CN112666814B - 一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，包括完成全息图的叠加平均预处理过程、全息图自聚焦预处理过程和全息图重建结果的去除背景预处理过程。利用离轴数字全息衍射层析算法重建样品的三维复折射率分布包括三个步骤：利用角谱衍射传播公式和自聚焦算法完成离轴数字全息图的重建；将重建的物体复振幅分布进行Rytov近似处理，得到物体的Rytov近似散射场；再利用滤波反向传播算法得到物函数分布，根据物函数与折射率的关系计算出物体的三维复折射率分布。

Description

一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法

技术领域

本发明涉及一种衍射层析成像的方法，特别涉及一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像的方法。

背景技术

太赫兹层析成像(THz-CT)是太赫兹波三维成像技术的一个重要方法，它是X射线层析在太赫兹波段的一个扩展。THz-CT重建算法与X射线CT相似，他们假定衍射、折射、菲涅耳反射效应是可以忽略的。在X射线中，这种假设是合理的，因为物体在X射线中的折射率接近于1，因此，当X射线穿过物体时，可近似的看成是直线传播。由于太赫兹波长较长，太赫兹波在物体中的传播不可以简单的看成是直线传播，它的衍射、折射效应是不可忽略的。目前THz-CT的样品主要是塑料泡沫等低折射率材料和具有空心结构的高折射率材料，最近也实现了折射率匹配的方法来减少折射效应。尽管以上的策略可以减少折射效应，但他们都忽略了衍射效应对重建的影响，光学衍射层析技术是一种考虑到光波衍射的更普遍的层析成像方法，可以获得比层析算法更高精度的重建结果。

发明内容

一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，其成像系统光路装置包括CO₂泵浦太赫兹激光器1，第一镀金离轴抛面镜2(焦距为25.4mm)，第二镀金离轴抛面镜3(焦距为76.2mm)，分束片4(硅片)，镀金反射镜5，电动旋转台6，被测样品7，热释电探测器8。CO₂泵浦太赫兹激光器1用于输出连续太赫兹波，其中心频率为2.52THz，波长为118.83μm，最大输出功率约为500mW；第一镀金离轴抛面镜2(焦距为25.4mm)和第二镀金离轴抛面镜3(焦距为76.2mm)组成一个扩束单元，可将CO₂泵浦太赫兹激光器1输出的太赫兹波光斑直径扩大3倍，其传播方向平行；分束片4作用在于将扩束后的太赫兹波分为透射照明波4a和反射波4b，透射照明波4a传播到被测样品7上，被测样品7放置在电动旋转台6上，通过控制电动旋转台6，被测样品不同旋转角度的物光波7a透射到热释电探测器8，反射波4b被镀金反射镜5反射作为参考光波5a传播到热释电探测器8中并与物光波7a发生干涉，通过热释电探测器8记录离轴数字全息图H_i(x,y)。

一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，包括离轴数字全息图的记录和全息图叠加去除噪声的处理过程，在全息图记录时，采集500帧全息图进行叠加平均处理：

是叠加平均处理后的全息图，m＝500。

一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，包括全息图自聚焦算法，当样品在旋转过程中不在旋转中心时，其距探测器的距离将会随着旋转角度的改变而改变，通过自聚焦算法，可找到最优的全息图重建距离。聚焦的清晰图像具有更大的灰度级差异，因此可以通过计算图像的方差或标准差作为聚焦评价函数C(I)来评价图像的清晰程度，方差函数的计算公式如下所示：

式中

表示图像I灰度值的平均值：

其中，M和N表示图像的行数和列数。

一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，包括全息图重建结果的背景去除处理，对具有样品和没有样品的全息图进行相同的重建处理过程，然后将有样品的重建结果U除以重建背景U_bg：

U₀＝U./U_bg

U₀是重建的物平面复振幅分布。

一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，其重建样品的三维折射率分布的过程分为三个步骤：

(1)通过离轴数字全息重建方法和自聚焦算法，得到样品在单个角度下的物平面复振幅分布，然后对不同角度下的全息图进行相同的处理，获得样品不同角度下的物平面复振幅分布。

(2)将样品不同角度下的物平面复振幅分布进行Rytov近似处理，

U_Rytov是物体散射场的Rytov近似，a(r)和φ(r)是物平面复振幅的振幅和相位，a₀(r)和φ₀(r)是背景的振幅和相位。

(3)利用滤波反向传播算法对样品不同角度下的U_Rytov散射场进行重建，进而获得样品的三维物函数分布f(r)，利用物函数f(r)与折射率n(r)之间的关系：

其中，n_m表示周围介质的折射率，即可得到样品的三维复折射率分布n(r)。

太赫兹波衍射层析成像是一种三维相衬成像技术，提供了一种全视场、非接触式、非破坏性的三维成像方法。与太赫兹层析成像方法相比，太赫兹波衍射层析成像方法是一种考虑到光波衍射的更普遍的层析成像方法，对于透射或半透射样品，太赫兹波衍射层析成像方法可以获得比太赫兹层析成像方法更高精确度的重建像，而且太赫兹衍射层析成像方法可以获得三维样品的复折射率分布。

