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              光纤耦合光电导天线和非制冷太赫兹相机实现实时太赫兹高分辨成像

              2021-04-19 17:40:41??????点击:

              摘要:

              我们提出了一种利用商业化光纤耦合光导天线作为太赫兹源和非制冷micro-bolometer相机进行探测的太赫兹实时成像方法。对比其他的太赫兹成像装置,该系统具有光纤耦合式的高频太赫兹辐射源,以及紧凑的太赫兹相机,是得该系统可以灵活的应用。使用高灵敏度的相机使实时成像成为可能。作为概念验证,我们测量了太赫兹时域光谱仪中太赫兹的波束形状。另外还展示了在几何传播中的实际应用潜力,包括材料科学和安全检测。结果表明,生物材料的隐藏物、复杂结构和水分含量是可以被检测到的。我们讨论了当前设置的限制、可能的改进、潜在的(工业)应用,并概述了反射几何成像或利用带通滤波器将其扩展到多光谱成像的可行性。

              关键字:太赫兹成像,实时成像,光电导天线,micro-bolometer太赫兹相机,太赫兹时域光谱仪

              1.    前言:

              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先决条件。非电离的太赫兹辐射是一种选择,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很高的透过率。广泛的材料,如塑料,陶瓷,非法药物,爆炸物,木材,纸张,叶子和血液已经成功地利用太赫兹辐射进行了研究。此外,基于亚太赫兹辐射的大量安全应用已经被提出,一些已经商业化。尽管有巨大的潜力,太赫兹在外部研究中的应用目前还远未普及。理论上,一个太赫兹传输成像装置可以由窄频率太赫兹光源、准直透镜和太赫兹像素阵列相机组成。这种简单的装置很有希望应用于工业和安全应用程序。然而,可实现的分辨率和图像质量分别受到辐照波长、所有光学元件的数值孔径NA以及相机特性(像素大小、灵敏度等)的限制。为了避开光学元件的限制,无透镜成像是一个选择。

              到目前为止,在0.2THz到4THz频率范围内最常用的太赫兹光源是远红外(FIR)气体激光器、量子级联激光器(QCLs)和光电导天线(PCAs)。FIR气体激光器是基于高功率、中红外二氧化碳激光器泵浦太赫兹腔。它们的太赫兹发射可以是连续波(cw),在2.52THz处输出功率超过150mW。输出波长取决于太赫兹谐振腔中的气体。然而,连续波激光器只发射一束窄线宽光源,其稳定运行也具有挑战性。最近,相对紧凑的太赫兹QCLs开始在没有低温恒温器的情况下运行,使用一个热电冷却器,操作温度在250K。在频率梳操作中,带宽虽大于一个倍频,但仍限制在1-6THz。最近,记录的峰值输出功率达到2W (58K, 3.3 THz,单模)。尽管取得了有希望的进展,但要实现室温操作、更大带宽和更高功率,还需要更多的研究。

              太赫兹光电导天线结合了上述太赫兹源的许多优点:它们是紧凑的,带宽高达6thz,信号动态范围可达90dB。它们的性能受到近红外泵浦脉冲、载流子寿命,以及对应探测器的限制。大多数商业化太赫兹时域光谱仪(THz- TDS)主要由太赫兹光电导天线结合离轴抛物镜(离轴抛物镜s)作为基础。紧凑而坚固的THz- TDS的应用迅速从第一个报道的水蒸气吸收特性的使用案例扩展到其他研究学科,甚至包括(art)?;ず涂脊叛?。到目前为止,对于THz- TDS成像,仅报道了多像素检测器的原型;图像采集需要对样本进行连续扫描,不能实时提供数据。然而,扫描THz- TDS为太赫兹成像应用于工业应用铺平了道路,例如油漆厚度的测定。由于太赫兹光电导天线的广泛应用,使用它们进行太赫兹成像是非常有吸引力的。例如,Stantchev等人使用一个光电导天线对进行实时单像素成像。他们通过数字微镜设备调制太赫兹光束的方法保留了THz- TDS的时域功能,同时仍能以6帧每秒(fps)的速度实现32*32像素的分辨率。然后,这种方法需要复杂的设备,而我们提出了一种基于简单传输设置的方法,使用光电导天线作为太赫兹源,并利用微测辐射热相机micro-bolometer相机作为接受装置。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,我们简要概述了方法,相机属性,设置和描述数据处理。我们实时记录了太赫兹波束的形状,并利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、叶片中不同水分含量的定性分辨率和木材年轮的成像,验证了该方法的实际应用适用性。最后,我们讨论了该设置的局限性和可能的改进,并提出了实际应用和未来的扩展。


              2.    装置和方法

              2.1  相机和镜头特性

              实验中使用了Swiss Terahertz 的RIGI相机和太赫兹镜头。其规格分别见表1和表2。

              Camera

              Swiss Terahertz RIGI S2x

              类型

              非制冷THz探测器

              工作范围

              16-3000 μm (0.1-18 THz)

