CN108344711B - 一种提高太赫兹脉冲成像分辨率的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高太赫兹脉冲成像分辨率的方法及系统。所述系统包括：太赫兹脉冲发生器、介质微球、待测光栅、扫描平台及计算机，其中：所述太赫兹脉冲发生器用于产生太赫兹波；所述介质微球位于所述太赫兹脉冲发生器和所述待测光栅之间，且所述介质微球放置于所述太赫兹脉冲波形成的光斑聚焦点处；所述扫描平台用于获取所述太赫兹波经过所述介质微球照射到所述待测光栅的待扫描区域的成像点；所述计算机用于对所述获取的成像点进行数据处理，确定太赫兹脉冲成像。利用本发明获得的太赫兹成像分辨率可超越衍射极限，较常规远场太赫兹成像的分辨率提高一个数量级。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种提高太赫兹脉冲成像分辨率的方法及系统。
背景技术
太赫兹成像技术，因其具有能量低、透光率高、波谱范围宽、空间分辨率高等独特的分析能力，已经在生物医学、安全检查、航空航天等领域展现了巨大的优势及潜在的应用价值。目前已经在确定生物组织癌变、探测隐蔽武器、检测毒品与炸药、封装检测和质量监控等方面展现出良好的应用前景。近年来，随着一系列新技术、新材料的发现和应用，太赫兹科学与技术得到了前所未有的新发展，与此同时，太赫兹成像技术也得到了不断深入的发展，而人们对于太赫兹成像系统所能达到的更高的性能指标，如更高的分辨率、更快的成像速度等也提出了越来越高的要求。因此，探索提高太赫兹成像分辨率的方法对现有太赫兹成像技术的改进与发展尤为重要。
目前，在通常的远场太赫兹成像系统中，由于太赫兹辐射的波长较长，其衍射效应的限制往往使成像分辨率只能达到毫米量级。传统提高太赫兹成像系统分辨率的方法主要是从太赫兹成像方式上的改进以及图像处理方面进行的尝试，包括太赫兹近场成像技术、太赫兹共焦扫描成像、对太赫兹图像进行图像复原处理等，这些方法都能提高太赫兹成像的分辨率，但是大都是以损失能量、损失光谱信息为代价的，并且具有操作复杂、提取信息困难等问题。
在传统光学显微技术中，传统光学显微镜的成像分辨率被限制在200nm左右，传统的太赫兹成像分辨率的方法具有灵敏度和信噪比被限制、频谱分量丢失、THz辐射转化效率低等缺点。
因此，如何提出一种方法，能够提高太赫兹脉冲成像分辨率的方法，成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种提高太赫兹脉冲成像分辨率的方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供一种提高太赫兹脉冲成像分辨率的系统，包括：太赫兹脉冲发生器、介质微球、待测光栅、扫描平台及计算机，其中：
所述太赫兹脉冲发生器用于产生太赫兹波；
所述介质微球位于所述太赫兹脉冲发生器和所述待测光栅之间，且所述介质微球放置于所述太赫兹脉冲波形成的光斑聚焦点处；
所述扫描平台用于获取所述太赫兹波经过所述介质微球照射到所述待测光栅的待扫描区域的成像点；
所述计算机用于对所述获取的成像点进行数据处理，确定太赫兹脉冲成像。
第二方面，本发明实施例提供一种提高太赫兹脉冲成分辨率像的方法，包括：
获取太赫兹波经过介质微球照射到待测光栅的待扫描区域的成像点，其中，所述介质微球置于所述待测光栅前且所述介质微球放置于所述太赫兹脉冲波形成的光斑聚焦点处；
对获取的所述待扫描区域的成像点进行处理，确定太赫兹脉冲成像。
