CN113093499A - 一种离散孔径内推的太赫兹数字全息成像方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离散孔径内推的太赫兹数字全息成像方法和系统，包括：(1)设计离散孔径子图像阵列。(2)记录太赫兹离散孔径离轴和同轴子全息图。(3)获得离散孔径重组太赫兹图像。(4)内推太赫兹全息图重建获得样品的振幅和相位图像。本发明优点是：通过迭代传播的方式复原出全息图相位图样的高频条纹，从而可以重建得到成像质量更好的全息图。同时，相比于原来的探测方法，太赫兹数字全息成像系统在实现减小尺寸、重量和成本的成像系统方面具有独特优势，避免其他技术的缺点，未来可用于大型场景成像，在太赫兹波段成像、医学成像以及相位成像领域中具有潜在应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及数字全息成像技术领域，特别涉及一种离散孔径内推的太赫兹数字全息成像方法和系统。
背景技术
太赫兹波段处于红外到微波之间，其兼具两者电磁波的特性。因此，它在成像领域的应用前景十分广阔。太赫兹波数字全息成像技术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。该技术可以做无损检测，在安检、医学、石油地质勘探等领域有很大的发展前景。全息图平面上的多孔径或多相机采样可以实现大面积全息图采集，但由于传感器具有有限的像素，数字全息成像中会产生衍射带限现象，单孔径采集会产生高频成分丢失的情况，而合成孔径方法的探测效率低，存在子孔径之间需要有重叠部分的缺点，导致探测器移动次数、移动位置和探测次数均受限，因此，迫切需求一种高效的太赫兹波段高分辨率成像方法。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种离散孔径内推的太赫兹数字全息成像方法和系统，将子全息图扩展内推为完整的全息图，从而扩大了检测面积，获得了比任何单个孔径更高的空间分辨率，为离散孔径太赫兹波数字全息中的应用提供了一种重建方法。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种离散孔径内推的太赫兹数字全息成像系统，包括：太赫兹波源1、硅片3、样品4和反射镜A5、反射镜B6、离轴参考光控制快门7、赫兹探测器8和二维电动平移台9；太赫兹波源1产生和输出太赫兹波2，硅片3分别透射和反射一束太赫兹波2，样品4和反射镜A5用于反射同轴参考光波，反射镜B6用于反射离轴参考光波，离轴参考光控制快门7用于控制太赫兹波2的传播，太赫兹探测器8用于接收太赫兹波信号，二维电动平移台9用于对太赫兹探测器8进行二维移动。
记录太赫兹离散孔径离轴子全息图HOi时：太赫兹波2由太赫兹波源1发出，经硅片3反射出一束光波照射到样品4上，之后反射回硅片3，经硅片3透射到太赫兹探测器8。太赫兹波2由太赫兹波源1发出时，经硅片3透射出另一束光波照射到反射镜B6，此时离轴参考光控制快门7为打开状态，光波直接由反射镜6反射到探测器8。
记录太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi时：太赫兹波2由太赫兹波源1发出，经硅片3反射出一束光波照射到样品4上，之后反射回硅片3，这一束其余光波照射到反射镜A5后反射回硅片3，这一束光波经硅片3透射到太赫兹探测器8。太赫兹波2由太赫兹波源1发出时，经硅片3透射出另一束光波照射到反射镜B6，此时离轴参考光控制快门7为关闭状态，光波经反射镜B6反射后被其阻碍传播，无法到达太赫兹探测器8。
本发明还公开了一种离散孔径内推的太赫兹数字全息成像方法，包括以下步骤：
(1)离散孔径图像阵列设计。
离散孔径子图像阵列由n个独立离散孔径太赫兹子图像组成，阵列形状由样品边缘形状决定同时覆盖整个样品，离散孔径太赫兹子图像边长尺寸等于太赫兹探测器靶面实际尺寸，n个独立离散孔径太赫兹子图像在阵列中的位置坐标为(x1,y1)，(x2,y2)…(xn,yn)，离散孔径太赫兹子图像间距尺寸设置为k，离散孔径子图像间无重叠部分即k>0。
(2)太赫兹离散孔径子全息图记录；
