1、引言

太赫茲（THz）波在物體成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、射電天文、寬帶移動(dòng)通信方面具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，很多在可見(jiàn)光和紅外波段不透明的材料，太赫茲波都可以穿透。太赫茲成像技術(shù)可分為相干成像和非相干成像。相干成像包括時(shí)域光譜成像、電光取樣成像、層析成像等;非相干成像主要是連續(xù)波成像。最早出現(xiàn)的是脈沖太赫茲波成像，在質(zhì)量檢測(cè)、法醫(yī)鑒定、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有應(yīng)用價(jià)值。2000年，第一套商用脈沖太赫茲波成像系統(tǒng)面世。2003年，倫斯勒大學(xué)太赫茲研究中心的謝旭等受美國(guó)航空航天局（NASA）的委托，對(duì)用于航天飛機(jī)的絕緣泡沫材料可能存在的缺陷和損傷進(jìn)行檢測(cè)，開(kāi)發(fā)出太赫茲連續(xù)波成像系統(tǒng)，它主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、無(wú)損探傷、安全檢測(cè)等方面。

2、脈沖太赫茲波成像

脈沖太赫茲波成像的基本原理是：透過(guò)成像樣品（或從樣品反射）的太赫茲電磁波的強(qiáng)度和相位包含了樣品復(fù)介電函數(shù)的空間分布信息。將透射太赫茲電磁波的強(qiáng)度和相位的二維信息記錄下來(lái)，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗头治?，就能得到樣品的太赫茲圖像。

2.1、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用的是太赫茲透射型脈沖成像系統(tǒng)，其系統(tǒng)光路如圖1所示。主要由飛秒激光器、太赫茲輻射產(chǎn)生裝置、太赫茲輻射探測(cè)裝置和時(shí)間延遲控制系統(tǒng)組成。此系統(tǒng)使用的飛秒激光器是由光譜物理公司生產(chǎn)的自鎖模可調(diào)諧式鈦藍(lán)寶石激光器，其產(chǎn)生的飛秒激光脈沖中心波長(zhǎng)為800nm，重復(fù)頻率為82MHz，脈寬為100fs，輸出功率為1043mW。太赫茲脈沖產(chǎn)生和探測(cè)的裝置分別是〈100〉晶向的InAs晶體和〈110〉晶向的ZnTe晶體。鈦藍(lán)寶石產(chǎn)生的飛秒激光脈沖經(jīng)分束棱鏡（PBS）分為兩束，一束作為產(chǎn)生太赫茲脈沖的抽運(yùn)光，另一束作為探測(cè)太赫茲脈沖的探測(cè)光。抽運(yùn)光經(jīng)過(guò)頻率為1.1kHz的斬波器調(diào)制，通過(guò)時(shí)間延遲線(xiàn)（stage）入射到透鏡L1，經(jīng)透鏡聚焦以45°入射角照射在〈100〉-InAs晶體表面上，發(fā)生丹倍效應(yīng)，即抽運(yùn)光激發(fā)InAs晶體表面耗盡層載流子的躍遷，從而輻射出太赫茲脈沖。

接著產(chǎn)生的太赫茲脈沖經(jīng)兩對(duì)表面鍍金的離軸拋物面鏡準(zhǔn)直和聚焦，通過(guò)一個(gè)高阻硅片，聚焦在〈110〉-ZnTe晶體上。另一束激光脈沖-探測(cè)光經(jīng)過(guò)一系列的反射鏡、透鏡L2和偏振片與太赫茲脈沖同時(shí)聚焦在〈110〉-ZnTe晶體的同一位置，此時(shí)ZnTe晶體中發(fā)生電光效應(yīng)，即太赫茲輻射電場(chǎng)調(diào)制ZnTe晶體的折射率橢球，導(dǎo)致通過(guò)電光晶體的探測(cè)光偏振態(tài)發(fā)生變化，從而反映出太赫茲輻射電場(chǎng)的大小及變化。偏振態(tài)被調(diào)制的探測(cè)光經(jīng)過(guò)λ/4波片（QWP）和透鏡L3聚焦到渥拉斯頓棱鏡（Wollastomprism，WP），探測(cè)光被其分為偏振方向互相垂直的兩個(gè)分量，被差分探測(cè)器-光電二極管探測(cè)，得到的分量差分信號(hào)經(jīng)鎖相放大器解調(diào)后輸入計(jì)算機(jī)得到最終的太赫茲脈沖時(shí)域信息。

利用這個(gè)裝置探測(cè)到的有效譜寬為0.2～2.6THz，頻譜分辨率為50GHz，信噪比為600。實(shí)驗(yàn)中把樣品放置在能量較高的離軸拋物面鏡PM2焦點(diǎn)處，M1～M14是反射鏡，A1～A4是光闌，HWP是半波片（halfwaveplate）。

