CN105548080A - 一种连续太赫兹波空间扫描相干衍射成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种连续太赫兹波空间扫描相干衍射成像系统及方法，CO₂泵浦太赫兹激光器用于输出连续太赫兹波；样品放置在二维平移台上，利用二维平移台移动样品，使得会聚光束依次对样品的每一位置进行扫描，通过样品后的出射光波传播到热释电探测器上，分别采集到不同位置的物体衍射图样。每一个位置记录一幅衍射图样，用s(j)表示采样的顺序。依次对采集到的每一幅衍射图样s(j)进行迭代回传再现，最终的到整幅图像的高分辨率的物体振幅和相位再现像。本系统是一种无透镜、光路简单，基于扫描的衍射成像方法，能有效对大尺寸物体进行成像，通过相位复原算法对一系列具有一定重叠的衍射图样进行重建，得到高分辨率率的物体的振幅和相位图像。

Description

一种连续太赫兹波空间扫描相干衍射成像系统及方法

技术领域

本发明涉及一种空间扫描相干衍射成像方法，特别是涉及一种连续太赫兹波空间扫描相干衍射成像方法(ContinuousTerahertzPtychography)，是一种相关搭建成像光路依靠相位复原算法获得物体细节信息的相衬成像技术。

背景技术

太赫兹波的光子能量只有毫电子伏特介于光子和电子之间，远远小于X射线能量，不会对成像样品产生破坏，尤其在生物成像方面，太赫兹成像不会对生物细胞和组织产生有害的电离效应而破坏被检测物质，非常适合生物样品的无损检测。太赫兹技术因其具有穿透性安全性等特性，在生物领域的应用前景非常广阔，例如对于生物组织器官中对可见光波段不透明的部位，通过太赫兹相衬图像可以获取，为仿生学和结构力学提供重要的设计依据，再如基于水分对太赫兹波的强烈吸收，可以对皮肤的水合作用和水分含量变化进行监测来表征皮肤组织病变或受损创伤程度，还包括太赫兹波成像对生物大分子和生物颗粒鉴别选择，区分肿瘤病变组织与正常组织，测量骨密度分布和骨质结构等等。因此需要一种太赫兹波段的相干衍射相衬成像方法，并在成像机理、实验装置设计、高质量高分辨率成像方面尽快开展研究，最终将其应用到生物医学检测中去解决一些实际的需求。

本发明旨在提出一种太赫兹波空间扫描相干衍射相衬成像技术，这是一项新型成像技术，其依靠无像差衍射同时无需镜头完成成像，成像样品尺寸不受探测器尺寸和光斑尺寸的影响，相比传统的焦平面成像技术其提供了更大的成像视场，成像分辨率不受探测器靶面尺寸的限制。太赫兹空间扫描相干衍射相衬成像实验光路结构非常简单，需要使用的光学元件非常少，由于太赫兹波强的衍射效应，这使得其对于太赫兹成像有很大的优势，是一种光路结构简单、无透镜、成像样品尺寸不受限于光斑尺寸，大视场，提高物体重建像分辨率的新型相衬成像方法。

发明内容

一种连续太赫兹波扫描相干衍射提高分辨率的方法，其特征在于：

一种连续太赫兹波空间扫描相干衍射成像系统，其系统光路如图1所示，包括CO₂泵浦太赫兹激光器1、反射镜2、离轴抛物面镜3、样品4、二维平移台5、热释电图像探测器6。CO₂泵浦太赫兹激光器1用于输出连续太赫兹波；反射镜2设置在CO₂泵浦太赫兹激光器1、离轴抛物面镜3之间，反射镜2用于将CO₂泵浦太赫兹激光器1的输出光波1a反射到离轴抛物面镜3上，入射到离轴抛物面镜3上面的入射光波3a在离轴抛物面镜的焦距处会聚形成会聚光束，会聚光束的光斑形状是圆形，将光斑入射到样品4上；样品4放置在二维平移台5上，利用二维平移台5移动样品，使得会聚光束依次对样品4的每一位置进行扫描，同时相邻照明光斑之间有确定的交叠率，通过样品后的出射光波4a传播到热释电探测器6上，分别采集到不同位置的物体衍射图样。每一个位置记录一幅衍射图样，j表示采集的幅数，用s(j)表示采样的顺序。

