專利名稱：成像裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于探查物品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像裝置和方法。更具體但并非專門地，涉及用于成像隱蔽目標(biāo)的裝置和方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的例如X射線一類的成像系統(tǒng)已經(jīng)被用于探查包括食品、人體等一系
列目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特征。但是，采用x射線(或其它電離輻射)的系統(tǒng)往往
存在健康及安全方面的缺陷。已知電離輻射能導(dǎo)致對(duì)棉或其它材料的損害。因此，采用x射線的設(shè)備必須具備足夠的隔離，以確保l喿作者及其它人員不會(huì)暴露于放射線。
此外，x射線系統(tǒng)的體積較大，從而不適用于特定的制造條件。x射線系統(tǒng)的又一個(gè)缺點(diǎn)是相對(duì)而言成本較高。
兆赫茲(Terahertz)成像系統(tǒng)也已經(jīng)被用于成像物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但是，由于水分子導(dǎo)致的兆赫茲頻率信號(hào)的高衰減，使用兆赫茲成像系統(tǒng)在成像含水實(shí)例時(shí)也遇到挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于探查物體的裝置，包括
控制器，被配置為生成具有周期幅值變化的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
源，可由控制器操作以發(fā)射源束從而照射物體，該源束包括響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期幅值變化的具有周期幅值變化的電磁射線束；以及
檢測器，被配置為檢測已經(jīng)被射出穿過至少物體的 一部分的源束的 一部分，并生成響應(yīng)于所述源束的所述部分的幅值變化而具有幅值變化的檢測器信號(hào)；
所述控制器被進(jìn)一步配置為響應(yīng)于檢測器信號(hào)和參考信號(hào)間幅值的不同，而生成不同的值。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)其能夠提供物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成
6像，而無需將物體暴露于電離輻射。并且，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的裝置不需要與
例如X射線成像的現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的電離輻射屏蔽或其它防范。
而且，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的裝置還具有如下優(yōu)點(diǎn)與X射線成像系統(tǒng)相比
成本較低。本發(fā)明的實(shí)施例具有進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，即與X射線成像系統(tǒng)相比，它
們能耗較低并且更便于攜帶。
優(yōu)選地，參考信號(hào)是具有與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同樣頻率的周期信號(hào)。優(yōu)選地，參考
信號(hào)的幅值響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值。
該裝置可被配置為在參考信號(hào)和檢測器信號(hào)間實(shí)現(xiàn)零差功能，從而生成差異值。
優(yōu)選地，參考信號(hào)充分響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，檢測器信號(hào)與響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的參考信號(hào)相結(jié)合，從而生成響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)和檢測器信號(hào)間幅值的不同的信號(hào)。
優(yōu)選地，該裝置被配置為在參考信號(hào)和檢測器信號(hào)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正功能，從而生成差異值。
優(yōu)選地，該裝置被配置為在參考信號(hào)和接收到的信號(hào)間實(shí)現(xiàn)鎖定檢測功能，從而生成差異值。
使用具有與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同頻率的參考信號(hào)，具有如下優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率上的任何變化都被精確地映射為參考信號(hào)的變化。因此，可充分獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的變化而生成差異值。驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的變化可因與裝置相關(guān)的電子設(shè)備的溫度變化而產(chǎn)生。
此外或者可選地，參考信號(hào)可以是具有與驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同的頻率的周期參考信號(hào)。
該裝置可被配置為在參考信號(hào)和檢測器信號(hào)間實(shí)現(xiàn)外差式的功能，從而生成差異值。
