一種多角度連續(xù)太赫茲波照明數(shù)字全息成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種數(shù)字全息提高分辨率的方法，特別是涉及一種多角度連續(xù)太赫茲 波照明數(shù)字全息成像的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 連續(xù)太赫茲波數(shù)字全息是傳統(tǒng)光學(xué)全息術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及熱釋電探測(cè)技術(shù)相結(jié)合 的產(chǎn)物，該技術(shù)利用面陣熱釋電探測(cè)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)全息術(shù)中的感光膠片等光敏介質(zhì)材 料，并由計(jì)算機(jī)模擬光學(xué)衍射過(guò)程實(shí)現(xiàn)被記錄物體的數(shù)值再現(xiàn)。但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受到熱 釋電探測(cè)器尺寸的影響，只有部分樣品的頻率信息被記錄下來(lái)，丟失掉很多重要的樣品信 息。多角度照明提高成像分辨率的方法是在不改變探測(cè)器尺寸、像素個(gè)數(shù)等系統(tǒng)元件參數(shù) 的情況下進(jìn)行的。通過(guò)改變太赫茲波照射到被測(cè)樣品上的入射角度從而探測(cè)器記錄得到被 測(cè)樣品不同頻譜物體信息，通過(guò)菲涅耳衍射傳播算法再現(xiàn)出攜帶不同頻譜信息的數(shù)字全息 再現(xiàn)像，再將不同頻譜信息的數(shù)字全息再現(xiàn)像進(jìn)行非相干疊加計(jì)算處理，即得到合成再現(xiàn) 像，合成的再現(xiàn)像不僅體現(xiàn)了物體的低頻信息而且還體現(xiàn)了高頻信息，從而該成像方法提 高了光學(xué)系統(tǒng)的成像分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] -種多角度連續(xù)太赫茲波照明數(shù)字全息成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)的光路裝置包括 C02栗浦太赫茲激光器1、第一鍍金離軸拋面鏡2、第二鍍金離軸拋面鏡3、硅片4、被測(cè)樣品5、 鍍金反射鏡6、熱釋電探測(cè)器7。0) 2栗浦太赫茲激光器1用于輸出連續(xù)太赫茲波，C02栗浦太赫 茲激光器1與第一鍍金離軸拋面鏡2相對(duì)應(yīng)，第一鍍金離軸拋面鏡2和第二鍍金離軸拋面鏡3 相對(duì)應(yīng)布置組成一個(gè)擴(kuò)束單元，可將C〇2栗浦太赫茲激光器1輸出的太赫茲波光斑直徑擴(kuò)大 三倍，其傳播方向平行;硅片4設(shè)置在第二鍍金離軸拋面鏡3反射光路上，硅片4作用在于將 擴(kuò)束后的太赫茲波分為反射波4a和透射波4b，反射波4a傳播到被測(cè)樣品5上，通過(guò)被測(cè)樣品 5反射將攜帶樣品信息的物光波5a反射到熱釋電探測(cè)器7,透射波4b被鍍金反射鏡6反射作 為參考光波6a傳播到熱釋電探測(cè)器7中并與物光波5a發(fā)生干涉，通過(guò)熱釋電探測(cè)器7記錄數(shù) 字全息圖Hi = (x，y)其中i表示采集全息圖的幅數(shù)。
[0004] 利用上述系統(tǒng)進(jìn)行的一種多角度連續(xù)太赫茲波照明數(shù)字全息成像方法，包括數(shù)字 全息圖的拍攝，利用傅里葉變換得到全息圖的頻譜，改變樣品的照明光拍攝多幅全息圖進(jìn) 而得到多幅全息圖的頻譜，將獲得的多幅全息圖的頻譜疊加，進(jìn)行傅里葉逆變換得到合成 全息圖，再利用角譜再現(xiàn)算法進(jìn)行物光場(chǎng)再現(xiàn)，最終得到合成數(shù)字全息再現(xiàn)像。
