基于柱面鏡的太赫茲陣列探測(cè)器掃描成像實(shí)驗(yàn)研究

蔡 健,李亞茹,吳炎際

(博微太赫茲信息科技有限公司,安徽 合肥 230088)

1 引 言

太赫茲波是指頻率在0.1～10 THz之間的電磁波,位于遠(yuǎn)紅外與毫米波之間[1]。太赫茲技術(shù)在安檢安防、空間通信、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、材料無損檢測(cè)方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值[2-4]。太赫茲成像技術(shù)是太赫茲技術(shù)中最具應(yīng)用前景的技術(shù)之一,與其他波段(如X光、紅外線、毫米波)一樣,太赫茲波同樣可以作為物體成像的信號(hào)源,太赫茲成像有著其他成像方式所不具有的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)[5]。由于太赫茲波可以穿透絕大多數(shù)非極性材料,因此特別適合其他電磁波無法穿透、X射線對(duì)比度低的情形。太赫茲波光子能量低,只有X射線光子能量的百萬分之一,因而不會(huì)對(duì)物體造成電離損害,特別適合對(duì)生物活體組織進(jìn)行成像[6-8]。

太赫茲成像包括連續(xù)波成像和脈沖太赫茲成像兩大類,脈沖太赫茲成像可以獲得太赫茲波的強(qiáng)度、相位的信息,但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,由于每一個(gè)像素點(diǎn)均包含一個(gè)時(shí)域波形,數(shù)據(jù)量龐大,成像時(shí)間較長(zhǎng)[9]。相比于脈沖太赫茲成像,連續(xù)波成像僅獲得太赫茲波的強(qiáng)度信息,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[10]。成像速度是太赫茲成像技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的制約因素,針對(duì)這一難題,目前主流的發(fā)展趨勢(shì)有兩種,一種是采用壓縮感知技術(shù)來實(shí)現(xiàn)快速的太赫茲成像[11-13],通過快速切換編碼模塊完成對(duì)成像物體的壓縮采樣,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)探測(cè)器的數(shù)量要求不高,僅使用單個(gè)探測(cè)器就可以實(shí)現(xiàn)快速的成像,有效地降低了硬件的成本,但是缺點(diǎn)在于壓縮感知成像需要使用空間光調(diào)制器,目前太赫茲波段的調(diào)制器工藝水平還不成熟。另一種方式是使用大規(guī)模的陣列探測(cè)器,一次性獲得多個(gè)像素點(diǎn),降低或擺脫成像系統(tǒng)對(duì)于機(jī)械掃描裝置的依賴。本論文采用蘇州納米所研制的場(chǎng)效應(yīng)管線陣列探測(cè)器[14-15],對(duì)物體進(jìn)行掃描成像,探測(cè)器規(guī)格為1×64,每次獲得64個(gè)像素點(diǎn),將原本的二維掃描簡(jiǎn)化為一維掃描,同時(shí)匹配線陣列探測(cè)器設(shè)計(jì)了一套光學(xué)系統(tǒng),有效地提高了掃描成像的速度。

2 光路設(shè)計(jì)與仿真

2.1 光源整形

實(shí)驗(yàn)采用的探測(cè)器為場(chǎng)效應(yīng)管陣列探測(cè)器,探測(cè)器的規(guī)格為0.24 mm×64 mm,為了匹配太赫茲陣列探測(cè)器,太赫茲源最好為一定長(zhǎng)度的線光源,采用VDI太赫茲源出射的太赫茲波是一束高斯光束,如果用來照射被測(cè)物體,會(huì)照亮物體上的一大片區(qū)域,導(dǎo)致光源的能量過度發(fā)散,無法聚焦到物體上的一行,為了修正這個(gè)弊端,需要對(duì)高斯光束進(jìn)行整形,整形的方法是在高斯光束的的前面加上一個(gè)柱面鏡,柱面鏡的作用是將點(diǎn)光源整形成線光源,匹配場(chǎng)效應(yīng)管線陣列探測(cè)器。整形光路圖如圖1所示。

點(diǎn)光源距離柱面鏡的距離為300 mm,柱面鏡的厚度為20 mm,尺寸為20 cm×10 cm,第一個(gè)面為平面,第二個(gè)面為柱面。經(jīng)過柱透鏡的變換,點(diǎn)光源變換成線光源,如圖2所示。

