CN109188881A - 一种太赫兹波数字全息成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种大视场高分辨率太赫兹波同轴数字全息成像方法和系统，包括探测器位移扫描记录过程、子全息图合成重建过程、样品位移扫描记录过程及子视场图像拼接过程。其中(1)探测器位移扫描记录过程：探测器二维平移台以矩形光栅式扫描顺序位移，使太赫兹波探测器在垂直于太赫兹波方向的平面内进行二维移动；(2)子全息图合成重建过程：对记录的子全息图完成拼接操作，合成全息图通过衍射传播重建算法得到复振幅图像；(3)样品位移扫描记录过程：样品二维平移台以矩形光栅式扫描顺序位移，使样品在垂直于太赫兹波方向的平面内进行二维移动，获得对应视场区域内的样品信息；(4)子视场图像拼接过程：按照位移顺序对图像完成拼接，获得最终结果即合成视场复振幅图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹波数字全息成像方法及系统，特别是涉及一种大视场高分辨率连续太赫兹波同轴数字全息成像方法及系统。
背景技术
太赫兹波在电磁波段中介于红外射线和微波之间，其特性处于两者的过渡阶段，被认为在成像领域有着广阔的应用，太赫兹波数字全息成像技术 (Terahertz DigitalHolography)是一种基于太赫兹波源的相干衍射成像手段，可以有效地获得目标样品在太赫兹波照射下的振幅和相位分布，该技术可满足无损成像探测的要求，适用于反恐安检、医学诊断、石油地质勘探等领域，根据太赫兹波干涉的角度，可以大致分为同轴式和离轴式两种成像结构，由于同轴式结构相对简单，对太赫兹波源相干性要求低，探测器带宽利用率高等优势，成为太赫兹波数字全息成像系统的重要结构。
本发明旨在提出一种大视场高分辨率连续太赫兹波同轴数字全息成像方法及系统，这是一项新型大视场高分辨率太赫兹波数字全息成像技术，现有的太赫兹波同轴数字全息成像方法存在的不足为：探测器的数值孔径小，采集高频信息能力不足，系统的实际成像分辨率受到了很大的限制；为保证参考光波的能量，被测物体的尺寸需小于太赫兹光束的直径，限制了被测样品的类型，系统的成像视场无法满足特定需求，所提出的发明能有效扩展系统视场，提高成像分辨率，解决实际应用中的分辨率和视场受限问题，满足特定样品的成像需求，实现大视场高分辨率太赫兹波振幅和相位成像。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大视场高分辨率太赫兹波同轴数字全息成像方法和系统，用来扩展太赫兹波数字全息成像视场和提高成像分辨率
本发明的目的在于提供一种太赫兹波数字全息成像方法及系统，以解决上述背景技术中提出的本发明旨在提出一种大视场高分辨率连续太赫兹波同轴数字全息成像方法及系统，这是一项新型大视场高分辨率太赫兹波数字全息成像技术，现有的太赫兹波同轴数字全息成像方法存在的不足为：探测器的数值孔径小，采集高频信息能力不足，系统的实际成像分辨率受到了很大的限制；为保证参考光波的能量，被测物体的尺寸需小于太赫兹光束的直径，限制了被测样品的类型，系统的成像视场无法满足特定需求，所提出的发明能有效扩展系统视场，提高成像分辨率，解决实际应用中的分辨率和视场受限问题，满足特定样品的成像需求，实现大视场高分辨率太赫兹波振幅和相位成像。
本发明的一种大视场高分辨率太赫兹波同轴数字全息成像方法，以矩形光栅扫描方式所示的顺序位移样品二维平移台和探测器二维平移台，位移样品二维平移台的目的是扩展视场，位移探测器二维平移台的目的是提高成像分辨率，其成像方法特征在于以下步骤：探测器位移扫描记录过程，子全息图合成重建过程，样品位移扫描记录过程，子视场图像拼接过程；
(1)探测器位移扫描记录过程：太赫兹波探测器置于探测器二维平移台上，探测器二维平移台以矩形光栅式扫描顺序位移，使太赫兹波探测器在垂直于太赫兹波方向的平面内进行二维移动，设置横向移动距离为d1，位移次数为K次；纵向移动距离为d2，位移次数为L次，太赫兹波同轴数字全息成像过程中，经样品调制的太赫兹物光波和透射太赫兹参考光波干涉形成太赫兹子全息图，太赫兹波探测器每次位移均记录子全息图，共记录K+L+1幅子全息图数据，之后太赫兹探测器通过探测器二维平移台归位至初始位置。
(2)子全息图合成重建过程：按照位移顺序对记录的K+L+1幅子全息图完成拼接操作，得到一幅合成全息图H，合成全息图H在计算机中通过数字衍射传播重建算法及相位复原重建算法得到样品的重建复振幅图像R，子全息图拼接操作过程中，横向和纵向拼接相邻子全息图重合的像素个数Px和Py计算公式如下：
