CN116499988A - 一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于达曼光栅分束的连续太赫兹波单曝光叠层成像方法，该方法通过分束器件太赫兹达曼光栅产生对被测样品进行阵列照明的子波束，同时捕获多束携带被测样品信息的衍射图样，将衍射图样进行叠层重建算法重建出照明光束的复振幅和样品的透过率函数，得到被测样品的表面形貌，提取出被测样品的相位信息，从而定量推算出被塑料、陶瓷、纸张等非极性物质遮挡的被测样品表面的形貌结构。本发明有效解决了普通太赫兹叠层成像需要多次曝光，使得实时性较低的问题，从而在定量得到大样品的形貌结构的基础上，真正实现大视场高分辨率快速成像。

Description

一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法

技术领域

本发明涉及一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，特别是涉及一种以多束子光波对样品表面进行阵列照明，实现对被遮挡的样品表面进行快速大视场形貌检测的方法。

背景技术

太赫兹波是频率在0.1-10THz之间的电磁波，其波段处于微波和红外波之间，具有宽光谱、高穿透性、低能性、惧水性等多种重要特性，在医学诊断、无损检测、雷达通信、安检反恐等诸多领域都显示出其巨大的科学意义和应用价值，太赫兹成像技术扮演了越来越重要的角色。比如：太赫兹波容易被水吸收，在生物医学活体检测中，正常组织和癌组织可以根据含水量不同被准确鉴别；太赫兹波能够穿透在可见光和近红外波段不透明的非极性分子材料，实现被隐藏物体的无损检测；针对表面粗糙度在微米、亚微米等波长量级的样品，可见光测量样品表面起伏的精确度不高，而太赫兹成像方法可准确获得样品表面的形貌变化。太赫兹时域光谱成像方法，可通过逐点扫描获得被测物体的强度、相位和光谱信息，但设备昂贵，成像速度慢，时间长，不适用于大尺寸样品；连续太赫兹波点扫描成像方法也是逐点扫描，但只能得到样品的强度信息，成像速度慢且无法得到样品的相位信息；太赫兹时域光谱焦平面成像方法，可以获得样品的全场强度、相位和光谱信息，但强度像质量不高，相位像质量受系统中光电晶体均匀性影响，时间延迟使成像速率较慢，系统不能使用锁相，所以该方法的广泛适用性受限；连续太赫兹波数字全息成像方法可利用数字全息图获得全场的强度和相位分布，且成像速率快，但重建相位像中既包含了样品的相位，也包含照明光束的相位，因此样品成像质量受照明光束质量的影响，并且视场范围较小，难以应用于大尺寸样品。

叠层成像技术是一种通过交叠采集冗余的衍射图样信息恢复出样品复振幅分布的无透镜相干衍射成像技术，其原理为：通过改变照明光束和样品之间的相对位置，获得一系列衍射图样，由于相邻光束的照明部分存在交叠区域，样品的整体复振幅则是所有衍射图样的共解，基于相位恢复算法的叠层重建算法，能够快速准确地重建出样品的复振幅透过率函数和照明光束的复振幅分布。叠层成像光路简单、紧凑，成像速率快，对光源的相干性要求低，且样品尺寸不受限制。重建的样品相位分布不受除样品本身特性的其他因素影响。但是传统连续太赫兹波叠层成像，需要以特定的步长，多次逐个采集多幅交叠的衍射图样，因此成像速率较慢，且对于成像系统的稳定性和精确性要求很高，成像的实时性较差，难以用于实时成像系统。我们提出了一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，多束阵列照明的子光束可以同时入射到样品表面，同时采集到多幅衍射图之后，通过叠层重建算法重建出被测样品的吸收系数和相位分布，能够得到样品表面的形貌变化，实现快速成像，提高了叠层成像的实时性。应用太赫兹波作为照明光束，保留了太赫兹波对被隐藏样品成像的独特传输特性，根据重建出的被测样品的真实相位分布，可定量推算出被塑料、陶瓷、纸张等非极性物质遮挡的样品的表面形貌。

