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1、(10)申请公布号 CN 102297848 A (43)申请公布日 2011.12.28 CN 102297848 A *CN102297848A* (21)申请号 201110126142.9 (22)申请日 2011.05.16 G01N 21/47(2006.01) G01N 21/59(2006.01) (71)申请人 中国科学院西安光学精密机械研究 所 地址 710119 陕西省西安市高新区新型工业 园信息大道 17 号 (72)发明人 范文慧 薛冰 梁玉庆 (74)专利代理机构 西安智邦专利商标代理有限 公司 61211 代理人 徐平 (54) 发明名称 太赫兹脉冲快速成像的数据。
2、获取方法 (57) 摘要 本发明提供了一种新的太赫兹脉冲快速成像 的数据获取方法， 以解决现有太赫兹脉冲成像技 术费时费力、 数据处理量大等技术问题。 本发明通 过尽量减少光学延迟线的移动、 且对待测的成像 数据在最大幅值和最小幅值处进行选择性获取。 由于该方法舍弃了大量对成像最终结果无关的其 它信息数据的采集， 从而大幅提高了太赫兹脉冲 成像数据获取的速度。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 CN 102297856 A1/1 页 2 1. 太赫兹脉冲快速成像的数据获取方法， 包括以下步骤 ：。
3、 (1) 选取成像样品上任意一点作为参考样品点， 对该参考样品点进行太赫兹脉冲时域 范围的全波形探测， 从而得到该参考样品点的透射或反射时域脉冲 ； (2) 对步骤 (1) 得到的时域脉冲数据进行即时分析， 确定时域脉冲幅值的极大值和极 小值对应的时间位置 TA、 TB； (3) 通过匹配设置光学延迟线与成像样品的位置， 对成像样品上每一样品点在时间位 置 TA、 TB处进行数据采集， 相应得到每一样品点上的脉冲幅值 I(s)A、 I(s)B； (4) 利用步骤 (3) 得到的每一样品点上的脉冲幅值 I(s)A、 I(s)B， 计算各样品点上的幅 值差 A(s) I(s)A-I(s)B， 进而。
4、得到成像样品上的所有样品点对应的图像灰度值， 最终生 成成像样品的灰度图或伪彩图。 2.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲快速成像的数据获取方法， 其特征在于， 步骤(3) 是 ： 设置光学延迟线定位于时间位置 TA， 移动成像样品， 使成像样品上的每一样品点依次 定位于太赫兹时域光谱系统的样品数据采集点， 得到成像样品所有样品点在时间位置 TA处 的太赫兹脉冲幅值 I(s)A； 再设置光学延迟线定位于时间位置 TB， 移动成像样品， 使成像样品上的每一样品点依 次定位于太赫兹时域光谱系统的样品数据采集点， 得到成像样品所有样品点在时间位置 TB 处的太赫兹脉冲幅值 I(s)B。 3.根据权利要求。
5、1所述的太赫兹脉冲快速成像的数据获取方法， 其特征在于， 步骤(3) 是 ： 对成像样品的一个样品点， 依次设置光学延迟线定位于时间位置 TA和 TB， 得到成像样 品在该样品点上的脉冲幅值 I(s)A、 I(s)B； 然后， 移动成像样品， 对下一样品点， 依次设置光学延迟线定位于时间位置 TA和 TB， 得 到成像样品在该样品点上的脉冲幅值 I(s)A、 I(s)B； 如此， 直到得到所有样品点上的脉冲幅值 I(s)A、 I(s)B。 4.根据权利要求1至3任一所述的太赫兹脉冲快速成像的数据获取方法， 其特征在于， 步骤 (4) 具体包括以下步骤 ： (4.1) 计算幅值差 A(s) I(。
