虹科分享 | 帶您了解太赫茲成像技術(shù)及系統(tǒng)方案

上篇

太赫茲波定義為0.1-10THz范圍內(nèi)的電磁波，處于微波與紅外之間，具有許多獨特的性質(zhì)，比如穿透性、非電離輻射、吸水性、指紋頻譜等，在材料識別、安全檢查與無損檢測方面有諸多應(yīng)用。

圖1 太赫茲波在電磁譜中的位置

本次分享分為上下篇，主要介紹太赫茲成像技術(shù)的分類與特點，特別關(guān)注連續(xù)太赫茲波成像技術(shù)的實現(xiàn)方法及優(yōu)劣勢，包括連續(xù)波掃描成像技術(shù)、實時成像技術(shù)以及雷達成像技術(shù)，并展示虹科特有的連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)，為無損檢測提供了極具優(yōu)勢的解決方案。

01太赫茲成像技術(shù)的優(yōu)勢

太赫茲成像技術(shù)作為太赫茲研究中頗具前景的一個方向，得益于該輻射波段的獨特性質(zhì)：光子能量低，不具有電離輻射；極易透過非極性和非金屬材料，包括陶瓷、塑料、木材等常見卻無法被紅外光透射的材料；頻段處在許多生物大分子振動和轉(zhuǎn)動能級，可根據(jù)太赫茲波的強吸收和諧振特性建立分子指紋特征譜鑒別物質(zhì)成分；水敏感性高，非常適合物質(zhì)含水量分析等。

圖 2 太赫茲成像技術(shù)的優(yōu)勢

除了可獲得比其他光源更多的信息外，太赫茲成像技術(shù)在性能上也十分優(yōu)越。太赫茲波段的高頻率對應(yīng)于更短的波長，能夠達到比微波成像更高的空間分辨率。而在穿透成像方面，相比需要借助耦合劑接觸樣品的超聲成像，太赫茲成像屬于非接觸無損檢測，更易于實現(xiàn)自動集成。與具有穿透能力的X射線成像相比，太赫茲成像沒有電離輻射，對人體以及生物樣品都沒有傷害，適應(yīng)環(huán)境更為廣泛。基于以上優(yōu)勢，太赫茲成像技術(shù)在安檢、生物檢測與工業(yè)無損檢測等方面具有極佳的應(yīng)用前景。

圖3 太赫茲成像技術(shù)的應(yīng)用

02脈沖太赫茲成像技術(shù)

太赫茲成像技術(shù)根據(jù)太赫茲源的種類可以分為連續(xù)太赫茲成像與脈沖太赫茲成像。脈沖太赫茲波具有比較寬的頻帶，覆蓋GHz到十幾THz的范圍，有利于對樣品做太赫茲光譜的分析。目前脈沖太赫茲成像技術(shù)主要是基于太赫茲時域光譜儀（TDS），通過飛秒激光作用于光電導(dǎo)天線或者光整流晶體產(chǎn)生太赫茲脈沖，聚焦作用在樣品上，采集樣品單點位置的反射或者透射光譜。當(dāng)我們施加一個掃描成像套件，將樣品進行二維平面的移動，選擇太赫茲光譜的某一信號特征進行數(shù)據(jù)處理即可得到樣品的太赫茲波圖像，能夠反饋樣品內(nèi)部的各種信息。

圖4 太赫茲時域光譜儀系統(tǒng)

基于TDS的脈沖太赫茲成像方法能夠獲取較為全面的時域和頻域太赫茲信息，包括幅度和相位，經(jīng)過特殊系統(tǒng)設(shè)置還可以得到振幅信息，在目前的太赫茲成像市場中占據(jù)主流。然而缺點在于其需要移動樣品進行時間，對于大型樣品的掃描成像時間較長。另一點在于目前商業(yè)化的太赫茲時域光譜系統(tǒng)的輸出功率都不高，大多在百微瓦量級，在信噪比與穿透性方面需要不斷提高。最新的突破在于德國的menlo systems公司開發(fā)的全光纖耦合太赫茲時域光譜系統(tǒng)，在55mW的激光激發(fā)功率下測量到0.97±0.07 mW的太赫茲發(fā)射功率，這也是基于全光纖太赫茲產(chǎn)生的世界紀(jì)錄。