发明内容

本发明的目的在于提出一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，通过多束子光束同时对样品进行阵列照明，能够同时采集多幅样品表面的交叠衍射图，快速地重建出被测样品的吸收系数和相位信息，从而提高对样品形貌检测的实时性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，实现该方法的实验系统光路包括二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器、两个镀金离轴抛物面镜、圆孔光阑、太赫兹达曼光栅、被测样品和面阵式热释电探测器。

二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器作为辐射源；镀金离轴抛物面镜将二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器辐射出的连续太赫兹波扩束准直成平行光；圆孔光阑直径为6.4mm；太赫兹达曼光栅为一种太赫兹分束光栅，相比于其他种类的分束光栅，达曼光栅有更好的分束均匀性和更高的衍射效率；被测样品放置于太赫兹达曼光栅后；照射被测样品后的多束衍射光全部同时入射到面阵式热释电探测器。

太赫兹波由二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器生成后，通过两个镀金离轴抛物面镜进行扩束准直，再通过圆孔光阑整形，入射到太赫兹达曼光栅，被分束形成多束子光波后照射被测样品的表面，样品表面上相邻照明光斑之间有一定的交叠，最终多幅交叠的衍射图同时被面阵式热释电探测器捕获，在探测器平面上分束子光斑则没有交叠。

利用上述实验系统进行的一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，该方法同时捕获多幅携带被测样品信息的衍射图样，将衍射图样进行叠层重建算法重建出照明光束的复振幅和样品的透过率函数，得到被测样品的表面形貌，提取出被测样品的相位信息，从而定量推算出被塑料、陶瓷、纸张等非极性物质遮挡的被测样品表面的形貌结构。

对被测样品进行定量、快速、大视场成像获得到被测样品表面形貌的过程分为以下步骤：

S1设r＝(x,y,0)为物平面的坐标向量，被测样品表面的复振幅分布和探针(照明光束)函数分别表示为O(r)和P(r)。

调节照射被测样品的多个分束子光斑全部同时入射到面阵式热释电探测器平面，被测样品与面阵式热释电探测器距离为d，面阵式热释电探测器记录面坐标向量为u＝(ξ,η,ω)，按照左上到右下的蛇形路径依次将采集的被测样品的衍射图表示为I_j(u)，其中j＝1,2,3…J，J是衍射图样的总数。探测平面测量的多幅衍射图强度I_j(u)可以表示为：

I_j(u)＝|G_d{O(r)P(r-R_j)}|², (1)

其中表R_j＝(x_j,y_j)示样品的第j个平移向量，j＝1,2,3,…,J，J是衍射图样的总数，P(r-R_j)表示第R_j个探针函数，G_d{}表示衍射传播算子。

S2对测量的衍射图I_j(u)用叠层再现算法求得被测样品透过率函数。求得被测样品透过率函数的过程分为以下六个步骤：

S2.1首先对被测样品和探针的复振幅进行猜测，其中猜测被测样品的复振幅表示为O_n,j(r)，猜测探针表示为P_n,j(r)，经过被测样品表面衍射的出射光场ψ_n,j(r)为：

ψ_n,j(r)＝O_n,j(r)P_n,j(r-R_j), (2)

其中，n表示迭代次数，P_n,j(r-R_j)表示第R_j个猜测探针函数。

S2.2将经过被测样品表面衍射的光波ψ_n,j(r)经角谱传播距离d得到记录面的复振幅为U_n,j(ξ,η)。

S2.3用测量得到的衍射图强度I_j(u)的均方根代替S2.2中的幅值，得到修正后的记录面复振幅分布U'_n,j(ξ,η)，表达式为：

S2.4利用角谱算法将修正后记录面的复振幅反向回传到物面，得到新的物光场分布ψ'_n,j(r)。

S2.5通过更新函数更新初始猜测的物体复振幅和猜测的探针函数

其中α,β为权重系数，会影响S2.6迭代的收敛速度和精确性，综合考虑之后取值一般在0.950-0.999之间；P_j ^*(r-R_j)表示第R_j个探针函数的复共轭，O_j(r+R_j)表示第R_j个物品表面复振幅，O_j ^*(r+R_j)表示第R_j个物品表面复振幅的复共轭，ε为调节系数，用以调节分母不等于0，取值为0.01。

