第五章 太赫兹成像.

第五章太赫兹成像
太赫兹辐射作为一种光源和其他辐射如可见光、X射线、近/中/远红外、超声波等一样，可以作为物体成像的信号源。

而且现在，太赫兹成像技术已经成为了X 射线成像、毫米波成像、超声成像等成像技术的有力补充。

太赫兹成像技术分类有很多种，从大体上它可分为相干成像技术和非相干成像技术；而从成像系统对样品成像的方式又可分为透射式成像和反射式成像。

在本章我们重点介绍一下太赫兹相干成像技术如：太赫兹时域光谱成像、太赫兹电光取样成像、太赫兹层析成像以及太赫兹近场成像等。

而对非相干成像技术如太赫兹连续波成像只做原理性的介绍。

5.1 太赫兹成像系统
由于太赫兹辐射的独特性质，以及太赫兹成像系统能够在合理的时间内对物体成像，所以太赫兹成像技术在近几年间引起了世界范围内的广大相关科技工作者的极大关注与兴趣。

另外，太赫兹成像技术已经初步覆盖了广泛的应用领域，这其中包括：生物医学诊断、包装食品中所含水分的监测和封装集成电路的缺陷检测等等。

图 5-1 用作透射成像的太赫兹时域光谱仪结构示意图
太赫兹成像的基本原理是：利用成像系统将所记录下来的样品的透射谱或反射谱信息（包括振幅和相位的二维信息）进行分析和处理，最后得到样品的太赫兹图
像。

太赫兹成像系统的基本结构与太赫兹时域光谱相比，多了图像处理装置和扫描控制装置。

利用反射扫描或透射扫描都可以对物体成像，选取那种成像方式主要取决于样品及成像系统的性质，根据不同的需要，可使用不同的成像方式。

如图 5-1所示，它是一套典型的基于太赫兹时域光谱仪的太赫兹透射成像系统。

这套系统是由飞秒激光器、光学延迟台（由计算机控制）、光学选通（optically gated）太赫兹发射极（transmitter）、太赫兹准直和聚焦系统、用于成像的样品、光学选通探测器（receiver）、电流前置放大器和同样由计算控制的数字信号处理器（DSP）等组成。

其中，要求被测样品放在透镜的焦平面上，以便于实现对其二维成像。

5.1.1 飞秒激光源
在绝大多数的太赫兹成像系统中，所用的光源大都是800nm的近红外锁模钛蓝宝石激光器。

这种激光器之所以使用地如此广泛主要是因为从它的激光参数（脉宽、波长和输出功率）来看，这种激光器是驱动（drive）以砷化镓（GaAs）和辐射损伤蓝宝石上硅（RD-SOS）材料为衬底的太赫兹发射极和探测器的理想之选。

另外，它的脉冲重复率和脉冲稳定性都很好，并且操作起来也相对比较容易。

而且世上首套商用的THz-TDS系统的光源就是锁模钛蓝宝石激光器。

尽管锁模钛蓝宝石激光器有如此之多的成功应用，但由于它的噪声性能以及抗震性能等方面还有欠缺，有待改进，而且如果要设计制造便携式的太赫兹成像系统，就得需要有那种抗震性能更好的飞秒激光器。

所以还需寻求一种更理想的飞秒光源，而锁模光纤激光器（波长在1550nm附近）则是目前最为理想替代之选。

这种激光器所发的激光脉冲完全是在一根光纤中传输的，而且它已经实现了商业化。

另外，大量的工作业已开始研究适合这种激光器所能驱动的太赫兹发射和接收天线。

如果成功的话，到那时就无需使用GaAs了，这是因为光纤激光器所发出的激光光子能量低于GaAs材料的能带隙。

而且现已发现了许多适合光纤激光器的候选材料如：砷化镓(GaAs)的三元和四元合金、砷化铟（InAs）、和离子注入的锗。

5.1.2 光学延迟系统
THz-TDS系统要求两束光（泵浦光和探测光）之间的时间延迟能够改变，由此来改变取样脉冲与太赫兹波形的交叉点（取样点），从而对波形的这一点进行取样。

