虹科分享 | 带您了解太赫兹成像技术及系统方案（下）

 

上篇我们介绍了太赫兹成像技术的优势、太赫兹成像技术的分类与特点（太赫兹成像技术可以分为脉冲波成像与连续波成像）、TDS成像系统和连续波扫描成像系统的优势与局限。今天带您了解实时成像技术、雷达成像技术的实现方法及优劣势是什么？虹科除了连续波扫描成像系统还有哪些连续太赫兹波成像系统？

01

 连续太赫兹成像技术

 

连续太赫兹在功率方面表现更为突出，基于量子级联激光器原理的连续太赫兹源功率可高达几十毫瓦，而基于肖特基二极管倍频器的连续亚太赫兹源的功率高达上百毫瓦。因此在测量更厚的材料、实现更好的穿透效果方面，连续太赫兹波成像技术会更有优势。基于连续太赫兹波的成像方法由于成像方式与产生方法的不同存在多个种类，每种成像方法各有优劣，用户可根据自己的具体应用需求来选择合适的连续太赫兹成像系统。

1.1

连续太赫兹波扫描成像系统（详见上篇，点击此处查看）

      该系统构造能够实现最佳亚毫米的成像分辨率，并且能够同时探测到样品的反射与透射太赫兹信号，这对太赫兹信号的分析提供了更多可参考的数据，对于太赫兹成像技术的延展研究也提供了更多可能性。

1.2

太赫兹面阵成像

      在上篇提到的成像系统包括TDS系统的缺点都在于其冗长的扫描时间，而太赫兹面阵成像技术的出现解决了这一难题。

      面阵成像系统通常利用高功率的连续太赫兹源，准直后形成较为均匀的照明区域照射到样品上，然后通过太赫兹相机进行面成像区域的采集，能够实现均匀照明区域内的实时图像呈现。此类系统的探测器多采用微测热辐射计（Microbolometer），针对太赫兹波段做了优化，且不需要制冷环境，是目前主流的太赫兹成像探测器。其像素大小有多种选择，市面上最高有1280×1024的阵列，而帧频通常在50或60Hz，能够满足常规的成像速度需要。

太赫兹面阵成像的典型构造

      太赫兹面阵成像技术虽然实现了实时成像，但是它目前仍存在单次成像面积有限的问题，受限于光源均匀后的功率，早期一般使用二氧化碳等气体激光器充作太赫兹源。但是气体激光器不仅体积庞大而且价格高昂，直到量子级联激光器（QCL）的发明为太赫兹面阵成像技术的研究带来了转机，其在2~5T范围具有mW级别的输出功率，且设备结构紧凑，成为面阵成像技术的首选光源。

     虹科提供的TeraEyes-HV系统就基于上述成像原理，其构成为：2~5T范围的QCL太赫兹源，最高功率达7mW；成像模块，包括自动对准模块与光源均衡模块，实现光斑的均匀照明，最大照明面积10×10cm2；搭配太赫兹镜头的太赫兹相机，进行实时图像的采集，每分钟采集50帧图像。整个系统组件完整，调整样品与相机的位置即可反射/透射式实时成像，最优可实现250um的分辨率。

虹科TeraEyes-HV实时成像太赫兹系统

      使用QCL太赫兹源成像在均匀光斑的时候存在一个缺点，其输出为相干光，并且太赫兹波长在毫米和亚毫米量级，经过透镜光阑等光学孔径时，出射波束易发生衍射和干涉。经过成像系统中多次光学元件反射后的光束轮廓，光斑周围会存在明显的干涉条纹，如上图所示，在最终样品成像效果中会存在明显影响。

QCL源面阵成像受到干涉条纹影响[2]

      虹科提供的TeraEyes-HV实时成像系统采用了一种创新的成像设置，包括一个可编程的光束控制单元，能够产生均匀而灵活的照明模式，从而解决了发射相干性带来的限制。辐射通过光束控制单元传播，通过振镜对激光束进行快速控制，从而产生合适的照明模式。光束控制单元是完全可编程的，照明模式可以定制，以适应不同的样品尺寸和应用。通过这种方法减少了衍射造成的成像干扰，进一步提高了信噪比。

 

光斑快扫形成等效平行光斑，成像无干涉条纹的影响

      因此，基于QCL源与太赫兹相机的连续太赫兹波成像系统能够实时成像，对于想要观察动态变化的样品的内部情况等应用场景是最佳选择方案。

1.3

太赫兹雷达扫描成像：

      太赫兹面阵成像技术虽然实现了实时动态的成像效果，但是其探测方式只能收集样品反射/透射信号的强度信息，在信息采集的全面性存在局限。而基于连续太赫兹源，想要获得更多的太赫兹信息（幅度、相位以及深度信息），连续波调频（FMCW）太赫兹雷达是一个不错的选择。

太赫兹雷达的成像构造图

      FMCW太赫兹雷达通常集成了发射和探测的功能，因此单体结构更为紧凑。太赫兹波的产生同样是基于倍频器等原理，其输出频率主要在亚太赫兹波段（<1THz），因此成像分辨率通常在mm级别。而探测是基于外差探测的混频器原理，连续太赫兹波经过线性/锯齿波/三角波等调制，作用到样品上并采集其反射信号，通过混频器输出中频信号，而中频信号反映了样品的距离（深度信息）。

线性FMCW雷达原理

      目前，太赫兹波雷达的核心产生与探测主要有两种方法：一种是基于III-V族半导体材料的肖特基二极管倍频器，稳定性高以及动态范围、探测速率等成像表现更好，当然同样价格更高；另一种则是基于硅基材料，能够将倍频器、混频器等诸多功能电路集成在一张芯片上，因此成本与设备体积都会大大减少，而在稳定性和成像性能表现上稍逊一筹。

 

      左为150G雷达 右为120G雷达

      比如虹科的150G雷达就是基于GaAs材料，其动态范围约100dB，探测速率高达7.6KHz，有潜力实现高速的线扫描成像；而基于硅基材料的120G雷达则只有10Hz的探测速率，动态范围为30dB，但是成本优势十分明显，内置的光学元件以及搭配的位移平台能够实现便携操作的太赫兹成像检测。 

      总而言之，太赫兹雷达成像的最大优势在于可以的得到样品不同深度的二维图像，实现层析成像，在图像三维重建方面更有优势。并且核心材料制造有低价和高价的选择，能够满足不同需求。

FMCW太赫兹雷达成像效果

02

总结

 

太赫兹成像技术具有穿透性、非接触式、非电离辐射的优势，在食品药品包装内异物检测、腐蚀检测、材料内部缺陷检测等诸多工业应用场景具有广泛的应用前景，当然实际使用时还需要适配具体的工业环境做一些集成开发工作。

根据太赫兹源的类型，太赫兹成像技术可以分为脉冲波成像与连续波成像，而连续波成像根据成像原理的不同又可分为连续波扫描成像、实时成像与雷达成像3种，各个成像系统的优势与局限可以简单如下表所示：

太赫兹成像技术的优点与局限

虹科提供3种连续太赫兹波成像系统，满足用户不同应用场景以及成像参数的需求，以最可靠的系统配置实现最优的太赫兹成像效果。

 

参考文献：

[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. 光谱学与光谱分析. 2020, 40, 2686

[5] The Terahertz Users Group of the British Institute of Non-destructive Testing

 

  THE END 

 

 

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