所述二维平移台5为水平面的横向和纵向移动平台。

本发明提出的一种连续太赫兹波扫描相干衍射相衬成像方法，其重建物体信息提高分辨率的迭代方法包括七步步骤：

(1)首先将依次采集到像素为N×M的衍射图样顺序标记为s(j)，j表示采集到的衍射图样的顺序，从s(0)在开始迭代，对物体和探针的复振幅值进行估计，分别表示为o_j,n(x-R,y)和p_j,n(x,y)，R为探针和物体之间的相对位移，设定样品横向移动，纵向移动量为零。探针的出射光波通过物体后为物体的复振幅值和探针复振幅值的乘积ψ_j,n(x,y)，即o_j,n(x-R,y)p_j,n(x,y)，这里(x,y)和(x',y')分别表示物面和记录面的空间坐标分布。

(2)将透过样品4的光波ψ_j,n(x,y)称为出射光波，出射光波通过角谱传播到探测器平面，作为记录平面开始迭代的初始复振幅值Φ_j,n(x',y',L)，开始迭代计算。

${\mathrm{\Φ}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)={\mathrm{FT}}^{-1}\left\{FT\right\{{\mathrm{\ψ}}_{j,n}\left(x,y\right)\left\}\right\}\exp \[j2\mathrm{\π}\sqrt{{\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\right)}^2-{f_x}^2-{f_y}^2}\]$

其中，指角谱传播核，即传递函数，FT和FT^-1分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，L为物面到记录面的传播距离，f_x，f_y为空间频率。

(3)传播到记录面的复振幅值Φ_j,n(x',y',L)的振幅由探测器采集到的强度衍射图样的均方根代替得到新的复振幅分布Φ'_j,n(x',y',L)。

${{\mathrm{\Φ}}^{\′}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)=\sqrt{I_{j,n}(x^{\′},y^{\′})}\frac{{\mathrm{\Φ}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)}{\left|{\mathrm{\Φ}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)\right|}$

(4)对更新得到的记录面的复振幅分布采用角谱算法回传到物面，得到新的物面的场分布ψ'_j,n(x,y)。

(5)通过两个更新函数更新初始的物体和探针的估计值，其中下式为更新函数1：

o_j,n+1(x-R,y)＝o_j,n(x-R,y)+U₁(x-R,y)[ψ_j,n(x-R,y)-ψ'_j,n(x-R,y)]

用来更新物体的复振幅值，其中

$U_1(x-R,y)=\mathrm{\α}\frac{p^{*}(x,y)}{|p(x,y){{|}^2}_{\max }}$

其中，α权重系数，取值一般在[0.9,1]之间。

(6)下式为更新函数2：

p_j,n+1(x,y)＝p_j,n(x,y)+U₂(x,y)[ψ_j,n(x-R,y)-ψ'_j,n(x-R,y)]

$U_2(x,y)=\mathrm{\β}\frac{o^{*}(x-R,y)}{|o(x-R,y){{|}^2}_{\max }}$

用来更新探针复振幅值，通过这两个更新函数分别得到了物体和探针新的复振幅函数，其中，β权重系数，取值一般在[0.9,1]之间。

(7)采用新的更新物函数和探针函数的乘积为退出光波的复振幅分布，更新步骤(1)中的复振幅ψ_j(x,y)，继续采用角谱算法回传到记录面，迭代从步骤(2)至步骤(7)，经过n次迭代后，得到更新得到高分辨率的物体分布。

