CN110793943A - 基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹成像方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹成像方法及装置，该方法包括准直的太赫兹波束经分束镜反射后得到反射波束；反射波束辐射到成像目标并经成像目标反射后得到第一波束；第一波束传播距离f后经过第一透镜调制后得到第二波束；第二波束传播距离f后经过频谱面的螺旋相位板调制后得到第三波束；第三波束传播距离f后经过第二透镜调制后得到第四波束；第四波束经第二透镜调制后传播距离f被太赫兹相机接收成像。本发明将螺旋相衬成像技术引入到太赫兹成像中，结合螺旋相衬成像可实现高对比度成像的特点，从而实现太赫兹高对比度成像。

Description

基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹成像方法及装置
技术领域
本发明涉及太赫兹准光成像技术领域，尤其涉及一种基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹成像方法及装置。
背景技术
太赫兹波对生物组织具有一定的穿透能力，且单光子能量低，不会引起生物组织电离，在生物医学成像上非常安全，适用于生物医学成像。但是，太赫兹生物医学图像往往对比度很低，对于生物组织来说，由于其含水量较高使得太赫兹反射率很低，太赫兹对生物组织的透射率远小于反射率，因此，亟需研究反射式太赫兹高对比度成像方法。螺旋相衬成像技术被广泛应用于光学成像中，相对于普通成像方法，螺旋相衬成像通过将成像目标函数与相位因子
Figure BDA0002281423200000011
进行卷积操作，使得目标图像中均匀区域的像素变为0，不同强度或相位区域的边界凸现出来，从而实现成像对比度增强。将螺旋相衬成像技术引入到反射式太赫兹成像领域中，可以实现太赫兹高对比度成像。因此，研究反射式太赫兹螺旋相衬成像方法具有重要的研究价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于螺旋相衬成像的太赫兹成像方法及装置，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹成像方法，包括：
准直的太赫兹波束经分束镜反射后得到反射波束；
反射波束辐射到成像目标并经成像目标反射后得到第一波束；
第一波束传播距离f后经过第一透镜调制后得到第二波束；
第二波束传播距离f后经过频谱面的螺旋相位板调制后得到第三波束；
第三波束传播距离f后经过第二透镜调制后得到第四波束；
第四波束经第二透镜调制后传播距离f被太赫兹相机接收成像。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种成像装置，用于执行如上所述的反射式太赫兹成像方法，包括：
分束镜，用于将太赫兹波束反射到成像目标上并透射经目标反射的太赫兹波；
第一透镜，用于调制经过成像目标反射后的第一波束；
螺旋相位板，用于调制经过第一透镜的第二波束；
第二透镜，用于调制经过波束挡板的第三波束；以及
太赫兹相机，用于接收经过第二透镜后的第四波束并成像；
其中，所述成像目标、第一透镜、螺旋相位板、第二透镜、太赫兹相机等距且平行设置。
基于上述技术方案可知，本发明的基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹成像方法及装置相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、基于螺旋相衬成像的太赫兹高对比度成像方法将螺旋相衬成像技术引入到太赫兹成像中，结合螺旋相衬成像可实现高对比度成像的特点，从而实现太赫兹高对比度成像；
2、对于低透射率的成像目标，尤其生物组织，采用反射式成像相比透射式成像，可以获得更高的信噪比；
3、利用太赫兹相机进行接收，可以实现对成像目标的实时成像。
附图说明
图1为本发明实施例的基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹高对比度成像方法的步骤示意图；
图2为本发明实施例的基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹高对比度成像装置的光路结构示意图；
图3为本发明实施例中采用基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹高对比度成像方法的仿真成像结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
目前，传统的太赫兹生物医学成像方法大多成像对比度低，成像质量差。本发明旨在将光学成像中的螺旋相衬成像引入到反射式太赫兹成像中，以提高成像对比度。相对于传统成像方法，螺旋相衬成像通过将成像目标函数与相位因子
Figure BDA0002281423200000031
进行卷积操作，使得目标图像中均匀区域的像素变为0，不同强度或相位区域的边界凸现出来，从而实现成像对比度增强。成像系统中利用太赫兹相机作为接收，可以实现对目标实时高对比度成像。由于太赫兹波长相对于光波要长的多，容易发生较强的衍射效应，因此实验系统元件尺寸和间距应远大于波长。