圖2(a)為點(diǎn)光源經(jīng)過柱面鏡后的點(diǎn)列圖,點(diǎn)列圖為幾何光學(xué)的概念,描述了成像后像差的情況,是對(duì)所有穿過柱面鏡的光線進(jìn)行追跡得到的,點(diǎn)列圖是一堆點(diǎn)的集合,每一個(gè)點(diǎn)代表一條光線。從點(diǎn)列圖中可以看出,點(diǎn)光源經(jīng)過整形后變成了線光源,圖2(b)為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),是基于衍射效應(yīng)計(jì)算得到的光強(qiáng)的分布,從圖2(b)圖中同樣可以看出,點(diǎn)光源被整形成了一條線光源。為了查看線光源光斑的寬度,打開PSF截面圖,可以發(fā)現(xiàn),一級(jí)衍射條紋的寬度在1.4 cm。

圖1 光源整形光路圖

圖2 點(diǎn)光源整形示意圖

2.2 聚焦光路

VDI點(diǎn)光源經(jīng)過柱面鏡的整形,照亮物體上的一行,透射的太赫茲波是個(gè)發(fā)散的波束,無法直接被探測(cè)器接收,需要經(jīng)過聚焦透鏡的聚焦,采用仿真軟件對(duì)透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真,如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)的仿真與實(shí)際情況相反,將陣列探測(cè)器設(shè)置成光源,聚焦透鏡采用雙曲面鏡設(shè)計(jì)[16],透鏡的厚度為8 cm,探測(cè)器距離第一個(gè)鏡面的距離為30 cm,透鏡的第二個(gè)鏡面距離像平面的距離為500 mm。

圖3 太赫茲聚焦光路示意圖

仿真結(jié)果如圖4所示,邊緣探測(cè)器所在的位置為0.24×32=7.68 mm,所成像點(diǎn)的位置在-12.125 mm,透鏡的放大倍數(shù)為12.125/7.68=1.58,從透鏡的參數(shù)也可以得到,放大倍數(shù)為540/340=1.59倍,二者非常接近。從點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖中可以看出,像點(diǎn)的一級(jí)衍射極大的光斑直徑在8.2 mm,根據(jù)艾利斑的計(jì)算公式,艾利斑的半徑為:

式中,λ為太赫茲波的波長(zhǎng);f為透鏡的焦距;D為光闌的孔徑,代入數(shù)值可以求出,艾利斑的半徑為4.16 mm,直徑為8.32 mm,與仿真結(jié)果8.2 mm基本一致,艾利斑的寬度用于定義光學(xué)系統(tǒng)的理論最大分辨率。

圖4 仿真效果

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 單元探測(cè)器掃描成像

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)光路的有效性,先采用單元探測(cè)器對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,成像系統(tǒng)如圖5所示,微波源兩路信號(hào),一路信號(hào)的頻率為12.06 GHz,輸入到倍頻器AMC531,經(jīng)過18倍頻后,輸出頻率217.08 GHz的太赫茲波,太赫茲波經(jīng)過柱面鏡的整形后,變成線光源,線光源照射到物體上,透射的太赫茲波經(jīng)過聚焦透鏡的聚焦,被VDI混頻器所接受,另一路信號(hào)的頻率為12.245 GHz,輸入到VDI混頻器當(dāng)中,混頻之后的信號(hào)為3.33 GHz,混頻之后的信號(hào)經(jīng)過檢波器的降頻,送入采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測(cè)試系統(tǒng)的軟件控制采用LabVIEW軟件進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)對(duì)二維平移臺(tái)的掃描控制和采集卡的信號(hào)采集。

圖5 成像系統(tǒng)

點(diǎn)光源經(jīng)過柱面鏡后,被整形成線光源,為了觀察整形的效果,將VDI的探測(cè)器放置在柱面鏡的焦點(diǎn)處,進(jìn)行掃描,獲得的圖像的強(qiáng)度如圖6所示。

圖6 光斑縱向強(qiáng)度分布圖

從圖6中可以看出,光斑縱向的-3dB波束寬度大約在1 cm,仿真得到的結(jié)果約為0.7 cm,二者基本一致。點(diǎn)光源經(jīng)過柱面鏡后,變成線光源,線光源的寬度在1 cm左右。實(shí)驗(yàn)中拿鑰匙和銀行卡進(jìn)行成像的驗(yàn)證,掃描獲得的太赫茲圖像如圖7所示。

3.2 陣列探測(cè)器掃描成像

實(shí)驗(yàn)采用的陣列探測(cè)器為中科院蘇州納米所自主研發(fā)的GaN基HEMT陣列探測(cè)器,探測(cè)器規(guī)模為1×64,像元間距為0.24 mm,并針對(duì)此探測(cè)器研制了讀出電路,探測(cè)器、放大電路、FPGA數(shù)據(jù)采集電路組成線陣列探測(cè)器模組,此模組配合上位機(jī)掃描程序,即可實(shí)現(xiàn)掃描成像的功能。

