[0001] 本发明属于太赫兹光谱和成像技术领域，具体涉及一种千万帧频超高速太赫兹成像系统，该系统可在一次实验中获得超高速瞬态过程同一时基、同一空基的太赫兹分幅图像，最高帧频可以达到千万帧/s。

[0002] 显微成像技术能将空间尺度极度放大，是观测和认知微观世界的基础，高速成像技术能将时间尺度极度放大，则是观测和认知高速瞬态事件的唯一手段。可见光高速成像技术经过近百年的发展，取得了巨大进步，摄影频率从几十幅/s～几十亿幅/s，空间分辨力达到微米甚至纳米，并广泛物理、化学、材料科学、生物医药、天体物理以及农业等各个领域，成为推动军事、科研、工农业生产和人们生活进步发展的核心技术之一，长期以来是世界各国研究与发展的热点。

[0003] 现有的高速成像技术按电磁波谱划分主要有x光、紫外、可见光、红外和太赫兹波高速成像技术。X光的光子能量很高，能够穿透物体对其内部成像，但x射线的产生比较困难并需要特定的条件，脉冲x射线源的重频一般较低，因此，x射线高速成像的频率一般只有几十上百幅每秒，很难实现超高速成像。紫外和可见光成像均可达到千万幅频/s的超高速，但只能对物体外观成像，不能穿透物体对其内部成像。红外成像对物体有一定穿透性，但红外光源与探测器很难实现高重频，因此也难于实现超高速成像。太赫兹波是介于红外线和微波之间的一段电磁波，由于处于光子学到电子学的过渡区域，其具有很多独特的属性，如指纹光谱性、低能性、特殊穿透性等，特别是特殊穿透性使其可以穿透陶瓷、皮革、纸张、橡胶、高分子涂层等众多材料，实现对物体内部的高速成像，在聚合物与涂层检测、航空航天材料检测、生物医药和生产在线无损检测等领域具有广泛且不可替代的用途。然而，由于脉冲太赫兹信号的产生以及信号接收方法的技术局限性，目前太赫兹成像很难实现高速，无论是光学太赫兹技术还是电子学太赫兹技术，最高成像频率只能达到几十帧/s，究其原因在于：(1)用飞秒激光驱动的光学或电子倍增的电子学方法所获得的太赫兹信号通常比较微弱(在μw或nw量级)，加之各种材料以及水分对太赫兹波的吸收损耗，导致太赫兹信号进一步下降，只能采用点阵扫描的方式进行高速成像，从原理和方法上限定了其成像速度，最快只能实现几帧/s的高速成像；(2)虽然已有面阵焦平面太赫兹相机，可以进行太赫兹面阵成像，但由于目前面阵焦平面太赫兹相机的最高成像频率也只有几十帧/s，也很难实现高速成像。

[0029] 下面对以具体的实施例来对本发明做进一步说明，实施例的附图在附图说明中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的原件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0030] 实施例1

[0031] 如图1‑3所示，本实施例涉及的一种千万帧频超高速太赫兹成像系统，系统包括太赫兹成像单元1、太赫兹分光系统2、太赫兹分幅成像系统3、精密延时及控制系统4、计算机5和电源6。

[0032] 本实施例涉及的太赫兹成像单元1包括太赫兹主物镜101和电磁快门103，太赫兹主物镜101用于将被成像物体0成像到太赫兹分光系统2中，电磁快门103用于控制被成像目标的图像(光线)进入太赫兹分光系统2的时间，在系统成像时打开，在系统不成像时关闭，主要用于阻止杂散光进入成像系统，保护系统中的光电器件，延长其使用寿命。

[0033] 进一步，本实施例涉及的太赫兹成像单元1还包括置于太赫兹主物镜101和电磁快门103之间的分划板102，太赫兹主物镜101用于将被成像物体0被清晰成像在分划板102处，分划板102的作用是便于太赫兹分光物镜201的安装调节。

[0034] 本实施例涉及的太赫兹分光系统2包括太赫兹分光物镜201、太赫兹n面分光棱锥202和n个太赫兹反射镜203，太赫兹分光物镜201用于将太赫兹主物镜101成的像进一步成像到太赫兹n面分光棱锥上，n是太赫兹高速成像系统的记录通道数量或系统的记录图像数，由系统设计决定,n一般为3‑8；太赫兹n面分光棱锥用于将经主物镜101和太赫兹分光物镜201成的像均匀的分成n个不同空间方向的图像；n个太赫兹反射镜对应将n个不同空间方向的图像反射到太赫兹分幅成像系统3中n个不同的门控太赫兹图像通道，太赫兹反射镜、门控太赫兹图像通道一一对应。

