实时高分辨率的THZ成像的应用

雷达回波图最高判别率的THz激光散斑的应该用

本文讲述了一种实时太赫兹成像方法，使用一个商用光纤耦合光电导电天线作为太赫兹源和一个未冷却的微测辐射热计相机进行检测。利用我们的RIGI太赫兹相机，做了对应的测试。结果表明，THz相机对（生物）材料的隐藏项目、复杂结构和水分含量都可以很好的解决。本文的编写是基于参考文献1的研究成果。

一． 详细资料

在材料科学以及工业和安全应用中，样品的无损检测是一个重要的前提。非电离太赫兹辐射可以是一种选择，因为它可以提供亚毫米的分辨率。此外，许多材料在这个频率范围内具有较高的透射率。已通过太赫兹辐射成功的研究了塑料、陶瓷、非法药物、、爆炸物、木材、纸、叶和血液]等广泛的材料。此外，大量基于（次）太赫兹辐射的安全应用程序已经被提出，其中一些是商用的。尽管具有巨大的潜力，针对外部太赫兹研究的应用目前并不普遍。理论上，太赫兹传输成像装置可以由单线源、准直透镜和像素阵列相机组成。这种简单的设置是工业和安全应用程序的一个很有前途的候选者。然而，可实现的分辨率和图像质量分别受到辐照波长、所有光学组件的数值孔径NA以及相机特性（像素大小、灵敏度等）的限制。特别是为了规避光学组件的限制，无透镜成像将是一种很好的选择。到目前为止，频率在0.2-4THz范围内zui常用的源是远红外（FIR）气体激光器、量子级联激光器（QCLs）和光导电天线（PCAs）。

FIR气体激光器是基于高功率、中红外CO的2-激光泵浦一个太赫兹腔。它们的太赫兹发射可以是连续波（cw），在2.52THz时，输出功率超过150mW。输出波长取决于太赫兹谐振器中的气体。然而，连续波激光器只发射一条线，而且稳定的操作可能具有挑战性。zui近，相对紧凑的太赫兹qcl开始在没有低温恒温器的情况下工作，使用热电冷却器，温度高达250K。在频率梳操作中，带宽一直高于一个八度的，但它仍然被限制在1THz-6THz。zui近，报道的峰值输出功率达到2W（58K，3.3THz，单模）。尽管取得了很好的进展，但还需要更多的研究来实现室温运行、更大的带宽和更高的功率。

PCA结合了上述源的许多优点：它们是紧凑、建立良好的宽带源，带宽高达6THz和90dB动态范围。它们的性能受到近红外（NIR）泵浦脉冲、载流子寿命和所选探测器的限制。大多数商业上可用的太赫兹时域光谱仪（THz-TDS）使用PCA结合离轴抛物面镜（OAPMs）作为基础。紧凑和坚固的THz-TDS的应用迅速从第1个报道的水汽吸收表征的用例扩展到其他研究学科，甚至包括（艺术）保护和考古学。到目前为止，对于THz-TDS成像，只报道了多像素探测器的原型；图像采集需要对样本进行连续扫描，但不能提供实时数据。然而，扫描THz-TDS为工业应用中太赫兹成像的适应铺平了道路。g.漆面厚度测定方法。由于PCA的广泛应用，太赫兹成像非常有吸引力。例如，斯坦切夫等人。使用PCA进行实时单像素成像。他们通过数字微镜设备调制太赫兹波束的方法保留了THz-TDS的时域能力，同时仍然以每秒6帧（fps）的速度实现了3232像素的分辨率。相反，他们的方法需要复杂的设备，而本文讲述了一种基于简单传输设置的方法，使用PCA作为源，并利用微测辐射热计相机的新改进。我们的方法可以提供更高的分辨率，更适合现场（工业）应用，但牺牲了光谱信息。

在本文中，我们简要概述了该方法、相机特性、设置，并描述了数据处理。我们实时记录了太赫兹波束形状，并用西门子星确定了空间分辨率。通过对隐藏在纸信封中的钥匙的成像、叶片中不同含水量的定性分辨率和木材中年环的成像，证明了该方法在实际应用中的适用性。