              像素大小(μm)

              25

              像素数

              160*120

              探测尺寸(L*H, mm2)

              4*3

              等效噪声功率

              < 1.5pW @ 4.6 THz

              模数转换(位)

              14

              帧传输速率(fps)

              9

              数据传输+电源

              USB

              1 相机技术规格

              镜头

              焦距(mm

              44

              F

              0.7

              材质

              高阻硅

              视场 (横向*垂直)

              17.3° * 13°

              工作范围

              7.4-3000μm0.1-30THz

              2 镜头技术规格

              文章中的相机RIGI S2x是一个新的原型太赫兹相机,优化了在太赫兹低频段的响应。这主要是通过优化的探测器结构来增强相机对低频太赫兹辐射的吸收来实现的。

              2.2  装置

              一个商业化THz-TDS系统(Tera-FlashTF-1503版本,2015年12月4日生产,德国)作为起点。在该系统中,一个100 μm InGaAs的天线作为发射端。加上120V偏置电压,由1550nm脉冲掺铒光纤激光器(脉冲持续时间:60 fs,重复频率:100MHz)光泵浦。到达光电导天线的22.3mW的1550um泵浦激光,转换成约40 μW等效连续波的线性偏振的太赫兹辐射。在整个实验过程中,THz-TDS扫描时间始终保持在70 ps。

              系统光路示意图(见图1):一个离轴抛物镜将光电导天线的发散输出进行准直,然后由另一个离轴抛物面镜聚焦,样品可以放置在束腰内。太赫兹辐射由第二个离轴抛物镜对(与第一个旋转对称)引导到光电导探测天线上。在一个标准的THz- TDS中,探测器是一个光电导天线接收装置(RX),其工作原理与光电导发射天线TX相反。在这项工作中,RX被替换为一个非冷却的微测辐射热相机,它可以沿着太赫兹的传播方向移动。由于传感器对所有发射的波长都比较敏感,光谱分辨率不能从数据中恢复。另一方面,与接受天线的单像素特性相比,该方法获得了高实时空间分辨率。此外,在平行光束截面上插入了两个线栅偏振片,以保证高程度的线偏振。此外,它们还可以通过旋转偏振片方法降低强度。为了简化图1的设置,我们去掉了所有的离轴抛物镜,直接对样本进行照明,并使用专为RIGI相机设计的镜头拍摄图像(2)。

              图1,太赫兹时域光谱仪光路示意图

              图二,利用透镜+太赫兹相机替代离轴抛物镜和接收天线


              对于实际成像应用,复杂的离轴抛物镜对准不如图2中所示简单的基于透镜的装置方便。太赫兹发射天线被放置在一个硅(Si)透镜(f = 25mm, d = 25mm)的焦点上,它准直了THz发射端的发散辐射。透镜和光电导天线之间的精确距离决定了被照面积的大小。为了抑制热成像,大多数样品被安装在一块1mm厚的聚四氟乙烯片上,靠近准直透镜。如果还不足以滤掉红外光的话,在样品和相机之间放置一个3mm的特氟龙片。此外,还在发射端天线上镀了黑色聚乙烯(PE)薄膜,以减弱透过的1550nm近红外泵浦脉冲。由于相机镜头的设计(f = 44mm, f number = 0:7),最小物镜距离为600mm。

              2.3  图像分析和后处理程序

              预处理后的图像数据从相机通过USB发送到PC机??刂迫砑市硎凳惫撕捅4媸菀圆煌难顾鹾臀匏鹞募袷?。数据被保存为14位整数,最小过滤到无损的csv文件,只使用过一次压缩的8jpg。在MATLAB中,应用了以下后处理(也适用于实时数据)。首先,用邻近像素替换坏点来去除它们。另外可选的是,图像然后用一个3*3的中值滤波器和一个宽度为1像素的高斯滤波器进行滤波。然后,用同样的程序对太赫兹束进行滤波和预处理,然后减去背景图像。然后,通过重新缩放灰度图像数据的最小值/最大值来进行对比度增强。为了获得更好的视觉效果,一些后期处理的图像被转换成虚构的颜色。

              通过实时扫描样本并将单个帧数拼接在一起,可以对大于照明面积的样本进行成像,利用图像中心周围区域的自相关性来确定相邻帧数之间的位置偏移。

              根据传感器像素间距和样本上测量的已知特征维数估计太赫兹图像的空间尺度,使用ImageJ/Fiji从坐标纸背景上的样本照片中提取样本(特征)尺寸。


              3.    结果

              3.1 THz-TDS光束分析

              作为第一个概念证明,使用图1所示的设置测量了PCA发射的波束轮廓。在这个装置中,我们对传感器有光束形状的1:1成像。由于聚焦光束的强度对于非常灵敏的相机来说太高了,偏光镜P2旋转了65°,根据Malus定律(I = I0* cos2)),约为初始强度的18%通过。假设沿光路进一步损失50%,我们期望探测器的平均强度小于300mW/m2,但我们在没有任何数据处理的情况下仍然能够获得良好的对比度(见图3 (a, b))。

