基于旋转圆盘状掩模板的太赫兹波压缩感知快速成像装置的制作方法

本实用新型涉及太赫兹波成像领域，尤其涉及一种基于旋转圆盘状掩模板的太赫兹波压缩感知快速成像装置。

背景技术：

太赫兹(terahertz,简称THz)波通常是指频率在0.1～10THz(波长在0.03～3mm)波段的电磁波。太赫兹波作为一种具备独特优点的辐射源，具有重要的科学意义和极大的研究价值。

太赫兹成像技术最早由Hu和Nuss在1995年实现。长时间以来，太赫兹成像系统大多采用逐点扫描成像或阵列成像的方式，但是这两种方式具有成像速度较慢或灵敏度较低等缺点。而近年来，提出了一种基于压缩感知的太赫兹成像手段，改善了逐点扫描成像与阵列成像的缺陷。所谓压缩感知，即是一种充分利用信号稀疏性或可压缩性的全新信号采集、编解码理论，能够在采样率远小于香农-奈奎斯特采样定理下实现信号的采样得到压缩样本，然后在数字信号处理中采用优化方法处理压缩样本。对样本进行恢复时，所需的优化算法常常是计算一个已知信号稀疏的欠定线性逆问题。

这种基于压缩感知的太赫兹成像系统通过对光源产生的太赫兹光进行均匀化并使之覆盖成像物体，随后利用调制矩阵对携带了成像物体信息的透射光进行调制，使调制光束经过抛物面镜汇聚于焦点并被太赫兹探测器接收测量。具体实现时，可以通过调整DMD(数字微镜装置)器件、更换不同掩模板或平动掩模板等多种方式产生不同的调制矩阵进而得到多组调制数据，最后将其输入压缩感知恢复算法重建成像物体的图像。

不难看出，对于不停更换掩模板和不断调整DMD(数字微镜装置)的方式，其系统的成像速度和成像质量均不理想；而平动一整块较大矩形掩模板的方式，一方面，通过横向位移平台带动掩模板平移，虽然使得成像速度有所提升但依旧较慢；另一方面，其体积较大，且能够设计填充并用于调制的矩阵数量极为有限。因此，当前需要一种能够避免或减小上述缺陷的压缩感知成像装置。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种基于旋转圆盘状掩模板的太赫兹波压缩感知快速成像装置，本实用新型克服了现有装置的不足，在太赫兹波压缩感知成像的调制阶段可以较大程度提高太赫兹压缩感知的采样效率与速度，即实现更快速的成像，详见下文描述：

一种基于旋转圆盘状掩模板的太赫兹波压缩感知快速成像装置，包括：掩模板，用于实现太赫兹波透射，所述掩模板的外形为圆盘状，掩模板内的掩模矩阵为利用金属薄片制成的包含[0,1]的二值托普利茨矩阵，其中“1”对应镂空的方孔，“0”对应非镂空方孔；

所述掩模板与成像物体在光路中平行放置，携带了成像物体信息的太赫兹波经过圆盘掩模板上的调制窗口后实现透射调制；

太赫兹波抛物面镜将透射光汇聚于焦点，一个太赫兹探测器探测其强度。

其中，镂空的方孔用于实现对太赫兹波的较高透射，透射辐射由太赫兹波抛物面镜汇聚到太赫兹波探测器。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

1、相比于其他类型的掩模板，旋转式的圆盘掩模板通过旋转一个极小角度就可以进行一次调制，并且旋转速度与太赫兹脉冲重复频率相匹配，可以实现连续旋转测量，故其所需要的时间较短，速度更快，能够实现快速成像；

2、该旋转式圆盘掩模板使用托普利茨矩阵代替目前普遍使用的高斯随机矩阵，对携带了成像物体信息的光线调制效果较好，可以获得更高的成像质量；

3、相较于现阶段的其他类型掩模板，圆盘式掩模板能够容纳更多的调制矩阵，实现更多、更高效的太赫兹波调制，并且体积相对较小。

4、对于成像物体的尺寸选择更为灵活，且价格低廉，适用范围更广。

附图说明

图1为基于旋转圆盘状掩模板的太赫兹波压缩感知快速成像装置的结构示意图；

图2为圆盘掩模板的矩阵分布示意图；

图3为圆盘式掩模板调制窗口的放大结构示意图。

附图中，各部件表示的列表如下：

1：太赫兹源； 2：扩束系统；

3：成像物体(以镂空‘H’为例)； 4：圆盘掩模板；

5：调制窗口； 6：旋转电机；

7：太赫兹波抛物面镜； 8：太赫兹探测器。

其中，圆盘掩模板4可以通过中心处的旋转电机 6带动旋转，旋转速度与太赫兹脉冲的重复频率相匹配。此外，调制矩阵为托普利茨矩阵。

图2中，调制窗口5中的掩模板标“1”的部分表示太赫兹波可以透过，即镂空部分，透射的辐射由太赫兹波抛物面镜7汇聚到太赫兹波探测器8。

调制窗口5中的掩模板标“0”的部分表示太赫兹波无法透过或透射极小，即非镂空部分，太赫兹探测器8基本探测不到透过该点处的透射辐射。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于旋转圆盘状掩模板的太赫兹波压缩感知快速成像装置，参见图1，主要包含了：

