CN106680240B - 一种连续太赫兹波双物距叠层成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种连续太赫兹波双物距叠层成像方法，该方法首先通过探测器得到的整幅衍射图，将透过样品的光波经角谱传播d1，到探测器平面，得到记录面Ⅰ的复振幅值；用探测器采集到的强度衍射图的均方根代替的振幅，得到新的复振幅分布。采用角谱算法将更新得到的记录面的复振幅回传到物面，得到新的物面的场分布。采用新的更新物函数和探针函数的乘积作为通过物体后出射光波的复振幅，扫描第i+1个位置，更新复振幅，直至扫描完成第k个位置，即扫描完成整个物面，得到更新的物函数。添加物面的约束条件更新物函数。将更新的函数重新作为物体的猜测函数；整体迭代后，得到更新得到高分辨率的整副物体图像的吸收和相位分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种叠层成像方法，特别是涉及一种连续太赫兹波双物距叠层成像方法，是一种基于双物距依靠相位复原算法提高重建像的分辨率的相衬成像技术。
背景技术
连续太赫兹波成像是根据获得的样品反射或投射波的强度像恢复出样品的细节信息的成像技术。在生物成像方面，连续太赫兹波与传统光源成像相比，具有主要具有以下特点：(1)安全性，太赫兹波的光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此不会破坏被检测样品，尤其是在生物成像方面，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；(2)惧水性，水分对太赫兹波有强烈的吸收，可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态，比如观察动物组织中脂肪和肌肉的分布，或者对皮肤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；(3)穿透性，许多的非金属非极性样品对THz波的吸收较小,使得探测样品内部信息成为可能，比如对人的牙齿成像，那么牙齿的正常部分与损蛀部分将很容易的区分开，同时不必照射X射线，对人体没有附加伤害。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连续太赫兹波双物距叠层成像方法，这是一项新型成像方法，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，同时，相比于单物距太赫兹叠层成像其分辨率可以得到很大的提高，收敛速度更快，可以实时成像。
发明内容
本发明采用的技术方案一种连续太赫兹波双物距叠层成像的方法，实现该方法的系统光路包括CO2泵浦太赫兹激光器1、反射镜2、第一镀金抛物面镜3、第二镀金抛物面镜4、样品5、三维平移台6、热释电图像探测器7、二维平移台8。
CO2泵浦太赫兹激光器1用于输出中心频率为2.52THz(对应中心波长为118.83μm)的连续太赫兹波；反射镜2用于将CO2泵浦太赫兹激光器1的输出光波1a反射成为反射光波2a，反射光波2a入射到第一镀金抛物面镜3上；第一镀金抛物面镜3和第二镀金抛物面镜4相对称布置并组成一个控制光束宽度的单元，反射光波2a经过第一镀金抛物面镜3后成为第一反射光波3a，第一反射光波3a经过第二镀金抛物面镜4成为第二反射光波4a，通过控制经过第二镀金抛物面镜4的第二反射光波4a的宽度，使得第二反射光波4a的传播方向平行；将这个第二反射光波4a入射到样品5上，样品5置于三维平移台6上，利用三维平移台6实现对样品5的位置调整，使得第二反射光波4a依次对样品5的每一位置进行横向扫描，同时相邻照明光斑之间有确定的交叠率，二维平移台8设置在三维平移台6一侧，热释电图像探测器7设置在二维平移台8上，通过样品5后的出射光波5a传播到热释电图像探测器7上，分别采集到不同位置样品5的衍射图样，然后移动二维平移台8，改变样品5到热释电图像探测器7的距离，然后再次采集不同位置样品5的衍射图样。当记录距离为d1时，每一个位置记录一幅衍射图样，i表示采集的幅数i＝1,2,···,k，k为整数；用表示采样的顺序，(x,y,d1)为记录面Ⅰ的坐标分布，Ri表示记录的衍射图的顺序；横向扫描完样品的每一位置，纵向移动二维平移台8，记录距离为d2时，再次横向扫描完样品5的每一位置，每一个位置记录一副衍射图样，用表示采样的顺序，(x1,y1,d2)记录面Ⅱ的坐标分布。
