基於逐點掃描的太赫茲透射式全息成像系統及成像方法與流程

2023-04-27 09:35:36 6

本發明屬於成像方法與成像系統技術領域，涉及一種基於太赫茲波空間逐點掃描的成像系統及全息成像方法。

背景技術：

基於面陣探測器的太赫茲實時成像技術在動態成像上具有重要意義，但是與單點探測相比，面陣成像作用到物體的太赫茲波功率密度低，同時受限於當前太赫茲陣列探測器靈敏度和動態範圍的問題，導致其信噪比較低，成像質量較差，因此基於掃描的成像方式在目前的太赫茲成像實際應用中依然佔據著主要地位。然而，傳統的連續太赫茲波共焦掃描方式只能獲得強度成像，不能得到相襯圖像，從而無法獲得物光場的全部信息。尤其是對於弱吸收成像目標，如生物切片，其強度成像對比度低，相位信息能夠更好的體現其組織結構差異。

技術實現要素：

本發明的目的在於：針對傳統連續太赫茲波共焦掃描成像中存在的相位信息缺失的問題，提出一種基於逐點掃描的太赫茲透射式全息成像系統及成像方法。

本發明採用的技術方案如下：

一種基於逐點掃描的太赫茲透射式全息成像系統，包括太赫茲波光源、第一分束片、第二分束片、第三分束片、聚焦掃描裝置、參考裝置以及相干探測裝置，所述參考裝置包括一維電動平移臺以及放置在一維電動平移臺上的第二平面反射鏡，所述第二平面反射鏡在一維電動平移臺上可沿z軸方向平移；所述太赫茲波光源產生的平行太赫茲波光束達到第一分束片，一部分太赫茲波光束在第一分束片上產生反射後進入聚焦掃描裝置並聚焦至聚焦掃描裝置的成像目標上，在成像目標上產生透射後達到第三分束片形成物光；一部分太赫茲波光束依次在第一分束片、第二分束片上產生透射後入射至第二平面反射鏡，並依次經第二平面反射鏡、第二分束片反射達到第三分束片形成參考光；所述物光與參考光進入相干探測裝置並被相干探測裝置的太赫茲探測器記錄。

其中，所述太赫茲波光源包括太赫茲波雷射器、第一離軸拋物面鏡、第二離軸拋物面鏡，所述太赫茲波雷射器輸出的太赫茲波光束依次經第一離軸拋物面鏡、第二離軸拋物面鏡後形成平行太赫茲波光束並達到第一分束片。

其中，所述聚焦掃描裝置包括第三離軸拋物面鏡、成像目標、二維電動平移臺、第五離軸拋物面鏡、第一平面反射鏡，所述成像目標放置在二維電動平移臺上，且所述成像目標在二維電動平移臺上可沿x軸、y軸方向平移；經第一分束片反射後的太赫茲波光束依次進入第三離軸拋物面鏡、成像目標，並聚焦至成像目標上，成像目標透射的太赫茲波光束依次經第五離軸拋物面鏡、第一平面反射鏡反射後達到第三分束片形成物光。

其中，所述相干探測裝置包括第四離軸拋物面鏡、太赫茲探測器，所述物光與參考光一起經第四離軸拋物面鏡反射後進入太赫茲探測器被記錄。

其中，所述太赫茲波雷射器輸出的太赫茲波為點頻連續波。

其中，所述太赫茲探測器為單點探測器。

一種基於逐點掃描的太赫茲透射式全息成像方法，包括成像裝置，所述成像裝置包括太赫茲波光源、第一分束片、第二分束片、第三分束片、聚焦掃描裝置、參考裝置以及相干探測裝置，所述參考裝置包括一維電動平移臺以及放置在一維電動平移臺上的第二平面反射鏡，所述第二平面反射鏡在一維電動平移臺上可沿z軸方向平移；所述太赫茲波光源產生的平行太赫茲波光束達到第一分束片，一部分太赫茲波光束在第一分束片上產生反射後進入聚焦掃描裝置並聚焦至聚焦掃描裝置的成像目標上，在成像目標上產生透射後達到第三分束片形成物光；一部分太赫茲波光束依次在第一分束片、第二分束片上產生透射後入射至第二平面反射鏡，並依次經第二平面反射鏡、第二分束片反射達到第三分束片形成參考光；所述物光與參考光進入相干探測裝置並被相干探測裝置的太赫茲探測器記錄；

