專利名稱：太赫茲脈沖快速成像的數據獲取方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用太赫茲時域脈沖對物質成像過程的快速圖像數據獲取方法。
背景技術：
太赫茲(Terahertz，簡稱THz)主要指頻率0. 1 IOTHz (波長0. 03mm 3mm)、位于微波與紅外線之間的電磁輻射波段。太赫茲波所處的波段十分特殊，不僅是宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，也是電子學向光子學的過渡區(qū)域，其產生和探測方法長期以來都是研究的重點方向。1984年，Grischkowsky首先利用光電導天線成功地產生了太赫茲波，為太赫茲相關技術的發(fā)展奠定了基礎；1995年，X. C. ^iang提出了自由空間電光采樣法，實現(xiàn)了太赫茲波的高信噪比探測；同年，Hu和Nuss首次利用太赫茲脈沖進行成像；1999 年，Leitenstorfer等利用光整流法產生了超過70THz的太赫茲波；2002年，Kono等利用光電導天線測得頻率高達60THz的太赫茲波；同年，太赫茲量子級聯(lián)激光器(THz-QCL)研制成功；2004年2月，美國《技術評論》期刊公布了未來影響世界的十大關鍵技術，太赫茲科學技術位列第五。由于太赫茲波具有非常獨特的性質，它在時域譜分析、物質成像、醫(yī)療診斷等方面具有重大的科學價值和廣泛的應用前景。太赫茲時域光譜系統(tǒng)(THz-TDS)，是目前最常見的太赫茲波產生和探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過時域光譜技術，可以獲得樣品的太赫茲波透射或反射時域脈沖數據，進而可以利用快速傅立葉變換得到相應的頻譜信息，系統(tǒng)結構如圖1所示。而以THz-TDS為基礎的太赫茲脈沖成像系統(tǒng)，其成像原理為在樣品不同位置依次測量時域太赫茲透射或反射脈沖波形，并利用太赫茲脈沖在樣品各處位置獲得的波形數據進行成像，如圖2所示。在太赫茲脈沖成像過程中，由于樣品不同位置的厚度、折射率以及對太赫茲波吸收程度的不同，造成太赫茲脈沖波形出現(xiàn)幅值與時域位置(相位)的差別。通常情況下，太赫茲脈沖成像利用的信息是主脈沖的幅值(A1、A》或相位(T1、T2)。然而，太赫茲時域脈沖探測通常需要利用光學延遲線的移動產生時間延遲，并在不同時間延遲下進行當前幅值的測量，隨后整合各個幅值，獲得時域波形，因此獲得整個脈沖波形需要的時間較長；而為了保證一定的成像分辨率，太赫茲脈沖成像所需成像像素點數通常較多，因而其整體耗時將十分巨大。通常，太赫茲脈沖成像需耗時數小時，甚至數十小時，嚴重限制了太赫茲脈沖成像技術的實用性。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在提供一種新的太赫茲脈沖快速成像的數據獲取方法，以解決現(xiàn)有太赫茲脈沖成像技術費時費力、數據處理量大等技術問題。本發(fā)明的技術方案如下太赫茲脈沖快速成像的數據獲取方法，包括以下步驟(1)選取成像樣品上任意一點作為參考樣品點，對該參考樣品點進行太赫茲脈沖時域范圍的全波形探測，從而得到該參考樣品點的透射或反射時域脈沖；
(2)對步驟(1)得到的時域脈沖數據進行即時分析，確定時域脈沖幅值的極大值和極小值對應的時間位置TA、Tb ；(3)通過匹配設置光學延遲線與成像樣品的位置，對成像樣品上每一樣品點在時間位置TA、Tb處進行數據采集，相應得到每一樣品點上的脈沖幅值I (s)A、I (S)b ；(4)利用步驟(3)得到的每一樣品點上的脈沖幅值I(S)A、I(S)b，計算各樣品點上的幅值差A(S) = I(s)A-I(s)B，進而得到成像樣品上的所有樣品點對應的圖像灰度值，最終生成成像樣品的灰度圖或偽彩圖。上述步驟(3)具體可以是設置光學延遲線定位于時間位置Ta，移動成像樣品，使成像樣品上的每一樣品點依次定位于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的樣品數據采集點，得到成像樣品所有樣品點在時間位置 Ta處的太赫茲脈沖幅值I (S)a;再設置光學延遲線定位于時間位置TB，移動成像樣品，使成像樣品上的每一樣品點依次定位于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的樣品數據采集點，得到成像樣品所有樣品點在時間位置Tb處的太赫茲脈沖幅值I (s)B。