基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统及其成像方法、操作方法

摘要

本发明公开了一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统及其成像方法、操作方法，成像系统包括沿太赫兹波束光路传输方向设置的太赫兹发射源、样品台、波束转换单元、太赫兹探测阵列、支撑架、升降架，样品台通过垂直轴旋转步进电机设置在支撑架上；波束转换单元包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件；升降架上设有升降步进电机，升降步进电机的输出轴上连接有水平轴旋转步进电机，水平旋转步进电机的输出轴连接有U形架。本发明的基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统及其成像方法、操作方法具有成像稳定性好、成像时间短、成像分辨率高和成像景深大的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹成像技术领域，具体是指一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统及其成像方法、操作方法。

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、针织物等）和非极性液体。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系统中，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射线成像系统具有安全性。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。2002年，张希成院士首先结合X射线CT技术和太赫兹成像技术提出了太赫兹计算机层析成像（Computer Tomography, CT）系统。现有的太赫兹波CT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面，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

2019年，中国发明专利申请CN110057786A设计了一种基于太赫兹波的成像系统，基于该系统可以实现二维太赫兹透射成像、基于二维Radon变换和基于三维Radon变换的三维层析成像。这种集成化设计有效降低了成像系统的制作成本，减少了成像系统的占用空间。

以上涉及的太赫兹波CT成像系统采用光栅扫描方式进行数据采集。具体实施方式又可以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系统不稳定。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。现有的成像系统器件繁多、结构复杂，搭建系统所需成本较高。

2020年，中国发明专利申请CN111208095A提出扇形束太赫兹CT，不仅能有效提升系统的稳定性，消除重建图像与真实物体之间的错位，而且能显著地减少成像时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统及其成像方法、操作方法，具有成像稳定性好、成像时间短、成像分辨率高和成像景深大的特点。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统，包括沿太赫兹波束光路传输方向设置的太赫兹发射源、样品台、波束转换单元、太赫兹探测阵列、支撑架、升降架，样品台通过垂直轴旋转步进电机设置在支撑架上；波束转换单元包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件；升降架上设有升降步进电机，升降步进电机的输出轴上连接有水平轴旋转步进电机，水平旋转步进电机的输出轴连接有U形架，太赫兹发射源固定在U形架的左侧，波束转换单元、太赫兹探测阵列从左到右依次固定在U形架的右侧， U形架带动太赫兹发射源、波束转换单元和太赫兹探测阵列同步转动。

进一步地，波束转换单元包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，第一衍射光学元件为准直式光学元件，第二衍射光学元件为会聚式光学元件，准直式光学元件、会聚式光学元件为具有聚焦功能的衍射光学元件或柱面镜。

进一步地，太赫兹层析成像系统还包括数据采集卡、步进电机控制器和控制模块，步进电机控制器同时与升降步进电机、水平轴旋转步进电机、垂直轴旋转步进电机电连接，数据采集卡与太赫兹探测阵列电连接，控制模块同时与数据采集卡、步进电机控制器电连接。

进一步地，太赫兹探测阵列水平放置，并且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，太赫兹探测阵列为光电式探测器件。

本发明的另一个方面在于保护一种上述基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统的成像方法，包括以下步骤：

S1、太赫兹发射源发射的太赫兹波束入射到样品台的样品上；

S2、穿过样品的透射波束被波束转换单元会聚成扇形波束；

S3、太赫兹探测阵列探测扇形波束的光强信息，并将光强信息转换为光电流信号；

S4、数据采集卡将该光电流信号转换成电压信号；

S5、数据采集卡根据电压信号得到样品在

S6、通过垂直轴旋转步进电机控制样品绕垂直方向旋转，重复步骤S1-S5，可得到样品在某个截面的投影数据

S7、通过水平轴旋转步进电机控制发射源和探测阵列在水平方向上旋转

进一步地，垂直轴旋转步进电机旋转的角度

进一步地，水平轴旋转步进电机旋转的角度

本发明的另一方面在于保护上述基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统的操作方法，包括以下步骤：

A1、参数设定：升降步进电机、水平轴旋转步进电机、垂直轴旋转步进电机设定位于零位，将样品固定在样品台上，根据用户所需成像精度在控制模块上设置水平轴旋转步进电机的初始位置，垂直轴旋转步进电机的旋转范围设为360°，同时设置水平轴旋转步进电机与垂直轴旋转步进电机的旋转步长；