通过太赫兹数字全息成像系统对离散孔径太赫兹子图像完成记录，通过二维电动平移台将太赫兹探测器移动至独立离散孔径太赫兹子图像在阵列中的中心位置坐标(x1,y1)，(x2,y2)…(xn,yn)，在第i个离散孔径太赫兹子图像位置，分别记录太赫兹离散孔径离轴子全息图HOi和太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi，记录过程如下：二维电动平移台移动至中心位置坐标(xi,yi)时，打开离轴参考光控制快门，记录太赫兹离散孔径离轴子全息图HOi，保持二维电动平移台相同位置，关闭离轴参考光控制快门，在样品后加入反射镜，记录太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi，之后二维电动平移台移动至下一个中心位置坐标(xi+1,yi+1)，重复上述过程记录太赫兹离散孔径离轴子全息图HOi+1和太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi+1。
(3)离散孔径子全息图定位重组。
由离散孔径图像设计阵列生成太赫兹离散孔径衍射图，其中n个独立离散孔径太赫兹子图像在阵列中心位置处的图像Hi振幅值定位为记录的太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi的振幅值，相位值定位为离轴子全息图HOi经过频谱滤波的离轴子全息图相位值，在太赫兹离散孔径衍射图的无子孔径部分，振幅值设置为衍射图像振幅均值，相位设置为随机值，获得离散孔径重组太赫兹图像H。
(4)重组太赫兹图像迭代内推再现。
在离散孔径重组太赫兹图像H设置相邻独立离散孔径太赫兹子图像Hi和Hi+1的振幅和相位作为迭代内推再现过程的起始值，通过计算机中的自由空间传播算法逆向传播到样品平面，加入样品平面约束条件并正向传播到探测平面，获得内推重组太赫兹图像的更新振幅和相位图像。在太赫兹离散孔径衍射图的无子孔径图像部分用更新振幅和相位图像替换，独立离散孔径太赫兹子图像位置仍使用记录的振幅和相位图像，之后将该太赫兹图像作为下一轮迭代的起始值，达到收敛条件后停止迭代。每停止迭代一次，在离散孔径重组太赫兹图像H加入一个相邻的独立离散孔径太赫兹子图像Hi+2的振幅和相位，开始新一轮的迭代，依次重复以上过程直至加入所有n个独立离散孔径太赫兹子图像Hn的振幅和相位，完成太赫兹离散孔径子全息图的内推过程。通过自由空间传播算法完成内推太赫兹全息图的重建，获得样品的振幅和相位图像。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
将太赫兹子全息图扩展内推为完整的太赫兹全息图，从而扩大检测面积，获得了比任何单个孔径更高的空间分辨率。它可以通过迭代传播的方式复原出全息图相位图样的高频条纹，从而可以重建得到成像质量更好的太赫兹全息图。同时，相比于现有的探测方法，离散孔径内推的太赫兹数字全息成像方法和系统在实现减小尺寸，重量和成本的成像系统方面具有独特优势，未来可用于大型场景成像。基于太赫兹波源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。该技术可以做无损检测，在安检、医学、石油地质勘探等领域有很大的发展前景。
附图说明
图1为本发明的全息成像方法流程图；
图2为本发明实施例全息成像系统光路图。
图中：1、太赫兹波源；2、太赫兹波源产生和输出的太赫兹波；3、硅片；4、样品；5、同轴参考光波反射镜A；6、离轴参考光反射镜B；7、离轴参考光控制快门；8、太赫兹探测器；9、二维电动平移台。
图3为本发明实施例全息成像方法阵列图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种离散孔径内推的太赫兹数字全息成像方法，其步骤如下：
(1)离散孔径图像阵列设计过程。样品为直径是40mm的圆形机械齿轮。离散孔径太赫兹子图像阵列由8个独立离散孔径太赫兹子图像组成，阵列形状为略大于整个样品的边长为43.6mm的正方形，像素尺寸为545像素。离散孔径太赫兹子图像边长尺寸为12.8mm等于太赫兹探测器靶面实际尺寸，像素尺寸为160像素。离散孔径太赫兹子图像间距尺寸设置为2.6mm，像素尺寸为32.5像素。
(2)太赫兹离散孔径子全息图记录过程。太赫兹探测器型号为PY3HR。二维电动平移台移动至阵列的左上角，以每个子图像左上角顶点的坐标为各自的位置坐标，且以第一个子图像位置坐标为原点即(0,0)，此时，打开离轴参考光控制快门，记录太赫兹离散孔径离轴子全息图HO1，保持二维电动平移台相同位置，关闭离轴参考光控制快门，记录太赫兹离散孔径同轴子全息图HI1，之后二维电动平移台向右移动至下一个位置即位置坐标为(15.4,0)，之后坐标顺序依次为(30.8,0)，(30.8，-15.4)，(30.8，-30.8)，(15.4，-30.8)，(0，-30.8)，(0，-15.4)，由以上路径重复上述子全息图记录过程直至记录太赫兹离散孔径离轴子全息图HO8和太赫兹离散孔径同轴子全息图HI8。