[0035] 本实施例涉及的太赫兹分幅成像系统3由n个独立的门控太赫兹图像通道组成，每一个门控太赫兹图像通道都由一个超快太赫兹门选通组件30、一个太赫兹门控脉冲产生模块31、一个太赫兹中继成像模块32和一个太赫兹面阵相机33组成，超快太赫兹门选通组件30用于对超快太赫兹门选通组件30入射窗口面上的图像进行选通，太赫兹门控脉冲产生模块31与对应超快太赫兹门选通组件30连接，用于控制超快太赫兹门选通组件30的延时打开时刻与开门时间宽度(曝光时间)，太赫兹中继成像模块32用于将超快太赫兹门选通组件30入射的图像聚焦于太赫兹面阵相机33并由太赫兹面阵相机33记录。

[0036] 本实施例涉及的精密延时及控制系统4分别与电磁快门103、每一个门控太赫兹图像通道中的太赫兹门控脉冲产生模块31和太赫兹面阵相机33连接，控制对应部件的工作时间，通过电磁快门103控制光线入射太赫兹分光系统2的时间，通过太赫兹门控脉冲产生模块31控制对应门控太赫兹图像通道中的超快太赫兹门选通组件30的延时打开时刻与开门时间宽度(曝光时间)、太赫兹面阵相机33的记录。

[0037] 本实施例涉及的精密延时及控制系统4与电源6连接，控制电源6用于为系统中相应部件供电。

[0038] 进一步地，本实施例涉及的一种千万帧频超高速太赫兹成像系统，对于主动照明成像，还包括太赫兹照明光源，照明光源固定在被成像物体的前部(透射成像)或后部(反射成像)，精密延时及控制系统4与太赫兹照明光源连接，用于控制太赫兹照明光源的出光时刻等。

[0039] 本实施例涉及的计算机5与精密延时及控制系统4相连接，两者相配合实现对成像系统中各个控制动作的自动控制，计算机5与各个门控太赫兹图像通道中的太赫兹面阵相机33连接，用于对太赫兹面阵相机33的输出信号进行储存与数据图像分析处理，并输出被成像目标的二维图像。

[0040] 进一步地，为了防止电磁干扰对太赫兹高速成像系统的影响，太赫兹面阵相机33依次通过电光转换器7和光电转换器8与计算机5连接。在计算机5选择电光转换器7将太赫兹面阵太赫兹相机30的输出电信号转换为光信号进行传输，在计算机5接收端再采用光电转换器8将光数据信号转换为电信号进行后续传输、存储和处理，增强系统抗干扰能力。

[0041] 本实施例涉及的电源6按要求对系统中各个用电部件及系统供电。

[0042] 在系统设计时，通过数值模拟和优化光路结构设计，保证经过太赫兹N面分光棱锥202分光后的像具有均匀的光能量分布；通过设计与实验校正，解决成像色差和像面亮度非均匀的问题，提高分幅成像系统的成像质量。此外，太赫兹反射镜的调整对最终成像畸变和稳定性有很大影响，采用三支撑+刚性调节结构调节反射镜，解决这一问题。

