼓3绕其旋转轴转动，其旋转轴与水平方向成平行设置，以保证从待测目标辐射的太赫兹波可以被反射到太赫兹透镜4上。五面体转鼓3的每个面转到待扫描目标1的后方，都会对待扫描目标1的竖直方向进行一维的快速扫描，五面体转鼓3每转动1周，可以实现对待扫描目标1的多列扫描，扫描的行数为5列。

五面体转鼓3在绕其旋转轴进行转动的同时，还绕其摆动轴进行往复摆动，摆动轴垂直于旋转轴且与竖直方向成设定的角度(如45°)，即改变五面体转鼓3与竖直面所成角的角度，使物点水平方向上的位置发生变化，从而实现横向的扫描。让五面体转鼓3的转动和摆动同步连续运动可以提高扫描的速度，会使整个运动平稳，实现对物方空间的二维平面扫描。CCD相机设置在五面体转鼓附近(在图3中未示出)，用于获取待扫描目标1的图像。

扫描到的太赫兹信号通过太赫兹波探测器5转换成电压信号，该信号通过前置放大器的滤波、放大等处理，然后传给装在计算机内部的数据采集卡，在计算机的控制下，通过扫描部分的同步信号触发数据采集卡，对来自前置放大器的信号进行采集，然后通过计算机进行拼接重构并显示，完成完整的待扫描目标1的二维扫描成像。图像采集卡，安装在计算机内部，用于在计算机的控制下对相机获取的图像信号进行采集，得到数字图像信号。成像单元，用于根据数字信号和数字图像信号得到待扫描目标的太赫兹图像、太赫兹图像的反图像和光学图像。显示器上分为三个区域同时显示三幅实时图像：成像区域太赫兹图像，太赫兹图像的反图像以及光学图像。

本实施例除了可以应用于太赫兹波段的实时成像外，还可以应用于毫米波和红外波段的实时扫描成像。

例如，本发明的实施例可以应用于毫米波成像。在毫米波成像时，通过将太赫兹透镜和太赫兹波探测器换成工作于毫米波波段的毫米波透镜和毫米波探测器就可以对待测目标进行实时成像。

又例如，本发明的实施例也可以应用于红外热成像。在红外热成像时，通过经太赫兹透镜和太赫兹波探测器换成工作于红外波段的红外透镜和红外探测器就可以对待测目标进行实时红外热成像。

本发明可以应用于被动成像模式，还可以应用于主动成像模式。在被动成像模式时，本发明实施例的透射式太赫兹波实时成像扫描装置直接接收待扫描目标自身辐射的太赫兹波，进行实时成像。

在主动成像模式时，需要由外部源向待扫描目标发射太赫兹波，成像装置接收待扫描目标反射的太赫兹波。在本发明的第二实施例中，该外部光源可以设置于多面体转鼓3的侧方，以较宽的光源提供待扫描目标的照明。或者，利用可以发射并接收太赫兹波的太赫兹波收发器代替太赫兹波探测器，由于光路可逆，太赫兹波收发器发出的太赫兹波经由太赫兹波快速成像扫描装置到达待扫描目标，提供待扫描目标的外部照明。由此，本发明的实施例可以工作于主动或被动成像模式，有较广泛的应用范围。

第一实施例中的是通过多面体转鼓的高速转动来实现对待扫描目标的横向扫描，同时通过多面体转鼓的往复摆动来实现对待扫描目标纵向扫描，以此来实现对待扫描目标二维实时成像。太赫兹透镜采用聚四氟乙烯制作成而成，为一面为球面一面为非球面的双凸透镜。第二实施例中的是通过多面体转鼓的高速转动来实现对物方空间的纵向扫描，同时通过多面体转鼓的往复摆动来实现对待扫描目标横向扫描，以此来实现对待扫描目标二维实时成像。并且太赫兹透镜采用4-甲基戊烯的聚合物(TPX)制作而成，为一面为球面一面为非球面的双凸透镜。本实施例中的太赫兹透镜采用由4-甲基戊烯的聚合物(TPX)材料制作而成的太赫兹菲涅尔透镜。此外，本实施例中所使用的4-甲基戊烯的聚合物(TPX)材料对可见光是透明的，因此可以极大的减小成像装置制作和调试过程中的困难。

