基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置及方法与流程

本发明涉及太赫兹波成像领域，尤其涉及一种基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置及方法。

背景技术：

太赫兹(terahertz，简称thz，1thz＝10¹²hz)辐射是指频率从0.1thz到10thz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。太赫兹辐射在电磁波谱中所处的特殊位置赋予了其一系列特殊的性质，这使得太赫兹技术可以应用到生物医学检测、物质特性研究、安检等领域。在太赫兹波相关技术中，太赫兹波成像作为其研究热点之一更是取得了一系列成果。目前，在生物医学领域，太赫兹波成像技术已实现多种病灶识别，如皮肤癌、肝癌、乳腺癌、脑胶质瘤等。其中，生物医学领域最常用的成像方式为反射式成像。

然而，反射式成像技术存在菲涅尔反射、物体不均匀漫散射等缺点，这会导致反射成像信号强度降低，进而降低成像信噪比，严重影响成像质量。此外，太赫兹热辐射探测器受外界环境影响严重，在信噪比较低的情况下，会导致成像结果产生误差的可能性剧增或直接产生较大误差。特别是在太赫兹生物医学光谱成像领域，由于样品表面较为粗糙，需要在样品表面加反射窗口以减小漫反射的影响。

目前，常见的用于太赫兹生物医学光谱成像的太赫兹辐射源包括：太赫兹时域光谱仪(thz-tds)、反向波振荡器(bwo)、耿式震荡器、基于co2激光器泵浦气体材料的远红外激光器、基于非线性光学效应的差频源或参量震荡源等。太赫兹时域光谱仪等脉冲源可以同时测量物体的振幅与相位信息，但由于能量分布在太赫兹脉冲的整个带宽上，在窄带频率上的信噪比(snr)通常很低，峰值信号幅值与时域数据的噪声级之比可能非常大，严重影响成像质量。

当前，通过改进算法恢复出原信号的方法也取得了一定效果，然而其计算繁琐且只是以一定概率恢复输出。基于反向波振荡器(bwo)、耿式震荡器、co2激光器泵浦的远红外激光器、差频源或参量震荡源仅能获得物体的强度信息，其通过提高太赫兹辐射源的功率在一定程度上降低了外界环境的噪声影响，但是对于吸收较大的样品，其信噪比很难提高。因此太赫兹反射式成像急需一种能够在采样阶段就能提高样品采样的信噪比以达到高质量成像样品的方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置及方法，本发明提出通过理论计算选择适合太赫兹反射式成像的反射窗口厚度，在采样阶段最大程度的增大信号振幅，提高成像信噪比，详见下文描述：

基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置，所述装置包括：

太赫兹波平面反射镜、第一太赫兹波离轴抛物面镜、第二太赫兹波离轴抛物面镜、第三太赫兹波离轴抛物面镜依次设置在太赫兹波的出射光路上；

第一太赫兹波离轴抛物面镜用于将输出的太赫兹波聚焦入射到反射窗口上；第二太赫兹波离轴抛物面镜设置在放样品装置的信号光出射光路上，用于接收信号光太赫兹波；第三太赫兹波离轴抛物面镜设置在太赫兹波探测前，用于接收并聚焦信号光太赫兹波进入探测器；