2.2、成像過(guò)程及分析

太赫茲波被聚焦元件聚焦到樣品的某一點(diǎn)上，收集元件將透過(guò)樣品（或從樣品反射）的太赫茲波收集后聚焦到太赫茲波探測(cè)元件上，太赫茲波探測(cè)元件將含有位置信息的太赫茲信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。圖像處理單元將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像。

太赫茲時(shí)域光譜成像技術(shù)與一般的強(qiáng)度成像不同，它包含很大的信息量。每一個(gè)成像點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)域波形，可以從時(shí)域譜或者其傅里葉變換譜中選擇任意某個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的振幅或相位進(jìn)行成像，從而重構(gòu)樣品的空間密度分布、折射率和厚度分布。根據(jù)對(duì)時(shí)域或頻域中不同物理量的選取，太赫茲波成像可以表達(dá)成各種形式，不同表達(dá)方式可以解釋樣品的不同特征，以便提供更多、更精確的樣品信息。

時(shí)域模式都是在太赫茲波電場(chǎng)的時(shí)域波形中提取出反映樣品信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行成像的。大體可以分為兩類(lèi)：1）振幅成像，主要反映了樣品的厚度和吸收特性;2）相位成像，主要反映了樣品厚度及其折射率信息。任一時(shí)域信息的變化，都是樣品對(duì)頻域中所有頻率成分影響的綜合反映，是一個(gè)平均的效果。這一特點(diǎn)決定了采用時(shí)域信息進(jìn)行成像通常都有較好的成像效果，不同成像方法之間像質(zhì)差別也比較小。

頻域模式都是在太赫茲電場(chǎng)的頻域波譜中提取出反映樣品信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行成像的。針對(duì)頻譜中某一特定頻率所對(duì)應(yīng)的振幅、功率、相位、吸收系數(shù)或折射率，反映的是樣品在不同頻率下光學(xué)性質(zhì)所存在的差異，所得圖像的對(duì)比度變化明顯。由于太赫茲波的光譜寬度在2.0THz以上，其高頻分量具有更短的波長(zhǎng)，從而可獲得更高的空間分辨率。同時(shí)，不同頻率下的成像方法也提供了新的研究方向，即太赫茲波多光譜成像及其識(shí)別技術(shù)。

3、連續(xù)波太赫茲成像

連續(xù)波太赫茲成像的原理：連續(xù)波源提供比脈沖源更高的輻射強(qiáng)度，其實(shí)質(zhì)是一種強(qiáng)度成像。在對(duì)物體成像時(shí)，根據(jù)物體內(nèi)部的缺陷或損傷的邊緣對(duì)太赫茲光的散射效應(yīng)，從而會(huì)影響太赫茲波電磁場(chǎng)的強(qiáng)度分布，反映到物體的太赫茲波圖像上顯示為明暗即強(qiáng)度的不同，據(jù)此可推出物體內(nèi)部的形狀、缺陷或損傷位置。

3.1、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

0.2THz的連續(xù)波成像實(shí)驗(yàn)裝置利用耿氏［19］二極管振蕩器作為輻射源，無(wú)偏置肖特基二極管作為探測(cè)器，可采取透射或反射式成像方案。反射式成像具有較好的系統(tǒng)配置，如圖2所示。系統(tǒng)主要包含5個(gè)部分：太赫茲單元、二維平移臺(tái)、電路控制板、電源（內(nèi)含變壓器）和計(jì)算機(jī)，其中關(guān)鍵部分是太赫茲單元，包括連續(xù)波（CW）源、探測(cè)器和準(zhǔn)直、聚焦光具組。

圖20.2THzCW成像系統(tǒng)

太赫茲單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，耿氏二極管產(chǎn)生頻率為0.1THz的電磁波，經(jīng)倍頻器倍頻，輸出頻率為0.2THz。這兩部分組成發(fā)射器，作為太赫茲成像系統(tǒng)的光源。喇叭天線(xiàn)耦合傳輸太赫茲波，使輸出太赫茲波具有較好的方向性。被偏轉(zhuǎn)鏡反射的太赫茲波穿過(guò)分束鏡，由聚焦透鏡聚焦在樣品表面。太赫茲波正入射到樣品表面，經(jīng)樣品或金屬底板反射后被聚焦透鏡收集，再由分束鏡反射到探測(cè)器上。