採用該成像裝置進行成像的步驟為：

步驟一、記錄第二平面反射鏡在z軸上的初始位置為z0；設置二維電動平移臺在x方向和y方向上的移動步長分別為△x和△y；

步驟二、控制二維電動平移臺在x和y方向上移動成像目標，移動後的成像目標坐標記為(xi,yj)(i,j＝1…n)；每次移動後，控制一維電動平移臺在z軸上相對於初始位置z0移動第二平面反射鏡，移動距離為：

其中，α和β為合成平面參考光與x軸和y軸的夾角；然後記錄太赫茲探測器的值，作為全息圖h(i，j)的值，掃描完成後即獲得全息圖h；

步驟三、根據合成平面參考光與x軸和y軸的夾角α和β，數字合成平面參考光復振幅圖像，其每點值為：

其中，λ為太赫茲波雷射器輸出的太赫茲波的波長；

步驟四、對步驟二中獲得的全息圖h以及步驟三中獲得的合成平面參考光r採用離軸數字全息圖像再現的方法獲得復振幅再現結果。

其中，所述太赫茲波光源包括太赫茲波雷射器、第一離軸拋物面鏡、第二離軸拋物面鏡，所述太赫茲波雷射器輸出的太赫茲波光束依次經第一離軸拋物面鏡、第二離軸拋物面鏡後形成平行太赫茲波光束並達到第一分束片。

其中，所述聚焦掃描裝置包括第三離軸拋物面鏡、成像目標、二維電動平移臺、第五離軸拋物面鏡、第一平面反射鏡，所述成像目標放置在二維電動平移臺上，且所述成像目標在二維電動平移臺上可沿x軸、y軸方向平移；經第一分束片反射後的太赫茲波光束依次進入第三離軸拋物面鏡、成像目標，並聚焦至成像目標上，成像目標透射的太赫茲波光束依次經第五離軸拋物面鏡、第一平面反射鏡反射後達到第三分束片形成物光。

其中，所述相干探測裝置包括第四離軸拋物面鏡、太赫茲探測器，所述物光與參考光一起經第四離軸拋物面鏡反射後進入太赫茲探測器被記錄。

綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是：

1、本發明中，通過在共焦掃描成像結構上引入動態改變相位的合成平面參考光，將連續太赫茲波共焦掃描成像與全息技術進行結合，通過太赫茲單點探測器獲得高信噪比的像面全息圖，利用傅立葉濾波再現技術獲得復振幅成像結果，從而解決了傳統連續太赫茲波共焦掃描成像中相位信息缺失的問題；並且該技術方案僅需要常規反射和分束元件，無需透鏡，光路結構簡單緊湊，非常適合太赫茲波空氣中易衰減、元器件不豐富的現狀；該系統基於空間掃描和高信噪比的太赫茲單點探測器，成像物體尺寸和成像視場不受限制，成像結果信噪比高，在生物醫學、無損檢測等領域具有潛在的應用價值。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖中標記：1-太赫茲波雷射器、2-第一離軸拋物面鏡、3-第二離軸拋物面鏡、4-第一分束片、5-第三離軸拋物面鏡、6-成像目標、7-二維電動平移臺、8-第五離軸拋物面鏡、9-第一平面反射鏡、10-第三分束片、11-第二分束片、12-第二平面反射鏡、13-一維電動平移臺、14-第四離軸拋物面鏡、15-太赫茲探測器。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

一種基於逐點掃描的太赫茲透射式全息成像系統，該太赫茲透射式全息成像系統在共焦掃描結構的基礎上，引入參考光，通過在成像目標6空間掃描過程中利用一維電動平移臺13動態移動第二平面反射鏡12改變參考光相位，等效於合成了一束平面參考光(即為合成平面參考光)，採用太赫茲單點探測器逐點採集數據，形成像面全息圖，然後利用傅立葉濾波方法對成像目標6實現復振幅再現。這種成像技術的關鍵在於根據擬合成平面光的角度，針對每一個成像掃描點，動態改變參考光光程，從而達到合成平面參考光的目的。