公式中，S为太赫兹波探测器的实际尺寸，T为太赫兹波探测器的像素个数。
(3)样品位移扫描记录过程：被探测样品置于样品二维平移台上，样品二维平移台以矩形光栅式扫描顺序位移，使样品在垂直于太赫兹波方向的平面内进行二维移动，改变太赫兹波照明样品的位置，获得对应视场区域内的样品信息，设置横向移动距离为d3，纵向移动距离为d4，每次样品二维平移台位移之前均重复完成一次步骤一所描述的探测器位移扫描和记录过程和步骤二所描述的子全息图合成重建过程得到单幅子视场重建复振幅图像R，样品二维平移台位移共M次，可获得M+1幅子视场重建复振幅图像RM+1。
(4)子视场图像拼接过程：对步骤三中获得的M+1幅子视场重建复振幅图像RM+1，按照位移顺序对M+1幅图像完成拼接，获得最终结果即合成视场复振幅图像，横向和纵向子视场图像拼接操作过程中，相邻子视场图像重合的像素个数Ix和Iy计算公式如下：
所述方法中，探测器位移扫描和记录过程中的横向移动距离d1和纵向移动距离d2的数值需小于或等于太赫兹波探测器的实际尺寸S，样品位移扫描记录过程的横向移动距离d3和纵向移动距离d4的数值需小于或等于太赫兹波探测器的实际尺寸S。
本发明的一种大视场高分辨率太赫兹波同轴数字全息成像方法的系统，其特征在于：包括雪崩二极管太赫兹波源1，太赫兹波透镜2和太赫兹波透镜 3，样品二维平移台4，样品5，探测器二维平移台6，太赫兹波热释电探测器7，雪崩二极管太赫兹波源1用以产生和输出太赫兹波1a，太赫兹波透镜2和太赫兹波透镜3组成扩束单元，扩大太赫兹波1a光束直径同时将其整形为平行波，样品二维平移台4用于放置样品5，完成样品位移扫描记录过程中的二维位移，探测器二维平移台6用于放置太赫兹波热释电探测器7，完成探测器位移扫描和记录过程中的二维位移，通过太赫兹波透镜2和太赫兹波透镜3 组成扩束单元后的太赫兹波1a光束直径需大于太赫兹波热释电探测器7的探测面直径。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明公开了一种大视场高分辨率连续太赫兹波同轴数字全息成像方法及系统，在技术上通过探测器位移平移台收集到更多的高频信息实现太赫兹波高分辨率成像，利用样品二维平移台位移被测样品来实现大视场成像，实用性广泛。
附图说明
图1为本发明一种太赫兹波数字全息成像方法及系统的大视场高分辨率太赫兹波同轴数字全息成像方法流程图；
图2为本发明一种太赫兹波数字全息成像方法及系统的二维平移台矩形光栅式扫描顺序位移方式示意图；
图3为本发明一种太赫兹波数字全息成像方法及系统的大视场高分辨率太赫兹波同轴数字全息成像方法的系统示意图。
图中：1、雪崩二极管太赫兹波源；1a、太赫兹波；2、太赫兹波透镜；3、太赫兹波透镜；4、样品二维平移台；5、样品；6、探测器二维平移台；7、太赫兹波热释电探测器。
具体实施方式
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。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案，其特征在于如图一所示的以下步骤：探测器位移扫描记录过程，子全息图合成重建过程，样品位移扫描记录过程，子视场图像拼接过程；
(1)探测器位移扫描记录过程：太赫兹波探测器置于探测器二维平移台上，探测器二维平移台以矩形光栅式扫描顺序位移，使太赫兹波探测器在垂直于太赫兹波方向的平面内进行二维移动，设置横向移动距离为10mm，位移次数为6次；纵向移动距离为10mm，位移次数为2次，太赫兹波同轴数字全息成像过程中，经样品调制的太赫兹物光波和透射太赫兹参考光波干涉形成太赫兹子全息图，太赫兹波探测器每次位移均记录子全息图，共记录9 幅子全息图数据，之后太赫兹探测器通过探测器二维平移台归位至初始位置。
(2)子全息图合成重建过程：按照位移顺序对记录的9幅子全息图完成拼接操作，得到一幅合成全息图，合成全息图在计算机中通过角谱衍射积分传播重建算法及相位复原重建算法得到样品的重建复振幅图像，子全息图拼接操作过程中，横向和纵向拼接相邻子全息图重合的像素个数均为35个。
(3)样品位移扫描记录过程：被探测样品置于样品二维平移台上，样品二维平移台以矩形光栅式扫描顺序位移，使样品在垂直于太赫兹波方向的平面内进行二维移动，改变太赫兹波照明样品的位置，获得对应视场区域内的样品信息，设置横向移动距离为10mm，纵向移动距离为10mm，每次样品二维平移台位移之前均重复完成一次步骤一所描述的探测器位移扫描和记录过程和步骤二所描述的子全息图合成重建过程得到单幅子视场重建复振幅图像，样品二维平移台位移共8次，可获得9幅子视场重建复振幅图像。