利用上述系统光路进行的一种连续太赫兹波双物距叠层成像方法，该方法包括以下步骤：
S1通过探测器得到的整幅衍射图尺寸为124×124像素，其中，dj表示第j个记录距离，j＝1,2；Ri表示记录的衍射图的顺序，i＝1,2,···,k，共记录k幅衍射图，(x,y,d1)记录面Ⅰ的坐标分布。
S2从在开始横向扫描重建，首先对样品5和探针的复振幅值进行探测，分别表示为Om,i(x0-xm,y0-ym,d)和Pm,i(x0,y0,d)，m表示迭代次数，m＝1,2,···,15。探针的出射光波通过样品5后为样品5的复振幅值和探针复振幅值的乘积即ψm,i(x0,y0,d)＝pm(x0-xm,y0-ym,d)Om,i(x0,y0,d)。这里(x0,y0,d)和(x,y,d1)分别表示物面和记录面的空间坐标分布。
S3将透过样品的光波ψm,i(x0,y0,d)经角谱传播d1(Angularspectrumpropagation，ASP)，到探测器平面，得到记录面Ⅰ的复振幅值为即
其中，F{}和F-1{}分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，d1为物面到记录面I的传播距离，λ表示波长，u、v为x、y方向上的空间频率，
S4用探测器采集到的强度衍射图的均方根代替第(3)步中的振幅，得到新的复振幅分布
S5采用角谱算法(ASP)将更新得到的记录面的复振幅回传到物面，得到新的物面的场分布ψ'm,i(x0,y0,d)。通过两个更新函数更新初始猜测的物体和探针，样品的更新函数为：
这里，α权重系数，取值在[0.9,1]之间，实验中取值为0.98。探针的更新函数：
这里，β权重系数，取值在[0.9,1]之间，实验中取值为0.98。
S6采用新的更新物函数和探针函数的乘积作为通过物体后出射光波的复振幅，扫描第i+1个位置，更新S3中的复振幅ψi+1,m(x0,y0,d)，从S3至S6继续扫描，直至扫描完成第k个位置，即扫描完成整个物面，得到更新的物函数，进行S7。
S7添加物面的约束条件更新物函数，物面的约束条件为：
所以，其中表示更新后物函数Om的相位。
S8将更新的函数Om(x0,y0,d)重新作为物体的猜测函数，探针的更新函数采用S5得到的更新函数Pm(x0,y0,d)，此时，透过样品的光波ψm,i(x0,y0,d)，通过角谱传播d2，到记录面Ⅱ上，得到记录面Ⅱ的复振幅值为即再次完成上述S3到S8。S3到S8的传播距离这时已经由d1更新为d2。当再一次的更新完成之后，在将传播距离再次更新为d1，依次迭代。
S9整体迭代15次后，得到更新得到高分辨率的整副物体图像的吸收和相位分布。
有益效果
一种连续太赫兹波双物距叠层成像提高分辨率的方法，合理利用太赫兹波衍射效应强、元器件少的现状，能够对大尺寸物体进行高分辨率实时成像。通过双物距相位复原算法，在物面和记录面同时添加约束条件，使得成像收敛速度远远高于传统叠层衍射成像，对一系列具有一定重叠的衍射图样进行重建，可以得到高分辨率的物体的振幅和相位图像。
附图说明
图1是连续太赫兹波双物距叠层成像方法的系统光路。
图2是连续太赫兹波双物距叠层成像方法对采集到的一系列衍射图样进行重建的流程图。
1、CO2泵浦太赫兹激光器，2、反射镜，3、第一镀金抛物面镜，4、第二镀金抛物面镜，5、样品，6、三维平移台，7、热释电图像探测器，8、二维平移台。
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双物距叠层成像的方法，其特征在于在不同记录距离下，移动样品本身，使入射光波按照扫描路径照射到样品的不同部位，即由第一镀金抛物面镜3和第二镀金抛物面镜4控制光束尺寸，设置三维平移台的移动步进，移动三维平移台，使得每一次照射样品的一部分时，都要和至少另一个照明部分发生重叠，即每一个衍射图样之间相互交叠，这样就建立起一种重构算法，对不同记录距离下的重建像进行约束，使得求解最后样品的整体复振幅信息的速度更快，成像分辨率更高，以至于可以实时成像。
