专利名称：太赫兹多波长位相成像方法
技术领域：
本发明涉及太赫兹多波长位相成像方法，具体地说本发明涉及一种利用太赫兹 波的相干性和宽带性的特点，选取其中的两个或多个波长所对应的两个或多个频率的位 相图像处理，从而重构出被测样品的轮廓图像的成像方法。
背景技术：
位相成像一直以来都被认为是可以精确重构物体的最有前景的成像方法，其图 像的轴向分辨率可以达到波长的几分之一。但是位相成像技术一直以来都存在一个瓶 颈，就是当被测物体引起的光程差大于成像波长时，位相图像会出现2 Ji的断点。多波长数字全息方法，利用两个不同波长的激光分别对同一物体进行数字全息 成像，产生两幅位相图像并将这两幅图像进行合并处理，可以得到不存在伪断点的图 像。但是，由于需要更换波长，两次分别成像存在各自的背景噪声，两幅图像在做相减 的合并处理时会将噪声放大，得到的图像质量较差。太赫兹波谱可以提供很宽的频谱范围内的位相信息，一次测量可以获得若干个 波长所对应的位相图像，因此，在太赫兹波成像技术中应用多波长位相成像方法具有得 天独厚的优势。由于是一次测量，同时得到的多幅位相图像具有相同的背景噪声。将两个波长对应的位相图像进行相减处理，在消除伪断点的同时可以消除热背 景噪声并且大大降低1/f噪声；单脉冲太赫兹波的位相与频率成正比，由这种独特性质发 展而来的多波长位相拟合成像，由于位相的多点拟合大大降低单点位相的不确定性，因 此该方法可以抑制图像噪声。
发明内容
本发明提供一种太赫兹多波长位相成像方法，以解决上述背景技术中存在的技 术问题，即位相成像会出现2 Ji的断点，而多波长数字全息成像会将噪声放大，得到的
图像质量较差。为解决上述技术问题，本发明的一种太赫兹多波长位相成像方法，包括如下步 骤(1)对被成像样品进行二维光谱成像，得到所述被成像样品上每点的太赫兹时域光 谱信号；(2)对所述被成像样品上各点的太赫兹时域光谱信号进行傅立叶变换，得到系 统有效频率范围内所述被成像样品上各点的位相谱；(3)选取有效频率范围内的一段频 率的位相图像进行线性拟合，得到拟合直线；(4)求得所述拟合直线的斜率，所得斜率 与被测样品的厚度成正比，从而可以重构出被测样品的轮廓。其中，步骤(1)中的二维光谱成像为透射式成像。其中，步骤(1)中的二维光谱成像为反射式成像。其中，步骤(1)中的二维光谱成像为二维焦平面成像。其中，步骤(1)中的二维光谱成像为二维逐点扫描成像。其中，步骤(3)中选取的一段频率为避开水蒸气吸收峰的一段频率。
其中，所述的一段频率为0.5THz到1.5THz。其中，步骤(4)中得到拟合直线斜率的方法为对所述拟合直线求导。本发明通过上述技术方案，对两个或多个波长所对应的两个或多个频率的位相 图像处理，重构出被测样品的轮廓图像。从而克服单波长位相成像在光程差大于波长时 出现伪断点的缺点，同时去除背景噪声，提高图像质量，达到了有益的技术效果。
图1为太赫兹多波长位相反射式成像系统示意图；图2为太赫兹多波长位相透射式成像系统示意图；图3为金属垫圈的光学照片；图4为金属垫圈的传统太赫兹图像；图5为金属垫圈的0.9THz和l.lTHz的双波长位相图像；图6为金属垫圈的0.5THz-1.5THz多波长位相拟合图像。附图标记说明M1-M6 反射镜；L1-L2 凹透镜；1 飞秒激光放大器；2 分束镜；3 分 频器；4 :斩波器；5 太赫兹发射极；6 抛面镜；7 被成像样品；7’ 平面镜； 8、13偏振片；9、14凸透镜；10:聚乙烯透镜；11:导电玻璃；12:探测晶体； 15 CCD相机；I 泵浦光；II 探测光。
