基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统及成像方法技术方案

技术编号:21375291 阅读:47 留言:0更新日期:2019-06-15 12:35
本发明专利技术提供一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统及成像方法,分成光学系统和太赫兹系统,光学系统沿激光光路方向依次设有半导体激光器、激光缩束系统,X轴激光振镜、Y轴激光振镜;太赫兹系统沿太赫兹波的传播方向依次包括太赫兹连续波源、第一太赫兹透镜、硅基空间型太赫兹调制器、第二太赫兹透镜、太赫兹探测器。相较于太赫兹相干脉冲源,本系统采用的太赫兹连续波波源在操作上更加简便,成本更低,采用这两步法的太赫兹成像方法,分别采集了背景信息,和对待成像物体的成像信息,通过去除背景操作,对最终的成像效果进行优化,减弱了因太赫兹波的高斯分布特性而对太赫兹最终成像造成的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统及成像方法
本专利技术属于太赫兹成像

,尤其是一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统及成像方法。
技术介绍
太赫兹(THz)波是频率范围为0.1THz-10THz(波长3000μm-30μm)的电磁波谱。太赫兹波具有带宽大、穿透性强、对人体无电离辐射以及对生物大分子具有特征谱线等波谱特性,这使得基于太赫兹波的成像技术在人体安检、缺陷检测以及医学诊断等领域具有广泛的应用前景。根据太赫兹源的不同,可以将太赫兹主动成像分为两种,一种是基于太赫兹时域光谱技术的太赫兹相干成像系统,另一种是基于太赫兹连续波波源的非相干成像系统。第一种,其太赫兹波源发射的是脉冲式太赫兹波,功率较小,但是其波束的均匀性好,主要利用机械平移台来机械移动样品或探测器来进行扫描成像,是目前流行的成像系统。第二种,其太赫兹源发射的太赫兹波功率较高,可实现一定距离的成像,但是连续波的波束通常不够均匀,存在严重的高斯分布或者极化分布特性,会显著影响最终的成像效果。第二种利用太赫兹连续源的太赫兹成像系统成像距离较远,小巧灵活,成本较低,在多个领域都有很大的应用价值,越来越受到工业界的重视。不过太赫兹波束分布的不均匀性给系统带来了明显的背景噪声,虽然可以用太赫兹相机来进行预先探测并予以矫正,但是现有的太赫兹相机不但灵敏度不够高,而且成本较高,操作复杂,很难满足成像系统的实际需要。在使用太赫兹连续源的太赫兹成像系统中,一种值得注意的成像方法是:基于空间型太赫兹调制器的太赫兹成像。这种方法是利用空间型太赫兹调制器对太赫兹波的空间调制特性,对透射的太赫兹波进行空间编码,再通过电脑算法来重构出太赫兹波的图像。制作空间型太赫兹调制器的材料中,硅作为半导体行业的主流材料,有着成熟的制作工艺,是一种重要的太赫兹调制器材料。其调制的原理是,以光控为主要手段,通过在硅中激发光生载流子层,形成对太赫兹波具有低透射的区域,从而进行空间调制。激光的操控速度明显比平移台的移动速度快得多,可以很大程度上提升成像的速度,也更加稳定。基于硅基空间型太赫兹调制器的太赫兹成像系统中,如果要得到较好的成像效果,就要对泵浦激光的质量有较高的要求,而泵浦光源主要有飞秒激光器和半导体激光器等。虽然飞秒激光具有激光功率高、均匀性好的优点,可以满足系统的要求,但是飞秒激光器价格昂贵,系统的成本会急剧增加,并且飞秒激光的操作难度较大,会增加系统的复杂性。而普通的半导体激光在价格上相对便宜,但存在激光的均匀性差的问题,其发射的激光容易出现高斯分布特性,使得成像的结果也呈现高斯分布的纹理特征,降低成像图像的精确度。同时系统对半导体激光的功率有要求,这也提升了对激光器的要求。
技术实现思路
