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摘要：

我們提出了一種利用商業(yè)化光纖耦合光導天線(xiàn)作為太赫茲源和非制冷micro-bolometer相機進(jìn)行探測的太赫茲實(shí)時(shí)成像方法。對比其他的太赫茲成像裝置，該系統具有光纖耦合式的高頻太赫茲輻射源，以及緊湊的太赫茲相機，是得該系統可以靈活的應用。使用高靈敏度的相機使實(shí)時(shí)成像成為可能。作為概念驗證，我們測量了太赫茲時(shí)域光譜儀中太赫茲的波束形狀。另外還展示了在幾何傳播中的實(shí)際應用潛力，包括材料科學(xué)和安全檢測。結果表明，生物材料的隱藏物、復雜結構和水分含量是可以被檢測到的。我們討論了當前設置的限制、可能的改進(jìn)、潛在的(工業(yè))應用，并概述了反射幾何成像或利用帶通濾波器將其擴展到多光譜成像的可行性。

關(guān)鍵字：太赫茲成像，實(shí)時(shí)成像，光電導天線(xiàn)，micro-bolometer太赫茲相機，太赫茲時(shí)域光譜儀

1.    前言：

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)重要的先決條件。非電離的太赫茲輻射是一種選擇，因為它可以提供亞毫米的分辨率。此外，許多材料在這個(gè)頻率范圍內具有很高的透過(guò)率。廣泛的材料，如塑料，陶瓷，非法藥物，爆炸物，木材，紙張，葉子和血液已經(jīng)成功地利用太赫茲輻射進(jìn)行了研究。此外，基于亞太赫茲輻射的大量安全應用已經(jīng)被提出，一些已經(jīng)商業(yè)化。盡管有巨大的潛力，太赫茲在外部研究中的應用目前還遠未普及。理論上，一個(gè)太赫茲傳輸成像裝置可以由窄頻率太赫茲光源、準直透鏡和太赫茲像素陣列相機組成。這種簡(jiǎn)單的裝置很有希望應用于工業(yè)和安全應用程序。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)元件的數值孔徑NA以及相機特性(像素大小、靈敏度等)的限制。為了避開(kāi)光學(xué)元件的限制，無(wú)透鏡成像是一個(gè)選擇。

到目前為止，在0.2THz到4THz頻率范圍內最常用的太赫茲光源是遠紅外(FIR)氣體激光器、量子級聯(lián)激光器(QCLs)和光電導天線(xiàn)(PCAs)。FIR氣體激光器是基于高功率、中紅外二氧化碳激光器泵浦太赫茲腔。它們的太赫茲發(fā)射可以是連續波(cw)，在2.52THz處輸出功率超過(guò)150mW。輸出波長(cháng)取決于太赫茲諧振腔中的氣體。然而，連續波激光器只發(fā)射一束窄線(xiàn)寬光源，其穩定運行也具有挑戰性。最近，相對緊湊的太赫茲QCLs開(kāi)始在沒(méi)有低溫恒溫器的情況下運行，使用一個(gè)熱電冷卻器，操作溫度在250K。在頻率梳操作中，帶寬雖大于一個(gè)倍頻，但仍限制在1-6THz。最近，記錄的峰值輸出功率達到2W (58K, 3.3 THz，單模)。盡管取得了有希望的進(jìn)展，但要實(shí)現室溫操作、更大帶寬和更高功率，還需要更多的研究。

太赫茲光電導天線(xiàn)結合了上述太赫茲源的許多優(yōu)點(diǎn):它們是緊湊的，帶寬高達6thz，信號動(dòng)態(tài)范圍可達90dB。它們的性能受到近紅外泵浦脈沖、載流子壽命,以及對應探測器的限制。大多數商業(yè)化太赫茲時(shí)域光譜儀(THz- TDS)主要由太赫茲光電導天線(xiàn)結合離軸拋物鏡(離軸拋物鏡s)作為基礎。緊湊而堅固的THz- TDS的應用迅速從第一個(gè)報道的水蒸氣吸收特性的使用案例擴展到其他研究學(xué)科，甚至包括(art)保護和考古學(xué)。到目前為止，對于THz- TDS成像，僅報道了多像素檢測器的原型；圖像采集需要對樣本進(jìn)行連續掃描，不能實(shí)時(shí)提供數據。然而，掃描THz- TDS為太赫茲成像應用于工業(yè)應用鋪平了道路，例如油漆厚度的測定。由于太赫茲光電導天線(xiàn)的廣泛應用，使用它們進(jìn)行太赫茲成像是非常有吸引力的。例如，Stantchev等人使用一個(gè)光電導天線(xiàn)對進(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光束的方法保留了THz- TDS的時(shí)域功能，同時(shí)仍能以6幀每秒(fps)的速度實(shí)現32*32像素的分辨率。然后，這種方法需要復雜的設備，而我們提出了一種基于簡(jiǎn)單傳輸設置的方法，使用光電導天線(xiàn)作為太赫茲源，并利用微測輻射熱相機micro-bolometer相機作為接受裝置。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)要概述了方法，相機屬性，設置和描述數據處理。我們實(shí)時(shí)記錄了太赫茲波束的形狀，并利用西門(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、葉片中不同水分含量的定性分辨率和木材年輪的成像，驗證了該方法的實(shí)際應用適用性。最后，我們討論了該設置的局限性和可能的改進(jìn)，并提出了實(shí)際應用和未來(lái)的擴展。

