實(shí)驗(yàn)分析連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量效果

摘 要： 實(shí)驗(yàn)分析連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量效果。針對(duì)極端系統(tǒng)進(jìn)行分辨率特性測(cè)量，根據(jù)方法的不同將其分為連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量法與傳統(tǒng)刀口法測(cè)量法，并比較兩種測(cè)量的結(jié)果。在該次實(shí)驗(yàn)中，連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量得出系統(tǒng)分辨率測(cè)量結(jié)果為1.237 lp/mm，其對(duì)應(yīng)線寬為0.393 mm，這與刀口法測(cè)量結(jié)果一致，且與傳統(tǒng)刀口法相比較可以簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，準(zhǔn)確得出測(cè)量結(jié)果。應(yīng)用連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量技術(shù)，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)分辨率特性測(cè)量過(guò)程，直觀、準(zhǔn)確地得出系統(tǒng)分辨率上限，在測(cè)量中發(fā)揮積極測(cè)量效果。

關(guān)鍵詞： 太赫茲反射掃描； 反射掃描成像； 實(shí)驗(yàn)分析； 刀口測(cè)量法

中圖分類號(hào)： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）10?0042?02

Experimental analysis on effect of continuous terahertz reflection scanning

imaging measurement

XU Feng

（School of Science， Changchun University of Science and Technology， Changchun 310022， China）

Abstract： The experimental analysis on measurement effect of the continuous THz reflection scanning imaging is conducted. The measurement of the resolution characteristics is to perform according to the extreme and system. The experiment is divided into continuous THz reflection imaging measurement group and traditional knife edge method measure group according to their difference to compare the measured results of the two groups. In this experiment， the result of the system resolution from the continuous THz reflection imaging measurement is 1.237 lp/mm and its corresponding line?width is 0.393 mm， which is consistent with that of knife edge method， and its measuring process is more simple in comparison with the traditional knife edge method. Its measurement result is accurate and its application advantage is more obvious. Application of the continuous terahertz reflection scanning imaging measurement technology can simplify the process of measuring the resolution of the system， and can obtain the upper limit of resolution of the system directly and accurately.

Keywords： terahertz reflection scanning； reflection scanning imaging； experimental analysis； knife edge method

目前在成像研究中，太赫茲成像具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，針對(duì)太赫茲成像情況，研究連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量問題，有助于在太赫成像測(cè)量中應(yīng)用連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量，并發(fā)揮積極影響。以下采取相關(guān)實(shí)驗(yàn)，分析連續(xù)太赫茲反射掃描成像的測(cè)量效果。

1 太赫茲輻射

1.1 太赫茲輻射

實(shí)際中，太赫茲的電磁輻射率為0.1～10 THz，并且在太赫茲技術(shù)研究中，發(fā)現(xiàn)其在半導(dǎo)體材料、高溫超導(dǎo)材料、細(xì)胞水平的成像領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。太赫茲技術(shù)將是21世紀(jì)重大的新興科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一[1]。太赫茲的頻率很高、波長(zhǎng)很短，具有很高的時(shí)域頻譜信噪比，且在復(fù)雜環(huán)境中傳輸損耗很少，可以穿透實(shí)體對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行掃描，是系統(tǒng)分辨率成像測(cè)量中的理想技術(shù)。

1.2 連續(xù)太赫茲反射掃描成像的原理

連續(xù)太赫茲反射掃描成像，其主要就是通過(guò)應(yīng)用太赫茲激光器，從而產(chǎn)生連續(xù)THz激光，當(dāng)光波通過(guò)斬波器之后，就可以產(chǎn)生一系列太赫茲脈沖。在實(shí)際應(yīng)用中，為了可以消除太赫茲光發(fā)散[2]，可以采用聚乙烯的透鏡準(zhǔn)直光路，從而將激光在待測(cè)樣品上聚焦。將被測(cè)的樣品放置在由計(jì)算機(jī)控制編程的線性步進(jìn)平臺(tái)中，對(duì)其沿x，y方向進(jìn)行線性掃描，使被測(cè)樣品能夠在光焦處實(shí)現(xiàn)二維移動(dòng)，不僅可以達(dá)到較好成像效果，也可以將該樣品信息聚焦在THz光探測(cè)器之上[3]，能夠?qū)⒐獠ü鈴?qiáng)轉(zhuǎn)換成為電壓值；可將轉(zhuǎn)換后得到的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)進(jìn)行采樣、A/D轉(zhuǎn)化后，就可以將得到的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并通過(guò)相關(guān)軟件構(gòu)建出太赫茲圖像，通過(guò)連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量，得出測(cè)量結(jié)果，如圖1所示。