本发明实施例提供的提高太赫兹脉冲成像分辨率的系统和方法，在待测光栅前放置介质微球，获取前置介质微球的太赫兹成像图，与未放置介质微球的太赫兹成像图相比，提高了太赫兹成像的分辨率，并且利用本发明获得的太赫兹成像分辨率可超越衍射极限，较常规远场太赫兹成像的分辨率提高一个数量级。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的提高太赫兹脉冲成像分辨率系统的结构示意图；
图2为本发明又一实施例提供的提高太赫兹脉冲成像分辨率系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的透射式太赫兹脉冲成像系统测得的未放置微球时成像系统的分辨率；
图4为本发明实施例提供的透射式太赫兹脉冲成像系统测得的前置微球时成像系统的分辨率；
图5a-5b为本发明实施例提供的前置微球和未放置微球时成像的最大值时域模式成像的对比图；
图5c-5d为本发明实施例提供的前置微球和未放置微球时成像的最小值时域模式成像的对比图；
图6-1-a-图6-8-b为本发明实施例的前置微球和未放置微球时在预设频率下频域模式成像的对比图；
图7为本发明实施例提供的提高太赫兹脉冲成像分辨率方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的提高太赫兹脉冲成像分辨率系统的结构示意图，如图1所示，所述系统包括：太赫兹脉冲发生器10、介质微球20、待测光栅30、扫描平台40及计算机50，其中：
所述太赫兹脉冲发生器10用于产生太赫兹波；
所述介质微球20位于所述太赫兹脉冲发生器和所述待测光栅之间，且所述介质微球放置于所述太赫兹脉冲波形成的光斑聚焦点处；
所述扫描平台40用于获取所述太赫兹波经过所述介质微球照射到所述待测光栅的待扫描区域的成像点；
所述计算机50用于对所述获取的成像点进行数据处理，确定太赫兹脉冲成像。
图2为本发明又一实施例提供的提高太赫兹脉冲成像分辨率系统的结构示意图，如图2所示，在实际的操作中可采用如图2所示的太赫兹成像系统，所述系统包括：太赫兹脉冲发生器10、介质微球20、待测光栅30、扫描平台40及计算机50，其中：
所述太赫兹脉冲发生器10用于产生太赫兹波；其中，所产生的太赫兹波信号的动态范围在3000以上，频谱宽度为0.1到3.0THz，信号时域峰值处的信噪比超过600，具有10GHz以上的频谱分辨能力。
所述介质微球20位于所述太赫兹脉冲发生器和所述待测光栅之间，且所述介质微球放置于所述太赫兹脉冲波形成的光斑聚焦点处；在实际的操作中，将介质微球放置于待测光栅前的太赫兹光斑聚焦点处，并固定介质微球的位置，介质微球与待测光栅之间的距离控制在1mm之内。
待测光栅30即为扫描样品，具体为宽度120μm的硅介质光栅。其中，宽度为120μm的硅介质光栅是利用激光直写技术在硅介质板上打标所得。
所述扫描平台40用于获取所述太赫兹波经过所述介质微球照射到所述待测光栅的待扫描区域的成像点；首先，在所述待测光栅上确定待测成像区域并标记，将所述待测光栅固定到样品架上，并放入透射式太赫兹成像系统的扫描平台40上，为了得到包含所述待测光栅信息的透射时域波形，需要对不同的时间延迟进行扫描，得到数据结构x×y×t的时域信息。
所述计算机50用于对所述获取的成像点进行数据处理，确定太赫兹脉冲成像。在扫描平台进行扫描获取成像点数据的同时，在计算机上打开太赫兹成像系统记录软件，进行对应的参数设置，设置完成后，进行扫描；太赫兹成像系统的操作是通过控制软件进行的，例如Labview软件，然后将每一个成像点的数据保存至相应的文件夹内，利用MATLAB软件编程进行数据处理。
