CN111208095A - 一种扇形束太赫兹层析成像***及其扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扇形束太赫兹层析成像***，包括依光路方向同轴设置的太赫兹发射源、斩波器、波束传输单元、样品台和太赫兹探测阵列，太赫兹发射源发射的连续太赫兹通过斩波器、波束传输单元形成扇形束太赫兹波束。本***的的扫描方法包括时域矩形波调制、扇形太赫兹波束聚集、光电信号转换、信号放大、角度投影数据获取、截面投影数据获取、三维投影矩阵获取等步骤。本发明的扇形束太赫兹层析成像***及其扫描方法具有耗时短、数据准确和景深大的特点。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹成像技术领域，具体是指一种扇形束太赫兹层析成像***及其扫描方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz, THz)波在电磁波谱中介于微波和红外波之间，兼具了微波和红外波的特点。太赫兹波能穿透绝大多数介电材料如纸张、木材、针织物和非极性液体等。电磁波谱中的X射线、红外波和微波均被广泛应用于各种成像***中，针对同种材料，太赫兹波的穿透能力优于红外波；当成像原理相同时，太赫兹成像的分辨率高于微波。太赫兹波具有极低的光子能量，不会引起有害的电离反应，相比于X射线成像***具有安全性。因此太赫兹成像可以作为现有成像技术的补充，应用于无损检测、安全检查和医疗诊断等领域。
目前，太赫兹波层析成像***均采用了会聚的线形波束对样品进行光栅扫描，采集数据的具体方式如下：太赫兹发射源出射的太赫兹波束首先经过凸透镜或离轴抛物面镜被会聚成入射到样品上的一个点，通过样品的透射波束再次经过凸透镜或离轴抛物面镜被会聚到探测器中。样品被固定在包含两个直线步进电机和一个旋转步进电机的位移平台上，要想获得样品的3D图像，需要样品在与波束传播方向垂直的平面内进行二维平移和样品与波束之间的相对旋转。
现有的太赫兹波CT成像***主要采用光栅扫描方式进行数据采集。具体实施方式分为等距离间隔和等时间间隔两类。如果按等距离间隔进行数据采集，则需要样品和波束每一次相对平移都停止下来采集一次数据，耗时非常久。因此常用的实施方式为等时间间隔进行数据采集，即便如此，耗时依然是限制太赫兹CT推广的一个关键因素，比如获取一个横截面的投影数据耗时45 min。此外，步进电机的加速和减速会导致采集的投影数据与理想投影数据产生错位。样品与波束的相对平移会导致成像***不稳定。采用振镜替换直线步进电机可以有效地减少数据采集时间，但振镜振动依然存在加速和减速过程，得到的投影数据与理想投影数据间依然存在错位。现有的成像***还存在器件繁多、结构复杂，搭建***所需成本较高等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种扇形束太赫兹层析成像***及其扫描方法，具有耗时短、数据准确和景深大的特点。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种扇形束太赫兹层析成像***，包括依光路方向同轴设置的太赫兹发射源、斩波器、波束传输单元、样品台和太赫兹探测阵列，太赫兹发射源发射的连续太赫兹通过斩波器、波束传输单元形成扇形束太赫兹波束，样品台为可平移、旋转的活动式设置。
进一步地，波束传输单元包括平行间隔设置的第一柱面镜和第二柱面镜。第一柱面镜用于对从太赫兹发射源发出的波束在某一个方向上进行准直，第二柱面镜用于对准直后的波束在同一个方向上进行会聚，会聚后的波束即为太赫兹扇形波束。
进一步地，波束传输单元为包含单个柱面镜、衍射元件和/或等离子体，在功能上可实现对太赫兹波束进行某一个方向上的会聚。
进一步地，太赫兹探测阵列位于太赫兹扇形波束的平面内，太赫兹探测阵列中心与太赫兹波束的中心轴线垂直相交。
进一步地，样品台上设有直线步进电机和旋转步进电机，旋转步进电机固定设置在直线步进电机的输出轴上。直线步进电机用于实现旋转步进电机和样品的同步平移，旋转步进电机用于实现样品的旋转。
