论文部分内容阅读
太赫兹波(Terahertz)频率从0.1到10THz，对应的波长从30μm到3mm，在电磁波频段内介于微波和红外波之间，是人类唯一一个尚未完全开发的波段。太赫兹波穿透性、非电离性等特点使得其成像技术在生物医疗、宽带通信、反恐安检等领域有着重要的应用。数字全息技术是一种无损、非接触、无标记、全场定量获取样品振幅和相位分布的成像手段，连续太赫兹源和数字全息成像手段相结合能充分利用两者的优势，是一种极具潜力的新型太赫兹波段定量相衬成像手段。主要完成的工作如下: 对太赫兹源的特性开展研究，为后续成像系统的搭建和再现算法的开发打下基础，主要包括相干性测量、发散角调整和抖动性消除。首先，实验验证了太赫兹源的相干性满足数字全息成像要求。其次，测量了太赫兹源的发散角，通过调整太赫兹透镜组间距将太赫兹波准直为准平行波。之后，通过太赫兹探测器对图像完成匀速采集和固定频率帧数抽取，抑制了量子级联激光器中制冷压缩机单元的抖动串扰。研究了连续太赫兹波同轴数字全息成像系统的搭建和样品复振幅分布的数字重建方法，其中基于FIRL100型CO2泵浦连续太赫兹源激光器和热释电探测器以及量子级联激光器太赫兹源和微测热辐射计分别搭建了同轴结构的数字全息成像系统，通过建模太赫兹波衍射传播阐述了太赫兹波数字全息记录过程和再现过程，分析了太赫兹同轴数字全息成像结构的优势，进一步得出基于角谱理论的衍射积分传播算法因其无需旁轴近似尤其适合太赫兹波段数字衍射传播过程的计算。 研究了太赫兹全息图预处理方法，太赫兹波段缺乏有效的高质量成像探测器，对数字全息成像效果有着较大的影响，预处理过程采用了多幅全息图累加和归一化方法，其抑制了太赫兹波斑的不均匀性，基本清除了图像上的负像素坏点，大幅提高了全息图的条纹对比度。针对同轴全息孪生像混叠的问题，提出了太赫兹数字全息相位复原方法，分别用传播过程能量正吸收条件和归一化全息图幅值作为物体平面和记录平面的约束条件，通过角谱衍射积分传播算法在记录平面和物体平面之间往复迭代传播去除孪生像。基于相位复原方法，进一步提出了同轴全息图外推迭代算法，从全息图低频条纹信息推导高频信息，扩大了探测器的数值孔径，消除离焦孪生像的同时提高了成像分辨率。通过搭建的成像系统获得了一系列生物样品的幅值和相位信息，例如成像了蜻蜓后翅高分辨率的翅脉结构，发现了人体原发性肝癌组织切片中的高密度纤维化组织，监测了水藻样品的内部水分动态变化等。 提出了太赫兹数字全息合成孔径方法，首先搭建了基于太赫兹量子级联激光器和微测热辐射计的太赫兹同轴数字全息成像系统。现有的太赫兹面阵式探测器像素个数少且靶面小，导致样品高频条纹信息的采集缺失，再现分辨率低，由此提出了基于平移探测器的连续太赫兹波数字全息合成孔径方法提高再现像成像分辨率。通过对比原始全息图和合成孔径全息图的实验再现结果证明合成孔径方法可以有效提高太赫兹数字全息成像系统的分辨率，进一步在实验成像中取得的125μm（1.28倍波长）的分辨率，是现有连续波太赫兹数字全息技术获得的最佳实验分辨率。通过上述成像系统和方法，准确探测了硅臂微结构体上的金属污染物和其位置，高分辨率成像了生物标本样品家蚊腿部细微结构的太赫兹幅值和相衬分布。 开展连续太赫兹波同轴数字全息聚焦再现距离的获取和系统轴向视场扩展的研究。全息图再现过程中准确的传播再现距离能得到聚焦面的再现分布，文中给出了基于幅值再现图像锐度判断的一阶导数，二阶导数和频谱能量总值的自聚焦判据，准确快速地获取传播再现距离，同时通过线性位移样品计算聚焦距离值的方式验证自动聚焦算法的可行性和准确性。进一步基于自动聚焦算法提出了太赫兹多平面成像方法，利用自动聚焦判据曲线值作为阈值函数，获取了长景深样品不同部分的聚焦复振幅图像并合成为三维空间分布，有效扩展了太赫兹波同轴数字全息的系统轴向视场。通过固定在泡沫板上不同深度平面的两枚金属针样品，验证了所提多平面成像方法的可行性，将太赫兹数字全息技术发展为一种太赫兹波段的三维多平面成像方法。 最后对全文进行了概括总结，精炼了本文的三个创新点，即相位复原方法消除孪生像提高成像质量，合成孔径方法扩大成像系统孔径增强成像分辨率，基于自动聚焦算法计算准确再现距离的多平面成像方法扩展系统轴向视场，对今后可开展的工作做了简单展望。