CN114280055A - 一种连续太赫兹波合成孔径成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续太赫兹波合成孔径成像系统及方法,是一项新型成像技术,在简化太赫兹离轴数字全息成像光路的基础上,能够以较快的重建速度获得高分辨率的太赫兹全场相衬成像结果。具体通过探测器记录一系列对应于不同照明角度下的低分辨强度图像,再利用KK关系求解出不同照明角度下图像的复振幅信息,并利用频谱合成孔径技术重建出物体的高分辨振幅和相位分布。本发明通过将KK关系引入太赫兹成像中,既简化了太赫兹相衬成像的光路,同时突破了系统数字孔径的限制,提高了成像分辨率。
Description
技术领域
本发明属于生物成像和无损检测领域,具体涉及一种基于连续太赫兹波的合成孔径相衬成像技术,该方法主要适用于弱散射物体,利用多角度照明及基于Kramers–Kronig(KK)关系的解析算法,以较快的重建速度获得高分辨率的连续太赫兹波全场相衬成像结果。
背景技术
太赫兹波的光子能量只有毫电子伏特介于光子和电子之间,远远小于X射线能量,不会对成像样品产生破坏,尤其在生物成像方面,太赫兹成像不会对生物细胞和组织产生有害的电离效应而破坏被检测物质,非常适合生物样品检测。太赫兹技术因其具有高穿透性、高安全性等特性,在生物领域的应用前景非常广阔,例如在生物组织器官中对可见光波段不透明的部位,可以通过太赫兹相衬图像获取,为仿生学和结构力学提供重要的设计依据,再如基于水分对太赫兹波的强烈吸收,可以对皮肤的水合作用和水分含量变化进行监测来表征皮肤组织病变或受损创伤程度,区分肿瘤病变组织与正常组织,测量骨密度分布和骨质结构等等。目前太赫兹相衬成像的分辨率较低,急需一种适用于太赫兹波段的提高成像分辨率的方法。
太赫兹相衬成像技术目前已经有了一定的发展,传统的太赫兹离轴数字全息相衬成像技术由于其再现过程简单,且技术成熟,发展较快,但由于需要两束光干涉,因此光路较为复杂,且太赫兹波段目前的分光器件分光效果一般,因此两束光的干涉质量一般。近一段时间,太赫兹叠层相衬成像技术发展迅速,其成像质量高,但由于需要迭代,再现时间较长。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种连续太赫兹波合成孔径成像系统及方法,能够以较快的重建速度获得高分辨率的太赫兹全场相衬成像结果。本发明解决了太赫兹离轴数字全息成像光路复杂的问题,简化了太赫兹相衬成像光路,同时相比于传统的成像系统,通过利用多角度照明,突破了系统的数值孔径。
本发明利用二维扫描振镜和4f系统产生多角度的照明光,再利用基于KK关系的重建算法来实现对样品的高分辨率全息成像。KK关系描述的是对于一个平方可积的函数,如果它在自变量的上半平面可积,则函数的虚部与实部可以相互转换,而通过使用倾斜光照明弱散射样品就能满足KK关系。这种成像技术的关键就在于照明光的横向光波矢分量要高于成像系统的截止频率且照明光角度必须是已知量,这样就可以通过KK关系得到物体的低分辨率复振幅分布,最后通过将不同照明角度下的重建复振幅信息进行合成孔径从而恢复得到物体高分辨率的振幅和相位信息。
本发明针对由太赫兹多角度照明成像光路采集到的弱散射物体的强度图,其系统光路包括如下光学元件:
1、连续太赫兹波激光器;2、扩束准直系统;3、二维扫描振镜;4、4f光路器件(3和4共同作用产生多角度照明光);5、弱散射样品;6、4f系统(成像);7、面阵式热释电探测器。整个系统可以分为两个模块,分别是1-4的照明模块和5-7的成像模块。
照明模块用于实现对样品的多角度照明,本发明使用的是二维扫描振镜(3)和4f光路器件(4)组成的系统来实现多角度太赫兹波照明。首先通过扩束准直系统(2)将连续太赫兹波激光器(1)发出的光平行入射至二维扫描振镜(3),二维扫描振镜(3)包括两个维度振镜,4f光路器件(4)包括两个透镜,通过两个维度振镜改变光束进入4f光路器件(4)的角度,为了能使照明到样品上的区域保持不变,二维扫描振镜(3)的第一个振镜的中心要等效位于4f光路器件(4)第一个透镜的前焦面的中心,样品放置于4f光路器件(4)第二个透镜的后焦面上;二维扫描振镜(3)和4f光路器件(4)共同作用产生多角度照明光;
成像模块具体为:弱散射样品(5)的信息通过4f系统(6)成像在面阵式热释电探测器(7)上,面阵式热释电探测器(7)上采集到的是低分辨率的强度像,其中,4f系统(6)由两个相同的成像透镜串联组成。
面阵式热释电探测器(7)上采集到的是低分辨率的强度像,这是因为由于4f系统(6)实现两次傅里叶变换,所以采集到的就是物体的强度像,但由于成像系统孔径的限制,孔径外的频谱成分被滤去。
