[发明专利]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

说明书

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。

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二维平移和样品与波束之间的相对旋转。

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：