CN105527242B - 一种太赫兹压缩成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹压缩成像系统及方法，所述系统包括：太赫兹波产生与探测单元，包括激光光源、太赫兹发射器和太赫兹探测器；太赫兹波编码测量单元，包括分光镜片、半导体掩膜板和数字投影装置，数字投影装置产生编码图案光束，作用于半导体掩膜板，引起半导体的载流子分布，半导体掩膜板允许特定的太赫兹波通过且与光束的图案保持一致，实现太赫兹波的空间调制，进而实现半导体掩膜板编码的功能；太赫兹重建成像单元，用于利用重建算法恢复原始图像，实现太赫兹成像。本发明利用数字光处理投影并结合半导体光致载流子特性实现太赫兹波的光控调制，具有全数字化、速度快、可编程能力高、成本较低、易于集成等优点。

Description

一种太赫兹压缩成像系统及方法

技术领域

本发明涉及太赫兹成像技术领域，尤其涉及一种太赫兹压缩成像系统及方法。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz--10THz远红外波段的相干电磁辐射。它由于处于电磁波谱中电子学向光子学过渡的特殊位置而具有透视性、安全性、光谱分辨本领等独特的性质，因此具有非常重要的学术价值和应用前景。随着太赫兹科学技术的发展，太赫兹光谱及成像在生物学、医学疾病诊断、材料科学、军事以及化学基础研究等许多领域展现出巨大的应用潜力，并迅速成为一个令人关注的前沿研究方向。其中，太赫兹时域光谱(Terahertztime domain spectroscopy，THz-TDS)技术是国际上近年来发展迅猛、研究最广泛的太赫兹波应用技术之一，是一种兼备成像功能的光谱技术，是太赫兹光谱技术的核心研发领域。

近年来，压缩传感(Compressive Sensing,CS)技术方兴未艾，已成为当前信息领域的一大研究热点。压缩成像的基本思想是利用稀疏信号的表示简化采样数量，不仅节约储存资源而且提高采样成像效率。CS理论重建一幅N×N的图像测量次数远远小于N²次，缩短了成像的时间，该技术应用于成像时可以实现单像素成像。

太赫兹时域光谱系统满足单像素成像对器件的要求，消除了对物体或太赫兹波束进行光栅扫描的必要，不但提高了成像速度，而且保持了单像素探测的高灵敏度。已有实验证明，压缩传感完全适用于太赫兹成像并能由此开发出一种全新的成像技术--太赫兹压缩成像。太赫兹压缩成像的核心思想是基于压缩传感理论，通过系统将压缩与采样合并进行，采集图像的非自适应线性投影(测量值)，根据相应重构算法由测量值重构原始图像。这种技术在降低成本的基础上既能克服原有系统在速度方面的不足，又能发挥其光谱优势，这对于拓展太赫兹系统的应用范围，促进太赫兹技术的应用发展有着极为重要的意义。

光致载流子特性是电磁波与半导体相互作用中研究较多的物理过程。根据德鲁德(Drude)模型，若忽略载流子的扩散而只考虑其中的自由载流子产生及复合过程，则载流子密度正比于照射光束的功率且可以利用光掺杂加以调制。已有实验表明，利用半导体光致载流子特性并结合光空间调制器可以实现利用一束光来控制另一束光的波前分布。

投影技术随着计算机和集成电路的发展，已成为一种相当成熟的光处理手段，具有高分辨率、数字化等特点而得到广泛应用。按照原理，可分为阴极射线管(Cathode RayTube,CRT)、液晶显示(Liquid Crystal Display,LCD)、硅晶元液晶(Liquid Crystal OnSilicon,LCOS)和数字光处理(Digital Light processing Projector,DLP)等投影技术。其中，与其它光处理技术相比，数字光处理投影技术以其高光效率、高对比度、高可靠性和高灰阶精度的优势，逐渐成为目前市场上的主流投影技术。此外，数字投影技术在快速、精确且可编程光源控制功能实现上具有重大的优势，具有全数字化、速度快、可编程能力高、成本较低、易于集成等优点，其实际应用前景广阔。

