单像素太赫兹全息成像装置和方法
【专利摘要】一种单像素太赫兹全息成像装置和方法，太赫兹激光源发射的单色太赫兹光由扩束装置转化为束宽更宽的平行光后，经一分束镜分为物光和参考光，物光照射物体后被调制装置在空域上进行编码，参考光经平面镜反射后穿过其光路上的可调移相器，物光经平面镜反射后与参考光在第二分束镜处汇合，并由会聚透镜会聚后进入置于会聚透镜焦点处的单像素探测器，单像素探测器输出的信号被送入控制模块进行图像重构；通过多次改变调制装置上的空间编码和可调移相器上的相位的组合，实现对物体的太赫兹全息压缩感知成像。本发明的优点在于：结合移相数字全息术和压缩感知原理，实现对被测物体的真三维成像，在太赫兹成像领域是一个开拓性的发明。
【专利说明】单像素太赫兹全息成像装置和方法
所属【技术领域】
[0001]本发明涉及一种单像素太赫兹全息成像装置和方法，属于太赫兹成像【技术领域】。【背景技术】
[0002]太赫兹辐射可以穿透多种绝缘材料并且是一种非电离辐射，可以实现对人体或物品的无损无害探测，这些优点使得太赫兹成像技术有着多方面的应用需求，例如安检安防、化学品的鉴定、医学成像、质量控制等。现有的太赫兹成像技术大多只具有二维的成像能力，通过对光子飞行时间的分析或断层造影技术，太赫兹成像系统也可以实现在系统不同断面上成二维像的能力。但是这些成像技术中，采集到的信号往往仅包含在少数几个断面上的物品信息，而并不具有真正的完整的三维物体信息。一种不丢失信息的真三维太赫兹成像技术仍是太赫兹成像领域的一个难题。
[0003]在可见光波段，全息技术是一种被广泛使用的真三维成像技术。单色光源发出的光被分束镜分为物光和参考光，物光照射物体后和参考光发生干涉，干涉条纹被记录在干涉板上。在干涉板所记录的信息中，既包含了光场的幅值信息，也包含了光场的相位信息，通过这些信息，可以恢复出被探测物体的三维全貌。随着数字全息术的发明(参见Ting-Chung Poon 的〈〈Digital Holography and Three-Dimensional Display!Principlesand Applications)), Springer, 2006),干涉板被探测器阵列取代，也可以通过单探测器对光场的扫描实现。探测数据通过计算机的处理，转化为物体的三维图像并直接在计算机屏幕上显示。在可见光波段，数字全息术的信号探测往往由CCD这类探测辐射强度的阵列探测器来实现。然而在太赫兹波段，探测器阵列的成本高昂，且阵元的探测性能远不及单个探测器的水平，如果采用单探测器机械扫描的方式，则无法实现快速成像，因而太赫兹数字全息系统并不能直接采用可见光数字全息系统的设计方法。
[0004]近年来,压缩感知理论(Compressive Sensing)为单像素成像提供了新的解决思路。压缩感知单像素成像的基本思想是利用图像的稀疏特性，采用欠采样的方式采集数据，而后通过重构算法求解欠定线性方程组得到原始图像。采用压缩感知原理，探测器阵列可以被单探测器取代，系统中也不再需要机`械扫描的部件，而且由于压缩感知成像时系统往往探测的是图像上多个区域的信号的累积，其信噪比也得到大幅度提升。一些应用压缩感知的单像素成像技术方案已经被提出，如已有专利:一种光场采样及重构方法与装置，公开(公告)号:CN102306291A。然而如何通过压缩感知原理和全息原理在太赫兹波段的结合实现具有快速成像能力和高信噪比的单像素太赫兹全息装置，仍然是一个待解决的问题。
【发明内容】
[0005]为实现具有快速成像能力和高信噪比的太赫兹全息成像，本发明提出一种单像素太赫兹全息成像装置和方法。
[0006]本发明的思想在于:利用数字全息术中的一种一移相数字全息术，将其与压缩感知原理结合，使得系统仅需单个太赫兹强度探测器即可完成太赫兹全息成像，成像过程无需机械扫描，而是通过更换空间调制模板和可调移相器的相位改变值实现。
[0007]本发明的单像素太赫兹全息成像装置和方法是通过如下技术方案来实现的:
