專利名稱：毫米和亞毫米成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像裝置，尤其是但并不專門地，涉及一種能夠在室溫下工作的毫米和亞毫米波長掃描相機。
背景技術(shù)：
眾所周知，亞毫米射線(也稱為太赫射線，這種射線介于微波與紅外光之間)能夠穿透紙和布料。因此已經(jīng)將這一波長范圍認(rèn)定為是抵御日益增長的恐怖行為威脅的有力工具，這是因為可以使用它以與目前機場安檢中使用的x射線基本相同的方式來查找隱藏的金屬和非金屬武器。我們還知道太赫射線可以用在天文學(xué)研究中，并且可以用在生物物質(zhì)的光譜分析中，因為不同的生物分子吸收不同頻率的太赫射線。它穿透最上層皮膚層的能力還表明了在皮膚癌的診斷和分析中有使用太赫射線的可能性。
在太赫頻譜的低頻端，可以按照與檢測無線電波相同的方式使用天線來檢測射線。不過，即使在0.1THz上，天線長度也僅有1mm，并且隨著頻率增大，天線的大小還會減小。在WO98/43314中，介紹了制造毫米和亞毫米喇叭天線的方法，其中首先使用基板上的抗蝕層來制備半喇叭天線形狀的模具。將抗蝕層蝕刻成所期望的天線形狀，然后對抗蝕層模具的表面進(jìn)行金屬化。之后除掉抗蝕層，從而所剩下的全體即為具有半喇叭天線形狀的金屬層。然后可以將兩個這樣的金屬化結(jié)構(gòu)連接在一起，形成整個喇叭天線。這種技術(shù)使得比以往更加復(fù)雜的喇叭天線結(jié)構(gòu)能夠得以制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明尋求提供一種掃描成像裝置，這種掃描成像裝置尤其適于在毫米和亞毫米波長上進(jìn)行成像，并且能夠在這些波長上給出高于現(xiàn)有掃描成像系統(tǒng)的分辨率。
按照本發(fā)明的第一個方面，給出了一種成像裝置，用于產(chǎn)生毫米和亞毫米范圍內(nèi)的第一組波長的圖像，該成像裝置包括透鏡系統(tǒng)，用于在焦平面上產(chǎn)生樣本的圖像；一個或更多個檢測器，各個檢測器包括天線和相關(guān)的信號處理構(gòu)件，各個天線位于透鏡系統(tǒng)的焦平面上；一個或更多個可移動的支架，所述一個或更多個天線安裝在所述支架上，所述支架包括驅(qū)動構(gòu)件，用于在所述焦平面上可控制地移動所述一個或更多個天線；和反射器，適用于反射與所述第一組波長不同的第二組波長的射線，該反射器安裝在各個天線上。
在優(yōu)選實施例中，所述天線是借助柔性波導(dǎo)與所述信號處理構(gòu)件進(jìn)行通信的。而且，優(yōu)選地，所述驅(qū)動構(gòu)件包括壓電致動器。
此外，優(yōu)選地，所述成像裝置包括光源，被設(shè)置成用所述第二組波長的射線照射所述反射器；和相機，用于檢測從所述反射器反射回來的光線。
依據(jù)本發(fā)明的第二個方面，給出了一種成像裝置，用于產(chǎn)生毫米和亞毫米范圍內(nèi)的波長的圖像，該成像裝置包括透鏡系統(tǒng)，用于在焦平面上產(chǎn)生樣本的圖像；一個或多個檢測器，適用于檢測毫米和亞毫米范圍內(nèi)的多個波長，各個檢測器包括天線和相關(guān)的信號處理構(gòu)件，各個天線位于透鏡系統(tǒng)的焦平面上。


現(xiàn)在將參照附圖通過在附圖中示出的示例對本發(fā)明的實施例進(jìn)行介紹，其中圖1是依據(jù)本發(fā)明的掃描太赫相機的示意圖；和圖2示出了用于圖1的相機的天線陣子。
圖3示出了與鏡光學(xué)器件一起使用以增強對可用照射的采集的依據(jù)本發(fā)明的成像裝置。
具體實施例方式
