基於旋轉圓盤狀掩模板的太赫茲波壓縮感知快速成像裝置的製作方法

2023-12-09 14:33:16

本實用新型涉及太赫茲波成像領域，尤其涉及一種基於旋轉圓盤狀掩模板的太赫茲波壓縮感知快速成像裝置。

背景技術：

太赫茲(terahertz,簡稱THz)波通常是指頻率在0.1～10THz(波長在0.03～3mm)波段的電磁波。太赫茲波作為一種具備獨特優點的輻射源，具有重要的科學意義和極大的研究價值。

太赫茲成像技術最早由Hu和Nuss在1995年實現。長時間以來，太赫茲成像系統大多採用逐點掃描成像或陣列成像的方式，但是這兩種方式具有成像速度較慢或靈敏度較低等缺點。而近年來，提出了一種基於壓縮感知的太赫茲成像手段，改善了逐點掃描成像與陣列成像的缺陷。所謂壓縮感知，即是一種充分利用信號稀疏性或可壓縮性的全新信號採集、編解碼理論，能夠在採樣率遠小於香農-奈奎斯特採樣定理下實現信號的採樣得到壓縮樣本，然後在數位訊號處理中採用優化方法處理壓縮樣本。對樣本進行恢復時，所需的優化算法常常是計算一個已知信號稀疏的欠定線性逆問題。

這種基於壓縮感知的太赫茲成像系統通過對光源產生的太赫茲光進行均勻化並使之覆蓋成像物體，隨後利用調製矩陣對攜帶了成像物體信息的透射光進行調製，使調製光束經過拋物面鏡匯聚於焦點並被太赫茲探測器接收測量。具體實現時，可以通過調整DMD(數字微鏡裝置)器件、更換不同掩模板或平動掩模板等多種方式產生不同的調製矩陣進而得到多組調製數據，最後將其輸入壓縮感知恢復算法重建成像物體的圖像。

不難看出，對於不停更換掩模板和不斷調整DMD(數字微鏡裝置)的方式，其系統的成像速度和成像質量均不理想；而平動一整塊較大矩形掩模板的方式，一方面，通過橫向位移平臺帶動掩模板平移，雖然使得成像速度有所提升但依舊較慢；另一方面，其體積較大，且能夠設計填充並用於調製的矩陣數量極為有限。因此，當前需要一種能夠避免或減小上述缺陷的壓縮感知成像裝置。

技術實現要素：

本實用新型提供了一種基於旋轉圓盤狀掩模板的太赫茲波壓縮感知快速成像裝置，本實用新型克服了現有裝置的不足，在太赫茲波壓縮感知成像的調製階段可以較大程度提高太赫茲壓縮感知的採樣效率與速度，即實現更快速的成像，詳見下文描述：

一種基於旋轉圓盤狀掩模板的太赫茲波壓縮感知快速成像裝置，包括：掩模板，用於實現太赫茲波透射，所述掩模板的外形為圓盤狀，掩模板內的掩模矩陣為利用金屬薄片製成的包含[0,1]的二值託普利茨矩陣，其中「1」對應鏤空的方孔，「0」對應非鏤空方孔；

所述掩模板與成像物體在光路中平行放置，攜帶了成像物體信息的太赫茲波經過圓盤掩模板上的調製窗口後實現透射調製；

太赫茲波拋物面鏡將透射光匯聚於焦點，一個太赫茲探測器探測其強度。

其中，鏤空的方孔用於實現對太赫茲波的較高透射，透射輻射由太赫茲波拋物面鏡匯聚到太赫茲波探測器。

本實用新型提供的技術方案的有益效果是：

1、相比於其他類型的掩模板，旋轉式的圓盤掩模板通過旋轉一個極小角度就可以進行一次調製，並且旋轉速度與太赫茲脈衝重複頻率相匹配，可以實現連續旋轉測量，故其所需要的時間較短，速度更快，能夠實現快速成像；

2、該旋轉式圓盤掩模板使用託普利茨矩陣代替目前普遍使用的高斯隨機矩陣，對攜帶了成像物體信息的光線調製效果較好，可以獲得更高的成像質量；

3、相較於現階段的其他類型掩模板，圓盤式掩模板能夠容納更多的調製矩陣，實現更多、更高效的太赫茲波調製，並且體積相對較小。

4、對於成像物體的尺寸選擇更為靈活，且價格低廉，適用範圍更廣。

附圖說明

圖1為基於旋轉圓盤狀掩模板的太赫茲波壓縮感知快速成像裝置的結構示意圖；

圖2為圓盤掩模板的矩陣分布示意圖；

圖3為圓盤式掩模板調製窗口的放大結構示意圖。

附圖中，各部件表示的列表如下：

1：太赫茲源； 2：擴束系統；

3：成像物體(以鏤空『H』為例)； 4：圓盤掩模板；

5：調製窗口； 6：旋轉電機；

7：太赫茲波拋物面鏡； 8：太赫茲探測器。

其中，圓盤掩模板4可以通過中心處的旋轉電機 6帶動旋轉，旋轉速度與太赫茲脈衝的重複頻率相匹配。此外，調製矩陣為託普利茨矩陣。

圖2中，調製窗口5中的掩模板標「1」的部分表示太赫茲波可以透過，即鏤空部分，透射的輻射由太赫茲波拋物面鏡7匯聚到太赫茲波探測器8。

調製窗口5中的掩模板標「0」的部分表示太赫茲波無法透過或透射極小，即非鏤空部分，太赫茲探測器8基本探測不到透過該點處的透射輻射。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本實用新型實施方式作進一步地詳細描述。

