一种用于太赫兹频段的大景深成像透镜

技术领域

本发明涉及太赫兹成像领域，特别是一种用于无损检测和人体安检的太赫兹频段的大景深透镜。

背景技术

理想光学系统对立体空间的物体成像时，一个一定的像平面只能对其共轭的物平面上的点物成点像，而对于在物平面以外的点物，在这个像平面上所成的像为一弥散斑。如果弥散斑足够小，不超过接收系统的分辨本领，那么由这些弥散斑构成的像仍可以看作为清晰像，而基于普通透镜的成像系统容许的弥散斑都很小，因此这种系统一个很大的缺点就是一旦离焦图像迅速模糊。太赫兹无损检测和人体安检的成像系统都存在这样的问题，而离焦模糊的问题是由于这些系统的景深都很小。所谓光学系统的景深，就是指保证在像平面能获得清晰像时，物体在物方空间可以前后移动的最大距离。同样，如果物体固定，而保证在像面上清晰像的情况下，使像面在其共轭像平面前后移动的最大距离,通常称为焦深。由此可见，景深和焦深其本质是统一的，只不过景深为物方参数，而焦深是像方参数。

由于太赫兹(Terahertz，简称THz)波可以穿透塑料、纸张、衣服等非金属和非极性物质，且与X辐射相比具有较低的光子能量，对人体几乎没有危害，此外，相对于毫米波具有更高的空间分辨率，使得太赫兹成像技术在无损检测、人体安检等众多领域均展现了广阔的应用前景。但是普通太赫兹成像系统景深很小，当观察有一定深度的物体时，所成像只有一部分是清晰的，而离焦部分是模糊的，因而，操作人员需对待测物体不断调焦，才能观察清楚不同的层面；而在对人体进行安检扫描时，难以在同一幅图像上得到距离安检仪不同距离处都清晰的人体成像结果，这对被检测物体特性的人工判断和计算机辅助处理判断都是很不利的。所以，普通太赫兹成像系统有这样两个不足，其一，不能在景深范围外成清晰的断层像，其二，不适合观察三维物体。

鉴于上述问题，需设计具有大景深的成像系统，以减小由于系统景深对成像质量造成的不良影响。因此本发明提出使用非球面大景深成像透镜来实现增大太赫兹成像系统景深的目的，该透镜可根据设计的非球面面型利用3D打印技术制作完成，透镜的材料对太赫兹波具有较小的能量损耗，因此具有突出的应用价值和实用性。

发明内容

由于在主动式太赫兹安检成像和无损检测系统中，成像系统景深对成像质量存在不可忽视的影响。针对这一情况，本发明设计了一种太赫兹波段的大景深成像透镜，在满足普通透镜成像功能的同时，还增加了系统景深范围，为太赫兹安检成像和无损检测系统性能的完善提供了一种新思路。

本发明在已知太赫兹成像系统所需成像范围的基础上，对大景深成像透镜进行结构设计，优化设计方案。本发明的大景深透镜基于非球面透镜曲率从中心到边缘可连续发生变化的原理，使得从透镜不同孔径处入射的光可以聚集在不同位置从而形成一条焦线，即在不影响成像的同时只需一个透镜即可实现增大成像系统景深的目的。本发明致力于一种非球面大景深成像透镜，为实现高质量、大范围的太赫兹安检人体成像以及无损检测提供了一种可能性。

本发明采用的技术方案是：

一种用于太赫兹频段的大景深成像透镜，面型为非球面双曲面，所述单个非球面大景深成像透镜在像面固定时，可以在不改变成像系统任何参数的前提下对具有一定深度的待测物体或者距离安检系统一定距离范围的待检人体成清晰像，甚至可以实现对三维物体的成像。

对于一般的曲面面型，可以由下式描述，其中c为曲率(半径所对应的)，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k为圆锥系数。圆锥系数对于双曲线小于-1，对于抛物线为-1，对于椭圆为-1到0之间，对于球面为0。

