CN107102526A - 基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统及成像方法 - Google Patents

基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统及成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统及成像方法，属于成像方法与成像系统技术领域，其目的在于解决传统连续太赫兹波共焦扫描成像中相位信息缺失的问题。首先在共焦扫描系统中引入参考光；然后在样品逐点扫描成像过程中，通过移动平面反射镜改变光程的方式动态改变参考光波相位，等效于合成一束平面参考光；利用太赫兹单点探测器记录相干强度，从而得到像面全息图；最后利用传统离轴像面全息再现算法得到物体振幅和相位再现像。

Description

基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统及成像方法
技术领域
本发明属于成像方法与成像系统技术领域，涉及一种基于太赫兹波空间逐点扫描的成像系统及全息成像方法。
背景技术
基于面阵探测器的太赫兹实时成像技术在动态成像上具有重要意义，但是与单点探测相比，面阵成像作用到物体的太赫兹波功率密度低，同时受限于当前太赫兹阵列探测器灵敏度和动态范围的问题，导致其信噪比较低，成像质量较差，因此基于扫描的成像方式在目前的太赫兹成像实际应用中依然占据着主要地位。然而，传统的连续太赫兹波共焦扫描方式只能获得强度成像，不能得到相衬图像，从而无法获得物光场的全部信息。尤其是对于弱吸收成像目标，如生物切片，其强度成像对比度低，相位信息能够更好的体现其组织结构差异。
发明内容
本发明的目的在于：针对传统连续太赫兹波共焦扫描成像中存在的相位信息缺失的问题，提出一种基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统及成像方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统，包括太赫兹波光源、分束片、聚焦扫描装置、参考装置以及相干探测装置，所述参考装置包括一维电动平移台以及放置在一维电动平移台上的平面反射镜，所述平面反射镜在一维电动平移台上可沿Z轴方向平移；所述太赫兹波光源产生的平行太赫兹波光束达到分束片，一部分太赫兹波光束在分束片上产生反射后进入聚焦扫描装置并聚焦至聚焦扫描装置的成像目标上，在成像目标上产生反射后达到分束片形成物光；一部分太赫兹波光束在分束片上产生透射后入射至平面反射镜，并在平面反射镜上产生反射后达到分束片形成参考光；所述物光与参考光进入相干探测装置并被相干探测装置的太赫兹探测器记录。
其中，所述太赫兹波光源包括太赫兹波激光器、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜，所述太赫兹波激光器输出的太赫兹波光束依次经第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜后形成平行太赫兹波光束并达到分束片。
其中，所述聚焦扫描装置包括第三离轴抛物面镜、成像目标、二维电动平移台，所述成像目标放置在二维电动平移台上，且所述成像目标在二维电动平移台上可沿X轴、Y轴方向平移；经分束片反射后的太赫兹波光束依次进入第三离轴抛物面镜、成像目标，并聚焦至成像目标上，成像目标反射的太赫兹波光束经第三离轴抛物面镜反射后达到分束片形成物光。
其中，所述相干探测装置包括第四离轴抛物面镜、太赫兹探测器，所述物光与参考光一起经第四离轴抛物面镜反射后进入太赫兹探测器被记录。
其中，所述太赫兹波激光器输出的太赫兹波为点频连续波。
其中，所述太赫兹探测器为单点探测器。
一种基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像方法，包括如下步骤：
步骤一、记录太赫兹反射式全息成像系统的平面反射镜在Z轴上的初始位置为Z0；设置太赫兹反射式全息成像系统的二维电动平移台在X方向和Y方向上的移动步长分别为△x和△y；
步骤二、控制二维电动平移台在X和Y方向上移动太赫兹反射式全息成像系统的成像目标，移动后的成像目标坐标记为(xi,yj)(i,j＝1…n)；每次移动后，控制太赫兹反射式全息成像系统的一维电动平移台在Z轴上相对于初始位置Z0移动太赫兹反射式全息成像系统的平面反射镜，移动距离为：
