實(shí)時(shí)高分辨率的THz成像的應用

本文講述了一種實(shí)時(shí)太赫茲成像方法，使用一個(gè)商用光纖耦合光電導電天線(xiàn)作為太赫茲源和一個(gè)未冷卻的微測輻射熱計相機進(jìn)行檢測。利用我們的RIGI太赫茲相機，做了對應的測試。結果表明，THz相機對（生物）材料的隱藏項目、復雜結構和水分含量都可以很好的解決。本文的編寫(xiě)是基于參考文獻1的研究成果。

一． 簡(jiǎn)介

在材料科學(xué)以及工業(yè)和安全應用中，樣品的無(wú)損檢測是一個(gè)重要的前提。非電離太赫茲輻射可以是一種選擇，因為它可以提供亞毫米的分辨率。此外，許多材料在這個(gè)頻率范圍內具有較高的透射率。已通過(guò)太赫茲輻射成功的研究了塑料、陶瓷、非法藥物、、爆炸物、木材、紙、葉和血液]等廣泛的材料。此外，大量基于（次）太赫茲輻射的安全應用程序已經(jīng)被提出，其中一些是商用的。盡管具有巨大的潛力，針對外部太赫茲研究的應用目前并不普遍。理論上，太赫茲傳輸成像裝置可以由單線(xiàn)源、準直透鏡和像素陣列相機組成。這種簡(jiǎn)單的設置是工業(yè)和安全應用程序的一個(gè)很有前途的候選者。然而，可實(shí)現的分辨率和圖像質(zhì)量分別受到輻照波長(cháng)、所有光學(xué)組件的數值孔徑NA以及相機特性（像素大小、靈敏度等）的限制。特別是為了規避光學(xué)組件的限制，無(wú)透鏡成像將是一種很好的選擇。到目前為止，頻率在0.2-4THz范圍內zui常用的源是遠紅外（FIR）氣體激光器、量子級聯(lián)激光器（QCLs）和光導電天線(xiàn)（PCAs）。

FIR氣體激光器是基于高功率、中紅外CO的2-激光泵浦一個(gè)太赫茲腔。它們的太赫茲發(fā)射可以是連續波（cw），在2.52THz時(shí)，輸出功率超過(guò)150mW。輸出波長(cháng)取決于太赫茲諧振器中的氣體。然而，連續波激光器只發(fā)射一條線(xiàn)，而且穩定的操作可能具有挑戰性。zui近，相對緊湊的太赫茲qcl開(kāi)始在沒(méi)有低溫恒溫器的情況下工作，使用熱電冷卻器，溫度高達250K。在頻率梳操作中，帶寬一直高于一個(gè)八度的，但它仍然被限制在1THz-6THz。zui近，報道的峰值輸出功率達到2W（58K，3.3THz，單模）。盡管取得了很好的進(jìn)展，但還需要更多的研究來(lái)實(shí)現室溫運行、更大的帶寬和更高的功率。

PCA結合了上述源的許多優(yōu)點(diǎn)：它們是緊湊、建立良好的寬帶源，帶寬高達6THz和90dB動(dòng)態(tài)范圍。它們的性能受到近紅外（NIR）泵浦脈沖、載流子壽命和所選探測器的限制。大多數商業(yè)上可用的太赫茲時(shí)域光譜儀（THz-TDS）使用PCA結合離軸拋物面鏡（OAPMs）作為基礎。緊湊和堅固的THz-TDS的應用迅速從第1個(gè)報道的水汽吸收表征的用例擴展到其他研究學(xué)科，甚至包括（藝術(shù)）保護和考古學(xué)。到目前為止，對于THz-TDS成像，只報道了多像素探測器的原型；圖像采集需要對樣本進(jìn)行連續掃描，但不能提供實(shí)時(shí)數據。然而，掃描THz-TDS為工業(yè)應用中太赫茲成像的適應鋪平了道路。g.漆面厚度測定方法。由于PCA的廣泛應用，太赫茲成像非常有吸引力。例如，斯坦切夫等人。使用PCA進(jìn)行實(shí)時(shí)單像素成像。他們通過(guò)數字微鏡設備調制太赫茲波束的方法保留了THz-TDS的時(shí)域能力，同時(shí)仍然以每秒6幀（fps）的速度實(shí)現了3232像素的分辨率。相反，他們的方法需要復雜的設備，而本文講述了一種基于簡(jiǎn)單傳輸設置的方法，使用PCA作為源，并利用微測輻射熱計相機的新改進(jìn)。我們的方法可以提供更高的分辨率，更適合現場(chǎng)（工業(yè)）應用，但犧牲了光譜信息。

