基于柱面镜的太赫兹阵列探测器扫描成像实验研究

蔡 健,李亚茹,吴炎际

(博微太赫兹信息科技有限公司,安徽 合肥 230088)

1 引 言

太赫兹波是指频率在0.1～10 THz之间的电磁波,位于远红外与毫米波之间[1]。太赫兹技术在安检安防、空间通信、生物医学检测、材料无损检测方面表现出巨大的应用价值[2-4]。太赫兹成像技术是太赫兹技术中最具应用前景的技术之一,与其他波段(如X光、红外线、毫米波)一样,太赫兹波同样可以作为物体成像的信号源,太赫兹成像有着其他成像方式所不具有的优势和特点[5]。由于太赫兹波可以穿透绝大多数非极性材料,因此特别适合其他电磁波无法穿透、X射线对比度低的情形。太赫兹波光子能量低,只有X射线光子能量的百万分之一,因而不会对物体造成电离损害,特别适合对生物活体组织进行成像[6-8]。

太赫兹成像包括连续波成像和脉冲太赫兹成像两大类,脉冲太赫兹成像可以获得太赫兹波的强度、相位的信息,但是系统结构复杂,由于每一个像素点均包含一个时域波形,数据量庞大,成像时间较长[9]。相比于脉冲太赫兹成像,连续波成像仅获得太赫兹波的强度信息,系统结构简单[10]。成像速度是太赫兹成像技术走向实际应用的制约因素,针对这一难题,目前主流的发展趋势有两种,一种是采用压缩感知技术来实现快速的太赫兹成像[11-13],通过快速切换编码模块完成对成像物体的压缩采样,这种方法的优点是对探测器的数量要求不高,仅使用单个探测器就可以实现快速的成像,有效地降低了硬件的成本,但是缺点在于压缩感知成像需要使用空间光调制器,目前太赫兹波段的调制器工艺水平还不成熟。另一种方式是使用大规模的阵列探测器,一次性获得多个像素点,降低或摆脱成像系统对于机械扫描装置的依赖。本论文采用苏州纳米所研制的场效应管线阵列探测器[14-15],对物体进行扫描成像,探测器规格为1×64,每次获得64个像素点,将原本的二维扫描简化为一维扫描,同时匹配线阵列探测器设计了一套光学系统,有效地提高了扫描成像的速度。

2 光路设计与仿真

2.1 光源整形

实验采用的探测器为场效应管阵列探测器,探测器的规格为0.24 mm×64 mm,为了匹配太赫兹阵列探测器,太赫兹源最好为一定长度的线光源,采用VDI太赫兹源出射的太赫兹波是一束高斯光束,如果用来照射被测物体,会照亮物体上的一大片区域,导致光源的能量过度发散,无法聚焦到物体上的一行,为了修正这个弊端,需要对高斯光束进行整形,整形的方法是在高斯光束的的前面加上一个柱面镜,柱面镜的作用是将点光源整形成线光源,匹配场效应管线阵列探测器。整形光路图如图1所示。

点光源距离柱面镜的距离为300 mm,柱面镜的厚度为20 mm,尺寸为20 cm×10 cm,第一个面为平面,第二个面为柱面。经过柱透镜的变换,点光源变换成线光源,如图2所示。

图2(a)为点光源经过柱面镜后的点列图,点列图为几何光学的概念,描述了成像后像差的情况,是对所有穿过柱面镜的光线进行追迹得到的,点列图是一堆点的集合,每一个点代表一条光线。从点列图中可以看出,点光源经过整形后变成了线光源,图2(b)为点扩散函数,是基于衍射效应计算得到的光强的分布,从图2(b)图中同样可以看出,点光源被整形成了一条线光源。为了查看线光源光斑的宽度,打开PSF截面图,可以发现,一级衍射条纹的宽度在1.4 cm。

图1 光源整形光路图

图2 点光源整形示意图

2.2 聚焦光路

VDI点光源经过柱面镜的整形,照亮物体上的一行,透射的太赫兹波是个发散的波束,无法直接被探测器接收,需要经过聚焦透镜的聚焦,采用仿真软件对透镜进行设计与仿真,如图3所示。

实验的仿真与实际情况相反,将阵列探测器设置成光源,聚焦透镜采用双曲面镜设计[16],透镜的厚度为8 cm,探测器距离第一个镜面的距离为30 cm,透镜的第二个镜面距离像平面的距离为500 mm。

图3 太赫兹聚焦光路示意图

仿真结果如图4所示,边缘探测器所在的位置为0.24×32=7.68 mm,所成像点的位置在-12.125 mm,透镜的放大倍数为12.125/7.68=1.58,从透镜的参数也可以得到,放大倍数为540/340=1.59倍,二者非常接近。从点扩散函数图中可以看出,像点的一级衍射极大的光斑直径在8.2 mm,根据艾利斑的计算公式,艾利斑的半径为:

