CN101526464B - 相衬成像方法及设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种通过衍射光栅获得物体在连续波太赫兹辐射照射下相衬图像的方法和设备。该方法包括步骤：用相干太赫兹辐射照射物体以与物体相互作用；使得与物体作用后的太赫兹辐射照射衍射光栅；沿衍射光栅波矢方向平移衍射光栅，以便针对不同的光栅位置，在衍射场内测量与物体和光栅作用之后的太赫兹辐射的光强分布；以及根据光强分布恢复出物体的相衬图像。同现有技术相比，本发明的方法具有增强弱吸收物质太赫兹成像质量的本领，本发明的设备具有结构紧凑、操作简单的优点。

Description

相衬成像方法及设备

技术领域

本发明属于太赫兹成像(Terahertz Imaging)技术领域，特别涉及一种通过衍射光栅获得物体在太赫兹辐射照射下的相位衬度(Phase Contrast，相衬)信息，从而增强成像对比度和空间分辨率的方法及设备。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，即10¹²Hz)辐射通常是指频率在0.1～10THz之间的电磁辐射，在电磁波谱上位于远红外波段。相对于传统的可见光、X射线等成像技术，利用太赫兹辐射进行成像具有如下的互补特征：太赫兹电磁波容易穿透非极性或弱极性的电介质材料，可以对这类材料进行无损检测或者探测被它们隐藏起来的物体；太赫兹辐射光子能量低，不会引起光致电离和损害，对生物样品成像更为安全；基于测量光谱信息的太赫兹谱成像技术具有鉴别物质种类和成分的能力。因而，太赫兹成像是一种安全、有效的无损检测技术，在材料科学、生物医学、安全检查等领域有着广阔的应用前景。

传统意义的太赫兹成像(1.T.S.Hartwick，et al.Far infraredimagery.Applied Optics，1976，15(8)：1919-1922.)是利用物质对太赫兹辐射的吸收衰减特性，反映了太赫兹辐射与物体相互作用之后的强度分布信息，即振幅的变化。对于弱吸收物质，太赫兹辐射的衰减程度将很小，图像对比度较差，难以分辨物体的内部结构。然而，介质折射率的变化会引起电磁波的相位改变(相移)，并且相移程度要比衰减程度大，检测相移信息更为有效；如果能够捕捉这种信息，得到物体的相位衬度图像，对于弱吸收物质的成像，对比度和分辨率将有明显改善(2.席再军等.二维透射式Terahertz波时域谱成像研究.光子学报，2006，35(8)：1171-1174)。文献3(B.B.Hu and M.C.Nuss.Imaging with terahertz waves.Optics Letters，1995，20(16)：1716-1718.)披露了一种同时测量太赫兹辐射振幅和相位信息的成像系统，该系统利用脉冲式光源，基于太赫兹时域谱分析(THz-TDS)技术相干探测太赫兹脉冲时域波形，然后通过傅立叶变换获得频谱幅度和相位，它们携带了物体对太赫兹辐射的吸收和折射率信息。近年来的太赫兹时域谱成像系统基本都是以此为基础发展起来的，其共同特点是所采取的泵浦-探测方式使得系统结构复杂、成本较高。