03 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，基于量子級聯(lián)激光器原理的連續(xù)太赫茲源功率可高達幾十毫瓦，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上百毫瓦。因此在測量更厚的材料、實現(xiàn)更好的穿透效果方面，連續(xù)太赫茲波成像技術(shù)會更有優(yōu)勢。基于連續(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種類，每種成像方法各有優(yōu)劣，用戶可根據(jù)自己的具體應(yīng)用需求來選擇合適的連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)。

3.1連續(xù)太赫茲波掃描成像系統(tǒng)： 當(dāng)擁有一個連續(xù)太赫茲源后，最簡單的成像系統(tǒng)組成為：一些光學(xué)元件將光束準(zhǔn)直聚焦，一個位移臺承載并移動樣品，一個太赫茲探測器進行太赫茲信號的采集，再結(jié)合相關(guān)的圖像處理方法，即可組成一個連續(xù)太赫茲掃描成像系統(tǒng)。此類系統(tǒng)相較于TDS成像系統(tǒng)，其太赫茲波的輸出功率通常會更高，在同等條件下可以穿透更厚的樣品。比如采用電子學(xué)的方法將微波頻段倍頻到太赫茲頻段，通常在1THz以下，輸出功率在幾十毫瓦量級，可靠性穩(wěn)定且設(shè)備體積緊湊，適合各類集成式系統(tǒng)應(yīng)用，用戶可以根據(jù)項目需求自己搭建此類成像系統(tǒng)。

圖5 虹科連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)光路圖

當(dāng)然，如果有完整組成的成像系統(tǒng)會使得項目應(yīng)用更為簡便化。虹科提供基于此工作原理的完整掃描成像系統(tǒng)，包括Teraschokky亞太赫茲源，提供75G/150G/300G/600G的輸出，最高350mW的功率輸出；熱釋電探測器，連接鎖相放大器使用，探測太赫茲源的功率數(shù)值；光學(xué)組件，用于太赫茲波的準(zhǔn)直與聚焦，以及專業(yè)的成像軟件。

圖6 掃描系統(tǒng)的Teraschokky亞太赫茲源

圖7 掃描系統(tǒng)的Terapyro太赫茲傳感器

如此簡單的系統(tǒng)構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)最佳亞毫米的成像分辨率，并且能夠同時探測到樣品的反射與透射太赫茲信號，這對太赫茲信號的分析提供了更多可參考的數(shù)據(jù)，對于太赫茲成像技術(shù)的延展研究也提供了更多可能性。總結(jié)根據(jù)太赫茲源的類型，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、實時成像與雷達成像3種，今天介紹的成像系統(tǒng)的優(yōu)勢與局限可以簡單如下表所示：

下篇

上篇我們介紹了太赫茲成像技術(shù)的優(yōu)勢、太赫茲成像技術(shù)的分類與特點（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)勢與局限。今天帶您了解實時成像技術(shù)、雷達成像技術(shù)的實現(xiàn)方法及優(yōu)劣勢是什么？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，基于量子級聯(lián)激光器原理的連續(xù)太赫茲源功率可高達幾十毫瓦，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上百毫瓦。因此在測量更厚的材料、實現(xiàn)更好的穿透效果方面，連續(xù)太赫茲波成像技術(shù)會更有優(yōu)勢?；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種類，每種成像方法各有優(yōu)劣，用戶可根據(jù)自己的具體應(yīng)用需求來選擇合適的連續(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)

該系統(tǒng)構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)最佳亞毫米的成像分辨率，并且能夠同時探測到樣品的反射與透射太赫茲信號，這對太赫茲信號的分析提供了更多可參考的數(shù)據(jù)，對于太赫茲成像技術(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)的缺點都在于其冗長的掃描時間，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，然后通過太赫茲相機進行面成像區(qū)域的采集，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻照明區(qū)域內(nèi)的實時圖像呈現(xiàn)。此類系統(tǒng)的探測器多采用微測熱輻射計（Microbolometer），針對太赫茲波段做了優(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)雖然實現(xiàn)了實時成像，但是它目前仍存在單次成像面積有限的問題，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格高昂，直到量子級聯(lián)激光器（QCL）的發(fā)明為太赫茲面陣成像技術(shù)的研究帶來了轉(zhuǎn)機，其在2~5T范圍具有mW級別的輸出功率，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7mW；成像模塊，包括自動對準(zhǔn)模塊與光源均衡模塊，實現(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，進行實時圖像的采集，每分鐘采集50幀圖像。整個系統(tǒng)組件完整，調(diào)整樣品與相機的位置即可反射/透射式實時成像，最優(yōu)可實現(xiàn)250um的分辨率。

