基于相干层析的太赫兹成像技术研究

黄亚雄,姚建铨,2,凌福日,李 丹

(1.华中科技大学武汉光电国家实验室,湖北 武汉 430074；2.天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072；3.华中科技大学光学与电子信息学院,湖北 武汉 430074；4.湖北第二师范学院,湖北 武汉 430205)



·太赫兹技术·

基于相干层析的太赫兹成像技术研究

黄亚雄1,姚建铨1,2,凌福日3,李 丹4

(1.华中科技大学武汉光电国家实验室,湖北 武汉 430074；2.天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072；3.华中科技大学光学与电子信息学院,湖北 武汉 430074；4.湖北第二师范学院,湖北 武汉 430205)

介绍了一种结合光学相干层析技术和太赫兹技术的太赫兹三维成像技术——太赫兹相干层析成像技术。该技术利用宽频太赫兹的弱相干原理,可以实现对待测样品进行高精度的三维成像。实验结果表明太赫兹相干层析成像技术的纵向分辨能力高于100 μm。在纵向探测精度方面,该技术相对传统的方案有了较大的提高,在高精度太赫兹无损探测领域具有巨大的应用前景。

太赫兹波； 相干层析成像； OCT技术； 纵向分辨能力

1 引 言

太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间,其频率范围为0.1～10 THz[1]。相比于微波和红外辐射,太赫兹波段的研究相对落后。其所具有的较低单光子能量和对大部分非金属材料的高穿透性等特点,近几十年来逐渐引起人们的关注。太赫兹波的独特性质使得太赫兹成像技术被广泛应用在质检、医疗、安全等领域[2]。

太赫兹透射CT技术是最早提出也是目前最为成熟的太赫兹三维成像技术。这项基于计算机辅助的层析成像(CT)技术[3-4],其原理是一束射线或者射线束群穿透被成像物体后,其光强被记录下来,通过平动和转动使射线得以从不同位置和不同角度穿过被成像物体。透射光的光强记录了物体对透射光的吸收率信息,通过Radon变换,可以计算出待测物体吸收率的三维空间分布,从而得到物体的三维结构并用计算机将其显示出来。此技术要求待测样品对太赫兹具有较好的穿透性,尤其是对具有轴对称性的物体具有较好的成像效果。

2009年,Christian等人提出一种快速的连续太赫兹反射层析成像技术[5]。其使用通过电子倍频产生的中心频率为300 GHz,频带宽度为90 GHz的太赫兹源,根据参考光与自样品反射回来的回波混频后得到频率差与光程差成正比,可测量出待测物体距离,从而对样品进行三维图像重构,该技术纵向分辨率由扫频范围决定,在毫米量级内,具有较快的成像速度。

脉冲太赫兹成像技术利用飞行时间成像原理[6],采用飞秒激光泵浦光电导器件产生太赫兹辐射,太赫兹辐射射入样品,探测器接收不同深度的样品层反射回来的太赫兹辐射,通过光电取样的方式间接地探测太赫兹辐射信号,通过高斯窗口反卷积可获得样品层析图像。该技术信噪比高,分辨率在亚毫米级。

光学相干层析成像技术(Optical Coherent Tomography,OCT)是一种类似超声成像的高分辨率光学成像技术,通过样品对光线的反射来获取样品信息,得到样品截面图像。光学相干层析成像技术利用了光的干涉原理,一般使用近红外光作为光源,由于选用的光线波长较长,可以穿透样品一定的深度。与其他成像技术相比,光学相干断层扫描可以提供拥有微米级分辨率的活体组织形态图像,因此,在基础与临床医学研究和应用领域有着巨大的应用潜力。1991年，D.Huang首次提出OCT的概念,使用基于波长为830 nmSLD光源的光纤迈克尔逊干涉仪对视网膜和冠状动脉壁进行了活体成像,纵向分辨率达到10 μm[7]。此后OCT技术发展迅速,开发出了多种成像模式,如光谱OCT、差分吸收型OCT、多普勒OCT等,同时分辨率与成像性能也得到很大的提高[8-9]。但是若使用近红外波段作为光源,光学相干层析成像探测深度仍然只有2～3 mm,极大地限制了这项技术的应用。利用太赫兹具有良好穿透能力的特点,光学相干层析成像技术可以获得较大的探测深度,同时由于光学相干层析技术纵向分辨率是由相干长度而不是瑞利判据决定,因而能获得比上述三种技术更高的分辨率。2011年日本大阪大学首次在OCT中用中心频率为350 GHz带宽为120 GHz的太赫兹作为光源对样品做三维成像探测深度可达10 mm,纵向分辨率达到1 mm[10-11],相比前述三种成像方式,分辨率并无明显改善。为了获得更高的纵向分辨率,本文利用具有较宽频谱的热辐射源汞灯作为太赫兹源,使用光学相干层析成像方式获得了小于100 μm的纵向分辨能力。

