單像素太赫茲全息成像裝置和方法
【專(zhuān)利摘要】一種單像素太赫茲全息成像裝置和方法，太赫茲激光源發(fā)射的單色太赫茲光由擴(kuò)束裝置轉(zhuǎn)化為束寬更寬的平行光后，經(jīng)一分束鏡分為物光和參考光，物光照射物體后被調(diào)制裝置在空域上進(jìn)行編碼，參考光經(jīng)平面鏡反射后穿過(guò)其光路上的可調(diào)移相器，物光經(jīng)平面鏡反射后與參考光在第二分束鏡處匯合，并由會(huì)聚透鏡會(huì)聚后進(jìn)入置于會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)處的單像素探測(cè)器，單像素探測(cè)器輸出的信號(hào)被送入控制模塊進(jìn)行圖像重構(gòu)；通過(guò)多次改變調(diào)制裝置上的空間編碼和可調(diào)移相器上的相位的組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的太赫茲全息壓縮感知成像。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)合移相數(shù)字全息術(shù)和壓縮感知原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的真三維成像，在太赫茲成像領(lǐng)域是一個(gè)開(kāi)拓性的發(fā)明。
【專(zhuān)利說(shuō)明】單像素太赫茲全息成像裝置和方法
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種單像素太赫茲全息成像裝置和方法，屬于太赫茲成像【技術(shù)領(lǐng)域】?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]太赫茲輻射可以穿透多種絕緣材料并且是一種非電離輻射，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體或物品的無(wú)損無(wú)害探測(cè)，這些優(yōu)點(diǎn)使得太赫茲成像技術(shù)有著多方面的應(yīng)用需求，例如安檢安防、化學(xué)品的鑒定、醫(yī)學(xué)成像、質(zhì)量控制等?，F(xiàn)有的太赫茲成像技術(shù)大多只具有二維的成像能力，通過(guò)對(duì)光子飛行時(shí)間的分析或斷層造影技術(shù)，太赫茲成像系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)不同斷面上成二維像的能力。但是這些成像技術(shù)中，采集到的信號(hào)往往僅包含在少數(shù)幾個(gè)斷面上的物品信息，而并不具有真正的完整的三維物體信息。一種不丟失信息的真三維太赫茲成像技術(shù)仍是太赫茲成像領(lǐng)域的一個(gè)難題。
[0003]在可見(jiàn)光波段，全息技術(shù)是一種被廣泛使用的真三維成像技術(shù)。單色光源發(fā)出的光被分束鏡分為物光和參考光，物光照射物體后和參考光發(fā)生干涉，干涉條紋被記錄在干涉板上。在干涉板所記錄的信息中，既包含了光場(chǎng)的幅值信息，也包含了光場(chǎng)的相位信息，通過(guò)這些信息，可以恢復(fù)出被探測(cè)物體的三維全貌。隨著數(shù)字全息術(shù)的發(fā)明(參見(jiàn)Ting-Chung Poon 的〈〈Digital Holography and Three-Dimensional Display!Principlesand Applications)), Springer, 2006),干涉板被探測(cè)器陣列取代，也可以通過(guò)單探測(cè)器對(duì)光場(chǎng)的掃描實(shí)現(xiàn)。探測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)的處理，轉(zhuǎn)化為物體的三維圖像并直接在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示。在可見(jiàn)光波段，數(shù)字全息術(shù)的信號(hào)探測(cè)往往由CCD這類(lèi)探測(cè)輻射強(qiáng)度的陣列探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而在太赫茲波段，探測(cè)器陣列的成本高昂，且陣元的探測(cè)性能遠(yuǎn)不及單個(gè)探測(cè)器的水平，如果采用單探測(cè)器機(jī)械掃描的方式，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速成像，因而太赫茲數(shù)字全息系統(tǒng)并不能直接采用可見(jiàn)光數(shù)字全息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。