具体实施例方式为了使本发明的形状、构造以及特点能够更好地被理解，以下将列举较佳实施 例并结合附图进行详细说明。图1为太赫兹多波长位相反射式焦平面成像系统示意图，如图所示，本成 像系统所使用的激光光源是美国光谱物理公司制造的飞秒激光放大器(SpectraPhysics Hurricane Amplifier)，产生的激光脉冲的重复频率lKHz，脉冲宽度75fs，中心波长 795nm,输出功率650mW。飞秒激光放大器1产生的飞秒激光经过分束器2分成两束光透射的一束光较强 作为泵浦光I，经过一系列反射镜M3-M6和凹透镜L1入射到太赫兹发射极5上，通过光 整流效应产生太赫兹波，该太赫兹发射极5为ZnTe晶体。太赫兹波经过抛面镜6准直成 直径为25mm的平行光束。太赫兹光束以15°的入射角照射到被成像样品7上。被被成像样品7反射的太 赫兹波经过聚乙烯透镜10聚焦，以及被ITO导电玻璃11反射后，成像到探测晶体12上， 该探测晶体12为大尺寸的ZnTe晶体。反射的一束光作为探测光II，它经过反射镜Ml，M2和凹透镜L2，然后由凸透 镜9准直成直径为25mm的光束，透过导电玻璃11与太赫兹光束共线通过探测晶体12。 凹透镜L2与凸透镜9之间设有偏振片8，探测晶体12后方设有与偏振片8的偏振方向正 交的另一偏振片13。当探测光II的偏振方向没有改变时，通过正交的两个偏振片的探测光II光强应 为零。由于在探测晶体12内，太赫兹电场改变晶体的折射率椭球，从而使出射的探测光II的偏振态发生改变，故通过正交的两个偏振片8和13可以测量出探测光II偏振态改变 量的大小，进而间接得到太赫兹波随时间变化的时域光谱。从偏振片13出射的探测光II 由凸透镜14会聚到CCD相机15。该捕获图像用的普林斯顿(Princeton) CCD相机，曝光 时间为32ms。由于实时成像系统不能使用锁相放大器去除噪声，因此系统的信噪比一般较 低。为了降低长周期的光背景噪声，系统采用了动态相减技术。飞秒激光放大器1产 生大小等于激光脉冲的重复频率lKHz的信号，被分频器3分为频率为l/32Hz和l/64Hz 的两个同步信号，分别用来触发光学斩波器4和CCD相机。这样，当CCD相机捕获两 帧连续的图像，其中一帧是太赫兹信号，而另一帧则是太赫兹信号被斩波器4挡住了， 信号就可以提取出来。由于图像是在毫秒量级的时间内交替捕获的，如果将两帧图像相 减，即将信号图像和背景图像相减，长周期的背景漂移就会大大降低。本实施例中采用二维焦平面成像，本发明中的成像方式也可以是二维逐点扫描 成像的方式，二维逐点扫描成像的系统是在现有的测样品中一个点太赫兹时域信号的系 统基础上，将样品固定在一个二维平移台上，这个二维平移台可以二维移动，每移动一 个点测量一次该点的时域光谱信号，直到把被测样品上的每个点都测量完为止。这样就 可以得到被测样品上各个点的太赫兹时域光谱信号，完成二维逐点扫描。在上述实施例中，对被成像样品7采用反射式焦平面成像的方式。在本发明的 另一实施例中，也可以采用透射式焦平面成像的方式，对被成像样品7进行成像。反射和透射是对应不同的材料而言的，有的材料太赫兹可以透过，所以一般选 择透射式测量，有的材料太赫兹不能透过，但是可以反射太赫兹，比如金属，一般采用 反射式测量。另，当需要专门研究材料的反射或透射特性时，也需要使用不同成像方 式。如图2所示，具体采用透射式焦平面成像的系统如下飞秒激光放大器1产生的飞秒激光经过分束器2分成两束光透射的一束光较强 作为泵浦光I，经过一系列反射镜M3-M6和凹透镜L1入射到太赫兹发射极5上，通过光 整流效应产生太赫兹波，该太赫兹发射极5为ZnTe晶体。