进一步地，扇形束太赫兹层析成像***还包括依光路方向同轴设置在太赫兹探测阵列后侧的锁相放大器，锁相放大器与斩波器电性连接。
进一步地，扇形束太赫兹层析成像***还包括数据采集模块和数据处理模块，数据采集模块分别与斩波器、数据处理模块电性连接。
在本发明中，太赫兹发射源用于提供连续的太赫兹波束；斩波器用于将太赫兹发射源出射的太赫兹波束调制为时域矩形方波；电斩波与锁相放大器结合，用于提升成像***的信噪比；样品台用于放置样品，实现样品的平移和旋转；波束传输单元用于在某一个方向上将太赫兹波束准直和聚焦；太赫兹探测阵列用于探测透射的太赫兹波束的光强，并将光强转化为光电流信号；锁相放大器用于将该光电流信号转化为电压信号并放大；数据采集模块根据放大的电压信号获取样品的投影数据信息；数据处理模块用于选取自主编程的重建算法处理投影数据，并得到重建图像。
在本发明中，透射波束的光强信息经太赫兹探测阵列被转化为光电流信号，再经锁相放大器后被转化为放大的电压信号。数据采集模块采集放大的电压信号得到样品的投影数据。数据处理模块处理投影信息即可得到重建的样品图像。
在本发明中，斩波器是给发射源输入一个时域波形为矩形波的TTL信号实现的部件，也可以是锁相放大器输入的，gauge可以是其他信号源输入的。如果是其他信号源输入的，则该信号源同时将该TTL信号发送给发射源和锁相放大器，发送给锁相的信号被称为参考信号，另一路信号从探测器输入到锁相放大器中，探测信号和参考信号保持同频同相，可使探测信号在锁相放大器中进行积分放大，消除噪声，提高成像***的信噪比和动态范围。
本发明的另一个方面在于保护一种扇形束太赫兹层析成像***的扫描方法，包括以下步骤：
S1、时域矩形波调制：将太赫兹发射源发散的连续太赫兹波束通过斩波器调制成时域矩形波；
S2、扇形太赫兹波束聚集：对时域矩形波通过波束传输单元在某一个方向上进行聚焦处理，形成扇形太赫兹波束，采用扇形太赫兹波束对样品进行扫描；
S3、光电信号转换：活动式的太赫兹探测阵列探测穿过样品的透射波束的光强信息，并将光强信息转换为电流信号；
S4、信号放大：通过锁相放大器将电流信号转换成电压信号并放大；
S5、角度投影数据获取：根据放大的电压信号得到样品截面在某个角度的投影数据
S6、截面投影数据获取：控制样品绕竖直方向旋转，重复步骤S1-S5，得到样品在某个截面的投影数据 ；
S7、三维投影矩阵获取：控制样品在竖直方向上平移，重复步骤S1-S6，获得样品不同高度的二维投影矩阵，将所有二维矩阵沿竖直方向叠加，获得三维投影矩阵。
进一步地，还包括以下步骤：S8、图像重建：把步骤S7所得的三维投影矩阵信息进行图像重建，得到相应的图像。
进一步地，在步骤S6中，样品旋转的角度间隔从0度到360度，旋转范围和旋转步长活动可调。
本发明一种扇形束太赫兹层析成像***，具有如下的有益效果：
第一、耗时短，本发明的理论基础是现有的X射线CT的理论和光的传播理论，本发明的扇形束太赫兹CT是基于市面上应用最广放的扇形束X射线CT产生的，结合太赫兹成像技术，以及现有的太赫兹高功率发射源和高灵敏度探测阵列，能有效解决现有的平行束太赫兹CT存在的一系列缺陷，因为不需要光栅扫描，可以有效节省数据采集时间，相对于现有的平行束太赫兹CT获取一个截面的投影数据大约需要45min，本发明的扇形束太赫兹CT获取一个截面的投影数据仅需大约10s ；
第二、数据准确，本发明使用探测阵列探测通过样品的透射波束，可完全避免现有的平行束太赫兹CT中获取的投影数据于理想数据之间的错位，提高成像数据的准确性；
第三、成像景深大，本发明在样品后面不需要放置凸透镜或离轴抛物面镜对波束进行会聚，直接放置太赫兹探测器，可避免现有的平行束太赫兹CT中存在的景深限制；
第四、分辨率高，本发明探测的投影数据对样品结构进行了几何放大，可有效提升成像分辨率。
第五、成本低廉，在样品后面不需要放置凸透镜或离轴抛物面镜对波束进行会聚，而且仅需要两个步进电机，***简单、成本降低；
第六、成像质量好，结合太赫兹波束的传播理论，可以进一步提升成像质量。
