實(shí)時(shí)高分辨率的THz成像的應(yīng)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(dǎo)電天線作為太赫茲源和一個(gè)未冷卻的微測(cè)輻射熱計(jì)相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。利用我們的RIGI太赫茲相機(jī)，做了對(duì)應(yīng)的測(cè)試。結(jié)果表明，THz相機(jī)對(duì)（生物）材料的隱藏項(xiàng)目、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和水分含量都可以很好的解決。本文的編寫是基于參考文獻(xiàn)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(yīng)用中，樣品的無(wú)損檢測(cè)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?yàn)樗梢蕴峁﹣喓撩椎姆直媛省４送猓S多材料在這個(gè)頻率范圍內(nèi)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(yīng)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(duì)外部太赫茲研究的應(yīng)用目前并不普遍。理論上，太赫茲傳輸成像裝置可以由單線源、準(zhǔn)直透鏡和像素陣列相機(jī)組成。這種簡(jiǎn)單的設(shè)置是工業(yè)和安全應(yīng)用程序的一個(gè)很有前途的候選者。然而，可實(shí)現(xiàn)的分辨率和圖像質(zhì)量分別受到輻照波長(zhǎng)、所有光學(xué)組件的數(shù)值孔徑NA以及相機(jī)特性（像素大小、靈敏度等）的限制。特別是為了規(guī)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(nèi)zui常用的源是遠(yuǎn)紅外（FIR）氣體激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器（QCLs）和光導(dǎo)電天線（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(xù)波（cw），在2.52THz時(shí)，輸出功率超過(guò)150mW。輸出波長(zhǎng)取決于太赫茲諧振器中的氣體。然而，連續(xù)波激光器只發(fā)射一條線，而且穩(wěn)定的操作可能具有挑戰(zhàn)性。zui近，相對(duì)緊湊的太赫茲qcl開始在沒有低溫恒溫器的情況下工作，使用熱電冷卻器，溫度高達(dá)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(bào)道的峰值輸出功率達(dá)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(xiàn)室溫運(yùn)行、更大的帶寬和更高的功率。

PCA結(jié)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(dá)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(cè)器的限制。大多數(shù)商業(yè)上可用的太赫茲時(shí)域光譜儀（THz-TDS）使用PCA結(jié)合離軸拋物面鏡（OAPMs）作為基礎(chǔ)。緊湊和堅(jiān)固的THz-TDS的應(yīng)用迅速?gòu)牡?個(gè)報(bào)道的水汽吸收表征的用例擴(kuò)展到其他研究學(xué)科，甚至包括（藝術(shù)）保護(hù)和考古學(xué)。到目前為止，對(duì)于THz-TDS成像，只報(bào)道了多像素探測(cè)器的原型；圖像采集需要對(duì)樣本進(jìn)行連續(xù)掃描，但不能提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。然而，掃描THz-TDS為工業(yè)應(yīng)用中太赫茲成像的適應(yīng)鋪平了道路。g.漆面厚度測(cè)定方法。由于PCA的廣泛應(yīng)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(shù)字微鏡設(shè)備調(diào)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(xiàn)了3232像素的分辨率。相反，他們的方法需要復(fù)雜的設(shè)備，而本文講述了一種基于簡(jiǎn)單傳輸設(shè)置的方法，使用PCA作為源，并利用微測(cè)輻射熱計(jì)相機(jī)的新改進(jìn)。我們的方法可以提供更高的分辨率，更適合現(xiàn)場(chǎng)（工業(yè)）應(yīng)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(jī)特性、設(shè)置，并描述了數(shù)據(jù)處理。我們實(shí)時(shí)記錄了太赫茲波束形狀，并用西門子星確定了空間分辨率。通過(guò)對(duì)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(yīng)用中的適用性。

二． 實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)方法

2.1照相機(jī)和鏡頭的屬性

實(shí)驗(yàn)使用了瑞士太赫茲相機(jī)和太赫茲鏡頭。其規(guī)格分別見表1和表2。

表1：攝像機(jī)的技術(shù)規(guī)格書。

使用相機(jī)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(cè)器結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)對(duì)低頻太赫茲輻射的吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

表2：鏡頭的技術(shù)規(guī)格書。

2.2  實(shí)驗(yàn)裝置

該系統(tǒng)中，用了一個(gè)基于100µmInGaAs的帶線天線作為發(fā)射機(jī)（TX）。它的偏置設(shè)置為120V，用脈沖1550nm鉺光纖激光器（脈沖持續(xù)時(shí)間：60fs，重復(fù)頻率：100MHz）。到達(dá)TX的22.3mW的NIR泵被轉(zhuǎn)換為大約40µW連續(xù)當(dāng)量的線性極化太赫茲輻射。在所有實(shí)驗(yàn)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型(見圖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(duì)OAPM對(duì)（與第1對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱）引導(dǎo)到探測(cè)器上。此外在平行光束部分插入兩個(gè)線柵偏振器，以確保高度的線極化。此外，它們還允許通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振器的方法來(lái)降低強(qiáng)度。為了簡(jiǎn)化圖1的設(shè)置，我們刪除了所有的OAPM，直接照亮樣品，并用專門為RIGI相機(jī)設(shè)計(jì)的鏡頭拍攝圖像(圖2).