太赫兹波经过抛面镜6准直成 直径为25mm的平行光束。太赫兹光束以15°的入射角照射到平面镜7’上。被成像样品7设于平面镜7’ 和抛面镜6之间或者设于平面镜7’和聚乙烯透镜10之间，使太赫兹波从被成像样品7 透射后，经过聚乙烯透镜10聚焦，被IT0导电玻璃11反射到探测晶体12上，该探测晶 体12为大尺寸的ZnTe晶体。反射的一束光作为探测光II，它经过反射镜Ml，M2和凹透镜L2，然后由凸透 镜9准直成直径为25mm的光束，透过导电玻璃11与太赫兹光束共线通过探测晶体12。 凹透镜L2与凸透镜9之间设有偏振片8，探测晶体12后方设有与偏振片8的偏振方向正 交的另一偏振片13。当探测光II的偏振方向没有改变时，通过正交的两个偏振片的探测光II光强应 为零。由于在探测晶体12内，太赫兹电场改变晶体的折射率椭球，从而使出射的探测光 II的偏振态发生改变，故通过正交的两个偏振片8和13可以测量出探测光II偏振态改变 量的大小，进而间接得到太赫兹波随时间变化的时域光谱。从偏振片13出射的探测光II由凸透镜14会聚到CCD相机15。该捕获图像用的普林斯顿(Princeton) CCD相机，曝光 时间为32ms。由于实时成像系统不能使用锁相放大器去除噪声，因此系统的信噪比一般较 低。为了降低长周期的光背景噪声，系统采用了动态相减技术。飞秒激光放大器1产 生大小等于激光脉冲的重复频率lKHz的信号，被分频器3分为频率为l/32Hz和l/64Hz 的两个同步信号，分别用来触发光学斩波器4和CCD相机。这样，当CCD相机捕获两 帧连续的图像，其中一帧是太赫兹信号，而另一帧则是太赫兹信号被斩波器4挡住了， 信号就可以提取出来。由于图像是在毫秒量级的时间内交替捕获的，如果将两帧图像相 减，即将信号图像和背景图像相减，长周期的背景漂移就会大大降低。本发明的太赫兹多波长位相成像方法，采用上述太赫兹多波长位相成像系统完 成，包括如下步骤1、将被成像样品7固定，对被成像样品7进行二维光谱成像，得到被成像样品7 上每点的太赫兹时域光谱信号。该二维光谱成像可以为对被成像样品7进行的反射式成 像，也可以是透射式成像。2、对被成像样品7上各点的太赫兹时域光谱信号进行傅立叶变换，得到系统有 效频率范围内被成像样品7上各点的位相谱。3、对于多波长位相拟合成像，选取系统有效频率范围内的一段频率的位相图像 进行线性拟合。优选的，可以选择避开水蒸气吸收峰的一段频率，如0.5THz到1.5THz 的位相图像进行线性拟合，以避免因空气中的水蒸汽吸收，而影响测量结果的准确度。4、由于得到的拟合直线的斜率与被测样品的厚度成正比，因此求得拟合直线的 斜率信息，即可通过计算机重构出物体轮廓。该得到拟合直线斜率的方法可以是利用位相的拟合直线对频率求导得到。特别的，双波长位相成像是多波长位相成像的一个特例，其包括如下步骤1、将被成像样品7固定，对被成像样品7进行二维光谱成像，得到被成像样品7 上每点的太赫兹时域光谱信号。该二维光谱成像可以为对被成像样品7进行的反射式成 像，也可以是透射式成像。2、对被成像样品7上各点的太赫兹时域光谱信号进行傅立叶变换，在系统有效 频率范围内选取其中两个频率，得到两个位相图像灼知約。例如在有效频率范围内选取频率h = 0.9THz和y2 = l.lTHz,即对应两个分 立波长\ ！ = 0.33mm和X 2 = 0.27mm。提取对应于X 和X 2的位相图像夠知朽。3、将两幅位相图像相减得到位相图像約2=钓-朽并在礼<0处补2 Ji，这样会 产生一幅新的位相图像夠2，它会在很大范围内不存在断点。