S2.6更新后的物函数和探针函数作为初始值，直至对整个物面迭代n次，n通常取值为50-80之间，如果迭代次数第n+10次后的结果与第n次的所得结果的结构相似度达到95％，则可以认为第n次迭代即达到收敛，收敛后得到最终的样品表面吸收系数b和相位分布

S3样品表面高度起伏利用重建相位求得:

其中为被测样品的表面相位分布，λ为照明光波长，T为被测样品的表面形貌分布函数。

本发明的典型实施例的试验结果表明，达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，多束子光波形成这列照明同时入射到样品表面，通过将探测器同时采集到的多幅携带样品信息的衍射图样进行叠层再现算法，快速、准确地重建出样品的复振幅透过率函数，从中提取相位，从而对被塑料、衣物、纸张等非极性物质遮挡的样品进行大视场形貌探测。

与现有技术相比，本发明提出的一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，光路简单，成像的实时性较高，对成像系统的稳定性要求较低，相比于其他种类的分束光栅，达曼光栅有更好的分束均匀性和更高的衍射效率，达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法能够快速、准确地重建出被塑料、衣物、纸张等非极性物质样品真实的强度和相位信息，有效解决了传统太赫兹叠层成像的实时性较低的问题，从而真正实现大视场高分辨率快速成像。

附图说明

图1是本发明提出的达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法系统光路。图中：1、FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器，2、第一离轴抛物面镜，3、第二离轴抛物面镜，4、圆孔光阑，5、太赫兹达曼光栅，6、被测样品，7、PY-IV面阵式热释电探测器.

具体实施方式

如图1所示，一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，其特征在于：实现该方法的成像系统光路包括FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器1，焦距为50.8mm的第一镀金离轴抛物面镜2，焦距为101.6mm的第二镀金离轴抛物面镜3，圆孔掩膜板4，太赫兹达曼光栅5，被测样品6，PY-IV面阵式热释电探测器7。FIRL295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器1作为辐射源，工作物质为甲醇，输出频率为2.52THz，对应中心波长为118.83μm，最大输出功率为500mW；第一离轴抛物面镜2，第二离轴抛物面镜3组成的系统将激光器1辐射出的连续太赫兹波扩束两倍，并准直成直径约为16mm的平行光；圆孔光阑4是一个直径为6.4mm的小孔；太赫兹达曼光栅5是一种太赫兹分束光栅，能够将入射光分束为2×2或者3×3分布的等光强的子光束，相邻子光束间的夹角约为3.8°，相比于其他种类的分束光栅，达曼光栅有更好的分束均匀性和更高的衍射效率；被测样品6放置在分束器之后、探测器之前，保证相邻照明光的交叠面积约为75％；被测样品6的衍射光同时入射到PY-IV面阵式热释电探测器8上，并且在探测器平面子光束不产生交叠，由探测器8同时采集多幅携带物体信息的小孔衍射图，探测器像素个数为320×320，像元尺寸为80×80μm。

达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，该方法包括将太赫兹波分束为多束子光波，形成阵列照明同时入射到样品表面，在样品表面相邻子光斑有一定交叠，经过样品表面的多束分束子光斑同时入射到探测器平面，在探测器平面分束子光斑则没有交叠，通过将探测器同时采集到的多幅携带样品信息的衍射图样进行叠层再现算法，快速、准确地重建出样品的复振幅透过率函数，从中提取相位，从而对被塑料、衣物、纸张等非极性物质遮挡的样品进行大视场形貌探测。