探测器设置在第三太赫兹波离轴抛物面镜的信号光出射光路上，收集第三太赫兹波离轴抛物面镜的反射光；

反射窗口为对太赫兹波高透的材料，其固定于二维扫描平台上，用于放置待测成像样品。

进一步地，所述太赫兹辐射源为连续或脉冲的太赫兹辐射源。

其中，所述太赫兹波平面反射镜、第一太赫兹波离轴抛物面镜、第二太赫兹波离轴抛物面镜、第三太赫兹波离轴抛物面镜，均镀太赫兹波段的宽带高反膜。

具体实现时，所述太赫兹源产生太赫兹波输出，以30°角度入射到反射窗口。所述放置样品的二维平台是沿x轴和y轴成s型移动。

具体实现时，所述反射窗口的厚度由所选用的波长决定。

一种基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置的方法，所述方法包括：

将干涉理论应用到反射式成像中，通过理论计算选择合适的反射窗口厚度，实现成像信号强度、以及信噪比的提升。

其中，所述方法通过理论计算选择合适的反射窗口厚度，实现成像信号强度的提升具体为：

太赫兹源产生太赫兹波输出，以一定角度入射到反射窗口，反射窗口为对太赫兹高透的材料，太赫兹源为相应太赫兹探测器接收的波段；

当反射窗口的厚度选择使得探测器接收的信号相对于入射光波长为干涉相长时，相比于无反射窗口时的测量，i>i2；信号强度增大了；为干涉相减时，i<i2；信号强度降低了；

其中，i2为入射光经第一反射窗口面透射，第二反射窗口面反射再经第一反射窗口面透射的反射光强度，其携带了待测样品的信息。

其中，所述方法通过理论计算选择合适的反射窗口厚度，实现信噪比的提升具体为：

当反射窗口的厚度选择使得探测器接收的信号相对于入射光波长为干涉相长时，snr>1；当反射窗口的厚度选择使得探测器接收的信号相对于入射光波长为干涉相减时，snr<1。

本发明的有益效果是：

1、相比无反射窗口成像，反射窗口的使用可降低反射式成像中的漫反射现象，极大地缓解漫反射对成像信号强度降低的影响。

2、当反射窗口的厚度使得通过其上下表面反射的太赫兹波满足干涉相减条件时，理论上总信号强度为样品信号强度与反射窗口信号强度的矢量相减，这会使得总信号强度降低，进而成像信噪比降低。当反射窗口的厚度满足干涉相减时，虽可缓解漫反射对反射成像的影响，但总信号强度降低等同降低了成像信噪比，严重影响反射成像质量。

3、当反射窗口的厚度相对于入射光波长为干涉相长时，理论上总信号强度为样品信号强度与反射窗口信号强度的矢量相减，这会使得总信号强度增大，进而成像信噪比提高。当反射窗口的厚度相对于入射光波长为干涉相长时，不仅可降低漫反射对成像的影响且提高成像信噪比，更有利于提高反射成像质量。

4、本发明仅通过选择反射窗口的厚度，实现成像信号强度的提升，提高成像信噪比，装置简易方便且成像质量好。

附图说明

图1为基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置的结构示意图；

图2为太赫兹波反射式成像的光路图；

图3为信噪比图；

图4为不同干涉方式对反射成像边界识别的影响图。

附图1中，各部件表示的列表如下：

1：太赫兹辐射源；2：探测器；

3：第一太赫兹波离轴抛物面镜；4：第二太赫兹波离轴抛物面镜；

5：第三太赫兹波离轴抛物面镜；6：太赫兹波平面反射镜；

7：反射窗口。

附图2中，各部件表示的列表如下：

21：为反射窗口的第一个面；

22：为反射窗口与样品接触面，称为反射窗口第二个面；

23：为待测样品(或镀金反射镜)；

24：为反射窗口；

图4(a)为成像物体图、以及对比效果图(b和c)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了增强反射式成像的成像信噪比，本发明实施例将干涉理论应用到反射式成像中，通过理论计算选择合适的反射窗口厚度。

实施例1

本发明实施例提供了一种基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的装置，参见图1，该装置包括：太赫兹辐射源1、接收太赫兹辐射源的探测器2、第一太赫兹波离轴抛物面镜3、第二太赫兹波离轴抛物面镜4、第三太赫兹波离轴抛物面镜5、太赫兹波平面反射镜6、以及反射窗口7，

