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)(詳見上篇,點擊此處查看)
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,歡迎來電或留言咨詢,我們將竭誠為您服務(wù)!
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