2.    裝置和方法

2.1  相機和鏡頭特性

實(shí)驗中使用了Swiss Terahertz 的RIGI相機和太赫茲鏡頭。其規格分別見(jiàn)表1和表2。

Camera	Swiss Terahertz RIGI S2x
類(lèi)型	非制冷THz探測器
工作范圍	16-3000 μm (0.1-18 THz)
像素大小(μm)	25
像素數	160*120
探測尺寸(L*H, mm2)	4*3
等效噪聲功率	< 1.5pW @ 4.6 THz
模數轉換（位）	14
幀傳輸速率(fps)	9
數據傳輸+電源	USB

表1 相機技術(shù)規格

鏡頭
焦距（mm）	44
F 數	0.7
材質(zhì)	高阻硅
視場(chǎng) (橫向*垂直)	17.3° * 13°
工作范圍	7.4-3000μm（0.1-30THz）

表2 鏡頭技術(shù)規格

文章中的相機RIGI S2x是一個(gè)新的原型太赫茲相機，優(yōu)化了在太赫茲低頻段的響應。這主要是通過(guò)優(yōu)化的探測器結構來(lái)增強相機對低頻太赫茲輻射的吸收來(lái)實(shí)現的。

2.2  裝置

一個(gè)商業(yè)化THz-TDS系統(Tera-FlashTF-1503版本，2015年12月4日生產(chǎn)，德國)作為起點(diǎn)。在該系統中，一個(gè)100 μm InGaAs的天線(xiàn)作為發(fā)射端。加上120V偏置電壓，由1550nm脈沖摻鉺光纖激光器(脈沖持續時(shí)間:60 fs，重復頻率:100MHz)光泵浦。到達光電導天線(xiàn)的22.3mW的1550um泵浦激光，轉換成約40 μW等效連續波的線(xiàn)性偏振的太赫茲輻射。在整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中，THz-TDS掃描時(shí)間始終保持在70 ps。

系統光路示意圖(見(jiàn)圖1):一個(gè)離軸拋物鏡將光電導天線(xiàn)的發(fā)散輸出進(jìn)行準直，然后由另一個(gè)離軸拋物面鏡聚焦，樣品可以放置在束腰內。太赫茲輻射由第二個(gè)離軸拋物鏡對(與第一個(gè)旋轉對稱(chēng))引導到光電導探測天線(xiàn)上。在一個(gè)標準的THz- TDS中，探測器是一個(gè)光電導天線(xiàn)接收裝置(RX)，其工作原理與光電導發(fā)射天線(xiàn)TX相反。在這項工作中，RX被替換為一個(gè)非冷卻的微測輻射熱相機，它可以沿著(zhù)太赫茲的傳播方向移動(dòng)。由于傳感器對所有發(fā)射的波長(cháng)都比較敏感，光譜分辨率不能從數據中恢復。另一方面，與接受天線(xiàn)的單像素特性相比，該方法獲得了高實(shí)時(shí)空間分辨率。此外，在平行光束截面上插入了兩個(gè)線(xiàn)柵偏振片，以保證高程度的線(xiàn)偏振。此外，它們還可以通過(guò)旋轉偏振片方法降低強度。為了簡(jiǎn)化圖1的設置，我們去掉了所有的離軸拋物鏡，直接對樣本進(jìn)行照明，并使用專(zhuān)為RIGI相機設計的鏡頭拍攝圖像(圖2)。

圖1，太赫茲時(shí)域光譜儀光路示意圖

圖二，利用透鏡+太赫茲相機替代離軸拋物鏡和接收天線(xiàn)