二． 科学试验设配或是科学试验方法步骤

2.1照相机和镜头的属性

调查利用了德国瑞士太赫兹手机和太赫兹动作。其规格为不同见表1和表2。

表1：摄像机的技术规格书。

利用摄像头RIGIS2x是一种个新的伴演，是调优的底频成相。那就是依据一些调优的观测器结构设计来资料对底频太赫兹光辐射的消化吸收来变现的。

表2：微距镜头的的技术规格尺寸书。

2.2  调查安装

该系统中，用了一个基于100µmInGaAs的带线天线作为发射机（TX）。它的偏置设置为120V，用脉冲1550nm铒光纤激光器（脉冲持续时间：60fs，重复频率：100MHz）。到达TX的22.3mW的NIR泵被转换为大约40µW连续当量的线性极化太赫兹辐射。在所有实验过程中，THz-TDS扫描时间均固定在70ps。光学装置是锯齿形透射几何类型(见图1):光经过两个OAPM后发散输出，然后被另外两个OAPM聚焦。一个样品可以放置在光束的腰部。透射的辐射由第二对OAPM对（与第1对旋转对称）引导到探测器上。此外在平行光束部分插入两个线栅偏振器，以确保高度的线极化。此外，它们还允许通过旋转偏振器的方法来降低强度。为了简化图1的设置，我们删除了所有的OAPM，直接照亮样品，并用专门为RIGI相机设计的镜头拍摄图像(图2).

图1:之字形设置示意图通过光纤，fs泵浦激光器(λ=1550nm)激发TX,TX又发射太赫兹辐射。四个OAPM和两个偏振器P1,P2将太赫兹辐射引导到相机传感器上(位于太赫兹TDS中RX的位置)。

图2：立于透镜的三维成像的展示图，TX的太赫兹放射在它做到样件很久被一种硅透镜准直。关键在于可以抑制热图像文件，样件被按照在两块特四氟乙稀塑料膜上。的使用时间阶段目标正等轴测图600公分之上的手机拍照/长焦镜头组合式统计电子散射扩散。

TX大致被放置在一个硅（Si）透镜（f=25mm，d=25mm）的焦点上，它对准了太赫兹发射器的发散辐射。透镜和主成分分析之间的精确距离决定了照明区域的大小。大多数样品被安装在靠近准直透镜的1mm厚的聚四氟乙烯片上，用于热图像抑制。如果这是不可能的，在样品和相机之间放置一个3毫米的特氟隆片。此外，将黑色聚乙烯（PE）箔固定在TX上，以削弱泄漏的1550nmNIR泵浦脉冲。由于相机镜头的设计（f=44mm），zui小成像距离为600mm。

确认早已有的三维三维成像技巧，实施三维三维成像处置，并形成给我们。

三． 实践成果

3.1 THz-TDS光线轮廓线条

作为第1个概念验证，我们用图1所示的设置测量了PCA发射的光束轮廓。在这种配置中，我们对传感器的光束形状进行了1：1的成像。由于聚焦光束的强度对于高灵敏度的相机来说过高，偏振器P2θ~旋转了65°,根据马氏定律(I=I0*cos2)大约是初始强度通过的18%。假设沿光路进一步损失50%，我们预计平均强度小于300mW/m2在探测器上，但我们仍然能够在没有任何数据处理的情况下获得良好的对比度（见图3（a，b））。图3中的图像代表了一个电影剪辑的单帧，这是通过沿太赫兹传播方向移动摄像机获得的。数据采集以9帧每秒的速度进行，允许实验者立即获得即时反馈。即使是未经处理的数据也直接从摄像机中流出。图3（a、b）)为定性的分析提供了足够的信息。对相机数据进行后处理(图3（c-f）显示光束失去焦点。图3（c，f）)为椭圆形，向地平线倾斜约45°。靠近焦点(图3（d，e）)，梁略呈十字形。此外，还可以解决从+45°到-45°倾斜的连续过渡。

图3：筛选的一维随时散射模样打印的单帧。从单反手机软件（a、b）永久保存的资料，并将相当的资料与应用领域后对其进行处理（c、d）对其进行假色相对比较。子图（a、c、f）勾画出了3个失焦位置上（聚焦聚前后的）的散射模样。说出聚焦聚的区域程度区域划分见（b、d、e）。

3.2 旅拍摄影西门子系统星

第1次成像测试是在一颗西门子星上进行的(图中的可见光摄影（VIS）。4(a)，外径d=12.5mm，边缘直径d边=10.6毫米，9个辐条)，激光消融从一个薄薄的金属片上，并安装在一个1毫米厚的聚四氟乙烯片上。为了从THz-TDS中更强烈的样品辐照中获益（由于光束尺寸较小，可实现的强度更高），将样品放置在标准位置(见图1).通过有意地将第1OAPM对和TX移动到更靠近样本的位置，将焦点移动到样本平面之外，有效地扩大了被照亮的样本面积。通过这种方法，西门子明星的一部分可以被成像(图4(b)).然而，使用oapm的锯齿形结构不允许对如此大的样本进行无失真成像。这可以通过稍微重新定位西门子之星来证明(图4(c)).切换到线性设置(图2)允许解决完整的西门子之星(图4(d)).对于这个数据集，我们没有使用任何空间滤波来避免其对空间分辨率确定的影响。只应用了死像素去除(图4(e)).录制的实时视频很好地显示了西门子之星的旋转情况(见图4（f-h)和补充材料中的视频S2),只是有一些轻微的强度波动和变化。

