基于相干層析的太赫茲成像技術(shù)研究

黃亞雄,姚建銓,2,凌福日,李 丹

(1.華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗室,湖北 武漢 430074；2.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072；3.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430074；4.湖北第二師范學(xué)院,湖北 武漢 430205)

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·太赫茲技術(shù)·

基于相干層析的太赫茲成像技術(shù)研究

黃亞雄1,姚建銓1,2,凌福日3,李 丹4

(1.華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗室,湖北 武漢 430074；2.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072；3.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430074；4.湖北第二師范學(xué)院,湖北 武漢 430205)

介紹了一種結(jié)合光學(xué)相干層析技術(shù)和太赫茲技術(shù)的太赫茲三維成像技術(shù)——太赫茲相干層析成像技術(shù)。該技術(shù)利用寬頻太赫茲的弱相干原理,可以實(shí)現(xiàn)對待測樣品進(jìn)行高精度的三維成像。實(shí)驗結(jié)果表明太赫茲相干層析成像技術(shù)的縱向分辨能力高于100 μm。在縱向探測精度方面,該技術(shù)相對傳統(tǒng)的方案有了較大的提高,在高精度太赫茲無損探測領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

太赫茲波； 相干層析成像； OCT技術(shù)； 縱向分辨能力

1 引 言

太赫茲波在電磁波譜中位于微波和紅外輻射之間,其頻率范圍為0.1～10 THz[1]。相比于微波和紅外輻射,太赫茲波段的研究相對落后。其所具有的較低單光子能量和對大部分非金屬材料的高穿透性等特點(diǎn),近幾十年來逐漸引起人們的關(guān)注。太赫茲波的獨(dú)特性質(zhì)使得太赫茲成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用在質(zhì)檢、醫(yī)療、安全等領(lǐng)域[2]。

太赫茲透射CT技術(shù)是最早提出也是目前最為成熟的太赫茲三維成像技術(shù)。這項基于計算機(jī)輔助的層析成像(CT)技術(shù)[3-4],其原理是一束射線或者射線束群穿透被成像物體后,其光強(qiáng)被記錄下來,通過平動和轉(zhuǎn)動使射線得以從不同位置和不同角度穿過被成像物體。透射光的光強(qiáng)記錄了物體對透射光的吸收率信息,通過Radon變換,可以計算出待測物體吸收率的三維空間分布,從而得到物體的三維結(jié)構(gòu)并用計算機(jī)將其顯示出來。此技術(shù)要求待測樣品對太赫茲具有較好的穿透性,尤其是對具有軸對稱性的物體具有較好的成像效果。

2009年,Christian等人提出一種快速的連續(xù)太赫茲反射層析成像技術(shù)[5]。其使用通過電子倍頻產(chǎn)生的中心頻率為300 GHz,頻帶寬度為90 GHz的太赫茲源,根據(jù)參考光與自樣品反射回來的回波混頻后得到頻率差與光程差成正比,可測量出待測物體距離,從而對樣品進(jìn)行三維圖像重構(gòu),該技術(shù)縱向分辨率由掃頻范圍決定,在毫米量級內(nèi),具有較快的成像速度。

脈沖太赫茲成像技術(shù)利用飛行時間成像原理[6],采用飛秒激光泵浦光電導(dǎo)器件產(chǎn)生太赫茲輻射,太赫茲輻射射入樣品,探測器接收不同深度的樣品層反射回來的太赫茲輻射,通過光電取樣的方式間接地探測太赫茲輻射信號,通過高斯窗口反卷積可獲得樣品層析圖像。該技術(shù)信噪比高,分辨率在亞毫米級。

光學(xué)相干層析成像技術(shù)(Optical Coherent Tomography,OCT)是一種類似超聲成像的高分辨率光學(xué)成像技術(shù),通過樣品對光線的反射來獲取樣品信息,得到樣品截面圖像。光學(xué)相干層析成像技術(shù)利用了光的干涉原理,一般使用近紅外光作為光源,由于選用的光線波長較長,可以穿透樣品一定的深度。與其他成像技術(shù)相比,光學(xué)相干斷層掃描可以提供擁有微米級分辨率的活體組織形態(tài)圖像,因此,在基礎(chǔ)與臨床醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。1991年，D.Huang首次提出OCT的概念,使用基于波長為830 nmSLD光源的光纖邁克爾遜干涉儀對視網(wǎng)膜和冠狀動脈壁進(jìn)行了活體成像,縱向分辨率達(dá)到10 μm[7]。此后OCT技術(shù)發(fā)展迅速,開發(fā)出了多種成像模式,如光譜OCT、差分吸收型OCT、多普勒OCT等,同時分辨率與成像性能也得到很大的提高[8-9]。但是若使用近紅外波段作為光源,光學(xué)相干層析成像探測深度仍然只有2～3 mm,極大地限制了這項技術(shù)的應(yīng)用。利用太赫茲具有良好穿透能力的特點(diǎn),光學(xué)相干層析成像技術(shù)可以獲得較大的探測深度,同時由于光學(xué)相干層析技術(shù)縱向分辨率是由相干長度而不是瑞利判據(jù)決定,因而能獲得比上述三種技術(shù)更高的分辨率。2011年日本大阪大學(xué)首次在OCT中用中心頻率為350 GHz帶寬為120 GHz的太赫茲作為光源對樣品做三維成像探測深度可達(dá)10 mm,縱向分辨率達(dá)到1 mm[10-11],相比前述三種成像方式,分辨率并無明顯改善。為了獲得更高的縱向分辨率,本文利用具有較寬頻譜的熱輻射源汞燈作為太赫茲源,使用光學(xué)相干層析成像方式獲得了小于100 μm的縱向分辨能力。