一般形式的非球面表示为：

式中，a

当使用不同的多次项系数组合时，可以得到不同面型的非球面透镜，通过对透镜不同孔径处曲率的控制，实现对相应位置入射光不同程度的聚焦，从而达到增加成像透镜景深的目的。因此针对不同的实际使用需求，本发明均可以设计出适用于不同视场角以及不同景深范围的成像透镜。

本发明对太赫兹成像系统中成像透镜的面型进行改进增加其景深。大景深成像透镜的材料为高密度聚乙烯或者聚四氟乙烯等太赫兹波高透的材料。面型可以为非球面柱面或者非球面双曲面。

本发明的技术效果是：

本发明利用单个成像透镜实现了对太赫兹成像系统景深范围的扩大，该透镜在不改变成像系统组成的同时还能显著提高系统成像景深，具有系统结构简单、易于实现、减少光学元件等优势，为实现高质量、快速的太赫兹安检人体成像和无损检测提供了一种可能性。

附图说明

图1为非球面大景深成像透镜的外观图。不同于球面透镜从透镜中心到边缘具有恒定的曲率，本发明所设计非球面透镜从中心到边缘曲率是连续发生变化的，当入射光从该透镜不同孔径处入射时可以被不同程度的聚焦，使得不同物距处的物体均可成像于同一像面内，从而实现了大景深的效果。因此使用单个非球面大景深成像透镜在不增加成像系统光学元件的前提下即可实现扩大成像景深的目标。本发明所述非球面大景深成像透镜选取面型为双曲面，对应圆锥系数k<-1，使用多次项系数a

图2为非球面大景深成像透镜在不同物距下成像的光路示意图。图2中(a)、(b)是不同视角下波束在Z方向传播的计算机模拟图，即三维图像中不同面的剖视图，用于描述非球面大景深成像透镜在不同物距下成像的光路，该图反映了本发明设计透镜对不同物距处光线的聚焦能力。

图3为本发明成像结果仿真图。图3中(a)是用于成像的物体，为一同心正方形，中心正方形边长6mm，与其相邻正方形间隔6mm，图像整体边长20mm。图3(b)、(c)、(d)分别是使用本发明非球面大景深成像透镜和普通成像透镜在对准平面(物距250mm)、近景处(物距240mm)、远景处(物距347mm)得到的成像结果仿真图。

图4为太赫兹人体安检成像系统中非球面大景深成像透镜的装置示意图。所述大景深成像透镜4应用于太赫兹人体安检成像系统中。辐射源1用于产生太赫兹波，经准直透镜2和匀光系统3后形成光强均匀分布的平顶光辐照待检人员，大景深成像透镜4可使距离太赫兹人体安检成像系统一定范围内由待检人员反射或散射回来的太赫兹波信号均聚焦到太赫兹探测器5上，因此在保证所述太赫兹探测器5与大景深成像透镜4距离不变的前提下，可对距离太赫兹人体安检成像系统一定范围内的待检人员成清晰像，从而实现扩大太赫兹人体安检成像系统景深的目的。其中辐射源有多种选择，例如：辐射喇叭天线、阵列天线、波导缝隙天线等，对此本发明不做限制。

图中：1.太赫兹源、2.准直透镜、3.匀光系统、4.非球面大景深成像透镜、5.太赫兹探测器

具体实施方式

实施例1，单个非球面大景深成像透镜增加景深范围：

图1为非球面大景深成像透镜的外观图。不同于球面透镜从透镜中心到边缘具有恒定的曲率，本发明所设计非球面透镜从中心到边缘曲率是连续发生变化的，对于一般的曲面面型，可以由下式描述，

其中c为曲率(半径所对应的)，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k为圆锥系数。圆锥系数对于双曲线小于-1，对于抛物线为-1，对于椭圆为-1到0之间，对于球面为0。