(8)依次对采集到的每一幅衍射图样s(j)进行迭代回传再现，最终的到整幅图像的高分辨率的物体振幅和相位再现像。

有益效果

一种连续太赫兹波扫描相干衍射提高分辨率的方法，合理利用太赫兹波衍射效应强、元器件少的现状，是一种无透镜、光路简单，基于扫描的衍射成像方法，能有效对大尺寸物体进行成像，通过相位复原算法对一系列具有一定重叠的衍射图样进行重建，得到高分辨率率的物体的振幅和相位图像。

附图说明

图1是太赫兹连续波段空间扫描相干衍射成像方法的系统光路。

图2是太赫兹连续波段空间扫描相干衍射成像方法的对采集到的一系列衍射图样进行重建的流程图。

图中：1、CO₂泵浦太赫兹激光器，2、反射镜，3、离轴抛物面镜，4、样品，5、二维平移台，6、热释电图像探测器。

1a、输出光波，3a、入射光波，4a、出射光波。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的典型实施例及其特征。

本发明的一种连续太赫兹波扫描相干衍射相衬成像的方法，其特征在于移动样品本身，通过一个全透的小孔使入射光波照射到样品的不同部位，即由小孔控制光束尺寸、几何形状，并利用由此得到的一系列衍射强度图样重构出样品的振幅和相位信息，这种成像技术的关键在于每一次照射样品的一部分时，都要和至少一个照明部分发生重叠，即每一个衍射图样之间相互交叠，这样就可以建立一种重构算法在重构被照明的物体一个部分的复振幅时也要同时满足其他部分的衍射分布约束，使得最后样品的整体复振幅信息是每一个照明位置的共同解，从而恢复得到物体的复振幅。

其系统光路包括CO₂泵浦太赫兹激光器1、反射镜2、离轴抛物面镜3、样品4、三维平移台5、热释电图像探测器6。实验中的太赫兹激光器CO₂泵浦激光器，频率为2.52THz(对应中心波长为118.83μm)，其可产生平均功率为150mW的连续太赫兹波，激光器的输出光斑尺寸为11mm，发散角为13μrad，通过离轴抛物面镜后的会聚光束的光斑直径大约为1mm，热释电图像探测器8的像素个数为124×124像素，像素尺寸为85μm×85μm，像素间隔为100μm×100μm，采样频率为48Hz，样品采用老鼠的皮肤癌组织切片。

成像实验的样品选取为生物组织样品老鼠皮肤癌组织切片，热释电图像探测器探测得到的衍射图尺寸为124×124像素，每一次移动距离为2pixels，相邻光束之间的交叠面积为约为83％，对采集到的每一个物体的估计值迭代次数为100次，所有的衍射图样更新完为一次完整的迭代循环。

(1)首先将依次采集到的124×124像素衍射图样顺序标记为s(j)，j表示采集到的衍射图样的顺序，从s(0)在开始迭代，对物体和探针的复振幅值进行估计，分别表示为o_j,n(x-R,y)和p_j,n(x,y)，R为探针和物体之间的相对位移，这里设定样品横向移动，纵向移动量为零。探针的出射光波通过物体后为物体的复振幅值和探针复振幅值的乘积ψ_j,n(x,y)，即ψ_j,n(x,y)＝o_j,n(x-R,y)p_j,n(x,y)，这里(x,y)和(x',y')分别表示物面和记录面的空间坐标分布。

(2)将透过样品的光波ψ_j,n(x,y)称为出射光波，退出光波通过角谱传播到探测器平面，作为记录平面开始迭代的初始复振幅值Φ_j,n(x',y',L)，开始迭代计算。

${\mathrm{\Φ}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)={\mathrm{FT}}^{-1}\left\{FT\right\{{\mathrm{\ψ}}_{j,n}\left(x,y\right)\left\}\right\}\exp \[j2\mathrm{\π}\sqrt{{\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\right)}^2-{f_x}^2-{f_y}^2}\]$

其中，指角谱传播核，即传递函数，FT和FT^-1分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，L为物面到记录面的传播距离，f_x，f_y为空间频率。