陣列探測(cè)器成像系統(tǒng)的光路與單元探測(cè)器的成像光路一致,如圖8所示,只是將VDI的單元探測(cè)器換成了場(chǎng)效應(yīng)管陣列探測(cè)器。陣列探測(cè)器一次性可以獲得64個(gè)像素點(diǎn),分別對(duì)鑰匙和剪刀進(jìn)行掃描成像,成像效果如圖9和圖10所示。

圖7 太赫茲圖像

圖8 陣列探測(cè)器成像系統(tǒng)實(shí)物圖

圖像校準(zhǔn)的方法為,成像時(shí)多掃描一片區(qū)域,利用背景區(qū)域的數(shù)據(jù)計(jì)算得到64路探測(cè)器的響應(yīng)系數(shù)。對(duì)比圖9(a)圖和圖9(b)圖,校準(zhǔn)后背景區(qū)域已被抹平,但是物體區(qū)域仍存在條紋,圖9(c)圖是將4個(gè)通道的探測(cè)器合并為一個(gè)探測(cè)器的成像效果,與合并之前的圖像相比,成像的效果有所提升。掃描的范圍為2.5 cm×10 cm,由于是一維掃描,掃描的時(shí)間只有十幾秒左右。圖10是對(duì)剪刀進(jìn)行掃描成像的結(jié)果,由于剪刀的尺寸較大,僅做一維掃描無法覆蓋物體區(qū)域,需要二維掃描后將圖像進(jìn)行拼接,圖示為四個(gè)子圖像拼接后的結(jié)果,總的掃描時(shí)間接近3 min。拼接后圖像顯示效果并沒有出現(xiàn)明顯的變形。

圖9 鑰匙成像效果圖

圖10 剪刀的光學(xué)照片和太赫茲照片

從圖中可以看出,圖像的條紋是影響圖像效果的關(guān)鍵因素。為了獲得探測(cè)器的響應(yīng)特性,測(cè)試了不同功率下的探測(cè)器的響應(yīng)的數(shù)值,繪制64路探測(cè)器的響應(yīng)曲線如圖11所示,從圖中可以看出,在0.5～3.5 mW的輻射照射下,探測(cè)器的響應(yīng)基本是線性的,圖像的條紋并非由探測(cè)器的非線性造成的。實(shí)際上,對(duì)于陣列式場(chǎng)效應(yīng)管探測(cè)器,探測(cè)器之間存在耦合和串?dāng)_的因素,反應(yīng)在圖像上,就會(huì)出現(xiàn)一定的條紋,這種條紋,無法通過簡(jiǎn)單的圖像后處理完成,需要消除探測(cè)器的串?dāng)_因素才能解決。

圖11 64路探測(cè)器響應(yīng)電壓隨輻射功率的變化曲線

4 總 結(jié)

本文針對(duì)線陣列場(chǎng)效應(yīng)管探測(cè)器設(shè)計(jì)了一套光學(xué)系統(tǒng),光學(xué)系統(tǒng)由柱面鏡和聚焦透鏡組成,采用光學(xué)仿真軟件分別對(duì)二者進(jìn)行了仿真和設(shè)計(jì),點(diǎn)光源經(jīng)過柱面鏡后被整形成了線光源,線光源光斑的寬度在1.4 cm,實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)值與仿真值吻合。實(shí)驗(yàn)中分別采用VDI混頻單元探測(cè)器和蘇州納米所自主研發(fā)的場(chǎng)效應(yīng)管陣列探測(cè)器測(cè)試物品進(jìn)行掃描成像,鑰匙的掃描范圍為2.5 cm×10 cm,單元探測(cè)器掃描的時(shí)間在5 min左右,陣列探測(cè)器的掃描時(shí)間僅為10 s,極大地提升了掃描成像的速度。對(duì)比二者成像的質(zhì)量,單元探測(cè)器成像效果清晰,陣列探測(cè)器成像圖片中存在明顯的條紋,對(duì)探測(cè)器響應(yīng)度進(jìn)行校正后依然存在,條紋的原因在于探測(cè)器之間的耦合效應(yīng)。本文測(cè)試了陣列探測(cè)器的成像效果,發(fā)現(xiàn)了成像中存在的問題,為陣列探測(cè)器的優(yōu)化和應(yīng)用指明了方向。

致 謝:感謝中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所秦華課題組提供的場(chǎng)效應(yīng)管陣列探測(cè)器模塊。