[0004]近年來(lái),壓縮感知理論(Compressive Sensing)為單像素成像提供了新的解決思路。壓縮感知單像素成像的基本思想是利用圖像的稀疏特性，采用欠采樣的方式采集數(shù)據(jù)，而后通過(guò)重構(gòu)算法求解欠定線(xiàn)性方程組得到原始圖像。采用壓縮感知原理，探測(cè)器陣列可以被單探測(cè)器取代，系統(tǒng)中也不再需要機(jī)`械掃描的部件，而且由于壓縮感知成像時(shí)系統(tǒng)往往探測(cè)的是圖像上多個(gè)區(qū)域的信號(hào)的累積，其信噪比也得到大幅度提升。一些應(yīng)用壓縮感知的單像素成像技術(shù)方案已經(jīng)被提出，如已有專(zhuān)利:一種光場(chǎng)采樣及重構(gòu)方法與裝置，公開(kāi)(公告)號(hào):CN102306291A。然而如何通過(guò)壓縮感知原理和全息原理在太赫茲波段的結(jié)合實(shí)現(xiàn)具有快速成像能力和高信噪比的單像素太赫茲全息裝置，仍然是一個(gè)待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為實(shí)現(xiàn)具有快速成像能力和高信噪比的太赫茲全息成像，本發(fā)明提出一種單像素太赫茲全息成像裝置和方法。
[0006]本發(fā)明的思想在于:利用數(shù)字全息術(shù)中的一種一移相數(shù)字全息術(shù)，將其與壓縮感知原理結(jié)合，使得系統(tǒng)僅需單個(gè)太赫茲強(qiáng)度探測(cè)器即可完成太赫茲全息成像，成像過(guò)程無(wú)需機(jī)械掃描，而是通過(guò)更換空間調(diào)制模板和可調(diào)移相器的相位改變值實(shí)現(xiàn)。
[0007]本發(fā)明的單像素太赫茲全息成像裝置和方法是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種單像素太赫茲全息成像裝置，包括太赫茲激光源、擴(kuò)束裝置、第一分束鏡、調(diào)制裝置、可調(diào)移相器、物光平面鏡、參考光平面鏡、第二分束鏡、會(huì)聚透鏡、單像素探測(cè)器和控制模塊；太赫茲激光源發(fā)射的單色太赫茲光由擴(kuò)束裝置轉(zhuǎn)化為束寬更寬的平行光后，經(jīng)第一分束鏡分為物光和參考光，其中物光照射物體后被調(diào)制裝置在空域上進(jìn)行編碼，參考光則經(jīng)參考光平面鏡反射后穿過(guò)其光路上所置有的可調(diào)移相器，物光經(jīng)物光平面鏡反射后與參考光在第二分束鏡處匯合，并由會(huì)聚透鏡會(huì)聚后進(jìn)入置于會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)處的單像素探測(cè)器，單像素探測(cè)器輸出的信號(hào)被送入控制模塊進(jìn)行圖像重構(gòu)。
[0009]優(yōu)選的，所述控制模塊的控制信號(hào)輸出端口連接調(diào)制裝置和可調(diào)移相器的控制信號(hào)輸入端口。
[0010]優(yōu)選的，所述單像素探測(cè)器與控制模塊的信號(hào)輸入端口相連。
[0011]優(yōu)選的，所述調(diào)制裝置包括太赫茲空間光調(diào)制模板和換?？刂蒲b置；所述太赫茲空間光調(diào)制模板可在光路的截面上進(jìn)行可變的空間編碼，每個(gè)編碼單元對(duì)應(yīng)于圖像上的一個(gè)像素，每個(gè)單元均可被置于O或I態(tài)，即低透過(guò)(不透過(guò))狀態(tài)或高透過(guò)狀態(tài)；所述換模控制裝置根據(jù)控制模塊的指令控制編碼序列的轉(zhuǎn)換。
[0012]優(yōu)選的，所述可調(diào)移相器的作用是根據(jù)控制模塊的指令，將透射過(guò)該器件的太赫茲光的相位可調(diào)地改變?chǔ)谢颚?/2或O (不改變)。
[0013]優(yōu)選的，所述單像素探測(cè)器是一種太赫茲強(qiáng)度探測(cè)器。
[0014]優(yōu)選的，所述控制模塊包括數(shù)據(jù)采集器、中央處理器、非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)和顯示屏；所述數(shù)據(jù)采集器用于將探測(cè)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理；所述中央處理器用于調(diào)制裝置和可調(diào)移相器的控制、數(shù)據(jù)處理和圖像重構(gòu)；所述非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)用于存儲(chǔ)成像所需的模板編碼序列庫(kù)和重構(gòu)程序；所述顯示屏用于顯示重構(gòu)圖像。
[0015]一種單像素太赫茲全息成像方法，其成像步驟如下:
[0016]步驟1:太赫茲激光源發(fā)射單色太赫茲光，經(jīng)擴(kuò)束裝置擴(kuò)束后被第一分束鏡分為物光和參考光；