其系统光路包括CO2泵浦太赫兹激光器1、反射镜2、第一镀金抛物面镜3、第二镀金抛物面镜样品4、样品5、三维平移台6、热释电图像探测器7、二维平移台8。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，通过第一抛物面镜3和第二镀金抛物面镜4调节照射到样品上的光斑直径，调节光斑直径为3mm，调节三维平移台6的移动步进为0.6mm，记录不同位置下样品的衍射图。记录完成之后，调节二维平移台8到样品5的距离，在不同记录距离下记录样品的衍射图样。热释电图像探测器7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，样品采用分辨率板。
成像实验的样品选取分辨率板，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0.6mm，相邻光束之间的交叠面积为约为80％，在记录为d1时，采集10x10个位置，然后移动三维平移台改变记录距离，在记录距离为d2时，采集相同10x10个位置的衍射图。对采集到的每一个物体的估计值迭代次数100次，使在记录距离d1下的衍射图样更新完，对第一次迭代得到的完整再现像进行约束，进行记录距离d2下的衍射图样更新，为一次完整的迭代循环。
(1)首先将在记录距离为d1时依次采集到的124×124像素衍射图样顺序标记为将在记录距离为d2时依次采集到的124×124像素衍射图样顺序标记为Ri表示记录的衍射图的的顺序(i＝1,2,···,k)。
(2)从在开始横向扫描重建，首先对物体和探针的复振幅值进行猜测，分别表示为Om,i(x0-xm,y0-ym,d)和Pm,i(x0,y0,d)。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即ψm,i(x0,y0,d)＝pm(x0-xm,y0-ym,d)Om,i(x0,y0,d)。这里(x0,y0,d)和(x,y,d1)分别表示物面和记录面的空间坐标分布，Ri表示扫描路径。
(3)将透过样品的光波ψm,i(x0,y0,d)经角谱传播d1(Angularspectrumpropagation，ASP)，到探测器平面，得到记录面Ⅰ的复振幅值为即
其中，F和F-1分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，d1为物面到记录面的传播距离，u,v为空间频率。
(4)用探测器采集到的强度衍射图的均方根代替第(3)步中的振幅，得到新的复振幅分布
(5)采用角谱算法将更新得到的记录面的复振幅回传到物面，得到新的物面的场分布ψ'm,i(x0,y0,d)。通过两个更新函数更新初始猜测的物体和探针，物体的更新函数为：
这里，α为权重系数，取值一般在[0.9,1]之间，实验中取值为0.98。探针的更新函数：
这里，β为权重系数，取值一般在[0.9,1]之间，实验中取值为0.98。
(6)采用新的更新物函数和探针函数的乘积作为通过物体后出射光波的复振幅，扫描第i+1个位置，更新步骤(3)中的复振幅ψi+1,m(x0,y0,d)，从步骤(3)至步骤(6)继续扫描，直至扫描完成第k个位置，即扫描完成整个物面，得到更新的物函数，进行第(7)步。
(7)添加物面的约束条件更新物函数，物面的约束条件为：
所以，
(8)将更新的函数Om(x0,y0,d)重新作为物体的猜测函数，探针的更新函数采用第(5)步得到的更新函数Pm(x0,y0,d)，此时，透过样品的光波ψm,i(x0,y0,d)，通过角谱传播d2，到记录面Ⅱ上，得到记录面Ⅱ的复振幅值为即再次完成上述第(3)步到第(8)步。特别注意上述第(3)步到第(8)步的传播距离这时已经由d1更新为d2。当再一次的更新完成之后，在将传播距离更新为d1，依次迭代。
(9)整体迭代15次后，得到更新得到高分辨率的整副物体图像的吸收和相位分布。
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双物距叠层成像方法能有效扩大成像视场，提高系统的成像分辨率，提高了成像的收敛速度，可以实时成像，重建了分辨率板的一系列衍射图，并通过对衍射图的相位重建，再现得到了分辨率较高的分辨率板的的振幅和相位图像。
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 (1)
1.一种连续太赫兹波双物距叠层成像方法，实现该方法的系统光路包括CO2泵浦太赫兹激光器(1)、反射镜(2)、第一镀金抛物面镜(3)、第二镀金抛物面镜(4)、样品(5)、三维平移台(6)、热释电图像探测器(7)、二维平移台(8)；