在X射线成像领域，相位衬度成像技术已得到了蓬勃的发展，它将X射线可检测的物质范围拓宽到弱吸收的轻元素物质，并且把空间分辨率由毫米量级推进到微米甚至亚微米量级。X射线相衬成像技术至今已发展出三种不同的模式(4.R.Fitzgerald.Phase-sensitiveX-ray imaging.Physics Today，2000，53(7)：23-26.)，包括干涉测量法、衍射增强法和类同轴法，这些方法对于太赫兹辐射的相衬成像具有一定的借鉴意义。文献5(Y.Takeda，et al.X-ray phase imaging with singlephase grating.Japanese Journal of Applied Physics，2007，46(3)：L89-L91.)披露了一种采用单相位光栅实现X射线相衬成像的实验系统。当在弱吸收物体之后放置一相位光栅并用部分相干的X射线照射时，光栅衍射场内由于Talbot效应引起的周期性强度图案将发生变形，通过CCD(电荷耦合器件)探测器记录这种强度分布，然后利用相位复原算法即可得到物体的相衬图像。该方法对光源的相干性和CCD的分辨率要求较高，但是系统结构非常简单。相对而言，太赫兹辐射的波长要长得多，光栅周期在毫米量级，从而探测器的分辨率也只需在这个量级，并且这种尺寸的光栅制作容易，连续式太赫兹光源的相干性亦容易保证，因此采用单光栅的方式进行太赫兹辐射相衬成像是可行的。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出了一种太赫兹辐射相衬成像方法及设备，它借助衍射光栅获得太赫兹辐射与物体相互作用后的相位变化信息，从而生成物体的相位衬度图像。

在本发明的一个方面，提出了一种利用衍射光栅进行相衬成像的方法，包括步骤：用相干太赫兹辐射照射物体以与物体相互作用；使得与物体作用后的太赫兹辐射照射衍射光栅；沿衍射光栅波矢方向平移衍射光栅，以便针对不同的光栅位置，在衍射场内测量与物体和光栅作用之后的太赫兹辐射的光强分布；以及根据光强分布恢复出物体的相衬图像。

优选地，使得与物体作用后的太赫兹辐射照射衍射光栅的步骤包括：用穿过物体后的太赫兹辐射照射衍射光栅。

优选地，得与物体作用后的太赫兹辐射照射衍射光栅的步骤包括：用经物体反射的太赫兹辐射照射衍射光栅

优选地，沿衍射光栅波矢方向在一个周期的距离之内平移衍射光栅，以便对于每一个特定的光栅位置，选择光栅衍射场内衍射条纹明暗对比度较高的平面测量太赫兹辐射强度分布。

优选地，用单点式探测器以格栅扫描方式逐点测量太赫兹辐射强度分布。

优选地，用面阵式探测器直接测量太赫兹辐射强度分布。

优选地，所述根据光强分布恢复出物体的相衬图像的步骤包括：根据周期性强度图和光栅的衍射特性，恢复出光栅入射场在垂直于入射方向的平面内的相位分布；以及根据相位分布构建出物体的相衬图像。

在本发明的另一方面，提出了一种相衬成像设备，包括：太赫兹辐射发射器，产生太赫兹辐射，照射物体以与物体相互作用；衍射光栅，与物体作用后的太赫兹辐射照射该衍射光栅；太赫兹辐射探测器，针对不同的光栅位置，在衍射场内测量与物体和光栅作用之后的太赫兹辐射的光强分布；数据采集和处理系统，根据光强分布恢复出物体的相衬图像。

优选地，该相衬成像设备还包括：设置在太赫兹辐射发射器的输出侧的准直部分，用于把太赫兹辐射准直成平行光束。

优选地，所述准直部分是太赫兹透镜或者抛物面镜。

优选地，该相衬成像设备还包括：平移装置，用于将光栅沿波矢方向以等间距平移。

优选地，平移装置沿衍射光栅波矢方向在一个周期的距离之内平移衍射光栅，以便对于每一个特定的光栅位置，太赫兹辐射探测器选择光栅衍射场内衍射条纹明暗对比度较高的平面测量太赫兹辐射强度分布。