上述步驟(3)具體也可以是對成像樣品的一個樣品點，依次設置光學延遲線定位于時間位置Ta和TB，得到成像樣品在該樣品點上的脈沖幅值I (S)A、I (S)b ；然后，移動成像樣品，對下一樣品點，依次設置光學延遲線定位于時間位置Ta和 TB，得到成像樣品在該樣品點上的脈沖幅值I (s)A、I (S)b ；如此，直到得到所有樣品點上的脈沖幅值I (s)A、I (s)B。上述步驟(4)具體包括以下步驟(4. 1)計算幅值差 A (s) = I (s) A-I (s) B ；(4.2)對所有的A(S)進行排列比較，得到其中的最大值Amax和最小值Amin ；設定 Amin對應灰度值為0，Amax對應灰度值255，則樣品點s對應的圖像灰度值為Gray(s)= 255* [A (s)-AmJ/Amax ；(4. 3)計算得出成像樣品上的所有樣品點對應的圖像灰度值，最終生成成像樣品的灰度圖或偽彩圖。利用本發(fā)明，可以極大地縮短太赫茲脈沖成像的時間，為太赫茲脈沖成像技術在實際應用的推廣創(chuàng)造了可行性。在普通的太赫茲脈沖成像方法中，假設在每一個成像點的探測過程中，光學延遲線移動時間為Ttj，在需要總像素數為η的成像過程中，樣品點處每兩個像素點間切換時間為Ts，則成像過程需要的時間nT。+(n-l)Ts。而依據本發(fā)明的實施方案，由于只需要獲取像素點(除參考樣品點以外)兩個不同時間位置(TA、TB)的太赫茲脈沖幅值，而光學延遲線在這兩個位置間移動的時間為t (通常情況下t約為Ttj的二十分之一， 甚至更短)，因此總的時間為1^2(11-1)1^+!! +^ m為樣品從參考樣品點移動至掃描開始位置所需經過的像素數(0彡m彡η"2)，節(jié)省時間為(n-1) (T0-Ts)-(mTs+t)。通常情況下， Ttj >> Ts，所以在成像像素數η越大時，本發(fā)明節(jié)省的時間越多。


圖1為太赫茲時域光譜系統(tǒng)結構圖2為太赫茲脈沖成像的基本原理；圖3為本發(fā)明太赫茲脈沖快速成像法的原理；圖4為本發(fā)明的快速成像法與常規(guī)方法對葉片成像結果的對比。
具體實施例方式本發(fā)明提出了一種旨在通過盡量減少光學延遲線的移動、且對待測的成像數據進行選擇性獲取的方法。由于該方法舍棄了大量對成像最終結果無關的其它信息數據的采集，從而大幅提高了太赫茲脈沖成像數據獲取的速度。在本發(fā)明中，首先需在成像樣品上任意選擇一處為待測位置(記為參考樣品點 S)，進行太赫茲脈沖時域范圍的全波形探測，從而得到該參考樣品點的透射或反射時域脈沖，如圖3P0siti0nl線所示。隨后，通過對該脈沖數據進行即時分析，尋找出該時域脈沖幅值的極大值和極小值，并記錄極大值和極小值對應的時間位置TA、TB。若樣品不同位置之間的構成有差別，則對應點的太赫茲透射或反射脈沖會有不同的時間延遲和幅值衰減，即在時間位置TA、Tb處，不同樣品點的透射或反射脈沖幅值將有所差別(如圖3P0siti0n2線所示)。本發(fā)明利用此處的差別值，實現(xiàn)對樣品的太赫茲成像。為了獲得該差別值，光學延遲線的位置僅需要在TA、Tb兩點處移動即可，因此在整個成像過程中，光學延遲線的移動距離極大地減少，從而使整體成像時間相應減少。在已有太赫茲時域光譜及脈沖成像系統(tǒng)的基礎上，本發(fā)明采用以下方案進行樣品數據采集，即可實現(xiàn)太赫茲脈沖成像的快速化。方案一步驟一，首先對樣品上的任意一點進行太赫茲脈沖透過或反射測量，得到相應的太赫茲時域脈沖。確定該脈沖的極大值和極小值對應的時間位置Ta和TB，如圖3P0siti0nl 線所示。步驟二，設置光學延遲線定位于時間位置Ta，移動待測樣品，使待測樣品上的每一點依次定位于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的樣品數據采集點，得到待測樣品所有點在時間位置Ta 處的太赫茲脈沖幅值I (s) A。步驟三，設置光學延遲線定位于時間位置TB，移動待測樣品，與步驟二類似，得到待測樣品所有點在時間位置Tb處的脈沖幅值I (s)B。步驟四，計算幅值差A(s) = I (S)a-I (s)B。然后對所有的A(s)進行排列比較，得到其中的最大值Amax和最小值々_。設定Amin對應灰度值為0，Amax對應灰度值255，A (s)對應的灰度值計算方法為Gray(s) = 255*[A(s)-Amin]/Amax。得到待測樣品上的所有點對應的圖像灰度值后，即可生成樣品的灰度圖，進而利用A (s)也可以生成偽彩圖。方案二步驟一，與方案一的步驟一相同，得到樣品上任意一點的太赫茲時域脈沖，確定該脈沖的極大值和極小值對應的時間位置Ta和TB。步驟二，對待測樣品的每一點S，依次設置光學延遲線定位于時間位置Ta和TB，得到待測樣品在該點上的脈沖幅值I (s)A、I (s)B。步驟三，移動待測樣品至下一點，重復步驟二，直到所有樣品點都得到測量。步驟四，與方案一的步驟四相同。