6、s)A-I(s)B； (4.2) 对所有的 A(s) 进行排列比较， 得到其中的最大值 Amax和最小值 Amin； 设定 Amin对应灰度值为 0， Amax对应灰度值 255， 则样品点 s 对应的图像灰度值为 ： Gray(s) 255*A(s)-Amin/Amax； (4.3) 计算得出成像样品上的所有样品点对应的图像灰度值， 最终生成成像样品的灰 度图或伪彩图。 权 利 要 求 书 CN 102297848 A CN 102297856 A1/4 页 3 太赫兹脉冲快速成像的数据获取方法 技术领域 0001 本发明涉及一种利用太赫兹时域脉冲对物质成像过程的快速图像数据获取方法。 背景。
7、技术 0002 太赫兹 (Terahertz， 简称 THz) 主要指频率 0.1 10THz( 波长 0.03mm 3mm)、 位 于微波与红外线之间的电磁辐射波段。太赫兹波所处的波段十分特殊， 不仅是宏观经典理 论向微观量子理论的过渡区， 也是电子学向光子学的过渡区域， 其产生和探测方法长期以 来都是研究的重点方向。1984 年， Grischkowsky 首先利用光电导天线成功地产生了太赫 兹波， 为太赫兹相关技术的发展奠定了基础 ； 1995 年， X.C.Zhang 提出了自由空间电光采样 法， 实现了太赫兹波的高信噪比探测 ； 同年， Hu和Nuss首次利用太赫兹脉冲进行成像 ； 。
8、1999 年， Leitenstorfer 等利用光整流法产生了超过 70THz 的太赫兹波 ； 2002 年， Kono 等利用光 电导天线测得频率高达60THz的太赫兹波 ； 同年， 太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)研制成 功 ； 2004年2月， 美国 技术评论 期刊公布了未来影响世界的十大关键技术， 太赫兹科学技 术位列第五。 0003 由于太赫兹波具有非常独特的性质， 它在时域谱分析、 物质成像、 医疗诊断等方面 具有重大的科学价值和广泛的应用前景。 太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)， 是目前最常见的 太赫兹波产生和探测系统。该系统通过时域光谱技术， 可以获得样品的太赫兹波。
9、透射或反 射时域脉冲数据， 进而可以利用快速傅立叶变换得到相应的频谱信息， 系统结构如图 1 所 示。 而以THz-TDS为基础的太赫兹脉冲成像系统， 其成像原理为 ： 在样品不同位置依次测量 时域太赫兹透射或反射脉冲波形， 并利用太赫兹脉冲在样品各处位置获得的波形数据进行 成像， 如图 2 所示。在太赫兹脉冲成像过程中， 由于样品不同位置的厚度、 折射率以及对太 赫兹波吸收程度的不同， 造成太赫兹脉冲波形出现幅值与时域位置 ( 相位 ) 的差别。通常 情况下， 太赫兹脉冲成像利用的信息是主脉冲的幅值 (A1、 A2) 或相位 (T1、 T2)。 0004 然而， 太赫兹时域脉冲探测通常需要利。
10、用光学延迟线的移动产生时间延迟， 并在 不同时间延迟下进行当前幅值的测量， 随后整合各个幅值， 获得时域波形， 因此获得整个脉 冲波形需要的时间较长 ； 而为了保证一定的成像分辨率， 太赫兹脉冲成像所需成像像素点 数通常较多， 因而其整体耗时将十分巨大。通常， 太赫兹脉冲成像需耗时数小时， 甚至数十 小时， 严重限制了太赫兹脉冲成像技术的实用性。 发明内容 0005 本发明旨在提供一种新的太赫兹脉冲快速成像的数据获取方法， 以解决现有太赫 兹脉冲成像技术费时费力、 数据处理量大等技术问题。 0006 本发明的技术方案如下 ： 0007 太赫兹脉冲快速成像的数据获取方法， 包括以下步骤 ： 00。
