CN114486804A - 一种宽带太赫兹波图像重建系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带太赫兹波图像重建系统，包括激光光源、分束器、时间延迟线、太赫兹发射器、太赫兹透镜、圆形轨迹光电导天线阵列、扩束器、反射式空间光调制器和数据采集模块，圆形轨迹光电导天线阵列包括衬底，固定在衬底上的多个天线阵列单元，多个天线阵列单元均匀的排列成一个圆形，且天线阵列单元的排列方式是相同的。本发明在很大程度上克服了传统太赫兹成像方法数据获取速率慢、系统复杂、信噪比低、成像模式单一等缺点。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹成像技术领域，特别是一种基于圆形轨迹采样光电导天线阵列和光谱编码的宽带太赫兹波图像重建系统。
背景技术
太赫兹波具有光子能量低、对非极性材料穿透性高，以及光谱信息丰富等特点，在医疗诊断、材料分析、国防安全、成像检测等领域取得了很多进展。目前，THz成像技术已经与其他频段的电磁波成像技术形成互补，为科学研究工业应用提供了一种新的强有力的方法。然而，传统太赫兹成像技术面临的主要问题有：
①基于单像素探测器的时域太赫兹成像系统信噪比较高，每个成像点对应一个时域波形，信息量大。缺点是需要机械扫描采集数据，耗时长，系统复杂。这显然制约了其在动态测量和实时监控等工业领域的应用。
②采用阵列式探测是解决成像速度的一个有效途径，一种比较常见的是基于电光晶体和CCD阵列的时分电光取样技术。该系统无需机械扫描即可实现一次成像，因此，大幅缩短成像时间，同时具有较高的空间分辨率。然而，由于无法采用锁相放大技术降噪，系统的信噪比一直受到了极大的限制。另一种可以实现阵列式探测的技术为基于微测辐射热计和热释电探测的焦平面探测技术。这种探测技术具有响应波段宽、成本低等特点，但是响应时间和探测性能方面相对较差，而且这种探测技术只能测量强度，无法检测相位。
③基于压缩传感的成像方法利用信号的稀疏性和可压缩性，通过机械扫描单点探测器的方式或者基于孔径编码的空间调制技术，对样品进行稀疏采样，从而实现图像重构。该方法虽然可以大幅降低采样需求，但成像速度依然受限于机械扫描或者切换掩膜版的速度。同时，图像的空间分辨率和一致性也得不到保证。
因此，要从根本上解决上述问题，理想的太赫兹成像系统必须做到：数据采集速度快，无机械扫描；具有较高的信噪比和空间分辨率；支持幅度和相位成像；具有对物体进行光谱分析的能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于圆形轨迹采样光电导天线阵列和光谱编码的宽带太赫兹波图像重建系统，首先设计并加工一种沿圆形轨迹采样的光电导天线阵列，然后通过基于空间光调制器的动态、高效门控激发技术，结合多通道锁相放大与采集技术，单次激发即可实现整个k空间数据采样；通过解码宽带探测波光谱携带的样品空间信息，将单频条件下二维的光栅扫描采样简化为沿圆形轨迹的宽带信号采样，最后通过现有的混合逆变换算法重建样品图像。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种宽带太赫兹波图像重建系统，包括激光光源、分束器、时间延迟线、太赫兹发射器、太赫兹透镜、圆形轨迹光电导天线阵列、扩束器、反射式空间光调制器和数据采集模块，其中，
激光光源，用于输出激光至分束器；
分束器，用于将激光分为泵浦脉冲和探测脉冲，泵浦脉冲经时间延迟线后输出延迟后的泵浦脉冲至太赫兹发射器，探测脉冲输出至扩束器；
太赫兹发射器，用于收到延迟后的泵浦脉冲后，产生太赫兹脉冲并将其输出至太赫兹透镜；
太赫兹透镜，用于将太赫兹脉冲准直至待测样品，经过待测样品的太赫兹脉冲输出至圆形轨迹光电导天线阵列；
扩束器，用于将探测脉冲光学扩束后，输出扩束后的探测脉冲至反射式空间光调制器；
反射式空间光调制器，用于对扩束后的探测脉冲进行调制，并将调制后的探测脉冲聚焦至圆形轨迹光电导天线阵列中的天线阵列单元的间隙；
圆形轨迹光电导天线阵列，用于产生光电流输出至数据采集模块；
数据采集模块，用于对光电流进行处理，重建待测样品的图像。