本发明实施例提供的太赫兹脉冲成像的系统，在待测光栅前放置介质微球，获取太赫兹波经过所述介质微球照射到所述待测光栅的待扫描区域的太赫兹成像图，与未放置介质微球时太赫兹波照射到所述待测光栅的待扫描区域的太赫兹成像图相比，提高了太赫兹成像的分辨率，利用本发明获得的太赫兹成像分辨率可超越衍射极限，较常规远场太赫兹成像的分辨率提高一个数量级。
在上述实施例的基础上，所述介质微球采用的材料是聚四氟乙烯，聚四氟乙烯在太赫兹波段基本是透明的，对太赫兹波的吸收小，使用到的聚四氟乙烯的介质微球基本不会对太赫兹振幅的大小有所影响，其中，所述折射率是1.35，在太赫兹波透过介质微球照射到所述待测光栅，使得所述太赫兹波进一步汇聚成极小尺寸的聚焦光斑，使得成像更加清晰；在系统工作的过程中，优选地，所述介质微球直径大小为3mm，若所述介质微球直径太大，造成系统资源的浪费，若所述介质微球直径太小，则无法将所述太赫兹波全部发生折射，进行聚焦，造成测试结果不准确。
可选地，所述系统的测试条件是：湿度为15％，温度为20℃。
在上述实施例的基础上，整个的太赫兹成像系统的测试条件是湿度为15％，温度为20℃，在所述温度和湿度条件下，所述聚四氟乙烯的结构稳定，并且聚四氟乙烯的分子呈打开方式，利于太赫兹波的传递，并且整个样品池内未冲氮气，以确保测量时的环境与实际鉴定时的环境一致。
可选地，所述计算机用于对所述获取的成像点进行数据处理，确定太赫兹脉冲成像具体为：
对所获取的成像点进行时域信号处理，并查找时域振幅数据最大值和/或最小值的成像点，获得最大值和/或最小值时域模式的太赫兹脉冲成像图；
和/或，
对所获取的成像点进行频域信号处理，获得预设频率的频域模式的太赫兹脉冲成像图。
在上述实施例的基础上，在获取到待测光栅的待扫描区域的成像点后，在计算机上对数据进行处理，重构太赫兹脉冲图像，所述太赫兹脉冲图像可以是获取扫描区域的时域模式成像图，可以是获取扫描区域的频域模式成像图，也可以是两种模式的成像图都获取，上述方式均能实现对前置微球和未放置微球时成像结果的对比，具体在实际测试的过程中可根据需求自行选择。
需要说明的是，太赫兹成像的突出特点是信息量大，即可以时域成像，又可以频域成像，但是两者反映样品的不同信息，有时候是互补的。
本发明提供的提高太赫兹成像分辨率的方法与其他方法相比，最大的优点是光通量和光谱宽度都没有任何损失，因此，上述的两种成像方式都可以应用。
由于扫描采集的数据是时域信号，一种可实现的方式，在时域显示模式中，进行最大值和/或最小值的太赫兹脉冲成像，具体在实现过程中可根据需要进行最大值太赫兹脉冲成像或最小值的太赫兹脉冲成像，也可以同时实现两种太赫兹脉冲成像；
又一种可实现的方式，将获取到的时域信号转换成频域信号进行处理，在频域显示模式中，对特定频率进行太赫兹脉冲成像。
具体地，利用太赫兹成像系统获取扫描区域的透射时域信号数据，包括：利用太赫兹成像系统对扫描区域进行逐点扫描，得到每个扫描点的透射时域信号数据；将每个扫描点的透射时域信号数据按逐点扫描的次序排列，获得扫描区域的透射时域信号数据；其中，透射时域信号数据包括透射时域振幅数据。
其中，基于可视化软件将扫描区域的透射时域信号数据进行时域显示模式成像，包括：在扫描区域的透射时域信号数据中查找每个扫描点的透射时域振幅数据中的最大值，将每个扫描点的最大值输入可视化软件进行成像，获得最大值时域模式成像图，如图5a-5b为本发明实施例提供的前置微球和未放置微球时成像的最大值时域模式成像的对比图；或者，在扫描区域的透射时域信号数据中查找每个扫描点的透射时域振幅数据中的最小值，将每个扫描点的最小值输入可视化软件进行成像，获得最小值时域模式成像图，如图5c-5d为本发明实施例提供的前置微球和未放置微球时成像的最小值时域模式成像的对比图。