优选地，所述太赫兹辐射探测器是单点式探测器，用于以格栅扫描方式逐点测量太赫兹辐射强度分布。

优选地，所述太赫兹辐射探测器是面阵式探测器，用于直接测量太赫兹辐射强度分布。

优选地，数据采集和处理系统根据周期性强度图和光栅的衍射特性，恢复出光栅入射场在垂直于入射方向的平面内的相位分布；以及根据相位分布构建出物体的相衬图像。

由于采用了上述的方法和结构，本发明与现有技术相比具有如下几方面的优势：

1)本发明在连续波太赫兹系统上实现了相衬成像，对于弱吸收物体的成像能够增强对比度和提高空间分辨率。

2)本发明借助衍射光栅提取太赫兹辐射与物体相互作用后的相位变化信息，系统结构紧凑、操作简单。

3)连续波太赫兹辐射的强度测量不需要对时域波形进行扫描，因此本发明能够以较快的测量速度获取相位分布信息。

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述特征和优点将更加明显，其中：

图1是根据本发明实施例的利用衍射光栅进行太赫兹辐射相衬成像的设备结构示意图；

图2是说明本发明实施例的设备在反射模式下的布置图；

图3是根据本发明实施例的设备中衍射光栅的详细结构示意图；

图4示出了光栅总厚度为360μm、槽深在0～200μm之间变化时的总透射率曲线以及相关的衍射效率曲线。

具体实施方式

下面，参考附图详细说明本发明的优选实施方式。为了清楚和简明，包含在这里的已知的功能和结构的详细描述将被省略，否则它们将使本发明的主题不清楚。

图1是根据本发明实施例的利用衍射光栅进行透射式太赫兹辐射相衬成像的设备结构示意图(侧视图)。

如图1所示，本发明实施例的设备包括连续波太赫兹辐射发射器1，太赫兹光束准直透镜2，透射型衍射光栅3，单点式连续波太赫兹辐射探测器4，一维和二维平移装置51、52，以及基于计算机的数据采集和处理系统6。数据采集与处理系统6包括计算机、强度图像采集软件和相衬图像生成软件等，它控制整个设备协调工作，同时读取探测器输出信号得到平行束太赫兹辐射与物体和光栅作用之后的强度分布图像，然后根据相位复原算法恢复物体的相衬图像。

太赫兹辐射发射器1采用连续波辐射源，比如返波管(BWO)、太赫兹参量振荡器、太赫兹激光器等等；因为从光源发射的太赫兹波需经扩束做二维成像，光源的功率要足够高。

太赫兹辐射探测器4可以为单点式的，如热辐射测量仪(Bolometer)、焦热电探测器(Pyroelectric Detector)、Golay Cells等，也可以是面阵式的，如焦平面阵列(Microbolometer Focal-Plane ArrayCamera)等。

衍射光栅3具有透射和反射两种类型，对于透射型，光栅材料选取对太赫兹辐射具有良好透过率的材料，比如高阻硅、高密度聚乙烯(HDPE)等。对于反射型，应该选择对太赫兹辐射具有高反射率的材料，比如金属。

光束准直透镜2是太赫兹透镜，它可以把太赫兹辐射准直成平行光束来照射物体和光栅，这使得光栅衍射过程的分析和求解相衬图像简单易行。这类器件还可以采用抛物面镜。

连续波太赫兹辐射发射器1产生的连续波太赫兹辐射为发散光束11，经透镜2准直为平行束12，然后入射到弱吸收样品71上。透过样品的太赫兹辐射相位将发生改变，经过衍射光栅3之后，相移信息会在光栅衍射场内表现出来。选择平行于光栅面的探测平面8(在该平面内，光栅衍射条纹应该具有高的明暗对比度，这可以通过光栅模拟软件的计算来选择)，利用单点式探测器4以逐点扫描的方式测量该平面内的太赫兹辐射强度。单点式探测器4测量的强度信号传输到数据采集与处理系统6，同时数据采集与处理系统6控制二维平移装置52，使得单点式探测器4在x-y平面内运动进行扫描测量，最终获得平面8内的周期性太赫兹辐射强度分布。

上面描述的是该设备工作在透射模式下的过程。根据本发明实施例的设备也可以工作在反射方式下，如图2所示，经透镜2准直的太赫兹光束入射到物体72表面，单点式探测器4测量反射波透过光栅后的周期性强度分布。相对于在物体72处放置一参考平面(如金属反射镜)时，由于物体表面轮廓起伏和复折射率的不同，经物体和参考平面反射的太赫兹波相位存在偏差，这一相位变化信息同样会在光栅衍射场内表现出来。反射方式通常用于对太赫兹辐射不透明的物体成像。