[0043] 图2中，太赫兹反光镜203包括与第一太赫兹反光镜2031、第i太赫兹反光镜203i(图中未标出),第n太赫兹反光镜203n，i属于1到n的正整数。

[0044] 图2中，太赫兹分幅成像系统3有n个独立的超快太赫兹门选通成像通道，分别为第1超快太赫兹门选通成像通道、第2超快太赫兹门选通成像通道、第i超快太赫兹门选通成像通道……第n超快太赫兹门选通成像通道。对应地，第一超快太赫兹门选通成像通道由第一超快太赫兹门选通组件301、第一太赫兹门控脉冲产生模块311、第一太赫兹中继成像模块
321和第一太赫兹面阵相机331组成，第i超快太赫兹门选通成像通道由第i超快太赫兹门选通组件30i、第i太赫兹门控脉冲产生模块31i、第i太赫兹中继成像模块32i和第i太赫兹面阵相机33i组成，第n超快太赫兹门选通成像通道由第n超快太赫兹门选通组件30n、第n太赫兹门控脉冲产生模块31n、第n太赫兹中继成像模块32n和第n太赫兹面阵相机33n组成。对于第i(i属于1‑n的正整数)通道，第i超快太赫兹门选通组件30i入射面上的像在该通道第i太赫兹门控脉冲产生模块31i与精密延时及控制系统4的控制下，按设定的时间与门选通时间宽度进行选通成像：当该太赫兹超快门选通组件30i上加开门信号时，太赫兹超快门选通组件30i入射面上的图像进入该门选通成像通道，并由第i太赫兹中继成像模块32i成像到第i太赫兹面阵相机33i的光阴极面上，第i太赫兹面阵相机33i记录该图像，然后将图像信号输入到计算机5储存、分析与处理，最后由计算机5输出该通道记录的被成像目标的二维图像。
为了实现纳秒级的曝光时间和曝光时间从纳秒级到毫秒可调，要求太赫兹门控脉冲产生模块31从开启到关闭的转换过程非常快(≤100ns)，同时开门信号脉冲宽度的调节范围非常大(100ns∽0.2ms)。对于太赫兹中继成像模块32，要求有高的成像空间分辨率和透光率(分辨率≥150μm和透光率≥80％)；对于太赫兹面阵相机33，要求有较高的图像分辨率(像素≥
256×256)、较大的像元尺寸(≥60μm)、较大的动态范围(≥10bit数据格式)和较低的信号噪声。

[0045] 图2中，太赫兹分幅成像的拍摄延时、拍摄频率和单幅曝光时间均由太赫兹门控脉冲产生模块31、精密延时及控制系统4和计算机5控制，通过计算机设置与软件控制精密延时及控制系统4输出合适的延时脉冲信号给太赫兹门控脉冲产生模块31，太赫兹门控脉冲产生模块31按照设置的时刻与时间宽度打开门选通组件。在图2中，电源6按照太赫兹高速成像系统与部件的用电要求提供用电。

[0046] 上述技术方案中，该系统的工作方式为以下步骤：

[0047] 步骤一：打开电源6，根据各个用电部件或系统的用电需求对其供电。

[0048] 步骤二：被成像目标0置于太赫兹成像主物镜101光轴前侧，通过调节太赫兹成像主物镜101，被成像目标0被清晰成像在分划板102处，打开电磁快门103，被成像目标0通过太赫兹成像单元1成像到太赫兹分光系统2，并用电磁快门103控制目标图像进入太赫兹分光系统2的时间。

[0049] 步骤三：太赫兹分光系统2先由太赫兹分光物镜201将太赫兹主物镜101成的像进一步成像到太赫兹n面分光棱锥202上，然后由太赫兹n面分光棱锥202将被成像目标的图像均匀分为n个不同空间方向的图像，并由n个太赫兹反射镜203将其分别反射到太赫兹分幅成像系统3中对应的超快太赫兹门选通组件30的入射窗口面上。

[0050] 步骤四：在太赫兹分幅成像系统3中，太赫兹门控脉冲产生模块31在精密延时及控制系统4的控制下按设定的时间与门选通时间宽度依次打开各个通道的超快太赫兹门选通成像组件30，对各个门选通成像组件30入射窗口面上的图像进行选通成像，太赫兹中继成像模块32用于将超快太赫兹门选通组件30选通的图像聚焦于太赫兹面阵相机33，并由对应太赫兹面阵相机33记录。

[0051] 步骤五：上述步骤四中，精密延时及控制系统4在同一时间基准下控制其各个通道开始工作，t1时刻第一门控太赫兹图像通道选通成像，ti时刻第i门控太赫兹图像通道选通成像，tn时刻第n门控太赫兹图像通道选通成像，各个通道之间的成像时间间隔根据成像需要设定。

[0052] 步骤六：各个太赫兹面阵相机33将记录图像传输到计算机5进行数据储存、图像处理与分析，最终由计算机输出被成像目标的二维图像。

[0053] 由于上述分幅成像的目标物像面一致，所以最终记录图像也为同一空间基准。同一时间基准则通过精密延时及控制系统4来实现，由于分幅成像组件本身的开启和关闭时刻晃动只有数十皮秒，通过该精密延时及控制可使分幅成像在时间基准上同步精度达到百皮秒左右。

[0054] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。