圖4為采用本方法實現(xiàn)太赫茲波透過葉片成像的結果，成像分辨率為25X25，其中參考樣品點S1、S2、S3均為隨機選擇。對比結果可以發(fā)現(xiàn)，使用本方法的成像效果與常規(guī)方法近似，在成像質量上還有一定程度的提高；而且，采用不同參考樣品點的成像結果，其最終成像效果差別不大。
權利要求
1.太赫茲脈沖快速成像的數據獲取方法，包括以下步驟(1)選取成像樣品上任意一點作為參考樣品點，對該參考樣品點進行太赫茲脈沖時域范圍的全波形探測，從而得到該參考樣品點的透射或反射時域脈沖；(2)對步驟(1)得到的時域脈沖數據進行即時分析，確定時域脈沖幅值的極大值和極小值對應的時間位置TA、TB;(3)通過匹配設置光學延遲線與成像樣品的位置，對成像樣品上每一樣品點在時間位置TA、Tb處進行數據采集，相應得到每一樣品點上的脈沖幅值I (s)A、I (S)b ；(4)利用步驟(3)得到的每一樣品點上的脈沖幅值I(s)A、I(s)B，計算各樣品點上的幅值差A(S) = I(s)A-I(s)B，進而得到成像樣品上的所有樣品點對應的圖像灰度值，最終生成成像樣品的灰度圖或偽彩圖。
2.根據權利要求1所述的太赫茲脈沖快速成像的數據獲取方法，其特征在于，步驟(3)是設置光學延遲線定位于時間位置TA，移動成像樣品，使成像樣品上的每一樣品點依次定位于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的樣品數據采集點，得到成像樣品所有樣品點在時間位置Ta處的太赫茲脈沖幅值I (s)A;再設置光學延遲線定位于時間位置TB，移動成像樣品，使成像樣品上的每一樣品點依次定位于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的樣品數據采集點，得到成像樣品所有樣品點在時間位置Tb 處的太赫茲脈沖幅值I (s)B。
3.根據權利要求1所述的太赫茲脈沖快速成像的數據獲取方法，其特征在于，步驟(3)是對成像樣品的一個樣品點，依次設置光學延遲線定位于時間位置Ta和TB，得到成像樣品在該樣品點上的脈沖幅值I (s)A、I (S)b ；然后，移動成像樣品，對下一樣品點，依次設置光學延遲線定位于時間位置1\和Tb，得到成像樣品在該樣品點上的脈沖幅值I (s)A、I (S)b ；如此，直到得到所有樣品點上的脈沖幅值I (s)A、I (s)B。
4.根據權利要求1至3任一所述的太赫茲脈沖快速成像的數據獲取方法，其特征在于， 步驟(4)具體包括以下步驟(4. 1)計算幅值差 A (s) =I(S)A-I(S)B;(4. 2)對所有的A (s)進行排列比較，得到其中的最大值Amax和最小值Amin ；設定 Amin對應灰度值為0，Amax對應灰度值255，則樣品點s對應的圖像灰度值為Gray(s)= 255* [A (s)-AmJ/Amax ；(4. 3)計算得出成像樣品上的所有樣品點對應的圖像灰度值，最終生成成像樣品的灰度圖或偽彩圖。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新的太赫茲脈沖快速成像的數據獲取方法，以解決現(xiàn)有太赫茲脈沖成像技術費時費力、數據處理量大等技術問題。本發(fā)明通過盡量減少光學延遲線的移動、且對待測的成像數據在最大幅值和最小幅值處進行選擇性獲取。由于該方法舍棄了大量對成像最終結果無關的其它信息數據的采集，從而大幅提高了太赫茲脈沖成像數據獲取的速度。
文檔編號G01N21/47GK102297848SQ20111012614
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權日2011年5月16日
發(fā)明者梁玉慶, 范文慧, 薛冰 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所