該太赫茲透射式全息成像系統包括有太赫茲波光源、第一分束片4、第二分束片11、第三分束片10、聚焦掃描裝置、參考裝置以及相干探測裝置，該參考裝置包括一維電動平移臺13和第二平面反射鏡12，該第二平面反射鏡12放置在一維電動平移臺13上，且該第二平面反射鏡12可在一維電動平移臺13上沿如圖1中所示的z軸方向平移。該太赫茲波光源可產生平行太赫茲波，該太赫茲波光源產生的平行太赫茲波達到第一分束片4，該平行太赫茲波在第一分束片4上可分成兩束。一部分太赫茲波光束在第一分束片4上產生反射後進入聚焦掃描裝置內，並最終將太赫茲波聚焦到聚焦掃描裝置的成像目標6上，然後太赫茲波在成像目標6上產生透射後到達第三分束片10形成物光。一部分太赫茲波光束依次在第一分束片4、第二分束片11上產生透射後垂直入射至第二平面反射鏡12，並在第二平面反射鏡12上產生發射後再經第二平面反射鏡12反射到達第三分束片10形成參考光。然後，參考光在第三分束片10上產生反射後隨透過第三分束片10的物光一起進入相干探測裝置，產生幹涉，並最終被相干探測裝置內的太赫茲探測器15記錄。

該太赫茲波光源包括太赫茲波雷射器1、第一離軸拋物面鏡2、第二離軸拋物面鏡3，該太赫茲波雷射器1輸出的太赫茲波光束依次經第一離軸拋物面鏡2、第二離軸拋物面鏡3後形成平行太赫茲波光束並達到第一分束片4。

該聚焦掃描裝置包括第三離軸拋物面鏡5、成像目標6、二維電動平移臺7、第五離軸拋物面鏡8、第一平面反射鏡9，該成像目標6放置在二維電動平移臺7上，且該成像目標6在二維電動平移臺7上可沿如圖1中所示的x軸、y軸方向平移。該成像目標6可單獨沿x軸方向移動，可單獨沿y軸方向移動，也可沿x軸、y軸的複合方向移動。經第一分束片4反射後的太赫茲波光束依次進入第三離軸拋物面鏡5、成像目標6，並聚焦至成像目標6上，成像目標6透射的太赫茲波光束依次經第五離軸拋物面鏡8、第一平面反射鏡9反射後達到第三分束片10形成物光。

該相干探測裝置包括第四離軸拋物面鏡14、太赫茲探測器15，該物光與參考光一起經第四離軸拋物面鏡14反射後進入太赫茲探測器15被記錄。

該太赫茲波雷射器1輸出的太赫茲波為點頻連續波，且該太赫茲波雷射器1輸出的太赫茲波光束的中心頻率可為1.63thz、2.52thz或3.11thz。

此外，該二維電動平移臺7、一維電動平移臺13、太赫茲探測器15均分別與計算機電連接。

該太赫茲探測器15為高萊單點探測器。

工作時，太赫茲波雷射器1輸出的太赫茲波光束依次經第一離軸拋物面鏡2、第二離軸拋物面鏡3後形成平行太赫茲波光束達到第一分束片4，其中一部分太赫茲波經第一分束片4反射進入第三離軸拋物面鏡5，聚焦至成像目標6，由成像目標6反射的信號經過第五離軸拋物面鏡8、第一平面反射鏡9反射並透過第三分束片10，這一部分太赫茲波稱為物光；另一部分太赫茲波透過第一分束片4、第二分束片11後垂直入射第二平面反射鏡12，經第二平面反射鏡12、第二分束片11反射後入射至第三分束片10，這一部分稱為參考光；經第三分束片10透射後的物光、經第三分束片10反射後的參考光一起經過第四離軸拋物面鏡14進入相干探測裝置並最終被太赫茲探測器15記錄。在工作時，通過二維電動平移臺7控制成像目標6的位置，從而可採集成像目標6上不同位置點的信息；然後在通過二維電動平移臺7調整成像目標6的位置時，一維電動平移臺13也將平移第二平面反射鏡12，使得成像目標6的每個位置點對應的參考光具有相位差，從而解決傳統連續太赫茲波共焦掃描成像中相位信息缺失的問題，最終成像結果信噪比高。