因此，在本發(fā)明的實(shí)施例中，檢測器信號(hào)與具有不同于驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的參考信號(hào)相結(jié)合。在本發(fā)明的實(shí)施例中，響應(yīng)于檢測器信號(hào)和參考信號(hào)間頻率的差異，該結(jié)合的信號(hào)穿過用于使拍頻信號(hào)穿過的低通濾波器。
優(yōu)選地，電磁射線束為具有波長在700至2000nm范圍內(nèi)的電磁射線。此范圍在下文中被稱作"近紅外"或者"MR"射線。在上述波長范圍內(nèi)，許多材料對(duì)電磁射線而言是相對(duì)透明的。換句話說， 此波長范圍內(nèi)，足夠量的射線可以穿過物體實(shí)例，以使得能夠在可接受的時(shí)長 內(nèi)探查物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
在上述波長范圍內(nèi)，水對(duì)電磁射線而言是相對(duì)透明的。因此，可以成像例 如生物材料這樣的含水材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從而，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的裝置相對(duì)
與例如兆赫茲(THz)成像技術(shù)這樣的現(xiàn)有技術(shù)具有能夠成像含水材料的好處。 水高度吸收處于兆赫茲頻率范圍內(nèi)的電磁信號(hào)，使得成像生物材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 變得困難。同時(shí)，兆赫茲系統(tǒng)已經(jīng)展現(xiàn)了在干材料間提供對(duì)比的能力，在具有 墨水和不具有墨水的紙張間提供對(duì)比，但是尚不能在生物材料間提供同樣的對(duì)
比功能。
相反地，X射線系統(tǒng)已經(jīng)展現(xiàn)了在生物材料間提供上述對(duì)比的能力，但是 尚不能在具有相對(duì)小的濃度的不同材料間提供對(duì)比。例如，X射線成像系統(tǒng)可 用于區(qū)分具有墨水的紙和不具有墨水的紙。
700至2000nm間的頻率范圍具有如下優(yōu)點(diǎn)當(dāng)電》茲射線穿過物體時(shí)并不發(fā) 生顯著的對(duì)物體的加熱。
本發(fā)明的實(shí)施例具有能夠區(qū)分(例如提供差異辨別對(duì)比)生物材料中嚢腫 和腫瘤的優(yōu)點(diǎn)。
在嚢腫的情況下，實(shí)質(zhì)上是充水胞，嚢腫并不分散電磁信號(hào)而是削弱該信 號(hào)。在腫瘤或者癌癥的情況下，具有l(wèi)nm (微米)規(guī)格的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)生分 散電磁信號(hào)的現(xiàn)象。這種在發(fā)射的射線和被探查物體間的相互作用上的差異， 使得能夠更精確地確定生物樣本中的特征實(shí)質(zhì)(例如嚢腫或腫瘤)。因此，根據(jù) 本發(fā)明實(shí)施例的裝置可用于檢測動(dòng)物體的嚢腫、腫瘤及其它生物表征的特性。 區(qū)分嚢胂和腫瘤的必要性在于，能夠使醫(yī)藥工作者確定關(guān)于特定病人的醫(yī)療程 序的實(shí)質(zhì)和緊急性。
本發(fā)明的實(shí)施例因此在醫(yī)療診斷及病患檢測方面具有巨大的潛在實(shí)用價(jià)值。
電磁射線束可以為具有700至1000nm范圍波長的電》茲射線。在一些實(shí)施例 中，電磁射線束可以為具有800至900nm范圍波長的電磁射線。 優(yōu)選地，周期幅值信號(hào)可以是方波信號(hào)。此外或者可選地，周期幅值信號(hào)可以是正弦波信號(hào)。 該裝置可操作用于移動(dòng)探測器以檢測物體。
此外或者可選地，該裝置可操作用于移動(dòng)物體以被檢測器檢測。
這具有如下優(yōu)點(diǎn)可執(zhí)行對(duì)物體多個(gè)區(qū)域的探查，而不必相應(yīng)地提供多個(gè) 檢測器。因此，可將檢測器移動(dòng)至希望探查物體的區(qū)域以及源發(fā)射的信號(hào)組成 的測量的區(qū)域。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，源相對(duì)于檢測器的相對(duì)位置保持不變，無論檢 測器根據(jù)物體位置而移動(dòng)還是物體根據(jù)檢測器位置而移動(dòng)。 優(yōu)選地，檢測器包括光電探測器元件。 更優(yōu)選地，檢測器包括光電探測器元件組。
此特征具有可執(zhí)行平行收集數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。換句話說，來自源的電磁射線的 與待測物體交互的檢測可以同時(shí)在多個(gè)空間獨(dú)立的位置進(jìn)行。這具有使得在一 系列數(shù)據(jù)收集的情況下，更快地從多個(gè)空間獨(dú)立的位置收集數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。 一系 列數(shù)據(jù)收集意味著從一個(gè)空間位置收集數(shù)據(jù)，隨后從第二空間位置收集數(shù)據(jù)。
所述元件組可以線性排列?？蛇x地，所述元件組可以是平面排列。
平面排列元件組具有如下優(yōu)點(diǎn)其可以通過二維區(qū)域獲得，而不需要移動(dòng) 檢測器或檢測中的物體。
該裝置可被配置為在傳輸模式工作，因此檢測器被設(shè)置為檢測從待測物體 的一邊穿過至另一邊的電磁射線束，在與提供源的一側(cè)相對(duì)的物體一側(cè)提供該 檢測器。
此外或者可選地，該裝置被配置為在反射模式工作，因此檢測器被設(shè)置為 檢測被待測物反射的電磁射線束，在與源同側(cè)的物體一側(cè)提供該檢測器。
反射包括從物體外表面的反射，和從例如矩陣及嵌入粒子的界面的物體內(nèi) 部空間的反射。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解，操作的反射模式因此包括對(duì)已經(jīng)穿 過至少待測物體的一部分的電磁射線的檢測，并且不限于對(duì)從物體外表面反射 的電磁射線的檢測。