图3示出了根据本发明的设备中使用的衍射光栅的详细结构。图3中给出了其正视图31及俯视图32。在太赫兹辐射源频率已知的情况下设计光栅，包括材料、周期、占空比、槽深、厚度等参数，使得其衍射特性满足一定的要求，如合适的衍射角、足够高的衍射效率。如上所述，光栅可以置于物体之后的近场或者远场区。该光栅的制作方法是在厚度为H的硅片基底上刻蚀出深度h、宽度w、周期为d的矩形槽。上述尺寸的设定主要考虑衍射效率、各衍射级次之间的能量分配以及衍射角度等因素。其中，硅片厚度H没有严格要求，便于加工即可；周期d决定衍射级次的数量和衍射角，为了产生具有周期性强度分布的衍射场，必须存在非零级衍射；占空比通常选为0.5，即w＝d/2。确定上述参数之后，槽深h将决定各级次的衍射效率。假设波长为300μm(频率1THz)、TE偏振的单色平面波正入射到光栅上，首先若要产生非零级衍射，根据光栅方程可知周期应满足d＞300μm，此外考虑到实际当中入射光束是有限宽度的，条纹区分布在有限范围之内，为了获得面积更大的条纹区域，±1级的衍射角应尽量小，或者应具有尽量多的衍射级次。例如，取d＝2mm，此时最高级次为6，+1级衍射角为8.6°。基于以上参数选择，计算不同槽深情况下各级次的衍射效率，图4给出了H＝360μm、h在0-200μm之间变化时的总透射率曲线(331)以及0级(332)、±1级(333)、±2级(334)衍射效率曲线。可以看出，为了实现足够高的总透射率和非零级(±1级)衍射效率，选择槽深为52μm或者183μm左右是合适的。

下面以透射式相衬成像系统为例说明相位信息恢复方法。

对于无吸收的相位物体，太赫兹辐射穿过其后的强度没有变化，因此不能直接成像。然而，在物体后面放置一光栅时，物体引起的太赫兹辐射相位改变将反映在光栅衍射场的强度变化上，这种强度信息进而可以通过常规的探测器捕捉到。如果已知光栅的衍射特性，由衍射场强度分布可以反推出入射场的相移量。

相移量的求解方法需要借助光栅衍射理论，当太赫兹辐射波长λ比光栅周期d小很多时(如λ/d＜0.1)，标量理论是适用的；当λ与d比较接近时，则应该采用矢量理论。以前者为例，假设波长为λ的单色平面波正入射到光栅上(坐标系的定义如图1所示)，透射场的光强分布为

$I(x,y,z)=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{a}_m\left(z\right)\exp \left(\mathrm{imKx}\right)---\left(1\right)$

其中 $a_m\left(z\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{m+n}\left(z\right){\mathrm{\β}}_n^{*}\left(z\right),$ ${\mathrm{\β}}_n=t_n\exp (-\mathrm{i\π\λz}\frac{n^2}{d^2}),$ $K=\frac{2\mathrm{\π}}{d}$ 是光栅的波矢，t_n是光栅传输函数的傅立叶展开系数。当光栅之前存在一相位物体时，太赫兹辐射穿过物体将发生相位移动(对于反射式的情况，太赫兹辐射经物体反射后相位分布发生变化)，假设相移量分布为Φ(x，y)，此时光栅透射场的强度分布变为：

其中

在一个周期的距离之内，通过平移装置51将光栅沿其波矢方向以等间距平移，采集各个光栅位置下的探测平面内的光强分布，然后由数据采集与处理系统6联合公式(2)即可求出相移量，进一步绘出物体的相衬图像。

例如，平移装置51沿光栅波矢方向在一个周期的距离之内平移光栅，对于每一个特定的光栅位置，选择光栅衍射场内衍射条纹明暗对比度较高的平面，采用单点式探测器4以栅格扫描的方式逐点测量太赫兹辐射强度分布或者利用面阵探测器直接测量该二维信号。

