一种基于太赫兹衍射图分解的太赫兹波数字全息成像方法与流程
本发明涉及太赫兹波数字全息多层面成像方法技术领域，具体为一种基于太赫兹衍射图分解的太赫兹波数字全息成像方法。
背景技术：
太赫兹波段因处于红外到微波的过渡波段而兼具两者的特性，使之在成像领域应用前景广阔，而数字全息技术因其成像结构简单和灵活的数据处理方式，对特定目标样品的多个聚焦层面成像有着独特优势。在传统成像过程中，存在样品分布在多个聚焦距离而无法获得所需多聚焦层面探测结果的问题，太赫兹数字全息技术可以充分发挥两者的优势和特点，成为一种在太赫兹波段的实现多聚焦层面成像技术。
本发明旨在提出一种基于衍射图分解的太赫兹波数字全息分层成像方法。这是一项在太赫兹波段的新型成像技术，其依靠计算机对太赫兹全息图的数字处理过程，通过单次成像记录样品的太赫兹波全息图即可获得样品包含不同深度方向聚焦面的振幅和相位信息。相比传统太赫兹波成像手段，该发明无需机械调节聚焦面位置以及多次曝光测量，即可实现样品的多层面复振幅探测成像。结合太赫兹波本身的选择穿透性和无损安全性，该发明是一种能够穿透非金属非极性掩盖物，单次记录曝光即可实现不同深度聚焦面信息的成像技术，在无损探测和材料表征领域会有广泛应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于太赫兹衍射图分解的太赫兹波数字全息成像方法，以解决上述背景技术中提出的现有技术不足，获得目标样品不同深度聚焦面的复振幅信息，实现样品的多层面复振幅成像。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于太赫兹衍射图分解的太赫兹波数字全息成像方法，包括以下步骤：太赫兹全息图记录过程，全息图预传播过程，预传播衍射面复振幅图像分解过程，多层面复振幅图像重建合成过程：
(1)太赫兹全息图记录过程。将深度方向上包含多层面信息的样品放置于太赫兹数字全息成像系统中，太赫兹波经过样品调制，携带样品的多层面信息，与不经过样品调制的太赫兹参考波干涉形成太赫兹全息图。为提高系统成像分辨率，搭载太赫兹探测器的二维平移台在垂直于太赫兹波照明方向的记录平面内按照给定扫描顺序进行二维移动，采集不同位置的太赫兹子全息图。移除样品后，搭载太赫兹探测器的二维平移台按照太赫兹子全息图记录过程中相同的扫描顺序，记录太赫兹子背景图像。将相同位置采集的对应太赫兹子全息图和太赫兹子背景图相除，得到子归一化全息图，按照扫描顺序进行子归一化全息图图像拼接，得到大孔径归一化太赫兹全息图。
(2)全息图预传播过程。将步骤(1)中的大孔径归一化太赫兹全息图在计算机中通过自由空间传播算法，沿物体平面方向预传播至衍射平面p，获得预传播衍射面的振幅和相位分布，即预传播衍射面复振幅图像u(m，n)。该衍射面的传播距离为dp。定义样品不同分层面距离太赫兹探测器记录平面的最大距离和最小距离分别为dmax和dmin，则dp的取值定义为
(3)预传播衍射面复振幅图像分解过程。计算提取预传播衍射面复振幅图像u(m，n)的振幅和相位图像，采用最大类间方差法进行前景面和后景面的最大方差阈值t的判定计算，基于得到的阈值t进行预传播衍射面复振幅图像的二值化运算，得到二值化掩膜图像k(m，n)，可表示为
对二值化掩膜图像k(m，n)完成边缘均值模糊化处理，得到预传播衍射面的掩膜图像k′(m，n)，通过非零值区域识别，对掩膜图像k′(m，n)中的x个孤立非零值区域图像进行逐一提取，并将其补零值至原掩膜图像k′(m，n)的像素尺寸大小，得到x个只包含单个孤立非零值图像区域的子掩膜图像k′i(i＝1，2，...，x)。将得到的x个子掩膜图像k′i分别与预传播衍射面的复振幅图像u相乘，获得x个预传播衍射面的子复振幅图像ui(i＝1，2，...，x)。
ui＝u×k'i,i＝1,2,...,x
(4)多层面复振幅图像重建合成过程。通过自动聚焦算法计算预传播衍射面的各个子复振幅图像ui的聚焦传播距离，并通过自由空间传播算法进行传播，重建得到各个物平面复振幅图像oi(i＝1，2，...，x)。将各个物平面复振幅图像oi分别与各自对应的子掩膜图像k′i相乘得到图像o′i，计算各个物平面复振幅图像oi的平均值