              3中的图像为视频剪辑的单帧图像,它是沿THz传播方向移动摄像机获得的。数据采集以每秒9帧的速度进行,允许实验人员得到即时反馈。即使未经处理的数据直接从相机(3 (a, b))提供了足够的信息来进行定性分析。对相机数据(3 (c-f))进行后处理后发现,对焦不准的光束(3 (c, f))呈椭圆形,与视场倾斜约±45°??拷沟?span>(图3 (d, e)),光束呈轻微的十字形。同时可以解决+45°倾斜到-45°倾斜的连续过渡问题。

              图3

              3.2  西门子星状

              第一次成像测试是在Siemens star上进行的(4 (a)中的可见光摄影(VIS),外径d = 12.5mm,边缘直径drim= 10.6mm, 9条轮辐),激光从薄金属片上被切除,并安装在1mm厚的特氟龙片上。为了利用THz- TDS中更强的样品辐照(由于光束尺寸较小,可实现更高的辐照强度),样本被放置到标准位置(见图1)。通过有意地将第一对离轴抛物镜和TX移到离样品更近的地方, 焦点移到样本平面之外,有效地扩大了被照射的样品面积。通过这种方法,Siemens star的一部分可以成像(4 (b))。然而,离轴抛物镜s的锯齿形配置不允许如此大样本的不失真成像。这一点通过稍微重新定位Siemens star得到了证明(4 (c))。切换到线性设置(2),可以解析完整的Siemens star(4 (d))。对于该数据集,我们没有使用任何空间滤波,以避免其对空间分辨率确定的影响。只去除坏点(4 (e))。所录制的实时视频很好地展示了西门子星的旋转(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位移。

              图4


              这些图像的质量允许对空间分辨率进行估算,首先,确定中心圆的最小半径rmin,该圆心圆的轮辐与开口之间的平均对比度大于最高对比度的10%。分辨率比rres=2π*rmin/N,N=9是福条数。对于当前的成像设置,从10张不同的Siemens star图像中估算出分辨率rres = 1.05(15)mm。

              3.3  信封里的钥匙

              通过检查金属钥匙(5 (a, d)),我们展示了我们的方法在更大距离内检测隐藏(金属)对象的能力,这些钥匙用标准的纸信封隐藏。两个非常相似的钥匙被放置在距离摄像机组件约600mm的太赫兹光束中(见图2)。热成像被放置在样品和摄像机之间的3mm的特氟龙所抑制。正如预期的那样,一个没有包膜的金属钥匙被清楚分辨了(5 (b))。后处理增强了对比度,使边缘更加清晰(5 (c))。将金属钥匙放入纸信封中,由于纸张表面的吸收和衍射,会降低图像质量(5 (e))。另一个质量损失源于为测试目的保存数据为8jpg,这种格式似乎不适合我们的太赫兹成像的目的。总的来说,关键形状相当模糊,但后期处理可以提高视觉清晰度,甚至可以看到信封的边缘(5 (f))。

              图5

              3.4  含水量不同的叶片

              在太赫兹环境中对水的强烈吸收使太赫兹成像成为生物样品的一种有趣的方式。通过对不同水分含量的叶片的研究,我们评估了我们的方法的可能性。三个不同的叶子标本(6 (a))被安装在1mm厚的聚四氟乙烯薄片上,并按照章节2.3的描述进行扫描。放在一起的图像(6 (b))以及示例性的单个帧(6 (c-e))提供了与照片相同的明显较大的特征,如形状、裂缝等(6 (a))。此外,THz图像显示含水量较高的叶片颜色明显较深。虽然失去了解决更精细的细节的能力,但这可以实现准确的定性分析,甚至实时监测扩散过程。

              图6

              3.5  薄的木材样品

              一个0.19毫米薄的切片机切割的木材样品安装在一个可旋转的支架上。热图像抑制通过位于样品和相机之间的3mm聚四氟乙烯来实现。旋转的零位置(φ = 0)被定义为年轮平行于太赫兹辐射的极化,这种措施可以确定极化对记录图像是否存在任何影响。在图7 (a)的美感性的插图中,不同方向显示了实际样品被照亮面积的近似值。年轮已经在太赫兹原始图像中可见(7 (b)),并在后处理数据中变得更加明显(7 (c))。年轮对于每一种构造都是清晰可辨的。没有证据表明环的方向会影响图像的对比度。THz图像(7 (b, c))是我们能够在高吸收的情况下实时录制的视频片段(补充材料中的视频S7)的单帧图像。