作为本发明所述的一种宽带太赫兹波图像重建系统进一步优化方案，数据采集模块包括多通道低噪声放大器和与其连接的多通道锁相放大器。
作为本发明所述的一种宽带太赫兹波图像重建系统进一步优化方案，圆形轨迹光电导天线阵列包括衬底，固定在衬底上的多个天线阵列单元，多个天线阵列单元均匀的排列成一个圆形，且天线阵列单元的排列方式是相同的。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)与常规笛卡尔轨迹全采样天线阵列相比，本发明只需要较少的采样数据，即可实现图像重建；由于需要的阵列单元数目少，阵列加工更为容易，而且可以避免探测单元过于密集而造成单元之间的串扰问题；此外，本发明也可以避免对锁相放大器的通道数目有过高的要求；最后，本发明根据探测用光电导天线对半导体材料特性及结构设计的需求，设计光电导天线单元结构，优化材料选择及加工工艺，可以实现更高效的太赫兹波探测性能；
(2)本发明支持强度和相位两种模态的成像方式；此外，通过对物体进行单点或者局域采样，可以对待测物体进行光谱分析，从而检测被测物体的物理结构、化学成分等指标；
(3)本发明只需单次激发即可实现傅立叶域全采样，成像速度仅受限于空间光调制器的响应时间、单次线性延迟的时长，以及锁相放大器的积分时间；
(4)综上所述，本发明在很大程度上克服了传统太赫兹成像方法数据获取速率慢、系统复杂、信噪比低、成像模式单一等缺点，提供了一种快速成像的新途径，为太赫兹技术的发展奠定重要基础，并提供更广阔的发展空间。
附图说明
图1是基于圆形轨迹采样的时域太赫兹波图像重建示意图；其中，(a)是光路简图，(b)是笛卡尔光栅扫描轨迹采样示意图，(c)是笛卡尔光栅扫描轨迹采样示意图对应的三维数据立方体，(d)是圆形轨迹采样，(e)是圆形轨迹采样相应k空间数据示意图；
图2是圆形轨迹光电导天线阵列示意图；
图3是太赫兹成像系统示意图。
图中的附图标记解释为：1-激光器，2-分束器，3-时间延迟线，4-太赫兹发射器，5-太赫兹透镜，6-待测样品，7-圆形轨迹光电导天线阵列，8-反射式空间光调制器，9-扩束器，10-低噪声放大器，11-多通道锁相放大器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
传统的成像系统一般采取笛卡尔轨迹光栅扫描采样，若采用宽带光源，可以获得一个由二维空间数据和一维光谱变化构成的三维数据体，如图1中的(b)，图1中的(c)所示。对于光谱中的任意频率，均对应一组空间数据，通过算法可以重建样品二维图像。
与传统图像重建方式不同，本发明通过解码宽带探测波光谱携带的样品空间信息，将单频条件下二维的光栅扫描采样简化为沿圆形轨迹的采样，如图1中的(d)，图1中的(e)所示，然后通过一种混合逆变换算法重建样品图像，光路简图如图1中的(a)所示。为了实现单次激发完成整个k空间数据采样的目的，本发明首先利用半导体加工技术设计并制作圆形轨迹的光电导天线阵列，然后通过反射式空间光调制器进行门控激发，以及采用多通道锁相放大器采集数据，最后开发算法实现图像重建。
首先，本发明通过微加工技术制备圆形轨迹光电导天线阵列，以低温生长的砷化镓作为天线材料，以半绝缘的砷化镓作为衬底材料。以H型光电导天线电极为例，圆形轨迹光电导天线阵列的结构如图2所示。
其次，采用反射式空间光调制器对入射激励脉冲进行分束，对其振幅和相位进行调制，然后分别聚焦至探测单元间隙，并选通该单元。在控制信号的作用下，对探测阵列进行同时、部分或依次按序激发。圆形轨迹光电导天线阵列采集的瞬态电场信号通过低噪声电流放大器放大后，由多通道锁相放大器采集，从而实现快速、高信噪比的数据采集。
之后，进行基于圆形轨迹采样宽带信号的图像重建。根据傅立叶光学理论，当待测物体位于透镜前焦平面时，透镜后焦平面的光场复振幅分布U(ξ，η)是其前焦平面光场复振幅分布S(x，y)的傅立叶变换。因此，透镜前焦平面的光场复振幅分布S(x，y)(即待测物体)可以由其后焦平面光场复振幅分布U(ξ，η)的傅立叶逆变换获得，如公式(1)所示。其中，ν是入射光频率，f是透镜焦距，c是光速。