在操作的反射模式的變化中，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，提供一個(gè)或多個(gè) 反射元件以將穿過樣本的電磁射線反射穿過該樣本至檢測器，該檢測器位于與 源同側(cè)的樣本側(cè)。該裝置可被配置為在反射模式或傳輸模式工作。 該裝置可被配置為同時(shí)工作于反射模式和傳輸模式。 該源可被配置為發(fā)射多種波長的電磁射線。 該檢測器可被配置為檢測多種波長的電磁射線。
可以提供多個(gè)檢測器，每個(gè)檢測器被配置為檢測分別具有不同波長或者波 長范圍的電磁射線。
此特征具有如下優(yōu)點(diǎn)該裝置可用于同時(shí)測量許多被物體吸收的射線波長 的射線作為其功能。
該檢測器可包括可調(diào)濾波器。
這具有如下優(yōu)點(diǎn)同樣的檢測器可用于測量許多射入該檢測器上的，具有 多種波長或者波長范圍中的每一種波長的射線。即，通過執(zhí)行對(duì)大量由檢測器 檢測到的電磁射線的多個(gè)測量，并改變測量間濾波器的特性，作為一項(xiàng)功能， 可以確定由物體削弱的信號(hào)相對(duì)量。
所述波長中的至少 一種波長為物體的特征吸收波長。
此特性具有如下優(yōu)點(diǎn)可執(zhí)行材料的其它組成或化學(xué)成分的分析。即，該 裝置可用于協(xié)助確定待測物體是否具有特定的材料、元件或者化合物。
源可以是激光源。激光源具有無需校準(zhǔn)來自源的射線束的優(yōu)點(diǎn)。在本發(fā)明 的實(shí)施例中，提供線型激光束，該線在穿過物體時(shí)被檢測，從而獲取物體剖面 成像，這與激光條碼檢測技術(shù)的方式類似。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，釆用例如LED的單源或者固態(tài)激光，與柱狀透 鏡結(jié)合，以生成具有平坦密度分布的線性束。換句話說，該密度分布非高斯分 布。
至少 一個(gè)源及檢測器可包括光纖線纜。
源可具有纖維光纜，該光纖線纜被設(shè)置為將電,茲射線束引導(dǎo)至待測物體上。 此外或者可選地，檢測器可具有光纖線纜，該光纖線纜被設(shè)置為將電磁射 線從物體引導(dǎo)至該檢測器上。
在本發(fā)明的第二方面中，提供了一種檢測物體的方法，包括步驟
生成具有周期幅值變化的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的所述變化，生成具有周期幅值變化的電磁射線源束；所述源束的一部分穿過待測物體的至少一部分，至;f全測器； 響應(yīng)于傳輸至該^r測器的源束的一部分的幅值變化，生成具有幅值變化的 檢測器信號(hào)；
響應(yīng)于檢測器信號(hào)和參考信號(hào)間的幅值差異，生成差異值。 優(yōu)選地，該源束為具有700至2000nm波長范圍的電^茲射線。 更優(yōu)選地，該源束為具有700至1000nm波長范圍的電磁射線。


現(xiàn)在將通過參考附圖描述
具體實(shí)施例方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的裝置的概要圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的裝置的概要圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的裝置的概要圖4示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的裝置的概要圖5示出從使用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的裝置的物體中獲得的圖像(a)以及 對(duì)應(yīng)于該圖像某區(qū)域的像素值(b);
圖6示出從使用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的裝置的不同的物體中獲得的圖像(a) 以及對(duì)應(yīng)于該圖像某區(qū)域的像素值(b);
圖7是根據(jù)第二實(shí)施例的裝置的反射工作模式的概要圖8示出對(duì)應(yīng)于第一實(shí)例的一系列成像；
圖9示出對(duì)應(yīng)于第二實(shí)例的一系列成像；
圖IO示出對(duì)應(yīng)于第三實(shí)例的一系列成像；
圖11示出對(duì)應(yīng)于第四實(shí)例的一系列成像；
圖12示出對(duì)應(yīng)于第五實(shí)例的一系列成像。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，用于探查樣本的裝置IOO在圖1中概要地示出。 該裝置被配置為在零差模式下工作。換句話說，驅(qū)動(dòng)信號(hào)和參考信號(hào)由相同的 信號(hào)生成器提供。裝置100包括計(jì)算設(shè)備105、參考(驅(qū)動(dòng))信號(hào)生成器110、參考(驅(qū)動(dòng)) 信號(hào)放大器115、射線源120、射線檢測器125、檢測器信號(hào)放大器和調(diào)諧器130 以及信號(hào)處理模塊135。
參考信號(hào)生成器110被配置為生成具有IOMHZ頻率的周期方波信號(hào)。更期 望也可采用其它的頻率。在一些實(shí)施例中，該方波具有介于1MHz至500MHz 之間的周期頻率。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，計(jì)算設(shè)備105而并非獨(dú)立的參考信號(hào)生成器110 被配置為生成該參考信號(hào)。
根據(jù)該第一實(shí)施例的射線源120是固態(tài)發(fā)光二極管(LED)設(shè)備，被配置 為發(fā)射具有900nm左右波長的電vF茲射線。也可采用其它波長。
射線檢測器125是具有二維檢測器元件陣列的固態(tài)檢測器。根據(jù)第一實(shí)施 例，該檢測器元件為固態(tài)二極管。
也可利用其它檢測器元件。在一些實(shí)施例中，檢測器為CMOS檢測器。在 另一些實(shí)施例中，采用CCD檢測器。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，采用任何適用 的可獲得的紅外照相^L。