A2、电机复位：控制模块13通过步进电机控制器12控制升降步进电机、水平轴旋转步进电机、垂直轴旋转步进电机移动到初始位置；

A3、初次旋转测量：控制模块通过步进电机控制器控制垂直轴旋转步进电机以设定的步长和范围旋转，同时通过数据采集卡实时采集透射光强值；

A4. 二次旋转测量：控制模块通过步进电机控制器控制水平轴旋转步进电机以设定的步长和范围旋转，重复步骤3，水平轴旋转步进电机绕x方向旋转到设定的旋转范围后停止；

A5、数据处理:利用滤波反投影法或者其他计算机层析成像重建算法处理采集到的数据重建样品的三维图像。

本发明一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统及其成像方法、操作方法，具有如下的有益效果：

第一、成像稳定性高，锥形太赫兹波束能完全覆盖样品，因此不需要太赫兹波束与样品间的相对平移，能有效提升成像系统的稳定性；

第二、成像时间短，使用探测阵列探测通过样品的透射波束，可有效减少成像时间。例如，以样品台平面为xz平面，现有的基于三维Radon变换的三维层析成像需要样品与太赫兹波束在x方向上有相对平移，而本发明中不需要样品与太赫兹波束在这以方向上有相对平移。假设需要对90 mm × 90 mm × 90 mm的三维物体进行成像，基于二维Radon变换的扇形束太赫兹CT为了获取精度较高（比如0.3 mm）的三维图像，需要沿竖直方向获取301个横截面的投影数据，获取每个横截面的投影据需要样品旋转到不同角度，耗时10 s左右。基于三维Radon变换的太赫兹CT只需要获取20个等间隔的φ值下的投影数据，获取每个φ值下的投影数据也需要样品旋转到不同角度，耗时与基于二维Radon变换的扇形束太赫兹CT获取每个横截面的投影据耗时相等。所以可以进一步减少数据采集时间；

第三、成像分辨率高，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；

第四、成像景深大，在样品前不需要放置光学元件对波束进行会聚，在样品后较远位置放置自主设计的衍射型元件，可进一步扩展成像系统的景深；

第五、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为本发明一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统的结构示意图；

附图中的标记包括：1、太赫兹发射源；2、第一衍射光学元件；3、第二衍射光学元件；4、太赫兹探测阵列；5、U形架；6、升降步进电机；7、水平轴旋转步进电机；8、支撑架；9、垂直轴旋转步进电机；10、样品台；11、数据采集卡；12、步进电机控制器；13、控制模块。

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，本发明公开了一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统，包括沿太赫兹波束光路传输方向设置的太赫兹发射源1、样品台10、波束转换单元、太赫兹探测阵列4、支撑架8、升降架，样品台10通过垂直轴旋转步进电机9设置在支撑架8上；波束转换单元包括第一衍射光学元件2和第二衍射光学元件3；升降架上设有升降步进电机6，升降步进电机6的输出轴上连接有水平轴旋转步进电机7，水平旋转步进电机的输出轴连接有U形架5，太赫兹发射源1固定在U形架5的左侧，波束转换单元、太赫兹探测阵列4从左到右依次固定在U形架5的右侧， U形架5带动太赫兹发射源1、波束转换单元和太赫兹探测阵列4同步转动。

如图1所示，波束转换单元包括第一衍射光学元件2和第二衍射光学元件3，第一衍射光学元件2为准直式光学元件，第二衍射光学元件3为会聚式光学元件，准直式光学元件、会聚式光学元件为在某一个方向上具有聚焦功能的衍射光学元件或柱面镜。波束转换单元用于在某一个方向上将太赫兹波束准直和聚焦；该衍射元件的功能是在水平的如x方向上实现波束的会聚，该衍射光学元件可以为超表面、超材料、或等离子体等其他可实现相同功能的光学器件。在具体作用上，第一衍射光学元件2用于对从太赫兹发射源1发出的波束在某一个方向上进行准直，第二衍射光学元件3用于对准直后的波束在同一个方向上进行会聚，会聚后的波束入射到太赫兹探测阵列4上。