2 成像裝置介紹

本成像系統(tǒng)實(shí)驗光路如圖1(a)所示。本系統(tǒng)選用汞燈作為太赫茲源,汞燈發(fā)出的發(fā)散光束由拋物面鏡聚焦,準(zhǔn)直之后,經(jīng)過一個孔徑光闌和斬波器。太赫茲波入射到分束器上,分束器為制作在Mylar薄膜上的鋁線光柵,參考臂被一金屬面鏡反射回分束鏡,金屬面鏡由步進(jìn)電機(jī)控制,可對樣品進(jìn)行縱向掃描,樣品臂光束被拋物面鏡聚焦在載物臺上,經(jīng)樣品反射回來的太赫茲波經(jīng)過分束鏡反射后與透射的參考臂光相干涉,干涉信號被一個拋物面鏡收集并聚焦在探測器上,實(shí)驗所用探測器為tydex公司生產(chǎn)的Golay cell,響應(yīng)頻率為300 kHz。探測信號被鎖相放大器放大并被計算機(jī)記錄,載物臺在步進(jìn)電機(jī)的移動下可做XY平面移動,從而對樣品做二維掃描,參考臂金屬面鏡的移動可對樣品做Z軸深度方向的相干層析掃描,計算機(jī)掃描程序發(fā)送相關(guān)指令給步進(jìn)電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)對樣品的三維掃描。記錄的探測信號經(jīng)過一定數(shù)據(jù)處理后可以重構(gòu)出樣品的三維圖形。

根據(jù)光的弱相干理論,光的相干長度等于光譜半高寬Δν,其可表示為[12]:

在干涉光路中,光信號是往返傳輸?shù)?所以將相干長度除以2,可得到相干層析系統(tǒng)的縱向分辨率:

圖1 系統(tǒng)的原理圖和實(shí)物圖

圖2 汞燈光譜

本系統(tǒng)采用中壓汞燈作為太赫茲輻射源,其輸出光譜如圖2所示,頻率主要集中在1～10 THz及11～20 THz。中心頻率為11 THz,半高寬為12 THz,對應(yīng)中心波長,λ0=27.3 μm,Δλ=42.4 μm,據(jù)上式計算可得理論縱向分辨率在10 μm量級。

3 實(shí)驗結(jié)果

為了評估系統(tǒng)的縱向探測精度,測量了太赫茲通過厚度分別為200 μm和230 μm的硅片,如圖3所示。其干涉信號如圖4所示。

圖3 被測試的硅片樣品

圖4 不同厚度硅樣品干涉信息

當(dāng)樣品折射率發(fā)生突變時,太赫茲干涉增強(qiáng),因此由圖4(a)和4(b)可知太赫茲光在200 μm和230 μm 硅片的光程長度分別為685 μm和782 μm,為進(jìn)一步測定硅片對太赫茲的折射率,將四片厚度不同的硅片放置在層析系統(tǒng)中,只進(jìn)行深度方向的一維掃描獲得干涉峰距,結(jié)果如圖5所示。對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合可得到硅片n=3.41,則測定的圖4(a)和4(b)的硅片厚度分別為200.8 μm和229.3 μm,與硅片實(shí)際厚度相吻合。

圖5 硅片厚度與干涉峰距的關(guān)系圖

如圖6所示將前文所提低阻硅片并排放置在一個金屬反射鏡(載物臺)上面,厚度分別為230 μm和200 μm,寬度都在50 mm左右。成像系統(tǒng)選擇35 mm×1.5 mm的范圍對待測樣品進(jìn)行掃描,橫向掃描的步進(jìn)電機(jī)步長設(shè)定為500 μm(約焦斑大小),縱向掃描的步長設(shè)定為1 μm,小于系統(tǒng)理論縱向分辨率10 μm。