这种通过改变其中一束光的光程而达到改变两束光的相对延迟的方法在几乎所
有的实际实验中都有所应用。

由于探测光路较之于泵浦光路对光线的准直更灵敏些而且，尽管对于不同结构的天线，泵浦光路的灵敏度会有所差异，但总的来说还是探测光路对准直度的要求要比泵浦光路的要高，所以延迟系统通常都是安置在泵浦光路中的。

典型的光学延迟系统通常是将一对反射镜加装在一个机械扫描台（平移台）来实现的。

平移台的移动速度决定着整个装置对数据获取速率。

在许多的成像实验中，为了提高波形获取率，都希望延迟系统的扫描速度能够尽可能得快。

要做到这一点现在还存有许多困难，其中之一就是，还没有什么延迟系统能够在频率高于几十赫兹的情况下保持有足够的延迟窗口，同时速度又高于几十赫兹。

例如，要获取100ps 的延迟窗口，那么反射镜组必须能以1.5cm的振幅振动，也就是说在理想状况下，在这个时间窗口范围内，反射镜组的位移变化应尽可能随时间呈线性变化。

5.1.3 信号获取
获取太赫兹波形传统的方法是利用光导取样技术。

这里的泵浦脉冲在被延迟之后又被相应的探测脉冲所扫描，最后测得的在探测器中所产生的平均光电流是关于时间延迟的函数。

而最终获得的信号是取样脉冲的时域波形和太赫兹波形的卷积。

在实际的实验当中，为了消除大多数的外部噪声，则会使用一个锁相放大器来获取信号。

而且，探测脉冲（或太赫兹脉冲）会被一个斩波器所调制。

由于锁相放大器的时间常数在几十到几百毫秒之间，所以延迟台的扫描速度非常慢，对一个数据点进行采样就得需要上百毫秒甚至更多的时间。

如果以这种扫描速度，要获得一个1024点的太赫兹波形得需要几分钟的时间。

图 5-2 利用光学延迟线（a）和锁相放大器（b）所测得的波形
，这时它的信噪可达到1000甚至更高，而这对于大多的够了。

5.1.4 不切实际的。

也是由于这个原因，每种成像模式会对应有各自的数据处理5.2 太已经面世了。

接下来我们就介绍一下太赫兹成像，展示一下它们那神奇的魅5.2.1如图5-2所示，分别用了ODL 和锁相放大器两种方法来获取信号波形。

（a ）波形是通过ODL 的平均多次扫描所得到的太赫兹波形；（b ）波形为用锁相放大器对同一波形所测得的结果。

其中，所测得的这两个波形的信号级是几乎相等的。

如果要对物体进行成像，这时需对整个波形进行测量，而且还要对其进行逐个像素的分析，这就要求必须大大缩短数据的获取时间。

为实现这一目标，可使用扫描光学延迟线（ODL ）。

利用ODL 所提供的同步信号作为周期性的触发信号，就能直接探测到所要测量的光电流（是延迟时间的函数）。

在大多情况下，天线是被直接接到一个电流电压前置放大器上，所以用示波器就可以观察到电压波形，或是将它转化为数字化信号。

这样就省去了用锁相放大器来滤噪的过程，而且在某种程度上还降低了信噪比（SNR ），但这样做能够获取更快的数据采集速度。

如果用ODL 进行单次扫描来测得信号波形成像应用已经足数据处理
太赫兹成像应用中的最关键步骤就是处理图像中每个像素的波形。

实验所得的每个波形都含有大量的信息，而后根据这些信息，再用某一特定的色彩来对应标识每个像素。

由于所研究的样品及其特性各有不同，所以只是发展某一种信号处理的算法是方法。

赫兹时域光谱成像
太赫兹成像系统是理想的检测系统，它有许多优点。

例如THz-TDS 成像系统就可以做到小型、高效，并且价格还相对便宜等。

与众多的远红外成像系统所不同的是，它不需要使用低温系统。

另外，由于太赫兹的脉宽只有亚皮秒的量级，再加上其相敏探测的特性，两者结合能够产生出许多独特的成像模式。

正是由于这些优势，大大促进了T-ray 成像系统的发展。

早在2000年，第一套商用化的太赫兹成像系统力。

振幅和位相成像
如果要对物体进行成像，可以将物体放置在THz-TDS 成像系统（见图 5-1），的中间焦点上，测量透过物体的太赫兹波。

当太赫兹脉冲透过物体时，我们就能测出其波形来。

通过平移物体，而后测量透过物体每处的太赫兹波形，就可以逐个像素的构建出这个物体的太赫兹图像，由此所得到的太赫兹图像可以提供所测波形的振幅信息，也可以是相位信息，或是两者都有。

因此对于给定物体的成像，可以采用多种不同的方法来实现，而且每种方法还可以揭示出样品的各种不同的特性。

图 5-3 对2cm 2大小的装有谷物的小盒子所成的太赫兹透射图像
兹波透明的包装材料，例如硬纸板、塑料制品、较薄的干木材等等，效果太赫兹成像系统的潜在应用十分广泛，其中最具前景的是对封装物品的质量检测。

如图 5-3所示，它是对一个装有谷物的小盒所成的太赫兹透射图像。

其中，这个小盒重有1-3/8 盎司，大小约为2平方厘米，而做盒子的材料是硬纸板，它对太赫兹辐射几乎是透明的。

在太赫兹图像中黑色部分代表葡萄干，这是因为它们的含水量很高，所以与周围的材料相比能显示出很高的对比度来。

在这幅图中，样品的厚度大约为5cm ，略大于太赫兹光束的共焦焦斑（约为1cm ），因此这些葡萄干（没有放置在太赫兹光束的焦点之上）在图像中显得比它们的实际尺寸要大。

