实时高分辨率的THZ成像的应用

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

简介

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范围内最常用的源是远红外（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。最近，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。最近，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的应用迅速从第一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最新改进。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

实验设备以及实验方法

2.1 照相机和镜头的属性

实验使用了瑞士太赫兹相机和太赫兹镜头（链接：https://www.auniontech.com/details-2108.html）。其规格分别见表1和表2。

表1：摄像机的技术规格书。

使用相机RIGIS2x是一个新的原型，是优化的低频成像。这是通过一个优化的探测器结构来增强对低频太赫兹辐射的吸收来实现的。

表2：镜头的技术规格书。

2.2 实验装置

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（与第一对旋转对称）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：基于透镜的成像的示意图，TX的太赫兹发射在它到达样品之前被一个硅透镜准直。为了抑制热图像，样品被安装在一块特四氟乙烯薄膜上。使用距离目标平面600毫米以上的相机/镜头组合记录透射辐射。

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），最小成像距离为600mm。

通过已有的成像技术，进行成像处理，并呈现给大家。

三

实验结果

3.1 THz-TDS光束轮廓

作为第一个概念验证，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：选定的一维实时光束形状扫描的单帧。从相机软件（a、b）保存的数据，并将相同的数据与应用后处理（c、d）进行假色比较。子图（a、c、f）描绘了两个失焦位置（焦点前后）的光束形状。接近最优焦点的空间强度分布见（b、d、e）。

3.2 拍摄西门子星

第一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).通过有意地将第一OAPM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：金属西门子星的成像。西门子之星(a)为可见光图片，图像与西门子外缘星可见(b)，而在(c)只有中心部分可分辨。未经处理的THz数据(d)和假色，应用死像素去除(e)。西门子星的外缘（蓝色圆圈）和分辨率限制（红色圆圈）。

这些图像的质量允许对空间分辨率的估计。首先，最小的半径是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最高对比度的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 拍摄把钥匙放在信封里

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：金属键的成像图拍摄粗糙尺寸（a、d），按键的原始THz图像（b、e），去除死像素后的处理THz图像（c、f）。钥匙仍然可以在标准纸信封（e、f）内解析，并标记信封的边缘(f)。

3.4 拍摄具有不同水分含量的叶片

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 薄木样品

一个0.19毫米薄的切片机切割的木材样品被安装在一个可旋转的支架中。在样品和相机之间使用3mm的特氟隆实现热图像抑制。旋转的零位置（‘=0°)的定义为使年环平行于太赫兹辐射的极化。这种预防措施可以确定偏振对所记录的图像是否有任何影响。

艺术插图图7(a).显示了不同方向的实际样品的照明区域的近似每年的环已经在原始的太赫兹图像中可见了(图。7(b))，并在后处理的数据中变得更加明显(图7(c)).每种配置都可以清楚地识别出年环。没有证据表明环的方向会影响图像的对比度。太赫兹图像(图7（b，c）)是一个视频剪辑（补充材料中的视频S7）的单帧，尽管我们有很高的吸收，但我们能够实时记录。

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

关于THz的讨论

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)).如果我们将它与最小光束形状的半最大值的全宽进行比较，这个分辨率与我们所能期望的最大值相差不远(图3（d，e）)为0.65（10）mm，最大强度为THz-TDS的波长（0.6mm对应0.5THz），这决定了最大可达到的分辨率。

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。

通过概念证明，复杂的样本结构可以被成像(图6 &图7 )，在这项工作中描述的设置也可以为材料科学家提供更容易的太赫兹实验。

我们可以想到用聚合物、气凝胶、（嵌入式）纳米材料和由改性生物前驱体衍生的材料来进行的实验。后者也可以作为连接生物学的桥梁。对树叶、草、作物、幼树（树）树苗进行的田间、体内实验都在可能的范围内。由于相对较高的便携性、低功耗和鲁棒性，在没有基础设施/离网的偏远地点进行长期的现场实验似乎是可行的。

从生物样本成像能力，农业和食品工业也可以直接获利。通过监测叶片和植物的含水量来改善水分管理。这已经在各种太赫兹设置中得到了证明。这种成像方法不仅可以在生产过程中应用，而且可以保证在运输和进一步加工过程中的产品质量。g.通过包装实时检测变质或异物(见图5).后者还立即意味着适用于邮件筛选等安全应用程序。

进一步的工业用例可以是在生产过程中的质量控制，eg.纸张含水量监测、塑料安全检查或回收等。同样可以想象的是太赫兹光弹性，其中人们可以测量太赫兹透明材料在传输过程中的应力状态。

宽光谱范围和偏振控制可用于可视化和评估包装材料和电子外壳中的残余应力分布，也可用于在机械试验中实时显示应力分布。

五

结论

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相机，THZ源，THZ探测器，THZ光谱仪等THZ应用的大部分器件。