本发明公开了一种基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹成像方法，包括：
准直的太赫兹波束经分束镜反射后得到反射波束；
反射波束辐射到成像目标并经成像目标反射后得到第一波束；
第一波束传播距离f后经过第一透镜调制后得到第二波束；
第二波束传播距离f后经过频谱面的螺旋相位板调制后得到第三波束；
第三波束传播距离f后经过第二透镜调制后得到第四波束；
第四波束经第二透镜调制后传播距离f被太赫兹相机接收成像。
其中，所述第一波束传播距离f过程中经所述分束镜透射后到达第一透镜。
其中，所述第一透镜和第二透镜均为凸透镜，第一透镜和第二透镜的焦距均为f。
其中，经所述成像目标反射后的第一波束起始位置的场分布E1(x1，y1)为：
E1(x1，y1)＝E0(x1，y1)t(x1，y1)；
其中，t(x1，y1)为目标的反射函数，E0(x1，y1)为辐射到成像目标的场分布，(x1，y1)为目标平面的坐标。
其中，所述第一波束到达第一透镜的场分布E2(x2，y2)满足：
F{E2(x2，y2)}＝F{E1(x1，y1)}H(fx，fy)；
其中，F{·}为傅里叶变换，
Figure BDA0002281423200000041
fx＝x2/λf，fy＝y2/λf，j为虚数单位，λ为太赫兹波波长，(x2，y2)为第一透镜所在平面的坐标。
其中，第二波束到达所述频谱面的场分布E3(x3，y3)为：
Figure BDA0002281423200000042
其中，k为波数，为第一透镜的调制函数，(x3，y3)为频谱面的坐标。
其中，所述第三波束到达第二透镜的场分布E4(x4，y4)为：
Figure BDA0002281423200000044
其中，
Figure BDA0002281423200000045
为螺旋相位板的调制函数，为频谱面的方位角，fx＝x4/λf，fy＝y4/λf，(x4，y4)为第二透镜所在平面的坐标，ρ是(x4，y4)平面的径向长度，R是螺旋相位板的半径。
其中，所述第四波束到达太赫兹相机表面的场分布E4(x4，y4)为：
Figure BDA0002281423200000051
其中，(x5，y5)为太赫兹相机所在平面的坐标；
上式中的傅里叶变换后为：
Figure BDA0002281423200000052
其中，Jm(·)为m阶贝塞尔函数，Hm(·)为m阶斯特鲁夫函数。
本发明还公开了一种成像装置，用于执行如上所述的太赫兹成像方法，包括：
分束镜，用于将太赫兹波束反射到成像目标上并透射经目标反射的太赫兹波；
第一透镜，用于调制经过成像目标反射后的第一波束；
螺旋相位板，用于调制经过第一透镜的第二波束；
第二透镜，用于调制经过波束挡的第三波束；以及
太赫兹相机，用于接收经过第二透镜后的第四波束并成像；
其中，所述成像目标、第一透镜、螺旋相位板、第二透镜、太赫兹相机等距且平行设置。
其中，所述分束镜设置在成像目标与第一透镜之间；
所述太赫兹波束经过分束镜反射后的波束传播方向与成像目标表面垂直。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
如图1和图2所示，本实施例的基于螺旋相衬成像的太赫兹高对比度成像方法，该方法包括以下步骤：
S1、准直的太赫兹波束经分束镜反射后辐射到成像目标。
所述辐射到成像目标的场分布记为E0(x1，y1)，(x1，y1)为目标平面的坐标。
S2、所述波束经成像目标反射后得到第一波束；
所述经成像目标反射后的第一波束起始位置的场分布为：
E1(x1，y1)＝E0(x1，y1)t(x1，y1)
其中，t(x1，y1)为目标的反射函数。
S3、所述第一波束传播距离f后到达第一透镜。所述到达第一透镜的场分布满足：
F{E2(x2，y2)}＝F{E1(x1，y1)}H(fx，fy)；
其中，F{·}为傅里叶变换，
Figure BDA0002281423200000061
fx＝x2/λf，fy＝y2/λf，j为虚数单位，λ为太赫兹波波长，(x2，y2)为第一透镜所在平面的坐标。
S4、所述第一波束经第一透镜调制后传播距离f到达频谱面。
第一波束经过第一透镜调制后得到第二波束；
第二波束到达频谱面的场分布为：
Figure BDA0002281423200000071
其中，k为波数，
Figure BDA0002281423200000072
为第一透镜的调制函数，(x3，y3)为频谱面的坐标。
S5、所述第二波束经过位于频谱面的螺旋相位板调制后传播距离f到达第二透镜；
第二波束经过螺旋相位板调制后得到第三波束；
所述第三波束到达第二透镜的场分布为：
Figure BDA0002281423200000073
其中，
Figure BDA0002281423200000074
为螺旋相位板的调制函数，
Figure BDA0002281423200000075
为频谱面的方位角，fx＝x4/λf，fy＝y4/λf，(x4，y4)为第二透镜所在平面的坐标，ρ是(x4，y4)平面的径向长度，R是螺旋相位板的半径。
S6、所述第三波束经第二透镜调制后传播距离f被太赫兹相机接收；
第三波束经第二透镜调制后得到第四波束；
到达太赫兹相机表面的场分布为：
Figure BDA0002281423200000081
其中，(x5，y5)为太赫兹相机所在平面的坐标。