在釆用二維檢測器元件陣列的情況下，可釆用鏡頭將樣本成像投射到檢測 器元件上。
檢測器125具有被設(shè)置為僅允許具有要入射至二極管陣列的900nm波長的 射線通過的帶通濾波器。也可采用支持其它波長的帶通濾波器。
也可采用被設(shè)置為傳輸具有不同值或取值范圍的波長的可變光學(xué)帶通濾波 器。也可采用衍射光柵及可調(diào)衍射光柵。
檢測器125被配置為響應(yīng)于由檢測器125的元件中的每一個(gè)檢測到的電磁 射線的幅值變化，生成檢測器信號(hào)。
放大器和調(diào)諧器130被設(shè)置為在信號(hào)被傳送至信號(hào)處理模塊135之前，處 理由檢測器125生成的信號(hào)。
放大器和調(diào)諧器130對(duì)信號(hào)處理模塊135執(zhí)行預(yù)報(bào)功能，并被設(shè)置為去除 非相關(guān)噪聲。
放大器和調(diào)諧器130是被調(diào)諧為由參考信號(hào)生成器110生成的參考信號(hào)的 電子帶通濾波器。放大器和調(diào)諧器130具有兩種主要功能。首先，其在信號(hào)處理模塊135執(zhí)行主信號(hào)恢復(fù)過程(自動(dòng)校正)之前，執(zhí) 行相對(duì)粗略的對(duì)檢測器信號(hào)的過濾。
其次，放大器和調(diào)諧器130去除將影響由信號(hào)處理模塊執(zhí)行的自動(dòng)校正的 諧波。
信號(hào)處理模塊135具有由參考信號(hào)生成器110提供的信號(hào)和放大器和調(diào)諧 器130的處理隨后的檢測器信號(hào)。信號(hào)處理模塊135被配置為執(zhí)行該兩種信號(hào) 的自動(dòng)校正，并響應(yīng)于兩種信號(hào)幅值的差異，向檢測器125的每個(gè)元件產(chǎn)生輸 出。換句話說，信號(hào)處理模塊135被配置為提供以響應(yīng)于來自源而穿過樣本的 一部分的電磁信號(hào)的幅值變化的方式而變化的輸出。
自動(dòng)校正及其它的鎖定檢測技術(shù)具有能夠獲得噪聲自由數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。即， 該裝置能夠過濾出不響應(yīng)于參考信號(hào)的檢測器信號(hào)頻率。這使得能夠進(jìn)行對(duì)參 考信號(hào)和檢測信號(hào)的相對(duì)幅值的更精確的比較。
由于參考信號(hào)和檢測器信號(hào)間的幅值差異微小，弱信號(hào)恢復(fù)技術(shù)，例如自
動(dòng)校正和其它的鎖定檢測技術(shù)提供了用于確定信號(hào)間幅值差異，從而記錄穿過 樣本的一部分的電磁信號(hào)的幅值變化的有價(jià)值的方法。
更期望參考信號(hào)和檢測器信號(hào)是具有相同頻率的信號(hào)，從而其它零差技術(shù) 可用于確定兩種信號(hào)間的幅值差異。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，采用了外差式的技術(shù)。在本發(fā)明一些實(shí)施例中， 采用了具有與源信號(hào)不同頻率的參考信號(hào)。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，參考信號(hào)與檢測器信號(hào)混合以生成拍頻信號(hào)。 然后拍頻信號(hào)的幅值變化可用于測量檢測器信號(hào)的幅值變化。
在本發(fā)明的 一些實(shí)施例中，采用響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的諧波頻率的參考信號(hào)。 這使得能夠執(zhí)行諧波分析，使得能夠進(jìn)一步確定關(guān)于待測物體的信息。
在本發(fā)明的一些采用零差技術(shù)的實(shí)施例中，參考(驅(qū)動(dòng))信號(hào)被配置為提 供掃頻信號(hào)。即，參考信號(hào)的周期頻率隨時(shí)間函數(shù)變化(無論參考信號(hào)是方波 信號(hào)、正弦波信號(hào)或任何其它適用信號(hào))。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，參考信號(hào) 連續(xù)變頻?？梢圆捎闷渌夹g(shù)以改善比較參考信號(hào)和檢測器信號(hào)的相對(duì)幅值的 質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例，通過模擬電路利用單頻鎖定執(zhí)行自動(dòng)校正。模擬電路可被構(gòu)造為具有對(duì)參考信號(hào)和檢測器信號(hào)間的幅值的微小差異具有高度敏 感性，從而能夠獲得高質(zhì)量的物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像。
更期望在本發(fā)明的一些實(shí)施例中數(shù)字化地執(zhí)行自動(dòng)校正。數(shù)字執(zhí)行自動(dòng)校 正具有可利用運(yùn)行軟件的計(jì)算機(jī)執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)。但是，其也具有在執(zhí)行自動(dòng)校正
前需要對(duì)檢測器信號(hào)進(jìn)行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)化的缺點(diǎn)。從模擬變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的檢測 器信號(hào)的量化過程導(dǎo)致信息丟失，從而導(dǎo)致緣于自動(dòng)校正過程的數(shù)據(jù)質(zhì)量的降 低。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，該裝置被配置為采用其它類型的弱信號(hào)恢復(fù)技 術(shù)，包括各種鎖定檢測技術(shù)。例如，可釆用標(biāo)準(zhǔn)多頻分析器，或者不與源相連 且獨(dú)立于源的自由運(yùn)行、高度可調(diào)的濾波器。也可采用上述零差技術(shù)，或者基 于軟件的信號(hào)閾值觸發(fā)及均化技術(shù)。
圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的概要圖，分析穿過在傳送帶192上的該裝置的 物體190。
根據(jù)第一實(shí)施例，該參考信號(hào)生成器110、參考信號(hào)放大器115和射線源 120在單殼體122中提供。類似地，射線檢測器125、射線檢測器信號(hào)放大器和 調(diào)諧器130以及信號(hào)處理模塊135也在單殼體127中提供。
圖1所述的裝置被設(shè)置為工作在傳輸模式。換句話說，設(shè)置該裝置以使得 將檢測器設(shè)置為檢測穿過帶檢測物體的電磁射線束。因此，該檢測器125在關(guān) 于源120的待測物體的相反側(cè)提供。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以設(shè)想對(duì)源120和檢測器125的相對(duì)位置的 不同設(shè)置。
在根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的裝置200中，該裝置被設(shè)置為工作在反射模式 (圖3)。換句話說，配置該裝置以使得檢測器被設(shè)置為檢測反射自待測物的電 磁射線束。
從而，參考信號(hào)生成器、參考信號(hào)放大器、射線源、射線檢測器、射線檢 測器信號(hào)放大及調(diào)諧器以及信號(hào)處理模塊可在單殼體222中提供。源和檢測器 被設(shè)置為位于待測物290的同一側(cè)。
更期望在一些實(shí)施例中，檢測器在待測樣本的兩側(cè)提供，允許執(zhí)行傳輸模 式或者反射模式中的一種或兩種模式。根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例(圖4)的裝置300為手持設(shè)備。該裝置300被設(shè) 置允許樣本插入到樣本槽380中。通過與本發(fā)明第一實(shí)施例相同的方式4丸行在 樣本槽380中對(duì)樣本的檢測。在手持設(shè)備形式的一些實(shí)施例中，該設(shè)備被配置 為工作于反射模式。
圖5 (a)示出通過根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的裝置獲得的食物樣本的一部分 的成像。圖5 (b)是對(duì)應(yīng)于圖5(a)包圍的區(qū)域的像素陣列的一部分的概要圖。 每個(gè)像素都對(duì)應(yīng)于檢測器125的檢測元件。覆蓋在每個(gè)像素上的是對(duì)應(yīng)于檢測 器元件生成的信號(hào)幅值的數(shù)字，該檢測器元件對(duì)應(yīng)于像素。
圖6 (a)示出由同樣的裝置獲得的多孔食物樣本的一部分的成像?？梢詮?圖6 (b)中看出，由^^測器元件生成的信號(hào)幅值通常高于在圖5所示的密度更 高的樣本的情況下的該幅值。這是因?yàn)閷?duì)于給定密度的樣本而言，在多孔樣本 的情況下，食物樣本由較小體積的食物材料組成，從而降低了射線信號(hào)可作用 的食物體積。工作于反射模式或者例如上文提到的反射模式變化的本發(fā)明的實(shí)施例，可 根據(jù)圖7的概要圖的設(shè)置來配置。在圖7的實(shí)施例中，可以看出采用由源220 生成的束的反射路徑長度來確定嵌入待測樣本290的矩陣296中的微粒295的 組成.
圖7的裝置被配置為利用具有空間上分離的檢測器元件226陣列的檢測器 225來確定被反射束的路徑長度。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的裝置不采用時(shí)間分辨技術(shù)以確定微粒的空間組成。 而是，本發(fā)明的實(shí)施例被配置為確定穿過樣本一部分的源信號(hào)的幅值變化。源 信號(hào)的幅值隨著穿過物體的信號(hào)路徑長度的增加而降低。
但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員更期望同樣可將時(shí)間分辨技術(shù)應(yīng)用于本發(fā)明的一些 實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的裝置可用于檢測包括有機(jī)材料和無機(jī)材料在內(nèi)的廣 泛的材料樣本，例如玻璃、塑料、木材、活組織及死組織、活器官及死器官以 及生物材料。
應(yīng)用包括在例如食物樣本的物體中檢測外來成分。也可檢測物體的特性， 例如多孔性，并且可以標(biāo)識(shí)樣本內(nèi)的密度變化。還可以實(shí)現(xiàn)確定例如食物樣品的物體品質(zhì)，例如小點(diǎn)心及其它食物，包括薯片、糕點(diǎn)、餅干及面包。
還可執(zhí)行對(duì)動(dòng)物體部分的檢測。在一些實(shí)施例中，該裝置被配置為測量骨 型，并提供動(dòng)物體內(nèi)一個(gè)或多個(gè)骨骼的成像。還可能執(zhí)行對(duì)骨裂的檢測，利用
本發(fā)明的實(shí)施例荻得的成像的質(zhì)量可與x射線成像技術(shù)媲美。例如，可以檢測
在指、臂、膝蓋、腿、胸、踝等位置的骨裂。
在工廠環(huán)境下，可檢測打包的商品以確定打包食品的特征，例如包含在包 中的食品數(shù)量、凈重、質(zhì)量以及是否存在給定類型的一種或多種污染。
實(shí)例1
圖8 (a)示出具有打印上的文字的紙張的待測物體的一部分。兩件塑料材 料制成的并且包含粉末物質(zhì)的包覆蓋在紙上。圖8 (b)示出在將紙塞入信封的 過程中被折疊一次后的紙。圖8 (c)示出封口后的信封。
圖8 (d)是利用根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的裝置獲得的圖8 (c)所示的樣本 的成像。盡管紙被封裝在光線不能穿透的信封內(nèi)，紙上的字符在成像中清晰可 見。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的裝置中，隨后利用進(jìn)一步的例如光符識(shí)別(OCR) 的成像處理技術(shù)處理產(chǎn)生的成像，以便將文本加入數(shù)據(jù)庫。
