CN102297848B - 一种太赫兹脉冲快速成像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新的太赫兹脉冲快速成像的方法，以解决现有太赫兹脉冲成像技术费时费力、数据处理量大等技术问题。本发明通过尽量减少光学延迟线的移动、且对待测的成像数据在最大幅值和最小幅值处进行选择性获取。由于该方法舍弃了大量对成像最终结果无关的其它信息数据的采集，从而大幅提高了太赫兹脉冲成像数据获取的速度。

Description

一种太赫兹脉冲快速成像的方法
技术领域
本发明涉及一种利用太赫兹时域脉冲对物质成像过程的快速成像的方法。
背景技术
太赫兹（Terahertz，简称THz）主要指频率0.1~10 THz (波长0.03mm ~ 3 mm)、位于微波与红外线之间的电磁辐射波段。太赫兹波所处的波段十分特殊，不仅是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区域,其产生和探测方法长期以来都是研究的重点方向。1984年，Grischkowsky首先利用光电导天线成功地产生了太赫兹波，为太赫兹相关技术的发展奠定了基础；1995年，X. C.Zhang提出了自由空间电光采样法，实现了太赫兹波的高信噪比探测；同年，Hu和Nuss首次利用太赫兹脉冲进行成像；1999年，Leitenstorfer等利用光整流法产生了超过70 THz的太赫兹波；2002年，Kono等利用光电导天线测得频率高达60 THz的太赫兹波；同年，太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）研制成功；2004年2月，美国《技术评论》期刊公布了未来影响世界的十大关键技术，太赫兹科学技术位列第五。
由于太赫兹波具有非常独特的性质，它在时域谱分析、物质成像、医疗诊断等方面具有重大的科学价值和广泛的应用前景。太赫兹时域光谱系统（THz-TDS），是目前最常见的太赫兹波产生和探测系统。该系统通过时域光谱技术，可以获得样品的太赫兹波透射或反射时域脉冲数据，进而可以利用快速傅立叶变换得到相应的频谱信息，系统结构如图1所示。而以THz-TDS为基础的太赫兹脉冲成像系统，其成像原理为：在样品不同位置依次测量时域太赫兹透射或反射脉冲波形，并利用太赫兹脉冲在样品各处位置获得的波形数据进行成像，如图2所示。在太赫兹脉冲成像过程中，由于样品不同位置的厚度、折射率以及对太赫兹波吸收程度的不同，造成太赫兹脉冲波形出现幅值与时域位置（相位）的差别。通常情况下，太赫兹脉冲成像利用的信息是主脉冲的幅值（A1、A2）或相位（T1、T2）。
然而，太赫兹时域脉冲探测通常需要利用光学延迟线的移动产生时间延迟，并在不同时间延迟下进行当前幅值的测量，随后整合各个幅值，获得时域波形，因此获得整个脉冲波形需要的时间较长；而为了保证一定的成像分辨率，太赫兹脉冲成像所需成像像素点数通常较多，因而其整体耗时将十分巨大。通常，太赫兹脉冲成像需耗时数小时，甚至数十小时，严重限制了太赫兹脉冲成像技术的实用性。
发明内容
本发明旨在提供一种新的太赫兹脉冲快速成像的方法，以解决现有太赫兹脉冲成像技术费时费力、数据处理量大等技术问题。
本发明的技术方案如下：
太赫兹脉冲快速成像的方法，包括以下步骤：
（1）选取成像样品上任意一点作为参考样品点，对该参考样品点进行太赫兹脉冲时域范围的全波形探测，从而得到该参考样品点的透射或反射时域脉冲；
（2）对步骤（1）得到的时域脉冲数据进行即时分析，确定时域脉冲幅值的极大值和极小值对应的时间位置TA、TB；
（3）通过匹配设置光学延迟线与成像样品的位置，对成像样品上每一样品点在时间位置TA、TB处进行数据采集，相应得到每一样品点上的脉冲幅值I(s)A、I(s)B；
（4）利用步骤（3）得到的每一样品点上的脉冲幅值I(s)A、I(s)B，计算各样品点上的幅值差A(s)=I(s)A-I(s)B，进而得到成像样品上的所有样品点对应的图像灰度值，最终生成成像样品的灰度图。