对被测样品进行定量、快速、大视场成像获得到被测样品表面形貌的过程分为以下步骤：

S1设r＝(x,y,0)为物平面的坐标向量，被测样品表面的复振幅分布和探针(照明光束)函数分别表示为O(r)和P(r)。

调节照射被测样品的分束子光斑全部同时入射到面阵式热释电探测器平面，被测样品与面阵式热释电探测器距离为d，面阵式热释电探测器记录面坐标向量为u＝(ξ,η,ω)，按照左上到右下的蛇形路径依次将采集的被测样品的衍射图表示为I_j(u)，其中j＝1,2,3…J，J是衍射图样的总数。测量的衍射图强度I_j(u)表示为：

I_j(u)＝|G_d{O(r)P(r-R_j)}|², (1)

其中表R_j＝(x_j,y_j)示样品的第j个平移向量，j＝1,2,3,…,J，J是衍射图样的总数，G{}表示衍射传播算子。

S2对测量的衍射图I_j(u)用叠层再现算法求得被测样品透过率函数。求得被测样品透过率函数的过程分为以下六个步骤：

S2.1首先对被测样品和探针的复振幅进行猜测，其中猜测被测样品的复振幅表示为O_n,j(r)，猜测探针表示为P_n,j(r)，经过被测样品表面衍射的出射光场ψ_n,j(r)为：

ψ_n,j(r)＝O_n,j(r)P_n,j(r-R_j),(2)

其中，n表示迭代次数。

S2.2将经过被测样品表面衍射的光波ψ_n,j(r)经角谱传播距离d得到记录面的复振幅为U_n,j(ξ,η)。

S2.3用测量得到的衍射图强度I_j(u)的均方根代替S2.2中的幅值，得到修正后的记录面复振幅分布U'_n,j(ξ,η)，表达式为：

S2.4利用角谱算法将修正后记录面的复振幅反向回传到物面，得到新的物光场分布ψ'_n,j(r)。

S2.5通过更新函数更新初始猜测的物体复振幅和猜测的探针函数

其中α,β为权重系数，取值一般在0.9-1之间；ε为调节系数，用以调节分母不等于0，取值为0.01。

S2.6更新后的物函数和探针函数作为初始值，直至对整个物面迭代n次，收敛后得到最终的样品表面吸收系数b和相位分布

S3样品表面高度起伏利用重建相位求得:

其中为被测样品的表面相位分布，λ为照明光波长，T为被测样品的表面形貌分布函数。

本发明的典型实施例的试验结果表明，达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，相比于其他种类的分束光栅，达曼光栅有更好的分束均匀性和更高的衍射效率，多束子光波形成这列照明同时入射到样品表面，通过将探测器同时采集到的多幅携带样品信息的衍射图样进行叠层再现算法，快速、准确地重建出样品的复振幅透过率函数，从中提取相位，从而对被塑料、衣物、纸张等非极性物质遮挡的样品进行大视场形貌探测。

与现有技术相比，本发明提出的一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，光路简单，成像的实时性较高，对成像系统的稳定性要求较低，相比于其他种类的分束光栅，达曼光栅有更好的分束均匀性和更高的衍射效率，达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法能够快速、准确地重建出被塑料、衣物、纸张等非极性物质样品真实的强度和相位信息，有效解决了传统太赫兹叠层成像的实时性较低的问题，从而真正实现大视场高分辨率快速成像。

Claims (2)