在本文中，我們簡(jiǎn)要概述了該方法、相機特性、設置，并描述了數據處理。我們實(shí)時(shí)記錄了太赫茲波束形狀，并用西門(mén)子星確定了空間分辨率。通過(guò)對隱藏在紙信封中的鑰匙的成像、葉片中不同含水量的定性分辨率和木材中年環(huán)的成像，證明了該方法在實(shí)際應用中的適用性。

二． 實(shí)驗設備以及實(shí)驗方法

2.1照相機和鏡頭的屬性

實(shí)驗使用了瑞士太赫茲相機和太赫茲鏡頭。其規格分別見(jiàn)表1和表2。

表1：攝像機的技術(shù)規格書(shū)。

使用相機RIGIS2x是一個(gè)新的原型，是優(yōu)化的低頻成像。這是通過(guò)一個(gè)優(yōu)化的探測器結構來(lái)增強對低頻太赫茲輻射的吸收來(lái)實(shí)現的。

表2：鏡頭的技術(shù)規格書(shū)。

2.2  實(shí)驗裝置

該系統中，用了一個(gè)基于100µmInGaAs的帶線(xiàn)天線(xiàn)作為發(fā)射機（TX）。它的偏置設置為120V，用脈沖1550nm鉺光纖激光器（脈沖持續時(shí)間：60fs，重復頻率：100MHz）。到達TX的22.3mW的NIR泵被轉換為大約40µW連續當量的線(xiàn)性極化太赫茲輻射。在所有實(shí)驗過(guò)程中，THz-TDS掃描時(shí)間均固定在70ps。光學(xué)裝置是鋸齒形透射幾何類(lèi)型(見(jiàn)圖1):光經(jīng)過(guò)兩個(gè)OAPM后發(fā)散輸出，然后被另外兩個(gè)OAPM聚焦。一個(gè)樣品可以放置在光束的腰部。透射的輻射由第二對OAPM對（與第1對旋轉對稱(chēng)）引導到探測器上。此外在平行光束部分插入兩個(gè)線(xiàn)柵偏振器，以確保高度的線(xiàn)極化。此外，它們還允許通過(guò)旋轉偏振器的方法來(lái)降低強度。為了簡(jiǎn)化圖1的設置，我們刪除了所有的OAPM，直接照亮樣品，并用專(zhuān)門(mén)為RIGI相機設計的鏡頭拍攝圖像(圖2).

圖1:之字形設置示意圖通過(guò)光纖，fs泵浦激光器(λ=1550nm)激發(fā)TX,TX又發(fā)射太赫茲輻射。四個(gè)OAPM和兩個(gè)偏振器P1,P2將太赫茲輻射引導到相機傳感器上(位于太赫茲TDS中RX的位置)。

圖2：基于透鏡的成像的示意圖，TX的太赫茲發(fā)射在它到達樣品之前被一個(gè)硅透鏡準直。為了抑制熱圖像，樣品被安裝在一塊特四氟乙烯薄膜上。使用距離目標平面600毫米以上的相機/鏡頭組合記錄透射輻射。

TX大致被放置在一個(gè)硅（Si）透鏡（f=25mm，d=25mm）的焦點(diǎn)上，它對準了太赫茲發(fā)射器的發(fā)散輻射。透鏡和主成分分析之間的精確距離決定了照明區域的大小。大多數樣品被安裝在靠近準直透鏡的1mm厚的聚四氟乙烯片上，用于熱圖像抑制。如果這是不可能的，在樣品和相機之間放置一個(gè)3毫米的特氟隆片。此外，將黑色聚乙烯（PE）箔固定在TX上，以削弱泄漏的1550nmNIR泵浦脈沖。由于相機鏡頭的設計（f=44mm），zui小成像距離為600mm。