 

图4：金属质PLC星的三维成像。PLC新星(a)为由此能见光图文，数字图像与PLC外缘星由此探及(b)，而在(c)有中心的局部可辩别。不经补救的THz数据资料(d)和假色，软件死辨认率我们要除(e)。PLC星的外缘（橙色方框）和辩别率上限（黄色方框）。

这些图像的质量允许对空间分辨率的估计。首先,zui小的半径是T分在一个有中心的圆中，一个辐条和一个开口之间的平均对比度大于zui高对比度的10%。分辨率大于Tres=2·T分/N，其中N=9为辐条数。对于当前的成像设置，分辨率为rres=1.05（15）mm由10个不同的西门子星形图像估计得到。

 3.3拍攝把钥匙放着明信片里

我们通过检查金属键来证明我们的方法从更大的距离检测隐藏的（金属）物体的能力。5（a，d）)，用一个标准的纸信封隐藏。两个非常相似的键被放置在离相机组件大约600毫米远的太赫兹光束中(见图2).用位于样品和相机之间的3mm特氟隆抑制热图像。正如预期的那样，一个没有信封的金属钥匙被清楚地解决了(图5(b)).后处理增强了对比度，并使边缘更加清晰(图5.(c)，视频S3在补充材料中)。由于粗糙纸表面的吸收和衍射，将金属钥匙放入纸信封中，降低了图像质量。5(e)).另外的质量损失来自于将数据保存为8位jpg，这种格式似乎不适合我们的太赫兹成像目的。总的来说，关键的形状相当微弱，但后处理可以提高视觉清晰度，甚至连纸信封的边缘都变得可见(图5(f)).补充材料中的视频S4展示了实验是如何在实验室中进行的。

图5：黑色金属键的激光散斑图拍摄照片光滑寸尺（a、d），开关的原史THz数字图相（b、e），除掉死像数后的外理THz数字图相（c、f）。钥匙还就能够在规格纸信封袋的格式（e、f）内解密，并标注信封袋的格式的边边(f)。

3.4 拍摄技巧具备有不一样含水量占比的叶子

太赫兹区域对水的强吸收使太赫兹成像成为生物样本的一种有趣的模式。我们通过研究不同含水量的叶片来评估我们的方法的潜力。三个不同的叶子标本(图6(a))已安装在1mm厚的聚四氟乙烯薄片上，并按照第2.3节和补充材料中的视频S6的描述进行扫描。缝合的图像(图6(b))以及示范性的单帧(图6（c-e）从视频S5的补充材料)提供了相同的明显的更大的特征，如形状，裂缝等。作为摄影(图6(a)).此外，太赫兹图像显示，水分含量较高的叶片明显较暗。虽然失去了解决更细节的能力，但这可以进行准确的定性分析，甚至实时监测扩散过程。

图6. 实验前采集的两个：一个来自干燥的地方（中间），一个来自潮湿的排水沟（底部）。用太赫兹透明胶带粘在1毫米厚的特氟隆片上；通过图像处理去除特氟隆和胶带条纹，以获得更好的视觉清晰度；部分仍然可见。不同的叶子(b)的太赫兹图像与一对镊子增强对比度（垂直线）和特四氟乙烯薄片的边缘（顶部，水平）可见。水分含量越高，明显表现为亮度越低。图像拼接与自相关从单帧的实时一维扫描。一个典型的后处理单框架阐述了干的(c)，湿的(d)和非常湿的(e)叶。

3.5 薄木试样

其中个0.19公厘薄的切块机切割工作的木板材图纸被安裝在其中个可电动机的安装支架中。在图纸和单反之前使用的3mm的特氟隆推动热图片抑制作用。电动机的零方位（‘=0°)的表述为使年环成平行线于太赫兹反射的极化。本身防治的措施可能断定偏振对所记录时间的图片是否能够有某些决定。