其中，α和β为合成平面参考光与X轴和Y轴的夹角；然后记录太赫兹反射式全息成像系统的太赫兹探测器的值，作为全息图H(i，j)的值，扫描完成后即获得全息图H；
步骤三、根据合成平面参考光与X轴和Y轴的夹角α和β，数字合成平面参考光复振幅图像，其每点值为：
其中，λ为太赫兹反射式全息成像系统的太赫兹波激光器输出的太赫兹波的波长；
步骤四、对步骤二中获得的全息图H以及步骤三中获得的合成平面参考光R采用离轴数字全息图像再现的方法获得复振幅再现结果。
其中，该太赫兹反射式全息成像系统采用上述的一种基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过在共焦扫描成像结构上引入动态改变相位的合成平面参考光，将连续太赫兹波共焦扫描成像与全息技术进行结合，通过太赫兹单点探测器获得高信噪比的像面全息图，利用傅里叶滤波再现技术获得复振幅成像结果，从而解决了传统连续太赫兹波共焦扫描成像中相位信息缺失的问题；并且该技术方案仅需要常规反射和分束元件，无需透镜，光路结构简单紧凑，非常适合太赫兹波空气中易衰减、元器件不丰富的现状；该系统基于空间扫描和高信噪比的太赫兹单点探测器，成像物体尺寸和成像视场不受限制，成像结果信噪比高，在生物医学、无损检测等领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标记：1-太赫兹波激光器、2-第一离轴抛物面镜、3-第二离轴抛物面镜、4-分束片、5-第三离轴抛物面镜、6-成像目标、7-二维电动平移台、8-平面反射镜、9-一维电动平移台、10-第四离轴抛物面镜、11-太赫兹探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统，该太赫兹反射式全息成像系统在共焦扫描结构的基础上，引入参考光，通过在成像目标6空间扫描过程中利用一维电动平移台9动态移动平面反射镜8改变参考光相位，等效于合成了一束平面参考光(即为合成平面参考光)，采用太赫兹单点探测器逐点采集数据，形成像面全息图，然后利用傅里叶滤波方法对成像目标6实现复振幅再现。这种成像技术的关键在于根据拟合成平面光的角度，针对每一个成像扫描点，动态改变参考光光程，从而达到合成平面参考光的目的。
该太赫兹反射式全息成像系统包括有太赫兹波光源、分束片4、聚焦扫描装置、参考装置以及相干探测装置，该参考装置包括一维电动平移台9和平面反射镜8，该平面反射镜8放置在一维电动平移台9上，且该平面反射镜8可在一维电动平移台9上沿如图1中所示的Z轴方向平移。该太赫兹波光源可产生平行太赫兹波，该太赫兹波光源产生的平行太赫兹波达到分束片4，该太赫兹波光源在分束片4上可分成两束。一部分太赫兹波光束在分束片4上产生反射后进入聚焦扫描装置内，并最终将太赫兹波聚焦到聚焦扫描装置的成像目标6上，然后太赫兹波在成像目标6上产生反射后到达分束片4形成物光。一部分太赫兹波光束在分束片4上产生透射后垂直入射至平面反射镜，并在平面反射镜上产生反射后到达分束片4形成参考光。然后物光和参考光一起进入相干探测装置，产生干涉，并最终被相干探测装置内的太赫兹探测器11记录。
该太赫兹波光源包括太赫兹波激光器1、第一离轴抛物面镜2、第二离轴抛物面镜3，该太赫兹波激光器1输出的太赫兹波光束依次经第一离轴抛物面镜2、第二离轴抛物面镜3后形成平行太赫兹波光束并达到分束片4。
该聚焦扫描装置包括第三离轴抛物面镜5、成像目标6、二维电动平移台7，该成像目标6放置在二维电动平移台7上，且该成像目标6在二维电动平移台7上可沿如图1中所示的X轴、Y轴方向平移；经分束片4反射后的太赫兹波光束依次进入第三离轴抛物面镜5、成像目标6，并聚焦至成像目标6上，成像目标6反射的太赫兹波光束经第三离轴抛物面镜5反射后达到分束片4形成物光。
该相干探测装置包括第四离轴抛物面镜10、太赫兹探测器11，该物光与参考光一起经第四离轴抛物面镜10反射后进入太赫兹探测器11被记录。
该太赫兹波激光器1输出的太赫兹波为点频连续波，且该太赫兹波激光器1输出的太赫兹波光束的中心频率可为1.63THz、2.52THz或3.11THz。
此外，该二维电动平移台7、一维电动平移台9、太赫兹探测器11均分别与计算机电连接。
该太赫兹探测器11为高莱单点探测器。