波士顿大学的David Shrekenhamer等利用激光束来操控太赫兹波并在此基础上研发了单像素太赫兹成像新方法。这种方法可以产生不同分辨率(63-1023像素)的掩膜，图像采集速度达0.5Hz。研究结果已经证实使用配备单像素探测器的光控空间光调制器获取实时、高保真太赫兹图像的可行性，但该系统的太赫兹探测器需要制冷。(DavidShrekenhamer,Claire M.Watts,Willie J.Padilla,"Terahertz single pixel imagingwith an optically controlled dynamic spatial light modulator"Opt.Express,21,12507(2013).)。

俄勒冈州立大学的Li-JingCheng等引入商用的数字投影仪(DLP)对连续波太赫兹的光学调制进行了细致的研究。经测试，该技术实现可重复配置的孔径阵列(4×4)，其调制速度和调制深度约为1.3KHz和20dB。(Li-JingCheng,Lei Liu,"Optical modulation ofcontinuous terahertz waves towards cost-effective reconfigurable quasi-optical terahertz components"Opt.Express，21(23)，28657(2013).)。

然而，以上两种方案均应用于连续波太赫兹系统，并无涉及太赫兹光谱系统，难以充分利用太赫兹的光谱分辨能力。

现有的商业化太赫兹成像设备中，主要有逐点扫描成像和面阵成像等技术。逐点扫描系统成像时间一般比较长而无法满足实时要求；面阵成像技术如焦平面探测阵列成像、基于电光采样方法的CCD成像等存在着系统复杂而且设备昂贵等方面的不足。并且，现有的成像技术均有采样效率较低的缺点。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种太赫兹压缩成像系统及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种太赫兹压缩成像系统及方法。

为了达到上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种太赫兹压缩成像系统，所述系统包括：

太赫兹波产生与探测单元，包括激光光源、太赫兹发射器和太赫兹探测器，所述激光光源产生泵浦光和探测光，泵浦光射向太赫兹发射器产生太赫兹辐射，探测光汇聚在太赫兹探测器上；

太赫兹波编码测量单元，包括分光镜片、半导体掩膜板和数字投影装置，分光镜片一面镀有分光薄膜，分光薄膜对太赫兹波具有高反射性，而对数字投影装置的光束具有高透性，数字投影装置产生编码图案光束，作用于半导体掩膜板，引起半导体的载流子分布，半导体掩膜板允许特定的太赫兹波通过且与光束的图案保持一致，实现太赫兹波的空间调制，进而实现半导体掩膜板编码的功能；

太赫兹重建成像单元，用于利用重建算法恢复原始图像，实现太赫兹成像。

作为本发明的进一步改进，所述太赫兹发射器包括太赫兹源、若干聚焦透镜及若干准直透镜。

作为本发明的进一步改进，所述太赫兹源为光电导天线、非线性晶体、太赫兹量子级联激光器或连续波太赫兹源。

作为本发明的进一步改进，所述太赫兹探测器为光电导天线或非线性晶体。

作为本发明的进一步改进，所述分光镜片上的分光薄膜为氧化铟锡薄膜。

作为本发明的进一步改进，所述数字投影装置包括光源、光束扩展器和数字微镜设备，光源产生的光束经过光束扩展器投射在数字微镜设备上。

作为本发明的进一步改进，所述光源为LED光源或汞灯。

相应地，一种太赫兹压缩成像方法，所述方法包括：

S1、根据压缩传感理论，将图像X采用二值随机矩阵构造M×N²的测量矩阵Φ，同时利用测量矩阵Φ的每一行构造N×N掩膜，共构造M×1个掩膜；

S2、用数字光投影技术分别将M个掩膜投影到半导体掩膜板上对太赫兹波进行调制，对样品实现线性测量并得到M×1个测量值Y，

S3、利用重建算法构造重构矩阵其中R_xx表示输入信号的自相关函数；

S4、利用重构矩阵计算得到图像X的近似估计对得到的按序重排列成N×N的图像，得到重建的太赫兹图像。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的重建算法为最小均方差线性矩阵法、预计梯度算法、布雷格曼距离算法或最小全变分法。

