基于太赫兹量子级联激光器的扫描成像研究

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太赫兹(THz)成像作为THz技术应用的重要方向之一,有着非常重要的学术研究价值和广阔的应用前景。成像质量和成像速度一直是THz成像需要解决的两个重要问题,本论文以THz量子级联激光器(QCL)作为源,以热辐射探测器(Bolometer)作为信号接收端,采用可旋转和平移运动的二维扫描平台搭建了反射式快速扫描成像系统,并实现了对样品的快速扫描成像。主要研究结果和创新点如下:  1.基于THz QCL输出功率高,以及Bolometer响应灵敏的特性,利用直径为76mm的高阻硅分束镜搭建了会聚光斑位置固定的THz反射式成像光路系统。在光路系统中,利用分束镜半透半反和平面镜反射的光学原理,仅使用一组抛物面镜即可实现THz信号的传输。采用这种共光路的设计方式,可以使THz信号正入射在样品表面,保证会聚光斑不会发生椭圆畸变,并且有效减少了系统中光学元件的数目。此外,这种共光路的设计使激光器与探测器可以工作在同一侧,可以考虑将太赫兹激光器与太赫兹探测器封装在同一个热沉上,并将其集成在同一个杜瓦瓶中,进一步缩小成像系统的体积。  2.通过坐标变换的方法将采集到的位置信息转换到直角坐标系.利用三次多项式插值算法将探测信息转换为二维灰度值格点矩阵。旋转扫描采集到的位置信息表示的是角度和位移,通过极坐标变换的方法将位置信息转换到直角坐标系。此时在坐标系中的数据是螺旋线形的离散点,但这不符合计算机数字图像的M×N的数值阵列形式,因此可以采用三次多项式插值算法对数据进行插值拟合,将探测信息转为二维灰度值的格点矩阵,再根据格点矩阵进行成像。  3.通过控制旋转电机和平动电机的运动,实现了快速旋转扫描成像的自动化过程,并采用均值滤波、中值滤波以及直方图均衡化等相关算法对获得的成像结果进行图像处理。与传统的二维逐行扫描方式不同,本套系统采用旋转和平移的扫描方式实现了反射式快速扫描成像,解决了二维逐行扫描中需要停顿换方向的问题,有效提升了扫描速度,成像的扫描时间为5s,扫描频率达1kHz,图像的平均空间分辨率约为1mm。实验中对无遮挡和有遮挡的塑料牙签、刀片和树叶等样品进行成像,均获得了很好的成像效果。最后,对获得的成像结果进行了图像处理,均值滤波虽然具有较好的滤波效果,但对图像细节的影响较大,会使图像中过渡线条变模糊;中值滤波算法可以有效解决均值滤波对图像造成的影响,并且对图像的波纹也有一定程度上的滤波效果。直方图均衡化操作可以改善图像的对比度,增加图像动态范围。
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