对所述时域信号数据进行频域分析，获取扫描区域的频域模式成像图，包括：将扫描区域的透射时域信号数据经傅里叶变换得到扫描区域的透射频域信号数据；基于可视化软件将扫描区域的透射频域信号数据进行频域显示模式成像，获得扫描区域的频域模式成像图；其中，透射频域信号数据包括透射频域振幅数据。
其中，基于可视化软件将扫描区域的透射频域信号数据进行频域显示模式成像，包括：在扫描区域的透射频域信号数据中查找每个扫描点在预设频率下的透射频域振幅数据，将每个扫描点在预设频率下的透射频域振幅数据输入可视化软件进行成像，获得预设频率的频域模式成像图。具体地，扫描区域的透射时域信号数据进行傅里叶变换得到对应的透射频域信号数据。傅里叶变换公式如下：
Esam(ω)＝FFT[fx,y(t)]，
上式中，fx,y(t)为时域信号数据表达式，Esam(ω)为频域信号数据表达式。
保存获得的透射频域信号数据，利用基于MATLAB软件自主开发的太赫兹图像重构可视化软件，将扫描区域的透射频域信号数据进行频域显示模式成像。
在上述实施例的基础上，太赫兹脉冲成像系统可采用逐点扫描的方式对测试样品进行扫描，逐点扫描的方式的一个显著特点是信息量大，任意一个测量点对应一个太赫兹时域信号数据，通过对时域谱进行傅里叶变换又可得到每一点的太赫兹频域信号数据；通过对时域信号数据的处理，可以获得时域模式成像图，通过对频域信号数据的处理，可以获得频域模式成像图。这一特点并不单单意味着太赫兹成像可以表达成各种形式，重要的是不同的形式可以解释不同特征，以提供更多的物体信息。
具体的，时域模式成像是在太赫兹波的时域信号数据中提取出反应样品信息的数据的成像，任一时域信息的变化，都是样品所有频率成分影响的综合反映，是一个平均的效果，因此通常有较好的成像效果，在时域模式成像中，不同的成像方式之间像质差别比较小；频域模式成像是在太赫兹波的频域信号数据中提取出反应样品信息的数据的成像，针对频谱中某一特定频率所对应的振幅、功率、相位、吸收系数或折射率，所得的图像的对比度变化明显。
其中，预设频率的取值范围为携带超精细结构信息的高频波段。
在上述实施例的基础上，具体地，在进行频域信号处理分析时，预设频率的取值范围可以为携带超精细结构信息的高频波段，优先地，可以选择1.8THz-3THz，在该频率范围内的透射频域振幅数据可以获得前置微球和未放置微球情况下对比明显的频域模式成像图，如图6-1-a-图6-8-b所示。
为了验证本发明实施例中采用介质微球进行太赫兹成像能够提高成像分辨率，还进行了未放置介质微球时的太赫兹成像，未放置介质微球和前置介质微球在同样的环境进行，如图3所示为未放置微球时成像系统的分辨率，图4为前置微球时成像系统的分辨率，由图3和图4所示的分辨率的图像，可清楚看到前置微球时的成像的分辨率更高。
为了更好的说明本发明，前置微球的太赫兹成像的分辨率高于未放置微球的太赫兹成像的分辨率，图6-1-a-图6-8-b为本发明实施例的前置微球和未放置微球时在预设频率下频域模式成像的对比图，在频率分别为1.8THz，2.0THz，2.1THz，2.2THz，2.4THz，2.6THz，2.8THz，3.0THz时，前置微球时对应的振幅成像图均可以清晰地识别出所表现的扫描区域内光栅条纹轮廓；对于未放置微球时，在上述频率下其频域模式成像图均无法识别光栅条纹轮廓。
本发明实施例提供的利用介质微球实现太赫兹脉冲成像的系统，通过获取扫描区域的太赫兹成像图，将太赫兹成像图上所表现的前置微球的扫描区域和未放置介质微球的扫描区域的吸收光谱的图像特征进行对比，以鉴别介质微球能够提高太赫兹成像分辨率的能力；充分利用了介质微球产生的光子纳米喷射效应，能够将近场信息耦合并传播到远场的机理，使太赫兹成像图表现的吸收光谱的图像特征能够充分、直观的展示对比物的区别信息，更好的体现出介质微球提高分辨率的能力，实现对太赫兹成像分辨率的提高。