本发明具有以下有益效果：

利用数字光处理投影并结合半导体光致载流子特性实现太赫兹波的光控调制，具有全数字化、速度快、可编程能力高、成本较低、易于集成等优点；

同时将太赫兹光谱与压缩传感成像方法有机融合，改变以往光栅扫描速度响应缓慢的不足，既能克服现有系统在速度、成本和效率方面的不足，又能发挥其光谱优势，有利于拓展太赫兹系统的应用范围，促进太赫兹技术的应用发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明太赫兹压缩成像系统的模块示意图。

图2a为本发明太赫兹压缩成像系统的光路原理图，图2b为本发明在半导体材料上实现太赫兹掩膜板的示意图。

图3为本发明一具体实施例中太赫兹压缩成像系统的结构示意图。

图4为本发明一具体实施例中太赫兹重建成像过程的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明公开了一种太赫兹压缩成像系统，包括：太赫兹波产生与探测单元10、太赫兹波编码测量单元20、和太赫兹重建成像单元30。其中：

太赫兹波产生与探测单元10，包括激光光源、太赫兹发射器和太赫兹探测器，所述激光光源产生泵浦光和探测光，泵浦光射向太赫兹发射器产生太赫兹辐射，探测光汇聚在太赫兹探测器上；

太赫兹波编码测量单元20，包括分光镜片、半导体掩膜板和数字投影装置，分光镜片一面镀有分光薄膜，分光薄膜对太赫兹波具有高反射性，而对数字投影装置的光束具有高透性，数字投影装置产生编码图案光束，作用于半导体掩膜板，引起半导体的载流子分布，半导体掩膜板允许特定的太赫兹波通过且与光束的图案保持一致，实现太赫兹波的空间调制，进而实现半导体掩膜板编码的功能；

太赫兹重建成像单元30，用于利用重建算法恢复原始图像，实现太赫兹成像。

本发明将半导体的光致载流子特性与数字光处理投影技术有机结合，通过对太赫兹波束进行快速高效的空间调制实现掩膜，然后利用重建算法重构图像实现一种高速的太赫兹压缩传感成像。

如图2a所示，本发明主要包括太赫兹波产生与探测装置、样品和半导体掩膜板。在本发明中，太赫兹波产生装置发出太赫兹脉冲波，经过透镜准直，太赫兹波穿过样品，被掩膜板编码后，经过透镜聚焦在太赫兹探测装置上进行测量。这样，获得少数采样点后，利用重建算法就能恢复原图，从而实现太赫兹成像。

本发明中的掩膜板是利用半导体光致载流子的局域分布特性，并结合数字光处理投影技术实现一种独特的太赫兹波段空间光调制技术，对太赫兹电磁波进行计算机编码控制加以实现的，如图2b所示。图2b中，利用数字光处理投影装置产生编码图案光束，作用于半导体掩膜，引起半导体的载流子分布。半导体允许特定的太赫兹波通过且与光束的图案保持一致，因而实现太赫兹波的空间调制，在此基础上，就可以进一步实现样品图像的重建。

参图3所示，在本发明的一具体实施方式中，该系统包括太赫兹波产生与探测单元、太赫兹波编码测量单元、和太赫兹重建成像单元。

太赫兹波产生与探测单元中，飞秒激光11产生的激光经分光镜被分成泵浦光a和探测光b，泵浦光a被反射镜反射后，射向慢速延迟线，经慢速延迟线折返后又被反射镜反射至太赫兹发射器产生太赫兹辐射，其中太赫兹发射器中除了包含可以被飞秒激光激发的太赫兹源12之外(该太赫兹源本实施例中选择基于光电导效应的光电导天线为发射源)，还可能包含辅助于太赫兹发射的飞秒激光聚焦透镜和太赫兹光束准直透镜等光束整理装置(未图示)。由太赫兹源12发射的太赫兹波经抛面镜13准直后，对置于准直光路中的样品14进行检测，经过半导体掩膜板22，被分光镜片21反射后，汇聚在太赫兹探测器15上。

半导体掩膜板22的特征就在于利用数字光处理投影装置产生编码图案光束，作用于半导体，引起半导体的载流子分布。半导体允许特定的太赫兹波通过且与光束的图案保持一致，因而实现太赫兹波的空间调制，进而实现掩膜板编码的功能。