不过这个问题不足以限制太赫兹成像技术的发展应用，这是因为从理论上讲， 太赫兹成像系统可以选用各种光路。

这种成像技术很适合来检测被密封包装的物品，特别是那些对太赫更好。

如图5-4所示，这是太赫兹成像技术在质量监控方面应用的又一实例，它是对汽车挡泥板的一部分所成的太赫兹图像。

这种挡泥板是由两块平行的黑色塑料板做
成的，而且它们中间填充有橡胶海绵。

在制作过程中，先将橡胶海绵泡沫喷溅到两块塑料板之间，等到泡沫干了之后，它们也就粘合在一块了。

但是，有时候在泡沫中会出现气泡或空洞，而且有时它们的直径能达到一英寸甚至更大。

探测这些空洞是质量监控所面临的重大问题，目前还没有简单的探测方法存在。

即使用X 射线进行透射成像，也不能在塑料－橡胶海绵和空气之间提供很高的对比度；但是用X 射线检测存在着健康和安全的问题。

而超声波检测只有在使用折射率匹配的液体情况下才非常有效，另外的一些探测技术如磁共振成像技术价格既昂贵而且又笨重。

利用微波成像是一个不错的选择，但是当空洞的直径小于微波波长时，利用它是很难能够探测到这些空洞的。

由此，太赫兹成像技术显示除了它那独特的魅力来了，他可以方便、快速的发现它们。

图 5-4 部分汽车挡泥板的太赫兹透射图像
固态塑料制品和其由于橡胶海绵之间充满了很多很小的气眼，这些气眼能够对0.5mm 的波长产生有效的散射。

前后表面都是固态的塑料板，它们对太赫兹辐射几乎是透明的。

正是由于这些，太赫兹成像技术能够有效的发现样品中的空洞。

如图5-4所示，很明显有个空洞（直径 1.5cm ）位于太赫兹图像之中。

太赫兹成像技术对他绝缘的复合材料中的空洞或一些形态变化的检测极其有效。

上文中的两个例子，都是利用利用太赫兹脉冲穿过物体的透射振幅来成像的。

而THz-TDS 成像系统能够综合利用振幅和相位信息，因此它是一款用于质量监控很棒的工具。

如图5-5所示，它们是对巧克力棒所成的太赫兹图像。

其中（a ）图的灰度级是由太赫兹脉冲在每个像素点的峰峰振幅来决定的（图5-3、5-4
也是如此）。

巧克力棒对太赫兹的吸收并不多，但是它的表面平凸不平，而且两端薄，中间厚。

其次，由于巧克力棒上雕饰的字母的边缘存在散射效应，所以利用太赫兹成像技术可以将它们显示出来。

最后，有因为巧克力棒中的杏仁较之于巧克力棒所吸收的太赫兹辐射要多，所以利用太赫兹成像技术也可以观测到它们。

图5-5（b ）同样也是上文所说的巧克力棒的太赫兹图像，不过它利用的是透射太赫兹的相位信息重构出来的，并且对每个像素点用伪彩色进行编码。