[0005] -種多角度連續(xù)太赫茲波照明數(shù)字全息成像方法，其提高成像分辨率的過(guò)程分為 三個(gè)步驟：
[0006] 1)硅片4反射的太赫茲波4a通過(guò)被測(cè)樣品5反射成為攜帶物信息的太赫茲波5a傳 播到熱釋電探測(cè)器7平面，與鍍金反射鏡6反射的參考光6a發(fā)生相干并產(chǎn)生數(shù)字全息圖出 (x，y)。利用熱釋電探測(cè)器7記錄數(shù)字全息圖出(1， 7)。記錄數(shù)字全息圖過(guò)程中，由于熱釋電 探測(cè)器7尺寸大小的限制，只采集得到部分?jǐn)?shù)字全息圖信息。
[0007] 2)通過(guò)改變裝置中的硅片4的角度，進(jìn)而改變物光波5a的照明角度，將改變方向后 的物光波5a傳播至熱釋電探測(cè)器7的記錄面與參考光6a相干疊加產(chǎn)生數(shù)字全息圖?Μχ,γ)。 通過(guò)改變硅片4的角度進(jìn)而獲得不同照射角度下的攜帶物體信息的數(shù)字全息圖HK^y)。
[0008] 3)菲涅耳離軸數(shù)字全息成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)實(shí)際上是由熱釋電探測(cè)器7孔徑所 決定的夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣。而再現(xiàn)像的頻譜是發(fā)生了頻移的物光頻譜與有限寬度矩形函數(shù) 的乘積。其中頻移量由照明太赫茲波的入射角決定，矩形函數(shù)的寬度由熱釋電探測(cè)器7光敏 面尺寸決定。因此，基于上述多幅數(shù)字全息圖，分別進(jìn)行傅里葉變換，進(jìn)而得到不同頻域范 圍全息圖的頻譜，再將多幅全息圖的頻譜疊加得到合成全息圖的頻譜，對(duì)合成的全息圖頻 譜進(jìn)行逆傅里葉變換得到合成全息圖，再利用角譜再現(xiàn)算法對(duì)合成全息圖進(jìn)行再現(xiàn)，從而 得到合成再現(xiàn)像，這種方法可以使太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)能夠獲取更多的物光頻率信 息，結(jié)果是該裝置成像分辨率提高。
[0009] 本發(fā)明的典型實(shí)施例的試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)多角度照明物體提高分辨率的方法能 夠有效地提高成像裝置的分辨率。隨著記錄數(shù)字全息圖的增加，成像系統(tǒng)得到的樣品頻譜 信息也越來(lái)越多，結(jié)果是成像系統(tǒng)分辨率大大提高。
[0010] 有益效果
[0011] -種基于太赫茲波多角度照明提高數(shù)字全息成像分辨率的方法，通過(guò)改變太赫茲 波照射到被測(cè)樣品5上的角度并記錄多幅數(shù)字全息圖，通過(guò)傅里葉變換得到每幅全息圖的 頻譜，將多幅全息圖的頻譜非相干疊加合成一幅包含更多被測(cè)樣品5頻率信息的合成頻譜 圖。對(duì)合成頻譜圖進(jìn)行傅里葉逆變換得到合成全息圖，從而得到包含更多樣品5頻譜信息的 再現(xiàn)像。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是一種基于太赫茲波多角度照明提高數(shù)字全息成像分辨率方法的系統(tǒng)光路。
[0013] 圖中：1、C02栗浦太赫茲激光器，2、第一鍍金離軸拋面鏡，3、第二鍍金離軸拋面鏡， 4、硅片，5、被測(cè)樣品，6、鍍金反射鏡，7、熱釋電探測(cè)器。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面參照附圖樣式詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的典型實(shí)施例及其特征。