工作时，太赫兹波激光器1输出的太赫兹波光束依次经第一离轴抛物面镜2、第二离轴抛物面镜3后形成平行太赫兹波光束达到分束片4，其中一部分太赫兹波经分束片4反射进入第三离轴抛物面镜5，聚焦至成像目标6，由成像目标6反射的信号经过第三离轴抛物面镜5并透过分束片4，这一部分太赫兹波称为物光；另一部分太赫兹波透过分束片4垂直入射平面反射镜，反射后经过分束片4反射，这一部分称为参考光；物光波和参考光波一起经过第四离轴抛物面镜10进入探测器被记录。在工作时，通过二维电动平移台7控制成像目标6的位置，从而可采集成像目标6上不同位置点的信息；然后在通过二维电动平移台7调整成像目标6的位置时，一维电动平移台9也将平移平面反射镜8，使得成像目标6的每个位置点对应的参考光具有相位差，从而解决传统连续太赫兹波共焦扫描成像中相位信息缺失的问题，最终成像结果信噪比高。
一种基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像方法，该成像方法采用上述的成像系统进行成像。
本实施例中，选取金属成像目标6上刻蚀的复振幅图案为成像目标6；扫描以成像目标6左上角开始为起点，横向优先，扫描至右下角结束；具体成像过程包括如下步骤：
步骤一、记录平面反射镜8在一维电动平移台9上的初始位置为Z0；设置二维电动平移台7在X方向和Y方向上的移动步长△x和△y，本实施例中均设定为50um；
步骤二、控制二维电动平移台7在X和Y方向上移动成像目标6，移动后的成像目标6坐标记为(xi,yj)(i,j＝1…n)；每次移动后，控制一维电动平移台9在Z轴上相对于初始位置Z0移动平面反射镜8，移动距离为：
其中，α和β为合成平面参考光与X轴和Y轴的夹角，实验中设定α为45度，β为90度；然后记录太赫兹探测器11的值，作为全息图H(i，j)的值，扫描完成后即获得全息图H；，其中，该合成平面参考光为：通过在成像目标6空间扫描过程中利用一维电动平移台9动态移动平面反射镜8改变参考光相位，等效于合成了一束合成平面参考光。
步骤三、根据合成平面参考光与X轴和Y轴的夹角α和β，数字合成平面参考光复振幅图像，其每点值为：
其中，该常数k为虚数，λ为太赫兹反射式全息成像系统的太赫兹波激光器1输出的太赫兹波的波长；
步骤四、对步骤二中获得的全息图H以及步骤三中获得的合成平面参考光R采用离轴数字全息图像再现的方法获得复振幅再现结果。该离轴数字全息图像再现的方法主要为：对步骤二获得的像面全息图H进行傅里叶变换并滤掉零级像和共轭像频谱，然后反傅里叶变换，其结果与步骤三合成平面参考光R相乘即可获得复振幅再现结果。
优选，该成像目标6垂直于Z轴，合成平面参考光与X轴和Y轴的夹角α和β根据成像目标6频谱范围，取值范围为[0,π/2]
实施例1
一种基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统，包括太赫兹波光源、分束片4、聚焦扫描装置、参考装置以及相干探测装置，该参考装置包括一维电动平移台9以及放置在一维电动平移台9上的平面反射镜8，该平面反射镜8在一维电动平移台9上可沿Z轴方向平移；该太赫兹波光源产生的平行太赫兹波光束达到分束片4，一部分太赫兹波光束在分束片4上产生反射后进入聚焦扫描装置聚焦至聚焦扫描装置的成像目标6上，并在成像目标6上产生反射后达到分束片4形成物光；一部分太赫兹波光束在分束片4上产生透射后入射至平面反射镜，并在平面反射镜上产生反射后达到分束片4形成参考光；该物光与参考光进入相干探测装置并被相干探测装置的太赫兹探测器11记录。
实施例2
在实施例一的基础上，该太赫兹波光源包括太赫兹波激光器1、第一离轴抛物面镜2、第二离轴抛物面镜3，该太赫兹波激光器1输出的太赫兹波光束依次经第一离轴抛物面镜2、第二离轴抛物面镜3后形成平行太赫兹波光束并达到分束片4。
实施例3
在实施例一或实施例二的基础上，该聚焦扫描装置包括第三离轴抛物面镜5、成像目标6、二维电动平移台7，该成像目标6放置在二维电动平移台7上，且该成像目标6在二维电动平移台7上可沿X轴、Y轴方向平移；经分束片4反射后的太赫兹波光束依次进入第三离轴抛物面镜5、成像目标6，并聚焦至成像目标6上，成像目标6反射的太赫兹波光束经第三离轴抛物面镜5反射后达到分束片4形成物光。
实施例4
在上述实施例的基础上，该相干探测装置包括第四离轴抛物面镜10、太赫兹探测器11，该物光与参考光一起经第四离轴抛物面镜10反射后进入太赫兹探测器11被记录。
实施例5