[0008]一种单像素太赫兹全息成像装置，包括太赫兹激光源、扩束装置、第一分束镜、调制装置、可调移相器、物光平面镜、参考光平面镜、第二分束镜、会聚透镜、单像素探测器和控制模块；太赫兹激光源发射的单色太赫兹光由扩束装置转化为束宽更宽的平行光后，经第一分束镜分为物光和参考光，其中物光照射物体后被调制装置在空域上进行编码，参考光则经参考光平面镜反射后穿过其光路上所置有的可调移相器，物光经物光平面镜反射后与参考光在第二分束镜处汇合，并由会聚透镜会聚后进入置于会聚透镜焦点处的单像素探测器，单像素探测器输出的信号被送入控制模块进行图像重构。
[0009]优选的，所述控制模块的控制信号输出端口连接调制装置和可调移相器的控制信号输入端口。
[0010]优选的，所述单像素探测器与控制模块的信号输入端口相连。
[0011]优选的，所述调制装置包括太赫兹空间光调制模板和换模控制装置；所述太赫兹空间光调制模板可在光路的截面上进行可变的空间编码，每个编码单元对应于图像上的一个像素，每个单元均可被置于O或I态，即低透过(不透过)状态或高透过状态；所述换模控制装置根据控制模块的指令控制编码序列的转换。
[0012]优选的，所述可调移相器的作用是根据控制模块的指令，将透射过该器件的太赫兹光的相位可调地改变π或Π /2或O (不改变)。
[0013]优选的，所述单像素探测器是一种太赫兹强度探测器。
[0014]优选的，所述控制模块包括数据采集器、中央处理器、非瞬态存储介质和显示屏；所述数据采集器用于将探测器的数据进行放大、模数转换等信号处理；所述中央处理器用于调制装置和可调移相器的控制、数据处理和图像重构；所述非瞬态存储介质用于存储成像所需的模板编码序列库和重构程序；所述显示屏用于显示重构图像。
[0015]一种单像素太赫兹全息成像方法，其成像步骤如下:
[0016]步骤1:太赫兹激光源发射单色太赫兹光，经扩束装置扩束后被第一分束镜分为物光和参考光；
[0017]步骤2:物光照射物体后入射到调制装置，其中物光照射物体后被调制装置在空域上进行编码，参考光经参考光平面镜反射后入射到可调移相器，物光经物光平面镜反射后，和参考光在第二分束镜处汇合并由会聚透镜会聚后进入置于会聚透镜焦点处的单像素探测器；
[0018]步骤3:初始化调制装置和可调移相器，使得太赫兹空间光调制模板所有单元均处于O态且可调移相器的相位改变为O ;
[0019]步骤4:单像素探测器采集信号并输入控制模块；
[0020]步骤5:改变可调移相器的相位改变值为/2，重复步骤4 ；
[0021]步骤6:改变可调移相器的相位改变值为π，重复步骤4 ；
[0022]步骤7:改变太赫兹空间光调制模板的编码序列，重复步骤3-6，直至非瞬态存储介质中储存的所有编码序列均被使用过一次为止；
[0023]步骤8:由中央处理器进行图像重构并在显示屏上显示图像。
[0024]优选的，所述步骤8中的图像重构方法是:[0025]步骤8.1:将模板编码序列库中的所有编码按编号顺序组成矩阵Φ，Φ的每一行即为一个编码序列；
[0026]步骤8.2:将单像素探测器采集到的信号记为Ji(CR)，其中下标i为太赫兹空间光调制模板的编码序列在非瞬态存储介质中所存储的编码序列库中的编号，i=0则表示所有单元均处于O态，φ表示可调移相器的相位改变值
【权利要求】
1.一种单像素太赫兹全息成像装置，其特征在于:包括太赫兹激光源、扩束装置、第一分束镜、调制装置、可调移相器、物光平面镜、参考光平面镜、第二分束镜、会聚透镜、单像素探测器和控制模块；太赫兹激光源发射的单色太赫兹光由扩束装置转化为束宽更宽的平行光后，经第一分束镜分为物光和参考光，其中物光照射物体后被调制装置在空域上进行编码，参考光则经参考光平面镜反射后穿过其光路上所置有的可调移相器，物光经物光平面镜反射后与参考光在第二分束镜处汇合，并由会聚透镜会聚后进入置于会聚透镜焦点处的单像素探测器，单像素探测器输出的信号被送入控制模块进行图像重构。
2.根据权利要求1所述的单像素太赫兹全息成像装置，其特征在于:所述控制模块的控制信号输出端口连接调制装置和可调移相器的控制信号输入端口。