圖1:之字形設(shè)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(dǎo)到相機(jī)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(dá)樣品之前被一個(gè)硅透鏡準(zhǔn)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(biāo)平面600毫米以上的相機(jī)/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(duì)準(zhǔn)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(qū)域的大小。大多數(shù)樣品被安裝在靠近準(zhǔn)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(jī)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(jī)鏡頭的設(shè)計(jì)（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(xiàn)給大家。

三． 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 THz-TDS光束輪廓

作為第1個(gè)概念驗(yàn)證，我們用圖1所示的設(shè)置測(cè)量了PCA發(fā)射的光束輪廓。在這種配置中，我們對(duì)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(qiáng)度對(duì)于高靈敏度的相機(jī)來(lái)說(shuō)過(guò)高，偏振器P2θ~旋轉(zhuǎn)了65°,根據(jù)馬氏定律(I=I0*cos2)大約是初始強(qiáng)度通過(guò)的18%。假設(shè)沿光路進(jìn)一步損失50%，我們預(yù)計(jì)平均強(qiáng)度小于300mW/m2在探測(cè)器上，但我們?nèi)匀荒軌蛟跊]有任何數(shù)據(jù)處理的情況下獲得良好的對(duì)比度（見圖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(jī)獲得的。數(shù)據(jù)采集以9幀每秒的速度進(jìn)行，允許實(shí)驗(yàn)者立即獲得即時(shí)反饋。即使是未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)也直接從攝像機(jī)中流出。圖3（a、b）)為定性的分析提供了足夠的信息。對(duì)相機(jī)數(shù)據(jù)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，向地平線傾斜約45°。靠近焦點(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(xù)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(jī)軟件（a、b）保存的數(shù)據(jù)，并將相同的數(shù)據(jù)與應(yīng)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(qiáng)度分布見（b、d、e）。

3.2 拍攝西門子星

第1次成像測(cè)試是在一顆西門子星上進(jìn)行的(圖中的可見光攝影（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(qiáng)烈的樣品輻照中獲益（由于光束尺寸較小，可實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度更高），將樣品放置在標(biāo)準(zhǔn)位置(見圖1).通過(guò)有意地將第1OAPM對(duì)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?cái)U(kuò)大了被照亮的樣本面積。通過(guò)這種方法，西門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(jié)構(gòu)不允許對(duì)如此大的樣本進(jìn)行無(wú)失真成像。這可以通過(guò)稍微重新定位西門子之星來(lái)證明(圖4(c)).切換到線性設(shè)置(圖2)允許解決完整的西門子之星(圖4(d)).對(duì)于這個(gè)數(shù)據(jù)集，我們沒有使用任何空間濾波來(lái)避免其對(duì)空間分辨率確定的影響。只應(yīng)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子之星的旋轉(zhuǎn)情況(見圖4（f-h)和補(bǔ)充材料中的視頻S2),只是有一些輕微的強(qiáng)度波動(dòng)和變化。

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

這些圖像的質(zhì)量允許對(duì)空間分辨率的估計(jì)。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)開口之間的平均對(duì)比度大于zui高對(duì)比度的10%。分辨率大于Tres=2·T分/N，其中N=9為輻條數(shù)。對(duì)于當(dāng)前的成像設(shè)置，分辨率為rres=1.05（15）mm由10個(gè)不同的西門子星形圖像估計(jì)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(cè)隱藏的（金屬）物體的能力。5（a，d）)，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的紙信封隱藏。兩個(gè)非常相似的鍵被放置在離相機(jī)組件大約600毫米遠(yuǎn)的太赫茲光束中(見圖2).用位于樣品和相機(jī)之間的3mm特氟隆抑制熱圖像。正如預(yù)期的那樣，一個(gè)沒有信封的金屬鑰匙被清楚地解決了(圖5(b)).后處理增強(qiáng)了對(duì)比度，并使邊緣更加清晰(圖5.(c)，視頻S3在補(bǔ)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(shù)據(jù)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。總的來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵的形狀相當(dāng)微弱，但后處理可以提高視覺清晰度，甚至連紙信封的邊緣都變得可見(圖5(f)).補(bǔ)充材料中的視頻S4展示了實(shí)驗(yàn)是如何在實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)紙信封（e、f）內(nèi)解析，并標(biāo)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(qū)域?qū)λ膹?qiáng)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(píng)估我們的方法的潛力。三個(gè)不同的葉子標(biāo)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(jié)和補(bǔ)充材料中的視頻S6的描述進(jìn)行掃描。縫合的圖像(圖6(b))以及示范性的單幀(圖6（c-e）從視頻S5的補(bǔ)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(xì)節(jié)的能力，但這可以進(jìn)行準(zhǔn)確的定性分析，甚至實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)擴(kuò)散過(guò)程。