其中，反射窗口7为对太赫兹波高透的材料，其固定于二维扫描平台上，用于放置待测成像样品；

太赫兹波平面反射镜6、第一太赫兹波离轴抛物面镜3、第二太赫兹波离轴抛物面镜4、第三太赫兹波离轴抛物面镜5依次设置在太赫兹波的出射光路上；

第一太赫兹波离轴抛物面镜3用于将输出的太赫兹波聚焦入射到反射窗口7上；第二太赫兹波离轴抛物面镜4设置在放样品装置的信号光出射光路上，用于接收信号光太赫兹波；第三太赫兹波离轴抛物面镜5设置在太赫兹波探测前，用于接收并聚焦信号光太赫兹波进入探测器2；

探测器2设置在第三太赫兹波离轴抛物面镜5的信号光出射光路上，收集第三太赫兹波离轴抛物面镜5的反射光；

其中，太赫兹辐射源为连续或脉冲的太赫兹辐射源。

太赫兹波平面反射镜6、第一太赫兹波离轴抛物面镜3、第二太赫兹波离轴抛物面镜4、第三太赫兹波离轴抛物面镜5，均镀太赫兹波段的宽带高反膜。

其中，太赫兹源产生太赫兹波输出，以30°角度入射到反射窗口。

进一步地，放置样品的二维平台是沿x轴和y轴成s型移动。

进一步地，反射窗口7为对太赫兹高透的材料，太赫兹源为相应太赫兹探测器2接收的波段。

其中，反射式成像可以扫描无限大样品。探测器2为太赫兹波段的探测器。综上所述，本发明实施例提供的通过反射窗口厚度选择提高成像信噪比的装置，能够在采样阶段提高反射成像信噪比进而减小外部环境对成像的影响，有效提高成像质量。

实施例2

本发明实施例提供了一种基于反射窗口提高太赫兹波成像信噪比的方法，本方法采用反射窗口实现。由于太赫兹波在反射窗口多次反射的信号强度递减，太赫兹波反射式成像所接收到的信号仅考虑由第一反射窗口面21和第二反射窗口面22第一次反射的太赫兹波组成，即i1和i2，太赫兹波在反射窗口的光路图，如图2所示。

其中，i0为入射角为θ0的太赫兹波入射强度，i1为入射光i0在第一反射窗口面21的反射光强度，i2为入射光经第一反射窗口面21透射，第二反射窗口面22反射再经第一反射窗口面21透射的反射光强度，其携带了待测样品的信息。

太赫兹波在反射式成像中，探测器接收到的反射光强度服从线性叠加原理，i1和i2叠加合成的太赫兹波相对光强i为：

其中，δ为i1和i2两束光的相位差。

当太赫兹波入射光，由空气入射到反射窗口，由斯涅耳公式可得太赫兹波的折射角θ为：n0sinθ0＝nsinθ(2)

其中，n0为空气的折射率，n为反射窗口的折射率。

光束i1和i2产生的相位差为：

其中，h为反射窗口的厚度，m为干涉级数，太赫兹波的波长为λ。

当δ为时(k为整数)，合成太赫兹波的振幅大于各个分量的振幅，为干涉相长。当δ＝2kπ时，总信号光强最大；若设置样品为镀金镜反射镜，其反射的信号光强i2和i1叠加的信号光总强度i＝i2+i1，且i>i2。

δ为时，合成波的振幅小于各个分量的振幅，为干涉相减。当δ＝(2k+1)π时，总信号光强最小；若设置样品为镀金镜反射镜，其反射的信号光强i2和i1叠加的总信号光强为i＝i2—i1，且i<i2。

当反射窗口的厚度选择使得探测器接收的信号相对于入射光波长为干涉相长时，i>i2；此时相比于无反射窗口时的测量，信号强度增大了。当反射窗口厚度的厚度选择使得探测器接收的信号相对于入射光波长为干涉相减时，i<i2；此时相比于无反射窗口时的测量，信号强度降低了。

