本發(fā)明屬于成像方法與成像系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于太赫茲波空間逐點(diǎn)掃描的成像系統(tǒng)及全息成像方法。
背景技術(shù)：
基于面陣探測(cè)器的太赫茲實(shí)時(shí)成像技術(shù)在動(dòng)態(tài)成像上具有重要意義，但是與單點(diǎn)探測(cè)相比，面陣成像作用到物體的太赫茲波功率密度低，同時(shí)受限于當(dāng)前太赫茲陣列探測(cè)器靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的問題，導(dǎo)致其信噪比較低，成像質(zhì)量較差，因此基于掃描的成像方式在目前的太赫茲成像實(shí)際應(yīng)用中依然占據(jù)著主要地位。然而，傳統(tǒng)的連續(xù)太赫茲波共焦掃描方式只能獲得強(qiáng)度成像，不能得到相襯圖像，從而無法獲得物光場(chǎng)的全部信息。尤其是對(duì)于弱吸收成像目標(biāo)，如生物切片，其強(qiáng)度成像對(duì)比度低，相位信息能夠更好的體現(xiàn)其組織結(jié)構(gòu)差異。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于：針對(duì)傳統(tǒng)連續(xù)太赫茲波共焦掃描成像中存在的相位信息缺失的問題，提出一種基于逐點(diǎn)掃描的太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)及成像方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種基于逐點(diǎn)掃描的太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)，包括太赫茲波光源、分束片、聚焦掃描裝置、參考裝置以及相干探測(cè)裝置，所述參考裝置包括一維電動(dòng)平移臺(tái)以及放置在一維電動(dòng)平移臺(tái)上的平面反射鏡，所述平面反射鏡在一維電動(dòng)平移臺(tái)上可沿z軸方向平移；所述太赫茲波光源產(chǎn)生的平行太赫茲波光束達(dá)到分束片，一部分太赫茲波光束在分束片上產(chǎn)生反射后進(jìn)入聚焦掃描裝置并聚焦至聚焦掃描裝置的成像目標(biāo)上，在成像目標(biāo)上產(chǎn)生反射后達(dá)到分束片形成物光；一部分太赫茲波光束在分束片上產(chǎn)生透射后入射至平面反射鏡，并在平面反射鏡上產(chǎn)生反射后達(dá)到分束片形成參考光；所述物光與參考光進(jìn)入相干探測(cè)裝置并被相干探測(cè)裝置的太赫茲探測(cè)器記錄。
其中，所述太赫茲波光源包括太赫茲波激光器、第一離軸拋物面鏡、第二離軸拋物面鏡，所述太赫茲波激光器輸出的太赫茲波光束依次經(jīng)第一離軸拋物面鏡、第二離軸拋物面鏡后形成平行太赫茲波光束并達(dá)到分束片。
其中，所述聚焦掃描裝置包括第三離軸拋物面鏡、成像目標(biāo)、二維電動(dòng)平移臺(tái)，所述成像目標(biāo)放置在二維電動(dòng)平移臺(tái)上，且所述成像目標(biāo)在二維電動(dòng)平移臺(tái)上可沿x軸、y軸方向平移；經(jīng)分束片反射后的太赫茲波光束依次進(jìn)入第三離軸拋物面鏡、成像目標(biāo)，并聚焦至成像目標(biāo)上，成像目標(biāo)反射的太赫茲波光束經(jīng)第三離軸拋物面鏡反射后達(dá)到分束片形成物光。
其中，所述相干探測(cè)裝置包括第四離軸拋物面鏡、太赫茲探測(cè)器，所述物光與參考光一起經(jīng)第四離軸拋物面鏡反射后進(jìn)入太赫茲探測(cè)器被記錄。
其中，所述太赫茲波激光器輸出的太赫茲波為點(diǎn)頻連續(xù)波。
其中，所述太赫茲探測(cè)器為單點(diǎn)探測(cè)器。
一種基于逐點(diǎn)掃描的太赫茲反射式全息成像方法，包括如下步驟：
步驟一、記錄太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的平面反射鏡在z軸上的初始位置為z0；設(shè)置太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的二維電動(dòng)平移臺(tái)在x方向和y方向上的移動(dòng)步長(zhǎng)分別為△x和△y；
