實時高分辨率的THZ成像的應用

時時拿高辨別好壞率的THz三維成像的app

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。本文的編寫是基于參考文獻1的研究成果。

一． 詳細介紹

在材料科學以及工業和安全應用中，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用程序已經被提出，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源、準直透鏡和像素陣列相機組成。這種簡單的設置是工業和安全應用程序的一個很有前途的候選者。然而，可實現的分辨率和圖像質量分別受到輻照波長、所有光學組件的數值孔徑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zui常用的源是遠紅外（FIR）氣體激光器、量子級聯激光器（QCLs）和光導電天線（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。它們的太赫茲發射可以是連續波（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，連續波激光器只發射一條線，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點：它們是緊湊、建立良好的寬帶源，帶寬高達6THz和90dB動態范圍。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。大多數商業上可用的太赫茲時域光譜儀（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個報道的水汽吸收表征的用例擴展到其他研究學科，甚至包括（藝術）保護和考古學。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掃描，但不能提供實時數據。然而，掃描THz-TDS為工業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進行實時單像素成像。他們通過數字微鏡設備調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。我們的方法可以提供更高的分辨率，更適合現場（工業）應用，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、設置，并描述了數據處理。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的成像，證明了該方法在實際應用中的適用性。

二． 試驗儀器包括試驗技術

2.1照相機和鏡頭的屬性

實驗食用了歪果太赫茲攝像頭和太赫茲單反鏡頭。其尺寸規格都見表1和表2。

表1：攝像機的技術規格書。

的使用攝像機RIGIS2x有的是個新的原行，是SEO的中頻激光散斑。這時經過另一個SEO的遙測器構造來資料對中頻太赫茲幅射的代謝來達成的。

表2：單反鏡頭的科技金橋銅業跨接線的截面積大小書。

2.2  實驗室配置

該系統中，用了一個基于100µmInGaAs的帶線天線作為發射機（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。光學裝置是鋸齒形透射幾何類型(見圖1):光經過兩個OAPM后發散輸出，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對旋轉對稱）引導到探測器上。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偏振器的方法來降低強度。為了簡化圖1的設置，我們刪除了所有的OAPM，直接照亮樣品，并用專門為RIGI相機設計的鏡頭拍攝圖像(圖2).

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

圖2：特征提取透鏡的三維成像的表示圖，TX的太赫茲發送在它到了產品的試樣此前被一名硅透鏡準直。因為壓制熱圖面，產品的試樣被連接在一同特四氟乙稀保護膜上。便用高度要求空間圖形600公分以內的單反/光圈整合記錄卡散發出輻射危害。

TX大致被放置在一個硅（Si）透鏡（f=25mm，d=25mm）的焦點上，它對準了太赫茲發射器的發散輻射。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。

借助某個的影像枝術，使用影像治理 ，并顯現出給你們。

三． 科學試驗數據

3.1 THz-TDS激光束邊界

作為第1個概念驗證，我們用圖1所示的設置測量了PCA發射的光束輪廓。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~旋轉了65°,根據馬氏定律(I=I0*cos2)大約是初始強度通過的18%。假設沿光路進一步損失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有任何數據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。數據采集以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°。靠近焦點(圖3（d，e）)，梁略呈十字形。此外，還可以解決從+45°到-45°傾斜的連續過渡。

圖3：指定的一維時時散射款式掃描小軟件的單幀。從攝像機小軟件（a、b）留存的參數統計，并將一樣的參數統計與選用后正確處理（c、d）對其進行假色相對比較。子圖（a、c、f）描繪出了2個失焦的位置（焦聚后）的散射款式。靠近焦聚的面積抗拉強度分布點見（b、d、e）。

3.2 拍出歐姆龍星

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，可實現的強度更高），將樣品放置在標準位置(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的鋸齒形結構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)).切換到線性設置(圖2)允許解決完整的西門子之星(圖4(d)).對于這個數據集，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：重金屬PLCPLC星的激光散斑。PLCPLC星星(a)為可見光全部圖片，圖片與PLCPLC外緣星可見(b)，而在(c)有主一部分可辨認。私自處里的THz統計資料(d)和假色，運用死象素清除(e)。PLCPLC星的外緣（深藍色小方塊）和辨認率規定（顏色小方塊）。

這些圖像的質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。對于當前的成像設置，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外景拍攝把鑰匙在信封袋里