式中,λ为太赫兹波的波长;f为透镜的焦距;D为光阑的孔径,代入数值可以求出,艾利斑的半径为4.16 mm,直径为8.32 mm,与仿真结果8.2 mm基本一致,艾利斑的宽度用于定义光学系统的理论最大分辨率。

图4 仿真效果

3 实 验

3.1 单元探测器扫描成像

为了验证设计光路的有效性,先采用单元探测器对成像系统进行验证,成像系统如图5所示,微波源两路信号,一路信号的频率为12.06 GHz,输入到倍频器AMC531,经过18倍频后,输出频率217.08 GHz的太赫兹波,太赫兹波经过柱面镜的整形后,变成线光源,线光源照射到物体上,透射的太赫兹波经过聚焦透镜的聚焦,被VDI混频器所接受,另一路信号的频率为12.245 GHz,输入到VDI混频器当中,混频之后的信号为3.33 GHz,混频之后的信号经过检波器的降频,送入采集卡进行数据采集。测试系统的软件控制采用LabVIEW软件进行编程,实现对二维平移台的扫描控制和采集卡的信号采集。

图5 成像系统

点光源经过柱面镜后,被整形成线光源,为了观察整形的效果,将VDI的探测器放置在柱面镜的焦点处,进行扫描,获得的图像的强度如图6所示。

图6 光斑纵向强度分布图

从图6中可以看出,光斑纵向的-3dB波束宽度大约在1 cm,仿真得到的结果约为0.7 cm,二者基本一致。点光源经过柱面镜后,变成线光源,线光源的宽度在1 cm左右。实验中拿钥匙和银行卡进行成像的验证,扫描获得的太赫兹图像如图7所示。

3.2 阵列探测器扫描成像

实验采用的阵列探测器为中科院苏州纳米所自主研发的GaN基HEMT阵列探测器,探测器规模为1×64,像元间距为0.24 mm,并针对此探测器研制了读出电路,探测器、放大电路、FPGA数据采集电路组成线阵列探测器模组,此模组配合上位机扫描程序,即可实现扫描成像的功能。

阵列探测器成像系统的光路与单元探测器的成像光路一致,如图8所示,只是将VDI的单元探测器换成了场效应管阵列探测器。阵列探测器一次性可以获得64个像素点,分别对钥匙和剪刀进行扫描成像,成像效果如图9和图10所示。

图7 太赫兹图像

图8 阵列探测器成像系统实物图

图像校准的方法为,成像时多扫描一片区域,利用背景区域的数据计算得到64路探测器的响应系数。对比图9(a)图和图9(b)图,校准后背景区域已被抹平,但是物体区域仍存在条纹,图9(c)图是将4个通道的探测器合并为一个探测器的成像效果,与合并之前的图像相比,成像的效果有所提升。扫描的范围为2.5 cm×10 cm,由于是一维扫描,扫描的时间只有十几秒左右。图10是对剪刀进行扫描成像的结果,由于剪刀的尺寸较大,仅做一维扫描无法覆盖物体区域,需要二维扫描后将图像进行拼接,图示为四个子图像拼接后的结果,总的扫描时间接近3 min。拼接后图像显示效果并没有出现明显的变形。

图9 钥匙成像效果图

图10 剪刀的光学照片和太赫兹照片

从图中可以看出,图像的条纹是影响图像效果的关键因素。为了获得探测器的响应特性,测试了不同功率下的探测器的响应的数值,绘制64路探测器的响应曲线如图11所示,从图中可以看出,在0.5～3.5 mW的辐射照射下,探测器的响应基本是线性的,图像的条纹并非由探测器的非线性造成的。实际上,对于阵列式场效应管探测器,探测器之间存在耦合和串扰的因素,反应在图像上,就会出现一定的条纹,这种条纹,无法通过简单的图像后处理完成,需要消除探测器的串扰因素才能解决。

图11 64路探测器响应电压随辐射功率的变化曲线

4 总 结

本文针对线阵列场效应管探测器设计了一套光学系统,光学系统由柱面镜和聚焦透镜组成,采用光学仿真软件分别对二者进行了仿真和设计,点光源经过柱面镜后被整形成了线光源,线光源光斑的宽度在1.4 cm,实验中实测值与仿真值吻合。实验中分别采用VDI混频单元探测器和苏州纳米所自主研发的场效应管阵列探测器测试物品进行扫描成像,钥匙的扫描范围为2.5 cm×10 cm,单元探测器扫描的时间在5 min左右,阵列探测器的扫描时间仅为10 s,极大地提升了扫描成像的速度。对比二者成像的质量,单元探测器成像效果清晰,阵列探测器成像图片中存在明显的条纹,对探测器响应度进行校正后依然存在,条纹的原因在于探测器之间的耦合效应。本文测试了阵列探测器的成像效果,发现了成像中存在的问题,为阵列探测器的优化和应用指明了方向。

致 谢:感谢中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所秦华课题组提供的场效应管阵列探测器模块。