步驟二、控制二維電動(dòng)平移臺(tái)在x和y方向上移動(dòng)太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的成像目標(biāo)，移動(dòng)后的成像目標(biāo)坐標(biāo)記為(xi,yj)(i,j＝1…n)；每次移動(dòng)后，控制太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的一維電動(dòng)平移臺(tái)在z軸上相對(duì)于初始位置z0移動(dòng)太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的平面反射鏡，移動(dòng)距離為：
其中，α和β為合成平面參考光與x軸和y軸的夾角；然后記錄太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的太赫茲探測(cè)器的值，作為全息圖h(i，j)的值，掃描完成后即獲得全息圖h；
步驟三、根據(jù)合成平面參考光與x軸和y軸的夾角α和β，數(shù)字合成平面參考光復(fù)振幅圖像，其每點(diǎn)值為：
其中，
步驟四、對(duì)步驟二中獲得的全息圖h以及步驟三中獲得的合成平面參考光r采用離軸數(shù)字全息圖像再現(xiàn)的方法獲得復(fù)振幅再現(xiàn)結(jié)果。
其中，該太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)采用上述的一種基于逐點(diǎn)掃描的太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)。
綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：
1、本發(fā)明中，通過在共焦掃描成像結(jié)構(gòu)上引入動(dòng)態(tài)改變相位的合成平面參考光，將連續(xù)太赫茲波共焦掃描成像與全息技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，通過太赫茲單點(diǎn)探測(cè)器獲得高信噪比的像面全息圖，利用傅里葉濾波再現(xiàn)技術(shù)獲得復(fù)振幅成像結(jié)果，從而解決了傳統(tǒng)連續(xù)太赫茲波共焦掃描成像中相位信息缺失的問題；并且該技術(shù)方案僅需要常規(guī)反射和分束元件，無需透鏡，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，非常適合太赫茲波空氣中易衰減、元器件不豐富的現(xiàn)狀；該系統(tǒng)基于空間掃描和高信噪比的太赫茲單點(diǎn)探測(cè)器，成像物體尺寸和成像視場(chǎng)不受限制，成像結(jié)果信噪比高，在生物醫(yī)學(xué)、無損檢測(cè)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中標(biāo)記：1-太赫茲波激光器、2-第一離軸拋物面鏡、3-第二離軸拋物面鏡、4-分束片、5-第三離軸拋物面鏡、6-成像目標(biāo)、7-二維電動(dòng)平移臺(tái)、8-平面反射鏡、9-一維電動(dòng)平移臺(tái)、10-第四離軸拋物面鏡、11-太赫茲探測(cè)器。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
