220GHz脉冲成像系统设计与应用研究

太赫兹（THz）成像是太赫兹技术的一个重要应用,在安全检查、环境监测、生物和医学的无损检测等方面都发挥着重要的作用。本文主要对太赫兹成像技术进行研究,使用微波源,通过混频和倍频方式得到太赫兹频率源,采用频率步进脉冲体制,设计和实现了一套220GHz太赫兹主动成像系统,并对太赫兹技术的应用技术进行了研究。     

一种提高太赫兹波成像分辨力的方法

成像分辨力低是影响太赫兹波成像系统在质检、安全和医疗领域应用的重要因素之一。用返波管（BWO）作为太赫兹波辐射源搭建了一个连续太赫兹波点扫描透射成像系统。采用扫描步长小于系统聚焦光斑尺寸的方式获得样品物体的太赫兹透射图像,并利用增量维纳滤波法对该图像进行复原获得了超过系统衍射极限分辨力的太赫兹图像。实验结果表明该方法可以有效提高太赫兹波成像的空间分辨力。     

太赫兹光致力近场显微成像技术及应用研究

设计并搭建了太赫兹光致力显微成像系统(THz PiFM),首次在太赫兹波段实现了近场光力纳米显微成像测量。该系统基于原子力显微镜,利用探针对所受力的灵敏检测能力,通过探测探针与样品之间近场偶极相互作用产生的光场梯度力,实现无探测器的太赫兹近场显微成像。利用该系统,对可见光激发下的单层MoS₂晶粒进行了近场纳米显微成像表征,并分析了晶粒边缘近场光力信号增强的机制。研究结果表明,THz PiFM对二维材料中的载流子具有高灵敏的探测能力。与传统的太赫兹近场显微成像技术相比,THz PiFM无需太赫兹探测器,而且可获得更加优越的空间分辨率和成像信噪比,是一种低成本、高性能的新型太赫兹近场显微成像技术。     

太赫兹近场光学亚表面检测技术研究

研究了太赫兹散射式扫描近场光学显微镜（Terahertz scattering-type scanning near-field optical microscopy,THz s-SNOM）对亚表面金属微纳结构的显微成像检测。首次采用自主搭建的THz s-SNOM系统对表面覆盖了六方氮化硼薄膜的金微米线进行太赫兹近场显微测量,获得了具有纳米量级空间分辨率和较高对比度的近场显微图。结合全波数值模拟,分析了THz s-SNOM探测亚表面金属微纳结构的空间分辨率、近场散射信号强度和成像对比度。研究表明,THz s-SNOM具有优良的亚表面显微成像检测能力,可应用于微纳电子器件的亚表面结构表征和缺陷检测。     

太赫兹Gabor同轴数字全息二维再现像复原

提出结合分段对比度拉伸变换(PCST)和基于块的局部最优维纳(PLOW)滤波算法进行太赫兹Gabor同轴数字全息二维再现像图像复原的方法。分别介绍了PCST和PLOW的工作原理,给出了PCST-PLOW组合滤波算法的工作流程。对真实的2.52THz数字全息再现像进行了去噪处理,并对每一处理过程进行了对比分析。比较了PCST节点对增强效果的影响,其节点的起点和终点分别根据直方图和图像均值确定。对真实太赫兹再现像的处理结果显示:去噪处理后的40帧平均全息图再现像的整体标准差由0.184 9提升到0.307 4,均值与标准差的比值由1.720 8提升到2.268 8。得到的结果表明所用方法明显抑制了噪声,同时提高了图像对比度。     

基于超表面的太赫兹复用成像

提出了一种基于单层超表面的太赫兹复用器件。该器件基于PB(back propagation)相位理论、广义斯涅耳定律以及马吕斯定律,实现了空间分复用成像。计算结果表明,所设计的器件能将一束线偏振入射光离轴出射,并产生多通道的复用图像。该器件的研究对拓展THz波段的高分辨成像、多通道信息传输等功能具有重要意义。     

飞秒全息成像技术研究

飞秒全息成像技术目前主要有两个应用方向：飞行中的光波记录方法以及透过高散射介质（特别是生物活组织）成像。本文针对第二个应用方向作了一些初步工作，建立起了一套完整的电子全息系统，包括数字再现软件、ＣＣＤ摄像机、图像采集处理机。采用建立的电子学全息系统，在空气中拍摄了金属丝的飞秒全息图，为进一步利用飞秒全息技术研究透过高散射介质成像打下了基础。     