本发明涉及的重建算法主要是基于KK关系来求解光场的复振幅分布。KK关系描述的是复函数实部与虚部之间的相互转换,而采集的图像中只包括强度信息,因此构造函数χ(x,y),其表达式为
χ(x,y)=log[ε(x,y)] (1)
ε(x,y)是倾斜光照明样品后的光场复振幅分布,则χ(x,y)的实部虚部分别为
U(x,y)是样品的复振幅分布,I(x,y)是样品的强度分布,k是照明光波矢,cosα和cosβ分别是照明光在x和y轴方向上的方向余弦,这样就可以从强度信息解算出相位信息,从而得到复振幅分布。
本发明在得到多角度弱散射物体的强度图后,进行重建,具体的步骤如下:
第一步,由于对图像取对数做傅里叶变换,频谱会展宽,所以需要对图像的频谱补零扩展,相对应地就是对第i个角度下采集的强度图Ii0(x,y)做插值处理,得到新的强度图像Ii(x,y),
Ii(x,y)=I[Ii0(x,y)] (3)
其中,I[]表示插值函数。
具体的,将一幅M pixels×M pixels的图像插值到N pixels×N pixels,同时保持视场范围不变,可以通过将图像值矩阵内一个元素值赋值给N/M个矩阵元素实现,这样采样间隔缩小为原来的M/N,而图像频谱尺寸扩大为原来的N/M倍。
第二步,由(2)式可知,通过对第i个照明角度下的Ii取对数并除以2,获得该角度下复函数χi(x,y)的实部为
第三步,由于构造的复函数χn满足KK关系,因此可通过KK关系求解出复函数χi的虚部为
Im[χi(x,y)]=Hilbert(Re[χi(x,y)]) (5)
第四步,通过复函数χi(x,y)的实部与虚部重构出该照明角度下的物体低分辨率的复振幅Ui(x,y)为
第五步,将获得的光场复振幅Ui(x,y)做傅里叶变换,用该照明角度下系统对应的频域孔径函数Pi(fx,fy)是对频谱进行滤波(其中,fx和fy分别光场在频域里的坐标),得到实际系统可通过的频谱ui(fx,fy)
ui(fx,fy)=F(Ui(x,y))Pi(fx,fy) (7)
式中,F是傅里叶变换。
第六步,将n个角度的重建复振幅的频谱进行融合,再进行傅里叶逆变换,可得到高分辨率的复振幅结果U(x,y)
式F-1是傅里叶逆变换。
采用了这种合成孔径的成像方法后整个系统的理论成像横向分辨率至少可以提高到原来的两倍。
有益效果
连续太赫兹波合成孔径成像技术利用多角度照明及KK关系,主要针对弱散射物体,在不需要额外添加参考光的情况下,通过将探测器记录的一系列对应于不同入射角度的低分辨强度图像,并利用KK关系还原出样品低分辨率的复振幅分布,再通过合成孔径得到样品的高分辨振幅和相位分布,提高太赫兹成像系统的分辨率。即本发明通过将KK关系引入太赫兹成像中,既简化了太赫兹相衬成像的光路,同时突破了系统数字孔径的限制,提高了成像分辨率。
附图说明
图1是连续太赫兹波合成孔径成像方法的系统光路。
图2是本发明的方法流程图。
其中,1、连续太赫兹波激光器;2、扩束准直系统;3、二维扫描振镜;4、4f光路器件;5、弱散射样品;6、4f系统;7、热释电图像探测器。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的典型实施例及其特征。
照明模块用于实现对样品的多角度照明,首先通过扩束准直系统将连续太赫兹波激光器发出的光平行入射至二维扫描振镜,二维扫描振镜包括两个维度振镜,4f光路器件包括两个透镜,通过两个维度振镜改变光束进入4f光路器件的角度,为了能使照明到样品上的区域保持不变,二维扫描振镜的第一个振镜的中心要等效位于4f光路器件第一个透镜的前焦面的中心,样品放置于4f光路器件第二个透镜的后焦面上;二维扫描振镜和4f光路器件共同作用产生多角度照明光;
成像模块用于采集多照明角度下弱散射物体的强度图,具体为:弱散射样品的信息通过4f系统成像在面阵式热释电探测器上,面阵式热释电探测器上采集到的是低分辨率的强度像,其中,4f系统由两个相同的成像透镜串联组成。
依据图1在超净间光学平台上搭建相应的系统光路,具体实现为1、选用CO2泵浦太赫兹激光器(295-FIRL-HP);2、扩束准直系统选用离轴抛物面镜组成,半焦距分别为25.4mm和76.2mm,实现三倍扩束;3、二维扫描振镜;4、4f光路器件(3和4共同作用产生多角度照明光);5、实验样品,即弱散射样品;6、4f系统,用于对样品进行成像;7、热释电图像探测器。CO2泵浦太赫兹激光器频率为2.52THz,对应中心波长为119μm,其可产生平均功率为300mW的连续太赫兹波,激光器的输出光斑尺寸约为11mm,发散角为194μrad。二维扫描振镜的偏转角为±20°。成像4f系统所用透镜为高阻硅透镜,尺寸均为2英寸,焦距为50mm,适用于太赫兹波段。热释电图像探测器的像素个数为320×320像素,像素尺寸为80μm×80μm,采样频率为50Hz。整个系统光路可以分为两个模块,分别是1-4的照明模块和5-7的成像模块。