的實(shí)施例可應(yīng)用在郵局中，在其中可執(zhí)行對(duì)經(jīng)過郵局的郵件的掃描。
掃描郵件可包括檢索與機(jī)構(gòu)關(guān)注的活動(dòng)相關(guān)的關(guān)鍵詞，例如"炸彈"或"炭
疽"等。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的裝置可與現(xiàn)存被配置為掃描郵件地址及分類編碼信 息的系統(tǒng)相關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的裝置可用于在例如信封、手提包或行李箱的包裝中 識(shí)別是否存在例如非法藥品及其它例如彈藥等違禁物品的化學(xué)物質(zhì)，或者在人 或動(dòng)物體上執(zhí)行。
實(shí)例2
圖9 (a)示出在利用根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的裝置成像之前的牙齒。圖9 (b)示出以與圖9(a)的照片相同的觀察方向，對(duì)相同樣品的鎖定近紅外(NIR) 成像。圖9 (c)示出對(duì)應(yīng)的圖9 (b)生成的指紋圖。與牙齒的周圍部分相比具有較高對(duì)比度的區(qū)域A在MR成像中是明顯的。 此區(qū)域?qū)?yīng)于在參考信號(hào)和檢測器信號(hào)的幅值間的較低的差異。這表示區(qū)域A 對(duì)應(yīng)于較低密度的區(qū)域。還可看出，牙齒的牙釉和牙質(zhì)間的邊界B以相對(duì)較深 的顏色顯示。邊界區(qū)域也祐 i人為是具有相對(duì)較低密度的區(qū)域。
圖9 (d)是示出圖9 (a)中的牙齒的切斷面的照片?？梢钥闯?，牙齒中存 在空洞?？斩吹慕M成對(duì)應(yīng)于圖9 (b)和9 (c)中揭示的牙齒的相對(duì)較低密度的 區(qū)域的組成。
實(shí)例3
圖10 (a)是四件由包括金屬、塑料、棉花和木材在內(nèi)的一系列材料中的一 種組成的物體(筆蓋A、木棒上的棉簽B、文件夾C和手表電池D)的照片。 上述物體在封裝于圖10 (b)所示的紙盒內(nèi)之前示出。
圖10 (c)是利用根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例對(duì)上述物體的NIR成像。圖10 (d)用反向?qū)Ρ仁境鰣D10 (c)的成像。上述物體在圖10 (c)、 10 (d)的成像 中清晰可見。
可以看出，除了對(duì)金屬成像外，NIR成像能夠?qū)νǔ?duì)X射線透明的材料 進(jìn)行成像(例如塑料、木材及棉花)。
利用生成小于lmW能量的近紅外射線的NIR源獲得圖10 (c)的成像。 實(shí)例4
圖11 (a)是示出兩片痩肉(豬肉)的照片，其中一片上面覆蓋有照片中示 出的豬皮R。
圖11 (b)是拍攝壓在下層肉片上的上層肉片的照片。從而，豬皮R被加在 兩片肉的中間。
圖11 (c)是圖11 (b)示出的結(jié)構(gòu)的鎖定NIR成像?？梢詮某上裰星逦?看出豬皮的存在。豬皮所在的區(qū)域顯示為在參考信號(hào)和檢測器信號(hào)的幅值上具 有相對(duì)較大的差異。具有高脂肪含量的豬皮，與具有相對(duì)較低脂肪含量的樣本 部分相比，包含大量分散NIR信號(hào)的水分。
成像中還很明顯的是豬皮自身結(jié)構(gòu)上的變化。而且，豬肉樣本中比其它部 分更痩的那一部分也示出了與豬肉樣本的其它部分相比相反的變化，例如圖11 (c)中的區(qū)域P。實(shí)例5
圖12 (a)示出由HersheyTM公司生產(chǎn)的巧克力塊的MR成像。對(duì)應(yīng)于字符 "HERSHEY，S"，巧克力塊具有厚度上的變化。巧克力塊還包括嵌入其中的杏 仁。
根據(jù)第一實(shí)施例的裝置足夠敏感地區(qū)分對(duì)應(yīng)于字符"HERSHEY，S"的巧克 力塊的厚度變化。上述字母在成像中以深色字符在亮背景上顯示。字母"H"在 圖12 (a)中做了指示人眼觀測的標(biāo)簽。
嵌入巧克力塊中的杏仁在成像中也清晰可見。杏仁在圖12 (a)中以"N" 為標(biāo)簽。
通過對(duì)比的方法，圖12 (b)示出由兆赫茲(THz)成像系統(tǒng)獲得的相似的 Hershey巧克力塊的成像。該系統(tǒng)包括飛秒(femtosecond)脈沖激光兆赫茲源 (TeraHertz)和過冷檢測器。
在圖12(b)的成^(象中可以辨別巧克力塊中的杏仁及字母"HERSHE"。字 母"H "在圖12 (b)被做了指示人眼觀測的標(biāo)簽，杏仁做了 "N，，的標(biāo)簽。
應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的裝置與用于獲得圖12(b)的成像與 兆赫茲(THz)成像系統(tǒng)相比具有大約數(shù)以千份的倍數(shù)范圍計(jì)算(three orders of magnitude)的較低的成本或者是兆赫茲(THz)成像系統(tǒng)的數(shù)以千份之一的成本。 而且，根據(jù)第一實(shí)施例的裝置在體積上要小數(shù)百倍且以較低的成本維護(hù)。
本發(fā)明的一些實(shí)施例具有不需要例如鏡頭這樣的光學(xué)元件的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)一 些實(shí)施例，這具有降低系統(tǒng)構(gòu)造成本的優(yōu)點(diǎn)。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的裝置中，將源設(shè)置為發(fā)射多種波長的NIR射線。 類似地將源設(shè)置為檢測多種波長的NIR射線以及測量一系列波長中給定波長的 射線密度。