實施例1

一種基於旋轉圓盤狀掩模板的太赫茲波壓縮感知快速成像裝置，參見圖1，主要包含了：

能夠實現太赫茲波透射的掩模板4，且其外形為圓盤狀。

參見圖2，掩模板4內的掩模矩陣為利用金屬薄片製成的包含[0,1]的二值託普利茨矩陣，其中「1」對應鏤空的方孔，「0」對應非鏤空方孔。

掩模板4與成像物體3在光路中放置保持平行，使攜帶了成像物體3信息的太赫茲波經過圓盤掩模板4上的調製窗口5後實現透射調製。

使用一個太赫茲波拋物面鏡7將透射光匯聚於焦點，並使用一個太赫茲探測器8探測其強度。

連續旋轉圓盤掩模板4測得多組數據，將其輸入壓縮感知恢復程序即可得到重建圖像。

其中，二值託普利茨矩陣為本領域技術人員所公知，本實用新型實施例僅是在圓盤掩模板4中使用了利用金屬薄片製成的公知的二值託普利茨矩陣，並沒對二值託普利茨矩陣本身做任何改進。

具體實現時，後續的將多組數據輸入壓縮感知恢復程序即可得到重建圖像的處理步驟，為本領域技術人員所公知，本實用新型實施例並未對所涉及的軟體部分做任何改進，只是運用了已有的計算軟體。

綜上所述，本實用新型實施例提供的基於旋轉圓盤狀掩模板的太赫茲波壓縮感知快速成像裝置，能夠在太赫茲波壓縮感知成像的調製階段極大提高太赫茲壓縮感知的採樣效率與速度，即實現更快速的成像。

實施例2

下面結合圖1至圖3對實施例1中的方案進行詳細介紹，詳見下文描述：

參照圖1，一種基於旋轉圓盤狀掩模板的太赫茲波壓縮感知快速成像裝置，主要包括：可以實現部分透射的圓盤掩模板4、設置在圓盤掩模板4上的調製窗口5、太赫茲波拋物面鏡7以及太赫茲波探測器8。

其中，圓盤掩模板4可以通過中心處的旋轉電機6帶動旋轉，調製矩陣為託普利茨矩陣。太赫茲波拋物面鏡7設置在調製窗口5與太赫茲波探測器8之間。成像物體3放置於擴束系統2與圓盤掩模板4之間。

具體實現時：

首先，太赫茲源1產生太赫茲波輸出，並經過擴束系統2進行擴束，使其能夠完全覆蓋成像物體3並保持垂直入射。這樣可以保證成像物體3所包含的信息不會缺損丟失。

其次，經過成像物體3並攜帶有物體信息的太赫茲波以垂直角度入射圓盤掩模板4的調製窗口5，調製窗口5的大小與成像物體3的大小相當並完全位於光路中，攜帶有成像物體3信息的太赫茲波經過調製窗口5並被此刻調製窗口5上的矩陣調製。圓盤掩模板4與成像物體3在光路中平行放置。

之後，利用太赫茲波拋物面鏡7對經過調製窗口5出射的調製光束進行匯聚，在其焦點附近放置太赫茲探測器8測量輻射強度並記錄數值。由於圓盤掩模板4連續旋轉，且速度與太赫茲脈衝重複頻率相匹配，即調製窗口5的調製矩陣會發生連續變化，所以可以實現連續測量並記錄多組數據。

最終，將太赫茲探測器8測量得到的多組數據輸入恢復算法，即可得到對於成像物體3的重建圖像。

其中，圓盤掩模板4能實現對於太赫茲波的部分透射。圓盤掩模板4上鏤空的部分可以實現對太赫茲波的較高透射，透射的輻射由太赫茲波拋物面鏡7匯聚到太赫茲波探測器8；非鏤空部分則幾乎無法透射太赫茲波，太赫茲探測器8基本探測不到透過該點處的透射輻射。通過位於圓盤中心的旋轉電機6的轉動，帶動圓盤掩模板4連續旋轉，轉速與太赫茲脈衝重複頻率相匹配，使調製窗口5的調製矩陣產生連續變化，即可實現對於多次調製的測量和記錄。

上述提到的透射強度數組以及恢復算法均是本領域技術人員所公知，本實用新型實施例並未對涉及軟體的部分作任何改進，只是直接運用了這些軟體。

綜上所述，本實用新型實施例提供的基於旋轉圓盤狀掩模板的太赫茲波壓縮感知快速成像裝置，能夠在太赫茲波壓縮感知成像的調製階段極大提高太赫茲壓縮感知的採樣效率與速度，即實現更快速的成像。

本實用新型實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本實用新型實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。