上篇我們介紹了太赫茲成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、太赫茲成像技術(shù)的分類(lèi)與特點(diǎn)(太赫茲成像技術(shù)可以分為脈沖波成像與連續(xù)波成像)、TDS成像系統(tǒng)和連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與局限。今天帶您了解實(shí)時(shí)成像技術(shù)、雷達(dá)成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法及優(yōu)劣勢(shì)是什么?虹科除了連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)還有哪些連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)?
01
連續(xù)太赫茲成像技術(shù)
連續(xù)太赫茲在功率方面表現(xiàn)更為突出,基于量子級(jí)聯(lián)激光器原理的連續(xù)太赫茲源功率可高達(dá)幾十毫瓦,而基于肖特基二極管倍頻器的連續(xù)亞太赫茲源的功率高達(dá)上百毫瓦。因此在測(cè)量更厚的材料、實(shí)現(xiàn)更好的穿透效果方面,連續(xù)太赫茲波成像技術(shù)會(huì)更有優(yōu)勢(shì)?;谶B續(xù)太赫茲波的成像方法由于成像方式與產(chǎn)生方法的不同存在多個(gè)種類(lèi),每種成像方法各有優(yōu)劣,用戶(hù)可根據(jù)自己的具體應(yīng)用需求來(lái)選擇合適的連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)。
1.1
連續(xù)太赫茲波掃描成像系統(tǒng)(詳見(jiàn)上篇,點(diǎn)擊此處查看)
該系統(tǒng)構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)最佳亞毫米的成像分辨率,并且能夠同時(shí)探測(cè)到樣品的反射與透射太赫茲信號(hào),這對(duì)太赫茲信號(hào)的分析提供了更多可參考的數(shù)據(jù),對(duì)于太赫茲成像技術(shù)的延展研究也提供了更多可能性。
1.2
太赫茲面陣成像
在上篇提到的成像系統(tǒng)包括TDS系統(tǒng)的缺點(diǎn)都在于其冗長(zhǎng)的掃描時(shí)間,而太赫茲面陣成像技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一難題。
面陣成像系統(tǒng)通常利用高功率的連續(xù)太赫茲源,準(zhǔn)直后形成較為均勻的照明區(qū)域照射到樣品上,然后通過(guò)太赫茲相機(jī)進(jìn)行面成像區(qū)域的采集,能夠?qū)崿F(xiàn)均勻照明區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)圖像呈現(xiàn)。此類(lèi)系統(tǒng)的探測(cè)器多采用微測(cè)熱輻射計(jì)(Microbolometer),針對(duì)太赫茲波段做了優(yōu)化,且不需要制冷環(huán)境,是目前主流的太赫茲成像探測(cè)器。其像素大小有多種選擇,市面上最高有1280×1024的陣列,而幀頻通常在50或60Hz,能夠滿(mǎn)足常規(guī)的成像速度需要。
太赫茲面陣成像的典型構(gòu)造
太赫茲面陣成像技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)成像,但是它目前仍存在單次成像面積有限的問(wèn)題,受限于光源均勻后的功率,早期一般使用二氧化碳等氣體激光器充作太赫茲源。但是氣體激光器不僅體積龐大而且價(jià)格高昂,直到量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)的發(fā)明為太赫茲面陣成像技術(shù)的研究帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī),其在2~5T范圍具有mW級(jí)別的輸出功率,且設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,成為面陣成像技術(shù)的首選光源。
虹科提供的TeraEyes-HV系統(tǒng)就基于上述成像原理,其構(gòu)成為:2~5T范圍的QCL太赫茲源,最高功率達(dá)7mW;成像模塊,包括自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)模塊與光源均衡模塊,實(shí)現(xiàn)光斑的均勻照明,最大照明面積10×10cm2;搭配太赫茲鏡頭的太赫茲相機(jī),進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像的采集,每分鐘采集50幀圖像。整個(gè)系統(tǒng)組件完整,調(diào)整樣品與相機(jī)的位置即可反射/透射式實(shí)時(shí)成像,最優(yōu)可實(shí)現(xiàn)250um的分辨率。
虹科TeraEyes-HV實(shí)時(shí)成像太赫茲系統(tǒng)
使用QCL太赫茲源成像在均勻光斑的時(shí)候存在一個(gè)缺點(diǎn),其輸出為相干光,并且太赫茲波長(zhǎng)在毫米和亞毫米量級(jí),經(jīng)過(guò)透鏡光闌等光學(xué)孔徑時(shí),出射波束易發(fā)生衍射和干涉。經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)中多次光學(xué)元件反射后的光束輪廓,光斑周?chē)鷷?huì)存在明顯的干涉條紋,如上圖所示,在最終樣品成像效果中會(huì)存在明顯影響。
QCL源面陣成像受到干涉條紋影響[2]