11、08 (1) 选取成像样品上任意一点作为参考样品点， 对该参考样品点进行太赫兹脉冲 时域范围的全波形探测， 从而得到该参考样品点的透射或反射时域脉冲 ； 说 明 书 CN 102297848 A CN 102297856 A2/4 页 4 0009 (2) 对步骤 (1) 得到的时域脉冲数据进行即时分析， 确定时域脉冲幅值的极大值 和极小值对应的时间位置 TA、 TB； 0010 (3) 通过匹配设置光学延迟线与成像样品的位置， 对成像样品上每一样品点在时 间位置 TA、 TB处进行数据采集， 相应得到每一样品点上的脉冲幅值 I(s)A、 I(s)B； 0011 (4) 利用步骤 (3) 得到。
12、的每一样品点上的脉冲幅值 I(s)A、 I(s)B， 计算各样品点上 的幅值差 A(s) I(s)A-I(s)B， 进而得到成像样品上的所有样品点对应的图像灰度值， 最 终生成成像样品的灰度图或伪彩图。 0012 上述步骤 (3) 具体可以是 ： 0013 设置光学延迟线定位于时间位置 TA， 移动成像样品， 使成像样品上的每一样品点 依次定位于太赫兹时域光谱系统的样品数据采集点， 得到成像样品所有样品点在时间位置 TA处的太赫兹脉冲幅值 I(s)A； 0014 再设置光学延迟线定位于时间位置 TB， 移动成像样品， 使成像样品上的每一样品 点依次定位于太赫兹时域光谱系统的样品数据采集点， 得。
13、到成像样品所有样品点在时间位 置 TB处的太赫兹脉冲幅值 I(s)B。 0015 上述步骤 (3) 具体也可以是 ： 0016 对成像样品的一个样品点， 依次设置光学延迟线定位于时间位置 TA和 TB， 得到成 像样品在该样品点上的脉冲幅值 I(s)A、 I(s)B； 0017 然后， 移动成像样品， 对下一样品点， 依次设置光学延迟线定位于时间位置 TA和 TB， 得到成像样品在该样品点上的脉冲幅值 I(s)A、 I(s)B； 0018 如此， 直到得到所有样品点上的脉冲幅值 I(s)A、 I(s)B。 0019 上述步骤 (4) 具体包括以下步骤 ： 0020 (4.1) 计算幅值差 A(。
14、s) I(s)A-I(s)B； 0021 (4.2) 对所有的 A(s) 进行排列比较， 得到其中的最大值 Amax和最小值 Amin； 设定 Amin对应灰度值为 0， Amax对应灰度值 255， 则样品点 s 对应的图像灰度值为 ： Gray(s) 255*A(s)-Amin/Amax； 0022 (4.3) 计算得出成像样品上的所有样品点对应的图像灰度值， 最终生成成像样品 的灰度图或伪彩图。 0023 利用本发明， 可以极大地缩短太赫兹脉冲成像的时间， 为太赫兹脉冲成像技术在 实际应用的推广创造了可行性。在普通的太赫兹脉冲成像方法中， 假设在每一个成像点的 探测过程中， 光学延迟线移。
15、动时间为 TO， 在需要总像素数为 n 的成像过程中， 样品点处每两 个像素点间切换时间为 TS， 则成像过程需要的时间 ： nTO+(n-1)TS。而依据本发明的实施方 案， 由于只需要获取像素点(除参考样品点以外)两个不同时间位置(TA、 TB)的太赫兹脉冲 幅值， 而光学延迟线在这两个位置间移动的时间为 t( 通常情况下 t 约为 TO的二十分之一， 甚至更短 )， 因此总的时间为 ： TO+2(n-1)TS+mTS+t， m 为样品从参考样品点移动至扫描开始 位置所需经过的像素数 (0 m n1/2)， 节省时间为 ： (n-1)(TO-TS)-(mTS+t)。通常情况下， TO TS。
16、， 所以在成像像素数 n 越大时， 本发明节省的时间越多。 附图说明 0024 图 1 为太赫兹时域光谱系统结构图 ； 说 明 书 CN 102297848 A CN 102297856 A3/4 页 5 0025 图 2 为太赫兹脉冲成像的基本原理 ； 0026 图 3 为本发明太赫兹脉冲快速成像法的原理 ； 0027 图 4 为本发明的快速成像法与常规方法对叶片成像结果的对比。 具体实施方式 0028 本发明提出了一种旨在通过尽量减少光学延迟线的移动、 且对待测的成像数据进 行选择性获取的方法。由于该方法舍弃了大量对成像最终结果无关的其它信息数据的采 集， 从而大幅提高了太赫兹脉冲成像数据。
