CN110398213B - 一种连续太赫兹反射式叠层成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续太赫兹反射式叠层成像方法，该方法包括捕获携带被测样品信息的衍射图样，将衍射图样进行叠层重建算法重建出照明光束的复振幅和样品的透过率函数，得到被测样品的表面形貌，提取出被测样品的相位信息，从而定量推算出被塑料、陶瓷、纸张等非极性物质遮挡的被测样品表面的形貌结构。本发明有效解决了反射式样品的太赫兹叠层成像问题，从而定量得到大样品的形貌结构，真正实现大视场高分辨率快速成像。

Description

一种连续太赫兹反射式叠层成像方法

技术领域

本发明涉及一种连续太赫兹反射式叠层成像方法，特别是涉及一种以任意角度入射到样品表面，对被遮挡的样品表面进行大视场形貌检测的方法。

背景技术

太赫兹波是频率在0.1-10THz之间的电磁波，其波段处于微波和红外波之间，具有宽光谱、高穿透性、低能性、惧水性等多种重要特性，在医学诊断、无损检测、雷达通信、安检反恐等诸多领域都显示出其巨大的科学意义和应用价值，太赫兹成像技术扮演了越来越重要的角色。比如：太赫兹波容易被水吸收，在生物医学活体检测中，正常组织和癌组织可以根据含水量不同被准确鉴别；太赫兹波能够穿透在可见光和近红外波段不透明的非极性分子材料，实现被隐藏物体的无损检测；针对表面粗糙度在微米、亚微米等波长量级的样品，可见光测量样品表面起伏的精确度不高，而太赫兹成像方法可准确获得样品表面的形貌变化。传统的太赫兹成像方法一般采用透射式的薄样品，但大多数的样品，厚度远远大于照明光的衰减长度，很难在样品后得到光场信息，对此，反射式样品的太赫兹成像方法被广泛研究。太赫兹时域光谱成像方法，可通过逐点扫描获得被测物体的强度、相位和光谱信息，但设备昂贵，成像速度慢，时间长，不适用于大尺寸样品；连续太赫兹波点扫描成像方法也是逐点扫描，但只能得到样品的强度信息，成像速度慢且无法得到样品的相位信息；太赫兹外插轮廓仪和太赫兹矢量网格分析仪都是通过逐点扫描获得样品的强度和相位，成像速度慢，且太赫兹外插轮廓仪需要额外的光源；反射式连续太赫兹波扫描共聚焦显微镜成像，可以获得样品的形貌分布，但需要逐点探测，成像速率慢，且相对于干涉测量方法，横向分辨率比较低；太赫兹反射式时域光谱焦平面成像方法，可以获得样品的全场强度、相位和光谱信息，但强度像质量不高，相位像质量受系统中光电晶体均匀性影响，时间延迟使成像速率较慢，系统不能使用锁相，所以该方法的广泛适用性受限；连续太赫兹波反射式数字全息成像方法可利用数字全息图获得全场的强度和相位分布，且成像速率快，但重建相位像中既包含了样品的相位，也包含照明光束的相位，因此样品成像质量受照明光束质量的影响。

叠层成像技术是一种通过交叠采集冗余的衍射图样信息恢复出样品复振幅分布的无透镜相干衍射成像技术，其原理为：通过改变照明光束和样品之间的相对位置，获得一系列衍射图样，由于相邻光束的照明部分存在交叠区域，样品的整体复振幅则是所有衍射图样的共解，基于相位恢复算法的叠层重建算法，能够快速准确地重建出样品的复振幅透过率函数和照明光束的复振幅分布。叠层成像光路简单、紧凑，成像速率快，对光源的相干性要求低，且样品尺寸不受限制。重建的样品相位分布不受除样品本身特性的其他因素影响。针对反射式样品，我们提出了一种连续太赫兹反射式叠层成像方法，照明光束可以以任意角度入射到样品表面，通过叠层重建算法重建出被测样品的吸收系数和相位分布，能够得到样品表面的形貌变化。应用太赫兹波作为照明光束，保留了太赫兹波对被隐藏样品成像的独特传输特性，根据重建出的被测样品的真实相位分布，可定量推算出被塑料、陶瓷、纸张等非极性物质遮挡的样品的表面形貌。

