[发明专利]一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像方法

权利要求书

1.一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像系统，其特征在于：该成像系统的光路装置包括CO₂泵浦太赫兹激光器(1)、第一镀金离轴抛面镜(2)、第二镀金离轴抛面镜(3)、硅片(4)、被测样品(5)、镀金反射镜(6)、热释电探测器(7)；CO₂泵浦太赫兹激光器(1)用于输出连续太赫兹波，CO₂泵浦太赫兹激光器(1)与第一镀金离轴抛面镜(2)相对应，第一镀金离轴抛面镜(2)和第二镀金离轴抛面镜(3)相对应布置组成一个扩束单元，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三倍，其传播方向平行；硅片(4)设置在第二镀金离轴抛面镜(3)反射光路上，硅片(4)作用在于将扩束后的太赫兹波分为反射波(4a)和透射波(4b)，反射波(4a)传播到被测样品(5)上，通过被测样品(5)反射将携带样品信息的物光波(5a)反射到热释电探测器(7)，透射波(4b)被镀金反射镜(6)反射作为参考光波(6a)传播到热释电探测器(7)中并与物光波(5a)发生干涉，通过热释电探测器(7)记录数字全息图H_i＝(x,y)，其中i表示采集全息图的幅数。

2.利用权利要求1所述成像系统进行的一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像方法，其特征在于：该方法包括数字全息图的拍摄，利用傅里叶变换得到全息图的频谱，改变样品的照明光拍摄多幅全息图进而得到多幅全息图的频谱，将获得的多幅全息图的频谱叠加，进行傅里叶逆变换得到合成全息图，再利用角谱再现算法进行物光场再现，最终得到合成数字全息再现像；

其提高成像分辨率的过程分为三个步骤：

1)硅片(4)反射的太赫兹波(4a)通过被测样品(5)反射成为携带物信息的太赫兹波(5a)传播到热释电探测器(7)平面，与镀金反射镜(6)反射的参考光(6a)发生相干并产生数字全息图H_i(x,y)；利用热释电探测器(7)记录数字全息图H_i(x,y)；记录数字全息图过程中，由于热释电探测器(7)尺寸大小的限制，只采集得到部分数字全息图信息；

2)通过改变装置中的硅片(4)的角度，进而改变物光波(5a)的照明角度，将改变方向后的物光波(5a)传播至热释电探测器(7)的记录面与参考光(6a)相干叠加产生数字全息图H_i(x,y)；通过改变硅片(4)的角度进而获得不同照射角度下的携带物体信息的数字全息图H_i(x,y)；

3)菲涅耳离轴数字全息成像系统的点扩散函数实际上是由热释电探测器(7)孔径所决定的夫琅禾费衍射图样；而再现像的频谱是发生了频移的物光频谱与有限宽度矩形函数的乘积；其中频移量由照明太赫兹波的入射角决定，矩形函数的宽度由热释电探测器(7)光敏面尺寸决定；因此，基于上述多幅数字全息图，分别进行傅里叶变换，进而得到不同频域范围全息图的频谱，再将多幅全息图的频谱叠加得到合成全息图的频谱，对合成的全息图频谱进行逆傅里叶变换得到合成全息图，再利用角谱再现算法对合成全息图进行再现，从而得到合成再现像，这种方法能够使太赫兹数字全息成像系统能够获取更多的物光频率信息，结果使该系统成像分辨率提高。

3.根据权利要求2所述的一种多角度连续太赫兹波照明数字全息成像方法，其特征在于：其提高分辨率的过程分为三个步骤：

1)硅片(4)反射的太赫兹波(4a)通过被测样品(5)反射成为携带物信息的太赫兹波(5a)传播到热释电探测器(7)平面，与参考光波(6a)相干叠加产生全息图H_i(x,y)，其中i表示采集的幅数；利用热释电探测器(7)获取并记录数字全息图H_i(x,y)；在这个过程中，仅处在热释电探测器(7)光敏面内的干涉图样能够被记录；若将太赫兹离轴数字全息成像系统看成一个相干成像系统，那么仅有部分物光频谱信息能够通过这一衍射受限成像系统，记录到的全息图仅包含了有限频率范围的物光频谱；被测样品(5)为不透明物体，照明太赫兹波为一倾斜入射的平面光波，将被测样品(5)所在的平面记为(x₀,y₀)面，CCD所在平面(x,y)面为记录面，则被测样品(5)反射光场(5a)的复振幅表示为：

U_i(x₀,y₀)＝b(x₀,y₀)A_i(γ_i,ζ_i)

其中，b(x₀,y₀)为表征物体表面反射特性的函数，A_i＝A₀exp[-j2π(γ_ix₀+ζ_iy₀)]为照明光波的复振幅，其中A₀为常数，和分别为太赫兹波在水平方向与竖直方向的空间频率，θ和分别是太赫兹波入射的极角和方位角，λ为太赫兹波波长；而参考光(6a)在记录面(x,y)的复振幅表示为：

A_i(x,y)＝A₀exp[-j2π(γ_ix+ζ_iy)]

被测样品(5)反射的物光传播至记录面与参考光波(6a)发生相干产生全息图H_i(x,y)如下，由于受到热释电探测器(7)孔径的影响，全息图上只有一部分频率信息被记录下来，处于记录平面(x,y)的全息图表示为：

Hi(x,y)=|Ui(x,y)+Ai(x,y)|2rect(xL)rect(yW)]]>

式中,rect表示矩形函数，L和W分别为热释电探测器光敏面的长和宽；将记录到的全息图H_i(x,y)进行傅里叶变换得到全息图H_i(x,y)的频谱H_i(f_x,f_y)：

其中，表示傅里叶变换,f_x,f_y表示全息图在x,y方向的空间频率；

2)通过改变硅片(4)的角度，进而改变物光(5a)的照射角度，将改变方向后的物光(5a)传至记录面(x,y)与参考光(6a)发生干涉产生全息图H_i(x,y)，i表示照明的次数，即记录全息图的幅数；多次改变硅片(4)的角度进而获得不同角度物光下的多幅全息图的强度H_i(x,y)，其中i表示采集的幅数；

3)菲涅耳离轴数字全息成像系统的点扩散函数实际上是由热释电探测器孔径所决定的夫琅禾费衍射图样；而再现像的频谱是发生了频移的物光频谱与有限宽度矩形函数的乘积；其中频移量由照明光的入射角决定，矩形函数的宽度由器光敏面尺寸决定；因此，基于上述多幅数字全息图H_i(x,y)，经过傅里叶变换后得到多幅数字全息图H_i(x,y)的频谱，再分别在得到的全息图频谱上截取一级频谱，经过补零后得到像素尺寸相同且频谱中心位置一致的新频谱：

δ()表示δ函数，和分别表示x方向和y方向的频移量；将得到的多幅数字全息图的频谱叠加得到合成全息图的频谱H₀(f_x,f_y)：

将合成全息图的频谱进行傅里叶逆变换从而得到合成再现像U₀(x,y)表示为：

式中，表示单幅全息图补零前的频谱，根据上述公式,使用这种方法能够使数字全息成像系统能够获取更多的样品频谱信息，其结果使系统成像分辨率提高。