一种基于同轴数字全息的连续太赫兹波衍射层析成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于同轴数字全息的连续太赫兹波衍射层析成像方法，包括完成同轴数字全息图的叠加平均预处理

【技术实现步骤摘要】
一种基于同轴数字全息的连续太赫兹波衍射层析成像方法


[0001]本专利技术涉及一种连续太赫兹波衍射层析成像的方法，特别涉及一种基于同轴数字全息的连续太赫兹波衍射层析成像的方法
。

技术介绍

[0002]太赫兹成像是太赫兹应用技术中的一个重要研究方向，其中常用的太赫兹二维成像方法只能获得样品的吸收系数或光程长度的积分值，难以满足对样品内部结构观测的需求
。
三维成像技术是获取样品内部信息的有效手段之一，自提出以来，已在微波
、
太赫兹波
、
红外和可见光等领域得到了验证
。
近年来，太赫兹层析三维成像方法受到了广泛的关注，如太赫兹飞行时间层析成像
、
太赫兹计算机层析成像
、
太赫兹衍射层析成像等
。
其中太赫兹飞行时间层析成像和太赫兹计算机层析成像都需要满足样品的衍射和散射效应可以忽略不计，否则它们的重建结果将变得严重模糊和扭曲
。
而太赫兹衍射层析成像是一种能够考虑衍射和散射效应的层析成像方法，它能够以无标记
、
非破坏
、
非接触的方式同时获得样品的三维吸收系数和折射率分布
。