图7为本发明实施例提供的太赫兹脉冲成像方法的流程示意图，如图7所示，所述方法包括：
S101、获取太赫兹波经过介质微球照射到待测光栅的待扫描区域的成像点，其中，所述介质微球置于所述待测光栅前且所述介质微球放置于所述太赫兹脉冲波形成的光斑聚焦点处；
S102、对获取的所述待扫描区域的成像点进行处理，确定太赫兹脉冲成像。
基于上述的太赫兹脉冲成像系统，本发明实施例提供的提高太赫兹脉冲成像分辨率的方法，在待测光栅上选取扫描区域，且所述介质微球放置于太赫兹脉冲波形成的光斑聚焦点处，获取扫描区域的太赫兹成像点，并对获取的所述待扫描区域的成像点进行处理，确定太赫兹脉冲成像。
具体地，本发明实施例的太赫兹脉冲成像系统中，钛蓝宝石飞秒激光器产生的激光脉冲经过分光镜后被分为两束，一束为较强的泵浦光，经延迟线和斩波器调制后聚到到InAs(砷化铟)晶体上激发出太赫兹脉冲，太赫兹脉冲经两个离轴抛物面镜准直入射到样品上，再经过另外两个金属抛物面镜聚焦到ZnTe(碲化锌)探测晶体；另一束较弱的为探测光，经延迟、二分之一波片和四分之一波片后与太赫兹脉冲汇合后共线地通过ZnTe探测晶体。这时太赫兹脉冲的电场经过线性电光效应调制ZnTe探测晶体的折射率椭球，探测光偏振态随之发生改变，经沃拉斯顿棱镜进入平衡二极管进行探测，信号送入锁相放大器，经处理后得到用于太赫兹成像的数据。
本发明实施例提供的太赫兹脉冲成像的方法，在待测光栅前放置介质微球，获取前置介质微球的太赫兹成像图，与未放置介质微球的太赫兹成像图相比，提高了太赫兹成像的分辨率，利用本发明获得的太赫兹成像分辨率可超越衍射极限，较常规远场太赫兹成像的分辨率提高一个数量级。
可选地，所述获取太赫兹波经过介质微球照射到待测光栅的待扫描区域的成像点，具体为：
采用逐点扫描方式对太赫兹波经过介质微球照射到所述待测光栅的待扫描区域进行扫描，获取所述待扫描区域的成像点的二维坐标数据。
在上述实施例的基础上，太赫兹成像系统对扫描区域采用逐点扫描的方式，即在一个点获得数据结构为x×y×t的透射时域信号数据后，移动待扫描光栅的位置，获得其他扫描点的结构为x×y×t的透射时域信号数据，直至获得扫描区域内所有扫描点的透射时域信号数据，扫描点的数量由扫描区域的大小和扫描间隔决定，例如，在扫描区域内横向的扫描点的数量为m个，纵向扫描点的数量为n个，则扫描区域总共的扫描点的数量为m×n个，对扫描区域扫描完成后共获得m×n组数据结构为x×y×t的透射时域信号数据，将该m×n组数据按逐点扫描的次序排列在一起，获得扫描区域的透射时域信号数据。其中，透射时域信号数据包括透射时域振幅数据，透射时域振幅数据反映了太赫兹波透射后的信号强度信息，充分体现扫描区域对太赫兹波的吸收特性。
可选地，所述对获取的所述待扫描区域的成像点进行处理，确定太赫兹脉冲成像，具体为：
对所获取的成像点进行时域信号处理，并查找时域振幅数据最大值和/或最小值的成像点，获得最大值和/或最小值时域模式的太赫兹脉冲成像图；
和/或，
对所获取的成像点进行频域信号处理，获得预设频率的频域模式的太赫兹脉冲成像图。
具体的，打开太赫兹成像系统控制软件，进行对应的参数设置，为了得到包含样品信息的透射时域信号数据，通过改变探测光与泵浦光的光程差，对不同的时间延迟进行扫描，获得数据结构为x×y×t的透射时域信号数据；其中，太赫兹成像系统的操作通过Labview软件支持的控制软件实施。