发明内容

本发明的目的在于将太赫兹叠层成像方法应用于反射式样品，照明光束能够以任意角度入射到样品表面，准确地重建出被测样品的吸收系数和相位信息，从而对被遮挡的样品表面进行形貌检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种连续太赫兹反射式叠层成像方法，实现该方法的实验系统光路包括二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器、两个镀金离轴抛物面镜、圆孔掩膜板、被测样品、太赫兹反射镜、二维电动平移台和面阵式热释电探测器。二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器作为辐射源；镀金离轴抛物面镜将二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器辐射出的连续太赫兹波扩束准直成平行光；圆孔掩膜板中心为一个直径为3.3mm的小孔；被测样品放置于圆孔掩膜板后，且固定在二维电动平移台上，二维电动平移台的x轴、y轴用以水平、垂直移动被测样品；太赫兹反射镜位于圆孔掩膜板后，太赫兹反射镜的法线方向与光轴方向保持一定夹角；被测样品的主反射光线正入射到面阵式热释电探测器。太赫兹波由二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器生成后，通过两个镀金离轴抛物面镜进行扩束准直，再通过圆孔掩膜板照射到被测样品的表面，最终被面阵式热释电探测器捕获。通过固定步长的移动二维电动平移台，热释电探测器采集到交叠的衍射图。

利用上述实验系统进行的一种连续太赫兹反射式叠层成像方法，该方法包括捕获携带被测样品信息的衍射图样，将衍射图样进行叠层重建算法重建出照明光束的复振幅和样品的透过率函数，得到被测样品的表面形貌，提取出被测样品的相位信息，从而定量推算出被塑料、陶瓷、纸张等非极性物质遮挡的被测样品表面的形貌结构。

对被测样品进行定量、快速、大视场成像获得到被测样品表面形貌的过程分为以下步骤：

S1设r＝(x,y,0)为物平面的坐标向量，被测样品表面的复振幅分布和探针(照明光束)函数分别表示为O(r)和P(r)。

调节被测样品的主反射光正入射到面阵式热释电探测器平面，被测样品与面阵式热释电探测器距离为d，面阵式热释电探测器记录面坐标向量为u＝(ξ,η,ω)，按照电动平移台的扫描路径依次采集被测样品的小孔衍射图I_j(u)，其中j＝1,2,3…J，J是衍射图样的总数。测量的衍射图强度I_j(u)表示为：

I_j(u)＝|G_d{O(r)P(r-R_j)}|², (1)

其中R_j＝(x_j,y_j)表示样品的第j个平移向量，j＝1,2,3,…,J，J是衍射图样的总数，G{}表示衍射传播算子。

S2对测量的衍射图I_j(u)用叠层再现算法求得被测样品透过率函数。求得被测样品透过率函数的过程分为以下六个步骤：

S2.1首先对被测样品和探针的复振幅进行猜测，其中猜测被测样品的复振幅表示为O_n,j(r)，猜测探针表示为P_n,j(r)，经过被测样品表面反射的出射光场ψ_n,j(r)为：

ψ_n,j(r)＝O_n,j(r)P_n,j(r-R_j), (2)

其中，n表示迭代次数。

S2.2将经过被测样品表面反射的光波ψ_n,j(r)经角谱传播距离d得到记录面的复振幅为U_n,j(ξ,η)。

S2.3用测量得到的衍射图强度I_j(u)的均方根代替S2.2中的幅值，得到修正后的记录面复振幅分布U'_n,j(ξ,η)，表达式为：

S2.4利用角谱算法将修正后记录面的复振幅反向回传到物面，得到新的物光场分布ψ'_n,j(r)。

S2.5通过更新函数更新初始猜测的物体复振幅和猜测的探针函数

其中α,β为权重系数，取值一般在0.9-1之间；ε为调节系数，用以调节分母不等于0，取值为0.01。

S2.6更新后的物函数和探针函数作为初始值，直至对整个物面迭代n次，收敛后得到最终的样品表面吸收系数b和相位分布

S3样品表面高度起伏利用重建相位求得:

其中

为被测样品的表面相位分布，λ为照明光波长，T为被测样品的表面形貌分布函数。

本发明的典型实施例的试验结果表明，连续太赫兹反射式叠层成像方法，探针光束以任意角度入射到样品表面，通过将探测器采集到的携带样品信息的衍射图样进行叠层再现算法，快速、准确地重建出样品的复振幅透过率函数，从中提取相位，从而对被塑料、衣物、纸张等非极性物质遮挡的样品进行大视场形貌探测。

与现有技术相比，本发明提出的一种连续太赫兹反射式叠层成像方法，光路简单，样品尺寸不受限制，能够快速、准确地重建出被塑料、衣物、纸张等非极性物质遮挡的反射式样品真实的强度和相位信息，有效解决了反射式样品的太赫兹叠层成像问题，从而得到大样品的形貌结构，真正实现大视场高分辨率快速成像。

附图说明

图1是本发明提出的连续太赫兹反射式叠层成像方法的第一种系统光路，是探针以一定角度斜入射到样品表面的情况。图中：1、FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器，2、第一离轴抛物面镜，3、第二离轴抛物面镜，4、圆孔掩膜板，5、太赫兹反射镜，6、被测样品，7、二维电动平移台，8、PY-III面阵式热释电探测器。

图2是对于斜入射情况的坐标平面关系图。I、物平面，II、记录面，III、新的坐标平面。

图3是本发明提出的连续太赫兹反射式叠层成像方法的第二种系统光路，是探针垂直入射到样品表面的情况，用分束镜替换图1中的太赫兹反射镜。图中，9、分束镜。

具体实施方式

本发明提出的一种连续太赫兹反射式叠层成像方法，分为两种实施方式，一种为探针光束以一定角度斜入射到样品表面，另一种为探针光束垂直入射到样品表面，下面分别来具体表述两种实施方式。

实施例1

如图1所示，一种斜入射的连续太赫兹反射式叠层成像方法，其特征在于：实现该方法的成像系统光路包括FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器1，焦距为50.8mm的第一镀金离轴抛物面镜2，焦距为101.6mm的第二镀金离轴抛物面镜3，圆孔掩膜板4，太赫兹反射镜5，被测样品6，二维电动平移台7，PY-III面阵式热释电探测器8。FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器1作为辐射源，工作气体为甲醇，输出频率为2.52THz，对应中心波长为118.83μm，最大输出功率为500mW；第一离轴抛物面镜2，第二离轴抛物面镜3组成的系统将激光器1辐射出的连续太赫兹波扩束两倍，并准直成直径约为16mm的平行光；圆孔掩膜板4中心为一个直径为3.3mm的小孔；太赫兹反射镜5位于圆孔掩膜板4后，太赫兹反射镜5的法线方向与光轴方向保持一定夹角；被测样品6放置于反射镜5的反射光方向，且固定在二维电动平移台7上，二维电动平移台7为ThorlabsMT3-Z8，最大量程为12mm，x轴、y轴用以水平、垂直移动被测样品6，实验中所设步长为0.8mm，保证相邻衍射图的交叠面积约为75％；被测样品6的主反射光线正入射到PY-III面阵式热释电探测器8上，由探测器8采集交叠的携带物体信息的小孔衍射图，探测器像素个数为124×124，像元尺寸为100×100μm。

该方法包括捕获携带样品信息的衍射图样，将衍射图映射到与记录面有共同原点且与物面平行的平面，即如图2所示，新的坐标平面Ш，校正由于照明光倾斜照射样品产生的图像畸变问题。利用叠层重建算法重建出探针的复振幅和样品的透过率函数，提取出样品的相位信息，从而推算出被塑料、陶瓷、纸张等非极性物质遮挡的样品表面形貌分布。