(3)离散孔径子全息图定位重组过程。由离散孔径图像设计阵列生成太赫兹离散孔径衍射图，其中离散孔径太赫兹子图像在阵列中的位置的图像H1振幅值定位为记录的太赫兹离散孔径同轴子全息图HI1的振幅值，相位值定位为离轴子全息图HO1经过频谱滤波的离轴子全息图相位值，其他以此类推，在太赫兹离散孔径衍射图的无子孔径部分，振幅值设置为衍射图像振幅均值，相位设置为随机值，获得离散孔径重组太赫兹图像H。
(4)重组太赫兹图像迭代内推再现过程。在离散孔径重组太赫兹图像H设置相邻独立离散孔径子图像H1和H2的振幅和相位作为迭代内推再现过程的起始值，通过计算机中的自由空间传播算法逆向传播到样品平面，加入样品平面约束条件并正向传播到探测平面，获得内推重组太赫兹图像的更新振幅和相位图像。在太赫兹离散孔径衍射图的无子孔径部分(阵列图的子图像间隔和中心部分)用更新振幅和相位图像替换，独立离散孔径太赫兹子图像位置使用记录的振幅(太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi的振幅值)和相位(离轴子全息图HOi经过频谱滤波的离轴子全息图相位值)图像，之后将该太赫兹图像作为下一轮迭代的起始值，达到收敛条件后停止迭代。每停止迭代一次，在离散孔径重组太赫兹图像H加入一个相邻的独立离散孔径太赫兹子图像H3的振幅和相位，开始新一轮的迭代，依次重复以上过程加入8个独立离散孔径太赫兹子图像的振幅和相位，完成太赫兹离散孔径子全息图的内推过程。通过自由空间传播算法完成内推太赫兹全息图的重建，获得样品的振幅和相位图像。
如图2所示，一种离散孔径内推的太赫兹数字全息成像系统，包括：太赫兹波源1、硅片3、样品4和反射镜A5、反射镜B6、离轴参考光控制快门7、赫兹探测器8和二维电动平移台9；太赫兹波源1产生和输出太赫兹波2，硅片3分别透射和反射一束太赫兹波2，样品4和反射镜A5用于反射同轴参考光波，反射镜B6用于反射离轴参考光波，离轴参考光控制快门7用于控制太赫兹波2的传播，太赫兹探测器8用于接收太赫兹波信号，二维电动平移台9用于对太赫兹探测器8进行二维移动。
记录太赫兹离散孔径离轴子全息图HOi时：太赫兹波2由太赫兹波源1发出，经硅片3反射出一束光波照射到样品4上，之后反射回硅片3，经硅片3透射到太赫兹探测器8。太赫兹波2由太赫兹波源1发出时，经硅片3透射出另一束光波照射到反射镜B6，此时离轴参考光控制快门7为打开状态，光波直接由反射镜6反射到探测器8。
记录太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi时：太赫兹波2由太赫兹波源1发出，经硅片3反射出一束光波照射到样品4上，之后反射回硅片3，这一束其余光波照射到反射镜A5后反射回硅片3，这一束光波经硅片3透射到太赫兹探测器8。太赫兹波2由太赫兹波源1发出时，经硅片3透射出另一束光波照射到反射镜B6，此时离轴参考光控制快门7为关闭状态，光波经反射镜B6反射后被其阻碍传播，无法到达太赫兹探测器8。
图2光路中除二维平移台9外都处在同一高度，太赫兹探测器8在二维平移台9上，由二维平移台对其进行二维移动。
成像系统光路采用雪崩二极管太赫兹波源1产生和输出太赫兹波2，其中太赫兹波源1中心波长为300mm，频率为0.1THz；PY3HR型太赫兹波探测器8的像素间隔为80μm，像素尺寸为160像素，用以采集离散孔径太赫兹离轴子全息图和离散孔径太赫兹同轴子全息图，完成整个离散孔径内推的太赫兹数字全息成像方法的过程。
如图3所示，图中，8个正方形为8个独立离散孔径太赫兹子图像，子图像像素尺寸为160像素，离散孔径太赫兹子图像间的像素尺寸为32.5像素，整个阵列图像素尺寸为545像素。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种离散孔径内推的太赫兹数字全息成像系统，其特征在于，包括：太赫兹波源(1)、硅片(3)、样品(4)和反射镜A(5)、反射镜B(6)、离轴参考光控制快门(7)、赫兹探测器(8)和二维电动平移台(9)；太赫兹波源(1)产生和输出太赫兹波(2)，硅片(3)分别透射和反射一束太赫兹波(2)，样品(4)和反射镜A(5)用于反射同轴参考光波，反射镜B(6)用于反射离轴参考光波，离轴参考光控制快门(7)用于控制太赫兹波(2)的传播，太赫兹探测器(8)用于接收太赫兹波信号，二维电动平移台(9)用于对太赫兹探测器(8)进行二维移动。