              图7

              4.    讨论

              4.1  当前设置的限制性和潜在改进

              使用PCA作为太赫兹源的主要限制是输出功率低。只要图像是用聚焦光束获取的,这就无关紧要了。然而,对于准直光束,辐照度随光束半径的二次方递减。例如,通过塑料(食品)容器的强传输信号可以在THz- TDS(聚焦,RX)中检测到,但如果使用准直光束和相机代替RX,则无法记录有效信号。虽然相机非常敏感,但与样品吸收相结合的扩展光束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,根据Siemens star图像(4 (c-f))估算出分辨率rres = 1.05(15)mm。如果我们将其与0.65(10)mm的最小波束形状的半最大全宽(图3 (d, e))和THz- TDS的最大强度波长(0.6mm对应0.5 THz)进行比较,这个分辨率离我们可以期望的最大值不远,这决定了最大可以达到的分辨率。我们假定,对有限分辨率的一个相关贡献是使用宽带发射极而不是单线信号源。尽管辐射包含高频率,这将得到更好的空间分辨率,从以低频信号的主导的太赫兹光束模糊了图像和降低了分辨率。此外,在环境条件下,强烈的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以成像。由于图像质量高度依赖于光程长度,减少源、样本和相机之间的总距离,同时抑制水蒸气的影响将有所帮助。如果工作在更大的距离或环境条件是绝对需要的,正在进行的更有效的PCAs可以提供更大的频率带宽和更高的强度在更短的波长。用高通滤波器阻止较低的频率,同时仍然保持足够的强度来获得高对比度的太赫兹图像,将可以解析当前设置无法访问的较小结构。

              4.2  潜在应用

              对于太赫兹科研人员,如图3所示的弱和/或宽带源的实时波束分析仍然是一项艰巨的任务。这项工作的结果还表明,新一代非常敏感的太赫兹微辐射热计相机可以对PCA发射的光束成像,但也可以对其他弱太赫兹源发射的光束成像。通过对复杂样品结构的概念验证(图6和图7),本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。

              我们可以考虑用聚合物、气凝胶、(嵌入的)纳米材料和来自改性生物前体的材料进行实验。后一门课也可以作为通往生物学的纽带。在田间,在叶子,草,庄稼,幼树的体内实验都是有可能的。由于相对较高的可移植性、低功耗和坚固性,在没有基础设施/离网的偏远地区进行长期现场实验似乎是可行的。从对生物样本进行成像的能力,农业和食品工业也可以直接受益,例如通过监测叶片和植物的水分含量来改善水资源管理。这种成像方法不仅可以应用于生产过程中,而且可以确保产品在运输和进一步加工过程中的质量,例如通过包装实时检测变质产品或异物(见图5)。后者也立即意味着适合于安全应用,如信件筛查。进一步的工业应用可以是在生产过程中的质量控制,例如监测纸张中的水分含量,安全检查或塑料回收等。同样可以设想的还有太赫兹光弹性,它可以测量太赫兹透明材料在透射过程中的应力状态。

              宽光谱范围和偏振控制可用于可视化和评估封装材料和电子外壳的残余应力分布,也可用于实时显示机械测试过程中的应力分布。


              4.3  前景:可能的改进

              由于THz- TDS之字形几何的成像已经显示(4 (b, c)),使用PCA成像不限于传统的基于透镜的THz显微镜。不用透镜,可以使用专门为成像设计的离轴抛物镜s设置。这将无法用商业化(微距)的镜头来获取使用/测量的方法/样品。使用这一概念实现良好图像质量的一个主要缺点是离轴抛物镜有很多自由度。这使得精确对齐非常具有挑战性,但精确的校准是获得高质量图像的必要前提。

              在我们使用新源-探测器组合的最初实验中,我们关注的是传输。然而,它直接改变设置从透射到反射成像重新安排照明几何。为了减少使用微测辐射热相机代替传统RX所造成的时域/光谱信息损失,我们提出了通过在光束路径中插入太赫兹带通滤波器来实现多光谱成像。将滤光片安装在一个旋转的轮子上可以实时生成虚构彩色图像。它的可行性取决于太赫兹滤波器的质量和更高功率的PCA源的可用性。


              5.    结论

              提出了一种基于光纤耦合PCA和非制冷微测辐射热计相机的太赫兹实时成像方法。作为概念验证,我们实时记录了THz- TDS波束形状,并检查了传输几何中典型的安全、质量控制和材料科学任务的性能。实验过程中遇到的挑战是样品辐照度较弱,分辨率低于物理波长限制,有些样品的图像质量降低。此外,我们讨论了可能的改进和(实际)应用的设置,包括反射几何和多光谱成像与太赫兹滤波器的实验。




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