一種基于逐點(diǎn)掃描的太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)，該太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)在共焦掃描結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入?yún)⒖脊?，通過在成像目標(biāo)6空間掃描過程中利用一維電動(dòng)平移臺(tái)9動(dòng)態(tài)移動(dòng)平面反射鏡8改變參考光相位，等效于合成了一束平面參考光(即為合成平面參考光)，采用太赫茲單點(diǎn)探測(cè)器逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，形成像面全息圖，然后利用傅里葉濾波方法對(duì)成像目標(biāo)6實(shí)現(xiàn)復(fù)振幅再現(xiàn)。這種成像技術(shù)的關(guān)鍵在于根據(jù)擬合成平面光的角度，針對(duì)每一個(gè)成像掃描點(diǎn)，動(dòng)態(tài)改變參考光光程，從而達(dá)到合成平面參考光的目的。
該太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)包括有太赫茲波光源、分束片4、聚焦掃描裝置、參考裝置以及相干探測(cè)裝置，該參考裝置包括一維電動(dòng)平移臺(tái)9和平面反射鏡8，該平面反射鏡8放置在一維電動(dòng)平移臺(tái)9上，且該平面反射鏡8可在一維電動(dòng)平移臺(tái)9上沿如圖1中所示的z軸方向平移。該太赫茲波光源可產(chǎn)生平行太赫茲波，該太赫茲波光源產(chǎn)生的平行太赫茲波達(dá)到分束片4，該太赫茲波光源在分束片4上可分成兩束。一部分太赫茲波光束在分束片4上產(chǎn)生反射后進(jìn)入聚焦掃描裝置內(nèi)，并最終將太赫茲波聚焦到聚焦掃描裝置的成像目標(biāo)6上，然后太赫茲波在成像目標(biāo)6上產(chǎn)生反射后到達(dá)分束片4形成物光。一部分太赫茲波光束在分束片4上產(chǎn)生透射后垂直入射至平面反射鏡，并在平面反射鏡上產(chǎn)生反射后到達(dá)分束片4形成參考光。然后物光和參考光一起進(jìn)入相干探測(cè)裝置，產(chǎn)生干涉，并最終被相干探測(cè)裝置內(nèi)的太赫茲探測(cè)器11記錄。
該太赫茲波光源包括太赫茲波激光器1、第一離軸拋物面鏡2、第二離軸拋物面鏡3，該太赫茲波激光器1輸出的太赫茲波光束依次經(jīng)第一離軸拋物面鏡2、第二離軸拋物面鏡3后形成平行太赫茲波光束并達(dá)到分束片4。
該聚焦掃描裝置包括第三離軸拋物面鏡5、成像目標(biāo)6、二維電動(dòng)平移臺(tái)7，該成像目標(biāo)6放置在二維電動(dòng)平移臺(tái)7上，且該成像目標(biāo)6在二維電動(dòng)平移臺(tái)7上可沿如圖1中所示的x軸、y軸方向平移；經(jīng)分束片4反射后的太赫茲波光束依次進(jìn)入第三離軸拋物面鏡5、成像目標(biāo)6，并聚焦至成像目標(biāo)6上，成像目標(biāo)6反射的太赫茲波光束經(jīng)第三離軸拋物面鏡5反射后達(dá)到分束片4形成物光。
該相干探測(cè)裝置包括第四離軸拋物面鏡10、太赫茲探測(cè)器11，該物光與參考光一起經(jīng)第四離軸拋物面鏡10反射后進(jìn)入太赫茲探測(cè)器11被記錄。
該太赫茲波激光器1輸出的太赫茲波為點(diǎn)頻連續(xù)波，且該太赫茲波激光器1輸出的太赫茲波光束的中心頻率可為1.63thz、2.52thz或3.11thz。
此外，該二維電動(dòng)平移臺(tái)7、一維電動(dòng)平移臺(tái)9、太赫茲探測(cè)器11均分別與計(jì)算機(jī)電連接。
該太赫茲探測(cè)器11為高萊單點(diǎn)探測(cè)器。
工作時(shí)，太赫茲波激光器1輸出的太赫茲波光束依次經(jīng)第一離軸拋物面鏡2、第二離軸拋物面鏡3后形成平行太赫茲波光束達(dá)到分束片4，其中一部分太赫茲波經(jīng)分束片4反射進(jìn)入第三離軸拋物面鏡5，聚焦至成像目標(biāo)6，由成像目標(biāo)6反射的信號(hào)經(jīng)過第三離軸拋物面鏡5并透過分束片4，這一部分太赫茲波稱為物光；另一部分太赫茲波透過分束片4垂直入射平面反射鏡，反射后經(jīng)過分束片4反射，這一部分稱為參考光；物光波和參考光波一起經(jīng)過第四離軸拋物面鏡10進(jìn)入探測(cè)器被記錄。在工作時(shí)，通過二維電動(dòng)平移臺(tái)7控制成像目標(biāo)6的位置，從而可采集成像目標(biāo)6上不同位置點(diǎn)的信息；然后在通過二維電動(dòng)平移臺(tái)7調(diào)整成像目標(biāo)6的位置時(shí)，一維電動(dòng)平移臺(tái)9也將平移平面反射鏡8，使得成像目標(biāo)6的每個(gè)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參考光具有相位差，從而解決傳統(tǒng)連續(xù)太赫茲波共焦掃描成像中相位信息缺失的問題，最終成像結(jié)果信噪比高。