保存获得的透射时域信号数据，利用基于MATLAB软件自主开发的太赫兹图像重构可视化软件，将扫描区域的透射时域信号数据进行时域显示模式成像。
在上述实施例的基础上，在获取到待测光栅的待扫描区域的成像点后，在计算机上对数据进行处理，确定太赫兹脉冲图像，所述太赫兹脉冲图像可以是获取扫描区域的时域模式成像图，可以是获取扫描区域的频域模式成像图，两种方式均能实现对前置微球和未放置微球时成像结果的对比，具体在实际测试的过程中可根据需求自行选择。
需要说明的是，太赫兹成像的突出特点是信息量大，即可以时域成像，又可以频域成像，但是两者反映样品的不同信息，有时候是互补的。
本发明提供的提高太赫兹成像分辨率的方法与其他方法相比，最大的优点是光通量和光谱宽度都没有任何损失，因此，上述的两种成像方式都可以应用。
由于扫描采集的数据是时域信号，一种可实现的方式，在时域显示模式中，进行最大值和/或最小值的太赫兹脉冲成像，具体在实现过程中可根据需要进行最大值太赫兹脉冲成像或最小值的太赫兹脉冲成像，也可以同时实现两种太赫兹脉冲成像；
又一种可实现的方式，将获取到的时域信号转换成频域信号进行处理，在频域显示模式中，对特定频率进行太赫兹脉冲成像。
具体地，利用太赫兹成像系统获取扫描区域的透射时域信号数据，包括：利用太赫兹成像系统对扫描区域进行逐点扫描，得到每个扫描点的透射时域信号数据；将每个扫描点的透射时域信号数据按逐点扫描的次序排列，获得扫描区域的透射时域信号数据；其中，透射时域信号数据包括透射时域振幅数据。
其中，基于可视化软件将扫描区域的透射时域信号数据进行时域显示模式成像，包括：在扫描区域的透射时域信号数据中查找每个扫描点的透射时域振幅数据中的最大值，将每个扫描点的最大值输入可视化软件进行成像，获得最大值时域模式成像图；或者，在扫描区域的透射时域信号数据中查找每个扫描点的透射时域振幅数据中的最小值，将每个扫描点的最小值输入可视化软件进行成像，获得最小值时域模式成像图。
对所述时域信号数据进行频域分析，获取扫描区域的频域模式成像图，包括：将扫描区域的透射时域信号数据经傅里叶变换得到扫描区域的透射频域信号数据；基于可视化软件将扫描区域的透射频域信号数据进行频域显示模式成像，获得扫描区域的频域模式成像图；其中，透射频域信号数据包括透射频域振幅数据。
其中，基于可视化软件将扫描区域的透射频域信号数据进行频域显示模式成像，包括：在扫描区域的透射频域信号数据中查找每个扫描点的在预设频率下的透射频域振幅数据，将每个扫描点的预设频率下的透射频域振幅数据输入可视化软件进行成像，获得预设频率的频域模式成像图。
具体地，扫描区域的透射时域信号数据进行傅里叶变换得到对应的透射频域信号数据。傅里叶变换公式如下：
Esam(ω)＝FFT[fx,y(t)]，
上式中，fx,y(t)为时域信号数据表达式，Esam(ω)为频域信号数据表达式。
保存获得的透射频域信号数据，利用基于MATLAB软件自主开发的太赫兹图像重构可视化软件，将扫描区域的透射频域信号数据进行频域显示模式成像。
在上述实施例的基础上，具体地，太赫兹脉冲成像系统可采用逐点扫描的方式对测试样品进行扫描，逐点扫描的方式的一个显著特点是信息量大，任意一个测量点对应一个太赫兹时域信号数据，通过对时域谱进行傅里叶变换又可得到每一点的太赫兹频域信号数据；通过对时域信号数据的处理，可以获得时域模式成像图，通过对频域信号数据的处理，可以获得频域模式成像图。这一特点并不单单意味着太赫兹成像可以表达成各种形式，重要的是不同的形式可以解释不同特征，以提供更多的物体信息。