[0015] -種多角度連續(xù)太赫茲波照明數(shù)字全息成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光路包括C02栗浦太 赫茲激光器1，第一鍍金離軸拋面鏡2(焦距為25.4mm)，第二鍍金離軸拋面鏡3(焦距為 76.2mm)，硅片4,被測(cè)樣品5,鍍金反射鏡6,熱釋電探測(cè)器7,如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中的太赫茲激 光器C0 2栗浦太赫茲激光器1，頻率為2.52THz(對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)為118.83μπι)，其可產(chǎn)生平均功 率為150mW的連續(xù)太赫茲波，熱釋電探測(cè)器7的像素個(gè)數(shù)為320X320像素，像素尺寸為80μπι X 80μπι，采樣頻率為48Hz。
[0016] 成像試驗(yàn)的被測(cè)樣品5為硬幣，熱釋電探測(cè)器探7測(cè)得到的全息圖尺寸為320X320 像素，共采集8幅全息圖，分別再現(xiàn)后進(jìn)行疊加。
[0017] 首先參照發(fā)明的內(nèi)容，完成全息圖的拍攝：
[0018] -種多角度連續(xù)太赫茲波照明數(shù)字全息成像方法，其提高分辨率的過(guò)程分為三個(gè) 步驟：
[0019] 1)硅片4反射的太赫茲波4a通過(guò)被測(cè)樣品5反射成為攜帶物信息的太赫茲波5a傳 播到熱釋電探測(cè)器7平面，與參考光波6a相干疊加產(chǎn)生全息圖?Μχ,γ)，其中i表示采集的幅 數(shù)。利用熱釋電探測(cè)器7獲取并記錄數(shù)字全息圖出(1， 7)。在這個(gè)過(guò)程中，僅處在熱釋電探測(cè) 器7光敏面內(nèi)的干涉圖樣能夠被記錄。若將太赫茲離軸數(shù)字全息成像系統(tǒng)看成一個(gè)相干成 像系統(tǒng)，那么僅有部分物光頻譜信息能夠通過(guò)這一衍射受限成像系統(tǒng)，記錄到的全息圖僅 包含了有限頻率范圍的物光頻譜。被測(cè)樣品5為不透明物體，照明太赫茲波為一傾斜入射的 平面光波，將被測(cè)樣品5所在的平面記為( XQ，yQ)面，CCD所在平面(x，y)面為記錄面，則被測(cè) 樣品5反射光場(chǎng)5a的復(fù)振幅表不為：
[0020] Ui(xo,yo) =b(xo,yo)Ai( γ ?,ζ?)
[0021]其中，b(xo，yo)為表征物體表面反射特性的函數(shù)，Ai = Ao exp[-j2Ji( γ ixo+Giyo)]為 照明光波的復(fù)振幅，其中Ao為常數(shù)，y sin6?cos奶Z/i和=sin6>siri奶/λ分別為太赫 茲波在水平方向與豎直方向的空間頻率，9i和,分別是太赫茲波入射的極角和方位角，λ為 太赫茲波波長(zhǎng)。而參考光6a在記錄面(x，y)的復(fù)振幅可以表示為：
[0022] Ai(x,y)=Ao exp[-j23i( γ ιχ+ζ?γ)]
[0023] 被測(cè)樣品5反射的物光傳播至記錄面與參考光波6a發(fā)生相干產(chǎn)生全息圖Hdxj) 如下，由于受到熱釋電探測(cè)器7孔徑的影響，全息圖上只有一部分頻率信息被記錄下來(lái)，處 于記錄平面(x，y)的全息圖表示為：
[0025] 式中，rect表示矩形函數(shù)，L和W分別為熱釋電探測(cè)器光敏面的長(zhǎng)和寬。將記錄到的 全息圖Hi (X，y)進(jìn)行傅里葉變換得到全息圖Hi (X，y)的頻譜Hi (fx，fy):
[0027]其中，}表示傅里葉變換，fx，fy表示全息圖在x，y方向的空間頻率。
[0028] 2)通過(guò)改變硅片4的角度，進(jìn)而改變物光5a的照射角度，將改變方向后的物光5a傳 至記錄面(x，y)與參考光6a發(fā)生干涉產(chǎn)生全息圖表示照明的次數(shù)，即記錄全息圖