附图说明

图1是一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法的系统光路。其系统光路包括CO2泵浦太赫兹激光器1，第一镀金离轴抛面镜2(焦距为25.4mm)，第二镀金离轴抛面镜3(焦距为76.2mm),分束片4(硅片)，镀金反射镜5，电动旋转台6，被测样品7，热释电探测8。

具体实施方式

下面参照附图样式详细说明本发明的典型实施例及其特征。

本发明的组成结构

本发明一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，其系统光路如图1所示，包括CO2泵浦太赫兹激光器1，第一镀金离轴抛面镜2(焦距为25.4mm)，第二镀金离轴抛面镜3(焦距为76.2mm)，分束片4(硅片)，镀金反射镜5，电动旋转台6，被测样品7，热释电探测8。实验中的太赫兹激光器CO2泵浦太赫兹激光器1，波长为118.83μm(频率为2.52THz)，其可产生最大输出功率为500mW的连续太赫兹波，热释电探测器8的像素个数为320×320像素，像素尺寸为75μm×75μm，像素间距为80μm×80μm，有效面积为25.6mm×25.6mm，帧速率为50Hz。

待测样品为聚苯乙烯泡沫材料等相位型物体。工作时将待测样品置于电动旋转台6，该电动旋转台6精度可达±0.04°，控制电动旋转台6旋转360°，旋转角度间隔为4°，热释电探测器探8共记录了90幅全息图，全息图尺寸为320×320像素。

本发明一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，其重建样品的三维折射率分布的过程分为三个步骤：：

(1)通过离轴数字全息重建方法和自聚焦算法，得到样品在单个角度的物平面复振幅分布，然后对不同角度下的全息图进行相同的处理，获得样品不同旋转角度下的物平面复振幅分布。

(2)将样品不同旋转角度下的物平面复振幅分布进行Rytov近似处理，

U_Rytov是物体散射场的Rytov近似，a(r)和φ(r)是物平面复振幅的振幅和相位，a₀(r)和φ₀(r)是背景的振幅和相位。

(3)利用滤波反向传播算法对样品不同角度下的U_Rytov散射场进行重建，进而获得样品的三维物函数分布f(r)，利用物函数f(r)与折射率n(r)之间的关系：

其中，n_m表示周围介质的折射率，即可得到样品的三维复折射率分布n(r)。

本发明的典型实施例的试验结果表明，通过旋转样品，记录样品不同旋转角度下的数字全息图，利用离轴全息重建方法和全息图自聚焦算法，重建出样品不同旋转角度下的物平面复振幅分布，通过对样品的物平面复振幅进行Rytov近似处理后，再利用基于傅里叶衍射定理的反向传播算法，可以重建出样品的三维复折射率分布。

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)

1.一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，实现该方法的基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像系统包括CO₂泵浦太赫兹激光器、第一镀金离轴抛面镜、第二镀金离轴抛面镜、分束片、镀金反射镜、电动旋转台、被测样品、热释电探测器；CO₂泵浦太赫兹激光器用于输出连续太赫兹波，第一镀金离轴抛面镜和第二镀金离轴抛面镜组成一个扩束单元，将CO₂泵浦太赫兹激光器输出的太赫兹波光斑直径扩大，其传播方向平行；分束片作用在于将扩束后的太赫兹波分为透射照明波和反射波，透射照明波传播到被测样品上，被测样品放置在电动旋转台上，通过控制电动旋转台，被测样品不同旋转角度的物光波透射到热释电探测器，反射波被镀金反射镜反射作为参考光波传播到热释电探测器中并与物光波发生干涉，通过热释电探测器记录离轴数字全息图H_i(x,y)；

其特征在于：包括离轴数字全息图的记录和全息图叠加去除噪声的处理过程，在全息图记录时，采集500帧全息图进行叠加平均处理：

是叠加平均处理后的全息图，m＝500；

当样品在旋转过程中不在旋转中心时，其距探测器的距离将会随着旋转角度的改变而改变，通过自聚焦算法找到全息图重建距离；聚焦的清晰图像具有更大的灰度级差异，通过计算图像的方差或标准差作为聚焦评价函数C(I)来评价图像的清晰程度，方差函数的计算公式如下所示：

式中

表示图像I灰度值的平均值：

其中，M和N表示图像的行数和列数。

2.根据权利要求1所述的一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，包括全息图重建结果的背景去除处理，对具有样品和没有样品的全息图进行相同的重建处理过程，然后将有样品的重建结果U除以重建背景U_bg：

U₀＝U./U_bg

U₀是重建的物平面复振幅分布。

3.根据权利要求1所述的一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，其特征在于：重建样品的三维折射率分布的过程分为三个步骤：

(1)通过离轴数字全息重建方法和自聚焦算法，得到样品在单个角度下的物平面复振幅分布，然后对不同角度下的全息图进行相同的处理，获得样品不同角度下的物平面复振幅分布；

(2)将样品不同角度下的物平面复振幅分布进行Rytov近似处理，

U_Rytov是物体散射场的Rytov近似，a(r)和φ(r)是物平面复振幅的振幅和相位，a₀(r)和φ₀(r)是背景的振幅和相位；

(3)利用滤波反向传播算法对样品不同角度下的U_Rytov散射场进行重建，进而获得样品的三维物函数分布f(r)，利用物函数f(r)与折射率n(r)之间的关系：

其中，n_m表示周围介质的折射率，即可得到样品的三维复折射率分布n(r)。

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