1.一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像系统，其特征在于：包括二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器、两个镀金离轴抛物面镜、圆孔光阑、被测样品和面阵式热释电探测器；二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器作为辐射源；镀金离轴抛物面镜将二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器辐射出的连续太赫兹波扩束准直成平行光；圆孔光阑直径为6.4mm；太赫兹达曼光栅为一种太赫兹分束光栅；被测样品放置于太赫兹达曼光栅后；照射被测样品后的多束衍射光全部同时入射到面阵式热释电探测器；太赫兹波由二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器生成后，通过两个镀金离轴抛物面镜进行扩束准直，再通过圆孔光阑整形，入射到太赫兹达曼光栅，被分束形成多束子光波后照射被测样品的表面，样品表面上相邻照明光斑之间有一定的交叠，最终被面阵式热释电探测器捕获；物面上相邻照明光斑之间有一定的交叠，最终多幅交叠的衍射图同时被面阵式热释电探测器捕获，在探测器平面上子衍射波束则没有交叠。

2.应用如权利要求1所述系统进行的一种达曼光栅分束的单次曝光太赫兹叠层成像方法，其特征在于：该方法包括将太赫兹波分束为多束子光波，形成阵列照明同时入射到样品表面，在样品表面相邻子光斑有一定交叠，经过样品表面的多束子衍射光同时入射到探测器平面，在探测器平面子衍射光斑则没有交叠，通过将探测器同时采集到的多幅携带样品信息的衍射图样进行叠层再现算法，重建出样品的复振幅透过率函数，从中提取相位，从而对被非极性物质遮挡的样品进行大视场形貌探测；

分为以下步骤：

S1设r＝(x,y,0)为物平面的坐标向量，被测样品表面的复振幅分布和探针函数分别表示为O(r)和P(r)；

调节照射被测样品的子衍射光斑全部同时入射到面阵式热释电探测器平面，被测样品与面阵式热释电探测器距离为d，面阵式热释电探测器记录面坐标向量为u＝(ξ,η,ω)，按照左上到右下的蛇形路径依次将采集的被测样品的衍射图表示为I_j(u)，其中j＝1,2,3…J，J是衍射图样的总数；测量的衍射图强度I_j(u)表示为：

I_j(u)＝|G_d{O(r)P(r-R_j)}|², (1)

其中R_j＝(x_j,y_j)示样品的第j个平移向量，j＝1,2,3,…,J，J是衍射图样的总数，P(r-R_j)表示第R_j个探针函数，G_d{}表示衍射传播算子。

S2对测量的衍射图I_j(u)用叠层再现算法求得被测样品透过率函数；求得被测样品透过率函数的过程分为以下六个步骤：

S2.1首先对被测样品和探针的复振幅进行猜测，其中猜测被测样品的复振幅表示为O_n,j(r)，猜测探针表示为P_n,j(r)，经过被测样品表面衍射的出射光场ψ_n,j(r)为：

ψ_n,j(r)＝O_n,j(r)P_n,j(r-R_j),(2)

其中，n表示迭代次数；P(r-R_j)表示第R_j个探针函数，G_d{}表示衍射传播算子。

S2.2将经过被测样品表面衍射的光波ψ_n,j(r)经角谱传播距离d得到记录面的复振幅为U_n,j(ξ,η)；

S2.3用测量得到的衍射图强度I_j(u)的均方根代替S2.2中的幅值，得到修正后的记录面复振幅分布U'_n,j(ξ,η)，表达式为：

S2.4利用角谱算法将修正后记录面的复振幅反向回传到物面，得到新的物光场分布ψ'_n,j(r)；

S2.5通过更新函数更新初始猜测的物体复振幅和猜测的探针函数

其中α,β为权重系数，取值在0.9-1之间；P_j ^*(r-R_j)表示第R_j个探针函数的复共轭，O_j(r+R_j)表示第R_j个物品表面复振幅，O_j ^*(r+R_j)表示第R_j个物品表面复振幅的复共轭，ε为调节系数，用以调节分母不等于0，取值为0.01。

S2.6更新后的物函数和探针函数作为初始值，直至对整个物面迭代n次，收敛后得到最终的样品表面吸收系数b和相位分布

S3样品表面高度起伏利用重建相位求得:

其中为被测样品的表面相位分布，λ为照明光波长，T为被测样品的表面形貌分布函数。