太技术 |太赫兹逐点扫描成像技术

太赫兹逐点扫描成像技术的出现对于太赫兹光子学来说具有重要的意义，它是在太赫兹时域光谱技术的基础上发展起来的，也是最早出现的太赫兹脉冲成像技术，它的问世为太赫兹成像领域的研究奠定了基础。在 1995 年，由B. B. Hu 和 M. C. Nuss 首次报道了利用普通的太赫兹光谱系统，将样品放置在一个二维平移台上，通过不断的移动样品位置，在样品不同区域上测量太赫兹信号，最后将所有数据集合在一起组成样品的太赫兹图像，其实验系统和结果如图1所示。

 (a)系统示意图    (b)不同时间树叶的太赫兹图像

图1 太赫兹脉冲逐点扫描成像技术

图1中(a)是成像系统的实验装置图。激光光源是一台自锁模钛：蓝宝石飞秒激光器，脉冲宽度为100飞秒，中心波长为800nm。该光源被分为激发光和探测光两部分，其中大约80mW的光源功率用于激发太赫兹发射机，探测器则约为60mW。此外，光学成像系统还包含两对离轴抛面镜，分布在样品两侧。发射机辐射的太赫兹波通过离轴抛面镜准直并聚焦在样品衍射极限点上，而样品辐射的太赫兹波通过后面的离轴抛面镜收集并聚焦在太赫兹偶极子探测器上。同时，为了改善太赫兹辐射至空气的耦合度，发射机和接收机衬底背面都附着了高阻态的半球形硅透镜。最后，扫描延迟线将探测到的太赫兹波下变频至千赫兹范畴，经过电流前置放大器放大，通过模数转换器和数字信号处理器处理，就可以获得每个像素点的光谱信息，再进行处理、分析，得到样品的太赫兹图像。图像的色彩度取决于太赫兹透射功率的大小，反映着树叶上每个像素点的水分含量。

图1中(b)展示了利用该逐点成像系统测量的新鲜树叶和放置两天以后树叶的太赫兹图像。从图中可以看出，树叶水分流失的情况被清晰地呈现了出来，由此证明了太赫兹脉冲成像技术的可行性。通过对所获得图像每个像素上的太赫兹信号进行光谱分析，还可以进一步提取出物质的二维光学信息。

作为国内最早开展太赫兹相关研究的机构之一，首都师范大学太赫兹波谱和成像实验室在科技创新、学术交流、人才培养、社会服务等方面取得了不小的成绩，极大促进了太赫兹科学与技术在我国的发展。

 

图2是该实验室透射式太赫兹时域光谱/扫描成像系统的装置图，其频谱范围为0.1T-2.5THz，扫描范围为25mm×25mm，焦斑直径约为1.1mm，频谱分辨率为50GHz，信噪比为600。在对样品进行测量时，一般先在没有样品的情况下测量一个参考信号，在放置样品后，测量一个样品信号。将二者的太赫兹光谱进行比较，通过一定的数据处理，可获得样品在太赫兹波段的光学常数，比如折射率和吸收系数等。这些数据虽具有物理含义，但本身不具备图像数据的特征，因此在计算机上构建并显示太赫兹逐点扫描图像，需要根据太赫兹成像的实际物理意义，从每一点的光谱数据中提取数据，进行数据转换，构建图像并进行显示。这其中就涉及到了该技术的核心问题之一——成像算法。

图2 透射式太赫兹逐点扫描成像系统

首都师范大学提出了这样一种成像算法。计算机记录了每一像素点所有原始光谱数据最大值max和最小值min。有三种太赫兹逐点扫描图像可供用户扫描，分别是时域峰峰值图、时域最大峰值图和时域最小峰值图。根据用户所选的索引，如果用户选择的是时域峰峰值图，则将max－min的值赋予该点对应二维数组data的位置上；如果用户选择的是时域最大峰值图，则将max的值赋予该点二维数组data的位置上；如果用户选择的是时域最小峰值图，则将min的值赋予该点二维数组data的位置上。这样循环，直到所有的光谱数据文件读完，二维数组data的数据被填满。

从刚被填满数据的二维数组data中分别找出该数组中的最小值frmmin和最大值frmmax。将最小值映射到灰度值0，最大值映射到灰度值255。 则有:

此处的data是某一点的经上面步骤选择出来的时域光谱值，color为该点映射后的灰度值。利用了该比例关系，可以求出该点映射后的灰度值，并与具体的图像类相关联，最后利用绘图函数将该帧的整幅图像显示出来。

 

成像质量和成像速度是该技术的另两大研究热点。自该技术问世以来，国内外科研人员围绕这两个难题进行了大量的科学研究，包括成像光源、探测器、聚焦和准直系统、引入空间滤波的方法等方面。但是在实现兼顾高成像质量和快成像速度的逐点扫描成像系统上，还有待科研人员进一步研究。