通過(guò)已有的成像技術(shù)，進(jìn)行成像處理，并呈現給大家。

三． 實(shí)驗結果

3.1 THz-TDS光束輪廓

作為第1個(gè)概念驗證，我們用圖1所示的設置測量了PCA發(fā)射的光束輪廓。在這種配置中，我們對傳感器的光束形狀進(jìn)行了1：1的成像。由于聚焦光束的強度對于高靈敏度的相機來(lái)說(shuō)過(guò)高，偏振器P2θ~旋轉了65°,根據馬氏定律(I=I0*cos2)大約是初始強度通過(guò)的18%。假設沿光路進(jìn)一步損失50%，我們預計平均強度小于300mW/m2在探測器上，但我們仍然能夠在沒(méi)有任何數據處理的情況下獲得良好的對比度（見(jiàn)圖3（a，b））。圖3中的圖像代表了一個(gè)電影剪輯的單幀，這是通過(guò)沿太赫茲傳播方向移動(dòng)攝像機獲得的。數據采集以9幀每秒的速度進(jìn)行，允許實(shí)驗者立即獲得即時(shí)反饋。即使是未經(jīng)處理的數據也直接從攝像機中流出。圖3（a、b）)為定性的分析提供了足夠的信息。對相機數據進(jìn)行后處理(圖3（c-f）顯示光束失去焦點(diǎn)。圖3（c，f）)為橢圓形，向地平線(xiàn)傾斜約45°?？拷裹c(diǎn)(圖3（d，e）)，梁略呈十字形。此外，還可以解決從+45°到-45°傾斜的連續過(guò)渡。

圖3：選定的一維實(shí)時(shí)光束形狀掃描的單幀。從相機軟件（a、b）保存的數據，并將相同的數據與應用后處理（c、d）進(jìn)行假色比較。子圖（a、c、f）描繪了兩個(gè)失焦位置（焦點(diǎn)前后）的光束形狀。接近焦點(diǎn)的空間強度分布見(jiàn)（b、d、e）。

3.2 拍攝西門(mén)子星

第1次成像測試是在一顆西門(mén)子星上進(jìn)行的(圖中的可見(jiàn)光攝影（VIS）。4(a)，外徑d=12.5mm，邊緣直徑d邊=10.6毫米，9個(gè)輻條)，激光消融從一個(gè)薄薄的金屬片上，并安裝在一個(gè)1毫米厚的聚四氟乙烯片上。為了從THz-TDS中更強烈的樣品輻照中獲益（由于光束尺寸較小，可實(shí)現的強度更高），將樣品放置在標準位置(見(jiàn)圖1).通過(guò)有意地將第1OAPM對和TX移動(dòng)到更靠近樣本的位置，將焦點(diǎn)移動(dòng)到樣本平面之外，有效地擴大了被照亮的樣本面積。通過(guò)這種方法，西門(mén)子明星的一部分可以被成像(圖4(b)).然而，使用oapm的鋸齒形結構不允許對如此大的樣本進(jìn)行無(wú)失真成像。這可以通過(guò)稍微重新定位西門(mén)子之星來(lái)證明(圖4(c)).切換到線(xiàn)性設置(圖2)允許解決完整的西門(mén)子之星(圖4(d)).對于這個(gè)數據集，我們沒(méi)有使用任何空間濾波來(lái)避免其對空間分辨率確定的影響。只應用了死像素去除(圖4(e)).錄制的實(shí)時(shí)視頻很好地顯示了西門(mén)子之星的旋轉情況(見(jiàn)圖4（f-h)和補充材料中的視頻S2),只是有一些輕微的強度波動(dòng)和變化。

圖4：金屬西門(mén)子星的成像。西門(mén)子之星(a)為可見(jiàn)光圖片，圖像與西門(mén)子外緣星可見(jiàn)(b)，而在(c)只有中心部分可分辨。未經(jīng)處理的THz數據(d)和假色，應用死像素去除(e)。西門(mén)子星的外緣（藍色圓圈）和分辨率限制（紅色圓圈）。

這些圖像的質(zhì)量允許對空間分辨率的估計。首先,zui小的半徑是T分在一個(gè)有中心的圓中，一個(gè)輻條和一個(gè)開(kāi)口之間的平均對比度大于zui高對比度的10%。分辨率大于Tres=2·T分/N，其中N=9為輻條數。對于當前的成像設置，分辨率為rres=1.05（15）mm由10個(gè)不同的西門(mén)子星形圖像估計得到。

