[发明专利]一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法

说明书

本发明公开了一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，包括完成全息图的叠加平均预处理过程、全息图自聚焦预处理过程和全息图重建结果的去除背景预处理过程。利用离轴数字全息衍射层析算法重建样品的三维复折射率分布包括三个步骤：利用角谱衍射传播公式和自聚焦算法完成离轴数字全息图的重建；将重建的物体复振幅分布进行Rytov近似处理，得到物体的Rytov近似散射场；再利用滤波反向传播算法得到物函数分布，根据物函数与折射率的关系计算出物体的三维复折射率分布。

技术领域

本发明涉及一种衍射层析成像的方法，特别涉及一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像的方法。

背景技术

太赫兹层析成像(THz-CT)是太赫兹波三维成像技术的一个重要方法，它是X射线层析在太赫兹波段的一个扩展。THz-CT重建算法与X射线CT相似，他们假定衍射、折射、菲涅耳反射效应是可以忽略的。在X射线中，这种假设是合理的，因为物体在X射线中的折射率接近于1，因此，当X射线穿过物体时，可近似的看成是直线传播。由于太赫兹波长较长，太赫兹波在物体中的传播不可以简单的看成是直线传播，它的衍射、折射效应是不可忽略的。目前THz-CT的样品主要是塑料泡沫等低折射率材料和具有空心结构的高折射率材料，最近也实现了折射率匹配的方法来减少折射效应。尽管以上的策略可以减少折射效应，但他们都忽略了衍射效应对重建的影响，光学衍射层析技术是一种考虑到光波衍射的更普遍的层析成像方法，可以获得比层析算法更高精度的重建结果。

发明内容

一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，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)，分束片4(硅片)，镀金反射镜5，电动旋转台6，被测样品7，热释电探测器8。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118.83μm，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，其传播方向平行；分束片4作用在于将扩束后的太赫兹波分为透射照明波4a和反射波4b，透射照明波4a传播到被测样品7上，被测样品7放置在电动旋转台6上，通过控制电动旋转台6，被测样品不同旋转角度的物光波7a透射到热释电探测器8，反射波4b被镀金反射镜5反射作为参考光波5a传播到热释电探测器8中并与物光波7a发生干涉，通过热释电探测器8记录离轴数字全息图H_i(x,y)。

一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，包括离轴数字全息图的记录和全息图叠加去除噪声的处理过程，在全息图记录时，采集500帧全息图进行叠加平均处理：

是叠加平均处理后的全息图，m＝500。

一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，包括全息图自聚焦算法，当样品在旋转过程中不在旋转中心时，其距探测器的距离将会随着旋转角度的改变而改变，通过自聚焦算法，可找到最优的全息图重建距离。聚焦的清晰图像具有更大的灰度级差异，因此可以通过计算图像的方差或标准差作为聚焦评价函数C(I)来评价图像的清晰程度，方差函数的计算公式如下所示：

式中表示图像I灰度值的平均值：

其中，M和N表示图像的行数和列数。

一种基于连续太赫兹波的离轴数字全息衍射层析成像方法，包括全息图重建结果的背景去除处理，对具有样品和没有样品的全息图进行相同的重建处理过程，然后将有样品的重建结果U除以重建背景U_bg：

U₀＝U./U_bg