由于太赫兹连续源发射出的太赫兹波具有一定的高斯分布特性,会给太赫兹成像系统带来较大影响的这一问题,以及基于硅基空间型太赫兹调制器的太赫兹成像系统,其对激光有着较高的要求,使得成本高昂、操作难度大的问题,本专利技术为解决上述技术问题,提供一种基于激光振镜的两步法太赫兹成像系统。为实现上述专利技术目的,本专利技术技术方案如下:一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统,分成“光学系统”和“太赫兹系统”两个组成部分,“光学系统”沿激光光路方向依次设有半导体激光器1、激光缩束系统2,X轴激光振镜4、Y轴激光振镜5;“太赫兹系统”沿太赫兹波的传播方向依次包括太赫兹连续波源7、第一太赫兹透镜91、硅基空间型太赫兹调制器6、第二太赫兹透镜92、太赫兹探测器8;半导体激光器1产生的激光通过激光缩束系统进行缩束,激光缩束系统的光轴和半导体激光器1发出的激光光轴重合,被缩束后的激光光轴和X轴激光振镜4的转轴垂直相交,经过X轴激光振镜4反射的激光光轴和Y轴激光振镜5的转轴垂直相交,Y轴激光振镜5反射后的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面,太赫兹连续波源7、第一太赫兹透镜91、硅基空间型太赫兹调制器6、第二太赫兹透镜92、太赫兹探测器8的中心轴线重合,太赫兹连续波源7的发射口位于第一太赫兹透镜91的焦点上,赫兹探测器8的接收口位于第二太赫兹透镜92的焦点上。作为优选方式,半导体激光器1用于产生激光,激光缩束系统2用于将半导体激光器1产生的激光进行缩束,X轴激光振镜4用于将缩束后的激光反射到Y轴激光振镜5上,Y轴激光振镜5用于将反射到Y轴激光振镜5上的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面。太赫兹连续波源7用于产生连续太赫兹波,第一太赫兹透镜91用于将产生的连续太赫兹波汇聚成平行太赫兹波,硅基空间型太赫兹调制器6用于对平行太赫兹波进行空间调制,第二太赫兹透镜92用于将调制后的太赫兹波进行聚焦,太赫兹探测器8用于接收探测聚焦后的太赫兹波。作为优选方式,激光缩束系统包括第一长焦距光学透镜21、第二长焦距光学透镜22、短焦距光学透镜23,第一长焦距光学透镜21、第二长焦距光学透镜22、短焦距光学透镜23三者的中心轴线重合,沿光路方向第二长焦距光学透镜22的后焦点和短焦距光学透镜23的前焦点重合。作为优选方式,还包括计算机,计算机用于采集太赫兹探测器8的探测信号并储存和计算,以及控制X轴激光振镜4和Y轴激光振镜5的转动角度。作为优选方式,硅基空间型太赫兹调制器6上设有扫描点阵列,有扫描点阵列的范围覆盖第一太赫兹透镜91发出的汇聚后的平行太赫兹波的面积。为实现上述专利技术目的,本专利技术还提供一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统的太赫兹单像素成像方法,包括如下步骤:(1)、在硅基空间型太赫兹调制器6和第一太赫兹透镜91之间放置待成像物体11,通过如下步骤获得待成像物体11的图像数据A:(1.1)半导体激光器1产生激光,激光缩束系统2将半导体激光器1产生的激光进行缩束,X轴激光振镜4将缩束后的激光反射到Y轴激光振镜5上,Y轴激光振镜5将反射到Y轴激光振镜5上的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面的第一扫描点位置,形成能够对太赫兹波进行调制的光生载流子区域,(1.2)太赫兹连续波源7产生连续太赫兹波,第一太赫兹透镜91将产生的连续太赫兹波汇聚成平行太赫兹波,硅基空间型太赫兹调制器6用于对平行太赫兹波进行空间调制,第二太赫兹透镜92将调制后的太赫兹波进行聚焦,太赫兹探测器8接收探测聚焦后的太赫兹波,储存并记录数据,(1.3)通过改变X轴激光振镜4和Y轴激光振镜5的转动角度,依次改变反射在硅基空间型太赫兹调制器6的表面的激光位置,重复步骤(1.2)得到每个扫描点位置的数据;得到对待成像物体11的太赫兹图像数据A。(2)、去掉待成像物体11,重复步骤(1.1)、(1.2)、(1.3)得到包含太赫兹波背景信息的图像B;将步骤(1)得到的图像数据A,除以通过步骤(2)得到图像数据B,得到消除太赫兹波背景后的太赫兹扫描图像数据C,根据图像数据C即可重构待成像物体11的实际太赫兹图像。作为优选方式,所述图像数据A、图像数据B都为太赫兹探测器8探测到的数据构成的矩阵,矩阵的行和列分别由X轴激光振镜4和Y轴激光振镜5所确定的扫描点所确定。作为优选方式,通过电脑控制X轴激光振镜4和Y轴激光振镜5的旋转角度,完成在硅基空间型太赫兹调制器6的表面的激光扫描,电脑对太赫兹探测器8接收到的信号数据进行储存和计算。