對于實(shí)際成像應用，復雜的離軸拋物鏡對準不如圖2中所示簡(jiǎn)單的基于透鏡的裝置方便。太赫茲發(fā)射天線(xiàn)被放置在一個(gè)硅(Si)透鏡(f = 25mm, d = 25mm)的焦點(diǎn)上，它準直了THz發(fā)射端的發(fā)散輻射。透鏡和光電導天線(xiàn)之間的精確距離決定了被照面積的大小。為了抑制熱成像，大多數樣品被安裝在一塊1mm厚的聚四氟乙烯片上，靠近準直透鏡。如果還不足以濾掉紅外光的話(huà)，在樣品和相機之間放置一個(gè)3mm的特氟龍片。此外，還在發(fā)射端天線(xiàn)上鍍了黑色聚乙烯(PE)薄膜，以減弱透過(guò)的1550nm近紅外泵浦脈沖。由于相機鏡頭的設計(f = 44mm, f number = 0:7)，最小物鏡距離為600mm。

2.3  圖像分析和后處理程序

預處理后的圖像數據從相機通過(guò)USB發(fā)送到PC機。控制軟件允許實(shí)時(shí)過(guò)濾和保存數據以不同的壓縮和無(wú)損文件格式。數據被保存為14位整數，最小過(guò)濾到無(wú)損的csv文件，只使用過(guò)一次壓縮的8位jpg。在MATLAB中，應用了以下后處理(也適用于實(shí)時(shí)數據)。首先，用鄰近像素替換壞點(diǎn)來(lái)去除它們。另外可選的是，圖像然后用一個(gè)3*3的中值濾波器和一個(gè)寬度為1像素的高斯濾波器進(jìn)行濾波。然后，用同樣的程序對太赫茲束進(jìn)行濾波和預處理，然后減去背景圖像。然后，通過(guò)重新縮放灰度圖像數據的最小值/最大值來(lái)進(jìn)行對比度增強。為了獲得更好的視覺(jué)效果，一些后期處理的圖像被轉換成虛構的顏色。

通過(guò)實(shí)時(shí)掃描樣本并將單個(gè)幀數拼接在一起，可以對大于照明面積的樣本進(jìn)行成像，利用圖像中心周?chē)鷧^域的自相關(guān)性來(lái)確定相鄰幀數之間的位置偏移。

根據傳感器像素間距和樣本上測量的已知特征維數估計太赫茲圖像的空間尺度，使用ImageJ/Fiji從坐標紙背景上的樣本照片中提取樣本(特征)尺寸。

3.    結果

3.1 THz-TDS光束分析

作為第一個(gè)概念證明，使用圖1所示的設置測量了PCA發(fā)射的波束輪廓。在這個(gè)裝置中，我們對傳感器有光束形狀的1:1成像。由于聚焦光束的強度對于非常靈敏的相機來(lái)說(shuō)太高了，偏光鏡P2旋轉了65°，根據Malus定律(I = I₀* cos2(θ))，約為初始強度的18%通過(guò)。假設沿光路進(jìn)一步損失50%，我們期望探測器的平均強度小于300mW/m2，但我們在沒(méi)有任何數據處理的情況下仍然能夠獲得良好的對比度(見(jiàn)圖3 (a, b))。

圖3中的圖像為視頻剪輯的單幀圖像，它是沿THz傳播方向移動(dòng)攝像機獲得的。數據采集以每秒9幀的速度進(jìn)行，允許實(shí)驗人員得到即時(shí)反饋。即使未經(jīng)處理的數據直接從相機(圖3 (a, b))提供了足夠的信息來(lái)進(jìn)行定性分析。對相機數據(圖3 (c-f))進(jìn)行后處理后發(fā)現，對焦不準的光束(圖3 (c, f))呈橢圓形，與視場(chǎng)傾斜約±45°。靠近焦點(diǎn)(圖3 (d, e))，光束呈輕微的十字形。同時(shí)可以解決+45°傾斜到-45°傾斜的連續過(guò)渡問(wèn)題。