 3.3拍攝把鑰匙放在信封里

我們通過(guò)檢查金屬鍵來(lái)證明我們的方法從更大的距離檢測隱藏的（金屬）物體的能力。5（a，d）)，用一個(gè)標準的紙信封隱藏。兩個(gè)非常相似的鍵被放置在離相機組件大約600毫米遠的太赫茲光束中(見(jiàn)圖2).用位于樣品和相機之間的3mm特氟隆抑制熱圖像。正如預期的那樣，一個(gè)沒(méi)有信封的金屬鑰匙被清楚地解決了(圖5(b)).后處理增強了對比度，并使邊緣更加清晰(圖5.(c)，視頻S3在補充材料中)。由于粗糙紙表面的吸收和衍射，將金屬鑰匙放入紙信封中，降低了圖像質(zhì)量。5(e)).另外的質(zhì)量損失來(lái)自于將數據保存為8位jpg，這種格式似乎不適合我們的太赫茲成像目的?？偟膩?lái)說(shuō)，關(guān)鍵的形狀相當微弱，但后處理可以提高視覺(jué)清晰度，甚至連紙信封的邊緣都變得可見(jiàn)(圖5(f)).補充材料中的視頻S4展示了實(shí)驗是如何在實(shí)驗室中進(jìn)行的。

圖5：金屬鍵的成像圖拍攝粗糙尺寸（a、d），按鍵的原始THz圖像（b、e），去除死像素后的處理THz圖像（c、f）。鑰匙仍然可以在標準紙信封（e、f）內解析，并標記信封的邊緣(f)。

3.4 拍攝具有不同水分含量的葉片

太赫茲區域對水的強吸收使太赫茲成像成為生物樣本的一種有趣的模式。我們通過(guò)研究不同含水量的葉片來(lái)評估我們的方法的潛力。三個(gè)不同的葉子標本(圖6(a))已安裝在1mm厚的聚四氟乙烯薄片上，并按照第2.3節和補充材料中的視頻S6的描述進(jìn)行掃描?？p合的圖像(圖6(b))以及示范性的單幀(圖6（c-e）從視頻S5的補充材料)提供了相同的明顯的更大的特征，如形狀，裂縫等。作為攝影(圖6(a)).此外，太赫茲圖像顯示，水分含量較高的葉片明顯較暗。雖然失去了解決更細節的能力，但這可以進(jìn)行準確的定性分析，甚至實(shí)時(shí)監測擴散過(guò)程。

圖6. 實(shí)驗前采集的兩個(gè)：一個(gè)來(lái)自干燥的地方（中間），一個(gè)來(lái)自潮濕的排水溝（底部）。用太赫茲透明膠帶粘在1毫米厚的特氟隆片上；通過(guò)圖像處理去除特氟隆和膠帶條紋，以獲得更好的視覺(jué)清晰度；部分仍然可見(jiàn)。不同的葉子(b)的太赫茲圖像與一對鑷子增強對比度（垂直線(xiàn)）和特四氟乙烯薄片的邊緣（頂部，水平）可見(jiàn)。水分含量越高，明顯表現為亮度越低。圖像拼接與自相關(guān)從單幀的實(shí)時(shí)一維掃描。一個(gè)典型的后處理單框架闡述了干的(c)，濕的(d)和非常濕的(e)葉。

3.5 薄木樣品

一個(gè)0.19毫米薄的切片機切割的木材樣品被安裝在一個(gè)可旋轉的支架中。在樣品和相機之間使用3mm的特氟隆實(shí)現熱圖像抑制。旋轉的零位置（‘=0°)的定義為使年環(huán)平行于太赫茲輻射的極化。這種預防措施可以確定偏振對所記錄的圖像是否有任何影響。

藝術(shù)插圖圖7(a).顯示了不同方向的實(shí)際樣品的照明區域的近似每年的環(huán)已經(jīng)在原始的太赫茲圖像中可見(jiàn)了(圖。7(b))，并在后處理的數據中變得更加明顯(圖7(c)).每種配置都可以清楚地識別出年環(huán)。沒(méi)有證據表明環(huán)的方向會(huì )影響圖像的對比度。太赫茲圖像(圖7（b，c）)是一個(gè)視頻剪輯（補充材料中的視頻S7）的單幀，盡管我們有很高的吸收，但我們能夠實(shí)時(shí)記錄。

圖7：一個(gè)薄木樣品的成像。(a)不放大不同角度的薄木樣品的近似照度的藝術(shù)插圖’，對應于從實(shí)時(shí)記錄的完整樣本旋轉中選擇的太赫茲單幀（b，c）。從相機獲得的未處理數據(b)和后處理表示與死像素去除(c).