虹科提供的TeraEyes-HV實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)采用了一種創(chuàng)新的成像設(shè)置,包括一個(gè)可編程的光束控制單元,能夠產(chǎn)生均勻而靈活的照明模式,從而解決了發(fā)射相干性帶來(lái)的限制。輻射通過(guò)光束控制單元傳播,通過(guò)振鏡對(duì)激光束進(jìn)行快速控制,從而產(chǎn)生合適的照明模式。光束控制單元是完全可編程的,照明模式可以定制,以適應(yīng)不同的樣品尺寸和應(yīng)用。通過(guò)這種方法減少了衍射造成的成像干擾,進(jìn)一步提高了信噪比。
光斑快掃形成等效平行光斑,成像無(wú)干涉條紋的影響
因此,基于QCL源與太赫茲相機(jī)的連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)成像,對(duì)于想要觀察動(dòng)態(tài)變化的樣品的內(nèi)部情況等應(yīng)用場(chǎng)景是最佳選擇方案。
1.3
太赫茲雷達(dá)掃描成像:
太赫茲面陣成像技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的成像效果,但是其探測(cè)方式只能收集樣品反射/透射信號(hào)的強(qiáng)度信息,在信息采集的全面性存在局限。而基于連續(xù)太赫茲源,想要獲得更多的太赫茲信息(幅度、相位以及深度信息),連續(xù)波調(diào)頻(FMCW)太赫茲雷達(dá)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
太赫茲雷達(dá)的成像構(gòu)造圖
FMCW太赫茲雷達(dá)通常集成了發(fā)射和探測(cè)的功能,因此單體結(jié)構(gòu)更為緊湊。太赫茲波的產(chǎn)生同樣是基于倍頻器等原理,其輸出頻率主要在亞太赫茲波段(<1THz),因此成像分辨率通常在mm級(jí)別。而探測(cè)是基于外差探測(cè)的混頻器原理,連續(xù)太赫茲波經(jīng)過(guò)線性/鋸齒波/三角波等調(diào)制,作用到樣品上并采集其反射信號(hào),通過(guò)混頻器輸出中頻信號(hào),而中頻信號(hào)反映了樣品的距離(深度信息)。
線性FMCW雷達(dá)原理
目前,太赫茲波雷達(dá)的核心產(chǎn)生與探測(cè)主要有兩種方法:一種是基于III-V族半導(dǎo)體材料的肖特基二極管倍頻器,穩(wěn)定性高以及動(dòng)態(tài)范圍、探測(cè)速率等成像表現(xiàn)更好,當(dāng)然同樣價(jià)格更高;另一種則是基于硅基材料,能夠?qū)⒈额l器、混頻器等諸多功能電路集成在一張芯片上,因此成本與設(shè)備體積都會(huì)大大減少,而在穩(wěn)定性和成像性能表現(xiàn)上稍遜一籌。
左為150G雷達(dá) 右為120G雷達(dá)
比如虹科的150G雷達(dá)就是基于GaAs材料,其動(dòng)態(tài)范圍約100dB,探測(cè)速率高達(dá)7.6KHz,有潛力實(shí)現(xiàn)高速的線掃描成像;而基于硅基材料的120G雷達(dá)則只有10Hz的探測(cè)速率,動(dòng)態(tài)范圍為30dB,但是成本優(yōu)勢(shì)十分明顯,內(nèi)置的光學(xué)元件以及搭配的位移平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)便攜操作的太赫茲成像檢測(cè)。
總而言之,太赫茲雷達(dá)成像的最大優(yōu)勢(shì)在于可以的得到樣品不同深度的二維圖像,實(shí)現(xiàn)層析成像,在圖像三維重建方面更有優(yōu)勢(shì)。并且核心材料制造有低價(jià)和高價(jià)的選擇,能夠滿(mǎn)足不同需求。
FMCW太赫茲雷達(dá)成像效果
02
總結(jié)
太赫茲成像技術(shù)具有穿透性、非接觸式、非電離輻射的優(yōu)勢(shì),在食品藥品包裝內(nèi)異物檢測(cè)、腐蝕檢測(cè)、材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)等諸多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景具有廣泛的應(yīng)用前景,當(dāng)然實(shí)際使用時(shí)還需要適配具體的工業(yè)環(huán)境做一些集成開(kāi)發(fā)工作。
根據(jù)太赫茲源的類(lèi)型,太赫茲成像技術(shù)可以分為脈沖波成像與連續(xù)波成像,而連續(xù)波成像根據(jù)成像原理的不同又可分為連續(xù)波掃描成像、實(shí)時(shí)成像與雷達(dá)成像3種,各個(gè)成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與局限可以簡(jiǎn)單如下表所示:
太赫茲成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與局限
虹科提供3種連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng),滿(mǎn)足用戶(hù)不同應(yīng)用場(chǎng)景以及成像參數(shù)的需求,以最可靠的系統(tǒng)配置實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的太赫茲成像效果。
參考文獻(xiàn):
[1]Jean-Baptiste Perraud et al, Sensors. 2020, 20(14), 3993
[2] A. W. M. Lee et al, Opt. Lett. 2005, 30, 2563
[3]Yao-Chun Shen et al. Chinese Phys. B. 2020, 29, 078705
[4]曹丙花,李素珍等. 光譜學(xué)與光譜分析.2020,40, 2686
[5]The Terahertz Users Group of the British Institute of Non-destructive Testing
THE END
如果您對(duì)虹科連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)感興趣,想要了解相關(guān)信息,歡迎來(lái)電或留言咨詢(xún),我們將竭誠(chéng)為您服務(wù)!
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