一种斜入射的连续太赫兹反射式叠层成像方法，其对样品进行定量、快速、大视场成像获得到被测样品表面形貌的过程分为四个步骤：

a1设r＝(x,y,0)为物平面的坐标向量，样品表面的复振幅分布和探针函数分别表示为O(r)和P(r)。

调节反射镜的反射光与物平面法线方向的夹角为θ，探测器和样品间的光轴与物平面法线方向的夹角同样为θ。调节被测样品的主反射光正入射到探测器平面，圆孔掩膜板与反射镜的距离为d₁，反射镜与被测样品的距离为d₂，被测样品与探测器距离为d₃，探测器记录面坐标向量为u＝(ξ,η,ω)，按照电动平移台的扫描路径依次采集待测样品的小孔衍射图I_j(u)，其中j＝1,2,3…J，J是衍射图样的总数。测量的衍射图强度I_j(u)可以表示为：

其中R_j＝(x_j,y_j)表示样品的第j个平移向量，j＝1,2,3,…,J，J是衍射图样的总数，G{}表示衍射传播算子。

a2将记录面u沿η轴旋转角度θ，建立一个新的坐标平面u'＝(ξ',η',ω')。将记录面u的坐标映射到新的坐标平面u'上，两平面坐标具有如下对应关系：

u'＝Au, (7)

其中，

为坐标变换的旋转矩阵。

将测量的衍射图强度I_j(u)进行倾斜平面映射校正，用新坐标表示校正后的衍射图I_j(u')。此过程中需要进行双线性插值处理，为了使衍射图在新坐标的线性网格中重新采样。

a3对校正后的衍射图强度I_j(u')用叠层再现算法求得被测样品的透过率函数。求得被测样品的透过率函数的过程分为以下六个步骤：

a3.1首先对物体和探针的复振幅进行猜测，其中猜测物体复振幅表示为O_n,j(r)，猜测探针表示为P_n,j(r)，经过样品表面反射的出射光场ψ_n,j(r)为：

ψ_n,j(r)＝O_n,j(r)P_n,j(r-R_j), (8)

其中，n表示迭代次数。

a3.2将经过被测样品表面反射的光波ψ_n,j(r)经角谱传播距离d₃，得到u'平面的复振幅为U_n,j(ξ',η')。

a3.3用校正后的衍射图强度I_j(u')的均方根代替S3.2中的幅值，得到修正的记录面复振幅分布U'_n,j(ξ',η')，表达式为：

a3.4利用角谱算法将修正后u'平面的复振幅反向回传到物面，得到新的物光场分布ψ'_n,j(r)。

a3.5通过更新函数更新初始猜测的物体复振幅分布和猜测的探针函数

其中α,β为权重系数，取值一般在0.9-1之间；ε为调节系数，用以调节分母不等于0，取值为0.01。

a3.6更新后的物函数和探针函数作为初始值，直至对整个物面迭代n次，算法收敛后可以得到最终的样品表面吸收系数b和相位分布

a4被测样品表面高度起伏可以利用重建相位求得:

其中

为样品表面的相位分布，λ为照明光波长，T为样品表面形貌分布函数。

本发明斜入射的典型实施例的试验结果表明，将捕获到的携带样品信息的衍射图，映射到与记录面有共同原点且与物面平行的平面，得到校正后的衍射图样。利用叠层重建算法重建出样品的透过率函数，可以得到样品表面形貌分布。该方法将反射式样品应用到叠层成像方法，记录时间短，重建出的样品相位不受外界环境影响，且样品的尺寸不受限制，反射式叠层成像方法应用到太赫兹波段，分辨率得到提高，提取出样品的相位信息，可以实现被塑料、陶瓷、纸张等非极性物质遮挡的样品的表面形貌检测。

与现有技术相比，本发明提出的一种斜入射的连续太赫兹反射式叠层成像方法，探针光束能够以任意角度入射到样品表面，将捕获到的携带样品信息的衍射图，映射到与记录面有共同原点且与物面平行的平面，得到校正后的衍射图样。提取出利用叠层重建算法重建出的被测样品相位信息，从而推算出被测样品表面形貌分布。该方法将反射式样品应用到叠层成像方法，减少了记录时间，光路更加简单，重建出的被测样品相位不受外界环境影响，且被测样品的尺寸不受限制，反射式叠层成像方法应用到太赫兹波段，分辨率得到提高，且实现了被塑料、陶瓷、纸张等非极性物质遮挡的样品的表面形貌检测。