圖1中所示的太赫相機總體上包括樣本臺1、固定物鏡2和位于物鏡2的焦平面上的天線3形式的多個檢測器(圖1中僅僅示出了一個)。每一個天線3通過相應(yīng)的波導(dǎo)4與常規(guī)混頻電路5和包括但不局限于數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的讀取電子裝置(未示出)相連接。此外，各個天線3裝有對著其孔徑(aperture)的后向反射器6，后向反射器6可以反射光波長的射線。優(yōu)選地將分束器7安裝在物鏡2與天線3的陣列之間，優(yōu)選地成45°的角度，并且將其設(shè)置成把來自光學(xué)光源8的光線引導(dǎo)到安裝在各個天線上的后向反射器6上。與光學(xué)光源8伴隨在一起的是諸如CCD相機之類的光學(xué)成像裝置9，用于檢測和記錄從后向反射器6反射回來的光線。
物鏡2優(yōu)選地是非球面塑料透鏡，適于將樣本臺1上的樣本的圖像聚焦到在透鏡的焦平面上的檢測器3上。為了在毫米和亞毫米波長上對圖像聚焦，物鏡2的直徑應(yīng)具有100mm的量級，并且物鏡的焦距應(yīng)近似具有相同量級。另選地，物鏡可以由離軸凹面鏡代替。而且，在理論上，分束器7是對毫米和亞毫米波長的射線實質(zhì)透明(即，反射率＞5％并優(yōu)選地＞1％)的分束器。混頻器5優(yōu)選地是外差混頻器，并且設(shè)計上一般是常規(guī)的，只是尺寸比無線電波長所要求的要小。
每個天線3都支撐在安裝臺10上，該安裝架10可以在物鏡2的焦平面上進(jìn)行移動。優(yōu)選地，如圖2所示，各個天線的安裝架10與各自的直線軌道11相接合，這些軌道11在物鏡2的焦平面上基本相互平行地延伸。安裝架10包括各自的驅(qū)動致動器12，優(yōu)選地是常規(guī)的壓電驅(qū)動器，這些驅(qū)動致動器12控制安裝架10及其天線3沿著它們各自的軌道11的運動。因此各個天線3能夠沿著在物鏡焦平面上延伸的直線選定任何位置，并且因此天線3的波導(dǎo)4優(yōu)選地是柔性的、低損耗的介質(zhì)波導(dǎo)，以適應(yīng)這一運動。另選地，可以采用柔性金屬波導(dǎo)。
為了在毫米和亞毫米波長上進(jìn)行成像，天線3優(yōu)選地具有喇叭天線的形式，比如但不限于WO98/43314中介紹的那些喇叭天線。因此各個天線的孔徑為2mm左右，從而一行16個獨立天線可以延伸接近35mm，使得相鄰天線之間能夠有間隔。因此，通過為各個天線配備大約25mm左右的軌道長度，借助多個天線3能夠掃描35mm×25mm的有效焦平面面積。為了減小由天線的后向反射器6造成的天線遮擋，該后向反射器長度優(yōu)選地僅為接近0.2mm。在使用顯微機械加工技術(shù)制造天線的情況下，該后向反射器優(yōu)選地是光刻制造的，并且對著天線孔徑懸掛在細(xì)硅帶上。
這樣，上面介紹的成像裝置將固定透鏡與掃描天線陣列組合起來。通過在各個天線上設(shè)置小的后向反射器，通過由CCD相機9對從后向反射器反射回來的光線進(jìn)行成像，能夠確定各個天線在有效焦平面內(nèi)的精確位置。這能夠明顯提高圖像分辨率，并且此外還能夠?qū)⑵溆迷诜答仚C構(gòu)中，以控制天線的進(jìn)一步運動。
因為能夠在太赫圖像的一小塊區(qū)域上進(jìn)行積分，上面介紹的成像裝置具有提供數(shù)據(jù)變焦功能的額外優(yōu)點，以實現(xiàn)較高的分辨率。
上面介紹的成像裝置能夠利用由樣品發(fā)射的自然太赫射線產(chǎn)生樣本的圖像。不過，該成像裝置也適于對由外部太赫射線源照射的樣本進(jìn)行成像，外部太赫射線源比如是與功率放大器和三倍頻器相結(jié)合的在大約80GHz上工作的Gunn振蕩器。
上面介紹的天線3可以獨立進(jìn)行移動。不過，在另選的實施例中，可以將多個天線3連在一起，從而可以使用單個驅(qū)動致動器來一起移動多個天線。例如，可以在公共安裝架上將天線3排列成一個直線陣列，即，一個挨一個地排列，然后使公共安裝架進(jìn)行移動，以在太赫物鏡的焦平面上掃描該直線陣列。此外，將天線安裝架限制為沿著軌道進(jìn)行移動并不重要?？梢詫④壍朗∪?，并且用于安裝架的驅(qū)動致動器能夠沿著不止一個方向或者甚至任何方向驅(qū)動這些安裝架。而且，有一點當(dāng)然是顯而易見的在另一另選實施例中，僅僅需要采用單個天線，該天線支撐在安裝架上，該安裝架具有相關(guān)的驅(qū)動制動器，該驅(qū)動制動器能夠可控地將天線定位在處于太赫物鏡焦平面內(nèi)的掃描區(qū)域中的任何期望的位置上。