优选的，所述雪崩二极管太赫兹波源的一侧输出有太赫兹波，且雪崩二极管太赫兹波源朝向太赫兹波的一侧设置有样品，所述太赫兹波热释电探测器安装于太赫兹波的末端，且太赫兹波热释电探测器的下方固定有探测器二维平移台。
优选的，所述雪崩二极管太赫兹波源、样品和太赫兹波热释电探测器的结构为太赫兹同轴成像系统。
优选的，所述预传播衍射面复振幅图像分解过程，针对振幅型样品，提取预传播衍射面的振幅分布图像，针对相位型样品，提取预传播衍射面的相位分布图像。
本发明提供了一种基于太赫兹衍射图分解的太赫兹波数字全息成像方法，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种基于衍射图分解的太赫兹波数字全息分层成像方法，通过该发明的方法和系统，对太赫兹全息图进行数字处理，可非接触、无损获得目标样品不同深度聚焦面的复振幅信息，实现样品在太赫兹波段的多层面复振幅成像，实用性广泛。
附图说明
图1为本发明一种基于太赫兹衍射图分解的太赫兹波数字全息成像方法的流程图；
图2为本发明一种基于太赫兹衍射图分解的太赫兹波数字全息分层成像系统的示意图。
图中：1、雪崩二极管太赫兹波源；1a、太赫兹波；2、样品；3、探测器二维平移台；4、太赫兹波热释电探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种基于太赫兹衍射图分解的太赫兹波数字全息成像方法，包括以下步骤：
(1)太赫兹全息图记录过程。将深度方向上包含多层面信息的样品放置于太赫兹数字全息成像系统中，太赫兹波经过样品调制，携带样品的多层面信息，与不经过样品调制的太赫兹参考波干涉形成太赫兹全息图。为提高系统成像分辨率，搭载太赫兹探测器的二维平移台在垂直于太赫兹波照明方向的记录平面内按照给定扫描顺序进行二维移动，采集不同位置的太赫兹子全息图。移除样品后，搭载太赫兹探测器的二维平移台按照太赫兹子全息图记录过程中相同的扫描顺序，记录太赫兹子背景图像。将相同位置采集的对应太赫兹子全息图和太赫兹子背景图相除，得到子归一化全息图，按照扫描顺序进行子归一化全息图图像拼接，得到大孔径归一化太赫兹全息图。
(2)全息图预传播过程。将步骤(1)中的大孔径归一化太赫兹全息图在计算机中通过自由空间传播算法，沿物体平面方向预传播至衍射平面p，获得预传播衍射面的振幅和相位分布，即预传播衍射面复振幅图像u(m，n)。该衍射面的传播距离为dp。定义样品不同分层面距离太赫兹探测器记录平面的最大距离和最小距离分别为dmax和dmin，则dp的取值定义为
(3)预传播衍射面复振幅图像分解过程。针对振幅型样品，提取预传播衍射面的振幅分布图像，针对相位型样品，提取预传播衍射面的相位分布图像。计算提取预传播衍射面复振幅图像u(m，n)的振幅和相位图像，采用最大类间方差法进行前景面和后景面的最大方差阈值t的判定计算，基于得到的阈值t进行预传播衍射面复振幅图像的二值化运算，得到二值化掩膜图像k(m，n)，可表示为
对二值化掩膜图像k(m，n)完成边缘均值模糊化处理，得到预传播衍射面的掩膜图像k′(m，n)，通过非零值区域识别，对掩膜图像k′(m，n)中的x个孤立非零值区域图像进行逐一提取，并将其补零值至原掩膜图像k′(m，n)的像素尺寸大小，得到x个只包含单个孤立非零值图像区域的子掩膜图像k′i(i＝1，2，...，x)。将得到的x个子掩膜图像k′i分别与预传播衍射面的复振幅图像u相乘，获得x个预传播衍射面的子复振幅图像ui(i＝1，2，...，x)。
ui＝u×k'i,i＝1,2,...,x
(4)多层面复振幅图像重建合成过程。通过自动聚焦算法计算预传播衍射面的各个子复振幅图像ui的聚焦传播距离，并通过自由空间传播算法进行传播，重建得到各个物平面复振幅图像oi(i＝1，2，...，x)。将各个物平面复振幅图像oi分别与各自对应的子掩膜图像k′i相乘得到图像o′i，计算各个物平面复振幅图像oi的平均值