分光镜片21的特征在于镜片的一面镀有氧化铟锡薄膜(ITO)分光薄膜，该薄膜对太赫兹波具有高反射性，而对数字投影装置的光束具有高透性。探测光经过快速延迟线折返后，被反射镜反射在太赫兹的探测器上，太赫兹探测器15同样可以选用光电导天线为探测器(也可以选用基于电光采样的非线性光学晶体探测太赫兹波)。太赫兹探测器在探测光和太赫兹辐射的共同作用下产生探测信号。

太赫兹波编码测量单元20主要包括分光镜片21、半导体掩膜板22和数字投影装置23。

分光镜片21的特征在于镜片的一面镀有氧化铟锡薄膜(ITO)分光薄膜，该薄膜对太赫兹波具有高反射性，而对数字投影装置的光束具有高透性。半导体掩膜板的特征就在于利用数字光处理投影装置产生编码图案光束，作用于半导体，引起半导体的载流子分布。半导体允许特定的太赫兹波通过且与光束的图案保持一致，因而实现太赫兹波的空间调制，进而实现掩膜板编码的功能。

数字投影装置23采用高功率的LED光源231产生光束，在其他实施方式中也可以选用汞灯，经过光束扩展器232投射在数字投影装置上，数字投影装置包括数字微镜设备(DMD)233和投影镜头234。

其中，数字微镜设备的特征就在于这种装置里的数字微镜元件通常有约100万个以上的微镜，一个微镜对应一个像素，每个微小镜片都可以独立正反向翻转，改变它们的倾斜角度可以得到不同强度的反射光。当计算机编程生成的数字化图案信号经过数字光处理系统(DLP)格式化处理和编码后，数字微镜设备的微镜就能按照图案编码的指令进行开合操作，把扩束后的光束反射成编码图案光束。被数字微镜设备反射后的图案光束被反射镜反射到投影镜头后，透过分光镜片，投影到半导体掩膜板。由此，利用半导体的光致载流子特性，通过数字光处理投影技术在半导体掩膜表面形成可编程的编码图案，太赫兹波经过掩膜后被空间调制，从而实现编码测量。

进一步地，本实施例提出的压缩成像系统适用于太赫兹脉冲成像和连续波太赫兹成像系统。对于脉冲成像系统，光电导天线可以用非线性晶体等替代；对于连续波系统，太赫兹产生源可以用太赫兹量子级联激光器、连续波太赫兹源等替代；太赫兹探测器可以用太赫兹量子阱深探测器、热释电探测器等替代；本实施例中使用的是透射成像方式，在其他实施例中也可以用反射方式替代。

太赫兹重建成像流程如图4所示。在图4中，根据压缩传感理论，假设X为N行N列(N×N)的实际图像信号，该信号可以利用M行1列(M×1)的探测值Y重建为重建算法为其中为重构矩阵。探测值Y通过编码测量得到。根据线性方程理论，一般而言，M<<N，有无穷多解，因而重建图像也有无穷多种。又根据压缩传感理论，最小均方差(MMSE)线性估计可以较好恢复信号，接近真实值，故本实施例采用这种方法进行图像重建

本发明一具体实施例中，太赫兹重建成像方法具体包括：

S1、压缩传感理论中高斯随机分布矩阵、二值随机矩阵等都一般满足约束等距性条件。因此本发明根据压缩传感理论，首先采用二值随机矩阵构造M行N²列(M×N²)的测量矩阵Φ。由于Φ矩阵每一行含有N²个元素，因而每一行的元素可以构造成一个N行N列(N×N)的图案掩膜。Φ矩阵有M行1列，所以掩膜的个数为M；

S2、用数字光投影技术分别将M个掩膜投影到半导体上对太赫兹波进行调制，对样品实现编码测量并得到M×1个测量值Y。Y可以看成是测量矩阵Φ与实际图像X相乘的结果。测量矩阵Φ为M行N²列(M×N²)的矩阵。根据矩阵运算，X为N²×1的列矩阵，通过对X按行提取，提取N行，重组而成。如式(1)所示：