一種基于逐點(diǎn)掃描的太赫茲反射式全息成像方法，該成像方法采用上述的成像系統(tǒng)進(jìn)行成像。
本實(shí)施例中，選取金屬成像目標(biāo)6上刻蝕的復(fù)振幅圖案為成像目標(biāo)6；掃描以成像目標(biāo)6左上角開始為起點(diǎn)，橫向優(yōu)先，掃描至右下角結(jié)束；具體成像過程包括如下步驟：
步驟一、記錄平面反射鏡8在一維電動(dòng)平移臺(tái)9上的初始位置為z0；設(shè)置二維電動(dòng)平移臺(tái)7在x方向和y方向上的移動(dòng)步長(zhǎng)△x和△y，本實(shí)施例中均設(shè)定為50um；
步驟二、控制二維電動(dòng)平移臺(tái)7在x和y方向上移動(dòng)成像目標(biāo)6，移動(dòng)后的成像目標(biāo)6坐標(biāo)記為(xi,yj)(i,j＝1…n)；每次移動(dòng)后，控制一維電動(dòng)平移臺(tái)9在z軸上相對(duì)于初始位置z0移動(dòng)平面反射鏡8，移動(dòng)距離為：
其中，α和β為合成平面參考光與x軸和y軸的夾角，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定α為45度，β為90度；然后記錄太赫茲探測(cè)器11的值，作為全息圖h(i，j)的值，掃描完成后即獲得全息圖h；，其中，該合成平面參考光為：通過在成像目標(biāo)6空間掃描過程中利用一維電動(dòng)平移臺(tái)9動(dòng)態(tài)移動(dòng)平面反射鏡8改變參考光相位，等效于合成了一束合成平面參考光。
步驟三、根據(jù)合成平面參考光與x軸和y軸的夾角α和β，數(shù)字合成平面參考光復(fù)振幅圖像，其每點(diǎn)值為：
其中，
步驟四、對(duì)步驟二中獲得的全息圖h以及步驟三中獲得的合成平面參考光r采用離軸數(shù)字全息圖像再現(xiàn)的方法獲得復(fù)振幅再現(xiàn)結(jié)果。該離軸數(shù)字全息圖像再現(xiàn)的方法主要為：對(duì)步驟二獲得的像面全息圖h進(jìn)行傅里葉變換并濾掉零級(jí)像和共軛像頻譜，然后反傅里葉變換，其結(jié)果與步驟三合成平面參考光r相乘即可獲得復(fù)振幅再現(xiàn)結(jié)果。
優(yōu)選，該成像目標(biāo)6垂直于z軸，合成平面參考光與x軸和y軸的夾角α和β根據(jù)成像目標(biāo)6頻譜范圍，取值范圍為[0,π/2]
實(shí)施例1
一種基于逐點(diǎn)掃描的太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)，包括太赫茲波光源、分束片4、聚焦掃描裝置、參考裝置以及相干探測(cè)裝置，該參考裝置包括一維電動(dòng)平移臺(tái)9以及放置在一維電動(dòng)平移臺(tái)9上的平面反射鏡8，該平面反射鏡8在一維電動(dòng)平移臺(tái)9上可沿z軸方向平移；該太赫茲波光源產(chǎn)生的平行太赫茲波光束達(dá)到分束片4，一部分太赫茲波光束在分束片4上產(chǎn)生反射后進(jìn)入聚焦掃描裝置聚焦至聚焦掃描裝置的成像目標(biāo)6上，并在成像目標(biāo)6上產(chǎn)生反射后達(dá)到分束片4形成物光；一部分太赫茲波光束在分束片4上產(chǎn)生透射后入射至平面反射鏡，并在平面反射鏡上產(chǎn)生反射后達(dá)到分束片4形成參考光；該物光與參考光進(jìn)入相干探測(cè)裝置并被相干探測(cè)裝置的太赫茲探測(cè)器11記錄。
實(shí)施例2