雖然本文中提到了在太赫射線從物鏡到天線的路徑上設(shè)置光學(xué)分束器，但是也可以想到，上面介紹的成像裝置在沒有光學(xué)分束器的情況下也可以工作。利用該另選實施例，與太赫物鏡的焦平面成銳角地對后向反射器進(jìn)行照射。在又一另選實施例中，可以用諸如平面鏡或反射鏡之類的另選光學(xué)反射器來代替后向反射器。在與天線所處的平面成銳角地照射平面反射鏡的情況下，可以將光學(xué)光源和相機分立設(shè)置在太赫物鏡的相對兩側(cè)。
而且，雖然壓電驅(qū)動制動器是用于控制天線運動的優(yōu)選構(gòu)件，但是有一點當(dāng)然是顯而易見的也可以采用其它的另選機械/電子致動器，而不會超出本發(fā)明的范圍。
已知材料的發(fā)射率(尤其是所發(fā)射信號的強度)是隨頻率變化的。而且，這種發(fā)射率隨頻率的變化對于不同的材料一般來說是不同的。因此，可以通過測量所發(fā)射的不同頻率的射線的強度并將結(jié)果與已知材料的進(jìn)行比較(例如，使用查詢表)來識別材料。
在本發(fā)明的另一實施例中，與各個檢測器相關(guān)的信號處理構(gòu)件的混頻器適于在一定的頻率范圍內(nèi)工作。例如，可以改變混頻電路的本機振蕩頻率，從而使檢測器檢測多種不同頻率的射線。可以對本機振蕩器的頻率進(jìn)行切換，從而使檢測器檢測不同的離散頻率。另選地，本機振蕩器可以遍歷振蕩頻率范圍，從而使檢測器得以類似地遍歷所檢測頻率的范圍。
對于某些材料，發(fā)射率、透射率和反射率特性在某一亞毫米頻率范圍內(nèi)可能僅僅發(fā)生輕微變化。為了提高材料間的差異度，優(yōu)選地將成像裝置的檢測器改造為能夠測量至少100GHz到1THz范圍內(nèi)的頻率。在需要較寬頻率范圍的情況下，不管是遍歷還是切換，單個檢測器都可能無法覆蓋期望的頻率范圍。因此成像裝置優(yōu)選地包括多個檢測器，使與各個檢測器相關(guān)的混頻器適于在不同的頻率范圍內(nèi)工作。
使用多個檢測器檢測較寬的頻率范圍可以以多種方式來實現(xiàn)。例如，可以使各個檢測器適于檢測整個期望頻率范圍內(nèi)的不同的離散頻率或者子頻率范圍?？梢詫⒏鱾€檢測器在焦平面內(nèi)的排列或定位選擇為用于選定的頻率或子頻率范圍的檢測器散布在焦平面上。另選地，成像裝置可以包括排列成線性陣列的像素檢測器，陣列的各個像素檢測器適合于檢測整個期望頻率范圍內(nèi)的不同的離散頻率或子頻率范圍，但是相鄰線性陣列中的像素檢測器易受對應(yīng)頻率的影響。通過采用線性陣列的疊層(可以是移動的也可以是靜止的)，可以減少成像次數(shù)。再可選地，可以使某一線性陣列內(nèi)的所有像素檢測器適于檢測相同的頻率或子頻率范圍，但是相鄰陣列內(nèi)的檢測器適于檢測不同的頻率或子頻率范圍。這樣，利用這種另選實施例，通過使線性陣列形成疊層，可以覆蓋整個期望頻率范圍。
通過檢測不同頻率的射線并且將信號強度的變化與已知材料的進(jìn)行比較(例如使用查詢表)，可以將本發(fā)明的成像裝置用于識別是否存在特定材料。例如，該成像裝置可以用在食品工業(yè)中，在食品工業(yè)中，可以使用該成像裝置來監(jiān)測食品的狀況和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。該成像裝置尤其適于用在安檢系統(tǒng)中，用來識別使用常規(guī)的檢查方法一般情況下看不到的違禁材料，比如塑料爆炸物?？梢詫⒃摮上裱b置的數(shù)據(jù)分析元件編程為僅對特定的材料做出標(biāo)記，在由該裝置以高度可視化的方式產(chǎn)生的圖像上識別該做了標(biāo)記的材料所在的位置。此外，檢測到被標(biāo)記的材料可以觸發(fā)某種形式的報警。