基于半导体的可调谐太赫兹滤波器研究

太赫兹滤波器在通信、传感、成像等领域有着广泛的应用。提出了一个基于半导体材料砷化镓的周期性微结构可调谐太赫兹滤波器,并对半导体材料的电介质特性以及微结构的太赫兹滤波特性进行模拟研究。提出了基于光栅结构的太赫兹滤波器,用CST软件时域有限差分法(FDTD)进行模拟仿真,0.1~5.0THz频段的太赫兹波垂直入射光栅表面,在225~325K范围内可获得工作频率为0.35~1.51 THz,1.16 THz的滤波带宽,同时保持透过率在85%以上,这对太赫兹滤波器的滤波带宽和透过率的提升具有重大意义。     

一种基于局部信息模糊聚类的太赫兹图像分割算法

以太赫兹图像分割为研究内容,分析了太赫兹图像的空频域特征,并在此基础之上提出了一种基于模糊局部信息C均值聚类的分割算法。由于FLICM算法充分利用局部空间信息和局部灰度信息,能够很好地描述模糊性,对于边界不清晰的太赫兹图像有很好地效果。采用不同成像条件下的多类太赫兹图像进行实验,结果表明此方法能够很好地克服边缘模糊、随机噪声、条纹噪声等干扰,分割所得目标轮廓完整、准确,有较高的精度,为进一步的太赫兹图像目标识别打下了良好的基础。     

固化剂及其固化物的太赫兹光谱分析

太赫兹时域光谱技术可以分辨化合物结构上的微小差异并应用于物质检测与分析,为物质的鉴别及更宽有效光谱区的测试提供了新的实验方法。本文采用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术,在室温氮气环境下对固化剂及其固化产物进行了光谱测试,获得了样品在0.2-2.5THz波段的时域光谱,并通过计算得到固化剂及其固化物的吸收谱及折射率谱。实验结果表明,固化剂和固化物在THz范围内敏感,可以根据各自在THz波段的特征光谱得以区分。     

基于高分辨质谱技术的整体动物体内药物成像分析新方法研究

质谱分子成像技术作为体内药物分析的新兴工具受到越来越多的关注,其中生物体内复杂基质的干扰是面临的关键问题之一。本研究利用高分辨质谱技术的优势,采用空气动力辅助离子化质谱成像方法（AFAI-MSI）,建立了高特异性的整体动物体内药物成像分析新方法,以提高体内药物成像分析结果的准确性和可靠性。以候选新药右旋娃儿藤宁碱（S-(+)-deoxytylophorinidine, CAT）为研究对象,采用高分辨质谱全扫描与靶向扫描相结合的方式,对整体动物体内药物的分布进行AFAI-MSI分析。结果表明,该方法能够准确地反映药物特异性分布和处置情况。通过一次质谱成像实验,从整体动物水平同时实现了候选新药体内分布和药物干预下内源性代谢物的成像分析,为候选新药的早期研发提供思路与手段。     

EXAMINATION OF ORAL TISSUES BY FOURIER TRANSFORM SPECTRAL IMAGING FLUORESCENCE

Fourier transform imaging spectroscopy was combined with fluorescence microscopy and a cooled CCD detector for examination of human oral tissues. Oral tissue fragments, obtained from patients, were irradiated at 365 nm by a mercury lamp through the microscope objectives. Microscope images were transferred to an imaging Fourier transform spectrometer and to a CCD camera for simultaneous recording of the fluorescence spectra at each image pixel. Detailed information was observed at a microscopic resolution. Oral tissue fragments were also treated with aluminum phthalocyanine tetrasulfonatre (AlPcS₄) prior to irradiation and imaging. Since the latter is preferentially retained in proliferating vascular tissue such as oral tumors, its effect upon the fluorescence imaging is of practical importance. AlPcS₄ is highly soluble in biological solutions and has a strong absorbance at our excitation wavelength and a strong emission peak at λ = 680 nm; therefore, it was found suitable for detection of malignant tumors by this method. It was found that the proposed spectral imaging method, when combined with fluorescence labeling, allows for direct, in vivo, medical examination of oral tissues with detailed spatial resolution.     

爆炸性物质的太赫兹(THz)光谱分析

介绍了利用自由空间电光取样方法对爆炸性物质进行太赫兹（THz）频段的时间分辨光谱测量.得到了四种爆炸性材料的透射光谱,得出了它们在THz频段的光学特性.DNT（2,4-二硝基甲苯）在此频段有特征吸收峰,经过钝化的RDX（黑索今）在0.6-0.9THz之间吸收明显增强;而HMX（奥克托金）和TNT（2,4,6-三硝基甲苯）磷状结晶片对THz波的吸收较小,在0.4-1.2THz的频率范围内折射率不随频率发生显著改变.研究这四种常见的爆炸物特征谱线及在THz波段的光学参数,对于建立爆炸物材料THz波段指纹谱数据库和检测环境中危险物质,排除安全隐患具有重要意义.     