本专利技术的有益效果为:(1)本本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统,分成“光学系统”和“太赫兹系统”两个组成部分,“光学系统”沿激光光路方向依次设有半导体激光器(1)、激光缩束系统(2),X轴激光振镜(4)、Y轴激光振镜(5);“太赫兹系统”沿太赫兹波的传播方向依次包括太赫兹连续波源(7)、第一太赫兹透镜(91)、硅基空间型太赫兹调制器(6)、第二太赫兹透镜(92)、太赫兹探测器(8);半导体激光器(1)产生的激光通过激光缩束系统进行缩束,激光缩束系统(2)的光轴和半导体激光器(1)发出的激光光轴重合,被缩束后的激光光轴和X轴激光振镜(4)的转轴垂直相交,经过X轴激光振镜(4)反射的激光光轴和Y轴激光振镜(5)的转轴垂直相交,Y轴激光振镜(5)反射后的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器(6)的表面,太赫兹连续波源(7)、第一太赫兹透镜(91)、硅基空间型太赫兹调制器(6)、第二太赫兹透镜(92)、太赫兹探测器(8)的中心轴线重合,太赫兹连续波源(7)的发射口位于第一太赫兹透镜(91)的焦点上,赫兹探测器(8)的接收口位于第二太赫兹透镜(92)的焦点上。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统,分成“光学系统”和“太赫兹系统”两个组成部分,“光学系统”沿激光光路方向依次设有半导体激光器(1)、激光缩束系统(2),X轴激光振镜(4)、Y轴激光振镜(5);“太赫兹系统”沿太赫兹波的传播方向依次包括太赫兹连续波源(7)、第一太赫兹透镜(91)、硅基空间型太赫兹调制器(6)、第二太赫兹透镜(92)、太赫兹探测器(8);半导体激光器(1)产生的激光通过激光缩束系统进行缩束,激光缩束系统(2)的光轴和半导体激光器(1)发出的激光光轴重合,被缩束后的激光光轴和X轴激光振镜(4)的转轴垂直相交,经过X轴激光振镜(4)反射的激光光轴和Y轴激光振镜(5)的转轴垂直相交,Y轴激光振镜(5)反射后的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器(6)的表面,太赫兹连续波源(7)、第一太赫兹透镜(91)、硅基空间型太赫兹调制器(6)、第二太赫兹透镜(92)、太赫兹探测器(8)的中心轴线重合,太赫兹连续波源(7)的发射口位于第一太赫兹透镜(91)的焦点上,赫兹探测器(8)的接收口位于第二太赫兹透镜(92)的焦点上。2.根据权利要求1所述的基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统,其特征在于:半导体激光器(1)用于产生激光,激光缩束系统(2)用于将半导体激光器(1)产生的激光进行缩束,X轴激光振镜(4)用于将缩束后的激光反射到Y轴激光振镜(5)上,Y轴激光振镜(5)用于将反射到Y轴激光振镜(5)上的激光反射在硅基空间型太赫兹调制器(6)的表面;太赫兹连续波源(7)用于产生连续太赫兹波,第一太赫兹透镜(91)用于将产生的连续太赫兹波汇聚成平行太赫兹波,硅基空间型太赫兹调制器(6)用于对平行太赫兹波进行空间调制,第二太赫兹透镜(92)用于将调制后的太赫兹波进行聚焦,、太赫兹探测器(8)用于接收探测聚焦后的太赫兹波。3.根据权利要求1所述的基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统,其特征在于:激光缩束系统包括第一长焦距光学透镜(21)、第二长焦距光学透镜(22)、短焦距光学透镜(23),第一长焦距光学透镜(21)、第二长焦距光学透镜(22)、短焦距光学透镜(23)三者的中心轴线重合,沿光路方向第二长焦距光学透镜(22)的后焦点和短焦距光学透镜(23)的前焦点重合。4.根据权利要求1所述的基于激光振镜的太赫兹单像素成像系统,其特征在于:还包括计算机,计算机用于采集太赫兹探测器(8)的探测信号并储存和计算,以...

【专利技术属性】
技术研发人员:文岐业朱韵樵赵斌兴杨青慧陈智张怀武谭为冯正
申请(专利权)人:电子科技大学
类型:发明
国别省市:四川,51

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