17、获取的速度。 0029 在本发明中， 首先需在成像样品上任意选择一处为待测位置 ( 记为参考样品点 S)， 进行太赫兹脉冲时域范围的全波形探测， 从而得到该参考样品点的透射或反射时域脉 冲， 如图 3Position1 线所示。随后， 通过对该脉冲数据进行即时分析， 寻找出该时域脉冲幅 值的极大值和极小值， 并记录极大值和极小值对应的时间位置 TA、 TB。若样品不同位置之间 的构成有差别， 则对应点的太赫兹透射或反射脉冲会有不同的时间延迟和幅值衰减， 即在 时间位置 TA、 TB处， 不同样品点的透射或反射脉冲幅值将有所差别 ( 如图 3Position2 线所 示 )。本发明利用此处的差别。
18、值， 实现对样品的太赫兹成像。为了获得该差别值， 光学延迟 线的位置仅需要在 TA、 TB两点处移动即可， 因此在整个成像过程中， 光学延迟线的移动距离 极大地减少， 从而使整体成像时间相应减少。 0030 在已有太赫兹时域光谱及脉冲成像系统的基础上， 本发明采用以下方案进行样品 数据采集， 即可实现太赫兹脉冲成像的快速化。 0031 方案一 ： 0032 步骤一， 首先对样品上的任意一点进行太赫兹脉冲透过或反射测量， 得到相应的 太赫兹时域脉冲。确定该脉冲的极大值和极小值对应的时间位置 TA和 TB， 如图 3Position1 线所示。 0033 步骤二， 设置光学延迟线定位于时间位置 T。
19、A， 移动待测样品， 使待测样品上的每一 点依次定位于太赫兹时域光谱系统的样品数据采集点， 得到待测样品所有点在时间位置 TA 处的太赫兹脉冲幅值 I(s)A。 0034 步骤三， 设置光学延迟线定位于时间位置 TB， 移动待测样品， 与步骤二类似， 得到 待测样品所有点在时间位置 TB处的脉冲幅值 I(s)B。 0035 步骤四， 计算幅值差 A(s) I(s)A-I(s)B。然后对所有的 A(s) 进行排列比较， 得 到其中的最大值 Amax和最小值 Amin。设定 Amin对应灰度值为 0， Amax对应灰度值 255， A(s) 对 应的灰度值计算方法为 ： Gray(s) 255*A。
20、(s)-Amin/Amax。得到待测样品上的所有点对应 的图像灰度值后， 即可生成样品的灰度图， 进而利用 A(s) 也可以生成伪彩图。 0036 方案二 ： 0037 步骤一， 与方案一的步骤一相同， 得到样品上任意一点的太赫兹时域脉冲， 确定该 脉冲的极大值和极小值对应的时间位置 TA和 TB。 0038 步骤二， 对待测样品的每一点 s， 依次设置光学延迟线定位于时间位置 TA和 TB， 得 到待测样品在该点上的脉冲幅值 I(s)A、 I(s)B。 0039 步骤三， 移动待测样品至下一点， 重复步骤二， 直到所有样品点都得到测量。 0040 步骤四， 与方案一的步骤四相同。 说 明 书。
21、 CN 102297848 A CN 102297856 A4/4 页 6 0041 图 4 为采用本方法实现太赫兹波透过叶片成像的结果， 成像分辨率为 2525， 其 中参考样品点 S1、 S2、 S3 均为随机选择。对比结果可以发现， 使用本方法的成像效果与常规 方法近似， 在成像质量上还有一定程度的提高 ； 而且， 采用不同参考样品点的成像结果， 其 最终成像效果差别不大。 说 明 书 CN 102297848 A CN 102297856 A1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102297848 A CN 102297856 A2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102297848 A 。