根據(jù)一些實(shí)施例的裝置提供有電控濾波器元件。將該電控濾波器元件設(shè)置 為允許用戶控制可以進(jìn)入裝置的檢測器內(nèi)的射線波長。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，采用被配置為發(fā)射一系列NIR射線波長的源。 在本發(fā)明的實(shí)施例中，系統(tǒng)被配置為通過改變由一個(gè)或多個(gè)與檢測器相關(guān) 的濾波器元件傳輸?shù)纳渚€的波長，記錄由檢測器檢測到的信號(hào)的幅值，作為波 長函數(shù)。在一些實(shí)施例中， 一個(gè)或者多個(gè)過濾器元件與源相關(guān)，而不是與檢測器相關(guān)，或者除了與檢測器相關(guān)外還與源相關(guān)。
在一些實(shí)施例中，提供多個(gè)具有不同的各個(gè)濾波器的;f全測器，以使得對(duì)NIR 射線的不同波長進(jìn)行同時(shí)的或近似同時(shí)的檢測。在這些實(shí)施例中，使用被配置 為發(fā)射一系列波長或者多個(gè)波長的射線的源。這樣的實(shí)施例具有物體成像速度 更快的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)分析以一定速度在傳送帶上運(yùn)動(dòng)的物體或者成像活動(dòng)物體時(shí)， 成像速度就變得尤為重要。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，將源配置為在樣本的一部分上掃描束。該束可 以是點(diǎn)、線或者廣闊區(qū)域束的形式?？赏ㄟ^柱狀透鏡或者樣品一部分上的線掃 描的方式生成線源。
更期望本發(fā)明的實(shí)施例可以用在比那些飛行分析系統(tǒng)中使用的調(diào)制頻率低 很多的調(diào)制頻率。
通過說明書的描述及權(quán)利要求，詞語"包括"及"包含"以及其變形，都 意味著"包括但不限于"，并且并非排除其它部分、附加物、組件或步驟。
通過說明書的描述及權(quán)利要求，單數(shù)的表達(dá)包括了多數(shù)的表達(dá)，除非上下 文中明確指出。尤其是，在使用不確定的物體的情況下，除非上下文中明確指 出，應(yīng)當(dāng)理解說明書既涵蓋了單數(shù)也涵蓋了多數(shù)。
應(yīng)當(dāng)理解，除非彼此不相容，與本發(fā)明的特定方面、實(shí)施例或示例結(jié)合描 述的特征、整體/整數(shù)、特性、組分、化學(xué)成分或組成適用于這里描述的任何其 它方面、實(shí)施例或示例。
權(quán)利要求
1、一種用于探查物體的裝置，包括控制器，配置為生成具有周期幅值變化的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；源，可由控制器操作以發(fā)射源束，從而照射物體，所述源束包括具有周期幅值變化的電磁射線束，其周期幅值變化響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期幅值變化；檢測器，被配置為檢測已經(jīng)被射出穿過至少物體的一部分的源束的一部分，并生成響應(yīng)于所述源束的所述部分的幅值變化而具有幅值變化的檢測器信號(hào)；所述控制器被進(jìn)一步配置為響應(yīng)于檢測器信號(hào)和參考信號(hào)間幅值的不同，而生成不同的值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述參考信號(hào)是具有與所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同 頻率的周期信號(hào)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2的裝置，被配置為實(shí)現(xiàn)所述參考信號(hào)和所述檢測器 信號(hào)間的零差功能，從而生成差異值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3的裝置，其中所述參考信號(hào)對(duì)應(yīng)于所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中參考信號(hào)是具有不同于所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻 率的周期參考信號(hào)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，被配置為實(shí)現(xiàn)所述參考信號(hào)和所述檢測器信號(hào) 間的外差功能，從而生成差異值。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任一權(quán)利要求的裝置，-波配置為實(shí)現(xiàn)在所述參考 信號(hào)和所述檢測器信號(hào)間的自動(dòng)校正功能，從而生成差異值。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任一權(quán)利要求的裝置，；故配置為實(shí)現(xiàn)在所述參考 信號(hào)和所述接收的信號(hào)間的鎖定檢測功能，從而生成差異值。
9、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，其中所述電磁射線束為具有 700至2000證范圍內(nèi)波長的電》茲射線。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中電磁射線束為具有700至1000nm范圍內(nèi)波長的電磁射線。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中電磁射線束為具有800至900nm范圍內(nèi) 波長的電磁射線。
12、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，其中所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)和所述 參考信號(hào)的周期幅值變化為方波信號(hào)。