圖6 被測樣品的實(shí)物圖

圖7 實(shí)驗結(jié)果

實(shí)驗結(jié)果如圖7(a)所示,可以明顯的看到兩個樣品和樣品臺的信息,但是圖像中散布的噪點(diǎn)比較多,所以需要對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行降噪處理。相干層析成像系統(tǒng)噪聲包括背景噪聲、電路噪聲、邊鋒效應(yīng)、掃描噪聲[13],不同的噪聲有不同的特性,不可能使用一種處理方式消除所有噪聲,因此本文針對不同噪聲采用三種方式對成像結(jié)果圖7(a)進(jìn)行處理。在相干層析成像過程中由于背景光無差別的分布于成像區(qū)域形成直流噪聲,因此導(dǎo)致實(shí)驗結(jié)果整幅圖像都有比較均勻的噪聲。為了降低背景噪聲對再現(xiàn)圖像的影響,本文通過濾波消除背景光帶來的直流噪聲,處理結(jié)果如圖7(b)所示,對比度明顯提高。另外探測器的散粒噪聲和鎖定放大器電路中存在的熱噪聲都屬于白噪聲。為盡量減少白噪聲,改善圖像的質(zhì)量使用鄰域平均的平滑處理可以有效地抑制噪聲干擾,使用平滑處理后類似椒鹽的噪點(diǎn)明顯減少,處理結(jié)果如圖7(c)所示。本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)對樣品進(jìn)行掃描,步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動引入掃描噪聲使圖像信號受損。另外汞燈光譜有多個峰值(如圖2),這樣導(dǎo)致在光程不相等的位置也同樣可能出現(xiàn)相干峰(邊鋒效應(yīng))。由于這兩種噪聲都是發(fā)生在特定頻率尺度上,因此本文通過小波變換能將信號分解為不同的頻率分量,并通過對特定噪聲所處的頻率分量進(jìn)行閾值處理邊鋒效應(yīng)和掃描噪聲對圖像信號的干擾。處理結(jié)果如圖7(d)所示,樣品和載物臺干涉信息圖像變薄,說明小波降噪使圖像噪聲進(jìn)一步降低。

從濾波后的實(shí)驗結(jié)果圖可以看到,在Z=0.22 mm 的位置有一個干涉極大值,此處為載物臺表面信息,在Z=0.90 mm和Z=1.00 mm附近處各有一個干涉極大,分別為兩片低阻硅片的表面信息。兩次試驗中低阻硅片的厚度分別為200 μm和230 μm,而兩個試驗樣品的光程差為100 μm,可計算出其對應(yīng)厚度差為29.3 μm與實(shí)際值基本吻合。綜上,本成像系統(tǒng)可以分辨100 μm的縱向深度,同時能獲得樣品的位置信息。

3 結(jié) 論

本文基于OCT原理和太赫茲成像技術(shù)提出利用熱輻射連續(xù)太赫茲源實(shí)現(xiàn)太赫茲相干層析成像。利用該方法,實(shí)現(xiàn)了縱向精度高于100 μm的成像原理性實(shí)驗,并對圖像信息做相關(guān)處理,獲得清晰的樣品圖像。本成像設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,便于推廣應(yīng)用,在高精度的無損探測領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。

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Terahertz imaging technology based on coherent tomography

HUANG Ya-xiong1,YAO Jian-quan1,2,LING Fu-ri3,LI Dan4

(1.Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3.School of Optical and Electronic Information,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;4.Hubei University of Education,Wuhan 430205,China)

A terahertz 3D imaging technology based on optical coherence tomography and terahertz technology is introduced,named as terahertz coherent tomography imaging technology.Based on weak coherent theory of broadband terahertz wave,this technology can measure the three dimensional imaging of sample with high resolution.The results show that the vertical resolution of terahertz coherent tomography imaging technology is beyond 100 μm.Because of significant improvement in the vertical resolution,this technology has a good prospect in the application of high precision terahertz non-destructive detection field.

terahertz wave;coherent tomography imaging;OCT technology;vertical resolution

1001-5078(2015)10-1261-05

湖北省自然科學(xué)基金項目(No.2014CFB562)；中國工程物理研究院基金項目(No.CAEPTHZ201407)資助。

黃亞雄(1990-),男,碩士研究生,主要從事太赫茲成像技術(shù)的研究。E-mail：huangyaxiongmail@163.com

凌福日(1972-),男,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事太赫茲成像以及太赫茲與物質(zhì)的相互作用等方面的研究。E-mail：lingfuri@163.com

2015-01-29;

2015-03-10

O441

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.023