在將成像裝置用于識別選定材料存在與否的情況下，圖像分辨率的重要程度可能低于材料選擇性和成像速度。具體來說，知道特定材料是否存在比正確了解材料所處位置更為重要。因此，可以以犧牲圖像分辨率來換取材料選擇性和速度，即，確保檢測器覆蓋合適數(shù)量和范圍的頻率并且確保圖像能夠在可接受的時幀內(nèi)得以形成/采集。
本發(fā)明的成像裝置和其它任何相機一樣也僅僅能夠?qū)ξ矬w面對成像裝置的表面進(jìn)行成像。該成像裝置因此不能對物體背離檢測器的表面進(jìn)行成像。為了采集來自物體兩面的照射，可以將該成像裝置與位于物體后面的可以反射太赫頻率的反射鏡結(jié)合起來使用。還可以將額外的反射鏡置于物體上方和/或下方的位置上。
由于太赫射線的波長(通常是1mm或更短)并不要求苛刻的金屬表面精整標(biāo)準(zhǔn)，可以使用常規(guī)的機加工金屬來制作反射鏡，比如鋁?？梢允褂靡粋€或更多個朝向成像裝置傾斜的常規(guī)平面鏡。不過，如圖3所示，實現(xiàn)點到平行成像的凹面鏡光學(xué)器件是首選，這是因為這些凹面鏡光學(xué)器件能夠采集所有的太赫照射；在希望采集來自小樣本的所有可能照射的情況下，這一點尤其重要。另選地，可以采用非球面光學(xué)系統(tǒng)。而且，還可以采用其它的光學(xué)器件和/或相機，以便避免物體造成的陰影。
反射鏡的大小取決于所要成像的物體的大小，并且因此較大的物體(比如重件運載工具)需要相對較大的反射鏡。在這些情況下，反射鏡可以由涂覆有適當(dāng)金屬反射體的模制塑料體構(gòu)成。
上面已經(jīng)提到，在很多情況下，比如檢測違禁材料的情況，檢測出物體(比如塑料爆炸物塊)存在與否比真正對物體成像更為重要。與成像裝置相結(jié)合地使用反射鏡為盡可能多地采集不同頻率的照射提供了可能。因此，本發(fā)明理論上適用于為了檢查是否存在違禁材料的對物體的檢查。
可以預(yù)料，本發(fā)明在機場和港口安檢中會有具體的應(yīng)用，在這種情況下，可以將反射鏡和/或相機相對于物體隱藏在對太赫頻率透明的材料的面板后面，例如在紙制海報展示板、紙板或塑料板后面。
可以設(shè)想到對上面介紹的發(fā)明的具體實施方式
進(jìn)行的其它改變，比如省去樣本臺和將混頻器與天線安裝在一起，從而將這二者安裝成橫越物鏡的焦平面進(jìn)行移動，這些改變不會超出所附權(quán)利要求中定義的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種成像裝置，用于產(chǎn)生毫米和亞毫米范圍內(nèi)的第一組波長的圖像，該成像裝置包括透鏡系統(tǒng)，用于在焦平面上產(chǎn)生樣本的圖像；一個或更多個檢測器，各個檢測器包括天線和相關(guān)的信號處理構(gòu)件，各個天線位于透鏡系統(tǒng)的焦平面上；一個或更多個可移動的支架，所述一個或更多個天線安裝在所述支架上，所述支架包括驅(qū)動構(gòu)件，所述驅(qū)動構(gòu)件用于在所述焦平面上可控制地移動所述一個或更多個天線；和反射器，適用于反射與所述第一組波長不同的第二組波長的射線，該反射器安裝在各個天線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像裝置，其中，所述天線借助柔性波導(dǎo)與所述信號處理構(gòu)件進(jìn)行通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像裝置，其中，所述驅(qū)動構(gòu)件包括壓電致動器。
4.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的成像裝置，其中，所述驅(qū)動構(gòu)件適用于沿著三個或更多個不同的方向移動所述支架。