附图说明
附图1为为本发明一种扇形束太赫兹层析成像***的***组成示意图；
附图2为本发明一种扇形束太赫兹层析成像***的扫描方法的流程图；
附图中的标记包括：1、太赫兹发射源；2、斩波器；3、第一柱面镜； 4、第二柱面镜，5、样品台； 6、太赫兹探测阵列。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明公开了一种扇形束太赫兹层析成像***，包括依光路方向同轴设置的太赫兹发射源1、斩波器2、波束传输单元、样品台5和太赫兹探测阵列6，太赫兹发射源1发射的连续太赫兹通过斩波器2、波束传输单元形成扇形束太赫兹波束，样品台5为可平移、旋转的活动式设置。
在本实施例中，太赫兹探测阵列样品沿着y方向平移，绕着y轴方向旋转。
如图1所示，在本实施例中，波束传输单元包括平行间隔设置的第一柱面镜3和第二柱面镜4，第一柱面镜3设置在斩波器2和第二柱面镜4之间。
在本实施例中，太赫兹探测阵列位于太赫兹扇形波束的平面内，太赫兹探测阵列中心与太赫兹波束的中心轴线垂直相交；样品台上设有直线步进电机和旋转步进电机，旋转步进电机固定设置在直线步进电机的输出轴上，样品固定旋转步进电机上随之平移、旋转。
实施例2
本发明公开了一种扇形束太赫兹层析成像***，包括依光路方向同轴设置的太赫兹发射源、斩波器、波束传输单元、样品台和太赫兹探测阵列，太赫兹发射源发射的连续太赫兹通过斩波器、波束传输单元形成扇形束太赫兹波束。
在本实施例中，波束传输单元为包含单个柱面镜、衍射元件和/或等离子体；太赫兹探测阵列位于太赫兹扇形波束的平面内，太赫兹探测阵列中心与太赫兹波束的中心轴线垂直相交；样品台上设有直线步进电机和旋转步进电机，旋转步进电机固定设置在直线步进电机的输出轴上，样品固定旋转步进电机上随之平移、旋转。
实施例3
本发明公开了一种扇形束太赫兹层析成像***，包括依光路方向同轴设置的太赫兹发射源、斩波器、波束传输单元、样品台和太赫兹探测阵列，太赫兹发射源发射的连续太赫兹通过斩波器、波束传输单元形成扇形束太赫兹波束。
在本实施例中，波束传输单元包括平行间隔设置的第一柱面镜和第二柱面镜，第一柱面镜设置在斩波器和第二柱面镜之间；太赫兹探测阵列位于太赫兹扇形波束的平面内，太赫兹探测阵列中心与太赫兹波束的中心轴线垂直相交；样品台上设有直线步进电机和旋转步进电机，旋转步进电机固定设置在直线步进电机的输出轴上，样品固定旋转步进电机上随之平移、旋转。
在本实施例中，扇形束太赫兹层析成像***还包括依光路方向同轴设置在太赫兹探测阵列后侧的锁相放大器，锁相放大器与斩波器电性连接。扇形束太赫兹层析成像***还包括数据采集模块和数据处理模块，数据采集模块分别与斩波器、数据处理模块电性连接。
实施例4
如图2所示，一种扇形束太赫兹层析成像***的扫描方法，包括以下步骤：
S1、时域矩形波调制：将太赫兹发射源发散的连续太赫兹波束通过斩波器调制成时域矩形波；
S2、扇形太赫兹波束聚集：对时域矩形波通过波束传输单元在某一个方向上进行聚焦处理，形成扇形太赫兹波束，采用扇形太赫兹波束对样品进行扫描；
S3、光电信号转换：活动式的太赫兹探测阵列探测穿过样品的透射波束的光强信息，并将光强信息转换为电流信号；
S4、信号放大：通过锁相放大器将电流信号转换成电压信号并放大；
S5、角度投影数据获取：根据放大的电压信号得到样品截面在某个角度的投影数据；
S6、截面投影数据获取：控制样品绕竖直方向旋转，重复步骤S1-S5，得到样品在某个截面的投影数据 ；样品旋转的角度间隔间隔从0度到360度，旋转范围和旋转步长活动可调；
S7、三维投影矩阵获取：控制样品在竖直方向上平移，重复步骤S1-S6，获得样品不同高度的二维投影矩阵，将所有二维矩阵沿竖直方向叠加，获得三维投影矩阵。
实施例5
如图2所示，一种扇形束太赫兹层析成像***的扫描方法，包括以下步骤：
S1、时域矩形波调制：将太赫兹发射源发散的连续太赫兹波束通过斩波器调制成时域矩形波；
S2、扇形太赫兹波束聚集：对时域矩形波通过波束传输单元在某一个方向上进行聚焦处理，形成扇形太赫兹波束，采用扇形太赫兹波束对样品进行扫描；