[0017]步驟2:物光照射物體后入射到調(diào)制裝置，其中物光照射物體后被調(diào)制裝置在空域上進(jìn)行編碼，參考光經(jīng)參考光平面鏡反射后入射到可調(diào)移相器，物光經(jīng)物光平面鏡反射后，和參考光在第二分束鏡處匯合并由會(huì)聚透鏡會(huì)聚后進(jìn)入置于會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)處的單像素探測(cè)器；
[0018]步驟3:初始化調(diào)制裝置和可調(diào)移相器，使得太赫茲空間光調(diào)制模板所有單元均處于O態(tài)且可調(diào)移相器的相位改變?yōu)镺 ;
[0019]步驟4:單像素探測(cè)器采集信號(hào)并輸入控制模塊；
[0020]步驟5:改變可調(diào)移相器的相位改變值為/2，重復(fù)步驟4 ；
[0021]步驟6:改變可調(diào)移相器的相位改變值為π，重復(fù)步驟4 ；
[0022]步驟7:改變太赫茲空間光調(diào)制模板的編碼序列，重復(fù)步驟3-6，直至非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)中儲(chǔ)存的所有編碼序列均被使用過(guò)一次為止；
[0023]步驟8:由中央處理器進(jìn)行圖像重構(gòu)并在顯示屏上顯示圖像。
[0024]優(yōu)選的，所述步驟8中的圖像重構(gòu)方法是:[0025]步驟8.1:將模板編碼序列庫(kù)中的所有編碼按編號(hào)順序組成矩陣Φ，Φ的每一行即為一個(gè)編碼序列；
[0026]步驟8.2:將單像素探測(cè)器采集到的信號(hào)記為Ji(CR)，其中下標(biāo)i為太赫茲空間光調(diào)制模板的編碼序列在非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)中所存儲(chǔ)的編碼序列庫(kù)中的編號(hào)，i=0則表示所有單元均處于O態(tài)，φ表示可調(diào)移相器的相位改變值
【權(quán)利要求】
1.一種單像素太赫茲全息成像裝置，其特征在于:包括太赫茲激光源、擴(kuò)束裝置、第一分束鏡、調(diào)制裝置、可調(diào)移相器、物光平面鏡、參考光平面鏡、第二分束鏡、會(huì)聚透鏡、單像素探測(cè)器和控制模塊；太赫茲激光源發(fā)射的單色太赫茲光由擴(kuò)束裝置轉(zhuǎn)化為束寬更寬的平行光后，經(jīng)第一分束鏡分為物光和參考光，其中物光照射物體后被調(diào)制裝置在空域上進(jìn)行編碼，參考光則經(jīng)參考光平面鏡反射后穿過(guò)其光路上所置有的可調(diào)移相器，物光經(jīng)物光平面鏡反射后與參考光在第二分束鏡處匯合，并由會(huì)聚透鏡會(huì)聚后進(jìn)入置于會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)處的單像素探測(cè)器，單像素探測(cè)器輸出的信號(hào)被送入控制模塊進(jìn)行圖像重構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單像素太赫茲全息成像裝置，其特征在于:所述控制模塊的控制信號(hào)輸出端口連接調(diào)制裝置和可調(diào)移相器的控制信號(hào)輸入端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單像素太赫茲全息成像裝置，其特征在于:所述調(diào)制裝置包括太赫茲空間光調(diào)制模板和換?？刂蒲b置；所述太赫茲空間光調(diào)制模板在光路的截面上進(jìn)行可變的空間編碼，每個(gè)編碼單元對(duì)應(yīng)于圖像上的一個(gè)像素，每個(gè)單元均可被置于O或I態(tài)，即低透過(guò)或不透過(guò)狀態(tài)或高透過(guò)狀態(tài)；所述換?？刂蒲b置根據(jù)控制模塊的指令控制編碼序列的轉(zhuǎn)換。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單像素太赫茲全息成像裝置，其特征在于:所述太赫茲空間光調(diào)制模板是一塊條形柔性PCB模板，其表面鍍有銅格子花紋，其中鍍有銅的格子處無(wú)法透過(guò)太赫茲輻射，對(duì)應(yīng)于編碼中的O態(tài)，未鍍銅的格子處能夠透過(guò)太赫茲輻射，對(duì)應(yīng)于編碼中的I態(tài)，換?？刂蒲b置包括主動(dòng)軸、從動(dòng)軸和伺服電機(jī)，柔性PCB模板首尾相連形成矩形纏繞在主動(dòng)軸和從動(dòng)軸上，伺服電機(jī)根據(jù)控制模塊發(fā)送的指令驅(qū)動(dòng)主動(dòng)軸，從而轉(zhuǎn)PCB模板，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制編碼的更換，所述物光平面鏡放置于柔性PCB模板所圍成的矩形的中央。