艺术性图文并茂图7(a).体现 了各种不同方法的预期产品的样品的照明系统区的相当于历年的环早已经在原本的太赫兹形象中看得见了(图。7(b))，并前边进行处理的动态数据传奇超变得相对显著的(图7(c)).多种不同硬件配置都会以看不清楚地辨别出年环。找不到凭证说明环的方法会危害形象的相比度。太赫兹形象(图7（b，c）)是一种个视頻剪接（补足产品中的视頻S7）的单帧，一直以来我们公司的有很高的消化吸收，但我们公司的是可以实时的统计。

图7：一个薄木样品的成像。(a)不放大不同角度的薄木样品的近似照度的艺术插图’，对应于从实时记录的完整样本旋转中选择的太赫兹单帧（b，c）。从相机获得的未处理数据(b)和后处理表示与死像素去除(c).

四． 管于THz的谈话

使用PCA作为太赫兹源的主要限制是低输出功率。只要是用聚焦光束获得的图像，这就不那么重要了。然而，对于准直光束，辐照度随光束半径呈二次减小。例如，在THz-TDS（聚焦，RX）中可以检测到通过塑料（食物）容器的强传输信号，但使用准直光束和相机而不是RX，不能记录有效的信号。虽然该相机非常灵敏，但扩展的光束结合样品吸收并不能在传感器上提供足够的辐照度来进行实时成像。对于当前的成像设置，分辨率为rres=1.05（15）mm是根据西门子星形图像估计的。图4(c-f)).如果我们将它与zui小光束形状的半zui大值的全宽进行比较，这个分辨率与我们所能期望的zui大值相差不远(图3（d，e）)为0.65（10）mm，zui大强度为THz-TDS的波长（0.6mm对应0.5THz），这决定了zui大可达到的分辨率。我们假设，对有限分辨率的一个相关贡献是使用宽带发射器而不是单线源。虽然辐射包含高频，这将允许更好的空间分辨率，但来自较低频率的主导信号模糊了图像，并主导了分辨率特性。此外，在环境条件下的强水蒸气吸收大大降低了较短波长的强度，只留下较长的波长可用于成像。由于图像质量高度依赖于光路长度，减少源、样品和相机之间的总距离，同时抑制水蒸气的影响将有帮助。不仅在更大的距离或环境条件下工作是绝对需要的，正在开发的更高效的PCA可以在更短的波长下提供更大的频率带宽和更高的强度。用高通滤波器屏蔽较低的频率，同时仍然保持足够的强度为高对比度太赫兹图像，可以分辨当前设置无法访问的较小结构。

顺利通过性质证明格式，复杂的的范例形式就能够被激光散斑( 图6 & 图7 )，在这一事情中描述英文的设定也就能够为物料物理专家保证更非常容易的太赫兹科学实验。

公司能够悟出用聚合反应物、气抑菌凝胶、（置于式）纳米技术用料和由改良动物后驱体ip产业的用料来完成的实践。普通地区也能够最为连入动物学的桥面。对盾牌、草、植物、幼树（树）树苗完成的农田、机体实践均在很有可能的标准内。犹豫比较高的轻便性、低能耗和鲁棒性，在找不到根本公共设施/离网的贫困地址完成不断的现场报道实践貌似是可实施的。

从海洋生物样品激光散斑功能，农林业和美食企业也应该直观获益。借助监测技术叶子和常绿植物的含需水量来有所改善水份维护。这都在各种类型太赫兹设为中取得了发现。这一种激光散斑措施除了应该在制造时中中采用，然而应该保障在运输业和进十步粗加工时中中的货高质量管理量。g.借助设计实时更新检则变质或异物感(见图5).另外一个还当即代表着选用到而且邮件建立等安全防护采用系统软件。

进第一步的化工业标准例都都会是在产量的时候中的質量有效控制，eg.印刷纸张含蓄水量监测数据、塑胶可靠定期检查或回收并等。一模一样都都会意想的是太赫兹光韧性，其中的人体都都会测试太赫兹透明的相关材料在高速传输的时候中的热应力形态。

宽光谱分析位置和偏振把控可作于大数据可视化和评价进行包装食材和网络金属外壳中的的残留物刚度遍布，也可作于在机械性试验装置中城市热力图表示刚度遍布。

五．论证

利用我们的RIGI太赫兹相机，我们实现了在光斑轮廓，外形轮廓，无损检测，还有水分多少的检测应用。并对THz的其他应用做了一些展望。我们拥有THZ像机，THZ源，THZ探测系统器，THZ光谱分析仪等THZ应用的大部分器件，

也希望要能在THz的教育领域与您展开图比较广泛的战略合作。

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