Microcomputer system for ion microscopy digital imaging and processing

Analytical ion microscopy is a powerful tool for biological tissue analysis as it allows direct chemical distribution imaging, even at low element concentrations. A microcomputer based digital imaging system achieving acquisition at low light level is presented. It includes a high sensitivity video camera connected to a specialized image processor subsystem. Acquired images consist of 512 times 512 pixels with 8 bits accuracy. Real-time image processing software has been implemented so that image processing may be performed on-line. Image processing software allows off-line image manipulation and correlation for biological interpretation of elemental mapping images. System capabilities are illustrated by a study of stable and radio iodine mapping in rat thyroid tissue.     

缺陷散射对相控阵超声全聚焦成像的影响研究

相控阵超声全聚焦成像充分利用了检测信号,具有成像精度高、可进行缺陷识别等特点,是未来最具应用前景的相控阵成像算法之一。然而,目前相控阵超声全聚焦成像仍不能实现缺陷的高分辨率成像,无法对缺陷进行准确的定性、定量分析。为此,采用有限元仿真相控阵传感器的全阵列采集(FMC)过程,在全矩阵数据的基础上设计全聚焦成像程序,对圆孔和裂纹两种典型缺陷进行TFM成像,研究典型缺陷的TFM成像规律,从缺陷散射的角度分析影响相控阵超声全聚焦成像的因素。结果表明,实际检测中相控阵超声传感器只能接收到缺陷的部分散射信息,而相控阵超声在缺陷处的散射场分布与缺陷的类型、尺寸、角度及入射波类型、入射角度等因素有关,因此能否接收到缺陷散射的主要能量是影响全聚焦成像精度的关键。     

Digital holographic microscopy and focusing methods based on image sharpness

Digital holographic microscope allows imaging of opaque and transparent specimens without staining. A digitally recorded hologram must be reconstructed numerically at the actual depth of the object to obtain a focused image. We have developed a high‐resolution digital holographic microscope for imaging amplitude and phase objects with autofocusing capability. If the actual depth of an object is not known a priori, it is estimated by comparing the sharpness of several reconstructions at different distances, which is very demanding in means of computational power when the recorded hologram is large. In this paper, we present 11 different sharpness metrics for estimating the actual focus depths of objects. The speed performance of focusing is discussed, and a scaling technique is introduced where the speed of autofocusing increases on the order of square of the scale ratio. We measured the performance of scaling on computer‐generated holograms and on recorded holograms of a biological sample. We show that simulations are in good agreement with the experimental results.     

惯性约束聚变靶丸高精度X射线数字成像

为了实现惯性约束聚变(ICF)靶丸几何尺寸的高精度、高效率检测,开展了靶丸X射线数字化成像系统的设计与研制。首先,分析了X射线直接投影成像和X射线透镜耦合显微成像的适用范围,根据ICF靶丸尺寸小、吸收衬度弱的特点,确定了基于X射线透镜耦合显微成像的技术路线。然后,分析了影响系统成像分辨率、图像衬度和测量效率的关键因素,确定了低几何放大成像,低电压、小焦点、高功率X射线源及高分辨CCD探测的总体技术方案,该方案能够有效抑制相衬效应和半影误差,解决了现有X射线数字成像设备测量靶丸时边缘扩展严重、尺寸测量误差大的问题。最后,对系统的性能进行了分析测试,实验结果表明,系统成像衬度良好,成像效率较高,分辨率优于0.5μm。靶丸几何尺寸的测量不确定度可达0.9μm(k=2),满足ICF靶丸几何尺寸高精度、高效率的检测需求。     

加密同轴全息数字水印

在研究数字全息技术的基础上,提出了一种新的加密的同轴全息数字水印方法。该方法包括加密和解密两个过程。加密过程首先将原始二值水印图像经过输入面和频谱面上分别放置随机相位模板进行调制加密,生成加密的复数图像,将其作为物光信息,再与参考光信息叠加生成同轴全息图像,然后将其作为水印嵌入到载体图像中;解密过程是加密过程的逆过程,水印重建不需要原始图像的参与,属盲检测过程。在理论分析部分证明了该水印技术的有效性,在仿真实验部分证明了该水印技术具有抗随机噪声干扰、剪切干扰、有损压缩和低通滤波等常见的干扰能力。文中还详细研究了全息数字水印的嵌入强度及对应恢复水印的效果。