上述步骤（3）具体可以是：
设置光学延迟线定位于时间位置TA，移动成像样品，使成像样品上的每一样品点依次定位于太赫兹时域光谱系统的样品数据采集点，得到成像样品所有样品点在时间位置TA处的太赫兹脉冲幅值I(s)A；
再设置光学延迟线定位于时间位置TB，移动成像样品，使成像样品上的每一样品点依次定位于太赫兹时域光谱系统的样品数据采集点，得到成像样品所有样品点在时间位置TB处的太赫兹脉冲幅值I(s)B。
上述步骤（3）具体也可以是：
对成像样品的一个样品点，依次设置光学延迟线定位于时间位置TA和TB，得到成像样品在该样品点上的脉冲幅值I(s)A、I(s)B；
然后，移动成像样品，对下一样品点，依次设置光学延迟线定位于时间位置TA和TB，得到成像样品在该样品点上的脉冲幅值I(s)A、I(s)B；
如此，直到得到所有样品点上的脉冲幅值I(s)A、I(s)B。
上述步骤（4）具体包括以下步骤：
（4.1）计算幅值差A(s)=I(s)A-I(s)B；
（4.2）对所有的A(s)进行排列比较，得到其中的最大值Amax和最小值Amin；设定Amin对应灰度值为0，Amax对应灰度值255，则样品点s对应的图像灰度值为：Gray(s)=255*[A(s)-Amin]/Amax；
（4.3）计算得出成像样品上的所有样品点对应的图像灰度值，最终生成成像样品的灰度图。
利用本发明，可以极大地缩短太赫兹脉冲成像的时间，为太赫兹脉冲成像技术在实际应用的推广创造了可行性。在普通的太赫兹脉冲成像方法中，假设在每一个成像点的探测过程中，光学延迟线移动时间为TO，在需要总像素数为n的成像过程中，样品点处每两个像素点间切换时间为TS，则成像过程需要的时间：nTO+(n-1)TS。而依据本发明的实施方案，由于只需要获取像素点（除参考样品点以外）两个不同时间位置（TA、TB）的太赫兹脉冲幅值，而光学延迟线在这两个位置间移动的时间为t（通常情况下t约为TO的二十分之一，甚至更短），因此总的时间为：TO+2(n-1)TS+mTS+t，m为样品从参考样品点移动至扫描开始位置所需经过的像素数(0 ≤ m ≤ n1/2)，节省时间为：(n-1)(TO-TS)-(mTS+t)。通常情况下，TO >>TS，所以在成像像素数n越大时，本发明节省的时间越多。
附图说明
图1为太赫兹时域光谱系统结构图；
图2为太赫兹脉冲成像的基本原理；
图3为本发明太赫兹脉冲快速成像法的原理；
图4为本发明的快速成像法与常规方法对叶片成像结果的对比。
具体实施方式
本发明提出了一种旨在通过尽量减少光学延迟线的移动、且对待测的成像数据进行选择性获取的方法。由于该方法舍弃了大量对成像最终结果无关的其它信息数据的采集，从而大幅提高了太赫兹脉冲成像数据获取的速度。
在本发明中，首先需在成像样品上任意选择一处为待测位置（记为参考样品点S），进行太赫兹脉冲时域范围的全波形探测，从而得到该参考样品点的透射或反射时域脉冲，如图3 Position 1线所示。随后，通过对该脉冲数据进行即时分析，寻找出该时域脉冲幅值的极大值和极小值，并记录极大值和极小值对应的时间位置TA、TB。 若样品不同位置之间的构成有差别，则对应点的太赫兹透射或反射脉冲会有不同的时间延迟和幅值衰减，即在时间位置TA、TB处，不同样品点的透射或反射脉冲幅值将有所差别（如图3 Position 2线所示）。本发明利用此处的差别值，实现对样品的太赫兹成像。为了获得该差别值，光学延迟线的位置仅需要在TA、TB两点处移动即可，因此在整个成像过程中，光学延迟线的移动距离极大地减少，从而使整体成像时间相应减少。
在已有太赫兹时域光谱及脉冲成像系统的基础上，本发明采用以下方案进行样品数据采集，即可实现太赫兹脉冲成像的快速化。
方案一：
步骤一，首先对样品上的任意一点进行太赫兹脉冲透过或反射测量，得到相应的太赫兹时域脉冲。确定该脉冲的极大值和极小值对应的时间位置TA和TB，如图3 Position 1线所示。