技术实现思路

[0003]一种基于同轴数字全息的连续太赫兹波衍射层析成像方法，其成像系统光路装置包括
CO2泵浦太赫兹激光器1，第一镀金离轴抛面镜
2(
焦距为
25.4mm)
，第二镀金离轴抛面镜
3(
焦距为
76.2mm)
，电动旋转台4，被测样品5，热释电探测器
6。CO2泵浦太赫兹激光器1用于输出连续太赫兹波，其中心频率为
2.52THz
，波长为
118.83
μ
m
，最大输出功率约为
500mW
；第一镀金离轴抛面镜
2(
焦距为
25.4mm)
和第二镀金离轴抛面镜
3(
焦距为
76.2mm)
组成一个扩束单元，可将
CO2泵浦太赫兹激光器1输出的太赫兹波光斑直径扩大3倍；扩束后的太赫兹波传播到被测样品5上，被测样品5放置在电动旋转台4上，通过控制电动旋转台4，被测样品在不同旋转角度下的透射光场传播到热释电探测器6，通过热释电探测器6可以记录样品在不同旋转角度下的同轴数字全息图
H
j
(x,y
；
θ
)。
[0004]1、
一种基于同轴数字全息的连续太赫兹波衍射层析成像系统，其特征在于：包括
CO2泵浦太赫兹激光器
、
第一镀金离轴抛面镜
、
第二镀金离轴抛面镜
、
电动旋转台
、
被测样品和热释电探测器；
CO2泵浦太赫兹激光器用于输出连续太赫兹波；第一镀金离轴抛面镜和第二镀金离轴抛面镜组成一个扩束单元，将
CO2泵浦太赫兹激光器输出的太赫兹波光斑直径扩大，其传播方向平行；扩束后的太赫兹波传播到被测样品上，被测样品放置在电动旋转台上，通过控制电动旋转台，被测样品在不同旋转角度下的透射光波传播到热释电探测器，通过热释电探测器可以记录下样品的同轴数字全息图
。
[0005]一种基于同轴数字全息的连续太赫兹波衍射层析成像方法，包括同轴数字全息图的记录和同轴数字全息图的归一化处理过程，在全息图记录时，需要分别采集
M
帧有样品和去除样品后的全息图进行叠加平均处理：
[0006][0007][0008]H
norm
(x,y
；
θ
)
＝
H(x,y
；
θ
)/H0(x,y
；
θ
)
[0009]其中，
(x,y)
是记录面的空间坐标，
θ
是样品的旋转角度，和是叠加平均处理后的样品全息图和背景光，和分别是记录的第
m
帧样品全息图和背景光，
M
是记录全息图的数量，是归一化处理后的样品全息图
。
[0010]一种基于同轴数字全息的连续太赫兹波衍射层析成像方法，包括同轴数字全息的重建算法；当利用角谱传播方法对归一化后的全息图进行再现时，再现像中会存在孪生像的干扰，导致再现像的质量较差，通过一个基于物理增强的神经网相位复原算法，可以得到无孪生像干扰且质量较高的再现像；
[0011]在物理增强的神经网相位复原算法中，将归一化处理后的同轴数字全息图作为神经网络的输入，神经网络的输出假设为样品无孪生像的复振幅分布
[0012][0013]其中，
(x0,y0)
是物平面的空间坐标，是物平面的复振幅分布，
f
表示定义的神经网络，
w
是神经网络的权重参数，
z
是沿光轴方向的空间坐标；
[0014]利用神经网络模型可以获得样品位于物平面上的复振幅分布，然后采用角谱传播方法将其传播到记录平面，得到记录面上的复振幅分布，可以表示为：
[0015][0016]其中
[0017][0018]F
‑1和
F
表示傅里叶变换和傅里叶逆变换，
U
z
＝
d
(x,y
；
θ
)
记录面上的复振幅分布，
G
z
＝
d
(f
x
,f
y
)
表示传递函数，
(f
x
,f
y
)
是记录面上的空间频谱坐标，
λ
为波长，
k0＝2π
/
λ
是波数，
d
是样品到记录面的距离；
[0019]利用记录面上的复振幅分布，记录面上的估计全息图的强度分布可表示为：
[0020][0021]其中，是记录面的全息图的强度分布；
[0022]利用记录面上实际测量的归一化的全息图强度分布和计算得到的估计全息图强度分布，物理增强的神经网络方法的损失函数可以用下式表述：
[0023][0024]其中，
L(x,y
；
θ
)
是损失函数，
argmin||
·
||
表示求解最小化操作；
[0025]当物理增强的神经网络方法的权重参数
w
优化完成后，样品无孪生像的振幅和相位可表示为：
[0026][0027]和
[0028][0029]其中，和分别是物平面的振幅和相位分布，
abs{
·
}
是取振幅操作，
angle{
·
}...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于同轴数字全息的连续太赫兹波衍射层析成像系统，其特征在于：包括
CO2泵浦太赫兹激光器
、
第一镀金离轴抛面镜
、
第二镀金离轴抛面镜
、
电动旋转台
、
被测样品和热释电探测器；
CO2泵浦太赫兹激光器用于输出连续太赫兹波；第一镀金离轴抛面镜和第二镀金离轴抛面镜组成一个扩束单元，将
CO2泵浦太赫兹激光器输出的太赫兹波光斑直径扩大，其传播方向平行；扩束后的太赫兹波传播到被测样品上，被测样品放置在电动旋转台上，通过控制电动旋转台，被测样品在不同旋转角度下的透射光波传播到热释电探测器，通过热释电探测器可以记录下样品的同轴数字全息图
。2.
利用权利要求1所述的系统进行的一种基于同轴数字全息的连续太赫兹波衍射层析成像方法，其特征在于：包括同轴数字全息图的记录和同轴数字全息图的归一化处理过程，在全息图记录时，需要分别采集
M
帧有样品和去除样品后的全息图进行叠加平均处理：帧有样品和去除样品后的全息图进行叠加平均处理：帧有样品和去除样品后的全息图进行叠加平均处理：其中，
(x,y)
是记录面的空间坐标，
θ
是样品的旋转角度，和是叠加平均处理后的样品全息图和背景光，和分别是记录的第
m
帧样品全息图和背景光，
M
是记录全息图的数量，是归一化处理后的样品全息图
。3.
根据权利要求2所述的一种基于同轴数字全息的连续太赫兹波衍射层析成像方法，包括同轴数字全息的重建算法；当利用角谱传播方法对归一化后的全息图进行再现时，再现像中会存在孪生像的干扰，导致再现像的质量较差，通过一个基于物理增强的神经网相位复原算法，可以得到无孪生像干扰且质量较高的再现像；在物理增强的神经网相位复原算法中，将归一化处理后的同轴数字全息图作为神经网络的输入，神经网络的输出假设为样品无孪生像的复振幅分布其中，
(x0,y0)
是物平面的空间坐标，是物平面的复振幅分布，
f
表示定义的神经网络，
w
是神经网络的权重参数，
z
是沿光轴方向的空间坐标；利用神经网络模型可以获得样品位于物平面上的复振幅分布，然后采用角谱传播方法将其传播到记录平面，得到记录面上的复振幅分布，可以表示为：其中
F
‑1和
F
表示傅里叶变换和傅里叶逆变换，
U
z
＝
d
(x,y
；
θ
)
记录面上的复振幅分布，
G
z
＝
d
(f
x
,f
y
)
表示传递函数，
(f
x
,f
y
)
是记录面上的空间频谱坐标，
λ
为波长，
k0＝2π
/
λ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵洁，金晓宇，王大勇，戎路，王云新，林述锋，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：