實時高分辨率的THz成像的應(yīng)用

本文講述了一種實時太赫茲成像方法，使用一個商用光纖耦合光電導(dǎo)電天線作為太赫茲源和一個未冷卻的微測輻射熱計相機進行檢測。利用我們的RIGI太赫茲相機，做了對應(yīng)的測試。結(jié)果表明，THz相機對（生物）材料的隱藏項目、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1的研究成果。

一． 簡介

在材料科學(xué)以及工業(yè)和安全應(yīng)用中，樣品的無損檢測是一個重要的前提。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，許多材料在這個頻率范圍內(nèi)具有較高的透射率。已通過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組成。這種簡單的設(shè)置是工業(yè)和安全應(yīng)用程序的一個很有前途的候選者。然而，可實現(xiàn)的分辨率和圖像質(zhì)量分別受到輻照波長、所有光學(xué)組件的數(shù)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(guī)避光學(xué)組件的限制，無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，輸出功率超過150mW。輸出波長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(dá)到2W（58K，3.3THz，單模）。盡管取得了很好的進展，但還需要更多的研究來實現(xiàn)室溫運行、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：它們是緊湊、建立良好的寬帶源，帶寬高達(dá)6THz和90dB動態(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(shù)商業(yè)上可用的太赫茲時域光譜儀（THz-TDS）使用PCA結(jié)合離軸拋物面鏡（OAPMs）作為基礎(chǔ)。緊湊和堅固的THz-TDS的應(yīng)用迅速從第1個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行連續(xù)掃描，但不能提供實時數(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進行實時單像素成像。他們通過數(shù)字微鏡設(shè)備調(diào)制太赫茲波束的方法保留了THz-TDS的時域能力，同時仍然以每秒6幀（fps）的速度實現(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單傳輸設(shè)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。我們的方法可以提供更高的分辨率，更適合現(xiàn)場（工業(yè)）應(yīng)用，但犧牲了光譜信息。

在本文中，我們簡要概述了該方法、相機特性、設(shè)置，并描述了數(shù)據(jù)處理。我們實時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，證明了該方法在實際應(yīng)用中的適用性。

二． 實驗設(shè)備以及實驗方法

2.1照相機和鏡頭的屬性

實驗使用了瑞士太赫茲相機和太赫茲鏡頭。其規(guī)格分別見表1和表2。

表1：攝像機的技術(shù)規(guī)格書。

使用相機RIGIS2x是一個新的原型，是優(yōu)化的低頻成像。這是通過一個優(yōu)化的探測器結(jié)構(gòu)來增強對低頻太赫茲輻射的吸收來實現(xiàn)的。

表2：鏡頭的技術(shù)規(guī)格書。

2.2  實驗裝置

該系統(tǒng)中，用了一個基于100µmInGaAs的帶線天線作為發(fā)射機（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。在所有實驗過程中，THz-TDS掃描時間均固定在70ps。光學(xué)裝置是鋸齒形透射幾何類型(見圖1):光經(jīng)過兩個OAPM后發(fā)散輸出，然后被另外兩個OAPM聚焦。一個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(zhuǎn)對稱）引導(dǎo)到探測器上。此外在平行光束部分插入兩個線柵偏振器，以確保高度的線極化。此外，它們還允許通過旋轉(zhuǎn)偏振器的方法來降低強度。為了簡化圖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相機設(shè)計的鏡頭拍攝圖像(圖2).

圖1:之字形設(shè)置示意圖通過光纖，fs泵浦激光器(λ=1550nm)激發(fā)TX,TX又發(fā)射太赫茲輻射。四個OAPM和兩個偏振器P1,P2將太赫茲輻射引導(dǎo)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(dá)樣品之前被一個硅透鏡準(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/鏡頭組合記錄透射輻射。

TX大致被放置在一個硅（Si）透鏡（f=25mm，d=25mm）的焦點上，它對準(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，在樣品和相機之間放置一個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(shè)計（f=44mm），zui小成像距離為600mm。

通過已有的成像技術(shù)，進行成像處理，并呈現(xiàn)給大家。

三． 實驗結(jié)果

3.1 THz-TDS光束輪廓

作為第1個概念驗證，我們用圖1所示的設(shè)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說過高，偏振器P2θ~旋轉(zhuǎn)了65°,根據(jù)馬氏定律(I=I0*cos2)大約是初始強度通過的18%。假設(shè)沿光路進一步損失50%，我們預(yù)計平均強度小于300mW/m2在探測器上，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比度（見圖3（a，b））。圖3中的圖像代表了一個電影剪輯的單幀，這是通過沿太赫茲傳播方向移動攝像機獲得的。數(shù)據(jù)采集以9幀每秒的速度進行，允許實驗者立即獲得即時反饋。即使是未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行后處理(圖3（c-f）顯示光束失去焦點。圖3（c，f）)為橢圓形，向地平線傾斜約45°?？拷裹c(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)過渡。

圖3：選定的一維實時光束形狀掃描的單幀。從相機軟件（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）進行假色比較。子圖（a、c、f）描繪了兩個失焦位置（焦點前后）的光束形狀。接近焦點的空間強度分布見（b、d、e）。