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單像素太赫茲全息成像裝置，其特征在于:所述可調(diào)移相器根據(jù)控制模塊的指令，將透射過(guò)該器件的太赫茲光的相位可調(diào)地改變?chǔ)谢颚?2或O。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單像素太赫茲全息成像裝置，其特征在于:所述可調(diào)移相器由兩塊厚度不等的圓形聚四氟乙烯片、支架和伺服電機(jī)組成，兩塊聚四氟乙烯片中的一塊使得透過(guò)的太赫茲光相位移動(dòng)η，另一塊移動(dòng)η/2，支架由一塊圓形塑料片構(gòu)成，其上有三個(gè)等角度分布的圓形固定座，其中兩個(gè)用于固定聚四氟乙烯片，另一個(gè)留空，用于相位改變?yōu)镺的狀態(tài)，伺服電機(jī)在控制模塊的指令下，驅(qū)動(dòng)支架旋轉(zhuǎn)，使得不同的固定座對(duì)準(zhǔn)光路，實(shí)現(xiàn)相位移動(dòng)的改變。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單像素太赫茲全息成像裝置，其特征在于:所述單像素探測(cè)器是一種太赫茲強(qiáng)度探測(cè)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單像素太赫茲全息成像裝置，其特征在于:所述控制模塊包括數(shù)據(jù)采集器、中央處理器、非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)和顯示屏；所述數(shù)據(jù)采集器用于將探測(cè)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理；所述中央處理器用于調(diào)制裝置和可調(diào)移相器的控制、數(shù)據(jù)處理和圖像重構(gòu)；所述非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)用于存儲(chǔ)成像所需的模板編碼序列庫(kù)和重構(gòu)程序；所述顯示屏用于顯示重構(gòu)圖像。
9.一種單像素太赫茲全息成像方法，其特征在于:成像步驟如下: 步驟1:太赫茲激光源發(fā)射單色太赫茲光，經(jīng)擴(kuò)束裝置擴(kuò)束后被第一分束鏡分為物光和參考光； 步驟2:物光照射物體后入射到調(diào)制裝 置，其中物光照射物體后被調(diào)制裝置在空域上進(jìn)行編碼，參考光經(jīng)參考光平面鏡反射后入射到可調(diào)移相器，物光經(jīng)物光平面鏡反射后，和參考光在第二分束鏡處匯合并由會(huì)聚透鏡會(huì)聚后進(jìn)入置于會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)處的單像素探測(cè)器； 步驟3:初始化調(diào)制裝置和可調(diào)移相器，使得太赫茲空間光調(diào)制模板所有單元均處于O態(tài)且可調(diào)移相器的相位改變?yōu)镺 ; 步驟4:單像素探測(cè)器采集信號(hào)并輸入控制模塊； 步驟5:改變可調(diào)移相器的相位改變值為π /2，重復(fù)步驟4 ； 步驟6:改變可調(diào)移相器的相位改變值為π，重復(fù)步驟4 ； 步驟7:改變太赫茲空間光調(diào)制模板的編碼序列，重復(fù)步驟3-6，直至非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)中儲(chǔ)存的所有編碼序列均被使用過(guò)一次為止； 步驟8:由中央處理器進(jìn)行圖像重構(gòu)并在顯示屏上顯示圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的單像素太赫茲全息成像方法，其特征在于:所述步驟8中的圖像重構(gòu)方法是: 步驟8.1:將模板編碼序列庫(kù)中的所有編碼按編號(hào)順序組成矩陣Φ，Φ的每一行即為一個(gè)編碼序列； 步驟8.2:將單像素探測(cè)器采集到的信號(hào)記為Ji (j)，其中下標(biāo)i為太赫茲空間光調(diào)制模板的編碼序列在非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)中所存儲(chǔ)的編碼序列庫(kù)中的編號(hào)，i=0則表示所有單元均處于O態(tài)，j表示可調(diào)移相器的相位改變值，j=0、η /2或π ;
步驟 8.3:生成信號(hào) Ii (j)，使得 Ii (j) =Ji (j)-JO (j) (i，，0)； 步驟8.4:根據(jù)j取不同值時(shí)的信號(hào)，生成列向量y，使得
【文檔編號(hào)】G01N21/17GK103822577SQ201410093162
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】涂昊, 武帥 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所