一種基於逐點掃描的太赫茲透射式全息成像方法，該成像方法採用上述的成像系統進行成像。

本實施例中，選取金屬成像目標6上刻蝕的復振幅圖案為成像目標6；掃描以成像目標6左上角開始為起點，橫向優先，掃描至右下角結束；具體成像過程包括如下步驟：

步驟一、記錄第二平面反射鏡12在一維電動平移臺13上的初始位置為z0；設置二維電動平移臺7在x方向和y方向上的移動步長△x和△y，本實施例中均設定為50um；

步驟二、控制二維電動平移臺7在x和y方向上移動成像目標6，移動後的成像目標6坐標記為(xi,yj)(i,j＝1…n)；每次移動後，控制一維電動平移臺13在z軸上相對於初始位置z0移動第二平面反射鏡12，移動距離為：

其中，α和β為合成平面參考光與x軸和y軸的夾角，實驗中設定α為45度，β為90度；然後記錄太赫茲探測器15的值，作為全息圖h(i，j)的值，掃描完成後即獲得全息圖h；，其中，該合成平面參考光為：通過在成像目標6空間掃描過程中利用一維電動平移臺13動態移動第二平面反射鏡12改變參考光相位，等效於合成了一束合成平面參考光。

步驟三、根據合成平面參考光與x軸和y軸的夾角α和β，數字合成平面參考光復振幅圖像，其每點值為：

其中，該常數k為虛數，λ為太赫茲透射式全息成像系統的太赫茲波雷射器1輸出的太赫茲波的波長；

步驟四、對步驟二中獲得的全息圖h以及步驟三中獲得的合成平面參考光r採用離軸數字全息圖像再現的方法獲得復振幅再現結果。該離軸數字全息圖像再現的方法主要為：對步驟二獲得的像面全息圖h進行傅立葉變換並濾掉零級像和共軛像頻譜，然後反傅立葉變換，其結果與步驟三合成平面參考光r相乘即可獲得復振幅再現結果。

優選，該成像目標6垂直於z軸，合成平面參考光與x軸和y軸的夾角α和β根據成像目標6頻譜範圍，取值範圍為[0,π/2]

實施例1

一種基於逐點掃描的太赫茲透射式全息成像系統，其包括有太赫茲波光源、第一分束片4、第二分束片11、第三分束片10、聚焦掃描裝置、參考裝置以及相干探測裝置，該參考裝置包括一維電動平移臺13和第二平面反射鏡12，該第二平面反射鏡12放置在一維電動平移臺13上，且該第二平面反射鏡12可在一維電動平移臺13上沿如圖1中所示的z軸方向平移。該太赫茲波光源可產生平行太赫茲波，該太赫茲波光源產生的平行太赫茲波達到第一分束片4，該平行太赫茲波在第一分束片4上可分成兩束。一部分太赫茲波光束在第一分束片4上產生反射後進入聚焦掃描裝置內，並最終將太赫茲波聚焦到聚焦掃描裝置的成像目標6上，然後太赫茲波在成像目標6上產生透射後到達第三分束片10形成物光。一部分太赫茲波光束依次在第一分束片4、第二分束片11上產生透射後垂直入射至第二平面反射鏡12，並在第二平面反射鏡12上產生發射後再經第二平面反射鏡12反射到達第三分束片10形成參考光。然後，參考光在第三分束片10上產生反射後隨透過第三分束片10的物光一起進入相干探測裝置，產生幹涉，並最終被相干探測裝置內的太赫茲探測器15記錄。

實施例2

在實施例一的基礎上，該太赫茲波光源包括太赫茲波雷射器1、第一離軸拋物面鏡2、第二離軸拋物面鏡3，該太赫茲波雷射器1輸出的太赫茲波光束依次經第一離軸拋物面鏡2、第二離軸拋物面鏡3後形成平行太赫茲波光束並達到第一分束片4。