图4为本发明第三实施例的前视图，以水平入射的太赫兹波的光路为例说明。本实施例中多面体转鼓为一个五面体转鼓，该五面体转鼓3的旋转轴平行于水平方向，其摆动轴垂直于旋转轴且与竖直方向成设定的角度，待扫描目标1位于该五面体转鼓3的前方。

由4-甲基戊烯的聚合物(TPX)材料制作而成的太赫兹菲涅尔透镜4设于五面体转鼓3后的光路上，太赫兹菲涅尔透镜4位于五面体转鼓3的扫描面的下方，并且太赫兹菲涅尔透镜4的中心与所述的五面体转鼓3的扫描面的中心重合，以保证从五面体转鼓3的扫描面所反射的太赫兹波能够到达太赫兹菲涅尔透镜4上。太赫兹菲涅尔透镜4用于将扫描得到的太赫兹波汇聚到太赫兹波探测器5上。

扫描时，五面体转鼓3绕其旋转轴转动，其旋转轴与水平方向成平行设置，以保证从待测目标辐射的太赫兹波可以被反射到太赫兹菲涅尔透镜4上。五面体转鼓3的每个面转到待扫描目标1的后方，都会对待扫描目标1的竖直方向进行一维的快速扫描，五面体转鼓3每转动1周，可以实现对待扫描目标的多列扫描，扫描的行数为5列。

五面体转鼓3在绕其旋转轴进行转动的同时，还绕其往复摆动轴进行往复摆动，即改变五面体转鼓3与竖直面所成角的角度，使物点水平方向上的位置发生变化，从而实现横向的扫描。让五面体转鼓的转动和摆动同步连续运动可以提高扫描的速度，会使整个运动平稳，实现对物方空间的二维平面扫描。CCD相机设置在五面体转鼓附近(在图4中未示出)，用于获取待扫描目标1的图像。

扫描到的太赫兹信号通过太赫兹波探测器5转换成电压信号，该电压信号通过前置放大器的滤波、放大等处理，然后传给装在计算机内部的数据采集卡，在计算机的控制下，通过扫描器的同步信号触发数据采集卡，对来自前置放大器的信号进行采集，然后通过成像单元进行拼接重构并显示，完成完整的待扫描目标的二维扫描成像。图像采集卡，安装在计算机内部，用于在计算机的控制下对相机获取的图像信号进行采集，得到数字图像信号；成像单元，用于根据数字信号和数字图像信号得到待扫描目标的太赫兹图像、太赫兹图像的反图像和光学图像。显示器上分为三个区域同时显示三幅实时图像：成像区域的太赫兹图像，太赫兹图像的反图像，光学图像。

本实施例除了可以应用于太赫兹波段的实时扫描成像外，还可以应用于毫米波和红外波段的实时扫描成像。

例如，本发明的实施例可以应用于毫米波成像。在毫米波成像时，通过将太赫兹透射镜和太赫兹波探测器换成工作于毫米波波段的毫米波透射镜和毫米波探测器，就可以对待测目标或空间进行实时成像。

又例如，本发明的实施例也可以应用于红外热成像。在红外热成像时，通过经太赫兹透射镜和太赫兹波探测器换成工作于红外波段的红外透射镜和红外探测器，就可以对待测目标进行实时红外热成像。

本发明的实施例可以应用于被动成像模式，还可以应用于主动成像模式。在被动成像模式时，本发明的透射式太赫兹波实时成像扫描装置直接接收待扫描目标自身辐射的太赫兹波，进行实时扫描成像。

在主动成像模式时，需要由外部源向待扫描目标1发射太赫兹波，成像装置接收待扫描目标1反射的太赫兹波。在本发明的第三实施例中，该外部光源可以设置于多面体转鼓3的侧方，以较宽的光源提供待扫描目标1的照明。或者，利用可以发射并接收太赫兹波的太赫兹波收发器代替太赫兹波探测器5，由于光路可逆，太赫兹波收发器发出的太赫兹波经由成像装置到达待扫描目标1，提供待扫描目标1的外部照明。由此，本发明可以工作于主动或被动成像模式，有较广泛的应用范围。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。