虹科TeraEyes-HV實時成像太赫茲系統(tǒng)

使用QCL太赫茲源成像在均勻光斑的時候存在一個缺點，其輸出為相干光，并且太赫茲波長在毫米和亞毫米量級，經(jīng)過透鏡光闌等光學(xué)孔徑時，出射波束易發(fā)生衍射和干涉。經(jīng)過成像系統(tǒng)中多次光學(xué)元件反射后的光束輪廓，光斑周圍會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實時成像系統(tǒng)采用了一種創(chuàng)新的成像設(shè)置，包括一個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)射相干性帶來的限制。輻射通過光束控制單元傳播，通過振鏡對激光束進行快速控制，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。通過這種方法減少了衍射造成的成像干擾，進一步提高了信噪比。

光斑快掃形成等效平行光斑，成像無干涉條紋的影響

因此，基于QCL源與太赫茲相機的連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)能夠?qū)崟r成像，對于想要觀察動態(tài)變化的樣品的內(nèi)部情況等應(yīng)用場景是最佳選擇方案。

1.3太赫茲雷達掃描成像： 太赫茲面陣成像技術(shù)雖然實現(xiàn)了實時動態(tài)的成像效果，但是其探測方式只能收集樣品反射/透射信號的強度信息，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）太赫茲雷達是一個不錯的選擇。

太赫茲雷達的成像構(gòu)造圖

FMCW太赫茲雷達通常集成了發(fā)射和探測的功能，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級別。而探測是基于外差探測的混頻器原理，連續(xù)太赫茲波經(jīng)過線性/鋸齒波/三角波等調(diào)制，作用到樣品上并采集其反射信號，通過混頻器輸出中頻信號，而中頻信號反映了樣品的距離（深度信息）。

線性FMCW雷達原理

目前，太赫茲波雷達的核心產(chǎn)生與探測主要有兩種方法：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)定性高以及動態(tài)范圍、探測速率等成像表現(xiàn)更好，當(dāng)然同樣價格更高；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 右為120G雷達

比如虹科的150G雷達就是基于GaAs材料，其動態(tài)范圍約100dB，探測速率高達7.6KHz，有潛力實現(xiàn)高速的線掃描成像；而基于硅基材料的120G雷達則只有10Hz的探測速率，動態(tài)范圍為30dB，但是成本優(yōu)勢十分明顯，內(nèi)置的光學(xué)元件以及搭配的位移平臺能夠?qū)崿F(xiàn)便攜操作的太赫茲成像檢測。
總而言之，太赫茲雷達成像的最大優(yōu)勢在于可以的得到樣品不同深度的二維圖像，實現(xiàn)層析成像，在圖像三維重建方面更有優(yōu)勢。并且核心材料制造有低價和高價的選擇，能夠滿足不同需求。

FMCW太赫茲雷達成像效果

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，在食品藥品包裝內(nèi)異物檢測、腐蝕檢測、材料內(nèi)部缺陷檢測等諸多工業(yè)應(yīng)用場景具有廣泛的應(yīng)用前景，當(dāng)然實際使用時還需要適配具體的工業(yè)環(huán)境做一些集成開發(fā)工作。
根據(jù)太赫茲源的類型，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、實時成像與雷達成像3種，各個成像系統(tǒng)的優(yōu)勢與局限可以簡單如下表所示：

太赫茲成像技術(shù)的優(yōu)點與局限虹科提供3種連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)，滿足用戶不同應(yīng)用場景以及成像參數(shù)的需求，以最可靠的系統(tǒng)配置實現(xiàn)最優(yōu)的太赫茲成像效果。
參考文獻：
[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
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