一般形式的非球面表示为：

式中，a

图2为非球面大景深成像透镜在不同物距下成像的光路示意图。图2中(a)、(b)是不同视角下波束在Z方向传播的计算机模拟图，即三维图像中不同面的剖视图，用于描述非球面大景深成像透镜在不同物距下成像的光路，该图反映了本发明设计透镜对不同物距处光线的聚焦能力。图2(a)为XOZ面剖视图,即X方向聚焦示意图，由于透镜从中心到边缘表面曲率是不一样的，所以从透镜不同孔径处出射的光会被不同程度的聚焦，使得不同物距下的轴上点均可聚焦于同一像面内的同一点。图2(b)为YOZ面剖视图,即Y方向整形示意图，对于不同物距下的轴外点本发明设计透镜仍可将其聚焦于同一像面处。上述单个非球面大景深成像透镜实现了对不同物距处一定视场角下物体的成像。

为了更清楚的描述本发明透镜对景深范围的增加，本实施例优选了辐射源辐射太赫兹波后的成像仿真，图3为本发明成像结果仿真图。图3中(a)是用于成像的物体，为一同心正方形，中心正方形边长6mm，与其相邻正方形间隔6mm，图像整体边长20mm。图3(b)、(c)、(d)分别是使用非球面大景深成像透镜和普通成像透镜在对准平面、近景处、远景处得到的成像结果仿真图。具体成像过程如下：

辐射源辐射太赫兹波束，该波束在自由空间中以一定的发散角传播，照射如图3(a)所示的物体，固定像面位置(像距约72mm)时，普通成像透镜只能在物面在对准平面附近很小的范围内(最小255mm最大286mm)时才可以得到清晰像，而本发明设计的非球面大景深成像透镜不仅可以在对准平面(物距250mm)处得到清晰的成像结果，还可以在物距最小240mm最大347mm的区间内都得到物体的清晰像，成像仿真结果分别如图3(b)、(c)、(d)所示。假设实际探测器一个像元尺寸是0.6mm×0.6mm，成像透镜最后一面中心和探测面中心的直线距离约为72mm。与普通成像透镜相比所述非球面大景深成像透镜在对相同物体成像时，定量分析得到设计非球面透镜的景深是107mm，而普通成像透镜(标准面型)的景深是31cm，使用非球面设计后景深增加了76mm，大约是标准球面透镜的3倍。本实施例中非球面大景深成像透镜的口径为30mm×30mm，物面尺寸为20mm×20mm。结合实际的使用需求可以增大非球面大景深成像透镜的口径以及目标物面的成像范围。

上述实施例也可结合准直透镜使入射光为平行光，从而实现长焦深成像。

实施例2，应用实例：

基于上述实施例，在本发明另一实施例中公开了一种太赫兹人体安检成像系统。该系统包括上述实施例中的非球面大景深成像透镜4和其他成像器件。其中，非球面大景深成像透镜和上述实施例中相同，在此不做阐述。其他成像器件包括：太赫兹源1、准直透镜2、匀光系统3、太赫兹探测器5与太赫兹探测器连接的图像处理装置。太赫兹探测器5用于接收反射的太赫兹波信号，并输出太赫兹波幅度信息。利用基于区域相关的拼接算法或基于特征相关的拼接算法，最终合成一副待检人员的太赫兹波反射图像。该反射图像表征人体或其它物品各部位太赫兹波的辐射强度。例如，人在所穿的衣物中藏有金属违禁物品时，物品所在位置的太赫兹波辐射强度与人体其他部位存在强弱对比，在反射图像上表现为灰度差异，实现对隐蔽物品的检测。

在本实施例中，该主动式太赫兹人体安检成像系统通过匀光系统3对太赫兹波束先进行均匀化处理再将大面积光斑直接辐射到人体上，人体反射或散射的太赫兹波信号经过非球面大景深成像透镜4收集，最后被太赫兹探测器5接收形成反射图像，使得该安检成像系统具有更大的检测范围，不仅对待检人员站立的位置无严格要求，还可实现多人甚至动态的安检扫描成像，成像速度更快、成像范围更广、安检效率更高。同时，该安检成像系统使用了太赫兹波束，使得该系统能高效检测一些潜在的非金属隐匿违禁品、危险物品等，并且相比现有技术中X射线等辐射性安检设备更加安全。