图像的相减处理，可以将两幅 太赫兹单波长位相图中相同的背景噪声去除，大大提高了图像质量。由于多波长位相成像得到的位相图像经过线性拟合后为直线，故对双波长位相 图像相减是多波长拟合求导的一个特例，同样可以得到位相图像的斜率信息，从而得到 被测样品的轮廓信息。图3-6分别是金属垫圈的光学照片，金属垫圈的传统太赫兹图像，金属垫圈的 0.9THz和l.lTHz的双波长位相图像，以及金属垫圈的0.5THz_1.5THz多波长位相拟合图 像。图4中的金属垫圈的传统太赫兹图像是采用单一频率对金属垫圈成像得到的。
从图3-6中可以看出，对于本实施例中的金属垫圈，采用传统的单一频率成像 方法得到的图像不能精确反映金属垫圈的轮廓信息，存在2^1的断点，图像质量较差。 而采用本发明的位相成像方法，图像质量明显优于传统方法得到的图像质量，金属垫圈 的轮廓清晰而且精确，无需进行人工消除伪断点。本发明对两个或多个波长所对应的两个或多个频率的位相图像处理，重构出被 测样品的轮廓图像。从而克服单波长位相成像在光程差大于波长时出现伪断点的缺点， 同时去除背景噪声，提高图像质量，达到了有益的技术效果。以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权 利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本 发明的保护范围内。
权利要求
1.一种太赫兹多波长位相成像方法，其特征在于，包括如下步骤(1)对被成像样品进行二维光谱成像，得到所述被成像样品上每点的太赫兹时域光谱信号；(2)对所述被成像样品上各点的太赫兹时域光谱信号进行傅立叶变换，得到系统有效 频率范围内所述被成像样品上各点的位相谱；(3)选取有效频率范围内的一段频率的位相图像进行线性拟合，得到拟合直线；(4)求得所述拟合直线的斜率，所得斜率与被测样品的厚度成正比，从而可以重构出 被测样品的轮廓。
2.如权利要求1所述的太赫兹多波长位相成像方法，其特征在于，步骤(1)中的二维 光谱成像为透射式成像。
3.如权利要求1所述的太赫兹多波长位相成像方法，其特征在于，步骤(1)中的二维 光谱成像为反射式成像。
4.如权利要求1所述的太赫兹多波长位相成像方法，其特征在于，步骤(1)中的二维 光谱成像为二维焦平面成像。
5.如权利要求1所述的太赫兹多波长位相成像方法，其特征在于，步骤(1)中的二维 光谱成像为二维逐点扫描成像。
6.如权利要求1所述的太赫兹多波长位相成像方法，其特征在于，步骤(3)中选取的 一段频率为避开水蒸气吸收峰的一段频率。
7.如权利要求6所述的太赫兹多波长位相成像方法，其特征在于，所述的一段频率为 Ο.δΤΗζ 至Ij 1.5THz。
8.如权利要求1所述的太赫兹多波长位相成像方法，其特征在于，步骤(4)中得到拟 合直线斜率的方法为对所述拟合直线求导。
全文摘要
一种太赫兹多波长位相成像方法，包括如下步骤(1)对被成像样品进行二维光谱成像，得到所述被成像样品上每点的太赫兹时域光谱信号；(2)对所述被成像样品上各点的太赫兹时域光谱信号进行傅立叶变换，得到系统有效频率范围内所述被成像样品上各点的位相谱；(3)选取有效频率范围内的一段频率的位相图像进行线性拟合，得到拟合直线；(4)求得所述拟合直线的斜率，所得斜率与被测样品的厚度成正比，从而可以重构出被测样品的轮廓。
文档编号G01B11/24GK102012216SQ20101029193
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者张亮亮, 张存林, 张岩, 钟华 申请人:首都师范大学