S3、光电信号转换：活动式的太赫兹探测阵列探测穿过样品的透射波束的光强信息，并将光强信息转换为电流信号；
S4、信号放大：通过锁相放大器将电流信号转换成电压信号并放大；
S5、角度投影数据获取：根据放大的电压信号得到样品截面在某个角度的投影数据
S6、截面投影数据获取：控制样品绕竖直方向旋转，重复步骤S1-S5，得到样品在某个截面的投影数据 ；样品旋转的角度间隔从0度到360度，旋转范围和旋转步长活动可调；
S7、三维投影矩阵获取：控制样品在竖直方向上平移，重复步骤S1-S6，获得样品不同高度的二维投影矩阵，将所有二维矩阵沿竖直方向叠加，获得三维投影矩阵；
S8、图像重建：把步骤S7所得的三维投影矩阵信息进行图像重建，得到相应的图像。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语诸如 “上”、“下”、“前”、“后”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种扇形束太赫兹层析成像***，其特征在于：包括依光路方向同轴设置的太赫兹发射源、斩波器、波束传输单元、样品台和太赫兹探测阵列，所述太赫兹发射源发射的连续太赫兹波通过斩波器、波束传输单元形成扇形束太赫兹波束，所述样品台为可平移、旋转的活动式设置。
2.根据权利要求1所述的扇形束太赫兹层析成像***，其特征在于：所述波束传输单元包括平行间隔设置的第一柱面镜和第二柱面镜。
3.根据权利要求1所述的扇形束太赫兹层析成像***，其特征在于：所述波束传输单元为包含单个柱面镜、衍射元件和/或等离子体。
4.根据权利要求2或3所述的扇形束太赫兹层析成像***，其特征在于：太赫兹探测阵列位于太赫兹扇形波束的平面内，太赫兹探测阵列中心与太赫兹波束的中心轴线垂直相交。
5.根据权利要求4所述的扇形束太赫兹层析成像***，其特征在于：所述样品台上设有直线步进电机和旋转步进电机，旋转步进电机固定设置在直线步进电机的输出轴上。
6.根据权利要求5所述的扇形束太赫兹层析成像***，其特征在于：所述扇形束太赫兹层析成像***还包括依光路方向同轴设置在太赫兹探测阵列后侧的锁相放大器，所述锁相放大器与所述斩波器电性连接。
7.根据权利要求6所述的扇形束太赫兹层析成像***，其特征在于：所述扇形束太赫兹层析成像***还包括数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块分别与斩波器、数据处理模块电性连接。
8.一种扇形束太赫兹层析成像***的扫描方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、时域矩形波调制：将太赫兹发射源发散的连续太赫兹波束通过斩波器调制成时域矩形波；
S2、扇形太赫兹波束聚集：对时域矩形波通过波束传输单元在某一个方向上进行聚焦处理，形成扇形太赫兹波束，采用扇形太赫兹波束对样品进行扫描；
S3、光电信号转换：活动式的太赫兹探测阵列探测穿过样品的透射波束的光强信息，并将光强信息转换为电流信号；
S4、信号放大：通过锁相放大器将电流信号转换成电压信号并放大；
S5、角度投影数据获取：根据放大的电压信号得到样品截面在某个角度的投影数据
S6、截面投影数据获取：控制样品绕竖直方向旋转，重复步骤S1-S5，得到样品在某个截面的投影数据 ；
S7、三维投影矩阵获取：控制样品在竖直方向上平移，重复步骤S1-S6，获得样品不同高度的二维投影矩阵，将所有二维矩阵沿竖直方向叠加，获得三维投影矩阵。
9.根据权利要求8所述的扇形束太赫兹层析成像***的扫描方法，其特征在于：还包括以下步骤：
S8、图像重建：把步骤S7所得的三维投影矩阵信息进行图像重建，得到相应的图像。
10.根据权利要求9所述的扇形束太赫兹层析成像***的扫描方法，其特征在于：在步骤S6中，样品旋转的角度间隔从0度到360度，旋转范围和旋转步长活动可调。
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