四． 關(guān)于THz的討論

使用PCA作為太赫茲源的主要限制是低輸出功率。只要是用聚焦光束獲得的圖像，這就不那么重要了。然而，對于準直光束，輻照度隨光束半徑呈二次減小。例如，在THz-TDS（聚焦，RX）中可以檢測到通過(guò)塑料（食物）容器的強傳輸信號，但使用準直光束和相機而不是RX，不能記錄有效的信號。雖然該相機非常靈敏，但擴展的光束結合樣品吸收并不能在傳感器上提供足夠的輻照度來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。對于當前的成像設置，分辨率為rres=1.05（15）mm是根據西門(mén)子星形圖像估計的。圖4(c-f)).如果我們將它與zui小光束形狀的半zui大值的全寬進(jìn)行比較，這個(gè)分辨率與我們所能期望的zui大值相差不遠(圖3（d，e）)為0.65（10）mm，zui大強度為T(mén)Hz-TDS的波長(cháng)（0.6mm對應0.5THz），這決定了zui大可達到的分辨率。我們假設，對有限分辨率的一個(gè)相關(guān)貢獻是使用寬帶發(fā)射器而不是單線(xiàn)源。雖然輻射包含高頻，這將允許更好的空間分辨率，但來(lái)自較低頻率的主導信號模糊了圖像，并主導了分辨率特性。此外，在環(huán)境條件下的強水蒸氣吸收大大降低了較短波長(cháng)的強度，只留下較長(cháng)的波長(cháng)可用于成像。由于圖像質(zhì)量高度依賴(lài)于光路長(cháng)度，減少源、樣品和相機之間的總距離，同時(shí)抑制水蒸氣的影響將有幫助。不僅在更大的距離或環(huán)境條件下工作是絕對需要的，正在開(kāi)發(fā)的更高效的PCA可以在更短的波長(cháng)下提供更大的頻率帶寬和更高的強度。用高通濾波器屏蔽較低的頻率，同時(shí)仍然保持足夠的強度為高對比度太赫茲圖像，可以分辨當前設置無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)的較小結構。

通過(guò)概念證明，復雜的樣本結構可以被成像( 圖6 & 圖7 )，在這項工作中描述的設置也可以為材料科學(xué)家提供更容易的太赫茲實(shí)驗。

我們可以想到用聚合物、氣凝膠、（嵌入式）納米材料和由改性生物前驅體衍生的材料來(lái)進(jìn)行的實(shí)驗。后者也可以作為連接生物學(xué)的橋梁。對樹(shù)葉、草、作物、幼樹(shù)（樹(shù)）樹(shù)苗進(jìn)行的田間、體內實(shí)驗都在可能的范圍內。由于相對較高的便攜性、低功耗和魯棒性，在沒(méi)有基礎設施/離網(wǎng)的偏遠地點(diǎn)進(jìn)行長(cháng)期的現場(chǎng)實(shí)驗似乎是可行的。

從生物樣本成像能力，農業(yè)和食品工業(yè)也可以直接獲利。通過(guò)監測葉片和植物的含水量來(lái)改善水分管理。這已經(jīng)在各種太赫茲設置中得到了證明。這種成像方法不僅可以在生產(chǎn)過(guò)程中應用，而且可以保證在運輸和進(jìn)一步加工過(guò)程中的產(chǎn)品質(zhì)量。g.通過(guò)包裝實(shí)時(shí)檢測變質(zhì)或異物(見(jiàn)圖5).后者還立即意味著(zhù)適用于郵件篩選等安全應用程序。

進(jìn)一步的工業(yè)用例可以是在生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制，eg.紙張含水量監測、塑料安全檢查或回收等。同樣可以想象的是太赫茲光彈性，其中人們可以測量太赫茲透明材料在傳輸過(guò)程中的應力狀態(tài)。

寬光譜范圍和偏振控制可用于可視化和評估包裝材料和電子外殼中的殘余應力分布，也可用于在機械試驗中實(shí)時(shí)顯示應力分布。

五．結論

利用我們的RIGI太赫茲相機，我們實(shí)現了在光斑輪廓，外形輪廓，無(wú)損檢測，還有水分多少的檢測應用。并對THz的其他應用做了一些展望。我們擁有THZ相機，THZ源，THZ探測器，THZ光譜儀等THZ應用的大部分器件，

希望能夠在THz的領(lǐng)域與您展開(kāi)廣泛的合作。

更多詳情請聯(lián)系昊量光電/歡迎直接聯(lián)系昊量光電

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設備有限公司是光電產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類(lèi)激光器、光電調制器、光學(xué)測量設備、光學(xué)元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫療、科學(xué)研究、國防、量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶(hù)提供完整的設備安裝，培訓，硬件開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)，系統集成等服務(wù)。