二维扫描振镜可以通过施加给定的电压,改变振镜的角度从而改变出射光束的方向,且电压与振镜的偏转角度是线性关系,通过给二维扫描振镜施加对应的电信号,改变太赫兹波的照明角度,保证照明光的横向光波矢分量要高于成像系统的截止频率,在热释电图像探测器上获得多幅不同角度照明下的样品的成像强度图。
重建过程依照公式(3)—(8)进行,分别将不同角度下的强度图带入算法中求解,最后求和得到合成孔径后的样品的高分辨率复振幅分布。
本发明旨在提出一种新型太赫兹波合成孔径成像技术,这是一项新型成像技术,其通过探测器记录一系列对应于不同照明角度下的低分辨强度图像,再利用KK关系求解出不同照明角度下图像的复振幅信息,并利用频谱合成孔径技术重建出物体的高分辨振幅和相位分布。KK关系是希尔伯特变换的一个特例,描述了具有因果性的平方可积函数实部与虚部之间的数学联系,已经应用到电学、磁学、声学、光学等领域。这项技术的主要应用领域是太赫兹波有机材料无损检测和生物相衬成像。对比其他的太赫兹相衬成像技术,由于不需要参考光的加入,使得光路进一步简化,特别是在太赫兹波段,这是非常有意义的,因为太赫兹波易被吸收,而且KK变换不需要迭代,成像速度更快,同时由于光路采用的是多角度照明,频谱相对于系统孔径会发生相应的平移,部分超过系统截止频率的高频信息将被转移到系统的通带以内,因此系统成像分辨率可突破成像系统的数值孔径,是一种无标记、大视场、高分辨率的新型连续太赫兹波相衬成像方法。综上所述,本发明将太赫兹相衬成像的光路进一步简化,同时突破系统数值孔径的限制,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 (2)
1.一种连续太赫兹波合成孔径成像系统,其特征在于:包括连续太赫兹波激光器(1)、扩束准直系统(2)、二维扫描振镜(3)、4f光路器件(4)、弱散射样品(5)、4f系统(6)、以及面阵式热释电探测器(7),整个系统分为两个模块,分别是(1)-(4)组成的照明模块和(5)-(7)组成的成像模块,
照明模块用于实现对样品的多角度照明,首先通过扩束准直系统(2)将连续太赫兹波激光器(1)发出的光平行入射至二维扫描振镜(3),二维扫描振镜(3)包括两个维度振镜,4f光路器件(4)包括两个透镜,通过两个维度振镜改变光束进入4f光路器件(4)的角度,为了能使照明到样品上的区域保持不变,二维扫描振镜(3)的第一个振镜的中心要等效位于4f光路器件(4)第一个透镜的前焦面的中心,样品放置于4f光路器件(4)第二个透镜的后焦面上;二维扫描振镜(3)和4f光路器件(4)共同作用产生多角度照明光;
成像模块用于采集多照明角度下弱散射物体的强度图,具体为:弱散射样品(5)的信息通过4f系统(6)成像在面阵式热释电探测器(7)上,面阵式热释电探测器(7)上采集到的是低分辨率的强度像,其中,4f系统(6)由两个相同的成像透镜串联组成。
2.一种连续太赫兹波合成孔径成像方法,对权利要求1所述系统采集的多照明角度下弱散射物体的强度图进行重构,其特征在于包括以下步骤:
第一步,对第i个照明角度下采集的强度图Ii0(x,y)做插值处理,得到新的强度图像Ii(x,y),表示如下,
Ii(x,y)=I[Ii0(x,y)] (3)
其中,I[]表示插值函数;
第二步,对第i个照明角度下的新的强度图像Ii取对数并除以2,获得该角度下复函数χi(x,y)的实部为
第三步,由于构造的复函数χn满足KK关系,因此可通过KK关系求解出复函数χi的虚部为
Im[χi(x,y)]=Hilbert(Re[xi(x,y)]) (5)
其中,Hilbert(*)表示希尔伯特变换;
第四步,通过复函数χi(x,y)的实部与虚部重构出第i个照明角度下的物体低分辨率的复振幅Ui(x,y)为
其中,cosαi和cosβi分别是第i个照明角度下照明光在x和y轴方向上的方向余弦;k为照明光的波矢;
第五步,将获得的光场复振幅Ui(x,y)做傅里叶变换,用第i个照明角度下系统对应的频域孔径函数Pi(fx,fy)是对频谱进行滤波,其中,fx和fy分别光场在频域里的坐标,得到实际系统可通过的频谱ui(fx,fy)
ui(fx,fy)=F(Ui(x,y))*Pi(fx,fy) (7)
式中,F是傅里叶变换;
第六步,将n个角度的重建复振幅的频谱进行融合,再进行傅里叶逆变换,得到高分辨率的复振幅结果U(x,y)
式F-1是傅里叶逆变换。
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