如图1所示，太赫兹层析成像系统还包括数据采集卡11、步进电机控制器12和控制模块13，步进电机控制器12同时与升降步进电机6、水平轴旋转步进电机7、垂直轴旋转步进电机9电连接，数据采集卡11与太赫兹探测阵列4电连接，控制模块13同时与数据采集卡11、步进电机控制器12电连接。数据采集卡11用于将该光电流信号转化为电压信号，并根据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。在该过程中，透射波束的光强信息经太赫兹探测阵列4被转化为光电流信号，数据采集卡11用于将该光电流信号转化为电压信号，并根据电压信号获取样品的投影数据信息。数据处理模块处理投影信息即可得到重建的样品图像。

在本实施例中，太赫兹探测阵列水平放置，并且太赫兹探测阵列中心与太赫兹波束的中心轴线垂直相交。太赫兹探测阵列为光电式探测器件，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。

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。本发明提出的基于三维Radon变换的太赫兹CT的基础是基于3D Radon变换的X射线CT，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，能有效解决现有的太赫兹CT系统存在的一系列问题。比如：以样品台平面为xz平面，现有的基于三维Radon变换的三维层析成像需要样品与太赫兹波束在x方向上有相对平移，而本发明中不需要样品与太赫兹波束在这以方向上有相对平移。假设需要对90 mm × 90 mm × 90 mm的三维物体进行成像，基于二维Radon变换的扇形束太赫兹CT为了获取精度较高（比如0.3 mm）的三维图像，需要沿竖直方向获取301个横截面的投影数据，获取每个横截面的投影据需要样品旋转到不同角度，耗时10 s左右。基于三维Radon变换的太赫兹CT只需要获取20个等间隔的φ值下的投影数据，获取每个φ值下的投影数据也需要样品旋转到不同角度，耗时与基于二维Radon变换的扇形束太赫兹CT获取每个横截面的投影据耗时相等。所以可以进一步减少数据采集时间。

在不同部件作用上，使用探测阵列探测通过样品的透射波束，可完全避免现有的太赫兹CT中获取的投影数据于理想数据之间的错位。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。在样品前面不需要放置光学元件对波束进行会聚，系统简单、成本降低，样品的成像范围扩大。在样品后面放置衍射光学元件对波束进行会聚，衍射光学元件可采用自主设计并通过3D打印技术制作的。衍射光学元件的尺寸为300 mm，焦距为250 mm，最大厚度仅有3.53 mm，可以有效减少对光束的吸收。结合太赫兹波束的传播理论，可以进一步提升成像质量。

实施例2

一种上述基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统的成像方法，包括以下步骤：

S1、太赫兹发射源发射的太赫兹波束入射到样品台的样品上；

S2、穿过样品的透射波束被波束转换单元会聚成扇形波束；

S3、太赫兹探测阵列探测扇形波束的光强信息，并将光强信息转换为光电流信号；

S4、数据采集卡将该光电流信号转换成电压信号；

S5、数据采集卡根据电压信号得到样品在

S6、通过垂直轴旋转步进电机控制样品绕垂直方向旋转，重复步骤S1-S5，可得到样品在某个截面的投影数据

S7、通过水平轴旋转步进电机控制发射源和探测阵列在水平方向上旋转

进一步地，垂直轴旋转步进电机旋转的角度

进一步地，水平轴旋转步进电机旋转的角度

实施例3

上述基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统的操作方法，包括以下步骤：

A1、参数设定：升降步进电机、水平轴旋转步进电机、垂直轴旋转步进电机设定位于零位，将样品固定在样品台上，根据用户所需成像精度在控制模块上设置水平轴旋转步进电机的初始位置，垂直轴旋转步进电机的旋转范围设为360°，同时设置水平轴旋转步进电机与垂直轴旋转步进电机的旋转步长；

A2、电机复位：控制模块13通过步进电机控制器12控制升降步进电机、水平轴旋转步进电机、垂直轴旋转步进电机移动到初始位置；

A3、初次旋转测量：控制模块通过步进电机控制器控制垂直轴旋转步进电机以设定的步长和范围旋转，同时通过数据采集卡实时采集透射光强值；

A4. 二次旋转测量：控制模块通过步进电机控制器控制水平轴旋转步进电机以设定的步长和范围旋转，重复步骤3，水平轴旋转步进电机绕x方向旋转到设定的旋转范围后停止；

A5、数据处理:利用滤波反投影法或者其他计算机层析成像重建算法处理采集到的数据重建样品的三维图像。

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。