CO2泵浦太赫兹激光器(1)用于输出中心频率为2.52THz的连续太赫兹波；反射镜(2)用于将CO2泵浦太赫兹激光器(1)的输出光波(1a)反射成为反射光波(2a)，反射光波(2a)入射到第一镀金抛物面镜(3)上；第一镀金抛物面镜(3)和第二镀金抛物面镜(4)相对称布置并组成一个控制光束宽度的单元，反射光波(2a)经过第一镀金抛物面镜(3)后成为第一反射光波(3a)，第一反射光波(3a)经过第二镀金抛物面镜(4)成为第二反射光波(4a)，通过控制经过第二镀金抛物面镜(4)的第二反射光波(4a)的宽度，使得第二反射光波(4a)的传播方向平行；将这个第二反射光波(4a)入射到样品(5)上，样品(5)置于三维平移台(6)上，利用三维平移台(6)实现对样品(5)的位置调整，使得第二反射光波(4a)依次对样品(5)的每一位置进行横向扫描，同时相邻照明光斑之间有确定的交叠率，二维平移台(8)设置在三维平移台(6)一侧，热释电图像探测器(7)设置在二维平移台(8)上，通过样品(5)后的出射光波(5a)传播到热释电图像探测器(7)上，分别采集到不同位置样品(5)的衍射图样，然后移动二维平移台(8)，改变样品(5)到热释电图像探测器(7)的距离，然后再次采集不同位置样品(5)的衍射图样；当记录距离为d1时，每一个位置记录一幅衍射图样，i表示采集的幅数i＝1,2,···,k，k为整数；用表示采样的顺序，(x,y,d1)为记录面Ⅰ的坐标分布，Ri表示记录的衍射图的顺序；横向扫描完样品的每一位置，纵向移动二维平移台(8)，记录距离为d2时，再次横向扫描完样品(5)的每一位置，每一个位置记录一幅衍射图样，用表示采样的顺序，(x1,y1,d2)记录面Ⅱ的坐标分布；
其特征在于：该方法包括以下步骤，
S1通过探测器得到的整幅衍射图尺寸为124×124像素，其中，dj表示第j个记录距离，j＝1,2；Ri表示记录的衍射图的顺序，i＝1,2,···,k，共记录k幅衍射图，(x,y,d1)记录面Ⅰ的坐标分布；
S2从在开始横向扫描重建，首先对样品(5)和探针的复振幅值进行探测，分别表示为Om,i(x0-xm,y0-ym,d)和Pm,i(x0,y0,d)，m表示迭代次数，m＝1,2,···,15；探针的出射光波通过样品(5)后为样品(5)的复振幅值和探针复振幅值的乘积即ψm,i(x0,y0,d)＝pm(x0-xm,y0-ym,d)Om,i(x0,y0,d)；这里(x0,y0,d)和(x,y,d1)分别表示物面和记录面的空间坐标分布；
S3将透过样品的光波ψm,i(x0,y0,d)经角谱传播d1，到探测器平面，得到记录面Ⅰ的复振幅值为即
其中，F{}和F-1{}分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，d1为物面到记录面I的传播距离，λ表示波长，u、v为x、y方向上的空间频率，
S4用探测器采集到的强度衍射图的均方根代替步骤3中的振幅，得到新的复振幅分布
S5采用角谱算法(ASP)将更新得到的记录面的复振幅回传到物面，得到新的物面的场分布ψ'm,i(x0,y0,d)；通过两个更新函数更新初始猜测的物体和探针，样品的更新函数为：
这里，α权重系数，取值在[0.9,1]之间，实验中取值为0.98；探针的更新函数：
这里，β权重系数；
S6采用新的更新物函数和探针函数的乘积作为通过物体后出射光波的复振幅，扫描第i+1个位置，更新S3中的复振幅ψi+1,m(x0,y0,d)，从S3至S6继续扫描，直至扫描完成第k个位置，即扫描完成整个物面，得到更新的物函数，进行S7；
S7添加物面的约束条件更新物函数，物面的约束条件为：
所以，其中表示更新后物函数Om的相位；
S8将更新的函数Om(x0,y0,d)重新作为物体的猜测函数，探针的更新函数采用S5得到的更新函数Pm(x0,y0,d)，此时，透过样品的光波ψm,i(x0,y0,d)，通过角谱传播d2，到记录面Ⅱ上，得到记录面Ⅱ的复振幅值为即再次完成上述S3到S8；S3到S8的传播距离这时已经由d1更新为d2；当再一次的更新完成之后，在将传播距离再次更新为d1，依次迭代；
S9整体迭代后，更新得到高分辨率的整幅物体图像的吸收和相位分布。
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