實施例3

在實施例一或實施例二的基礎上，該聚焦掃描裝置包括第三離軸拋物面鏡5、成像目標6、二維電動平移臺7、第五離軸拋物面鏡8、第一平面反射鏡9，該成像目標6放置在二維電動平移臺7上，且該成像目標6在二維電動平移臺7上可沿如圖1中所示的x軸、y軸方向平移。該成像目標6可單獨沿x軸方向移動，可單獨沿y軸方向移動，也可沿x軸、y軸的複合方向移動。經第一分束片4反射後的太赫茲波光束依次進入第三離軸拋物面鏡5、成像目標6，並聚焦至成像目標6上，成像目標6透射的太赫茲波光束依次經第五離軸拋物面鏡8、第一平面反射鏡9反射後達到第三分束片10形成物光。

實施例4

在上述實施例的基礎上，該相干探測裝置包括第四離軸拋物面鏡14、太赫茲探測器15，該物光與參考光一起經第四離軸拋物面鏡14反射後進入太赫茲探測器15被記錄。

實施例5

在上述實施例的基礎上，該太赫茲波雷射器1輸出的太赫茲波為點頻連續波，且該太赫茲波雷射器1輸出的太赫茲波光束的中心頻率可為1.63thz、2.52thz或3.11thz。

實施例6

在上述實施例的基礎上，該太赫茲探測器15為單點探測器。

實施例7

一種基於逐點掃描的太赫茲透射式全息成像方法，包括有成像裝置，採用特定的成像裝置進行全息成像。

該成像裝置包括有太赫茲波光源、第一分束片4、第二分束片11、第三分束片10、聚焦掃描裝置、參考裝置以及相干探測裝置，該參考裝置包括一維電動平移臺13和第二平面反射鏡12，該第二平面反射鏡12放置在一維電動平移臺13上，且該第二平面反射鏡12可在一維電動平移臺13上沿如圖1中所示的z軸方向平移。該太赫茲波光源可產生平行太赫茲波，該太赫茲波光源產生的平行太赫茲波達到第一分束片4，該平行太赫茲波在第一分束片4上可分成兩束。一部分太赫茲波光束在第一分束片4上產生反射後進入聚焦掃描裝置內，並最終將太赫茲波聚焦到聚焦掃描裝置的成像目標6上，然後太赫茲波在成像目標6上產生透射後到達第三分束片10形成物光。一部分太赫茲波光束依次在第一分束片4、第二分束片11上產生透射後垂直入射至第二平面反射鏡12，並在第二平面反射鏡12上產生發射後再經第二平面反射鏡12反射到達第三分束片10形成參考光。然後，參考光在第三分束片10上產生反射後隨透過第三分束片10的物光一起進入相干探測裝置，產生幹涉，並最終被相干探測裝置內的太赫茲探測器15記錄。

採用該成像裝置進行成像的步驟為：

步驟一、記錄太赫茲透射式全息成像系統的第二平面反射鏡12在z軸上的初始位置為z0；設置太赫茲透射式全息成像系統的二維電動平移臺7在x方向和y方向上的移動步長分別為△x和△y；

步驟二、控制二維電動平移臺7在x和y方向上移動太赫茲透射式全息成像系統的成像目標6，移動後的成像目標6坐標記為(xi,yj)(i,j＝1…n)；每次移動後，控制太赫茲透射式全息成像系統的一維電動平移臺13在z軸上相對於初始位置z0移動太赫茲透射式全息成像系統的第二平面反射鏡12，移動距離為：

其中，α和β為合成平面參考光與x軸和y軸的夾角；然後記錄太赫茲透射式全息成像系統的太赫茲探測器15的值，作為全息圖h(i，j)的值，掃描完成後即獲得全息圖h；

步驟三、根據合成平面參考光與x軸和y軸的夾角α和β，數字合成平面參考光復振幅圖像，其每點值為：

其中，λ為太赫茲透射式全息成像系統的太赫茲波雷射器1輸出的太赫茲波的波長；

步驟四、對步驟二獲得的全息圖h進行傅立葉變換並濾掉零級像和共軛像頻譜，然後反傅立葉變，其結果與步驟三合成平面參考光r相乘換即可獲得復振幅再現結果。

實施例8

在實施例七的基礎上，該太赫茲透射式全息成像系統採用實施例二至實施例六中任一項所述的成像系統。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。