3.根据权利要求1或2所述的单像素太赫兹全息成像装置，其特征在于:所述调制装置包括太赫兹空间光调制模板和换模控制装置；所述太赫兹空间光调制模板在光路的截面上进行可变的空间编码，每个编码单元对应于图像上的一个像素，每个单元均可被置于O或I态，即低透过或不透过状态或高透过状态；所述换模控制装置根据控制模块的指令控制编码序列的转换。
4.根据权利要求3所述的单像素太赫兹全息成像装置，其特征在于:所述太赫兹空间光调制模板是一块条形柔性PCB模板，其表面镀有铜格子花纹，其中镀有铜的格子处无法透过太赫兹辐射，对应于编码中的O态，未镀铜的格子处能够透过太赫兹辐射，对应于编码中的I态，换模控制装置包括主动轴、从动轴和伺服电机，柔性PCB模板首尾相连形成矩形缠绕在主动轴和从动轴上，伺服电机根据控制模块发送的指令驱动主动轴，从而转PCB模板，实现对调制编码的更换，所述物光平面镜放置于柔性PCB模板所围成的矩形的中央。
5.根据权利要求1所述的单像素太赫兹全息成像装置，其特征在于:所述可调移相器根据控制模块的指令，将透射过该器件的太赫兹光的相位可调地改变π或π/2或O。
6.根据权利要求5所述的单像素太赫兹全息成像装置，其特征在于:所述可调移相器由两块厚度不等的圆形聚四氟乙烯片、支架和伺服电机组成，两块聚四氟乙烯片中的一块使得透过的太赫兹光相位移动η，另一块移动η/2，支架由一块圆形塑料片构成，其上有三个等角度分布的圆形固定座，其中两个用于固定聚四氟乙烯片，另一个留空，用于相位改变为O的状态，伺服电机在控制模块的指令下，驱动支架旋转，使得不同的固定座对准光路，实现相位移动的改变。
7.根据权利要求1所述的单像素太赫兹全息成像装置，其特征在于:所述单像素探测器是一种太赫兹强度探测器。
8.根据权利要求1所述的单像素太赫兹全息成像装置，其特征在于:所述控制模块包括数据采集器、中央处理器、非瞬态存储介质和显示屏；所述数据采集器用于将探测器的数据进行放大、模数转换等信号处理；所述中央处理器用于调制装置和可调移相器的控制、数据处理和图像重构；所述非瞬态存储介质用于存储成像所需的模板编码序列库和重构程序；所述显示屏用于显示重构图像。
9.一种单像素太赫兹全息成像方法，其特征在于:成像步骤如下: 步骤1:太赫兹激光源发射单色太赫兹光，经扩束装置扩束后被第一分束镜分为物光和参考光； 步骤2:物光照射物体后入射到调制装 置，其中物光照射物体后被调制装置在空域上进行编码，参考光经参考光平面镜反射后入射到可调移相器，物光经物光平面镜反射后，和参考光在第二分束镜处汇合并由会聚透镜会聚后进入置于会聚透镜焦点处的单像素探测器； 步骤3:初始化调制装置和可调移相器，使得太赫兹空间光调制模板所有单元均处于O态且可调移相器的相位改变为O ; 步骤4:单像素探测器采集信号并输入控制模块； 步骤5:改变可调移相器的相位改变值为π /2，重复步骤4 ； 步骤6:改变可调移相器的相位改变值为π，重复步骤4 ； 步骤7:改变太赫兹空间光调制模板的编码序列，重复步骤3-6，直至非瞬态存储介质中储存的所有编码序列均被使用过一次为止； 步骤8:由中央处理器进行图像重构并在显示屏上显示图像。
10.根据权利要求9所述的单像素太赫兹全息成像方法，其特征在于:所述步骤8中的图像重构方法是: 步骤8.1:将模板编码序列库中的所有编码按编号顺序组成矩阵Φ，Φ的每一行即为一个编码序列； 步骤8.2:将单像素探测器采集到的信号记为Ji (j)，其中下标i为太赫兹空间光调制模板的编码序列在非瞬态存储介质中所存储的编码序列库中的编号，i=0则表示所有单元均处于O态，j表示可调移相器的相位改变值，j=0、η /2或π ;
步骤 8.3:生成信号 Ii (j)，使得 Ii (j) =Ji (j)-JO (j) (i，，0)； 步骤8.4:根据j取不同值时的信号，生成列向量y，使得
【文档编号】G01N21/17GK103822577SQ201410093162
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2014年3月13日
【发明者】涂昊, 武帅 申请人:中国电子科技集团公司第三十八研究所