作为一种相位的粗略测量，由它可以来监测太赫兹波形峰值的到达时间的改变。

因为到达时间的改变是与太赫兹脉冲在样品中走过的光程有关的，由此可以判断出样品厚度的变化，及其折射率的变化。

图 5-5 巧克力棒的太赫兹图像
，而且此项技术还对所研究的物品进行的是无损害的、非接触式的探测成像。

太赫兹成像技术不仅能对消费品进行质量监测，同时也能对艺术品进行检验。

如图5-6所示，（a ）图是一张羊皮纸的相片，在它上面题了有字。

那些文字又被一层厚厚黑漆所涂盖。

然后利用太赫兹成像技术来对这张羊皮纸成像，目的是发现那些被掩盖的文字。

由于那些黑漆涂料不含铅，所以它对太赫兹是透明的。

而先前的那些文字（“OK ”两字）是由铅笔所写的，所以铅笔中所含的碳粉能够对太赫兹有很好的反射，所以利用太赫兹成像技术是可以发现这些被遮掩的文字，如图5-6（b ）所示。

毫无疑问，如果使用一般的墨水来写那些文字，然后再用太赫兹成像系统来探测，结果肯定是探测不出它们来。

这是因为墨水中的染料分子是非极性的，它们对太赫兹不会有很强的吸收或反射。

此项实验是很有实际意义的，由此可知利用太赫兹成像技术可以来研究成品绘画下面所掩盖的草图。

另外，还可以扩展太赫兹成像技术的应用范围，如研究艺术品的历史、考古学、法医鉴定等
图 5-6 对用黑色涂料所掩盖的文字所成的太赫兹图像
5.2.2 液态水的太赫兹成像
结构最简单的太赫兹成像系统是透射式成像系统，它的透射功率决定着成像效果的好坏。

如图 5-7所示，它是太赫兹透射成像的一个很好的实例，是对普通植物的树叶所成的太赫兹透射图像。

图中的色彩度取决于太赫兹透射功率的大小，而它们又反映着树叶上每个像素点的水分含量。

这一实验的目的是表明太赫兹成像技术对水分是极其灵敏的。

水分对太赫兹辐射的吸收是很强的。

而且已经有人利用反射式和透射式的THz-TDS系统来研究液态水的属性，他们测得在频率为1太赫兹的条件下，水的吸收系数α约为230cm-1。

这是太赫兹成像对水含量改变探测的最终灵敏度。

在信噪比为100:1的情况下，能够探测的最小水浓度为nx～1016cm-2，其中n为水分子密度，x是太赫兹光透过材料的光程。

这意味着对于1mm厚的材料，只有在其水密度小于10-5的情况下才能对它进行探测。

图 5-7（a）新鲜树叶的太赫兹透射图像，（b）缺水两天后的树叶的太赫兹透射图像
如图5-7所示，利用水分对太赫兹强吸收的特性，可以测得活的植物的叶子的
水含量。