圖3

3.2  西門(mén)子星狀

第一次成像測試是在Siemens star上進(jìn)行的(圖4 (a)中的可見(jiàn)光攝影(VIS)，外徑d = 12.5mm，邊緣直徑d_rim= 10.6mm, 9條輪輻)，激光從薄金屬片上被切除，并安裝在1mm厚的特氟龍片上。為了利用THz- TDS中更強的樣品輻照(由于光束尺寸較小，可實(shí)現更高的輻照強度)，樣本被放置到標準位置(見(jiàn)圖1)。通過(guò)有意地將第一對離軸拋物鏡和TX移到離樣品更近的地方, 焦點(diǎn)移到樣本平面之外,有效地擴大了被照射的樣品面積。通過(guò)這種方法，Siemens star的一部分可以成像(圖4 (b))。然而，離軸拋物鏡s的鋸齒形配置不允許如此大樣本的不失真成像。這一點(diǎn)通過(guò)稍微重新定位Siemens star得到了證明(圖4 (c))。切換到線(xiàn)性設置(圖2)，可以解析完整的Siemens star(圖4 (d))。對于該數據集，我們沒(méi)有使用任何空間濾波，以避免其對空間分辨率確定的影響。只去除壞點(diǎn)(圖4 (e))。所錄制的實(shí)時(shí)視頻很好地展示了西門(mén)子星的旋轉(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)和位移。

圖4

這些圖像的質(zhì)量允許對空間分辨率進(jìn)行估算，首先，確定中心圓的最小半徑r_min，該圓心圓的輪輻與開(kāi)口之間的平均對比度大于最高對比度的10%。分辨率比r_res=2π*r_min/N，N=9是福條數。對于當前的成像設置，從10張不同的Siemens star圖像中估算出分辨率r_res = 1.05(15)mm。

3.3  信封里的鑰匙

通過(guò)檢查金屬鑰匙(圖5 (a, d))，我們展示了我們的方法在更大距離內檢測隱藏(金屬)對象的能力，這些鑰匙用標準的紙信封隱藏。兩個(gè)非常相似的鑰匙被放置在距離攝像機組件約600mm的太赫茲光束中(見(jiàn)圖2)。熱成像被放置在樣品和攝像機之間的3mm的特氟龍所抑制。正如預期的那樣，一個(gè)沒(méi)有包膜的金屬鑰匙被清楚分辨了(圖5 (b))。后處理增強了對比度，使邊緣更加清晰(圖5 (c))。將金屬鑰匙放入紙信封中，由于紙張表面的吸收和衍射，會(huì )降低圖像質(zhì)量(圖5 (e))。另一個(gè)質(zhì)量損失源于為測試目的保存數據為8位jpg，這種格式似乎不適合我們的太赫茲成像的目的。總的來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵形狀相當模糊，但后期處理可以提高視覺(jué)清晰度，甚至可以看到信封的邊緣(圖5 (f))。

圖5

3.4  含水量不同的葉片

在太赫茲環(huán)境中對水的強烈吸收使太赫茲成像成為生物樣品的一種有趣的方式。通過(guò)對不同水分含量的葉片的研究，我們評估了我們的方法的可能性。三個(gè)不同的葉子標本(圖6 (a))被安裝在1mm厚的聚四氟乙烯薄片上，并按照章節2.3的描述進(jìn)行掃描。放在一起的圖像(圖6 (b))以及示例性的單個(gè)幀(圖6 (c-e))提供了與照片相同的明顯較大的特征，如形狀、裂縫等(圖6 (a))。此外，THz圖像顯示含水量較高的葉片顏色明顯較深。雖然失去了解決更精細的細節的能力，但這可以實(shí)現準確的定性分析，甚至實(shí)時(shí)監測擴散過(guò)程。

圖6

3.5  薄的木材樣品

一個(gè)0.19毫米薄的切片機切割的木材樣品安裝在一個(gè)可旋轉的支架上。熱圖像抑制通過(guò)位于樣品和相機之間的3mm聚四氟乙烯來(lái)實(shí)現。旋轉的零位置(φ = 0)被定義為年輪平行于太赫茲輻射的極化，這種措施可以確定極化對記錄圖像是否存在任何影響。在圖7 (a)的美感性的插圖中，不同方向顯示了實(shí)際樣品被照亮面積的近似值。年輪已經(jīng)在太赫茲原始圖像中可見(jiàn)(圖7 (b))，并在后處理數據中變得更加明顯(圖7 (c))。年輪對于每一種構造都是清晰可辨的。沒(méi)有證據表明環(huán)的方向會(huì )影響圖像的對比度。THz圖像(圖7 (b, c))是我們能夠在高吸收的情況下實(shí)時(shí)錄制的視頻片段(補充材料中的視頻S7)的單幀圖像。

圖7

實(shí)際太赫茲成像演示視頻：太赫茲時(shí)域光譜儀+太赫茲相機=太赫茲成像系統

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