能够实现太赫兹波透射的掩模板4，且其外形为圆盘状。

参见图2，掩模板4内的掩模矩阵为利用金属薄片制成的包含[0,1]的二值托普利茨矩阵，其中“1”对应镂空的方孔，“0”对应非镂空方孔。

掩模板4与成像物体3在光路中放置保持平行，使携带了成像物体3信息的太赫兹波经过圆盘掩模板4上的调制窗口5后实现透射调制。

使用一个太赫兹波抛物面镜7将透射光汇聚于焦点，并使用一个太赫兹探测器8探测其强度。

连续旋转圆盘掩模板4测得多组数据，将其输入压缩感知恢复程序即可得到重建图像。

其中，二值托普利茨矩阵为本领域技术人员所公知，本实用新型实施例仅是在圆盘掩模板4中使用了利用金属薄片制成的公知的二值托普利茨矩阵，并没对二值托普利茨矩阵本身做任何改进。

具体实现时，后续的将多组数据输入压缩感知恢复程序即可得到重建图像的处理步骤，为本领域技术人员所公知，本实用新型实施例并未对所涉及的软件部分做任何改进，只是运用了已有的计算软件。

综上所述，本实用新型实施例提供的基于旋转圆盘状掩模板的太赫兹波压缩感知快速成像装置，能够在太赫兹波压缩感知成像的调制阶段极大提高太赫兹压缩感知的采样效率与速度，即实现更快速的成像。

实施例2

下面结合图1至图3对实施例1中的方案进行详细介绍，详见下文描述：

参照图1，一种基于旋转圆盘状掩模板的太赫兹波压缩感知快速成像装置，主要包括：可以实现部分透射的圆盘掩模板4、设置在圆盘掩模板4上的调制窗口5、太赫兹波抛物面镜7以及太赫兹波探测器8。

其中，圆盘掩模板4可以通过中心处的旋转电机6带动旋转，调制矩阵为托普利茨矩阵。太赫兹波抛物面镜7设置在调制窗口5与太赫兹波探测器8之间。成像物体3放置于扩束系统2与圆盘掩模板4之间。

具体实现时：

首先，太赫兹源1产生太赫兹波输出，并经过扩束系统2进行扩束，使其能够完全覆盖成像物体3并保持垂直入射。这样可以保证成像物体3所包含的信息不会缺损丢失。

其次，经过成像物体3并携带有物体信息的太赫兹波以垂直角度入射圆盘掩模板4的调制窗口5，调制窗口5的大小与成像物体3的大小相当并完全位于光路中，携带有成像物体3信息的太赫兹波经过调制窗口5并被此刻调制窗口5上的矩阵调制。圆盘掩模板4与成像物体3在光路中平行放置。

之后，利用太赫兹波抛物面镜7对经过调制窗口5出射的调制光束进行汇聚，在其焦点附近放置太赫兹探测器8测量辐射强度并记录数值。由于圆盘掩模板4连续旋转，且速度与太赫兹脉冲重复频率相匹配，即调制窗口5的调制矩阵会发生连续变化，所以可以实现连续测量并记录多组数据。

最终，将太赫兹探测器8测量得到的多组数据输入恢复算法，即可得到对于成像物体3的重建图像。

其中，圆盘掩模板4能实现对于太赫兹波的部分透射。圆盘掩模板4上镂空的部分可以实现对太赫兹波的较高透射，透射的辐射由太赫兹波抛物面镜7汇聚到太赫兹波探测器8；非镂空部分则几乎无法透射太赫兹波，太赫兹探测器8基本探测不到透过该点处的透射辐射。通过位于圆盘中心的旋转电机6的转动，带动圆盘掩模板4连续旋转，转速与太赫兹脉冲重复频率相匹配，使调制窗口5的调制矩阵产生连续变化，即可实现对于多次调制的测量和记录。

上述提到的透射强度数组以及恢复算法均是本领域技术人员所公知，本实用新型实施例并未对涉及软件的部分作任何改进，只是直接运用了这些软件。

综上所述，本实用新型实施例提供的基于旋转圆盘状掩模板的太赫兹波压缩感知快速成像装置，能够在太赫兹波压缩感知成像的调制阶段极大提高太赫兹压缩感知的采样效率与速度，即实现更快速的成像。

本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。