实施例2

本发明还涉及一种正入射的连续太赫兹反射式叠层成像方法，其成像系统与斜入射方式成像系统的区别在于，斜入射方式成像系统中的太赫兹反射镜被分束镜替换；斜入射方式。探针光束斜入射到样品表面，正入射方式，探针光束垂直入射到样品表面。如图3所示，一种正入射的连续太赫兹反射式叠层成像方法，其特征在于：实现该方法的成像系统光路包括FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器1，焦距为50.8mm的第一镀金离轴抛物面镜2，焦距为101.6mm的第二镀金离轴抛物面镜3，圆孔掩膜板4，分束镜9，被测样品6，二维电动平移台7，PY-III面阵式热释电探测器8。FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器1作为辐射源，工作气体为甲醇，输出频率为2.52THz，对应中心波长为118.83μm，最大输出功率为500mW；第一离轴抛物面镜2，第二离轴抛物面镜3组成的系统将激光器1辐射出的连续太赫兹波扩束两倍，并准直成直径约为16mm的平行光；圆孔掩膜板4中心为一个直径为3.3mm的小孔；分束镜9位于圆孔掩膜板4后；光束通过分束镜9分为两束，透射光不作处理，反射光正入射到被测样品6表面；被测样品6与面阵式热释电探测器8分别位于分束镜9的两侧；被测样品固定在二维电动平移台7上，二维电动平移台7为Thorlabs MT3-Z8，最大量程为12mm，x轴、y轴用以水平、垂直移动被测样品6，实验中所设步长为0.8mm，保证相邻衍射图的交叠面积约为75％；PY-III面阵式热释电探测器8采集携带物体信息的小孔衍射图，像素个数为124×124，像元尺寸为100×100μm。

该方法包括捕获携带样品信息的衍射图样，进行基于相位恢复算法的叠层再现算法，快速、准确地重建出被塑料、衣物、纸张等非极性物质遮挡的反射式样品真实的复振幅透过率函数，得到样品表面形貌，从中提取被测样品的相位，从而定量得到被塑料、衣物、纸张等非极性物质遮挡的样品大视场的形貌结构，有效解决反射式样品的太赫兹波叠层成像问题。

一种正入射的连续太赫兹反射式叠层成像方法，其对反射式样品进行定量、快速、大视场成像获得到样品表面形貌的过程分为三个步骤：

b1设r＝(x,y,0)为物平面的坐标向量，样品表面的复振幅分布和探针函数分别表示为O(r)和P(r)。

调节圆孔掩膜板与分束镜的间距为d₁，被测样品与分束镜的间距为d₂，分束镜与探测器距离为d₃，按照电动平移台的扫描路径依次采集被测样品的小孔衍射图I_j(u)，其中j＝1,2,3…J，J是衍射图样的总数，u＝(ξ,η,ω)为探测器记录面坐标向量，测量的衍射图强度可以表示为：

其中R_j＝(x_j,y_j)表示样品的第j个平移向量，j＝1,2,3,…,J，J是衍射图样的总数。G{}表示衍射传播算子。

b2对衍射图I_j(u)用叠层再现算法求得被测物体透过率函数。求得物体透过率函数的过程分为以下六个步骤：

b2.1首先对物体和探针的复振幅进行猜测，其中猜测待测样品的复振幅表示为O_n,j(r)，猜测探表示为P_n,j(r)，经过样品表面反射的出射光场ψ_n,j(r)为：

ψ_n,j(r)＝O_n,j(r)P_n,j(r-R_j), (13)

其中，n表示迭代次数。

b2.2将经过样品表面反射的光波ψ_n,j(r)经角谱传播距离d₂+d₃，得到u平面的复振幅为U_n,j(ξ,η)。

b2.3用探测到的衍射强度I_j(u)的均方根代替S2.2中的幅值，得到修正后的记录面复振幅分布U'_n,j(ξ,η)，表达式为：

b2.4利用角谱算法将修正后记录面的复振幅反向回传到物面，得到新的物光场分布ψ'_n,j(r)。

b2.5通过更新函数更新初始猜测的物体复振幅和猜测的探针函数

其中α,β为权重系数，取值一般在0.9-1之间；ε为调节系数，用以调节分母不等于0，取值为0.01。

b2.6更新后的物函数和探针函数作为初始值，直至对整个物面迭代n次，算法收敛后可以得到最终的样品表面吸收系数b和相位分布

b3样品表面高度起伏可以利用重建相位求得:

其中

为样品表面的相位分布，λ为照明光波长，T为样品表面形貌分布函数。

本发明正入射的典型实施例的试验结果表明，通过将探测器采集到的携带样品信息的衍射图样进行叠层再现算法，快速、准确地重建出样品的复振幅透过率函数，得到被测样品的表面形貌，从样品的复振幅透过率函数中提取相位，从而对被塑料、衣物、纸张等非极性物质遮挡的样品进行定量的大视场形貌探测。

与现有技术相比，本发明提出的一种正入射的连续太赫兹反射式叠层成像方法，探针光束能够正入射到样品表面，数据处理简化，成像光路简单，样品尺寸不受限制，能够快速、准确地重建出样品的复振幅透过率函数，得到被测样品的表面形貌，从样品的复振幅透过率函数中提取相位，得到被塑料、衣物、纸张等非极性物质遮挡的反射式样品真实的强度和相位信息，有效解决了反射式样品的太赫兹波叠层成像问题，从而定量得到大样品的形貌结构，真正实现大视场高分辨率快速成像。

Claims (3)

1.一种连续太赫兹反射式叠层成像方法，其特征在于：该方法包括捕获携带被测样品信息的衍射图样，将衍射图样进行叠层重建算法重建出照明光束的复振幅和样品的透过率函数，得到被测样品的表面形貌，提取出被测样品的相位信息，从而定量推算出被塑料、陶瓷、纸张非极性物质遮挡的被测样品表面的形貌结构；

对被测样品进行定量、快速、大视场成像获得到被测样品表面形貌的过程分为以下步骤：

S1设r＝(x,y,0)为物平面的坐标向量，被测样品表面的复振幅分布和探针函数分别表示为O(r)和P(r)；

调节被测样品的主反射光正入射到面阵式热释电探测器平面，被测样品与面阵式热释电探测器距离为d，面阵式热释电探测器记录面坐标向量为u＝(ξ,η,ω)，按照电动平移台的扫描路径依次采集被测样品的小孔衍射图强度I_j(u)，其中j＝1,2,3…J，J是衍射图样的总数；测量的小孔衍射图强度I_j(u)表示为：

I_j(u)＝|G_d{O(r)P(r-R_j)}|², (1)

其中R_j＝(x_j,y_j)表示样品的第j个平移向量，j＝1,2,3,…,J，J是衍射图样的总数，G{}表示衍射传播算子；

S2对测量的小孔衍射图强度I_j(u)用叠层再现算法求得被测样品透过率函数；求得被测样品透过率函数的过程分为以下六个步骤：

S2.1首先对被测样品和探针的复振幅进行猜测，其中猜测被测样品的复振幅表示为O_n,j(r)，猜测探针表示为P_n,j(r)，经过被测样品表面反射的出射光场ψ_n,j(r)为：

ψ_n,j(r)＝O_n,j(r)P_n,j(r-R_j), (2)

其中，n表示迭代次数；

S2.2将经过被测样品表面反射的光波ψ_n,j(r)经角谱传播距离d得到u平面的复振幅为U_n,j(ξ,η)；

S2.3用探针探测到的小孔衍射图强度I_j(u)的均方根代替S2.2中的幅值，得到修正后的复振幅分布U'_n,j(ξ,η)，表达式为：

S2.4利用角谱算法将修正后u平面的复振幅反向回传到物面，得到新的物光场分布ψ'_n,j(r)；

S2.5通过更新函数更新初始猜测的物体复振幅和猜测的探针函数

其中α,β为权重系数，取值在0.9-1之间；ε为调节系数，用以调节分母不等于0，取值为0.01；

S2.6更新后的物函数和探针函数作为初始值，直至对整个物面迭代n次，收敛后得到最终的样品表面吸收系数b和相位分布

S3样品表面高度起伏利用重建相位求得:

其中

为被测样品的表面相位分布，λ为照明光波长，T为被测样品的表面形貌分布函数。

2.一种斜入射的连续太赫兹反射式叠层成像方法，实现该方法的成像系统光路包括FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器，焦距为50.8mm的第一镀金离轴抛物面镜，焦距为101.6mm的第二镀金离轴抛物面镜，圆孔掩膜板，太赫兹反射镜，被测样品，二维电动平移台和PY-III面阵式热释电探测器；FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器作为辐射源，工作气体为甲醇，输出频率为2.52THz，对应中心波长为118.83μm，最大输出功率为500mW；第一离轴抛物面镜，第二离轴抛物面镜组成的系统将激光器辐射出的连续太赫兹波扩束两倍，并准直成直径为16mm的平行光；圆孔掩膜板中心为一个直径为3.3mm的小孔；太赫兹反射镜位于圆孔掩膜板后，太赫兹反射镜的法线方向与光轴方向保持夹角；被测样品放置于反射镜的反射光方向，且固定在二维电动平移台上，二维电动平移台为Thorlabs MT3-Z8，最大量程为12mm，x轴、y轴用以水平、垂直移动被测样品，实验中所设步长为0.8mm，保证相邻衍射图的交叠面积为75％；被测样品的主反射光线正入射到PY-III面阵式热释电探测器上，由探测器采集交叠的携带物体信息的小孔衍射图，探测器像素个数为124×124，像元尺寸为100×100μm；

其特征在于：对被测样品进行定量、快速、大视场成像获得到被测样品表面形貌的过程分为四个步骤：

a1设r＝(x,y,0)为物平面的坐标向量，样品表面的复振幅分布和探针函数分别表示为O(r)和P(r)；

调节反射镜的反射光与物平面法线方向的夹角为θ，探测器和样品间的光轴与物平面法线方向的夹角同样为θ；调节被测样品的主反射光正入射到探测器平面，圆孔掩膜板与反射镜的距离为d₁，反射镜与被测样品的距离为d₂，被测样品与探测器距离为d₃，探测器记录面坐标向量为u＝(ξ,η,ω)，按照电动平移台的扫描路径依次采集待测样品的小孔衍射图I_j(u)，其中j＝1,2,3…J，J是衍射图样的总数；测量的衍射图强度I_j(u)表示为：

其中R_j＝(x_j,y_j)表示样品的第j个平移向量，j＝1,2,3,…,J，J是衍射图样的总数，G{}表示衍射传播算子；

a2将记录面u沿η轴旋转角度θ，建立一个新的坐标平面u'＝(ξ',η',ω')；将记录面u的坐标映射到新的坐标平面u'上，两平面坐标具有如下对应关系：

u'＝Au, (7)

其中，

为坐标变换的旋转矩阵；

将测量的衍射图强度I_j(u)进行倾斜平面映射校正，用新坐标表示校正后的衍射图I_j(u')；此过程中需要进行双线性插值处理，为了使衍射图在新坐标的线性网格中重新采样；

a3对校正后的衍射图强度I_j(u')用叠层再现算法求得被测样品的透过率函数；求得被测样品的透过率函数的过程分为以下六个步骤：

a3.1首先对物体和探针的复振幅进行猜测，其中猜测物体复振幅表示为O_n,j(r)，猜测探针表示为P_n,j(r)，经过样品表面反射的出射光场ψ_n,j(r)为：

ψ_n,j(r)＝O_n,j(r)P_n,j(r-R_j), (8)

其中，n表示迭代次数；

a3.2将经过被测样品表面反射的光波ψ_n,j(r)经角谱传播距离d₃，得到u'平面的复振幅为U_n,j(ξ',η')；

a3.3用校正后的衍射图强度I_j(u')的均方根代替S3.2中的幅值，得到修正的记录面复振幅分布U'_n,j(ξ',η')，表达式为：

a3.4利用角谱算法将修正后u'平面的复振幅反向回传到物面，得到新的物光场分布ψ'_n,j(r)；

a3.5通过更新函数更新初始猜测的物体复振幅分布和猜测的探针函数

其中α,β为权重系数，取值在0.9-1之间；ε为调节系数，用以调节分母不等于0，取值为0.01；

a3.6更新后的物函数和探针函数作为初始值，直至对整个物面迭代n次，算法收敛后能够得到最终的样品表面吸收系数b和相位分布

a4被测样品表面高度起伏能够利用重建相位求得:

其中

为样品表面的相位分布，λ为照明光波长，T为样品表面形貌分布函数。

3.一种正入射的连续太赫兹反射式叠层成像方法，实现该方法的成像系统光路包括FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器，焦距为50.8mm的第一镀金离轴抛物面镜，焦距为101.6mm的第二镀金离轴抛物面镜，圆孔掩膜板，分束镜，被测样品，二维电动平移台，PY-III面阵式热释电探测器；FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器1作为辐射源，工作气体为甲醇，输出频率为2.52THz，对应中心波长为118.83μm，最大输出功率为500mW；第一离轴抛物面镜，第二离轴抛物面镜组成的系统将激光器辐射出的连续太赫兹波扩束两倍，并准直成直径为16mm的平行光；圆孔掩膜板中心为一个直径为3.3mm的小孔；分束镜位于圆孔掩膜板后；光束通过分束镜分为两束，透射光不作处理，反射光正入射到被测样品表面；被测样品与面阵式热释电探测器分别位于分束镜的两侧；被测样品固定在二维电动平移台上，二维电动平移台为Thorlabs MT3-Z8，最大量程为12mm，x轴、y轴用以水平、垂直移动被测样品，实验中所设步长为0.8mm，保证相邻衍射图的交叠面积为75％；PY-III面阵式热释电探测器采集携带物体信息的小孔衍射图，像素个数为124×124，像元尺寸为100×100μm；

其特征在于，对反射式样品进行定量、快速、大视场成像获得到样品表面形貌的过程分为三个步骤：

b1设r＝(x,y,0)为物平面的坐标向量，样品表面的复振幅分布和探针函数分别表示为O(r)和P(r)；

调节圆孔掩膜板与分束镜的间距为d₁，被测样品与分束镜的间距为d₂，分束镜与探测器距离为d₃，按照电动平移台的扫描路径依次采集被测样品的小孔衍射图强度I_j(u)，其中j＝1,2,3…J，J是衍射图样的总数，u＝(ξ,η,ω)为探测器记录面坐标向量，测量的小孔衍射图强度I_j(u)表示为：

其中R_j＝(x_j,y_j)表示样品的第j个平移向量，j＝1,2,3,…,J，J是衍射图样的总数；G{}表示衍射传播算子；

b2对小孔衍射图强度I_j(u)用叠层再现算法求得被测物体透过率函数；求得物体透过率函数的过程分为以下六个步骤：

b2.1首先对物体和探针的复振幅进行猜测，其中猜测待测样品的复振幅表示为O_n,j(r)，猜测探表示为P_n,j(r)，经过样品表面反射的出射光场ψ_n,j(r)为：

ψ_n,j(r)＝O_n,j(r)P_n,j(r-R_j), (13)

其中，n表示迭代次数；

b2.2将经过样品表面反射的光波ψ_n,j(r)经角谱传播距离d₂+d₃，得到u平面的复振幅为U_n,j(ξ,η)；

b2.3用探测到的小孔衍射图强度I_j(u)的均方根代替S2.2中的幅值，得到修正后的记录面复振幅分布U'_n,j(ξ,η)，表达式为：

b2.4利用角谱算法将修正后记录面的复振幅反向回传到物面，得到新的物光场分布ψ'_n,j(r)；

b2.5通过更新函数更新初始猜测的物体复振幅和猜测的探针函数

其中α,β为权重系数，取值在0.9-1之间；ε为调节系数，用以调节分母不等于0，取值为0.01；

b2.6更新后的物函数和探针函数作为初始值，直至对整个物面迭代n次，算法收敛后能够得到最终的样品表面吸收系数b和相位分布

b3样品表面高度起伏利用重建相位求得:

其中

为样品表面的相位分布，λ为照明光波长，T为样品表面形貌分布函数。

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