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）)，用一個標準的紙信封隱藏。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，降低了圖像質量。5(e)).另外的質量損失來自于將數據保存為8位jpg，這種格式似乎不適合我們的太赫茲成像目的。總的來說，關鍵的形狀相當微弱，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：重金屬鍵的成相圖拍色變厚尺寸大小（a、d），組合鍵的原狀THz圖片（b、e），的還原死像數后的工作THz圖片（c、f）。鑰匙仍舊可不可以在標準單位紙明信片袋（e、f）內辨析，并標識明信片袋的邊界(f)。

3.4 拍攝包括各不相同油分純度的嫩葉

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節的能力，但這可以進行準確的定性分析，甚至實時監測擴散過程。

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，明顯表現為亮度越低。圖像拼接與自相關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 薄木合格品

的0.19亳米薄的薄片機水刀切割的木料供試品被裝有在的可翻轉的支撐桿中。在供試品和攝像機之間的使用3mm的特氟隆進行熱彩色圖面遏制。翻轉的零方位（‘=0°)的基本概念為使年環水平線于太赫茲電磁干擾的極化。這一防冶的具體措施能夠確實偏振對所統計的彩色圖面有沒有任何的損害。

美術史插畫圖片圖7(a).現示了不一方面的現場圖紙的燈飾領域的近似值每季度的環已在原有的太赫茲圖象中不難發現了(圖。7(b))，并之后工作的數據文件傳奇超變得會更加顯眼(圖7(c)).每樣顯卡配置都行以了解清楚地辨認出年環。是沒有口供證實環的方面會影響力圖象的相比較度。太赫茲圖象(圖7（b，c）)不是個視頻播放圖片剪輯視頻播放（補原材料中的視頻播放圖片S7）的單幀，或許我門有很高的汲取，但我門是可以實時更新紀要。

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插圖’，對應于從實時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． 就THz的研討會

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進行實時成像。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(圖3（d，e）)為0.65（10）mm，zui大強度為THz-TDS的波長（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相關貢獻是使用寬帶發射器而不是單線源。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信號模糊了圖像，并主導了分辨率特性。此外，在環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境條件下工作是絕對需要的，正在開發的更高效的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，可以分辨當前設置無法訪問的較小結構。

能夠 范疇發現，復雜化的樣版架構行被顯像( 圖6 & 圖7 )，在這一上班中描訴的設為也行為產品科學實驗操作家能提供更方便的太赫茲實驗操作。

讓我們能感悟到用整合物、氣凝露、（鑲入式）納米技術板材和由增韌生態學制品前置前驅體延伸的板材來實現的工作。因此也能算作連接方式生態學制品學的橋梁工程。對葉子、草、經濟作物、幼樹（樹）樹苗實現的田塊、內工作在有可能的面積內。鑒于相較較高的一體式性、低輸出功率和魯棒性，在沒有核心場地設施/離網的偏僻地區地實現持續的現場報道工作或許是可實施的。

從動物樣例顯像技能，農林業和食品飲料工農業也能就直接獲取利潤。用監測網葉尖和作物的含水流量來改進的水分處理。這就已經 在各個太赫茲設置中能夠得到了證件。這類顯像方式 并不是能在產出的時候中APP，況且能切實保障在貨運和進一個步驟加工制作的時候中的品牌線質量。g.用包裝機雷達回波圖測量變質或臟物(見圖5).后一個還請馬上象征著常在而且郵件建立等安會APP軟件。

進1步的企業用例能否是在生產銷售具體步驟中的產品質量掌控，eg.用紙含排水量監測器、泡沫塑料健康排查或收回等。同時能否意想的是太赫茲光塑性，在當中國人能否精確測量太赫茲透明的建材在傳送數據具體步驟中的地應力情況下。

寬光譜圖標準和偏振操縱可以選擇于可視化效果和評定包裝設計的材料和電子無線外層中的殘存剛度生長，也可以選擇于在自動化耐壓試驗中實時路況展示剛度生長。

五．分析方法

利用我們的RIGI太赫茲相機，我們實現了在光斑輪廓，外形輪廓，無損檢測，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書籍，THZ源，THZ偵測器，THZ光譜分析儀等THZ應用的大部分器件，

但愿就能在THz的這個領域與您開始廣泛應用的的合作。

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