(3)传播到记录面的复振幅值Φ_j,n(x',y',L)的振幅由探测器采集到的强度衍射图样的均方根代替得到新的复振幅分布Φ'_j,n(x',y',L)。

${{\mathrm{\Φ}}^{\′}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)=\sqrt{I_{j,n}(x^{\′},y^{\′})}\frac{{\mathrm{\Φ}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)}{\left|{\mathrm{\Φ}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)\right|}$

(4)对更新得到的记录面的复振幅分布采用角谱算法回传到物面，得到新的物面的场分布ψ'_j,n(x,y)。

(5)通过两个更新函数更新初始的物体和探针的估计值，其中更新函数1：

o_j,n+1(x-R,y)＝o_j,n(x-R,y)+U₁(x-R,y)[ψ_j,n(x-R,y)-ψ'_j,n(x-R,y)]

用来更新物体的复振幅值，其中

$U_1(x-R,y)=\mathrm{\α}\frac{p^{*}(x,y)}{|p(x,y){{|}^2}_{\max }}$

其中，α权重系数，取值一般在[0.9,1]之间，实验中取值为0.98。

(6)更新函数2：

p_j,n+1(x,y)＝p_j,n(x,y)+U₂(x,y)[ψ_j,n(x-R,y)-ψ'_j,n(x-R,y)]

$U_2(x,y)=\mathrm{\β}\frac{o^{*}(x-R,y)}{|o(x-R,y){{|}^2}_{\max }}$

用来更新探针复振幅值，通过这两个更新函数分别得到了物体和探针新的复振幅函数，其中，β权重系数，取值一般在[0.9,1]之间，实验中取值为0.95。

(7)采用新的更新物函数和探针函数的乘积为退出光波的复振幅分布，更新步骤(1)中的复振幅ψ_j(x,y)，继续采用角谱算法回传到记录面，迭代从步骤(2)至步骤(7)，经过100次迭代后，得到更新得到高分辨率的物体分布。

(8)依次对采集到的每一幅衍射图样s(j)进行迭代回传再现，最终的到整幅图像的高分辨率的物体振幅和相位再现像。

本发明的典型实施例的实验结果表明，通过该连续太赫兹波扫描相干衍射相衬成像方法能有效扩大成像视场，提高系统的成像分辨率，重建了生物样品老鼠皮肤癌组织的一系列衍射图，并通过对衍射图的相位重建，再现得到了分辨率较高的老鼠皮肤癌组织的复振幅图像。

尽管参考特定实施例详细描述了本发明，在此描述的本发明实施例没有打算是详尽的或者局限于所公开的具体形式。相反，所选的用于说明问题的实施例是为了使本技术领域内的技术人员实施本发明而选择的。在不脱离下面的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型例和修改例。

Claims (3)

1.一种连续太赫兹波空间扫描相干衍射成像系统，其特征在于：包括CO₂泵浦太赫兹激光器(1)、反射镜(2)、离轴抛物面镜(3)、样品(4)、二维平移台(5)、热释电图像探测器(6)；CO₂泵浦太赫兹激光器(1)用于输出连续太赫兹波；反射镜(2)设置在CO₂泵浦太赫兹激光器(1)、离轴抛物面镜(3)之间，反射镜(2)用于将CO₂泵浦太赫兹激光器(1)的输出光波(1a)反射到离轴抛物面镜(3)上，入射到离轴抛物面镜(3)上面的入射光波(3a)在离轴抛物面镜的焦距处会聚形成会聚光束，会聚光束的光斑形状是圆形，将光斑入射到样品(4)上；样品(4)放置在二维平移台(5)上，利用二维平移台(5)移动样品，使得会聚光束依次对样品(4)的每一位置进行扫描，同时相邻照明光斑之间有确定的交叠率，通过样品后的出射光波(4a)传播到热释电探测器(6)上，分别采集到不同位置的物体衍射图样；每一个位置记录一幅衍射图样，j表示采集的幅数，用s(j)表示采样的顺序。