被樣品調(diào)制后，太赫茲波信號(hào)被低噪聲的放大器放大后輸出，由計(jì)算機(jī)采集后形成圖像。在分束鏡的背后放置消光鏡，它的主要作用是將分束鏡反射的部分太赫茲波反射回到探測(cè)器上，以消除透鏡反射的部分太赫茲波的影響。太赫茲單元通過(guò)3個(gè)接口即電源（PWR）、信號(hào)（SIG）和5V接口與外界部分進(jìn)行連接。電源和5V接口是太赫茲單元的輸入接口，分別提供控制耿氏二極管和放大器的電壓。信號(hào)是探測(cè)器的輸出接口，經(jīng)電纜連接到計(jì)算機(jī)上。太赫茲單元的工作頻率為0.2THz，輸出功率為10mW，空間分辨率為2.6mm，動(dòng)態(tài)范圍為34dB，景深為20mm，焦距為180mm。

圖3CW系統(tǒng)太赫茲單元

3.2、成像過(guò)程及分析

在檢測(cè)過(guò)程中，樣品放在太赫茲單元的焦點(diǎn)處，且確保太赫茲波正入射到樣品表面，太赫茲單元固定在X-Y二維平移臺(tái)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制平移臺(tái)，實(shí)現(xiàn)太赫茲單元相對(duì)樣品的移動(dòng)。計(jì)算機(jī)采集樣品表面或金屬底板反射回的強(qiáng)度信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品不同點(diǎn)的成像，獲得樣品的二維圖像。太赫茲波在經(jīng)過(guò)樣品時(shí)被樣品吸收或散射從而引起強(qiáng)度的變化，探測(cè)各點(diǎn)強(qiáng)度然后通過(guò)計(jì)算機(jī)組合得到物體的灰度圖像。系統(tǒng)平移臺(tái)移動(dòng)的最大線(xiàn)性速度可達(dá)到600mm/s，為了得到質(zhì)量較好的圖像，線(xiàn)性速度一般取100mm/s。平移臺(tái)的移動(dòng)范圍、步長(zhǎng)可由計(jì)算機(jī)的Labview掃描主程序來(lái)控制。

保存該系統(tǒng)掃描出的圖像強(qiáng)度信息，用數(shù)字圖像處理的辦法對(duì)所得圖像進(jìn)行后期分析。

4、脈沖太赫茲波成像與連續(xù)波太赫茲成像特性的比較

分辨率是成像系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，光學(xué)系統(tǒng)成像的分辨率與光的波長(zhǎng)成反比，與光的頻率成正比。所以理論上高頻太赫茲波的成像分辨率要高。而連續(xù)波太赫茲源的硬件技術(shù)所限，很難做到高頻率單頻的連續(xù)波源，這也是太赫茲成像技術(shù)的瓶頸之一。目前國(guó)內(nèi)有0.2THz，0.4THz耿氏二極管振蕩器源和0.59～0.71THz可調(diào)返波管源。就現(xiàn)狀來(lái)看，脈沖太赫茲波成像比連續(xù)波太赫茲成像在分辨率上有一定的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)直徑分別為1.2mm，2.3mm和3.6mm的銅制圓孔在脈沖系統(tǒng)下進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)得到各自圖像，如圖4（a）～（c）所示。用二維平移臺(tái)對(duì)其進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，掃描點(diǎn)數(shù)為38pixel×38pixel，實(shí)驗(yàn)外部條件是濕度為20.2%，溫度為21.0℃。掃描采集到38pixel×38pixel個(gè)［X，Y］矩陣，它們每一個(gè)代表掃描的一個(gè)點(diǎn)的時(shí)域信息。然后用自己編寫(xiě)的Labview程序進(jìn)行時(shí)域振幅成像。脈沖系統(tǒng)下1.2mm，2.3mm，3.6mm圓孔的像都可以看到，說(shuō)明系統(tǒng)分辨率在1.2mm以下，脈沖系統(tǒng)的光斑很小，通過(guò)狹縫法測(cè)量出其光斑大小為1.0mm。

圖4不同直徑圓孔的時(shí)域振幅太赫茲成像圖

在連續(xù)波系統(tǒng)下對(duì)圓孔陣列進(jìn)行掃描成像，如圖5所示。小孔孔徑從右向左依次遞減（6.0mm，5.5mm，5.0mm，4.5mm，4.0mm，3.5mm，3.0mm，2.5mm，2.0mm）。可以模糊地看到從右數(shù)第8排2.5mm孔徑的圓孔，但是第9排2.0mm孔徑的圓孔難以看清，所以連續(xù)波系統(tǒng)對(duì)于圓孔的辨別能力大約在2.5mm。

圖5圓孔陣列的連續(xù)波太赫茲成像圖

為了測(cè)量連續(xù)波系統(tǒng)分辨率，對(duì)一個(gè)鋁制扇形模板成像，相鄰兩個(gè)刀刃間提供了無(wú)數(shù)個(gè)寬度。圖像中能夠分開(kāi)每個(gè)刀刃之間的最小距離就是其系統(tǒng)分辨率。通過(guò)成像實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，連續(xù)波系統(tǒng)的分辨率為2.6mm。與連續(xù)波成像相比在成像分辨率上脈沖成像占有明顯的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于兩個(gè)系統(tǒng)的噪聲比較，連續(xù)波系統(tǒng)得到的圖像上有明顯的條紋，這是由于該系統(tǒng)多路反射在探測(cè)器相干疊加的結(jié)果及電動(dòng)平移臺(tái)的振動(dòng)影響所造成的。脈沖系統(tǒng)的噪聲主要是斬波器的機(jī)械噪聲和電子噪聲，與連續(xù)波系統(tǒng)的噪聲相比很小。