圖6. 實(shí)驗(yàn)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，以獲得更好的視覺清晰度；部分仍然可見。不同的葉子(b)的太赫茲圖像與一對(duì)鑷子增強(qiáng)對(duì)比度（垂直線）和特四氟乙烯薄片的邊緣（頂部，水平）可見。水分含量越高，明顯表現(xiàn)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(jī)切割的木材樣品被安裝在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的支架中。在樣品和相機(jī)之間使用3mm的特氟隆實(shí)現(xiàn)熱圖像抑制。旋轉(zhuǎn)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(yù)防措施可以確定偏振對(duì)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(qū)域的近似每年的環(huán)已經(jīng)在原始的太赫茲圖像中可見了(圖。7(b))，并在后處理的數(shù)據(jù)中變得更加明顯(圖7(c)).每種配置都可以清楚地識(shí)別出年環(huán)。沒有證據(jù)表明環(huán)的方向會(huì)影響圖像的對(duì)比度。太赫茲圖像(圖7（b，c）)是一個(gè)視頻剪輯（補(bǔ)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?qū)崟r(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(duì)應(yīng)于從實(shí)時(shí)記錄的完整樣本旋轉(zhuǎn)中選擇的太赫茲單幀（b，c）。從相機(jī)獲得的未處理數(shù)據(jù)(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(duì)于準(zhǔn)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(cè)到通過(guò)塑料（食物）容器的強(qiáng)傳輸信號(hào)，但使用準(zhǔn)直光束和相機(jī)而不是RX，不能記錄有效的信號(hào)。雖然該相機(jī)非常靈敏，但擴(kuò)展的光束結(jié)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(duì)于當(dāng)前的成像設(shè)置，分辨率為rres=1.05（15）mm是根據(jù)西門子星形圖像估計(jì)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(yuǎn)(圖3（d，e）)為0.65（10）mm，zui大強(qiáng)度為THz-TDS的波長(zhǎng)（0.6mm對(duì)應(yīng)0.5THz），這決定了zui大可達(dá)到的分辨率。我們假設(shè)，對(duì)有限分辨率的一個(gè)相關(guān)貢獻(xiàn)是使用寬帶發(fā)射器而不是單線源。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(dǎo)信號(hào)模糊了圖像，并主導(dǎo)了分辨率特性。此外，在環(huán)境條件下的強(qiáng)水蒸氣吸收大大降低了較短波長(zhǎng)的強(qiáng)度，只留下較長(zhǎng)的波長(zhǎng)可用于成像。由于圖像質(zhì)量高度依賴于光路長(zhǎng)度，減少源、樣品和相機(jī)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(duì)需要的，正在開發(fā)的更高效的PCA可以在更短的波長(zhǎng)下提供更大的頻率帶寬和更高的強(qiáng)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(qiáng)度為高對(duì)比度太赫茲圖像，可以分辨當(dāng)前設(shè)置無(wú)法訪問(wèn)的較小結(jié)構(gòu)。

通過(guò)概念證明，復(fù)雜的樣本結(jié)構(gòu)可以被成像( 圖6 & 圖7 )，在這項(xiàng)工作中描述的設(shè)置也可以為材料科學(xué)家提供更容易的太赫茲實(shí)驗(yàn)。

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(qū)體衍生的材料來(lái)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。后者也可以作為連接生物學(xué)的橋梁。對(duì)樹葉、草、作物、幼樹（樹）樹苗進(jìn)行的田間、體內(nèi)實(shí)驗(yàn)都在可能的范圍內(nèi)。由于相對(duì)較高的便攜性、低功耗和魯棒性，在沒有基礎(chǔ)設(shè)施/離網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)似乎是可行的。

從生物樣本成像能力，農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)也可以直接獲利。通過(guò)監(jiān)測(cè)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(shè)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(yīng)用，而且可以保證在運(yùn)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(cè)變質(zhì)或異物(見圖5).后者還立即意味著適用于郵件篩選等安全應(yīng)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(jiān)測(cè)、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(cè)量太赫茲透明材料在傳輸過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)。

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

五．結(jié)論

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

希望能夠在THz的領(lǐng)域與您展開廣泛的合作。

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