为了使树叶的太赫兹图像有很高的对比度，所以在对其成像前的两天中都没有对其浇水，让它一直处于缺水状态，从而使树叶中的大部分水分都存储在它的茎干中，如（b）图所示。

5.2.3 成像处理
前文中所展示的太赫兹图像都是采用了极其简单的方法从测得波形中提取有用信息。

不管是相位成像还是时间延迟成像，都可以方便的提取出波形到达每个像素点的时间。

振幅成像现有好几种，比较简单的一种就是利用时域波形的峰峰值振幅。

另外，还可以对每个波形做快速傅立叶变换，然后对所用的频带求积分，以保留的一些所要的光谱信息。

利用太赫兹成像技术是可以得到很高的空间分辨率，有因为焦斑的大小与频率成反比，所以可以利用软件来提高成像系统的空间分辨率，而无需使用额外的光学元器件。

5.2.4 太赫兹反射成像
根据液态水对太赫兹有很强吸收的特性，反而可以实现某些目的的应用。

然而对于整个生物医学诊断成像领域来说，必须防止这个现象的发生。

例如，正是由于水对太赫兹的强吸收，太赫兹在活组织中的透射深度只有几百微米。

如果这样，那么实现体内成像的希望实在是太渺小了。

而反射式太赫兹成像系统却可以用于对大量材料的表面或近表面属性的研究，这其中包括一些不透明物体，如人体。

此外，由于太赫兹辐射相干长度较短，反射式成像系统能够实现许多新的成像方式，如太赫兹层析成像。

基于此种原因，以及反射式成像系统结构相对简单，所以利用反射式太赫兹成像系统最终将能够实现上述的应用。

图 5-8 反射式太赫兹成像系统
如图 5-8所示，它是反射式太赫兹成像系统的典型装置。

在这套系统中，太赫兹光以近乎900的入射角被聚焦在样品上，然后又被反射回来。

这样就可以用反射式系统进行飞行时间的测量（与在前文中的透射式系统相似），它在原理上与超声成像很接近。

在超声成像中通常所遇到的问题是空气、液体和固体中的声阻抗差别很大，所以必须得进行折射率匹配。

而对于太赫兹成像来说，大多物质的介电常数没有太大的不同，所以不需要进行折射率匹配。

太赫兹飞行时间成像在一定程度上类似于光学相干层析（OCT）成像，它是一种利用宽带辐射源来达到深度分辨率目的的反射式成像技术，而其中的深度分辨率则是由光源的相干长度决定的。