圖6扇形模板（a）及扇形模板太赫茲圖像與測(cè)量值（b）

在成像速度上連續(xù)波系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢(shì)。掃描上面的脈沖圖像時(shí)，對(duì)于一組鎖相積分時(shí)間設(shè)為10ms的38pixel×38pixel點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所需時(shí)間大約為13h以上，用連續(xù)波系統(tǒng)掃描的面積要大幾十倍的圖像卻只用了十幾分鐘。掃描速度上的優(yōu)勢(shì)為連續(xù)波對(duì)大面積的物體無(wú)損檢測(cè)提供了可能。

由于截然不同的機(jī)制，兩種系統(tǒng)得到的圖像數(shù)據(jù)是完全不同的。在連續(xù)波系統(tǒng)中，只以矩陣形式儲(chǔ)存強(qiáng)度信息，可以直接轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像。而脈沖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)非常復(fù)雜，因此要求更先進(jìn)的處理方法而使之被充分利用。下面用自己開(kāi)發(fā)的Labview程序，先將38pixel×38pixel個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)同時(shí)轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，再對(duì)頻域數(shù)據(jù)成像，即可以得到不同頻率下物體的像。以孔徑為2.6mm的銅孔為例，如圖7所示。從圖中可以看到，選擇頻譜中不同頻率成分的振幅值所成的圖像的對(duì)比度存在較大的差異。在頻率較低時(shí)，成像的對(duì)比度較差，這是由于空間衍射極限造成的，如第一排小于0.5THz的3個(gè)像，高頻部分由于相應(yīng)的波長(zhǎng)較短，因此應(yīng)該能夠獲得更高的空間分辨率。而且不難看出在0.96THz處像對(duì)比度最好，因?yàn)?.0THz附近能量較大。這種方法也為識(shí)別不同成分的物體提供了一種新的多波長(zhǎng)光譜成像方法。由于物體成分不同，它們?cè)谔掌澆ǘ蔚奈辗宓奈恢靡膊煌?，所以可以用不同頻率的像區(qū)別幾種成分的物體。脈沖系統(tǒng)信息量豐富可以做多光譜成像研究，而只有強(qiáng)度信息的連續(xù)波成像是無(wú)法做到的。

圖7直徑為2.6mm的銅孔在不同頻率下的振幅成像

以損失景深、時(shí)域和頻域信息為代價(jià)，連續(xù)波系統(tǒng)是一個(gè)緊湊、簡(jiǎn)便、快速成像的系統(tǒng)。因?yàn)樗恍枰檫\(yùn)探測(cè)成像，連續(xù)波系統(tǒng)的光路復(fù)雜性與脈沖系統(tǒng)相比大大降低，而且它不需要時(shí)間延遲掃描，因此掃描速度也非?？?。

在航天泡沫材料（SOFI）等無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用中，連續(xù)波技術(shù)提供了更為有效的結(jié)果，它可以很好地檢測(cè)并辨別空缺和分層兩種主要的缺陷，與脈沖系統(tǒng)相比，其結(jié)果有較高的分辨率。

對(duì)上面提到的兩個(gè)成像系統(tǒng)的成像機(jī)理、系統(tǒng)分辨率、系統(tǒng)噪聲、成像速度、信息量、價(jià)格、復(fù)雜性、便攜性及其應(yīng)用總結(jié)如表1所示。

表1兩種成像系統(tǒng)的對(duì)比

5、結(jié)論

脈沖太赫茲波成像與連續(xù)波太赫茲成像各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，有很好的互補(bǔ)性，要視具體的應(yīng)用來(lái)選擇、構(gòu)建最佳的成像方案。脈沖太赫茲時(shí)域測(cè)量系統(tǒng)能夠提供成像物體的光譜信息，甚至折射率色散，這是連續(xù)波系統(tǒng)不能提供的信息。連續(xù)波系統(tǒng)具有較高的輻射功率，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、成像速度快、使用方便的特點(diǎn)。如果掃描的物體比較大而又只需要檢測(cè)缺陷或者透射性質(zhì)，選擇連續(xù)波系統(tǒng)較好。但如果探測(cè)的物體比較精細(xì)，要求系統(tǒng)有較高的分辨率并獲得物體的光譜信息，則需使用脈沖成像方法。