具体的，时域模式成像是在太赫兹波的时域信号数据中提取出反应样品信息的数据的成像，任一时域信息的变化，都是样品所有频率成分影响的综合反映，是一个平均的效果，因此通常有较好的成像效果，在时域模式成像中，不同的成像方式之间像质差别比较小；频域模式成像是在太赫兹波的频域信号数据中提取出反应样品信息的数据的成像，针对频谱中某一特定频率所对应的振幅、功率、相位、吸收系数或折射率，所得的图像的对比度变化明显。本实施例中，通过获取扫描区域的时域模式成像图或者获取扫描区域的频域模式成像图，均能实现对前置微球和未放置微球时成像结果的对比。
基于上述实施例，获取扫描区域的时域模式成像图，包括：利用太赫兹成像系统获取扫描区域的透射时域信号数据；基于可视化软件将扫描区域的透射时域信号数据进行时域显示模式成像，获得扫描区域的时域模式成像图。
可选地，所述预设频率的取值范围为携带超精细结构信息的高频波段。
在上述实施例的基础上，具体地，在进行频域信号处理分析时，预设频率的取值范围可以为携带超精细结构信息的高频波段，优先地，可以选择1.8THz-3THz，在该频率范围内的透射频域振幅数据可以获得前置微球和未放置微球情况下对比明显的频域模式成像图，如图6-1-a-图6-8-b所示。
可选地，所述介质微球的材料是聚四氟乙烯，折射率是1.35，直径是3mm。
在上述实施例的基础上，所述介质微球的材料为聚四氟乙烯，所述聚四氟乙烯在太赫兹波段基本是透明的，对太赫兹波的吸收小，使用到的聚四氟乙烯微球基本不会对太赫兹振幅的大小有所影响，其中，所述折射率是1.35，在太赫兹波透过介质微球照射到所述待测光栅，使得所述太赫兹波发生折射聚焦成更小尺寸的光斑，使得成像更加清晰；在系统工作的过程中，优选地，所述介质微球直径大小为3mm，若所述介质微球直径太大，造成系统资源的浪费，若所述介质微球直径太小，则无法将所述太赫兹波全部发生折射，进行聚焦，造成测试结果不准确。
本发明实施例提供的利用介质微球提高太赫兹脉冲成像分辨率的方法，通过获取扫描区域的太赫兹成像图，将太赫兹成像图上所表现的前置微球的扫描区域和待未放置介质微球的扫描区域的吸收光谱的图像特征进行对比，以鉴别介质微球能够提高太赫兹成像分辨率的能力；充分利用了介质微球产生的光子纳米喷射效应，能够将近场信息耦合并传播到远场的机理，使太赫兹成像图表现的吸收光谱的图像特征能够充分、直观的展示对比物的区别信息，更好的体现出介质微球提高分辨率的能力，实现对太赫兹成像分辨率的提高。
太赫兹成像技术中，太赫兹成像系统的聚焦效果越好，分辨率越高，成像效果就越好。在传统光学显微成像中，利用介质微球来实现超分辨成像。远场一般只能收集传导波信号，而光在传播的过程中，携带了样品超分辨信息的倏逝波振幅随着传播距离的增大而成指数衰减，而无法到达像面，不能参与成像，从而使成像系统具有分辨率极限。介质微球可以收集、传递倏逝波，减缓倏逝波的衰减，将带有高频信息的倏逝波转化为远场传输波，并使其参与成像。此外，介质微球还能产生光子纳米喷射效应。光子纳米喷射效应指的是当平面波垂直照射到无损失的介质微球上，在介质微球的阴影面将产生光子纳米喷射现象。它反映了微球的聚焦特性，当平面波入射时，微球的背光表面附近会产生一个小于衍射极限的聚焦光斑，且在这个被聚焦的区域内，光场得到极大增强，在焦点附近约几倍波长的距离处光斑尺度都小于衍射极限。它最独特的特性在于它具有亚波长的束腰半径，并且在传播好几个波长的距离之后光束发散很小。