一种基于太赫兹衍射图分解的太赫兹波数字全息成像方法，包括雪崩二极管太赫兹波源1、太赫兹波1a、探测器二维平移台3和太赫兹波热释电探测器4，雪崩二极管太赫兹波源1的一侧输出有太赫兹波1a，且雪崩二极管太赫兹波源1朝向太赫兹波1a的一侧设置有样品2，太赫兹波热释电探测器4安装于太赫兹波1a的末端，且太赫兹波热释电探测器4的下方固定有探测器二维平移台3，雪崩二极管太赫兹波源1、样品2和太赫兹波热释电探测器4的结构为太赫兹同轴成像系统，雪崩二极管太赫兹波源1用以产生和输出太赫兹波1a，探测器二维平移台3用于放置太赫兹波热释电探测器4，完成探测器扫描和记录过程中的二维位移，太赫兹波热释电探测器4用以采集太赫兹全息图和背景图像。
综上，该基于太赫兹衍射图分解的太赫兹波数字全息成像方法，使用时，包括以下步骤：
(1)太赫兹全息图记录过程。目标样品为在深度方向上包含多层面信息的金属针与文竹。将样品放置于太赫兹数字全息成像系统中，太赫兹波经过样品调制，携带样品的多层面信息，其与不经过样品调制的太赫兹参考波干涉形成太赫兹全息图。为提高系统成像分辨率，搭载太赫兹探测器的二维平移台在垂直于太赫兹波照明方向的记录平面内按照给定矩形扫描顺序进行二维移动，采集九个不同位置的太赫兹子全息图。移除样品后，搭载太赫兹探测器的二维平移台按照太赫兹子全息图记录过程中相同的扫描顺序，记录对应的九幅太赫兹子背景图像。将相同位置采集的对应太赫兹子全息图和太赫兹子背景图相除，得到九幅子归一化全息图，按照扫描顺序进行子归一化全息图图像拼接，得到一幅实验样品的大孔径归一化太赫兹全息图。
(2)全息图预传播过程。将步骤(1)中的大孔径归一化太赫兹全息图在计算机中通过自由空间传播算法，沿针与文竹平面方向预传播至衍射平面，获得预传播衍射面的振幅和相位分布，即预传播衍射面复振幅图像u(m，n)，其中m≤320，n≤320。样品不同分层面距离太赫兹探测器记录平面的最大距离和最小距离分别为dmax＝65mm和dmin＝45mm，则该衍射面的传播距离dp取两者平均值，即dp＝55mm。
(3)预传播衍射面复振幅图像分解过程。计算提取预传播衍射面复振幅图像u(m，n)的振幅和相位图像，采用最大类间方差法进行前景面和后景面的最大方差阈值的判定计算，得到阈值为0.8118，基于得到的阈值进行预传播衍射面复振幅图像的二值化运算，得到二值化掩膜图像k(m，n)，可表示为
对二值化掩膜图像k(m，n)完成边缘均值模糊化处理，得到预传播衍射面的掩膜图像k′(m，n)，通过非零值区域识别，对掩膜图像k′(m，n)中的2个孤立非零值区域图像，即文竹所在区域图像与金属针所在区域图像，进行逐一提取，并将其补零值至原掩膜图像k′(m，n)的像素尺寸大小320×320，得到只包含文竹区域的子掩膜图k′1、只包含金属针区域的子掩膜图k′2。将k′1、k′2分别与预传播衍射面的复振幅图像u相乘，获得预传播衍射面的仅含有文竹区域位置的子复振幅图像u1和预传播衍射面的仅含有金属针区域位置的子复振幅图像u2。
(4)多层面复振幅图像重建合成过程。通过自动聚焦算法计算得到预传播衍射面的子复振幅图像u1、u2的聚焦传播距离分别为-5mm和5mm。通过自由空间传播算法进行传播，重建得到各个物平面复振幅图像o1、o2。将物平面复振幅图像o1、o2分别与各自对应的子掩膜图像k′1、k′2相乘得到图像o′1、o′2，计算各个物平面复振幅图像o1、o2的平均值
本发明的成像系统光路组成如图2所示，采用雪崩二极管太赫兹波源1产生和输出太赫兹波1a，其中波源1中心波长为300mm，频率为0.1thz；探测器二维平移台3用于放置太赫兹波热释电探测器4，完成探测器扫描和记录过程中的二维位移；太赫兹波热释电探测器4像素间隔为80μm，像素尺寸为160像素，用以采集太赫兹全息图像和背景图像，就这样完成整个基于太赫兹衍射图分解的太赫兹波数字全息成像方法的使用过程。
本发明的典型实施例的实验结果证明所提发明可以有效地实现太赫兹波数字全息多层面成像，获得目标样品不同深度聚焦面的复振幅信息。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。
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