(4)子视场图像拼接过程：对步骤三中获得的9幅子视场重建复振幅图像，按照位移顺序对9幅图像完成拼接，获得最终结果即合成视场复振幅图像，横向和纵向子视场图像拼接操作过程中，相邻子视场图像重合的像素个数均为285个。
本发明的成像系统光路组成如图3所示，采用雪崩二极管太赫兹源作为光源1，其中心波长为3mm，频率为0.1THz，实验中的输出功率约为80mW；采用聚四氟乙烯太赫兹透镜2(焦距：75mm)和聚四氟乙烯太赫兹透镜3(焦距：151mm)来调节太赫兹波直径；样品二维平移台4(型号：KSA300-11-X，行程：300mm)和探测器二维平移台6(型号：KSA300-11-X，行程：300mm) 分别用来位移被测样品和探测器；太赫兹探测器6为热释电探测器 (PY-III-HR)，像素尺寸大小为160像素，像素间隔为80μm，用来采集太赫兹图像。通过所提大视场高分辨率太赫兹波同轴数字全息成像方法与系统，完成对柏树叶样品的大视场高分辨率振幅和相位分布的成像。
本发明的典型实施例的实验结果证明所提发明可以有效地扩展成像视场和提高分辨率。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)
1.一种大视场高分辨率太赫兹波同轴数字全息成像方法，其特征在于以下步骤：探测器位移扫描记录过程，子全息图合成重建过程，样品位移扫描记录过程，子视场图像拼接过程；
(1)探测器位移扫描记录过程：太赫兹波探测器置于探测器二维平移台上，探测器二维平移台以矩形光栅式扫描顺序位移，使太赫兹波探测器在垂直于太赫兹波方向的平面内进行二维移动，设置横向移动距离为d1，位移次数为K次；纵向移动距离为d2，位移次数为L次，太赫兹波同轴数字全息成像过程中，经样品调制的太赫兹物光波和透射太赫兹参考光波干涉形成太赫兹子全息图，太赫兹波探测器每次位移均记录子全息图，共记录K+L+1幅子全息图数据，之后太赫兹探测器通过探测器二维平移台归位至初始位置。
(2)子全息图合成重建过程：按照位移顺序对记录的K+L+1幅子全息图完成拼接操作，得到一幅合成全息图H，合成全息图H在计算机中通过数字衍射传播重建算法及相位复原重建算法得到样品的重建复振幅图像R，子全息图拼接操作过程中，横向和纵向拼接相邻子全息图重合的像素个数Px和Py计算公式如下：
公式中，S为太赫兹波探测器的实际尺寸，T为太赫兹波探测器的像素个数。
(3)样品位移扫描记录过程：被探测样品置于样品二维平移台上，样品二维平移台以矩形光栅式扫描顺序位移，使样品在垂直于太赫兹波方向的平面内进行二维移动，改变太赫兹波照明样品的位置，获得对应视场区域内的样品信息，设置横向移动距离为d3，纵向移动距离为d4，每次样品二维平移台位移之前均重复完成一次步骤一所描述的探测器位移扫描和记录过程和步骤二所描述的子全息图合成重建过程得到单幅子视场重建复振幅图像R，样品二维平移台位移共M次，可获得M+1幅子视场重建复振幅图像RM+1。
(4)子视场图像拼接过程：对步骤三中获得的M+1幅子视场重建复振幅图像RM+1，按照位移顺序对M+1幅图像完成拼接，获得最终结果即合成视场复振幅图像，横向和纵向子视场图像拼接操作过程中，相邻子视场图像重合的像素个数Ix和Iy计算公式如下：
2.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨率太赫兹波同轴数字全息方法，探测器位移扫描和记录过程中的横向移动距离d1和纵向移动距离d2的数值需小于或等于太赫兹波探测器的实际尺寸S，样品位移扫描记录过程的横向移动距离d3和纵向移动距离d4的数值需小于或等于太赫兹波探测器的实际尺寸S。
3.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨率太赫兹波同轴数字全息方法的系统，其特征在于：包括雪崩二极管太赫兹波源1，太赫兹波透镜2和太赫兹波透镜3，样品二维平移台4，样品5，探测器二维平移台6，太赫兹波热释电探测器7，雪崩二极管太赫兹波源1用以产生和输出太赫兹波1a，太赫兹波透镜2和太赫兹波透镜3组成扩束单元，扩大太赫兹波1a光束直径同时将其整形为平行波，样品二维平移台4用于放置样品5，完成样品位移扫描记录过程中的二维位移，探测器二维平移台6用于放置太赫兹波热释电探测器7，完成探测器位移扫描和记录过程中的二维位移，通过太赫兹波透镜2和太赫兹波透镜3组成扩束单元后的太赫兹波1a光束直径需大于太赫兹波热释电探测器7的探测面直径。
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