太赫兹脉冲的相干长度是和它的脉宽有关的，而它的脉宽也只有几百飞秒。

如前文所述，由于太赫兹脉冲是单周期的电磁波，而且它对相位变化也是非常灵敏，所以较之于测量它的自相关作用的峰值强度来说，可以很精确的测得太赫兹电场的零交叉信号。

据此，也可以很精确的测得样品的折射率变化和深度变化信息。

5.2.5 烧伤诊断
如前文所述，太赫兹反射成像技术可以应用于生物医学诊断。

但是这里所涉及的探测对象有些只有一个反射面，而且表面形态也很复杂。

例如，对皮肤表面和近表面特性的研究，如诊断烧伤深度和烧伤程度。

如果有一种能够对烧伤深度进行无
损害性的、可靠的诊断手段，那么对临床医师将会起到很大的帮助。

而太赫兹成像就是这样的一种技术，它将在生物学和生物医药等方面发挥出巨大的作用（可参见本书第12章）。

图5-9 （a）被烧蚀的鸡胸组织的太赫兹反射成像图，（b）烧蚀区域的波形图
如图 5-9所示，它们是利用太赫兹脉冲进行烧伤诊断的实验结果。

该实验是用一块鸡胸作为实验的研究对象。

在实验过程中，利用一台氩离子激光器对此鸡胸组织进行烧蚀，而且根据烧蚀程度的不同（从外到里烧蚀程度逐渐增大），形成一系列的圆形烧蚀区域。

图 5-9（a）为它的太赫兹反射图像，图中不同的颜色表示所反射回来的太赫兹能量的不同，其中，在中心反射会的太赫兹能量最小。

（b）图表示通过改变太赫兹光斑在样品表面所处的位置所获得的一系列太赫兹波形。

其中，取样步长为250μm。

中间波形E cent(t)（红色粗线）对应于（a）图的中心区域，而两端的波形（E end1和E end2）则对应于鸡胸组织边缘处没有被烧蚀的区域。

将上述三条波形相比较可得，E cent(t)有明显的扭曲，从而也就表明了烧蚀可以使生物组织在太赫兹波段的光学性质发生改变。

5.3 扫描成像
利用扫描技术和CCD技术，太赫兹还可以实现二维扫描成像。

它们通过并行处理技术极大提高了成像速度，而且处理出来的图像也更加直观。

世上第一幅太赫兹图像就是利用太赫兹扫描技术得到的。

如图5-10所示，太赫兹扫描成像系统是在太赫兹时域光谱系统的基础上建立起来的，前者与后者相比增加了一对抛物面镜，这对抛物面镜的作用是对太赫兹光进行聚焦和准直。

图 5-10 太赫兹扫描成像系统
在成像过程中，样品是被固定在平移台，然后再在二维空间X-Y中对它进行光栅扫描。

与此同时，还可以获取到扫描数据。

最后根据每个像素的波形再重构出样品的二维太赫兹图像。

在此装置中，通过平移台在X-Y空间的运动来改变样品的位置，从而使太赫兹光能够通过样品上各个点。

太赫兹扫描成像适用于精度要求比较高，且不需要实时反映样品信息的测量。

这种技术的优势在于：分辨率较高、信号强度较大，受背景噪声的干扰小，信噪比高（可达104）等。

但同时它也存在一些问题如：扫描时间过长，不适合大样品的成像，不能对动态变化的信息进行测量和监控等。

5.4 太赫兹实时成像
如前文所述，太赫兹扫描成像技术不能够反映样品的动态变化信息，而且成像时间长等。

而太赫兹实时成像技术则可以克服这些问题。

图 5-11 二维实时太赫兹活体昆虫成像
如图5-11所示，实时成像系统是一个4f成像系统，它可以对样品进行一次成像，而且还可以对样品进行实时监控。

实时成像技术最明显的特征就是利用CCD 相机来实时采集数据。

尽管实时成像技术的信噪比较小，但如果与单脉冲太赫兹成像相结合，将会具有更加美好的前景。

实时二维太赫兹成像技术是真正意义上的成像，其基本原理是：泵浦出的太赫兹光透射过样品之后，被4f系统中的高密度聚乙烯透镜聚焦在电光晶体上，此时，载有样品信息的太赫兹电场的空间分布业已映射在电光晶体之中。

然后，通过Pockels效应，由探测脉冲将反映样品的图像信号上转换到光频范围，最后由CCD 相机接收，从而呈现出直观形象的样品太赫兹图。

其中，CCD相机和太赫兹光没有直接的关系，所以这种成像技术的数据采集速率之与CCD相机的响应速率有关。

应用这种实时成像技术就可以对运动物体或活体进行成像。

5.5 太赫兹层析成像
对于反射式太赫兹成像系统所得到的样品数据，如果用层析重构算法的话，再加上太赫兹光的独特性质，就可以用来研究样品的内部结构。

层析成像技术使太赫兹成像可以扩展到能够研究物体复杂的内部结构，而且还可以对它进行一维或二维成像。

利用延迟时间和强度各不相同的反射脉冲，层析成像可以使样品的内部结构直观的显现出来。

例如，对软盘进行层析成像，空气－塑料外壳，塑料外壳－磁性存储介质，磁性存储介质－塑料外壳，外壳－空气以及塑料外壳－金属等界面都能延迟入射脉冲，并改变其强度。

如果要研究多层物质的各个复杂介质界面上的信息时，可以利用菲涅尔（Fresnel）方程和迭代算法来解决。

另外，根据宽带太赫兹脉冲的各个不同的傅立叶分量，使用菲涅尔透镜也可以得到样品各个深度的图像。

这是因为菲涅尔透镜的焦距是与频率相关的。