在上述实施例的基础上，该太赫兹波激光器1输出的太赫兹波为点频连续波，且该太赫兹波激光器1输出的太赫兹波光束的中心频率可为1.63THz、2.52THz或3.11THz。
实施例6
在上述实施例的基础上，该太赫兹探测器11为单点探测器。
实施例7
一种基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像方法，包括如下步骤：
步骤一、记录太赫兹反射式全息成像系统的平面反射镜8在Z轴上的初始位置为Z0；设置太赫兹反射式全息成像系统的二维电动平移台7在X方向和Y方向上的移动步长分别为△x和△y；
步骤二、控制二维电动平移台7在X和Y方向上移动太赫兹反射式全息成像系统的成像目标6，移动后的成像目标6坐标记为(xi,yj)(i,j＝1…n)；每次移动后，控制太赫兹反射式全息成像系统的一维电动平移台9在Z轴上相对于初始位置Z0移动太赫兹反射式全息成像系统的平面反射镜8，移动距离为：
其中，α和β为合成平面参考光与X轴和Y轴的夹角；然后记录太赫兹反射式全息成像系统的太赫兹探测器11的值，作为全息图H(i，j)的值，扫描完成后即获得全息图H；
步骤三、根据合成平面参考光与X轴和Y轴的夹角α和β，数字合成平面参考光复振幅图像，其每点值为：
其中，λ为太赫兹反射式全息成像系统的太赫兹波激光器1输出的太赫兹波的波长；
步骤四、对步骤二获得的全息图H进行傅里叶变换并滤掉零级像和共轭像频谱，然后反傅里叶变，其结果与步骤三合成平面参考光R相乘换即可获得复振幅再现结果。
实施例8
在实施例七的基础上，该太赫兹反射式全息成像系统采用实施例一至实施例六中任一项所述的太赫兹反射式全息成像系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统，其特征在于：包括太赫兹波光源、分束片(4)、聚焦扫描装置、参考装置以及相干探测装置，所述参考装置包括一维电动平移台(9)以及放置在一维电动平移台(9)上的平面反射镜(8)，所述平面反射镜(8)在一维电动平移台(9)上可沿Z轴方向平移；所述太赫兹波光源产生的平行太赫兹波光束达到分束片(4)，一部分太赫兹波光束在分束片(4)上产生反射后进入聚焦扫描装置并聚焦至聚焦扫描装置的成像目标(6)上，在成像目标(6)上产生反射后达到分束片(4)形成物光；一部分太赫兹波光束在分束片(4)上产生透射后入射至平面反射镜(8)，并在平面反射镜(8)上产生反射后达到分束片(4)形成参考光；所述物光与参考光进入相干探测装置并被相干探测装置的太赫兹探测器(11)记录。
2.如权利要求1所述的基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统，其特征在于：所述太赫兹波光源包括太赫兹波激光器(1)、第一离轴抛物面镜(2)、第二离轴抛物面镜(3)，所述太赫兹波激光器(1)输出的太赫兹波光束依次经第一离轴抛物面镜(2)、第二离轴抛物面镜(3)后形成平行太赫兹波光束并达到分束片(4)。
3.如权利要求1所述的基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统，其特征在于：所述聚焦扫描装置包括第三离轴抛物面镜(5)、成像目标(6)、二维电动平移台(7)，所述成像目标(6)放置在二维电动平移台(7)上，且所述成像目标(6)在二维电动平移台(7)上可沿X轴、Y轴方向平移；经分束片(4)反射后的太赫兹波光束依次进入第三离轴抛物面镜(5)、成像目标(6)，并聚焦至成像目标(6)上，成像目标(6)反射的太赫兹波光束经第三离轴抛物面镜(5)反射后达到分束片(4)形成物光。
4.如权利要求1所述的基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统，其特征在于：所述相干探测装置包括第四离轴抛物面镜(10)、太赫兹探测器(11)，所述物光与参考光一起经第四离轴抛物面镜(10)反射后进入太赫兹探测器(11)被记录。
5.如权利要求1所述的基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统，其特征在于：所述太赫兹波激光器(1)输出的太赫兹波为点频连续波。
6.如权利要求1所述的基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像系统，其特征在于：所述太赫兹探测器(11)为单点探测器。