在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，該太赫茲波光源包括太赫茲波激光器1、第一離軸拋物面鏡2、第二離軸拋物面鏡3，該太赫茲波激光器1輸出的太赫茲波光束依次經(jīng)第一離軸拋物面鏡2、第二離軸拋物面鏡3后形成平行太赫茲波光束并達(dá)到分束片4。
實(shí)施例3
在實(shí)施例一或?qū)嵤├幕A(chǔ)上，該聚焦掃描裝置包括第三離軸拋物面鏡5、成像目標(biāo)6、二維電動(dòng)平移臺(tái)7，該成像目標(biāo)6放置在二維電動(dòng)平移臺(tái)7上，且該成像目標(biāo)6在二維電動(dòng)平移臺(tái)7上可沿x軸、y軸方向平移；經(jīng)分束片4反射后的太赫茲波光束依次進(jìn)入第三離軸拋物面鏡5、成像目標(biāo)6，并聚焦至成像目標(biāo)6上，成像目標(biāo)6反射的太赫茲波光束經(jīng)第三離軸拋物面鏡5反射后達(dá)到分束片4形成物光。
實(shí)施例4
在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，該相干探測(cè)裝置包括第四離軸拋物面鏡10、太赫茲探測(cè)器11，該物光與參考光一起經(jīng)第四離軸拋物面鏡10反射后進(jìn)入太赫茲探測(cè)器11被記錄。
實(shí)施例5
在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，該太赫茲波激光器1輸出的太赫茲波為點(diǎn)頻連續(xù)波，且該太赫茲波激光器1輸出的太赫茲波光束的中心頻率可為1.63thz、2.52thz或3.11thz。
實(shí)施例6
在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，該太赫茲探測(cè)器11為單點(diǎn)探測(cè)器。
實(shí)施例7
一種基于逐點(diǎn)掃描的太赫茲反射式全息成像方法，包括如下步驟：
步驟一、記錄太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的平面反射鏡8在z軸上的初始位置為z0；設(shè)置太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的二維電動(dòng)平移臺(tái)7在x方向和y方向上的移動(dòng)步長(zhǎng)分別為△x和△y；
步驟二、控制二維電動(dòng)平移臺(tái)7在x和y方向上移動(dòng)太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的成像目標(biāo)6，移動(dòng)后的成像目標(biāo)6坐標(biāo)記為(xi,yj)(i,j＝1…n)；每次移動(dòng)后，控制太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的一維電動(dòng)平移臺(tái)9在z軸上相對(duì)于初始位置z0移動(dòng)太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的平面反射鏡8，移動(dòng)距離為：
其中，α和β為合成平面參考光與x軸和y軸的夾角；然后記錄太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)的太赫茲探測(cè)器11的值，作為全息圖h(i，j)的值，掃描完成后即獲得全息圖h；
步驟三、根據(jù)合成平面參考光與x軸和y軸的夾角α和β，數(shù)字合成平面參考光復(fù)振幅圖像，其每點(diǎn)值為：
其中，
步驟四、對(duì)步驟二獲得的全息圖h進(jìn)行傅里葉變換并濾掉零級(jí)像和共軛像頻譜，然后反傅里葉變，其結(jié)果與步驟三合成平面參考光r相乘換即可獲得復(fù)振幅再現(xiàn)結(jié)果。
實(shí)施例8
在實(shí)施例七的基礎(chǔ)上，該太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)采用實(shí)施例一至實(shí)施例六中任一項(xiàng)所述的太赫茲反射式全息成像系統(tǒng)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。