5.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的成像裝置，還包括光源，該光源被設(shè)置成用所述第二組波長的射線照射所述反射器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的成像裝置，還包括用于檢測從所述反射器反射回來的光線的相機。
7.根據(jù)權(quán)利要求5和6所述的成像裝置，還包括定位成將來自所述光源的光線引導(dǎo)到所述反射器并將來自所述反射器的光線引導(dǎo)到所述相機的分束器。
8.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的成像裝置，還包括樣本臺，在該樣本臺上，與透鏡系統(tǒng)成固定關(guān)系地安裝著所要成像的樣本。
9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的成像裝置，還包括設(shè)置成用所述第一組波長照射所述樣本的射線源。
10.一種成像裝置，用于產(chǎn)生毫米和亞毫米范圍內(nèi)的波長的圖像，該成像裝置包括透鏡系統(tǒng)，用于在焦平面上產(chǎn)生樣本的圖像；一個或更多個檢測器，適用于檢測毫米和亞毫米范圍內(nèi)的多個波長，各個檢測器包括天線和相關(guān)的信號處理構(gòu)件，各個天線位于透鏡系統(tǒng)的焦平面上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成像裝置，其中各個檢測器適用于檢測一定范圍的波長。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成像裝置，其中，各個檢測器適用于檢測單個波長并且成像裝置包括適用于檢測不同波長的至少兩個檢測器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10到12中任一項所述的成像裝置，其中，檢測器適用于檢測100GHz到1THz范圍內(nèi)的頻率。
14.根據(jù)權(quán)利要求10到13中任一項所述的成像裝置，其中，各個檢測器適用于檢測不同的頻率或頻率范圍。
15.根據(jù)權(quán)利要求10到14中任一項所述的成像裝置，其中，天線在焦平面內(nèi)被定位為使適用于檢測選定頻率或頻率范圍的檢測器得以散布在焦平面上。
16.根據(jù)權(quán)利要求10到15中任一項所述的成像裝置，其中，成像裝置包括多個檢測器并且天線排列成線性陣列。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的成像裝置，其中，天線排列成線性陣列的疊層。
18.根據(jù)權(quán)利要求10到17中任一項所述的成像裝置，還包括一個或更多個可移動的支架，在所述支架上安裝所述一個或更多個天線，所述支架包括驅(qū)動構(gòu)件，所述驅(qū)動構(gòu)件用于橫越焦平面可控制地移動所述一個或更多個天線。
全文摘要
太赫相機具有固定物鏡(2)和多個定位在物鏡(2)的焦平面上的檢測器(3)。各個檢測器(3)安裝在可移動支架(10)上，使得天線能夠在物鏡(2)的焦平面上進(jìn)行移動，并且各個檢測器配備有用于連接檢測器(3)的輸出端與信號處理構(gòu)件的柔性波導(dǎo)(4)。各個檢測器(3)還配有后向反射器(6)，該后向反射器可以反射太赫頻率之外的頻率的射線。在相機使用期間，各個檢測器(3)的后向反射器(6)受到非太赫頻率的射線的照射，從而能夠精確地確定各個檢測器(3)的空間位置，并且因此確定由檢測器產(chǎn)生的信號的空間來源。該太赫相機尤其適于用在安檢設(shè)備以及化學(xué)和食品處理工業(yè)中。
文檔編號G01V8/00GK1875295SQ200480032337
公開日2006年12月6日 申請日期2004年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月15日
發(fā)明者克里斯·曼恩, 喬納森·詹姆士 申請人:中心實驗室研究委員會