2.根据权利要求1所述一种连续太赫兹波空间扫描相干衍射成像系统，其特征在于：所述二维平移台(5)为水平面的横向和纵向移动平台。

3.依权利要求1所述一种连续太赫兹波空间扫描相干衍射成像系统的方法，其特征在于：本方法包括七步步骤，

(1)首先将依次采集到像素为N×M的衍射图样顺序标记为s(j)，j表示采集到的衍射图样的顺序，从s(0)在开始迭代，对物体和探针的复振幅值进行估计，分别表示为o_j,n(x-R,y)和p_j,n(x,y)，R为探针和物体之间的相对位移，设定样品横向移动，纵向移动量为零；探针的出射光波通过物体后为物体的复振幅值和探针复振幅值的乘积ψ_j,n(x,y)，即o_j,n(x-R,y)p_j,n(x,y)，这里(x,y)和(x',y')分别表示物面和记录面的空间坐标分布；

(2)将透过样品4的光波ψ_j,n(x,y)称为出射光波，出射光波通过角谱传播到探测器平面，作为记录平面开始迭代的初始复振幅值Φ_j,n(x',y',L)，开始迭代计算；

${\mathrm{\Φ}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)={\mathrm{FT}}^{-1}\left\{\mathrm{FT}\right\{{\mathrm{\ψ}}_{j,n}(x,y)\left\}\right\}\exp \left[j2\mathrm{\π}\sqrt{{\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\right)}^2-f_x^2-f_y^2}\right]$

其中，指角谱传播核，即传递函数，FT和FT^-1分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，L为物面到记录面的传播距离，f_x，f_y为空间频率；

(3)传播到记录面的复振幅值Φ_j,n(x',y',L)的振幅由探测器采集到的强度衍射图样的均方根代替得到新的复振幅分布Φ'_j,n(x',y',L)；

${{\mathrm{\Φ}}^{\′}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)=\sqrt{I_{j,n}(x^{\′},y^{\′})}\frac{{\mathrm{\Φ}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)}{\left|{\mathrm{\Φ}}_{j,n}(x^{\′},y^{\′},L)\right|}$

(4)对更新得到的记录面的复振幅分布采用角谱算法回传到物面，得到新的物面的场分布ψ'_j,n(x,y)；

(5)通过两个更新函数更新初始的物体和探针的估计值，其中下式为更新函数1：

o_j,n+1(x-R,y)＝o_j,n(x-R,y)+U₁(x-R,y)[ψ_j,n(x-R,y)-ψ'_j,n(x-R,y)]

用来更新物体的复振幅值，其中

$U_1(x-R,y)=\mathrm{\α}\frac{p^{*}(x,y)}{{{\left|p(x,y)\right|}^2}_{\max }}$

其中，α权重系数，取值一般在[0.9,1]之间，实验中取值为0.98；

(6)下式为更新函数2：

p_j,n+1(x,y)＝p_j,n(x,y)+U₂(x,y)[ψ_j,n(x-R,y)-ψ'_j,n(x-R,y)]

$U_2(x,y)=\mathrm{\β}\frac{o^{*}(x-R,y)}{{{\left|o(x-R,y)\right|}^2}_{\max }}$

用来更新探针复振幅值，通过这两个更新函数分别得到了物体和探针新的复振幅函数，其中，β权重系数，取值一般在[0.9,1]之间；

(7)采用新的更新物函数和探针函数的乘积为退出光波的复振幅分布，更新步骤(1)中的复振幅ψ_j(x,y)，继续采用角谱算法回传到记录面，迭代从步骤(2)至步骤(7)，经过n次迭代后，得到更新得到高分辨率的物体分布；

(8)依次对采集到的每一幅衍射图样s(j)进行迭代回传再现，最终的到整幅图像的高分辨率的物体振幅和相位再现像。