为了更好的验证干涉对反射成像信噪比的影响，本发明实施例定义成像信噪比为有反射窗口和无反射窗口测量时探测器接收到的样品反射信号强度比，即snr＝i/i2。当反射窗口的厚度选择使得探测器接收的信号相对于入射光波长为干涉相长时，snr>1；当反射窗口的厚度选择使得探测器接收的信号相对于入射光波长为干涉相减时，snr<1。与干涉相减相比，干涉相长不仅一定程度上增大了信号强度且提高了了成像信噪比，这有助于提高反射成像质量。

综上所述，本发明实施例提供的通过反射窗口厚度选择提高成像信噪比的方法，能够在采样阶段提高反射成像信噪比进而减小外部环境对成像的影响，有效提高成像质量。

实施例3

下面结合图3对实施例1中的方案、工作原理进行可行性验证，详见下文描述：

本发明实施例目的在于提供一种在数据采集阶段提高成像信噪比减小外界噪声对太赫兹波反射式成像影响的方法。

本例通过应用不同厚度的反射窗口对镀金反射镜进行扫描成像，计算反射成像信噪比。在太赫兹频率为2.52thz时，对镀金反射镜上某一横线扫描的信噪比，如图3所示。

太赫兹源产生太赫兹波输出，太赫兹波(强度为i0)以θ0角度入射到第一反射窗口面21，太赫兹波的一部分经第一反射窗口面21反射(强度为i1)；另一部分经第一反射窗口面21透射并在第二反射窗口22以θ角度入射到样品，并经样品反射、第二反射窗口面22与第一反射窗口21面透射为(强度为i2)，探测器接收的光强为i1和i2在第二反射窗口面22叠加。通过采用不同厚度的反射窗口，可实现成像信噪比的改变。

当选择反射窗口厚度为0.53mm、0.7mm、0.82mm时，i1与i2的相移分别为δ0.53＝0.5π、δ0.7＝0.45π、δ0.82＝0，其处于干涉相长的相移范围内。由图3可得，当反射窗口厚度为0.53mm、0.7mm、0.82mm时，成像信噪比分别约为snr0.53＝1.45、snr0.7＝1.2、snr0.82＝1.15，实现了成像信噪比的提高。

当选择反射窗口厚度为0.64mm、0.84mm、0.9mm时，i1与i2的相移分别为δ0.64＝0.75π、δ0.84＝0.85π、δ0.9＝0.99π，其处于干涉相减的相移范围内。由图3可得，当反射窗口厚度为0.64mm、0.84mm、0.9mm时，成像信噪比分别约为snr0.64＝0.75、snr0.84＝0.7、snr0.9＝0.65，成像信噪比有所下降。

由实验可得，当选择反射窗口的厚度与入射波长相比为干涉相长时，其信噪比snr>1，提高了成像信噪比；当选择反射窗口的厚度与入射波长相比为干涉相减时，snr<1，相当于降低了成像信噪比。

综上所述，本发明实施例提供的干涉相加提高成像信噪比的成像方法，克服了现有采样的不足，在采样阶段就提高了成像信噪比，尽可能减小外界条件影响，进而提高成像质量。

实施例4

下面结合图4对实施例1至3中的方案进行成像质量可行性验证，详见下文描述：

本实验通过应用不同厚度的反射窗口对猪肉样品中脂肪和肌肉进行边界识别成像，如图4所示。

其中，图a为实物样品图，图b为反射窗口厚度可以实现干涉相长时的太赫兹成像图，图c为反射窗口厚度可以实现干涉相减时的太赫兹成像图。图4(b)和(c)都可呈现出样品图(a)的边缘轮廓。然而对于样品图(a)的内部细节，相比与图(c)，图(b)更能清楚显示出样品的内部细节。由此可知，当选择的反射窗口厚度满足i1和i2干涉相加条件时，更利于生物样品边界识别。

通过上述试验，可以直接的验证本发明实施例1至3中方案的可行性，满足了实际应用中的多种需要，提高了成像质量。

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，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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