2.根据权利要求1所述的太赫兹数字全息成像系统，其特征在于：记录太赫兹离散孔径离轴子全息图HOi时：太赫兹波(2)由太赫兹波源(1)发出，经硅片(3)反射出一束光波照射到样品(4)上，之后反射回硅片(3)，经硅片(3)透射到太赫兹探测器(8)；太赫兹波(2)由太赫兹波源(1)发出时，经硅片(3)透射出另一束光波照射到反射镜B(6)，此时离轴参考光控制快门(7)为打开状态，光波直接由反射镜(6)反射到探测器(8)。
3.根据权利要求1所述的太赫兹数字全息成像系统，其特征在于：记录太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi时：太赫兹波(2)由太赫兹波源(1)发出，经硅片(3)反射出一束光波照射到样品(4)上，之后反射回硅片(3)，这一束其余光波照射到反射镜A(5)后反射回硅片(3)，这一束光波经硅片(3)透射到太赫兹探测器(8)；太赫兹波(2)由太赫兹波源(1)发出时，经硅片(3)透射出另一束光波照射到反射镜B(6)，此时离轴参考光控制快门(7)为关闭状态，光波经反射镜B(6)反射后被其阻碍传播，无法到达太赫兹探测器(8)。
4.根据权利要求1所述的太赫兹数字全息成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，离散孔径图像阵列设计；
离散孔径子图像阵列由n个独立离散孔径太赫兹子图像组成，阵列形状由样品边缘形状决定同时覆盖整个样品，离散孔径太赫兹子图像边长尺寸等于太赫兹探测器靶面实际尺寸，n个独立离散孔径太赫兹子图像在阵列中的位置坐标为(x1,y1)，(x2,y2)…(xn,yn)，离散孔径太赫兹子图像间距尺寸设置为k，离散孔径子图像间无重叠部分即k>0；
步骤2，太赫兹离散孔径子全息图记录；
通过太赫兹数字全息成像系统对离散孔径太赫兹子图像完成记录，通过二维电动平移台将太赫兹探测器移动至独立离散孔径太赫兹子图像在阵列中的中心位置坐标(x1,y1)，(x2,y2)…(xn,yn)，在第i个离散孔径太赫兹子图像位置，分别记录太赫兹离散孔径离轴子全息图HOi和太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi，记录过程如下：二维电动平移台移动至中心位置坐标(xi,yi)时，打开离轴参考光控制快门，记录太赫兹离散孔径离轴子全息图HOi，保持二维电动平移台相同位置，关闭离轴参考光控制快门，在样品后加入反射镜，记录太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi，之后二维电动平移台移动至下一个中心位置坐标(xi+1,yi+1)，重复上述过程记录太赫兹离散孔径离轴子全息图HOi+1和太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi+1；
步骤3，离散孔径子全息图定位重组；
由离散孔径图像设计阵列生成太赫兹离散孔径衍射图，其中n个独立离散孔径太赫兹子图像在阵列中心位置处的图像Hi振幅值定位为记录的太赫兹离散孔径同轴子全息图HIi的振幅值，相位值定位为离轴子全息图HOi经过频谱滤波的离轴子全息图相位值，在太赫兹离散孔径衍射图的无子孔径部分，振幅值设置为衍射图像振幅均值，相位设置为随机值，获得离散孔径重组太赫兹图像H；
步骤4，重组太赫兹图像迭代内推再现；
在离散孔径重组太赫兹图像H设置相邻独立离散孔径太赫兹子图像Hi和Hi+1的振幅和相位作为迭代内推再现过程的起始值，通过计算机中的自由空间传播算法逆向传播到样品平面，加入样品平面约束条件并正向传播到探测平面，获得内推重组太赫兹图像的更新振幅和相位图像；在太赫兹离散孔径衍射图的无子孔径图像部分用更新振幅和相位图像替换，独立离散孔径太赫兹子图像位置仍使用记录的振幅和相位图像，之后将该太赫兹图像作为下一轮迭代的起始值，达到收敛条件后停止迭代；每停止迭代一次，在离散孔径重组太赫兹图像H加入一个相邻的独立离散孔径太赫兹子图像Hi+2的振幅和相位，开始新一轮的迭代，依次重复以上过程直至加入所有n个独立离散孔径太赫兹子图像Hn的振幅和相位，完成太赫兹离散孔径子全息图的内推过程；通过自由空间传播算法完成内推太赫兹全息图的重建，获得样品的振幅和相位图像。
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