2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

可以應(yīng)用太赫茲電磁輻射采取非侵入式、非電離、非接觸手段，檢測(cè)塑料、枯木、炸藥陶瓷等介質(zhì)材料，其對(duì)于任何空隙、分層、夾雜物等影響折射率的缺陷都可以觀察到。THz 脈沖的典型脈寬在ps量級(jí)，不但可以方便地進(jìn)行時(shí)間分辯的研究，而且通過(guò)取樣測(cè)量技術(shù)，能夠有效地抑制遠(yuǎn)紅外背景噪聲的干擾[4]。THz 脈沖源通常只包含若干個(gè)周期的電磁振蕩，單個(gè)脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz 直至幾十THz 的范圍，許多生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，電介質(zhì)、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、薄膜材料等的聲子振動(dòng)能級(jí)落在THz 波段范圍[5]。因此THz 時(shí)域光譜技術(shù)作為探測(cè)材料在THz 波段信息的一種有效的手段，非常適合于測(cè)量材料吸收光譜，可用于進(jìn)行定性鑒別的工作。THz 光子的能量低，只有幾毫電子伏特，因此不容易破壞被檢測(cè)物質(zhì)[6]。由于太赫茲能量很小，不會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比更具有優(yōu)勢(shì)。THz成像技術(shù)也是利用THz射線照射被測(cè)物，通過(guò)物品的透射或反射獲得樣品的信息，進(jìn)而成像[7]。對(duì)于實(shí)際中的 連續(xù)太赫茲反射掃描成像技術(shù)，有著THz時(shí)域光譜性[8]，可以對(duì)物質(zhì)集中進(jìn)行功能成像，獲得物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布，通過(guò)對(duì)比實(shí)物照片和相應(yīng)方法重構(gòu)的THz 透射圖像，能清晰地分辨出被測(cè)量物體的實(shí)際形狀。

3 星形分辨率成像測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

成像系統(tǒng)需要復(fù)制出的物體細(xì)節(jié)數(shù)量，為了獲得精確的測(cè)量，可以根據(jù)分辨率結(jié)果，分析連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量結(jié)果。計(jì)算機(jī)傳感器分辨率（S）：

[S=FOV分辨率×2 =FOV最小特征的大小×2]

為有效分析實(shí)際中連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量效果，自行設(shè)計(jì)星形分辨率測(cè)試卡，采取連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量方法與傳統(tǒng)傳統(tǒng)刀口法，對(duì)其分辨率成像進(jìn)行成像測(cè)量，分析其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。如圖2所示為星形分辨率測(cè)試卡。

實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備主要有，激光器泵浦的連續(xù)THz 激光器，THz 時(shí)域光譜系統(tǒng)（包括脈沖THz 波發(fā)射器和接收器），THz實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)和掃描成像系統(tǒng)，THz探測(cè)器，熱釋電紅外功率計(jì)，掃描電鏡及Protel，Origin，Matlab等軟件。

3.2 測(cè)量方法

刀口法測(cè)量之中，可以應(yīng)用刀口儀進(jìn)行測(cè)量，能夠?qū)⒔庀衤拾宸旁谄叫械墓夤芮懊?，然后能夠讓燈均勻的照射在解像率板上，之后?jīng)平行光管的成像作用，就能夠?qū)⑦@個(gè)像作為本鏡頭被攝物；在經(jīng)過(guò)匯聚被測(cè)鏡頭后，就能夠在該鏡頭像的方焦平面處，形成清晰影像，那么對(duì)于測(cè)量者，就可以通過(guò)顯做鏡去觀看影像，得出該解鏡頭解像率。連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量中，應(yīng)用P4?42熱釋電探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合PCI?9812數(shù)據(jù)采集卡（凌華公司生產(chǎn)）來(lái)采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，重建出掃描圖像，并可運(yùn)用太赫茲成像掃描技術(shù)，重建圖像數(shù)據(jù)采集與圖像，利用Register_Card函數(shù)釋放采集卡，對(duì)獲取的各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行掃描，將得到的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行比較分析，從而可積極構(gòu)建出采樣物品的太赫茲圖像。分析電壓信號(hào)峰值，從而得出被測(cè)量樣品每個(gè)點(diǎn)吸收強(qiáng)度，對(duì)各個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)太赫茲反射掃描成像得到xyt格式的太赫茲成像數(shù)據(jù)，測(cè)量系統(tǒng)分辨率。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在本次實(shí)驗(yàn)中，連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量，連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量中得出系統(tǒng)分辨率測(cè)量結(jié)果為1.237 lp/mm，其對(duì)應(yīng)線寬為0.393 mm，與刀口法測(cè)量結(jié)果一致，且與傳統(tǒng)刀口法相比較，可以簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，準(zhǔn)確得出測(cè)量結(jié)果，所以該方法有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。每個(gè)不同層之間引起入射太赫茲脈沖的反射和衰減的傳播。傳播脈沖和它們的回聲（延遲層反射）延遲的差異能夠表征厚度特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。太赫茲波與掃描樣品之中，對(duì)于其各個(gè)投射位置是相互對(duì)應(yīng)的，并不容易發(fā)生混亂像素點(diǎn)的現(xiàn)象。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)用編程驅(qū)動(dòng)采集卡進(jìn)行工作，根據(jù)太赫茲波掃描像素中的每個(gè)點(diǎn)，就可以通過(guò)光強(qiáng)分析、相位分析以及時(shí)間延時(shí)等，獲取較大信息量的數(shù)據(jù)，重新構(gòu)建出采樣物品的實(shí)際圖像。太赫茲測(cè)量中，可以觀察、分層配置文件顯著差異取決于深度檢查，因此脈沖太赫茲TDS方法可能是一個(gè)非常有效的工具在多層復(fù)合材料的無(wú)損評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

綜上所述，在實(shí)際系統(tǒng)分辨率測(cè)量中，采取連續(xù)太赫茲反射掃描成像測(cè)量方法，可以方便地測(cè)量出系統(tǒng)的分辨率，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)分辨率特性測(cè)量過(guò)程，得出直觀、準(zhǔn)確的系統(tǒng)分辨率測(cè)量結(jié)果，發(fā)揮積極應(yīng)用價(jià)值。

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