上式中的傅里叶变换可以写为，
Figure BDA0002281423200000082
其中，Jm(·)为m阶贝塞尔函数，Hm(·)为m阶斯特鲁夫函数。
太赫兹相机表面的场分布表达式中目标函数t与exp(jφ)的卷积导致目标图像中均匀区域的像素点会被0替换，不同强度或相位区域的边界将会凸现出来，从而实现了高对比度成像。
图3中(a)图、(c)图、(e)图分别为仿真目标，目标图像中的字母“THz”的反射率均为1，背景的反射率分别为0.6、0.9、0.99，由对比度计算公式：(最大值-最小值)/(最大值+最小值)可知，目标图像的对比度分别25％、5.26％、0.5％，即对比度依此降低，当对比度为0.5％时，人眼无法识别出目标；(b)图、(d)图、(f)图、为对应的(a)图、(c)图、(e)图太赫兹螺旋相衬成像仿真结果，可以看出，仿真结果均能较好地提取出目标的高频信息，三个图像的对比度均为100％，从而实现对低对比度目标的高对比度成像。综上，本发明的基于螺旋相衬成像的太赫兹高对比度成像方法，能实现高对比度成像，采用太赫兹相机作为接收，可以实现实时成像。
本实施例中第一透镜和第二透镜均为凸透镜，第一透镜和第二透镜的焦距均为f。第一透镜的目的是对含有目标信息的太赫兹波束进行傅里叶变换到频谱面然后在频谱面滤波。螺旋相衬成像在频谱面加螺旋相位板通过相位调制滤波，滤除低频分量，凸显高频分量。第二透镜的目的是对在频谱面滤波后的波束进行傅里叶变换，还原出目标滤波后的图像。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹成像方法，包括：
准直的太赫兹波束经分束镜反射后得到反射波束；
反射波束辐射到成像目标并经成像目标反射后得到第一波束；
第一波束传播距离f后经过第一透镜调制后得到第二波束；
第二波束传播距离f后经过频谱面的螺旋相位板调制后得到第三波束；
第三波束传播距离f后经过第二透镜调制后得到第四波束；
第四波束经第二透镜调制后传播距离f被太赫兹相机接收成像。
2.根据权利要求1所述的反射式太赫兹成像方法，其特征在于，
所述第一波束传播距离f过程中经所述分束镜透射后到达第一透镜。
3.根据权利要求1所述的反射式太赫兹成像方法，其特征在于，
所述第一透镜和第二透镜均为凸透镜，第一透镜和第二透镜的焦距均为f。
4.根据权利要求1所述的反射式太赫兹成像方法，其特征在于，
经所述成像目标反射后的第一波束起始位置的场分布E1(x1，y1)为：
E1(x1，y1)＝E0(x1，y1)t(x1，y1)；
其中，t(x1，y1)为目标的反射函数，E0(x1，y1)为辐射到成像目标的场分布，(x1，y1)为目标平面的坐标。
5.根据权利要求4所述的反射式太赫兹成像方法，其特征在于，
所述第一波束到达第一透镜的场分布E2(x2，y2)满足：
F{E2(x2，y2)}＝F{E1(x1，y1)}H(fx，fy)；
其中，F{·}为傅里叶变换，
Figure FDA0002281423190000011
fx＝x2/λf，fy＝y2/λf，j为虚数单位，λ为太赫兹波波长，(x2，y2)为第一透镜所在平面的坐标。
6.根据权利要求5所述的反射式太赫兹成像方法，其特征在于，
第二波束到达所述频谱面的场分布E3(x3，y3)为：
Figure FDA0002281423190000021
其中，k为波数，为第一透镜的调制函数，(x3，y3)为频谱面的坐标。
7.根据权利要求6所述的反射式太赫兹成像方法，其特征在于，
所述第三波束到达第二透镜的场分布E4(x4，y4)为：
其中，
Figure FDA0002281423190000024
为螺旋相位板的调制函数，
Figure FDA0002281423190000025
为频谱面的方位角，fx＝x4/λf，fy＝y4/λf，(x4，y4)为第二透镜所在平面的坐标，ρ是(x4，y4)平面的径向长度，R是螺旋相位板的半径。
8.根据权利要求7所述的反射式太赫兹成像方法，其特征在于，
所述第四波束到达太赫兹相机表面的场分布E4(x4，y4)为：
Figure FDA0002281423190000031
其中，(x5，y5)为太赫兹相机所在平面的坐标；
上式中的傅里叶变换后为：
Figure FDA0002281423190000032
其中，Jm(·)为m阶贝塞尔函数，Hm(·)为m阶斯特鲁夫函数。
9.一种成像装置，用于执行如权利要求1-8任一项所述的太赫兹成像方法，其特征在于，包括：
分束镜，用于将太赫兹波束反射到成像目标上并透射经目标反射的太赫兹波；
第一透镜，用于调制经过成像目标反射后的第一波束；
螺旋相位板，用于调制经过第一透镜的第二波束；
第二透镜，用于调制经过波束挡板的第三波束；以及
太赫兹相机，用于接收经过第二透镜后的第四波束并成像；
其中，所述成像目标、第一透镜、螺旋相位板、第二透镜、太赫兹相机等距且平行设置。
10.根据权利要求9所述的成像装置，其特征在于，
所述分束镜设置在成像目标与第一透镜之间；
所述太赫兹波束经过分束镜反射后的波束传播方向与成像目标表面垂直。
CN201911152420.0A 2019-11-20 2019-11-20 基于螺旋相衬成像的反射式太赫兹成像方法及装置 Pending CN110793943A (zh)

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