傅立叶面(即后焦平面)的空间频率kξ、kη与坐标位置(ξ，η)相关，即：
不难发现，傅立叶面的空间频率kξ、kη同时与入射光频率ν成比例，因此，利用单点探测器记录宽带光源的时域信号，并解码光谱携带的样品空间信息，有望实现更高效的k空间信号采样。实践中，利用宽带光源ν∈[νmin，vmax]照射样品并记录傅立叶面上某一特定位置(ξ0，η0)的信号，然后通过改变k空间比率η0/ξ0，即可实现k空间采样，如公式(3)所示：
改变k空间比率η0/ξ0最简单的办法是测量沿着某一圆形轨迹的特定数据点，如图1中的(d)所示。为了处理方便起见，将公式(1)写成极坐标形式，如公式(4)所示。其中，
为极坐标系下前焦平面的光场复振幅分布，
为待测样品的位置向量，
为极坐标系下后焦平面的光场复振幅分布，
为探测单元的位置向量。
上述积分含有探测脉冲的频率ν和探测单元位置ρ，因此，在固定频率v0下，对傅立叶面
空间的积分可以由固定半径ρ0对频率的积分来代替。也就是说，不一定需要在固定频率下对傅立叶面进行二维光栅扫描，而完全可以用宽带的太赫兹脉冲信号，这样只需对k空间进行圆形轨迹采样，再通过混合逆变换算法即可重建图像。因此，公式(4)中傅立叶面的二维积分可以替换为对一维圆形轨迹和光谱频率的积分，即：
因此，结合基于反射式空间光调制器的阵列式门控激发技术以及多通道锁相放大技术，单次激发即可实现k空间全采样。
最后，搭建时域太赫兹成像系统，如图3所示。成像系统以钛蓝宝石锁模飞秒激光器1为激发光源，飞秒激光脉冲经过分束器2后分为泵浦脉冲和探测脉冲。泵浦脉冲经过时间延迟线3后入射到太赫兹发射器4产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲由一个太赫兹透镜5准直后经过待测样品6。探测脉冲经过扩束器9后，由反射式空间光调制器8分束、调制并分别聚焦至未加偏置电压的圆形轨迹光电导天线阵列7的单元间隙，从而激发产生自由载流子。与此同时，同步到达的太赫兹脉冲作为加在天线单元上的偏置电场，驱动自由载流子运动，并在天线单元中形成光电流。该电流信号经过低噪声放大器10后被多通道锁相放大器11采集，然后通过开发的混合逆变换算法重建样品图像。
本发明所提供的方法很大程度上克服了传统太赫兹成像方法获取数据速率慢、系统复杂、信噪比低、成像模式单一等缺点，提供了一种快速成像的新途径，为太赫兹技术的发展奠定重要基础，并提供更广的发展空间。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种宽带太赫兹波图像重建系统，其特征在于，包括激光光源、分束器、时间延迟线、太赫兹发射器、太赫兹透镜、圆形轨迹光电导天线阵列、扩束器、反射式空间光调制器和数据采集模块，其中，
激光光源，用于输出激光至分束器；
分束器，用于将激光分为泵浦脉冲和探测脉冲，泵浦脉冲经时间延迟线后输出延迟后的泵浦脉冲至太赫兹发射器，探测脉冲输出至扩束器；
太赫兹发射器，用于收到延迟后的泵浦脉冲后，产生太赫兹脉冲并将其输出至太赫兹透镜；
太赫兹透镜，用于将太赫兹脉冲准直至待测样品，经过待测样品的太赫兹脉冲输出至圆形轨迹光电导天线阵列；
扩束器，用于将探测脉冲光学扩束后，输出扩束后的探测脉冲至反射式空间光调制器；
反射式空间光调制器，用于对扩束后的探测脉冲进行调制，并将调制后的探测脉冲聚焦至圆形轨迹光电导天线阵列中的天线阵列单元的间隙；
圆形轨迹光电导天线阵列，用于产生光电流输出至数据采集模块；
数据采集模块，用于对光电流进行处理，重建待测样品的图像。
2.根据权利要求1所述的一种宽带太赫兹波图像重建系统，其特征在于，数据采集模块包括多通道低噪声放大器和与其连接的多通道锁相放大器。
3.根据权利要求1所述的一种宽带太赫兹波图像重建系统，其特征在于，圆形轨迹光电导天线阵列包括衬底，固定在衬底上的多个天线阵列单元，多个天线阵列单元均匀的排列成一个圆形，且天线阵列单元的排列方式是相同的。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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