7.一种基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、记录太赫兹反射式全息成像系统的平面反射镜(8)在Z轴上的初始位置为Z0；设置太赫兹反射式全息成像系统的二维电动平移台(7)在X方向和Y方向上的移动步长分别为△x和△y；
步骤二、控制二维电动平移台(7)在X和Y方向上移动太赫兹反射式全息成像系统的成像目标(6)，移动后的成像目标(6)坐标记为(xi,yj)(i,j＝1…n)；每次移动后，控制太赫兹反射式全息成像系统的一维电动平移台(9)在Z轴上相对于初始位置Z0移动太赫兹反射式全息成像系统的平面反射镜(8)，移动距离为：
<mrow> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>x</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mo>)</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>y</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mo>)</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
其中，α和β为合成平面参考光与X轴和Y轴的夹角；然后记录太赫兹反射式全息成像系统的太赫兹探测器(11)的值，作为全息图H(i，j)的值，扫描完成后即获得全息图H；
步骤三、根据合成平面参考光与X轴和Y轴的夹角α和β，数字合成平面参考光复振幅图像，其每点值为：
<mrow> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <msub> <mi>&amp;pi;d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> </mrow> </msup> </mrow>
其中，λ为太赫兹反射式全息成像系统的太赫兹波激光器(1)输出的太赫兹波的波长；
步骤四、对步骤二中获得的全息图H以及步骤三中获得的合成平面参考光R采用离轴数字全息图像再现的方法获得复振幅再现结果。
8.如权利要求7所述的基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像方法，其特征在于：所述太赫兹反射式全息成像系统包括太赫兹波光源、分束片(4)、聚焦扫描装置、参考装置以及相干探测装置，所述参考装置包括一维电动平移台(9)以及放置在一维电动平移台(9)上的平面反射镜(8)，所述平面反射镜(8)在一维电动平移台(9)上可沿Z轴方向平移；所述太赫兹波光源产生的平行太赫兹波光束达到分束片(4)，一部分太赫兹波光束在分束片(4)上产生反射后进入聚焦扫描装置聚焦至聚焦扫描装置的成像目标(6)上，并在成像目标(6)上产生反射后达到分束片(4)形成物光；一部分太赫兹波光束在分束片(4)上产生透射后入射至平面反射镜(8)，并在平面反射镜(8)上产生反射后达到分束片(4)形成参考光；所述物光与参考光进入相干探测装置并被相干探测装置的太赫兹探测器(11)记录。
9.如权利要求8所述的基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像方法，其特征在于：所述太赫兹波光源包括太赫兹波激光器(1)、第一离轴抛物面镜(2)、第二离轴抛物面镜(3)，所述太赫兹波激光器(1)输出的太赫兹波光束依次经第一离轴抛物面镜(2)、第二离轴抛物面镜(3)后形成平行太赫兹波光束并达到分束片(4)。
10.如权利要求8所述的基于逐点扫描的太赫兹反射式全息成像方法，其特征在于：所述聚焦扫描装置包括第三离轴抛物面镜(5)、成像目标(6)、二维电动平移台(7)，所述成像目标(6)放置在二维电动平移台(7)上，且所述成像目标(6)在二维电动平移台(7)上可沿X轴、Y轴方向平移；经分束片(4)反射后的太赫兹波光束依次进入第三离轴抛物面镜(5)、成像目标(6)，并聚焦至成像目标(6)上，成像目标(6)反射的太赫兹波光束经第三离轴抛物面镜(5)反射后达到分束片(4)形成物光。
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