其中，Y为测量值；Φ为测量矩阵；X为实际图像。

S3、利用最小均方差(MMSE)线性矩阵法构造重构矩阵如式(2)所示：

其中，为重构矩阵；R_xx表示输入信号的自相关函数，本实施例中采用系数ρ＝0.95的一阶自相关函数；Φ为测量矩阵，Φ^T为测量矩阵Φ的转置矩阵。

S4、利用重构矩阵得到重建图像为实际图像X的近似估计值，如式(3)所示；

其中，为重建图像，是实际图像X的近似估计值；为重构矩阵；Y为测量值。

S5、为N²×1的列矩阵。首先，对进行以下抽取：第1次从中抽取第1～N个元素为第1行，第2次抽取第N×(2-1)+1～2N个元素为第2行，第3次抽取第N×(3-1)+1～2N个元素为第3行，以此类推，第N次抽取第N×(N-1)+1～N²个元素为第N行；然后，对以上所抽取的行进行重新排列成N×N的矩阵，由此得到重建的太赫兹图像

本发明的压缩传感数据处理中重建算法除了最小均方差(MMSE)线性估计外，也可以用预计梯度算法、布雷格曼距离算法、最小全变分法等算法进行重建。

本发明中的光控掩膜技术，还可以用于生成应用于太赫兹波束的偏振片，透镜等相关功能器件；本发明应用的范围除了生物医学应用，还可以进行无损测探、安防检查等等。

综上所述，本发明利用数字光处理投影并结合半导体光致载流子特性实现太赫兹波的光控调制，具有全数字化、速度快、可编程能力高、成本较低、易于集成等优点；同时将太赫兹光谱与压缩传感成像方法有机融合，改变以往光栅扫描速度响应缓慢的不足，既能克服现有系统在速度、成本和效率方面的不足，又能发挥其光谱优势，有利于拓展太赫兹系统的应用范围，促进太赫兹技术的应用发展。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种太赫兹压缩成像系统，其特征在于，所述系统包括：

太赫兹波产生与探测单元，包括激光光源、太赫兹发射器、太赫兹探测器、快速延迟线和慢速延迟线，所述激光光源产生泵浦光和探测光，泵浦光经慢速延迟线折返后射向太赫兹发射器产生太赫兹辐射，探测光经过快速延迟线折返后汇聚在太赫兹探测器上；

太赫兹波编码测量单元，包括分光镜片、半导体掩膜板和数字投影装置，分光镜片一面镀有分光薄膜，分光薄膜对太赫兹波具有高反射性，而对数字投影装置的光束具有高透性，数字投影装置产生编码图案光束，作用于半导体掩膜板，引起半导体的载流子分布，半导体掩膜板允许特定的太赫兹波通过且与光束的图案保持一致，实现太赫兹波的空间调制，进而实现半导体掩膜板编码的功能，所述数字投影装置包括光源、光束扩展器和数字微镜设备，光源产生的光束经过光束扩展器投射在数字微镜设备上，所述光源为高功率LED光源；

太赫兹重建成像单元，用于利用重建算法恢复原始图像，实现太赫兹成像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述太赫兹发射器包括太赫兹源、若干聚焦透镜及若干准直透镜。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述太赫兹源为光电导天线、非线性晶体、太赫兹量子级联激光器或连续波太赫兹源。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述太赫兹探测器为光电导天线或非线性晶体。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分光镜片上的分光薄膜为氧化铟锡薄膜。

6.一种如权利要求1所述的太赫兹压缩成像系统的成像方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、根据压缩传感理论，将图像X采用二值随机矩阵构造M×N²的测量矩阵Φ，同时利用测量矩阵Φ的每一行构造N×N掩膜，共构造M×1个掩膜；

S2、用数字光投影技术分别将M个掩膜投影到半导体掩膜板上对太赫兹波进行调制，对样品实现线性测量并得到M×1个测量值Y，

S3、利用重建算法构造重构矩阵 其中R_xx表示输入信号的自相关函数；

S4、利用重构矩阵计算得到图像X的近似估计 对得到的按序重排列成N×N的图像，得到重建的太赫兹图像。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的重建算法为最小均方差线性矩阵法、预计梯度算法、布雷格曼距离算法或最小全变分法。