步骤二，设置光学延迟线定位于时间位置TA，移动待测样品，使待测样品上的每一点依次定位于太赫兹时域光谱系统的样品数据采集点，得到待测样品所有点在时间位置TA处的太赫兹脉冲幅值I(s)A。
步骤三，设置光学延迟线定位于时间位置TB，移动待测样品，与步骤二类似，得到待测样品所有点在时间位置TB处的脉冲幅值I(s)B。
步骤四，计算幅值差A(s)=I(s)A-I(s)B。然后对所有的A(s)进行排列比较，得到其中的最大值Amax和最小值Amin。设定Amin对应灰度值为0，Amax对应灰度值255，A(s)对应的灰度值计算方法为：Gray(s)=255*[A(s)-Amin]/Amax。得到待测样品上的所有点对应的图像灰度值后，即可生成样品的灰度图，进而利用A(s)也可以生成伪彩图。
方案二：
步骤一，与方案一的步骤一相同，得到样品上任意一点的太赫兹时域脉冲，确定该脉冲的极大值和极小值对应的时间位置TA和TB。
步骤二，对待测样品的每一点s，依次设置光学延迟线定位于时间位置TA和TB，得到待测样品在该点上的脉冲幅值I(s)A、I(s)B。
步骤三，移动待测样品至下一点，重复步骤二，直到所有样品点都得到测量。
步骤四，与方案一的步骤四相同。
图4为采用本方法实现太赫兹波透过叶片成像的结果，成像分辨率为25×25，其中参考样品点S1、S2、S3均为随机选择。对比结果可以发现，使用本方法的成像效果与常规方法近似，在成像质量上还有一定程度的提高；而且，采用不同参考样品点的成像结果，其最终成像效果差别不大。

Claims (2)

1.一种太赫兹脉冲快速成像的方法，包括以下步骤：
（1）选取成像样品上任意一点作为参考样品点，对该参考样品点进行太赫兹脉冲时域范围的全波形探测，从而得到该参考样品点的透射或反射时域脉冲；
（2）对步骤（1）得到的时域脉冲数据进行即时分析，确定时域脉冲幅值的极大值和极小值对应的时间位置TA、TB；
（3）通过匹配设置光学延迟线与成像样品的位置，对成像样品上每一样品点在时间位置TA、TB处进行数据采集，相应得到每一样品点上的脉冲幅值I(s)A、I(s)B；
（4）利用步骤（3）得到的每一样品点上的脉冲幅值I(s)A、I(s)B，计算各样品点上的幅值差A(s)=I(s)A-I(s)B，进而得到成像样品上的所有样品点对应的图像灰度值，最终生成成像样品的灰度图；
所述步骤（3）具体是：
设置光学延迟线定位于时间位置TA，移动成像样品，使成像样品上的每一样品点依次定位于太赫兹时域光谱系统的样品数据采集点，得到成像样品所有样品点在时间位置TA处的太赫兹脉冲幅值I(s)A；
再设置光学延迟线定位于时间位置TB，移动成像样品，使成像样品上的每一样品点依次定位于太赫兹时域光谱系统的样品数据采集点，得到成像样品所有样品点在时间位置TB处的太赫兹脉冲幅值I(s)B；
或者所述步骤（3）具体是：
对成像样品的一个样品点，依次设置光学延迟线定位于时间位置TA和TB，得到成像样品在该样品点上的脉冲幅值I(s)A、I(s)B；
然后，移动成像样品，对下一样品点，依次设置光学延迟线定位于时间位置TA和TB，得到成像样品在该样品点上的脉冲幅值I(s)A、I(s)B；
如此，直到得到所有样品点上的脉冲幅值I(s)A、I(s)B。
2.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲快速成像的方法，其特征在于，步骤（4）具体包括以下步骤：
（4.1）计算幅值差A(s)=I(s)A-I(s)B；
（4.2）对所有的A(s)进行排列比较，得到其中的最大值Amax和最小值Amin；设定Amin对应灰度值为0，Amax对应灰度值255，则样品点s对应的图像灰度值为：Gray(s)=255*[A(s)-Amin]/Amax；
（4.3）计算得出成像样品上的所有样品点对应的图像灰度值，最终生成成像样品的灰度图。
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