2 成像装置介绍

本成像系统实验光路如图1(a)所示。本系统选用汞灯作为太赫兹源,汞灯发出的发散光束由抛物面镜聚焦,准直之后,经过一个孔径光阑和斩波器。太赫兹波入射到分束器上,分束器为制作在Mylar薄膜上的铝线光栅,参考臂被一金属面镜反射回分束镜,金属面镜由步进电机控制,可对样品进行纵向扫描,样品臂光束被抛物面镜聚焦在载物台上,经样品反射回来的太赫兹波经过分束镜反射后与透射的参考臂光相干涉,干涉信号被一个抛物面镜收集并聚焦在探测器上,实验所用探测器为tydex公司生产的Golay cell,响应频率为300 kHz。探测信号被锁相放大器放大并被计算机记录,载物台在步进电机的移动下可做XY平面移动,从而对样品做二维扫描,参考臂金属面镜的移动可对样品做Z轴深度方向的相干层析扫描,计算机扫描程序发送相关指令给步进电机控制器实现对样品的三维扫描。记录的探测信号经过一定数据处理后可以重构出样品的三维图形。

根据光的弱相干理论,光的相干长度等于光谱半高宽Δν,其可表示为[12]:

在干涉光路中,光信号是往返传输的,所以将相干长度除以2,可得到相干层析系统的纵向分辨率:

图1 系统的原理图和实物图

图2 汞灯光谱

本系统采用中压汞灯作为太赫兹辐射源,其输出光谱如图2所示,频率主要集中在1～10 THz及11～20 THz。中心频率为11 THz,半高宽为12 THz,对应中心波长,λ0=27.3 μm,Δλ=42.4 μm,据上式计算可得理论纵向分辨率在10 μm量级。

3 实验结果

为了评估系统的纵向探测精度,测量了太赫兹通过厚度分别为200 μm和230 μm的硅片,如图3所示。其干涉信号如图4所示。

图3 被测试的硅片样品

图4 不同厚度硅样品干涉信息

当样品折射率发生突变时,太赫兹干涉增强,因此由图4(a)和4(b)可知太赫兹光在200 μm和230 μm 硅片的光程长度分别为685 μm和782 μm,为进一步测定硅片对太赫兹的折射率,将四片厚度不同的硅片放置在层析系统中,只进行深度方向的一维扫描获得干涉峰距,结果如图5所示。对数据进行线性拟合可得到硅片n=3.41,则测定的图4(a)和4(b)的硅片厚度分别为200.8 μm和229.3 μm,与硅片实际厚度相吻合。

图5 硅片厚度与干涉峰距的关系图

如图6所示将前文所提低阻硅片并排放置在一个金属反射镜(载物台)上面,厚度分别为230 μm和200 μm,宽度都在50 mm左右。成像系统选择35 mm×1.5 mm的范围对待测样品进行扫描,横向扫描的步进电机步长设定为500 μm(约焦斑大小),纵向扫描的步长设定为1 μm,小于系统理论纵向分辨率10 μm。

图6 被测样品的实物图

图7 实验结果

实验结果如图7(a)所示,可以明显的看到两个样品和样品台的信息,但是图像中散布的噪点比较多,所以需要对实验结果进行降噪处理。相干层析成像系统噪声包括背景噪声、电路噪声、边锋效应、扫描噪声[13],不同的噪声有不同的特性,不可能使用一种处理方式消除所有噪声,因此本文针对不同噪声采用三种方式对成像结果图7(a)进行处理。在相干层析成像过程中由于背景光无差别的分布于成像区域形成直流噪声,因此导致实验结果整幅图像都有比较均匀的噪声。为了降低背景噪声对再现图像的影响,本文通过滤波消除背景光带来的直流噪声,处理结果如图7(b)所示,对比度明显提高。另外探测器的散粒噪声和锁定放大器电路中存在的热噪声都属于白噪声。为尽量减少白噪声,改善图像的质量使用邻域平均的平滑处理可以有效地抑制噪声干扰,使用平滑处理后类似椒盐的噪点明显减少,处理结果如图7(c)所示。本系统采用步进电机对样品进行扫描,步进电机的运动引入扫描噪声使图像信号受损。另外汞灯光谱有多个峰值(如图2),这样导致在光程不相等的位置也同样可能出现相干峰(边锋效应)。由于这两种噪声都是发生在特定频率尺度上,因此本文通过小波变换能将信号分解为不同的频率分量,并通过对特定噪声所处的频率分量进行阈值处理边锋效应和扫描噪声对图像信号的干扰。处理结果如图7(d)所示,样品和载物台干涉信息图像变薄,说明小波降噪使图像噪声进一步降低。

从滤波后的实验结果图可以看到,在Z=0.22 mm 的位置有一个干涉极大值,此处为载物台表面信息,在Z=0.90 mm和Z=1.00 mm附近处各有一个干涉极大,分别为两片低阻硅片的表面信息。两次试验中低阻硅片的厚度分别为200 μm和230 μm,而两个试验样品的光程差为100 μm,可计算出其对应厚度差为29.3 μm与实际值基本吻合。综上,本成像系统可以分辨100 μm的纵向深度,同时能获得样品的位置信息。

3 结 论

本文基于OCT原理和太赫兹成像技术提出利用热辐射连续太赫兹源实现太赫兹相干层析成像。利用该方法,实现了纵向精度高于100 μm的成像原理性实验,并对图像信息做相关处理,获得清晰的样品图像。本成像设备结构简单,便于推广应用,在高精度的无损探测领域具有极大的应用前景。

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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

湖北省自然科学基金项目(No.2014CFB562)；中国工程物理研究院基金项目(No.CAEPTHZ201407)资助。

黄亚雄(1990-),男,硕士研究生,主要从事太赫兹成像技术的研究。E-mail：huangyaxiongmail@163.com

凌福日(1972-),男,副教授,硕士生导师,主要从事太赫兹成像以及太赫兹与物质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