13、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，其中所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)和所述 參考信號(hào)的周期幅值變化為正弦波信號(hào)。
14、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，可操作以根據(jù)所述待測物 體移動(dòng)所述檢測器。
15、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，可操作以根據(jù)所述檢測器 移動(dòng)所迷待測物體。
16、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，其中所述檢測器包括光電 探測器元件。
17、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，其中所述檢測器包括光電 探測器元件陣列。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其中所述陣列是線性陣列。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其中所述陣列是平面陣列。
20、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，被配置為工作于傳輸模式， 所迷檢測器被設(shè)置為檢測從待測物體的一邊穿過至另一邊的電磁射線束，在與 提供源的 一側(cè)相對(duì)的物體一側(cè)提供該檢測器。
21、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，被配置為工作于反射模式， 所迷檢測器被設(shè)置為檢測被待測物反射的電磁射線束，在與源同側(cè)的物體一側(cè) 提供該檢測器。
22、 根據(jù)權(quán)利要求1-21中的任一權(quán)利要求的裝置，可配置為工作于反射模 式或者傳輸模式的 一種或兩種。
23、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，其中所述源被配置為發(fā)射一系列波長或者多種波長的電磁射線。
24、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，其中所述檢測器被配置為 檢測一 系列波長或者多種波長的電磁射線。
25、 根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，其中所述檢測器包括可調(diào)濾波器。
26、 根據(jù)權(quán)利要求24或25的裝置，包括多個(gè)檢測器，所述多個(gè)檢測器中 的每一個(gè)被配置為檢測各個(gè)不同的波長。
27、 根據(jù)權(quán)利要求24-26中的任一權(quán)利要求的裝置，其中所述波長中的至少 一個(gè)為樣本的特征吸收波長。
28、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，其中所述檢測器和所述源 中的至少一個(gè)包括光纖線纜。
29、 根據(jù)權(quán)利要求28的裝置，其中向所述源提供光纖線纜，所迷線纜被設(shè) 置為將所述電;茲射線束引導(dǎo)至待測物體上。
30、 根據(jù)權(quán)利要求28或29的裝置，其中向所述檢測器提供光纖線纜，所 述光纖線纜被設(shè)置為將來自樣本的電磁射線引導(dǎo)至所述檢測器上。
31、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，其中所述參考信號(hào)的幅值 響應(yīng)于所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值。
32、 一種探查物體的方法，包括步驟 生成具有周期幅值變化的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的所述變化，生成具有周期幅值變化的電磁射線源束； 所述源束的一部分穿過待測物體的至少一部分，至^r測器； 響應(yīng)于傳輸至該檢測器的源束的一部分的幅值變化，生成具有幅值變化的 檢測器信號(hào)；響應(yīng)于^r測器信號(hào)和參考信號(hào)間的幅值差異，生成差異值。
33、 根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中所述電磁射線束為具有700至2000nm 范圍內(nèi)波長的電磁射線。
34、 根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中所述電磁射線束為具有700至1000nm范圍內(nèi)波長的電,茲射線。
35、 上文中提到的裝置結(jié)合附圖被描述。
36、 上文中提到的方法結(jié)合附圖被描述。
全文摘要
一種用于探查物體的裝置，包括控制器，配置為生成具有周期幅值變化的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；源，可由控制器操作以發(fā)射源束，從而照射物體，所述源束包括具有周期幅值變化的電磁射線束，其周期幅值變化響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期幅值變化；檢測器，被配置為檢測已經(jīng)被射出穿過至少物體的一部分的源束的一部分，并生成響應(yīng)于所述源束的所述部分的幅值變化而具有幅值變化的檢測器信號(hào)；所述控制器被進(jìn)一步配置為響應(yīng)于檢測器信號(hào)和參考信號(hào)間幅值的不同，而生成不同的值。
文檔編號(hào)G01N21/47GK101479594SQ200780024348
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2007年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月28日
發(fā)明者D·亞瑟·郝琴, G·格雷厄姆·戴蒙, 甘泰衡 申請(qǐng)人:華威大學(xué)