3.2 拍攝西門子星

第1次成像測試是在一顆西門子星上進行的(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個輻條)，激光消融從一個薄薄的金屬片上，并安裝在一個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，可實現(xiàn)的強度更高），將樣品放置在標(biāo)準(zhǔn)位置(見圖1).通過有意地將第1OAPM對和TX移動到更靠近樣本的位置，將焦點移動到樣本平面之外，有效地擴大了被照亮的樣本面積。通過這種方法，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)不允許對如此大的樣本進行無失真成像。這可以通過稍微重新定位西門子之星來證明(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)).對于這個數(shù)據(jù)集，我們沒有使用任何空間濾波來避免其對空間分辨率確定的影響。只應(yīng)用了死像素去除(圖4(e)).錄制的實時視頻很好地顯示了西門子之星的旋轉(zhuǎn)情況(見圖4（f-h)和補充材料中的視頻S2),只是有一些輕微的強度波動和變化。

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)量允許對空間分辨率的估計。首先,zui小的半徑是T分在一個有中心的圓中，一個輻條和一個開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(shù)。對于當(dāng)前的成像設(shè)置，分辨率為rres=1.05（15）mm由10個不同的西門子星形圖像估計得到。

 3.3拍攝把鑰匙放在信封里

我們通過檢查金屬鍵來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）)，用一個標(biāo)準(zhǔn)的紙信封隱藏。兩個非常相似的鍵被放置在離相機組件大約600毫米遠(yuǎn)的太赫茲光束中(見圖2).用位于樣品和相機之間的3mm特氟隆抑制熱圖像。正如預(yù)期的那樣，一個沒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。總的來說，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)).補充材料中的視頻S4展示了實驗是如何在實驗室中進行的。

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膹娢帐固掌澇上癯蔀樯飿颖镜囊环N有趣的模式。我們通過研究不同含水量的葉片來評估我們的方法的潛力。三個不同的葉子標(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)和補充材料中的視頻S6的描述進行掃描。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，但這可以進行準(zhǔn)確的定性分析，甚至實時監(jiān)測擴散過程。

圖6. 實驗前采集的兩個：一個來自干燥的地方（中間），一個來自潮濕的排水溝（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鑷子增強對比度（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)從單幀的實時一維掃描。一個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0.19毫米薄的切片機切割的木材樣品被安裝在一個可旋轉(zhuǎn)的支架中。在樣品和相機之間使用3mm的特氟隆實現(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別出年環(huán)。沒有證據(jù)表明環(huán)的方向會影響圖像的對比度。太赫茲圖像(圖7（b，c）)是一個視頻剪輯（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?qū)崟r記錄。

圖7：一個薄木樣品的成像。(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(yīng)于從實時記錄的完整樣本旋轉(zhuǎn)中選擇的太赫茲單幀（b，c）。從相機獲得的未處理數(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）中可以檢測到通過塑料（食物）容器的強傳輸信號，但使用準(zhǔn)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(jié)合樣品吸收并不能在傳感器上提供足夠的輻照度來進行實時成像。對于當(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大值的全寬進行比較，這個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大強度為THz-TDS的波長（0.6mm對應(yīng)0.5THz），這決定了zui大可達(dá)到的分辨率。我們假設(shè)，對有限分辨率的一個相關(guān)貢獻是使用寬帶發(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，但來自較低頻率的主導(dǎo)信號模糊了圖像，并主導(dǎo)了分辨率特性。此外，在環(huán)境條件下的強水蒸氣吸收大大降低了較短波長的強度，只留下較長的波長可用于成像。由于圖像質(zhì)量高度依賴于光路長度，減少源、樣品和相機之間的總距離，同時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，正在開發(fā)的更高效的PCA可以在更短的波長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，同時仍然保持足夠的強度為高對比度太赫茲圖像，可以分辨當(dāng)前設(shè)置無法訪問的較小結(jié)構(gòu)。

通過概念證明，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(qū)體衍生的材料來進行的實驗。后者也可以作為連接生物學(xué)的橋梁。對樹葉、草、作物、幼樹（樹）樹苗進行的田間、體內(nèi)實驗都在可能的范圍內(nèi)。由于相對較高的便攜性、低功耗和魯棒性，在沒有基礎(chǔ)設(shè)施/離網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地點進行長期的現(xiàn)場實驗似乎是可行的。

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。通過監(jiān)測葉片和植物的含水量來改善水分管理。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)過程中應(yīng)用，而且可以保證在運輸和進一步加工過程中的產(chǎn)品質(zhì)量。g.通過包裝實時檢測變質(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。

進一步的工業(yè)用例可以是在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制，eg.紙張含水量監(jiān)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，也可用于在機械試驗中實時顯示應(yīng)力分布。

五．結(jié)論

利用我們的RIGI太赫茲相機，我們實現(xiàn)了在光斑輪廓，外形輪廓，無損檢測，還有水分多少的檢測應(yīng)用。并對THz的其他應(yīng)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(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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