然后，数据采集与处理系统6由测得的周期性强度图和光栅的衍射特性，恢复出光栅入射场在垂直于入射方向的平面内的相位分布，即对应物体引起的太赫兹辐射的相位移动，从而构建出物体的相衬图像。

上面的描述仅用于实现本发明的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本发明的权利要求来限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种利用衍射光栅进行相衬成像的方法，包括步骤：

用太赫兹辐射照射物体以与物体相互作用；

使得与物体作用后的太赫兹辐射照射衍射光栅；

沿衍射光栅波矢方向在一个周期之内等间距平移衍射光栅，以便针对不同的光栅位置，在衍射场内测量与物体和光栅作用之后的太赫兹辐射的光强分布；以及

根据光强分布恢复出物体的相衬图像。

2.如权利要求1所述的方法，其中使得与物体作用后的太赫兹辐射照射衍射光栅的步骤包括：

用穿过物体后的太赫兹辐射照射衍射光栅。

3.如权利要求1所述的方法，其中使得与物体作用后的太赫兹辐射照射衍射光栅的步骤包括：

用经物体反射的太赫兹辐射照射衍射光栅。

4.如权利要求1所述的方法，其中，沿衍射光栅波矢方向在一个周期的距离之内平移衍射光栅，以便对于每一个特定的光栅位置，选择光栅衍射场内衍射条纹明暗对比度较高的平面测量太赫兹辐射强度分布。

5.如权利要求4所述的方法，其中，用单点式探测器以格栅扫描方式逐点测量太赫兹辐射强度分布。

6.如权利要求4所述的方法，其中，用面阵式探测器直接测量太赫兹辐射强度分布。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述根据光强分布恢复出物体的相衬图像的步骤包括：

根据周期性强度图和光栅的衍射特性，恢复出光栅入射场在垂直于入射方向的平面内的相位分布；以及

根据相位分布构建出物体的相衬图像。

8.一种相衬成像设备，包括：

太赫兹辐射发射器，产生太赫兹辐射，照射物体以与物体相互作用；

衍射光栅，与物体作用后的太赫兹辐射照射该衍射光栅；

太赫兹辐射探测器，针对不同的光栅位置，在衍射场内测量与物体和光栅作用之后的太赫兹辐射的光强分布；

数据采集和处理系统，根据光强分布恢复出物体的相衬图像；

平移装置，用于沿衍射光栅波矢方向在一个周期的距离之内等间距平移衍射光栅，以便太赫兹辐射探测器针对不同的光栅位置，在衍射场内测量与物体和光栅作用之后的太赫兹辐射的光强分布。

9.如权利要求8所述的相衬成像设备，还包括：

设置在太赫兹辐射发射器的输出侧的准直部分，用于把太赫兹辐射准直成平行光束。

10.如权利要求9所述的相衬成像设备，所述准直部分是太赫兹透镜或者抛物面镜。

11.如权利要求8所述的相衬成像设备，其中平移装置沿衍射光栅波矢方向在一个周期的距离之内平移衍射光栅，以便对于每一个特定的光栅位置，太赫兹辐射探测器选择光栅衍射场内衍射条纹明暗对比度较高的平面测量太赫兹辐射强度分布。

12.如权利要求8所述的相衬成像设备，其中所述太赫兹辐射探测器是单点式探测器，用于以格栅扫描方式逐点测量太赫兹辐射强度分布。

13.如权利要求8所述的相衬成像设备，其中所述太赫兹辐射探测器是面阵式探测器，用于直接测量太赫兹辐射强度分布。

14.如权利要求8所述的相衬成像设备，其中数据采集和处理系统根据周期性强度图和光栅的衍射特性，恢复出光栅入射场在垂直于入射方向的平面内的相位分布；以及根据相位分布构建出物体的相衬图像。

Images