太赫兹成像技术可在一定程度上弥补其他频段成像技术的不足，具有很多优点，如太赫兹辐射能够穿过大部分对可见光不透明的非金属、非极性物质进行成像，且其较低的光子能量不会对生物体造成辐射损伤等，因此，在生物医学、安全领域、工业工程、雷达成像等方面具有重要的科学价值和广阔的应用前景。太赫兹辐射属于远红外辐射，其波长处于亚毫米量级，因此太赫兹光波的衍射效应限制了太赫兹成像的分辨率。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所描述的装置以及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
Claims (6)
1.一种提高太赫兹脉冲成像分辨率的系统，其特征在于，包括：太赫兹脉冲发生器、介质微球、待测光栅、扫描平台及计算机，其中：
所述太赫兹脉冲发生器用于产生太赫兹波，所述太赫兹波的频谱宽度为0.1-3.0 THz；
所述介质微球位于所述太赫兹脉冲发生器和所述待测光栅之间，所述介质微球与所述待测光栅之间的距离小于1mm，且所述介质微球放置于所述太赫兹脉冲波形成的光斑聚焦点处，所述介质微球的材料是聚四氟乙烯，用于在所述太赫兹波通过所述介质微球照射到所述待测光栅上时产生光子纳米喷射效应，从而获得尺度小于衍射极限的聚焦光斑；
所述扫描平台用于获取所述太赫兹波经过所述介质微球照射到所述待测光栅的待扫描区域的成像点；
所述计算机用于对所述获取的成像点进行数据处理，确定太赫兹脉冲成像；
其中，所述介质微球的折射率是1.35，直径是3 mm；
所述计算机用于对所述获取的成像点进行数据处理，确定太赫兹脉冲成像，具体为：
对所获取的成像点进行时域信号处理，并查找时域振幅数据最大值和/或最小值的成像点，获得最大值和/或最小值时域模式的太赫兹脉冲成像图；和/或，
对所获取的成像点进行频域信号处理，获得预设频率的频域模式的太赫兹脉冲成像图。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统的测试条件是：湿度为15％，温度为20℃。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预设频率的取值范围为携带超精细结构信息的高频波段。
4.一种提高太赫兹脉冲成像分辨率的方法，其特征在于，包括：
获取太赫兹波经过介质微球照射到待测光栅的待扫描区域的成像点，其中，所述太赫兹波的频谱宽度为0.1-3.0 THz，所述介质微球的材料是聚四氟乙烯，用于在所述太赫兹波通过所述介质微球照射到所述待测光栅上时产生光子纳米喷射效应，从而获得尺度小于衍射极限的聚焦光斑；
所述介质微球置于所述待测光栅前，所述介质微球与所述待测光栅之间的距离小于1mm，且所述介质微球放置于所述太赫兹脉冲波形成的光斑聚焦点处；
计算机对所述获取的成像点进行数据处理，确定太赫兹脉冲成像；
其中，所述介质微球的折射率是1.35，直径是3 mm；
所述计算机对所述获取的成像点进行数据处理，确定太赫兹脉冲成像，具体为：
对所获取的成像点进行时域信号处理，并查找时域振幅数据最大值和/或最小值的成像点，获得最大值和/或最小值时域模式的太赫兹脉冲成像图；和/或，
对所获取的成像点进行频域信号处理，获得预设频率的频域模式的太赫兹脉冲成像图。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述获取太赫兹波经过介质微球照射到待测光栅的待扫描区域的成像点，具体为：
采用逐点扫描方式对所述太赫兹波经过介质微球照射到待测光栅的待扫描区域进行扫描，获取所述待扫描区域的成像点的二维坐标数据。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设频率的取值范围为携带超精细结构信息的高频波段。
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